LIMR, ein neuer Typ von Endozytoserezeptoren

Alle Lebewesen sind mit einer Vielzahl von Molekülen konfrontiert, die auf Grund ihrer hydrophoben Eigenschaften in biologischen Flüssigkeiten nicht, oder nur schlecht löslich sind. Dazu gehören Lipide, Fettsäuren, aber auch viele Signalmoleküle wie Hormone, Retinoide, Pheromone und Odorantien. Um derartige Moleküle handhaben zu können, besitzen alle Organismen ein komplexes System an Transport- bzw. Bindeproteine. Dazu zählen z.B. die Plasma-Lipoproteine von Säugern, aber auch andere, wie die Lipocaline. Lipocaline kommen bei Mensch, Tier, Pflanzen und Bakterien vor und sind eine große Gruppe von kleinen, meist sezernierten Proteinen, die alle in der Lage sind hydrophobe Moleküle unterschiedlichster chemischer Klassen als Liganden zu binden. Sie sind an einer Vielzahl von biologischen Prozessen beteiligt, wie z.B. in der Modulation von Zellwachstum und Stoffwechsel, bei Entgiftungreaktionen, Entzündungsreaktionen, in der Gewebeentwicklung und sogar bei Verhaltensprozessen. Während die Struktur-Funktionsbeziehungen der Lipocaline mit ihren Liganden bereits recht gut verstanden wird, weiß man noch sehr wenig über den molekularen Mechanismus wie sie ihre Funktion ausüben. Dies vor allem deshalb, weil bis vor kurzem noch kein Lipocalin-Rezeptor bekannt war. Unserer Gruppe ist es als Erster gelungen, das Gen für einen solchen Rezeptor zu identifizieren und isolieren. Wir konnten erst kürzlich zeigen, daß es sich dabei um einen Rezeptor handelt, der das Lipocalin mit seinem Liganden durch Endozytose in die Zelle transportiert. Genanalysen zeigten, daß entsprechende Gene in vielen höheren Eukaryonten vorkommen, und dieser Lipocalinrezeptor daher den Prototyp einer neuen Familie von Endozytoserezeptoren darstellt. In dem vorliegenden Projektantrag sollen die molekularen Details, wie dieses neue System funktioniert, näher untersucht und aufgeklärt werden. Wir wollen einerseits klären, ob es sich bei diesen Rezeptoren um spezifische Lipocalinrezeptoren handelt oder ob sie eine Vielzahl von Proteinliganden akzeptieren. Da Lipocaline auch biotechnisch, als potentielle Träger für schwer lösliche Arzneimittel, interessant sind, könnten unsere Untersuchungen über Lipocalin-Rezeptoren auch neue Erkenntnisse für eine derartige Anwendung bringen.

Unser Forschungsgruppe konnte vor kurzem einen neuen Zellrezeptor des Menschen, "LIMR = lipocalin-1 interacting membran receptor" isolieren und charakterisieren. Dieser Rezeptor vermittelt die endozytotische Aufnahme von Lipocalin-1 (Lcn-1), einem bekannten Mitglied der Proteinsuperfamilie der Lipocaline, welches eine Vielzahl von hydrophoben Verbindungen bindet und Zellen und Gewebe vor der toxischen Wirkung dieser Verbindungen schützt. LIMR ist der Prototyp einer neuen Familie von Zellrezeptoren, die sich bei einer großen Zahl von Organismen finden. Die Struktur dieser Rezeptoren scheint hoch konserviert zu sein und besteht aus einer kurzen, extrazellulären N-terminalen Domäne, neun Transmembrandomänen, einer großen zentralen intrazellulären Schleife und einem intrazellulären C-terminalen Domäne. Eines der wesentlichen Ziele des abgeschlossenen Projektes war die Beantwortung der Frage, ob LIMR ein spezifischer Rezeptor für Lcn-1 ist, oder ob dieses Protein als Rezeptor für unterschiedliche Liganden dienen kann. Zu diesem Zweck haben wir Aufnahmestudien mit Fluoreszenz-markierten Proteinen mit Zellen gemacht, die LIMR natürlicherweise produzieren oder mit Zellen in denen die LIMR Expression gentechnisch induziert wurde. Wir haben dabei auch Mitglieder der Lipocalinfamilie getestet, die als Allergene beim Menschen wirken. Es ist nämlich bekannt, dass LIMR in Zellen des Immunsystems hoch exprimiert ist. Unsere Untersuchungen zeigten eindeutig, dass LIMR die zelluläre Aufnahme von ß-Lactoglobulin, einem Allergen der Milch, und vom Pferdeallergen Equ C1 (horse dander allergen) vermittelt. Es ist daher offensichtlich, dass LIMR unterschiedliche Liganden transportiert. Dies wurde auch durch Ergebnisse einer anderen Forschungsgruppe unterstützt, die zeigen, dass Uteroglobin, welches funktionelle Ähnlichkeit zu Lipocalinen zeigt, ebenfalls über LIMR internalisiert wird. Ultrastrukturanalysen betreffend den Weg, den die über LIMR internalisierten Liganden in der Zelle nehmen, zeigten überraschenderweise, dass diese Liganden nicht den klassische Endozytoseweg einschlagen, sondern einem retrograden Transportweg folgen, wie man ihn z.B. beim "Weizenkeim-Agglutinin" findet. Zusammen mit unsere Ergebnisse der LIMR vermittelten Internalisierung von Allergenen aus der Lipocalinfamilie könnten diese Untersuchungen insofern von Bedeutung sein, da sie es erlauben den Mechanismus der Wirkungsweise dieser Allergene besser zu verstehen. Ein weiteres Ziel unserer Untersuchungen war die Charakterisierung der Proteindomänen von LIMR, die für die Internalisierung der Liganden verantwortlich sind. Dabei fanden wir, dass die zentrale intrazelluläre Schleife von LIMR mit dem zellulären Motorprotein Dynaktin interagiert und so eine direkte Verbindung zwischen dem Rezeptor und der Transportmaschinerie der Zelle hergestellt wird.