Die funktionelle Relevanz von Oligomerisierung in vitro und in vivo am Beispiel von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren in der hypothalamischen Gewichtsregulation

Abstract

Übergewicht und Adipositas gehören zu den größten Gesundheitsproblemen weltweit. Die damit assoziierten Störungen sind schwerwiegend und gegenwärtig sind keine adäquaten Therapien für langanhaltende Gewichtsreduktionen verfügbar. Um hierfür geeignete Ansatzpunkte zu finden, ist die Kenntnis regulatorischer Abläufe innerhalb der Appetitregulation eine zwingende Voraussetzung. Die übergeordnete Regulation der Nahrungsaufnahme erfolgt zentral im Hypothalamus. Ein homologes Netzwerk aus Rezeptoren und ihrer Liganden ermöglicht eine individuelle Koordinierung von Energiezufuhr und Energieumsetzung. Unter anderem spielen hier Vertreter der G Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) eine bisher nur in Ansätzen verstandene Rolle. GPCRs sind Angriffspunkt für ca. 50 % aller bisher bekannten pharmakologischen Wirkstoffe, da sie ideale Kandidaten für gezielte Eingriffe in physiologische und pathophysiologische Prozesse sind. Im Hypothalamus sind unter anderem der Melanocortin-3-Rezeptor (MC3R), Melanocortin-4-Rezeptor (MC4R) und der Ghrelin-Rezeptor (GHSR) in die Appetitregulation involviert. Ziel dieser Promotionsarbeit ist es, für diese und weitere Rezeptoren potenzielle Protein- Protein-Interaktionen zu untersuchen und deren Einfluss auf die Signalisierungseigenschaften zu ermitteln. Dafür wurden verschiedene molekularbiologische Methoden angewandt, um Interaktionen nachzuweisen und Signalisierung zu quantifizieren. Versuche mit spezifisch angefertigten Rezeptor-Chimären des MC4R deuten darauf hin, dass sich ein MC4R-Homodimer (zwei interagierende Rezeptor-Monomere) von einem Monomer in den Signalisierungscharakteristika unterscheidet, wobei auch ein möglicher Interaktionspunkt zwischen den Monomeren identifiziert werden konnte. Ein Hauptergebnis dieser Forschungsarbeiten ist, dass bei Wechselwirkung zwischen MC3R und GHSR die Signalisierungskapazitäten gegenläufig beeinflusst werden. Die MC3R-Kapazität wird dabei verstärkt, die des GHSR inhibiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der GHSR und MC3R auch mit einem orphanen GPCR, dem G Protein gekoppelte Rezeptor 83 (GPR83) interagieren. Die GHSR- vermittelte Signalisierung wird ebenfalls durch den interagierenden GPR83 inhibiert, wohingegen die Signalisierungsfähigkeit des MC3R bei Interaktion mit dem GPR83 signifikant zunimmt. Diese Arbeiten haben daher für verschiedene hypothalamisch lokalisierte GPCRs demonstriert, dass sie gegenseitige Interaktionen eingehen können (Homo- und/oder Heterooligomere) und sich dabei direkt in ihrer Funktionalität beeinflussen. Dies bedeutet, dass bisherige Modelle unter singulärer Betrachtung dieser Rezeptoren nicht vollständig waren und ein komplexeres Funktions- und Steuerungsbild auch in vivo vorliegen könnte. Weiterhin ist daraus zu schlussfolgern, dass wechselseitige Beeinflussungen und das Zusammenspiel verschiedener Liganden und Rezeptoren ein viel genaueres Bild der Feinjustierung der Energiehomöostase liefern könnten, als bisher bekannt ist. Durch dieses Wissen ist auch eine genauere Zielstellung für die Entwicklung von pharmakologischen Wirkstoffen möglich, welche zum Beispiel auf eine simultane Beeinflussung von interagierenden GPCRs abzielen könnte. Perspektivisch könnte damit nicht nur eine erhöhte Effizienz, sondern auch eine verbesserte Gewebespezifität und damit eine Reduzierung von Nebenwirkungen erreicht werden.

Adiposity is one of the main health problems encountered worldwide and is associated with severe illnesses. Adequate therapies for long-term weight reduction are currently unavailable. Thus, identifying the specific causal mechanisms of obesity is necessary in order to detect the level to intervene. Energy homeostasis is centrally regulated in the hypothalamus by specific ligands and their receptors. For example, G protein coupled receptors (GPCRs) have been shown to have an important role in energy consumption and expenditure. However, the specific mechanisms through which GPCRs influence energy homeostasis remain unclear. In general, 50 % of pharmacological drugs target GPCRs; therefore, GPCRs constitute ideal sites of actions to implement specific interventions targeting pathophysiological processes. Among other receptors, the melanocortin-3 receptor (MC3R), the melanocortin-4 receptor (MC4R) and the ghrelin receptor (GHSR) are involved in the hypothalamic regulation of appetite. The objective of this thesis was to analyze potential protein-protein interactions between these receptors as well as their influence on signaling properties. To do this, several molecular biological methods were used to identify the presence of interactions and to quantify the signaling properties. Experiments using specifically designed MC4R chimeras indicated that the signaling characteristics of an MC4R-homodimer (two interacting receptor monomers) differ to those of monomers, and possible interaction points between two monomers was detected. One main result of this research is that there is a mutually opposite influence of the signaling capacity between MC3R and GHSR: as the capacity of the MC3R strongly increases, the GHSR capacity is inhibited. Furthermore it was shown that the GHSR and MC3R also interact with the orphan G-protein coupled receptor 83 (GPR83). Finally, during interactions with the GPR83, signaling capacity is inhibited for the GHSR whereas it is significantly enhanced for the MC3R. These studies demonstrate that different hypothalamic localized GPCRs assume mutual interactions (homo- and/or heterooligomers) and directly influence each other’s functionality. This means that previous models depicting interactions between these receptors under singular examination are not supported, and that a more complex function and regulation process in vivo could exist. Furthermore, it was shown that the interplay between different ligands and receptors, as well as their mutual interactions, could provide a more detailed pattern of the vernier adjustment of energy homeostasis than previously known models. This finding is a prerequisite for the development of pharmacological agents simultaneously targeting, for example, two interacting GPCRs. Such compounds could not only be more efficient, but could also have enhanced tissue specificity resulting in a reduction of side-effects.