Neue Einblicke in Struktur und Funktion des Thyreotropin Rezeptors durch die Charakterisierung natürlich vorkommender Mutationen

Abstract

Der Thyreotropin Rezeptor (TSHR) ist ein Rhodopsin- ähnlicher, G-Protein- gekoppelter Rezeptor (GPCR). Der TSHR bindet seinen natürlichen Liganden Thyreotropin (TSH) extrazellulär. Dies führt zu strukturellen Veränderungen innerhalb des Rezeptors und ermöglicht die intrazelluläre Aktivierung von Gαs- und Gαq/11 -Proteinen, welche die Konzentrationen sekundärer Effektoren wie cAMP oder IP3 regulieren. Der TSHR wird hauptsächlich in den Thyreozyten der Schilddrüse exprimiert und steht damit im direkten Zusammenhang mit der Regulation des Schilddrüsenhormonhaushaltes. Fehlfunktionen der Schilddrüse, wie die nicht-autoimmune Hyperthyreose oder die kongenitale Hypothyreose, sind häufige endokrine Erkrankungen des Menschen. Als molekulare Ursachen konnten bereits eine Vielzahl von natürlich vorkommenden Mutationen im TSHR-Gen identifiziert werden, welche den Rezeptor in seiner Funktionalität beeinflussen. In der vorliegenden Arbeit werden detaillierte molekulare Untersuchungen zu vier neuen pathogenen TSHR-Mutationen beschrieben. Der Fokus dieser Arbeit liegt dabei auf der Untersuchung der funktionalen Signalisierungseigenschaften dieser TSHR-Varianten im Vergleich zum unveränderten TSHR-Wildtypen. Es kann gezeigt werden, dass die drei Mutationen p.Ile486Asn, p.Cys636Trp und p.Cys636Arg eine konstitutive (ligandenunabhängig) Aktivierung des Gαs Signalisierungsweges auslösen und damit eine mögliche Ursache der nicht-autoimmunen Hyperthyreose darstellen. Die TSHR Variante p.Pro639Leu führt zu einem kompletten Funktionsverlust des Rezeptors (inaktiv für Gαs- und Gαq/11 -Kopplung) und ist deshalb als Ursache für die kongenitale Hypothyreose der Patienten anzusehen. Gezielte Veränderungen der Wildtyp- Aminosäure an den Positionen Cystein636 und Prolin639 der Transmembranhelix 6 (TMH6) des TSHR haben diese Positionen als wichtige Schalterstellen für die Aktivierung bzw. Inaktivierung des Rezeptors charakterisiert. Große (verzweigte bzw. voluminöse) und geladene Aminosäuren können aktivierende Bewegungen der Helizes durch die Zerstörung hydrophober Wechselwirkungen zu benachbarten Aminosäuren verhindern, während kleinere Aminosäuren eine Neuorientierung der beteiligten Helizes auslösen und so den Rezeptor konstitutiv aktivieren. Weiterhin kann belegt werden, dass weder die konstitutiv aktivierenden p.Cys636Trp und p.Cys636Arg, noch die inaktivierende Mutation p.Cys636Leu den Oligomerstatus des TSHR beeinflussen bzw. einen Zerfall des Oligomers in Protomere hervorrufen.

The thyrotropin receptor (TSHR) is a rhodopsin-like G protein-coupled receptor (GPCR). The TSHR binds its natural ligand, thyrotropin (TSH) extracellular. This leads to structural changes within the receptor and enables intracellular activation of Gαs and Gαq/11 proteins that regulate the activation of second messengers such as cAMP or IP3. The TSHR is mainly expressed in the thyrocytes of the thyroid gland and is thus directly related to the regulation of thyroid hormone synthesis. Malfunction of the thyroid, as non-autoimmune hyperthyroidism or congenital hypothyroidism, are common endocrine diseases in humans. A number of naturally occurring mutations in the TSHR gene were already identified as molecular causes of these diseases and affect the receptor functionality. The present work describes detailed molecular investigations of four new pathogenic TSHR mutations. The focus of this work was to study the signaling properties of these functional TSHR variants compared to the wild-type TSHR. It was shown that the three mutations p.Ile486Asn, p.Cys636Trp and p.Cys636Arg result in constitutive (ligand- independent) activation of Gαs signaling pathway and thus represent a potential source of non-autoimmune hyperthyroidism. The TSHR variant p.Pro639Leu leads to a complete loss of function of the receptor (inactive for Gαs and Gαq/11 coupling) and is therefore a cause for congenital hypothyroidism of patients. Specific changes of the wild-type amino acid at positions Cystein636 Prolin639 and the transmembrane helix 6 (TMH6) of the TSHR have been characterized as an important switch points for the activation or inactivation of the receptor. Large (branched or bulky) and charged amino acids can prevent movement of the helices by activating the degradation of hydrophobic interactions with neighboring amino acids, while smaller amino acids induce a reorientation of the helices involved and thus constitutively activate the receptor. Furthermore, it was shown that neither the constitutively activating mutations p.Cys636Trp and p.Cys636Arg nor the inactivating mutation p.Cys636Leu influence the oligomerization of TSHR or cause a collapse of the oligomer into protomers.