Pneumonia is the second leading cause of disability-adjusted life-years lost worldwide and the eighth leading cause of death in the United States. Traumatic brain injury (TBI) patients have classically been considered immunosuppressed, but recent research reported that mild head trauma patients have reduced incidence of pneumonia compared to blunt trauma patients. Using our mild TBI model followed by bacterial pneumonia, we investigated the effect of neuronal signaling on innate immune function. To test whether any mild injury primes host immune responses to pneumonia, we generated a mild tail trauma (TT) model. mTBI mice showed protection from bacterial pneumonia while TT mice did not. Using an FDA-approved neurokinin-1 receptor (NK1R) antagonist, aprepitant, we confirmed our previous findings that substance P (SP) is a key mediator of enhanced resistance to pneumonia. Blocking NK1R showed that mTBI-induced release of SP augments pulmonary neutrophil recruitment and microbicidal activity to pulmonary bacterial pathogens. In TT mice, NK1R agonism enhanced the same neutrophil functions, further supporting the hypothesis. No differences were found between mTBI and TT neutrophils’ ability to phagocytose, generate oxidative burst, or acidify phagosomes. However, neutrophils from mTBI mice produced more neutrophil extracellular traps in response to bacterial challenge. These studies show that neurokinin signaling in our model contributes to enhanced bacterial clearance. Cholinergic anti-inflammatory pathway signaling though the α7 nicotinic acetylcholine receptor (α7 nAChR) is also a critical component of improved survival. Blockade of α7 nAChR abrogated the mTBI survival benefit. Mimicking cholinergic signaling using α7 nAChR agonist recapitulated the mTBI reduced pro-inflammatory cytokine production and improved survival. No physiologic differences emerged within 24h following pneumonia, but mTBI and α7 agonist treated mice had significantly lower TNFα in bronchoalveolar fluid, suggesting reduced injurious pulmonary inflammation. However, replacing early TNFα during pneumonia did not increase mortality. Western blot analysis showed downregulation of HMGB1 release in mTBI mice, suggesting that vagal cholinergic signaling reduces late mediators of organ damage. Our experiments show that mTBI enhances resistance to pneumonia by activating the vagus nerve signaling through neurokinin and cholinergic pathways. Translation of these findings could be innovative solutions to fighting or preventing infections.

While cancer chemotherapy continues to significantly contribute to the number of cancer survivors, exposure to these drugs can often result in chemotherapy-induced peripheral neuropathy (CIPN), a consequence of peripheral nerve fiber dysfunction or degeneration. CIPN is characterized by sensory symptoms in the hands and feet, such as numbness, burning, and allodynia, resulting in an overall decrease in quality of life. Paclitaxel (Taxol), a microtubule poison that is commonly used to treat breast, lung, and ovarian cancers, has been found to cause CIPN in 59-78% of cancer patients. There is currently no effective preventative or therapeutic treatment for this side effect, which can be a dose-limiting factor for chemotherapy or delay treatment. Our collaborators in the laboratory of Dr. M. Imad Damaj have shown that nicotine, a nicotinic acetylcholine receptor (nAChR) agonist, and R-47, an α7 nAChR silent agonist, can prevent and reverse paclitaxel-induced peripheral neuropathy in mice. With regard to cancer, this work demonstrates that nicotine and R-47 do not enhance A549 and H460 human non-small cell lung cancer cell viability, colony formation, or proliferation alone, and they do not attenuate paclitaxel-induced growth arrest, apoptosis, or DNA fragmentation. Most importantly, nicotine and R-47 do not increase the growth of A549 tumors or interfere with the antitumor activity of paclitaxel in tumor-bearing mice. These data suggest that targeting nAChRs may be a safe and efficacious approach for the prevention and treatment of CIPN in cancer patients.

Doctor of Philosophy(PhD) / The aims of this project were to contribute to the elucidation of the role of the cholinergic system in attention and memory, two cognitive processes severely compromised in Alzheimer’s disease (AD), and to evaluate and develop tools for the functional molecular imaging of this system with a view to improving knowledge of AD and other neurological disorders. Towards the first aim, the specific anti-cholinergic toxin 192 IgG-saporin (SAP) was administered to female Sprague-Dawley rats via either an intracerebroventricular (icv) or an intracortical route and animals were tested with a vibrissal-stimulation reaction-time task and an object recognition task to evaluate their attentional and mnemonic function, respectively. The second aim was approached in two ways. Firstly, relative neuronal densities from animals with icv lesions were assessed with both ex vivo and in vitro autoradiography with the specific cholinergic radiopharmaceuticals [123I]iodobenzovesamicol (123IBVM) and 125I-A-85380, ligands for the vesicular acetylcholine transporter and the nicotinic acetylcholine receptor, respectively. Secondly, a number of in vivo and in vitro studies were performed on a novel and unique molecular imaging system (TOHR), with which it had been hoped initially to image eventually SAP-lesioned animals, with a view to measuring and ameliorating its performance characteristics and assessing its in-principle suitability for small-animal molecular imaging. The behavioural studies support a critical role for the cholinergic system in normal attentional function. Additionally, in accord with literature evidence, no significant impairment was observed in mnemonic function. It is postulated however that the results observed in the intracortically-lesioned animals support the published hypothesis that cholinergic projections to the perirhinal cortex are critical for object-recognition memory. In autoradiographic studies, SAP-lesioned animals demonstrated reduced uptake of 123IBVM in multiple regions. A reduction of nicotinic receptors was also seen in SAP-lesioned animals, a novel finding supportive of the excellent characteristics of radioiodinated I-A-85380. Examination of the performance characteristics of the TOHR support in principle its utility for targeted small-animal molecular imaging studies.

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

Οι νικοτινικοί υποδοχείς της ακετυλοχολίνης (nAChRs) ανήκουν στην υπερ-οικογένεια των πενταμερών ιοντικών καναλιών (LGICs), που περιλαμβάνει τους υποδοχείς σεροτονίνης (5-HT3), γλυκίνης (GlyR) και γ-αμινοβουτυρικού οξέος (GABAA, GABAB). Κάθε υπομονάδα του nAChR αποτελείται από μία αμινο-τελική εξωκυτταρική περιοχή (ΕΚΠ), στην οποία βρίσκεται η χαρακτηριστική Cys θηλιά της υπερ-οικογένειας, από τέσσερεις διαμεμβρανικές α-έλικες και από μία κυτταροπλασματική περιοχή. Οι nAChRs διακρίνονται σε μυϊκούς και νευρικούς. Οι μυϊκοί nAChRs βρίσκονται στα ηλεκτρικά όργανα ιχθύων Torpedo sp. και στις νευρομυϊκές συνάψεις σπονδυλωτών, όπου μεταβιβάζουν τις νευρικές ώσεις στους μείς. Σχηματίζουν ετεροπενταμερή με στοιχειομετρία υπομονάδων (α1)2β1γδ ή (α1)2β1εδ στα ενήλικα άτομα θηλαστικών, με δύο θέσεις πρόσδεσης χολινεργικών προσδετών μεταξύ των α1-ΕΚΠ και της γ(ε) και δ-ΕΚΠ. Στην α1-ΕΚΠ εδράζει επίσης η κύρια ανοσογόνος περιοχή (MIR), έναντι της οποίας κατευθύνονται αντι-nAChR αντισώματα στην περίπτωση της βαριάς μυασθένειας. Οι νευρικοί nAChRs βρίσκονται στο κεντρικό και περιφερικό νευρικό σύστημα, όπου διαβιβάζουν τις νευρικές ώσεις. Σχηματίζουν είτε ετεροπενταμερή, μεταξύ 2-3 α-υπομονάδων (υπότυποι α2-6) και 2-3 β-υπομονάδων (υπότυποι β2-4), ή ομοπενταμερή. Η α7 είναι η μόνη γνωστή υπομονάδα του νευρικού nAChR που σχηματίζει ομοπενταμερή μόρια στον άνθρωπο, με πέντε θέσεις πρόσδεσης χολινεργικών υποκαταστατών. Μέχρι στιγμής, έχουν πραγματοποιηθεί τέσσερα σημαντικά επιτεύγματα, όσον αφορά την κατανόηση της δομής των nAChRs: Α. Η λύση της δομής, με κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ, της ομόλογης προς τα ΕΚΠ τμήματα των α υπομονάδων του nAChR (25% αμινοξική ταύτιση με την α7), ομοπενταμερούς πρωτεΐνης δέσμευσης της ACh γαστεροπόδων (AChBP), καθώς και των δομών της με διάφορους χολινεργικούς προσδέτες. Προσεγγίστηκε έτσι για πρώτη φορά η διαμόρφωση των nAChR-θέσεων πρόσδεσης χολινεργικών υποκαταστατών. Β. Η λύση της δομής, με ηλεκτρονική μικροσκοπία, του Torpedo nAChR, η οποία αποκάλυψε την δευτεροταγή και τριτοταγή δομή του nAChR. Εντούτοις, λόγω της περιορισμένης ευκρίνειας (4 Å), δεν αποκάλυψε τη συγκρότηση των θέσεων πρόσδεσης της ACh σε ατομικό επίπεδο. Γ. Η λύση της δομής σε υψηλή ευκρίνεια (1,94 Å) του συμπλόκου της α1-ΕΚΠ επίμυος με τον nAChR- ανταγωνιστή α-μπουγκαροτοξίνη (α-bgtx). Η λυση αυτής της δομής αποκάλυψε σε ατομικό επίπεδο την MIR περιοχή, τις θηλιές Α, B και C της κυρίως πλευράς των θέσεων πρόσδεσης χολινεργικών προσδετών και τη χαρακτηριστική Cys θηλιά. Δεδομένου όμως, ότι η δομή της α1-ΕΚΠ αναπαριστά ένα μονομερές, η δομή μίας πλήρως διαμορφωμένης θέσης πρόσδεσης εξακολουθεί να απουσιάζει. Δ. Η λύση της δομής, με κρυσταλλογραφία ακτίνων-Χ, μίας προκαρυωτικής LGIC πρωτεΐνης (ELIC), η οποία θεωρείται μάλιστα πως αποτελεί τον πρόγονο όλων των ευκαρυωτικών LGICs, συμπεριλαμαβανομένου του nAChR, με την οποία αποκαλύφθηκε ο βασικός σκελετός της δομής των LGICs. Είναι φανερό, ότι παρόλα αυτά τα επιτεύγματα, απουσιάζει ακόμη η λύση της δομής ενός πενταμερούς nAChR. Η νευρική α7 υπομονάδα του nAChR είναι μία καλή υποψήφια για την επίτευξη αυτού του στόχου, αφού σχηματίζει πενταμερή in vivo. Επιπλέον, αυτή εμπλέκεται σε ένα μεγάλο αριθμό νευρικών παθήσεων (Alzheimer, Parkinson, επιληψία, σχιζοφρένεια, κλπ), και η λύση της δομής της θα οδηγήσει και στο σχεδιασμό θεραπευτικών προσεγγίσεων έναντι αυτών των ασθενειών. Μάλιστα, εφ’όσον στην α7- ΕΚΠ εδράζουν οι θέσεις πρόσδεσης χολινεργικών υποκαταστατών, είναι πιο ρεαλιστική η προσπάθεια κρυστάλλωσης αυτής της περιοχής αντί ολόκληρου του α7 nAChR, αφού οι εκτενείς υδρόφοβες διαμεμβρανικές περιοχές του τελευταίου περιορίζουν τη διαλυτότητά του. Στο παρελθόν είχαμε εκφράσει στο Εργαστήριό μας την ανθρώπινη α7-EKΠ αγρίου τύπου και ένα διπλό μετάλλαγμα αυτής, σε κύτταρα P. pastoris, με στόχο μελέτη της δομής τους. Τα μόρια αγρίου τύπου, βρέθηκαν όμως να είναι αρκετά υδρόφοβα, αφού εκφράσθηκαν ως συσσωματώματα πολύ υψηλού μοριακού βάρους (ΜΒ) και ως ολιγομερή μεγαλύτερα από πενταμερή. Τα μόρια του διπλού μεταλλάγματος, στα οποία ολόκληρη η Cys θηλιά του α7 nAChR αντικαταστάθηκε από την πιο υδρόφιλη Cys θηλιά της AChBP σε συνδυασμό με την μετάλλαξη Cys116Ser, εμφάνισαν μεν αυξημένη διαλυτότητα και ικανότητα πρόσδεσης α-bgtx, διατήρησαν όμως δε ένα σημαντικό βαθμό δημιουργίας συσσωματωμάτων υψηλού ΜΒ, οδηγώντας σε αποτυχείς προσπάθειες κρυστάλλωσής τους. Στην παρούσα μελέτη, στηριχθήκαμε στο τρισδιάστατο μοντέλο της ανθρώπινης α7- ΕΚΠ, το οποίο κατασκευάσαμε χρησιμοποιώντας ως εκμαγεία τις, μόνες γνωστές έως τότε, δομές της AChBP και της α-EKΠ του Torpedo nAChR, προκειμένου να σχεδιάσουμε νέες μεταλλάξεις για την ενίσχυση της διαλυτότητας και της πενταμερούς συγκρότησης των α7- ΕΚΠ μορίων. Έτσι, μεταλλάξαμε τα εκτεινόμενα, στο εξωτερικό περιβάλλον του μοντέλου, υδρόφοβα αμινοξικά κατάλοιπα προς λιγότερο υδρόφοβα, με στόχο την αύξηση της διαλυτότητας των εκφραζόμενων α7-ΕΚΠ μορίων, καθώς και μερικά κατάλοιπα της διεπιφάνειας μεταξύ γειτονικών α7-ΕΚΠ πρωτομερών προς μεγαλύτερα ή φορτισμένα, με στόχο την εισαγωγή επιπλέον υδρογονικών ή ηλεκτροστατικών δεσμών με αντικρυστά κατάλοιπα της γειτονικής α7-ΕΚΠ υπομονάδας. Η μελέτη των χρωματογραφημάτων μοριακής διήθησης και δυναμικής σκέδασης του φωτός όλων των προκύπτοντων α7-ΕΚΠ μεταλλαγμάτων υπέδειξε ότι αυτά που έφεραν μεταλλάξεις σε κατάλοιπα της διεπιφάνειας εκφράσθηκαν όπως τα μόρια αγρίου-τύπου, ενώ αυτά που έφεραν την αντικατάσταση των εκτειθέμενων υδρόφοβων αμινοξικών καταλοίπων από λιγότερο υδρόφοβα, εμφάνισαν σημαντικά αυξημένη διαλυτότητα σε σχέση με τα μόρια αγρίου τύπου. Μάλιστα, ένα τουλάχιστον τέτοιο μετάλλαγμα (mut-10), εμφάνισε σημαντικά αυξημένη διαλυτότητα και ως προς το προϋπάρχον διπλό μετάλλαγμα, αφού εκφράσθηκε αποκλειστικά υπό τη μορφή ολιγομερών με κοντινό στο θεωρητικά αναμενόμενο ΜΒ για πενταμερή μόρια. Επιπλέον, εμφάνισε μία σημαντικά αυξημένη συγγένεια πρόσδεσης για τον σημασμένο ανταγωνιστή 125I-α-bgtx (Kd = 24 nM), σε σχέση με τα μόρια αγρίου τύπου (Kd = 70 nM) και διπλού μεταλλάγματος (Kd = 52 nM), η οποία πρόσδεση βρέθηκε να αναστέλλεται από μη σημασμένα μόρια α-bgtx, d-τουμποκουραρίνης ή νικοτίνης (Ki = 21,5 nM, Ki = 127 μM, Ki = 17,5 mM, αντίστοιχα). Οι τιμές αυτές των σταθερών για το mut-10 είναι χαμηλότερες από αυτές των μορίων αγρίου τύπου και άλλων μεταλλαγμάτων, ενώ είναι αρκετά κοντινές προς αυτές του φυσικού μορίου α7 nAChR, υποδηλώνοντας ταυτόχρονα την αύξηση στην ικανότητα πρόσδεσης χολινεργικών υποκαταστατών, αλλά και την κοντινή διαμόρφωση του mut-10 στο χώρο με αυτό των φυσικών μορίων. Επιπρόσθετα, μελέτες κυκλικού διχρωϊσμού, αποκάλυψαν την ύπαρξη καλά ορισμένης τριτοταγούς δομής στα mut-10 μόρια, καθώς και τοπικές αλλαγές στη διαμόρφωσή τους κατά την πρόσδεση διάφορων χολινεργικών προσδετών. Επίσης, αποκάλυψαν τη σύσταση της δευτεροταγούς δομής των ανθρώπινων α7-ΕΚΠ μορίων, η οποία βρέθηκε να είναι ~45% β-πτυχωτή επιφάνεια και 5% α-έλικα, σε συμφωνία με αυτή των ομόλογων ΕΚΠ τμημάτων του Torpedo nAChR, της AChBP και της α1-EKΠ του nAChR επίμυος. Τέλος, με ηλεκτρονική μικροσκοπία αποκαλύφθηκε ένας υψηλός βαθμός ομοιογένειας των εκφραζόμενων mut-10 μορίων, και η συγκρότησή τους πιθανότατα σε πενταμερή με εμφανή το χαρακτηριστικό κεντρικό πόρο, ο οποίος αποτελεί την απαρχή του ιοντικού καναλιού σε ολόκληρο τον α7 nAChR. Συμπερασματικά, το μετάλλαγμα mut-10 της παρούσης μελέτης είναι κατάλληλο για δομικές μελέτες υψηλής ανάλυσης, απαραίτητες για την έναρξη ενός ορθολογικού σχεδιασμού φαρμάκων έναντι των ασθενειών που συνδέονται με τον α7 nAChR. Επιπλέον, δεδομένου ότι τα απογλυκοζυλιωμένα mut-10 μόρια διατήρησαν την υδροφιλικότητα, την ικανότητα πρόσδεσης χολινεργικών υποκαταστατών και τη δευτεροταγή τους δομή, αυτά είναι επίσης κατάλληλα για κρυσταλλώσεις, αφού μάλιστα σε αυτή την περίπτωση αυξάνεται πιθανότατα και ο βαθμός ομοιογένειάς τους. Ένας παράλληλος σκοπός της παρούσης διατριβής ήταν η ανίχνευση με μελέτες κυκλικού διχρωϊσμού, της δευτεροταγούς και τριτοταγούς δομής των α1-, β1-, γ- και ε- ΕΚΠ μορίων του ανθρώπινου μυϊκού nAChR, τα οποία είχαν επίσης εκφρασθεί σε κύτταρα P. pastoris. Οι μελέτες αυτές αποκάλυψαν ότι το κυρίαρχο δευτεροταγές δομικό χαρακτηριστικό όλων αυτών των μορίων ήταν η β-πτυχωτή επιφάνεια (~40%), ενώ παρατηρήθηκε και μία μικρή συμμετοχή α-έλικας (~5%), σε συμφωνία με την δευτεροταγή δομή των ομόλογων ΕΚΠ τμημάτων του Torpedo nAChR και της AChBP και με τη μεταγενέστερη των αποτελεσμάτων αυτών, λύση της δομής της α1-ΕΚΠ του nAChR επίμυος. Επίσης, επιβεβαίωσαν την ύπαρξη καλά ορισμένης τριτοταγούς δομής στα μόρια αυτά, κάτι που είχε στο παρελθόν υπαινιγχθεί από βιοχημικές και ανοσοχημικές μελέτες. Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν την κοντινή προς τα φυσικά μόρια διαμόρφωση των ΕΚΠ μορίων του ανθρώπινου μυϊκού nAChR που εκφράζονται στο Εργαστήριό μας, και ενισχύουν τη χρήση τους για περαιτέρω δομικές μελέτες υψηλής ανάλυσης, αλλά και ως ειδικούς ανοσοπροσροφητές των αντι-nAChR αντισωμάτων ορών μυασθενικών σε μία, υπό ανάπτυξη από το Εργαστήριό μας, αντιγονο-ειδική θεραπευτική προσέγγιση της βαριάς μυασθένειας. / Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) belong to the superfamily of pentameric ligand-gated ion channels (LGICs), also including serotonin (5-HT3), glycine and γ- aminobutyric acid receptors (GABAA and GABAC). Each nAChR subunit consists of an Nterminal extracellular domain (ECD), harbouring the signature Cys-loop, four transmembrane α-helices and a small cytoplasmic loop. nAChRs are classified into muscle and neuronal types. Muscle-type nAChRs are found in fish electric organs and at the vertebrate neuromuscular junctions, where they mediate neuromuscular transmission. They form heteropentamers with a stoichiometry (α1)2β1γδ or (α1)2β1εδ in adult mammalian nAChR and bear two ligand-binding sites formed between α1- and γ(ε)- or δ-ECDs. The α1-ECD hosts the main immunogenic region (MIR), against which a large number of anti-nAChR antibodies are directed in the autoimmune disease, myasthenia gravis. Neuronal nAChRs are widely distributed in the central and peripheral nervous system and play key roles in neuron-neuron interactions. They exist either as heteropentamers of 2-3 α subunits (subtypes α2–6) plus 2-3 β subunits (β2–4) or as homopentamers. α7 is the only human neuronal subunit known to form a homopentamer with five ligand-binding sites between its ECDs. Regarding the atomic structure of nAChR, four major breakthroughs have been achieved so far: A. The X-ray crystal structure of the homologous to nAChR α-ECDs (25% sequence identity with α7), molluscan homopentameric acetylcholine-binding protein (AChBP) and its complexes with various cholinergic ligands, which approached the structure of the nAChR ligand-binding site in atomic detail for the first time. Β. Τhe 4Å electron microscopy (EM) structure of the Torpedo nAChR, which revealed the architecture of the muscle-type nAChR-ECDs and the fivefold symmetry of the receptor. Nevertheless, given the relatively low-resolution, no atomic details for the ligand-binding site could be observed. C. The high-resolution X-ray crystal structure of the complex of mouse muscle α1-ECD with the nAChR antagonist α-bungarotoxin (α-bgtx), which revealed atomic details for the MIR epitope, the loops A, B and C, forming the principal side of the nAChR ligandbinding pocket and the Cys-loop. However, since the structure of mouse α1-ECD is a monomer, the nAChR ligand-binding site is still missing. D. The high-resolution X-ray crystal structure of a prokaryotic LGIC (ELIC protein) considered to be the ancestor of eukaryotic LGICS, including the nAChR, which revealed the core structure of the LGICs. Apparently, it still remains essential to obtain the structure of a pentameric nAChR-ECD in high-resolution, so as to look deep into the details of the complete nAChR ligand-binding pockets. Neuronal α7 nAChR is a good candidate for achieving this goal, as it forms homopentamers. Furthermore, since α7 nAChR is implicated in neurological diseases and disorders (Alzheimer’s, Parkinson’s, epilepsy, schizophrenia, etc), elucidation of its structure will also lead to the rational drug-design towards these diseases. Furthermore, since the α7-ECD is of the main pharmacological interest as this bears the ligand-binding sites, it seems more realistic to perform crystallization trials on this domain, rather than on the intact α7 nAChR, due to the large hydrophobic transmembrane domains of the latter. Our laboratory has previously expressed the wild-type and a double mutant of human α7-ECD in yeast P. pastoris, with the aim to proceed to their detailed structural analysis. However, the wild-type was expressed in the form of microaggregates and oligomers larger than the expected pentamers, whereas the double mutant, carrying the mutation Cys116Ser and the replacement of its Cys-loop by the more hydrophilic AChBP Cys-loop, appeared to be more soluble than the wild-type and capable of binding α-bgtx with an increased affinity, relatively close to that of the native α7 nAChR. However, this mutant was still aggregationprone to some extent, thus leading to unsuccessful crystallization trials. Therefore, in the present study, we based on the model of human α7-ECD constructed using as templates the X-ray crystal structure of L-AChBP and the electron microscopy structure of the Torpedo nAChR α1-ECD, and introduced several mutations in α7-ECD so as to enhance both its solubility and assembly to pentamers. The hydrophobic amino acid residues found exposed to the environment of α7-ECD model were mutated to less hydrophobic ones, with the aim to reduce the considerably high hydrophobicity of α7-ECD molecules, while various residues facing the interface between two adjacent α7-ECD protomers were mutated to larger or charged residues, with the aim to introduce additional hydrogen or electrostatic bonds with facing residues of the adjacent protomer. Gel filtration and dynamic light scattering analysis for the novel α7-ECD mutants under study, suggested that the mutants carrying mutations in the interface-located amino acid residues were expressed similarly to the wild-type, whereas the mutants carrying the substitution of external hydrophobic residues by less hydrophobic ones, all appeared significantly more water-soluble than the wild-type molecules. Moreover, at least one mutant (mut-10) presented enhanced solubility compared to both the wild type and the previously studied soluble double mutant, as it was expressed exclusively to oligomers close to a pentameric form. Furthermore, it displayed a significantly improved binding affinity for the nAChR antagonist 125I-α-bgtx (Kd = 24 nM), compared to the wild type (Kd = 70 nM) and to the double mutant (Kd = 52 nM), the binding being inhibited by unlabelled α-bungarotoxin, d-tubocurarine or nicotine (Ki = 21.5 nM, Ki = 127 μM, Ki = 17.5 mM, respectively). These values for mut-10 are comparable to those for the native α7 nAChR, denoting its native-like conformation. Circular dichroism (CD) studies on mut-10 suggested a well-defined tertiary structure and special local conformational changes upon binding of several cholinergic ligands. They also revealed a secondary structure composition (~5% α- helix, ~45% β-sheet) similar to that of the homologous Torpedo nAChR-ΕCDs, AChBP and mouse muscle α1-nAChR-ECD. Finally, electron microscopy studies revealed a high degree of homogeneity and well-assembled particles of the expressed mut-10, probably pentameric, with the characteristic formation of the central hole, which in the case of the intact α7 nAChR continues to the central pore. In conclusion, the mutagenesis strategy followed in the current study, towards a crystallisable α7-ECD form, led to the construction and expression of at least one novel mutant (mut-10), which is a promising starting material for atomic-resolution studies, essential for rational drug design towards diseases related to the α7-nAChR. Furthermore, since its deglycosylated form maintained its solubility, ligand-binding properties and secondary structure, it is even more appropriate for crystallization, as it appears to be more homogeneous than the glycosylated molecules. Another aim of the present study was to probe the structure of the α1-, β1-, γ- and ε- ECDs of the human muscle nAChR, previously expressed in yeast P. pastoris, by performing CD studies. These studies demonstrated that the dominant structural feature of all these ECDs is β-sheet structure (~40%) with a small contribution of α-helical content (~5%). This was the first time direct experimental evidence appeared for the secondary structure composition of human nAChR-ECDs, which seems to be in very good agreement with that of the similar Torpedo muscle-type nAChR-ECDs and in considerable, though lower, agreement with that of the less homologous AChBPs. The subsequent structure solution of the α1-ECD of the mouse muscle nAChR in high resolution, further confirmed the native-like conformation of the human muscle nAChR-ECDs expressed in our laboratory, since their secondary structure composition was also in considerable agreement with that of mouse α1-ECD (47% β-sheet; 7% α-helix). The CD studies also suggested well-defined tertiary structures and considerable folding for all human muscle nAChR-ECDs under study, as this was previously implied by biochemical and immunochemical studies. In conclusion, these results strongly suggest that the ECDs of the human muscle nAChR under study fold to a near-native conformation, confirming their suitability for more detailed structural studies and for their use as specific immunoadsorbents in an under development antigen-specific therapeutic strategy to remove pathogenic anti-nAChR antibodies from myasthenic patients’ sera.

Since sildenafil's (Viagra®), a phospodiesterase type 5 (PDE5) inhibitor, approval for the treatment of male erectile dysfunction (MED) in the United States early 1998, 274 adverse event reports were filed by the Food and Drug Administration (FDA) between 4 Jan. 1998 and 21 Feb. 2001 with sildenafil as the primary suspect of various neurological disturbances, including amnesia and aggressive behaviour (Milman and Arnold, 2002). These and other research findings have prompted investigations into the possible central effects of sildenafil. The G protein-coupled muscarinic adetylcholine receptors (mAChRs) and serotonergic receptors (5HT-Rs), have been linked to antidepressant action (Brink et al. 2004). GPCRs signal through the phosphatidylinositol signal transduction pathway known to activate protein kinases (PKs). Since the nitric oxide (NO)-guanylyl cyclase signal transduction pathway is also known to involve the activation of PKs (via cyclic guanosine monophosphate (cGMP)), the scope is opened for sildenafil to possibly modulate the action of antidepressants by elevating cGMP levels. It is generally assumed that excitotoxic delayed cell death is pathologically linked to an increase in the release of excitatory neurotransmitters e.g. glutamate. Glutamate antagonists, especially those that block the define NMDA-receptors, are neuroprotective, showing the importance of the NMDA-NO-cGMP pathway in neuroprotection (Brandt et al., 2003). Sildenafil may play a role in neuroprotection by elevating cGMP levels. Aims: The aims of the study were to investigate any neuroprotective properties of sildenafil, as well as modulating effects of sildenafil pre-treatment on mAChR function. Methods: Human neuroblastoma SH-SY5Y or human epithelial HeLa cells were seeded in 24-well plates and pre-treated for 24 hours in serum-free medium with no drug (control), PDE5 inhibitors sildenafil (100nM and 450 nM), dipiridamole (20 µM) or zaprinast (20 µM), non-selective PDE inhibitor 3-isobutyl-I-methylxanthine (IBMX - ImM), cGMP analogue N2,2'-0-dibutyrylguanosine 3'5'-cyclic monophosphate sodium salt (500 µM), guanylcyclase inhibitor 1H-[1 ,2,4]oxadiazolo[4,3-a]quinoxalin-I-one (ODQ - 3 µM) or sildenafil + ODQ (450 nM and 3 µM respectively). Thereafter cells were used to determine mAChR function by constructing dose-response curves of methacholine or to determine cell viability utilising the Trypan blue, propidium iodide and MTT tests for cell viability. Results: Sildenafil pre-treatments induced a 2.5-fold increase in ,the Emax value of methacholine in neuronal cells but did not show a significant increase in epithelial cells The Trypan blue test suggests that neither the PDE5 inhibitors nor a cGMP analogue show any neuroprotection. Rather, sildenafil 450 nM, dipiridamole and IBMX displayed a neurodegenerative effect. The MTT test was not suitable, since pre-treatment with the abovementioned drugs inhibited the formation of forrnazan. The propidium iodide assay could also not be used, due to severe cell loss. Conclusion: Sildenafil upregulates mAChR function in SH-SY5Y cells and displays a neurodegenerative, and not a protective property, in neuronal cells. This is not likely to be associated with its PDE5 inhibitory action, but may possibly be linked to an increase in cGMP levels via the NO-cGMP pathway. / Thesis (M.Sc. (Pharmacology))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2005.

The α7 nicotinic acetylcholine receptor (nAChR) is involved in learning and memory, synaptic plasticity, neuroprotection, inflammation, and presynaptic regulation of neurotransmitter release. Alzheimer’s disease (AD), a neurodegenerative disease characterized by diminished cognitive abilities, memory loss, and neuropsychiatric disturbances, is associated with a loss of nAChRs. Similarly, traumatic brain injury (TBI) may result in long term neurobehavioral changes exemplified by cognitive dysfunction. Deficits in α7 nAChR expression have previously been shown in experimental TBI and may be related to cognitive impairment experienced in patients following TBI. The purpose of this dissertation was to investigate changes in α7 nAChR expression in models of neurodegeneration and determine if allosteric modulation of the nAChR facilitates functional recovery following experimental TBI through changes in nAChRs. Experimental models employed include a transgenic mouse model of AD that overexpresses the amyloid precursor protein (APPswe mice) and the controlled cortical impact injury model of TBI in rats. Quantitative receptor autoradiography using α-[125I]-bungarotoxin and [125I]-epibatidine and in situ hybridization were used to investigate changes in nAChR density and mRNA expression, respectively. In the first study, the effects of aging and β-amyloid on α7 nAChR expression were evaluated in APPswe mice. Hippocampal α7 nAChR density was significantly upregulated in APPswe mice compared to wild-type mice. It is postulated that elevated Aβ levels bind to the α7 nAChR resulting in upregulation. In a second study, galantamine, a medication used in the treatment of AD, was administered subchronically following experimental TBI to determine if treatment could facilitate cognitive recovery and affect nAChR expression. Interestingly, the results indicate TBI interferes with agonist mediated upregulation of nAChRs, and galantamine did not improve function in a behavioral task of learning a memory. In a third study, the regulation of TBI related deficits in α7 nAChRs was examined 48 hours following injury. α7 nAChR deficits occurred with a reduction in α7 mRNA in several hippocampal regions and non-α7 nAChR deficits occurred with a reduction in α4 mRNA in the metathalamus. The results of these studies suggest AD and TBI may involve complex but parallel processes contributing to the regulation of α7 nAChRs.

Since sildenafil's (Viagra®), a phospodiesterase type 5 (PDE5) inhibitor, approval for the treatment of male erectile dysfunction (MED) in the United States early 1998, 274 adverse event reports were filed by the Food and Drug Administration (FDA) between 4 Jan. 1998 and 21 Feb. 2001 with sildenafil as the primary suspect of various neurological disturbances, including amnesia and aggressive behaviour (Milman and Arnold, 2002). These and other research findings have prompted investigations into the possible central effects of sildenafil. The G protein-coupled muscarinic adetylcholine receptors (mAChRs) and serotonergic receptors (5HT-Rs), have been linked to antidepressant action (Brink et al. 2004). GPCRs signal through the phosphatidylinositol signal transduction pathway known to activate protein kinases (PKs). Since the nitric oxide (NO)-guanylyl cyclase signal transduction pathway is also known to involve the activation of PKs (via cyclic guanosine monophosphate (cGMP)), the scope is opened for sildenafil to possibly modulate the action of antidepressants by elevating cGMP levels. It is generally assumed that excitotoxic delayed cell death is pathologically linked to an increase in the release of excitatory neurotransmitters e.g. glutamate. Glutamate antagonists, especially those that block the define NMDA-receptors, are neuroprotective, showing the importance of the NMDA-NO-cGMP pathway in neuroprotection (Brandt et al., 2003). Sildenafil may play a role in neuroprotection by elevating cGMP levels. Aims: The aims of the study were to investigate any neuroprotective properties of sildenafil, as well as modulating effects of sildenafil pre-treatment on mAChR function. Methods: Human neuroblastoma SH-SY5Y or human epithelial HeLa cells were seeded in 24-well plates and pre-treated for 24 hours in serum-free medium with no drug (control), PDE5 inhibitors sildenafil (100nM and 450 nM), dipiridamole (20 µM) or zaprinast (20 µM), non-selective PDE inhibitor 3-isobutyl-I-methylxanthine (IBMX - ImM), cGMP analogue N2,2'-0-dibutyrylguanosine 3'5'-cyclic monophosphate sodium salt (500 µM), guanylcyclase inhibitor 1H-[1 ,2,4]oxadiazolo[4,3-a]quinoxalin-I-one (ODQ - 3 µM) or sildenafil + ODQ (450 nM and 3 µM respectively). Thereafter cells were used to determine mAChR function by constructing dose-response curves of methacholine or to determine cell viability utilising the Trypan blue, propidium iodide and MTT tests for cell viability. Results: Sildenafil pre-treatments induced a 2.5-fold increase in ,the Emax value of methacholine in neuronal cells but did not show a significant increase in epithelial cells The Trypan blue test suggests that neither the PDE5 inhibitors nor a cGMP analogue show any neuroprotection. Rather, sildenafil 450 nM, dipiridamole and IBMX displayed a neurodegenerative effect. The MTT test was not suitable, since pre-treatment with the abovementioned drugs inhibited the formation of forrnazan. The propidium iodide assay could also not be used, due to severe cell loss. Conclusion: Sildenafil upregulates mAChR function in SH-SY5Y cells and displays a neurodegenerative, and not a protective property, in neuronal cells. This is not likely to be associated with its PDE5 inhibitory action, but may possibly be linked to an increase in cGMP levels via the NO-cGMP pathway. / Thesis (M.Sc. (Pharmacology))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2005.

Doctor of Philosophy(PhD) / The aims of this project were to contribute to the elucidation of the role of the cholinergic system in attention and memory, two cognitive processes severely compromised in Alzheimer’s disease (AD), and to evaluate and develop tools for the functional molecular imaging of this system with a view to improving knowledge of AD and other neurological disorders. Towards the first aim, the specific anti-cholinergic toxin 192 IgG-saporin (SAP) was administered to female Sprague-Dawley rats via either an intracerebroventricular (icv) or an intracortical route and animals were tested with a vibrissal-stimulation reaction-time task and an object recognition task to evaluate their attentional and mnemonic function, respectively. The second aim was approached in two ways. Firstly, relative neuronal densities from animals with icv lesions were assessed with both ex vivo and in vitro autoradiography with the specific cholinergic radiopharmaceuticals [123I]iodobenzovesamicol (123IBVM) and 125I-A-85380, ligands for the vesicular acetylcholine transporter and the nicotinic acetylcholine receptor, respectively. Secondly, a number of in vivo and in vitro studies were performed on a novel and unique molecular imaging system (TOHR), with which it had been hoped initially to image eventually SAP-lesioned animals, with a view to measuring and ameliorating its performance characteristics and assessing its in-principle suitability for small-animal molecular imaging. The behavioural studies support a critical role for the cholinergic system in normal attentional function. Additionally, in accord with literature evidence, no significant impairment was observed in mnemonic function. It is postulated however that the results observed in the intracortically-lesioned animals support the published hypothesis that cholinergic projections to the perirhinal cortex are critical for object-recognition memory. In autoradiographic studies, SAP-lesioned animals demonstrated reduced uptake of 123IBVM in multiple regions. A reduction of nicotinic receptors was also seen in SAP-lesioned animals, a novel finding supportive of the excellent characteristics of radioiodinated I-A-85380. Examination of the performance characteristics of the TOHR support in principle its utility for targeted small-animal molecular imaging studies.

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.