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Investigation of dynamic processes of prototypical class A GPCRs by single-molecule microscopy

Untersuchung von dynamischen Prozessen von prototypischen Klasse A GPCR's durch Einzelmolekülmikroskopie

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-199739
  • In this work, two projects were pursued. In the first project, I investigated two different subtypes of opioid receptors, which play a key role as target for analgesia. A set of subtype specific fluorescent ligands for μ opioid receptor (MOR) and δ opioid receptor (DOR) was characterised and used to gain insights into the diffusion behaviour of those receptors. It was shown that the novel ligands hold photophysical and pharmacological properties making them suitable for single-molecule microscopy. Applying them to wild-type receptorsIn this work, two projects were pursued. In the first project, I investigated two different subtypes of opioid receptors, which play a key role as target for analgesia. A set of subtype specific fluorescent ligands for μ opioid receptor (MOR) and δ opioid receptor (DOR) was characterised and used to gain insights into the diffusion behaviour of those receptors. It was shown that the novel ligands hold photophysical and pharmacological properties making them suitable for single-molecule microscopy. Applying them to wild-type receptors expressed in living cells revealed that both sub-types possess a heterogeneous diffusion behaviour. Further- more, the fluorescent ligands for the MOR were used to investigate homodomerisation, a highly debated topic. The results reveal that only ≈ 5 % of the receptors are present as homodimers, and thus the majority is monomeric. G-protein coupled receptors (GPCRs) play a major role as drug targets. Accordingly, understanding the activation process is very important. For a long time GPCRs have been believed to be either active or inactive. In recent years several studies have shown, that the reality is more complex, involving more substates. [1, 2, 3, 4] In this work the α 2A AR was chosen to investigate the activation process on a single-molecule level, thus being able to distinguish also rare or short-lived events that are hidden in ensemble mea- surements. With this aim, the receptor was labelled intracellular with two fluorophores using supported membranes. Thus it was possible to acquire movies showing qualita- tively smFRET events. Unfortunately, the functionality of the used construct could not be demonstrated. To recover the functionality the CLIP-tag in the third intracellular loop was replaced successfully with an amber codon. This stop codon was used to insert an unnatural amino acid. Five different mutants were created and tested and the most promising candidate could be identified. First ensemble FRET measurements indicated that the functionality might be recovered but further improvements would be needed. Overall, I could show that single-molecule microscopy is a versatile tool to investigate the behaviour of typical class A GPCRs. I was able to show that MOR are mostly monomeric under physiological expression levels. Furthermore, I could establish intra- cellular labelling with supported membranes and acquire qualitative smFRET events.show moreshow less
  • In dieser Arbeit wurden zwei Projekte verfolgt. Im ersten Projekt wurden zwei Subtypen der Opioidrezeptoren untersucht, die eine wichtige Rolle für die Wirksamkeit von Analgetika spielen. Ein Set von subtypspezifischen fluoreszierenden Liganden für den MOR und den DOR wurde charakterisiert und eingesetzt, um Einblicke in das Diffuionsverhalten der Rezeptoren zu gewinnen. Es konnte gezeigt werden, dass die neuartigen Liganden sowohl photophysikalische als auch pharmakologische Eigenschaften besitzen, die sie für die EinzelmolekülmikroskopieIn dieser Arbeit wurden zwei Projekte verfolgt. Im ersten Projekt wurden zwei Subtypen der Opioidrezeptoren untersucht, die eine wichtige Rolle für die Wirksamkeit von Analgetika spielen. Ein Set von subtypspezifischen fluoreszierenden Liganden für den MOR und den DOR wurde charakterisiert und eingesetzt, um Einblicke in das Diffuionsverhalten der Rezeptoren zu gewinnen. Es konnte gezeigt werden, dass die neuartigen Liganden sowohl photophysikalische als auch pharmakologische Eigenschaften besitzen, die sie für die Einzelmolekülmikroskopie interessant machen. Versuche mit Opioidrezeptoren, die in lebenden Zellen exprimiert werden, zeigten, dass beide Subtypen heterogenes Diffuionsverhalten aufweisen. Des Weiteren wurden die fluoreszierenden Liganden für den MOR genutzt um Homodimerisierung zu untersuchen, da dies ein kontrovers diskutiertes Thema ist. Die Ergebnisse zeigen, dass lediglich ≈ 5% der Rezeptoren als Homodimere vorliegen und der Großteil monomerisch ist. GPCRs sind besonderem Interesse, weil sie Angriffspunkt vieler Medikamente sind. Deshalb ist es wichtig ihren Aktivierungsmechanismus besser zu verstehen. Lange Zeit wurde angenommen, dass GPCRs entweder aktiv oder inaktiv sind. Neuere Studien zeigten jedoch, dass die Realität komplexer ist und der Prozess Zwischenschritte involviert. [1, 2, 3, 4] In dieser Arbeit wurde der α 2A Adrenorezeptor als prototypischer Klasse A GPCR gewählt, um den Aktivierungsprozess auf Einzelmoleküllevel zu untersuchen. Durch die Betrachtung einzelner Rezeptoren ist es möglich auch seltene oder sehr kurzlebige Ereignisse zu unterscheiden, die in Kollektivmessungen untergehen. Um dies zu erreichen wurde der Rezeptor erfolgreich intrazellulär mit zwei Fluorophoren markiert. Dies gelang durch die Herstellung von „supported membranes", also Zellmembranen die auf einem Objektträger fixiert wurden. Dadurch war es möglich Videos aufzunehmen, die Einzelmolekül-FRET-Ereignisse zeigen. Jedoch gelang es nicht zu zeigen, dass der Rezeptor als Ganzes noch funktional war. Um einen funktionalen Rezeptor zu erhalten, wurde das CLIP-Tag in der dritten intrazellulären Schleife erfolgreich durch ein Stopcodon ersetzt, welches für eine nicht kanonische Aminosäure kodierte. Fünf verschiedene Mutanten wurden kloniert und getestet, wobei der vielversprechendste Mutant identifiziert werden konnte. Erste FRET-Kollektivmessungen deuten darauf hin, dass dieser Mutant funktional sein könnte. Jedoch sind weitere Verbesserungen nötig. Insgesamt konnte ich zeigen, dass Einzelmolekülmikroskopie vielseitige Möglichkeiten bietet um das Verhalten von GPCRs zu untersuchen. Ich konnte nachweisen, dass MOR unter physiologischen Bedingungen hauptsächlich als Monomere vorliegen. Des Weiteren konnte ich Dank supported membranes die Markierung durch Farbstoffe im Intrazellularbereich etablieren und qualitative smFRET Ereignisse aufnehmen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Kerstin SeierORCiD
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-199739
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Graduate Schools
Faculties:Graduate Schools / Graduate School of Life Sciences
Medizinische Fakultät / Institut für Pharmakologie und Toxikologie
Referee:Prof. Dr. Dr. Davide Calebiro
Date of final exam:2020/01/30
Language:English
Year of Completion:2020
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-19973
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:PhD thesis pharmacology; GPCR dimerisation
Tag:opioid receptor; single-molecule imaging
Release Date:2020/02/17
Licence (German):License LogoCC BY-NC-ND: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Nicht kommerziell, Keine Bearbeitungen 4.0 International