Proprotein Convertase Enzymes FURIN and PCSK7 in Immune Regulation

Abstract

Proproteiinikonvertaasi-entsyymit immuunijärjestelmän säätelyssä

Immuunijärjestelmämme puolustaa elimistöä ulkoisia taudinaiheuttajia ja syöpäsoluja vastaan, mutta jos sen toiminnan säätely häiriintyy, elimistö saattaa altistua tulehduksellisille sairauksille. Tällaiset immuunijärjestelmän häiriötilat kuten nivelreuma, tyypin 1 diabetes ja astma kohdistuvat kasvavaan potilasjoukkoon kuormittaen yhteiskuntaa, minkä takia immuunisolujen toimintaa on välttämätöntä tutkia yksityiskohtaisemmin uusien hoitokeinojen kehittämiseksi. Yksi immuunijärjestelmämme säätelijöistä on proproteiinikonvertaasi (PCSK) -entsyymiperhe.

Useat proteiinit tuotetaan soluissa aluksi toimimattomina proproteiineina, jotka sitten pilkotaan toimintakykyiseen muotoon molekyylisaksien, esimerkiksi PCSK-entsyymien avulla. Näillä entsyymeillä on tärkeä tehtävä solujen toiminnassa, mutta niiden merkitys immuunivälitteisissä tautitiloissa tunnetaan vielä puutteellisesti. Tässä väitöstutkimuksessa tarkasteltiin PCSK-entsyymejä immuunijärjestelmän säätelijöinä. Väitöstutkimuksen ensimmäisessä osatyössä havaittiin, että PCSK-entsyymi FURIN on välttämätön auttaja-T-solujen oikeanlaiselle erilaistumiselle ja immuunivasteelle solunsisäistä taudinaiheuttajaa vastaan. Tutkimuksessa löydettiin myös uusia FURIN-vuorovaikutuksia. Toisessa osatyössä näytettiin, että päinvastoin kuin nisäkkäillä, seeprakaloilla PCSK7-entsyymi on välttämätön alkionkehitykselle. Lisäksi PCSK7-entsyymin osoitettiin säätelevän immuunivasteen geenien ilmentymistä ja TGFβ-sytokiinin pilkkoutumista toimintakykyiseen muotoon. Kolmannessa osatyössä vertailtiin PCSK-geenien ilmentymistasoja potilailla, jotka sairastavat valtimonkovettumatautia eli ateroskleroosia. Tulokset osoittivat, että FURIN ja sen kohdesytokiinit BAFF ja APRIL ovat yliedustettuja verisuonen seinämään muodostuvan kolesterolikertymän eli ateroskleroottisen plakin immuunisoluissa. Tutkimuksessa selvisi myös, että FURIN-ilmentyminen lisääntyy immunologisen aktivaation seurauksena T-solujen lisäksi makrofageissa, mikä viittaa mahdolliseen FURIN-välitteiseen säätelyyn myös synnynnäisen immuunivasteen solutyypeissä.

Väitöstutkimuksen tulokset antavat hyvän pohjan jatkaa yksityiskohtaisempien, erilaisille solutyypeille ominaisten säätelytapojen tutkimusta, mikä saattaa mahdollistaa uusien hoitomuotojen kehittämisen tulevaisuudessa. PCSK-entsyymien toimintaan vaikuttavat lääkemolekyylit ovat jo osoittautuneet hyödyllisiksi esimerkiksi syövän, infektiotautien ja ateroskleroosin kokeellisessa hoidossa.

Our immune system is challenged daily by harmful pathogens and misbehaving cells of our own tissues. A powerful immune response is essential for overcoming these challenges. However, an uncontrolled reaction might expose the host to immune system disorders, including autoimmunity and allergies. Diseases such as rheumatoid arthritis, type 1 diabetes, and asthma are an increasingly heavy burden both for patients and society, and novel therapeutic and diagnostic interventions for preventing and treating immune system diseases are thus required. The regulation of the immune system is mediated by various cell types, secreted molecules and direct cell-to-cell contacts. Importantly, many biomolecules are initially synthesized as inactive proproteins, which then undergo a proteolytic maturation step. Proprotein convertase subtilisin/kexin (PCSK) enzymes catalyze the endoproteolytic activation of a variety of proproteins, including receptors, cytokines, and pathogenic agents. Although PCSKs have a critical role in cellular homeostasis, their immunoregulatory functions are still incompletely understood.

This study investigated the role of PCSKs in immune regulation by using various methods and model organisms. The first-characterized and most studied PCSK member FURIN was shown to be critical for the correct polarization of T helper cells as well as for the cell-mediated immune response against a prototypic intracellular pathogen, Toxoplasma gondii in a mouse model. Further, T cell specific FURIN interacting proteins were captured from human T cells resulting in the identification of the RAC/DOCK2 interaction complex, which links FURIN to the regulation of cytoskeleton dynamics in T cells. In addition, the role of the evolutionarily most ancient PCSK enzyme, PCSK7, was studied during vertebrate development and in the regulation of gene expression using a zebra fish model. Interestingly, contrary to its mammalian counterpart, the zebra fish PCSK7 was found to be essential for embryogenesis and for the expression of genes coding proteins of immune system. This study also demonstrated that both the human and zebra fish PCSK7s are capable of proteolytically processing pro-TGFβ1, which might indicate a sophisticated spatiotemporal regulation of the cytokine’s bioavailability. Furthermore, a systematic approach was used to analyze the expression of PCSKs in human atherosclerotic vascular samples. FURIN was found to be the major upregulated PCSK in the immune cells of atherosclerotic plaques, where its substrate cytokines BAFF and APRIL were also overexpressed. In addition, this study demonstrated, for the first time, that the expression of FURIN is induced also in macrophages in response to immunoactivation. This suggests that FURIN plays a regulatory role also in innate immunity.

Collectively, this study shows that PCSKs mediate both unique and redundant, and in most cases critical roles, in regulating the immune system. The utilization of two vertebrate model organisms and human patient samples demonstrated that PCSK mediated immunoregulatory functions are evolutionary conserved, but a deeper understanding of their cell-type specific spatiotemporal regulation is essential. This study provides new insights for the therapeutic targeting of PCSKs and their substrates suggesting novel ways to treat or diagnose immunological diseases.