Large-scale deorphanization of G-protein coupled receptors from Platynereis dumerilii

Abstract

G-protein coupled receptors (GPCRs) are an important receptor class that can have various types of ligands, including neuropeptides and biogenic amines. Many GPCR families are conserved throughout animals, highlighting their importance in neuronal and hormonal signaling. While the ligands of many human GPCRs and GPCRs from popular model organisms are known, most of the GPCRs of other animals remain without a known ligand (“orphan GPCRs”) or their ligands have only been predicted based on sequence similarity to known GPCRs. Especially within the understudied phylum of the lophotrochozoa, few GPCRs have been biochemically characterized. In this thesis, I present an approach for the large-scale deorphanization of G-protein coupled receptors and a large dataset of deorphanized receptors from the lophotrochozoan Platynereis dumerilii and other marine invertebrates. Among these are neuropeptide receptors and biogenic amine receptors. By testing 87 GPCRs against 126 neuropeptides, I could deorphanize 19 neuropeptide GPCRs. Among them are GPCRs that belong to hitherto undescribed families. Some of these, namely the FMRFamide receptors, achatin receptors, and elevenin receptors, are conserved across bilateria. Others are restricted to the lophotrochozoa. I also identified a ligand for the Platynereis thyrotropin-releasing hormone receptor. In a second study, I concentrated on biogenic amine receptors. I deorphanized adrenergic, octopaminergic and tyraminergic receptors from Platynereis as well as the ecdysozoan Priapulus caudatus and the deuterostome Saccoglossus kovalewskii, a hemichordate. This way I could show that all three receptor families are conserved across bilaterians. They are therefore much older than was previously appreciated. Also, this is proof that octopamine is clearly not an equivalent of norepinephrine, as was often suggested by scientists in the field. Taken together, my dataset sheds light on the evolution of GPCRs in bilateral animals. Important aspects of GPCR evolution that had been overlooked because of limited taxon sampling were cleared up. Also, the dataset presented here will be an important resource for future GPCR deorphanizations.

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind ein wichtiger Rezeptor-Typ mit vielen unterschiedlichen Arten von Liganden, zu denen unter anderem Neuropeptide und biogene Amine gehören. Viele GPCR-Familien sind in allen Tieren konserviert, was ihre Bedeutung in der neuronalen und hormonellen Signalweiterleitung unterstreicht. Während die Liganden vieler GPCRs des Menschen und populärer Modellorganismen bekannt sind, ist für die meisten GPCRs anderer Tiere kein Ligand bekannt (“orphan GPCRs”) oder der Ligand wurde nur aufgrund von Sequenzähnlichkeit zu bekannten GPCRs vorhergesagt. Besonders innerhalb des wenig erforschten Phylums der Lophotrochozoa wurden bisher nur wenige GPCRs biochemisch untersucht. In dieser Dissertation stelle ich eine Herangehensweise zur Deorphanisierung von GPCRs im großen Maßstab vor, sowie einen großen Datensatz an deorphanisierten Rezeptoren aus dem Lophotrochohzoen Platynereis dumerilii und weiteren marinen Invertebraten. Darunter befinden sich Rezeptoren für Neuropeptide und biogene Amine. Ich habe 87 GPCRs gegen 126 Neuropeptide getestet und konnte dadurch 19 neuropeptiderge GPCRs deorphanisieren. Darunter befinden sich GPCRs aus bisher noch nicht beschriebenen Familien. Einige davon, nämlich die FMRFamid-Rezeptoren, Achatin-Rezeptoren und Elevenin-Rezeptoren, sind in Bilateriern konserviert. Andere kommen nur in Lophotrochozoen vor. Ich habe außerdem einen Liganden für den Thyreotropin Releasing Hormon-Rezeptor identifiziert. In einer zweiten Studie habe ich mich auf Rezeptoren von biogenen Aminen konzentriert. Ich habe adrenerge, octopaminerge und tyraminerge Rezeptoren aus Platynereis sowie dem Ecdysozoen Priapulus caudatus und dem Deuterostomier Saccoglossus kovalewskii, einem Hemichordaten, deorphanisiert. Dadurch konnte ich zeigen, dass alle drei Rezeptorfamilien in Bilateriern konserviert sind. Sie sind also viel älter als bisher angenommen wurde. Außerdem beweist dies, dass Octopamin eindeutig nicht das Äquivalent zu Noradrenalin ist, wie dies von Forschern in diesem Feld häufig behauptet worden war. Zusammenfassend beleuchtet mein Datensatz die Evolution der GPCRs in Bilateriern. Wichtige Aspekte der Evolution von GPCRs, die bisher übersehen worden waren, da nur Stichproben aus wenigen Taxa untersucht wurden, sind nun aufgeklärt. Außerdem wird dieser Datensatz eine wichtige Ressource für die Deorphanisierung von weiteren GPCRs darstellen.