LIMP, ein neues Lipocalin-interagierendes Membranprotein

Forschungsprojekt P 14850 LIMP, ein neues Lipocalin-interagierendes Membranprotein Bernhard REDL27.11.2000 Lipocaline sind k1eine sekretorische Proteine, die die Eigenschaft aufweisen, wasserunlösliche Substanzen zu binden und zu transportieren. Der bekannteste Vertreter dieser Proteinfamilie ist das Retinolbindungsprotein, welches das wasserunlösliche Retinol in Körperflüssigkeiten transportiert und an seinen Bestimmungsort bringt. Wir beschäftigen uns schon seit einiger Zeit mit einem weiteren Mitglied der Lipocalinfamilie, dem sogenannten Lipocalin 1 (lcn-1), das in verschiedenen sekretorischen Geweben des Menschen produziert wird. Lcn-1 ist ein sehr ungewöhnliches Protein, da es neben seiner Fähigkeit hydrophobe Moleküle zu binden, auch inhibitorische Aktivität auf Cysteinproteinasen aufweist und unspezifische Endonukleaseaktivität zeigt. Im Rahmen eines laufenden, vom FWF unterstützten Forschungsprojekts, konnten wir zeigen, daß dieses Protein offensichtlich als Schutzfaktor, besonders für Schleimhautoberflächen, dient, indem es potentiell zellschädigende, Lipide bindet. Was mit den gebunden Lipiden weiter passiert, d.h. wie sie unschädlich gemacht werden, ist allerdings noch völlig unklar. Mittels molekularbiologischer Methoden haben wir ein Membranprotein entdeckt, welches, zumindest im Experiment, mit Icn-1 interagiert. Wir haben es daher L1MP (Lipocalin-1 interagierendes Membranprotein) genannt. Bemerkenswert ist, daß für dieses Protein kodierende Gene in vielen Lebewesen, einschließlich Maus, Rind, Schwein, Fruchtfliege, Fadenwurm und Kugelfisch vorhanden sind. Dies zeigt, daß LIMP von universeller Bedeutung ist. Eine mögliche Funktion von LIMP könnte sein, daß es toxische Moleküle die an Icn-1 gebunden sind, übernimmt und einer weiteren Entgiftungsreaktion zuführt. Allerdings ist dies bisher nur eine Hypothese. Daher wollen wir im Rahmen dieses Projektantrags die biologische Funktion von LIMP mit molekularbiologischen und biochemischen Methoden in einem Zellsystem und im Organismus näher untersuchen, und seine biologische Funktion aufklären.

Alle Organismen müssen eine Vielzahl von Molekülen handhaben, die in Wasser oder biologischen Flüssigkeiten nur schwer oder gar unlöslich sind. Sie besitzen daher ein ausgeklügeltes System an Binde- bzw. Transportproteinen für diese Moleküle. Das bekannteste Beispiel für solche Proteine sind die Plasma HDL und LDL Lipoproteine. Eine andere Gruppe von derartigen Binde- bzw. Transportproteinen sind die sogenannten "Lipocaline". Im Gegensatz zu den HDL und LDL Lipoproteinen, die ausschließlich bei Organismen mit einem Blutsystem vorkommen, findet man Lipocaline bei allen Organismen wie Bakterien, Pflanzen und Säugern. Außerdem ist ihr Ligandenspektrum viel breiter. Sie binden Hormone, Pheromone, Geruchs- und Geschmackstoffe, Fettsäuren, hydrophobe Peptide und viele andere wasserunlösliche Moleküle. Die Struktur und die biochemischen Eigenschaften der Lipocaline sind bereits gut untersucht. Sehr wenig weiß man jedoch über die biologische Wirkungsweise dieser Proteine. Dies vor allem deshalb, weil bis vor kurzem völlig unklar war, wie diese Binde- bzw. Transportproteine in die Zelle gelangen und was dort mit ihren Liganden geschieht. Im Rahmen des abgeschlossenen FWF Projektes ist es uns gelungen, mit Hilfe einer molekularbiologischen Methode ("Phage display") ein Rezeptorprotein (LIMR) für ein Lipocalin (lipocalin-1, tear lipocalin) beim Menschen zu identifizieren. Strukturell besteht dieses Protein aus neun Transmembranbereichen, einer extrazellulären Domäne auf der Außenseite, die mit dem Lipocalin-Ligandenkomplex interagiert und aus einer langen zytoplasmatischen Schleife. Wir konnten weiters zeigen, daß dieser Rezeptor, den an das Lipocalin-1 gebundenen wasserunlöslichen Liganden mitsamt dem Bindeprotein durch eine Art Endozytose in die Zelle bringt. Gene für derartige Proteine sind auch in einer Reihe von anderen höheren Eukaryonten vorhanden. Da alle die gleiche räumliche Struktur aufweisen, kann unser Protein als Prototyp einer neuen Familie von Endozytoserezeptoren bezeichnet werden. Untersuchungen im Rahmen der Analyse der Interaktion zwischen LIMR und Lipocalin-1 ergaben auch noch ganz neue Erkenntnisse über das Lipocalin-1 selbst. So konnte einerseits durch eine internationale Kooperation die komplette dreidimensionale Struktur dieses Lipocalins aufgeklärt werden. Anderseits fanden wir, daß Lipocalin-1 als physiologischer "Fänger" von mikrobiellen Siderophoren dienen kann. Dadurch wird das Wachstum von Bakterien und Pilzen unter Eisenmangelbedingungen stark gehemmt. Lipocalin-1 scheint daher auch eine Rolle in der angeborenen Immunität zu spielen.