Abstract The delta opioid receptor (δOR) is a member of the G protein-coupled receptor family. This transmembrane receptor has an important role in the regulation of pain. The OPRD1 gene that encodes the human δOR (hδOR) contains at least 11 single-nucleotide polymorphisms (SNPs). The only nonsynonymous SNP resides in the amino-terminal (N-terminal) domain of the receptor and it replaces Phe at position 27 with Cys, thus introducing an unpaired Cys residue on the extracellular surface of the receptor. The Cys27 variant has been shown to have an allelic frequency of about 10% in Caucasian populations. The polymorphic site is flanked by two putative N-glycosylation sites at Asn18 and Asn33. In this study, the folding, maturation and trafficking of hδOR was assessed using the hδORPhe27 and hδORCys27 variants and the N-glycosylation deficient forms of the latter as models in a heterologous expression system. The effects of N-glycosylation and the unpaired Cys-residue were studied with various biochemical, pharmacological and cell biological methods. In addition, protein-protein interactions of the intracellular hδOR precursors were assessed. The hδORCys27 and hδORPhe27 variants differed significantly in their subcellular localization and maturation efficiency. The newly synthesized hδORCys27 was found to accumulate in the endoplasmic reticulum (ER) prior to its ER-associated degradation in proteasomes. Although a slow maturation rate was characteristic for both variants, only the hδORCys27 had poor maturation efficiency. The cell surface expression of hδORCys27 was further decreased because the constitutive internalization of this receptor was enhanced compared to hδORPhe27. N-linked glycosylation was not required for hδOR function or ligand binding, but was important for the expression of the correctly folded receptor species at the cell surface. The mutant non-N-glycosylated receptor was shown to traffic to the cell surface with enhanced kinetics, but some of the plasma membrane receptors were in a nonnative conformation. Also, the overall levels of the non-N-glycosylated hδORCys27 were decreased as the receptor was efficiently internalized for lysosomal degradation in a constitutive fashion. The hδORCys27 and hδORPhe27 precursors were found to interact with several ER localized proteins, such as calnexin (CNX), protein disulfide isomerase (PDI) and ERp72. The receptors also associated with the sarco(endo)plasmic reticulum calcium ATPase 2b (SERCA2b), which was shown to occur during translocation of the receptor to the ER membrane or immediately thereafter. The interaction was not receptor N-glycan dependent and the normal functional activity of SERCA2b was shown to be required for proper cell surface expression of hδOR. / Tiivistelmä δ-opioidireseptori kuuluu G-proteiinikytkentäisiin reseptoreihin, ja sillä on tärkeä rooli kivun säätelyssä. Ihmisen δ-opioidireseptoria koodaavassa OPRD1 geenissä on havaittu ainakin 11 yhden nukleotidin polymorfiaa. Vain yksi tunnetuista polymorfioista aiheuttaa muutoksen proteiinin aminohapposekvenssiin. Se sijaitsee reseptorin aminoterminaalisessa osassa ja se muuttaa fenyylialaniinin (Phe) kohdassa 27 kysteiiniksi (Cys), joka on pariton. Cys27-variantin yleisyys eurooppalaisessa väestössä on noin 10 %. Polymorfisen kohdan molemmilla puolilla on N-glykosylaatiokohdat asparagiineissa Asn18 ja Asn33. Tämän työn tavoitteena oli tutkia δ-opioidireseptorin laskostumista, maturaatiota ja kuljetusta heterologisessa solumallissa käyttämällä Phe27- ja Cys27-variantteja sekä Cys27-variantin N-glykosyloimatonta mutanttia. Cys27-polymorfian ja N-glykosylaation vaikutuksia tutkittiin useilla biokemiallisilla, farmakologisilla sekä solubiologisilla menetelmillä. Lisäksi työssä tutkittiin solunsisäisen δ-opioidireseptorin esiasteen vuorovaikutusta muiden proteiinien kanssa. Phe27- ja Cys27-varianttien sijainti solun sisällä ja maturaatiotehokkuus eroavat toisistaan merkittävästi. Vastasyntetisoitu Cys27-variantti kerääntyy endoplasmakalvostoon, josta se ohjautuu proteasomihajoitukseen. Molemmat variantit kulkeutuvat solun pintaan hitaasti. Cys27-variantin prosessointi on huomattavasti tehottomampaa ja sen määrää solun pinnalla vähentää myös lisääntynyt ohjaaminen solunsisäiseen lysosomihajotukseen. N-glykosylaatiolla ei havaittu olevan vaikutusta reseptorin toimintaan tai ligandin sitomiseen, mutta sillä on tärkeä merkitys oikein laskostuneiden reseptorien kuljetukselle solun pinnalle, koska osa pintaan päässeistä N-glykosyloimattomista reseptoreista on muodossa, johon reseptorispesifinen ligandi ei sitoudu. Vaikka mutanttireseptori kulkeutuukin solun pintaan nopeammin, sen määrä solun pinnalla on alhaisempi, koska mutanttireseptori ohjataan huomattavan nopeasti solun pinnalta lysosomihajotukseen. Phe27- ja Cys27-varianttien havaittiin olevan myös vuorovaikutuksessa eräiden endosomaalisen kalvoston proteiinien kanssa, kuten kalneksiinin, proteiinidisulfidi-isomeraasin ja ERp72-proteiinin. Kumpikin reseptori havaittiin yhteisessä rakenteessa sarko(endo)plasmakalvoston kalsium-ATPaasi 2b -pumpun (SERCA2b) kanssa N-glykosylaatiosta riippumattomalla tavalla. Nämä proteiiniryhmät muodostuvat, kun reseptori liitetään synteesin aikana endoplasmakalvostoon tai heti sen jälkeen. Vuorovaikutus toiminnallisen SERCA2b:n kanssa havaittiin tärkeäksi toimintakykyisen δ-opioidireseptorin esiintymiselle solun pinnassa.

Abstract The β1-adrenergic receptor (β1AR) belongs to the large family of G protein-coupled receptors. It is activated by epinephrine and norepinephrine and thus has a central role in mediating the effects of the sympathetic nervous system. β1AR is the predominant adrenergic receptor in the heart, where it mediates positive inotropy and chronotropy. Thus, it is the most important target receptor for β-adrenergic antagonists, which are widely used in the treatment of cardiovascular diseases. Furthermore, β1AR is also expressed in the brain, where it has a crucial role in regulating memory formation and synaptic plasticity. Human β1AR (hβ1AR) has two polymorphisms, one at each terminus. The carboxyl-terminal (C-terminal) Arg389Gly8.56 polymorphism has previously been shown to have functional significance. Despite the clinical importance of hβ1AR, its biosynthetic profile and post-translational processing have not been well characterized to date. The aims of the present study were to shed light on these events, focusing on the limited proteolysis of hβ1AR and the impact of β-adrenergic ligands on receptor processing. In addition, the C-terminal polymorphism and its associations with certain parameters were investigated in a population consisting of survivors of acute myocardial infarction (AMI). By using a heterologous expression system, hβ1AR biosynthesis was revealed to be efficient and rapid. The N-terminus of the mature receptor was modified with O-glycans and one N-glycan, but despite these modifications it was subject to cleavage at the cell surface that resulted in two C-terminal fragments. The cleavage was mediated by a metalloproteinase, and importantly, it also occurred in vivo. Moreover, receptor activation enhanced the cleavage, which suggests that it represents a novel regulatory mechanism of hβ1AR. Interestingly, those ligands that enhanced the cleavage stabilized intracellular hβ1AR precursors, possibly via a pharmacological chaperone activity. Thus, the present study demonstrates that β-adrenergic ligands can have different regulatory effects on distinct hβ1AR forms. Among the AMI survivors, the Arg3898.56 homozygotes had significantly increased left ventricular mass indexes, when compared to the Gly3898.56 carriers, which suggests an association between Arg3898.56 and left ventricular hypertrophy (LVH). When euglycemic and diabetic patients were analyzed separately, the association existed among the euglycemic patients but was not present in diabetic patients. Diabetes is one of several risk factors that have previously been shown to influence the progression of LVH. Here, diabetes was shown to have a stronger effect on the development of LVH, when compared with the Arg3898.56 variant of hβ1AR. / Tiivistelmä β1-adrenerginen reseptori (β1AR) kuuluu laajaan G-proteiineihin kytkettyjen reseptorien perheeseen. β1AR on tärkeässä asemassa sympaattisen hermoston toiminnassa. Sydämessä β1AR on vallitseva adrenerginen reseptori, ja sydänlihaksen supistusvireys sekä -taajuus voimistuvat β1AR:n aktivaation kautta. Siten se edustaa sydän- ja verisuonisairauksissa käytettävien β-salpaajien tärkeintä kohdereseptoria. β1AR:n luontaisia agonisteja ovat lisämunuaisytimestä ja hermopäätteistä vapautuvat adrenaliini ja noradrenaliini. Sydänlihaksen lisäksi β1AR:a ilmennetään myös aivoissa, jossa reseptorilla on keskeinen asema muistin ja synaptisen muovautuvuuden kannalta. Ihmisen β1AR (hβ1AR) sisältää kaksi polymorfismia, joista toinen (Arg389Gly8.56) sijaitsee reseptorin karboksyyli- (C-) terminaalissa solulimassa. Tällä polymorfismilla on havaittu olevan toiminnallista merkitystä. Vaikka hβ1AR:n kliininen merkitys on huomattava, sen biosynteesistä ja translaationjälkeisestä muokkauksesta ei ole tähän mennessä ollut juurikaan tutkimustietoa. Tämän väitöskirjatyön tavoite oli kuvata näitä tapahtumia ja erityisesti keskittyä hβ1AR:n solunulkoisen amino- (N-) terminaalin rajoitettuun proteolyysiin. Lisäksi haluttiin tutkia, onko β-adrenergisillä ligandeilla vaikutusta reseptorin prosessointiin. Tutkimuksen kliinisessä osiossa kartoitettiin C-terminaalisen polymorfian yhteyttä valikoituihin muuttujiin aineistossa, joka koostui akuutin sydäninfarktin (AMI) sairastaneista potilaista. hβ1AR:n biosynteesin havaittiin olevan tehokas ja nopea heterologisessa systeemissä. Kypsän reseptorin N-terminaalissa havaittiin useita O-kytkennäisiä ja yksi N-kytkennäinen glykaani. Glykosyloinnista huolimatta N-terminaali pilkkoutui solun pinnalla, mikä tuotti kaksi solukalvolla sijaitsevaa, C-terminaalista reseptoripalasta. Pilkkoutumista, joka havaittiin myös in vivo, katalysoi metalloproteinaasi. Reseptorin aktivaatio kiihdytti pilkkoutumista, joka siten todennäköisesti edustaa uudenlaista hβ1AR:n säätelymekanismia. Ligandit, jotka kiihdyttivät pilkkoutumista, toisaalta stabiloivat solunsisäisiä hβ1AR:n epäkypsiä muotoja toimien luultavasti ns. farmakologisina kaperoneina. Näin ollen väitöskirjatyö osoittaa, että β-adrenergisillä ligandeilla voi olla erilaisia säätelyvaikutuksia eri hβ1AR-muotoihin. Kliinisessä tutkimuksessa Arg3898.56-homotsygooteilla potilailla havaittiin merkittävästi suurentunut vasemman kammion massaindeksi Gly3898.56-kantajiin verrattuina, mikä puoltaa Arg3898.56-polymorfismin ja vasemman kammion hypertrofian (LVH) välistä yhteyttä. Kun euglykeemisiä potilaita ja diabeetikkoja tutkittiin erikseen, yhteys ilmeni vain euglykeemisessä ryhmässä. Diabetes on riskitekijä, joka vaikuttaa LVH:n kehittymiseen. Tässä tutkimuksessa diabeteksellä havaittiin olevan voimakkaampi vaikutus LVH:n kehittymiseen Arg3898.56 -polymorfismiin verrattuna.

Abstract Cellular signaling by G protein-coupled receptors (GPCRs) governs a wide array of physiological functions throughout the body. The human δ-opioid receptor (hδOR) is a GPCR that modulates the sensation of pain and mood and has great potential for the treatment of pain and a variety of neurological disorders. A common single-nucleotide polymorphism (SNP) in the extracellular N-terminal tail of hδOR changes Phe to Cys at position 27. Using various biochemical and cell biological methods, the study demonstrates that several events during receptor biosynthesis and cell surface delivery are affected by the SNP. These events participate in the multifaceted regulation of the receptor and modulate receptor behavior at the cell surface. Two distinct pathways were shown to scrutinize the quality of the synthesized hδOR in the endoplasmic reticulum (ER) and target some for degradation in N-glycan-dependent and -independent ways. The hδORCys27 that matures inefficiently required N-glycan-mediated interactions with the lectin-chaperone calnexin to be expressed in a fully functional form at the cell surface, whereas the N-glycan-independent pathway was sufficient for hδORPhe27. For both variants, the N-glycan-independent quality control, which is likely to operate as a back-up pathway, led to a more rapid export from the ER and receptors at the cell surface that were less stable. Receptor dimerization emerged as an important regulatory step for receptor cell surface delivery. In co-transfected cells, interactions between the newly-synthesized variants led to the retention and subsequent ER-associated degradation of hδORPhe27. This dominant-negative attenuation of hδORPhe27 cell surface expression by hδORCys27 may have unpredictable consequences for opioid signaling in heterozygous individuals. Finally, the study shows that N-acetylgalactosamine (GalNAc)-type O-glycosylation catalyzed in the Golgi modulates hδOR expression at the cell surface by enhancing receptor stability and inhibiting constitutive downregulation. The modification of Ser residues in the receptor N-terminus by GalNAc-transferase 2 was affected by the SNP, which presents another distinction in the cellular processing of the two variants. The findings highlight the importance of the biosynthetic pathway in the regulation of GPCR behavior and pave way for strategies for treatments targeting GPCRs at this level. / Tiivistelmä Solujenvälisellä viestinnällä on keskeinen tehtävä kehon kaikissa toiminnoissa. δ-opioidireseptori (δOR) on solusignalointiin erikoistuneen kalvoproteiiniperheen (G-proteiiniin kytketyt reseptorit) jäsen, joka ohjaa kivuntuntemusta ja mielialoja. Sitä pidetään mahdollisena lääkekehityksen kohteena paitsi kivunlievityksen, myös useiden neurologisten häiriöiden hoidossa. δOR ilmenee kahtena polymorfisena muotona sen solunulkoisessa osassa tapahtuneen aminohappomuutoksen vuoksi (Phe27Cys). Työssä tutkittiin reseptorin glykosylaatiota ja dimerisaatiota, jotka säätelevät sen prosessointia, käyttäytymistä ja toimintaa. Käyttäen useita biokemiallisia ja solubiologisia menetelmiä työssä osoitettiin polymorfian vaikuttavan useisiin prosessointivaiheisiin ja muokkaavan siten reseptorin viestintää. Proteiinien laadunvalvontakoneiston havaittiin säätelevän reseptorin siirtymistä endoplasmakalvostolta solun pinnalle kahdella eri mekanismilla ohjaten osan reseptoreista hajotukseen. Toisin kuin Phe27-variantin, tehottomasti kypsyvän Cys27-variantin laadunvalvonta on riippuvainen reseptoriin liittyvistä N-glykaaneista ja näihin sitoutuvasta kaitsijaproteiinista, kalneksiinista. Reseptorivariantit, joista N-glykaanit puuttuvat, siirtyvät nopeammin solukalvolle, mutta ne ovat epästabiileja ja häviävät nopeasti solun pinnalta. Vaihtoehtoinen N-glykaaneista riippumaton laadunvalvontamekanismi sallii myös inaktiivisen Cys27-variantin pääsyn solun pinnalle. Varianttien dimerisoitumisen osoitettiin säätelevän niiden kuljetusta soluissa. Cys27-variantin havaittiin sitoutuvan Phe27-varianttiin aikaisessa biosynteesivaiheessa ja ohjaavan osan siitä hajotukseen. Tällä voi olla suuri merkitys opioidiviestinnässä molempia alleeleja kantavilla henkilöillä. Työssä havaittiin myös GalNAc-transferaasi-2-entsyymin ohjaavan Golgin laitteessa tapahtuvaa reseptorin O-glykosylaatiota. Se glykosyloi reseptorin solunulkoisen osan seriinitähteitä (Ser6, Ser25, Ser29), stabiloiden siten solun pinnan reseptoreita ja tehostaen niiden viestintää. Lisäksi havaittiin eroja varianttien O-glykosylaatiossa, mikä voi osaltaan selittää varianttien ilmentymisessä todettuja eroja. Tutkimus luo uutta tietoa biosynteesireitin merkityksestä G-proteiiniin kytkettyjen reseptorien säätelyssä sekä antaa pohjaa keinoille, joilla tätä voitaisiin hyödyntää farmakologisesti.