Distinct CCK-2 Receptor Conformations Associated with β-Arrestin-2 Recruitment or Phospholipase-C Activation Revealed by a Biased Antagonist

Seven-transmembrane receptors (7TMRs), also termed G protein-coupled receptors (GPCRs), form the largest class of cell surface membrane receptors, involving several hundred members in the human genome. Near 30% of marketed pharmacological agents target 7TMRs. 7TMRs adopt multiple conformations upon agonist binding. Biased agonists, in contrast to non-biased agonists, are believed to stabilize conformations preferentially activating either G-protein- or ß-arrestin-dependent signalling pathways. However, proof that cognate conformations of receptors display structural differences within their binding site where biased agonism initiates, are still lacking. Here, we show that a non-biased agonist, cholecystokinin (CCK) induces conformational states of the CCK2R activating Gq-protein-dependent pathway (CCK2RG) or recruiting ß-arrestin2 (CCK2Rß) that are pharmacologically and structurally distinct. Two structurally unrelated antagonists competitively inhibited both pathways. A third ligand (GV150,013X), acted as a high affinity competitive antagonist on CCK2RG but was nearly inefficient as inhibitor of CCK2Rß. Several structural elements on both GV150,013X and in CCK2R binding cavity, which hinder binding of GV150,013X only to the CCK2Rß were identified. At last, proximity between two conserved amino acids from transmembrane helices 3 and 7 interacting through sulphur-aromatic interaction was shown to be crucial for selective stabilization of the CCK2Rß state. These data establish structural evidences for distinct conformations of a 7TMR associated with ß-arrestin-2 recruitment or G-protein coupling and validate relevance of the design of biased ligands able to selectively target each functional conformation of 7TMRs.

Simulations of Biased Agonists in the β2 Adrenergic Receptor with Accelerated Molecular Dynamics

The biased agonism of the G protein-coupled receptors (GPCRs), where in addition to a traditional G protein-signalling pathway a GPCR promotes intracellular signals though ß-arrestin, is a novel paradigm in pharmacology. Biochemical and biophysical studies have suggested that a GPCR forms a distinct ensemble of conformations signalling through the G protein and ß-arrestin. Here we report on the dynamics of the ß2 adrenergic receptor bound to the ß-arrestin and G protein biased agonists and the empty receptor to further characterize the receptor conformational changes caused by biased agonists. We use conventional and accelerated molecular dynamics (aMD) simulations to explore the conformational transitions of the GPCR from the active state to the inactive state. We found that aMD simulations enable monitoring the transition within the nanosecond timescale while capturing the known microscopic characteristics of the inactive states, such as the ionic lock, the inward position of F6.44, and water clusters. Distinct conformational states are shown to be stabilized by each biased agonist. In particular, in simulations of the receptor with the ß-arrestin biased agonist, N-cyclopentylbutanepherine we observe a different pattern of motions in helix 7 when compared to simulations with the G protein biased agonist, Salbutamol that involves perturbations of the network of interactions within the NPxxY motif. Understanding the network of interactions induced by biased ligands and the subsequent receptor conformational shifts will lead to development of more efficient drugs. © 2013 American Chemical Society

The histamine H4 receptor is a potent inhibitor of adhesion-dependent degranulation in human neutrophils

The histamine H4 receptor regulates the inflammatory response. However, it is not known whether this receptor has a functional role in human neutrophils. We found that fMLP (1 μM), but not histamine (0.1-1 μM), induced Mac-1-dependent adhesion, polarization, and degranulation (release of lactoferrin). A pretreatment of neutrophils with histamine (0.001-1 μM) or JNJ 28610244 (0.1-10 μM), a specific H4 receptor agonist, led to inhibition of degranulation. Total inhibition of degranulation was obtained with 0.1 μM histamine and 10 μM JNJ 28610244. Furthermore, such inhibition by histamine of degranulation was reversed by JNJ 7777120 and JNJ 28307474, two selective H4 receptor antagonists. However, neither histamine nor the H4 receptor agonist JNJ 28610244 prevented fMLP-induced, Mac-1-dependent adhesion, indicating that the H4 receptor may block signals emanating from Mac-1-controlling degranulation. Likewise, engagement of the H4 receptor by the selective agonist JNJ 28610244 blocked Mac-1-dependent activation of p38 MAPK, the kinase that controls neutrophil degranulation. We also show expression of the H4 receptor at the mRNA level in ultrapure human neutrophils and myeloid leukemia PLB-985 cells. We concluded that engagement of this receptor by selective H4 receptor agonists may represent a good, therapeutic approach to accelerate resolution of inflammation.

Protease activated receptor 2 expression and functionality in caries

Introduction: Protease activated receptors (PARs) are G-protein-coupled transmembrane receptors that are expressed on many cell types and implicated in various inflammatory processes in vivo. The induction of PAR2 as a result of the inflammatory response associated with dental caries remains to be determined. Objectives: The aim was to localise the expression of PAR2 in human dental pulp from carious teeth and to confirm receptor functionality using an in vitro assay. Methods: Dental pulp sections from decalcified carious teeth were examined by immunocytochemsitry. Membrane preparations from cultured pulp fibroblasts were subject to SDS-PAGE and immunoblotting to confirm fibroblast-associated immunoreactivity. The functionality of PAR2 on dental pulp fibroblasts was studied using calcium imaging in the presence of several potential activators including a PAR2 agonist (PAR2-AP), trypsin and pulpal enzymes from a carious tooth. Results: Immunocytochemistry revealed intense PAR2 immunoreactivity on pulpal fibroblasts subjacent to carious lesions but not in surrounding regions of the dental pulp. Pulp specimens from a dental injury model showed no expression of PAR2, suggesting its expression was related to cellular changes associated with ongoing caries. The localisation of PAR2 staining to pulpal fibroblasts in carious teeth was confirmed by Western blotting which revealed PAR2 immunoreactive bands in membrane fractions prepared from pulp fibroblasts. In functional studies, challenge of cultured pupal fibroblasts with PAR2-AP, trypsin and an extract of proteolytic enzymes from a carious dental pulp, showed specific activation of PAR2. Conclusions: This work demonstrates that PAR2 is functional and inducible in human dental pulp fibroblasts in response to caries and that endogenous pulpal enzymes can activate PAR2.

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.

Intracellular trafficking of protease : Activated Receptor 2 (PAR2) by members of sorting nexins family

Le dogme voulant que les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs) activent des voies de signalisation seulement lorsqu’ils sont localisés à la membrane plasmatique, a récemment été remis en question. Des données récentes indiquent que certains GPCRs peuvent également induire une réponse intracellulaire à partir des compartiments intracellulaires dont le noyau. Les récepteurs activés par la protéase (PAR) sont des membres de la famille GPCR. Les PARs sont activés par le clivage de la partie N–terminale du récepteur ce qui permet au ligand attaché sur le récepteur de se lier à sa poche réceptrice. Quatre PARs ont été décrits : PAR1, PAR2, PAR3 et PAR4. PAR2 peut susciter des effets mitogéniques et participer aux processus comme l’angiogenèse et l'inflammation. Alors que beaucoup d'effets intracellulaires de PAR2 peuvent être expliqués lorsqu’il est localisé à la membrane plasmatique, une fonction intracrine de PAR2 a aussi été proposée. Pourtant les mécanismes par lesquels PAR2 peut provoquer l’expression de gènes ciblés sont toujours inconnus. Le but de notre étude était de vérifier l’existence d’une population nucléaire de PAR2. Nous avons également émis l’hypothèse que les voies activées par l’activation de PAR2 dépendent de sa localization cellulaire. En utilisant des techniques de microscopie confocale et de "Western Blot" nous avons démontré la présence d’une population nucléaire de PAR2. À la suite de la stimulation de PAR2, nous avons observé une augmentation de la translocation du récepteur de la membrane plasmatique au noyau. En utilisant la technique de "RT – PCR", nous avons observé des rôles différents de PAR2 à la surface de la cellule et du noyau dans l’initiation de l’expression des gènes. Afin d’identifier les mécanismes responsables de la translocation nucléaire de PAR2, nous avons évalué l’implication des membres de la famille de "Sorting Nexins (SNX)" dans la translocation nucléaire de PAR2. "Sorting Nexins" est un groupe de protéines avec des fonctions de transport bien établies. SNX1 et SNX2 ont été identifiés comme responsables du transfert de PAR1 vers les lysosomes. SNX11 n'a pas encore été étudié et nous avons émis l’hypothèse qu'il pourrait être un autre membre de la famille des SNX impliqué dans la signalisation de PAR2. Pour ce faire, nous avons développé des "knockdowns" stables pour SNX1, SNX2 et SNX11 dans les cellules HEK293. En utilisant les essais d’immunofluorescence, "Western Blot" et de cytométrie en flux, nous avons déterminé que tous les trois membres du groupe SNX sont des partenaires d'interaction de PAR2. Toutefois, seul SNX11 se co-localise avec son partenaire au noyau et est responsable de sa translocation nucléaire. Les expériences de "RT - PCR" sur les lignées de cellule de SNXs "knockdowns" ont démontré que la fonction de PAR2 nucléaire dépend surtout de SNX11; néanmoins SNX1 et SNX2 peuvent aussi l’influencer, suggérant qu'ils font aussi partie du réseau signalétique de PAR2. En conclusion, PAR2 est déplacé de la membrane plasmatique à la membrane nucléaire après sa stimulation avec un agoniste. La translocation nucléaire de PAR2 par un mécanisme impliquant SNX11, initie des effets intracellulaires différents de sa signalisation membranaire. Mots clés : récepteurs couplés à la protéine G, “Sorting Nexins”, récepteurs activés par la protéase, translocation nucléaire, membrane nucléaire, signal nucléaire.

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.

Role of Nuclear Angiotensin-II Receptor Mediated Signalling in Cardiovascular Remodelling

Le remodelage cardiaque est le processus par lequel la structure ou la fonction cardiaque change en réponse à un déséquilibre pathophysiologique tel qu'une maladie cardiaque, un contexte d'arythmie prolongée ou une modification de l'équilibre hormonal. Le système rénine-angiotensine (SRA) est un système hormonal largement étudié et il est impliqué dans de nombreuses activités associées au remodelage cardiovasculaire. L’existence d'un système circulatoire couplé à un système de tissus locaux est une représentation classique, cependant de nouvelles données suggèrent un SRA indépendant et fonctionnellement actif à l'échelle cellulaire. La compréhension de l'activité intracellulaire du SRA pourrait mener à de nouvelles pistes thérapeutiques qui pourraient prévenir un remodelage cardiovasculaire défavorable. L'objectif de cette thèse était d'élucider le rôle du SRA intracellulaire dans les cellules cardiaques. Récemment, les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), les protéines G et leurs effecteurs ont été détectés sur des membranes intracellulaires, y compris sur la membrane nucléaire, et les concepts de RCPG intracellulaires fonctionnels sont en voie d'être acceptés comme une réalité. Nous avons dès lors fait l'hypothèse que la signalisation du SRA délimitant le noyau était impliquée dans le contrôle de l'expression des gènes cardiaques. Nous avons démontré la présence de récepteurs d'angiotensine de type-1 (AT1R) et de type-2 (AT2R) nucléaires dans les cardiomyocytes ventriculaires adultes et dans une fraction nucléaire purifiée de tissu cardiaque. Des quantités d'Ang II ont été détectées dans du lysat de cardiomyocytes et des microinjections d'Ang-II-FITC ont donné lieu à des liaisons préférentielles aux sites nucléaires. L'analyse transcriptionnelle prouve que la synthèse d'ARN de novo dans des noyaux isolés stimulés à l'Ang-II, et l'expression des ARNm de NF-κB étaient beaucoup plus importants lorsque les noyaux étaient exposés à de l'Ang II par rapport aux cardiomyocytes intacts. La stimulation des AT1R nucléaires a engendré une mobilisation de Ca2+ via les récepteurs de l'inositol trisphosphate (IP3R), et le blocage des IP3R a diminué la réponse transcriptionnelle. Les méthodes disponibles actuellement pour l'étude de la signalisation intracrine sont limitées aux méthodes indirectes. L'un des objectifs de cette thèse était de synthétiser et caractériser des analogues d'Ang-II cellule-perméants afin d’étudier spécifiquement dans les cellules intactes l'activité intracellulaire du SRA. Nous avons synthétisé et caractérisé pharmacologiquement des analogues photosensibles Ang-II encapsulée en incorporant un groupement 4,5-diméthoxy-2-nitrobenzyl (DMNB) photoclivable sur les sites actifs identifiés du peptide. Chacun des trois analogues d'Ang II encapsulée synthétisés et purifiés: [Tyr(DMNB)4]Ang-II, Ang-II-ODMNB et [Tyr(DMNB)4]Ang-II-ODMNB a montré une réduction par un facteur deux ou trois de l'affinité de liaison envers AT1R et AT2R dans les dosages par liaison compétitive et une activité réduite dans la contraction de l'aorte thoracique. La photostimulation de [Tyr(DMNB)4]Ang-II dans des cellules HEK a augmenté la phosphorylation d'ERK1/2 (via AT1R) et la production de cGMP (via AT2R) alors que dans les cardiomyocytes isolés elle générait une augmentation de Ca2+ nucléoplasmique et initiait la synthèse d'ARNr 18S et d'ARNm du NF-κB. Les fibroblastes sont les principaux générateurs de remodelage cardiaque structurel, et les fibroblastes auriculaires sont plus réactifs aux stimuli profibrotiques que les fibroblastes ventriculaires. Nous avons émis l'hypothèse que l’Ang-II intracellulaire et l'activation des AT1R et AT2R nucléaires associés contrôlaient les profils d'expression des gènes des fibroblastes via des systèmes de signalisation distincts et de ce fait jouaient un rôle majeur dans le développement de la fibrose cardiaque. Nous avons remarqué que les fibroblastes auriculaires expriment l’AT1R et l’AT2R nucléaire et l'Ang-II au niveau intracellulaire. L’expression d'AT1R nucléaire a été régulés positivement dans les cas d’insuffisance cardiaque (IC), tandis que l'AT2R nucléaire a été glycosylé post-traductionnellement. La machinerie protéique des protéines G, y compris Gαq/11, Gαi/3, et Gβ, a été observée dans des noyaux isolés de fibroblastes. AT1R et AT2R régulent l'initiation de la transcription du fibroblaste via les voies de transduction de signal d'IP3R et du NO. La photostimulation de [Tyr(DMNB)4]Ang-II dans une culture de fibroblastes auriculaire déclenche la libération de Ca2+ nucléoplasmique, la prolifération, et la synthèse et sécrétion de collagène qui ne sont pas inhibées par les bloqueurs d'AT1R et/ou AT2R extracellulaires.

Domain swapping in the human histamine H-1 receptor

G-protein-coupled receptors (GPCRs) represent the largest family of receptors involved in transmembrane signaling. Although these receptors were generally believed to be monomeric entities, accumulating evidence supports the presence of GPCRs in multimeric forms. Here, using immunoprecipitation as well as time-resolved fluorescence resonance energy transfer to assess protein-protein interactions in living cells, we unambiguously demonstrate the occurrence of dimerization of the human histamine H-1 receptor. We also show the presence of domain-swapped H-1 receptor dimers in which there is the reciprocal exchange of transmembrane domain TM domains 6 and 7 between the receptors present in the dimer. Mutation of aspartate(107) in transmembrane (TM) 3 or phenylalanine(432) in TM6 to alanine results in two radioligand-binding-deficient mutant H-1 receptors. Coexpression of H-1 D(107)A and H-1 F(432)A, however, results in a reconstituted radioligand binding site that exhibits a pharmacological profile that corresponds to the wildtype H-1 receptor. Interestingly, the H-1 receptor radioligands [H-3] mepyramine and [H-3]-(-)- trans-1-phenyl-3-N, N-dimethylamino-1,2,3,4-tetrahydronaphthalene show differential saturation binding values (B-max) for wild-type H-1 receptors but not for the radioligand binding site that is formed upon coexpression of H-1 D(107)A and H-1 F(432)A receptors, suggesting the presence of different H-1 receptor populations.

The influence of G protein subtype on agonist action at D-2 dopamine receptors

In previous studies, we have shown that agonists influence the ability of D-2 dopamine receptors to couple to G proteins and here we extend this work. The human D-2Short dopamine receptor and a natural polymorphism of this D-2Short(Ser(311)Cys), have been studied by co-expressing the receptors in insect cells with Gbeta(1)gamma(2) and either Galpha(o), Galpha(i1), Galpha(i2) or Galpha(i3) G protein subunits. These preparations have been used to study the G protein coupling profiles of the two receptors and the influence of agonists. Receptor/G protein coupling was analysed in dopamine/[H-3]spiperone competition binding experiments and through stimulation of [S-35]GTPgammaS binding. Although the Ser(311)Cys polymorphism itself had no appreciable effect on the G protein coupling specificity of the D-2 receptor, agonist stimulation of [S-35]GTPgammaS binding, revealed that both dopamine and (+)-3PPP showed a clear preference for Galpha(o) compared to the Galpha(i) subtypes, but quinpirole did not. These results indicate that agonists are able to stabilise different receptor conformations with different abilities to couple to G proteins. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Large-scale functional expression of WT and truncated human adenosine A(2A) receptor in Pichia pastoris bioreactor cultures

Background: The large-scale production of G-protein coupled receptors (GPCRs) for functional and structural studies remains a challenge. Recent successes have been made in the expression of a range of GPCRs using Pichia pastoris as an expression host. P. pastoris has a number of advantages over other expression systems including ability to post-translationally modify expressed proteins, relative low cost for production and ability to grow to very high cell densities. Several previous studies have described the expression of GPCRs in P. pastoris using shaker flasks, which allow culturing of small volumes (500 ml) with moderate cell densities (OD600 similar to 15). The use of bioreactors, which allow straightforward culturing of large volumes, together with optimal control of growth parameters including pH and dissolved oxygen to maximise cell densities and expression of the target receptors, are an attractive alternative. The aim of this study was to compare the levels of expression of the human Adenosine 2A receptor (A(2A)R) in P. pastoris under control of a methanol-inducible promoter in both flask and bioreactor cultures. Results: Bioreactor cultures yielded an approximately five times increase in cell density (OD600 similar to 75) compared to flask cultures prior to induction and a doubling in functional expression level per mg of membrane protein, representing a significant optimisation. Furthermore, analysis of a C-terminally truncated A2AR, terminating at residue V334 yielded the highest levels (200 pmol/mg) so far reported for expression of this receptor in P. pastoris. This truncated form of the receptor was also revealed to be resistant to C-terminal degradation in contrast to the WT A(2A)R, and therefore more suitable for further functional and structural studies. Conclusion: Large-scale expression of the A(2A)R in P. pastoris bioreactor cultures results in significant increases in functional expression compared to traditional flask cultures.

Modelling the interdependence between the stoichiometry of receptor oligomerization and ligand binding for a coexisting dimer/tetramer receptor system

Many G protein-coupled receptors have been shown to exist as oligomers, but the oligomerization state and the effects of this on receptor function are unclear. For some G protein-coupled receptors, in ligand binding assays, different radioligands provide different maximal binding capacities. Here we have developed mathematical models for co-expressed dimeric and tetrameric species of receptors. We have considered models where the dimers and tetramers are in equilibrium and where they do not interconvert and we have also considered the potential influence of the ligands on the degree of oligomerization. By analogy with agonist efficacy, we have considered ligands that promote, inhibit or have no effect on oligomerization. Cell surface receptor expression and the intrinsic capacity of receptors to oligomerize are quantitative parameters of the equations. The models can account for differences in the maximal binding capacities of radioligands in different preparations of receptors and provide a conceptual framework for simulation and data fitting in complex oligomeric receptor situations.

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.

Endothelin-converting enzyme 1 degrades neuropeptides in endosomes to control receptor recycling

Neuropeptide signaling requires the presence of G protein-coupled receptors (GPCRs) at the cell surface. Activated GPCRs interact with beta-arrestins, which mediate receptor desensitization, endocytosis, and mitogenic signaling, and the peptide-receptor-arrestin complex is sequestered into endosomes. Although dissociation of beta-arrestins is required for receptor recycling and resensitization, the critical event that initiates this process is unknown. Here we report that the agonist availability in the endosomes, controlled by the membrane metalloendopeptidase endothelin-converting enzyme 1 (ECE-1), determines stability of the peptide-receptor-arrestin complex and regulates receptor recycling and resensitization. Substance P (SP) binding to the tachykinin neurokinin 1 receptor (NK1R) induced membrane translocation of beta-arrestins followed by trafficking of the SP-NK1R-beta-arrestin complex to early endosomes containing ECE-1a-d. ECE-1 degraded SP in acidified endosomes, disrupting the complex; beta-arrestins returned to the cytosol, and the NK1R, freed from beta-arrestins, recycled and resensitized. An ECE-1 inhibitor, by preventing NK1R recycling in endothelial cells, inhibited resensitization of SP-induced inflammation. This mechanism is a general one because ECE-1 similarly regulated NK3R resensitization. Thus, peptide availability in endosomes, here regulated by ECE-1, determines the stability of the peptide-receptor-arrestin complex. This mechanism regulates receptor recycling, which is necessary for sustained signaling, and it may also control beta-arrestin-dependent mitogenic signaling of endocytosed receptors. We propose that other endosomal enzymes and transporters may similarly control the availability of transmitters in endosomes to regulate trafficking and signaling of GPCRs. Antagonism of these endosomal processes represents a strategy for inhibiting sustained signaling of receptors, and defects may explain the tachyphylaxis of drugs that are receptor agonists.

Ubiquitin-dependent down-regulation of the neurokinin-1 receptor

Transient stimulation with substance P (SP) induces endocytosis and recycling of the neurokinin-1 receptor (NK(1)R). The effects of sustained stimulation by high concentrations of SP on NK(1)R trafficking and Ca(2+) signaling, as may occur during chronic inflammation and pain, are unknown. Chronic exposure to SP (100 nm, 3 h) completely desensitized Ca(2+) signaling by wild-type NK(1)R (NK(1)Rwt). Resensitization occurred after 16 h, and cycloheximide prevented resensitization, implicating new receptor synthesis. Lysine ubiquitination of G-protein-coupled receptors is a signal for their trafficking and degradation. Lysine-deficient mutant receptors (NK(1)RDelta5K/R, C-terminal tail lysines; and NK(1)RDelta10K/R, all intracellular lysines) were expressed at the plasma membrane and were functional because they responded to SP by endocytosis and by mobilization of Ca(2+) ions. SP desensitized NK(1)Rwt, NK(1)RDelta5K/R, and NK(1)RDelta10K/R. However, NK(1)RDelta5K/R and NK(1)RDelta10K/R resensitized 4-8-fold faster than NK(1)Rwt by cycloheximide-independent mechanisms. NK(1)RDelta325 (a naturally occurring truncated variant) showed incomplete desensitization, followed by a marked sensitization of signaling. Upon labeling receptors in living cells using antibodies to extracellular epitopes, we observed that SP induced endocytosis of NK(1)Rwt, NK(1)RDelta5K/R, and NK(1)RDelta10K/R. After 4 h in SP-free medium, NK(1)RDelta5K/R and NK(1)RDelta10K/R recycled to the plasma membrane, whereas NK(1)Rwt remained internalized. SP induced ubiquitination of NK(1)Rwt and NK(1)RDelta5K/R as determined by immunoprecipitation under nondenaturing and denaturing conditions and detected with antibodies for mono- and polyubiquitin. NK(1)RDelta10K/R was not ubiquitinated. Whereas SP induced degradation of NK(1)Rwt, NK(1)RDelta5K/R and NK(1)RDelta10K/R showed approximately 50% diminished degradation. Thus, chronic stimulation with SP induces ubiquitination of the NK(1)R, which mediates its degradation and down-regulation.