Structure-function relationships of human lipocalin 1

Lipocalin 1 (Lcn-1) ist ein Protein, das in verschiedenen sekretorischen Drüsen und Geweben des Menschen produziert wird. Es wird aufgrund seiner Aminosäuresequenzhomologie und seiner biochemischen Eigenschaften zur Familie der Lipocaline gezählt. Diese haben die Eigenschaft, wasserunlösliche Substanzen zu binden und zu transportieren. Bekanntestes Beispiel ist das Retinolbindungsprotein, welches das lebensnotwendige wasserunlösliche Retinol im Plasma transportiert. Wichtigstes Strukturmerkmal aller bisher untersuchten Lipocaline, einschliesslich Lcn-1, ist eine hydrophobe Tasche, die die Form eines "Kaffeefilters" aufweist. Darin werden die wasserunlöslichen Liganden gebunden. Lcn-1 ist ein sehr ungewöhnliches Mitglied dieser Proteinfamilie, da es neben seiner klassischen Fähigkeit wasserunlösliche Liganden zu binden, auch inhibitorische Aktivität auf Cysteinproteinasen aufweist. Im Rahmen des abgeschlossenen, vom FWF unterstützten Forschungsprojekts konnten wir zeigen, daß die Hauptfunktion von LCN1 darin besteht, verschiedene Gewebe gegen schädliche Einfüsse von lipophilen Molekülen, die bei oxidativem Stress, bei Entzündungen oder Infektionen frei werden, zu schützen. Bewerkstelligt wird dies dadurch, daß Lcn-1 diese Substanzen in seiner hydrophoben Tasche bindet und über einen noch aufzuklärenden Mechanismus "entgiftet". Von besonderem medizinischen Interesse könnte unsere Entdeckung sein, daß Lcn-1 im Luftröhren- und Bronchialsekret von Patienten mit Cystischer Fibrose stark überproduziert ist. Diese Überproduktion korreliert mit dem Schweregrad der Erkrankung, aber auch mit der Zunahme von bakteriellen Infektionen, welche bei diesen Patienten häufig gefunden werden. Lcn-1 könnte daher als prognostischer Marker und für die Verlaufskontrolle nach Antibiotikatherapie dienen. Mittels molekularbiologischer Studien konnten wir wesentliche Strukturelemente, die für die Bindung der hydrophoben Liganden wichtig sind näher charakterisieren und zeigen, daß die Aktivität von Lcn-1 durch interagierende Proteine, wie z.B. Thioredoxin, moduliert werden kann. Besonders ausführlich haben wir uns mit den strukturellen Grundlage der zweiten Aktivität des Proteins, nämlich der Hemmung von Proteaseaktivität beschäftigt. Dies auch deshalb, weil es immer mehr Hinweise gibt, daß viele Proteine duale, d.h zwei völlig unterschiedliche Funktionen ausüben können. Derartige Untersuchungen daher von generellem biologischem Interesse sein könnten. Wir fanden, daß Lcn-1 am N-terminalen Ende drei Aminosäuremotive besitzt, die hohe Sequenzähnlichkeit zu Cystatinen, das sind bekannte biologische Hemmstoffe von Cysteinproteinasen, aufweist. Strukturelle und molekularbiologische Untersuchungen bei denen gentechnisch veränderte Lcn-1 Varianten hergestellt wurden, zeigten, daß diese Motive tatsächlich die Proteaseinhibition von Lcn-1 vermitteln.