Untersuchungen zur Struktur und Funktion der Prodomäne von BMP-2

Abstract

Bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) wird seit 2002 zur Behandlung von Schienbeinfrakturen in der Humanmedizin eingesetzt. Bei der Applikation werden allerdings zum Teil schwerwiegende Nebenwirkungen beobachtet, die vermutlich auf eine lokale Überdosierung des Wachstumsfaktors zurückzuführen sind. Ein möglicher Ansatz zur Minderung der Nebenwirkungen wäre der Einsatz der Proform von BMP-2 als langsam wirkendes Therapeutikum. Die Aufklärung der Struktur und Funktion der Prodomäne von BMP-2 trägt zur Kenntnis der Wirkungsweise von proBMP-2 bei. Zu Beginn der Arbeit waren die biologischen Funktionen der BMP-2-Prodomäne noch nicht vollständig aufgeklärt und es existierten keinerlei Informationen zur Struktur. Die vorliegende Dissertation umfasst die biophysikalische Charakterisierung von Subdomänen der Prodomäne (15 kDa- und 20 kDa-Subdomäne), welche möglicherweise als Faltungsgerüst für die gesamte Prodomäne fungieren. Es wurde gezeigt, dass die Subdomänen unabhängig faltende Einheiten darstellen und eine zu der Prodomäne von TGF-β1 ähnliche dreidimensionale Struktur aufweisen. Die Prodomänen der BMPs sind nicht nur an der Regulation der Funktion sondern auch an der Faltung der reifen Proteine beteiligt. Für die Prodomäne des eng verwandten Proteins TGF-β1 wurde gezeigt, dass sie essentiell für die Dimerisierung und Sekretion des reifen Wachstumsfaktors ist. Im Rahmen dieser Dissertation wurde in Zellkultur-Experimenten belegt, dass die Biogenese von reifem BMP-2 abhängig von der Anwesenheit der kovalent gebundenen Prodomäne ist. Die 20 kDa-Subdomäne war in der Lage die Funktion der gesamten Prodomäne bei der Biogenese zu übernehmen.

Since 2002 Bone Morphogenetic Protein-2 (BMP-2) is applied for treatment of slow healing tibia fractures. Application comes along with a broad range of side effects that may be due to local overdosis. The pro-form of BMP-2 could represent a retard drug and thus an alternative approach to overcome these problems. Knowledge of the structure and function of the prodomain of BMP-2 contributes to a comprehensive picture of the biological activities of the pro-forms of BMP growth factors. To date, the functions of the BMP-2 prodomain are not fully understood and nothing is known about the structure. In this work, subdomains (15 kDa- and 20 kDa-subdomain) of the prodomain were characterized biophysically. It was shown that these subdomains fold independently and exhibit a similar structure as the prodomain of TGF-β1. These core domains may serve as a scaffold for folding and assembly of the dimeric proprotein complexes. Prodomains of BMPs have received increasing attention since it has been shown that they can affect both the functions and folding of mature growth factors. An essential role during dimerization and secretion of the mature growth factor has been shown for the related prodomain of TGF-β1. This PhD thesis provides evidence that the biogenesis of BMP-2 depends on the presence of the covalently linked prodomain. Furthermore, the 20 kDa-subdomain is sufficient for the biogenesis of mature homodimeric growth factor.