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G-Protein gekoppelte Rezeptoren für Parathormon : molekulare Determinanten der intrazellulären Signalwegankopplung

G-protein coupled receptors for parathyroid hormone: molecular insights into intracellular signalling

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-17213
  • In der vorliegenden Dissertation gelang es, die strukturellen und molekularen Determinanten der PTH-Rezeptoren für die Ankopplung an intrazelluläre Signalwege näher zu charakterisieren. Die Regulation des Kalzium-, Phosphat- und Knochenstoffwechsels wird zum erheblichen Teil über den PTH1-Rezeptor (P1R) vermittelt. Parathormon (PTH) aktiviert am P1R mindestens zwei Signalwege: den durch zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) vermittelten Weg und den Phospholipase C-Signalweg (PLC). Der nahe verwandte PTH2-Rezeptor (P2R) kann außer durch PTHIn der vorliegenden Dissertation gelang es, die strukturellen und molekularen Determinanten der PTH-Rezeptoren für die Ankopplung an intrazelluläre Signalwege näher zu charakterisieren. Die Regulation des Kalzium-, Phosphat- und Knochenstoffwechsels wird zum erheblichen Teil über den PTH1-Rezeptor (P1R) vermittelt. Parathormon (PTH) aktiviert am P1R mindestens zwei Signalwege: den durch zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) vermittelten Weg und den Phospholipase C-Signalweg (PLC). Der nahe verwandte PTH2-Rezeptor (P2R) kann außer durch PTH auch über das tuberoinfundibiläre Peptid (TIP39) aktiviert werden. Jedoch besitzt dieser Rezeptor keine Ankopplung an den PLC-Signalweg. Zur Aufklärung der strukturellen und molekularen Determinaten der intrazellulären Signalwegankopplung wurden verschiedene Versuchsansätze ausgewählt, die eine Untergliederung dieser Arbeit in drei Teilprojekte ermöglicht: 1) Die PTH-Rezeptoren sind wichtige Vertreter der Klasse II der G-Protein gekoppelten Rezeptoren. Ein Vergleich der Aminosäuresequenzen der siebten Transmembrandomäne dieser Klasse zeigt ein hoch konserviertes, cytosolnahes „YCFXN“-Motiv in diesem Bereich. Im ersten Teil dieser Arbeit konnte durch Punktmutationen der einzelnen Aminosäuren dieses Motivs gezeigt werden, dass dieser Abschnitt eine entscheidende Determinierungsregion dieser Rezeptorfamilie sowohl für die Ankopplung an den cAMP-Weg, als auch an den PLC-Signalweg darstellt. Die Untersuchungen legen die Vermutung nahe, dass dieser Bereich für die Stabilisierung der Konformation dieser Rezeptoren von großer Bedeutung ist. 2) In einem zweiten Abschnitt dieser Arbeit wurde durch stufenweise Angleichung des P2R an den P1R eine Reihe von funktionell exprimierten P2R/P1R Hybridrezeptoren hergestellt, die eine Übereinstimmung des intrazellulären Bereichs des P1R von bis zu 95 % erreichen. Der Nachweis des PLC-Signalwegs durch die Bestimmung der akkumulierten Gesamtinositolphosphate und des intrazellulären Kalziums zeigte eindrucksvoll, dass trotz einer weitgehenden intrazellulären Übereinstimmung der Aminosäuresequenz des P2R mit dem P1R die Eigenschaft des P1R an den PLC-Signalweg zu koppeln nicht auf den P2R übertragen werden kann. Dies legt nahe, dass auch extrazelluläre Bereiche und Transmembranabschnitte die Ankopplung an intrazelluläre Signalwege steuern. Im Weiteren konnte für den cAMP-Signalweg durch diese Hybridrezeptoren gezeigt werden, dass im Kontext des P2R eingefügte Teilabschnitte des P1R (C-Terminus, zweite und dritte intrazelluläre Schleife ) zusammenwirken und eine effizientere Ankopplung an den cAMP-Weg ermöglichen. Weiterführende Untersuchungen der Membrantranslokation von beta Arrestin2 mit einer anschließenden Internalisierung des Rezeptors zeigten, dass sowohl der P2R als auch die hiervon abgeleiteten Hybridrezeptoren selektiv durch Stimulation mit TIP39, nicht jedoch nach einer Stimulation mit PTH, eine Translokation bewirken. Dieses Ereignis ist von den untersuchten Signalwegen (cAMP-, PLC- und Mitogen-aktivierte Proteinkinase (MAPK)-Signalweg) unabhängig. Erstmals wurde hier gezeigt, dass der P2R eine Phosphorilierung von MAPK bewirkt, wobei hierfür einer beta-Arrestin2 Translokation nicht notwendig ist. Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass der PTH-Rezeptor in unterschiedlichen Rezeptorkonformationen existiert, so dass einzelne Rezeptorabschnitte unabhängig voneinander verschiedene Signale aktivieren können. 3) Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit der Identifikation von intrazellulären Interaktionspartnern des humanen P1R. Neue Protein–Interaktionen mit dem humanen P1R wurden mit einem „Yeast-two-Hybrid“ System identifiziert. Mit Hilfe dieser Methode konnte, als ein potentiell bedeutender intrazellulärer Interaktionspartner des humanen P1R, das PDZ-Protein PDZK1 identifiziert werden. Es gelang mit Hilfe von Koimmunpräzipitations-Experimenten und von GST-pull-down-Assays die Interaktion von PDZK1 mit dem P1R zu verifizieren. PDZK1 bindet an eine Liganden-Bindungsdomäne innerhalb des C-terminalen Abschnitts des P1R, vermutlich an die letzten vier Aminosäuren. Durch einen Hefe-Interaktionstest konnte von den vier in diesem Protein vorkommenden PDZ-Domänen die PDZ1-Domäne als einzige selektiv mit dem P1R interagierende Domäne identifiziert werden. In der Niere interagiert PDZK1 über die PDZ3-Domäne mit dem Na/Pi-Transporter IIa. Eine attraktive Hypothese ist daher die Funktion von PDZK1 als einem Bindeglied zwischem dem Rezeptor und dem Transporter und die damit einhergehende PTH- vermittelte Regulation des Phosphattransports in der Niere. Diese Hypothese bedarf aber nochweiterer funktioneller Analysen (z.B. durch Untersuchungen an PDZK1 Knock-Out Mäusen).show moreshow less
  • In this project we identified structural and molecular determinants of the PTH receptor familiy with importance for coupling to intracellular signaling pathways. The PTH1-receptor (P1R) is involved in the systemic regulation of calcium and phosphate metabolism, and plays a decisive role in bone metabolism. PTH achieves this by activation of at least two intracellular signalling pathways: the adenylyl cylase (AC) and the phospholipase C (PLC) pathway. The closely related PTH2-receptor (P2R) is, in addition to PTH, also activated byIn this project we identified structural and molecular determinants of the PTH receptor familiy with importance for coupling to intracellular signaling pathways. The PTH1-receptor (P1R) is involved in the systemic regulation of calcium and phosphate metabolism, and plays a decisive role in bone metabolism. PTH achieves this by activation of at least two intracellular signalling pathways: the adenylyl cylase (AC) and the phospholipase C (PLC) pathway. The closely related PTH2-receptor (P2R) is, in addition to PTH, also activated by tuberoinfundibular peptide of 39 residues (TIP 39), but unlike the P1R, does not couple to the PLC signaling pathway. This project achieved the identification of structural and molecular deteminatnts by three different approaches: 1) The PTH receptors belong to the class II of G-protein coupled receptors. A comparison of the amino acid sequences of the seventh transmembrane domain shows a highly conserved “YCFXN”-motif near the cytosolic interface of this domain. To examine the role of this conserved motif individual point mutations of these amino acids were generated and evaluated. Studies of the receptor mutants obtained showed that this region plays an important role in coupling to the adenylyl cylase pathway as well as to the PLC signaling pathway. The data obtained in this work suggests that the “YCFXN”-motif is of significant importance for the stabilisation of the receptor conformation. 2) To identify the structural features responsible for activating the PLC pathway, we engineered a series of hybrid P1R/P2R receptor chimeras by gradually adapting the P2R’s cytosolic interface to a P1R-like sequence. These modifications of key differing regions in the second and third loop, and the C-terminal tail allowed for > 95 % of P1R sequence in the cytosolic interface of the P2R. Despite these changes it was not possible to transfer the property of P1R to couple to the PLC signaling pathway to the P2R as shown impressively by the lack of activation of the PLC signaling pathway using measurements of inositol and intracellular calcium. Apparently, extracellular regions as well as transmembrane domains are required for selective coupling to intracellular signaling pathways. By contrast we could show for the cAMP signaling pathway, that when > 95 % of the P2R´s cytosolic interface had a P1R-like sequence, P1R epitopes apparently interacted with each other to result in a more efficient coupling to the cAMP signaling pathway. Stimulation of the receptor by its ligands leads to translocation of -arrestin2 to the cell surface thus initiating internalisation of the receptor. The P2R, as well as the hybrid P1R/P2R receptor chimeras, showed beta arrestin2 translocation selectively after stimulation with TIP39 but not after stimulation with PTH. Ligand-induced translocation of beta-arrestin2 was completely independent from cAMP-, PLC- and mitogen activated proteinkinases (MAPK) signaling pathways in the P2R and its derived chimeric mutants. Furthermore, we could show here for the first time, that the P2R can activate MAPK and that this is independent from a beta-arrestin2 translocation. In conclusion, the PTH-receptors can exist in different receptor conformations which apparently allow the receptors to activate different signals independently. 3) Another goal of this work was the identification of intracellular proteins interacting with the human P1R. A yeast-two-hybrid system was used to identify new protein-protein interactions of the human P1R. Using this method a possible important interacting protein could be identified. This protein was a PDZ-protein, named PDZK1. To verify this interaction co-immunoprecipitation experiments as well as GST-pull-down experiments were done. Binding of PDZK1 occurred within the C terminal region of the P1R and there probably within the last four amino acids. PDZK1 has four PDZ-domains of which the first one was the exclusively interacting domain with the P1R, as determined by a additional yeast-two-hybrid interaction experiment. In kidney the interaction of PDZK1 with the Na/Pi-transporter type IIa occurs via the third PDZ-domain. A hypothesis is that PDZK1 acts as a connecting link between the receptor and the transporter together with a PTH-mediated regulation of the phosphate-transport in kidney. However, this hypothesis will require further studies (e.g. experiments with PDZK1 knock-out mice).show moreshow less

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Metadaten
Author: Ulla Heindel
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-17213
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Medizinische Fakultät / Medizinische Klinik (bis 2004)
Date of final exam:2006/03/03
Language:German
Year of Completion:2005
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Parathormon; Rezeptor; Intrazellulärraum; Signaltransduktion
Tag:G-Protein gekoppelte Rezeptoren; Inositol; PDZ; PTH; cAMP
G-protein coupled receptors; PDZ; PLC; PTH; cAMP
Release Date:2006/03/07
Advisor:PD Dr. Eberhard Blind