@phdthesis{Godbole2018,
  author    = {Godbole, Amod Anand},
  title     = {A new paradigm in GPCR signaling at the trans-Golgi network of thyroid cells},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-147159},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {Whereas G-protein coupled receptors (GPCRs) have been long believed to signal through cyclic AMP exclusively at cell surface, our group has previously shown that GPCRs not only signal at the cell surface but can also continue doing so once internalized together with their ligands, leading to persistent cAMP production. This phenomenon, which we originally described for the thyroid stimulating hormone receptor (TSHR) in thyroid cells, has been observed also for other GPCRs. However, the intracellular compartment(s) responsible for such persistent signaling and its consequences on downstream effectors were insufficiently characterized. The aim of this study was to follow by live-cell imaging the trafficking of internalized TSHRs and other involved signaling proteins as well as to understand the consequences of signaling by internalized TSHRs on the downstream activation of protein kinase A (PKA). cAMP and PKA activity was measured in real-time in living thyroid cells using FRET-based sensors Epac1-camp and AKAR2 respectively. The results suggest that TSH co-internalizes with its receptor and that the internalized TSH/TSHR complexes traffic retrogradely to the trans-Golgi network (TGN). This study also provides evidence that these internalized TSH/TSHR complexes meet an intracellular pool of Gs proteins in sorting endosomes and in TGN and activate it there, as visualized in real-time using a conformational biosensor nanobody, Nb37. Acute Brefeldin A-induced Golgi collapse hinders the retrograde trafficking of TSH/TSHR complexes, leading to reduced cAMP production and PKA signaling. BFA pretreatment was also able to attenuate CREB phosphorylation suggesting that an intact Golgi/TGN organisation is essential for an efficient cAMP/PKA signaling by internalized TSH/TSHR complexes. Taken together this data provides evidence that internalized TSH/TSHR complexes meet and activate Gs proteins in sorting endosomes and at the TGN, leading to a local activation of PKA and consequently increased CREB activation. These findings suggest unexpected functions for receptor internalization, with major pathophysiological and pharmacological implications.},
  subject      = {G-Protein gekoppelte Rezeptoren},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Wobbe2007,
  author    = {Wobbe, Thomas},
  title     = {Beeinflussung der Signaltransduktion des humanen Parathormon (PTH)-2 Rezeptors mittels Einzel- und Kombinationsmutationen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-27880},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2007},
  abstract  = {Parathormon (PTH) aktiviert am PTH-1 Rezeptor (P1R) mindestens zwei Signalwege: {\"U}ber Guanosintriphosphat-bindende Proteine (Gs) kommt es intrazellul{\"a}r zu einem Anstieg von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) und zu einer Aktivierung der Proteinkinase A (PKA). Gq Protein-vermittelt erfolgt eine Aktivierung der Phospholipase C (PLC) und ein intrazellul{\"a}rer Anstieg des Inositoltriphosphat (IP3). Der verwandte PTH-2 Rezeptor (P2R) wird einerseits durch seinen vermutlich physiologischen Liganden, das tuberoinfundibul{\"a}re Peptid (TIP39), und andererseits durch PTH aktiviert. Im Gegensatz zum P1R zeigt der P2R nur eine Ankopplung an den cAMP Signalweg und keine an den PLC Signalweg. Voruntersuchungen hatten gezeigt, dass intrazellul{\"a}re Abschnitte der zweiten und dritten Schleife sowie Bereiche des C-Terminus des P1R f{\"u}r die Aktivierung des PLC Signalweges verantwortlich sind. In der vorliegenden Dissertation erfolgte eine stufenweise Angleichung intrazellul{\"a}rer Abschnitte des P2R an den P1R. Die generierten Hybridrezeptoren wurden hinsichtlich ihres Signaltransduktionsverhaltens untersucht. Mit der Bestimmung der akkumulierten Gesamtinositole und des intrazellul{\"a}ren Calciums [Ca]i konnte gezeigt werden, dass trotz einer 95\%-igen {\"U}bereinstimmung der intrazellul{\"a}ren Aminos{\"a}uresequenzen der P2R-Hybridrezeptoren mit denen des P1R, die Ankopplung an den PLC Signalweg nicht {\"u}bertragen werden kann. Diese Ergebnisse wurden f{\"u}r Stimulationen mit PTH und TIP39 nachgewiesen. Durch Hemmung der Proteinkinasen A und C konnte, wie erwartet, am P1R ein verst{\"a}rktes IP3 Signal beobachtet werden. Eine Aktivierbarkeit des PLC Signalweges wurde auch hierbei f{\"u}r die Hybridrezeptoren nicht gesehen. F{\"u}r die Aktivierung des cAMP Signalweges der Hybridrezeptoren konnte beobachtet werden, dass diese sich weitestgehend in Anlehnung zum P2R verhalten. Außerdem konnte gezeigt werden, dass f{\"u}r eine effiziente Ankopplung an den cAMP Signalweg alle aus dem P1R in den P2R einf{\"u}gten Teilabschnitte (zweite, dritte Schleife und C-Terminus) zusammenwirken. Der Hybridrezeptor, an dem alle drei Teilabschnitte ausgetauscht wurden, f{\"u}hrte zu einer signifikant besseren Ankopplung an den cAMP Signalweg, als die Einzelmutation des C-Terminus. Die Messung zum cAMP Signalweg wurden mit den Liganden TIP39 und PTH durchgef{\"u}hrt. F{\"u}r die Aktivierung des Gs Protein-vermittelten cAMP Signalweg am P1R oder P2R sind daher vermutlich Interaktionen verschiedener Rezeptorabschnitte verantwortlich. Insgesamt konnten in dieser Arbeit weitere wichtige Erkenntnisse bez{\"u}glich unterschiedlicher Aspekte der Signaltransduktion des P1R und des P2R gewonnen werden.},
  subject      = {Parathormon},
  language  = {de}
}
@article{MaiellaroLohseKitteetal.2016,
  author    = {Maiellaro, Isabella and Lohse, Martin J. and Kitte, Robert J. and Calebiro, Davide},
  title     = {cAMP Signals in Drosophila Motor Neurons Are Confined to Single Synaptic Boutons},
  series = {Cell Reports},
  volume    = {17},
  journal   = {Cell Reports},
  number    = {5},
  doi       = {10.1016/j.celrep.2016.09.090},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-162324},
  pages     = {1238-1246},
  year      = {2016},
  abstract  = {The second messenger cyclic AMP (cAMP) plays an important role in synaptic plasticity. Although there is evidence for local control of synaptic transmission and plasticity, it is less clear whether a similar spatial confinement of cAMP signaling exists. Here, we suggest a possible biophysical basis for the site-specific regulation of synaptic plasticity by cAMP, a highly diffusible small molecule that transforms the physiology of synapses in a local and specific manner. By exploiting the octopaminergic system of Drosophila, which mediates structural synaptic plasticity via a cAMP-dependent pathway, we demonstrate the existence of local cAMP signaling compartments of micrometer dimensions within single motor neurons. In addition, we provide evidence that heterogeneous octopamine receptor localization, coupled with local differences in phosphodiesterase activity, underlies the observed differences in cAMP signaling in the axon, cell body, and boutons.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schneider2011,
  author    = {Schneider, Matthias},
  title     = {Characterisation of Metalloprotease-mediated EGFR Signal Transactivation after GPCR Stimulation},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-65105},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {In the context of metalloprotease-mediated transactivation of the epidermal growth factor receptor, different monoclonal antibodies against ADAM17 / TACE were characterized for their ability to block the sheddase. Activity of some of them was observed at doses between 2µg/mL and 10µg/mL. Kinetic analyses showed their activity starting at around 30 minutes. In cellular assays performed with the antibodies, especially upon treatment of cells with sphingosine-1-phosphate a reduction in proliferation was observed with some candidates. Moreover this study provides potential new roles for ß-Arrestins. Their involvement in the triple membrane-passing signal pathway of EGFR transactivation was shown. Furthermore, in overexpressing cellular model systems, an interaction between ADAM17 and ß-Arrestin1 could be observed. Detailed analysis discovered that phosphorylation of ß-Arrestin1 is crucial for this interaction. Additionally, the novel mechanism of UV-induced EGFR transactivation was extended to squamous cell carcinoma. The mechanism happens in a dose dependent manner and requires a metalloprotease to shed the proligand Amphiregulin. The involvement of both ADAM9 and ADAM17, being the metalloproteases responsible for this cleavage, was shown for SCC9 cells.},
  subject      = {Epidermaler Wachstumsfaktor-Rezeptor},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Hart2004,
  author    = {Hart, Stefan},
  title     = {Characterisation of the molecular mechanisms of EGFR signal transactivation in human cancer},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-10067},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {In a variety of established tumour cell lines, but also in primary mammary epithelial cells metalloprotease-dependent transactivation of the EGFR, and EGFR characteristic downstream signalling events were observed in response to stimulation with physiological concentrations of GPCR agonists such as the mitogens LPA and S1P as well as therapeutically relevant concentrations of cannabinoids. Moreover, this study reveals ADAM17 and HB-EGF as the main effectors of this mechanism in most of the cancer cell lines investigated. However, depending on the cellular context and GPCR agonist, various different members of the ADAM family are selectively recruited for specific ectodomain shedding of proAR and/or proHB-EGF and subsequent EGFR activation. Furthermore, biological responses induced by LPA or S1P such as migration in breast cancer and HNSCC cells, depend on ADAM17 and proHB-EGF/proAR function, respectively, suggesting that highly abundant GPCR ligands may play a role in tumour development and progression. Moreover, EGFR signal transactivation could be identified as the mechanistic link between cannabinoid receptors and the activation of mitogen activated protein kinases (MAPK) ERK1/2 as well as pro-survival Akt/PKB signalling. Depending on the cellular context, cannabinoid-induced signal cross-communication was mediated by shedding of proAmphiregulin and/or proHB-EGF by ADAM17. Most importantly, our data show that concentrations of THC comparable to those detected in the serum of patients after THC administration accelerate proliferation of cancer cells instead of apoptosis and thereby may contribute to cancer progression in patients.},
  subject      = {Epidermaler Wachstumsfaktor-Rezeptor},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Anton2021,
  author    = {Anton, Selma},
  title     = {Characterization of cAMP nanodomains surrounding the human Glucagon-like peptide 1 receptor using FRET-based reporters},
  doi       = {10.25972/OPUS-19069},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-190695},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Cyclic adenosine monophosphate (cAMP), the ubiquitous second messenger produced upon stimulation of GPCRs which couple to the stimulatory GS protein, orchestrates an array of physiological processes including cardiac function, neuronal plasticity, immune responses, cellular proliferation and apoptosis. By interacting with various effector proteins, among others protein kinase A (PKA) and exchange proteins directly activated by cAMP (Epac), it triggers signaling cascades for the cellular response. Although the functional outcomes of GSPCR-activation are very diverse depending on the extracellular stimulus, they are all mediated exclusively by this single second messenger. Thus, the question arises how specificity in such responses may be attained. A hypothesis to explain signaling specificity is that cellular signaling architecture, and thus precise operation of cAMP in space and time would appear to be essential to achieve signaling specificity. Compartments with elevated cAMP levels would allow specific signal relay from receptors to effectors within a micro- or nanometer range, setting the molecular basis for signaling specificity. Although the paradigm of signaling compartmentation gains continuous recognition and is thoroughly being investigated, the molecular composition of such compartments and how they are maintained remains to be elucidated. In addition, such compartments would require very restricted diffusion of cAMP, but all direct measurements have indicated that it can diffuse in cells almost freely. In this work, we present the identification and characterize of a cAMP signaling compartment at a GSPCR. We created a F{\"o}rster resonance energy transfer (FRET)-based receptor-sensor conjugate, allowing us to study cAMP dynamics in direct vicinity of the human glucagone-like peptide 1 receptor (hGLP1R). Additional targeting of analogous sensors to the plasma membrane and the cytosol enables assessment of cAMP dynamics in different subcellular regions. We compare both basal and stimulated cAMP levels and study cAMP crosstalk of different receptors. With the design of novel receptor nanorulers up to 60nm in length, which allow mapping cAMP levels in nanometer distance from the hGLP1R, we identify a cAMP nanodomain surrounding it. Further, we show that phosphodiesterases (PDEs), the only enzymes known to degrade cAMP, are decisive in constraining cAMP diffusion into the cytosol thereby maintaining a cAMP gradient. Following the discovery of this nanodomain, we sought to investigate whether downstream effectors such as PKA are present and active within the domain, additionally studying the role of A-kinase anchoring proteins (AKAPs) in targeting PKA to the receptor compartment. We demonstrate that GLP1-produced cAMP signals translate into local nanodomain-restricted PKA phosphorylation and determine that AKAP-tethering is essential for nanodomain PKA. Taken together, our results provide evidence for the existence of a dynamic, receptor associated cAMP nanodomain and give prospect for which key proteins are likely to be involved in its formation. These conditions would allow cAMP to exert its function in a spatially and temporally restricted manner, setting the basis for a cell to achieve signaling specificity. Understanding the molecular mechanism of cAMP signaling would allow modulation and thus regulation of GPCR signaling, taking advantage of it for pharmacological treatment.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Dolles2018,
  author    = {Dolles, Dominik},
  title     = {Development of Hybrid GPCR Ligands: Photochromic and Butyrylcholinesterase Inhibiting Human Cannabinoid Receptor 2 Agonists},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-163445},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2018},
  abstract  = {While life expectancy increases worldwide, treatment of neurodegenerative diseases such as AD becomes a major task for industrial and academic research. Currently, a treatment of AD is only symptomatical and limited to an early stage of the disease by inhibiting AChE. A cure for AD might even seem far away. A rethinking of other possible targets is therefore necessary. Addressing targets that can influence AD even at later stages might be the key. Even if it is not possible to find a cure for AD, it is of great value for AD patients by providing an effective medication. The suffering of patients and their families might be relieved and remaining years may be spent with less symptoms and restrictions. It was shown that a combination of hCB2R agonist and BChE inhibitor might exactly be a promising approach to combat AD. In the previous chapters, a first investigation of dual-acting compounds that address both hCB2R and BChE was illustrated (figure 6.1). A set of over 30 compounds was obtained by applying SARs from BChE inhibitors to a hCB2R selective agonist developed by AstraZeneca. In a first in vitro evaluation compounds showed selectivity over hCB1R and AChE. Further investigations could also prove agonism and showed that unwanted off-target affinity to hMOP receptor could be designed out. The development of a homology model for hCB2R (based on a novel hCB1R crystal) could further elucidate the mode of action of the ligand binding. Lastly, first in vivo studies showed a beneficial effect of selected dual-acting compounds regarding memory and cognition. Since these first in vivo studies mainly aim for an inhibition of the BChE, it should be the aim of upcoming projects to proof the relevance of hCB2R agonism in vivo as well. In addition, pharmacokinetic as well as solubility studies may help to complete the overall picture. Currently, hybrid-based dual-acting hCB2R agonists and selective BChE inhibitors are under investigation in our lab. First in vitro evaluations showed improved BChE inhibition and selectivity over AChE compared to tacrine.78 Future in vitro and in vivo studies will clarify their usage as drug molecules with regard to hepatotoxicity and blood-brain barrier penetration. Since the role of hCB2R is not yet completely elucidated, the use of photochromic toolcompounds becomes an area of interest. These tool-compounds (and their biological effect) can be triggered upon irradiation with light and thus help to investigate time scales and ligand binding. A set of 5-azobenzene benzimidazoles was developed and synthesized. In radioligand binding studies, affinity towards hCB2R could be increased upon irradiation with UV-light (figure 6.2). This makes the investigated compounds the first GPCR ligands that can be activated upon irradiation (not vice versa). The aim of upcoming research will be the triggering of a certain intrinsic activity by an "efficacy-switch". For this purpose, several attempts are currently under investigation: an introduction of an azobenzene moiety at the 2-position of the benzimidazole core already led to a slight difference in efficacy upon irradiation with UV light. Another approach going on in our lab is the development of hCB1R switches based on the selective hCB1R inverse agonist rimonabant. First in vitro results are not yet available (figure 6.3).},
  subject      = {Ligand <Biochemie>},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Liu2022,
  author    = {Liu, Ruiqi},
  title     = {Dynamic regulation of the melanocortin 4 receptor system in body weight homeostasis and reproductive maturation in fish},
  doi       = {10.25972/OPUS-20653},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-206536},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Puberty is an important period of life with physiological changes to enable animals to reproduce. Xiphophorus fish exhibit polymorphism in body size, puberty timing, and reproductive tactics. These phenotypical polymorphisms are controlled by the Puberty (P) locus. In X. nigrensis and X. multilineatus, the P locus encodes the melanocortin 4 receptor (Mc4r) with high genetic polymorphisms. Mc4r is a member of the melanocortin receptors, belonging to class A G-protein coupled receptors. The Mc4r signaling system consists of Mc4r, the agonist Pomc (precursor of various MSH and of ACTH), the antagonist Agrp and accessory protein Mrap2. In humans, MC4R has a role in energy homeostasis. MC4R and MRAP2 mutations are linked to human obesity but not to puberty. Mc4rs in X. nigrensis and X. multilineatus are present in three allele classes, A, B1 and B2, of which the X-linked A alleles express functional receptors and the male-specific Y-linked B alleles encode defective receptors. Male body sizes are correlated with B allele type and B allele copy numbers. Late-maturing large males carry B alleles in high copy number while early-maturing small males carry B alleles in low copy number or only A alleles. Cell culture co-expression experiments indicated that B alleles may act as dominant negative receptor mutants on A alleles. In this study, the main aim was to biochemically characterize the mechanism of puberty regulation by Mc4r in X. nigrensis and X. multilineatus, whether it is by Mc4r dimerization and/or Mrap2 interaction with Mc4r or other mechanisms. Furthermore, Mc4r in X. hellerii (another swordtail species) and medaka (a model organism phylogenetically close to Xiphophorus) were investigated to understand if the investigated mechanisms are conserved in other species. In medaka, the Mc4r signaling system genes (mc4r, mrap2, pomc, agrp1) are expressed before hatching, with agrp1 being highly upregulated during hatching and first feeding. These genes are mainly expressed in adult brain, and the transcripts of mrap2 co-localize with mc4r indicating a function in modulating Mc4r signaling. Functional comparison between wild-type and mc4r knockout medaka showed that Mc4r knockout does not affect puberty timing but significantly delays hatching due to the retarded embryonic development of knockout medaka. Hence, the Mc4r system in medaka is involved in regulation of growth rather than puberty. In Xiphophorus, expression co-localization of mc4r and mrap2 in X. nigrensis and X. hellerii fish adult brains was characterized by in situ hybridization. In both species, large males exhibit strikingly high expression of mc4r while mrap2 shows similar expression level in the large and small male and female. Differently, X. hellerii has only A-type alleles indicating that the puberty regulation mechanisms evolved independently in Xiphophorus genus. Functional analysis of Mrap2 and Mc4r A/B1/B2 alleles of X. multilineatus showed that increased Mrap2 amounts induce higher cAMP response but EC50 values do not change much upon Mrap2 co-expression with Mc4r (expressing only A allele or A and B1 alleles). A and B1 alleles were expressed higher in large male brains, while B2 alleles were only barely expressed. Mc4r A-B1 cells have lower cAMP production than Mc4r A cells. Together, this indicates a role of Mc4r alleles, but not Mrap2, in puberty onset regulation signaling. Interaction studies by FRET approach evidenced that Mc4r A and B alleles can form heterodimers and homodimers in vitro, but only for a certain fraction of the expressed receptors. Single-molecule colocalization study using super-resolution microscope dSTORM confirmed that only few Mc4r A and B1 receptors co-localized on the membrane. Altogether, the species-specific puberty onset regulation in X. nigrensis and X. multilineatus is linked to the presence of Mc4r B alleles and to some extent to its interaction with A allele gene products. This is reasoned to result in certain levels of cAMP signaling which reaches the dynamic or static threshold to permit late puberty in large males. In summary, puberty onset regulation by dominant negative effect of Mc4r mutant alleles is a special mechanism that is found so far only in X. nigrensis and X. multilineatus. Other Xiphophorus species obviously evolved the same function of the pathway by diverse mechanisms. Mc4r in other fish (medaka) has a role in regulation of growth, reminiscent of its role in energy homeostasis in humans. The results of this study will contribute to better understand the biochemical and physiological functions of the Mc4r system in vertebrates including human.},
  subject      = {Japank{\"a}rpfling},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Klenk2009,
  author    = {Klenk, Johann Christoph},
  title     = {Effekte von Parathormon auf die Struktur und Komplexierung des Parathormonrezeptors 1},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-47288},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Der Parathormonrezeptor Typ 1 (PTHR) ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor der Gruppe 2 und wichtigster Regulator des Kalziumstoffwechsels. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine neuartige posttranslationale Modifikation des PTHR in Form einer proteolytischen Spaltung der Ektodom{\"a}ne identifiziert, charakterisiert und deren Regulation beschrieben. Nach langanhaltender Stimulation des Rezeptors mit Agonisten - aber nicht mit Antagonisten - wurde eine Massen- und Mengenzunahme des Rezeptorproteins beobachtet. Es konnte gezeigt werden, dass der Rezeptor unter basalen Bedingungen einer Spaltung unterliegt. Der Massenunterschied entsteht durch die proteolytische Spaltung der Ektodom{\"a}ne des PTHR, was nachfolgend die Stabilit{\"a}t des Rezeptors beeintr{\"a}chtigt. Die Spaltung erfolgte innerhalb einer unstrukturierten Schleife der Ektodom{\"a}ne, welche die Bereiche f{\"u}r die Ligandenbindung miteinander verbindet. Hierbei handelt es sich um eine Region, die im Vergleich zu anderen Gruppe 2-Rezeptoren spezifisch f{\"u}r den PTHR ist. Das durch die Spaltung entstandene N-terminale Fragment bleibt durch eine Disulfidbr{\"u}cke mit dem Transmembranteil des Rezeptors verbunden. Durch Versuche mit verschiedenen Proteaseinhibitoren konnte die verantwortliche Protease der Familie der zinkabh{\"a}ngigen extrazellul{\"a}ren Proteasen zugeordnet werden. Diese Ergebnisse beschreiben einen Mechanismus wie die Homo{\"o}stase des PTHR reguliert sein k{\"o}nnte. In einem zweiten Abschnitt wurde die Interaktion der Adapterproteine NHERF1 und beta-Arrestin2 mit dem PTHR untersucht. Beide Proteine interagierten unabh{\"a}ngig mit dem Rezeptor, wobei NHERF1 {\"u}ber eine PDZ-Dom{\"a}ne konstitutiv an den C-Terminus des Rezeptors bindet. beta-Arrestin2 hingegen bindet nach Aktivierung des Rezeptors und f{\"u}hrt zur Desensitisierung des Rezeptors. Mittels biochemischer und mikroskopischer Methoden konnte gezeigt werden, dass beide Proteine gemeinsam einen tern{\"a}ren Komplex mit dem PTHR bilden, welcher durch die direkte Interaktion zwischen NHERF1 und beta-Arrestin2 vermittelt wird. Dies hat zur Folge, dass beta-Arrestin im basalen Zustand durch NHERF1 an den Rezeptor gekoppelt wird. Durch Analyse der Assoziationskinetik mittels Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer-Messungen zeigte sich, dass diese Kopplung zu einer zweifach erh{\"o}hten Rekrutierungsgeschwindigkeit von beta-Arrestin2 an den PTHR f{\"u}hrt. Somit stellt unterst{\"u}tzt NHERF1 die beta-Arrestin2-vermittelte Desensitisierung des PTHR.},
  subject      = {Parathormon},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Balakrishnan2021,
  author    = {Balakrishnan, Ashwin},
  title     = {Fast molecular mobility of β\(_2\)-adrenergic receptor revealed by time-resolved fluorescence spectroscopy},
  doi       = {10.25972/OPUS-25085},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-250856},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {G-protein- coupled receptors (GPCRs) are the largest family of membrane confined receptors and they transduce ligand binding to downstream effects. Almost 40\% of the drugs in the world target GPCRs due to their function, albeit knowing less about their activation. Understanding their dynamic behaviour in basal and activated state could prove key to drug development in the future. GPCRs are known to exhibit complex molecular mobility patterns. A plethora of studies have been and are being conducted to understand the mobility of GPCRs. Due to limitations of imaging and spectroscopic techniques commonly used, the relevant timescales are hard to access. The most commonly used techniques are electron paramagnetic resonance or double electronelectron resonance, nuclear magnetic resonance, time-resolved fluorescence, single particle tracking and fluorescence recovery after photobleaching. Among these techniques only fluorescence has the potential to probe live cells. In this thesis, I use different time-resolved fluorescence spectroscopic techniques to quantify diffusion dynamics / molecular mobility of β2-adrenergic receptor (β2-AR) in live cells. The thesis shows that β2-AR exhibits mobility over an exceptionally broad temporal range (nanosecond to second) that can be linked to its respective physiological scenario. I explain how β2-AR possesses surprisingly fast lateral mobility (~10 μm²/s) associated with vesicular transport in contrast to the prior reports of it originating from fluorophore photophysics and free fluorophores in the cytosol. In addition, β2-AR has rotational mobility (~100 μs) that makes it conform to the Saffman-Delbr{\"u}ck model of membrane diffusion unlike earlier studies. These contrasts are due to the limitations of the methodologies used. The limitations are overcome in this thesis by using different time-resolved fluorescence techniques of fluorescence correlation spectroscopy (FCS), time-resolved anisotropy (TRA) and polarisation resolved fullFCS (fullFCS). FCS is limited to microsecond to the second range and TRA is limited to the nanosecond range. fullFCS complements the two techniques by covering the blind spot of FCS and TRA in the microsecond range. Finally, I show how ligand stimulation causes a decrease in lateral mobility which could be a hint at cluster formation due to internalisation and how β2-AR possesses a basal oligomerisation that does not change on activation. Thus, through this thesis, I show how different complementary fluorescence techniques are necessary to overcome limitations of each technique and to thereby elucidate functional dynamics of GPCR activation and how it orchestrates downstream signalling.},
  language  = {en}
}
@article{GmachBathePetersTeluguetal.2022,
  author    = {Gmach, Philipp and Bathe-Peters, Marc and Telugu, Narasimha and Miller, Duncan C. and Annibale, Paolo},
  title     = {Fluorescence spectroscopy of low-level endogenous β-adrenergic receptor expression at the plasma membrane of differentiating human iPSC-derived cardiomyocytes},
  series = {International Journal of Molecular Sciences},
  volume    = {23},
  journal   = {International Journal of Molecular Sciences},
  number    = {18},
  issn      = {1422-0067},
  doi       = {10.3390/ijms231810405},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-288277},
  year      = {2022},
  abstract  = {The potential of human-induced pluripotent stem cells (hiPSCs) to be differentiated into cardiomyocytes (CMs) mimicking adult CMs functional morphology, marker genes and signaling characteristics has been investigated since over a decade. The evolution of the membrane localization of CM-specific G protein-coupled receptors throughout differentiation has received, however, only limited attention to date. We employ here advanced fluorescent spectroscopy, namely linescan Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS), to observe how the plasma membrane abundance of the β\(_1\)- and β\(_2\)-adrenergic receptors (β\(_{1/2}\)-ARs), labelled using a bright and photostable fluorescent antagonist, evolves during the long-term monolayer culture of hiPSC-derived CMs. We compare it to the kinetics of observed mRNA levels in wildtype (WT) hiPSCs and in two CRISPR/Cas9 knock-in clones. We conduct these observations against the backdrop of our recent report of cell-to-cell expression variability, as well as of the subcellular localization heterogeneity of β-ARs in adult CMs.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Baetz2012,
  author    = {B{\"a}tz, Julia},
  title     = {FRET-basierte Untersuchungen zur ligandenselektiven Beeinflussung der Rezeptorkonformation durch orthosterische und allosterische Liganden am Beispiel des muskarinischen M2 Acetylcholinrezeptors},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-72836},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2012},
  abstract  = {Zahlreiche experimentelle Befunde lassen vermuten, dass G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCR) nach ihrer Aktivierung einer ligandenselektiven {\"A}nderung der Rezeptorkonformation unterliegen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es dieses Ph{\"a}nomen am Subtyp 2 der muskarinischen Acetylcholinrezeptoren (M2 AChR) zu untersuchen. Muskarinische Acetylcholinrezeptoren (mAChR) k{\"o}nnen in f{\"u}nf Subtypen (M1-M5) unterschieden werden. Durch die Beteiligung der mAChR an zahlreichen physiologischen Prozessen stellen sie wichtige Zielstrukturen pharmakologischer Therapien dar. Da die orthosterische Ligandenbindestelle (= Bindestelle des endogenen Liganden) in allen f{\"u}nf Subtypen hoch konserviert ist, wird ihr pharmakologischer Nutzen derzeit allerdings durch die unselektive Rezeptormodulation und dem damit verbundenen Auftreten unerw{\"u}nschter Arzneimittelwirkungen stark limitiert. Ein Ansatz zur Erzielung subtypselektiver Effekte besteht in der Verwendung allosterischer Modulatoren. Da die allosterische Bindestelle der mAChR eine geringere Sequenzhomologie aufweist, k{\"o}nnen so gezielt einzelne Subtypen der mAChR reguliert werden. Der M2 AChR stellt hinsichtlich allosterischer Modulation ein gut charakterisiertes Modellsystem dar. F{\"u}r ihn wurde bereits eine Vielzahl allosterischer Liganden entwickelt. Auch bitopische Liganden, die sowohl einen allosterischen als auch einen orthosterischen Anteil enthalten, wurden f{\"u}r den M2 AChR bereits beschrieben. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene FRET-Sensoren des M2 AChR generiert und charakterisiert. Als FRET-Paar wurden das cyan fluoreszierende Protein (CFP) und der niedermolekulare fluorescein-basierte Fluorophor FlAsH (fluorescein arsenical hairpin binder) gew{\"a}hlt. CFP wurde in den Sensoren am Ende des C-Terminus angef{\"u}gt. Die zur Markierung mit FlAsH n{\"o}tige Tetracysteinsequenz wurde in verschiedenen Bereichen der dritten intrazellul{\"a}ren Rezeptorschleife (IL) eingebracht. Die auf diese Weise erstellten Re-zeptorsensoren trugen das Tetracysteinmotiv in der N terminalen (M2i3-N) bzw. in der C terminalen Region (M2i3-C) von IL 3. Die Charakterisierung der Rezeptorsensoren bez{\"u}glich Ligandenbindung, Gi-Protein Aktivierung und β-Arrestin2 Translokation ergab keine signifikanten Unterschiede zwischen M2i3-N, M2i3 C und M2CFP oder Wildtyp M2 AChR. Zun{\"a}chst wurden sowohl unterschiedliche orthosterische, als auch allosterische Liganden hinsichtlich ihrer mittleren effektiven Konzentration und ihrer maximalen Wirkst{\"a}rke an den Rezeptorsensoren untersucht. Mit Hilfe von FRET-Messungen konnte ein superago-nistisches Verhalten des orthosterischen Testliganden Iperoxo gezeigt werden. Die Eigenschaften der allosterischen Substanzen wurden durch Messung der Rezeptordeakti-vierungskinetik und des maximalen Hemmeffekts auf einen vorstimulierten Rezeptor charakterisiert. Alle allosterischen Liganden deaktivierten den vorstimulierten M2 AChR mit einer schnelleren Kinetik als Atropin. Die EC50-Werte der unterschiedlichen Substanzen waren unabh{\"a}ngig von der Markierungsposition im verwendeten Rezeptorsensor vergleich-bar. Ausnahmen bildeten die allosterischen Liganden JK 289, JK 338, ½ W84 und EHW 477, die liganden- und sensorabh{\"a}ngig unterschiedliche mittlere effektive Konzentrationen aufwie-sen. Bei der Untersuchung der Konformations{\"a}nderung des M2 AChR konnte kein liganden-selektiver Unterschied zwischen den FRET-Signalen f{\"u}r 19 getestete orthosterische Liganden beobachtet werden. Dies deutet darauf hin, dass alle orthosterischen Testliganden eine dem Acetylcholin (ACh) vergleichbare {\"A}nderung der M2 AChR Konformation induzier-ten. Um zu untersuchen, ob f{\"u}r die orthosterischen Testliganden eine Korrelation zwischen ihrer maximalen Wirkst{\"a}rke hinsichtlich Rezeptoraktivierung in FRET-Experimenten und der Aktivierung nachgeschalteter Signalwege besteht, wurde die orthosterisch-vermittelte Translokation von β-Arrestin2 mit Hilfe der Konfokalmikroskopie bestimmt. Bis auf 5-Methyl-furmethiodid translozierten alle orthosterischen Liganden β-Arrestin2 in einem Ausmaß, das mit der maximalen Rezeptoraktivierung vergleichbar war. Dagegen rief 5 Methylfurmethiodid verglichen mit dem endogenen Liganden ACh zwar eine ca. halbmaximale Rezeptorakti-vierung, aber nur eine {\"a}ußerst geringe β-Arrestin2 Translokation hervor. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Allostere auf eine ligandenselektive Konformations{\"a}nderung des M2 AChR untersucht. Die allosterischen Liganden JK 337 und Seminaph beeinflussten den M2i3-C Sensor signifikant st{\"a}rker, als das M2i3-N Konstrukt. Dagegen zeigte EHW 477 eine st{\"a}rkere Beeinflussung der Rezeptorkon-formation des M2i3-N-, als des M2i3-C Sensors. Dies erlaubt die Vermutung, dass JK 337 und Seminaph eine st{\"a}rkere Bewegung unterhalb von Transmembrandom{\"a}ne (TM) 6, als unterhalb von TM 5 hervorriefen. Die Ergebnisse f{\"u}r EHW 477 legen nahe, dass TM 5 eine gr{\"o}ßere Bewegung eingeht, als TM 6. FRET-basierte Untersuchungen der Einfl{\"u}sse der allosterischen Testliganden auf nachgeschaltete Signalwege ergaben, dass sowohl die Akti-vierung des Gi Proteins, als auch die β-Arrestin2 Translokation selektiv durch einzelne allosterische Liganden beeinflusst werden. Auch ein Zusammenhang zwischen Rezeptor-aktivierung und der Regulation nachgeschalteter Signalwege war erkennbar. Allerdings waren auf Grund der Versuchsbedingungen keine quantitativen Aussagen m{\"o}glich. Im Folgenden wurden die bitopischen Liganden Hybrid 1 und 2 (H 1, H 2) hinsichtlich ihres Effekts auf die Konformations{\"a}nderung des M2 AChR untersucht. W{\"a}hrend eine Stimulation mit H 1 vergleichbare FRET-Signale an beiden Sensoren ergab, konnte mit H 2 weder am M2i3-N-, noch an M2i3-C Sensor eine FRET-{\"A}nderung detektiert werden. Um den mangeln-den Effekt der Hybridsubstanzen in FRET-mikroskopischen Untersuchungen aufzukl{\"a}ren, wurden verschiedene Ans{\"a}tze gew{\"a}hlt: Mit kettenverl{\"a}ngerten Derivaten der Hybridsubstanzen konnte in FRET-Messungen eine {\"A}nderung des FRET-Signals detektiert werden. Die Entfernung des allosterischen Bausteins f{\"u}hrte in FRET-Experimenten zu einer verglichen mit dem endogenen Liganden ACh etwa halbmaximalen Aktivierung beider Sensoren. Dagegen resultierte die Mutation der alloste-rischen Bindestelle in nachfolgenden FRET-Untersuchungen mit H 1 und H 2 in keiner Signal{\"a}nderung des FRET-Ratio. Diese Beobachtungen f{\"u}hrten zu der Annahme, dass die Linkerkette, die orthosterischen und allosterischen Baustein der Hybride miteinander verbindet, zu kurz war um eine gleichzeitige Bindung an die allosterische und orthosterische Bindestelle zu erm{\"o}glichen. Ein anderer Erkl{\"a}rungsansatz besteht darin, dass nach Bindung des Orthosters der Kanal zwischen orthosterischer und allosterischer Bindestelle durch die Konformations{\"a}nderung des Rezeptors verschlossen wird, weshalb keine dauerhafte, dualsterische Bindung der Hybridsubstanzen an den M2 AChR m{\"o}glich ist. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist es gelungen mittels FRET-Experimenten die Existenz einer ligandenselektiven Rezeptorkonformation des M2 AChR mit allosterischen Liganden nachzuweisen. Dar{\"u}ber hinaus konnte auch ein Bezug zum Auftreten einer funktionellen Selektivit{\"a}t mit allosterischen Liganden hergestellt werden. Die Untersuchung von 19 orthosterischen Liganden hinsichtlich ihres Einflusses auf die Rezeptorkonformation des M2 AChR ergab keinen Hinweis auf eine ligandenselektive Konformations{\"a}nderung. Die Betrachtung der orthosterisch-vermittelten Translokation von β-Arrestin2 zeigte, dass zwischen der Effizienz der orthosterischen Testliganden, den M2 AChR zu aktivieren und dem Ausmaß, in dem sie eine β Arrestin2 Translokation induzierten eine direkte Korrelation besteht. Lediglich 5-Methylfurmethiodid rief eine ungleich geringere β-Arrestin2 Translokation hervor, verglichen mit dem Ausmaß an Rezeptoraktivierung. Diese Beobachtung deutet auf die Existenz eines signaling-bias f{\"u}r diesen Liganden hin. Die Untersuchung der dualsterischen Liganden H 1 und 2 bez{\"u}glich ihrer F{\"a}higkeit zur Rezeptoraktivierung ergab, dass erst durch eine Verl{\"a}ngerung der Linkerkette, durch die orthosterischer und alloste-rischer Baustein miteinander verbunden sind eine Konformations{\"a}nderung des M2 AChR hin zu einer aktiven Konformation erreicht werden kann. Es kann somit angenommen werden, dass in den urspr{\"u}nglichen Hybridsubstanzen H 1 und H 2 eine zu kurze Linkerkette, durch die keine dualsterische Bindung der Hybride an die allosterische und orthosterische Bindestelle m{\"o}glich ist, urs{\"a}chlich f{\"u}r die mangelnde Rezeptoraktivierung des M2 AChR war.},
  subject      = {Muscarinrezeptor},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Scholz2017,
  author    = {Scholz, Nicole},
  title     = {Genetic analyses of sensory and motoneuron physiology in Drosophila melanogaster},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-123249},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {During my PhD I studied two principal biological aspects employing Drosophila melanogaster. Therefore, this study is divided into Part I and II. Part I: Bruchpilot and Complexin interact to regulate synaptic vesicle tethering to the active zone cytomatrix At the presynaptic active zone (AZ) synaptic vesicles (SVs) are often physically linked to an electron-dense cytomatrix - a process referred to as "SV tethering". This process serves to concentrate SVs in close proximity to their release sites before contacting the SNARE complex for subsequent fusion (Hallermann and Silver, 2013). In Drosophila, the AZ protein Bruchpilot (BRP) is part of the proteinous cytomatrix at which SVs accumulate (Kittel et al., 2006b; Wagh et al., 2006; Fouquet et al., 2009). Intriguingly, truncation of only 1\% of the C-terminal region of BRP results in a severe defect in SV tethering to this AZ scaffold (hence named brpnude; Hallermann et al., 2010b). Consistent with these findings, cell-specific overexpression of a C-terminal BRP fragment, named mBRPC-tip (corresponds to 1\% absent in brpnude; m = mobile) phenocopied the brpnude mutant in behavioral and functional experiments. These data indicate that mBRPC-tip suffices to saturate putative SV binding sites, which induced a functional tethering deficit at motoneuronal AZs. However, the molecular identity of the BRP complement to tether SVs to the presynaptic AZ scaffold remains unknown. Moreover, within larval motoneurons membrane-attached C-terminal portions of BRP were sufficient to tether SVs to sites outside of the AZ. Based on this finding a genetic screen was designed to identify BRP interactors in vivo. This screen identified Complexin (CPX), which is known to inhibit spontaneous SV fusion and to enhance stimulus evoked SV release (Huntwork and Littleton, 2007; Cho et al., 2010; Martin et al., 2011). However, so far CPX has not been associated with a function upstream of priming/docking and release of SVs. This work provides morphological and functional evidence, which suggests that CPX promotes recruitment of SVs to the AZ and thereby curtails synaptic short-term depression. Together, the presented findings indicate a functional interaction between BRP and CPX at Drosophila AZs. Part II: The Adhesion-GPCR Latrophilin/CIRL shapes mechanosensation The calcium independent receptor of α-latrotoxin (CIRL), also named Latrophilin, represents a prototypic Adhesion class G-protein coupled-receptor (aGPCR). Initially, Latrophilin was identified based on its capacity to bind the α-component of latrotoxin (α-LTX; Davletov et al., 1996; Krasnoperov et al., 1996), which triggers massive exocytotic activity from neurons of the peripheral nervous system (Scheer et al., 1984; Umbach et al., 1998; Orlova et al., 2000). As a result Latrophilin is considered to play a role in synaptic transmission. Later on, Latrophilins have been associated with other biological processes including tissue polarity (Langenhan et al., 2009), fertility (Pr{\"o}mel et al., 2012) and synaptogenesis (Silva et al., 2011). However, thus far its subcellular localization and the identity of endogenous ligands, two aspects crucial for the comprehension of Latrophilin's in vivo function, remain enigmatic. Drosophila contains only one latrophilin homolog, named dCirl, whose function has not been investigated thus far. This study demonstrates abundant dCirl expression throughout the nervous system of Drosophila larvae. dCirlKO animals are viable and display no defects in development and neuronal differentiation. However, dCirl appears to influence the dimension of the postsynaptic sub-synaptic reticulum (SSR), which was accompanied by an increase in the postsynaptic Discs-large abundance (DLG). In contrast, morphological and functional properties of presynaptic motoneurons were not compromised by the removal of dCirl. Instead, dCirl is required for the perception of mechanical challenges (acoustic-, tactile- and proprioceptive stimuli) through specialized mechanosensory devices, chordotonal organs (Eberl, 1999). The data indicate that dCirl modulates the sensitivity of chordotonal neurons towards mechanical stimulation and thereby adjusts their input-output relation. Genetic interaction analyses suggest that adaption of the molecular mechanotransduction machinery by dCirl may underlie this process. Together, these results uncover an unexpected function of Latrophilin/dCIRL in mechanosensation and imply general modulatory roles of aGPCR in mechanoception.},
  subject      = {Drosophila},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Lyga2017,
  author    = {Lyga, Sandra},
  title     = {Glycoprotein hormone receptor signaling in the endosomal compartment},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-139994},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {G protein-coupled receptors (GPCRs) are the major group of cell-surface receptors that transmit extracellular signals via classical, G protein-dependent pathways into the cell. Although GPCRs were long assumed to signal exclusively from the cell-surface, recent investigations have demonstrated a possibly completely new paradigm. In this new view, GPCR continues signaling via 3´,5´-cyclic adenosine monophosphate (cAMP) after their agonist-induced internalization of ligand/receptor complexes into an intracellular compartment, causing persistent cAMP elevation and apparently specific signaling outcomes. The thyroid stimulating hormone (TSH) receptor is one of the first GPCRs, which has been reported to show persistent signaling after ligand removal (Calebiro et al., 2009). In the meantime, signaling by internalized GPCR become a highly investigated topic and has been shown for several GPCRs, including the parathyroid hormone receptor (Ferrandon et al., 2009), D1 dopamine receptor (Kotowski et al., 2011) and beta2-adrenergic receptor (Irannejad et al., 2013). A recent study on the beta2-adrenergic receptor revealed that internalized receptor not only participates in cAMP signaling, but is also involved in gene transcription (Tsvetanova and von Zastrow, 2014). However, a biological effect of GPCR signaling at intracellular sites, which would demonstrate its physiological relevance, still remained to be shown. To investigate GPCR signaling from intracellular compartment under physiological condition, two different cellular models were utilized in the present study: intact ovarian follicles expressing luteinizing hormone (LH) receptors and primary thyroid cells expressing TSH receptors. Intact ovarian follicles were obtained from a transgenic mouse expressing, a F{\"o}rster/Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) sensor for cAMP to monitor cAMP/LH receptor signaling. This study provides the first accurate spatiotemporal characterization of cAMP signaling, which is derived from different cell layers of an intact ovarian follicle. Additionally, it could be shown that cAMP diffusion via gap junctions is implicated in spreading the LH-induced cAMP signals from one the outermost (mural granulosa) to the innermost (cumulus oophorus) cell layer of an ovarian follicle. Interestingly, LH receptor stimulation was associated with persistent cAMP signaling after LH removal and negligible desensitization of the cAMP signal. Interfering with receptor internalization with a dynamin inhibitor dynasore did not only prevent persistent LH-induced cAMP signaling, but also impaired the resumption of meiosis in follicle-enclosed oocytes, a key biological effect of LH. In order to investigate the downstream activation of protein kinase A (PKA) in primary thyroid cells, FRET sensors with different subcellular localization (plasma membrane, cytosol and nucleus) were transiently transfected into primary thyroid cells of wild-type mice via electroporation. Interestingly, TSH stimulation causes at least two distinct phases of PKA activation in the global primary thyroid cell, which are temporally separated by approximately 2 min. In addition, PKA activation in different subcellular compartments are characterized by dissimilar kinetics and amplitudes. Pharmacological inhibition of TSH receptor internalization largely prevented the second (i.e. late) phase of PKA activation as well as the subsequent TSH-dependent phosphorylation of CREB and TSH-dependent induction of early genes. These results suggest that PKA activation and nuclear signaling require internalization of the TSH receptor. Taken together, the data of the present study provide strong evidence that GPCR signaling at intracellular sites is distinct from the one occurring at the cell-surface and is highly physiologically relevant.},
  subject      = {GPCR},
  language  = {en}
}
@phdthesis{İşbilir2022,
  author    = {İ{\c{s}}bilir, Ali},
  title     = {Localization and Trafficking of CXCR4 and CXCR7},
  doi       = {10.25972/OPUS-24937},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-249378},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {G protein-coupled receptors (GPCRs) constitute the largest class of membrane proteins, and are the master components that translate extracellular stimulus into intracellular signaling, which in turn modulates key physiological and pathophysiological processes. Research within the last three decades suggests that many GPCRs can form complexes with each other via mechanisms that are yet unexplored. Despite a number of functional evidence in favor of GPCR dimers and oligomers, the existence of such complexes remains controversial, as different methods suggest diverse quaternary organizations for individual receptors. Among various methods, high resolution fluorescence microscopy and imagebased fluorescence spectroscopy are state-of-the-art tools to quantify membrane protein oligomerization with high precision. This thesis work describes the use of single molecule fluorescence microscopy and implementation of two confocal microscopy based fluorescence fluctuation spectroscopy based methods for characterizing the quaternary organization of two class A GPCRs that are important clinical targets: the C-X-C type chemokine receptor 4 (CXCR4) and 7 (CXCR7), or recently named as the atypical chemokine receptor 3 (ACKR3). The first part of the results describe that CXCR4 protomers are mainly organized as monomeric entities that can form transient dimers at very low expression levels allowing single molecule resolution. The second part describes the establishment and use of spatial and temporal brightness methods that are based on fluorescence fluctuation spectroscopy. Results from this part suggests that ACKR3 forms clusters and surface localized monomers, while CXCR4 forms increasing amount of dimers as a function of receptor density in cells. Moreover, CXCR4 dimerization can be modulated by its ligands as well as receptor conformations in distinct manners. Further results suggest that antagonists of CXCR4 display distinct binding modes, and the binding mode influences the oligomerization and the basal activity of the receptor: While the ligands that bind to a "minor" subpocket suppress both dimerization and constitutive activity, ligands that bind to a distinct, "major" subpocket only act as neutral antagonists on the receptor, and do not modulate neither the quaternary organization nor the basal signaling of CXCR4. Together, these results link CXCR4 dimerization to its density and to its activity, which may represent a new strategy to target CXCR4.},
  subject      = {G-Protein gekoppelter Rezeptor},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Nemec2023,
  author    = {Nemec, Katarina},
  title     = {Modulation of parathyroid hormone 1 receptor (PTH1R) signaling by receptor activity-modifying proteins (RAMPs)},
  doi       = {10.25972/OPUS-28858},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-288588},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2023},
  abstract  = {The receptor activity-modifying proteins (RAMPs) are ubiquitously expressed membrane proteins that interact with several G protein-coupled receptors (GPCRs), the largest and pharmacologically most important family of cell surface receptors. RAMPs can regulate GPCR function in terms of ligand-binding, G-protein coupling, downstream signaling, trafficking, and recycling. The integrity of their interactions translates to many physiological functions or pathological conditions. Regardless of numerous reports on its essential importance for cell biology and pivotal role in (patho-)physiology, the molecular mechanism of how RAMPs modulate GPCR activation remained largely elusive. This work presents new insights that add to the common understanding of the allosteric regulation of receptor activation and will help interpret how accessory proteins - RAMPs - modulate activation dynamics and how this affects the fundamental aspects of cellular signaling. Using a prototypical class B GPCR, the parathyroid hormone 1 receptor (PTH1R) in the form of advanced genetically encoded optical biosensors, I examined RAMP's impact on the PTH1R activation and signaling in intact cells. A panel of single-cell FRET and confocal microscopy experiments as well canonical and non-canonical functional assays were performed to get a holistic picture of the signaling initiation and transduction of that clinically and therapeutically relevant GPCR. Finally, structural modeling was performed to add molecular mechanistic details to that novel art of modulation. I describe here that RAMP2 acts as a specific allosteric modulator of PTH1R, shifting PTH1R to a unique pre-activated state that permits faster activation in a ligand-specific manner. Moreover, RAMP2 modulates PTH1R downstream signaling in an agonist-dependent manner, most notably increasing the PTH-mediated Gi3 signaling sensitivity and kinetics of cAMP accumulation. Additionally, RAMP2 increases PTH- and PTHrP-triggered β-arrestin2 recruitment to PTH1R and modulates cytosolic ERK1/2 phosphorylation. Structural homology modeling shows that structural motifs governing GPCR-RAMP interaction originate in allosteric hotspots and rationalize functional modulation. Moreover, to interpret the broader role of RAMP's modulation in GPCRs pharmacology, different fluorescent tools to investigate RAMP's spatial organization were developed, and novel conformational biosensors for class B GPCRs were engineered. Lastly, a high throughput assay is proposed and prototyped to expand the repertoire of RAMPs or other membrane protein interactors. These data uncover the critical role of RAMPs in GPCR activation and signaling and set up a novel platform for studying GPCR modulation. Furthermore, these insights may provide a new venue for precise modulation of GPCR function and advanced drug design.},
  subject      = {G-Protein gekoppelter Rezeptor},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Dorsch2009,
  author    = {Dorsch, Sandra},
  title     = {Rezeptor-Rezeptor-Interaktion ß-adrenerger Rezeptoren},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-39712},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Viele Membranrezeptoren liegen als {\"u}ber Disulfidbr{\"u}cken-verbundene Dimere vor. Ein Nachweis der Dimerisierung ist in diesen F{\"a}llen methodisch klar und einfach zu erbringen. F{\"u}r die meisten G-Protein-gekoppelten Rezeptoren dagegen ist weder die Existenz von Di- oder Oligomeren noch deren Funktion eindeutig belegt. Meist wurden Methoden wie Coimmunopr{\"a}zipitation und Resonanz-Energie-Transfer-Verfahren wie BRET oder FRET verwendet, um Protein-Protein-Interaktionen zu untersuchen. Trotz ihrer hohen Sensitivit{\"a}t besitzen diese Methoden einige Grenzen und k{\"o}nnen je nach experimentellem Ansatz und Verwendung verschiedener Kontrollen, unterschiedliche Ergebnisse hinsichtlich des Vorliegens einer Protein-Protein-Interaktion liefern. Weder die Stabilit{\"a}t der Interaktion, noch die Fraktion der interagierenden Proteine kann mittels Resonanz-Energie-Transfer-Assays zuverl{\"a}ssig ermittelt werden. Auch die Gr{\"o}ße der Komplexe ist nicht oder nur technisch aufwendig bestimmbar. Deshalb wurde in dieser Arbeit eine neue, unabh{\"a}ngige Methode entwickelt, um Rezeptor-Rezeptor-Interaktionen in lebenden Zellen genauer untersuchen zu k{\"o}nnen. Diese auf „Fluorescence Recovery after Photobleaching" basierende Mikroskopie-Methode erlaubt die Mobilit{\"a}t von Proteinen zu bestimmen. Um Homointeraktionen zwischen Proteinen messen zu k{\"o}nnen, m{\"u}ssen zwei Protein-Fraktionen mit unterschiedlicher Mobilit{\"a}t vorliegen. Deshalb wurde eine Rezeptor-Fraktion extrazellul{\"a}r mit YFP markiert und mit Hilfe polyklonaler Antik{\"o}rper gegen YFP spezifisch immobilisiert. Die andere Rezeptorfraktion wurde intrazellul{\"a}r mit CFP oder Cerulean markiert und wurde deshalb nicht von extrazellul{\"a}ren Antik{\"o}rpern erkannt. So konnten mittels Zwei-Farben-FRAP potenzielle Interaktionen zwischen den immobilisierten extrazellul{\"a}r-markierten Rezeptoren und den intrazellul{\"a}r-markierten Rezeptoren durch eine Mobilit{\"a}ts{\"a}nderung letzterer detektiert werden. Diese Methode wurde mittels eines monomeren (CD86) und kovalent dimeren (CD28) Rezeptors validiert. Es zeigte sich, dass eine spezifische Immobilisierung extrazellul{\"a}r-markierter Proteine nur durch polyklonale, nicht aber durch monoklonale Antik{\"o}rper gegen YFP erreicht werden konnte. Intrazellul{\"a}r-markierte Proteine wurden hierbei in ihrer Mobilit{\"a}t nicht durch die extrazellul{\"a}ren Antik{\"o}rper beeinflusst. Bei Immobilisierung des extrazellul{\"a}r-markierten CD86 war das coexprimierte, intrazellul{\"a}r-markierte CD86-CFP weiterhin voll mobil. Außerdem zeigte das Monomer CD86 eine vom relativen CFP-YFP-Expressionsverh{\"a}ltnis unabh{\"a}ngige Mobilit{\"a}t. Dieses Ergebnis ließ den Schluss zu, dass extra- und intrazellul{\"a}r-markiertes CD86 nicht miteinander interagieren und als Monomer vorliegen. Die Mobilit{\"a}t des kovalenten Dimers CD28 war dagegen abh{\"a}ngig vom CFP-YFP-Expressionsverh{\"a}ltnis und stimmte gut mit theoretisch erwarteten Werten f{\"u}r ein Dimer {\"u}berein. Die Anwendung der Zwei-Farben-Methode zur Untersuchung von Interaktionen zwischen ß1- und ß2-adrenergen Rezeptoren zeigte Unterschiede zwischen beiden Rezeptor-Subtypen. ß1-AR zeigte eine spezifische transiente Interaktion, ß2-AR dagegen lagen als stabile Oligomere h{\"o}herer Ordnung vor. Die transiente Interaktion zwischen ß1-AR und die stabile Oligomerisierung von ß2-AR wurde nicht nur in HEK 293T-Zellen sondern auch in neonatalen Rattenkardiomyozyten und bei 37 °C beobachtet. Ferner hatte der Aktivierungszustand des jeweiligen Rezeptors keinen Einfluß auf das Ausmaß der Interaktion. Zwischen ß1- und ß2-AR wurde nur eine sehr schwache und instabile Heterointeraktion mittels der Zwei-Farben-FRAP-Methode beobachtet. Um zu {\"u}berpr{\"u}fen, ob eine direkte Interaktion zwischen den adrenergen Rezeptoren vorliegt, wurde die BRET-Methode verwendet. Mittels BRET wurde eine direkte Interaktion zwischen ß2-AR festgestellt, jedoch konnte nicht zwischen Dimeren und Oligomeren h{\"o}herer Ordnung unterschieden werden. Bei ß1-AR fand bei h{\"o}heren YFP-Rluc-Expressionsverh{\"a}ltnissen ein spezifischer Energietransfer statt. Bei niedrigeren Expressionsverh{\"a}ltnissen lag das Signal jedoch im unspezifischen Bereich. Auch bei Untersuchung der Heterointeraktion zwischen ß1- und ß2-AR konnte keine klare Aussage {\"u}ber eine spezifische Interaktion zwischen beiden Rezeptor-Subtypen getroffen werden.},
  subject      = {Dimerisierung},
  language  = {de}
}
@phdthesis{BathePeters2022,
  author    = {Bathe-Peters, Marc},
  title     = {Spectroscopic approaches for the localization and dynamics of β\(_1\)- and β\(_2\)-adrenergic receptors in cardiomyocytes},
  doi       = {10.25972/OPUS-25812},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-258126},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {In the heart the β\(_1\)-adrenergic receptor (AR) and the β\(_2\)-AR, two prototypical G protein-coupled receptors (GPCRs), are both activated by the same hormones, namely adrenaline and noradrenaline. Both receptors couple to stimulatory G\(_s\) proteins, mediate an increase in cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and influence the contractility and frequency of the heart upon stimulation. However, activation of the β\(_1\)-AR, not the β\(_2\)-AR, lead to other additional effects, such as changes in gene transcription resulting in cardiac hypertrophy, leading to speculations on how distinct effects can arise from receptors coupled to the same downstream signaling pathway. In this thesis the question of whether this distinct behavior may originate from a differential localization of these two receptors in adult cardiomyocytes is addressed. Therefore, fluorescence spectroscopy tools are developed and implemented in order to elucidate the presence and dynamics of these endogenous receptors at the outer plasma membrane as well as on the T-tubular network of intact adult cardiomyocytes. This allows the visualization of confined localization and diffusion of the β\(_2\)-AR to the T-tubular network at endogenous expression. In contrast, the β\(_1\)-AR is found diffusing at both the outer plasma membrane and the T-tubules. Upon overexpression of the β\(_2\)-AR in adult transgenic cardiomyocytes, the receptors experience a loss of this compartmentalization and are also found at the cell surface. These data suggest that distinct signaling and functional effects can be controlled by specific cell surface targeting of the receptor subtypes. The tools at the basis of this thesis work are a fluorescent adrenergic antagonist in combination of fluorescence fluctuation spectroscopy to monitor the localization and dynamics of the lowly expressed adrenergic receptors. Along the way to optimizing these approaches, I worked on combining widefield and confocal imaging in one setup, as well as implementing a stable autofocus mechanism using electrically tunable lenses.},
  subject      = {G-Protein gekoppelte Rezeptoren},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Zuern2009,
  author    = {Z{\"u}rn, Alexander},
  title     = {Spezifische Markierungsverfahren von Rezeptoren mit kleinen Fluorophoren zur Analyse der Rezeptoraktivierung mittels FRET},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-35961},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Es gibt viele Hinweise, dass G-Protein-gekoppelte Rezeptoren bei ihrer Aktivierung durch einen Agonisten ligandenselektive Konformationen eingehen. Ein tats{\"a}chlichen Beleg hierf{\"u}r konnte bisher in lebenden Zellen noch nicht erbracht werden. Zu diesem Zweck wurde in dieser Arbeit ein Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer (FRET)-basierter Ansatz gew{\"a}hlt, um ligandenselektive Konformationen in der dritten intrazellul{\"a}ren Schleife des \&\#945;2a-adrenergen Rezeptors (\&\#945;2a-AR) in lebenden Zellen darzustellen. Dazu wurden Rezeptorsensoren erstellt, welche jeweils ein CFP am Ende des C-Terminus trugen und in der dritten intrazellul{\"a}ren Schleife an verschiedenen Stellen mit einem Tetracysteinmotiv versehen wurden. Drei Konstrukte wurden verglichen, die das Tetracysteinmotiv N-terminal in der N{\"a}he der Transmembrandom{\"a}ne V (I3-N), in der Mitte der dritten intrazellul{\"a}ren Schleife (I3-M) beziehungsweise C-terminal in der N{\"a}he der Transmembrandom{\"a}ne VI (I3-C) trugen. Die drei Rezeptorsensoren unterschieden sich hinsichtlich ihrer Ligandenbindung sowie ihrer G-Proteinaktivierung nicht vom Wildtyp \&\#945;2a-AR. Durch das Tetracysteinmotiv ist es m{\"o}glich, den Rezeptor spezifisch mit dem niedermolekularen Fluorophor FlAsH (fluorescein arsenical hairpin binder) zu markieren, welcher als Akzeptor f{\"u}r den Donor CFP in FRET-Experimenten dient. Die {\"A}nderung des FRET-Signals zwischen den beiden Fluorophoren, das durch den vollen Agonist Norepinephrin ausgel{\"o}st wurde, war bei allen drei Rezeptorsensoren vergleichbar. Der starke partielle Agonist Clonidin war ebenfalls in der Lage, in allen drei Konstrukten ein {\"a}hnliches FRET-Signal hervorzurufen. Dagegen zeigte der partielle Agonist Dopamin an dem Konstrukt I3-N ein signifikant schw{\"a}cheres Signal, als an I3-C. Die schwachen partiellen Agonisten Octopamin und Norphenephrin konnten an den Konstrukten I3-N und I3-M keine {\"A}nderung des FRET-Signals bewirken, wobei an I3-C eine deutliche Signal{\"a}nderung detektiert wurde. Dies legt nahe, dass die Transmembrandom{\"a}ne V bei der Aktivierung des Rezeptors eine kleinere Bewegung eingeht als die Transmembrandom{\"a}ne VI, und best{\"a}tigt damit ein auf R{\"o}ntgenstrukturanlysen basierendes Modell der Rezeptorbewegung. Außerdem wurden die Aktivierungskinetiken f{\"u}r die Agonisten Norepinephrin und Dopamin verglichen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die durch Norepinephrin ausgel{\"o}ste Bewegung an allen beobachteten Punkten gleich schnell war. Im Gegensatz dazu aktivierte Dopamin I3-C und I3-M ca. 1,5-mal langsamer, als Norepinephrin. F{\"u}r das I3-N Konstrukt wurde sogar eine 3-mal langsamere Aktivierung gemessen. Diese Daten zeigen, dass unterschiedliche Agonisten in der dritten intrazellul{\"a}ren Schleife spezifische Konformationen ausl{\"o}sen k{\"o}nnen. Die Untersuchungen zur Rezeptorbewegung im ersten Teil dieser Arbeit wurde mit dem kleinen Fluorophor FlAsH in Kombination mit einer großen GFP-Variante durchgef{\"u}hrt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, bei der es m{\"o}glich ist Proteine spezifisch mit beiden kleinen Fluorophoren FlAsH und ReAsH in einer lebenden Zelle zu markieren. Hierf{\"u}r wurden zwei Tetracysteinmotive, CCPGCC und FLNCCPGCCMEP, gew{\"a}hlt, an die beide kleine Fluorophore kovalent binden. Durch Verdr{\"a}ngungsexperimente mit BAL konnte gezeigt werden, dass FlAsH f{\"u}r beide Motive eine dreifach h{\"o}here Affinit{\"a}t besitzt, als ReAsH. Dabei besitzt das FLNCCPGCCMEP-Motiv jedoch eine dreifach h{\"o}here Affinit{\"a}t zu dem jeweiligen Fluorophor besitzt als CCPGCC. Durch Ausnutzung dieser Affinit{\"a}tsunterschiede konnte ein Protokoll entwickelt werden, mit dem es m{\"o}glich ist, beide Motive in einer Zelle zu markieren. Dabei werden zun{\"a}chst beide Motive mit ReAsH markiert. Durch anschließendes Waschen mit einer geeigneten Konzentration von BAL wird das ReAsH ausschließlich von der CCPGCC-Sequenz verdr{\"a}ngt, wohingegen die FLNCCPGCCMEP-Sequenz mit ReAsH markiert bleibt. Die nun unbesetzte CCPGCC-Sequenz kann dann anschließend mit FlAsH markiert werden, ohne dabei die Bindung des ReAsH an die FLNCCPGCCMEP-Sequenz zu beeinflussen. Um die Funktionalit{\"a}t dieses Protokolls zu {\"u}berpr{\"u}fen, sollten zwei verschiedene Proteine mit unterschiedlicher subzellul{\"a}rer Lokalisation in einer lebenden Zelle spezifisch mit jeweils einem kleinen Fluorophor markiert werden. Hierzu wurden ein PTH-Rezeptor, in dem im C-Terminus die FLNCCPGCCMEP-Sequenz eingebracht wurde, mit ReAsH und ein \&\#946;-Arrestin-2, dem die CCPGCC-Sequenz eingebracht wurde, in Zellen co-exprimiert und gem{\"a}ß dem Protokoll mit FlAsH und ReAsH markiert. Beide Proteine konnten spezifisch markiert werden, wobei der mit ReAsH markierte PTH-Rezeptor eine deutliche Lokalisation in der Zellmembran zeigte. Durch sequentielle Exzitation konnte in der gleichen Zelle das zytosolisch lokalisierte, mit FlAsH markierte \&\#946;-Arrestin-2 detektiert werden. Wurden die so markierten Zellen mir 1 µM PTH stimuliert, wurde das FlAsH-markierte \&\#946;-Arrestin-2 an die Zellmembran rekrutiert. Somit konnte durch die Entwicklung dieses Protokolls eine duale spezifische Markierung von Proteinen mit zwei kleinen Fluorophoren zu innerhalb einer Zelle erreicht werden.},
  subject      = {Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Muth2004,
  author    = {Muth, Mathias},
  title     = {Synthese und Charakterisierung allosterer Modulatoren muscarinischer M2-Rezeptoren : Strukturvariationen der Bis(ammonium)alkan-Verbindung W84},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-8839},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung allosterer Modulatoren muscarinischer Rezeptoren. Allostere Modulatoren binden an einer topographisch anderen Stelle am Rezeptor als klassische orthostere Liganden und sind so in der Lage, die Dissoziation und die Assoziation orthosterer Agonisten und Antagonisten zu beeinflussen. Die f{\"u}nf Subtypen des Muscarinrezeptors M1-M5 unterscheiden sich vor allem in der Aminos{\"a}uresequenz der in den {\"a}ußeren Bereichen des Rezeptorproteins vorhandenen Loops, w{\"a}hrend sie im Bereich des Rezeptorkanals, wo die orthostere Bindungsstelle lokalisiert ist, eine hohe Sequenzhomologie aufweisen. Die gemeinsame Bindungsstelle allosterer Modulatoren des M2-Rezeptors befindet sich im weniger konservierten extrazellul{\"a}ren Bereich. Somit sind allostere Modulatoren in der Lage, spezifisch an einen der Rezeptorsubtypen zu binden. Als Leitstruktur zum Entwurf der im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten Verbindungen diente die Bis(ammonium)alkanverbindung W84. {\"U}ber Weg A wurden Phthals{\"a}ure- bzw. Naphthals{\"a}ureanhydridderivate in einer Kondensationsreaktion mit dem entsprechenden N,N-Dimethylpropan-1,3-diaminderivat zum jeweiligen Phthalimidopropylaminderivat umgesetzt. Durch die Reaktion von zwei {\"A}quivalenten des Amins mit einem {\"A}quivalent 1,6-Dibromhexan wurden dann die symmetrischen W84-Derivate erhalten. Um die unsymmetrischen W84-Derivate zu erhalten, musste zun{\"a}chst das jeweilige Phthalimidopropylamin einseitig durch 1,6-Dibromhexan alkyliert werden. Im letzten Schritt wurden {\"a}quimolare Mengen der alkylierten Verbindung und eines Phthalimidopropylamins umgesetzt. Da sich im Laufe der Arbeit die Methylierung an Position 2 der Propylketten als kritische Position zur Beeinflussung der Gleichgewichtsbindung herausstellte, wurden Verbindungen hergestellt, die an den Propylketten Alkylgruppen verschiedener L{\"a}nge tragen. Aus diesem Grund wurde Syntheseweg B entwickelt. Zun{\"a}chst wurden in mehreren Stufen, ausgehend von Malons{\"a}urediethylester, einfach und zweifach mit Alkylgruppen substituierte 1,3-Dibrompropanderivate hergestellt. Diese wurden dann mit Kaliumphthalimid zu den jeweiligen 3-Brompropylphthalimidderivaten umgesetzt. Zwei {\"A}quivalente dieser 3-Brompropylphthalimide reagierten mit einem {\"A}quivalent N,N,N',N'-Tetramethyl-1,6-hexandiamin zu den entsprechenden symmetrischen W84-Derivaten. Ein weiteres Ziel der Arbeit bestand darin, stark fluoreszierende W84-Derivate herzustellen. Die fluoreszierenden Eigenschaften N-substituierter Naphthalimide k{\"o}nnten zur direkten Charakterisierung allosterer Interaktionen oder zur Verfolgung des „Rezeptor-Traffickings" mittels Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie genutzt werden. Deshalb wurden in Position 3 und 4 des Naphthalimidringes des potentesten allosteren Modulators Aminogruppen eingef{\"u}hrt. Hexamethonio-Derivate beeinflussen in nennenswertem Maße bisher nur die Bindung von Antagonisten am M2-Rezeptor. Da die allostere und die orthostere Bindungsstelle r{\"a}umlich nahe zusammenliegen, wurde der Versuch unternommen, einen orthosteren Agonisten und einen allosteren Modulator in einem Molek{\"u}l miteinander zu verkn{\"u}pfen. Es wurden zw{\"o}lf Hybridmolek{\"u}le aus einem Teil des hochaffinen allosteren Modulators 3a und Derivaten des Muscarinagonisten Oxotremorin-M, verbunden durch aliphatische Spacer verschiedener L{\"a}nge, hergestellt. In pharmakologischen Testungen soll aufgekl{\"a}rt werden, ob es m{\"o}glich ist, mit einem Agonist/Alloster-Hybridmolek{\"u}l gleichzeitig die orthostere und die allostere Bindungsstelle zu besetzen. Die pharmakologische Testung der synthetisierten Verbindungen erfolgte durch Radioligandbindungsstudien. Der allostere Effekt der Testsubstanzen wurde indirekt {\"u}ber die Verz{\"o}gerung der Dissoziation des radioaktiv markierten orthosteren Antagonisten [3H]N-Methylscopolamin bestimmt. Alle bisquart{\"a}ren Testverbindungen weisen deutlich h{\"o}here Affinit{\"a}tswerte als die Leitstruktur W84 auf. Die 1,8-Naphthalimid-substituierten Verbindungen mit gleichzeitiger zweifacher Methylierung erwiesen sich als hochaffin und zugleich positiv kooperativ. Die wirksamste Verbindung dieser Serie ist Verbindung 3a (Naphmethonium), deren Affinit{\"a}t zum NMS-besetzten Rezeptor im einstelligen nanomolaren Bereich liegt (pEC50 = 8.36). Somit stellt Naphmethonium den potentesten in der Literatur bekannten allosteren Modulator des M2 Rezeptors dar. Mittels QSAR-Analysen wurden die ermittelten Affinit{\"a}ten zum freien und zum NMS-besetzten Rezeptor in Zusammenhang mit verschiedenen physikochemischen Parametern gebracht. Die Affinit{\"a}t zum NMS-besetzten Rezeptor der Verbindungen der Serie 2 l{\"a}sst sich mit hoher G{\"u}te durch das Volumen eines lateralen N-Methylimids in Kombination mit der benachbarten Dimethylierung der Propylkette beschreiben. Somit wird deutlich, dass zur Erzielung von positiver Kooperativit{\"a}t die Kombination aus einem hochaffinen aromatischen Imid in direkter Nachbarschaft zu einer 2,2-Alkylpropylkette essentiell ist.},
  subject      = {Muscarinrezeptor},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schmitz2008,
  author    = {Schmitz, Jens},
  title     = {Synthese von Liganden muscarinerger Rezeptoren - Allostere Modulatoren, bivalente Agonisten und Antagonisten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-28390},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2008},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese von Liganden muscarinerger Rezeptoren, die zur Superfamilie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren geh{\"o}ren. Die f{\"u}nf Muscarinrezeptor-Subtypen weisen im Bereich der orthosteren Bindungsstelle, an die u. a. der endogene Ligand Acetylcholin bindet, einen hohen Konservierungsgrad der Aminos{\"a}uresequenz auf. Alle Muscarinrezeptoren weisen neben der orthosteren Bindungsstelle auch eine oder mehrere allostere Bindungsstellen auf. Da diese sich im weniger konservierten extrazellul{\"a}ren Bereich des Rezeptors befinden, ist es m{\"o}glich subtypspezifische Liganden zu entwickeln. Allostere Modulatoren binden an diese topographisch andere Stelle des Rezeptors und sind in der Lage, gezielt die Bindung eines orthosteren Agonisten oder Antagonisten zu modulieren. Dies bedeutet, dass sie die Assoziation und die Dissoziation orthosterer Agonisten und Antagonisten beeinflussen k{\"o}nnen. Die Gleichgewichtsbindung des Orthosters kann erh{\"o}ht (d. h. positive Kooperativit{\"a}t), erniedrigt (d. h. negative Kooperativit{\"a}t) bzw. nicht beeinflusst (d. h. neutrale Kooperativit{\"a}t) werden. Das Ziel der Arbeit bestand zun{\"a}chst darin, die Synthese allosterer Modulatoren des M2-Rezeptors vom Bis(ammonium)alkan-Typ, wie W84 und Naphmethonium, zu optimieren. Da die Synthesen dieser bisquart{\"a}ren Verbindungen zeitaufw{\"a}ndig sind, wurden die Synthesen durch Einsatz einer Synthesemikrowelle optimiert, um neue Bis(ammonium)alkan-Verbindungen effizienter synthetisieren zu k{\"o}nnen. Der Vergleich beider Synthesemethoden (konventionell bzw. Mikrowellen-unterst{\"u}tzt) zeigt sehr deutlich, dass die Reaktionszeiten durch Einsatz einer Synthesemikrowelle drastisch verk{\"u}rzt werden konnten, insbesondere bei Verbindungen, die sehr lange Reaktionszeiten beanspruchen. Zus{\"a}tzlich konnten die Ausbeuten aller synthetisierten Verbindungen durch Mikrowellen-unterst{\"u}tzte Synthese z. T. deutlich gesteigert werden. Im Verlauf der Arbeit wurden unsymmetrisch und symmetrisch nitrosubstituierte Bisnaphthalimide hergestellt. Durch Mikrowellen-unterst{\"u}tzte Hydrierung unter Palladium/Kohle-Katalyse wurden anschließend die analogen aminosubstituierten Derivate erhalten. Ein weiteres Ziel der Arbeit bestand darin, ein Naphmethonium-Derivat herzustellen, das {\"u}ber einen Spacer mit einem geeigneten Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt werden kann. Ein Farbstoff-markierter allosterer Modulator k{\"o}nnte als ein wichtiges pharmakologisches Werkzeug zur direkten Charakterisierung allosterer Interaktionen und zur Verfolgung des „Rezeptor-Traffickings" mittels Fluoreszenzkorrelations-spektroskopie genutzt werden. Als Spacer diente eine Alkylkette mit endst{\"a}ndiger prim{\"a}rer Aminofunktion, die mit Alexa-Fluor 532 gekoppelt werden sollte. Zur Einf{\"u}hrung des Spacers wurden verschiedene Strategien verfolgt. Schließlich konnte Verbindung 3h {\"u}ber eine Chlorzwischenstufe hergestellt werden, {\"u}ber deren freie prim{\"a}re Aminogruppe der Fluoreszenzfarbstoff in weiteren Arbeiten gekoppelt werden kann. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Syntheseoptimierung des hochpotenten unselektiven Agonisten Iperoxo, das eine f{\"u}r akademische Zwecke wichtige Substanz in der pharmakologischen Testung und ein wichtiges Zwischenprodukt in der Synthese bivalenter Agonist/Alloster-Hybridverbindungen ist. Die Ausbeuten aller Stufen konnten erh{\"o}ht und die Gesamtausbeute signifikant von 13\% auf 22\% gesteigert werden. Außerdem wurden neue Agonisten hergestellt, die sich im Heterozyklus unterscheiden. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Synthese bivalenter Hybridverbindungen nach dem Nachrichten-Adressen-Modell von Schwyzer. Zum einen sollten Agonist/Alloster-Hybridverbindungen synthetisiert werden, wobei die in der Literatur beschriebene Hybridverbindung Hybrid 1 (W84 und Iperoxo) als Leitstruktur diente. So wurde im ersten Schritt eine auf der allosteren Seite verk{\"u}rzte Substanz ohne Phthalimidopropyl-Rest hergestellt (Hexamethonium und Iperoxo). Danach wurden verschiedene Funktionalit{\"a}ten an der lateralen quart{\"a}ren Ammoniumfunktion eingef{\"u}hrt. Daneben wurden erstmals Antagonist/Alloster-Hybridverbindungen hergestellt, die aus einem M2-selektiven allosteren Modulator (W84, Naphmethonium bzw. Hexamethonium) und einem subtypunspezifischen Antagonisten (Atropin bzw. Scopolamin) bestehen. Im ersten Schritt wurde der allostere Molek{\"u}lteil nach der optimierten Mikrowellen-unterst{\"u}tzten Synthese hergestellt. Die erhaltenen Zwischenstufen 2 wurden im Anschluss mit Atropin und Scopolamin in Acetonitril umgesetzt und die Antagonist/Alloster-Hybridverbindungen 34 und 35 erhalten. Die pharmakologische Testung der synthetisierten Verbindungen erfolgte durch Radioligandbindungsstudien an Herzventrikelgewebe des Hausschweins. Der allostere Effekt der Testsubstanzen wurde indirekt {\"u}ber die Verz{\"o}gerung der Dissoziation des radioaktiv markierten orthosteren Antagonisten [3H]N-Methylscopolamin.},
  subject      = {Chemische Synthese},
  language  = {de}
}