Diss. (sammanfattning) Uppsala : Uppsala universitet, 2006. / Härtill 5 uppsatser.

Orientador: Fátima Pereira de Souza / Banca: Karina Alves de Toledo / Banca: Tereza Cristina Cardoso / Resumo: As infecções respiratórias agudas (IRAs) constituem a principal causa de mortalidade infantil no mundo, e o Vírus Respiratório Sincicial Humano (hRSV - Human Respiratory Syncytial Virus) é um dos principais agentes etiológicos das IRAs. Este vírus pertencente à família Paramyxoviridae, é envelopado, de simetria helicoidal, cujo genoma é RNA de fita simples não segmentada. A infectividade do vírus está relacionada com suas proteínas de membrana e dentre elas a glicoproteína G, que é responsável pela ligação do vírus à célula hospedeira e conseqüente instalação da infecção. Esta glicoproteína exerce um importante papel como antígeno de reconhecimento, sendo alvo para identificação do RSV através de anticorpos. Existem evidências de que esta proteína se liga a receptores glicosilados na célula hospedeira, porém ainda não foi descrito um receptor para a proteína G na célula. Para elucidar estes mecanismos de interação, foram realizados estudos experimentais e teóricos desta proteína. Os domínios solúveis da região N-terminal (1 a 38 aa) e C-terminal (67 a 298 aa), com 231 aminoácidos da glicoproteína G do hRSV foram clonados e a região N-terminal foi expressa em bactéria BL21 pLysS. Em paralelo, foi realizada a caracterização teórica desta proteína, e foram avaliados os possíveis sítios de interação da mesma com glicosaminoglicanos (heparina). Foram obtidos dois modelos teóricos para a proteína G do hRSV, bem como dois modelos de interação com heparina, determinando portanto, um possível sítio de ocorrência de interação. O conhecimento da estrutura da proteína G é de grande importância para elucidar a composição da estrutura e os mecanismos de interação com potenciais ligantes e deste modo, em um passo posterior, propor mecanismos de reconhecimento celular pelo hRSV, através de glicosaminoglicanos / Abstract: Acute Respiratory Infections (ARI) are the leading cause of infant mortality in the world, and the Human Respiratory Syncytial Virus (hRSV) is one of the main agents of ARI. This virus belongs to Paramyxoviridae family, has a lipidic envelope, helical symmetry and its genome is a single-stranded RNA. The viral infectivity is related to its membrane proteins and among them the G glycoprotein, which is responsible for binding the virus to the host cell and consequent infection. This glycoprotein plays an important role as antigen recognition, being the target for hRSV identification through antibodies. There are evidences that this protein binds to host cell glycosylated receptors, but it has not been described a receptor for G protein in the cell yet. To elucidate these interaction mechanisms and understand the process of viral infectivity, we performed experimental and theoretical studies of this protein. The soluble domains of the N-terminal (1-38 aa) and C-terminal regions (67-298 aa), with 231 amino acids of the hRSV G glycoprotein have been cloned and the N-terminal region was expressed in BL21 pLysS bacteria. In a later trial these peptides will be purified and biophysical tests will be done. It was also performed a theoretical characterization of this protein, to assess the possible interaction sites with glycosaminoglycan (heparin). It were obtained two theoretical models for the hRSV G protein as well as two interaction models with heparin, in order to determine a possible site of occurrence of interaction. Knowledge of G protein structure is of great importance to elucidate the mechanism of viral infectivity and interaction mechanisms with potential ligants, and the results obtained in this work will allow us, in a later step, to propose mechanisms of cellular recognition by hRSV through glycosaminoglycans / Mestre

archives@tulane.edu / G protein-coupled receptors (GPCRs) are the largest family of proteins in humans and are expressed widely throughout the body. GPCRs consist of seven-transmembrane helices that bind extracellular ligands to initiate intracellular downstream signaling via interaction with G proteins, and function in many short and long-term responses in the body, including taste, immune function, and sugar sensing. Extracellular binding and the coupled downstream signaling pathway means that GPCRs are ideal drug targets for many diseases, making them of great interest to the pharmaceutical industry. Some GPCRs have been crystallized in an effort to better elucidate the structure-function relationship to aid in the design of novel therapeutics. The adenosine A2A receptor (A2AR) is a GPCR that has been crystallized bound to agonist, antagonist, and G protein. Although these crystal structures are informative in regards to A2AR structure when associated with binding partners, all current crystal structures truncate nearly 100 amino acids of the C-terminus. As a crystallization strategy, this truncation makes sense considering the C-terminus is long and unstructured. However, truncating roughly 25% of the protein, as well as making other point mutations calls into question the authenticity of the crystal structures in reflecting functional receptor and thus their potential value for therapeutic design. Beyond structural studies, biophysical characterization of drug binding to receptors in vitro to predict efficacy in vivo has shifted away from measures of affinity and selectivity and towards determination of kinetic rates. Kinetic rate constants in combination with affinity and drug residence time are thought to be better predictors of drug behavior in vivo. For these reasons, this thesis focuses on experiments to characterize A2AR kinetic rate constants. Previously, our lab showed that truncating the A2AR C-terminus reduced downstream cAMP signaling in mammalian cells, although where the effect on the signaling pathway occurred was not determined. Here, we report that truncation of the C-terminus ablates receptor association to Gαs, the first step in signaling. In this work, A2AR ligand binding kinetics, stability, and association to Gαs are characterized to better delineate the importance of interactions between receptor and stimuli in a way that is impactful to drug design. / 1 / Kirsten Swonger Koretz

In this study, a novel method based on biotinylated antibodies and streptavidin coated magnetic beads was used to separate the thrombocyte subpopulations from zebrafish whole blood. DiI-C18, a lipophilic dye, labels only young thrombocytes when used at low concentrations. Commercially available biotinylated anti-Cy3 antibody was used to label the chromophore of DiI-C18 on the young thrombocytes and streptavidin coated magnetic beads were added subsequently, to separate young thrombocytes. The remaining blood cells were probed with custom-made biotinylated anti-GPIIb antibody and streptavidin magnetic beads to separate them from other cells. Further, thrombocytes are equivalents of mammalian platelets. Platelets play a crucial role in thrombus formation. The G-protein coupled receptors (GPCRs) present on the platelet surface are involved during platelet activation and aggregation processes. So, thrombocytes were studied for the presence of GPCRs. The GPCR mRNA transcripts expressed in the young and mature thrombocytes were subjected to densitometry analysis and pixel intensities of the bands were compared using one way ANOVA. This analysis did not show significant differences between the young and mature GPCR mRNA transcripts but identified a novel GPCR, GPR18 that was not reported in platelets earlier. To study the function of this GPCR, it was knocked down using GPR18 specific antisense morpholino and vivo morpholino. The immunofluorescence experiment indicated the presence of GPR18 on thrombocytes. The results of the assays, such as, time to occlusion (TTO) and time to aggregation (TTA) in response to N-arachidonyl glycine (NAG) as an agonist, showed prolongation of time in GPR18 larval and adult morphants respectively, suggesting that GPR18 plays a role in thrombus formation in zebrafish. In conclusion, our results indicate that GPR18 may be present in zebrafish thrombocytes, it may be involved in thrombus formation and that NAG may be an agonist at GPR18 on thrombocytes.

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G protein-coupled receptors (GPCRs) form the biggest receptor family that is encoded in the human genome and represent the most druggable target structure for modern therapeutics respectively future drug development. Belonging to aminergic class A GPCRs muscarinic Acetylcholine receptors (mAChRs) are already now of clinical relevance and are also seen as promising future drug targets for treating neurodegenerative diseases like Alzheimer or Parkinson. The mAChR family consist of five subtypes showing high sequence identity for the endogenous ligand binding region and thus it is challenging until now to selectively activate a single receptor subtype. A well accepted method to study ligand binding, dynamic receptor activation and downstream signaling is the fluorescence resonance energy transfer (FRET) application. Here, there relative distance between two fluorophores in close proximity (<10 nm) can be monitored in a dynamic manner. The perquisite for that is the spectral overlap of the emission spectrum of the first fluorophore with the excitation spectrum of the second fluorophore. By inserting two fluorophores into the molecular receptor structure receptor FRET sensors can serve as a powerful tool to study dynamic receptor pharmacology. Dualsteric Ligands consist of two different pharmacophoric entities and are regarded as a promising ligand design for future drug development. The orthosteric part interacts with high affinity with the endogenous ligand binding region whereas the allosteric part binds to a different receptor region mostly located in the extracellular vestibule. Both moieties are covalently linked. Dualsteric ligands exhibit a dynamic ligand binding. The dualsteric binding position is characterized by a simultaneous binding of the orthosteric and allosteric moiety to the receptor and thus by receptor activation. In the purely allosteric binding position no receptor activation can be monitored. In the present work the first receptor FRET sensor for the muscarinic subtype 1 (M1) was generated and characterized. The M1-I3N-CFP sensor showed an unaltered physiological behavior as well as ligand and concentration dependent responses. The sensor was used to characterize different sets of dualsteric ligands concerning their pharmacological properties like receptor activation. It was shown that the hybrids consisting of the synthetic full agonist iperoxo and the positive allosteric modulator of BQCA type is very promising. Furthermore, it was shown for orthosteric as well as dualsteric ligands that the degree of receptor activation is highly dependent on the length of and the chemical properties of the linker moiety. For dualsteric ligands a bell-shaped activation characteristic was reported for the first time, suggesting that there is an optimal linker length for dualsteric ligands. The gained knowledge about hybrid design was then used to generate and characterize the first photo-switchable dualsteric ligand. The resulting hybrids were characterized with the M1-I3N-CFP sensor and were described as photo-inactivatable and dimmable. In addition to the ligand characterization the ligand application methodology was further developed and improved. Thus, a fragment-based screening approach for dualsteric ligands was reported in this study for the first time. With this approach it is possible to investigate dualsteric ligands in greater detail by applying either single ligand fragments alone or in a mixture of building blocks. These studies revealed the insights that the effect of dualsteric ligands on a GPCR can be rebuild by applying the single building blocks simultaneously. The fragment-based screening provides high potential for the molecular understanding of dualsteric ligands and for future screening approaches. Next, a further development of the standard procedure for measuring FRET by sensitized emission was performed. Under normal conditions single cell FRET is measured on glass coverslips. After coating the coverslips surface with a 20 nm thick gold layer an increased FRET efficiency up to 60 % could be reported. This finding was validated in different approaches und in different configurations. This FRET enhancement by plasmonic surfaces was until yet unreported in the literature for physiological systems and make FRET for future projects even more powerful. / G Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) bilden die größte Proteinfamilie, die im humanen Genom verschlüsselt ist. Sie sind nicht nur die Zielstruktur für eine Vielzahl von derzeit gebräuchlichen Medikamenten, sondern gehören auch zu den vielversprechendsten Therapieansätzen für die moderne Medikamentenentwicklung. Muskarinerge Acetylcholin Rezeptoren (mAChRs) gehören zu den aminergen Klasse A GPCRs und sind bereits heute von klinischer Relevanz. Die muskarinerge Rezeptorfamilie wird von fünf Subtypen gebildet, die sich besonders durch eine hohe Sequenzidentität in der endogenen Ligandenbindestelle (orthostere Bindestelle) auszeichnen. Aus diesem Grund ist es mit den herkömmlich verwendeten Medikamenten nicht möglich, einen ganz bestimmten Subtyp zu therapieren, ohne auch andere Subtypen zu beeinflussen und so unerwünschte Nebenwirkungen zu erhalten. Eine Möglichkeit Ligandenbindung, dynamische Rezeptoraktivierung oder Signalweiterleitung von GPCRs nach pharmakologischen Gesichtspunkten zu charakterisieren, stellt der Floreszenz Resonanz Energietransfer (FRET) dar. Mit Hilfe dieser Methode kann über kleine Entfernungen (<10 nm) die relative Orientierung von zwei Fluorophoren mit überlappenden Spektralbereichen mit hoher zeitlicher Auflösung verfolgt werden. Integriert man das Fluorophorpaar mit Hilfe gentechnischer Methoden in die Molekülstruktur des Rezeptors, kann man dessen Konformationsänderung bzw. Aktivierung infolge einer Ligandenbindung aufzeichnen. Dualstere Liganden sind eine Substanzklasse von hohem zukünftigen klinischen Potential und zeichnen sich durch die Verknüpfung mehrerer pharmakologisch aktiver Untereinheiten aus. Der orthostere Molekülteil interagiert mit der endogenen Ligandenbindestelle und der allostere Molekülteil interagiert mit einem zweiten Rezeptorabschnitt, der häufig in den extrazellulären Schlaufen des Rezeptors zu finden ist. Diese allosteren Bindestellen zeichnet sich durch eine vergleichsweise geringe Sequenzidentität aus, weswegen allostere Modulatoren auch selektiv an Subtypen binden können. Aufgrund des Aufbaus können dualstere Liganden auf vielfältige Weise mit dem Rezeptor interagieren und dieser Bindemechanismus wurde als dynamische Ligandenbindung beschrieben. Zum einen können beide Molekülteile gleichzeitig mit dem Rezeptor interagieren und ihn aktivieren (dualsterer Bindemodus) und zum anderen findet man einen rein allosteren Bindemodus, der den Rezeptor nicht aktiviert. Der orthostere Molekülteil ist vor allem für die Rezeptoraktivierung zuständig, die sich durch eine hohe Affinität auszeichnet und der allostere Molekülteil kann selektive Rezeptorinteraktionen vermitteln. Da dualstere Moleküle immer Eigenschaften beider Untereinheiten besitzen, werden dualstere Liganden als sehr vielversprechend erachtet, zukünftig subtypselektive Medikamente darzustellen. In dieser Arbeit wurde der erste Rezeptor FRET Sensor für den muskarinergen Subtyp 1 (M1) beschrieben und es konnte gezeigt werden, dass sich dieser Rezeptorsensor in seiner physiologischen Funktion nicht von dem wild Typ unterscheidet. Des Weiteren können mit Hilfe dieses Sensors liganden- und konzentrationsabhängige Rezeptorantworten aufgezeichnet werden. Der M1-I3N-CFP wurde dazu genutzt verschiedene Reihen dualsterer Liganden zu charakterisieren und auf ihre aktivierenden Eigenschaften bezüglich des M1 zu testen. Es wurde gezeigt, dass die Kombination aus dem synthetischen und hochpotenten Agonisten Iperoxo als Orthoster und dem in der Literatur als M1 selektiven positiven allosteren Modulator beschriebenen BQCA als Alloster sehr vielversprechend ist. Es konnte gezeigt werden, dass die rezeptoraktivierenden Eigenschaften sowohl von orthosteren wie auch von dualsteren Liganden stark von der Linkerlänge abhängig sind. Für dualstere Liganden konnte so ein glockenförmiger Zusammenhang zwischen Linkerlänge und Rezeptoraktivierung herausgearbeitet werden. Des Weiteren wurde gezeigt, dass bestimmte Hybride, die den M1 aktivieren, an anderen Subtypen keine Effekte hervorrufen und somit als subtypselektiv beschrieben werden können. Im Anschluss wurde mit Hilfe des gewonnenen Wissens über Iperoxo/BQCA Hybride, das Moleküldesign der dualsteren Liganden weiterentwickelt. So wurden in dieser Arbeit die ersten photo-schaltbaren bzw. photo-dimmbaren dualsteren Liganden beschrieben und charakterisiert. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die herkömmliche Charakterisierung von dualsteren Liganden weiterentwickelt. Es konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass es möglich ist, die Aktivierung eines Rezeptors durch einen dualsteren Liganden nachzustellen, indem die einzelnen Fragmente des ursprünglichen Liganden gleichzeitig appliziert werden. Diese auf Fragmenten basierende Charakterisierung ist die erste Anwendung dieser Art und birgt großes Potential für die zukünftige Suche nach neuen Wirkstoffen. Neben der Untersuchung von pharmakologischen Schwerpunkten wurde auch die Weiterentwicklung der Rezeptor FRET Methodik beschrieben. Die herkömmliche Anwendung der Rezeptor FRET Sensoren geschieht auf Objektträgern aus Quarzglas. In dieser Arbeit wurde diese Anwendung dahingehend weiterentwickelt, dass die Objektträger mit einer 20 nm dicken Goldschicht beschichtet wurden, um den Einfluss von Plasmonoberflächen auf physiologisch relevante FRET Messungen zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der Goldbeschichtung und in Abhängigkeit des Versuchsaufbaus die Energietransfereffizienz um bis zu 60 % gesteigert werden konnte. Diese Entdeckung zeigt Potential zukünftig die FRET-Reichweite zu erhöhen und so bisher nicht charakterisierbare Sachverhalte aufklären zu können.

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.

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