Glycosylation and dimerization of the human δ-opioid receptor polymorphic variants

Abstract Cellular signaling by G protein-coupled receptors (GPCRs) governs a wide array of physiological functions throughout the body. The human δ-opioid receptor (hδOR) is a GPCR that modulates the sensation of pain and mood and has great potential for the treatment of pain and a variety of neurological disorders. A common single-nucleotide polymorphism (SNP) in the extracellular N-terminal tail of hδOR changes Phe to Cys at position 27. Using various biochemical and cell biological methods, the study demonstrates that several events during receptor biosynthesis and cell surface delivery are affected by the SNP. These events participate in the multifaceted regulation of the receptor and modulate receptor behavior at the cell surface. Two distinct pathways were shown to scrutinize the quality of the synthesized hδOR in the endoplasmic reticulum (ER) and target some for degradation in N-glycan-dependent and -independent ways. The hδORCys27 that matures inefficiently required N-glycan-mediated interactions with the lectin-chaperone calnexin to be expressed in a fully functional form at the cell surface, whereas the N-glycan-independent pathway was sufficient for hδORPhe27. For both variants, the N-glycan-independent quality control, which is likely to operate as a back-up pathway, led to a more rapid export from the ER and receptors at the cell surface that were less stable. Receptor dimerization emerged as an important regulatory step for receptor cell surface delivery. In co-transfected cells, interactions between the newly-synthesized variants led to the retention and subsequent ER-associated degradation of hδORPhe27. This dominant-negative attenuation of hδORPhe27 cell surface expression by hδORCys27 may have unpredictable consequences for opioid signaling in heterozygous individuals. Finally, the study shows that N-acetylgalactosamine (GalNAc)-type O-glycosylation catalyzed in the Golgi modulates hδOR expression at the cell surface by enhancing receptor stability and inhibiting constitutive downregulation. The modification of Ser residues in the receptor N-terminus by GalNAc-transferase 2 was affected by the SNP, which presents another distinction in the cellular processing of the two variants. The findings highlight the importance of the biosynthetic pathway in the regulation of GPCR behavior and pave way for strategies for treatments targeting GPCRs at this level.Tiivistelmä Solujenvälisellä viestinnällä on keskeinen tehtävä kehon kaikissa toiminnoissa. δ-opioidireseptori (δOR) on solusignalointiin erikoistuneen kalvoproteiiniperheen (G-proteiiniin kytketyt reseptorit) jäsen, joka ohjaa kivuntuntemusta ja mielialoja. Sitä pidetään mahdollisena lääkekehityksen kohteena paitsi kivunlievityksen, myös useiden neurologisten häiriöiden hoidossa. δOR ilmenee kahtena polymorfisena muotona sen solunulkoisessa osassa tapahtuneen aminohappomuutoksen vuoksi (Phe27Cys). Työssä tutkittiin reseptorin glykosylaatiota ja dimerisaatiota, jotka säätelevät sen prosessointia, käyttäytymistä ja toimintaa. Käyttäen useita biokemiallisia ja solubiologisia menetelmiä työssä osoitettiin polymorfian vaikuttavan useisiin prosessointivaiheisiin ja muokkaavan siten reseptorin viestintää. Proteiinien laadunvalvontakoneiston havaittiin säätelevän reseptorin siirtymistä endoplasmakalvostolta solun pinnalle kahdella eri mekanismilla ohjaten osan reseptoreista hajotukseen. Toisin kuin Phe27-variantin, tehottomasti kypsyvän Cys27-variantin laadunvalvonta on riippuvainen reseptoriin liittyvistä N-glykaaneista ja näihin sitoutuvasta kaitsijaproteiinista, kalneksiinista. Reseptorivariantit, joista N-glykaanit puuttuvat, siirtyvät nopeammin solukalvolle, mutta ne ovat epästabiileja ja häviävät nopeasti solun pinnalta. Vaihtoehtoinen N-glykaaneista riippumaton laadunvalvontamekanismi sallii myös inaktiivisen Cys27-variantin pääsyn solun pinnalle. Varianttien dimerisoitumisen osoitettiin säätelevän niiden kuljetusta soluissa. Cys27-variantin havaittiin sitoutuvan Phe27-varianttiin aikaisessa biosynteesivaiheessa ja ohjaavan osan siitä hajotukseen. Tällä voi olla suuri merkitys opioidiviestinnässä molempia alleeleja kantavilla henkilöillä. Työssä havaittiin myös GalNAc-transferaasi-2-entsyymin ohjaavan Golgin laitteessa tapahtuvaa reseptorin O-glykosylaatiota. Se glykosyloi reseptorin solunulkoisen osan seriinitähteitä (Ser6, Ser25, Ser29), stabiloiden siten solun pinnan reseptoreita ja tehostaen niiden viestintää. Lisäksi havaittiin eroja varianttien O-glykosylaatiossa, mikä voi osaltaan selittää varianttien ilmentymisessä todettuja eroja. Tutkimus luo uutta tietoa biosynteesireitin merkityksestä G-proteiiniin kytkettyjen reseptorien säätelyssä sekä antaa pohjaa keinoille, joilla tätä voitaisiin hyödyntää farmakologisesti