The activation mechanism of glycoprotein hormone receptors

• Applicant: Dr. Antje Brüser
• Subject Area: Endocrinology, Diabetology, Metabolism ; Biochemistry ; Pharmacology
• Term: from 2015 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 276121400

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

In Deletions- und Mutagenesestudien sowie durch identifizierte pathogene Mutationen wurde die Existenz eines intramolekularen Liganden mit agonistischen Eigenschaften in Glykoproteinhormonrezeptoren nachgewiesen. Stimulationsversuche mit von der Hinge-Region abgeleiteten Peptiden, die alle drei GPHR aktivierten, führten in Vorarbeiten zur Spezifizierung der hochkonservierten agonistischen Sequenz FNPCEDIMGY (p10-Region), die am Übergang des N-Terminus zur ersten Transmembranhelix lokalisiert ist. Durch zielgerichtete Mutagenese wurde ein Satz artifizieller Rezeptorkonstrukte des humanen LH- sowie TSH- Rezeptors generiert, anhand welcher eine detaillierte funktionelle Charakterisierung der p10-Region in ihrem natürlichen Rezeptorkontext möglich war. Die durch die systematische Substitution ihrer wildtypischen Aminosäuren induzierte Änderung der Oberflächenexpression, basalen und hormoninduzierten Rezeptoraktivität des gab Aufschluss über die relevanten strukturellen und physikochemischen Eigenschaften der individuellen Seitenketten. So konnten Aminosäurepositionen identifiziert werden, die Schlüsselfunktionen in der Einnahme der aktivierbaren Rezeptorkonformation sowie in der konformationellen Reorganisation der p10-Region während der Rezeptoraktivierung besitzen. Weiterhin wurde die Notwendigkeit der Integrität des extrazellulären N-Terminus für die Aktivierung der Glykoproteinhormonrezeptoren herausgestellt. Dieser gewährleistet die für die Rezeptoraktivierung optimale Positionierung der p10-Region. Final wurden die im Rahmen dieser Arbeit generierten und die in der Literatur verfügbaren Daten zusammengefasst und in ein Homologiemodell des hTSHR integriert. Dieses visualisiert die räumliche Einordnung der p10-Region in den Rezeptorkontext. Die p10-Region liegt dicht eingebunden im oberen Teil des Transmembrankernes, eingebettet in die extrazellulären Schleifen. Durch die im Homologiemodell erkennbare Orientierung der Seitenketten der Aminosäuren der p10-Region sowie weiterer, in räumlicher Nähe lokalisierter Aminosäuren verschiedener Rezeptordomänen sind potentielle Interaktionspartner ersichtlich. Die Wechselwirkungen der verschiedenen Aminosäurereste spielen eine wichtige Rolle im Rahmen der strukturellen Reorganisation der p10-Region. Unabhängig davon, ob Hormone, Antikörper, aktivierende Mutationen oder N-terminale Deletionen die Rezeptoraktivierung auslösen, vermittelt sie über ein Netzwerk verschiedener Interaktionen final die Konformationsänderungen der Transmembrandomäne. Diese induzieren schließlich die G-Protein-Aktivierung und die aus dieser resultierenden zellulären Prozesse. Mit der Gesamtheit der Daten lässt sich belegen, dass die Einnahme des aktiven Rezeptorzustandes aller Glykoproteinhormonrezeptoren die Integrität der p10-Region und ihre spezifischen intramolekularen Interaktionen mit weiteren Rezeptordeterminanten erfordert. Die durch ein dichtes Netzwerk diverser Wechselwirkungen vemittelte Position und räumliche Orientierung spezifischer Regionen des N-Terminus, der p10-Region und der extrazellulären Schleifen führen in einer für alle GPHR charakteristischen Art und Weise zur Signaltransduktion.

Publications

• (2016) The Activation Mechanism of glycoprotein Hormone Receptors with Implication in the Cause and Therapy of Endocrine Disease. J Biol Chem 291, 508-20
  Brüser, A., Schulz, A., Rothemund, S., Ricken, A., Calebiro, D., Kleinau, G., Schöneberg, T.
  
• (2016) What are they waiting for? – Tethered agonism in G protein-coupled receptors. Pharmacol Res 108, 9-15
  Schöneberg, T. Kleinau, G., Brüser, A.