University of Oulu

Proteolytic processing of G protein-coupled receptor 37 by ADAM10 and furin

Saved in:
Author: Mattila, Orvokki1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Medicine, Medical Research Center Oulu
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 7 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526229027
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2021
Publish Date: 2021-04-16
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium F202 of the Faculty of Medicine (Aapistie 5 B), on 23 April 2021, at 12 noon
Tutor: Docent Ulla Petäjä-Repo
Reviewer: Docent Henri Xhaard
Docent Annakaisa Haapasalo
Opponent: Professor Pertti Panula
Description:

Abstract

The G protein-coupled receptor 37 (GPR37) is a member of a large superfamily of integral membrane proteins involved in signal transduction across the cellular plasma membrane. G protein-coupled receptors participate in many vital physiological processes and form a major class of drug targets. GPR37 is abundantly expressed in the brain and has been linked to dopaminergic and adenosinergic signaling, as well as oligodendrocyte differentiation and myelination. Moreover, the receptor has been implicated in certain brain pathologies, the most notable of which is Parkinson’s disease. However, the endogenous ligand of GPR37 has not been identified, and thus, the potential of GPR37 as a therapeutic target remains unexplored.

The mechanisms that regulate GPR37 in cells are poorly characterized. Therefore, this study aimed to shed light on the biosynthesis, maturation and processing of GPR37 by using a heterologous expression system and various biochemical and cell biological methods. In particular, the limited proteolysis of the receptor N-terminus and the enzymes involved in that process were assessed.

The results show that GPR37 matures rapidly and efficiently. However, the N-terminal domain of the receptor is subject to proteolytic processing at Arg54↓Asp55 and Glu167↓Gln168. The cleavage at the Glu167↓Gln168 site is very efficient and occurs constitutively. The N-terminal ectodomain is shed from cells and the remaining truncated receptor represents the predominant GPR37 species at the cell surface. The cleavage at the Arg54↓Asp55 site is less efficient and takes place in the trans-Golgi network during receptor trafficking to the cell surface.

Characterization of the cleaving enzymes revealed that GPR37 is processed by a proprotein convertase furin at the Arg54↓Asp55 site and by a disintegrin and metalloprotease 10 (ADAM10) at the Glu167↓Gln168 site. These findings were confirmed using various complementary methods and cultured cell lines of diverse tissue origin. Importantly, the ADAM10-mediated cleavage was also found to occur in a more physiological context of mouse brain tissue.

This study reveals a novel processing mechanism for GPR37. N-terminal cleavage is likely an important element for receptor regulation, and the results pave way for strategies to exploit GPR37 as a therapeutic target.

see all

Tiivistelmä

G-proteiiniin kytketty reseptori 37 (GPR37) kuuluu laajaan solun ulkopuolelta solun sisälle signaaleja välittävään kalvoproteiinien perheeseen. G-proteiiniin kytketyt reseptorit osallistuvat useisiin fysiologisesti merkittäviin toimintoihin, ja suuri osa markkinoilla olevista lääkkeistä vaikuttaakin solun toimintaan niiden kautta. GPR37 on aivoissa voimakkaasti ilmentyvä reseptori, jonka on osoitettu liittyvän muun muassa dopaminergiseen ja adenosinergiseen signalointiin sekä oligodendrosyyttien erilaistumiseen ja myelinisaatioon. Lisäksi GPR37 on yhdistetty eräisiin neurologisiin sairauksiin, joista merkittävin on Parkinsonin tauti. GPR37:n aktivoivaa ligandia ei kuitenkaan tunneta, ja tästä syystä reseptorin käyttöä lääkekohteena ei ole pystytty hyödyntämään.

GPR37:n säätelyyn liittyvät mekanismit ovat huonosti tunnettuja. Siksi tässä työssä tutkittiin GPR37:n biosynteesiä ja prosessointia käyttäen heterologisia solumalleja sekä biokemiallisia ja solubiologisia menetelmiä. Työssä tutkittiin etenkin reseptorin aminoterminaalista proteolyyttistä prosessointia ja siihen liittyviä entsyymejä.

GPR37:n havaittiin maturoituvan nopeasti ja tehokkaasti. Reseptorin solukalvon ulkopuolella sijaitseva aminoterminaalinen osa katkaistaan kuitenkin proteolyyttisesti kohdista Arg54↓Asp55 ja Glu167↓Gln168. Katkaisu kohdasta Glu167↓Gln168 tapahtuu tehokkaasti ilman ulkopuolista stimulaatiota. Aminoterminaalinen osa vapautuu soluista, ja jäljelle jäävä katkaistu reseptori edustaa solun pinnalla yleisimmin esiintyvää reseptorimuotoa. Katkaisu kohdasta Arg54↓Asp55 on tehokkuudeltaan heikompi ja tapahtuu trans-Golgissa reseptorin kuljetusreitillä solun pinnalle.

Reseptorin katkaisuun liittyvien entsyymien karakterisointi osoitti, että proproteiinikonvertaasi furiini katkaisee GPR37:n kohdasta Arg54↓Asp55 ja metalloproteaasi ADAM10 kohdasta Glu167↓Gln168. Nämä havainnot vahvistettiin usealla toisiaan tukevalla menetelmällä käyttämällä erilaisia kudosalkuperiä olevia solulinjoja. Lisäksi ADAM10-välitteisen katkaisun havaittiin tapahtuvan myös hiiren aivokudoksessa, mikä vahvistaa löydöksen fysiologisen merkityksen.

Tässä työssä tunnistettiin uusi mekanismi, jolla GPR37:ää muokataan soluissa. Aminoterminaalinen katkaisu on todennäköisesti tärkeä GPR37:ää säätelevä mekanismi, ja työn tulokset auttavat selvittämään reseptorin terapeuttista potentiaalia.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Mattila, S. O., Tuusa, J. T., & Petäjä-Repo, U. E. (2016). The Parkinson’s-disease-associated receptor GPR37 undergoes metalloproteinase-mediated N-terminal cleavage and ectodomain shedding. Journal of Cell Science, 129(7), 1366–1377. https://doi.org/10.1242/jcs.176115

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Mattila, S. O., Tuhkanen, H. E., Lackman, J. J., Konzack, A., Morató, X., Argerich, J., Saftig, P., Ciruela, F., & Petäjä-Repo, U. E. (2020). GPR37 is processed in the N-terminal ectodomain by ADAM10 and furin. Manuscript submitted for publication.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-2902-7
ISBN Print: 978-952-62-2901-0
Issue: 1610
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 3111 Biomedicine
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2021. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.