Aktivierungsmechanismen von Klasse-F-GPCRs – Vom strukturellen Verständnis hin zu neuartigen Arzneistoffen
Strukturbiologie
Zellbiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Frizzled1-10 (FZD1-10) gehören zur Klasse F G-Protein-gekoppelter Rezeptoren (GPCRs) und nehmen eine zentrale Bedeutung in unzähligen physiologischen und pathologischen Prozessen ein. Als Rezeptoren für die sezernierten Lipo-Glykoproteine der Wingless/Int-1-Genfamilie (WNTs) an der Oberfläche menschlicher Zellen sind sie entscheidend an der zellulären Signalwahrnehmung und -Weiterleitung beteiligt, um Anpassungsprozesse, z.B. im Rahmen der Embryonalentwicklung oder Tumormetastasierung, einzuleiten. Aufgrund ihrer Einbindung in eine Vielzahl physiologischer Prozesse stellen FZD1-10 attraktive Zielmoleküle für die Entwicklung neuartiger Arzneistoffe dar. Unser limitiertes Verständnis über die molekulare Funktionsweise dieser Rezeptoren ist hierbei jedoch ein großes Hindernis für zukünftige Forschungsprojekte.In einer Arbeitsgruppe am Karolinska Institut in Stockholm, Schweden, wurden mit Hilfe neuartiger Sensortechnologien entscheidende Grundlagen der Liganden-abhängigen und -unabhängigen Aktivierung von FZDs aufgedeckt.Nach erfolgreicher Entwicklung sogenannter Rezeptorkonformationssensoren, wurde u.a. nachgewiesen, dass die dreidimensionale Änderung der Rezeptorstruktur (Konformation) ein zentraler Schritt in der WNT-induzierten Aktivierung dieser Rezeptoren darstellt. Es konnte unerwarteterweise jedoch auch aufgezeigt werden, dass FZDs bereits ohne Durchlaufen derartiger Strukturänderungen intrazelluläre Signalwege einleiten können. Damit wird klar, dass FZDs über mindestens zwei unterschiedliche Mechanismen aktiviert werden können und dass diese Prozesse zur Aktivierung verschiedener Signalprozesse im Inneren der Zelle führen können.Weitere Ergebnisse aus dem Förderprojekt adressierten die Frage der Liganden-Rezeptor-Selektivität. Da 19 unterschiedliche WNT-Subtypen in Menschen bekannt sind, jedoch nur 10 humane FZD-Rezeptoren an der Zelloberfläche exprimiert werden, war lange unklar, ob WNTs präferiert an bestimmte Rezeptor-Subtypen binden können. Mit Hilfe der neuen Konformationssensoren konnten wir zeigen, dass manche der getesteten Liganden ohne Rezeptor-Präferenz Konformationsänderungen hervorrufen, während andere WNT-Subtypen hingegen sehr selektiv strukturelle Änderungen in ihren Zielproteinen bewirken. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass jedes WNT-FZD-Paar als einzigartiger Signal-Komplex verstanden werden muss, der die Funktion der Zelle auf hochspezifische Weise moduliert. Letztlich wurden im Rahmen dieser Förderung auch grundlegende Struktureigenschaften der Klasse F-GPCRs mit Hilfe Computer-basierter Molekularsimulationen und strukturbiologischer Ansätze erforscht. Dabei wurde deutlich, dass die evolutionäre Entstehung dieser Rezeptoren klassenspezifische Strukturmerkmale hervorgebracht hat, welche entscheidend für ihre biologische Funktionsweise sind. Die WNT-unabhängige Wechselwirkung von FZD7 mit dem heterotrimeren G-Protein Gs zeichnet sich beispielsweise durch eine weit kleinere Interaktionsfläche aus, als sie von Klasse A und B-GPCRs bekannt ist, und scheint allosterisch von der N-terminalen Rezeptordomäne (CRD) reguliert zu werden. Die Ergebnisse dieses Förderprojekts liefern wichtige neue Erkenntnisse über die molekulare Funktionsweise des WNT-FZD-Signalsystems. Diese neuen Einblicke werden die zukünftige Suche nach WNT/FZD-modulierenden Verbindungen maßgeblich beeinflussen und so hoffentlich die Entwicklung neuartiger Therapien gegen verschiedene pathologische Prozesse beschleunigen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- eGFP-tagged Wnt-3a enables functional analysis of Wnt trafficking and signaling and kinetic assessment of Wnt binding to full-length Frizzled. J Biol Chem. (Vol. 295, Issue 26, S. 8759-8774)
Wesslowski J, Kozielewicz P, Wang X, Cui H, Schihada H, Kranz D, Karuna M P, Levkin P, Gross JC, Boutros M, Schulte G, Davidson G
(Siehe online unter https://doi.org/10.1074/jbc.RA120.012892) - Cryo-EM structure of constitutively active human Frizzled 7 in complex with heterotrimeric Gs.Cell Res (Vol. 31, Issue 12, S.1311-1314)
Xu L, Chen B, Schihada H, Wright SC, Turku A, Wu Y, Han GW, Kowalski-Jahn M, Kozielewicz P, Bowin CF, Zhang X, Li C, Bouvier M, Schulte G, Xu F
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41422-021-00525-6) - Deconvolution of WNT-induced Frizzled conformational dynamics with fluorescent biosensors. Biosens Bioelectron.(Vol. 177, Art. 112948)
Schihada H, Kowalski-Jahn M, Turku A, Schulte G
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.bios.2020.112948) - Frizzled BRET sensors based on bioorthogonal labeling of unnatural amino acids reveal WNT-induced dynamics of the cysteine-rich domain. Sci Adv.(Vol. 7, Issue 46)
Kowalski-Jahn M, Schihada H, Turku A, Huber T, Sakmar TP, Schulte G
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/sciadv.abj7917) - Residue 6.43 defines receptor function in class F GPCRs. Nat Commun.(Vol. 12, Issue 1, Art. 3919)
Turku A, Schihada H, Kozielewicz P, Bowin CF, Schulte G
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41467-021-24004-z)
