BAI2 gehört zu den Adhesion-G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (aGPCR). Diese bisher wenig untersuchte Klasse von ca. 30 GPCR ist charakterisiert durch eine komplexe genomische Struktur, sehr große extrazelluläre Domänen und eine Vielzahl von Splicevarianten. Bisher ist bei den meisten aGPCR, wie auch bei BAI2, wenig über ihre Signaltransduktion und Funktion bekannt. Zum Verständnis der physiologischen Relevanz und zur Suche nach dem endogenen Agonist sind Kenntnisse über Proteinstruktur, Splicevarianten und Signaltransduktion essentiell. Ziel dieser Arbeit war es, mittels verschiedener in vitro-Methoden die Proteinstruktur des BAI2 in den transmembranären und intrazellulären Domänen näher zu untersuchen, sowie die natürlichen Splicevarianten in diesem Bereich, deren evolutionäre Konservierung, Gewebespezifität und Quantität zu erfassen. Für beide gefundenen Splicevarianten, eine im dritten intrazellulären Loop (ICL3) und eine im C-Terminus, konnte eine evolutionäre Konservierung auf Aminosäure- und genomischer Organisationsebene, sowie ihre Entstehung durch Exonskipping nachgewiesen werden. Nachfolgend wurden die Splicevarianten auf mögliche Interaktionen mit intrazellulären Komponenten untersucht. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass beide ICL3-Splicevarianten natürlicherweise in einem definierten Verhältnis auftreten. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die lange ICL3-Variante des BAI2 nicht zu einer Änderung der Membrantopologie des Rezeptors, einer Homodimerisierung über die zusätzliche Aminosäuresequenz oder zu einer Interaktion mit dem C-Terminus führt. Die Splicevariante im humanen C-Terminus des BAI2 konnte als eine variable, durch Exonskipping entstandene Calcium-unabhängige Calmodulin-Bindungsstelle identifiziert werden. Diese Arbeit belegt die Existenz mehrerer BAI2-Isoformen in vivo. Die Struktur dieser Isoformen lässt unterschiedliche Funktionalitäten vermuten. Auch wenn erste Untersuchungen zwischen den beiden ICL3-Varianten keinen Unterschied ergaben, sind diese Erkenntnisse für die weitere Analyse der Signaltransduktion und Ligandensuche bedeutend. Es ist z.B. denkbar, dass sich die beiden ICL3-Varianten in der G-Protein-Kopplung oder bei der Rekrutierung von intrazellulären Interaktionspartnern unterscheiden oder dass die Splicevariante im C-Terminus zu einer Scaffold- Funktion des Calmodulins führt und/oder die Signaltransduktion durch eine permanente Bindung des Calmodulins an einer Isoform moduliert wird.

Die meisten membranständigen Rezeptoren in Säugetieren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR). Sie sind entscheidend beteiligt an der Verarbeitung von sensorischen Reizen, an der Wirkung von Signalmolekülen, an Zellwachstum, Zellreifung und Entzündungsprozessen. Dennoch sind für viele GPCR die molekularen und auch physiologischen Funktionen nicht bekannt. Die Erforschung dieser Rezeptorproteine ist von großer medizinischer Relevanz, da deren Fehlfunktion eine mögliche Ursache für Krankheiten ist und sich GPCR häufig als pharmakologische Zielmoleküle eignen. Mit 33 Mitgliedern bilden die Adhesion GPCR die zweitgrößte Klasse von GPCR im Menschen, die bisher allerdings am wenigsten erforscht wurde. Sie sind bedeutsam für das Immunsystem, die zelluläre Organisation während der Embryonalentwicklung, die Angiogenese und die Entstehung von Tumoren. Adhesion GPCR besitzen im Transmembranbereich die typische Struktur von GPCR, unterscheiden sich jedoch von klassischen GPCR aufgrund ihrer sehr großen und komplexen N Termini. Die Frage, ob diese Rezeptorfamilie funktionell an G-Proteine koppelt, blieb lange unbeantwortet. Für einige wenige Rezeptoren der Subfamilie wurde die Bindung von Liganden beschrieben, dennoch fehlt für diese bisher der Beweis einer Rezeptoraktivierung. Unsere Arbeitsgruppe konnte zum ersten Mal eine Gαs vermittelte Adenylylcyclase (AC) Aktivierung durch den Adhesion GPCR GPR133 zeigen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden in dieser Arbeit die Signalkopplungswege der drei Adhesion GPCR GPR126, GPR56 und CD97 mittels verschiedener in vitro Methoden untersucht, um eine G-Protein-vermittelte Kopplung zu beweisen und weiter zu spezifizieren. Eine Grundlage bildeten die erfolgreiche Entwicklung einer Klonierungsstrategie und der Nachweis einer suffizienten Expression der Adhesion GPCR sowohl intrazellulär, als auch an der Membran. Durch die N-terminale Integration eines Rhodopsin Epitops gelang eine Steigerung der Zellmembranexpression für GPR126 und GPR56. Weiterhin wurden eine funktionelle Kopplung von GPR126 und GPR56 an das Gs-Protein sowie von GPR126 an das Gi-Protein bewiesen. Da eine G-Protein-gekoppelte Signaltransduktion somit für zwei weitere Adhesion GPCR gezeigt werden konnte, kann diese als etabliert für die gesamte Rezeptorklasse gelten.

BAI2 gehört zu den Adhesion-G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (aGPCR). Diese bisher wenig untersuchte Klasse von ca. 30 GPCR ist charakterisiert durch eine komplexe genomische Struktur, sehr große extrazelluläre Domänen und eine Vielzahl von Splicevarianten. Bisher ist bei den meisten aGPCR, wie auch bei BAI2, wenig über ihre Signaltransduktion und Funktion bekannt. Zum Verständnis der physiologischen Relevanz und zur Suche nach dem endogenen Agonist sind Kenntnisse über Proteinstruktur, Splicevarianten und Signaltransduktion essentiell. Ziel dieser Arbeit war es, mittels verschiedener in vitro-Methoden die Proteinstruktur des BAI2 in den transmembranären und intrazellulären Domänen näher zu untersuchen, sowie die natürlichen Splicevarianten in diesem Bereich, deren evolutionäre Konservierung, Gewebespezifität und Quantität zu erfassen. Für beide gefundenen Splicevarianten, eine im dritten intrazellulären Loop (ICL3) und eine im C-Terminus, konnte eine evolutionäre Konservierung auf Aminosäure- und genomischer Organisationsebene, sowie ihre Entstehung durch Exonskipping nachgewiesen werden. Nachfolgend wurden die Splicevarianten auf mögliche Interaktionen mit intrazellulären Komponenten untersucht. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass beide ICL3-Splicevarianten natürlicherweise in einem definierten Verhältnis auftreten. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die lange ICL3-Variante des BAI2 nicht zu einer Änderung der Membrantopologie des Rezeptors, einer Homodimerisierung über die zusätzliche Aminosäuresequenz oder zu einer Interaktion mit dem C-Terminus führt. Die Splicevariante im humanen C-Terminus des BAI2 konnte als eine variable, durch Exonskipping entstandene Calcium-unabhängige Calmodulin-Bindungsstelle identifiziert werden. Diese Arbeit belegt die Existenz mehrerer BAI2-Isoformen in vivo. Die Struktur dieser Isoformen lässt unterschiedliche Funktionalitäten vermuten. Auch wenn erste Untersuchungen zwischen den beiden ICL3-Varianten keinen Unterschied ergaben, sind diese Erkenntnisse für die weitere Analyse der Signaltransduktion und Ligandensuche bedeutend. Es ist z.B. denkbar, dass sich die beiden ICL3-Varianten in der G-Protein-Kopplung oder bei der Rekrutierung von intrazellulären Interaktionspartnern unterscheiden oder dass die Splicevariante im C-Terminus zu einer Scaffold- Funktion des Calmodulins führt und/oder die Signaltransduktion durch eine permanente Bindung des Calmodulins an einer Isoform moduliert wird.

<strong>Background:</strong> Our laboratory identified ELTD1, an orphan GPCR belonging to the adhesion GPCR family (aGPCR), as a novel regulator of angiogenesis and a potential anti-cancer therapeutic target. ELTD1 is normally expressed in both endothelial cells and vascular smooth muscle cells and expression is significantly increased in the tumour vasculature. The aim of this project was to analyse ELTD1's function in endothelial cells and its role in breast cancer. <strong>Method:</strong> 62 sequenced vertebrate genomes were interrogated for ELTD1 conservation and domain alterations. A phylogenetic timetree was assembled to establish time estimates for ELTD1's evolution. After ELTD1 silencing, mRNA array profiling was performed on primary human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and validated with qPCR and confocal microscopy. ELTD1's signalling was investigated by applying the aGPCR ‘Stinger/tethered-agonist Hypothesis'. For this, truncated forms of ELTD1 and peptides analogous to the proposed tethered agonist region were designed. FRET-based 2^nd messenger (Cisbio IP-1;cAMP) and luciferase-reporter assays (NFAT; NFÎoB; SRE; SRF-RE; CREB) were performed to establish canonical GPCR activation. To further investigate ELTD1's role in endothelial cells, ELTD1 was stably overexpressed in HUVECS. Functional angiogenesis assays and mRNA array profiling were then performed. To investigate ELTD1 in breast cancer, a panel of cell lines representative of all molecular subtypes were screened using qPCR. Furthermore, an exploratory pilot study was performed on matched primary and regional nodal secondary breast cancers (n=43) which were stained for ELTD1 expression. Staining intensity was then scored and compared with relapse free survival and overall survival. <strong>Results:</strong> ELTD1 arose 435 million years ago (mya) in bony fish and is present in all subsequent vertebrates. ELTD1 has 3 evolutionary variants of which 2 are most common: one variant with 3 EGFs and a variant with 2 EGFs. Additionally, ELTD1 may be ancestral to members of aGPCR family 2. HUVEC mRNA expression profiling after ELTD1 silencing showed upregulation of the mitochondrial citrate transporter SLC25A1, and ACLY which converts cytoplasmic citrate to Acetyl CoA, feeding fatty acid and cholesterol synthesis, and acetylation. A review of lipid droplet (fatty acid and cholesterol) accumulation by confocal microscopy and flow cytometry (FACS) revealed no changes with ELTD1 silencing. Silencing was also shown to affect the Notch pathway (downregulating the Notch ligand JAG1 and target gene HES2; upregulating the Notch ligand DLL4) and inducing KIT, a mediator of haematopoietic (HSC) and endothelial stem cell (ESC) maintenance. Signalling experiments revealed that unlike other aGPCRs, ELTD1 does not couple to any canonical GPCR pathways (Gαi, Gαs, Gαq, Gα12/13). ELTD1 overexpression in HUVECS revealed that ELTD1 induces an endothelial tip cell phenotype by promoting sprouting and capillary formation, inhibiting lumen anastomoses in mature vessels and lowering proliferation rate. There was no effect on wound healing or adhesion to angiogenesis associated matrix components. Gene expression changes following ELTD1 overexpression included upregulation of angiogenesis associated ANTRX1 as well as JAG1 and downregulation of migration associated CCL15 as well as KIT and DLL4. In breast cancer, none of the representative breast cancer cell lines screened expressed ELTD1. ELTD1 breast cancer immunohistochemistry revealed higher levels of vascular ELTD1 staining intensity within the tumour stroma contrasted to normal stroma and expression within tumour epithelial cells. Additionally, ELTD1 expression in tumour vessels was differentially expressed between the primary breast cancer microenvironment and that of the matched regional node. Due to the small size of the pilot study population, survival comparisons between the various subgroups did not yield significant results. <strong>Conclusion:</strong> ELTD1 is a novel regulator of endothelial metabolism through its suppression of ACLY and the related citrate transporter SLC25A1. ELTD1 also represses KIT, which is known to mediate haematopoietic and endothelial progenitors stem cell maintenance, a possible mechanism through which endothelial cells maintain terminal endothelial differentiation. ELTD1 does not signal like other adhesion GPCRS with CTF and FL forms of ELTD1 not signalling canonically. Additionally, ELTD1 regulates various functions of endothelial cell behaviour and function, inducing an endothelial tip cell phenotype and is highly evolutionarily conserved. Lastly, ELTD1 is differentially expressed in tumour vessels between primary breast cancer and regional nodal metastases and is also expressed in a small subset of breast cancer cells in vivo despite no cancer cell lines expressing ELTD1. The pilot study investigating ELTD1 in the primary breast cancer and regional involved nodes will be followed up with a larger study including the investigation of ELTD1 in distant metastases.

Die meisten membranständigen Rezeptoren in Säugetieren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR). Sie sind entscheidend beteiligt an der Verarbeitung von sensorischen Reizen, an der Wirkung von Signalmolekülen, an Zellwachstum, Zellreifung und Entzündungsprozessen. Dennoch sind für viele GPCR die molekularen und auch physiologischen Funktionen nicht bekannt. Die Erforschung dieser Rezeptorproteine ist von großer medizinischer Relevanz, da deren Fehlfunktion eine mögliche Ursache für Krankheiten ist und sich GPCR häufig als pharmakologische Zielmoleküle eignen. Mit 33 Mitgliedern bilden die Adhesion GPCR die zweitgrößte Klasse von GPCR im Menschen, die bisher allerdings am wenigsten erforscht wurde. Sie sind bedeutsam für das Immunsystem, die zelluläre Organisation während der Embryonalentwicklung, die Angiogenese und die Entstehung von Tumoren. Adhesion GPCR besitzen im Transmembranbereich die typische Struktur von GPCR, unterscheiden sich jedoch von klassischen GPCR aufgrund ihrer sehr großen und komplexen N Termini. Die Frage, ob diese Rezeptorfamilie funktionell an G-Proteine koppelt, blieb lange unbeantwortet. Für einige wenige Rezeptoren der Subfamilie wurde die Bindung von Liganden beschrieben, dennoch fehlt für diese bisher der Beweis einer Rezeptoraktivierung. Unsere Arbeitsgruppe konnte zum ersten Mal eine Gαs vermittelte Adenylylcyclase (AC) Aktivierung durch den Adhesion GPCR GPR133 zeigen. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden in dieser Arbeit die Signalkopplungswege der drei Adhesion GPCR GPR126, GPR56 und CD97 mittels verschiedener in vitro Methoden untersucht, um eine G-Protein-vermittelte Kopplung zu beweisen und weiter zu spezifizieren. Eine Grundlage bildeten die erfolgreiche Entwicklung einer Klonierungsstrategie und der Nachweis einer suffizienten Expression der Adhesion GPCR sowohl intrazellulär, als auch an der Membran. Durch die N-terminale Integration eines Rhodopsin Epitops gelang eine Steigerung der Zellmembranexpression für GPR126 und GPR56. Weiterhin wurden eine funktionelle Kopplung von GPR126 und GPR56 an das Gs-Protein sowie von GPR126 an das Gi-Protein bewiesen. Da eine G-Protein-gekoppelte Signaltransduktion somit für zwei weitere Adhesion GPCR gezeigt werden konnte, kann diese als etabliert für die gesamte Rezeptorklasse gelten.:Inhaltsverzeichnis 3 Abbildungsverzeichnis 4 Tabellenverzeichnis 5 Abkürzungsverzeichnis 6 1 Einleitung 8 1.1 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren und die Verarbeitung von Signalen 9 1.2 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren mit unbekannter Funktion 11 1.3 Die Adhesion G-Protein-gekoppelten Rezeptoren 14 1.3.1 Die Struktur von Adhesion GPCR 14 1.3.2 Signaltransduktion von Adhesion GPCR 17 1.3.3 Der Adhesion GPCR GPR126 18 1.3.4 Der Adhesion GPCR GPR56 19 1.3.5 Der Adhesion GPCR CD97 20 2 Ziele und Fragestellungen 24 3 Materialien und Methoden 25 3.1 Chemikalien, Materialien, Plasmide, Primer 25 3.2 Verwendete Mikroorganismen und Zellen 26 3.3 Klonierung der Adhesion GPCR GPR126, GPR56 und CD97 26 3.3.1 Isolation von RNA 26 3.3.2 Herstellung von cDNA durch Reverse Transkription 27 3.3.3 Klonierungsstrategie und Primer-Design 27 3.3.4 Topo-Klonierung 29 3.3.5 Selektionierung der Klone 31 3.3.6 Integration von tags und pcDps-Klonierung 31 3.4 Rezeptor-Expression und Funktionsanalyse in Säugerzellen 33 3.4.1 Zellkultur und Transfektion 33 3.4.2 Oberflächen-ELISA 34 3.4.3 Sandwich-ELISA 35 3.4.4 cAMP-Akkumulationsassay 36 3.4.5 Inositolphosphat-Akkumulationsassay 38 3.4.6 G12/13-vermittelte Veränderung des Zytoskeletts 39 3.5 Statistische Auswertung der Daten 41 4 Ergebnisse 42 4.1 Zellmembranexpression von Adhesion GPCR in COS-7-Zellen 42 4.2 Gesamt-Zell-Expression von Adhesion GPCR in COS-7-Zellen 43 4.3 Aktivierung des AC/cAMP-Signalweges durch Adhesion GPCR exprimiert in COS 7-Zellen 45 4.3.1 Untersuchung der basalen GPR126-induzierten cAMP-Bildung 46 4.3.2 Untersuchung der basalen GPR56-induzierten cAMP-Bildung 48 4.3.3 Untersuchung der basalen CD97-induzierten cAMP-Bildung 50 4.4 Aktivierung des PLC/IP3-Signalweges durch Adhesion GPCR exprimiert in COS-7-Zellen 52 4.4.1 Untersuchung der basalen IP3-Bildung durch Adhesion GPCR 52 4.4.2 Untersuchung der IP3-Bildung von Adhesion GPCR mit Gαqi4-Co-Expression 54 4.4.3 Untersuchung der IP3 Bildung von Adhesion GPCR mit Gαqs4 Co-Expression 56 4.5 G12/13-vermittelte Veränderung des Zytoskeletts von Adhesion GPCR in COS-7-Zellen 58 5 Diskussion 62 5.1 Entwicklung einer erfolgreichen Klonierungsstrategie für Adhesion GPCR 62 5.2 Sicherung der Expression von Adhesion GPCR 63 5.2.1 Artifizielle Steigerung der Oberflächenexpression durch das Rho-Epitop 65 5.3 G-Protein-Kopplung der Adhesion GPCR 66 5.3.1 Der GPR126 aktiviert Gs- und Gi-Proteine 67 5.3.2 Der GPR56 aktiviert Gs-Proteine 69 5.3.3 G-Protein-Kopplung des CD97 71 5.3.4 Untersuchung einer G12/13-vermittelten Veränderung des Zytoskeletts 73 5.4 Ausblick 76 6 Zusammenfassung der Arbeit und Schlussfolgerungen 77 7 Literaturverzeichnis 79 8 Anlagen 86 Selbstständigkeitserklärung 89 Lebenslauf 90 Veröffentlichungen 91 Danksagung 92

The sensation of mechanical signals is vital for all animals. For this task Drosophila larvae are equipped with chordotonal organs. These are specialized mechanosensory organs which are composed of multicellular subunits. In this study I show how metabotropic signaling by the adhesion GCPR CIRL interacts with part of the ionotropic pathways during mechanosensation in sensory neurons of the pentascolopidial chordotonal organ (lch5). CIRL modulates cAMP levels in sensory neurons and thereby shapes the receptor potential response to mechanical stimuli. Here, CIRL forms a functional interaction with the TRP channel NOMPC in which nompC is epistatic to Cirl. Furthermore, the evidence presented suggest the presence of another target of CIRL and the involvement of a further signaling pathway besides cAMP modulation. In the second part of the study, I describe a method to express the anion-selective channelrhodopsin GtACR1 in individual of the five neurons of the lch5. For this I used the MARCM approach which generates genetic mosaics during the development of the neurons of interest. Thereby a specific subset of cells deriving from a common precursor expresses the desired protein GtACR1.

Adhesion G protein-coupled receptors (aGPCRs) form a structurally separate class of GPCRs with an unresolved evolutionary history and classification. Based on phylogenetic relations of human aGPCRs, nine families (A–G, L, V) were distinguished. Taking advantage of available genome data, we determined the aGPCR repertoires in all vertebrate classes. Although most aGPCR families show a high numerical stability in vertebrate genomes, the full repertoire of family E, F, and G members appeared only after the fish–tetrapod split. We did not find any evidence for new aGPCR families in vertebrates which are not present in the human genome. Based on ortholog sequence alignments, selection analysis clearly indicated two types of tetrapod aGPCRs: (i) aGPCR under strong purifying selection in tetrapod evolution (families A, B, D, L, V); and (ii) aGPCR with signatures of positive selection in some tetrapod linages (families C, E, G, F). The alignments of aGPCRs also allowed for a revised definition of reference positions within the seven-transmembranehelix domain (relative position numbering scheme). Based on our phylogenetic cluster analysis, we suggest a revised nomenclature of aGPCRs including their transcript variants. Herein, the former families E and L are combined to one family (L) and GPR128/ADGRG7 forms a separate family (E). Furthermore, our analyses provide valuable information about the (patho)physiological relevance of individual aGPCR members.

The adhesion G protein–coupled receptor (aGPCR) GPR126/ADGRG6 plays an important role in several physiological functions, such as myelination or peripheral nerve repair. This renders the receptor an attractive pharmacological target. GPR126 is a mechano-sensor that translates the binding of extracellular matrix (ECM) molecules to its N terminus into a metabotropic intracellular signal. To date, the structural requirements and the character of the forces needed for this ECM-mediated receptor activation are largely unknown. In this study, we provide this information by combining classic second-messenger detection with single-cell atomic force microscopy. We established a monoclonal antibody targeting the N terminus to stimulate GPR126 and compared it to the activation through its known ECM ligands, collagen IV and laminin 211. As each ligand uses a distinct mode of action, the N terminus can be regarded as an allosteric module that can fine-tune receptor activation in a context-specific manner.

Background: A large number of human inherited and acquired diseases and phenotypes are caused by mutations in G protein-coupled receptors (GPCR). Genome-wide association studies (GWAS) have shown that variations in the ADGRD1 (GPR133) locus are linked with differences in metabolism, human height and heart frequency. ADGRD1 is a Gs protein-coupled receptor belonging to the class of adhesion GPCRs. Results: Analysis of more than 1000 sequenced human genomes revealed approximately 9000 single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the human ADGRD1 as listed in public data bases. Approximately 2.4 % of these SNPs are located in exons resulting in 129 non-synonymous SNPs (nsSNPs) at 119 positions of ADGRD1. However, the functional relevance of those variants is unknown. In-depth characterization of these amino acid changes revealed several nsSNPs (A448D, Q600stop, C632fs [frame shift], A761E, N795K) causing full or partial loss of receptor function, while one nsSNP (F383S) significantly increased basal activity of ADGRD1. Conclusion: Our results show that a broad spectrum of functionally relevant ADGRD1 variants is present in the human population which may cause clinically relevant phenotypes, while being compatible with life when heterozygous.

Background: A large number of human inherited and acquired diseases and phenotypes are caused by mutations in G protein-coupled receptors (GPCR). Genome-wide association studies (GWAS) have shown that variations in the ADGRD1 (GPR133) locus are linked with differences in metabolism, human height and heart frequency. ADGRD1 is a Gs protein-coupled receptor belonging to the class of adhesion GPCRs. Results: Analysis of more than 1000 sequenced human genomes revealed approximately 9000 single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the human ADGRD1 as listed in public data bases. Approximately 2.4 % of these SNPs are located in exons resulting in 129 non-synonymous SNPs (nsSNPs) at 119 positions of ADGRD1. However, the functional relevance of those variants is unknown. In-depth characterization of these amino acid changes revealed several nsSNPs (A448D, Q600stop, C632fs [frame shift], A761E, N795K) causing full or partial loss of receptor function, while one nsSNP (F383S) significantly increased basal activity of ADGRD1. Conclusion: Our results show that a broad spectrum of functionally relevant ADGRD1 variants is present in the human population which may cause clinically relevant phenotypes, while being compatible with life when heterozygous.