ITAM-like signalling for efficient phagocytosis : The paradigm of the granulocyte receptor CEACAM3
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2010
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Zusammenfassung
Human CEACAM3 is a tailor-made receptor of the innate immune system to fight pathogens exploiting epithelial CEACAM-family members for colonisation and invasion of their host. Previous studies established CEACAM3 as the receptor facilitating rapid phagocytosis and elimination of N. gonorrhoeae by human granulocytes. The studies reported here set out to shed light on the evolution of this highly specialised receptor and the associated signalling machinery.
CEACAM3 arose from exon shuffling after radiation of CEACAM1 approximately 24 million years ago in an ancestor of modern primates, bringing together the N-terminal domain of an epithelial CEACAM (CEACAM1, CEA or CEACAM6) targeted by pathogens with an intracellular signalling sequence most probably derived from an early CEACAM4 equipping it with a trigger of efficient phagocytosis. This signalling motif, that is closer to a canonical ITAM in CEACAM4, was further diversified during CEACAM3 evolution. Phagocytosis via CEACAM3 requires the activity of Src-family tyrosine kinases and activation of the small GTPase Rac, a regulator of the actin cytoskeleton. We could show, that phosphorylation of the tyrosines in the CEACAM3 ITAM-like sequence allows direct recruitment of the guanine nucleotide exchange-factor (GEF) Vav, which acts on Rac. Rac triggers lamellipodia formation by its effector, the WAVE-complex, a heteropentameric assembly providing interfaces for Rac and the adapter protein Nck via Sra1 and Nap1 respectively. We show, that CEACAM3 orchestrates activation as well as localisation of the actin-polymerisation machinery by recruitment of the WAVE-complex via Nck, which constitutively binds the WAVE-complex and is recruited to sites of CEACAM3 phosphorylation in a SH2-dependent manner. Further studies were undertaken to elucidate the role of additional kinases in the CEACAM3 signalling pathway. From similarities to immunoreceptor-signalling pathways the Tec and Syk family of tyrosine kinases were in the focus of those studies. While Tec kinases were found to be important in uptake and directly bind to pY230 of CEACAM3 during uptake, Syk associated with CEACAM3 wildtype only after uptake, but not close to the plasma membrane during the phagocytic process. This is in contrast to a CEACAM3/CD3ΞΆ-ITAM chimera, where Syk co-localised with the chimera and bacteria in early uptake but not intracellular bacteria. Together, these studies provide novel insight into the protein-interaction network initiated by bacterial binding to CEACAM3 and help to explain the efficient and rapid phagocytosis mediated by this granulocyte receptor.
CEACAM3 arose from exon shuffling after radiation of CEACAM1 approximately 24 million years ago in an ancestor of modern primates, bringing together the N-terminal domain of an epithelial CEACAM (CEACAM1, CEA or CEACAM6) targeted by pathogens with an intracellular signalling sequence most probably derived from an early CEACAM4 equipping it with a trigger of efficient phagocytosis. This signalling motif, that is closer to a canonical ITAM in CEACAM4, was further diversified during CEACAM3 evolution. Phagocytosis via CEACAM3 requires the activity of Src-family tyrosine kinases and activation of the small GTPase Rac, a regulator of the actin cytoskeleton. We could show, that phosphorylation of the tyrosines in the CEACAM3 ITAM-like sequence allows direct recruitment of the guanine nucleotide exchange-factor (GEF) Vav, which acts on Rac. Rac triggers lamellipodia formation by its effector, the WAVE-complex, a heteropentameric assembly providing interfaces for Rac and the adapter protein Nck via Sra1 and Nap1 respectively. We show, that CEACAM3 orchestrates activation as well as localisation of the actin-polymerisation machinery by recruitment of the WAVE-complex via Nck, which constitutively binds the WAVE-complex and is recruited to sites of CEACAM3 phosphorylation in a SH2-dependent manner. Further studies were undertaken to elucidate the role of additional kinases in the CEACAM3 signalling pathway. From similarities to immunoreceptor-signalling pathways the Tec and Syk family of tyrosine kinases were in the focus of those studies. While Tec kinases were found to be important in uptake and directly bind to pY230 of CEACAM3 during uptake, Syk associated with CEACAM3 wildtype only after uptake, but not close to the plasma membrane during the phagocytic process. This is in contrast to a CEACAM3/CD3ΞΆ-ITAM chimera, where Syk co-localised with the chimera and bacteria in early uptake but not intracellular bacteria. Together, these studies provide novel insight into the protein-interaction network initiated by bacterial binding to CEACAM3 and help to explain the efficient and rapid phagocytosis mediated by this granulocyte receptor.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Das humane CEACAM3 ist ein maΓgeschneiderter Rezeptor des angeborenen Immunsystems und dient zur BekΓ€mpfung von Pathogenen, die epitheliale CEACAMs zur Kolonisation und Infektion ihres Wirtes ausnutzen. Vorangegangene Untersuchungen identifizierten CEACAM3 als den Rezeptor, der die schnelle Phagozytose und AbtΓΆtung von N. gonorrhoeae durch humane Granulozyten bewirkt. Die hier vorgestellten Untersuchungen sollen Aufschluss ΓΌber die Evolution dieses hochspezialisierten Rezeptors und den zugehΓΆrigen Signaltransduktions-apparat geben.
Durch die Neuanordnung von Exonen nach der Radiation von CEACAM1 entstand CEACAM3 vor ca. 2,4x107 Jahren in einem Vorfahren der modernen Primaten. Hierbei wurde die N-terminale DomΓ€ne eines epithelialen CEACAMs (CEACAM1, CEA oder CEACAM6), welches von Pathogenen genutzt wird, mit einer intrazellulΓ€ren DomΓ€ne kombiniert, die hΓΆchstwahrscheinlich von einem ursprΓΌnglichen CEACAM4 stammt. Die Kombination dieser Komponenten ergab einen effizienten, phagozytischen Rezeptor. Das fΓΌr den Aufnahmeprozess verantwortliche Signalmotiv, welches in CEACAM4 einem typischen ITAM noch Γ€hnlicher ist, wurde im Laufe der Evolution von CEACAM3 weiter abgewandelt. Die Phagozytose ΓΌber CEACAM3 benΓΆtigt die AktivitΓ€t von Tyrosinkinasen der Src Familie, sowie die Aktivierung der kleinen GTPase Rac, einem Regulator des Aktin- Zytoskeletts. Es konnte gezeigt werden, dass die Phosphorylierung der Tyrosinreste in der ITAM-Γ€hnlichen Sequenz von CEACAM3 die direkte Rekrutierung des Rac aktivierenden Guanin-Nukleotid Austauschfaktors (GEF) Vav ermΓΆglicht. Durch seinen Effektor, dem WAVE-Komplex, lΓΆst Rac die Bildung von Lamellipodien aus. Der heteropentamere Wave-Komplex stellt auf seinen Komponenten Sra1 und Nap1 Bindungsstellen fΓΌr Rac bzw. das Adapterprotein Nck bereit. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass CEACAM3 sowohl die Aktivierung als auch die Lokalisation des Aktin-Polymerisierungsapparates durch Rekrutierung des WAVE-Komplexes ΓΌber Nck koordiniert. Nck bindet konstitutiv an den Wave-Komplex und wird in AbhΓ€ngigkeit von seiner SH2-DomΓ€ne zu Stellen rekrutiert, an denen CEACAM3 in phosphorylierter Form vorliegt. Weitere Untersuchungen wurden durchgefΓΌhrt, um die Beteiligung weiterer Kinasen im CEACAM3 Signalweg zu erforschen. Aufgrund der Parallelen zu den SignaltransduktionsvorgΓ€ngen von Immunrezeptoren rΓΌckten die Kinasen Tec und Syk in den Fokus dieser Untersuchungen. WΓ€hrend eine Beteiligung der Tec Kinasen an der Aufnahme von Pathogenen festgestellt wurde, konnte Syk nur nach der Aufnahme, nicht aber wΓ€hrend des Aufnahmevorganges an der Zellmembran in Verbindung mit unverΓ€ndertem CEACAM3 beobachtet werden. Dies stellt einen Gegensatz zu den Beobachtungen dar, die mit einer ChimΓ€re aus CEACAM3 und einem, dem CD3ΞΆ Protein entstammenden, traditionellen ITAM gemacht wurden. Hier ko-lokalisierte Syk in frΓΌhen den Phasen der Aufnahme mit der ChimΓ€re an der Zellmembran. Diese Lokalisation konnte jedoch bei intrazellulΓ€ren Bakterien nicht mehr festgestellt werden. Zusammengenommen geben diese Untersuchungen neue Einblicke in das Netzwerk von Proteininteraktionen, welche durch die Bindung von Bakterien an CEACAM3 ausgelΓΆst werden. Die gewonnenen Erkenntnisse ermΓΆglichen ein besseres VerstΓ€ndnis der schnellen und effizienten Phagozytose, die von diesem Granulozyten-spezifischen Rezeptor vermittelt wird.
Durch die Neuanordnung von Exonen nach der Radiation von CEACAM1 entstand CEACAM3 vor ca. 2,4x107 Jahren in einem Vorfahren der modernen Primaten. Hierbei wurde die N-terminale DomΓ€ne eines epithelialen CEACAMs (CEACAM1, CEA oder CEACAM6), welches von Pathogenen genutzt wird, mit einer intrazellulΓ€ren DomΓ€ne kombiniert, die hΓΆchstwahrscheinlich von einem ursprΓΌnglichen CEACAM4 stammt. Die Kombination dieser Komponenten ergab einen effizienten, phagozytischen Rezeptor. Das fΓΌr den Aufnahmeprozess verantwortliche Signalmotiv, welches in CEACAM4 einem typischen ITAM noch Γ€hnlicher ist, wurde im Laufe der Evolution von CEACAM3 weiter abgewandelt. Die Phagozytose ΓΌber CEACAM3 benΓΆtigt die AktivitΓ€t von Tyrosinkinasen der Src Familie, sowie die Aktivierung der kleinen GTPase Rac, einem Regulator des Aktin- Zytoskeletts. Es konnte gezeigt werden, dass die Phosphorylierung der Tyrosinreste in der ITAM-Γ€hnlichen Sequenz von CEACAM3 die direkte Rekrutierung des Rac aktivierenden Guanin-Nukleotid Austauschfaktors (GEF) Vav ermΓΆglicht. Durch seinen Effektor, dem WAVE-Komplex, lΓΆst Rac die Bildung von Lamellipodien aus. Der heteropentamere Wave-Komplex stellt auf seinen Komponenten Sra1 und Nap1 Bindungsstellen fΓΌr Rac bzw. das Adapterprotein Nck bereit. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass CEACAM3 sowohl die Aktivierung als auch die Lokalisation des Aktin-Polymerisierungsapparates durch Rekrutierung des WAVE-Komplexes ΓΌber Nck koordiniert. Nck bindet konstitutiv an den Wave-Komplex und wird in AbhΓ€ngigkeit von seiner SH2-DomΓ€ne zu Stellen rekrutiert, an denen CEACAM3 in phosphorylierter Form vorliegt. Weitere Untersuchungen wurden durchgefΓΌhrt, um die Beteiligung weiterer Kinasen im CEACAM3 Signalweg zu erforschen. Aufgrund der Parallelen zu den SignaltransduktionsvorgΓ€ngen von Immunrezeptoren rΓΌckten die Kinasen Tec und Syk in den Fokus dieser Untersuchungen. WΓ€hrend eine Beteiligung der Tec Kinasen an der Aufnahme von Pathogenen festgestellt wurde, konnte Syk nur nach der Aufnahme, nicht aber wΓ€hrend des Aufnahmevorganges an der Zellmembran in Verbindung mit unverΓ€ndertem CEACAM3 beobachtet werden. Dies stellt einen Gegensatz zu den Beobachtungen dar, die mit einer ChimΓ€re aus CEACAM3 und einem, dem CD3ΞΆ Protein entstammenden, traditionellen ITAM gemacht wurden. Hier ko-lokalisierte Syk in frΓΌhen den Phasen der Aufnahme mit der ChimΓ€re an der Zellmembran. Diese Lokalisation konnte jedoch bei intrazellulΓ€ren Bakterien nicht mehr festgestellt werden. Zusammengenommen geben diese Untersuchungen neue Einblicke in das Netzwerk von Proteininteraktionen, welche durch die Bindung von Bakterien an CEACAM3 ausgelΓΆst werden. Die gewonnenen Erkenntnisse ermΓΆglichen ein besseres VerstΓ€ndnis der schnellen und effizienten Phagozytose, die von diesem Granulozyten-spezifischen Rezeptor vermittelt wird.
Fachgebiet (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie
SchlagwΓΆrter
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690
PILS, Stefan, 2010. ITAM-like signalling for efficient phagocytosis : The paradigm of the granulocyte receptor CEACAM3 [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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PrΓΌfungsdatum der Dissertation
March 25, 2011
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Kommentar zur Publikation
Allianzlizenz
Corresponding Authors der Uni Konstanz vorhanden
Internationale Co-Autor:innen
UniversitΓ€tsbibliographie
Ja