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.

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.