The superfamily of G protein-coupled receptors (GPCRs) comprises more than 800 members, which are divided into five families based on phylogenetic analyses (GRAFS classification): Glutamate, Rhodopsin, Adhesion, Frizzled/Taste2 and Secretin. The adhesion G protein-coupled receptor (aGPCR) family forms with 33 homologs in Mammalia the second largest and least investigated family of GPCRs. The general architecture of an aGPCR comprises the GPCR characteristics of an extracellular region (ECR), a seven transmembrane (7TM) domain and an intracellular region (ICR). A special feature of aGPCRs is the extraordinary size of the ECR through which they interact with cellular and matricellular ligands via adhesion motif folds. In addition, the ECR contains a so-called GPCR autoproteolysis-inducing (GAIN) domain, which catalyzes autoproteolytic cleavage of the protein during maturation. This cleavage leads to the formation of an N-terminal (NTF) and a C-terminal fragment (CTF), which build a unit by means of hydrophobic interactions and therefore appear as a heterodimeric receptor at the cell surface. In the past, it has been shown that the first few amino acids of the CTF act as a tethered agonist (TA) that mediates the activation of the receptor through the interaction with the 7TM domain. However, the molecular mechanism promoting the TA-7TM domain interaction remains elusive. This work reveals a novel molecular mechanism that does not require the dissociation of the NTF-CTF complex to promote release of the TA and thus activation of the aGPCR. The introduction of bioorthogonal labels into receptorsignaling- relevant regions of the TA of various aGPCRs demonstrated that the TA is freely accessible within the intact GAIN domain. This suggests a structural flexibility of the GAIN domain, which allows a receptor activation independent of the NTF-CTF dissociation, as found in cleavage-deficient aGPCR variants. Furthermore, the present study shows that the cellular localization and the conformation of the 7TM domain depends on the activity state of the aGPCR, which in turn indicates that the TA mediates conformational changes through the interaction with the 7TM domain, which ultimately regulates the receptor activity. In addition, biochemical analyses showed that the GAIN domain-mediated autoproteolysis of the human aGPCR CD97 (ADGRE5/E5) promotes further cleavage events within the receptor. This suggests that aGPCRs undergo cleavage cascades, which are initialized by the autoproteolytic reaction of the GAIN domain. Thus, it can be assumed that aGPCRs are subject to additional proteolytic events. Finally, the constitutive internalization of the NTF and the CTF of E5 was demonstrated by various labeling methods. It was possible to label both fragments independently and to follow their subcellular location in vitro. In summary, these obtained results contribute to a better understanding about the molecular mechanisms of activity and signaling of aGPCRs. / Die Superfamilie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) umfasst weit mehr als 800 Mitglieder, welche aufgrund von phylogenetischen Analysen in fünf Familien unterteilt werden (GRAFS Klassifizierung): Glutamat, Rhodopsin, Adhäsion, Frizzled/Taste2 und Sekretin. Die Familie der Ädhesions-G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (aGPCRs) bildet mit 33 Homologen in Säugetieren die zweitgrößte Familie innerhalb der GPCRs. Die generelle Architektur eines aGPCRs weist die GPCR typischen Merkmale einer extrazellulären Region (ECR), einer sieben Transmembrandomäne (7TM) und einer intrazellulären Region (ICR) auf. Eine Besonderheit stellt hierbei die außergewöhnliche Größe der ECR, welche über vielfältige Domänen mit zellulären und matrixgebundenen Liganden interagieren, dar. Zusätzlich umfasst die ECR eine sogenannte GPCR Autoproteolyse-induzierende (GAIN) Domäne, an welcher während der Proteinreifung eine autoproteolytische Spaltung stattfindet. Diese Spaltung führt zur Entstehung eines N-terminalen (NTF) und C-terminalen Fragmentes (CTF), welche mittels hydrophober Wechselwirkung eine Einheit an der Zelloberfläche und daher einen heterodimeren Rezeptor bilden. In der Vergangenheit zeigte sich, dass die ersten paar Aminosäuren des CTF als angebundener Agonist (TA) agieren und über die Interaktion mit der 7TM Domäne eine Aktivierung des Rezeptors vermitteln. Der molekulare Mechanismus, welcher die Wechselwirkung zwischen TA und 7TM Domänen fördert, ist jedoch weiterhin unbekannt. Diese Arbeit enthüllt einen neuartigen molekularen Mechanismus, welcher keine Dissoziation des NTF-CTF Komplexes benötigt, um eine Freisetzung des TA und damit eine Aktivierung des aGPCR zu gewährleisten. Mittels der Einbringung von bioorthogonalen Markierungen in rezeptorsignalisierungs-relevante Bereiche des TA von diversen aGPCRs, wurde gezeigt, dass dieser innerhalb der intakten GAIN Domäne freizugänglich vorliegt. Dies lässt auf eine strukturelle Flexibilität der GAIN Domäne schließen, welche eine Rezeptoraktivierung unabhängig von der NTF-CTF Dissoziation erlaubt, wie sie auch bei spaltungsdefizienten aGPCR Varianten vorzufinden ist. Des Weiteren zeigt die vorliegende Arbeit, dass sich die zelluläre Lokalisation und die Konformation der 7TM Domäne abhängig vom Aktivitätszustand des aGPCR ist, was wiederrum daraufhin deutet, dass der TA über die Interaktion mit der 7TM Domäne eine Konformationsänderung vermittelt, welche letztendlich die Rezeptoraktivität reguliert. Zudem zeigten biochemische Analysen, dass neben der GAIN Domänen-vermittelten Autoproteolyse des humanen aGPCRs CD97 (ADGRE5/E5) weitere proteolytische Spaltungen innerhalb des Rezeptors stattfinden. Dies deutet daraufhin, dass aGPCRs Spaltungskaskaden durchlaufen, welche über die autoproteolytischen Reaktion der GAIN Domäne initialisiert werden. Dadurch kann angenommen werden, dass aGPCRs zusätzlichen proteolytischen Ereignissen unterliegen. Schlussendlich konnte mittels diverser Markierungsverfahren die konstitutive Internalisierung des NTF und des CTF von E5 nachgewiesen werden. Es war möglich beide Fragmente unabhängig voneinander zu markieren und deren subzelluläre Lokalisation in vitro zu verfolgen. Zusammenfassend tragen die gewonnen Ergebnisse zu einem besseren Verständnis der zugrundeliegenden molekularen Mechanismen in Bezug auf Aktivität und Signalübertragung von aGPCRs bei.

G-protein-coupled receptors (GPCRs) are key biological switches that transmit both internal and external stimuli into the cell interior. Among the GPCRs, the “light receptor” rhodopsin has been shown to activate with a re-arrangement of the transmembrane helix bundle within ≈1 ms, while all other receptors are thought to become activated in subsecond range at saturating concentrations. Here we investigate activation kinetics of a dimeric GPCR, the metabotropic glutamate receptor-1 (mGluR1), and several class A GPCRs, as muscarinic receptor 3 (M3R), adrenergic (α2aAR and β1R) and opioid (µOR) receptors. We first used UV-light-triggered uncaging of glutamate in intact cells. Sub-millisecond Förster resonance energy transfer recordings between labels at intracellular receptor sites were used to record conformational changes in the mGluR1. At millimolar ligand concentrations the initial rearrangement between the mGluR1 subunits occurs at a speed of τ1≈1-2 ms. These rapid changes were followed by significantly slower conformational changes in the transmembrane domain (τ2≈20 ms). We further characterized novel photoswitchable negative allosteric modulators for mGluR1, which bind to its transmembrane core and block the conformational change as well as the downstream signaling. Effects of the compounds were quantified in pharmacological cell assays in the dark and using UV and green light illumination. We finally develop a framework for image-based kinetic analysis of GPCRs which allowed us to measure activation kinetics of several prototypical class A GPCRs and to discover membrane heterogeneities of GPCR activation. It appears that GPCR activation signal is not only dependent on the amount of activated receptors, but also has some level of correlation with the local density of activated receptors. / G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind die größte Familie der membranständigen Proteine, welche sowohl interne als auch externe Stimulationen in den intrazellulären Raum weiterleiten und somit in Eukaryonten ein breites Spektrum an physiologischen Prozessen regulieren. Innerhalb der GPCRs konnte für den „Lichtrezeptor“ Rhodopsin gezeigt werden, dass dessen Aktivierung, welche eine räumliche Umorientierung der Transmembrandomänen beinhaltet, innerhalb von einer Millisekunde erfolgt, wohingegen angenommen wurde, dass die meisten anderen dieser Rezeptoren wesentlich langsamer, im Sekundenbereich, aktiviert werden. Die vorliegende Arbeit ist auf die Aktivierungskinetiken eines typisch- dimerischen Rezeptors, nämlich dem metabotrobischen Glutamat- rezeptor 1(mGluR1), sowie einige Klasse-A GPCRs fokussiert, darunter befinden sich sowohl der muskarinische M3-Rezeptor, die adrenergen α2A- und β1-Rezeptoren als auch der μ-opioid Rezeptor. Wir nutzten zunächst durch UV-Licht aktivierbares Glutamat auf intakten Zellen. Hierbei erfolgte, unter Verwendung von Sättigungskonzentrationen, die Umorganisation der mGluR1- Untereinheiten innerhalb von ein bis zwei Millisekunden. Diesen Änderungen folgte eine signifikant langsamere Konformationsänderung von 20 Millisekunden in den Transmembrandomänen. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung von neuen, durch Licht schaltbaren, negativen allosterischen Modulatoren des mGluR1-Rezeptors. Für diese konnte gezeigt werden, dass sie unter bestimmten Belichtungsbedingungen im Mittelpunkt der Transmembrandomänen binden und dadurch sowohl die Konformationsänderung des Rezeptors als auch dessen weitere Signaltransduktion verhindern. Zudem entwickelten wir ein Systemumfeld zur bildbasierten Analyse von GPCR-Kinetiken, welches es uns erlaubte die Aktivierungskinetiken einiger exemplarischer Klasse A GPCRs zu messen und heterogene Aktivierungskinetiken von GPCRs auf Zellmembranen zu entdecken. Die Resultate dieser Arbeit legen Nahe, dass Aktivierungs- Signale von GPCRs nicht nur von der Menge der aktivierten Rezeptoren abhängen, sondern zusätzlich auch zu einem gewissen Grad mit der lokalen Dichte von aktivierten Rezeptoren korrelieren.

G protein-coupled receptors (GPCRs) constitute the largest class of membrane proteins, and are the master components that translate extracellular stimulus into intracellular signaling, which in turn modulates key physiological and pathophysiological processes. Research within the last three decades suggests that many GPCRs can form complexes with each other via mechanisms that are yet unexplored. Despite a number of functional evidence in favor of GPCR dimers and oligomers, the existence of such complexes remains controversial, as different methods suggest diverse quaternary organizations for individual receptors. Among various methods, high resolution fluorescence microscopy and imagebased fluorescence spectroscopy are state-of-the-art tools to quantify membrane protein oligomerization with high precision. This thesis work describes the use of single molecule fluorescence microscopy and implementation of two confocal microscopy based fluorescence fluctuation spectroscopy based methods for characterizing the quaternary organization of two class A GPCRs that are important clinical targets: the C-X-C type chemokine receptor 4 (CXCR4) and 7 (CXCR7), or recently named as the atypical chemokine receptor 3 (ACKR3). The first part of the results describe that CXCR4 protomers are mainly organized as monomeric entities that can form transient dimers at very low expression levels allowing single molecule resolution. The second part describes the establishment and use of spatial and temporal brightness methods that are based on fluorescence fluctuation spectroscopy. Results from this part suggests that ACKR3 forms clusters and surface localized monomers, while CXCR4 forms increasing amount of dimers as a function of receptor density in cells. Moreover, CXCR4 dimerization can be modulated by its ligands as well as receptor conformations in distinct manners. Further results suggest that antagonists of CXCR4 display distinct binding modes, and the binding mode influences the oligomerization and the basal activity of the receptor: While the ligands that bind to a “minor” subpocket suppress both dimerization and constitutive activity, ligands that bind to a distinct, “major” subpocket only act as neutral antagonists on the receptor, and do not modulate neither the quaternary organization nor the basal signaling of CXCR4. Together, these results link CXCR4 dimerization to its density and to its activity, which may represent a new strategy to target CXCR4. / G protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) bilden die größte Klasse der Membranproteine und sind entscheidend an der Übersetzung extrazellulärer Reize in intrazelluläre Signale beteiligt, welche wiederum unzählige physiologische und pathophysiologische Prozesse regulieren. Die Forschungsergebnisse der letzten drei Jahrzehnte deutet darauf hin, dass viele GPCRs mittels noch weitgehend unbekannter Mechanismen miteinander Komplexe bilden können. Trotz vielfältiger Beobachtungen, die für die funktionelle Relevanz von GPCR-Dimeren und -Oligomeren sprechen, ist deren Existenz dennoch weiterhin umstritten, vor allem da verschiedene Methoden auf unterschiedliche quaternäre Anordnungen derselben Rezeptoren hinweisen. Von den derzeit verfügbaren Methoden zur genauen Untersuchung der GPCR Dimerisierung/-Oligomerisierung, stellen die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie sowie die bildbasierte Fluoreszenzspektroskopie die Techniken der Wahl dar. Die hier vorliegende Arbeit beschreibt die Anwendung der Einzelmolekül Fluoreszenzmikroskopie sowie zweier konfokalmikroskopischer Methoden zur Messung der Fluoreszenzfluktuation, mit deren Hilfe die quaternäre Anordnung zweier klinisch hochattraktiver Klasse A GPCRs untersucht wurde: der C-X-C Typ Chemokinrezeptoren 4 (CXCR4) und 7 (CXCR7), letzterer auch bekannt als atypischer Chemokinrezeptor 3 (ACKR3). Der erste Teil der Ergebnisse legt anhand Untersuchungen an einzelnen Molekülen dar, dass CXCR4 überwiegend in Form monomerer Einheiten auftritt, die bei sehr geringen Expressionsleveln kurzlebige Dimere bilden können. Der zweite Teil beschreibt die Etablierung und Anwendung räumlicher und zeitlicher Brillanzmethoden, die auf der spektroskopischen Untersuchung der Fluoreszenzfluktuation beruhen. Die Ergebnisse dieses Abschnitts deuten darauf hin, dass ACKR3 sowohl in Form beständiger Rezeptor-Cluster, und monomere Einheit an der Oberfläche lebender Zellen auftritt. CXCR4 ist bei zunehmender Rezeptordichte hingegen vermehrt in Form von Dimeren zu finden. Zudem kann die Dimerisierung von CXCR4 von dessen Liganden, als auch von der drei dimensionalen Anordnung der Rezeptorteilstrukturen (Rezeptorkonformation)auf unterschiedliche Weise reguliert werden. Die weiteren Ergebnisse legen nahe, dass Antagonisten auf unterschiedliche Weise an CXCR4 binden können und dass der jeweilige Bindungsmodus entscheidend für den Einfluss des Liganden auf Oligomerisierung und basale Aktivität von CXCR4 ist: Während Liganden, die an eine kleinere Untertasche des Rezeptors binden, sowohl die Dimerisierung als auch die Basalaktivität unterdrücken, fungieren Verbindungen, die an eine andere, größere Untertasche binden, lediglich als neutrale Antagonisten und zeigen keinerlei Einfluss auf die quaternäre Anordnung und basale Aktivität von CXCR4. Zusammenfassend verknüpfen diese Ergebnisse CXCR4-Dimerisierung mit der Rezeptordichte in Zellen und seiner Aktivität, was die Grundlage für neue Strategien zur phamakologischen Modulation von CXCR4 darstellen könnte.

Opioid receptors represent one of the most important targets in the treatment of acute and chronic pain. However, activation of this class of receptors leads to serious and sometimes lethal side effects such as respiratory depression. A few hypotheses including low intrinsic G protein efficacy and functional selectivity of some ligands have been proposed and investigated for the development of the side effects. Nonetheless, the molecular basis governing the side effect profile of opioid receptors still remains unclear. This is reflective of the need for new pharmacological tool compounds to study this class of receptors in order to gain valuable insight into their mechanism of action which can assist in the engineering of improved opioids with fewer undesired effects. In this regard, bitopic ligands of the mu opioid receptor (MOR) which simultaneously bind the orthosteric and allosteric binding sites were designed and synthesised. From previous studies in the working group with muscarinic receptors, bitopic ligands showed interesting properties such as subtype and functional selectivity.The proof of concept developed for muscarinic receptors was thus applied to the MOR in order to obtain valuable information into its mechanism of action and/or biased signalling. The bitopic ligands were designed based on the positive allosteric modulator (PAM) BMS-986122 as the allosteric block and the agonists PZM21 and TRV130 as orthosteric moieties. In the design of these ligands, suitable linker attachment points on both the allosteric and orthosteric moieties were identified. Subsequently, the synthesis of these compounds was adapted to allow the introduction of the linker prior to attempting the tethering of the allosteric and orthosteric blocks to obtain the bitopic ligands. / Opioidrezeptoren stellen eines der wichtigsten Targets bei der Behandlung von akuten und chronischen Schmerzen dar. Die Aktivierung dieser Rezeptorklasse führt jedoch zu schwerwiegenden und manchmal tödlichen Nebenwirkungen wie Atemdepression. Es wurden einige Hypothesen aufgestellt und untersucht, darunter eine geringe intrinsische G-Protein-Wirksamkeit und die funktionelle Selektivität einiger Liganden, die für die Entwicklung der Nebenwirkungen verantwortlich sein könnten. Dennoch ist die molekulare Grundlage, die das Nebenwirkungsprofil von Opioidrezeptoren bestimmt, nach wie vor unklar. Dies spiegelt den Bedarf an neuen pharmakologischen Wirkstoffverbindungen zur Untersuchung dieser Rezeptorklasse wider, um wertvolle Einblicke in ihren Wirkmechanismus zu erhalten, die bei der Entwicklung verbesserter Opioide mit weniger unerwünschten Wirkungen helfen können. In diesem Zusammenhang wurden bitopische Liganden des µ-Opioidrezeptors (MOR) entwickelt und synthetisiert, die gleichzeitig an die orthosterischen und allosterischen Bindungsstellen binden. Aus früheren Studien der Arbeitsgruppe mit Muskarinrezeptoren wiesen bitopische Liganden interessante Eigenschaften wie Subtyp- und Funktionsselektivität auf. Der für Muskarinrezeptoren entwickelte Proof of Concept wurde daher auf den MOR angewendet, um wertvolle Informationen über seinen Wirkmechanismus und/oder seine voreingenommene Signalübertragung zu erhalten. Die bitopischen Liganden wurden auf der Grundlage des positiven allosterischen Modulators (PAM) BMS-986122 als allosterischer Baustein und der Agonisten PZM21 und TRV130 als orthosterische Bausteine entwickelt. Bei der Entwicklung dieser Liganden wurden geeignete Verknüpfungspunkte für die Verknüpfung sowohl an den allosterischen als auch an den orthosterischen Einheiten identifiziert. Anschließend wurde die Synthese dieser Verbindungen angepasst, um die Einführung des Verknüpfers vor dem Versuch der Verknüpfung der allosterischen und orthosterischen Blöcke zu ermöglichen, um die bitopischen Liganden zu erhalten.

The receptor activity-modifying proteins (RAMPs) are ubiquitously expressed membrane proteins that interact with several G protein-coupled receptors (GPCRs), the largest and pharmacologically most important family of cell surface receptors. RAMPs can regulate GPCR function in terms of ligand-binding, G-protein coupling, downstream signaling, trafficking, and recycling. The integrity of their interactions translates to many physiological functions or pathological conditions. Regardless of numerous reports on its essential importance for cell biology and pivotal role in (patho-)physiology, the molecular mechanism of how RAMPs modulate GPCR activation remained largely elusive. This work presents new insights that add to the common understanding of the allosteric regulation of receptor activation and will help interpret how accessory proteins - RAMPs - modulate activation dynamics and how this affects the fundamental aspects of cellular signaling. Using a prototypical class B GPCR, the parathyroid hormone 1 receptor (PTH1R) in the form of advanced genetically encoded optical biosensors, I examined RAMP's impact on the PTH1R activation and signaling in intact cells. A panel of single-cell FRET and confocal microscopy experiments as well canonical and non-canonical functional assays were performed to get a holistic picture of the signaling initiation and transduction of that clinically and therapeutically relevant GPCR. Finally, structural modeling was performed to add molecular mechanistic details to that novel art of modulation. I describe here that RAMP2 acts as a specific allosteric modulator of PTH1R, shifting PTH1R to a unique pre-activated state that permits faster activation in a ligand-specific manner. Moreover, RAMP2 modulates PTH1R downstream signaling in an agonist-dependent manner, most notably increasing the PTH-mediated Gi3 signaling sensitivity and kinetics of cAMP accumulation. Additionally, RAMP2 increases PTH- and PTHrP-triggered β-arrestin2 recruitment to PTH1R and modulates cytosolic ERK1/2 phosphorylation. Structural homology modeling shows that structural motifs governing GPCR-RAMP interaction originate in allosteric hotspots and rationalize functional modulation. Moreover, to interpret the broader role of RAMP's modulation in GPCRs pharmacology, different fluorescent tools to investigate RAMP's spatial organization were developed, and novel conformational biosensors for class B GPCRs were engineered. Lastly, a high throughput assay is proposed and prototyped to expand the repertoire of RAMPs or other membrane protein interactors. These data uncover the critical role of RAMPs in GPCR activation and signaling and set up a novel platform for studying GPCR modulation. Furthermore, these insights may provide a new venue for precise modulation of GPCR function and advanced drug design. / G Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) bilden die größte und pharmakologisch wichtigste Familie von Zelloberflächenrezeptoren, die zahlreiche (patho-)physiologische Prozesse im menschlichen Körper steuern. GPCRs übertragen während des Rezeptoraktivierungsprozesses extrazelluläre Signale in das Zellinnere, wo durch die extrazelluläre Stimulation Konformationsänderungen des Rezeptorkerns auslöst und die Bindung intrazellulärer Bindungspartner – G Proteine, G Protein-gekoppelte Rezeptorkinase und Arrestine - ermöglicht. Es handelt sich also um einen kritischen Prozess in der Signaltransduktion, der durch einige endogene Moleküle wie Ionen, Lipide oder andere Proteine moduliert werden kann und Auswirkungen auf nachgeschaltete Signalkaskaden hat. GPCRs bilden gewebeabhängige Oligomere mit ihren interagierenden Partnern, Rezeptor-Aktivitäts-modifizierende Proteinen (RAMPs), ubiquitär exprimierten Membranproteinen. Bekannt ist, dass sie die Ligandenbindung, die G- Protein-Kopplung, die nachgeschaltete Signalisierung, das Trafficking und das Recycling einiger GPCRs modulieren. Ihre Rolle im kritischsten Prozess der Signaltransduktion - der Rezeptoraktivierung - wurde jedoch nur begrenzt erforscht. Anhand des physiologisch und therapeutisch wichtigen Parathormon-Rezeptors (PTH1R), einem GPCR der Klasse B, wurden die Modulationseffekte von RAMPs auf den Prozess der Rezeptoraktivierung und ihre Folgen für die nachgeschaltete Signalübertragung analysiert. Hierzu wurden verschiedene optische Biosensoren zur Messung der Aktivierung des PTH1R und seiner Signalkaskade entwickelt und in verschiedenen Versuchsanordnungen eingesetzt, mit dem Ziel einen holistischen Blick auf die Interaktion zwischen PTH1R und RAMPs und ihre funktionellen Auswirkungen zu erhalten. Die Interaktion zwischen PTH1R und RAMPs erwies sich als besonders ausgeprägt für RAMP2, und RAMP2 zeigte eine spezifische allosterische Modulation der PTH1R-Konformation, sowohl im basalen als auch im Liganden- aktivierten Zustand. Ein einzigartiger voraktivierter oder (meta-stabiler) Zustand ermöglichte eine schnellere Rezeptoraktivierung auf Liganden-spezifische Weise. Außerdem beeinflusste RAMP2 die G Protein- und Nicht-G Protein-vermittelte Signalübertragung indem es die PTH-vermittelte Gi3-Signalempfindlichkeit und die Kinetik der cAMP-Akkumulation modulierte. Weiterhin erhöhte RAMP2 die Menge der β-Arrestin2-Rekrutierung an PTH1R auf Liganden-spezifische Weise. Dies könnte mit einer erhöhten zytosolischen ERK-Menge zusammenhängen, die hat sich von der nukleären ERK-Phosphorylierung unterscheidet. Um einen molekularen Mechanismus für die vorgestellten Ergebnisse vorzuschlagen, wurden mehrere strukturelle Modelle entwickelt und analysiert. Diese Arbeit liefert den Beweis, dass RAMP die GPCR-Aktivierung mit funktionellen Auswirkungen auf die zelluläre Signalübertragung reguliert. Die Ergebnisse sollten im Zusammenhang mit zellspezifischen Koexpressionsmustern interpretiert werden und können zur Entwicklung von fortschrittlichen Therapeutika positiv beitragen. Da GPCRs praktisch alle Zellfunktionen koordinieren und seit jeher wichtigen Angriffspunkten für Medikamente sind, tragen die vorgestellten Erkenntnisse zum universellen Verständnis der molekularen Mechanismen bei, die den menschlichen Körper orchestrieren.

UDP-sugars were identified as extracellular signaling molecules, assigning a new function to these compounds in addition to their well-defined role in intracellular substrate metabolism and storage. Previously regarded as an orphan receptor, the G protein-coupled receptor (GPCR) P2Y14 (GPR105) was found to bind extracellular UDP and UDP-sugars. Little is known about the physiological functions of this GPCR. To study its physiological role a gene-deficient (KO) mouse strain expressing the bacterial LacZ reporter gene was used to monitor the physiological expression pattern of P2Y14. P2Y14 is mainly expressed in pancreas and salivary glands and in subpopulations of smooth muscle cells of the gastrointestinal tract, bronchioles, blood vessels and uterus. Among other phenotypical differences KO mice showed a significantly impaired glucose tolerance following oral and intraperitoneal glucose application. An unchanged insulin tolerance points towards an altered pancreatic islet function. Transcriptome analysis of pancreatic islets showed that P2Y14 deficiency significantly changed expression of components involved in insulin secretion. Insulin secretion tests revealed a reduced insulin release from P2Y14-deficient islets highlighting P2Y14 as a previously unappreciated modulator of proper insulin secretion.

Die Familie der Adhesion-G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (aGPCR) stellt die zweitgrößte Gruppe der GPCR dar. Ein strukturelles Charakteristikum der aGPCR ist der modular aufgebaute N-Terminus, welcher eine GPCR-proteolytic site (GPS) mit einem konservierten Spaltungsmotiv enthält. Trotz der hohen medizinischen Relevanz dieser Rezeptorgruppe sind für die meisten der 33 humanen Vertreter der aGPCR bis heute weder Funktion noch endogener Agonist bekannt. Um sie jedoch zukünftig als potentielle Angriffspunkte diagnostisch und therapeutisch nutzen zu können, kommt der umfassenden Charakterisierung der aGPCR hinsichtlich ihrer Aktivierungsmechanismen und Signaltransduktion große Bedeutung zu. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine kurze Peptidsequenz im C-terminalen Bereich des N-Terminus (Stachel-Sequenz genannt) als gebundener Agonist der aGPCR fungiert und G-Protein-vermittelte Signalwege aktiviert. Dazu wurden ortsgerichtete Mutagenesestudien durchgeführt und synthetisierte Peptide analog der Stachel-Sequenz der aGPCR in funktionellen second messenger-Akkumulationsexperimenten getestet. Während die Untersuchungen des Aktivierungsmechanismus an den bereits initial charakterisierten Rezeptoren GPR126 und GPR133 unternommen wurden, konnten 11 weitere aGPCR hinsichtlich ihrer Kopplung an G-Proteine, Expression und ihres autoproteolytischen Spaltungsverhaltens in vitro analysiert werden. Dabei ist herauszustellen, dass alle untersuchten aGPCR an das Gs-Protein koppeln. GPR115, GPR116 und GPR128 zeigten sogar eine multiple Kopplung an Gs-, Gq- und Gi-Proteine. Weiterhin konnte dargelegt werden, dass die Zerstörung hoch konservierter Disulfidbrückenbindungen innerhalb der GPS durch Aminosäuresubstitution in einer konstitutiven Aktivierung des Wildtyp-Rezeptors resultiert.

Die Familie der Adhesion-G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (aGPCR) stellt die zweitgrößte Gruppe der GPCR dar. Ein strukturelles Charakteristikum der aGPCR ist der modular aufgebaute N-Terminus, welcher eine GPCR-proteolytic site (GPS) mit einem konservierten Spaltungsmotiv enthält. Trotz der hohen medizinischen Relevanz dieser Rezeptorgruppe sind für die meisten der 33 humanen Vertreter der aGPCR bis heute weder Funktion noch endogener Agonist bekannt. Um sie jedoch zukünftig als potentielle Angriffspunkte diagnostisch und therapeutisch nutzen zu können, kommt der umfassenden Charakterisierung der aGPCR hinsichtlich ihrer Aktivierungsmechanismen und Signaltransduktion große Bedeutung zu. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine kurze Peptidsequenz im C-terminalen Bereich des N-Terminus (Stachel-Sequenz genannt) als gebundener Agonist der aGPCR fungiert und G-Protein-vermittelte Signalwege aktiviert. Dazu wurden ortsgerichtete Mutagenesestudien durchgeführt und synthetisierte Peptide analog der Stachel-Sequenz der aGPCR in funktionellen second messenger-Akkumulationsexperimenten getestet. Während die Untersuchungen des Aktivierungsmechanismus an den bereits initial charakterisierten Rezeptoren GPR126 und GPR133 unternommen wurden, konnten 11 weitere aGPCR hinsichtlich ihrer Kopplung an G-Proteine, Expression und ihres autoproteolytischen Spaltungsverhaltens in vitro analysiert werden. Dabei ist herauszustellen, dass alle untersuchten aGPCR an das Gs-Protein koppeln. GPR115, GPR116 und GPR128 zeigten sogar eine multiple Kopplung an Gs-, Gq- und Gi-Proteine. Weiterhin konnte dargelegt werden, dass die Zerstörung hoch konservierter Disulfidbrückenbindungen innerhalb der GPS durch Aminosäuresubstitution in einer konstitutiven Aktivierung des Wildtyp-Rezeptors resultiert.

UDP-sugars were identified as extracellular signaling molecules, assigning a new function to these compounds in addition to their well-defined role in intracellular substrate metabolism and storage. Previously regarded as an orphan receptor, the G protein-coupled receptor (GPCR) P2Y14 (GPR105) was found to bind extracellular UDP and UDP-sugars. Little is known about the physiological functions of this GPCR. To study its physiological role a gene-deficient (KO) mouse strain expressing the bacterial LacZ reporter gene was used to monitor the physiological expression pattern of P2Y14. P2Y14 is mainly expressed in pancreas and salivary glands and in subpopulations of smooth muscle cells of the gastrointestinal tract, bronchioles, blood vessels and uterus. Among other phenotypical differences KO mice showed a significantly impaired glucose tolerance following oral and intraperitoneal glucose application. An unchanged insulin tolerance points towards an altered pancreatic islet function. Transcriptome analysis of pancreatic islets showed that P2Y14 deficiency significantly changed expression of components involved in insulin secretion. Insulin secretion tests revealed a reduced insulin release from P2Y14-deficient islets highlighting P2Y14 as a previously unappreciated modulator of proper insulin secretion.

Adhäsions-G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (aGPCRs), eine Familie der GPCRs, sind an einer Vielzahl unterschiedlicher Prozesse wie der Immunregulation, der Entwicklung des Gehirns, der Zell-Zell-Interaktion, dem Stoffwechsel und der Tumorgenese beteiligt. Sie bestehen aus einer großen N-terminalen extrazellulären Domäne (ECD), die mit den Sieben-Transmembranhelices (7TM) verbunden ist, gefolgt von der intrazellulären Domäne (ICD). Die ECD enthält Adhäsion-vermittelnde Subdomänen, sowie die GPCR autoproteolysis-inducing (GAIN)-Domäne, die die GPCR proteolysis site (GPS) beherbergt und reguliert. Die Spaltung der meisten aGPCRs in zwei nicht-kovalent verbundene Fragmente an dieser Stelle ist in der Regel Voraussetzung für ihre Aktivität. Eine beeinträchtigte Autoproteolyse wird auf Veränderungen in der GPS-Konsensus-Sequenz zurückgeführt. Unter den humanen aGPCRs ist GPR115, das von ADGRF4 kodiert wird, einzigartig, da es ein deutlich für die Haut selektives Transkriptionsprofil aufweist. So gehört ADGRF4 zu den 100 Genen (Platz 39) mit der höchsten mRNA-Expression in der Haut. Allerdings existieren zu GPR115 keine Daten auf Proteinebene; die Lokalisation und Funktion von GPR115 in humanen Geweben, insbesondere der Haut, sind weitgehend unbekannt. Ursächlich hierfür sind unter anderem fehlende evaluierte spezifische GPR115-Antikörper. Die Epidermis ist ein mehrschichtiges verhorntes Plattenepithel, welches die oberste Hautschicht bildet. Sie erneuert sich kontinuierlich aus epidermalen Stammzellen, die im Stratum basale lokalisiert sind, und die differenzierten Keratinozyten der suprabasalen Strata spinosum, granulosum und corneum hervorbringen. In der gesunden Epidermis unterliegen Proliferation und Differenzierung der Keratinozyten einer strengen Regulierung, um die epidermale Homöostase aufrechtzuerhalten. Die Störung der zugrundeliegenden Regelkreise trägt zu Dermatosen wie der Psoriasis bei. Die epidermale Architektur und der Zusammenhalt der Keratinozyten in der Epidermis hängen von der Expression von Keratinen (KRT), Intermediärfilamenten in Epithelien, ab. Sie schützen die Epidermis vor mechanischer Belastung, dienen der Zelladhäsion und sind über vielfältige Proteininteraktionen an intra- und interzellulären Signalwegen beteiligt. Keratinfilamente sind Heterodimere aus je einem Typ-I- und einem Typ-II-Keratin, die sich zu Polymeren zusammenlagern. Innerhalb der Epidermis wird die Keratinexpression streng reguliert. Während die Keratinozyten des Stratum basale das Keratindimer 5 und 14 (KRT5/14) exprimieren, ersetzen differenzierte suprabasale Keratinozyten das Dimer durch KRT1/10, einen Hauptbestandteil des sogenannten cornified envelope (Kumar et al., 2015). Wie die epidermale Differenzierung und die Keratinexpression reguliert werden, ist noch nicht vollständig geklärt.:Abkürzungsverzeichnis I 1 Einführung 1 1.1 Adhäsions-G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (aGPCRs) 1 1.2 GPR115/ADGRF4 3 1.3 Funktion und Aufbau der Epidermis 3 1.4 Zytoskelett, Intermediärfilamente, Keratine der Epidermis 6 1.5 Humane Keratinozytenzelllinie HaCaT 8 1.6 Rationale der publizierten Studie 8 2 Publikation 10 3 Zusammenfassung 27 4 Literaturverzeichnis 32 Anlagen II