Regulation of glucose and energy homeostasis by distinct G protein-signaling pathways in pancreatic alpha-cells and AGRP neurons
Final Report Abstract
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) bilden die größte Gruppe der Oberflächenrezeptoren und leiten Signale von einer Vielzahl von Molekülen (Hormone, Peptide, Proteine) in das Zellinnere weiter. Sie spielen bei fast allen physiologischen Funktionen eine Rolle und stellen damit einen exzellenten Angriffspunkt für Medikamente dar. Sie greifen auch in komplexen Netzwerke der Regulation der Glucose- und Energiehomöostase ein und gewinnen in diesem Zusammenhang zunehmend an Interesse. Allerdings ist es quasi unmöglich den Effekt eines einzelnen GPCR in einem bestimmten Gewebe in vivo zu untersuchen, da GPCR zu Familien verwandter Rezeptoren gehören und durch ähnliche Liganden aktiviert werden. Endogene Agonisten und die Verteilung eines Rezeptors in verschiedenen Geweben erschweren die Arbeit zusätzlich. Um diese Probleme zu überwinden, wurden Rezeptoren mit speziellen Eigenschaften entwickelt. Diese DREADD Rezeptoren (designer receptors exclusively activated by designer drugs) wurden so modifiziert, dass der endogene Ligand nicht mehr binden kann, die Rezeptoren aber durch synthetische Liganden z.B. CNO aktiviert werden können. Dadurch können G-Protein-Signalwege spezifisch aktiviert werden und die so gewonnen Erkenntnisse auf endogene Rezeptoren übertragen werden, die dann als potentielle Angriffspunkte für neue Therapien genutzt werden können. In diesem Projekt konnte mit GPR116 ein Rezeptor identifiziert werden, der hoch in pankeatischen Inselzellen exprimiert ist. Dabei wurde gezeigt, dass der Rezeptor wahrscheinlich ausschließlich in den Somatostatin-produzierenden δ-Zellen vorkommt. Durch Aktivierung dieses Rezeptors in isolierten murinen Inselzellen kommt es zur Erhöhung der Insulinsekretion, allerdings nur unter erhöhten Glucosekonzentrationen. Bei niedrigen Glucosekonzentrationen hat die Aktivierung von GPR116 keinen Einfluss auf die Insulinsekretion. GPR116 stellt damit einen potentiellen neuen Angriffspunkt für die Regulation des Blutzuckerspiegels dar. Ein Modellorganismus, der auch für die Untersuchung neuronaler Netzwerke eine große Rolle spielt ist der Fadenwurm C. elegans, der einzige Organismus von dem das komplette Konnektom aufgeklärt ist. Weiterhin bietet sich C. elegans auch für Untersuchungen von G- Protein-Signalwegen und die Regulation der Energiehomöostase mittels DREADD Rezeptoren an, da diese Prozesse evolutionär hochkonserviert sind. Allerdings war es nicht möglich das bereits vorhandene Repertoire an DREADD Rezeptoren im Fadenwurm zu nutzen. Aus diesem Grund wurde innerhalb dieses Projektes ein neuer, C. elegans-spezifischer, DREADD entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung ausschließlich mit der ansonsten inerten Substanz CNO erfolgte und endogene Agonisten den Rezeptor nicht aktivieren können. Der DREADD konnte erfolgreich zellspezifisch und funktionell in vivo exprimiert werden. Der DREADD konnte zur konzentrationsabhängig Modulation der physiologischen Funktion der Spikulaprotraktion durch Aktivierung mit CNO genutzt werden. Damit ist es gelungen, die DREADD-Technologie auf C. elegans zu übertragen und für verschiedenste Anwendungen nutzbar zu machen.
Publications
- (2012). Using ortholog sequence data to predict the functional relevance of mutations in G-protein-coupled receptors. FASEB J. 26(8):3273-81
Cöster M, Wittkopf D, Kreuchwig A, Kleinau G, Thor D, Krause G, Schöneberg T
(See online at https://doi.org/10.1096/fj.12-203737) - (2014). Learning from evolution – the use of P2Y12 ortholog data. Purines 2014 - Nucleotides, nucleosides and nucleobases - International Conference on Signalling, Drugs and Targets, Bonn
Thor D
- (2015). Essential determinants for retaining P2Y12 functionality. 6th Joint German-Italian Purine Club Meeting, Hamburg
Thor D
- (2015). Using designer receptors to decipher G protein signaling pathways in C. elegans. Gordon Research Conference on Molecular Pharmacology, Ventura, USA
Prömel S, Fiedler F, Schöneberg T, Thor D
