H neurocan και η phosphacan είναι πρωτεογλυκάνες θειικής χονδροϊτίνης. Η neurocan θεωρείτο οτι είναι μια πρωτεογλυκάνη αποκλειστικά του εγκεφάλου. Η phosphacan έχει μελετηθεί σε προχωρημένα στάδια ανάπτυξης εμβρύων ποντικού και αρουραίου. Δεν ήταν γνωστό πότε αρχίζουν να εκφράζονται και πως κατανέμονται χωρο-χρονικά οι neurocan και phosphacan καθώς το έμβρυο αρχίζει την ανάπτυξή του. Μελετήσαμε την έκφραση της neurocan και της phosphacan με RΤ-PCR και ανοσοφθορισμό στο έμβρυο όρνιθας από το στάδιο Χ (μορίδιο) έως το στάδιο HH17 (29 σωμίτες/πρώιμη οργανογένεση). Επίσης μελετήσαμε το ρόλο της neurocan και phosphacan με τη χρήση μονοκλωνικών αντισωμάτων έναντι αυτών κατά την ανάπτυξη του πρώιμου εμβρύου. Το mRNA της neurocan πρωτοανιχνεύτηκε στο στάδιο του προχωρημένου γαστριδίου (HH4) και η έκφραση του ρυθμίζεται αναπτυξιακά. Τα πειράματα μας του ανοσοφθορισμού επίσης έδειξαν ότι η neurocan άρχισε να ανιχνεύεται στη νευρική πλάκα και στην εξωκυττάρια ουσία στο στάδιο του προχωρημένου γαστριδίου (HH4). Στα έμβρυα στο στάδιο των 19 σωμιτών (ΗΗ13), ο φθορισμός ήταν έντονος στον μυελεγκέφαλο, τη νωτοχορδή, στα κύτταρα των νευρικών κρηπίδων, στο κάτω τοίχωμα του φάρυγγα, στο ραχιαίο μεσοκάρδιο και μυοκάρδιο και λιγότερο στο ενδοκάρδιο και στα φαρυγγικά τόξα όπου έχουν μεταναστεύσει κύτταρα των νευρικών κρηπίδων. Στο στάδιο των 29 σωμιτών (HH17), η έκφραση της neurocan ήταν ισχυρή στον τελεγκέφαλο, μυελεγκέφαλο και στο νευρικό σωλήνα. Η έκφραση της neurocan ήταν ισχυρή στον αμφιβληστροειδή, λιγότερη στο φακό και έδειχνε μεγάλη ένταση στον κερατοειδή χιτώνα στον οφθαλμό, έντονη στο ραχιαίο μεσοκάρδιο, στο μυοκάρδιο και αχνή στο ενδοκάρδιο στην καρδιά και έντονη στους σωμίτες, στο μεσονέφρο και στις νησίδες αίματος. Σε μια σειρά λειτουργικών πειραμάτων με τη χρήση μονοκλωνικών αντισωμάτων έναντι της neurocan προκάλεσε τα νευροεξωδερμικά κύτταρα να επιδεικνύουν μεσεγχυματικά χαρακτηριστικά και ο εγκέφαλος να μην έχει αναπτυχθεί φυσιολογικά. Επίσης ανεστάλη η μορφογένεση της καρδιάς και των σωμιτών στα έμβρυα αυτά. / Neurocan, a chondroitin sulfate proteoglycan, interacts with other molecules of the extracellular matrix and the cell surface and participates in signalling pathways. Phosphacan is a chondroitin/ keratan sulfate proteoglycan that has been studied extensively in the late embryonic and postnatal brain and in the spinal cord. Relatively little is known about the neurocan tissue-specific distribution or function during the development of the embryo. We studied the neurocan and phosphacan spatio-temporal expression pattern by RT-PCR and immunofluorescene in the early chick embryo from the morula stage (stage XI) to early organogenesis (stage HH17, 29 somites). We also studied the role of neurocan and phosphacan by using blocking antibodies directed against neurocan or phosphacan in a set of functional studies. Neurocan mRNA was first detectable at the late gastrula stage (HH4) and its expression was developmentally regulated. Neurocan protein was first detectable in cells of the inchoate neural plate and in the extracellular matrix in embryos at stage HH4. At stage HH13 (19 somites), neurocan fluorescence was intense in the myelencephalon, notochord, neural crest cells, the foregut lower wall, pharyngeal arches, dorsal mesocardium, myocardium and in the endocardium. At stage HH17 (29 somites), neurocan expression was intense in the telencephalon, myelecenphalon, diencephalon and in the neural tube. Expression of neurocan was strong in the retina, lens and intense in the cornea in the eye, intense in the myocardium and lower in endocardium in the heart. In a set of functional studies using monoclonal antibodies directed against neurocan, the inhibition of neurocan function resulted in neural plate duplications, the neurepithelial cells exhibited mesenchymal characteristics and the somite, heart and gut formation were inhibited. The observed neural plate duplications point to an important role of neurocan to modulate the activity and availability of growth factor(s) during the induction of neurectoderm. Phosphacan mRNA was first detectable at the morula stage (XI) and it continued to be expressed during development. At the blastula stage (XIII)phosphacan immunofluorescence was strong in the epiblast and hypoblast. At the gastrula stage (HH3-ΗΗ4), immunofluorescence was strong in the cells around and also ingressing through the streak and in mesenchymal cells. At stage HH8 (4 somites), immunofluorescence was intense in the elevated neural plate, especially in its dorsal surface. This implies a role for phosphacan in the fusion of neural folds medially during the formation of the neural tube. At stage HH11 (13 somites), phosphacan immunofluorescence was strong in the neural tube, somites, gut lower wall and in the myocardium, endocardium and dorsal mesocardium in the heart and intense in the blood islands. By stage HH17 (29 somites), phosphacan immunofluorescence was strong in the myelencephalon and diencephalon, in the lens and retina in the eye, the neural crest cells, the myotome but not the dermatome and sclerotome in somites, the myocardium and endocardium in the heart and the dorsal aorta. Inhibition of function of phosphacan by blocking antibodies showed that phosphacan participates in the fusion of neural folds to form the neural tube, in the opticoele determination to form the retina and in somite, heart and gut morphogenesis.

Δύο από τα σημαντικότερα δομικά και λειτουργικά βιομόρια του εξωκυττάριου χώρου είναι το κολλαγόνο και οι γλυκοζαμινογλυκάνες (GAGs), ανιοντικοί πολυσακχαρίτες που αποτελούν το βασικό δομικό συστατικό των πρωτεογλυκανών. Οι κύριοι τύποι γλυκοζαμινογλυκανών είναι η θειική χονδροϊτίνη, η θειική δερματάνη, η ηπαρίνη, η θειική ηπαράνη, η θειική κερατάνη και το υαλουρονικό οξύ. Το κολλαγόνο τύπου Ι είναι η πιο άφθονη πρωτεΐνη στους ιστούς των θηλαστικών. Το κολλαγόνο τύπου ΙΙ αποτελεί το κύριο συστατικό του εξωκυττάριου χώρου του αρθρικού χόνδρου και άλλων ιστών. Τα παραπάνω μακρομόρια είναι υπεύθυνα για τη ρύθμιση διαφόρων διεργασιών των κυττάρων τόσο σε φυσιολογικές όσο και σε παθολογικές καταστάσεις, όπως παθήσεις των αρθρώσεων και νεοπλασματικές ασθένειες. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτέλεσε η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας για τον προσδιορισμό των αλληλεπιδράσεων μεταξύ γλυκοζαμινογλυκανών και των δύο τύπων κολλαγόνου, η οποία θα συνεισφέρει στη βαθύτερη κατανόηση της βιολογικής τους λειτουργίας. Μερικές από τις τεχνικές που έχουν χρησιμοποιηθεί για το συγκεκριμένο σκοπό είναι η χρωματογραφία συγγένειας, η ηλεκτροφόρηση και η φασματοσκοπία φθορισμού. Η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR), η περίθλαση ακτίνων-Χ και ο κυκλικός διχρωισμός (Circular Dichroism, CD) προσφέρουν δομικές πληροφορίες για τις αλλαγές στη διαμόρφωση και τα σημεία πρόσδεσης μεταξύ γλυκοζαμινογλυκανών και πρωτεϊνών. Θερμοδυναμικές πληροφορίες για τις αλληλεπιδράσεις πρωτεϊνών-γλυκοζαμινογλυκανών αντλούνται από τη θερμιδομετρία ισόθερμης τιτλοδότησης (Isothermal Titration Calorimetry, ITC), ενώ με την τεχνική της διέγερσης επιφανειακών πλασμονίων (Surface Plasmon Resonance, SPR) μελετώνται η σταθερά σύνδεσης και η σταθερά διάστασης της αλληλεπίδρασης σε πραγματικό χρόνο. Το κυριότερο μειονέκτημα των παραπάνω τεχνικών είναι το ότι δεν προσφέρουν πληροφορίες για χημικούς δεσμούς, ενώ ο χρόνος ανάλυσης είναι μεγάλος και απαιτούνται μεγάλες ποσότητες δειγμάτων. Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε ήταν εκείνη της φασματοσκοπίας micro-Raman, μια μη καταστρεπτική τεχνική, η οποία προσφέρει πληροφορίες για τη χημική δομή του εξεταζόμενου δείγματος, ενώ παράλληλα είναι γρήγορη και ακριβής. Παρασκευάστηκαν δύο είδη μιγμάτων γλυκοζαμινογλυκανών με κολλαγόνο. Στην πρώτη περίπτωση, κολλαγόνο τύπου Ι ή τύπου ΙΙ εμβαπτίστηκε σε διάλυμα θειικής χονδροϊτίνης, ηπαρίνης ή μίγμα τους που παρασκευάστηκε με αναλογία όγκων 1:1. Στη δεύτερη περίπτωση, μίγματα των δύο ουσιών προέκυψαν με ανάμιξη ίσων ποσοτήτων των δύο ουσιών. Τα παραπάνω μίγματα μελετήθηκαν με φασματοσκοπία Raman και με την τεχνική της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry, DSC) και συγκρίθηκαν με τα φάσματα των προτύπων ουσιών. Κάθε ουσία έχει ένα χαρακτηριστικό φάσμα Raman, η ερμηνεία του οποίου οδήγησε στην ταυτοποίηση χαρακτηριστικών ομάδων των μορίων, όπως οι δεσμοί C-OH, οι θειικές ομάδες (O-SO3-, N-SO3-), η Ν-ακετυλομάδα, οι δεσμοί C=O και οι δεσμοί C-Ν. Οι φασματικές περιοχές που παρουσιάζουν τα πιο έντονα χαρακτηριστικά στα φάσματα Raman των μιγμάτων GAG-κολλαγόνου είναι οι εξής: 800-920 cm-1, 900-1000 cm-1 και 980-1170 cm-1. Όσον αφορά στην τελευταία φασματική περιοχή, παρατηρήθηκε σημαντική μετατόπιση της χαρακτηριστικής κορυφής της δόνησης έκτασης των θειομάδων προς χαμηλότερους κυματάριθμους (από τους 1070 cm-1 περίπου στους 1062-1064 cm-1) και η εμφάνιση μιας κορυφής στους 1072 cm-1, σε σχέση με τα αντίστοιχα φάσματα των προτύπων ουσιών, στα φάσματα όλων των μιγμάτων που μελετήθηκαν. Η μετατόπιση της συγκεκριμένης κορυφής αποτελεί ένδειξη αλληλεπίδρασης μεταξύ των δύο ουσιών και καταδεικνύει το σημαντικό ρόλο των θειομάδων των γλυκοζαμινογλυκανών στις αλληλεπιδράσεις τους με τη συγκεκριμένη πρωτεΐνη. Τα αποτελέσματα της φασματοσκοπίας Raman βρίσκονται σε συμφωνία με εκείνα που προκύπτουν από την τεχνική της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC), καθώς τα θερμογραφήματα DSC των μιγμάτων θειικής χονδροϊτίνης-κολλαγόνου τύπου Ι είναι διαφορετικά από εκείνο του μίγματος που προέκυψε από την ανάμιξη των δύο συστατικών, υποδεικνύοντας την ύπαρξη αλληλεπίδρασης μεταξύ των δύο ουσιών. Με την τεχνική της φασματοσκοπίας Raman διαπιστώθηκε ότι το κολλαγόνο τύπου Ι έδειξε μεγαλύτερη «χημική προτίμηση» προς την ηπαρίνη σε σχέση με τη θειική χονδροϊτίνη, ενώ το κολλαγόνο τύπου ΙΙ προτίμησε να αλληλεπιδράσει με τη θειική χονδροϊτίνη. / Collagen and glycosaminoglycans (GAGs) co-exist as major constituents of the extracellular matrix (ECM) in a variety of tissues. Collagen type I is the most abundant protein in the human body, whereas another important type of collagen is type II, which forms the extracellular matrix of cartilage and other tissues. Glycosaminoglycans are negatively charged polysaccharides that occur as a structural component of proteoglycans and can be divided in four major groups: i) chondroitin sulfate and dermatan sulfate, ii) heparin and heparin sulfate, iii) keratan sulfate, and iv) hyaluronic acid. Both GAGs and collagen not only regulate a variety of cellular functions but they also seem to be involved in many pathological conditions, including cancer and joint diseases. Therefore, a more detailed investigation of the interactions between them will result in a deeper understanding of their biological function. Most common methods for identifying GAG-collagen interactions include affinity chromatography, affinity electrophoresis and fluorescence spectroscopy. Nuclear Magnetic Resonance (NMR), X-ray diffraction and Circular Dichroism (CD) provide structural data characterizing conformational changes and contact points between the interacting species. Using Isothermal Titration Calorimetry (ITC), information on the thermodynamics of glycosaminoglycan-protein interactions can be obtained. Surface Plasmon Resonance (SPR) allows the measurement of association and dissociation constants of glycosaminoglycan-protein interactions in real time. The major disadvantage of the techniques described above is the inability to identify specific chemical bonds. Other disadvantages are the long analysis time and that large amounts of the interacting substances are required. In the present work, Raman spectroscopy, a non-destructive, vibrational technique which yields information on the chemical composition of the specimen, was employed for the exploration of the interactions between collagen type I and type II and two glycosaminoglycans, chondroitin sulfate and heparin. Two sets of mixtures composed of glycosaminoglycans and each type of collagen were prepared: i) collagen type I or type II was immersed in aqueous solutions of chondroitin sulfate, heparin and a 1:1 mixture of both GAGs, and ii) GAG-collagen mixtures were obtained by blending suitable amounts of the two substances. Differential Scanning Calorimetry (DSC) was also applied on the latter mixtures. From the Raman spectra identification of vibrational frequencies of the functional groups of the above molecules, such as C-OH linkages, sulfate groups (O-SO3-, N-SO3-), N-acetyl group, carboxyl group and C-Ν linkages is possible. The prominent features arising from the Raman spectra of GAG-collagen interactions are found in the regions 800-920 cm-1, 900-1000 cm-1 and 980-1170 cm-1. Processing of the spectra of all GAG-collagen mixtures has revealed that a shift of the most characteristic vibration of chondroitin sulfate’s and heparin’s spectrum from 1070 cm-1 to 1062-1064 cm-1, while a vibration at approximately 1072 cm-1 emerges. The sulfate band shift is indicative of an interaction between collagen and glycosaminoglycans and depicts the important role of the sulfate group of glycosaminoglycans in the interactions with the protein. This observation was in accordance with the results from Differential Scanning Calorimetry (DSC), which demonstrated an interaction between collagen and chondroitin sulfate. A stronger preference of collagen type I to interact with heparin rather than chondroitin sulfate and of collagen type II to interact with chondroitin sulfate was also observed.