Οι νικοτινικοί υποδοχείς ακετυλοχολίνης (nAChR) αποτελούν πρότυπα μέλη της υπεροικογένειας των πενταμερών χημειοελεγχόμενων διαύλων ιόντων. Εμπλέκονται τόσο σε πολλές φυσιολογικές λειτουργίες του οργανισμού, όσο και σε πολλές νόσους προσελκύοντας μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον. Οι nAChR διακρίνονται κυρίως σε νευρικού και μυϊκού τύπου. Ο νευρικός α4β2 nAChR έχει εκφραστεί και μελετηθεί με τεχνικές όπως πρόσδεση αγωνιστών-ανταγωνιστών και ηλεκτροφυσιολογικές αναλύσεις. Όμως δομικές μελέτες υψηλής ανάλυσης όπως η κρυσταλλογραφία ακτινών-Χ, πάνω σε αυτόν τον υποδοχέα δεν έχουν ακόμα αναφερθεί και πιθανή αιτία γι’ αυτό μπορεί να είναι και η ευέλικτη διαμόρφωση της κυτταροπλασματικής θηλιάς μεταξύ των διαμεμβρανικών ελίκων Μ3 και Μ4, η οποία μπορεί να εμποδίζει την ευαίσθητη από τη φύση της διαδικασία της κρυστάλλωσης των μεμβρανικών πρωτεϊνών. Στην παρούσα μελέτη ο ανθρώπινος α4β2 nAChR εκφράστηκε τόσο σε κύτταρα εντόμων Sf9 με τη βοήθεια βακιλοϊού, όσο και σε ζυμομύκητες P. pastoris, σε δυο μορφές: Τον άγριου τύπου υποδοχέα (ΑΤ) και μια μορφή χωρίς κυτταροπλασματική θηλιά (Κ). Στόχος της παρούσης μελέτης, ήταν η έκφραση ενός τύπου α4β2 nAChR με την καλύτερη δυνατή ποιότητα δομής και τα υψηλότερα δυνατά επίπεδα έκφρασης, ο οποίος θα ήταν κατάλληλος να χρησιμοποιηθεί σε δομικές μελέτες υψηλής ανάλυση όπως η κρυσταλλογραφία ακτινών-Χ. Αρχικά κατασκευάστηκαν ανασυνδυασμένοι βακιλοϊοί με τα cDNA των υπομονάδων των ΑΤ και Κ α4β2 υποδοχέων, οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν για να μολύνουν κύτταρα εντόμων Sf9 αναγκάζοντάς τα να εκφράσουν τους υποδοχείς. Οι υπομονάδες των ΑΤ και Κ υποδοχέων ανιχνεύτηκαν εκφρασμένες σε κύτταρα εντόμων με στύπωμα western σε αναμενόμενα μοριακά βάρη, ενώ με πρόσδεση 125Ι-επιβατιδίνης αποδείχθηκε ότι οι α4 και οι β2 υπομονάδες είχαν ενωθεί μεταξύ τους μετά την έκφρασή τους και είχαν συγκροτήσει λειτουργικούς θύλακες πρόσδεσης ακετυλοχολίνης. Ο βέλτιστος χρόνος έκφρασης των υποδοχέων βρέθηκε να είναι τα 3 24ωρα, ενώ οι ιδανικές αναλογίες α4 προς β2 βακιλοϊών βρέθηκαν να είναι οι: 1:1 και 1:3. Η προσθήκη νικοτίνης στο θρεπτικό δεν βρέθηκε να έχει κάποια μετρήσιμη επίπτωση στην έκφραση ούτε του ΑΤ ούτε και του Κ υποδοχέα. Πειράματα πρόσδεσης 3Η-επιβατιδίνης έδειξαν τη συγγένειά της με τον ΑΤ υποδοχέα να είναι 2 φορές υψηλότερη σε σχέση με τον Κ, ενώ στα ίδια πειράματα βρέθηκε ότι τα επίπεδα έκφρασης του Κ υποδοχέα ήταν 7 φορές υψηλότερα από αυτά του ΑΤ. Πειράματα πρόσδεσης μη επισημασμένων προσδετών έδωσαν συγγένειες επίσης δυο φορές υψηλότερες για τον ΑΤ υποδοχέα σε σχέση με τον Κ. Επιπλέον πειράματα διαλυτοποίησης έδειξαν ότι οι βέλτιστες συνθήκες για την διαλυτοποίηση των υποδοχέων ήταν οι 25 oC και η χρήση του απορρυπαντικού Triton X-100. Στην ίδια σειρά πειραμάτων ο Κ υποδοχέας βρέθηκε να διαλυτοποιείται 4 φορές πιο αποδοτικά σε σχέση με τον ΑΤ. Τα πειράματα απομόνωσης και καθαρισμού συνεχίστηκαν μόνο με τον Κ υποδοχέα, λόγω καλύτερης διαλυτοποίησης και πολύ υψηλότερων επιπέδων έκφρασης που παρουσίαζε σε σχέση με τον ΑΤ. Ο Κ α4β2 υποδοχέας απομονώθηκε και καθαρίστηκε αρχικά με χρωματογραφία συγγένειας ιόντων νικελίου και στη συνέχεια με χρωματογραφία μοριακού αποκλεισμού, η οποία έδειξε ότι ο Κ υποδοχέας είχε εκλουστεί σε όγκο έκλουσης συμβατό με το αναμενόμενο ΜΒ. Το γεγονός αυτό, μαζί με το γεγονός της πρόσδεσης επιβατιδίνης και άλλων προσδετών, πιστοποίησαν ότι οι ταυτόχρονα εκφραζόμενες α4 και β2 υπομονάδες συγκρότησαν υποδοχείς. Η ανάλυση του καθαρισμένου Κ α4β2 υποδοχέα με SDS PAGE και στύπωμα western έδειξε ότι ο υποδοχέας είχε απομονωθεί και καθαριστεί σε ικανοποιητικό βαθμό. Η έκφραση των ΑΤ και Κ υποδοχέων στο στέλεχος GS 115 του ζυμομύκητα P. pastoris δεν ήταν το ίδιο επιτυχημένη με την αντίστοιχη έκφραση σε κύτταρα εντόμων. Οι υπομονάδες των υποδοχέων δεν ανιχνεύτηκαν στην ανάλυση με στύπωμα western, ενώ η ανάλυση με δέσμευση 3Η-επιβατιδίνης έδειξε ότι εκφράστηκαν σε επίπεδα πολύ χαμηλότερα σε σχέση με αυτά των κυττάρων εντόμων. Τέλος τα ποσοστά διαλυτοποίησης που επιτυγχάνονταν με τον ζυμομύκητα P. pastoris ήταν επίσης πολύ χαμηλότερα από τα αντίστοιχα των κυττάρων εντόμων, οπότε η μελέτη δεν προχώρησε περεταίρω με αυτό το σύστημα έκφρασης. Συμπερασματικά μέσα από την παρούσα μελέτη, προέκυψε ένας ανθρώπινος νευρικός α4β2 nAChR χωρίς κυτταροπλασματική θηλιά, εκφρασμένος σε κύτταρα εντόμων με τη βοήθεια βακιλοϊού, ο οποίος εκφράζεται και διαλυτοποιείται πολύ περισσότερο από τον φυσικό υποδοχέα και επιπλέον μπορεί να απομονωθεί και να καθαριστεί σχετικά εύκολα. Η απουσία της εύκαμπτης κυτταροπλασματικής θηλιάς αναμένεται να διευκολύνει τον σχηματισμό κρυστάλλων του υποδοχέα στα πειράματα κρυστάλλωσης, τα οποία έχουν ήδη ξεκινήσει, καθώς και την ανάλυση των δεδομένων εφόσον προκύψουν πρωτεϊνικοί κρύσταλλοι. Τέλος οι διαφορές που παρατηρήθηκαν στην έκφραση ΑΤ και Κ α4β2 nAChR μεταξύ κυττάρων εντόμων και ζυμομύκητα P. pastoris, ελέγχθηκαν εκφράζοντας στα συστήματα αυτά μια μικρότερη, συγγενική πρωτεΐνη, η οποία αποτελείτο μόνο από το ECD της α1 υπομονάδας του ανθρώπινου μυϊκού τύπου nAChR. Το εκφρασμένο σε κύτταρα εντόμων α1-ECD (i-α1-ECD) βρέθηκε να έχει μεγαλύτερη ικανότητα δέσμευσης αντι-nAChR αυτοαντισωμάτων από τον ορό μυασθενών σε σχέση με το εκφρασμένο σε ζυμομύκητα P. pastoris (y-α1-ECD), καθώς επίσης μεγαλύτερη ικανότητα δέσμευσης αντι-nAChR mAb, αποτελέσματα τα οποία μαζί με αντίστοιχα του κυκλικού διχρωϊσμού έδειξαν βελτιωμένη δομή, επιβεβαιώνοντας ότι τα κύτταρα εντόμων εκφράζουν καλύτερα nAChR σε σχέση με το ζυμομύκητα P. pastoris. Επιπλέον αποδείχθηκε ότι το i-α1-ECD είναι καταλληλότερο τόσο για δομικές μελέτες όσο και για βελτιωμένες θεραπείες της βαριάς μυασθένειας. / Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are models for the superfamily of pentameric ligand gated ion channels. They are involved both in many physiological functions and in many diseases, attracting major scientific interest. nAChRs are distinguished in muscle and neuronal type. Neuronal α4β2 nAChRs have been expressed and studied using ligand binding and electrophysiology technics. Nevertheless high resolution structural studies like X-ray crystallography have not yet been referred, and one main reason for that may be the flexible conformation of the cytoplasmic loop between the transmembrane helixes M3 and M4, which is very likely to prevent the membrane protein crystallization process. In the present study the wild type (WT) human α4β2 nAChR and a truncated construct (T), that lacked the cytoplasmic loop, were expressed both in Sf9 insect cells using baculovirus and in the yeast Pichia pastoris. The aim of the present study was the expression and purification of a human α4β2 nAChR type receptor, suitable for use in high resolution structure analysis, and especially in X-ray crystallography. Recombinant baculoviruses were constructed, containing the α4β2 nAChR subunits cDNAs. They were used to infect Sf9 insect cells, made them to coexpress the WT or T α4 and β2 subunits. WT and T receptor subunits were detected expressed in the expected molecular weights, while 125Ι-epibatidine binding proved that α4 and β2 subunits had formed ligand binding sites. The best expression time was found to be 72 hours post infection and the best α4/β2 recombinant baculovirus ratios were found to be between 1:1 and 1:3. Nicotine addition to the medium did not make any difference in the expression levels. 3Η-epibatidine binding studies showed 2 times stronger affinity for the WT than the T receptor and 7 times higher expression levels for the T than the WT receptor. Non labeled ligand binding studies showed also 2 times stronger affinity for the WT than the T nAChR. Other experiments indicated that 25 oC and the Triton X-100 detergent were the best combination for the receptor’s solubilization. Other solubilization experiments showed T nAChR solubilized 4 times better than the WT. Purification experiments continued only for T construct due to its higher expression levels and better solubilization efficiency. T α4β2 receptor was originally purified using ion metal affinity chromatography and subsequently gel filtration chromatography, which showed that T receptor has elution volume compatible with the expected MW. This result together with the receptors’ ligand binding capabilities certified that the coexpressed α4 and β2 subunits formed oligomeric receptors. SDS PAGE and western blot analysis indicated that T nAChR was satisfactory purified. The expression of the WT and T receptors in the strain GS 115 of the yeast P. pastoris was not as successful as the expression in insect cells. Receptor subunits were not detected using western blot analysis, whereas 3Η-epibatidine binding studies indicated expression levels much lower than that of insect cells. Finally, solubilization of the yeast expressed WT and T α4β2 nAChRs was very poor compared with that of insect cells. Due to all the above results, the yeast expression of the WT and T nAChRswas discontinued. In conclusion, by the present study, a new human α4β2 nAChR without cytoplasmic loop was emerged, expressed in sf9 insect cells using baculovirus, with much higher expression levels and solubilization yields than that of the natural receptor and capable for easy purification. The absence of the unordered cytoplasmic loop is expected to facilitate the crystal formation and the analysis of any protein crystals might derive from the crystallization efforts which have been already started. Finally, the differences of the expressed WT and T α4β2 nAChRs between insect cells and the yeast P. pastoris were further confirmed by expressing a small, related protein, the ECD of the α1 subunit of human muscle nAChR in both systems and comparing the two expressed α1 ECDs. The insect expressed α1 ECD (i-α1-ECD) was found to have higher immunoadsorption capacity for anti-nAChR autoantibodies from myasthenia patients sera than the yeast expressed (y-α1-ECD) and also higher binding ability for anti-nAChR mAbs. These results together with circular dichroism results showed a more native-like structure for the i-α1-ECD, confirming that insect cells express better nAChRs comparing to the yeast P. pastoris. Furthermore it was proved that i-α1-ECD was a better candidate for structural studies and more suitable for selective myasthenia gravis therapies.

Introduction: Cholinergic network modulation is carried out through the neurotransmitter acetylcholine (ACh) and expression of α4β2 nicotinic acetylcholine recetors (nAChRs) in central brain regions responsible for the detection of external sensory stimuli through thalamic and basal forebrain circuits but also within mesolimbic reward signaling. Alterations in α4β2 availability could therefore contribute to pathologically increased eating behavior leading to obesity. Investigations of task-related cholinergic neurotransmission in vivo in human obesity comparing baseline versus stimulus conditions have yet to be established. Objective: Aim of this exploratory study was to investigate the neurobiological mechanisms of cholinergic signaling and its ramifications on eating behavior to possibly identify α4β2 as a pharmacological target in obesity therapy approaches. Primary outcome measure was the distribution volume calculated from PET data by VOI-based analyses. We compared α4β2 nAChR availability in OB (participants with obesity) with NW (normal weight participants) under baseline and stimulus conditions. Secondary, we explored whether changes in eating behavior measured by VAS (visual analogue scores) are correlated with changes in α4β2 nAChR availability. We also hypothesized that this relationship differs between resting state and stimulus conditions in both NW as well as OB. Materials and Methods: Study population consisted of 16 study participants with OB (N=16; mean BMI 37.8±3.18 kg/m2; 10 females; mean age 40.6±14.0; range from 20-62 years) and 14 NW (N=14; mean BMI 21.8±1.90 kg/m2; 11 females; mean age 28.1±7.58; range from 19-45 years), all mentally healthy and non-smokers. Every participant underwent simultaneous PET-MR imaging (mMR Siemens) under baseline and stimulus conditions, applying a standard set of salient food items. Calculations of VT was based on the bolus-infusion protocol. This includes investigation of VT as the ratio between mean (-)-[18F]flubatine in brain tissue and mean plasma (-)-[18F]flubatine in venous blood samples at 120 until 165 minutes post injection. During each visit VAS data were obtained. Results: No significant group differences in VT between NW and OB under baseline conditions were found, while OB showed a trend towards lower VT in the Nucleus basalis of Meynert (NBM; NW: mean VT= 11.6; OB: mean VT=10.2; mean difference= 1.35; p= 0.119). Under stimulus conditions, OB demonstrate higher thalamic VT (Thalamus; NW: mean VT= 25.1; OB: mean VT= 28.8; mean difference: -3.63; p= 0.028). Additionally, OB showed a tendency to greater VT mean differences between resting state and stimulus conditions compared with NW. Correlational analyses revealed statistically significant positive correlation (r= 0.61) between HPT and VAS “satiety” in NW and a significant negative correlation (r= -0.59) between NAc and VAS “disinhibition” in OB. Conclusion: These first in-human data suggest substantial changes in cholinergic signaling in brain circuits that process external sensory stimuli with high-incentive properties such as visual food cues in obesity. If confirmed in an extended population with larger sample size and including seed-based fMR imaging investigations, the α4β2 nAChR represent a promising target for pharmacological intervention as a non-invasive alternative to surgical procedures to combat the obesity epidemic.:2. Table of Contents 2. TABLE OF CONTENTS 2 3. ABBREVIATIONS 2 LIST OF FIGURES 4 LIST OF TABLES 6 4. INTRODUCTION 6 4.1 OBESITY AND THE CENTRAL CHOLINERGIC SYSTEM 7 4.2 CHOLINERGIC NEUROTRANSMISSION 9 4.3 STRUCTURE AND RECEPTOR KINETICS OF NACHR 11 4.4 TOPOGRAPHY OF CENTRAL NACHR 13 4.5 CHOLINERGIC NEUROMODULATION 15 4.5.1 Cholinergic Neuromodulation and Cognitive Processes 16 4.5.2 Cholinergic Neuromodulation and Reward 19 4.5.3 Cholinergic Neuromodulation and Eating Behavior 21 4.6. POSITRON EMISSION TOMOGRAPHY (PET) AS A MOLECULAR IMAGING TECHNIQUE FOR MEASURING NACHR IN VIVO 23 4.6.1 PET Imaging 23 4.6.2 Imaging of α4β2 Nicotinic Acetylcholine Receptors 23 4.6.3 (-)-[18F]flubatine: a specific α4β2 nAChR radiotracer 25 4.7 VOLUMES OF INTEREST (VOI) 33 5. OBJECTIVE 34 6. MATERIALS AND METHODS 35 6.1 ETHICS STATEMENT 35 6.2 STUDY DESIGN 35 6.3 STUDY PARTICIPANTS 36 6.4 VISUAL ANALOGUE SCALE (VAS) 38 6.5 PET/MR IMAGING 39 6.6 IMAGING DATA AND BLOOD PLASMA ANALYSIS 43 6.7 STATISTICAL ANALYSIS 45 7. RESULTS 46 7.1 EPIDEMIOLOGICAL DATA 46 7.2 BASELINE AND STIMULUS VT CALCULATIONS 47 7.3 INTRA-INDIVIDUAL VT ASSESSMENT BETWEEN BASELINE AND STIMULUS CONDITIONS 53 7.4 CORRELATIONAL ANALYSES OF VAS VERSUS VT 57 8. DISCUSSION 63 9. SUMMARY 70 10. REFERENCES 72 11. ANLAGEN 81

Yes / Cholinergic dysfunction has been shown to be central to the pathophysiology of Alzheimer’s disease and has also been postulated to contribute to cognitive dysfunction observed in various psychiatric disorders, including schizophrenia. Deficits are found across a number of cognitive domains and in spite of several attempts to develop new therapies, these remain an unmet clinical need. In the current study we investigated the efficacy of donepezil, risperidone and selective nicotinic α7 and α4β2 receptor agonists to reverse a delay-induced deficit in recognition memory. Adult female Hooded Lister rats received drug treatments and were tested in the novel object recognition (NOR) task following a 6 h inter-trial interval (ITI). In all treatment groups, there was no preference for the left or right identical objects in the acquisition trial. Risperidone failed to enhance recognition memory in this paradigm whereas donepezil was effective such that rats discriminated between the novel and familiar object in the retention trial following a 6 h ITI. Although a narrow dose range of PNU-282987 and RJR- 2403 was tested, only one dose of each increased recognition memory, the highest dose of PNU-282987 (10 mg/kg) and the lowest dose of RJR-2403 (0.1 mg/kg), indicative of enhanced cognitive performance. Interestingly, these compounds were also efficacious when administered either before the acquisition or the retention trial of the task, suggesting an important role for nicotinic receptor subtypes in the formation and retrieval of recognition memory. / This work was conducted at the University of Bradford and was funded by b-neuro. However all our recent studies mentioned in the discussion section have been conducted at the University of Manchester (UoM), and funded by b-neuro, Autifony, Innovate UK (formerly TSB) and UoM

Neonatal quinpirole (NQ) treatment to rats increases dopamine D2 receptor sensitivity persistent throughout the animal’s lifetime. In Experiment 1, we analyzed the role of α7 and α4β2 nicotinic receptors (nAChRs) in nicotine behavioral sensitization and on the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) response to nicotine in NQ- and neonatally saline (NS)-treated rats. In Experiment 2, we analyzed changes in α7 and α4β2 nAChR density in the nucleus accumbens (NAcc) and dorsal striatum in NQ and NS animals sensitized to nicotine. Male and female Sprague-Dawley rats were neonatally treated with quinpirole (1mg/kg) or saline from postnatal days (P)1-21. Animals were given ip injections of either saline or nicotine (0.5mg/kg free base) every second day from P33 to P49 and tested on behavioral sensitization. Before each injection, animals were ip administered the α7 nAChR antagonist methyllycaconitine (MLA; 2 or 4mg/kg) or the α4β2 nAChR antagonist dihydro beta erythroidine (DhβE; 1 or 3mg/kg). Results revealed NQ enhanced nicotine sensitization that was blocked by DhβE. MLA blocked the enhanced nicotine sensitization in NQ animals, but did not block nicotine sensitization. NQ enhanced the NAcc BDNF response to nicotine which was blocked by both antagonists. In Experiment 2, NQ enhanced nicotine sensitization and enhanced α4β2, but not α7, nAChR upregulation in the NAcc. These results suggest a relationship between accumbal BDNF and α4β2 nAChRs and their role in the behavioral response to nicotine in the NQ model which has relevance to schizophrenia, a behavioral disorder with high rates of tobacco smoking.