Mutationen in G-Protein-gekoppelten Rezeptoren und ihrer Liganden als Ursache endokriner Erkrankungen: vom Mutationsnachweis zur Klärung von Struktur- Funktionsbeziehungen

Abstract

G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCR) sind die größte Familie der integralen Membranproteine. GPCRs leiten die Information extrazellulärer Signale in den Intrazellularraum, wo sie Effektorsysteme aktivieren, welche wiederum die Konzentrationen von second messengern modulieren. Genetische Veränderungen in GPCRs können die Ursache von Erkrankungen darstellen. Dabei unterscheidet man zwischen inaktivierenden Mutationen und aktivierenden Mutationen, welche den Rezeptor Liganden-unabhängig aktivieren. Weiterhin können Mutationen in Liganden für GPCRs die Ursache von Erkrankungen sein. In der vorliegenden Arbeit wurde am Beispiel von zwei GPCRs und ihrer Liganden, dem TSHR und TSH sowie dem MC4R und a- und b-MSH, gezeigt, wie durch Untersuchungen von natürlich vorkommenden Mutationen neue Erkenntnisse über deren Funktion, Struktur und Wirkungsweise erzielt werden konnten. Die Untersuchung des TSHR- Gen bei Patienten mit congenitaler Hypothyreose und kleiner hypoplastischer Schilddrüse führte zur Identifikation der ersten inaktivierenden TSHR-Mutation in diesem Patientenkollektiv. Die eingehende funktionelle Charakterisierung einer aktivierenden TSHR Mutationen und eines Polymorphismus, Y601H, lieferten grundlegende Erkenntnisse über den Aktivierungsmechanismus von Glykoproteinhormonrezeptoren. Bei Patienten mit früh-manifester Adipositas, Nebennierenrindeninsuffizienz und roten Haaren konnte unsere Arbeitsgruppe erstmals Mutationen im Pro-Opiomelanocortin (POMC)-Gen als Ursache der Erkrankungen identifizieren. Das POMC ist ein Vorläuferprotein, aus dem eine Reihe von Peptiden prozessiert werden, unter anderem die endogenen Liganden des MC4R. Die funktionelle Charakterisierung einer homozygoten MC4R-Mutation, C271R, bei Geschwistern mit einer früh-manifesten Adipositas, führte zur Aufklärung der Feinstruktur des 3. extrazellulären Loops des Rezeptors. Weiterhin konnte durch Untersuchung einer heterozygoten Mutation im MC4R, D90N, gezeigt werden, dass diese Mutation einen dominant-negativen Effekt auf den Wild-Typ Rezeptor hat. Bei der weiteren Untersuchung des dominant- negativen Effekts wurde erstmal gezeigt werden, dass der MC4R Rezeptoroligomere ausbildet. Dies eröffnet ein weites Spektrum an möglichen Interaktionen des MC4R mit anderen in der Appetitregulation involvierten Rezeptoren.

G protein coupled receptors (GPCR) are the largest family of integral membrane proteins. GPCR transmit the information of extracellular signal into the cell where they influence the activity of effector systems that in turn modulated the concentration of second messengers. Genetic variations in GPCR are the molecular cause of a variety of human diseases. Mutations could lead to inactivation of the receptors or to ligand-independent constitutive activation. Moreover mutations in ligands for GPCRs could cause diseases. In the present work intensive characterisation of two GPCR and their ligands, TSHR and TSH as well as MC4R and a-and b-MSH, result in new findings concerning their structure and function. The investigation of the TSHR gene in patients with congenital hypothyroidism and small hypoplastic thyroid glands leads to the identification of the first inactivating TSHR mutation in this cohort of patients. Careful characterization of activating TSHR mutations and a polymorphism results in new aspect of the activation mechanism of glycoproteinhomone receptors. In patients with early-onset obesity, adrenal insufficiency and red hair we could identify mutations in the pro- opiomelanocortin (POMC) gene as the molecular cause of the disease. POMC is the precursor for a variety of peptides including the endogenous ligands for the MC4R. Functional characterization of a homozygous MC4R mutation, C271R, identified in two siblings with early-onset obesity helped to get insight into the structure of the third extracellular loop. The characterization of a heterozygous MC4R mutation, D90N, showed that this mutation had a dominant- negativ effect on the wild-type receptor. Further characterization of this effect revealed that the MC4R forms receptors dimers. The identification of MC4R dimerization now opens a wide field of possible interaction to understand the complex network involved in energy homeostasis.