Glykoproteinhormon-Rezeptor Signaltransduktion im endosomalen Kompartiment

G protein-coupled receptors (GPCRs) are the major group of cell-surface receptors that transmit extracellular signals via classical, G protein-dependent pathways into the cell. Although GPCRs were long assumed to signal exclusively from the cell-surface, recent investigations have demonstrated a possibly completely new paradigm. In this new view, GPCR continues signaling via 3´,5´-cyclic adenosine monophosphate (cAMP) after their agonist-induced internalization of ligand/receptor complexes into an intracellular compartment, causing persistent cAMP elevation and apparently specific signaling outcomes. The thyroid stimulating hormone (TSH) receptor is one of the first GPCRs, which has been reported to show persistent signaling after ligand removal (Calebiro et al., 2009). In the meantime, signaling by internalized GPCR become a highly investigated topic and has been shown for several GPCRs, including the parathyroid hormone receptor (Ferrandon et al., 2009), D1 dopamine receptor (Kotowski et al., 2011) and beta2-adrenergic receptor (Irannejad et al., 2013). A recent study on the beta2-adrenergic receptor revealed that internalized receptor not only participates in cAMP signaling, but is also involved in gene transcription (Tsvetanova and von Zastrow, 2014). However, a biological effect of GPCR signaling at intracellular sites, which would demonstrate its physiological relevance, still remained to be shown. To investigate GPCR signaling from intracellular compartment under physiological condition, two different cellular models were utilized in the present study: intact ovarian follicles expressing luteinizing hormone (LH) receptors and primary thyroid cells expressing TSH receptors. Intact ovarian follicles were obtained from a transgenic mouse expressing, a Förster/Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) sensor for cAMP to monitor cAMP/LH receptor signaling. This study provides the first accurate spatiotemporal characterization of cAMP signaling, which is derived from different cell layers of an intact ovarian follicle. Additionally, it could be shown that cAMP diffusion via gap junctions is implicated in spreading the LH-induced cAMP signals from one the outermost (mural granulosa) to the innermost (cumulus oophorus) cell layer of an ovarian follicle. Interestingly, LH receptor stimulation was associated with persistent cAMP signaling after LH removal and negligible desensitization of the cAMP signal. Interfering with receptor internalization with a dynamin inhibitor dynasore did not only prevent persistent LH-induced cAMP signaling, but also impaired the resumption of meiosis in follicle-enclosed oocytes, a key biological effect of LH. In order to investigate the downstream activation of protein kinase A (PKA) in primary thyroid cells, FRET sensors with different subcellular localization (plasma membrane, cytosol and nucleus) were transiently transfected into primary thyroid cells of wild-type mice via electroporation. Interestingly, TSH stimulation causes at least two distinct phases of PKA activation in the global primary thyroid cell, which are temporally separated by approximately 2 min. In addition, PKA activation in different subcellular compartments are characterized by dissimilar kinetics and amplitudes. Pharmacological inhibition of TSH receptor internalization largely prevented the second (i.e. late) phase of PKA activation as well as the subsequent TSH-dependent phosphorylation of CREB and TSH-dependent induction of early genes. These results suggest that PKA activation and nuclear signaling require internalization of the TSH receptor. Taken together, the data of the present study provide strong evidence that GPCR signaling at intracellular sites is distinct from the one occurring at the cell-surface and is highly physiologically relevant.G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) umfassen die größte Gruppe von Rezeptoren in der Zellmembran und übermitteln extrazelluläre Signale via G-Protein-abhängige Signalwege in das Zellinnere. Obwohl lange Zeit die Wissenschaft davon ausging, das GPCR ausschließlich an der Zelloberfläche Signale weiterleiten, zeigen Studien der letzten Jahre eine vollkommen neuartige Signalweiterleitung aus dem Zellinneren. In dieser neuen Sichtweise, vermitteln GPCR nach Agonist-induzierter Internalisierung des Liganden/Rezeptor-Komplexes in das Zellinnere weiterhin zyklische Adenosin-3´,5´-monophosphat (cAMP)-Signale, was zu einer dauerhaften cAMP-Erhöhung und einem spezifischen Ergebnis der Signaltransduktion führt. Einer der ersten GPCR, für den gezeigt wurde, dass Signale aus dem Zelleninneren übertragen werden können, war der Thyreoidea-stimulierendes Hormon (TSH) Rezeptor. In der Zwischenzeit wurde die Signalübertagung von bereits internalisierten Rezeptoren für weitere GPCR gezeigt, inklusive des beta2-adrenergen Rezeptors. Vor kurzem demonstrierte eine Studie des beta2-adrenerge Rezeptors, dass die intrazellulare GPCR-Signalübertragung nicht nur an der cAMP-Weiterleitung sondern auch an der Gentranskription beteiligt ist. Bis jetzt konnte jedoch noch kein Zusammenhang zwischen der GPCR-Signaltransduktion aus dem Zellinneren und einem biologischen Effekt mit physiologischer Relevanz hergestellt werden. Um GPCR-Signaltransduktion im Zellinneren unter physiologischen Bedingungen zu untersuchen, wurden in der aktuellen Arbeit zwei unterschiedliche zelluläre Modelle verwendet: Intakte Follikel eines Ovars, welche luteinisierende Hormon (LH) Rezeptoren exprimieren und TSH-Rezeptoren-exprimierende primäre Schilddrüsenzellen. Die Follikel wurden aus einer transgenen Maus, die einen Förster/Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer (FRET) Sensor für cAMP exprimiert, gewonnen, um cAMP/LH-Signaltransduktion zu messen. Diese Arbeit zeigt die erste exakte, zeitliche und räumliche Charakterisierung der LH- induzierten cAMP-Signaltransduktion in intakten Follikeln des Ovars. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Diffusion von cAMP via Gap Junctions ein wichtiger Bestandteil bei der Übermittlung des LH-induzierten cAMP-Signals von der äußeren (Mural granulosa) zur inneren (Cumulus oophorus) Zellebene eines Follikels darstellt. Interessanterweise ergab die LH- Rezeptor Stimulation nach Entfernung des Liganden LH ein anhaltendes cAMP-Signal sowie eine unwesentliche Desensitization des cAMP-Signals. Die Inhibition der Rezeptorendozytose mit Dynasore verhinderte nicht nur das LH-induzierte anhaltende cAMP-Signal sondern beeinflusste auch die Wiederaufnahme der Meiose durch die Follikel-eingeschlossene Oozyte, einer der wichtigsten biologischen Aufgaben von LH. Um den Einfluss der TSH-Rezeptorinternalisierung auf die PKA-Aktivität zu untersuchen, wurden primäre Schilddrüsenzellen von FVB-Mäusen, mit FRET-basierenden Protein Kinase A (PKA) Sensor exprimiert werden, via Elektroporation transfiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine TSH- vermittelte Stimulation des Rezeptors mindestens zwei kinetisch und räumlich unterschiedliche PKA-Signale in Schilddrüsenzellen auslöst, die zeitlich voneinander getrennt sind. Durch die Inhibierung des TSH-Rezeptorinternalisierung konnte gezeigt werden, dass das zweite PKA-Signal sowie die darauffolgende TSH-abhängige Phosphorylierung des Trankriptionsfaktors CREB und die TSH-abhängige Regulierung von Gen Expression vermindert ist. Diese Befunde geben Aufschluss über die Notwendigkeit der Internalisierung des Rezeptors in das Zellinnere für eine effektive PKA- und Zellkern-Signaltransduktion. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Arbeit neue, und wichtige Erkenntnisse über den Mechanismus der GPCR-Signalweiterleitung im Zellinneren und erstmals einen Einblick über die biologische Relevanz der Rezeptorinternalisierung liefern