Antje Schmidt

• Aktivierte G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) werden schnell desensitisiert, internalisiert und anschließend entweder lysosomal degradiert oder zur Plasmamembran (PM) recycelt. Zur Resensitisierung der Zellen tragen neben recycelten auch neusynthetisierte Rezeptoren bei. Die Überlagerung beider Prozesse erschwert die Untersuchung des Rezeptorrecyclings. In dieser Arbeit sollte mit Hilfe des photokonvertierbaren Fluoreszenzproteins Kaede eine Technik entwickelt werden, mit der es möglich ist Recycling- von Neusyntheseprozessen zu trennen und das Recycling von GPCR mikroskopisch in Echtzeit zu beobachten. Als Modellproteine wurden der Vasopressin-1a-Rezeptor V1aR (recycelnder Rezeptor), der Vasopressin-2-Rezeptor V2R (degradierter Rezeptor) und der Corticotropin-Releasing Factor-Rezeptor Typ 1 (CRF1R) verwendet, wobei bei Letzterem untersucht werden sollte, ob er nach Stimulation zur PM zurücktransportiert wird. Da Kaede als fluoreszierendes Protein mit den GPCR fusioniert wird, wurde zunächst überprüft, ob es die Eigenschaften derAktivierte G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) werden schnell desensitisiert, internalisiert und anschließend entweder lysosomal degradiert oder zur Plasmamembran (PM) recycelt. Zur Resensitisierung der Zellen tragen neben recycelten auch neusynthetisierte Rezeptoren bei. Die Überlagerung beider Prozesse erschwert die Untersuchung des Rezeptorrecyclings. In dieser Arbeit sollte mit Hilfe des photokonvertierbaren Fluoreszenzproteins Kaede eine Technik entwickelt werden, mit der es möglich ist Recycling- von Neusyntheseprozessen zu trennen und das Recycling von GPCR mikroskopisch in Echtzeit zu beobachten. Als Modellproteine wurden der Vasopressin-1a-Rezeptor V1aR (recycelnder Rezeptor), der Vasopressin-2-Rezeptor V2R (degradierter Rezeptor) und der Corticotropin-Releasing Factor-Rezeptor Typ 1 (CRF1R) verwendet, wobei bei Letzterem untersucht werden sollte, ob er nach Stimulation zur PM zurücktransportiert wird. Da Kaede als fluoreszierendes Protein mit den GPCR fusioniert wird, wurde zunächst überprüft, ob es die Eigenschaften der Rezeptoren verändert und generell für Transportstudien geeignet ist. Eventuell könnte die bereits publizierte Tetramerisierung von Kaede seine Anwendung verhindern oder erschweren. Mittels Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie konnte gezeigt werden, dass Kaede nicht tetramerisiert, wenn es an ein Membranprotein fusioniert ist. Außerdem konnte in in vitro- und Zellkulturexperimenten belegt werden, dass die native und die photokonvertierte Form von Kaede gleichermaßen stabil sind. Darüber hinaus zeigten Kaede-fusionierte GPCR sowohl in Kolokalisationsstudien als auch in Agonistbindungs- und Rezeptoraktivierungsexperimenten die gleichen Eigenschaften wie CFP- bzw. die unfusionierte Rezeptoren. Lediglich die Expression der Kaede-fusionierten Rezeptoren war geringer. Parallel wurde anhand der bereits publizierten Kaede-Struktur versucht, die Tetramerisierung des Proteins durch den Austausch interagierender Aminosäuren zu unterbinden. Die eingeführten Mutationen bewirkten aber eine Fehlfaltung des Proteins und damit den Verlust der Fluoreszenz. Da zuvor gezeigt werden konnte, dass Kaede-fusionierte Membranproteine nicht tetramerisieren und nicht die Eigenschaften der fusionierten Proteine verändern, war monomerisiertes Kaede zur Untersuchung des Rezeptorrecyclings nicht notwendig. Im zweiten Teil der Arbeit wurde mit Hilfe von Kaede-Fusionsproteinen und mikroskopischer Testsysteme das noch unbekannte Recyclingverhalten des CRF1R untersucht. Hierfür wurden die Kaede-fusionierten Rezeptoren in eukaryotischen Zellen exprimiert und mit Agonisten internalisiert. Die internalisierten Rezeptoren wurden in Endosomen selektiv mit UV-Strahlung photokonvertiert. Anschließend wurde der Transport der photokonvertierten Form verfolgt. Sowohl beim CRF1R als auch beim V1aR wurden Signale in der PM detektiert, beim V2R hingegen nicht. Dies zeigt, dass es sich beim CRF1R um einen recycelnden Rezeptor handelt. Die als Kontrolle eingesetzten Rezeptoren verhielten sich in diesem Experiment wie erwartet: Der V1aR wurde zur PM zurücktransportiert, der V2R nicht. Diese Ergebnisse konnten mit Hilfe biochemischer und durchflusscytometrischer Experimente bestätigt werden. Die Internalisierung des CRF1R verläuft Clathrin-vermittelt in Anwesenheit von β-Arrestin. Je nach Stabilität der β Arrestin-Interaktion unterscheidet man zwei Klassen von Rezeptoren: Klasse A-Rezeptoren interagieren transient mit β Arrestin und können recyceln. Im Gegensatz dazu gehen Klasse B-Rezeptoren eine stabile Interaktion mit β Arrestin ein und werden nach Internalisierung degradiert. In mikroskopischen Untersuchungen konnte für die aktivierten CRF1R und V1aR eine Rekrutierung von β Arrestin zur PM und eine transiente Interaktion mit β Arrestin gezeigt werden (Klasse A-Rezeptoren). Für den V2R wurde dagegen eine stabile Interaktion mit β Arrestin beobachtet (Klasse B-Rezeptor). Diese Daten stützen die Ergebnisse des Kaede-basierten Recyclingversuchs und zeigen, dass der CRF1R ein recycelnder Rezeptor ist. Ferner wurde untersucht, ob der CRF1R zu den schnell oder langsam recycelnden Rezeptoren zählt. Schnell recycelnde Rezeptoren werden direkt aus frühen Endosomen, langsam recycelnde hingegen über das Trans-Golgi-Netzwerk (TGN) bzw. über Recycling-Endosomen zur PM transportiert. Als Marker für das TGN oder die Recycling-Endosomen wurde Rab11 verwendet. In Kolokalisationsstudien konnte gezeigt werden, dass der CRF1R den langsam recycelnden Rezeptoren zugeordnet werden kann. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit belegt werden, dass Kaede als Fusionspartner für Membranproteine genutzt werden kann um deren Transport in Echtzeit zu studieren. Damit wurde erstmals eine mikroskopische Methode etabliert, die es erlaubt recycelnde von neusynthetisierten Rezeptoren zu unterscheiden. Mit Hilfe dieser Methode war es möglich zu zeigen, dass der CRF1R ein recycelnder Rezeptor ist.…
• Upon ligand binding and receptor activation, G protein-coupled receptors (GPCR) are rapidly desensitized, internalized and subsequently degraded in lysosomes or recycled back to the plasma membrane. Resensitization of the cell is enabled by both recycling receptors and newly synthesized receptors. The overlap of recycling and synthesis processes largely complicates the study of GPCR recycling mechanisms. One aim of this thesis was to develop a new microscopic technique for real-time visualization of GPCR recycling using the photoconvertible Kaede protein allowing to differentiate newly synthesized from recycling receptors. As model proteins, the V1aR (recycling receptor), the V2R (degraded receptor) and the CRF1R were used. In the case of the CRF1R, it was unknown whether this receptor recycles to the plasma membrane following agonist-promoted internalization. The study of the CRF1R recycling behaviour was another objective of this work. As the Kaede protein is fused C-terminally to the GPCRs, an influence on the pharmacological andUpon ligand binding and receptor activation, G protein-coupled receptors (GPCR) are rapidly desensitized, internalized and subsequently degraded in lysosomes or recycled back to the plasma membrane. Resensitization of the cell is enabled by both recycling receptors and newly synthesized receptors. The overlap of recycling and synthesis processes largely complicates the study of GPCR recycling mechanisms. One aim of this thesis was to develop a new microscopic technique for real-time visualization of GPCR recycling using the photoconvertible Kaede protein allowing to differentiate newly synthesized from recycling receptors. As model proteins, the V1aR (recycling receptor), the V2R (degraded receptor) and the CRF1R were used. In the case of the CRF1R, it was unknown whether this receptor recycles to the plasma membrane following agonist-promoted internalization. The study of the CRF1R recycling behaviour was another objective of this work. As the Kaede protein is fused C-terminally to the GPCRs, an influence on the pharmacological and trafficking properties of the receptors must be excluded. The previously published tetramerization of Kaede, for example, might hinder or even prevent its usability. To assess for the applicability of Kaede, fluorescence correlation spectroscopy experiments were performed and it was demonstrated that Kaede fused to membrane proteins cannot form tetramers in contrast to the soluble form. In vitro studies and experiments in cell culture revealed that both the native and the photoconverted Kaede are equally stable. Moreover Kaede-fused GPCR displayed the same pharmacological and trafficking properties as the untagged or CFP-tagged receptors. Only the expression levels of the Kaede fusion proteins were reduced, yet this did not affect the microscopic experiments. In parallel to these experiments, the interacting amino acids of the tetrameric Kaede were substituted according to the previously published crystal structure of the protein. Unfortunately, these mutations induced protein misfolding thereby causing loss of fluorescence functions. However, since it could be shown that membrane protein-fused Kaede cannot tetramerize, the monomerized Kaede was no more essential for the microscopic study of receptor recycling. In the second part of this work, Kaede-fusions were used to study the recycling behaviour of the CRF1R and the V1aR and V2R control proteins by the novel real-time recycling assay at the laser scanning microscope. To this end, HEK 293 cells expressing the Kaede-fused receptors were treated with agonist to induce receptor internalization. Internalized receptors were selectively photoconverted in endosomes using UV-irradiation and the subcellular fate of the new fluorescence signals was studied. In the case of the CRF1R, signals of the photoconverted receptors could be detected in the plasma membrane indicating that the CRF1R belongs to the family of recycling receptors. The control receptors showed the expected results: The V1aR recycled back to the plasma membrane whereas the V2R did not. These results were confirmed with biochemical and flow cytometry measurements. The CRF1R internalizes in a clathrin-dependent way via the adaptor protein AP2, dynamin and β arrestin. Depending on the stability of the resulting receptor-β-arrestin-complex, two classes of receptors can be differentiated. Class A receptors are recycling receptors undergoing a more transient β-arrestin interaction. In contrast, class B receptors stably interact with β-arrestin and are degraded after internalization. In the case of the CRF1R and V1aR, microscopic analyzes demonstrated that β arrestin transiently interacts with the stimulated CRF1R and V1aR indicating again that these receptors are recycling GPCRs (class A receptors). The V2R, in contrast, revealed a stable interaction (class B receptor). Moreover, it was studied whether the CRF1R recycles rapidly or more slowly to the plasma membrane. Rapidly recycling receptors are recruited out of early endosomes whereas slowly recycling receptors pass the trans-golgi-network or recycling endosomes before reaching the cell surface. Rab11 colocalization studies demonstrated that the CRF1R belongs to the family of slowly recycling receptors. In conclusion, a novel microscopic technique was established allowing to study GPCR recycling in real-time and to differentiate recycling and synthesis processes. Moreover, it was shown that the CRF1R belongs to the family of recycling receptors. The Kaede technique seems to be very well suited to study membrane protein trafficking in general.…