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.

-- / The nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are transmembrane proteins, composed of five subunits and belong to the superfamily of ligand gated ion channels The nAChRs are distinguished according to their topological and pharmacological characteristics in muscle and nervous type. Both the muscle and the nervous type are involved in the execution of many physiological functions (eg, nerve impulse transmission) but respectively in the pathogenesis of many diseases (eg Myasthenia Gravis,Parkinson's,Alzheimer's).This makes imperative the need to design drugs that target specific to each type of receptor. A prerequisite for achieving this objective is to study the structure of the extracellular regions of the receptor, as it is known that the specific areas are recognised by the cholinergic ligands and the abnormal antibodies. The α7 subunit of the human nicotinic acetylcholine receptor, can be used as a model for this study as It is expressed as a homopentamer. Wanting therefore to avoid the large and hydrophobic transmembrane regions of the receptor that would hinder the achievement of the objective, we focused on the extracellular domain (ECD) of the receptor .So, according to the above, a recombinant form of the extracellular region of the receptor was constructed and expressed previously in our laboratory (Zouridakis et al., 2009). The recombinant protein was (α7-mut10-myc-His), expressed in soluble form, in sufficient concentration and showed about three times greater affinity for I125-a-bgtx compared to the wild type (α7-ΔCDwt). Furthermore, studies of dynamic light scattering and electron microscopy confirmed the formation of homopentamer molecules. Moreover, the deglycosylated form of the protein displayed all these enhanced features, allowing the entry of crystallization experiments with both the glycosylated and the deglycosylated form. In order to further improve the specific mutant, new recombinant forms of the extracellular region of the α7 subunit of the nAChR were constructed. The recombinant forms were expressed with different expression tags in their N-or C-terminal in order to improve the folding of the molecule. The FLAG-α7-mut10-myc-His was produced in greater quantity and Ηts deglycosylated form differs significantly, indicating probably a more homogeneous protein population. Also, analysis of the molecule bygel filtration showed the predominant formation of a homopentamer molecule and the absence of high molecular weight aggregates. This protein, has enhanced features compared to the α7-mut10-myc-His and thus can proceed to crystallization trials. The second part of the study refers to the construction concateremers of the α7ECD. Σwo peptide linkers varying in their length were used. The mutant which carried the smaller linker (AGS)8, showed greater solubility compared to the more extended one (AGS)11.

Midbrain dopamine (DA) neurons play a key role in a wide range of behaviours, from motor control, motivation, reward and reinforcement learning. Disorders of midbrain dopaminergic signaling is involved in a variety of nervous system disorders including Parkinson’s disease, schizophrenia and drug addiction. Understanding the basis of how dopaminergic neuronal activity in the substantia nigra pars compacta (SNc) governs movements, requires a deep appreciation of how afferent inputs of various neurotransmitter systems create a neuronal circuit that precisely modulates DA neuronal excitability. Two brainstem cholinergic neuclei, the laterodorsal tegmental nucleus (LDT) and the pedunculopontine tegmental nucleus (PPT), have major cholinergic projections to the SNc, despite the fact that the precise mechanisms of cholinergic modulation of DA neuronal activity mediated by nAChRs remain unclear. To dissect out the modulatory roles of the cholinergic system in regulating DAergic neuronal activity in the SNc and locomotion, we employed optogenetics along with electrophysiological and behavioural approaches. My results from whole-cell recordings from lateral and medial SNc DA neurons revealed that lateral DA neurons received predominantly excitatory nAChR mediated cholinergic neurotransmission (monosynaptic nicotinic or disynaptic glutamatergic responses) resulting in greater excitability of DA neurons both at 5 and 15 Hz blue LED light stimulation of cholinergic terminals. However, medial SNc DA neurons received predominantly biphasic current responses that were both inhibitory GABAergic and excitatory nAChR mediated cholinergic neurotransmission. This led to a net inhibition of action potential firing of DA neurons at 5 Hz blue LED light stimulation of cholinergic terminals, while at 15 Hz stimulation there was an initial inhibition followed by a significant increase of the baseline action potential firing frequency. Furthermore, in vivo optogenetic experiments showed that activation of the cholinergic system in the medial SNc resulted in decreased locomotion, while for the lateral SNc led to increased locomotion. Together our findings provide new insights into the role of the cholinergic system in modulating DA neurons in the SNc. The cholinergic inputs to different subregions of the SNc may regulate the excitability of the DA neurons differentially within a tight range from excitation to inhibition which may translate into different kinds of locomotor behaviour. / Graduate

In lipid membranes lacking activating lipids, the nicotinic acetylcholine receptor adopts an uncoupled conformation that binds ligand, but does not transition into an open conformation. Understanding the mechanisms of lipid-dependent uncoupling is essential to understanding lipid-nAChR interactions, which may be implicated in pathological conditions such as nicotine addition. Here, I tested two structural features of a proposed uncoupling method to elucidate the mechanism of lipid-dependent uncoupling. First, infrared measurements and electrophysiological characterization performed in prokaryotic homologues indicate that lipid sensitivity is largely controlled by the most peripheral α-helix in the transmembrane domain, M4. My data show that tighter association of M4 with the adjacent M1 and M3 transmembrane α-helices decreases a receptor’s propensity to adopt a lipid-dependent uncoupled conformation. Second, I indirectly tested the hypothesis that uncoupling results from a conformational change at the extracellular/transmembrane domain interface that leads to an increased separation between the two domains and ultimately to a constriction of the channel pore. Finally, biophysical studies presented in this dissertation shed light on the complex binding of a number of non-competitive channel blockers to the nicotinic acetylcholine receptor channel pore in both the resting and desensitized states. The data provide further insight into the structural rearrangements that occur upon uncoupling of ligand binding and gating in the nicotinic acetylcholine receptor.

Neuronal nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are ligand-gated ion channels that are necessary in memory and cognition. They are pentameric and consist of α and β subunits. They are most commonly heteromeric but, can sometimes be homomeric. nAChRs are activated by many ligands including nicotine (exogenous) and acetylcholine (endogenous).nAChRs are located on hippocampal interneurons. The interneurons, although sparse, control the synchronous firing of the pyramidal cells. However, the hippocampal interneuron structure and function is quite diverse and not fully characterized. Therefore, we sought to quantify nAChR subunit mRNA levels using real-time PCR of CA1 hippocampal interneurons.Surprisingly we found that the α3 and β2 mRNA subunits were the highest expressed and highest co-expressed subunits. Additionally, the α4 mRNA subunit was the lowest expressed of the subunits detected. The α4 subunit is one of the most pharmacologically targeted nAChR subunits and is found throughout the rest of the brain at much higher levels than the α3 mRNA subunit. Upon PCR analysis two subpopulations of the α3 and β2 subunits emerged: those that contained 3X more α3 than β2 and those that contained 3X more β2 than α3. Therefore, we hypothesized that two likely α3β2 nAChR stoichiometries are present in hippocampal interneurons. We differentiated their kinetic properties using electrophysiology.Additionally, like the α4 subunit, the α7 subunit is highly targeted in cognitive therapeutics. Since, the α7 subunit is the most characterized nAChR subunit, there are current efforts to develop allosteric modulators of the α7 subunit. The α7 subunit is found at moderate levels within hippocampal interneurons and remains a valid target. Current treatment options for Alzheimer's disease, and other dementias are limited and only mildly effective. Therefore, we sought to characterize the effect of 3-furan-2-yl-N-p-tolyl-acrylamide (PAM-2) on α7.Furthermore, there are no current methods to distinguish the α7 from the α7β2 nAChRs during whole cell electrophysiological recordings. Therefore, we also characterized the PAM-2 effect on α7β2 nAChRs. Our results highlight at least 2 ways PAM-2 can be used to differentiate α7 from the α7β2 during whole-cell recordings.

Nicotinic acetylcholine receptors are ligand-gated ion channels which are located on neuromuscular junction and in central and perifric nervous system. Activity of nicotinic receptor might be modulated by variety of pharmacological agents. In this work, we have focused on the study of the inhibition effect of tacrine and its derivatives on the nicotinic acetycholine receptors of muscle and neuronal type. These derivatives function as acetylcholinesterase inhibitors and also interact with nicotinic acetylcholine receptors. The majority of current forms of treatment of Alzheimer's disease is based on cholinesterase inhibitors. We have studied the mechanism of tacrine and its derivatives by using patch clamp method in the configuration of whole-cell recording. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

Nicotinic acetylcholine receptors (nAChR) are found widely throughout the body. Like all members of the cys-loop family of receptors, nAChRs are composed of five protein subunits, each with a large extra-cellular domain and four transmembrane domains. Together these subunits form a binding domain, transmembrane pore, and selectivity filter. Neuronal nicotinic acetylcholine receptors, formed exclusively from α2-10 and β2-4 subunits, can form in many arrangements and stoichiometries. Each arrangement can have varying binding affinities and channel kinetics, resulting in great modulatory control. α3 and β2 subunit mRNA is found in CA1 interneurons in the stratum radiatum and stratum oriens of the rat hippocampus, and in surprising expression frequency and ratios. Further study of α3 and β2 subunit mRNA injected into Xenopus laevis oocytes yields interesting results about the potential for two α3β2 subtypes. These results were in intriguing, and prompted further study to better characterize and screen the α3β2 nAChR. In order to do so, a model was needed where the α3β2 nAChR could be studied in a more physiologically relevant mammalian environment, with consistent control over α3 and β2 subunit expression ratios, and sufficient protein expression and functionality. To this end, we created a doxycycline inducible HEK-293 cell line, stably transfected with the genetic sequences for the α3 and β2 subunits and NACHO, a transmembrane protein of the neuronal endoplasmic reticulum, which has been shown to mediate the assembly of α3β2 and other nAChRs. This new model is able to induce expression various ratios between α3 and β2 subunits in a consistent, manner, proving to be valuable tool in the characterization and screening of the α3β2 nAChR.

Title: Study of pharmacology and function of binding sites of nicotinic acetylcholine receptors Author: Mgr. Martina Kaniaková Department: Institute of Physiology AS CR, v.v.i. Supervisor: RNDr. Jan Krůšek, CSc., Institute of Physiology AS CR, v.v.i. Abstract: Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are ligand-gated ion channels. We use the whole-cell patch-clamp technique to study functional and pharmacological properties of muscle and neuronal nicotinic receptors. Rat neuronal receptors were heterologously expressed in COS cells and human embryonic muscle receptors were studied in TE671 cells. Lobeline, a plant alkaloid with a long history of therapeutic use, interacts with the classical agonist-binding site of nAChRs. The final result of this interaction depends on the receptor subtype, lobeline and other agonists concentrations and the time schedule of application. Generally, lobeline is a very weak partial agonist eliciting deep desensitization at several subtypes of nAChRs. In combination with other agonists, lobeline acts as a competitive antagonist or coagonist. Using point mutation procedure we studied the functional role of negatively charged amino acids in the F-loop of β2 and β4 subunits of neuronal receptors. Neutralising mutations in β4 subunit led to up to eighteen-fold increase in the...

The prevailing view is that enhancement of dopamine (DA) transmission in the mesolimbic system consisting of DA neurons in the ventral tegmental area (VTA) that project to the nucleus accumbens (NAc) underlies the rewarding properties of ethanol (EtOH) and nicotine (NIC). Although the dogma is that EtOH enhancement of DA neural activity contributes to enhancement of DA transmission, DA neurons are not sensitive to rewarding levels of EtOH. However, VTA GABA neurons are sensitive to low-dose EtOH. We have shown previously that EtOH modulation of DA release in the NAc is mediated by α6-containing nicotinic receptors (α6*-nAChRs), that α6*-nAChRs mediate low-dose EtOH effects on VTA GABA neurons and EtOH preference, and α6*-nAChRs may be a molecular target for low-dose EtOH. Thus, the most sensitive target for reward-relevant EtOH modulation of mesolimbic DA transmission and the involvement of α6*-nAChRs in the mesolimbic DA reward system remains to be elucidated. The aim of this study was to evaluate EtOH effects on VTA GABAergic input to CINs and DA release in the NAc. Using DIO channel rhodopsin-2 (ChR2) viral injections into the VTA of VGAT Cre mice, we found that VTA GABA neurons send an inhibitory projection to CINs, replicating what has been demonstrated by others. This study investigated the acute and chronic effects of EtOH at this synapse. We demonstrate that EtOH markedly enhances CIN firing rate and that these effects are blocked by the α6-conotoxin MII (α-Ctx MII), knockout of accumbal α6*-nAChRs with α6-shRNA, and atypical GABA receptor antagonists. This study also investigated plasticity at this synapse. We demonstrate that a low frequency stimulation (LFS; 1 Hz, 240 pulses) causes inhibitory long-term depression at this synapse (CIN-iLTD) which is also blocked by α-Ctx MII, α6-shRNA, and atypical GABA receptor antagonists. We also show that CIN-iLTD is blocked in EtOH-dependent mice. Taken together, these findings suggest that EtOH affects the VTA GABAergic projection to CINs via α6*-nAChRs and that atypical GABA receptors also play a role.