Project

Discipline

G protein coupled receptor; In vitro fluorescent kinetic analysis; Protein allostery; Nuclear magnetic resonance; Thermodynamics

Lead
Die Signalübertragung in „G-Protein gekoppelten Rezeptoren“ (GPCRs) ist ein Schlüsselmechanismus der Informationsübermittlung vom Zelläusseren ins Zellinnere. Das Projekt leistet einen wichtigen Beitrag zum Verständnis dieses Mechanismus.
Lay summary
Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts „G-Protein gekoppelte Rezeptoren“ (GPCRs) sind die grösste Klasse von Proteinrezeptoren in der Zellmembran. Sie erkennen verschiedene äussere Reize (Licht, Hormone, usw.), lösen Zellsignale aus und regeln die Zellantwort. Die molekulare Proteinstruktur von GPCRs ist flexibel und ihre Funktion wird allosterisch gesteuert. Der allosterische Mechanismus bezieht sich auf eine Wechselwirkung zwischen Teile des Rezeptors ausserhalb und innerhalb der Zelle. In statischen Molekülstrukturen, die durch Röntgenkristallographie erzeugt werden, sind diese dynamischen Mechanismen nicht sichtbar. In diesem Projekt wird der allosterische Mechanismus des beta1-Adrenozeptors durch verschiedene biophysikalische Methoden untersucht, die diese Dynamik sichtbar machen sollen, um so den komplexen Signalübertragungsmechanismus besser zu verstehen. In der ersten Phase des Projektes wird die Erkennung der pharmazeutisch wirksamen Moleküle untersucht. In der zweiten Phase wird das eigentliche Signalnetzwerk im beta1-Adrenozeptor durch Bioinformatik untersucht. In der dritten Phase wird die allosterische Kommunikation zwischen dem GPCR und dem G-Protein untersucht. Insgesamt sollen die Resultate den Mechanismus der molekularen Erkennung, Signalübertragung und Signalausbreitung innerhalb der Zelle im beta1-Adrenozeptor erklären. Die Ergebnisse sollen dazu beitragen, diese Mechanismen auch in allen anderen GPCRs besser zu verstehen. Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts Da die Proteinstrukturen der GPCRs ähnlich sind, können die Erkenntnisse des Modellrezeptors zum allgemeinen Verständnis dieser grössten Klasse von Membranrezeptoren beitragen. Dies ist wichtig für zukünftige Arzneimittelentwicklungen.

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Last update: 24.03.2017

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Communication	Title	Media	Place	Year

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G protein coupled receptors (GPCRs) are an important class of trans-membrane proteins that recognize a multitude of extracellular molecules and transmit their signal to the intracellular side. Despite recent achievements in X-ray crystallography of GPCRs, the high-resolution structures obtained do not capture their intrinsic dynamic properties, which are tightly associated with their function. NMR spectroscopy promises to provide such missing dynamic information. However so far, despite being valuable, only limited information has been obtained by NMR due to the difficult spectroscopic properties of this protein class. At this point, the potential of solution NMR analysis of GPCRs has not been fully realized.Recently, I have overcome many of the obstacles that hinder the application of solution NMR to study signal transduction in GPCRs. Using a stabilized form of the ß1-adrenergic receptor and a selective isotope labeling method in the baculovirus-insect cell expression system, I was able to acquire well-resolved backbone amide proton-nitrogen correlation spectra. These spectra revealed numerous mechanisms within the receptor that are new, or had been postulated but never observed directly. Thus I have established a system that can now be used to study many more functional mechanisms of GPCRs at atomic resolution. In addition, we have developed an economic method to produce uniformly isotope-labeled (including deuteration) GPCRs in the insect cell systems. This will allow more advanced applications of NMR spectroscopy to GPCRs such as the study of their dynamics by relaxation measurements.In the present proposal I want to use this system to obtain detailed insights into the receptor’s signal transmission mechanism with the aim to understand how the receptor recognizes ligands and passes this information to the G protein in order to modulate its activity. Using state-of-the-art methods of isothermal titration calorimetry, protein rigidity theory, coevolutionary sequence alignment, in vitro real-time observation of GDP/GTP exchange by fluorescence as well as solution NMR, I want to elucidate the underlying molecular mechanism of the thermodynamic behavior of ligand-receptor interactions, determine a high-resolution allosteric network model of signal transmission, and provide mechanical insights into how different agonists elicit varying levels of G protein activation.If successful, the results will have implications for the general understanding of GPCR function and the developed methods should be applicable to other GPCRs.