STRUCTURAL AND FUNCTIONAL ANALYSIS OF COMPLEMENT FACTOR H: A CRUCIAL PROTEIN IN SEVERAL DISORDERS

Complement Factor H (FH) is a major regulator of the Alternative Pathway of Complement: it protects host cells from complement attack and qualitative and quantitative deficiencies of FH due to mutations in the CFH gene are frequently associated with a number of human diseases, such as membranoproliferative glomerulonephritis (MPGN), atypical haemolytic uraemic syndrome (aHUS) and age-related macular degeneration (AMD). A genetic characterisation is available for all these diseases, whereas functional data on protein levels are often missing. Furthermore, FH plays a significant role in infectious diseases, as many pathogens are able to recruit FH on their surface, thus protecting themselves from complement attack. Whereas interaction of FH with certain pathogens has been well described, for others the direct “interactors” still remain unknown. However, the study of FH is complicated by the presence of FH-related proteins (FHRs) that share a high degree of similarity rendering its purification and direct analysis challenging. The first focus of this project was the development of quantitative and functional FH-specific assays, using a monoclonal antibody (MAb 5H5) produced in our laboratory, which has been shown to be specific for FH. The second aim was the production of the whole recombinant FH and of three fragments, containing different parts of the protein, in both a eukaryotic and a prokaryotic expression system. MAb 5H5 was produced in high amounts using a mini-fermentator and used to purify FH by affinity chromatography. Purity and functional activity of this affinitypurified FH were assessed and compared with FH obtained by other purification methods (eg. Heparin affinity, HPLC, HIC). An home made ELISA for the correct quantification of FH from biological fluids, making use of 5H5 together with a polyclonal anti-FH antibody, also produced in our lab, and affinity purified FH was also developed. This reliable quantification assay was used to screen samples from aHUS and AMD patients. Moreover, two micro-methods to purify FH were also developed. These methods enable to purify a good quantity of highly purified FH from a small amount of sample and are therefore a useful tool to study FH especially in those pathologies, such as aHUS, which mainly affect children. Finally, two functional assays to assess both the N-terminal cofactorial activity and C-terminal protective activity of FH have been set up. FH is a big soluble glycoprotein that bears different functions in different parts of the molecule. Therefore different tests are needed to assess full functionality of FH. The first test, the “cofactor assay”, based on the fact that FH possesses cofactor activity for the FI-mediated cleavage of C3b, is now fully implemented and has already been used to screen different samples. The second one, the “haemolysys test” is based on the fact that FH is able to protect sheep erythrocytes from haemolysis mediated by complement. In this test FH purified from patients will be used together with a control FH-depleted serum, in order to set up an assay where the only variable is FH. This test has already been set up with a control serum in order to test all the conditions, and is now in its fine tuning phase, after which it will be applicable to patient’s material. The four clones containing the complete FH sequence and partial fragments (SCRs 1-7, SCRs 8-14, SCRs 15-20) have been produced and will be used to express FH in a glycosylated or unglycosylated form. These recombinant proteins will be screened for their ability to interact with proteins from pathogens or to restore the function of a defective FH.

Il Fattore H del complemento (FH) è un importante regolatore della via alternativa del complemento: protegge infatti le cellule dell’ospite dall’attacco del sistema del complemento e carenze di FH sia qualitative e quantitative dovute a mutazioni nel gene CFH sono spesso associate ad una serie di malattie umane, come la glomerulonefrite membranoproliferativa (MPGN), la sindrome emolitico-uremica atipica (aHUS) e la degenerazione maculare della retina legata all’età (AMD). Mentre esiste una caratterizzazione genetica per tutte queste malattie, i dati funzionali a livello di proteine sono spesso carenti. Inoltre, il FH gioca un ruolo significativo nelle malattie infettive: molti agenti patogeni sono infatti in grado di reclutare il FH sulla loro superficie sfruttandolo per proteggersi dagli attacchi del complemento. Mentre per alcuni agenti patogeni l'interazione con il FH è stata ben descritta, per gli altri gli "interattori" diretti sono ancora sconosciuti. Tuttavia, lo studio del FH è complicato dalla presenza di proteine FH-related (FHRs) che posseggono un elevato grado di somiglianza con il FH e ne rendono quindi difficile la purificazione e la analisi diretta. Il primo obiettivo di questo progetto è stato lo sviluppo di saggi quantitativi e funzionali FH-specifici, utilizzando un anticorpo monoclonale (Mab 5H5) prodotto nel nostro laboratorio, che si è dimostrato essere specifico per FH. Il secondo era la produzione del FH intero e di tre frammenti, contenenti diverse porzioni della proteina, sia in un sistema di espressione eucariotico che procariotico. L’anticorpo 5H5 è stato prodotto in grandi quantità utilizzando un mini-fermentatore ed è stato utilizzato per purificare il FH mediante cromatografia di affinità. La purezza e l’attività funzionale del FH purificato sono state valutate e confrontate con gli altri metodi di purificazione (ad es. affinità su Eparina, HPLC, HIC). È stato inoltre sviluppato un test ELISA per la corretta quantificazione del FH da fluidi biologici, utilizzando il 5H5 insieme ad un anticorpo policlonale anti-FH, anch’esso prodotto nel nostro laboratorio, e al FH purificato per affinità. Questo test di quantificazione è risultato affidabile ed è stato utilizzato per valutare diversi campioni di pazienti aHUS e AMD. Inoltre, sono stati sviluppati anche due micro-metodi di purificazione del FH. Questi metodi consentono di purificare una buona quantità di FH altamente purificato partendo da una piccola quantità di campione e sono quindi uno strumento utile per studiare il FH specialmente in quelle patologie, quali aHUS, che colpiscono soprattutto i bambini. Infine, sono stati sviluppati due saggi funzionali per valutare sia l'attività cofattoriale N-terminale che l’attività protettiva C-terminale del FH. Il FH è una grossa glicoproteina solubile che possiede funzioni diverse in differenti parti della molecola. Quindi diversi test sono necessari per valutare la completa funzionalità del FH. Il primo test, il "cofactor assay", basato sul fatto che il FH possiede attività cofattoriale per il taglio del C3b mediato dal FI, è completamente funzionante ed è già stato utilizzato per lo screening di diversi campioni. Il secondo, il test di emolisi, si basa sul fatto che il FH è in grado di proteggere gli eritrociti di pecora dalla emolisi mediata dal complemento. In questo test il FH purificato dai pazienti verrà utilizzato insieme ad un siero di controllo depleto di FH, al fine di avere un saggio in cui l'unica variabile sia il FH. Questo test è stato già messo a punto utilizzando un siero di controllo al fine di verificare tutte le condizioni, ed è ora nella fase finale di sviluppo, dopo di che sarà utilizzabile su materiale dei pazienti. I quattro cloni contenenti la sequenza completa del FH e i frammenti parziali (SCRs 1-7, SCRs 8-14, SCRs 15-20) sono stati prodotti e saranno utilizzati per esprimere FH sia in forma glicosilata che non glicosilata. Sarà quindi analizzata la capacità di queste proteine ricombinanti di interagire con le proteine dei patogeni o di ripristinare la funzione di un FH difettoso.