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.

Hierarchical classification of G-protein-coupled receptors with data-driven selection of attributes and classifiers

We address the important bioinformatics problem of predicting protein function from a protein's primary sequence. We consider the functional classification of G-Protein-Coupled Receptors (GPCRs), whose functions are specified in a class hierarchy. We tackle this task using a novel top-down hierarchical classification system where, for each node in the class hierarchy, the predictor attributes to be used in that node and the classifier to be applied to the selected attributes are chosen in a data-driven manner. Compared with a previous hierarchical classification system selecting classifiers only, our new system significantly reduced processing time without significantly sacrificing predictive accuracy.

In silico identification of novel G protein coupled receptors

G-protein coupled receptors (GPCRs) are a superfamily of membrane integral proteins responsible for a large number of physiological functions. Approximately 50% of marketed drugs are targeted toward a GPCR. Despite showing a high degree of structural homology, there is a large variance in sequence within the GPCR superfamily which has lead to difficulties in identifying and classifying potential new GPCR proteins. Here the various computational techniques that can be used to characterize a novel GPCR protein are discussed, including both alignment-based and alignment-free approaches. In addition, the application of homology modeling to building the three-dimensional structures of GPCRs is described.

Lifting the lid on GPCRs:the role of extracellular loops

GPCRs exhibit a common architecture of seven transmembrane helices (TMs) linked by intracellular loops and extracellular loops (ECLs). Given their peripheral location to the site of G-protein interaction, it might be assumed that ECL segments merely link the important TMs within the helical bundle of the receptor. However, compelling evidence has emerged in recent years revealing a critical role for ECLs in many fundamental aspects of GPCR function, which supported by recent GPCR crystal structures has provided mechanistic insights. This review will present current understanding of the key roles of ECLs in ligand binding, activation and regulation of both family A and family B GPCRs.

Similarity between class A and class B G-protein-coupled receptors exemplified through calcitonin gene-related peptide receptor modelling and mutagenesis studies

Modelling class B G-protein-coupled receptors (GPCRs) using class A GPCR structural templates is difficult due to lack of homology. The plant GPCR, GCR1, has homology to both class A and class B GPCRs. We have used this to generate a class A-class B alignment, and by incorporating maximum lagged correlation of entropy and hydrophobicity into a consensus score, we have been able to align receptor transmembrane regions. We have applied this analysis to generate active and inactive homology models of the class B calcitonin gene-related peptide (CGRP) receptor, and have supported it with site-directed mutagenesis data using 122 CGRP receptor residues and 144 published mutagenesis results on other class B GPCRs. The variation of sequence variability with structure, the analysis of polarity violations, the alignment of group-conserved residues and the mutagenesis results at 27 key positions were particularly informative in distinguishing between the proposed and plausible alternative alignments. Furthermore, we have been able to associate the key molecular features of the class B GPCR signalling machinery with their class A counterparts for the first time. These include the [K/R]KLH motif in intracellular loop 1, [I/L]xxxL and KxxK at the intracellular end of TM5 and TM6, the NPXXY/VAVLY motif on TM7 and small group-conserved residues in TM1, TM2, TM3 and TM7. The equivalent of the class A DRY motif is proposed to involve Arg(2.39), His(2.43) and Glu(3.46), which makes a polar lock with T(6.37). These alignments and models provide useful tools for understanding class B GPCR function.

On the hierarchical classification of G protein-coupled receptors

MOTIVATION: G protein-coupled receptors (GPCRs) play an important role in many physiological systems by transducing an extracellular signal into an intracellular response. Over 50% of all marketed drugs are targeted towards a GPCR. There is considerable interest in developing an algorithm that could effectively predict the function of a GPCR from its primary sequence. Such an algorithm is useful not only in identifying novel GPCR sequences but in characterizing the interrelationships between known GPCRs. RESULTS: An alignment-free approach to GPCR classification has been developed using techniques drawn from data mining and proteochemometrics. A dataset of over 8000 sequences was constructed to train the algorithm. This represents one of the largest GPCR datasets currently available. A predictive algorithm was developed based upon the simplest reasonable numerical representation of the protein's physicochemical properties. A selective top-down approach was developed, which used a hierarchical classifier to assign sequences to subdivisions within the GPCR hierarchy. The predictive performance of the algorithm was assessed against several standard data mining classifiers and further validated against Support Vector Machine-based GPCR prediction servers. The selective top-down approach achieves significantly higher accuracy than standard data mining methods in almost all cases.

Integrative bioinformatics for functional genorne annotation:trawling for G protein-coupled receptors

G protein-coupled receptors (GPCR) are amongst the best studied and most functionally diverse types of cell-surface protein. The importance of GPCRs as mediates or cell function and organismal developmental underlies their involvement in key physiological roles and their prominence as targets for pharmacological therapeutics. In this review, we highlight the requirement for integrated protocols which underline the different perspectives offered by different sequence analysis methods. BLAST and FastA offer broad brush strokes. Motif-based search methods add the fine detail. Structural modelling offers another perspective which allows us to elucidate the physicochemical properties that underlie ligand binding. Together, these different views provide a more informative and a more detailed picture of GPCR structure and function. Many GPCRs remain orphan receptors with no identified ligand, yet as computer-driven functional genomics starts to elaborate their functions, a new understanding of their roles in cell and developmental biology will follow.

G-protein-coupled receptor solubilization and purification for biophysical analysis and functional studies, in the total absence of detergent

G-protein coupled receptors (GPCRs) constitute the largest class of membrane proteins and are a major drug target. A serious obstacle to studying GPCR structure/function characteristics is the requirement to extract the receptors from their native environment in the plasma membrane, coupled with the inherent instability of GPCRs in the detergents required for their solubilization. In the present study, we report the first solubilization and purification of a functional GPCR [human adenosine A2A receptor (A2AR)], in the total absence of detergent at any stage, by exploiting spontaneous encapsulation by styrene maleic acid (SMA) co-polymer direct from the membrane into a nanoscale SMA lipid particle (SMALP). Furthermore, the A2AR-SMALP, generated from yeast (Pichia pastoris) or mammalian cells, exhibited increased thermostability (∼5°C) compared with detergent [DDM (n-dodecyl-β-D-maltopyranoside)]-solubilized A2AR controls. The A2AR-SMALP was also stable when stored for prolonged periods at 4°C and was resistant to multiple freeze-thaw cycles, in marked contrast with the detergent-solubilized receptor. These properties establish the potential for using GPCR-SMALP in receptor-based drug discovery assays. Moreover, in contrast with nanodiscs stabilized by scaffold proteins, the non-proteinaceous nature of the SMA polymer allowed unobscured biophysical characterization of the embedded receptor. Consequently, CD spectroscopy was used to relate changes in secondary structure to loss of ligand binding ([³H]ZM241385) capability. SMALP-solubilization of GPCRs, retaining the annular lipid environment, will enable a wide range of therapeutic targets to be prepared in native-like state to aid drug discovery and understanding of GPCR molecular mechanisms.

Structural basis for receptor activity-modifying protein-dependent selective peptide recognition by a G protein-coupled receptor

Association of receptor activity-modifying proteins (RAMP1-3) with the G protein-coupled receptor (GPCR) calcitonin receptor-like receptor (CLR) enables selective recognition of the peptides calcitonin gene-related peptide (CGRP) and adrenomedullin (AM) that have diverse functions in the cardiovascular and lymphatic systems. How peptides selectively bind GPCR:RAMP complexes is unknown. We report crystal structures of CGRP analog-bound CLR:RAMP1 and AM-bound CLR:RAMP2 extracellular domain heterodimers at 2.5 and 1.8 Å resolutions, respectively. The peptides similarly occupy a shared binding site on CLR with conformations characterized by a β-turn structure near their C termini rather than the α-helical structure common to peptides that bind related GPCRs. The RAMPs augment the binding site with distinct contacts to the variable C-terminal peptide residues and elicit subtly different CLR conformations. The structures and accompanying pharmacology data reveal how a class of accessory membrane proteins modulate ligand binding of a GPCR and may inform drug development targeting CLR:RAMP complexes.

IUPHAR-DB:the IUPHAR database of G protein-coupled receptors and ion channels

The IUPHAR database (IUPHAR-DB) integrates peer-reviewed pharmacological, chemical, genetic, functional and anatomical information on the 354 nonsensory G protein-coupled receptors (GPCRs), 71 ligand-gated ion channel subunits and 141 voltage-gated-like ion channel subunits encoded by the human, rat and mouse genomes. These genes represent the targets of approximately one-third of currently approved drugs and are a major focus of drug discovery and development programs in the pharmaceutical industry. IUPHAR-DB provides a comprehensive description of the genes and their functions, with information on protein structure and interactions, ligands, expression patterns, signaling mechanisms, functional assays and biologically important receptor variants (e.g. single nucleotide polymorphisms and splice variants). In addition, the phenotypes resulting from altered gene expression (e.g. in genetically altered animals or in human genetic disorders) are described. The content of the database is peer reviewed by members of the International Union of Basic and Clinical Pharmacology Committee on Receptor Nomenclature and Drug Classification (NC-IUPHAR); the data are provided through manual curation of the primary literature by a network of over 60 subcommittees of NC-IUPHAR. Links to other bioinformatics resources, such as NCBI, Uniprot, HGNC and the rat and mouse genome databases are provided. IUPHAR-DB is freely available at http://www.iuphar-db.org. © 2008 The Author(s).

Receptor activity-modifying proteins; multifunctional G protein-coupled receptor accessory proteins

Receptor activity-modifying proteins (RAMPs) are single pass membrane proteins initially identified by their ability to determine the pharmacology of the calcitonin receptor-like receptor (CLR), a family B G protein-coupled receptor (GPCR). It is now known that RAMPs can interact with a much wider range of GPCRs. This review considers recent developments on the structure of the complexes formed between the extracellular domains (ECDs) of CLR and RAMP1 or RAMP2 as these provide insights as to how the RAMPs direct ligand binding. The range of RAMP interactions is also considered; RAMPs can interact with numerous family B GPCRs as well as examples of family A and family C GPCRs. They influence receptor expression at the cell surface, trafficking, ligand binding and G protein coupling. The GPCR-RAMP interface offers opportunities for drug targeting, illustrated by examples of drugs developed for migraine.

Les mécanismes sous-jacents aux effets pathologiques cardiaques de l’angiotensine II dans le remodelage électrique et contractile entre les sexes

L’insuffisance cardiaque (IC) est associée à un taux de mortalité et d’hospitalisations élevé causant un fardeau économique important. Les deux causes majeures de décès de l’IC sont les arythmies ventriculaires létales et les sidérations myocardiques. Il est maintenant reconnu que l’angiotensine II (ANGII) est l'un des principaux médiateurs de l’IC. Ses effets délétères découlent de l’activation du récepteur de type 1 de l’ANGII (AT1) et entraînent le développement d’hypertrophie. Toutefois, son rôle dans la genèse d’arythmies demeure incompris. De ce fait, l'étude des mécanismes électriques et contractiles sous-jacents aux effets pathologiques de l’ANGII s’avère essentielle afin de mieux comprendre et soigner cette pathologie. Il est souvent perçu que les femmes sont protégées envers les maladies cardiovasculaires. Cependant, le nombre total de femmes décédant d’IC est plus grand que le nombre d’hommes. Également, l’impact des facteurs de risque diffère entre chaque sexe. Ces différences existent, mais les mécanismes sous-jacents sont encore peu connus. De plus, les femmes reçoivent fréquemment un diagnostic ou un traitement inapproprié en raison d’un manque d’information sur les différences entre les sexes dans la manifestation d’une pathologie. Ce manque de données peut découler du fait que les sujets de sexe féminin sont souvent sous-représentés dans les essais cliniques ou la recherche fondamentale ce qui a grandement limité l’avancement de nos connaissances sur ~50 % de la population. Ainsi, il semble plus que nécessaire d’approfondir notre compréhension des différences entre les sexes, notamment dans la progression de l’IC. L’utilisation d’un modèle de souris transgénique surexprimant le récepteur AT1 (souris AT1R) a permis d’étudier les changements électriques, structurels et contractiles avant et après le développement d’hypertrophie. Premièrement, chez les souris AT1R mâles, un ralentissement de la conduction ventriculaire a été observé indépendamment de l’hypertrophie. Ce résultat était expliqué par une réduction de la densité du courant Na+, mais pas de l’expression du canal. Ensuite, le rôle des protéines kinases C (PKC) dans la régulation du canal Na+ par l’ANGII a été exploré. Les évidences ont suggéré que la PKCα était responsable de la modulation de la diminution du courant Na+ chez les souris AT1R mâles et dans les cardiomyocytes humains dérivés de cellules souches induites pluripotentes (hiPSC-CM) en réponse à un traitement chronique à l’ANGII. Ensuite, les différences entre les sexes ont été comparées chez la souris AT1R. Une plus grande mortalité a été constatée chez les femelles AT1R suggérant qu’elles sont plus sensibles à la surexpression de AT1R. Le remodelage électrique ventriculaire a donc été comparé entre les souris AT1R des deux sexes. Les courants ioniques étaient altérés de façon similaire entre les sexes excluant ainsi leur implication dans la mortalité plus élevée chez les femelles. Ensuite, l’homéostasie calcique et la fonction cardiaque ont été étudiées. Il a été démontré que les femelles développaient une hypertrophie et une dilatation ventriculaire plus sévère que les mâles. De plus, les femelles AT1R avaient de petits transitoires calciques, une extrusion du Ca2+ plus lente ainsi qu’une augmentation de la fréquence des étincelles Ca2+ pouvant participer à des troubles contractiles et à la venue de post-dépolarisations précoces. En conclusion, l’ANGII est impliquée dans le remodelage électrique, structurel et calcique associé à l'émergence de l’IC. De surcroît, ces altérations affectent plus sévèrement les femelles soulignant la présence de différences entre les sexes dans le développement de l’IC.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Mécanismes par lesquels le VEGF induit la translocation de la P-sélectine et l'adhésion des neutrophiles aux cellules endothéliales

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Modulation de l'activité transcriptionnelle du récepteur aux estrogènes [bêta] par le facteur de transcription SCL/Tal-1

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.