Assemblage oligomérique des récepteurs couplés aux protéines G avec les RAMPs

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) constituent la plus grande classe de récepteurs membranaires impliqués dans la transmission des signaux extracellulaires. Traditionnellement, la transmission de la signalisation par les RCPGs implique l’activation d’une protéine G hétéro-trimérique qui pourra à son tour moduler l’activité de divers effecteurs intracellulaires. Ce schéma classique de signalisation s’est complexifié au fils des années et l’on sait maintenant qu’en plus d’interagir avec les protéines G, les RCPGs s’associent avec une panoplie d’autres protéines afin de transmettre adéquatement les signaux extracellulaires. En particulier, la découverte d’une famille de protéines transmembranaires modulant la fonction des RCPGs, baptisées protéines modifiant l’activité des récepteurs (« receptor activity-modifying proteins » ; RAMPs), a changé la façon de concevoir la signalisation par certains RCPGs. Dans le cas du récepteur similaire au récepteur de la calcitonine (« calcitonin-like receptor » ; CLR), l’association avec les RAMPs permet l’acheminement à la surface cellulaire du récepteur tout en modulant ses propriétés pharmacologiques. Lorsqu’il est associé avec RAMP1, le CLR fonctionne comme un récepteur du peptide relié au gène de la calcitonine (« calcitonin gene-related peptide » ; CGRP), alors qu’il devient un récepteur de l’adrénomedulline lorsqu’il interagit avec RAMP2 ou RAMP3. D’autre part, en plus d’interagir avec des protéines accessoires transmembranaires telles les RAMPs, les RCPGs peuvent aussi s’associer entre eux pour former des oligomères de récepteurs. Dans cette thèse, nous nous sommes penchés sur les interactions entre les RCPGs et les RAMPs, et plus particulièrement sur l’interrelation entre ce type d’association RCPG/RAMP et l’assemblage en oligomères de récepteurs, en utilisant le récepteur du CGRP comme modèle d’étude. Une première étude nous a tout d’abord permis de confirmer l’interaction entre le récepteur CLR et RAMP1, dans un contexte de cellules vivantes. Nous avons démontré que ce complexe CLR/RAMP1 active la protéine G et recrute la protéine de signalisation -arrestine suite à une stimulation par le CGRP. Ensuite, nous avons déterminé que même s’il doit obligatoirement former un hétéro-oligomère avec les RAMPs pour être actif, le CLR conserve malgré tout sa capacité à interagir avec d’autres RCPGs. En plus d’observer la présence d’homo-oligomère de CLR, nous avons constaté que tout comme les RCPGs, les RAMPs peuvent eux-aussi s’associer entre eux pour former des complexes oligomériques pouvant comprendre différents sous-types (RAMP1/RAMP2 et RAMP1/RAMP3). Cette observation de la présence d’homo-oligomères de CLR et de RAMP1, nous a amené à nous questionner sur la stœchiométrie d’interaction du complexe CLR/RAMP1. Dans une deuxième étude ayant pour but d’établir la composition moléculaire du récepteur CGRP1 in vivo, nous avons développé une nouvelle approche permettant l’étude de l’interaction entre trois protéines dans un contexte de cellules vivantes. Cette technique baptisée BRET/BiFC, est basée sur le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence entre un donneur luminescent, la Renilla luciférase, et un accepteur fluorescent, la protéine fluorescente jaune (YFP), reconstituée suite au ré-assemblage de ces deux fragments. En utilisant cette approche, nous avons pu déterminer que le récepteur CGRP1 est constitué d’un homo-oligomère de CLR interagissant avec un monomère de RAMP1. En démontrant un assemblage oligomérique asymétrique pour le récepteur CGRP1 à partir d’une nouvelle approche biophysique, nous croyons que les travaux présentés dans cette thèse ont contribué à élargir nos connaissances sur le fonctionnement de la grande famille des RCPGs, et seront utile à la poursuite des recherches sur les complexes protéiques impliqués dans la signalisation.

Développement d'un biosenseur BRET permettant le criblage de drogues qui causent l'activation de canaux Kir3 via les récepteurs couplés aux protéines G

Les récepteurs couplés aux protéines G forment des complexes multimériques comprenant protéines G et effecteurs. Nous cherchons à caractériser de tels complexes comprenant les récepteurs opioïdes delta (DOR) et les canaux Kir3, qui nous sont d’intérêt vu leur implication dans l’analgésie des opioïdes. Des expériences d’immunopurification, de BRET et de liaison GTPgS ont été réalisées à l’intérieur de cellules HEK293 transfectées. Les canaux Kir3 ont été co-immunopurifiés avec les DOR, suggérant une interaction spontanée entre récepteur et effecteur. Des essais BRET ont corroboré que l’interaction était présente dans des cellules vivantes et nous ont permis d’identifier une interaction spontanée et spécifique entre DOR/Gg et Gg/Kir3, indiquant leur coexistence en un même complexe. Puisque l’activation du récepteur implique la présence de changements conformationnels à l’intérieur de celui-ci, nous étions intéressés à vérifier si l’information conformationnelle circule à partir du récepteur lié au ligand jusqu’à l’effecteur en aval. Ainsi, nous avons déterminé l’effet de différents ligands sur le signal BRET généré par les paires suivantes : DOR/Gbg, DOR/Kir3 et Kir3/Gbg. Nous avons constaté une modulation de l’interaction DOR/Gbg et Gbg/Kir3 suivant l’ordre d’efficacité des ligands à stimuler la protéine G, ce que nous n’avons pas observé entre DOR et Kir3. Donc, nous concluons que l’information conformationnelle circule du récepteur au canal Kir3 via la protéine Gbg. Ces résultats nous ont permis de développer un biosenseur BRET (EYFP-Gg2/Kir3.1-Rluc) qui pourrait être utilisé dans le criblage à haut débit afin de détecter de nouvelles molécules ayant une grande efficacité à activer les canaux Kir3.

Identification de nouveaux partenaires protéiques des récepteurs couplés aux protéines G contrôlant leur transport du reticulum endoplasmique à la membrane plasmique

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) forment la plus grande et la plus diversifiée des familles de protéines localisées à la surface cellulaire et responsables de la transmission de signaux à l’intérieur des cellules. D’intenses recherches effectuées au cours des trente dernières années ont mené à l’identification de dizaines de protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant la signalisation, la désensibilisation, l’internalisation et la dégradation de ces importantes cibles pharmacologiques. Contrairement aux processus régulant l’activité des récepteurs à partir de la membrane plasmique, les mécanismes moléculaires contrôlant la biosynthèse des RCPGs dans le reticulum endoplasmique (RE) et leur transport jusqu’à la surface cellulaire sont très peu caractérisés. Une meilleure compréhension de ces processus nécessite l’identification de la machinerie protéique responsable de la maturation des RCPGs. Un crible protéomique basé sur le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), qui permet la mesure d’interactions protéiques dans les cellules vivantes, a mené à l’identification de plusieurs nouvelles protéines localisées dans la voie de sécrétion et interagissant potentiellement avec les RCPGs. Ces protéines étant localisées dans les compartiments cellulaires (reticulum endoplasmique et appareil de Golgi) responsables de la synthèse, du repliement adéquat et du transport à la membrane plasmique des récepteurs, il est très probable qu’elles soient impliquées dans le contrôle de l’expression des RCPGs à la surface cellulaire. La caractérisation de l’homologue humain de cornichon 4 (CNIH4), un nouvel intéracteur des RCPGs identifié dans le crible, a démontré que cette protéine localisée dans les compartiments précoces de la voie de sécrétion (RE et ERGIC) interagit de façon sélective avec les RCPGs. De plus, la suppression de l’expression endogène de cette protéine préalablement non-caractérisée, diminue le transport à la membrane plasmique d’un récepteur, indiquant que CNIH4 influence positivement l’export des RCPGs du RE. Ceci est supporté par l’observation que la surexpression de CNIH4 à de faibles niveaux favorise la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE. Nous avons également pu démontrer que CNIH4 est associée à la protéine Sec23, une des composantes de l’enveloppe des vésicules COPII qui sont responsables du transport des protéines du RE vers le Golgi, suggérant que CNIH4 pourrait favoriser le recrutement des récepteurs dans ces vésicules. La surexpression de CNIH4 à de très hauts niveaux provoque également la rétention intracellulaire des récepteurs. Cet effet dominant négatif pourrait être causé par la titration d’un autre facteur d’export des RCPGs. Une deuxième étude a permis de révéler que la protéine transmembranaire 9 (TMEM9), un nouvel intéracteur des RCPGs également identifié dans le crible, interagit sélectivement avec les récepteurs et avec CNIH4. La surexpression de cette protéine aux fonctions précédemment inconnues, rétablit le transport normal d’un récepteur en présence de CNIH4 surexprimée. De plus, la co-expression de TMEM9 potentialise la capacité de CNIH4 à augmenter la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE, suggérant que ces deux protéines forment un complexe régulant la maturation des RCPGs. Au cours de cette thèse, de nouvelles protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant leur expression à la membrane plasmique ont donc été identifiées, permettant une meilleure compréhension des mécanismes régulant le transport des récepteurs du RE à la surface cellulaire.

Functional Analysis of Nuclear beta-Adrenergic Receptors in the Myocardium

Récemment plusieurs récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) ont été caractérisés au niveau des membranes intracellulaires, dont la membrane nucléaire. Notre objectif était de déterminer si les sous-types de récepteurs β-adrénergiques (βAR) et leurs machineries de signalisation étaient fonctionnels et localisés à la membrane nucléaire des cardiomyocytes. Nous avons démontré la présence des β1AR et β3AR, mais pas du β2AR à la membrane nucléaire de myocytes ventriculaires adultes par immunobuvardage, par microscopie confocale, et par des essais fonctionnels. De plus, certains partenaires de signalisation comme les protéines GαS, Gαi, l’adénylate cyclase II, et V/VI y étaient également localisés. Les sous-types de βAR nucléaires étaient fonctionnels puisqu'ils pouvaient lier leurs ligands et activer leurs effecteurs. En utilisant des noyaux isolés, nous avons observé que l'agoniste non-sélectif isoprotérénol (ISO), et que le BRL37344, un ligand sélectif du β3AR, stimulaient l'initiation de la synthèse de l’ARN, contrairement à l'agoniste sélectif du β1AR, le xamotérol. Cette synthèse était abolie par la toxine pertussique (PTX). Cependant, la stimulation des récepteurs nucléaires de type B de l’endothéline (ETB) causaient une réduction de l'initiation de la synthèse d’ARN. Les voies de signalisations impliquées dans la régulation de la synthèse d’ARN par les RCPGs ont ensuite été étudiées en utilisant des noyaux isolés stimulés par des agonistes en présence ou absence de différents inhibiteurs des voies MAP Kinases (proteines kinases activées par mitogènes) et de la voie PI3K/PKB. Les protéines impliquées dans les voies de signalisation de p38, JNK, ERK MAP Kinase et PKB étaient présents dans les noyaux isolés. L'inhibition de PKB par la triciribine, inhibait la synthèse d’ARN. Nous avons ensuite pu mettre en évidence par qPCR que la stimulation par l’ISO entrainait une augmentation du niveau d'ARNr 18S ainsi qu’une diminution de l'expression d’ARNm de NFκB. En contraste, l’ET-1 n’avait aucun effet sur le niveau d’expression de l’ARNr 18S. Nous avons ensuite montré que la stimulation par l’ISO réduisait l’expression de plusieurs gènes impliqués dans l'activation de NFκB, tandis que l’inhibition de ERK1/2 et PKB renversait cet effet. Un microarray global nous a ensuite permis de démontrer que les βARs et les ETRs nucléaires régulaient un grand nombre de gènes distincts. Finalement, les βARs et ETRs nucléaires augmentaient aussi une production de NO de noyaux isolés, ce qui pouvait être inhibée par le LNAME. Ces résultats ont été confirmés dans des cardiomyocytes intacts en utilisant des analogues cagés et perméables d’ISO et de l'ET-1: l'augmentation de NO nucléaire détectée par DAF2-DA, causée par l'ET-1 et l'ISO, pouvait être prévenue par le LNAME. Finalement, l’augmentation de l’initiation de la transcription induite par l'ISO était aussi bloquée par le L-NAME ou par un inbitheur de PKG, le KT5823, suggérant que la voie NO-GC-PKG est impliquée dans la régulation de la transcription par les βAR. En conclusion, les βARs et les ETRs nucléaires utilisent des voies de signalisation différentes et exercent ainsi des effets distincts sur l’expression des gènes cardiaques. Ils représentent donc une avenue intéressante pour le développement de drogues pharmacologiques.

Étude des déterminants moléculaires de la signalisation des récepteurs couplés aux protéines G et développement d'outils pour l'étude de l'effecteur bêta-arrestine.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la plus grande famille de protéines membranaires du génome humain. Ils transmettent les signaux extracellulaires provenant de plusieurs stimuli comme les odeurs, les ions, les hormones et les neurotransmetteurs, à l'intérieur des cellules. En se liant aux RCPGs, ces molécules contribuent à la stabilisation des changements conformationnels activateurs qui se propagent jusqu'au domaine intracellulaire des récepteurs. Ces derniers engagent ensuite un ou plusieurs effecteurs, comme les protéines G hétérotrimériques et les β-arrestines (βarrs), qui activent une cascade d'événements moléculaires menant à la réponse cellulaire.Récemment, la publication de structures cristallines de RCPGs liant des ligands diffusibles a offert une opportunité de raffiner à une résolution atomique les modèles des mécanismes de transduction des signaux. Dans la première partie de cette thèse, nous avons donc exploré les déterminants de la signalisation du récepteur prototypique β2-adrénergique (β2AR), induite par les β-bloqueurs. En ne tenant compte que de leur efficacités sur le β2AR dans les voies de l'adénylate cyclase (AC) et des protéines kinases activées par les facteurs mitogéniques (MAPK), les β-bloqueurs peuvent être classés en 3 groupes distincts (agoniste inverse AC / agoniste MAPK, antagoniste neutre AC / agoniste MAPK et agoniste inverse AC / agoniste inverse MAPK). Afin de déterminer le lien entre leur efficacité et leur mode de liaison, nous avons réalisé des expériences d'arrimages moléculaires in silico entre des β-bloqueurs de chacun des groupes et la structure cristalline du β2AR liée au carazolol. De manière intéressante, les ligands à l'intérieur d'un groupe partagent un mode de liaison, alors que ceux des ligands entre les groupes divergent, suggérant que le mode de liaison des β-bloqueurs pourrait être utilisé pour prédire leur l'efficacité. En accord avec cette hypothèse, nous avons prédit et confirmé l'efficacité agoniste MAPK du carazolol, un inverse agoniste AC du β2AR se liant au récepteur de manière similaire au groupe inverse agoniste AC / agoniste MAPK. De manière intéressante, le groupement aryl des ligands agonistes inverses agonistes AC / agoniste MAPK, le seul groupement chimique variable de ce groupe, est prédite pour lier la région des 3e et 5e hélices transmembranaires (TM3 et TM5). Nous avons donc émis l'hypothèse que cette région pourrait être un déterminant de l'efficacité de ces ligands. En accord avec cette dernière, la mutation de 2 résidus (T118I, S203A) localisés proches du site de liaison des groupements aryls des β-bloqueurs, prévient l'efficacité agoniste inverse de l'ICI-118551 sur la voie de l'AC sans affecter l'efficacité d'un agoniste, indiquant que cette région est importante pour la transmission de l'effet agoniste inverse, du moins sur la voie de l'AC. Les βarrs sont des protéines d'échafaudage qui coordonnent la formation de complexes avec plusieurs dizaines d'effecteurs de signalisation. Originalement identifiées pour leur rôle dans la désensibilisation et l'internalisation des RCPGs, elles sont aussi d'importants effecteurs de la signalisation des RCPGs indépendante des protéines G hétérotrimériques. Cependant, contrairement aux protéines G hétérotrimériques, il n'existe que peu d'outils pour les étudier. Ainsi, la deuxième partie de la thèse est dédiée au développement d'outils pour l'étude des βarrs. À cette fin, nous avons d'abord tenté de transposer une méthode de mesure de l'interaction entre 2 protéines par la technologie de transfert d'énergie de bioluminescence par résonance (BRET) en microscopie et chez des souris transgéniques afin de mesurer de manière subcellulaire et dans un contexte natif l'engagement de la βarr à des RCPGs. Ainsi, nous avons établi les preuves de principe que le BRET peut être utilisé pour localiser l'interaction entre la βarr et le récepteur de la vasopressine de type 2 (V2R) sur une cellule au microscope et pour détecter l'interaction entre la βarr et le β2AR sur des tissus de souris transgéniques exprimant ces protéines fusionnées avec des partenaires BRET. Finalement, il n'existe aucun inhibiteur pharmacologique ciblant les βarrs. Ainsi, grâce à la combinaison d'approches de criblage virtuel sur un modèle de la structure des βarrs et d'essais de validation cellulaire, nous avons développé un inhibiteur pharmacologique des βarrs. À l'aide de cet outil, nous avons confirmé l'implication des βarrs dans l'activation des MAPK par le V2R, mais aussi montré un nouveau rôle des βarrs dans le recyclage du β2AR. Les connaissances et outils développés dans cette thèse permettront de mieux comprendre les déterminants moléculaires de la signalisation des RCPGs et entre autres, grâce à des nouvelles approches pour étudier le rôle cellulaire et physiologique des βarrs.

Oligomers of D-2 dopamine receptors - Evidence from ligand binding

There is increasing evidence that G protein-coupled receptors form oligomers and that this might be important for their function. We have studied this phenomenon for the D-2 dopamine receptor and have shown-using a variety of biochemical and biophysical techniques-that this receptor forms dimers or higher-order oligomers. Using ligand-binding studies, we have also found evidence that this oligomer formation has functional relevance. Thus, for the receptor expressed in either CHO cells or Sf 9 insect cells, the binding properties of several radioligands (in saturation, competition, and dissociation assays) do not conform to those expected for a monomeric receptor with a single binding site. We propose that the receptors exist in oligomers with homotropic and heterotropic negatively cooperative interactions between ligands.

Oligomers of D-2 dopamine receptors: evidence from ligand binding

There is increasing evidence that G protein-coupled receptors form oligomers and that this might be important for their function. We have studied this phenomenon for the D-2 dopamine receptor and have shown-using a variety of biochemical and biophysical techniques-that this receptor forms dimers or higher-order oligomers. Using ligand-binding studies, we have also found evidence that this oligomer formation has functional relevance. Thus, for the receptor expressed in either CHO cells or Sf 9 insect cells, the binding properties of several radioligands (in saturation, competition, and dissociation assays) do not conform to those expected for a monomeric receptor with a single binding site. We propose that the receptors exist in oligomers with homotropic and heterotropic negatively cooperative interactions between ligands

Agonist-selective, receptor-specific interaction of human P-2Y receptors with beta-arrestin-1 and-2

Interaction of G-protein-coupled receptors with beta-arrestins is an important step in receptor desensitization and in triggering "alternative" signals. By means of confocal microscopy and fluorescence resonance energy transfer, we have investigated the internalization of the human P2Y receptors 1, 2, 4, 6, 11, and 12 and their interaction with beta-arrestin-1 and -2. Co-transfection of each individual P2Y receptor with beta-arrestin-1-GFP or beta-arrestin-2-YFP into HEK-293 cells and stimulation with the corresponding agonists resulted in a receptor-specific interaction pattern. The P2Y(1) receptor stimulated with ADP strongly translocated beta-arrestin-2-YFP, whereas only a slight translocation was observed for beta-arrestin-1-GFP. The P2Y(4) receptor exhibited equally strong translocation for beta-arrestin-1-GFP and beta-arrestin-2YFP when stimulated with UTP. The P2Y(6), P2Y(11), and P2Y(12) receptor internalized only when GRK2 was additionally cotransfected, but beta-arrestin translocation was only visible for the P2Y(6) and P2Y(11) receptor. The P2Y(2) receptor showed a beta-arrestin translocation pattern that was dependent on the agonist used for stimulation. UTP translocated beta-arrestin-1-GFP and beta-arrestin-2-YFP equally well, whereas ATP translocated beta-arrestin-1-GFP to a much lower extent than beta-arrestin2- YFP. The same agonist-dependent pattern was seen in fluorescence resonance energy transfer experiments between the fluorescently labeled P2Y(2) receptor and beta-arrestins. Thus, the P2Y(2) receptor would be classified as a class A receptor when stimulated with ATP or as a class B receptor when stimulated with UTP. The ligand-specific recruitment of beta-arrestins by ATP and UTP stimulation of P2Y(2) receptors was further found to result in differential stimulation of ERK phosphorylation. This suggests that the two different agonists induce distinct active states of this receptor that show differential interactions with beta-arrestins.

Protein phosphatase 2A mediates resensitization of the neurokinin 1 receptor

Activated G protein-coupled receptors (GPCRs) are phosphorylated and interact with beta-arrestins, which mediate desensitization and endocytosis. Endothelin-converting enzyme-1 (ECE-1) degrades neuropeptides in endosomes and can promote recycling. Although endocytosis, dephosphorylation, and recycling are accepted mechanisms of receptor resensitization, a large proportion of desensitized receptors can remain at the cell surface. We investigated whether reactivation of noninternalized, desensitized (phosphorylated) receptors mediates resensitization of the substance P (SP) neurokinin 1 receptor (NK(1)R). Herein, we report a novel mechanism of resensitization by which protein phosphatase 2A (PP2A) is recruited to dephosphorylate noninternalized NK(1)R. A desensitizing concentration of SP reduced cell-surface SP binding sites by only 25%, and SP-induced Ca(2+) signals were fully resensitized before cell-surface binding sites started to recover, suggesting resensitization of cell-surface-retained NK(1)R. SP induced association of beta-arrestin1 and PP2A with noninternalized NK(1)R. beta-Arrestin1 small interfering RNA knockdown prevented SP-induced association of cell-surface NK(1)R with PP2A, indicating that beta-arrestin1 mediates this interaction. ECE-1 inhibition, by trapping beta-arrestin1 in endosomes, also impeded SP-induced association of cell-surface NK(1)R with PP2A. Resensitization of NK(1)R signaling required both PP2A and ECE-1 activity. Thus, after stimulation with SP, PP2A interacts with noninternalized NK(1)R and mediates resensitization. PP2A interaction with NK(1)R requires beta-arrestin1. ECE-1 promotes this process by releasing beta-arrestin1 from NK(1)R in endosomes. These findings represent a novel mechanism of PP2A- and ECE-1-dependent resensitization of GPCRs.

Protease-activated receptor 2 (PAR2) protein and transient receptor potential vanilloid 4 (TRPV4) protein coupling is required for sustained inflammatory signaling

G protein-coupled receptors of nociceptive neurons can sensitize transient receptor potential (TRP) ion channels, which amplify neurogenic inflammation and pain. Protease-activated receptor 2 (PAR(2)), a receptor for inflammatory proteases, is a major mediator of neurogenic inflammation and pain. We investigated the signaling mechanisms by which PAR(2) regulates TRPV4 and determined the importance of tyrosine phosphorylation in this process. Human TRPV4 was expressed in HEK293 cells under control of a tetracycline-inducible promoter, allowing controlled and graded channel expression. In cells lacking TRPV4, the PAR(2) agonist stimulated a transient increase in [Ca(2+)](i). TRPV4 expression led to a markedly sustained increase in [Ca(2+)](i). Removal of extracellular Ca(2+) and treatment with the TRPV4 antagonists Ruthenium Red or HC067047 prevented the sustained response. Inhibitors of phospholipase A(2) and cytochrome P450 epoxygenase attenuated the sustained response, suggesting that PAR(2) generates arachidonic acid-derived lipid mediators, such as 5',6'-EET, that activate TRPV4. Src inhibitor 1 suppressed PAR(2)-induced activation of TRPV4, indicating the importance of tyrosine phosphorylation. The TRPV4 tyrosine mutants Y110F, Y805F, and Y110F/Y805F were expressed normally at the cell surface. However, PAR(2) was unable to activate TRPV4 with the Y110F mutation. TRPV4 antagonism suppressed PAR(2) signaling to primary nociceptive neurons, and TRPV4 deletion attenuated PAR(2)-stimulated neurogenic inflammation. Thus, PAR(2) activation generates a signal that induces sustained activation of TRPV4, which requires a key tyrosine residue (TRPV4-Tyr-110). This mechanism partly mediates the proinflammatory actions of PAR(2).

Protease-activated receptors: mechanisms by which proteases sensitize TRPV channels to induce neurogenic inflammation and pain

Proteolytic enzymes comprise approximately 2 percent of the human genome [1]. Given their abundance, it is not surprising that proteases have diverse biological functions, ranging from the degradation of proteins in lysosomes to the control of physiological processes such as the coagulation cascade. However, a subset of serine proteases (possessing serine residues within their catalytic sites), which may be soluble in the extracellular fluid or tethered to the plasma membrane, are signaling molecules that can specifically regulate cells by cleaving protease-activated receptors (PARs), a family of four G-protein-coupled receptors (GPCRs). These serine proteases include members of the coagulation cascade (e.g., thrombin, factor VIIa, and factor Xa), proteases from inflammatory cells (e.g., mast cell tryptase, neutrophil cathepsin G), and proteases from epithelial tissues and neurons (e.g., trypsins). They are often generated or released during injury and inflammation, and they cleave PARs on multiple cell types, including platelets, endothelial and epithelial cells, myocytes, fibroblasts, and cells of the nervous system. Activated PARs regulate many essential physiological processes, such as hemostasis, inflammation, pain, and healing. These proteases and their receptors have been implicated in human disease and are potentially important targets for therapy. Proteases and PARs participate in regulating most organ systems and are the subject of several comprehensive reviews [2, 3]. Within the central and peripheral nervous systems, proteases and PARs can control neuronal and astrocyte survival, proliferation and morphology, release of neurotransmitters, and the function and activity of ion channels, topics that have also been comprehensively reviewed [4, 5]. This chapter specifically concerns the ability of PARs to regulate TRPV channels of sensory neurons and thereby affect neurogenic inflammation and pain transmission [6, 7].

Protease-activated receptors: protease signaling in the gastrointestinal tract

Serine proteases from the circulation, inflammatory cells, digestive glands and microorganisms can signal to cells by cleaving protease-activated receptors (PARs), a family of four G-protein-coupled receptors. Proteases cleave PARs at specific sites to expose tethered ligand domains that bind to and activate the cleaved receptors. Despite this irreversible mechanism of activation, PAR signaling is tightly regulated to prevent the uncontrolled stimulation of cells. Although PARs are found in all organ systems, protease signaling is of particular interest in the gastrointestinal tract, where proteases regulate neurotransmission, secretion, motility, epithelial permeability and intestinal inflammation, and can thus contribute to disease.

Activation of the mitogen-activated protein kinase cascade by pertussis toxin-sensitive and -insensitive pathways in cultured ventricular cardiomyocytes.

The involvement of pertussis toxin (PTX)-sensitive and -insensitive pathways in the activation of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade was examined in ventricular cardiomyocytes cultured from neonatal rats. A number of agonists that activate heterotrimeric G-protein-coupled receptors stimulated MAPK activity after exposure for 5 min. These included foetal calf serum (FCS), endothelin-1 (these two being the most effective of the agonists examined), phenylephrine, endothelin-3, lysophosphatidic acid, carbachol, isoprenaline and angiotensin II. Activation of MAPK and MAPK kinase (MEK) by carbachol returned to control levels within 30-60 min, whereas activation by FCS was more sustained. FPLC on Mono Q showed that carbachol and FCS activated two peaks of MEK and two peaks of MAPK (p42MAPK and p44MAPK). Pretreatment of cells with PTX for 24 h inhibited the activation of MAPK by carbachol, FCS and lysophosphatidic acid, but not that by endothelin-1, phenylephrine or isoprenaline. Involvement of G-proteins in the activation of the cardiac MAPK cascade was demonstrated by the sustained (PTX-insensitive) activation of MAPK (and MEK) after exposure of cells to AlF4-. AlF4- activated PtdIns hydrolysis, as did endothelin-1, endothelin-3, phenylephrine and FCS. In contrast, the effect of lysophosphatidic acid on PtdIns hydrolysis was small and carbachol was without significant effect even after prolonged exposure. We conclude that PTX-sensitive (i.e. Gi/G(o)-linked) and PTX-insensitive (i.e. Gq/Gs-linked) pathways of MAPK activation exist in neonatal ventricular myocytes. FCS may stimulate the MAPK cascade through both pathways.

Novel endogenous peptide agonists of cannabinoid receptors

Hemopressin (Hp), a 9-residue alpha-hemoglobin-derived peptide, was previously reported to function as a CB(1) cannabinoid receptor antagonist (1). In this study, we report that mass spectrometry (MS) data from peptidomics analyses of mouse brain extracts identified N-terminally extended forms of Hp containing either three (RVD-Hp alpha) or two (VD-Hp alpha) additional amino acids, as well as a beta-hemoglobinderived peptide with sequence similarity to that of hemopressin (VD-Hp beta). Characterization of the alpha-hemoglobin-derived peptides using binding and functional assays shows that in contrast to Hp, which functions as a CB(1) cannabinoid receptor antagonist, both RVD-Hp alpha and VD-Hp alpha function as agonists. Studies examining the increase in the phosphorylation of ERK1/2 levels or release of intracellular Ca(2+) indicate that these peptides activate a signal transduction pathway distinct from that activated by the endo-cannabinoid, 2-arachidonoylglycerol, or the classic CB(1) agonist, Hu-210. This finding suggests an additional mode of regulation of endogenous cannabinoid receptor activity. Taken together, these results suggest that the CB(1) receptor is involved in the integration of signals from both lipid-and peptide-derived signaling molecules.-Gomes, I., Grushko, J. S., Golebiewska, U., Hoogendoorn, S., Gupta, A., Heimann, A. S., Ferro, E. S., Scarlata, S., Fricker, L. D., Devi, L. A. Novel endogenous peptide agonists of cannabinoid receptors. FASEB J. 23, 3020-3029 (2009). www.fasebj.org

Tyrosine kinase modulation of protein kinase C activity regulates G protein-linked Ca2+ signaling in leukemic hematopoietic cells

We have used a recombinant mouse pre-B cell line (TonB210.1, expressing Bcr/Abl under the control of an inducible promoter) and several human leukemia cell lines to study the effect of high tyrosine kinase activity on G protein-coupled receptor (GPCR) agonist-stimulated cellular Ca(2+) release and store-operated Ca(2+) entry (SOCE). After induction of Bcr/Abl expression, GPCR-linked SOCE increased. The effect was reverted in the presence of the specific Abl inhibitor imatinib (1microM) and the Src inhibitor PP2 (10microM). In leukemic cell lines constitutively expressing high tyrosine kinase activity, Ca(2+) transients were reduced by imatinib and/or PP2. Ca(2+) transients were enhanced by specific inhibitors of PKC subtypes and this effect was amplified by tyrosine kinase inhibition in Bcr/Abl expressing TonB210.1 and K562 cells. Under all conditions Ca(2+) transients were essentially blocked by the PKC activator PMA. In Bcr/Abl expressing (but not in native) TonB210.1 cells, tyrosine kinase inhibitors enhanced PKCalpha catalytic activity and PKCalpha co-immunoprecipitated with Bcr/Abl. Unlike native TonB210.1 cells, Bcr/Abl expressing cells showed a high rate of cell death if Ca(2+) influx was reduced by complexing extracellular Ca(2+) with BAPTA. Our data suggest that tonic inhibition of PKC represents a mechanism by which high tyrosine kinase activity can enhance cellular Ca(2+) transients and thus exert profound effects on the proliferation, apoptosis and chemotaxis of leukemic cells.