CEACAM1 and ICAM-3 from human granulocytes bind DC-SIGN of dendritic cells through Lewis x residues

Abstract

In the present study, the structure and function of the glycans of native glycoproteins, CEACAM1 (CEA related cell adhesion molecule 1) and ICAM-3 (Intercellular adhesion molecule-3) was investigated.

CEACAM1, a member of the carcinoembryonic antigen family, is a highly glycosylated protein expressed on the surface of human granulocytes and lymphocytes, endothelia, and many epithelia. It is involved in the regulation of important biological processes, such as tumor growth, angiogenesis, and modulation of the immune response. ICAM-3 is a transmembrane glycoprotein mainly expressed on leukocytes. Its function in the immune system is through the interaction with the L2 leukocyte integrin. Defined glycostructures on cell surface proteins are important for mediating the recognition, activation and regulation of inflammatory and immunological responses. Characterizing the CEACAM1 and ICAM-3 glycan structure is of pivotal importance in revealing their biological function.

Here, we have demonstrated that native CEACAM1 from human granulocytes is a major carrier of Lewis x (Lex) epitopes. Since Lex residues of pathogens bind to the C-type lectin dendritic cell-specific ICAM-3 grabbing nonintegrin (DC-SIGN), expressed on human dendritic cells (DCs), we hypothesized that Lex glycans of CEACAM1 are recognized by DC-SIGN. Here, we provide evidence that Lex residues on CEACAM1 from human granulocytes are specifically recognized by DC-SIGN mediating the internalization of CEACAM1 into immature DCs. In addition, we have demonstrated by immunological methods that CEACAM1 from whole cellular lysates of first trimester human placenta and CEA (CEACAM5) from whole cellular lysates of colorectal carcinomas are also decorated with Lex residues recognized by DC-SIGN. Notably, no expression of Lex groups on CEACAM1 from whole cellular lysates of human malignant melanoma was observed.

DC-SIGN was proposed as additional ligand of ICAM-3 mediating the contact between T cells and dendritic cells. So far, however, the carbohydrate structure of native ICAM-3 involved in the interaction with DC-SIGN has not been identified. Here, we provide conclusive evidence that ICAM-3 from human leukocytes contains Lewis x residues, and that these residues interact with DC-SIGN. Investigations on different peripheral blood cell populations revealed that only ICAM-3 from granulocytes bound DC-SIGN. (1,3)-fucosyltransferases (FUTs) are responsible for the cellular synthesis of Lex residues. Fucosyltransferase IV (FUTIV) and fucosyltransferase IX (FUTIX) are the most important (1,3)-FUTs accountable for the formation of the Lewis x structures. In order to explore which fucosyltransferase mediates the terminal fucosylation of CEACAM1 and ICAM-3, co-expression studies with different FUTs were performed. Our findings indicate that FUTIX is the main fucosyltransferase that mediates the synthesis of Lex residues on CEACAM1 and ICAM-3. Taken together, the results indicate that CEACAM1 and ICAM-3 are involved in the interaction between granulocytes and dendritic cells. Furthermore, the granulocyte-DC-SIGN interactions may affect apoptosis in granulocytes. In addition, our findings suggest that ICAM-3, CEACAM1 and other members of the CEA family are participating in immune regulation in physiological as well as in pathological conditions such as inflammation, autoimmune diseases and cancer.

In der hier vorgestellten Studie haben wurde die Struktur und die Funktion der Glycane von nativen Glycoproteinen, CEACAM-1 (CEA related cell adhesion molecule 1) und ICAM-3 (Intercellular adhesion molecule-3) untersucht.

CEACAM1, ein Mitglied des Familie des carcinoembryonalen Antigens, ist ein stark glykolysiertes Protein, das auf der Oberfläche von humanen Granulocyten und Lymphocyten, Endothelzellen und vielen Epithelien exprimiert wird. Es ist an der Regulation von wichtigen biologischen Prozessen, wie Tumorwachstum, Angiogenese und der Modulation der Immun-Antwort beteiligt. ICAM-3 ist ein transmembranöses Glycoprotein, welches vor allem auf Leukocyten exprimiert wird und dessen Funktion im Immunsystem über die Interaktion mit dem L2 Leukocyten Integrin erfolgt. Glycostrukturen von Zellmembranproteinen sind an Erkennungs- und Aktivirunsmechanismen und an des Regulation der Immunantwort beteiligt. Vorherige massenspektrometrische Analysen und die hier dargestellten Befunde belegen, dass natives CEACAM1, das aus Granulozyten isoliert wurde, Lex-Gruppen trägt. Da bekannt war, dass Lex-Reste von Pathogenen das dendritische Lektin DC-SIGN (dendritic cell-specific ICAM-3 grabbing nonintegrin) binden, wurde untersucht, ob CEACAM1 mit DC-SIGN interagiert. Unsere Untersuchungen belegen, dass rekombinantes DC-SIGN in der Tat CEACAM1 bindet. Mikropartikel, die mit nativem CEACAM1 beladen waren, wurden von dendritischen Zellen über membranständiges DC-SIGN gebunden und internalisiert. Da CEACAM1 auch in der Plazenta und in Melanomen vorkommt, könnte die Interaktion der Lex-Gruppen von CEACAM1 mit DC-SIGN dendritischer Zellen die Immunreaktion modulieren. Der Befund, dass Lex-Gruppen auf CEACAM1 aus humaner Plazenta DC-SIGN binden, unterstützt diese Hypothese. CEACAM1 aus Melanomen trug jedoch keine Lex-Gruppen. Es wurde weiterhin gezeigt, dass CEA aus kolorektalen Karzinomen über Lex-Gruppen mit DC-SIGN interagiert.

Die Bezeichnung ‚DC-SIGN’ basiert auf dem Befund, dass rekombinantes ICAM-3 die Interaktion von T-Lymphozyten mit dendritischen Zellen hemmte. Da die Struktur der Glykostrukturen von ICAM-3, die mit DC-SIGN interagierten, nicht bekannt war, wurde eine native ICAM-3-Präparation aus humanen Leukozyten hinsichtlich der Bindung von DC-SIGN und der Struktur der Glykane untersucht. Die hier dargestellten Befunde belegen, dass, vergleichbar mit CEACAM1, Lex-Gruppen die Bindung von ICAM-3 an DC-SIGN vermitteln. Allerdings wurde DC-SIGN nur durch ICAM-3 aus Granulozyten, nicht jedoch aus Monozyten, B-Lymphozyten und insbesondere T-Lymphozyten gebunden. Der Befund, dass ICAM-3 die Interaktion von T-Lymphozyten mit dendritischen Zellen vermittelt, konnte nicht bestätigt werden.

Die Lewis x-Struktur ist durch einen Fucose-Rest gekennzeichnet, der in (1,3)-glykosidischer Bindung mit einem terminalen GlucNAc-Rest verknüpft ist. Die terminale Fucose spielt somit in der Struktur der Lex-Gruppe eine entscheidende Rolle. In Ko-Expressionsversuchen wurde untersucht, welche Fucosyltransferase(n) für die Anheftung der terminalen Fucose verantwortlich ist. Sowohl für CEACAM1 als auch für ICAM-3 gilt, dass in erster Linie Fucosyltransferase IX (FUTIX) die Synthese von Lex-Gruppen vermittelt. Eine gewisse Aktivität wurde für FUTIV nachgewiesen, FUTIII und FUTVII waren hingegen nicht an der Synthese von Lex-Gruppen beteiligt.

Aus den hier dargestellten Ergebnisse kann geschlossen werden, dass Lex-Gruppen von CEACAM1 und ICAM-3 an der Interaktion von Granulozyten mit dendritischen Zellen beteiligt sind. Möglicherweise spielt diese Interaktion bei der Regulation der Apoptose von Granulozyten im Verlauf der Abwehrreaktion eine Rolle.