Structure-function relationships in sensory G protein-coupled receptors

Abstract

(English) Perception of the world by an organism is not possible unless decoding the received information through its sensory systems. In vertebrates, G-protein-coupled receptors (GPCRs) and ion channels are principal categories of sensory receptors. This study has been dedicated to GPCRs which is one of the largest superfamily of membrane proteins in eukaryotes. GPCRs are widely studied because of their potential use as pharmacological targets in drug development. Currently, approximately thirty to forty percent of marketed pharmaceuticals target GPCRs. ln this thesis, the focus has been on bitter taste receptors and the visual photoreceptor rhodopsin (Rho). In particular, the effect of valproic acid (in its salt form, sodium valproate, VPA) on mutations associated with the retina! degenerative disease retinitis pigmentosa (RP) has been analyzed. Bitter taste receptors, called taste receptor type 2 (TAS2R), are G protein coupled receptors that protect humans from ingesting toxins also acting effectively in bitter compounds detection not only in the oral cavity, but in extra-oral tissues. One of the aims of this study was to analyze the potential expression of TAS2Rs in human skin cells. In this regard, the expression of different TAS2Rs subtypes (such as TAS2R4 and TAS2R20) in fibroblasts and keratinocytes of human primary skin cell cultures has been detected. Rho is a major protein of the retina that functions as a light receptor in the rod outer segment (ROS) of photoreceptor cells. Missense mutations in Rho can cause retinal degenerative diseases, including RP, that are mostly related to defects in Rho folding and/or trafficking. VPA is made of naturally occurring valeric acid and chemically is a simple eight-carbon branched-chain fatty acid. Recent work has investigated its use as an adjunct agent in cancer, neurodegenerative disease, human immunodeficiency virustherapy and Rho mutations and retinal disease because of its function as a histone deacetylase inhibitor. One of the main aims of this work is to find new ligands that can compensate for the harmful effects of RP mutations. We have found that VPA, in its sodium form, could be one of the candidate molecules for this purpose. To this aim, the effect of VPA on the structure and function of Rho has been studied. We have focused on the analysis of the conformational stability of heterologously expressed Rho, bovine wild-type (WT) and human WT Rho, and a Rho mutant, I307N, which has been shown to be an appropriate mouse model for studying retinal degeneration. We found no sign of enhanced stability far the dark inactive conformation of the I307N Rho mutant. Moreover, the photoactivated conformation of the mutant appeared to be destabilized by VPA as indicated by a faster decay of its active conformation. The Rho results obtained by carefully analyzing the spectral and biochemical properties of Rho heterologously expressed in cell cultures showed that VPA did not improve the structural stability of dark state conformation of the protein. The Meta II decay process, which could be interpreted as reflecting the active state conformational stability, did not show improved stability either. Therefore, our results support a destabilizing effect of VPA on Rho 1307N mutant associated with retinal degeneration. Our report opens up new opportunities for research on the effect of VPA on downstream Rho signaling elements. Analysis of protein properties for different concentrations of protein and VPA would require needs further investigation. These findings, at the molecular level, agree with recent clinical studies reporting negative effects of sodium valproate on the visual function of RP patients.

(Español) La percepción del mundo por parte de un organismo no es posible a menos que decodifique la información recibida a través de sus sistemas sensoriales. En los vertebrados, los receptores acoplados a proteínas G (GPCRs) y los canales iónicos son categorías principales de receptores sensoriales. Este estudio se ha dedicado a algunos subtipos de GPCRs, que es una de las superfamilias más amplias de proteínas de membrana en eucariotas.Actualmente, aproximadamente entre el treinta y el cuarenta por ciento de los productos farmacéuticos comercializados se dirigen a GPCRs. En esta tesis, la atención se ha centrado en los receptores del sabor amargo y el fotorreceptor visual rodopsina (Rho). En particular, se ha analizado el efecto del ácido valproico (en su forma de sal sódica, valproato sódico, VPA) sobre las mutaciones asociadas con la enfermedad degenerativa de la retina retinitis pigmentosa (RP). Los receptores del gusto amargo, llamados receptores del gusto tipo 2 (TAS2R), son receptores acoplados a proteínas G que protegen a los humanos de la ingesta de toxinas y también actúan eficazmente en la detección de compuestos amargos no solo en la cavidad oral, sino también en los tejidos extraorales. Uno de los objetivos de este estudio era analizar la expresión potencial de TAS2Rs en células de piel humanas. En este respecte, se ha detectado la expresión de diferentes subtipos de TAS2Rs (tales como TAS2R4 y TAS2R20) en fibroblastos y queratinócitos de cultivos primarios de piel humanos. La Rho es una proteína principal de la retina que funciona como un receptor de luz en el segmento externo de las células fotorreceptoras bastón. El VPA se obtiene a partir del ácido valérico natural y químicamente es un ácido graso de cadena ramificada simple de ocho carbonos. Trabajos recientes han investigado su uso como agente anticancerígeno, enfermedades neurodegenerativas, así como tambén en mutaciones en Rho y enfermedades de la retina debido a su función como inhibidor de la histona desacetilasa. Uno de los principales objetivos de este trabajo es encontrar nuevos ligandos que puedan compensar los efectos nocivos de las mutaciones de RP. Hemos encontrado que el VPA podría ser una de las moléculas candidatas para este propósito. Con este fin, se ha estudiado el efecto del VPA sobre la estructura y función de la rodopsina nativa y mutada. Nos hemos centrado en el análisis de la estabilidad conformacional de Rho heterólogamente expresada, como tipo salvaje bovino (WT) y Rho humano WT, y una Rho mutada, I307N, que ha demostrado ser un modelo de ratón apropiado para estudiar la degeneración retiniana. No encontramos signos de mejora en la estabilidad de la conformación inactiva, en oscuridad, del mutante Rho I307N. Además, la conformación fotoactivada del mutante parecía estar desestabilizada por el VPA, como lo indica una descomposición más rápida de su conformación activa . Los resultados de Rho obtenidos al analizar cuidadosamente las propiedades espectrales y bioquímicas de Rho heterólogamente expresada en cultivos celulares mostraron que el VPA no mejoró la estabilidad estructural de la conformación en estado oscuro de la proteína. El proceso de decaimiento de la conformación activa Metarodopsina II, que podría interpretarse como un reflejo de la estabilidad conformacional del estado activo, tampoco mostró una estabilidad mejorada. Por lo tanto, nuestros resultados respaldan un efecto desestabilizador del VPA en el mutante Rho I307N asociado con la degeneración de la retina asociada a RP. Nuestros resultados abren nuevas posibilidades para el estudio del efecto del VPA en los elementos de señalización de la cascada de fototransducción posteriores a la Rho. El análisis de las propiedades de la proteína para diferentes concentraciones de proteína y VPA requerirá de estudios más detallados. Estos hallazgos, a nivel molecular, concuerdan con estudios clínicos recientes que reportan efectos negativos del VPA en la función visual de pacientes con RP.