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Molecular Identification of Antigen Recognition Structures in Immune Complexes for Immunotherapeutic Applications by Proteolytic and Mass Spectrometric Methods

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2007

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Stefanescu, Raluca

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Molekularidentifizierung von Erkennungstrukturen der Antigene in Immunkomplexe für Immunotherapeutische Anwendungen mittels Proteolytische und Massenspectrometrische Methoden
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

Recent advances in immunology and molecular biology have lead to the development of therapeutic vaccines which are of potential use in chronic diseases such as cancer, cardiovascular disorders and neurodegenerative diseases, where efficacies of available therapies are poor. Future advances in vaccine development will rely substantially on a more complete understanding of the structural basis of immune response. Mass spectrometry has emerged as a widespread technique for the study of protein structure, function and interaction with other biomolecules. To obtain information on complex protein mixtures and to dissect the structure of the molecular recognition domains diverse applications have been developed in conjunction with mass spectrometry. These methods include chromatographic and electrophoretic separations, proteolytic assays, differential chemical modification of specific amino acid functions and bioinformatic tools for data analysis.
One of the hallmarks of Alzheimer´s Disease is the accumulation in the human brain of extracellular plaques containing aggregates of the neurotoxic ß-amyloid peptide. The immunotherapeutical approaches capable of triggering the clearance of amyloid plaques and preventing Aß aggregation have gained increasing interest in recent years. The first two parts of the thesis are focused on the development and application of mass spectrometric and immuno-analytical methods to the identification of epitopes on Aß recognized by anti-Aß antibodies.
The first part of the thesis was focused on the detailed characterization of the ß-amyloid (4-10) FRHDSGY interaction with cognate antibodies. The sequence has been previously identified as a structural epitope for two antibodies, a polyclonal anti-Aß(1-42) and a monoclonal anti-Aß(1-17) antibody. In order to determine the functional significance of these residues to the antibodies, site-directed mutagenesis was performed using synthetic ß-amyloid (4-10) mutants as model substrate peptides. Selective identification of the affinity preserving mutant peptides was achieved by comparative ELISA binding studies. While the interaction to the polyclonal antibody was preserved in the D7A, S8A, G8A and Y10A mutants indicating F4, R5 and H6 as essential residues, for the monoclonal antibody all amino acid residues were essential for binding.
The second and major part of the thesis was focused on the identification of the epitope recognized by anti-Aß-autoantibodies naturally occurring in human blood. The antibodies were isolated by affinity chromatography from human immunoglobulin preparations, and serum samples of Alzheimer´s disease patients. An affinity column for antibody isolation was prepared by immobilising Cys-Aß(1-40) on a iodoacetyl-support. For mass spectrometric epitope identification, an affinity column was prepared using the purified antibodies. In epitope excision, selective proteolytic cleavage of the intact Aß affinity- bound to the immobilised antibody was performed using trypsin or endoproteinase V8, followed by MALDI-TOF mass spectrometric analysis of the epitope- and non-epitope fractions, and provided direct information that the epitope is located within the sequence Aß(12-40). A consistent result was obtained by epitope extraction-mass spectrometry. The use of pronase provided the identification of Aß(21-37) as the minimal epitope structure for recognition. Comparative binding studies of human Aß-antibodies with Aß(1-16), Aß(1-40), Aß(12-40) and Aß(17-28), each synthesized with a pentaglycine spacer and biotin at the N-terminal end, were performed by indirect ELISA. The results showed that Aß(1-16) and Aß(17-28) do not interact with the antibodies while Aß(12-40) and Aß(1-40) reacted with the autoantibodies in a concentration-dependent manner. Similar results were obtained by analyzing samples of anti-Aß autoantibodies isolated from AD patients.
A further part of the dissertation was focused on the serine protease HtrA1 which has been implicated in amyloid precursor protein processing. Astrocytes produce significant levels of HtrA1 and Aß and application of an HtrA1 inhibitor leads to the accumulation of Aß in cell culture supernatants. Proteolytic digestion by HtrA1 was analysed for APP(672-770) in comparison to APP(672-711), APP(672-713), APP(724-770) and APP(661-687), and digestion products were identified directly by high-resolution MALDI-FT-ICR. Digestion of APP(672-770) was established to occur after residues Val-683, Gln-686, Asn-755, and Asp-672 providing degradation products of approximately equal sequence lengths.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Jüngste Fortschritte in der Immunologie und der Molekularbiologie haben zur Entwicklung therapeutischer Impfstoffe geführt, die möglicherweise bei chronischen Krankheiten wie Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und neurodegenerativen Krankheiten eingesetzt werden können, wo andere Therapien bisher kaum wirksam sind. Dabei werden künftige Fortschritte in der Impfstoff-Entwicklung wesentlich von einem besseren Verständnis der strukturellen Basis von Immunreaktionen abhängen. Die Massenspektrometrie hat sich in den letzten Jahren zu einer weit verbreiteten Methode zur Untersuchung von Struktur und Funktion von Proteinen sowie deren Wechselwirkung mit anderen Biomolekülen entwickelt. Hauptmerkmale der massenspektrometrischen Proteinanalyse sind hohe Empfindlichkeit und Massengenauigkeit, kurze Analysenzeiten und geringer Substanzbedarf. Zur Analyse komplexer Proteingemische und Strukturaufklärung molekularer Erkennungsdomänen wurden zahlreiche Methoden in Kombination mit der Massenspektrometrie entwickelt. Hierzu gehören chromatographische und elektrophoretische Trennmethoden, proteolytische Assays, spezifische chemische Modifizierung von Aminosäuren, Probenvorbereitungs- und Bioinformatik- Verfahren zur Datenanalyse.
Ein Hauptmerkmal der Alzheimerschen Krankheit ist die Akkumulierung extrazellulärer Plaques, die Aggregate des neurotoxischen ß-Amyloid- Peptids enthalten, im menschlichen Gehirn. Immuntherapeutische Verfahren zur Disaggregation der Plaques und/oder Inhibierung der Aß-Aggregation haben in den letzten Jahren zunehmendes Interesse gefunden. Die Hauptzielsetzungen der ersten beiden Teile der vorliegenden Dissertation lagen in der Entwicklung und Anwendung massenspektrometrischer und immunanalytischer Methoden zur Identifizierung der Epitope des Aß-Polypeptids, die von anti-Aß- Antikörpern erkannt werden.
Im ersten Abschnitt der Dissertation wurde die Wechselwirkung eines N-terminalen Aß-(4-10)-Peptidepitops (FRHDSGY) mit mono- und polyklonalen Antikörpern untersucht, das in früheren Arbeiten als strukturelles Epitop zweier Antikörper identifiziert worden war (polyklonaler anti-Aß(1-42)- und monoklonaler anti-Aß(1-17)- Antikörper). Zur Charakterisierung der funktionelle Bedeutung der einzelnen Aminosäuren wrden spezifische Mutagenese mit synthetischen Aß-(4-10) Mutanten durchgeführt. Die Affinitätsbestimmung der Aß-Peptidmutanten erfolgte durch vergleichende ELISA- Bindungsstudien. Bei der Wechselwirkung des polyklonalen Antikörpers mit den Peptid-Mutanten D7A, S8A, G8A und Y10A wurden die Aminosäuren F4, R5 und H6 als essentiell identifiziert, während im Fall des monoklonalen Antikörpers alle Aminosäuren essentiell für die Bindung waren.
Der Hauptteil der Dissertation konzentrierte sich auf die Identifizierung des Epitops, das durch natürlich vorkommende humane Aß-Autoantikörper erkannt wird. Die Aß-Antikörper wurden durch Affinitätschromatographie aus kommerziell erhältlichen humanem Immunglobulin sowie Serum von Alzheimerpatienten isoliert. Als Affinitätsmatrix für die Antikörperisolierung wurde eine Mikrosäule durch Immobilisierung von Cys-Aß(1-40) an eine Iodacetylmatrix hergestellt. Zur massenspektrometrischen Epitopidentifizierung wurde eine Affinitätssäule aus den gereinigten Antikörpern hergestellt. Durch selektive proteolytische Spaltung von intaktem, affinitätsgebundenem Aß mit Trypsin und Endoprotease-V8 und nachfolgender massenspektrometrischer Analyse der Epitop- und Überstands-Fraktionen wurde nachgewiesen, daß das Epitop innerhalb der Sequenz Aß(12-40) lokalisiert ist. Das durch Epitop-Exzision erhaltene Ergebnis wurde durch Epitop-Extraktion bestätigt. Die Anwendung der Protease Pronase ergab die Identifizierung von Aß(21-37) als minimale Epitopsequenz. Vergleichende Bindungsstudien von humanen anti-Aß Antikörpern mit Aß(1-16), Aß(1-40), Aß(12-40) und Aß(17-28), jeweils mit einem Spacer aus fünf Glycinresten sowie Biotin am N-terminalen Sequenzende, wurden durch ELISA durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, daß Aß(1-16) und Aß(17-28) nicht an die Antikörpern binden, während Aß(12-40) und Aß(1-40) konzentrationsabhängige Affinität aufweisen. Analoge Ergebnisse und identische Epitoperkennung wurden für anti-Aß-Autoantikörper von Alzheimerpatienten nachgewiesen.
Ein weiterer Abschnitt der Doktorarbeit befaßte sich mit dem Effekt der Serinprotease HtrA1 auf die Prozessierung des Amyloid- Vorläuferproteins. Astrozyten produzieren bedeutende Mengen an HtrA1 und Aß, und die Zugabe eines HtrA1-Inhibitors führt zu einer Akkumulierung von Aß in Zellkulturen. Zur Untersuchung der proteolytischen Spezifität der HtrA1- Der proteolytische Abbau durch HtrA1 wurde für APP(672-770) im Vergleich zu APP(672-711), APP(672-713), APP(724-770) und APP(661-687) analysiert und die Abbauprodukte durch hochauflösende MALDI-FT-ICR-MS identifiziert.

Fachgebiet (DDC)
540 Chemie

Schlagwörter

Proteolytische Spaltung, Alzheimers Disease, amyloid-beta peptide, epitope, autoantibody, mass spectrometry, affinity chromatography, immunoassay, proteolytic cleavage

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ISO 690STEFANESCU, Raluca, 2007. Molecular Identification of Antigen Recognition Structures in Immune Complexes for Immunotherapeutic Applications by Proteolytic and Mass Spectrometric Methods [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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December 13, 2007
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