title: Functional and structural investigation of the 5-Hydroxytryptamine 1A receptor
title: Funktionelle und strukturelle Untersuchung des 5-Hydroxytryptamine 1A Rezeptors
Creators: name: Ullrich, Annika
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023
Subjects: subject: GPCR
subject: 5-HT1AR
subject: Cryo-EM
subject: functional investigation
subject: structure
subject: serotonin
subject: DDC Classification::5 Naturwissenschaften und Mathematik :: 54 Chemie :: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften

description: The 5-Hydroxytryptamine 1A receptor (5-HT1AR) is targeted for the treatment of anxiety and depressive disorders, and mediates antinociception by an inhibitory effect on the nociceptive signal transmission. In-depth knowledge of ligand-target interactions on the functional and structural level is of critical importance to better understand the mode of action of this versatile protein and to facilitate the development of new drugs. As GPCRs interact with a variety of intracellular effector proteins to transduce extracellular signals, different functional assays were developed to study the activation of G proteins from the Gi/o and Gs subfamily, β arrestin 2 recruitment, and the influence of G protein receptor kinases on β arrestin 2 recruitment. Furthermore, these assays were used to evaluate the functional properties of specific ligands and establish structure-activity relationships. With this we could observe that some ligands, like the endogenous agonist serotonin, activates both, the Gi/o and Gs protein pathway, while others only trigger the coupling to Gi/o proteins. In addition, compounds with a strong bias for G proteins over β arrestin 2 recruitment could be identified that are able to activate G protein signaling while having an antagonist effect on the recruitment of β arrestin 2. In addition to the functional investigations of the 5-HT1AR, high-resolution structures of the ligand-bound receptor can provide further insights into the mode of action of these drugs. Therefore, receptor constructs for X-ray crystallography and cryogenic electron microscopy (Cryo-EM) were designed, generated and characterized, before purification protocols were established. Despite no structure could be obtained by X-ray-crystallography as the protein did not crystallize in the tested conditions, a structure with a resolution of ~ 3.7 Å could be solved by Cryo-EM.
description: Der 5-Hydroxytryptamin 1A Rezeptor (5-HT1AR) wird für die Behandlung von Angstzuständen und depressiven Störungen adressiert und vermittelt Antinozizeption durch eine hemmende Wirkung auf die nozizeptive Signalübertragung. Um die Wirkungsweise dieses vielseitigen Proteins besser verstehen zu können und die Entwicklung neuer Medikamente zu erleichtern, ist eine tiefgründiges Verständnis der Ligand-Rezeptor-Interaktionen auf funktioneller und struktureller Ebene von entscheidender Bedeutung. Da GPCRs mit einer Vielzahl von intrazellulären Effektorproteinen interagieren, wurden verschiedene funktionelle Assays entwickelt, um die Aktivierung von G Proteinen der Gi/o und Gs Unterfamilie, die β-Arrestin 2 Rekrutierung und den Einfluss von G Protein Rezeptor Kinasen auf die β-Arrestin 2 Rekrutierung zu untersuchen. Darüber hinaus wurden diese Assays verwendet, um die funktionellen Eigenschaften spezifischer Liganden zu untersuchen und Struktur-Aktivitäts-Beziehungen herzustellen. Dabei konnten wir beobachten, dass einige Liganden, wie der endogene Agonist Serotonin, sowohl Gi/o als auch Gs Proteine aktivieren, während andere nur die Kopplung an Gi/o Proteine bewirken. Darüber hinaus konnten Verbindungen mit einer starken Vorliebe für G Proteine gegenüber der Rekrutierung von β-Arrestin 2 identifiziert werden, die in der Lage sind, die G Protein Signalübertragung zu aktivieren, während sie gleichzeitig eine antagonistische Wirkung auf die Rekrutierung von β-Arrestin 2 haben. Zusätzlich zu den funktionellen Untersuchungen des 5-HT1AR können hochauflösende Strukturen des ligandengebundenen Rezeptors wichtige Einblicke in die Wirkungsweise dieser Medikamente liefern. Daher wurden Rezeptorkonstrukte für die Röntgenkristallographie und die kryogene Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) entworfen, hergestellt und charakterisiert, bevor Reinigungsprotokolle optimiert wurden. Obwohl keine Struktur durch Röntgenkristallographie erhalten werden konnte, da das Protein unter den getesteten Bedingungen nicht kristallisierte, konnte eine Struktur mit einer Auflösung von ~ 3,7 Å durch Kryo-EM gelöst werden.