Les travaux présentés explorent la diversité structurale des glycannes dans l’organisme modèle du Poisson Zèbre et analysent la régulation des sialoconjugués lors d’évènements physiopathologiques particuliers. La première partie de mes travaux vise à étendre nos connaissances structurales sur la distribution des glycannes à l’échelle cellulaire et tissulaire grâce à l’étude d’un modèle majeur de vertébré, le poisson zèbre. Ces travaux s’inscrivent dans une optique de recherche fondamentale pour établir la première carte de glycosylation (glycosphingolipides ; N- et O-glycannes) des organes du poisson zèbre adulte. A terme, ces résultats permettront de mieux appréhender les relations structures-fonctions des glycannes au niveau des organismes entiers. La seconde partie de mes travaux se focalise sur le suivi structural et métabolique de la sialylation. Une première stratégie est basée sur l’utilisation d’un mime-alcyné de l’acide sialique que nous pouvons coupler à un fluorophore-azidé par « click-chemistry » pour visualiser les sialoconjugués en microscopie. Ainsi, nous avons étudié le métabolisme de l’acide sialique des fibroblastes de patients atteints de Maladie Congénitale de la Glycosylation ou pour suivre la métabolisation de l’acide sialique après une infection par le parasite intracellulaire Toxoplasma gondii. Une seconde stratégie s’intéresse à la régulation de la sialylation par des analyses structurales lors d’une infection parasitaire par Trypanosoma cruzii ou lors de la surexpression d’une sialyltransferase dans la lignée cellulaire MCF-7. Ces études révèlent d’importantes variations dans l’expression des sialoglycoconjugués. / Our studies investigated the structural diversity of glycans in zebrafish model organism and analyzed the regulation of sialoconjuguates during specific pathophysiological events. First part of my work intends to expand our structural knowledge about the organisation of glycans at the cellular and tissue levels through the study of a major vertebrate model, the zebrafish. This study aims to establish the first map of glycosylation in zebrafish, including profiles of glycosphingolipids as well as N- and O-glycans of glycoproteins. These data reveal numerous novel structures, including oligofucosylated and oligosialylated glycosphingolipids, and inform us about the organization of glycans within each organ. These results will provide new insight into the structure-function relationships of glycans in whole organisms. Second part of my work focuses on the structural and metabolic monitoring of sialylation. One of the deployed strategies is based on the use of an alkyne analogue of sialic acid and that can specially bind to a fluorophore by click-chemistry for monitoring the sialoconjugates by fluorescence microscopy. This strategy has been implemented to study sialic acid metabolism of fibroblasts from patients with congenital disease of the glycosylation or to follow the sialic acid metabolism after infection with the intracellular parasite Toxoplasma gondii. A second strategy based on structural analyzes focuses on the regulation of sialic acid during parasitic infection by Trypanosoma cruzii or during an overexpression of sialyltransferase in MCF-7 cell line. These studies reveal significant variations in the expression of sialoconjuguates.

Une mauvaise hygiène alimentaire et certains désordres métaboliques sont décrits depuis plusieurs années comme des facteurs de risque majeurs du cancer colorectal. Néanmoins, les mécanismes moléculaires reliant ces facteurs à la cancérisation colique et rectale restent mal compris. Pour tenter de comprendre la relation entre ces deux pathologies, nous nous sommes focalisés sur une voie de signalisation essentielle à l’initiation tumorale colique, la voie Wnt/β-caténine et particulièrement sur la β-caténine, protéine central de cette voie. Depuis près de 30 ans, un concept de nouveau « senseur métabolique » a fait son apparition avec la découverte de la O-GlcNAcylation des protéines. Cette découverte majeure a permis d’entrevoir de nouveaux modes de régulation des protéines intracellulaires, directement dépendante des changements en glucose extracellulaire, observés notamment lors de nombreux désordres métaboliques. Nous avons démontré que la O-GlcNAcylation engendrait la stabilisation de la β-caténine, en modifiant son extrémité N-terminale (S23, T40, T41 et T112). Cette stabilisation, associée à son interaction avec la O-GlcNAc Transférase, permet, via une activité transcriptionnelle accrue de la β-caténine, d’augmenter l’activité proliférative des cellules en culture. De plus, le régime alimentaire temporaire ou à long terme permet également d’augmenter de manière permanente la stabilité de la β-caténine. Cette stabilisation par O-GlcNAcylation de la β-caténine, dépendante du statut nutritionnel de la cellule, pourrait donc influencer la prolifération des cellules épithéliales coliques et s’ajouterait ainsi à la séquence de développement des cancers colorectaux. / For many years, feeding and metabolic disorders are described as key risk factors for colorectal cancer emerging. Nevertheless, molecular mechanisms connecting these factors to colorectal cancerization remain misunderstood. Trying to understand this relation, we focused on the Wnt/β-catenin pathway, the main signaling pathway involved in this process, and more particularly on β-catenin, the key protein of this pathway. Since 30 years now, a new “metabolic sensor” concept appears with protein’s O-GlcNAcylation discovery. This major progress let us foresee new way of intracellular proteins regulation, directly dependent on glucose rate change, a phenomenon observed in numerous metabolic disorders. We have demonstrated that O-GlcNAcylation leads to β-catenin stabilization, by modifying its N-terminal extremity (S23, T40, T41 and T112). This stabilization, associated with O-GlcNAc Transferase interaction, increases the proliferative state of cells, through an increase transcriptional activity of β-catenin. Moreover, temporary or long-term diets also increase permanently the stability of β-catenin. This stabilization, through β-catenin O-GlcNAcylation dependent of cell nutrient status, could impact onto epithelial cell proliferation and create a novel step in colorectal cancer sequence.

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.

- / -

Un des acteurs essentiels de la réplication de l’ADN est le complexe MCM2-7. Ce complexe est composé de 6 protéines (MCM2 à MCM7) organisées en hexamères qui sont recrutés aux origines de réplication pendant la phase G1. Le complexe MCM2-7 possède une activité hélicase permettant la formation des fourches de réplication et le recrutement des ADN polymérases. L’arrimage à la chromatine et l’activité du complexe MCM2-7 doivent être finement contrôlés notamment par des interactions avec différents partenaires protéiques et par un ensemble de modifications post-traductionnelles (MPTs). Des travaux de l’équipe ont identifié la O-GlcNAcylation comme une nouvelle MPT sur certaines protéines MCM. C’est une glycosylation dynamique et réversible des protéines nucléocytoplasmiques et mitochondriales, gouvernée par la O-GlcNAc transférase (OGT) et la O-GlcNAcase (OGA). Lors de mes travaux de thèse j’ai cherché à comprendre le rôle de la O-GlcNAcylation sur le complexe MCM2-7 dans des lignées cellulaires humaines. J’ai démontré que toutes les MCM sont O-GlcNAcylées et que cette modification n’intervient que sur la fraction des MCM liées à l’ADN. Mes travaux montrent que l’OGT interagit avec certaines sous-unités MCM et que l’extinction de l’expression de l’OGT diminue la fixation à la chromatine des MCM2, 6 et 7. Enfin, la perturbation de la dynamique O-GlcNAc déstabilise les interactions entre les sous-unités MCM2/6, MCM4/7 et MCM4/6. L’ensemble de mes travaux montre que l’OGT est un nouveau partenaire du complexe MCM2-7 dans les cellules humaines, et suggère que l’homéostasie de O-GlcNAcylation pourrait réguler le maintien du complexe MCM2-7 à la chromatine. / The MCM2-7 complex is one of the major players for regulating the DNA replication. MCM2-7 contains six evolutionarily conserved subunits (MCM2 to MCM7) which bind together to form a hexameric complex. The MCM2-7 complex is progressively loaded onto chromatin to licence origins of replication during G1 phase, and forms the core of the replicative helicase necessary to fuel the unwinding of double-stranded DNA at the replication fork, allowing the loading of the DNA polymerases. The MCM2-7 helicase must be tightly regulated through interactions with specific protein partners and also by post-translational modifications (PTMs). In our team, O-GlcNAcylation has previously been identified as a new PTM of several MCM2-7 subunits. It is a dynamic and reversible glycosylation of nucleocytoplasmic and mitochondrial proteins, and is governed by O-GlcNAc transferase (OGT) and O-GlcNAcase (OGA). The aim of my thesis was to decipher the role of O-GlcNAcylation on the MCM2-7 complex in human cells. I show that each MCM subunit is O-GlcNAcylated mainly in the chromatin-bound protein fraction of cells. Moreover, my results show that OGT stably interacts with several MCM proteins and OGT down-regulation induces a decrease in the chromatin loading of MCM2, 6 and 7. Finally, I show that perturbation of O-GlcNAc cycling destabilizes interactions between MCM2/6, MCM4/7 and MCM4/6 subunits. To conclude, my results show that OGT is a new partner of the MCM2-7 replicative helicase complex in human cells, and suggest that O-GlcNAc homeostasis might be essential to ensure the maintenance of the MCM2-7 complex onto chromatin during DNA replication.

Après un repas, la glycolyse, la lipogenèse et particulièrement 2 enzymes sont sollicitées : la GlucoKinase (GK) et la Fatty Acid Synthase (FAS) augmentant la biosynthèse des acides gras (AG). Une autre voie du glucose conduit à la O-GlcNAc, glycosylation assurée par l’OGT et l’OGA. Au vu de la relation entre le glucose, la O-GlcNAc et le métabolisme glucido-lipidique, la O-GlcNAc contrôle probablement l'expression et l'activité de la GK et de la FAS. L’objectif a été de caractériser la O-GlcNAc des 2 enzymes et l’impact de la modification sur leurs propriétés. Les niveaux de O-GlcNAc, de GK et de FAS ont été mesurés dans différents modèles : des foies et des hépatocytes primaires de souris et des lignées cellulaires hépatiques cultivés dans des conditions de O-GlcNAc variables. Nous démontrons que la FAS et la GK sont O-GlcNAc en fonction des conditions nutritionnelles, en corrélation avec une meilleure stabilité de la protéine. Un lien existerait entre l’apport excessif de glucose, l’augmentation de O-GlcNAc et la production d’AG conduisant à la stéatose. Les perspectives sont l’étude de la régulation de la FAS par O-GlcNAc au cours du cycle cellulaire. La FAS est primordiale dans la biosynthèse d’AG, composants majeurs des membranes plasmiques. Par conséquent, elle est dérégulée en cas de prolifération cellulaire anormale, caractéristique des cellules cancéreuses. Ce défaut de prolifération est accompagné d’une augmentation de la FAS, de l’OGT et des protéines O-GlcNAc. Nos premiers résultats montrent que l’expression de la FAS varie au cours du cycle. L’OGT y joue probablement un rôle puisque son inhibition dérégule les variations de la FAS au cours du cycle cellulaire. / After a meal, the glycolysis, the lipogenesis and particularly two enzymes are activated: Glucokinase (GK) and Fatty Acid Synthase (FAS) causing an increase in fatty acid biosynthesis. Another pathway of glucose leads to O-GlcNAc, glycosylation catalysed by O-GlcNAc transferase (OGT) and O-GlcNAcase (OGA). In view of the relationship between glucose levels, O-GlcNAc and the glucido-lipidic metabolism, the O-GlcNAc would regulate the expression and activity of GK and FAS. The aim was to characterize O-GlcNAc of GK and FAS, and the impact of this modification on their properties. O-GlcNAc, GK and FAS levels were measured in various models: livers and primary hepatocytes of mouse and liver cell lines cultured in conditions that modulate O- GlcNAc levels.We demonstrated that FAS and GK are O-GlcNAc depending on nutritional conditions in correlation with a better stability of proteins. It must exist a link between an excessive intake of glucose, increased levels of O-GlcNAc and abundant fatty acid production leading to hepatic steatosis. In the perspectives, we focused on the regulation of FAS expression by O-GlcNAc during the cell cycle. Indeed, FAS plays a pivotal role in the biosynthesis of biological membranes fatty acids. Accordingly, FAS may be dysregulated in abnormal cell proliferation, a major characteristic of cancer cells. In addition, these cells exhibit an overall increase of OGT expression and O-GlcNAc protein. Our initial results suggest that FAS has a variable expression during cell cycle. In addition, OGT and O-GlcNAc may play a role since the use of an OGT inhibitor deregulate changes in the FAS expression in different phases of the cycle.

Πρόσφατα δεδομένα σε πειραματικά μοντέλα ζώων αλλά και σε ασθενείς καταδεικνύουν την σημαντικότητα της «ποιότητας» της λιποπρωτεΐνης υψηλής πυκνότητας (HDL), σε σχέση με την ποσότητά της, στην προστασία από τη στεφανιαία νόσο. Τα κύρια χαρακτηριστικά της HDL τα οποία καθορίζουν την «ποιότητά» της, είναι η ανάστροφη μεταφορά χοληστερόλης, οι αντιοξειδωτικές και αντιφλεγμονώδεις ιδιότητές της καθώς επίσης και η ικανότητά της να προάγει την παραγωγή ΝΟ στο αρτηριακό επιθήλιο και να ρυθμίζει την ομοιόσταση της γλυκόζης αίματος. Στην συγκεκριμένη ερευνητική εργασία μελετάμε την επίδραση που έχει η ενεργοποίηση του φαιού λιπώδους ιστού, μέσω της έκθεσης φυσιολογικών πειραματικών μοντέλων μυών, σε περιβάλλον χαμηλής θερμοκρασίας, στο λιπιδαιμικό προφίλ, καθώς και στην λειτουργικότητα της HDL. Είναι γνωστό είναι ότι η ενεργοποίηση του φαιού λιπώδους ιστού, λόγω έκθεσης πειραματόζωων σε περιβάλλον χαμηλής θερμοκρασίας, οδηγεί σε θερμογένεση, κάθαρση των τριγλυκεριδίων από το αίμα παχύσαρκων ποντικών, μείωση του βάρους τους, έλεγχο του καταβολισμού των λιποπρωτεϊνών και ομαλοποίηση της ανοχής τους στην γλυκόζη. Έτσι θελήσαμε να επεκτείνουμε την μελέτη μας, στον ενδεχόμενο ρόλο του εγκλιματισμού των πειραματόζωων μετά από μακρόχρονη έκθεσή τους στο ψύχος στους παραπάνω παράγοντες. Για την επίτευξη των πειραματικών μας στόχων δημιουργήθηκαν τρεις ομάδες C57BL/6 μυών εκ των οποίων η μια εκτέθηκε σε περιβάλλον χαμηλής θερμοκρασίας για 2 εβδομάδες (βραχύχρονη έκθεση στο ψύχος), η άλλη ομάδα για 12 εβδομάδες (μακρόχρονη έκθεση στο ψύχος), ενώ η τρίτη αποτέλεσε την ομάδα ελέγχου. Στις δύο ομάδες μυών έγιναν κινητικές μελέτες έκκρισης και κάθαρσης τριγλυκεριδίων. Επίσης απομονώθηκαν από το πλάσμα του αίματος, τα λιποπρωτεϊνικά κλάσματα στα οποία έγιναν αναλύσεις για τον έλεγχο της ποσότητας και της ποιότητας της HDL. Τα αποτελέσματά μας καταδεικνύουν την επαγωγή θερμογένεσης από τον φαιό λιπώδη ιστό και στις δύο πειραματικές ομάδες, με αυτή να είναι πιο έντονη κατά την βραχύχρονη έκθεση στο ψύχος. Παρόλο που η κατανάλωση τροφής στις ομάδες που εκτέθηκαν στο ψύχος αυξήθηκε, το σωματικό τους βάρος παρέμεινε το ίδιο, μιας και η περίσσεια διατροφικών λιπιδίων χρησιμοποιούνταν από τον φαιό λιπώδη ιστό για την παραγωγή θερμότητας παρά για αποθήκευσή τους στον λευκό λιπώδη ιστό. Η εντερική απορρόφηση τριγλυκεριδίων αυξήθηκε σε σχέση με την ομάδα ελέγχου καθώς πιθανά ο οργανισμός χρειαζόταν τα λιπίδια για θερμογένεση, ενώ η ηπατική έκκριση τριγλυκεριδίων μειώθηκε. Η ολική χοληστερόλη των λιποπρωτεϊνικών κλασμάτων, στις πειραματικές ομάδες, έτεινε να βρίσκεται συγκεντρωμένη στα πιο ώριμα κλάσματα, ιδιαίτερα έπειτα από μακρόχρονη έκθεση στο πειραματικό περιβάλλον. Επιπλέον η HDL την 12η εβδομάδα, παρουσίασε καλύτερη αντιοξειδωτική δράση καθώς και διατήρησε αμιγή την ικανότητα να επιτελεί εκροή χοληστερόλης από τα κύτταρα. Τα ευρήματά μας οδηγούν σε δύο ενδιαφέρουσες ανακαλύψεις: 1) Η βραχεία έκθεση στο ψύχος έχει μεγαλύτερη επίδραση στη θερμογένεση και την παραγωγή ATP, απ’ ότι η μακρά έκθεση. 2) Η μακρά έκθεση στο ψύχος οδηγεί σε πιο λειτουργική HDL σε σχέση με την ομάδα βραχείας έκθεσης. Κατά συνέπεια τα αποτελέσματα μας αυτά, καταδεικνύουν εγκλιματισμό των πειραματόζωων στο ψύχος, ο οποίος συνοδεύεται από ποιοτικότερη και πιο λειτουργική HDL. / Recent data indicate the significance of “HDL quality” in atherosclerosis, rather than HDL cholesterol levels in plasma, suggesting that composition as well as functionality of HDL particle, imparts the atheroprotective property of HDL. The main atheroprotective property of HDL is cholesterol efflux in addition to anti-inflammatory and antioxidant properties. HDL has also the ability to promote NO production in the arterial lining and to regulate blood glucose levels. In this study we intend to examine whether brown adipose tissue activation, through low environmental temperature, affects lipid profile and functionality of HDL in C57BL/6 mice. Previous studies have shown that BAT is activated in animals which have been exposed to low temperature environment, resulting in thermogenesis, blood triglycerides clearance, weight reduction, control of lipoproteins catabolism and normalization of glucose tolerance. Thus we intended to study the possible role of acclimatization after long-term exposure to cold temperature regarding the above factors. Therefore we formed three groups of C57BL/6 mice, one of which was exposed to 4oC environment for 2 weeks (short-term exposure), the other one for 12 weeks (long-term exposure) and the last one at 28oC environment (control group). Kinetic studies of triglyceride secretion and clearance where performed, to all groups of animals. Analyses regarding HDL quantity and quality, where performed in lipoprotein fractions isolated from plasma. Our data demonstrate the induction of thermogenesis in BAT in both experimental groups, which appeared to be more intense during the short-term exposure. Although food consumption, in groups exposed to cold, was increased, body weight did not change, as BAT used the excess dietary lipids in order to produce heat rather than storing them in white adipose tissue. Intestinal absorption of triglycerides was increased compared to the control group, possibly because lipids are needed due thermogenesis. Total cholesterol in HDL fractions, tended to be concentrated in more mature fragments, especially after long-term exposure. In addition HDL, during long-term exposure, showed to have more effective antioxidant potential and cholesterol efflux, compared to the group exposed to cold temperature for 2 weeks. Our observations lead to two interesting findings: 1) Short-term exposure to cold has greater effect on thermogenesis and ATP production rather than long-term exposure. 2) After long-term exposure to cold, HDL appears to be more functional compared to the short-term exposure group. Therefore our results indicate acclimation of the animals to low temperature environment, followed by a qualitative HDL.

Οι νικοτινικοί υποδοχείς της ακετυλοχολίνης είναι ομο- ή ετεροπενταμερείς διαμεμβρανικές γλυκοπρωτεΐνες οι οποίες, σχηματίζοντας ιοντικά κανάλια, συμβάλλουν στην λειτουργία του μυικού και νευρικού συστήματος. Η επικείμενη εμπλοκή των υποδοχέων αυτών σε διάφορες παθολογικές καταστάσεις του οργανισμού, επιβάλλει τη γνώση της δομής τους, απαραίτητη προϋπόθεση για την ανάπτυξη εξειδικευμένων θεραπευτικών προσεγγίσεων. Μέχρι τώρα, δεν έχουν δημοσιευτεί υψηλής ανάλυσης πληροφορίες για τη δομή του μορίου του ανθρώπινου υποδοχέα μέσω κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ ή μέσω πειραμάτων πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR). Η απουσία των συγκεκριμένων πληροφοριών, οφείλεται στη φύση του μορίου του υποδοχέα όπως η ύπαρξη των υδρόφοβων διαμεμβρανικών περιοχών, το μέγεθος του μορίου καθώς και η αδυναμία απομόνωσης σε μεγάλες ποσότητες από φυσικές πηγές. Για το λόγο αυτό, είναι αναγκαίο να προκύψουν πρωτεϊνικά μόρια υδατοδιαλυτά, λειτουργικά, με δομή η οποία να πλησιάζει αρκετά τη φυσική διαμόρφωσή τους και σε ποσότητες ικανές ώστε να είναι εφικτές οι δομικές μελέτες τους. Τα τμήματα του νικοτινικού υποδοχέα της ακετυλοχολίνης, τα οποία συγκεντρώνουν τις παραπάνω προϋποθέσεις, είναι τα εξωκυτταρικά αμινοτελικά πολυπεπτίδια των διαφόρων υπομονάδων που τον αποτελούν. Από την άλλη πλευρά, ο οργανισμός που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί ως σύστημα ετερόλογης έκφρασης, πρέπει να είναι εύκολος στους χειρισμούς του, γρήγορος, οικονομικός, με μεγάλο επίπεδο έκφρασης (όπως τα βακτήρια π.χ. E.coli) αλλά ταυτόχρονα να έχει την ικανότητα να πραγματοποιεί μεταμεταφραστικές τροποποιήσεις στις πρωτεΐνες που εκφράζει ώστε τα παραγόμενα μόρια να μπορούν να αναδιπλωθούν (όπως τα ευκαρυωτικά κύτταρα). Άρα, για να προκύψουν τα επιθυμητά μόρια, σύμφωνα με τις παραπάνω προϋποθέσεις, εκφράστηκαν τα εξωκυτταρικά τμήματα (ECDs) των ανθρώπινων υπομονάδων α1, α4 και β2 στο υπερκείμενο καλλιέργειας του μεθυλοτροφικού ζυμομύκητα P. pastoris. Αρχικά, μελετήθηκαν τα εξωκυτταρικά τμήματα των α4 και β2 υπομονάδων με διαφορετικούς επιτόπους ώστε να γίνει η επιλογή του καλύτερου συνδιασμού που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για έκφραση των δύο υπομονάδων στο ίδιο σύστημα. Η έκφραση των α4 και β2 ECDs με τον επίτοπο των έξι αμινοξικών καταλοίπων στο καρβοξυτελικό τους άκρο (α4-ECD-6xHis και β2-ECD-6xHis) στο υπερκείμενο καλλιέργειας του P. pastoris, κατέληξε στην απομόνωση μικρών ποσοτήτων πρωτεϊνικών συσσωματωμάτων τα οποία κρίνονται ακατάλληλα για δομικές μελέτες εξαιτίας της υδροφοβικότητας και κατά συνέπεια του μεγέθους τους. Όταν πραγματοποιήθηκε αλλαγή της υδρόφοβης περιοχής μεταξύ των κυστεινών 128 και 142 με την αντίστοιχη υδρόφιλη ολιγοπεπτιδική αλληλουχία της πρωτεΐνης η οποία δεσμεύει ακετυλοχολίνη (AChBP) στις ανασυνδιασμένες πρωτεΐνες, παρατηρήθηκε αισθητή βελτίωση για την β2-ECD υπομονάδα (β2-cysloop-ECD-6xHis) τόσο σε επίπεδο έκφρασης όσο και στο μέγεθος το οποίο σχηματίζει. Ωστόσο, παρόμοια βελτίωση για την α4-cysloop-ECD-6xHis υπομονάδα, παρατηρήθηκε όταν αντικαταστάθηκε ο καρβοξυτελικός επίτοπος των έξι αμινοξικών καταλοίπων ιστιδίνης από τον επίτοπο του οκταπεπτιδίου FLAG (α4-cysloop-ECD-FLAG). Στα πειράματα συνέκφρασης, των δύο υπομονάδων στο ζυμομύκητα P. pastoris που ακολούθησαν, αρχικά πιστοποιήθηκε η συνέκφραση και στη συνέχεια ο σχηματισμός ετεροπολυμερούς των δύο υπομονάδων. Ακόμα, η απογλυκοζυλίωση των α4-cysloop-ECD-FLAG και β2-cysloop-ECD-6xHis όταν εκφράζονται μόνες τους ή όταν εκφράζονται ταυτόχρονα στο υπερκείμενο του P. pastoris, φανέρωσε την αύξηση της ομοιογένειας των μορίων τους. Επιπλέον, ενθαρυντική ήταν η εύρεση της επιθυμητής στοιχειομετρίας 2 α4/ 3 β2 των υπομονάδων βάση της οποίας συμμετέχουν στο σχηματισμό του ετεροπολυμερούς. Ωστόσο, η μάζα του ετεροπολυμερούς των ανασυνδιασμένων α4 και β2 υπομονάδων, όπως προέκυψε από την επεξεργασία των αποτελεσμάτων της χρωματογραφίας μοριακής διήθησης (1191 και 496kDa), απέχει κατά πολύ από την θεωρητικά αναμενόμενη μάζα ετεροπενταμερούς των 175kDa. Μελέτες δυναμικής σκέδασης φωτός σε δείγματα του απομονωμένου ετεροπολυμερούς, επιβεβαίωσαν το παραπάνω αποτέλεσμα. Τα αποτελέσματα της μελέτης μείωσης του μεγέθους των ετεροπολυμερών με απορρυπαντικά, έδειξαν ότι είναι δυνατή η επιθυμητή μείωση του μεγέθους αλλά σε υψηλές τιμές συγκεντρώσεων απορρυπαντικού. Επιπλέον, η ανάγκη για ακόμα υψηλότερες τιμές απορρυπαντικών προς βελτίωση της ομοιογένειας δεν συνίσταται, διότι κατευθύνει τους σχηματισμούς των πρωτεϊνικών μοριών σε ασταθείς καταστάσεις οι οποίες χαρακτηρίζονται από ευμετάβλητες διαμορφώσεις και πολλές φορές καταστροφή των υπό μελέτη πρωτεϊνών. Ακόμα, το γεγονός ότι τα απομονωμέμενα ετεροπολυμερή των α4 και β2 ECDs δεν εμφανίζουν την ικανότητα δέσμευσης νικοτίνης, σε συνδιασμό με τα παραπάνω αποτελέσματα μελέτης τους, οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι δεν τηρούν τις προϋποθέσεις των κατάλληλων πρωτεϊνικών δειγμάτων τα οποία προορίζονται για πειράματα μελέτης της δομής τους. Η έκφραση της ανασυνδιασμένης α1-ECD με τον επίτοπο των έξι αμινοξικών καταλοίπων στο καρβοξυτελικό της άκρο (α1-ECD-6xHis) στο υπερκείμενο καλλιέργειας του P. pastoris, κατέληξε στην απομόνωση υδατοδιαλυτού και λειτουργικού μορίου. Οι πληροφορίες των μελετών κυκλικού διχρωισμού σε δείγμα της απομονωμένης ανασυνδιασμένης πρωτεΐνης, δείχνουν ότι πρόκειται για ένα μόριο με διαμόρφωση και μάλιστα, σε επίπεδο δευτεροταγούς δομής, εμφανίζει ένα πλούσιο περιεχόμενο β-πτυχωτής επιφάνειας (40,9%). Ωστόσο, οι δοκιμές κρυστάλλωσης στις οποίες τέθηκαν δείγματα της α1-ECD-6xHis, δεν απέδωσαν το επιθυμητό αποτέλεσμα της κρυστάλλωσης του μορίου. Ακόμα και όταν πραγματοποιήθηκε προσπάθεια μελέτης του μορίου σε διαλύματα (NH4)2SO4 με μεταβλητή συγκέντρωση, pH και θερμοκρασία, στάθηκε αδύνατο να κρυσταλλωθεί το μόριο. Το πρόβλημα της συγκεκριμένης έκφρασης, εντοπίστηκε επιπλέον και στο ποσό της ανασυνδιασμένης πρωτεΐνης που είναι δυνατόν να απομονωθεί. Για να αυξηθεί το επίπεδο έκφρασης, πραγματοποιήθηκαν πειράματα μεταβολής των συνθηκών καλλιέργειας (θερμοκρασία, σύσταση θρεπτικού μέσου) όπως επίσης και των συνθηκών απομόνωσης. Παρατηρήθηκε βελτίωση στην ποσότητα του τελικού απομονωμένου προϊόντος η οποία όμως δεν θεωρείται ικανοποιητική. Για το λόγο αυτό, στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε έκφραση και απομόνωση της α1-ECD με τον επίτοπο του οκταπεπτιδίου FLAG στο αμινοτελικό της άκρο, στο υπερκείμενο καλλιέργειας του ίδιου ζυμομύκητα. Το επίπεδο έκφρασης της συγκεκριμένης ανασυνδιασμένης πρωτεΐνης, ήταν αρκετά ικανοποιητικό (1mg πρωτεΐνης /lt υπερκειμένου καλλιέργειας) και μάλιστα αυξημένο κατά πολύ σε σχέση με τις προηγούμενες εκφράσεις (0,34mg πρωτεΐνης /lt υπερκειμένου καλλιέργειας). Ωστόσο, η αδυναμία ορθής λήψης φάσματος του μορίου μέσω κυκλικού διχρωισμού εξαιτίας αυξημένου θορύβου, στάθηκε η αιτία να σταματήσει η έκφραση της συγκεκριμένης ανασυνδιασμένης πρωτεΐνης. / Nicotinic acetylcholine receptors are homo- or heteropentameric transmembrane glycoproteins which form ion channels and contribute to the function of muscles and neurons. The involvement of these receptors in pathological situations, imposes the knowledge of their structure for the development of specific therapeutic approaches. Till now, there is not sufficient knowledge about the structure of the human acetylcholine receptor through x-ray crystallography or through NMR experiments. The absence of these data, comes from the nature of the receptor molecules such as the existence of hydrophobic transmembrane domains, the size of the molecule. Therefore, it is necessary to obtain hydrophilic and functional protein molecules with native-like structure and in adequate quantities in order to be possible structural studies of these molecules. So, the most suitable domains of the acetylchlonine receptors to be used for these studies, are the extracellular domains. At the beginning, studies of extracellular domains of α4 and β2 subunits with different tags were accomplished in order to choose the best combination to be used in cooexpression experiments in Pichia Pastoris. The expression of the extracellular domains of α4 and β2 tagged with 6xHis in the C-terminus (α4-ECD-6xHis and β2-ECD-6xHis) to the supernatant of the P. pastoris culture, gave very little amounts of protein aggregates which are not suitable for structural studies because of their hydrophobicity. When the hydrophobic region between Cys 128 and Cys 142 was changed with the respective hydrophilic region from Acetylcholine Binding Protein, an increase of expression of the β2-ECD subunit and a decrease of protein aggregation was observed. However, a similar improvement for α4-cysloop-ECD-6xHis subunit was observed after substitution of 6xHis tag with FLAG tag. Thereafter, the cooexpression experiments through P. pastoris, showed the formation of an heteropolymer which is formed by the two different subunits. Moreover, the in vitro deglycosylation of α4-cysloop-ECD-FLAG and β2-cysloop-ECD-6xHis, either they are coexpressed or not, revealed an improvement of homogeneity of these molecules. Besides these results, the determination of the desirable stoichiometry 2 α4/ 3 β2 of the subunits that participate in the heteropolymer, was also encouraging. However, the estimation of protein mass of the α4β2 heteropolymer, through gel filtration chromatography (1191 and 496 kDa), showed that these formations are much bigger than the expected mass of heteropentamers. This result is also confirmed by dynamic light scattering experiments. The results from decreasing the size of heteropolymers in the presence of detergents, showed that this is possible to be achieved in high concentrations of detergents with the danger of denaturing the protein molecules. So, it was obvious that this strategy for studying the structure of the extracellular domain of α4β2 receptors, had to be changed. The expression of the extracellular domain of α1 subunit tagged with 6xHis to the supernatant of P. pastoris culture, led to the isolation of water soluble and functional molecule. Data from circular dicroism studies in a protein sample, showed that α1-ECD has a formation rich in β-sheets (40.9%). However, crystallization trials in samples of α1-ECD-6xHis, gave no protein crystals. Moreover, the yield of the purified protein was too small. In order to achieve an increase of the protein yield, experiments of modifying the temperature and the composition of nutrient were carried out. The result from these experiments showed a slight improvement for the final quantity of protein that is obtained but not satisfactory. For this reason, there were performed expression and isolation of the extracellular domain of α1 subunit with a FLAG tag in the N-terminus, to the supernatant of P. pastoris culture. The quantity of purified protein was dramatically increased (1mg protein/lt of culture supernatant). However, it was not possible to obtain a circular dichroism spectrum without background noise and that was the reason for not continuing the expression of this protein.

- / -

Η πρόσφατη άποψη, ότι η ποιότητα της HDL αποτελεί μια σημαντική παράμετρο στην αθηροπροστασία, κερδίζει όλο και περισσότερο έδαφος με ελάχιστα όμως δεδομένα να την υποστηρίζουν. Στην προσπάθεια μας να προσδιορίσουμε τις ποιοτικές παραμέτρους της HDL που σχετίζονται με αυξημένο κίνδυνο πρώιμης εμφάνισης εμφράγματος του μυοκαρδίου (ΜΙ), μελετήσαμε τα δομικά χαρακτηριστικά της HDL νεαρών ασθενών (≤35 ετών) με οξύ έμφραγμα του μυοκαρδίου. Μελετήσαμε 20 ΜΙ ασθενείς και 20 υγιείς εθελοντές ως ομάδα αναφοράς. Η HDL των ασθενών παρουσίαζε μειωμένα επίπεδα απολιποπρωτεΐνης Α-Ι(apoA-I), απολιποπρωτεΐνης Μ, και παραοξονάσης 1 και σημαντικά αθξημένα επίπεδα της απολιποπρωτεΐνης C-III(apo-CIII)(όλα p<0.005). Συγκεκριμένα ο HDL apoA-I/apoC-III λόγος ήταν 0.24±0.01 στους ασθενείς έναντι 4.88±0.90 της ομάδας αναφοράς (p<0.001). Οι δομικές αυτές αλλαγές σχετίζοντια με αυξημένη οξειδωτική ισχύ της HDL των νεαρών εμφραγματιών, συγκριτικά με την ομάδα αναφοράς (2.5 φορές, p=0.026). Η ηλεκτρονική μικροσκοπία δεν έδειξε σημαντική διαφορά στην μέση διάμετρο της HDL μεταξύ των δύο ομάδων, ωστόσο παρατηρήθηκε σημαντική διαφορά στην κατανομή των HDL διαμέτρων, υποδηλώνοντας την παρουσία διαφορετικών HDL υποπληθυσμών μεταξύ ΜΙ και της ομάδας αναφοράς. Η υπόθεση μας αυτή επιβεβαιώθηκε μετά από ανάλυση της HDL με μη αποδιατακτική δισδιάστατη ηλεκτροφόρηση, καθώς οι ΜΙ ασθενείς εμφάνιζαν μειωμένα επίπεδα pre-β1α, pre-pre-β1b και α2, και αυξημένα επίπεδα α1, α3, και pre-α4 HDL. Μείωση στον λόγο apoA-I/apoC-III HDL, έδειξε αλλαγές στην κατανομή των HDL υποπληθυσμών και αύξηση στην οξειδωτική ισχύ της HDL, παράγοντες που σχετίζονται με την ανάπτυξη εμφράγματος του μυοκαρδίου στους νεαρούς εμφραγματίες. Η πιθανότητα οι αλλαγές αυτές να δρουν ως βιοδείκτες για την πρώιμη πρόγνωση της νόσου, πρέπει να διερευνηθεί περεταίρω. / Recently, the concept that HDL quality is an important parameter for atheroprotection is gaining ground, though little data exists so far to support it. In an attempt to identify measurable qualitative parameters of HDL associated with increased risk for premature myocardial infraction (MI), we studied the structural characteristics of HDL from patients who survived an MI at a young age (≤35 years). We studied 20 MI patients and 20 healthy control subjects. HDL of patients had reduced apolipoprotein A-I (apoA-I), apolipoprotein M, and paraoxonase 1 levels and significantly elevated Apolipoprotein C-III (apoCIII) levels (all p<0.05). Specifically, the HDL apoA-I/apoC-III ratio was 0.240.01 in patients versus 4.880.90 in controls (p<0.001). These structural alterations correlated with increased oxidation potential of HDL of the MI group compared to controls (2.5 fold, p=0.026). Electron microscopy showed no significant difference in average HDL particle diameter between the two groups though a significant difference existed in HDL diameter distribution, suggesting the presence of different HDL subpopulations in MI and control subjects. Indeed, non-denaturing two-dimensional electrophoresis revealed that MI patients had reduced pre-β1α, pre-β1b and α2, and elevated α1, α3, and pre-α4 HDL. Reduction in the HDL apoA-I/apoC-III, changes in the HDL subpopulation distribution and an increase in HDL oxidation potential correlated with the development of MI in young patients. The possibility that such changes may serve as markers for the early identification of young individuals at high risk for an acute coronary event should be further explored.