Οι νικοτινικοί υποδοχείς της ακετυλοχολίνης (nAChRs) είναι κατιονικοί δίαυλοι, οι οποίοι ενεργοποιούνται κατόπιν πρόσδεσης κατάλληλου νευροδιαβιβαστή και ευθύνονται για την κυτταρική επικοινωνία δια μέσου της ακετυλοχολίνης. Ο κυριάρχος τύπος νικοτινικών υποδοχέων στον εγκέφαλο των θηλαστικών με υψηλή συγγένεια για νικοτίνη, αποτελείται από α4 και β2 υπομονάδες. Ο συγκεκριμένος τύπος υποδοχέων, είναι υπεύθυνος για την εξάρτηση στην νικοτίνη και θεωρείται ότι εμπλέκεται στις ασθένειες Alzheimer και Parkinson. Για το λόγο αυτό οι συγκεκριμένοι δίαυλοι, αποτελούν έναν σημαντικό στόχο σχεδιασμού και ανάπτυξης φαρμάκων.
Στην προσπάθειά μας να αποκτήσουμε υδρόφιλες περιοχές του ανθρώπινου υποδοχέα α4β2 για δομικές μελέτες ικανές να προσδένουν αγωνιστές, εκφράσαμε τα εξωκυττάρια τμήματα των συγκεκριμένων υπομονάδων στο ευκαρυωτικό σύστημα έκφρασης ζύμης Pichia pastoris. Στα αγρίου τύπου εξωκυττάρια τμήματα αλλά και στις μεταλλαγμένες μορφές τους, στις οποίες έχει αντικατασταθεί η κυστινική θηλιά με την περισσότερο υδρόφιλη αντίστοιχη περιοχή της πρωτεΐνης η οποία δεσμεύει ακετυλοχολίνη, δεν παρατηρήθηκε καμία ειδική αλληλεπίδραση με γνωστούς προσδέτες.
Κρίθηκε λοιπόν αναγκαίο να εκφράσουμε τα εξωκυττάρια τμήματα διασυνδεόμενα με ένα ολιγοπεπτίδιο 24 αμινοξικών καταλοίπων (AGS)8, ως ένα μόριο. Παρατηρήθηκε λοιπόν ότι το συγκαταμερές β2-24-α4-mECD αλλά όχι το α4-24-β2-mECD είναι αρκετά υδατοδιαλυτό μόριο με πολύ καλές ιδιότητες πρόσδεσης αγωνιστών. Η ιωδινιωμένη επιβατιδίνη (125Ι-επιβατιδίνη) και η τριτιωμένη νικοτίνη ([3Η]-νικοτίνη) δεσμεύονται στο συγκαταμερές β2-24-α4-mECD με σταθερές διάσπασης (Kd) 0,38 και 19 nM αντίστοιχα, τιμές οι οποίες προσεγγίζουν τις αντίστοιχες γνωστές από τη βιβλιογραφία, που προσδίδονται σε ολόκληρο τον ανθρώπινο υποδοχέα α4β2. Επιπλέον, το πόσο ειδική είναι η δέσμευση της 125Ι-επιβατιδίνης φαίνεται και από το γεγονός ότι παρεμποδίζεται συναγωνιστικά από τους αγωνιστές νικοτίνη, κυτισίνη, ακετυλοχολίνη και καρβαμυλοχολίνη με τιμές σταθεράς αναστολής (Κi) ίσες με 20,64, 3,24, 242 και 2254 nM αντίστοιχα.
Επιπλέον, επιχειρήθηκε η δημιουργία πενταμερών εξωκυττάριων τμημάτων των ανθρώπινων υπομονάδων α4 και β2. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε συνέκφραση καθενός από τα δύο συγκαταμερή (α4-24-β2-mECD και β2-24-α4-mECD), τα οποία φέρουν χαρακτηριστική αλληλουχία έξι ιστιδινών (6xHis), με κάθε εξωκυττάριο τμήμα των μεταλλαγμένων υπομονάδων α4 ή β2 τα οποία φέρουν την χαρακτηριστική αλληλουχία του οκταπεπτιδίου FLAG. Στις περιπτώσεις της συνέκφρασης του συγκαταμερούς α4-24-β2-mECD με καθένα από τα εξωκυτταρικά και μεταλλαγμένα τμήματα των υπομονάδων α4 ή β2 (α4-mECD ή β2-mECD) δεν παρατηρήθηκε δέσμευση με 125Ι-επιβατιδίνη και συνεπώς δεν προχωρήσαμε σε περαιτέρω χαρακτηρισμό. Μόνο στην περίπτωση της συνέκφρασης του συγκαταμερούς β2-24-α4-mECD με το β2-mECD παρατηρήθηκε πρόσδεση με 125Ι-επιβατιδίνη. Επίσης, οι μελέτες δυναμικής σκέδασης φωτός εμφάνισαν μία εκτεταμένη ετερογένεια μεγέθους των τελικών προϊόντων όπως απομονώνονται μέσω της χρωματογραφίας μοριακής διήθησης, αποκλείοντας, τουλάχιστον σε αυτό το σημείο οποιαδήποτε προσπάθεια δομικής μελέτης για τα συγκεκριμένα μόρια.
Κατασκευάστηκαν επίσης δύο συγκαταμερή τριμερών (β2-24-β2-24-α4-mECD και β2-24-α4-24-β2-mECD). Δυστυχώς, η ανάλυση μέσω SDS-PAGE και η αποτύπωση κατά Western αποκάλυψε την ύπαρξη ενός μείγματος, το οποίο αποτελείται από ολόκληρα τα μόρια (τριμερή) αλλά και από πολυπεπτίδια στα οποία απουσιάζουν ένα ή και δύο από τα μονομερή εξωκυττάρια τμήματα (διμερή και μονομερή αντίστοιχα). Το συγκεκριμένο αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι το σύστημα ετερόλογης έκφρασης το οποίο χρησιμοποιούμε (P. pastoris) αν και είναι κατάλληλο για την έκφραση των λειτουργικών διμερών συγκαταμερών (β2-24-α4-mECD), είναι μάλλον ακατάλληλο για την έκφραση πιο περίπλοκων κατασκευών, πιθανότατα εξαιτίας γεγονότων ομόλογου ανασυνδιασμού των πλασμιδίων πριν ή κατά την ενσωμάτωσής τους στο γονιδίωμα της ζύμης.
Ακόμα, ενδιαφέρον είναι το γεγονός ότι το απογλυκοζυλιωμένο συγκαταμερές β2-24-α4-mECD εμφανίζει τις ίδιες ιδιότητες πρόσδεσης αγωνιστών. Επιπροσθέτως, το απογλυκοζυλιωμένο συγκαταμερές β2-24-α4-mECD απομονονέται ως μονομερές, γεγονός το οποίο, σε συνδιασμό με την προηγούμενη παρατήρηση, καθιστά την συγκεκριμένη πρωτεΐνη κατάλληλη να χρησιμοποιηθεί σε δομικές μελέτες και πιθανόν για την φαρμακολογική εκτίμηση καινούργιων και ειδικών αγωνιστών για υποδοχείς α4β2. / Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are ligand-gated cation channels responsible for cell communication via the neurotransmitter acetylcholine. The predominant nAChR subtype in the mammalian brain with a high affinity for nicotine is composed of α4 and β2 subunits. This nAChR subtype is responsible for addiction to nicotine and is thought to be implicated in Alzheimer and Parkinson diseases and therefore presents an important target for drug design. In an effort to obtain water-soluble, ligand-binding domains of the human α4β2 nAChR appropriate for structural studies, we expressed the extracellular domains (ECDs) of these subunits in the eukaryotic expression system Pichia pastoris. The wild-type ECDs and their mutants containing the more hydrophilic Cys-loop from the snail acetylcholine-binding protein (individually expressed or coexpressed) did not demonstrate any specific interaction with ligands. We then linked the mutated ECDs with the 24 amino acid peptide (AGS)8 and observed that the β2-24-α4-mECD concatamer, but not the α4-24-β2-mECD one, exhibited very satisfactory water solubility and ligand binding properties. The 125I-epibatidine and [3H]nicotine bound to β2-24-α4-mECD with dissociation constants (Kd) of 0.38 and 19 nM, respectively, close to the published values for the intact α4β2 nAChR. In addition, 125I-epibatidine binding was blocked by nicotine, cytisine, acetylcholine, and carbamylcholine with inhibition constants (Ki) of 20.64, 3.24, 242, and 2,254 nM, respectively.
In addition, we attempted to create pentameric domains of the extracellular human subunits α4 and β2. Initially, we accomplished the coexpression of the particular concatamers, α4-24-β2-mECD and β2-24-α4-mECD, bearing the six histidine tag (6xHis), with each of the mutated extracellular domains of the subunits α4 and β2 (α4-mECD and β2-mECD), bearing the characteristic octapeptide FLAG tag. The coexpression of the concatamer α4-24-β2-mECD with each of α4 or β2-mECD did not lead to binding to 125I - epivatidine and therefore we did not proceed to any further characterization. Only in the case of the coexpression of the concatamer β2-24-α4-mECD with the β2-mECD we observed binding to 125I - epivatidine. Aditionally, the dynamic light scattering studies demonstrated a widespread size heterogeneity of the final product as isolated by gel filtration chromatography, blocking, at least at this point, any further attempt for structural studies of the specific molecules.
We then constructed two trimeric concatamers (β2-24-β2-24-α4-mECD and β2-24-α4-24-β2-mECD) . Unfortunately, the analysis by SDS-PAGE and Western blot revealed the presence of a mixture which consists of entire molecules ( trimers ), but also from polypeptides which are missing one or two of the monomer extracellular domains (dimers and monomers, respectively). This result indicates that the heterologous expression system which is used (P. pastoris), is suitable for the expression of functional bilateral concatamers (β2-24-α4-mECD), but is rather unsuitable for the expression of more complex structures, probably due to events of homologous recombination of the plasmids before or during integration into the yeast genome .
Interestingly, deglycosylation of the concatamer did not affect its ligand binding properties. Furthermore, the deglycosylated β2-24-α4 ECD existed mainly in monomeric form, thus forming an appropriate material for structural studies and possibly for pharmacological evaluation of novel α4β2 nAChR-specific agonists.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/7821 |
| Date | 18 June 2014 |
| Creators | Στεργίου, Χρήστος |
| Contributors | Τζάρτος, Σωκράτης, Stergiou, Christos, Τζάρτος, Σωκράτης, Σπυρούλιας, Γεώργιος, Πουλάς, Κωνσταντίνος, Παπαπετρόπουλος, Ανδρέας, Παπαδημητρίου, Ευαγγελία, Σιβολαπένκο, Γρηγόρης, Πατρινός, Γεώργιος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
| Relation | Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.009 seconds