G protein-coupled receptors (GPCRs) comprise the largest group of cell surface receptors, translating environmental signals into cellular responses via cognate G protein partners. Contrary to our initial understanding, most GPCRs do not function in living cells as monomers, but most likely dimers, or even larger arrays of receptors. Standard drug design approaches rely on the notion that drugs binding the two receptors in a given dimer likely function independently of one another. However, this view has been challenged by recent work showing that ligand binding at both receptors can modulate dimeric receptors via allosteric communication. While one receptor may actually be needed to drive signalling, the other acts to control or modulate these signals, without a direct signalling outcome itself. Based on the notion of allosteric modulation within homo- and heterodimers, I tested and compared changes in signalling downstream as well as at the level of the receptor-G protein-effector (RGE) complex in response to different combinations of ligands at each protomer. Using a combination of calcium, cyclic adenosine monophosphate, and mitogen-activated protein kinase signalling assays, I have demonstrated functional interactions for a putative D2 dopamine receptor, oxytocin receptor heterodimer (D2R/OTR), in HEK 293 cells. Immunoprecipitation, bioluminescence resonance energy transfer (BRET) and confocal microscopy experiments reveal D2R and OTR do in fact form a heterodimer in vitro, which may explain the nature of these potential allosteric functional interactions. Using BRET, I assessed the RGE complex conformational dynamics in HEK 293 cells for two other heterodimers, β2-adrenergic receptor with cannabinoid CB1 receptor (β2AR/CB1R) and β2AR/OTR, in order to determine how they manifest in parallel to signalling events themselves. These studies reveal functional interactions can occur in terms of signalling complex conformation. Thus GPCR signalling can be modulated by its partner receptor at the level of downstream effector signalling or at the level of the signalling complex itself. With that said, putative heterodimers need to be reanalyzed in vivo for their allosteric properties, which may explain some of the side effects of so many drugs, and may have implications in drug design. / Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent le plus grand groupe de récepteurs de la surface cellulaire, qui traduisent les signaux environnementaux en réponses cellulaires via leurs protéines G associées. Contrairement à notre compréhension initiale, la majorité des RCPG ne fonctionnent pas en tant que monomères, mais possiblement en tant que dimères ou même oligomères. Les approches actuelles de conception de médicament estiment que lors de la liaison d'un médicament aux deux récepteurs d'un dimère quelconque, ces derniers fonctionnent potentiellement indépendamment l'un de l'autre. Cependant, cette notion a été reconsidérée par une étude récente montrant que la liaison d'un ligand aux deux récepteurs peut les altérer par voie de communication allostérique. Alors qu'un premier récepteur peut être requis pour initialiser la signalisation, un second peut contrôler ou modifier ces signaux, n'ayant pas nécessairement une signalisation directe comme résultante. Dans l'étude suivante, basée sur la notion de modulation allostérique au sein d'homodimère et d'hétérodimère, les changements de signalisation en aval ainsi qu'au niveau du complexe récepteur/protéine G/effecteur (RGE) ont été étudiés et comparés en réponse à différentes combinaisons de ligands pour chaque protomère. En utilisant une combinaison d'essais de signalisation de calcium, d'adénosine monophosphate cyclique (cAMP) et de protéine kinase activée par des agents mitogènes (MAPK), une interaction fonctionnelle entre le récepteur dopaminergique D2 et le récepteur de l'ocytocine (D2R/OTR) a été démontrée dans les cellules HEK 293. Des expériences d'immunoprécipitation, de transfert d'énergie de résonance par bioluminescence (BRET) et de microscopie confocale ont révélé la présence d'hétérodimère entre le D2R et l'OTR in vitro, ce qui pourrait expliquer la nature des interactions fonctionnelles allostériques. En utilisant la technique de BRET, la dynamique fonctionnelle du complexe RGE dans les cellules HEK 293 a été examinée chez deux autres hétérodimères, soit celui composé du récepteur adrénergique β2 et du récepteur cannabinoïde CB1 (β2AR/CB1R) et l'hétérodimère β2AR/OTR, afin de déterminer comment ils traduisent les évènements de signalisation. Ces études démontrent donc qu'une interaction fonctionnelle peut survenir sur le plan de la conformation du complexe de signalisation. Par conséquent, la signalisation d'un RCPG peut être modulée par son récepteur partenaire au niveau des effecteurs ou au niveau du complexe de signalisation lui-même. Pour cette raison, il serait impératif de réanalyser in vivo les propriétés allostériques d'hétérodimères putatifs, ce qui pourrait expliquer certains effets secondaires d'une multitude de médicaments et ce qui pourrait impliquer des changements majeurs dans la façon de concevoir de nouveaux médicaments.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114353 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Altosaar, Katrin |
| Contributors | Terence Hebert (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Pharmacology & Therapeutics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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