Complement factor H dysfunction in atypical hemolytic uremic syndrome

Alternative pathway (AP) of complement can be activated on any surface, self or non-self. In atypical hemolytic uremic syndrome (aHUS) the AP regulation on self surfaces is insufficient and leads to complement attack against self-cells resulting usually in end-stage renal disease. Factor H (FH) is one of the key regulators of AP activation on the self surfaces. The domains 19 and 20 (FH19-20) are critical for the ability of FH to discriminate between C3b-opsonized self and non-self surfaces and are a hot-spot for mutations that have been described from aHUS patients. FH19-20 contains binding sites for both the C3d part of C3b and self surface polyanions that are needed for efficient C3b inactivation. To study the dysfunction of FH19-20, crystallographic structures of FH19-20 and FH19-20 in complex with C3d (FH19-20:C3d) were solved and aHUS-associated and structurally interesting point mutations were induced to FH19-20. Functional defects caused by these mutations were studied by analyzing binding of the FH19-20 mutant proteins to C3d, C3b, heparin, and mouse glomerular endothelial cells (mGEnCs). The results revealed two independent binding interfaces between FH19-20 and C3d - the FH19 site and the FH20 site. Superimposition of the FH19-20:C3d complex on the previously published C3b and FH1-4:C3b structures showed that the FH20 site on C3d is partially occluded, but the FH19 site is fully available. Furthermore, binding of FH19-20 via the FH19 site to C3b did not block binding of the functionally important FH1-4 domains and kept the FH20 site free to bind heparin or an additional C3d. Binding assays were used to show that FH20 domain can bind to heparin while FH19-20 is bound to C3b via the FH19 site, and that both the FH19 site and FH20 are necessary for recognition of non-activator surfaces. Simultaneous binding of FH19 site to C3b and FH20 to anionic self structures are the key interactions in self-surface recognition by FH and thereby enhanced avidity of FH explains how AP discriminates between self and non-self. The aHUS-associated mutations on FH19-20 were found to disrupt binding of the FH19 or FH20 site to C3d/C3b, or to disrupt binding of FH20 to heparin or mGEnC. Any of these dysfunctions leads to loss of FH avidity to C3b bearing self surfaces explaining the molecular pathogenesis of the aHUS-cases where mutations are found within FH19-20.

Atyyppinen hemolyyttis-ureeminen syndrooma (aHUS) on harvinainen periytyvä sairaus, missä tyypillisiä löydöksiä ovat punasolujen hajoaminen, verihiutaleiden puutos, verisuonten sisäpintojen vaurioituminen ja hyytymien muodostuminen pieniin verisuoniin. Sairaus johtaa hoitamattomana munuaisten vajaatoimintaan ja vaatii usein siirrännäishoitoa. Atyyppistä HUS:aa sairastavilta potilailta on löydetty mutaatioita mm. komplementin tekijä H proteiinista, jota tuotetaan pääasiassa maksassa. Näille potilaille hoitovaihtoehtona on käytetty Suomessa munuais-maksansiirtoa. Komplementti on veren proteiinijärjestelmä, jonka yksi tehtävä on aktivoitua kehoon tunkeutuvien mikrobisolujen pinnalla. Aktivoituminen johtaa C3b-proteiinin kiinnittymiseen solun pintaan, solukalvon läpäisevän reiän muodostumiseen ja solun hajoamiseen. C3b voi kiinnittyä myös elimistömme omien solujen pinnoille, mutta solujamme suojelee komplementilta mm. veressä liukoisena oleva tekijä H proteiini, joka sitoutuu C3b:hen ja pysäyttää aktivaation ennen sen voimistumista ja reiän muodostumista solukalvoon. Aiemmin on selvitetty, että tekijä H ei yksin kykene erottamaan onko C3b mikrobi- vai ihmissolun pinnalla, vaan että tunnistukseen liittyy myös ihmissolujen pinnan sokerirakenteet. Tutkimuksessa selvitettiin tekijä H:n kohteentunnistusmekanismi, sekä se miten aHUS-potilailta löydetyt mutaatiot turmelevat tämän mekanismin ja johtavat aHUS:n syntyyn. Tuloksena saatiin selville, että tekijä H kykenee hillitsemään komplementin aktivaatiota sitoutumalla samanaikaisesti omien solujen pinnalla oleviin sokerirakenteisiin ja C3b:hen. aHUS-assosioituneet mutaatiot tekijä H:ssa aiheuttavat heikentynyttä sitoutumista C3b:hen ja sokerirakenteisiin, mikä johtaa toimintahäiriöön tekijä H:n kohteentunnistusmekanismissa. Toisin sanoen aHUS:ssa tekijä H ei kykene tunnistamaan elimistömme omia soluja vaan antaa komplementin aktivoitua solujen pinnalla, mikä johtaa mm. punasolujen hajoamiseen ja pienten verisuonten tukoksiin. Erityisesti munuaiskerästen verisuonten sisäpinnan solut ovat hyvin alttiita komplementille, mikä johtaa aHUS:ssa hyytymien muodostumiseen munuaiskeräsiin ja munuaisten vajaatoimintaan. Tekijä H:n kohteentunnistusmekanismin selvittämisellä on tärkeä rooli uusien hoitovaihtoehtojen kehittämiselle aHUS:aan.