The use of site-directed mutagenesis to study GPCRs

G protein coupled receptors (GPCRs) are highly flexible and dynamic proteins, which are able to interact with diverse ligands, effectors, and regulatory proteins. Site-directed mutagenesis (SDM) is a powerful tool for providing insight into how these proteins actually work, both in its own right and when used in conjunction with information provided by other techniques such as crystallography or molecular modelling. Mutagenesis has been used to identify and characterise a myriad of functionally important residues, motifs and domains within the GPCR architecture, and to identify aspects of similarity and differences between the major families of GPCRs. This chapter presents the necessary information for undertaking informative SDM of these proteins. Whilst this is relevant to protein structure/function studies in -general, specific pitfalls and protocols suited to investigating GPCRs in particular will be highlighted.

Evidence that interaction between conserved residues in transmembrane helices 2, 3, and 7 are crucial for human VPAC1 receptor activation

The VPAC(1) receptor belongs to family B of G protein-coupled receptors (GPCR-B) and is activated upon binding of the vasoactive intestinal peptide (VIP). Despite the recent determination of the structure of the N terminus of several members of this receptor family, little is known about the structure of the transmembrane (TM) region and about the molecular mechanisms leading to activation. In the present study, we designed a new structural model of the TM domain and combined it with experimental mutagenesis experiments to investigate the interaction network that governs ligand binding and receptor activation. Our results suggest that this network involves the cluster of residues Arg(188) in TM2, Gln(380) in TM7, and Asn(229) in TM3. This cluster is expected to be altered upon VIP binding, because Arg(188) has been shown previously to interact with Asp(3) of VIP. Several point mutations at positions 188, 229, and 380 were experimentally characterized and were shown to severely affect VIP binding and/or VIP-mediated cAMP production. Double mutants built from reciprocal residue exchanges exhibit strong cooperative or anticooperative effects, thereby indicating the spatial proximity of residues Arg(188), Gln(380), and Asn(229). Because these residues are highly conserved in the GPCR-B family, they can moreover be expected to have a general role in mediating function.

Extracellular loops 1 and 3 and their associated transmembrane regions of the calcitonin receptor-like receptor are needed for CGRP receptor function

The first and third extracellular loops (ECL) of G protein-coupled receptors (GPCRs) have been implicated in ligand binding and receptor function. This study describes the results of an alanine/leucine scan of ECLs 1 and 3 and loop-associated transmembrane (TM) domains of the secretin-like GPCR calcitonin receptor-like receptor which associates with receptor activity modifying protein 1 to form the CGRP receptor. Leu195Ala, Val198Ala and Ala199Leu at the top of TM2 all reduced aCGRP-mediated cAMP production and internalization; Leu195Ala and Ala199Leu also reduced aCGRP binding. These residues form a hydrophobic cluster within an area defined as the "minor groove" of rhodopsin-like GPCRs. Within ECL1, Ala203Leu and Ala206Leu influenced the ability of aCGRP to stimulate adenylate cyclase. In TM3, His219Ala, Leu220Ala and Leu222Ala have influences on aCGRP binding and cAMP production; they are likely to indirectly influence the binding site for aCGRP as well as having an involvement in signal transduction. On the exofacial surfaces of TMs 6 and 7, a number of residues were identified that reduced cell surface receptor expression, most noticeably Leu351Ala and Glu357Ala in TM6. The residues may contribute to the RAMP1 binding interface. Ile360Ala impaired aCGRP-mediated cAMP production. Ile360 is predicted to be located close to ECL2 and may facilitate receptor activation. Identification of several crucial functional loci gives further insight into the activation mechanism of this complex receptor system and may aid rational drug design.

Improving recombinant human adenosine A2A receptor production in yeast

Over 50% of clinically-marketed drugs target membrane proteins; in particular G protein-coupled receptors (GPCRs). GPCRs are vital to living cells, performing an active role in many processes, making them integral to drug development. In nature, GPCRs are not sufficiently abundant for research and their structural integrity is often lost during extraction from cell membranes. The objectives of this thesis were to increase recombinant yield of the GPCR, human adenosine A2A receptor (hA2AR) by investigating bioprocess conditions in large-scale Pichia pastoris and small-scale Saccharomyces cerevisiae cultivations. Extraction of hA2AR from membranes using novel polymers was also investigated. An increased yield of hA2AR from P. pastoris was achieved by investigating the methanol feeding regime. Slow, exponential feed during induction (μlow) was compared to a faster, exponential feed (μhigh) in 35 L pilot-scale bioreactors. Overall hA2AR yields were increased for the μlow cultivation (536.4pmol g-1) compared to the μhigh148.1 pmol g-1. hA2AR levels were maintained in cytotoxic methanol conditions and unexpectedly, pre-induction levels of hA2AR were detected. Small-scale bioreactor work showed that Design of Experiments (DoE) could be applied to screen for bioprocess conditions to give optimal hA2AR yields. Optimal conditions were retrieved for S. cerevisiae using a d-optimal screen and response surface methodology. The conditions were 22°C, pH 6.0, 30% DO without dimethyl sulphoxide. A polynomial equation was generated to predict hA2AR yields if conditions varied. Regarding the extraction, poly (maleic anhydride-styrene) or PMAS was successful in solubilising hA2AR from P. pastoris membranes compared with dodcecyl-β-D-maltoside (DDM) detergent. Variants of PMAS worked well as solubilising agents with either 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DMPC) or cholesteryl hemisuccinate (CHS). Moreover, esterification of PMAS improved solubilisation, suggesting that increased hydrophobicity stabilises hA2AR during extraction. Overall, hA2AR yields were improved in both, P. pastoris and S. cerevisiae and the use of novel polymers for efficient extraction was achieved.

Novel, isoform-selective, cholecystokinin A receptor antagonist inhibits colon and pancreatic cancers in preclinical models through novel mechanism of action

Colon and pancreatic cancers contribute to 90,000 deaths each year in the USA. These cancers lack targeted therapeutics due to heterogeneity of the disease and multiple causative factors. One important factor that contributes to increased colon and pancreatic cancer risk is gastrin. Gastrin mediates its actions through two G-protein coupled receptors (GPCRs): cholecystokinin receptor A (CCK-A) and CCK-B/gastrin receptor. Previous studies have indicated that colon cancer predominantly expresses CCK-A and responds to CCK-A isoform antagonists. However, many CCK-A antagonists have failed in the clinic due to poor pharmacokinetic properties or lack of efficacy. In the present study, we synthesized a library of CCK-A isoform-selective antagonists and tested them in various colon and pancreatic cancer preclinical models. The lead CCK-A isoform, selective antagonist PNB-028, bound to CCK-A at 12 nM with a 60-fold selectivity towards CCK-A over CCK-B. Furthermore, it inhibited the proliferation of CCK-A-expressing colon and pancreatic cancer cells without affecting the proliferation of non-cancerous cells. PNB-028 was also extremely effective in inhibiting the growth of MAC-16 and LoVo colon cancer and MIA PaCa pancreatic cancer xenografts in immune-compromised mice. Genomewide microarray and kinase-array studies indicate that PNB-028 inhibited oncogenic kinases and angiogenic factors to inhibit the growth of colon cancer xenografts. Safety pharmacology and toxicology studies have indicated that PNB-028 is extremely safe and has a wide safety margin. These studies suggest that targeting CCK-A selectively renders promise to treat colon and pancreatic cancers and that PNB-028 could become the next-generation treatment option.

GPCR-styrene maleic acid lipid particles (GPCR-SMALPs):their nature and potential

G-protein-coupled receptors (GPCRs) form the largest class of membrane proteins and are an important target for therapeutic drugs. These receptors are highly dynamic proteins sampling a range of conformational states in order to fulfil their complex signalling roles. In order to fully understand GPCR signalling mechanisms it is necessary to extract the receptor protein out of the plasma membrane. Historically this has universally required detergents which inadvertently strip away the annulus of lipid in close association with the receptor and disrupt lateral pressure exerted by the bilayer. Detergent-solubilized GPCRs are very unstable which presents a serious hurdle to characterization by biophysical methods. A range of strategies have been developed to ameliorate the detrimental effect of removing the receptor from the membrane including amphipols and reconstitution into nanodics stabilized by membrane scaffolding proteins (MSPs) but they all require exposure to detergent. Poly(styrene-co-maleic acid) (SMA) incorporates into membranes and spontaneously forms nanoscale poly(styrene-co-maleic acid) lipid particles (SMALPs), effectively acting like a 'molecular pastry cutter' to 'solubilize' GPCRs in the complete absence of detergent at any stage and with preservation of the native annular lipid throughout the process. GPCR-SMALPs have similar pharmacological properties to membrane-bound receptor, exhibit enhanced stability compared with detergent-solubilized receptors and being non-proteinaceous in nature, are fully compatible with downstream biophysical analysis of the encapsulated GPCR.

The extracellular surface of the GLP-1 receptor is a molecular trigger for biased agonism

Ligand-directed signal bias offers opportunities for sculpting molecular events, with the promise of better, safer therapeutics. Critical to the exploitation of signal bias is an understanding of the molecular events coupling ligand binding to intracellular signaling. Activation of class B G protein-coupled receptors is driven by interaction of the peptide N terminus with the receptor core. To understand how this drives signaling, we have used advanced analytical methods that enable separation of effects on pathway-specific signaling from those that modify agonist affinity and mapped the functional consequence of receptor modification onto three-dimensional models of a receptor-ligand complex. This yields molecular insights into the initiation of receptor activation and the mechanistic basis for biased agonism. Our data reveal that peptide agonists can engage different elements of the receptor extracellular face to achieve effector coupling and biased signaling providing a foundation for rational design of biased agonists.

Rôle des récepteurs aux protéines G (GPR55, GPR91 et GPR99) dans la croissance et le guidage axonal au cours du développement du système visuel

Lors de l’attribution du prix Nobel de chimie aux docteurs Robert Leftkowitz et Brian Kobika pour leurs travaux essentiels sur les récepteurs couplés à des protéines G (RCPGs), Sven Lindin, membre du comité Nobel, a affirmé que « jusqu'à la moitié » des médicaments « reposent sur une action ciblant les RCPG ». En raison de leurs rôles importants, leurs mécanismes d'activation et l’action de leurs ligands, les RCPG demeurent les cibles potentielles de la majorité des recherches pour le développement de nouveaux médicaments et de leurs applications cliniques. Dans cette optique, nous avons concentré nos recherches à travers cette thèse pour élucider les rôles, les mécanismes d’action et les effets des ligands de trois RCPG : GPR55; GPR91 et GPR99 au cours du développement des axones des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). Les résultats de nos études confirment l’expression des récepteurs lors du développement embryonnaire, postnatal et adulte des CGRs ainsi qu’au cours de l’établissement de la voie rétinothalamique. In vitro, la modulation pharmacologique et génétique de l’activité de ces RCPGs réorganise la morphologie du cône de croissance des CGRs, celle des neurones corticaux et elle modifie la croissance axonale globale. De plus, les effets de la stimulation avec des ligands des ces trois RCPGs sur le guidage axonal varient d’aucun effet (GPR91 et GPR99) à la répulsion ou l’attraction (GPR55). La voie de signalisation MAPK-ERK1/2 joue un rôle essentiel dans la médiation des effets des ligands de ces récepteurs avec une implication de la voie de RhoA à hautes concentrations pour l’agoniste endogène de GPR55. In vivo, cette recherche démontre également l’implication de GPR55 dans les processus de sélection des cibles thalamiques et de raffinement au cours du développement du système nerveux visuel.

An allosteric role for receptor activity-modifying proteins in defining GPCR pharmacology

G protein-coupled receptors are allosteric proteins that control transmission of external signals to regulate cellular response. Although agonist binding promotes canonical G protein signalling transmitted through conformational changes, G protein-coupled receptors also interact with other proteins. These include other G protein-coupled receptors, other receptors and channels, regulatory proteins and receptor-modifying proteins, notably receptor activity-modifying proteins (RAMPs). RAMPs have at least 11 G protein-coupled receptor partners, including many class B G protein-coupled receptors. Prototypic is the calcitonin receptor, with altered ligand specificity when co-expressed with RAMPs. To gain molecular insight into the consequences of this protein–protein interaction, we combined molecular modelling with mutagenesis of the calcitonin receptor extracellular domain, assessed in ligand binding and functional assays. Although some calcitonin receptor residues are universally important for peptide interactions (calcitonin, amylin and calcitonin gene-related peptide) in calcitonin receptor alone or with receptor activity-modifying protein, others have RAMP-dependent effects, whereby mutations decreased amylin/calcitonin gene-related peptide potency substantially only when RAMP was present. Remarkably, the key residues were completely conserved between calcitonin receptor and AMY receptors, and between subtypes of AMY receptor that have different ligand preferences. Mutations at the interface between calcitonin receptor and RAMP affected ligand pharmacology in a RAMP-dependent manner, suggesting that RAMP may allosterically influence the calcitonin receptor conformation. Supporting this, molecular dynamics simulations suggested that the calcitonin receptor extracellular N-terminal domain is more flexible in the presence of receptor activity-modifying protein 1. Thus, RAMPs may act in an allosteric manner to generate a spectrum of unique calcitonin receptor conformational states, explaining the pharmacological preferences of calcitonin receptor-RAMP complexes. This provides novel insight into our understanding of G protein-coupled receptor-protein interaction that is likely broadly applicable for this receptor class.

beta-Arrestin1 modulates lymphoid enhancer factor transcriptional activity through interaction with phosphorylated dishevelled proteins.

One aspect of the function of the beta-arrestins is to serve as scaffold or adapter molecules coupling G-protein coupled receptors (GPCRs) to signal transduction pathways distinct from traditional second messenger pathways. Here we report the identification of Dishevelled 1 and Dishevelled 2 (Dvl1 and Dvl2) as beta-arrestin1 (betaarr1) interacting proteins. Dvl proteins participate as key intermediates in signal transmission from the seven membrane-spanning Frizzled receptors leading to inhibition of glycogen synthase kinase-3beta (GSK-3beta), stabilization of beta-catenin, and activation of the lymphoid enhancer factor (LEF) transcription factor. We find that phosphorylation of Dvl strongly enhances its interaction with betaarr1, suggesting that regulation of Dvl phosphorylation and subsequent interaction with betaarr1 may play a key role in the activation of the LEF transcription pathway. Because coexpression of the Dvl kinases, CK1epsilon and PAR-1, with Dvl synergistically activates LEF reporter gene activity, we reasoned that coexpression of betaarr1 with Dvl might also affect LEF-dependent gene activation. Interestingly, whereas betaarr1 or Dvl alone leads to low-level stimulation of LEF (2- to 5-fold), coexpression of betaarr1 with either Dvl1 or Dvl2 leads to a synergistic activation of LEF (up to 16-fold). Additional experiments with LiCl as an inhibitor of GSK-3beta kinase activity indicate that the step affected by betaarr1 is upstream of GSK-3beta and most likely at the level of Dvl. These results identify betaarr1 as a regulator of Dvl-dependent LEF transcription and suggest that betaarr1 might serve as an adapter molecule that can couple Frizzled receptors and perhaps other GPCRs to these important transcription pathways.

Rôle des récepteurs aux protéines G (GPR55, GPR91 et GPR99) dans la croissance et le guidage axonal au cours du développement du système visuel.

Lors de l’attribution du prix Nobel de chimie aux docteurs Robert Leftkowitz et Brian Kobika pour leurs travaux essentiels sur les récepteurs couplés à des protéines G (RCPGs), Sven Lindin, membre du comité Nobel, a affirmé que « jusqu'à la moitié » des médicaments « reposent sur une action ciblant les RCPG ». En raison de leurs rôles importants, leurs mécanismes d'activation et l’action de leurs ligands, les RCPG demeurent les cibles potentielles de la majorité des recherches pour le développement de nouveaux médicaments et de leurs applications cliniques. Dans cette optique, nous avons concentré nos recherches à travers cette thèse pour élucider les rôles, les mécanismes d’action et les effets des ligands de trois RCPG : GPR55; GPR91 et GPR99 au cours du développement des axones des cellules ganglionnaires de la rétine (CGRs). Les résultats de nos études confirment l’expression des récepteurs lors du développement embryonnaire, postnatal et adulte des CGRs ainsi qu’au cours de l’établissement de la voie rétinothalamique. In vitro, la modulation pharmacologique et génétique de l’activité de ces RCPGs réorganise la morphologie du cône de croissance des CGRs, celle des neurones corticaux et elle modifie la croissance axonale globale. De plus, les effets de la stimulation avec des ligands des ces trois RCPGs sur le guidage axonal varient d’aucun effet (GPR91 et GPR99) à la répulsion ou l’attraction (GPR55). La voie de signalisation MAPK-ERK1/2 joue un rôle essentiel dans la médiation des effets des ligands de ces récepteurs avec une implication de la voie de RhoA à hautes concentrations pour l’agoniste endogène de GPR55. In vivo, cette recherche démontre également l’implication de GPR55 dans les processus de sélection des cibles thalamiques et de raffinement au cours du développement du système nerveux visuel.

Les récepteurs GPR91 et GPR99 et leur implication dans le développement du système nerveux visuel

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) démontrent de plus en plus de capacités à activer des mécanismes jusqu’alors associés à des facteurs de transcription ou des molécules d’adhésion. En effet, de nouvelles preuves rapportent qu’ils pourraient également participer au guidage axonal qui est le mécanisme permettant aux axones de cellules nerveuses de rejoindre leur cible anatomique. Le guidage axonal se fait par l’interaction entre les molécules de guidage et une structure particulière présente à l’extrémité de l’axone, le cône de croissance. Par exemple, les RCPGs participent au guidage des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR), dont les axones s’étendent de la rétine jusqu’au noyaux cérébraux associés à la vision. Cet effet est observé avec des RCPGs tels que les récepteurs aux cannabinoïdes (CB1 et CB2) et celui du lysophosphatidylinositol, le GPR55. Les RCPGs GPR91 et GPRG99, respectivement récepteurs au succinate et à l’α-cétoglutarate, se trouvent à la surface de ces CGRs, ce qui en font des candidats potentiels pouvant participer au guidage axonal. Dans ce mémoire, l’effet des ligands de ces récepteurs sur la croissance et la navigation des axones des CGRs fut analysé. L’impact produit par ces récepteurs ainsi que leurs ligands sur la morphologie des cônes de croissance fut déterminé en mesurant leur taille et le nombre de filopodes présents sur ces cônes. Pour évaluer le rôle du succinate et de l’a-cétoglutarate sur la croissance globale des axones de CGRs, la longueur totale des projections axonales d’explants rétiniens a été mesurée. L’effet de ces ligands des récepteurs GPR91 et GPR99 sur le guidage axonal a également été évalué en temps réel à l’aide d’un gradient créé par un micro injecteur placé à 45° et à 100µm du cône de croissance. La distribution in vivo des récepteurs GPR91 et GPR99 sur la rétine a été étudié à l’aide d’expériences d’immunohistochimie. Les résultats obtenus indiquent que l’ajout de 100µM de succinate produit une augmentation de la taille des cônes de croissance et du nombre de filopodes présents à leur surface. Il augmente également la croissance des axones. Ce type de réponse fut également observé lorsque les cellules furent soumises à 200µM d’α-cétoglutarate. Fait à noter, les deux récepteurs n’ont pas d’impact sur le guidage axonal. Ces résultats indiquent donc que les agonistes des récepteurs GPR91 et GPR99 augmentent la croissance des cellules ganglionnaires lorsqu’ils sont présents lors du développement. Par contre, ils n’ont pas d’influence sur la direction prise par les cônes de croissance. Ces nouvelles données sont un pas de plus dans la compréhension des mécanismes qui gèrent et participent au développement et la croissance des CGRs, ce qui pourrait donner de nouvelles cibles thérapeutique pouvant mener à la régénération de nerfs optiques endommagés.

Wine phenolics: looking for a smooth mouthfeel

Each grape variety has its own phenolic profile. However, the concentration of the phenolic compounds present in wine mainly dependson winemaking processes. Phenolic compounds influence wine sensorial characteristics namely taste or mouthfeel, bitterness, astringency and color. Humans can perceive six basic tastes: sweet, salty; sour; umami; fat-taste and bitter taste. This last basic taste is considered as a defense mechanism against the ingestion of potential poisons. Some of the genes,encoding G-protein-coupled receptors - TAS2Rs, which translate for these distinct bitter compounds detectors have been identified. Different phenolic compounds activate distinguished combination of TAS2Rs. Astringency in wine is primarily driven by proanthocyanidins, soluble protein-proanthocyanidins complexes which diminish the protective salivary film and bind to the salivary pellicle; insoluble protein-proanthocyanidins complex and proanthocyanidins are rejected against salivary film and trigger astringency sensation via increasing friction. Thus, the aim of this review is to expand the knowledge about the role of wine phenolic compounds in wine sensorial properties, namely in bitterness and astringency phenomenon’s.

Les récepteurs GPR91 et GPR99 et leur implication dans le développement du système nerveux visuel

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) démontrent de plus en plus de capacités à activer des mécanismes jusqu’alors associés à des facteurs de transcription ou des molécules d’adhésion. En effet, de nouvelles preuves rapportent qu’ils pourraient également participer au guidage axonal qui est le mécanisme permettant aux axones de cellules nerveuses de rejoindre leur cible anatomique. Le guidage axonal se fait par l’interaction entre les molécules de guidage et une structure particulière présente à l’extrémité de l’axone, le cône de croissance. Par exemple, les RCPGs participent au guidage des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR), dont les axones s’étendent de la rétine jusqu’au noyaux cérébraux associés à la vision. Cet effet est observé avec des RCPGs tels que les récepteurs aux cannabinoïdes (CB1 et CB2) et celui du lysophosphatidylinositol, le GPR55. Les RCPGs GPR91 et GPRG99, respectivement récepteurs au succinate et à l’α-cétoglutarate, se trouvent à la surface de ces CGRs, ce qui en font des candidats potentiels pouvant participer au guidage axonal. Dans ce mémoire, l’effet des ligands de ces récepteurs sur la croissance et la navigation des axones des CGRs fut analysé. L’impact produit par ces récepteurs ainsi que leurs ligands sur la morphologie des cônes de croissance fut déterminé en mesurant leur taille et le nombre de filopodes présents sur ces cônes. Pour évaluer le rôle du succinate et de l’a-cétoglutarate sur la croissance globale des axones de CGRs, la longueur totale des projections axonales d’explants rétiniens a été mesurée. L’effet de ces ligands des récepteurs GPR91 et GPR99 sur le guidage axonal a également été évalué en temps réel à l’aide d’un gradient créé par un micro injecteur placé à 45° et à 100µm du cône de croissance. La distribution in vivo des récepteurs GPR91 et GPR99 sur la rétine a été étudié à l’aide d’expériences d’immunohistochimie. Les résultats obtenus indiquent que l’ajout de 100µM de succinate produit une augmentation de la taille des cônes de croissance et du nombre de filopodes présents à leur surface. Il augmente également la croissance des axones. Ce type de réponse fut également observé lorsque les cellules furent soumises à 200µM d’α-cétoglutarate. Fait à noter, les deux récepteurs n’ont pas d’impact sur le guidage axonal. Ces résultats indiquent donc que les agonistes des récepteurs GPR91 et GPR99 augmentent la croissance des cellules ganglionnaires lorsqu’ils sont présents lors du développement. Par contre, ils n’ont pas d’influence sur la direction prise par les cônes de croissance. Ces nouvelles données sont un pas de plus dans la compréhension des mécanismes qui gèrent et participent au développement et la croissance des CGRs, ce qui pourrait donner de nouvelles cibles thérapeutique pouvant mener à la régénération de nerfs optiques endommagés.