Characterization of anti -sulfatide autoantibodies in demyelinating diseases

Multiple sclerosis (MS) is the most common autoimmune disease of the central nerve system and Guillain Barré Syndrome (GBS) is an inflammatory neuropathy involving the peripheral nerves. Anti-myelin immunoglobins may play a role in the demyelination processes of the both diseases. Sulfatide is an abundant glycolipid on myelin and is a candidate target antigen for disease related autoantibodies. The objective of this study was to characterize anti-sulfatide antibodies and compare antibodies from GBS and MS patients with fetal antibodies. Our hypothesis is that some B cells producing disease-associated autoantibodies are derived from or related to B cells of the fetal repertoire. Here we report that reactivity of plasma IgM against sulfatide was elevated in twelve MS patients compared with twelve normal subjects. This result implies that anti-sulfatide antibodies are disease-related. A total of sixteen human B lymphocyte clones producing anti-sulfatide autoantibodies were isolated from MS patients, GBS patients and a human fetus. Seven of the clones were from three MS patients, four of the clones were from three GBS patients and five were from the spleen of a twenty-week human fetus. Sequences have been obtained for the heavy and light chain variable regions (VDJ and VJ regions) of all of the anti-sulfatide immunoglobulins. Seven of the sixteen antibodies used VH3 for the variable region gene of the heavy chain consistent with the rate of VH3 usage in randomly selected B cells. Somatic mutations were significantly more frequent in the patient antibodies than in the fetus and somatic mutations in CDR's (Complementarity Determining Region) were significantly more frequent than in framework regions. No significant difference was found between patients and fetus in length of VH CDRIII. However, it is reported that antibodies from randomly selected normal adult B cells have longer CDRIII lengths than those of the fetus (Sanz I, 1991 Journal of Immunology Sep 1;147(5):1720-9). Our results are consistent with derivation of the precursors of B cells producing these autoantibodies from B cells related to those of the fetal repertoire. These findings are consistent with a model in which quiescent B cells from clones produced early in development undergo proliferation in dysregulated disease states, accumulating somatic mutations and increasing in reactivity toward self-antigens. ^ Epitope mapping and molecular modeling were done to elucidate the relationships between antibody structure and binding characteristics. The autoantibodies were tested for binding activity to three different antigens: sulfatide, galactoceramide and ceramide. Molecular modeling suggests that antibodies with positive charge surrounded by or adjacent to hydrophobic groups in the binding pocket bind to the head of sulfatide via the sulfate group through electrostatic interactions. However, the antibodies with hydrophobic groups separated from positive charges appear to bind to the hydrophobic tail of sulfatide. This observation was supported by a study of the effect of NaCl concentration on antigen binding. The result suggested that electrostatic interactions played a major role in sulfate group binding and that hydrophobic interactions were of greater importance for binding to the ceramide group. Our three-dimensional structure data indicated that epitope specificity of these antibodies is more predictable at the level of tertiary than primary structure and suggested positive selection based on structure occurred in the. formation of those autoantibodies. ^

Étude d'un variant de la toxine STb produite par Escherichia coli

Les E. coli entérotoxinogènes (ETEC) sont souvent la cause de diarrhée post-sevrage chez le porc. Deux types d’entérotoxines sont retrouvées chez les ETEC, soit les thermolabiles, comme la toxine LT, et les thermostables, comme EAST-1, STa et STb. Cette dernière est composée de 48 acides aminés et est impliquée dans la pathologie causée par les ETEC. Pour la première fois un variant de la toxine STb fut découvert dans une étude. Nous avons alors émis l’hypothèse qu’il y a présence de variants dans la population de souches ETEC du Québec. Dans les 100 souches STb+ analysées, 23 possédaient le gène de la toxine avec une variation dans la séquence génétique : l’asparagine était présente en position 12 remplaçant ainsi l’histidine. Une corrélation entre la présence du variant et la présence de facteurs de virulence retrouvés dans ces 100 souches ETEC étudiées a été effectuée. Ce variant semble fortement associé à la toxine STa puisque toutes les souches variantes ont hybridé avec le gène codant pour cette dernière. Étant donné sa présence répandue dans la population de souches ETEC du Québec, nous avons de plus émis l’hypothèse que ce variant a des caractéristiques biologiques altérées par rapport à la toxine sauvage. L’analyse par dichroïsme circulaire a montré que le variant et la toxine sauvage ont une structure secondaire ainsi qu’une stabilité similaires. Par la suite, l’attachement au récepteur de la toxine, le sulfatide, a été étudié par résonnance plasmonique de surface (biacore). Le variant a une affinité au sulfatide légèrement réduite comparativement à la toxine sauvage. Puisque l’internalisation de la toxine fut observée dans une étude précédente et qu’elle semble liée à la toxicité, nous avons comparé l’internalisation du variant et de la toxine sauvage à l’intérieur des cellules IPEC-J2. L’internalisation du variant dans les cellules est légèrement supérieure à l’internalisation de la toxine sauvage. Ces résultats suggèrent que le variant est biochimiquement et structurellement comparable à la toxine sauvage.

Étude des voies d’internalisation de l’entérotoxine STb d’Escherichia coli dans des lignées cellulaires

L’entérotoxine stable à la chaleur STb est produite par les Escherichia coli entérotoxinogènes (ETEC). Son rôle dans la diarrhée post-sevrage porcine est établi. L’internalisation de STb a été observée dans des cellules épithéliales intestinales humaines et de rat. Cependant, le mécanisme d’internalisation n’est pas totalement compris, particulièrement dans le jéjunum porcin, la cible in vivo de STb. Par la cytométrie en flux, nous avons examiné l’internalisation de STb couplée à un marqueur fluorescent dans les cellules épithéliales intestinales porcines IPEC-J2 et les fibroblastes murins NIH3T3. Nos résultats révèlent que l’internalisation de STb est températureindépendante dans les IPEC-J2 tandis qu’elle est température-dépendante dans les NIH3T3, où la réorganisation de l’actine est aussi nécessaire. Toutefois, les niveaux de sulfatide, le récepteur de STb, sont semblables à la surface des deux lignées. Le sulfatide est internalisé à 37°C de façon similaire entre les deux types cellulaires. La rupture des lipid rafts, les microdomaines membranaires contenant le sulfatide, par la méthyl-βcyclodextrine ou la génistéine, n’affecte pas l’internalisation de STb dans les deux lignées. Notre étude indique que le mécanisme d’internalisation de STb est dépendant du type cellulaire. L’activité de la cellule hôte peut être requise ou non. Le récepteur de STb, le sulfatide, n’est pas directement impliqué dans ces mécanismes. L’internalisation activité cellulaire-dépendante suggère une endocytose, nécessitant la réorganisation de l’actine mais pas les lipid rafts. L’internalisation de STb est donc un processus complexe dépendant du type cellulaire, qu’il apparait plus relevant d’étudier dans des modèles cellulaires représentatifs des conditions in vivo.

Caractérisation de l'activité biologique de l'entérotoxine STb d'Escherichia coli à l'aide de membranes lipidiques artificielles et de cellules en culture

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

L’entérotoxine STb d’Escherichia coli affecte les jonctions serrées des cellules intestinales épithéliales

La toxine thermostable d’E.coli (STb) est une cause de diarrhée chez l’homme et l’animal. STb se lie au sulfatide, son récepteur, puis s’internalise. Dans le cytoplasme, par une cascade d’événements, STb déclenche l’ouverture des canaux ioniques permettant la sécrétion des ions et la perte d’eau menant à la diarrhée. Les jonctions serrées forment une barrière physique intercellulaire dans les cellules épithéliales intestinales, contrôlant ainsi le flux paracellulaire des ions et de l’eau. Les jonctions serrées sont affectées par divers pathogènes et par leurs toxines. À ce jour, l’effet de STb sur les jonctions serrées n’a pas été étudié. L’étude entreprise visait à explorer l’effet de STb sur les jonctions serrées et la barrière épithéliale des cellules intestinales. Des cellules épithéliales intestinales du colon humain (T84) ont été traitées pendant 24h soit avec la toxine STb purifiée soit avec une souche d’E.coli exprimant STb. La résistance transépithéliale (TER), le flux de marqueurs paracellulaires et la microscopie confocale ont été utilisés pour analyser les effets de STb sur les jonctions serrées. Les monocouches traitées par la souche E.coli exprimant STb et la toxine STb purifiée ont manifesté une forte réduction de TER (p<0.0001) parallèlement à une augmentation significative de la perméabilité paracellulaire à l’Albumine de Sérum Bovin marqué avec l’IsoThioCyanate Fluoroscéine, BSA-FITC (p<0.0001) comparativement aux cellules non traitées et aux cellules traitées par une souche d’E.coli commensale non-toxinogène. L’augmentation de la perméabilité paracellulaire induite par STb a été associée à une dissolution générale et une condensation des fibres de stress centrales des filaments d’actine. Le réarrangement des filaments d’actine a été accompagné par une redistribution et une fragmentation des protéines des jonctions serrées dont l’occludine, la claudine-1 et la Zonula Occludens-1. Les mêmes modifications on été observées après l’intoxication des cellules T84 avec un octapeptide synthétique retrouvé dans la séquence de STb correspondant à une séquence consensus de la toxine ZOT de Vibrio cholerae, impliquée dans la réorganisation des jonctions serrées. Cet effet n’a pas été observé lorsque les cellules ont été traitées avec un octapeptide synthétique comportant les mêmes acides aminés mais distribués de façon aléatoire ou avec la toxine mutée (D30V). Nos résultats montrent pour la première fois que STb induit le dysfonctionnement de la barrière épithéliale intestinale en modifiant la distribution des protéines des jonctions serrées. Ces résultats ouvrent une nouvelle voie pour la compréhension de la pathogenèse de diarrhée causée par la toxine STb.

Warfarin-induced vitamin K deficiency is associated with cognitive and behavioral perturbations, and alterations in brain sphingolipids in rats

La Vitamine K (VK) est largement reconnue pour son rôle dans la coagulation sanguine toutefois, de plus en plus de travaux indiquent son implication dans la fonction cérébrale. La VK est requise pour l'activation de différentes protéines, par exemple la protéine Gas6, et la ménaquinone-4 (MK-4), le principal vitamère K dans le cerveau, est impliquée dans le métabolisme des sphingolipides. Dans un rapport précédent, nous avons montré qu'un régime alimentaire faible en VK tout au long de la vie était associé à des déficits cognitifs chez des rats âgés. La warfarine sodique est un puissant antagoniste de la VK qui agit en bloquant le cycle de la VK, provoquant un «déficit relatif de VK » au niveau cellulaire. À la lumière du rôle émergent de la VK dans le cerveau, la warfarine pourrait représenter un facteur de risque pour la fonction cérébrale. Ce travail est donc pertinente en raison de la forte proportion d'adultes traîtés à la warfarine sodique. Dans la présente étude, 14 rats mâles Wistar ont été traités avec 14 mg de warfarine/kg /jour (dans l'eau potable) et des injections sous-cutanées de VK (85 mg/kg), 3x/sem, pendant 10 semaines. Quatorze rats témoins ont été traités avec de l'eau normale et injectés avec une solution saline. Les rats ont été soumis à différents tests comportementaux après quoi les niveaux de phylloquinone, MK-4, sphingolipides (cérébroside, sulfatide, sphingomyéline, céramide et gangliosides), et les sous-types de gangliosides (GT1b, GD1a, GM1, GD1b), ont été évalués dans différentes régions du cerveau. Comparativement aux rats du groupe contrôle, les rats traités à la warfarine présentaient des latences plus longues au test de la piscine de Morris (p <0,05) ainsi qu'une hypoactivité et un comportement exploratoire plus faible au test de « l’open field » (p <0,05). Le traitement par warfarine a également entraîné une diminution spectaculaire du niveau de MK-4 dans toutes les régions du cerveau (p <0,001), une altération des concentrations de sphingolipidiques, en particulier dans le cortex frontal et le mésencéphale (p <0,05), et une perte de différences régionales sphingolipidiques, notamment pour les gangliosides. Le traitement par warfarine a été associé à un niveau inférieur de GD1a dans l'hippocampe et un niveau supérieur de GT1b dans le cortex préfrontal et le striatum. En conclusion, la déficience en VK induite par warfarine altère les niveaux de VK et sphingolipides dans le cerveau, avec de potentiels effets néfastes sur les fonctions cérébrales.

Interaction of Fibroblast Growth Factor-2 (FGF-2) with Free Gangliosides: Biochemical Characterization and Biological Consequences in Endothelial Cell Cultures

Exogenous gangliosides affect the angiogenic activity of fibroblast growth factor-2 (FGF-2), but their mechanism of action has not been elucidated. Here, a possible direct interaction of sialo-glycolipids with FGF-2 has been investigated. Size exclusion chromatography demonstrates that native, but not heat-denatured, 125I-FGF-2 binds to micelles formed by gangliosides GT1b, GD1b, or GM1. Also, gangliosides protect native FGF-2 from trypsin digestion at micromolar concentrations, the order of relative potency being GT1b > GD1b > GM1 = GM2 = sulfatide > GM3 = galactosyl-ceramide, whereas asialo-GM1, neuraminic acid, and N-acetylneuramin-lactose were ineffective. Scatchard plot analysis of the binding data of fluorochrome-labeled GM1 to immobilized FGF-2 indicates that FGF–2/GM1 interaction occurs with a Kd equal to 6 μM. This interaction is inhibited by the sialic acid-binding peptide mastoparan and by the synthetic fragments FGF-2(112–129) and, to a lesser extent, FGF-2(130–155), whereas peptides FGF-2(10–33), FGF-2(39–59), FGF-2(86–96), and the basic peptide HIV-1 Tat(41–60) were ineffective. These data identify the COOH terminus of FGF-2 as a putative ganglioside-binding region. Exogenous gangliosides inhibit the binding of 125I-FGF-2 to high-affinity tyrosine-kinase FGF-receptors (FGFRs) of endothelial GM 7373 cells at micromolar concentrations. The order of relative potency was GT1b > GD1b > GM1 > sulfatide a = sialo-GM1. Accordingly, GT1b,GD1b, GM1, and GM2, but not GM3 and asialo-GM1, prevent the binding of 125I-FGF-2 to a soluble, recombinant form of extracellular FGFR-1. Conversely, the soluble receptor and free heparin inhibit the interaction of fluorochrome-labeled GM1 to immobilized FGF-2. In agreement with their FGFR antagonist activity, free gangliosides inhibit the mitogenic activity exerted by FGF-2 on endothelial cells in the same range of concentrations. Also in this case, GT1b was the most effective among the gangliosides tested while asialo-GM1, neuraminic acid, N-acetylneuramin-lactose, galactosyl-ceramide, and sulfatide were ineffective. In conclusion, the data demonstrate the capacity of exogenous gangliosides to interact with FGF-2. This interaction involves the COOH terminus of the FGF-2 molecule and depends on the structure of the oligosaccharide chain and on the presence of sialic acid residue(s) in the ganglioside molecule. Exogenous gangliosides act as FGF-2 antagonists when added to endothelial cell cultures. Since gangliosides are extensively shed by tumor cells and reach elevated levels in the serum of tumor-bearing patients, our data suggest that exogenous gangliosides may affect endothelial cell function by a direct interaction with FGF-2, thus modulating tumor neovascularization.