Hypothalamic gonadotropin-releasing hormone (GnRH) (GnRH I) is the central regulator of the mammalian reproductive system. Most vertebrates studied also possess a second form of GnRH, GnRH II. GnRH I acts on its cognate G proteincoupled receptor (GPCR) on pituitary gonadotropes and activates Gq/11-mediated signalling pathways to stimulate the biosynthesis and the release of luteinising hormone (LH) and follicle-stimulating hormone (FSH). Both GnRHs have also been suggested to inhibit cellular proliferation, an action which has largely been proposed to be mediated by the coupling of the receptor to Gi/o. However, the range of G proteins activated by the GnRH receptor and the signalling cascades involved in inducing antiproliferation remain controversial. To delineate the G protein coupling selectivity of the mammalian GnRH receptor and to identify the signalling pathways involved in GnRH I-mediated cell growth inhibition, I examined the ability of the receptor to interact with Gq/11, Gi/o and Gs in Gαq/11 knockout MEF cells. My results indicate that the receptor is unable to interact with Gi/o but can signal through Gq/11. Additionally, my data do not support the suggestion of GnRH receptor-Gs interaction. Furthermore, I show that the GnRH Iinduced inhibition of cell growth is dependent on Gq/11, src and extracellular signal regulated kinase (ERK) but is independent of the activity of protein kinase C (PKC), Ca2+, jun-N-terminal kinase (JNK) or P38. Based on these findings and previous research within our group, I propose a mechanism whereby GnRH I may induce antiproliferation. Previous studies from our laboratory suggest that the GnRH receptor can adopt distinct active conformations in response to the binding of GnRH I and GnRH II. These data thus account for our hypothesis of ligand-induced selective signalling (LiSS). Given my previous results, I examined the ability of the GnRH receptor to couple to G12/13. My work indicates that the receptor can directly activate G12/13 and the downstream signalling cascades associated with this G protein family. Indeed, I provide evidence, in several cellular backgrounds, to suggest that GnRH receptor- G12/13-mediated signalling is involved in the regulation of GnRH-induced MAPK activity, SRE-driven gene transcription and cytoskeletal reorganisation. Furthermore, I propose a role for these G proteins in the transcriptional regulation of LHβ and FSHβ. Finally, I confirm previous results from our laboratory indicating that the GnRH receptor may interact with src Tyr kinase and show that GnRH I but not GnRH II may, independently of Gq/11, stimulate the Tyr phosphorylation and thus the activation of this protein. I propose that this differential signalling accounts for the distinct effects of GnRH I and GnRH II on cellular morphology and SREpromoted transcriptional activity. The research presented within this thesis provides evidence to refute published conclusions based on largely circumstantial experimental data, describes novel GnRH receptor signalling pathways and offers support for the concept of LiSS. It may assist in the development of new therapeutic compounds which selectively target one GnRH-mediated signalling pathway while bypassing others.

Biogene Amine sind kleine organische Verbindungen, die sowohl bei Vertebraten als auch bei Invertebraten als Neurotransmitter, Neuromodulatoren und/oder Neurohormone wirken. Sie bilden eine bedeutende Gruppe von Botenstoffen und entfalten ihre Wirkungen vornehmlich über die Bindung an G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Bei Insekten wurde eine Vielzahl von Wirkungen biogener Amine beschrieben. Das führte schon frühzeitig zur Vermutung, dass Insekten (u. a. Invertebraten) wie die Wirbeltiere ein diverses Repertoire an aminergen Rezeptoren besitzen. Für ein umfassendes Verständnis der komplexen physiologischen Wirkungen biogener Amine fehlten jedoch wichtige Informationen über die molekulare Identität der entsprechenden Rezeptorproteine und ihrer pharmakologischen Eigenschaften, ihre Lokalisation und ihre intrazellulären Reaktionspartner. Viele bei Schaben gut untersuchte (neuro)physiologische Prozesse sowie Verhaltensweisen werden durch Serotonin und Dopamin gesteuert bzw. moduliert. Über die beteiligten Rezeptoren ist jedoch bisher vergleichsweise wenig bekannt. Die Klonierung und Charakterisierung von Serotonin- und Dopaminrezeptoren der Amerikanischen Schabe P. americana ist damit ein längst überfälliger Schritt auf dem Weg zu einem umfassenden Verständnis der vielfältigen Wirkungen biogener Amine bei Insekten. Durch die Anwendung verschiedener Klonierungsstrategien konnten cDNAs isoliert werden, die für potentielle Serotoninrezeptoren und einen Dopaminrezeptor kodieren. Die Sequenzen weisen die größte Ähnlichkeit zu Mitgliedern der 5-HT1- und 5-HT7-Rezeptorklassen bzw. den Invertebratentyp-Dopaminrezeptoren auf. Die isolierten Rezeptoren der Amerikanischen Schabe wurden dementsprechend Pea(Periplaneta americana)5-HT1, Pea5-HT7 und PeaDop2 benannt. Das Hydropathieprofil dieser Rezeptoren postuliert das Vorhandensein der charakteristischen heptahelikalen Architektur G-Protein-gekoppelter Rezeptoren. Die abgeleiteten Aminosäuresequenzen zeigen typische Merkmale aminerger Rezeptoren. So sind Aminosäuren, die bedeutend für die Ligandenbindung, die Rezeptoraktivierung und die Kopplung an G﷓Proteine sind, in den Rezeptoren konserviert. Expressionsstudien zeigten eine auffallend hohe Expression aller drei Rezeptor-mRNAs im Gehirn sowie in den Speicheldrüsen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden polyklonale Antikörper gegen den Pea5-HT1-Rezeptor sowie den PeaDop2-Rezeptor hergestellt. Der anti-Pea5-HT1-Antikörper detektiert im Homogenat von Schabengehirnen, Speicheldrüsen und Pea5-HT1-exprimierenden HEK 293-Zellen die glykosylierte Form des Rezeptors. In Gehirnschnitten markiert der anti-Pea5-HT1-Antikörper spezifisch einige Zellkörper in der Pars intercerebralis und deren Axone, welche in den Corpora cardiaca Nerv I projizieren. Der PeaDop2-Rezeptor wurde durch den spezifischen anti-PeaDop2-Antikörper in Neuronen mit Somata im anterioren Randbereich der Medulla nachgewiesen. Diese Neurone innervieren die optischen Loben und projizieren in das ventrolaterale Protocerebrum. Die intrazellulären Signalwege der heterolog exprimierten Pea5-HT1- und PeaDop2-Rezeptoren wurden in HEK 293-Zellen untersucht. Die Aktivierung des Pea5-HT1-Rezeptors durch Serotonin führt zur Hemmung der cAMP-Synthese. Des Weiteren wurde gezeigt, dass der Rezeptor konstitutive Aktivität besitzt. WAY 100635, ein hoch selektiver 5-HT1A-Rezeptorantagonist, wurde als wirksamer inverser Agonist am Pea5-HT1-Rezeptor identifiziert. Der stabil exprimierte PeaDop2-Rezeptor antwortet auf eine Aktivierung durch Dopamin mit einer Erhöhung der cAMP-Konzentration. Eine C-terminal trunkierte Variante dieses Rezeptors ist eigenständig nicht funktional. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit indizieren, dass die untersuchten aminergen Rezeptoren im zentralen Nervensystems der Schabe an der Informationsverarbeitung beteiligt sind und verschiedene physiologische Prozesse in peripheren Organen regulieren. Mit der Klonierung und funktionellen Charakterisierung der ersten Serotoninrezeptoren und eines Dopaminrezeptors ist damit eine wichtige Grundlage für die Untersuchung ihrer Funktionen geschaffen worden. / Biogenic amines are small organic compounds that act as neurotransmitters, neuromodulators and/or neurohormones in vertebrates and in invertebrates. They form an important group of messenger substances and mediate their diverse effects primarily by binding to G protein-coupled receptors. The molecular identification as well as the functional and pharmacological characterization of these receptors is crucial for the comprehension of the intracellular signaling pathways activated by biogenic amines. This work describes the molecular and functional characterization of the first serotonin receptors and an invertebrate-type dopamine receptor of the American cockroach, Periplaneta americana. Using a PCR-strategy based on degenerate primers and RACE-PCR three cDNAs encoding for putative biogenic amine receptors were isolated from P. americana brain cDNA (Pea5-ht1, Pea5-ht7, Peadop2). The deduced amino acid sequences display major characteristics common to all G protein-coupled receptors. Primarily Distribution of receptor mRNA was investigated by RT-PCR. The analysis revealed a high mRNA expression level for all three receptors in the brain and salivary glands. The distribution of the Pea5﷓HT1 and PeaDop2 receptor proteins was analyzed by immunohistochemistry with specific affinity-purified polyclonal antibodies. Both receptor proteins are expressed in brain and salivary glands. Furthermore the cellular distribution of the receptors was investigated by immunocytochemistry on brain sections. The anti-Pea5-HT1 receptor antibody specifically labelled some large somata in the pars intercerebralis. Labeled axons of these neurons pass down the anterior surface of the brain and cross over in the chiasma region of the corpora cardiaca nerve 1. The PeaDop2 receptor was detected in neurons with somata at the anterior edge of the medulla bilaterally innervating the optic lobes and projecting to the ventro-lateral protocerebrum. In order to clarify the functional and pharmacological properties of the cloned receptors, we studied HEK 293 cell lines stably expressing Pea5-HT1 or PeaDop2. Activation of Pea5-HT1 expressing cells by serotonin reduced adenylyl cyclase activity in a dose-dependent manner. The Pea5-HT1 receptor was expressed as a constitutively active receptor with methiothepin acting as a neutral antagonist and WAY 100635 as an inverse agonist. The activation of the PeaDop2 receptor by dopamine induced an increase in intracellular cAMP level, whereas a C-terminally truncated splice variant of this receptor does not exhibit any functional property by itself. The results of this work suggest important roles of the investigated receptors in various areas of the cockroach brain. The molecular and pharmacological characterization of the first serotonin receptors and a dopamine receptor of the cockroach now provides the basis for forthcoming studies regarding the significance of these particular receptors for cockroach behavior and physiology

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.

Background: RGS9-deficient mice show drug-induced dyskinesia but normal locomotor activity under unchallenged conditions. Results: Genes related to Ca2+ signaling and their functions were regulated in RGS9-deficient mice. Conclusion: Changes in Ca2+ signaling that compensate for RGS9 loss-of-function can explain the normal locomotor activity in RGS9-deficient mice under unchallenged conditions. Significance: Identified signaling components may represent novel targets in antidyskinetic therapy. The long splice variant of the regulator of G-protein signaling 9 (RGS9-2) is enriched in striatal medium spiny neurons and dampens dopamine D2 receptor signaling. Lack of RGS9-2 can promote while its overexpression prevents drug-induced dyskinesia. Other animal models of drug-induced dyskinesia rather pointed towards overactivity of dopamine receptor-mediated signaling. To evaluate changes in signaling pathways mRNA expression levels were determined and compared in wild-type and RGS9- deficient mice. Unexpectedly, expression levels of dopamine receptors were unchanged in RGS9-deficient mice, while several genes related to Ca2+ signaling and long-term depression were differentially expressed when compared to wild type animals. Detailed investigations at the protein level revealed hyperphosphorylation of DARPP32 at Thr34 and of ERK1/2 in striata of RGS9-deficient mice. Whole cell patch clamp recordings showed that spontaneous synaptic events are increased (frequency and size) in RGS9-deficient mice while long-term depression is reduced in acute brain slices. These changes are compatible with a Ca2+-induced potentiation of dopamine receptor signaling which may contribute to the drug-induced dyskinesia in RGS9-deficient mice.

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.

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.

The prostaglandins comprise a group of bioactive lipids generated from arachidonic acid by cyclooxygenases and cell type-specific prostaglandin and thromboxane synthases. Prostaglandins mediate local cell signaling interactions by activation of G-protein coupled prostanoid receptors. Because the prostaglandins and their receptors are active in all tissues, they have an extraordinarily broad spectrum of physiological and pathophysiological functions that have hampered the development of safe prostanoid-based medications. This situation has emphasized the importance of understanding the functional properties of the prostanoid receptors and developing selective ligands capable of being used in patient care.The aims of this project were to identify novel regulatory functions of endogenous EP and FP prostanoid receptors in cultured human cells. Our results show that activation of EP₂ receptors in human microglia and astrocytes led to increased secretion of BDNF, a growth factor that regulates the survival of neurons. In the same cell lines, FP receptors regulate the induction of TNF-α gene expression through a classic G_q-PKC pathway. In microglia these FP receptors also stimulate a novel signaling crosstalk mechanism involving the up-regulation of TCF transcriptional function by Raf kinases, which culminates in the expression of the angiogenic inducer Cyr61. FP receptors also regulate the induction of angiogenic immediate early genes in cultured ciliary muscle cells, which may constitute the early steps in a mechanism by which commercial FP agonists reduce intraocular pressure in glaucoma therapy.The up-regulation of BDNF through glial EP₂ receptors constitutes a mechanism by which elevated PGE₂ in the inflamed brain might elicit either healing processes in the brain or neuronal apoptosis. On the other hand, induction of TNF-α and Cyr61 by glial FP receptors may mediate neuroinflammation and may also contribute to glioma tumor growth. Stimulation of FP receptors in the ciliary muscle leads to the induction of immediate early genes capable of coordinating tissue remodeling processes that have been previously documented. The results of these studies suggest novel regulatory functions of the prostanoid receptors in the brain and eye. Furthermore, these findings provide insight on how the selective modulation of the EP₂ and FP receptors might be therapeutically advantageous.

G protein-coupled receptors (GPCRs) are seven-transmembrane domain receptors that sense extracellular signal and activate intracellular signaling pathways. Metabotropic glutamate receptor 2 (mGluR2) is one of the GPCRs coupled to Gi/o proteins whose Gβγ subunits stimulate G protein-gated inwardly rectifying K+ channels (GIRKs). Previous experiments demonstrated that in planar lipid bilayer both active forms of G proteins [Gα (GTPγS-stimulated) and Gβγ subunits] were required to activate GIRK channels in the absence of the receptor, but surprisingly, the Gβγ subunit alone could activate GIRK channel in the presence of GPCR. Currently, it is not clear whether GPCRs play a role beyond catalyzing the dissociation of Gα and Gβγ subunits in the presence of extracellular agonist and intracellular GTP. Here we compare the G protein-stimulated GIRK currents in the presence and absence of mGluR2 by performing whole-cell patch clamp recordings on two types of cells: a HEK293 cell line stably expressing GIRK channels (HEK/GIRK) and HEK/GIRK cells with mGluR2 expressed transiently. Our experiments revealed that mGluR2 affects the behavior of G proteins even in the absence of the agonist. We show that intracellular application of GTP activated GIRK currents, and the GTP-induced GIRK currents became greater in the presence mGluR2. We also show that desensitization kinetics of the GTP-stimulated GIRK currents became greater and faster in the presence of mGluR2.

Die Bedeutung der β-Arrestine als multifunktionelle Adapterproteine GPCR-vermittelter Signaltransduktion hat in den letzten Jahren immer mehr zugenommen. In der vorliegenden Arbeit lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung der molekularen Basis und der Ligandenabhängigkeit sowohl der β-Arrestin/Rezeptor-Interaktion als auch β-Arrestin- (un-)abhängiger Signaltransduktionsmechanismen. Im ersten Teil wurde der Einfluß potentieller Phosphorylierungsstellen im C-Terminus des β2AR bzw. im C-Terminus und der TM3 des P2Y1R auf die agonisteninduzierte β-Arrestin/Rezeptor-Interaktion, Internalisierung und Desensibilisierung untersucht. Durch Mutationsanalysen konnten Ser 352/Thr 358 im distalen C-Terminus des P2Y1R als Schlüsselstellen der β-Arrestin-Translokation und Internalisierung identifiziert werden, während ein oder mehrere Phosphorylierungsstellen im proximalen P2Y1R C-Terminus die molekulare Grundlage der Rezeptordesensibilisierung darstellen. Darüber hinaus machte die Anwendung verschiedener PKC- oder CaMK-Inhibitoren sowie der Einsatz des PKC-Aktivators PMA deutlich, dass die P2Y1R-Desensibilisierung und β-Arrestin-Translokation durch unterschiedliche Kinasen kontrolliert werden. Zudem konnte mit Hilfe der FRET-Technik gezeigt werden, dass die Phosphorylierungsstellen zwischen den Positionen 355 und 364 im proximalen β2AR C-Terminus essentielle Bereiche der β-Arrestin-Translokation darstellen. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurden Agonisten am β2-adrenergen Rezeptor bzw. dem P2Y2R auf ihre Fähigkeit hin untersucht verschiedene mit dem jeweiligen Rezeptor verknüpfte G-Protein- bzw. β-Arrestin-Funktionen in unterschiedlichem Ausmaß zu aktivieren („biased agonism“). Da eine solche ligandenselektive Aktivierung rezeptorvermittelter Signalwege bis dato nur mit synthetischen Liganden detailliert untersucht wurde, galt das besondere Interesse der Analyse der durch die endogenen Substanzen induzierten Signalmuster. Die Betrachtung der Noradrenalin- bzw. Adrenalin-induzierten β-Arrestin/Rezeptor-Interaktion, β-Arrestin2-Translokation, Rezeptorinternalisierung, G-Protein-Aktivierung sowie cAMP-Produktion am β2AR machte deutlich, dass es sich beim Phänomen des „biased agonism“ um einen endogenen Mechanismus handelt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass auch zur Tokolyse eingesetzte β2AR-Agonisten spezifische Signalmuster induzieren. Die Beobachtung, dass UTP und ATP sowohl unterschiedliche β-Arrestin1/2-Translokationsals auch ERK-Aktivierungsmuster am P2Y2R induzieren bestärkte das Konzept des „biased agonism“ als endogenes Phänomen. Das ligandenabhängige β-Arrestin-Translokationsverhalten des P2Y2R ließ zudem die agonistenbedingte Zuteilung des Rezeptors zu den „Klasse A“ oder „Klasse B“ Rezeptoren zu. Die detaillierte Untersuchung agonisteninduzierter Rezeptor/Effektor-Interaktionen und Signalmuster dürfte helfen die Anwendung klinisch relevanter Substanzen zu optimieren. / In recent years, the significance of β-arrestins as multifunctional adapter proteins of GPCR mediated signal transduction has steadily been increasing. In this thesis the main focus is to research the molecular basis and the ligand dependence of the β-arrestin recruitment as well as β-arrestin-(in-)dependent signal transduction mechanisms. In the first part, the influence of potential phosphorylation sites in the C-terminus of the β2AR or the C-terminus and the TM3 of the P2Y1R, respectively, on the agonist-induced β-arrestin2/receptor-interaction, receptor internalization and desensitization was examined. Using mutation analysis, Ser 352 and Thr 358 were identified as key points of the β-arrestin2 translocation and receptor internalization in the distal C-terminus of the P2Y1R. In contrast, one or more phosphorylation sites in the proximal P2Y1R C-terminus represent the molecular basis of receptor desensitization. In addition, the use of different PKC- or CaMK inhibitors and the application of the PKC activator PMA made it clear that the P2Y1R desensitization and β-arrestin translocation are controlled by different kinases. Using the FRET technique we were able to show that the phosphorylation sites between position 355 and 364 in the proximal C-terminus of the β2AR represent essential areas of the β-arrestin2 translocation. In the second part of the study at hand, agonists of the β2AR or the P2Y2R were examined with respect to their ability to activate distinct receptor associated G-protein or β-arrestin functions to varying degrees (“biased agonism”). Since this kind of ligandselective activation of receptor-mediated signaling pathways has only been studied in detail with synthetic ligands to this day, special interest in the analysis of the signaling pattern induced by the endogenous substances was taken. The analysis of norepinephrine- or epinephrine-induced β-arrestin/receptor interaction, β-arrestin translocation, receptor internalization, G-protein activation and cAMP production at the β2AR made clear that “biased agonism” is an endogenous phenomenon. Moreover, it has also been shown that β2AR agonists used for tocolysis induced a specific signaling pattern. The observation that UTP and ATP both induce different β-arrestin translocation as well as ERK activation patterns at the P2Y2R confirmed the concept of “biased agonism” as an endogenous phenomenon. The ligand dependent β-arrestin behavior of the P2Y2R also allowed the allocation of the receptor to the “class A” or “class B” receptors depending on the agonist used for stimulation. The detailed testing of agonist induced receptor/effector interactions and signaling pattern could help to optimize the application of clinically relevant substances.