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.

Myocardial Ablation of G Protein-Coupled Receptor Kinase 2 (GRK2) Decreases Ischemia/Reperfusion Injury through an Anti-Intrinsic Apoptotic Pathway

Studies from our lab have shown that decreasing myocardial G protein-coupled receptor kinase 2 (GRK2) activity and expression can prevent heart failure progression after myocardial infarction. Since GRK2 appears to also act as a pro-death kinase in myocytes, we investigated the effect of cardiomyocyte-specific GRK2 ablation on the acute response to cardiac ischemia/reperfusion (I/R) injury. To do this we utilized two independent lines of GRK2 knockout (KO) mice where the GRK2 gene was deleted in only cardiomyocytes either constitutively at birth or in an inducible manner that occurred in adult mice prior to I/R. These GRK2 KO mice and appropriate control mice were subjected to a sham procedure or 30 min of myocardial ischemia via coronary artery ligation followed by 24 hrs reperfusion. Echocardiography and hemodynamic measurements showed significantly improved post-I/R cardiac function in both GRK2 KO lines, which correlated with smaller infarct sizes in GRK2 KO mice compared to controls. Moreover, there was significantly less TUNEL positive myocytes, less caspase-3, and -9 but not caspase-8 activities in GRK2 KO mice compared to control mice after I/R injury. Of note, we found that lowering cardiac GRK2 expression was associated with significantly lower cytosolic cytochrome C levels in both lines of GRK2 KO mice after I/R compared to corresponding control animals. Mechanistically, the anti-apoptotic effects of lowering GRK2 expression were accompanied by increased levels of Bcl-2, Bcl-xl, and increased activation of Akt after I/R injury. These findings were reproduced in vitro in cultured cardiomyocytes and GRK2 mRNA silencing. Therefore, lowering GRK2 expression in cardiomyocytes limits I/R-induced injury and improves post-ischemia recovery by decreasing myocyte apoptosis at least partially via Akt/Bcl-2 mediated mitochondrial protection and implicates mitochondrial-dependent actions, solidifying GRK2 as a pro-death kinase in the heart.

Role for G protein-coupled receptor kinase in agonist-specific regulation of μ-opioid receptor responsiveness

The G protein-coupled μ-opioid receptor (μOR) mediates the physiological effects of endogenous opioid peptides as well as the structurally distinct opioid alkaloids morphine and etorphine. An intriguing feature of μOR signaling is the differential receptor trafficking and desensitization properties following activation by distinct agonists, which have been proposed as possible mechanisms related to opioid tolerance. Here we report that the ability of distinct opioid agonists to differentially regulate μOR internalization and desensitization is related to their ability to promote G protein-coupled receptor kinase (GRK)-dependent phosphorylation of the μOR. Although both etorphine and morphine effectively activate the μOR, only etorphine elicits robust μOR phosphorylation followed by plasma membrane translocation of β-arrestin and dynamin-dependent receptor internalization. In contrast, corresponding to its inability to cause μOR internalization, morphine is unable to either elicit μOR phosphorylation or stimulate β-arrestin translocation. However, upon the overexpression of GRK2, morphine gains the capacity to induce μOR phosphorylation, accompanied by the rescue of β-arrestin translocation and receptor sequestration. Moreover, overexpression of GRK2 also leads to an attenuation of morphine-mediated inhibition of adenylyl cyclase. These findings point to the existence of marked differences in the ability of different opioid agonists to promote μOR phosphorylation by GRK. These differences may provide the molecular basis underlying the different analgesic properties of opioid agonists and contribute to the distinct ability of various opioids to induce drug tolerance.

A DNA damage and stress inducible G protein-coupled receptor blocks cells in G2/M

Cell cycle progression is monitored by highly coordinated checkpoint machinery, which is activated to induce cell cycle arrest until defects like DNA damage are corrected. We have isolated an anti-proliferative cell cycle regulator named G2A (for G2 accumulation), which is predominantly expressed in immature T and B lymphocyte progenitors and is a member of the seven membrane-spanning G protein-coupled receptor family. G2A overexpression attenuates the transformation potential of BCR-ABL and other oncogenes, and leads to accumulation of cells at G2/M independently of p53 and c-Abl. G2A can be induced in lymphocytes and to a lesser extent in nonlymphocyte cell lines or tissues by multiple stimuli including different classes of DNA-damaging agents and serves as a response to damage and cellular stimulation which functions to slow cell cycle progression.

Murine cytomegalovirus M78 protein, a G protein-coupled receptor homologue, is a constituent of the virion and facilitates accumulation of immediate-early viral mRNA

The M78 protein of murine cytomegalovirus exhibits sequence features of a G protein-coupled receptor. It is synthesized with early kinetics, it becomes partially colocalized with Golgi markers, and it is incorporated into viral particles. We have constructed a viral substitution mutant, SMsubM78, which lacks most of the M78 ORF. The mutant produces a reduced yield in cultured 10.1 fibroblast and IC21 macrophage cell lines. The defect is multiplicity dependent and greater in the macrophage cell line. Consistent with its growth defect in cultured cells, the mutant exhibits reduced pathogenicity in mice, generating less infectious progeny than wild-type virus in all organs assayed. SMsubM78 fails to efficiently activate accumulation of the viral m123 immediate-early mRNA in infected macrophages. M78 facilitates the accumulation of the immediate-early mRNA in cycloheximide-treated cells, arguing that it acts in the absence of de novo protein synthesis. We conclude that the M78 G protein-coupled receptor homologue is delivered to cells as a constituent of the virion, and it acts to facilitate the accumulation of immediate-early mRNA.

Identification of a Drosophila G protein alpha subunit (dGq alpha-3) expressed in chemosensory cells and central neurons.

We have identified another Drosophila GTP-binding protein (G protein) alpha subunit, dGq alpha-3. Transcripts encoding dGq alpha-3 are derived from alternative splicing of the dGq alpha locus previously shown to encode two visual-system-specific transcripts [Lee, Y.-J., Dobbs, M.B., Verardi, M.L. & Hyde, D.R. (1990) Neuron 5, 889-898]. Immunolocalization studies using dGq alpha-3 isoform-specific antibodies and LacZ fusion genes show that dGq alpha-3 is expressed in chemosensory cells of the olfactory and taste structures, including a subset of olfactory and gustatory neurons, and in cells of the central nervous system, including neurons in the lamina ganglionaris. These data are consistent with a variety of roles for dGq alpha-3, including mediating a subset of olfactory and gustatory responses in Drosophila, and supports the idea that some chemosensory responses use G protein-coupled receptors and the second messenger inositol 1,4,5-trisphosphate.

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.

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.

Structure-function relationships of the alpha1b-adrenergic receptor.

The alpha1b-adrenergic receptor (AR) is a member of the large superfamily of seven transmembrane domain (TMD) G protein-coupled receptors (GPCR). Combining site-directed mutagenesis of the alpha1b-AR with computational simulations of receptor dynamics, we have explored the conformational changes underlying the process of receptor activation, i.e. the transition between the inactive and active states. Our findings suggest that the structural constraint stabilizing the alpha1b-AR in the inactive form is a network of H-bonding interactions amongst conserved residues forming a polar pocket and R143 of the DRY sequence at the end of TMDIII. We have recently reported that point mutations of D142, of the DRY sequence and of A293 in the distal portion of the third intracellular loop resulted in ligand-independent (constitutive) activation of the alpha1b-AR. These constitutively activating mutations could induce perturbations resulting in the shift of R143 out of the polar pocket. The main role of R143 may be to mediate receptor activation by triggering the exposure of several basic amino acids of the intracellular loops towards the G protein. Our investigation has been extended also to the biochemical events involved in the desensitization process of alpha1b-AR. Our results indicate that immediately following agonist-induced activation, the alpha1b-AR can undergo rapid agonist-induced phosphorylation and desensitization. Different members of the G protein coupled receptor kinase family can play a role in agonist-induced regulation of the alpha1b-AR. In addition, constitutively active alpha1b-AR mutants display different phosphorylation and internalization features. The future goal is to further elucidate the molecular mechanism underlying the complex equilibrium between activation and inactivation of the alpha1b-AR and its regulation by pharmacological substances. These findings can help to elucidate the mechanism of action of various agents displaying properties of agonists or inverse agonists at the adrenergic system.

Constitutive activity and inverse agonism at the alpha1adrenoceptors.

Mutations of G protein-coupled receptors (GPCR) can increase their constitutive (agonist-independent) activity. Some of these mutations have been artificially introduced by site-directed mutagenesis, others occur spontaneously in human diseases. The alpha(1B)adrenoceptor was the first GPCR in which point mutations were shown to trigger receptor activation. This article briefly summarizes some of the findings reported in the last several years on constitutive activity of the alpha(1)adrenoceptor subtypes, the location where mutations have been found in the receptors, the spontaneous activity of native receptors in recombinant as well as physiological systems. In addition, it will highlight how the analysis of the pharmacological and molecular properties of the constitutively active adrenoceptor mutants provided an important contribution to our understanding of the molecular mechanisms underlying the mechanism of receptor activation and inverse agonism.

CXCR4-mediated glutamate exocytosis from astrocytes.

The role of astrocytes as structural and metabolic support for neurons is known since the beginning of the last century. Because of their strategic localization between neurons and capillaries they can monitor and control the level of synaptic activity by providing energetic metabolites to neurons and remove excess of neurotransmitters. During the last two decades number of papers further established that the astrocytic plasma-membrane G-protein coupled receptors (GPCR) can sense external inputs (such as the spillover of neurotransmitters) and transduce them as intracellular calcium elevations and release of chemical transmitters such as glutamate. The chemokine CXCR4 receptor is a GPCR widely expressed on glial cells (especially astrocytes and microglia). Activation of the astrocytic CXCR4 by its natural ligand CXCL12 (or SDF1 alpha) results in a long chain of intracellular and extracellular events (including the release of the pro-inflammatory cytokine TNFalpha and prostanglandins) leading to glutamate release. The emerging role of CXCR4-CXCL12 signalling axis in brain physiology came from the recent observation that glutamate in astrocytes is released via a regulated exocytosis process and occurs with a relatively fast time-scale, in the order of few hundred milliseconds. Taking into account that astrocytes are electrically non-excitable and thus exocytosis rely only on a signalling pathway that involves the release Ca(2+) from the internal stores, these results suggested a close relationship between sites of Ca(2+) release and those of fusion events. Indeed, a recent observation describes structural sub-membrane microdomains where fast ER-dependent calcium elevations occur in spatial and temporal correlation with fusion events.

Localisation, mécanisme d’induction et rôle physiopathologique du récepteur B1 des kinines dans de modèles expérimentaux de douleur chez le rat

Les kinines sont des peptides neuro- et vaso- actifs impliqués dans les processus hémodynamiques, inflammatoires et douloureux. Leurs effets biologiques sont produits par l’entremise de deux types de récepteurs couplés aux protéines G, soit B1 (B1R) et B2 (B2R). Le B1R est inductible, son expression est augmentée à la suite d’un dommage tissulaire ou de l’exposition à des endotoxines bactériennes (lipopolysaccharide bactérien (LPS)), à des cytokines pro-inflammatoires (interleukine-1β (IL-1β), facteur de nécrose tumorale-α (TNF-α)) ou à des espèces réactives oxygénées (ROS). Les travaux présentés dans cette thèse avaient pour objectif d’élucider et/ou de raffiner les connaissances sur 1) la localisation, 2) le mécanisme d’induction et 3) le rôle physiopathologique du B1R dans des modèles expérimentaux de douleur chez le rat. Nos données ont permis de démontrer pour la première fois que le B1R est augmenté de façon significative dans la moelle épinière du rat diabétique de type 1 où il est localisé sur les fibres sensorielles de type C, les astrocytes et les cellules de la microglie (1er article). Également, l’inhibition de l’activation des cellules de la microglie supprime les neuropathies diabétiques, l’expression de médiateurs pro-inflammatoires ainsi que l’activité pro-nociceptive du B1R (2e et 3e articles). Finalement, nous avons démontré que la stimulation systémique du TRPV1 par la capsaïcine induit une surexpression du B1R au niveau microgliale, via un mécanisme impliquant l’augmentation de la production de ROS et possiblement de cytokines (4e article). Ces données nous permettent de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans l’expression et l’activité du B1R. Aussi, elles nous permettent d’imaginer de nouvelles stratégies pour prévenir l’induction du B1R (inhibition du TRPV1) ou son activité délétère (inhibition de l’activation des cellules de la microglie) dans la douleur inflammatoire et neuropathique. 

Mécanismes de régulation du trafic et de l’activité du récepteur GABAB

L’acide γ-aminobutyrique (GABA) est le principal neurotransmetteur inhibiteur du système nerveux central et est impliqué dans diverses pathologies incluant l’épilepsie, l’anxiété, la dépression et la dépendance aux drogues. Le GABA agit sur l’activité neuronale par l’activation de deux types de récepteurs; le canal chlorique pentamérique GABAA et l’hétérodimère obligatoire de récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) GABAB. Chacun des récepteurs est responsable de phases distinctes de la réponse cellulaire au GABA. Lors d’une stimulation par le GABA, il est essentiel pour la cellule de pouvoir contrôler le niveau d’activité des récepteurs et au besoin, de limiter leur activation par des mécanismes de désensibilisation et de régulation négative. La désensibilisation nécessite le découplage du récepteur de ses effecteurs, ainsi que sa compartimentation hors de la membrane plasmique dans le but de diminuer la réponse cellulaire à l’agoniste. Les mécanismes de contrôle de l’activité de GABAB semblent anormaux pour un RCPG et sont encore mal moléculairement caractérisés. L’objet de cette thèse est d’étudier la régulation du récepteur GABAB et de sa signalisation par la caractérisation de nouvelles protéines d’interactions étant impliquées dans la désensibilisation, l’internalisation et la dégradation du récepteur. Une première étude nous a permis d’identifier la protéine NSF (N-ethylmaleimide sensitive factor) comme interagissant avec le récepteur hétérodimérique. Nous avons caractérisé le site d’interaction au niveau du domaine coiled-coil de chacune des deux sous-unités de GABAB et constaté la dépendance de cette interaction au statut de l’activité ATPasique de NSF. Nous avons observé que cette interaction pouvait être dissociée par l’activation de GABAB, induisant la phosphorylation du récepteur par la protéine kinase C (PKC) parallèlement à la désensibilisation du récepteur. L’activation de PKC par le récepteur est dépendante de l’interaction NSF-GABAB, ce qui suggère une boucle de rétroaction entre NSF et PKC. Nous proposons donc un modèle où, à l’état basal, le récepteur interagit avec NSF, lui permettant d’activer PKC en réponse à la stimulation par un agoniste, et où cette activation permet à PKC de phosphoryler le récepteur, induisant sa dissociation de NSF et sa désensibilisation. Nous avons par la suite étudié la dégradation et l’ubiquitination constitutive de GABAB et la régulation de celles-ci par PKC et l’enzyme de déubiquitination USP14 (ubiquitin-specific protease 14). Au niveau basal, le récepteur est ubiquitiné, et présente une internalisation et une dégradation rapide. L’activation de PKC augmente l’ubiquitination à la surface cellulaire et l’internalisation, et accélère la dégradation du récepteur. USP14 est en mesure de déubiquitiner le récepteur suite à l’internalisation, mais accélère aussi la dégradation par un mécanisme indépendant de son activité enzymatique. Nos résultats suggèrent un mécanisme où l’ubiquitination promeut l’internalisation et où USP14 cible le récepteur ubiquitiné vers un processus de dégradation lysosomale. La troisième étude porte sur la régulation de la densité de récepteurs à la membrane plasmique par la protéine Grb2 (growth factor receptor-bound protein 2). Nous avons déterminé que Grb2 interagit avec GABAB1 au niveau de la séquence PEST (riche en proline, glutamate, sérine et thréonine) du domaine carboxyl-terminal, et que cette interaction module l’expression à la surface du récepteur hétérodimérique en diminuant l’internalisation constitutive par un mécanisme encore inconnu. Cette inhibition de l’internalisation pourrait provenir d’une compétition pour le site de liaison de Grb2 à GABAB1, ce site étant dans une région interagissant avec plusieurs protéines impliquées dans le trafic du récepteur, tels le complexe COPI et la sous-unité γ2S du récepteur GABAA (1, 2). En proposant de nouveaux mécanismes moléculaires contrôlant l’activité et l’expression à la membrane du récepteur GABAB par les protéines NSF, PKC, USP14 et Grb2, les études présentées dans cette thèse permettent de mieux comprendre les processus d’internalisation et de dégradation, ainsi que du contrôle de l’activité de GABAB par la désensibilisation, ouvrant la porte à une meilleure compréhension de la signalisation GABAergique.

Investigação da dessensibilização e internalização de adrenoceptores α1A nativos e recombinantes

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)