No description available.

El receptor de acetilcolina nicotínico (AChR) es un canal iónico activado por ligandos, presente en el sistema nervioso central y en la unión neuromuscular. Su estabilidad en la membrana celular es de suma importancia, ya que determina el nivel de respuesta colinérgica, que puede ser alterada ante diversas situaciones fisiológicas y patológicas. En esta Tesis utilizamos como modelo experimental a las células CHO-K1/A5, una línea celular que expresa de forma estable al AChR muscular adulto. En el primer capítulo nos centramos en el estudio de la posible acción de los diacilgliceroles (DAG) sobre la expresión/distribución del AChR. Realizamos los experimentos con el dioctanoilglicerol (DOG), y definimos dos tiempos de tratamiento, a los que denominamos tiempos cortos (3-4 hs) y largos (18 hs) de incubación. A tiempos cortos, el DOG aumenta los niveles de AChR presentes en la superficie celular, mientras que a tiempos largos los disminuye con el concomitante aumento de los AChR intracelulares. A su vez, el incremento de los DAG endógenos como consecuencia de la alteración de diversas vías metabólicas, afecta de igual manera al AChR a tiempos cortos. Como el tratamiento con un éster de forbol, molécula análoga al DAG por su capacidad de interaccionar con los dominios C1 de diversas proteínas, resultó en los mismos cambios sobre la distribución del AChR, concluimos que los efectos del DOG eran debidos a su papel como segundo mensajero lipídico. Mediante el empleo de inhibidores enzimáticos y de anticuerpos específicos para las proteínas quinasas C (PKC) clásicas, las PKC noveles y las PKD, determinamos que los DAG a tiempos cortos de incubación favorecerían la inhibición de las PKCc al favorecer su desfosforilación, y esto disminuiría la internalización del AChR. Por otra parte, el estímulo con DOG a tiempos largos de las distintas PKC estudiadas, provocaría el efecto opuesto. El segundo capítulo se centró en el estudio de la distribución de los clústeres de AChR, generados por la unión de anticuerpos, en dominios lipídicos con diferentes valores de polarización generalizada (GP). Esta medición se realizó gracias a la tinción de las células con di-4-ANEPPDHQ, una sonda fluorescente capaz de poner en evidencia los cambios en la polaridad de la membrana, relacionados a un orden de membrana determinado. La depleción del colesterol (Col) disminuye los valores promedio de la GP de la membrana, aumentando en consecuencia la asociación de los clústeres de AChR a dominios de membrana más desordenados. Por otra parte, la despolimerización del citoesqueleto de actina con Latrunculina A, produce el efecto contrario al aumentar la asociación de los acúmulos de AChR con dominios de membrana más ordenados. Estos resultados indican que la distribución del AChR en la superficie celular depende del contenido de Col y de la integridad del citoesqueleto de actina. Por otra parte, el AChR se internaliza en pequeñas vesículas con valores bajos de la GP y bajo contenido de Col, situación que se mantiene frente a la depleción del Col producida por el tratamiento con metil-β-ciclodextrina, demostrando entonces que la endocitosis del AChR requiere de la disociación previa del receptor con dominios ricos en Col presentes en la membrana. / The nicotinic acetylcholine receptor (AChR) is a ligand-gated ion channel, present at the neuromuscular junction and central nervous synapses. Its stability at the cell membrane is important in determining cholinergic responses and can be altered under physiological and pathological conditions. In this thesis, we used CHO-K1/A5 cells, a cell line that expresses the adult muscle AChR in a stable manner. In the first chapter, we focus on the study of the possible effects of diacylglycerols (DAGs) on expression/distribution of AChR. We performed experiments with dioctanoylglycerol (DOG), and define two treatment times, which we name short (3-4 h) and long (18 h) incubation times. DOG increases AChR levels on the cell surface at short incubation times. At long treatment times however, surface AChRs decrease with the concomitant increase of intracellular AChRs. Besides, endogenous DAGs increase due to the alteration of various metabolic pathways, equally affecting AChR at short times. Since treatment with a phorbol ester, a DAG analogous because of its ability to interact with the C1 domain of different proteins, resulted in similar changes on AChR distribution, we conclude that DOG effects were due to its role as a lipid second messenger. By using specific enzyme inhibitors and antibodies to classical and novel protein kinases C (PKC) and PKD, we determined that DAGs inhibit PKCc by promoting its dephosphorylation at shorter incubation times, and thus the internalization of AChR decreases. Moreover, DOG stimulation of different PKCs at long treatment times, causes the opposite effect. The second chapter is focused on the study of AChR clusters distribution, generated by antibody binding, at lipid domains with different generalized polarization (GP) values. This measurement was performed by staining cells with di-4-ANEPPDHQ, a fluorescent probe that senses changes in the polarity of the membrane, related to membrane order. Cholesterol depletion diminishes the mean cell membrane di-4- ANEPPDHQ GP and concomitantly the number of AChR clusters associated with more disordered membrane domains increases. Depolymerization of the filamentous actin cytoskeleton by Latrunculin A has the opposite effect, with more AChR clusters associated with more ordered domains. In conclusion, the distribution of AChR submicron-sized clusters at the cell membrane depends on cholesterol content and cytoskeleton integrity. AChR internalizes via small vesicles having lower GP and lower cholesterol content than cell surface. This also occurs upon cholesterol depletion by methyl-β-cyclodextrin. Thus, AChR endocytosis is primed by receptor dissociation from Chol-rich plasmalemma domains.

Ο νικοτινικός υποδοχέας της ακετυλοχολίνης, επιτελεί καθοριστικό ρόλο στη σωστή λειτουργία της νευρομυϊκής σύναψης. Η δυσλειτουργία του υποδοχέα είναι υπεύθυνη για την εκδήλωση της βαριάς μυασθένειας, η οποία αποτελεί αυτοάνοσο νόσημα. Η αποκάλυψη της τρισδιάστατης δομής του υποδοχέα αποτελεί βασική προϋπόθεση στην κατανόηση της λειτουργίας και του ρόλου του στη δημιουργία της βαριάς μυασθένειας. Καθώς όμως, ο υποδοχέας είναι ένα σχετικά μεγάλο μόριο, με αρκετές υδρόφοβες περιοχές, η λύση της τρισδιάστατης δομής του καθίσταται δύσκολη. Τα μόνα δεδομένα που διαθέτουμε προέρχονται από μελέτες του AChR του ελασματοβράγχιου Torpedo californica, ο οποίος παρουσιάζει ικανοποιητική συγγένεια με τον υποδοχέα της ακετυλοχολίνης, και από μελέτες κρυσταλλογραφίας μια πρωτεΐνης του σαλιγκαριού Lymnaea stragnalis, ικανής να δεσμεύει ακετυλοχολίνη (AChBP), η οποία όμως παρουσιάζει μικρή ομοιότητα με τον ανθρώπινο μυϊκό υποδοχέα. Για την αντιμετώπιση των παραπάνω δυσκολιών, εκφράστηκαν τα εξωκυτταρικά τμήματα (extracellular domain: ECD) των β και δ υπομονάδων του ανθρώπινου νικοτινικού υποδοχέα της ακετυλοχολίνης, στο ετερόλογο σύστημα έκφρασης της Pichia pastoris. Οι δύο υπομονάδες κλωνοποιήθηκαν σε κατάλληλους φορείς έκφρασης, pPIC9 και pPICZaA. Τα ανασυνδυασμένα πολυπεπτίδια που απομονώθηκαν, χρησιμοποιήθηκαν για λειτουργικές μελέτες στα πλαίσια θεραπευτικών προσεγγίσεων και την ολοκλήρωση των μελετών σχετικά με την εξωκυτταρική περιοχή του AChR. Από τα πειραματικά δεδομένα που προέκυψαν, διαπιστώθηκε ότι η εξωκυτταρική περιοχή της β υπομονάδας, εκφράζεται σε διμερή μορφή και σε μεγαλύτερες ποσότητες συγκρινόμενη με τα ECDs των υπολοίπων υπομονάδων που εκφράστηκαν στο ίδιο σύστημα. Το πολυπεπτίδιο αυτό, διαθέτει παράλληλα και την ικανότητα να απομονώνει αντισώματα από ορούς μυασθενικών, από ορισμένους εκ των οποίων τα ποσοστά έφταναν και το 98%. Η διαδικασία απομόνωσης αντισωμάτων βασίζεται στην ακινητοποίηση των ανασυνδυασμένων πολυπεπτιδίων σε στήλη σεφαρόζης και χρήση της για αφαίρεση των αυτοαντισωμάτων έναντι της αντίστοιχης υπομονάδας. Στην περίπτωση της δ υπομονάδας τα αποτελέσματα που προέκυψαν από αντίστοιχες μελέτες δεν ήταν τα αναμενόμενα. Συγκεκριμένα, αν και η πρωτεΐνη απομονώνεται σε διαλυτή μορφή, δημιουργεί συσσωματώματα, τα οποία δεν επιτρέπουν τη χρήση της για δομικές μελέτες. Παράλληλα, οι ποσότητες που προκύπτουν είναι μικρές και δεν διευκολύνουν οποιαδήποτε χρήση της πρωτεΐνης. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, αντικαταστάθηκε η θηλιά του εξωκυτταρικού τμήματος της πρωτεΐνης με αυτή της AChBP, η οποία όπως έχει δειχθεί και στο παρελθόν σε άλλες υπομονάδες, βελτίωνε την ποιότητα και την ποσότητα της εκφραζόμενης πρωτεΐνης. Με αυτόν τον τρόπο η διαλυτότητα, καθώς και η ποσότητα, της απομονωμένης πρωτεΐνης αυξήθηκαν. Τα πειράματα ανοσοπροσροφήσεων όμως στην περίπτωση της δ υπομονάδας, δεν επέφεραν κάποιο σημαντικό αποτέλεσμα συγκρινόμενο με τα αντίστοιχα αποτελέσματα ανοσοπροσροφήσεων με τα ECDs των υπολοίπων υπομονάδων του μυϊκού AChR, τουλάχιστον για τους ορούς που ελέγχθηκαν. Εντοπίστηκε όμως ένας ορός, ο οποίος δεν αποκλύει την πιθανότητα εύρεσης κι άλλων θετικών αντι-δ ορών. Από όλα τα παραπάνω δεδομένα, προκύπτει ότι η εξωκυτταρική περιοχή της β υπομονάδας μπορεί να χρησιμοποιηθεί στα πλαίσια θεραπευτικών προσεγγίσεων και πιθανότατα και σε δομικές μελέτες, σε αντίθεση με τη δ, η οποία στη συγκεκριμένη μορφή δεν παρουσιάζεται κατάλληλη για δομικές μελέτες, καθώς οι παραγόμενες ποσότητες αποτρέπουν κάθε δυνατή προσπάθεια, δίχως όμως να μπορεί να αποκλειστεί η συμβολή της και σε μελλοντικά θεραπευτικά συστήματα. / -

Οι νικοτινικοί υποδοχείς της ακετυλοχολίνης (nAChRs), μέλη της υπερ-οικογένειας των πενταμερών χημειοελεγχόμενων ιοντικών καναλιών (LGICs), είναι διαμεμβρανικές γλυκοπρωτεΐνες μεγέθους ~290 kDa. Ανάλογα με την τοπολογία και τα φαρμακολογικά τους χαρακτηριστικά, διακρίνονται σε μυϊκού και νευρικού τύπου υποδοχείς. Οι μυϊκού τύπου nAChRs βρίσκονται στα ηλεκτρικά όργανα των ιχθύων Torpedo sp. και στις νευρομυϊκές συνάψεις των σπονδυλωτών, όπου μεταβιβάζουν τις νευρικές ώσεις στους μύες. Αποτελούνται από πέντε ομόλογες υπομονάδες που σχηματίζουν ένα κανάλι, με στοιχειομετρία (α1)2βγδ στα έμβρυα ή (α1)2βεδ στους ενήλικες. Κάθε υπομονάδα αποτελείται από: (α) ένα αμινο-τελικό εξωκυτταρικό τμήμα (ECD) μήκους ~210–220 αμινοξέων (β) τέσσερις μικρές (15–20 αμινοξέα μήκος η καθεμιά) υδρόφοβες διαμεμβρανικές περιοχές (M1–M4) και δύο μικρές υδρόφοβες θηλιές, μεταξύ των M1–M2 και M2–M3 (γ) μια υδρόφιλη κυταρροπλασματική θηλιά που ποικίλει σε μέγεθος (100–150 κατάλοιπα) και αμινοξική σύσταση μεταξύ των υπομονάδων, ανάμεσα στην Μ3 και Μ4 περιοχή, και (δ) ένα μικρό (4–28 αμινοξέα) υδρόφιλο καρβοξυ-τελικό άκρο εξωκυτταρικά. Οι μυϊκού τύπου nAChRs εκτός από την φυσιολογική τους δράση εμπλέκονται και στην αυτοάνοση νόσο μυασθένεια (myasthenia gravis-MG). Τα αυτοαντισώματα των μυασθενικών προσδένονται στην εξωκυτταρική περιοχή του AChR και η πλειοψηφία τους φαίνεται να στοχεύει την α1 υπομονάδα και συγκεκριμένα την κύρια ανοσογόνο περιοχή της-MIR. Επιπλέον, στην εξωκυτταρική περιοχή της α1 υπομονάδας εντοπίζεται και η περιοχή που συμμετέχει στον σχηματισμό της θέση πρόσδεσης της ακετυλοχολίνης και άλλων χολινεργικών προσδετών. Το α1 ECD του ανθρώπινου nAChRs έχει ήδη εκφραστεί, απομονωθεί και χαρακτηριστεί από υπερκείμενο καλλιέργειας του ζυμομύκητα Pichia pastoris ως μονομερές, υδατοδιαλυτό και λειτουργικό πρωτεϊνικό μόριο. Η ικανότητά του να προσδένει αντι-AChR αυτοαντισώματα βρέθηκε μέτρια, και για τον λόγο αυτό στην παρούσα εργασία εκφράστηκε σε ένα ανώτερο εξελικτικά σύστημα από αυτό του Pichia pastoris, με σκοπό την έκφραση μορίων με καλύτερη αναδίπλωση, που να προσομοιάζουν περισσότερο με την φυσική τους διαμόρφωση, καθώς επίσης και την παραγωγή ικανοποιητικής ποσότητας πρωτεΐνης, ώστε να είναι εφικτή η δομική της μελέτη. Ως ετερόλογο σύστημα έκφρασης, χρησιμοποιήθηκαν κύτταρα εντόμων του είδους Trichoplusia ni (High Five), τα οποία ήταν σταθερά μετασχηματισμένα ως προς το ανασυνδιασμένο α1 ECD πολυπεπτίδιο. Αναλυτικότερα, το ECD της α1 υπομονάδας εκφράστηκε στα δύο συστήματα και στην συνέχεια καθαρίστηκε και απομονώθηκε με χρωματογραφία συγγένειας και μοριακής διήθησης. Το High Five α1 ECD εκφράστηκε ως υδατοδιαλυτό μόριο σε ικανοποιητική ποσότητα ενώ η χρωματογραφία μοριακής διήθησης και οι μελέτες δυναμικής σκέδασης του φωτός έδειξαν επιπλέον πως εκφράζεται ως μονομερές. Ορισμένοι χολινεργικοί προσδέτες προσδένονται στο High Five α1 ECD, επιβεβαιώνοντας πως η διαμόρφωσή του προσομοιάζει με του ανθρώπινου nAChR. Με πειράματα ELISA και ραδιοανοσολογικού προσδιορισμού, προέκυψε πως το High Five α1 ECD δεσμεύει μεγαλύτερο ποσοστό αντι-nAChR μονοκλωνικών αντισωμάτων και αυτοαντισωμάτων από τον ορό μυασθενικών, συγκριτικά με το Pichia pastoris α1 ECD. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της εργασίας αυτής, το ανασυνδυασμένο α1 ECD του ανθρώπινου nAChR, εκφρασμένο σε κύτταρα εντόμων High Five, προσομοιάζει περισσότερο με την φυσική διαμόρφωση του nAChR. Επιπλέον, το ετερόλογο σύστημα έκφρασης των High Five κυττάρων είναι αποδοτικά καλύτερο σε σύγκριση με αυτό του ζυμομύκητα Pichia pastoris. Αυτό, καθιστά το High Five α1 ECD καταλληλότερο για δομικές μελέτες υψηλής ανάλυσης, που θα βοηθήσουν στην επίλυση της τρισδιάστατης δομής του υποδοχέα, αλλά και για την ανάπτυξη μιας ειδικής αντιγονοειδικής θεραπείας για τη μυασθένεια. / Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs), members of the superfamily of pentameric ligand-gated ion channels (LGICs), are transmembrane glycoproteins (Mr ~290 kDa). According to their topology and their pharmacological properties, nAChRs are divided into muscle-type and neuronal-type nAChRs. The muscle-type AChRs are located in fish electric organs as well as in the neuromuscular junction, where they transmit electrical signals from the nervous system to the vertebrate skeletal muscles. They consist of five homologous subunits forming a channel with stoichiometry (α1)2βγδ in embryos or (α1)2βεδ in adults. A nAChR subunit consists of: (a) a N-terminal extracellular domain (ECD) which is ~210–220 amino acids long; (b) four short (15–20 amino acids long) hydrophobic transmembrane segments (M1–M4) and two small hydrophilic loops, linking segments M1–M2 and M2–M3; (c) a hydrophilic cytoplasmic loop varying in size (100–150 residues) and sequence among different type of subunits, which located between M3 and M4 segment, and (d) a C-terminal short (4–28 amino acids) hydrophilic extracellular segment end. Muscle type nAChRs are also involved in the autoimmune disease myasthenia gravis (MG). Αutoantibodies in MG bind to the extracellular domain of the AChR and their majority target the α1 subunit and more specific the major immunogenic region (MIR). Moreover, the ECD of the α1 subunit bears the binding sites for acetylcholine and other cholinergic ligands. The human nAChR α1 subunit ECD has been expressed, isolated and characterized in the yeast Pichia pastoris as a monomer, water-soluble and functional molecule, with a medium ability to bind antibodies against AChR. In this project, the human nAChR α1 subunit ECD was expressed in an evolutionary higher protein expression system compared to Pichia pastoris system, in order to express molecules with better conformation, close to that of the native protein and to produce considerable amounts of protein for structural studies. In more details, we have used insect cells from the species Trichoplusia ni (High Five), which were stably transformed with the α1 ECD polypeptide. The α1 ECD of the human muscle nAChR, was expressed in both systems and was isolated and purified by affinity chromatography and fast protein liquid chromatography analysis (FPLC). The recombinant High Five α1 ECD was expressed as a water-soluble molecule in sufficient quantities. FPLC and dynamic light scattering analysis determined it to be monomer. Several cholinergic ligands were found to bind to High Five α1 human ECD confirming the native-like conformation of the protein. High Five α1 ECD was subsequently found to bind better conformation-dependent anti-nAChR mAbs than the Pichia pastoris α1 human ECD, as determined by ELISA and radioimmunoassay analysis. The binding of High Five α1 human ECD to anti-nAChR autoantibodies from MG patients, was also found to be better than the Pastoris pastoris α1 human ECD. These results indicate that the recombinant α1 human ECD, expressed in High Five cells, has a more native-like conformation than Pichia pastoris α1 ECD, being suitable for high resolution structural studies, in order to reveal the structure of the human nAChR and for the development of an antigen specific therapy for MG.

Les récepteurs à l’acétylcholine (AChRs) des nématodes parasites sont des cibles pharmacologiques majeures pour les anthelminthiques utilisés en médecine vétérinaire. Cependant, face à l’émergence d’isolats résistants, l’optimisation des stratégies de lutte nécessite une meilleure connaissance du mode d’action des anthelminthiques et du répertoire d’AChRs pour l’identification de nouvelles cibles thérapeutiques. Les nématodes parasites possèdent potentiellement une grande diversité d’AChR dont un nombre très restreint a été caractérisé fonctionnellement à ce jour. Dans ce contexte, nous avons identifié deux sous-unités d’AChR : ACR-26 et ACR-27 spécifiquement retrouvées chez les nématodes parasites. En exprimant ces sous-unités en œuf de Xénope et dans le nématode modèle Caenorhabditis elegans, nous avons mis en évidence un nouveau sous-type d’AChR musculaire sensible au morantel : le M-AChR. De plus, nous avons réalisé une étude moléculaire et fonctionnelle comparative des sous-unités d’AChR du groupe ACR-16 chez différentes espèces de nématodes. L’identification de ces nouveaux récepteurs constitue une base solide pour le développement de nouveaux anthelminthiques. / Acetylcholine receptors (AChRs) of parasitic nematodes are the major pharmacological targets for anthelmintics used in veterinary medicine. However, with the emergence of resistant isolates, the optimization of control strategies requires a better knowledge of the mode of action of anthelmintics and of the AChR repertoire for the identification of new therapeutic targets. Indeed, parasitic nematodes possess a large diversity of AChR subunits. In this context, we identified two AChR subunits: ACR-26 and ACR-27, specifically found in parasitic nematodes. By expressing these subunits in Xenopus oocytes and in the model nematode Caenorhabditis elegans, we identified a novel muscular AChR subtype sensitive to morantel: the M-AChR. Moreover, we performed a molecular and functional comparative study of the AChR subunits from ACR-16 group in different nematode species. The identification of these new receptors paves the way for the development of new anthelmintic drugs.

Die Myasthenia Gravis (MG) ist ein Prototyp einer Antikörper-vermittelte Autoimmunerkrankung. Die Autoantikörper richten sich hauptsächlich gegen den Acetylcholinrezeptor (AChR). Welche Bedeutung TH17-Zellen für die Pathogenese der MG haben, konnte bisher noch nie direkt gezeigt werden. Mithilfe des Tiermodells Experimentelle Autoimmune Myasthenia Gravis (EAMG) sollte die Rolle der TH17-Zellen im Rahmen dieser Arbeit analysiert werden. Eine signifikante Anzahl tAChR-spezifischer CD4+ T-Zellen, die IL17 exprimieren, konnte nach der Immunisierung mit torpedo AChR in CFA in Wildtyp-Mäusen (WT) beobachtet werden. Die IL17ko Mäuse entwickelten weniger oder keine EAMG Symptome, obwohl weder die Frequenz tAChR-spezifischer CD4+ T-Zellen, die IL2, IFNgamma oder IL21 sezernierten noch der prozentuale Anteil der FoxP3+ Treg-Zellen einen Unterschied aufwiesen. Im Gegensatz dazu waren die Level pathogener anti-muriner AChR Antikörper statistisch geringer in IL17ko Mäusen, während bei anti-tAChR Antikörpertitern kein Unterschied festzustellen war. Ähnliche Resultate erbrachten TCRbeta/delta ko Mäuse rekonstituiert mit entweder WT oder IL17ko CD4+ T-Zellen. Die Depletion von Treg-Zellen mithilfe von DEREG Mäusen in der frühen Erkrankungsphase zeigte keine signifikanten Unterschiede bezüglich der analysierten Parameter. Zusammenfassend lässt sich hier festhalten, dass die Frequenz und Differenzierung Antigen-spezifischer CD4+ T-Zellen sowie der Antikörpertiter gegen den tAChR nicht durch die IL17-Defizienz im EAMG Modell beeinflusst wird. Auch hat eine frühe Treg-Zell-Depletion keinen Einfluß auf die Erkrankungsstärke. Allerdings scheint das Durchbrechen der B-Zell Toleranz, das zur Produktion von pathogenen Anti-mAChR-spezifischen Antikörpern und somit zu einer Induktion der Erkrankung führt, abhängig von IL17-produzierenden CD4+ T-Zellen zu sein. Der Einsatz von Anti-IL17-Antikörpern könnte insofern auch für die MG eine Therapieoption darstellen. / Myasthenia gravis (MG) is an antibody-mediated autoimmune disease. The autoantibodies are directed against the acetylcholine receptor (AChR). The importance TH17 cells have for MG pathogenesis has never been directly demonstrated. Therefore, the analysis of TH17 cells in the Experimental Autoimmune Myasthenia Gravis (EAMG) animal model was the aim of this work. Here, it is shown that in wildtype mice (WT) significant numbers of IL17-producing tAChR-specific CD4+ T cells could be observed after immunization with torpedo AChR in CFA. IL17ko mice developed less or no EAMG symptoms, although frequencies of tAChR-specific CD4+T cells secreting IL2, IFNgamma or IL21 as well as percentage of FoxP3+ Treg cells were similar. In contrast, pathogenic anti-murine AChR antibody levels were significantly lower in IL17ko mice, while anti-tAChR antibody levels were equal. Similar results were obtained by the reconstitution of TCR beta/delta ko mice with CD4+ T cells of either WT or IL17ko origin. For the depletion of Treg cells using DEREG mice in the initial phase of the disease no significant differences could be detected in terms of the analyzed parameters. In summary, this thesis demonstrates, that frequencies and differentiation of antigen specific CD4+ T cells as well as the level of anti-tAChR specific antibody titers are not affected by IL17-deficiency in the EAMG model. Likewise, an early Treg cell depletion seems to have no impact on disease severity. However, breaking of B cell tolerance resulting in pathogenic anti-murine AChR specific antibodies and subsequent disease induction, seems to be dependent on IL17 producing CD4+ T cells. In this respect, the application of anti-IL17 antibodies could also become a MG therapy option.

No description available.

Ο νικοτινικός υποδοχέας της ακετυλοχολίνης ανήκει στην υπερ-οικογένεια των ιοντικών διάυλων ενεργοποιούμενων μέσω προσδέτη (ligand-gated ion channels). Οι υπομονάδες των υποδοχέων που ανήκουν στην οικογένεια αυτή, φέρουν στο αμινοτελικό τους άκρο τη χαρακτηριστική κυστεϊνική θηλιά (Cys-loop) μεταξύ δύο συντηρημένων καταλοίπων κυστεΐνης, οι οποίες συνδέονται με δισουλφιδικό δεσμό. Οι νικοτινικοί υποδοχείς της ακετυλοχολίνης είναι μεγάλες διαμεμβρανικές πρωτεΐνες που αποτελούνται από πέντε ομόλογες υπομονάδες και χωρίζονται σε δυο κατηγορίες, τους νευρικούς και τους μυϊκούς. Οι νευρικοί υποδοχείς εκφράζονται κυρίως στο κεντρικό και περιφερικό νευρικό σύστημα, καθώς και σε μη-νευρικούς ιστούς, όπως τα επιθηλιακά κύτταρα και τα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος. Επιπλέον, χωρίζονται σε δύο υποκατηγορίες, τους ετεροπενταμερείς, όπως είναι η (α4)x(β2)y, και τους ομοπενταμερείς, όπως η (α7)5. Οι μυϊκοί υποδοχείς απαντώνται στις μετασυναπτικές μεμβράνες των νευρομυϊκών συνάψεων των σπονδυλωτών και στα ηλεκτρικά όργανα ορισμένων ψαριών και εμφανίζουν στοιχειομετρία (α1)2β1γδ (στα έμβρυα) ή (α1)2β1εδ (στους ενήλικες). Ο μυϊκός υποδοχέας της ακετυλοχολίνης σε σχέση με τα υπόλοιπα μέλη της υπερ-οικογένειας, είναι ο καλύτερα μελετημένος ως προς τα χαρακτηριστικά και τη λειτουργία του. Ένας από τους κύριους παράγοντες που συνέβαλε στον εκτεταμένο χαρακτηρισμό του μυϊκού υποδοχέα είναι η δυνατότητα απομόνωσης, σε μεγάλες ποσότητες και σε λειτουργική μορφή, υποδοχέων της ακετυλοχολίνης παρόμοιων με αυτούς της νευρομυϊκής σύναψης από τα ηλεκτρικά όργανα των ψαριών Torpedo και Electrophorus. Οι πρώτες πληροφορίες για την τρισδιάστατη δομή του υποδοχέα δόθηκαν από ένα μοντέλο ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, από υποδοχέα που απομονώθηκε από το ηλεκτρικό όργανο του ψαριού Torpedo marmorata. Στη συνέχεια, η λύση της δομής ενός ομολόγου του εξωκυτταρικού τμήματος του υποδοχέα, της acetylcholine binding protein (AChBP) από το σαλιγκάρι Lymnaea stagnalis έφερε και τις πρώτες πληροφορίες υψηλής ανάλυσης. Η AChBP είναι μια υδατοδιαλυτή πρωτεΐνη, η οποία σχηματίζει σταθερά ομοπενταμερή, με ομολογία 20%-24% με το εξωκυτταρικό τμήμα των υπομονάδων του υποδοχέα. Πρόσφατα, η λύση της δομής της εξωκυτταρικής περιοχής της α1 υπομονάδας του υποδοχέα ποντικού, στην οποία είχε προσδεθεί ο ανταγωνιστής της ακετυλοχολίνης α-μπουγκαροτοξίνη, προσέφερε επιπλέον πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά του υποδοχέα, όπως είναι η κύρια ανοσογόνος περιοχή (MIR) και η συντηρημένη Cys-loop περιοχή. Παρόλα αυτά δεν έχουν δημοσιευτεί υψηλής ανάλυσης πληροφορίες για τη δομή του ανθρώπινου υποδοχέα. Επιπλέον από το φυσιολογικό ρόλο του μυϊκού υποδοχέα, ο οποίος είναι άμεσα υπεύθυνος για τη διαβίβαση της ώσης στη νευρομυϊκή σύναψη, παράλληλα ο υποδοχέας αυτός αποτελεί και στόχο για πολλά κληρονομικά και επίκτητα νοσήματα, στα οποία ανήκει και το αυτοάνοσο νόσημα μυασθένεια. Στη νόσο αυτή, αυτοαντισώματα έναντι του μυϊκού υποδοχέα προκαλούν μείωση των διαθέσιμων λειτουργικών υποδοχέων στη νευρομυϊκή σύναψη με συνέπεια να παρεμποδίζεται η δράση της ακετυλοχολίνης. Αυτοαντισώματα έναντι του υποδοχέα της ακετυλοχολίνης εντοπίζονται στο 80%-90% των μυασθενών και η παρουσία τους θεωρείται ο κύριος παθογόνος παράγοντας για τη μυασθένεια. Ο σημαντικός ρόλος λοιπόν του υποδοχέα σε φυσιολογικές και παθολογικές καταστάσεις, τον καθιστά αντικείμενο εντατικής έρευνας. Η λεπτομερής ανάλυση της δομής και της λειτουργίας του θα μπορούσε να συμβάλλει στην κατανόηση της δομής και της λειτουργίας των υπόλοιπων υποδοχέων-μελών της υπερ-οικογένειας καθώς επίσης και στην εξιχνίαση του αυτοάνοσου μηχανισμού της μυασθένειας. Ωστόσο, το μεγάλο μέγεθος του μορίου του υποδοχέα, ο υδρόφοβος χαρακτήρας του και η αδυναμία απομόνωσής του από φυσικές πηγές, δυσχεραίνει την πραγματοποίηση δομικών μελετών. Για το λόγο αυτό, είναι αναγκαίο να προκύψουν πρωτεϊνικά μόρια με δομή η οποία να πλησιάζει αρκετά τη φυσική διαμόρφωση του νικοτινικού υποδοχέα της ακετυλοχολίνης και σε ποσότητες ικανές ώστε να είναι εφικτές οι δομικές μελέτες τους. Προηγούμενα, είχαν εκφραστεί στο εργαστήριό μας οι εξωκυτταρικές περιοχές (ΕΚΠ) των υπομονάδων α1, β1, γ και ε (α1ΕΚΠ, β1ΕΚΠ, γΕΚΠ και εΕΚΠ) του ανθρώπινου μυϊκού υποδοχέα, χρησιμοποιώντας ως σύστημα έκφρασης το ζυμομύκητα Pichia pastoris. Οι ανασυνδυασμένες αυτές πρωτεΐνες, απομονώθηκαν σε διαλυτή και γλυκοζυλιωμένη μορφή, αναγνωρίζονταν από μονοκλωνικά αντισώματα έναντι της κάθε υπομονάδας, αλλά και από αντισώματα προερχόμενα από ορούς μυασθενών. Ωστόσο, τα επίπεδα έκφρασης και η διαλυτότητα δεν ήταν ικανοποιητικά για δομικές μελέτες. Παρόλα αυτά, οι ανασυνδυασμένες αυτές πρωτεΐνες, χρησιμοποιήθηκαν επιτυχώς για μια καινούρια αντιγονοειδική θεραπευτική προσέγγιση για τη μυασθένεια, η οποία έγκειται στην ειδική αφαίρεση των αυτοαντισωμάτων από ορούς μυασθενών, χρησιμοποιώντας τις συγκεκριμένες πρωτεΐνες ως ανοσοπροσροφητές. Η χρήση της α1ΕΚΠ του ανθρώπινου μυϊκού υποδοχέα ως ανοσοπροσροφητή, είχε ως αποτέλεσμα την αφαίρεση μεγάλου ποσοστού αυτοαντισωμάτων από ορούς μυασθενών. Παρόμοια ήταν και τα αποτελέσματα με τη χρήση των εξωκυτταρικών τμημάτων των υπομονάδων β1, γ και ε ως ανοσοπροσροφητές. Ωστόσο, με τον τρόπο αυτό δεν επιτυγχάνεται πλήρης απομάκρυνση των παθογόνων αυτοαντισωμάτων. Η παρούσα εργασία είχε στόχο τη βελτίωση της δομής, της διαλυτότητας και των επιπέδων έκφρασης των υπομονάδων του μυϊκού υποδοχέα, έτσι ώστε να είναι κατάλληλες για δομικές μελέτες και κυρίως για να συμβάλλουν στις προσπάθειες βελτίωσης της αντιγονοειδικής θεραπείας για τη μυασθένεια. Ειδικότερα, το πρώτο μέρος αφορά μελέτες σχετικές με την έκφραση της γΕΚΠ, η οποία σχημάτιζε ολιγομερή και είχε πολύ χαμηλά επίπεδα έκφρασης. Σχεδιάστηκαν λοιπόν 4 μεταλλάγματα, με την προοπτική να προκύψουν πιο διαλυτά και υδρόφιλα μόρια. Οι μεταλλάξεις που σχεδιάστηκαν αφορούσαν στην αντικατάσταση συγκεκριμένων κυστεϊνών, που θα μπορούσαν να σχηματίζουν ακατάλληλους ένδο- ή δια-μοριακούς δεσμούς (μέσω δισουλφιδικών δεσμών), καθώς επίσης και στην αντικατάσταση της υδρόφοβης Cys-loop περιοχής με την αντίστοιχη, πιο υδρόφιλη της AChBP. Στα δύο μεταλλάγματα που έφεραν τη Cys-loop περιοχή της AChBP, παρατηρήθηκε δραματική βελτίωση στα επίπεδα έκφρασης και στη διαλυτότητα των μορίων, ενώ ακόμη προσεγγίστηκε το αναμενόμενο μοριακό μέγεθος, όπως φανέρωσαν τα αποτελέσματα από τη χρωματογραφία μοριακής διήθησης καθώς και οι μετρήσεις δυναμικής σκέδασης φωτός. Όταν τα δύο βελτιωμένα μεταλλάγματα χρησιμοποιήθηκαν ως ανοσοπροσροφητές για την αντιγονοειδική θεραπεία που προαναφέρθηκε, παρουσίασαν βελτιωμένη ικανότητα πρόσδεσης αυτοαντισωμάτων από ορούς μυασθενών, συγκριτικά με την αγρίου τύπου γΕΚΠ. Τα αποτελέσματα αυτά έδειξαν ότι η υδρόφοβη Cys-loop περιοχή της αγρίου τύπου γΕΚΠ συμβάλλει σημαντικά στη δημιουργία συσσωματωμάτων κατά την έκφραση της ΕΚΠ και για το λόγο αυτό ακολούθησε η αντικατάσταση αυτής της περιοχής και στις υπόλοιπες ΕΚΠ των υπομονάδων του μυϊκού υποδοχέα. Προκειμένου να βελτιωθεί περαιτέρω η αντιγονοειδική θεραπευτική προσέγγιση για τη μυασθένεια, πραγματοποιήθηκαν προσπάθειες να συνεκφραστούν όλες οι ΕΚΠ των υπομονάδων του μυϊκού υποδοχέα, με σκοπό να δημιουργηθούν σύμπλοκα που διαθέτουν και τις διεπιφάνειες μεταξύ των ΕΚΠ του υποδοχέα, οι οποίες πιστεύεται ότι είναι και αυτές ανοσογόνες. Στις προσπάθειες αυτές χρησιμοποιήθηκαν οι μεταλλαγμένες ΕΚΠ των υπομονάδων που φέρουν τη Cys-loop περιοχή της AChBP. Οι αρχικές συνεκφράσεις των ΕΚΠ όλων των υπομονάδων του ανθρώπινου μυϊκού υποδοχέα ήταν ανεπιτυχείς όσον αφορά στη δημιουργία συμπλόκων. Προκειμένου λοιπόν, να πραγματοποιηθεί ο συνδυασμός όλων των ΕΚΠ των υπομονάδων και η δημιουργία ενός λειτουργικού μορίου, το επόμενο βήμα ήταν η σύνδεση των υπομονάδων με ένα πεπτιδικό συνδέτη επαναλαμβανόμενων αμινοξέων. Ο συνδέτης που χρησιμοποιήθηκε αποτελείται από οκτώ επαναλαμβανόμενες τριάδες των αμινοξέων αλανίνη – γλυκίνη – σερίνη (AGS)8. Αρχικά κατασκευάστηκαν όλα τα ζεύγη (συγκαταμερή) που χρειάζονται, για να επακολουθήσουν πολλαπλά στάδια υποκλωνοποιήσεων, προκειμένου να σχηματιστεί το πενταμερές. Όλα τα συγκαταμερή παρουσίασαν το αναμενόμενο μοριακό βάρος όπως φάνηκε από ηλεκτροφόρηση σε πήκτωμα πολυακρυλαμιδίου σε αποδιατακτικές συνθήκες (SDS-PAGE), γεγονός που σημαίνει ότι ο συνδέτης δεν πρωτεολύεται και είναι ικανός να συγκρατεί τις υπομονάδες ενωμένες. Επιπλέον, τα επίπεδα έκφρασης που παρουσίασαν τα συγκαταμερή ήταν ικανοποιητικά και όλα τα συγκαταμερή που έφεραν την α1ΕΚΠ διατήρησαν την ικανότητα να προσδένουν σημασμένη α-μπουγκαροτοξίνη, η οποία προσδένεται ειδικά στην α1ΕΚΠ με υψηλή συγγένεια. Ωστόσο, τα αποτελέσματα από τη χρωματογραφία μοριακής διήθησης, φανέρωσαν ότι όλα τα συγκαταμερή εκλούονται δίνοντας ένα ευρύ φάσμα μοριακών βαρών, από μονομερή μέχρι ολιγομερή και συσσωματώματα. Τέλος, η α1ΕΚΠ-(AGS)8-γΕΚΠ παρουσίασε αυξημένη ικανότητα πρόσδεσης 125Ι-α-Βgt συγκριτικά με την γΕΚΠ-(AGS)8-α1ΕΚΠ, γεγονός που σημαίνει ότι η σειρά με την οποία συνδέονται οι υπομονάδες, παίζει σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση των μορίων. Στην προσπάθεια βελτίωσης της διαμόρφωσης και των χαρακτηριστικών των συγκαταμερών, έγινε χρήση ενός μεγαλύτερου συνδέτη, αποτελούμενου από έντεκα επαναλαμβανόμενες τριάδες των αμινοξέων αλανίνη – γλυκίνη – σερίνη (AGS)11, ωστόσο δεν παρατηρήθηκαν διαφορές στα τελικά προϊόντα έκφρασης. Όσον αφορά στη χρήση των συγκαταμερών στη θεραπευτική προσέγγιση για τη μυασθένεια, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι όλα τα συγκαταμερή διατήρησαν πλήρως την ικανότητα να προσδένουν αυτοαντισώματα από τους ορούς των μυασθενών, αν και δε βελτίωναν περαιτέρω την ικανότητα ανοσοπροσρόφησης των επιμέρους ΕΚΠ. Συμπερασματικά λοιπόν, καταλήγουμε ότι η αντικατάσταση της υδρόφοβης Cys-loop περιοχής των ΕΚΠ των υπομονάδων με την αντίστοιχη, υδρόφιλη περιοχή του ομολόγου AChBP, οδηγεί στη δημιουργία μορίων με βελτιωμένα χαρακτηριστικά, όπως είναι τα επίπεδα έκφρασης και η διαλυτότητα των μορίων. Τα μόρια αυτά μπορούν στη συνέχεια να συνδεθούν με ένα πεπτιδικό συνδέτη και να παραχθούν συγκαταμερή με σωστή διαμόρφωση, τα οποία διατηρούν τα λειτουργικά χαρακτηριστικά τους, όπως είναι η πρόσδεση σημασμένης α-μπουγκαροτοξίνης και η πρόσδεση αυτοαντισωμάτων από ορούς μυασθενών. Τα δεδομένα αυτά ενισχύουν την πεποίθηση ότι είναι εφικτή η κατασκευή του ετεροπενταμερούς του ανθρώπινου μυϊκού υποδοχέα που θα αποτελείται μόνο από τις ΕΚΠ των υπομονάδων του. / The nicotinic acetylcholine receptor (AChR) belongs to the superfamily of pentameric ligand-gated ion channels (LGIC), also known as the Cys-loop receptor family. The subunits of the receptors belonging to this superfamily carry at their N-terminal domain characteristic, highly conserved Cys-loop region, a string of 13 amino acids linked by a disulfide bond. AChRs are large, transmembrane glycoproteins, which are composed of five homologous subunits, arranged around a central ion channel and they are divided into two subgroups, the neuronal and the muscle type. The neuronal receptors are expressed mainly in the central and the peripheral nervous system, as well as in non-neuronal tissues, such as epithelial and immune cells. Moreover, the neuronal receptors are further subdivided into two categories, the heteropentamers, such as (α4)x(β2)y, and the homopentamers, such as (α7)5. The muscle AChRs are located on the postsynaptic membrane of the neuromuscular junction and have the subunit composition α2βγδ (embryonic) or α2βεδ (adult). The muscle AChR is the best studied model from the superfamily of the LGICs, as far as its characteristics and function are concerned. One of the major reasons which contributed to its extensive characterization is the ability to isolate, in great amounts and in a functional form, AChRs similar to these of the neuromuscular junction from the electric organs of the fishes Torpedo and Electrophorus. An electron microscopy model of the Torpedo marmorata, purified from the electric organ of the electric ray, provided the first information about the three-dimensional structure of the AChR. The first high resolution insight was provided by the solved crystal structure of the AChBP from the snail Lymnaea stagnalis, a homologue of the extracellular domain (ECD) of the AChR. The AChBP is a soluble protein, which forms stable homopentamers and shares high homology with the ECDs of the AChR (20%-24%). Recently, the solved crystal structure of a mutated mouse α1ECD bound to α-bungarotoxin provided further information for a number of receptor-specific elements, including the main immunogenic region (MIR) and the Cys-loop. Nevertheless, high resolution information about the three-dimensional structure of the human AChR has not been reported so far. In addition to the physiological role of the muscle AChR, which is responsible for mediating the neuromuscular transmission, the muscle AChR is the target for a number of acquired and hereditary diseases, including the autoimmune disease myasthenia gravis (MG). In MG, autoantibodies against the AChR cause loss of the available and functional AChRs in the neuromuscular junction, and as a consequence, the action of acetylcholine is blocked. Autoantibodies against AChR are found in nearly 80%-90% of patients with generalized MG and are considered the main pathogenic factor in MG. The important pathophysiological roles of the AChRs made them subject to intensive research. The detailed analysis of the structure and function of the AChR could contribute to the understanding of the structure and function of the rest of the members of the superfamily, as well as to the comprehension of the pathogenic mechanism of MG. However, the fact that the AChR is a big, hydrophobic molecule, difficult to purify from natural sources, make the accomplishment of structural studies hard. It is necessary to generate recombinant molecules with conformation similar to that of the native AChR, in efficient amounts, in order to perform structural studies. We have previously expressed the human muscle AChR α1, β1, γ and ε ECDs using the yeast Pichia pastoris. These recombinant proteins were purified in a soluble and glycosylated form, recognizable by both monoclonal antibodies and a considerable percentage of anti-subunit antibodies in positive sera from MG patients. However, both the expression yield and the solubility of these proteins were not satisfactory for structural studies. Nevertheless, they were successfully used for a novel, antigen-specific therapeutic approach against MG, regarding the specific removal of the autoantibodies from MG sera, using these proteins as immunoadsorbents. The use of the human α1ECD as an immunoadsorbent resulted in the removal of a great percentage of autoantibodies from sera derived from MG patients. The results were similar when the β1, γ and ε ECDs were used as immunoadsorbents. However, the complete removal of the pathogenic autoantibodies from the MG sera was not achieved. We aimed at the improvement of the structure, solubility and expression yield of the ECDs of the muscle AChR, in order to render them suitable for structural studies and mainly to use them for the amelioration of the antigen-specific therapeutic approach against MG. For this, we selected the γECD, which formed oligomers and displayed a low expression yield and constructed four mutants of the protein. The mutations were concerning the replacement of certain cysteines, which could form inappropriate intra- or inter-molecular bonding and thus aggregation, as well as the substitution of the hydrophobic Cys-loop region by its counterpart, more hydrophilic AChBP Cys-loop. The two mutants which carried the Cys-loop of the AChBP displayed a dramatic improvement at the expression yield and solubility, while they approached the expected molecular size, according to the results from gel filtration and dynamic light scattering. When these two improved mutants were used as immunoadsorbents, they exhibited an increased ability to bind autoantibodies from MG sera, compared with the wild type γECD. These results indicate that the hydrophobic Cys-loop region of the γECD importantly contributes to the formation of aggregates during the expression of the ECD, and consequently followed the replacement of this region at the rest ECDs of the muscle AChR. In order to further ameliorate the antigen-specific therapeutic approach against MG, we carried out efforts to co-express all of the ECDs of the muscle AChR, targeting to create complexes which would carry the interfaces between the ECDs, which are thought to be also immunogenic. At these efforts, the mutant forms of the ECDs which carried the Cys-loop of the AChBP were used. These initial co-expressions of the ECDs were not successful, with the respect to the creation of complexes. In order to combine the ECDs of all the subunits and construct a functional molecule, the next step was the binding of these ECDs with a linker of repeated amino acids. The linker that was used, was consisted of eight repeated triplets of the amino acids alanine-glycine-serine (AGS)8. At the beginning were constructed the pairs (concatamers) which were needed in order to follow subclonings, preparative to form the pentamer. All of the concatamers displayed the expected molecular weight, according the results of the SDS-PAGE. This fact suggests that the linker does not undergo proteolysis, and thus is capable of retaining the subunits conjoint. Furthermore, the expression yield of the concatamers was satisfactory and they retained their ability to bind radiolabelled α-bungarotoxin, which is specifically binds to the α1ECD with high affinity. However, the results from the gel filtration indicated that all the concatamers eluted in a broad spectrum of molecular weights, from monomers to oligomers. In an effort to improve the conformation and the characteristics of the concatamers, a bigger linker which was consisted of eleven repeated triplets of the amino acids alanine-glycine-serine (AGS)11 was used, but the final products where shown to be similar. With respect to the use of the concatamers at the therapeutic approach against MG, the results showed that all the concatamers retain the ability to bind autoantibodies from MG sera, although there was no further improvement in the immunoadsorbing ability of the single ECDs. Conclusively, the substitution of the hydrophobic Cys-loop of the ECDs by the corresponding, more hydrophilic of the AChBP, results in the construction of molecules with improved characteristics, such as the expression yield and the solubility. The molecules are able to be linked together and form concatamers with the appropriate conformation, retaining their functionality, such as the binding of radiolabelled α-bungarotoxin and autoantibodies from MG sera. These results demonstrate that it is feasible to construct the heteropentamer of the human muscle AChR, which will consist only of the ECDs.

Οι νικοτινικοί υποδοχείς της ακετυλοχολίνης (nAChRs) είναι πενταμερή διαμεμβρανικά γλυκοπρωτεϊνικά μόρια τα οποία ανήκουν στην υπερ-οικογένεια των συνδεόμενων με προσδέτη ιοντικών καναλιών και ανάλογως με τη θέση τους στα σπονδυλωτά διακρίνονται σε νευρικού τύπου και μυϊκού τύπου. Ο μυϊκός nAChR συναντάται στη νευρομυΪκή σύναψη και έχει στοιχειομετρία (α1)2β1γδ ή (α1)2β1εδ. Στους νευρικού τύπου nAChRs, μεταξύ άλλων ανήκει και ο α4β2 υποδοχέας ο οποίος συναντάται σε υψηλά επίπεδα στον εγκέφαλο του ανθρώπου και εμφανίζεται με τη στοιχειομετρία (α4)2(β2)3 ή (α4)3(β2)2. Αποτελέσματα μελετών έχουν δείξει ότι ο υποδοχέας αυτός εμπλέκεται σε νευροεκφυλιστικές νόσους – Alzheimer, Parkinson, σχιζοφρένεια – καθώς και στον εθισμό στο κάπνισμα. Για το λόγο αυτό ο α4β2 υποδοχέας αποτελεί σημαντικό στόχο για το σχεδιασμό φαρμάκων και συνεπώς οι πληροφορίες που αφορούν τη δομή του και κυρίως το εξωκυτταρικό τμήμα του (ECD) – όπου συναντώνται οι θέσεις πρόσδεσης των προσδετών – είναι σημαντικές. Στο εργαστήριό μας έχει κατασκευαστεί και εκφράζεται στο ζυμομύκητα Pichia pastoris ένα συγκαταμερές το οποίο αποτελείται από τα ECDs των υπομονάδων β2 και α4 συνδεδεμένα σε σειρά μέσω ενός πεπτιδίου 24 αμινοξικών καταλοίπων (β2-α4). Η υψηλή υδροφιλικότητα και οι καλές ιδιότητες πρόσδεσης συνδετών αποτελούν σπουδαία πλεονεκτήματα που καθιστούν το συγκαταμερές αυτό σημαντικό μόριο για προσπάθειες κρυσταλλογραφικής ανάλυσης. Στηριζόμενοι σε αποτελέσματα μελετών που έχουν δείξει ότι μόρια που δεν κρυσταλλώνονται εύκολα μόνα τους, μπορούν να κρυσταλλωθούν ευκολότερα αν συνδεθούν με άλλα πρωτεϊνικά μόρια, έγινε η παραγωγή μονοκλωνικών αντισωμάτων (mAbs) έναντι του β2α4 ώστε τμήματα των mAbs που θα προκύψουν από πέψη αυτών με παπαΐνη (Fab τμήματα) να συγκρυσταλλωθούν μελλοντικά με το β2-α4. Στο πρώτο μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκε η παραγωγή mAbs έναντι του β2-α4. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε η τεχνική της κυτταρικής σύντηξης μυελωματικών κυττάρων και σπληνικών κυττάρων αρουραίου ανοσοποιημένου έναντι του β2-α4. Αποτέλεσμα της μεθόδου αυτής είναι η παραγωγή υβριδωμάτων καθένα από τα οποία εκκρίνει ένα συγκεκριμένο mAb. Στη συνέχεια αυτής της διαδικασίας έγινε η επιλογή έξι υβριδώματων από τα οποία εκκρίνονταν αντίστοιχα έξι mAbs (mAbNR1-mAbNR6) με διαφορετικές ικανότητες πρόσδεσης. Πέντε από τα έξι mAbs αποδείχθηκε ότι προσδένουν είτε στη β2 είτε στην α4 υπομονάδα ενώ ένα από αυτά (mAbNR6) φαίνεται να προσδένει στη διεπιφάνεια των δύο υπομονάδων. Τα αντισώματα mAbNR2 και mAbNR3 παρουσιάζουν υψηλή ικανότητα πρόσδεσης αυστηρά για στην β2 και α4 υπομονάδα αντίστοιχα, ενώ τα υπόλοιπα αντισώματα πραγματοποιούν διασταυρούμενες αλληλεπιδράσεις και με άλλες υπομονάδες. Πειράματα με ολόκληρο τον ανθρώπινο υποδοχέα α4β2 έδειξαν ότι το mAbNR2 προσδένει και σε αυτόν, γεγονός που οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το αντίσωμα αυτό θα μπορούσε να αποτελέσει χρήσιμο εργαλείο και για τον εντοπισμό του α4β2 υποδοχέα σε ανθρώπινο νευρικό ιστό. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκε απομόνωση και στη συνέχεια πέψη του mAbNR2 καθώς και άλλων δύο μονοκλωνικών αντισωμάτων του εργαστηρίου mAb73 (έναντι της β1 υπομονάδας του μυϊκού nAChR) και mAb198 (έναντι της α1 υπομονάδας του μυϊκού nAChR). Τα αντισώματα αυτά απομονώθηκαν από καλλιέργειες υβριδωμάτων και στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε πέψη αυτών για τη δημιουργία Fab τμημάτων. Τα τμήματα Fab χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια για τη δημιουργία συμπλόκων με τις αντίστοιχες υπομονάδες με σκοπό τη συγκρυστάλλωση. Τελικός σκοπός αυτής της διαδικασίας είναι η μελέτη της δομής των nAChRs και των υπομονάδων τους καθώς και η διευρεύνηση του τρόπου αλληλεπίδρασης αυτών με τα αντισώματα. / Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are pentameric transmembrane glycoproteins which belong to the super-family of ligand-gated ion channels. Depending on the location of the nAChRs they are categorized into two groups: muscle type and neuronal type. The muscle type nAChR is present in the neuromuscular junction with the stoichiometry (α1)2β1γδ or (α1)2β1εδ. The α4β2 receptor subtype belongs to the neuronal group, it is abundant in the human brain and its stoichiometry is (α4)2(β2)3 or (α4)3(β2)2. The α4β2 receptor is thought to be implicated in addiction to nicotine and in several neurological diseases including Alzheimer’s and Parkinson’s. For this reason this subtype is an attractive target for drug design and information concerning its extracellular domain (ECD) structure – where the ligand binding site is located – is invaluable. In our laboratory, the yeast Pichia pastoris expression system has been used for the expression of linked ECDs of α4 and β2 nAChR subunits (concatamer β2-α4). We managed to produce a hydrophilic molecule with near-native pharmacological profile for structural studies. Since several published data indicate that crystals of a molecule can be easier obtained when it is co-crystallized with an interaction partner, we produced monoclonal antibodies (mAbs) against β2-α4. Following mAb digestion with papain enzyme the produced Fab fragments will be co-crystallized with β2-α4. In the first part, mAbs against β2-α4 were produced. Rats were immunized against this molecule and their spleen cells were fused with myeloma cells. The result of this process was the production of hybridomas which secreted specific mAbs. Six hybridomas were selected for production of mAbs. These six mAbs (mAbNR1-mAbNR2) had different binding properties. Five of them (mAbNR1-mAbNR5) were anti-β2 or anti-α4 and one (mAbNR6) seemed to bind at the interface of the two subunits. mAb-NR2 and mAb-NR3 were highly specific for β2 and α4 respectively, whereas the other four mAbs exhibited some cross-reactivity with other nAChR subunits. Also, mAbNR2 could be useful for the detection of α4β2 subtype in human neuronal tissue as it shows high specificity for the human wild type α4β2 receptors. The second part of this project involved mAb purification and digestion to Fab. mAbNR2 and two other antibodies that have been previously produced in our lab (mAb73 and mAb198) were used. mAb73 binds to the β1 subunit of the muscle nAChR and mAb198 binds to α1 subunit of neuronal nAChR. These mAbs were isolated from hybridoma cultures and then digested to Fab fragments. The Fabs were then used to obtain complexes with the corresponding subunits for co-crystallization trials. The final aim of this process is to investigate the structure of nAChRs and its subunits as well as their interaction with the corresponding mAbs.

Η βαριά μυασθένεια (Myasthenia Gravis, MG) είναι μια αυτοάνοση νόσος η οποία χαρακτηρίζεται από διαταραχή στη νευροδιαβίβαση στο επίπεδο της νευρομυϊκής σύναψης. Η διάγνωση της MG βασίζεται στην κλινική συμπτωματολογία η οποία συνεπικουρείται από φαρμακολογικές, ηλεκτροφυσιολογικές και απεικονιστικές δοκιμασίες και επιβεβαιώνεται συνήθως από την ορολογική ανίχνευση αυτοαντισωμάτων έναντι συστατικών της νευρομυϊκής σύναψης. Οι σύγχρονες διαγνωστικές δοκιμασίες είναι συνήθως ικανές προς ανίχνευση της παρουσίας αντισωμάτων στο 85-90% περίπου των μυασθενών με γενικευμένη MG και στο 50% περίπου των ασθενών με οφθαλμική MG. Το κενό αυτό στη διάγνωση της MG δημιουργεί ένα σημαντικό πρόβλημα στις περισσότερες περιπτώσεις που ελέγχονται επειδή ένα αρνητικό αποτέλεσμα (το οποίο είναι το συχνότερο αποτέλεσμα στη συνήθη εργαστηριακή διάγνωση της MG) αφήνει μία ασάφεια σχετικά με την ύπαρξη MG. Πράγματι, ακόμη και ένας πολύ χαμηλός τίτλος θα μπορούσε να είναι επαρκής για να εξηγήσει την παρουσία της μυασθένειας, δεδομένου ότι δεν έχει διαπιστωθεί σημαντική συσχέτιση μεταξύ του τίτλου των αντισωμάτων και της σοβαρότητας της νόσου στον πληθυσμό των ασθενών. Ως εκ τούτου, υπάρχει αυξανόμενη ανάγκη για την ανάπτυξη ιδιαίτερα ευαίσθητων διαγνωστικών μεθόδων, για την αναμφισβήτητη απόδειξη της νόσου. Η πλέον ευαίσθητη διαγνωστική δοκιμασία είναι η ραδιολογική ανοσοκαθίζηση (Radioimmunoprecipitation assay, RIPA) και ο πλέον σημαντικός περιοριστικός παράγων για την ανίχνευση χαμηλού τίτλου αντισωμάτων, είναι η αδυναμία χρήσης μεγάλου όγκου ορού (μέγιστο είναι ~5-20 μl), η οποία θα καθιστούσε αναγκαία την επακόλουθη χρήση υψηλού όγκου αντί-ορού και η οποία θα οδηγούσε σε υπερβολικά μεγάλα άνοσο-ιζήματα, τα οποία με τη σειρά τους συνδέονται με απαράδεκτα επίπεδα μη ειδικού θορύβου υπόβαθρου. Με την ανάπτυξη στην παρούσα μελέτη της RIPA δύο-σταδίων ξεπεράσθηκαν σε μεγάλο βαθμό τα προβλήματα αυτά. Η δοκιμασία αυτή βασίζεται στην ακινητοποίηση του αντιγόνου-στόχου σε ένα αδιάλυτο υπόστρωμα, ακολουθούμενη από την επώαση με μεγάλους όγκους (π.χ. 0,1-1ml) του προς εξέταση ορού και την επακόλουθη απελευθέρωση των προσδεμένων αντισωμάτων με μικρό όγκο διαλύματος χαμηλού pH, τα οποία στη συνέχεια ανιχνεύονται και τιτλοδοτούνται με απλή RIPA με τη χρήση 125I-σημασμένων αντιγόνων. Δηλαδή χρησιμοποιήθηκε η αρχή του καθαρισμού με χρωματογραφία συγγένειας με όχι αυστηρό αλλά με απλό και εύκολο τρόπο, προκειμένου να εμπλουτισθεί ο ορός σε μεγάλο βαθμό στα ειδικά για το αντιγόνο αντισώματα πριν από τον προσδιορισμό και την τιτλοποίηση τους με τις συνήθεις ανοσολογικές δοκιμασίες. Έγινε προσπάθεια ανάπτυξης της προσέγγισης αυτής για την ανίχνευση αντισωμάτων έναντι του AChR και έναντι της MuSK. Έγιναν πολλές προσπάθειες για την εφαρμογή της για την ανίχνευση αντί-AChR αυτοαντισωμάτων. Σημειώθηκε μεγάλη πρόοδος, αλλά απαιτούνται επιπρόσθετες βελτιώσεις για την εφαρμογή της στην διάγνωση ρουτίνας. Για την ανίχνευση των αντί-MuSK αυτοαντισωμάτων με την προσέγγιση αυτή επετεύχθη σημαντικότερη βελτίωση. Η παρούσα συστηματική προσέγγιση απεδείχθη τουλάχιστον 20-50 φορές περισσότερο ευαίσθητη από την κλασική RIPA. Όλοι οι οροί οι οποίοι είχαν χαρακτηρισθεί προηγουμένως ως θετικοί ή αρνητικοί με την κλασική RIPA βρέθηκαν όπως αναμενόταν επίσης θετικοί ή αρνητικοί αντίστοιχα. Επιπλέον όμως μερικοί εκ των ορών οι οποίοι στο παρελθόν είχαν χαρακτηρισθεί ως αμφίβολοι βρέθηκαν σαφώς θετικοί, ή μερικοί άλλοι οι οποίοι είχαν χαρακτηρισθεί ως αρνητικοί αλλά παρουσίαζαν τίτλους ελαφρά υψηλότερους του μηδενός, αλλά όχι στατιστικά σημαντικούς ώστε να αξιολογηθούν ως υψηλότεροι του υπόβαθρου, βρέθηκαν θετικοί, ενώ άλλοι εξακολουθούν να παραμένουν αρνητικοί. Η δοκιμασία που αναπτύξαμε ήταν αρχικά περισσότερο επίπονη από ότι η κλασική RIPA, αλλά με την ανάπτυξη σημαντικών βελτιώσεων, η διαδικασία αυτή έχει απλουστευθεί ώστε να είναι δυνατός ο ταυτόχρονος έλεγχος μεγάλου όγκου (0,1-1 ml) πολλαπλών δειγμάτων ορών και έχει καταστεί δυνατή η χρήση της στην καθημερινή διάγνωση. Η βελτιωμένη αυτή μέθοδος εφαρμόζεται σήμερα για την ανίχνευση αντί-MuSK αντισωμάτων και αποσκοπεί στην ανίχνευση πολύ μικρών ποσοτήτων αυτοαντισωμάτων στον ορό των μυασθενικών οι οποίοι έχουν χαρακτηρισθεί ως οροαρνητικοί ή αμφίβολοι. / Myasthenia Gravis (MG), is an autoimmune disease, characterized by impairment in neurotransmission at the neuromuscular junction level. The diagnosis of MG is based on clinical symptomatology, assisted by pharmacological, electrophysiological and imaging tests and is usually confirmed by serological detection of autoantibodies to components of the neuromuscular junction. The available diagnostic tests are usually able to detect the presence of antibodies in 85-90% of myasthenic patients with generalized MG and 50% of patients with ocular MG. This gap in the diagnosis of MG creates a major problem in most cases during diagnosis because a negative result (which is the most common result in ordinary laboratory diagnosis of MG) leaves an ambiguity regarding the existence of MG. Even a very low titer of specific antibodies, would be sufficient to explain the presence of myasthenia, since there has been no significant correlation between the titer of antibodies and the severity of disease among patients. Therefore, there is increasing need for the development of highly sensitive diagnostic methods for the unambiguous confirmation of the disease. The most sensitive diagnostic test so far, is the radiological immunoprecipitation assay (Radioimmunoprecipitation, RIPA) and the most important limiting factor for detecting low antibody titer, is the inability to use large volumes of serum (maximum is ~ 5- 20 ml), which would require the subsequent use of high-volume of anti-serum, which will result in excessively large immuno-sediments, which in turn are associated with unacceptable levels of nonspecific background values. With the development of two-step RIPA assay in this study we have largely overcome these problems. This test is based on the immobilization of target antigen to an insoluble substrate, followed by incubation with large volume (eg 0,1-1ml) of the test serum and release of bound antibodies with small volume of low pH solution, which are then detected and titrated with simple RIPA using 125I-labeled antigens. We used the principle of enrichment of serum to a large extent in antigen-specific antibodies by affinity purification with no strict but simple and easy way, before the final identification and titration of specific antibodies with standard immunoassays. We attempted the development of this approach in order to detect antibodies against AChR and MuSK. Numerous efforts have been made to implement this method in order to detect AChR autoantibodies, but although there was substantial progress, additional improvements are required for its application in routine diagnosis. With this approach we achieved significant improvement for detection of anti- MuSK autoantibodies. This systematic approach was proved to be at least 20-50 times more sensitive than classical RIPA. All sera which were previously classified as positive or negative with standard RIPA were also positive and negative respectively, as expected. In addition some of the sera which were previously classified as ambiguous were clearly positive and some others who were classified as negative but were slightly higher than zero, but not statistically significant so as to assess them as higher than the background, were positive, while others still remain negative. This newly developed test was originally more laborious than the classical RIPA, but with the development of significant improvements, the process has been simplified and allows the simultaneous testing of large volumes (0,1-1 ml) of multiple serum samples and its use has been made possible in everyday diagnosis. This improved method is currently applied to detect anti-MuSK antibodies and is designed to detect very small amounts of autoantibodies in the serum of myasthenic patients who are classified as seronegative or ambiguous.