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Isolde Erlenbach

• G­Protein­gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) stellen eine der größten in der Natur vorkommenden Proteinfamilien dar (Watson and Arkinstall, 1994). GPCRs sind plasmamembranständige Proteine, die mit heterotrimären G­Proteinen interagieren und eine Vielzahl an Signaltransduktionswegen aktivieren. Trotz der strukturellen Vielfalt der an GPCRs angreifenden Liganden stimulieren die meisten GPCRs nur eine begrenzte Anzahl strukturell sehr ähnlicher G­Proteine (Hedin et al., 1993; Conklin and Bourne, 1993). Die Aufklärung der molekularen Mechanismen, die dieser Rezeptor/G­Protein­Kopplungsselektivität zugrunde liegen, ist von fundamentaler Wichtigkeit für das Verständnis zellulärer Signaltransduktion. Ausführliche Struktur­Funktionsanalysen verschiedener Neurotransmitter­ rezeptoren, einschließlich der Muskarinrezeptoren (Wess, 1996) und adrenergen Rezeptoren (Dohlman et al., 1991; Savarese and Fraser, 1992; Strader et al., 1994), haben einen beträchtlichen Beitrag zur Identifizierung der strukturellen Elemente, die für die G­Protein­Kopplungsselektivität dieser Rezeptorgruppe verantwortlich sind, geleistet. Im Gegensatz dazu ist bisher noch weitgehend ungeklärt, welche molekularen Mechanismen der Kopplungsselektivität von GPCRs, die durch Peptidliganden aktiviert werden, zugrunde liegen. Das Ziel dieser Arbeit war daher, molekulare Grundlagen der G­Protein­ Kopplungsselektivität von Peptid­GPCRs näher zu untersuchen und aufzuklären. Die Vasopressinrezeptorfamilie unterscheidet sich von nahezu allen anderen Peptid­GPCRs darin, daß die einzelnen Rezeptorsubtypen deutlich unterschiedliche G­Protein­ Kopplungspräferenzen aufweisen. Die V1a­ und V1b­Vasopressinrezeptoren stimulieren selektiv G­Proteine der Gq/11 ­Familie, was zur Aktivierung von Phospholipase­Cbeta-Isomeren führt. Im Gegensatz dazu koppelt der V2­Vasopressinrezeptor vornehmlich an das G­Protein G s , was in einem Anstieg an intrazellulärem cAMP resultiert. Daher stellen die Vasopressinrezeptorsubtypen ein attraktives Modellsystem zum Studium der Peptid­ GPCR­Rezeptordomänen, die für die selektive G­Protein­Aktivierung verantwortlich sind, dar. Als Modellsystem für diese Arbeit diente primär der V2­Vasopressinrezeptor. Molekulare Faktoren, die die Gs ­ Kopplungsselektivität des V2­ Vasopressinrezeptors bestimmen. Eine frühere Studie zeigte, daß die Gegenwart der V1a­Rezeptorsequenz in der zweiten intrazellulären (i2) Schleife notwendig war, um den Wildtyp V1a und V1a/V2­ Rezeptorchimären effizient an Gq/11 ­Proteine zu koppeln (Liu and Wess, 1996). Effiziente Interaktionen zwischen Wildtyp V2 oder V1a/V2­Rezeptorchimären und dem G­Protein G s waren hingegen hauptsächlich von V2­Rezeptorsequenzen in der dritten intrazellulären (i3) Schleife abhängig. Um die molekularen Grundlagen der Gs ­ Kopplungsselektivität des V2­Rezeptors näher zu untersuchen, wurden zunächst klassische Mutagenesetechniken (zielgerichtete Mutagenese'') angewandt. Definierte V2­Rezeptorsegmente (oder einzelne Aminosäuren) wurden in den V1a­Rezeptor transferiert, und die resultierenden Hybrid­Vasopressinrezeptoren wurden anschließend in funktionellen Studien auf ihre Fähigkeit, hormonabhängig intrazelluläre cAMP­ Konzentrationen zu steigern (G s ­vermittelt), getestet. Diese Strategie schien besonders geeignet, da die Aktivierung des V1a­Wildtyprezeptors nahezu keine Auswirkungen auf intrazelluläre cAMP­Spiegel hat. Wie bereits erwähnt, ist die effiziente Kopplung des V2­Rezeptors an das Gs ­ Protein vornehmlich von V2­Rezeptorsequenzen in der i3­Schleife abhängig (Liu and Wess, 1996). Eine V1a­Rezeptormutante, deren i3­Schleife durch die homologe V2­ Rezeptorsequenz ersetzt worden war, war in der Lage, effizient mit Gs zu interagieren. Die Fähigkeit dieser Rezeptormutante, Gs zu aktivieren, war jedoch im Vergleich zum V2­Wildtyprezeptor vermindert. Diese Beobachtung ließ die Vermutung zu, daß noch andere intrazelluläre V2­Rezeptordomänen zur optimalen Gs ­Kopplung notwendig sind. Daher wurde zunächst eine Reihe von V1a/V2­Rezeptorchimären erzeugt, die den Beitrag der zweiten (i2) und vierten intrazellulären (i4) Rezeptordomäne zur V2­ Rezeptor/G s ­Kopplungsselektivität klären sollten. Funktionelle Untersuchungen der resultierenden Hybrid­Rezeptormutanten in Säugetierzellen (COS­7) zeigten, daß ein kurzes Segment im N­terminalen Abschnitt der i4­Domäne einen deutlichen Beitrag zur V2­Rezeptor/G s ­Kopplungsselektivität leistet. Eine V1a­Rezeptormutante, welche in der i3­Schleife und dem N­terminalen Segment der i4­Domäne (Ni4) homologe V2­ Rezeptorsequenzen enthielt, zeigte ein funktionelles Profil (EC 50 und E max ), welches mit dem V2­Wildtyprezeptor nahezu deckungsgleich war. Anschließend wurden strukturelle Elemente innerhalb der i3­Schleife näher untersucht. Funktionelle Analysen zeigten, daß der N­terminale Abschnitt der i3­Schleife weitgehend das G­Protein­Kopplungsprofil des V2­Rezeptors bestimmt. Eine Reihe von V1a­Rezeptormutanten wurde erzeugt, in denen kurze Segmente des N­terminalen Bereichs der i3­Schleife mit der entsprechenden V2­Rezeptorsequenz ausgetauscht wurden. Funktionelle Untersuchungen ergaben, daß ein Aminosäurepaar (Gln225, Val226) und ­triplet (Phe229, Arg 230, Glu231) am Beginn der i3­Schleife des V2­ Rezeptors für die effiziente Aktivierung von Gs von entscheidender Bedeutung sind. Durch Punktmutationen in diesem Bereich wurden zwei polare Aminosäuren, Gln225 und Glu231, identifiziert, die für die effiziente V2­Rezeptor/G s ­Interaktion essentiell sind. Untersuchungen mit anderen GPCR­Klassen (Dohlman et al., 1991; Savarese and Fraser, 1992; Strader et al., 1994; Wess, 1996) haben ebenfalls gezeigt, daß dem N­ Terminus der i3­Schleife eine besondere Rolle im Rezeptor/G­Protein­Kopplungsprozeß zukommt. In diesen Studien wird berichtet, daß vornehmlich hydrophobe und ungeladene Aminosäuren Schlüsselrollen in der rezeptorvermittelten G­Protein­Aktivierung einnehmen. Die hier beschriebenen Untersuchungen hingegen ergaben, daß zwei polare/geladene Aminosäuren, Gln225 und Glu231, für die V2­Rezeptor/G s ­Kopplung von besonderer Wichtigkeit sind und zeigen daher, daß die Rezeptor/G­Protein­ Kopplungsselektivität nicht auf ausschließlich hydrophoben Wechselwirkungen beruht. Desweiteren konnte beobachtet werden, daß die Länge der i3­Schleife die Effizienz, mit der der V2­Rezeptor G­Proteine der Gs ­Klasse zu aktivieren vermag, beeinflußen kann. Die V1a­ und V2­Rezeptoren weisen unterschiedlich lange i3­ Schleifen auf (die i3­Schleife des V2­Rezeptors ist 13 Aminosäuren kürzer als die des V1a­Rezeptors). Eine V1a­Rezeptormutante, deren N­terminaler Abschnitt der i3­ Schleife durch homologe V2­Rezeptorsequenz ersetzt wurde, konnte deutlich effizienter mit Gs interagieren, wenn der mittlere Abschnitt der i3­Schleife um elf Aminosäuren verkürzt wurde. Gleichermaßen konnte die effiziente Kopplung bestimmter V1a/V2­Hybridrezeptoren an Gs durch Einfügen von elf Aminosäuren in den zentralen Bereich der i3­Schleife deutlich gehemmt werden. Diese Ergebnisse legen nahe, daß der zentrale Bereich der i3­Schleife die Rezeptor/G­Protein­Kopplungsselektivität beeinflussen kann, obgleich diese Rezeptordomäne vermutlich nicht direkt mit dem G­Protein interagiert. Es ist denkbar, daß die Länge der i3­Schleife den Zugang des G­Proteins zu funktionell wichtigen Rezeptordomänen, z.B. Aminosäuren im Bereich der fünften Transmembrandomäne (TM V) und der i3­Schleife, reguliert. Identifizierung einzelner Aminosäuresubstitutionen und Aminosäuredeletionen, die die G­Protein­Kopplungsselektivität des V2­Rezeptors beeinflussen: Einsatz von Hefeexpressionstechnologie und zufallsgerichteter Mutagenese (random mutagenesis'') Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Hefe­(Saccharomyces cerevisiae)­ Expressionstechnologien angewandt, um Struktur­Funktionsanalysen des V2­Rezeptors zu erleichtern und Beschränkungen klassischer Mutagenesetechniken zu überwinden. Der V2­Wildtyprezeptor und verschiedene G­Proteinchimären aus Hefe­ und Säugetier­Galpha­ Untereinheiten wurden in genetisch modifizierten Hefelinien, deren Zellwachstum von effizienter Rezeptor/G­Protein­Kopplung abhängig war, co­exprimiert. In diesem System aktiviert produktive Rezeptor/G­Protein­Kopplung den Hefe­MAP­Kinase/Pheromon­ Signaltransduktionsweg. Dies führt zur Transkription des FUS1­HIS3­Reportergens und somit zur Expression von His3­Protein, was den Histidin­auxotrophen (his3) Hefelinien ermöglicht, in histidinfreiem Medium zu wachsen (Pausch et al., 1998). Es konnte gezeigt werden, daß heterolog exprimierte V2­Rezeptoren weder mit der Hefe­G­Protein­ alpha­Untereinheit (Gpa1p) noch mit einem mutierten Gpa1­Protein, in dem die C­terminalen fünf Aminosäuren gegen homologe Galpha q ­Sequenz ausgetauscht worden waren (Gq5), effizient interagierten. Im Gegensatz dazu erwies sich die Interaktion zwischen dem V2­ Rezeptor und einem mutierten Gpa1­Protein, dessen C­terminale fünf Aminosäuren die homologe Galpha s ­Sequenz enthielten (Gs5), als hocheffizient. Diese Beobachtungen zeigten, daß der V2­Rezeptor im Hefesystem sein physiologisches Kopplungsprofil beibehielt. Zur weiteren Validierung des Hefeexpressionssystems wurden die G q/11 ­ gekoppelten M 1 ­, M 3 ­ und M 5 ­Muskarinrezeptoren und verschiedene mutierte Vasopressin­ und M 3 ­Muskarinrezeptoren mit veränderten funktionellen Eigenschaften heterolog in Hefe exprimiert. Funktionelle Analysen zeigten, daß die Wildtyprezeptoren und die verschiedenen Rezeptormutanten in Hefe und Säugetierzellen ähnliche Phänotypen aufwiesen. Um zu untersuchen, weshalb der V2­Rezeptor nicht effizient an G­Proteine der Gq/11 ­Familie koppelt, sollte der in Hefe exprimierte V2­Rezeptor zufallsgerichteter Mutagenese (random mutagenesis'') unterzogen und Mutanten mit veränderten G­ Protein­Kopplungeigenschaften isoliert werden. Im speziellen wurde die i2­Schleife untersucht, da eine frühere Studie gezeigt hatte, daß vornehmlich die i2­Schleife des V1a­ Rezeptors für die V1a­Rezeptor/G q/11 ­Kopplungsselektivität verantwortlich ist (Liu and Wess, 1996). Mittels zufallsgerichteter Mutagenesetechnik wurde in Hefe eine Bibliothek von V2­Rezeptormutanten erzeugt, deren i2­Schleife Mutationen mit einer Mutageneserate von ungefähr 10% (auf der Nukleotidebene) enthielt. Anschließend wurden in einem Selektionsverfahren (screen'') 30 000 V2­Rezeptormutanten auf ihre Fähigkeit, mit Gq5 zu interagieren, überprüft. Es konnten vier V2­Rezeptormutanten isoliert werden, welche effizient an Gq5 (jedoch nicht an Hefe­Gpa1p) koppelten. Funktionelle Untersuchungen mit diesen und anderen mittels zielgerichteter Mutagenese erzeugter V2­Rezeptormutanten zeigten, daß die Substitution einer einzigen Aminosäure (Met145) im zentralen Bereich der i2­Schleife beträchtliche Auswirkungen auf die Rezeptor/G­Protein­Kopplungsselektivität hatte. Die Fähigkeit des V2­Rezeptors, produktiv mit Gq5 zu interagieren, war von der Anwesenheit relativ großer, hydrophober Aminosäuren wie Leucin und Tryptophan abhängig. Austausch von Met145 mit kleinen Aminosäuren wie Glycin oder Alanin erlaubte dem V2­Rezeptor nicht, Gq5 zu aktivieren. Interessanterweise interagierten alle V2­Rezeptormutanten, die eine Met145­ Punktmutation aufwiesen, mit Gs5 ähnlich effizient wie der V2­Wildtyprezeptor. Die Unfähigkeit der V2(Met145Gly)­ und V2(Met145Ala)­Rezeptoren, Gq5 zu aktivieren, beruht daher nicht auf einem Faltungsdefizit. Gleichermaßen basierte die Fähigkeit der V2(Met145Trp)­ und V2(Met145Leu)­Rezeptoren, produktiv an Gq5 zu koppeln, nicht auf der Überexpression von Rezeptorprotein. Diese Ergebnisse zeigen, daß die chemische Eigenschaft der Aminosäure an Position 145 die V2­Rezeptor/G­Protein­ Kopplungsselektivität reguliert. Interessanterweise befindet sich in allen anderen Subtypen der Vasopressin/Oxytocin­Rezeptorfamilie (V1a­, V1b­, und Oxytocin­ Rezeptoren), welche selektiv an G­Proteine der G q/11 ­Klasse gekoppelt sind, ein Leucin an der Stelle, die zu Met145 (V2­Rezeptorsequenz) homolog ist. Eine der vier ursprünglich isolierten V2­Rezeptormutanten enthielt neben verschiedenen Punktmutationen eine Deletion in Position Met145. In detaillierteren zielgerichteten Mutagenese­Studien wurden zwei V2­Rezeptormutanten erzeugt, die alle drei G­Proteine (Gq5, Gs5 und Gpa1p) aktivieren konnten. Um zu untersuchen, ob ein generelles Verkürzen der i2­Schleife um eine Aminosäure der Grund für die beobachtete Rezeptor/G­Protein­Promiskuität ist, wurden verschiedene V2­Rezeptormutanten erzeugt, in denen einzelne Aminosäuren unmittelbar N­ und C­terminal von Met145 deletiert worden waren. Funktionelle Untersuchungen ergaben, daß die Deletion einzelner Aminosäuren N­terminal von Met145 (Ile141delta, Cys142delta, Arg143delta oder Pro144delta) in V2­Rezeptormutanten resultierte, die nicht mit G­Proteinen interagieren konnten. Radioligand­Bindungsstudien zeigten, daß diese V2­Rezeptormutanten keine V2­Liganden binden konnten, was darauf schließen läßt, daß Deletionen einzelner Aminosäuren N­terminal von Met145 zu mißgefalteten Rezeptoren führen. Die Aminosäuren Ile141­Pro144 befinden sich am Beginn der i2­Schleife, unmittelbar neben der alpha­helikalen zytoplasmatischen Verlängerung der dritten Transmembrandomäne (TM III) in der Nähe des hochkonservierten DRY(H)­Motivs. Es ist denkbar, daß Aminosäuren innerhalb des Ile141­Pro144­Segments mit den zytoplasmatischen Abschnitten von TM III und/oder TM V interagieren und diese Wechselwirkungen die Rezeptorstruktur stabilisieren. Im Gegensatz dazu hatten Deletionen unmittelbar C­ terminal von Met145 (Leu146delta, Ala147delta, Tyr148delta oder Arg149delta) keinerlei Auswirkungen auf die Funktion des V2­Rezeptors. Diese Aminosäuren befinden sich im zentralen Bereich der i2­Schleife, der nicht mit den transmembranären Domänen des Rezeptorproteins interagieren kann.