Nachweis von Liganden-abhängigen Frizzled Konformationsänderungen

Frizzled (FZD) are highly conserved receptors that belong to class F of the G protein-coupled receptor (GPCR) superfamily. They are involved in a great variety of processes during embryonic development, organogenesis, and adult tissue homeostasis. In particular, FZD5 is an important therapeutic target due to its involvement in several pathologies, such as tumorigenesis. Nevertheless, little is known regarding the activation of FZD receptors and the signal initiation, and their GPCR nature has been debated. In order to investigate the activation mechanism of these receptors, FRET (Förster Resonance Energy Transfer)-based biosensors for FZD5 have been developed and characterized. A cyan fluorescent protein (CFP) was fused to the C-terminus of the receptor and the specific FlAsH-binding sequence (CCPGCC) was inserted within the 2nd or the 3rd intracellular loop. Single-cell FRET experiments performed using one of these sensors, V5-mFZD5-FlAsH436-CFP, reported structural rearrangements in FZD5 upon stimulation with the endogenous ligand WNT-5A. These movements are similar to those observed in other GPCRs using the same technique, which suggests an activation mechanism for FZD reminiscent of GPCRs. Furthermore, stimulation of the FZD5 FRET-based sensor with various recombinant WNT proteins in a microplate FRET reader allowed to obtain concentration-response curves for several ligands, being possible to distinguish between full and partial agonists. This technology allowed to address the selectivity between WNTs and FZD5 using a full-length receptor in living cells. In addition, G protein FRET-based sensors revealed that WNT-5A specifically induced Gαq activation mediated by FZD5, but not Gαi activation. Other WNT proteins were also able to induce Gαq activation, but with lower efficacy than WNT-5A. In addition, a dual DAG/calcium sensor further showed that WNT-5A stimulation led to the activation of the Gαq-dependent signaling pathway mediated by FZD5, which outcome was the activation of Protein Kinase C (PKC) and the release of intracellular calcium. Altogether, these data provide evidence that the activation process of FZD5 resembles the general characteristics of class A and B GPCR activation, and this receptor also mediates the activation of the heterotrimeric Gαq protein and its downstream signaling pathway. In addition, the FZD5 receptor FRET-based sensor provides a valuable tool to characterize the pharmacological properties of WNTs and other potential ligands for this receptor.Frizzled (FZD) sind hochkonservierte Rezeptoren welche zur Klasse F der G- Protein-gekoppelte Rezeptor Superfamilie gehören. Diese haben wichtige Funktionen in verschiedenen physiologischen Prozessen wie zum Beispiel Embryonalentwicklung, Organogenese und adulte Gewebe-homöostase. FZD5 ist aufgrund seiner Beteiligung an verschiedenen pathologischen Prozessen wie der Tumorgenese ein wichtiges therapeutisches Ziel. Jedoch ist über die Aktivierung und Signalauslösung der FZD Rezeptoren sehr wenig bekannt und deren GPCR Eigenschaften sind umstritten. Um den Aktivierungsmechanismus dieser Rezeptoren zu untersuchen, wurden FRET (Förster Resonance Energy Transfer)-basierte FZD5 Biosensoren entwickelt und charakterisiert. Ein cyan fluoreszierendes Protein (CFP) wurde an den C-Terminus des Rezeptors fusioniert und die FlAsH-bindende Sequenz (CCPGCC) wurde im 2. oder 3. intrazellulären Loop eingefügt. Einzel-zell FRET Versuche mit dem Sensor V5-mFZD5-FlAsH436-CFP haben gezeigt, dass Stimulation mit dem endogenen Ligand WNT-5A zur FZD5 Konformationsänderungen führt. Diese Konformationsänderungen sind ähnlich wie bei anderen GPCRs, was darauf hinweist, dass der FZD Aktivierungsmechanismus vergleichbar mit dem von GPCRs ist. Außerdem wurde der FZD5 FRET-basierter Sensor mit verschiedenen rekombinierten WNT Proteinen stimuliert und mit einem FRET-Platten Reader gemessen, was die Erstellung von Konzentrations - Wirkungskurven und die Unterscheidung zwischen Voll- und Partialagonisten ermöglichte. Diese Methode erlaubte es, die Selektivität zwischen WNTs und FZD5 mittels des Volllängenrezeptors in lebenden Zellen zu untersuchen. Zudem haben G-Protein FRET-basierte Sensoren gezeigt, dass WNT-5A die FZD5 vermittelte Gαq Aktivierung jedoch nicht die Gαi Aktivierung spezifisch induziert. Andere WNT Proteine können auch die Gαq Aktivierung induzieren aber mit geringerer Effizienz als WNT-5A. Ein doppelter DAG/Calcium Sensor hat zudem gezeigt, dass WNT-5A Stimulation zu einer durch FZD5 vermittelten Aktivierung der Gαq-abhängigen Signaltransduktionkaskade führt, was zur Aktivierung der Protein Kinase C (PKC) und zur Freisetzung intrazellulären Calciums führt. Zusammenfassend wurde in der vorliegenden Arbeit die Ähnlichkeit des FZD5 Rezeptors zur Klasse A und B der GPCRs bezüglich allgemeinen Eigenschaften und Aktivierung verdeutlicht. Zudem vermittelt dieser Rezeptor die Aktivierung der Gαq-abhängigen Signaltransduktionkaskade. Ein FZD5 Rezeptor FRET-basierter Sensor stellt ein wertvolles Werkzeug zur pharmakologischen Charakterisierung der WNTs und anderer potentiellen FZD5 Liganden dar