Neurokinin-1 receptor: neurokinin-1 receptor, purification and refolding

Abstract

El receptor Neuroquinin-1 (NK1R) és un GPCR que es troba en el sistema nerviós central i perifèric dels vertebrats i és responsable dels processos fisiològics com la transmissió de dolor, secreció endocrina i exocrina, vasodilatació, modulació de la proliferació cel·lular i molts altres. Els antagonistes del NK1R poden ser potencials analgèsics i antidepressius i també poden ser utilitzats per al tractament del trastorn bipolar, l'alcoholisme, càncer, malalties del sistema immune i algunes infeccions. Les tècniques espectroscòpiques i les estructurals d'alta resolució com NMR i la cristal·lografia requereixen quantitats de l'ordre de mil·ligrams del receptor actiu purificat. Una de les estratègies que permet produir els GPCRs recombinants per estudis estructurals és el sistema d'expressió en E.coli. No obstant, molts GPCRs degut al seu efecte tòxic per a la cèl·lula bacteriana s'expressen en forma dels cossos d'inclusió i han de ser sotmesos al procés de renaturalització. La renaturalització dels GPCRs és una tasca complexa que implica complexos ajustaments dels tampons. La primera part d'aquest treball s'ha centrat en la renaturalització de las formes truncades hNK1R-366 i hNK1R-311 del receptor expressades en cossos d'inclusió d'E.coli. Per a l'obtenció del receptor ben plegat hem establert un original protocol de la renaturalització en columna. Hem utilitzat diferents tècniques espectroscòpiques per a estudiar el receptor renaturalitzat. Els resultats de CD han demostrat que el hNK1R-366 i el hNK1R-311 renaturalitzats en DDM presenten un percentatge d'hèlix-α similar al de la rodopsina extreta de retines bovines i solubilitzada en DDM. En els estudis de fluorescència intrínseca de triptòfans a baixes concentracions del GuHCl hem pogut observar el desplaçament cap el blau en l'espectre d'emissió, típic de triptòfans que es troben en un entorn hidrofòbic. A més a més, els espectres d'emissió del hNK1R-366 expressat en cèl·lules COS-1 i solubilitzat en DDM presenten el màxim d'emissió a 335 nm, molt similar al del receptor renaturalitzat a partir dels cossos d'inclusió, indicant la seva correcte renaturalització. El hNK1R-366, renaturalitzat en tampó fisiològic presenta agregació en 24 hores. No obstant, la presència de 0.05% DDM és capaç d'estabilitzar el receptor. Els assajos de radioligand binding de saturació del hNK1R-366 renaturalitzat indiquen que el receptor actiu constitueix l’1% de la proteïna total de la mostra. No obstant, la unió de la SP al receptor en el rang de nanomols és significatiu i és un resultat important, donat que, per primera vegada s’ha obtingut NK1 funcional a partir de E.coli. Per altre costat, no hem pogut obtenir una corba de saturació del hNK1R-311, degut possiblement al plegament defectuós del receptor per falta dels darrers 96 residus. La segona part d'aquest estudi està centrada en l'expressió, purificació i caracterització estructural del C-terminal del receptor hNK1. El domini C-terminal és important per l'acoblament de la proteïna G i la β-arrestina, i també és essencial per a la dessensibilització, internalització i reciclatge del receptor. No obstant, el paper d'aquest domini ha estat infravalorat pels investigadors durant molt temps i existeix poca informació sobre la seva estructura. Els estudis espectroscòpics de UV i de fluorescència posen de manifest anomalies en l'absorbància a 292 nm i en l'emissió intrínseca de les tirosines a 345 nm, atribuïdes a formes ionitzades de l’aminoàcid, degut a la seva proximitat a grups carboxil de residus glutàmics o aspàrtics. A partir de la predicció de l'estructura secundària i terciària i dels resultats dels estudis espectroscòpics hem proposat un model tridimensional pel C-terminal del hNK1 que conté: 25% d’hèlix-α, 27% d’estructura desordenada i 48% de fulles-β i girs-β. En conjunt, els resultat obtinguts, indiquen que el C-terminal del hNK1R no és un domini desordenat, sinó que té una estructura secundària i terciària clarament definides que poden relacionar amb les seves funcions.

Neurokinin-1 receptor (NK1R) is a GPCR found in the central and peripheral nervous system of vertebrates, responsible for such physiological processes as pain transmission, exocrine and endocrine secretion, vasodilatation, modulation of cell proliferation and many others. NK1R antagonists could be potential analgesics and anti-depressants and may also be used for treatment of bipolar disorder, alcoholism, cancer, immune system diseases and selected infections. Spectroscopic studies and high resolution structural techniques, as NMR and crystallography, require milligram amounts of active purified receptor. One of the strategies to produce recombinant GPCRs for structural studies is an E.coli expression system. However, many GPCRs due to their toxic effect for bacterial host cell are expressed in form of inclusion bodies and require refolding. The refolding of GPCRs is a complicated task that requires screening and adjustment of buffer conditions. The first part of this work was centered on the refolding of hNK1R-366 and hNK1R-311 truncated forms expressed in E.coli inclusion bodies. To obtain properly folded receptor, we established an original on-column refolding protocol. Different spectroscopic techniques were applied to study the refolded receptor. The results obtained from CD measurements showed that hNK1R-366 refolded in DDM presents similar α-helical content as rhodopsin extracted from bovine retinas and solubilized in non-denaturing DDM micelles. In the intrinsic tryptophan fluorescence studies, at low concentrations of GuHCl we observed a blue-shift in the emission spectrum peak, typical for tryptophan in hydrophobic environment. Furthermore, the emission spectra of hNK1R-366 expressed in COS-1 cells and solubilized in DDM micelles show very similar emission maximum around 335 nm to that of the receptor refolded from the inclusion bodies, which may be indicative of proper protein refolding. The refolded in physiological buffer hNK1R-366 was prone to aggregate in about 24 hours, however, the presence of 0.05% DDM was found to stabilize the receptor. Saturation radioligand-binding assays for the refolded hNK1R-366 showed that the amount of the active receptor is about 1% of the total protein the sample. However, the binding of SP to the refolded hNK1R-366 in nanomolar range is significant and can be considered as a promising result, since until now the intents to produce any detectable amounts of functional NK1 receptor in E. coli were unsuccessful. On the other hand, we were unable to get any saturation binding curve for hNK1R-311 truncated form of the receptor, which could be explained by incorrect folding caused by the lack of 96 residues of the C-terminus of the receptor. The second part of the present study is centered on hNK1R C-terminus expression, purification and characterization to elucidate its structural properties. The C-terminus domain seems to be essential for the coupling to corresponding G protein and β-arrestin, and is essential for receptor desensitization, internalization and recycling. However, the role of this domain was underestimated by researchers for a long time and as a result very little information is known about its structure. UV and fluorescence spectroscopic studies revealed abnormal tyrosine red-shifted absorbance band at 292 nm and intrinsic tyrosine emission at 345 nm which could be attributed to ionized form of tyrosine and possibly arises from the proximity of one or more tyrosines to carboxyl groups of glutamic o aspartic residues. Based on secondary and tertiary structure prediction as well as on the results of spectroscopic studies we propose a 3D-model for hNK1R C-terminus. Th following assignment of the secondary structure was made: 25% α-helix, 27% unordered structure, 48% β-sheets and β-turns. The obtained ressults give evidence that hNK1R C-terminus is not an unordered region but has clearly defined secondary and tertiary structures which certainly are tightly related to its multiple functions.