Chasing the HARE: elucidation of the binding mechanism of the new and unexplored ligands of the Hyaluronic Acid Receptor for Endocytosis, stabilin-2
W pogoni za HARE: określenie mechanizmu wiązania nowych i niezbadanych ligandów receptora kwasu hialuronowego, stabiliny-2
Project type: Research and development
Keywords: receptor kwasu hialuronowego HARE stabilina-2 oddziaływania białko-ligand receptor zmiatacz oligonukleotydy końcowe produkty glikacji cukrzyca krystalografia rentgenowska
Keywords (english): hyaluronic acid receptor HARE stabilin-2 protein-ligand interactions scavenger receptor oligonucleotides advanced glycation end products diabetes X-ray crystallography
Consortium members: Project was not implemented as part of a consortium
Project implementation period: 2/10/2020 - 1/10/2025
Funding institution: Narodowe Centrum Nauki
Program name: SONATINA
Project manager: Aleksandra Twarda-Cłapa
Funding value: 794 304,00 PLN
Total project value: 794 304,00 PLN
Celem projektu jest określenie struktury przestrzennej fragmentów receptora kwasu hialuronowego, stabiliny-2, przy pomocy metod krystalografii rentgenowskiej oraz scharakteryzowanie wiązania wybranych, nowych ligandów do tego receptora. W ramach projektu realizowane będą badania podstawowe z obszaru nauk o życiu, a dokładnie z dziedziny biochemii, biologii molekularnej i biologii strukturalnej. Głównym powodem podjęcia badań nad stabiliną-2 jest jej udział w wielu procesach fizjologicznych, a także w patologicznych (m. in. progresja nowotworów) oraz w dostarczaniu leków do komórek docelowych. Stabilina-2 to należy do grupy receptorów zmiatających i uczestniczy w usuwaniu z krwioobiegu kilkunastu ligandów, będących zarówno produktami degradacji macierzy zewnątrzkomórkowej, jak i przemiany materii. Jednym z ligandów jest kwas hialuronowy, który jest wiązany przez domenę Link stabiliny-2. Obecna wiedza na temat sposobów rozpoznawania i wiązania ligandów oraz mechanizmów przekazywania sygnałów przez stabilinę-2 jest bardzo ograniczona. Niedawne badania ujawniły, że zarówno brak stabiliny-2, jak i jej zablokowanie przy użyciu przeciwciał efektywnie zmniejsza ilość przerzutów komórek nowotworowych, zwiększając poziom kwasu hialuronowego we krwi. Według Światowej Organizacji Zdrowia, nowotwory figurują jako jedna z głównych przyczyn zachorowalności i śmiertelności na całym świecie. Spodziewane jest, że liczba wykrytych przypadków nowotworu wzrośnie do 22 milionów rocznie w przeciągu kolejnych dwóch dekad. Ponadto, przez fakt wiązania i internalizacji zaawansowanych produktów glikacji, stabilina-2 może być także uwikłana w procesy związane m. in. z cukrzycą, kolejną istotną chorobą cywilizacyjną. Ostatnie badania pokazały również, że stabilina-2 zaangażowana jest w wiele procesów związanych z dostarczaniu leków do komórek docelowych. Wiąże ona m. in. oligonukleotydy (krótkie fragmenty DNA), które mogą mieć zastosowanie np. w terapiach genowych. Badany receptor doprowadza do internalizacji oligonukleotydów, które mogą być dalej uwolnione w komórce docelowej. Stabilina-2 rozpoznaje oraz wprowadza do komórki także nanocząsteczki sprzężone z kwasem hialuronowym oraz potencjalnym lekiem, co może być również strategią efektywnego dostarczania leku. Precyzyjne mechanizmy oddziaływania z tymi istotnymi liandami nie są jednak dotychczas dobrze poznane. Z racji dużego podobieństwa strukturalnego, nie wykluczone jest też wiązanie oligonukleotydów RNA przez stabilinę-2. Do dnia dzisiejszego opisana jest jedynie jedna struktura eksperymentalna – domena FAS1 (opublikowana przez Kierownika Projektu). Poznanie struktury domeny Link wiążącej kwas hialuronowy i inne ligandy w otoczeniu przyległych domen było by cenną informacją pomocną w zrozumieniu charakterystyki wiązania ligandów i usuwania go z krwioobiegu. Poznanie wysokorozdzielczej struktury tego białka otworzyłoby drogę do dalszych badań nad sposobami zablokowania funkcji stabiliny-2, między innymi przez projektowanie silnie wiążących antagonistów tego receptora, i otworzyć drogę do projektowania chemicznych sond umożliwiających badanie ścieżki sygnałowej stabiliny-2. Przeprowadzone przez nas badania mogą pomóc też w usprawnieniu technik wykorzystywanych w badaniach strukturalnych białek podobnych do stabiliny-2, zarówno pod względem budowy, jak i pełnionych przez nią funkcji. Co więcej, szczegółowa charakterystyka wiązania kwasu hialuronowego pod względem biochemicznym da pełniejszy wgląd w udział oddziaływania stabiliny-2 z tym ligandem w procesy progresji nowotworu.
The aim of this project is to determine the three-dimensional structure of fragments of hyaluronic acid receptor stabilin-2 by means of methods of X-ray crystallography, as well as to characterize binding of the chosen new ligands to this receptor. The project constitutes basic research in life sciences; in particular, in the field of biochemistry, molecular biology and structural biology. The main reason for conducting the research on stabilin-2 is its involvement in many physiological processes, but also in pathologic states (e.g. cancer progression) and in drug delivery to the target cells. Stabilin-2 belongs to the group of the scavenger receptors and plays a crucial role in clearance of more than 10 ligands from bloodstream, including products of degradation of the extracellular matrix and metabolic products. One of these ligands is hyaluronic acid that binds to the Link domain of stabilin-2. Present knowledge of ligands’ recognition and binding, as well as mechanisms of signal transmission by stabilin-2, is limited. It has recently been demonstrated that the stabilin-2 knock-out or blocking of the receptor by an antibody effectively opposes cancer metastasis by elevating the level of the circulating hyaluronic acid. According to the World Health Organization, cancers figure among the leading causes of morbidity and mortality worldwide. It is expected that annual cancer cases will rise to 22 millions within the next 2 decades. Moreover, due to the fact that stabilin-2 is also responsible for the binding and internalization of advanced glycation end products, it may be also involved in the processes connected with e.g. diabetes, another important civilisation disease. Recent research has shown that stabilin-2 is entangled also in many processes connected with drug delivery to the target cell. It recognizes i. a. oligonucleotides (short DNA fragments), which may find a use in e.g. gene therapy. The investigated receptor leads to internalization of the oligonucleotides, which may be further liberated in the target cell. Stabilin-2 binds and introduces to the cell also nanoparticles coupled to hyaluronic acid and potential drug, which may be an effective strategy for the drug delivery. Precise mechanisms of interaction with these important ligands and not well explained. Due to the high structural similarity, it is not excluded that stabilin-2 may also bind RNA oligonucleotides. Experimental structure of only one domain of stabilin-2, the FAS1 domain, is known until today (published by the Principal Investigator). Determination of the three-dimensional structure of the Link domain of stabilin-2 responsible for the hyaluronic acid and other ligands binding, possibly with the domains surrounding it, would provide valuable information for understanding the mechanism of the ligand binding and clearance. Determination of the crystal structure of stabilin-2 would also allow for the rational design of the tightly binding small-molecule antagonists of this protein and, consequently, open up a prospect for new chemical probes for studying the signaling in the stabilin-2 pathway. Another reason for the proposed research is that the structural information can enhance structural studies on proteins with a similar domain organization and function. Moreover, the detailed biochemical characteristics of the hyaluronic acid binding would bring more insights into the involvement of stabilin-2 in cancer progression and metastasis.
Go back