Characterization of the metalloproteases meprin α and meprin β within the protease web

Broder, Claudia

Fibrillar collagen type I is the most abundant protein in human body and essential for the formation and strength of bone, skin, and tendon. The assembly of collagen fibrils is initiated by proteolytic enzymes which cleave off the propeptides of procollagen I. Hence, mutations in collagen genes and dysregulation of procollagen proteinase activity are the main causes of pathological disorders in collagen fibril formation. Here I demonstrate that the metalloproteases meprin α and meprin β are the only enzymes known so far capable of releasing the C- as well as the Npropeptides from type I procollagen both in vitro and in vivo thereby inducing the assembly of collagen fibrils. Meprin cleavage sites were found to be the same or in close proximity to those for the N-proteinase ADAMTS-2 and the C-proteinase BMP-1. Skin lysates from meprin α and meprin β knockout mice revealed smaller amounts of the mature collagen I compared to wild-type controls. As a consequence, meprin α and meprin β knockout mice exhibited significantly reduced collagen deposition in skin and an impaired arrangement of dermal collagen fibrils. This resulted in a markedly decreased tissue tensile strength. As a compensatory effect to partly offset the loss of procollagen proteinase activity in meprin knockout mice, expression of gene coding for bone morphogenetic protein-1/mammalian tolloid (BMP-1/mTLD) was significantly increased in these animals. These data demonstrate that meprin α and meprin β induce collagen fibril formation in vitro and in vivo and contribute to the integrity of connective tissue in skin. They regulate the collagen deposition in skin and might therefore be promising therapeutic targets to limit fibrosis.

Fibrilläre Kollagene stellen die wichtigsten Proteine des Organismus dar. Sie sind die strukturgebenden Proteine von Haut, Knochen und Sehnen. Während der Synthese des Kollagens findet eine post-translationale Modifizierung des Prokollagens durch Proteasen statt, die die Propeptide abspalten. Durch das Fehlen der Propeptide sind Kollagenmoleküle in der Lage, sich zu langen Fibrillen aneinanderzulagern und es kommt zur Kollagenassemblierung. Im Rahmen dieser Dissertation konnte ich zeigen, dass die Metalloproteasen Meprin α und Meprin β die bisher einzigen bekannten Enzyme sind, die in der Lage sind, sowohl das C- als auch das N-Propeptid vom Prokollagen I in vitro und in vivo abzuspalten. Diese enzymatische Spaltung geht mit der Fibrillenbildung einher, die im Elektronenmikroskop beobachtet werden konnte. Konsequenterweise zeigen Meprin α und Meprin β Knockout-Mäuse signifikante Defekte bei der Integrität des Bindegewebes. Durch das Fehlen der C- und N-Proteinaseaktivität in Meprin Knockout-Mäusen kann weniger reifes Kollagen gebildet werden als in wildtypischen Kontrollmäusen. Histologische Untersuchungen der Haut haben ergeben, dass die Kollagenschicht dieser Meprin Knockout-Mäuse signifikant vermindert ist und die Kollagenfasern in der Haut dieser Mäuse weniger dicht gepackt, ungeordnet und kleiner im Durchmesser sind, woraus eine stark reduzierte Reißfestigkeit der Haut resultiert. Um das Fehlen der Prokollagen-Proteinaseaktivität zu kompensieren,werden die für das bone morphogenetic protein-1/mammalian tolloid (BMP-1/mTLD) codierenden Gene in diesen Mäusen stark überexpremiert. In der vorliegenden Arbeit zeige ich, dass sowohl Meprin α als auch Meprin β die Kollagenassemblierung in vitro und in vivo induzieren und somit an der Stabilität des Bindegewebes beteiligt sind. Sie regulieren die Kollageneinlagerung in der Haut und sind aus diesem Grund vielversprechende therapeutische Targets in der Fibrose.

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Broder, Claudia: Characterization of the metalloproteases meprin α and meprin β within the protease web. 2013.

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