Fusarium head blight is one of the devastating diseases of cereal crops caused by Fusarium graminearum. This fungal pathogen produces mycotoxins like deoxynivalenol (DON), depositing it in wheat kernels and making them unfit for consumption. In addition, it causes decreases in the nutritional content of the wheat. Since wheat contaminated with DON above permissible levels must be discarded, it also leads to huge economic losses to the farmers. Fungi have a complex network of hyphae that lets them sense their surroundings. These are advantageous for nutrition and pathogenesis needs. Fungi have evolved nuanced mechanisms to orient hyphae towards external cues. Through our studies described in Chapter 2, we have elucidated the role of Ste3 GPCR in mediating fungal chemotropism towards peroxidases (previouly shown for Ste2). Both of these receptors were shown to activate the CWI-MAPK pathway in response to peroxidases. In addition, pathology assays on germinating wheat coleoptiles and detached Arabidopsis leaves showed that a Ste3 knockout strain was significantly compromised in its' ability to cause lesion development. In Chapter 3, we investigated the heterodimerization between FgSte3 and FgSte2 in response to peroxidase and a potential HRP-derived ligand of fungal origin. BRET and pull-down experiments confirmed the interaction. Chapter 4 consists of ongoing projects that go beyond the scope of the timeline for this dissertation. This includes establishing an Sf21 insect cell expression platform for the expression and purification of full length FgSte3 with a goal to elucidate the structure of the protein. Together these studies enhance our understanding of the mechanistic aspects of fungal pathogenesis and represent a step forward toward the development of novel anti-fungal compounds.

G protein-coupled receptors (GPCRs) activate heterotrimeric G proteins (Gαβγ), which together form one of the most important signaling axes found in the cell. Because GPCRs are very common targets for therapeutic drugs, the mechanisms underlying their regulation are of high biomedical importance. Downstream of GPCR activation, there are many cytoplasmic proteins that regulate the activity of G proteins, providing an opportunity for therapeutic intervention. The neuronal protein GINIP binds directly to Gαi and is believed to play a role in modulating GPCR-mediated neurotransmission, an exquisitely-balanced process whereby dysregulation leads to neurological disorders including chronic pain and epilepsy. However, the molecular and structural determinants of GINIP underlying and required for proper regulation of G protein signaling downstream of GPCRs are unclear. In the studies presented here, we dissect the molecular and structural basis by which GINIP regulates G proteins after receptor activation and contributes to the fine-tuning of neurotransmitter responses in the nervous system. First, we revealed a new paradigm of G protein regulation by GINIP whereby it biases GPCR responses favoring Gβγ-mediated signaling to the detriment of Gα-mediated signaling. Second, we demonstrated that GINIP uses specific residues in the first loop of the PHD domain to physically engage Gαi by adopting a binding mode similar to that of G protein effectors like adenylyl cyclase, which is in turn required for the subsequent modulation of G protein signaling. Together, these insights advance our understanding of how GPCR signaling is fine-tuned by GINIP to set the tone of neurotransmission. Characterizing this layer of G protein regulation after receptor activation is crucial for developing novel therapeutic approaches to target diseases that arise from dysregulated GPCR signaling.

Das serotonerge System besitzt sowohl bei Invertebraten als auch bei Vertebraten eine große Bedeutung für die Kontrolle und Modulation vieler physiologischer Prozesse und Verhaltensleistungen. Bei der Honigbiene Apis mellifera spielt Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) eine wichtige Rolle bei der Arbeitsteilung und dem Lernen. Die 5-HT-Rezeptoren, die überwiegend zur Familie der G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) gehören, besitzen eine Schlüsselstellung für das Verständnis der molekularen Mechanismen der serotonergen Signalweiterleitung. Ziel dieser Arbeit war es, 5-HT-Rezeptoren der Honigbiene zu charakterisieren. Dazu zählt die Identifizierung der molekularen Struktur, die Ermittlung der intrazellulären Signalwege, die Erstellung von pharmakologischen Profilen, die Ermittlung der Expressionsmuster und die Ermittlung der physiologischen Funktionen der Rezeptoren. Mit Hilfe der Informationen aus dem Honey Bee Genome Project, konnten drei RezeptorcDNAs kloniert werden. Vergleiche der abgeleiteten Aminosäuresequenzen mit den Aminosäuresequenzen bereits charakterisierter Rezeptoren legten nahe, dass es sich dabei um einen 5-HT1- (Am5-HT1) und zwei 5-HT2-Rezeptoren (Am5-HT2α und Am5-HT2β) handelt. Die strukturelle Analyse der abgeleiteten Aminosäuresequenz dieser Rezeptoren postuliert das Vorhandensein der charakteristischen heptahelikalen Architektur von GPCRs und zeigt starkkonservierte Motive, die bedeutend für die Ligandenbindung, die Rezeptoraktivierung und die Kopplung an G-Proteine sind. Für die beiden 5 HT2-Rezeptoren konnte zudem alternatives Spleißen nachgewiesen werden. Mit den cDNAs des Am5-HT1- und des Am5-HT2α-Rezeptors wurden HEK293-Zellen stabil transfiziert und anschließend die Rezeptoren funktionell und pharmakologisch analysiert. Am5-HT1 hemmt bei Aktivierung abhängig von der 5-HT-Konzentration die cAMPProduktion.Die Substanzen 5-Methoxytryptamin (5-MT) und 5-Carboxamidotryptamin konnten als Agonisten identifiziert werden. Methiothepin dagegen blockiert die 5-HTWirkung vollständig. Prazosin und WAY100635 stellen partielle Antagonisten des Am5-HT1-Rezeptors dar. Der Am5-HT2_-Rezeptor stimuliert bei Aktivierung die Synthese des sekundären Botenstoffs Inositoltrisphosphat, was wiederum zu einer messbaren Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration führt. 5-MT und 8-OH-DPAT zeigen eine deutliche agonistische Wirkung auf Am5-HT2α. Dagegen besitzen Clozapin, Methiothepin, Mianserin und Cyproheptadin die Fähigkeit, die 5-HT-Wirkung um 51-64 % zu vermindern. Die bereits erwähnte alternative Spleißvariante von Am5-HT2α wurde ebenfalls in HEK293-Zellen exprimiert und analysiert, scheint jedoch eigenständig nicht funktionell zu sein. Gegen die dritte cytoplasmatische Schleife (CPL3) wurde ein polyklonales Antiserum generiert. Dieses erkennt in Western-Blot-Analysen ein Protein mit einer Masse von ca. 50 kDa. Durch immunhistochemische Analysen am Bienengehirn wurde die Verteilung des Rezeptors genauer untersucht. Dabei zeigten die optischen Neuropile, besonders die Lamina und die Ocellarnerven, stets eine starke Markierung. Außerdem wird der Rezeptor in den α- und β-Loben sowie der Lippe, dem Basalring und dem Pedunculus der Pilzkörper exprimiert. Doppelmarkierungen zeigen stets eine enge Nachbarschaft von serotonergen Fasern und dem Am5-HT1-Rezeptor. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass der Am5-HT1-Rezeptor sehr wahrscheinlich an der Regulation des phototaktischen Verhalten der Honigbiene beteiligt ist. Verfütterung von 5-HT hat eine deutlich negative Wirkung auf das phototaktischen Verhalten. Diese kann durch den Am5-HT1-Rezeptor-Agonisten 5-CT imitiert werden. Schließlich konnte gezeigt werden, dass der Am5-HT1-Antagonist Prazosin die 5-HT-Wirkung deutlich vermindern kann. / The serotonergic system plays an important role in the control and modulation of many physiological and behavioral processes in both vertebrates and invertebrates. In the honeybee Apis mellifera, serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) has been implicated in the control and regulation of division of labor as well as learning and memory. A key role in understanding the serotonergic system plays the molecular and functional characterization of 5-HT receptor subtypes. In most cases, serotonin receptors represent G protein-coupled receptors (GPCRs). This work describes the characterization of honeybee serotonin receptors. This comprises the identification of their molecular structure, intracellular second messenger pathways, pharmacological properties, expression profiles and functions. By screening the honeybee genome, we found three candidate genes encoding for putative serotonin receptors. The cDNAs of these genes were cloned and the deduced amino acid sequences were analysed. The sequence information was used to isolate the cDNAs encoding for these three receptors. Comparison of the deduced amino acid sequences with sequences of other known receptors suggests that one receptor belongs to the 5-HT1 (Am5-HT1) and the other two receptors to the 5-HT2 receptor class (Am5-HT2α and Am5-HT2β). Major characteristics common to all GPCRs (e.g. the heptahelical architecture) were confirmed by structural analyses of the deduced amino acid sequences. Furthermore, truncated receptor transcripts representing alternative splice variants of both 5-HT2 receptors could be detected. HEK293 cells were stably transfected with the cDNAs of Am5-HT1 or Am5-HT2_ and functionally and pharmacologically analysed. The activation of Am5-HT1 by 5-HT results in the dose dependent attenuation of adenylyl cyclase activity. 5-methoxytryptamine (5-MT) and 5-carboxamidotryptamine are able to imitate the 5-HT effect. In contrast, methiothepin is able to block the entire 5-HT effect, whereas prazosine and WAY100635 block the 5-HT effect only partially. The Am5-HT2α receptor stimulates the synthesis of the second messenger inositol trisphosphate which in turn mediates an increase in the intracellular Ca2+. The substances 5-MT and 8-OH-DPAT were identified as agonists of the Am5-HT2α receptor. In contrast, clozapine, methiothepine, mianserine, and cyproheptadine show strong antagonistic actions. A truncated alternative splice variant of the Am5-HT2α-receptor was also analysed but didn’t show any functional coupling by itself. An antiserum was raised against the third cytoplasmic loop (CPL3) of the Am5-HT1 receptor. This antiserum detects a protein with a molecular mass of 50 kDa in western blot analyses. The expression of the Am5-HT1 receptor was studied in detail using immunohistochemistry. Strong Am5-HT1-like immunofluorescence was observed in the ocellar nerve, in the three optic ganglia and in the α- and β-lobes, the pedunculi, the lip and the basal ring of the mushroom bodies. Furthermore, co-labeling with an antibody against 5-HT showed that this receptor is expressed in close vicinity to serotonergic neurons. Finally, behavioral experiments suggest a possible role of the Am5-HT1 receptor in phototactic behavior. Feeding of 5-HT to worker honeybees results in a decrease of phototactic behavior. This 5-HT action could be mimiced by feeding of the Am5-HT1 agonist 5-CT. In contrast, the Am5-HT1 antagonist prazosine prevents the 5-HT-induced decrease in phototaxis.

Gegenstand der Arbeit ist eine umfassende Charakterisierung von Struktur und Funktion des G-Protein-gekoppelten Rezeptors GPR34 auf genomischer, mRNA und Proteinebene, die mögliche Rückschlüsse auf physiologische Funktionen oder den natürlichen Agonisten zulassen. Dazu wurde die genomische Organisation des GPR34 in Mensch, Maus und Ratte analysiert und festgestellt, dass neben der intronlosen kodierenden Sequenz auch der 5´-Bereich des GPR34 mit seiner nicht-kodierenden Intron-Exon-Struktur stark konserviert ist. Es wurden in der Ratte und der Maus mindestens zwei, beim Menschen ein putativer Transkriptionsstart identifiziert. Beim Menschen konnte ein kryptisches Intron innerhalb der kodierenden Sequenz des GPR34 gefunden werden, was zu einer Verkürzung des N-Terminus um 47 Aminosäuren führt. Auf der Transkriptionsebene wurde der GPR34 und der GPR34-like Rezeptor im Haushuhn (Gallus gallus) und die GPR34-Expression in der Ratte mittels quantitativer RT-PCR analysiert und die ubiquitäre Gewebeverteilung des Rezeptors bestätigt. Beim menschlichen GPR34 konnte festgestellt werden, dass die fünf putativen Translationsstarts innerhalb der kodierenden Sequenz auch als solche funktionstüchtig sind und der zweite Translationsstart bevorzugt genutzt wird. Die genetische Variabilität des GPR34 in der menschlichen Population ist sehr gering. Es konnte innerhalb einer weltweiten DNA-Probensammlung nur ein einziges Mal eine Mutation in der kodierenden Sequenz lokalisiert werden. Mithilfe des während dieser Arbeit entstandenen Mausmodelles ist eine weitere Charakterisierung der physiologischen Relevanz des GPR34 möglich.

L'axe formé par la chimiokine CXCL12 et son récepteur CXCR4 est conservé chez les vertébrés où il joue un rôle important dans l'embryogenèse et la vie adulte, régule de nombreux processus des réponses immunitaires grâce à ses fonctions dans la migration cellulaire, la survie et la prolifération.En outre, cet axe est impliqué dans les processus pathologiques tels que les cancers (croissance et métastase) et immunodéficiences ainsi que des dysfonctionnements (par exemple l'expression dérégulée, polymorphismes ou mutations) et est également détourné par certains agents pathogènes (par exemple le virus de l'immunodéficience humaine, virus du papillome humain).Un grand groupe de travail est consacré à cette paire comme cible thérapeutique, mais seulement un composé (à savoir Plérixafor) a atteint l'approbation pour une utilisation clinique faisant le potentiel de cet axe comme cible de médicament encore inexploré.Bien que cet axe est l'objet d'un grand intérêt, des questions demeurent quant aux déterminants structurels impliqués dans l'interaction CXCL12/CXCR4.Cependant, la structure récemment résolue par diffraction de CXCR4 a donné quelque indice au sujet de ces questions, et au­ delà, la possible stoichiométrie entre CXCL12 et CXCR4.Plusieurs éléments de preuve appuient le concept que les formes CXCR4 homo- et hétéro- oligomères (qui peut contribuer à la diversité des fonctions de récepteur), telles que la structure de diffraction, le gain de fonction d'un récepteur CXCR4 mutant responsable du syndrome WHIM et la modulation allostérique des fonctions de CXCR4 par CXCR7 (ACKR3), le second récepteur de CXCL12. La possibilité de former des oligomères ouvre de nombreuses questions en matière de CXCL12 et ses interactions avec CXCR4 et CXCR7/ACKR3. La stoichiométrie de cette interaction reste une question ouverte, comme le récepteur est capable de former des oligomères avec le même récepteur ou autre récepteurs, en particulier CXCR7/ACKR3. Ce récepteur, connu comme scavenger, n'a pas de structure résolue et son mécanisme d'interaction avec CXCL12 reste inconnu.Afin d'étudier les interactions CXCL12/CXCR4/CXCR7, nous avons appliqué plusieurs techniques de modélisation moléculaire tels que peptid-peptide docking et simulations de dynamique moléculaire.Objets du projet ont étés : la résolution des possibles formes stoichiométriques de l'interaction CXCR4/CXCL12 (modélisation moléculaire, docking et dynamique); la modélisation de la structure du récepteur CXCR7/ACKR3 et son interaction avec CXCL12 (homology modeling), avec caractérisation des domaines et des résidus clef de l'activation des pathways de signalisation en aval du récepteur (mutants CXCR7/ACKR3); l'étude et la caractérisation de nouveaux outils innovants pour la détection de l'oligomerisation de ces récepteurs en conditions endogènes. (Nanobodies, HTRF)Les résultats du premier objectif ont été publiés en janvier 2016 : PMID 26813575.La modélisation de CXCR7/ACKR3 nous a permit de générer plusieurs mutants du récepteur pour tester nos hypothèses sur l’activation.Les nanobodies caractérisés pour CXCR4 seront utilisé dans une deuxième étude pour l’identification des formes oligomériques du récepteur sur tissus et cellules. / The axis formed by the chemokine CXCL12 and its receptor CXCR4 is conserved in vertebrates where it plays an important role in embryogenesis and adult life, regulates many processes of immune responses through its functions in cell migration, survival and proliferation.In addition, this axis is involved in pathological processes such as cancers (growth and metastasis) and immune deficiencies and malfunctions (eg deregulated expression, mutations or polymorphisms) and is also hijacked by certain pathogens (eg HIV, human papilloma virus).A large working group is dedicated to this pair as a therapeutic target, but only a compound (ie Plerixafor) achieved approval for clinical use by the potential of this area as a drug target unexplored.Although this axis is the subject of great interest, questions remain about the structural determinants involved in CXCL12 / CXCR4 interaction.However, the recently resolved diffraction structure of CXCR4 gave some clue about these questions, and beyond possible stoichiometry between CXCL12 and CXCR4.Several lines of evidence support the concept that forms CXCR4 homo- and hetero-oligomers (which can contribute to the diversity of the receptor functions), as shown in the diffraction structure, the gain function of a mutant CXCR4 receptor responsible for the syndrome WHIM and allosteric modulation of CXCR4 functions by CXCR7 (ACKR3), the second receptor of the chemokine CXCL12. The ability to form oligomers opens many issues of CXCL12 and its interaction with CXCR4 and CXCR7 / ACKR3.The stoichiometry of this interaction still remains an open question, as the receptor is capable to form oligomers with the same receptor or other receptors, particularly CXCR7 / ACKR3. This receptor, known as scavenger, has not solved structure and the mechanism of interaction with CXCL12 is unknown.To study the interactions CXCL12 / CXCR4 / CXCR7, we applied several molecular modeling techniques such as peptide-peptide docking and molecular dynamics simulations.Objectives of this project were: the resolution of the different stoichiometric forms for the interaction of CXCR4 and CXCL12 (molecular modeling, docking and dynamic); modeling the CXCR7 / ACKR3 receptor structure and its interaction with CXCL12 (homology modeling), with the characterization of domains and residues key in the activation of downstream signaling pathways of the receptor (CXCR7 / ACKR3 mutants); the study and characterization of new innovative tools for the detection of oligomerization of these receptors in endogenous conditions. (Nanobodies, HTRF)The results of the first objective were published in January 2016: PMID 26813575.Modeling of CXCR7 / ACKR3 allowed us to generate several mutants of the receptor to test our hypothesis about the activation pathways.Nanobodies were fully characterized for CXCR4 to be used in a second study to identify oligomeric forms of the receptor in tissues and cells.

During my PhD I studied two principal biological aspects employing Drosophila melanogaster. Therefore, this study is divided into Part I and II. Part I: Bruchpilot and Complexin interact to regulate synaptic vesicle tethering to the active zone cytomatrix At the presynaptic active zone (AZ) synaptic vesicles (SVs) are often physically linked to an electron-dense cytomatrix – a process referred to as “SV tethering”. This process serves to concentrate SVs in close proximity to their release sites before contacting the SNARE complex for subsequent fusion (Hallermann and Silver, 2013). In Drosophila, the AZ protein Bruchpilot (BRP) is part of the proteinous cytomatrix at which SVs accumulate (Kittel et al., 2006b; Wagh et al., 2006; Fouquet et al., 2009). Intriguingly, truncation of only 1% of the C-terminal region of BRP results in a severe defect in SV tethering to this AZ scaffold (hence named brpnude; Hallermann et al., 2010b). Consistent with these findings, cell-specific overexpression of a C-terminal BRP fragment, named mBRPC-tip (corresponds to 1% absent in brpnude; m = mobile) phenocopied the brpnude mutant in behavioral and functional experiments. These data indicate that mBRPC-tip suffices to saturate putative SV binding sites, which induced a functional tethering deficit at motoneuronal AZs. However, the molecular identity of the BRP complement to tether SVs to the presynaptic AZ scaffold remains unknown. Moreover, within larval motoneurons membrane-attached C-terminal portions of BRP were sufficient to tether SVs to sites outside of the AZ. Based on this finding a genetic screen was designed to identify BRP interactors in vivo. This screen identified Complexin (CPX), which is known to inhibit spontaneous SV fusion and to enhance stimulus evoked SV release (Huntwork and Littleton, 2007; Cho et al., 2010; Martin et al., 2011). However, so far CPX has not been associated with a function upstream of priming/docking and release of SVs. This work provides morphological and functional evidence, which suggests that CPX promotes recruitment of SVs to the AZ and thereby curtails synaptic short-term depression. Together, the presented findings indicate a functional interaction between BRP and CPX at Drosophila AZs. Part II: The Adhesion-GPCR Latrophilin/CIRL shapes mechanosensation The calcium independent receptor of α-latrotoxin (CIRL), also named Latrophilin, represents a prototypic Adhesion class G-protein coupled-receptor (aGPCR). Initially, Latrophilin was identified based on its capacity to bind the α-component of latrotoxin (α-LTX; Davletov et al., 1996; Krasnoperov et al., 1996), which triggers massive exocytotic activity from neurons of the peripheral nervous system (Scheer et al., 1984; Umbach et al., 1998; Orlova et al., 2000). As a result Latrophilin is considered to play a role in synaptic transmission. Later on, Latrophilins have been associated with other biological processes including tissue polarity (Langenhan et al., 2009), fertility (Prömel et al., 2012) and synaptogenesis (Silva et al., 2011). However, thus far its subcellular localization and the identity of endogenous ligands, two aspects crucial for the comprehension of Latrophilin’s in vivo function, remain enigmatic. Drosophila contains only one latrophilin homolog, named dCirl, whose function has not been investigated thus far. This study demonstrates abundant dCirl expression throughout the nervous system of Drosophila larvae. dCirlKO animals are viable and display no defects in development and neuronal differentiation. However, dCirl appears to influence the dimension of the postsynaptic sub-synaptic reticulum (SSR), which was accompanied by an increase in the postsynaptic Discs-large abundance (DLG). In contrast, morphological and functional properties of presynaptic motoneurons were not compromised by the removal of dCirl. Instead, dCirl is required for the perception of mechanical challenges (acoustic-, tactile- and proprioceptive stimuli) through specialized mechanosensory devices, chordotonal organs (Eberl, 1999). The data indicate that dCirl modulates the sensitivity of chordotonal neurons towards mechanical stimulation and thereby adjusts their input-output relation. Genetic interaction analyses suggest that adaption of the molecular mechanotransduction machinery by dCirl may underlie this process. Together, these results uncover an unexpected function of Latrophilin/dCIRL in mechanosensation and imply general modulatory roles of aGPCR in mechanoception. / In dieser These wurden zwei grundlegende biologische Aspekte mittels Drosophila melanogaster untersucht, weshalb diese in zwei Teile gegliedert ist. TeiL I: Die Interaktion von Bruchpilot und Complexin vermittelt die Anbindung von synaptischen Vesikeln an die Zytomatrix der aktiven Zone Oft findet man an aktiven Zonen (AZ) von Präsynapsen elektronendichte Matrices, welche meist in physischem Kontakt mit synaptischen Vesikeln (SV) stehen. Dieser als „SV Tethering“ bezeichnete Prozess dient der Anreicherung SV in der unmittelbaren Nähe ihrer Freisetzungszonen, noch bevor diese mit dem SNARE Komplex interagieren, um mit der präsynapti-schen Plasmamembran zu fusionieren (Hallermann und Silver, 2013). In der Taufliege Drosophila melanogaster bildet das AZ Protein Bruchpilot (BRP) Protrusionen, um welche SV akkumulieren (Kittel et al., 2006b; Wagh et al., 2006; Fouquet et al., 2009). Interessan-terweise resultiert bereits eine minimale Verkürzung von BRP (1% der Gesamtlänge) am C-terminalen Ende in einem schwerwiegenden Anbindedefekt von SV, der mit einem Funkti-onsverlust dieser Synapsen einhergeht (brpnude; Hallermann et al., 2010b). Entsprechend diesem Vorbefund resultierte die gewebespezifische Überexpression eines C-terminalen BRP Fragments - mBRPC-tip (entspricht dem fehlenden Fragment der brpnude Mu-tante; m = mobil) - sowohl in Verhaltens- als auch funktionellen Analysen in einer Phänoko-pie der brpnude Mutante. Dies deutet daraufhin, dass mBRPC-tip vermeintliche vesikuläre Interaktionspartner blockiert und so die Anreicherung von SV an motoneuronalen AZ verhindert, was ähnlich wie in brpnude Mutanten zu einem funktionellen Tethering-Defekt führt. Die molekulare Identität eines BRP Partners zur Anreicherung von SV an der Zytomatrix der AZ wurde bisher nicht beschrieben. Weiterhin zeigt diese Arbeit, dass membrangebundene C-terminale BRP Anteile genügen, um SV an Positionen außerhalb von AZ zu binden. Basierend auf diesem Befund wurde ein gene-tischer in vivo Screen zur Identifikation von BRP Interaktoren entwickelt. Dieser Screen identifizierte Complexin (CPX), ein Protein, dessen hemmende beziehungsweise fördernde Wirkung auf die spontane und reizinduzierte Vesikelfusion bekannt ist (Huntwork und Littleton, 2007; Cho et al., 2010; Martin et al., 2011). CPX wurde bisher nicht mit einer Funktion ober-halb von Vesikelpriming und -fusion in Verbindung gebracht. Diese Studie dokumentiert strukturelle und funktionelle Hinweise, die darauf hindeuten, dass CPX mit BRP interagiert, um Vesikelakkumulation an AZ zu fördern und dadurch synaptischer Kurzzeit-Depression entgegen zu wirken. Teil II: Adhäsions-GPCR Latrophilin/CIRL moduliert die Wahrnehmung mechanischer Reize Der Kalzium-unabhängige Rezeptor für α-Latrotoxin (CIRL), oder Latrophilin, ist ein prototypischer Rezeptor der Adhäsions G-Protein gekoppelten Klasse (aGPCR). Identifiziert wurde Latrophilin ursprünglich aufgrund seiner Fähigkeit die α-Komponente von Latrotoxin (α-LTX) zu binden (Davletov et al., 1996; Krasnoperov et al., 1996), welches seine Wirkung am peripheren Nervensystem entfaltet und dort übermäßige Transmitterausschüttung an neuronalen Endigungen induziert (Scheer et al., 1984; Umbach et al., 1998; Orlova et al., 2000). Basierend auf diesem Effekt wurde Latrophilin eine Rolle bei der synaptischen Transmission zugesprochen. Später wurden Latrophiline mit weiteren biologischen Prozessen in Zusammenhang gebracht, darunter Gewebepolarität (Langenhan et al., 2009), Fertilität (Prömel et al., 2012) und Synaptogenese (Silva et al., 2011). Allerdings blieb sowohl die subzelluläre Lokalisation als auch die Identität endogener Liganden, zwei Schlüsselaspekte im Verständnis der in vivo Funktion von Latrophilinen bisher rätselhaft. Drosophila besitzt lediglich ein latrophilin Homolog, dCirl, dessen Funktion bisher nicht untersucht wurde. Diese Arbeit zeigt, dass dCirl in weiten Teilen des larvalen Nervensystems von Drosophila exprimiert ist. dCirl knock-out Mutanten sind lebensfähig und weisen keine Störungen in der Entwicklung und neuronalen Differenzierung auf. Allerdings schien dCirl Einfluss auf die Ausdehnung des postsynaptischen subsynaptischen Retikulums (SSR) zu nehmen, was mit einer erhöhten Menge an Discs-large (DLG) assoziiert war. Die morphologischen und funktionellen Eigenschaften präsynaptischer Motoneurone der Fliegenlarve hingegen, waren durch den Verlust von dCirl funktionell weitestgehend unbeeinträchtigt. Vielmehr ist dCirl notwendig für die Wahrnehmung mechanischer Reize (akustische-, taktile und propriozeptive) durch spezialisierte Vorrichtungen - Chordotonalorgane (Eberl, 1999). Die Befunde deuten daraufhin, dass dCirl die Sensitivität der Chordotonalneurone gegenüber mechanischen Reizen moduliert und dadurch das Input-Output Verhältnis einstellt. Adaptation der molekularen Mechanotransduktionsmaschinerie durch dCirl könnte die molekulare Grundlage für diesen Prozess darstellen, eine Hypothese die durch genetische Interaktionsanalysen gestützt wird. Schlussfolglich enthüllen die experimentellen Befunde dieser These eine unerwartete Funktion von Latrophilin/dCirl bei der Mechanoperzeption und implizieren eine generelle modula-torische Rolle für aGPCR bei der Wahrnehmung mechanischer Reize.

G-protein coupled receptors (GPCRs) are integral membrane proteins which represent primary cellular targets for intracellular signalling. Many of these receptors are altered in disease states and hence are the target for over 50% of marketed drugs. Despite their physiological importance, high-throughput, cell-free assays which measure functional or signalling activity are only recently being investigated. The current approach by the pharmaceutical industry to initially screen compounds for functionality is to use heterologous cell-based assay formats. The aim of this work was to reconstitute a cell-free GPCR signalling system on an appropriate platform (surface) as a prototype for future rapid drug screening and other applications. The proof-of-concept approach involved using the �2A-adrenergic receptor (�2A-AR) containing cell membrane preparations as the model GPCR, reconstituted with a set of heterotrimeric G-proteins; G�i1 and �1�2 (the signal transducing complex being termed a �transductosome�). However, other receptors and G-proteins were also investigated. Receptors were initially obtained from natural (tissue) sources, however in the later stages they were expressed in a heterologous system (insect or mammalian expression system). G-proteins were expressed in Spodoptera frugiperida (Sf9) insect cells using the baculovirus expression system. Receptor expression was verified by radioligand binding assays and endogenous G-proteins were removed from membrane preparations using the chaotropic agent urea to allow for reconstitution with purified G-proteins. Signal transduction through the transductosome was measured using the [35S]GTP�S binding assay. Receptor activated [35S]GTP�S binding was used to determine functional reconstitution and to validate that the system was working in the normal physiological manner both on and off a surface (with surface attachment being via histidine attachment on the G�i1 (6xHIS) subunit). Using the captured (surface-attached) transductosomes, the IC50 values for Rauwolscine, Yohimbine (potent �2-AR antagonists), Prazosin (potent �1- AR antagonist) and Propranolol (�-AR antagonist) displayed the appropriate rank order for this class of receptor. This cell-free, surface-attached signalling complex prototype may have use in the future development of drug screening and discovery assay technologies as well as other applications as an alternative to cell-based assays which are not readily amendable to miniaturisation, long term storage and therefore stable robust microarray formats.

Les camélidés possèdent une caractéristique immunologique particulière parmi les mammifères. En plus des anticorps conventionnels tétramériques composés de 2 chaînes lourdes et de 2 chaînes légères, on retrouve dans des proportions variant de 25 à 50% des anticorps dépourvus de chaînes légères. Le paratope de ces anticorps est dès lors constitué de la partie variable monomérique des chaînes lourdes. Ce domaine d’environ 15 kDa représente le plus petit fragment capable de lier un antigène et est communément appelé nanobody de par sa petite taille. Les nanobodies possèdent des propriétés uniques considérables comparés aux anticorps conventionnels, comme leur capacité à reconnaître des épitopes cryptiques mais aussi la possibilité de les modifier et les assembler facilement afin d’améliorer leurs propriétés. Ces dernières années, les nanobodies ont connu un intérêt grandissant tant au niveau de la recherche fondamentale qu’au niveau du développement de nouvelles solutions diagnostiques et thérapeutiques. Grâce à leur utilisation, la biologie structurale des RCPGs a connu des avancées significatives avec notamment l’obtention de la structure du récepteur β2-adrénergique dans une conformation active et complexé à une protéine G hétérotrimérique. Les RCPGs représentent la plus grande famille de récepteurs membranaires avec près de 800 récepteurs différents. Ils sont exprimés dans toutes les cellules de l’organisme et répondent à une large variété de ligands, les rendant indispensables dans la régulation de nombreux processus physiologiques. Ce rôle central dans la modulation des fonctions biologiques fait des RCPGs des cibles thérapeutiques de premier choix, comme en atteste le pourcentage élevé (30 à 40%) de médicaments dirigés contre cette classe de récepteurs et actuellement sur le marché. Depuis quelques années maintenant, la biologie structurale des RCPGs a connu un essor sans précédent avec à ce jour, près de 190 structures tridimensionnelles expérimentales résolues. Ces avancées ont permis de mieux comprendre les mécanismes d’action de ces récepteurs ainsi que le mode de liaison de ligands, ouvrant notamment de nouvelles perspectives thérapeutiques par le développement rationnel de nouvelles molécules.Au cours de ce travail, nous nous sommes efforcés de développer des outils et une méthodologie nous permettant de résoudre la structure expérimentale de 2 récepteurs :ChemR23 et VPAC1. Pour cela, nous avons développé et caractérisé des nanobodies dirigés contre ces 2 récepteurs. Nous avons montré que les nanobodies dirigés contre le récepteur ChemR23 possèdent des propriétés antagonistes en inhibant partiellement la libération calcique de cellules CHO surexprimant ChemR23 ainsi que le chimiotactisme de cellules dendritiques induit par la chémérine. Profitant de la modularité offerte par les nanobodies, nous avons conçu un nanobody bivalent, dont les propriétés antagonistes sont significativement améliorées. Concernant le récepteur VPAC1, nous avons identifié que les nanobodies générés reconnaissent un épitope présent au niveau du large domaine amino-terminal et distinct du site orthostérique du peptide VIP. Bien que dépourvu de propriétés fonctionnelles, 2 de ces nanobodies voient leur affinité augmentée en présence d’un agoniste, et diminué en présence d’un agoniste inverse. Enfin, nous montrons qu’ils sont utilisables pour la détection du récepteur endogène présent à la surface de leucocytes mais également au niveau de coupes de tissus gastro-intestinaux sains.En parallèle, nous avons mis au point la production de ces récepteurs dans des cellules d’insecte, permettant de produire les quantités nécessaires à des études structurales. Nous avons également apporté et validé diverses modifications à la structure de ces récepteurs, en vue d’augmenter leur stabilité une fois extraits de leur environnement natif. Un processus itératif nous a permis de déterminer les conditions optimales de solubilisation de ces récepteurs afin de maximiser l’obtention d’une forme monomérique et de minimiser la présence de formes multimériques ou dégradées. Nos premiers essais de purification par chromatographie d’affinité sur colonnes de nickel, ainsi que par chromatographie d’exclusion de taille, nous ont permis d’isoler des récepteurs entiers. Cependant, les chromatogrammes issus des purifications par chromatographie d’exclusion de taille suggèrent la présence de récepteurs en partie agrégés. De plus, nous n’avons pu déterminer précisément à ce jour si les récepteurs purifiés maintenaient une conformation native, prérequis indispensable pour réaliser des études cristallographiques.Bien que nous n’ayons pas résolu la structure expérimentale de ces 2 récepteurs, le travail réalisé dans le cadre de notre thèse de doctorat a permis de développer des nanobodies qui représentent des outils innovants pour l’études des RCPGs ainsi que de mettre au point des protocoles de production et de purification préliminaire des récepteurs ChemR23 et VPAC1 en vue de leur étude cristallographique. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:51:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2008 / Máquinas de aprendizagem têm sido aplicadas em diferentes problemas em Bioinformática. Similarmente, algoritmos de descoberta de padrões também têm sido usados para descobrir motifs em seqüências de proteínas, contribuindo na definição de assinaturas (tais como impressões digitais) que caracterizam classes funcionais de proteínas. Como por exemplo, a classe de receptores acoplados a proteína-G (GPCR) que representam uma das maiores famílias no Genoma Humano. Esta família é um dos grandes alvos de pesquisa para a descoberta e desenvolvimento de novas drogas, conseqüentemente, de grande interesse para a indústria farmacêutica. O modelo proposto nesta dissertação combina máquinas de aprendizagem, como SVM (Support Vector Machine) e MLP (Multilayer Perceptron), e métodos de descoberta de padrões no desenvolvimento de um procedimento para predizer a relação entre uma seqüência primária de proteínas e sua classe funcional. Como caso de estudo, este trabalho apresenta experimentos com a superfamília GPCR, usando padrões em forma de expressões regulares desta família extraídos pelo SPEXS (Sequence Pattern EXhaustive Search), um algoritmo para descoberta de padrões

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