Onderzoeksproject P6/14 (Onderzoeksactie P6)
G-proteïne gekoppelde receptoren (GPCRs) vertegenwoordigen de grootste familie van membraanreceptoren. Ze vervullen een belangrijke rol in diverse fysiologische en pathofysiologische processen, en zijn het doelwit voor zowat de helft van de actieve producten die momenteel aangewend worden als therapeutische agentia. Samenwerkend in het kader van een vorig IUAP-netwerk hebben de partners van het huidig onderzoeksprogramma een vooraanstaande rol gespeeld bij de karakterisering van tal van GPCRs afkomstig van gist, insecten en zoogdieren. Op basis van deze voorafgaande ervaring, hebben ze een consortium opgericht dat zowel algemene als specifieke aspecten van deze belangrijke genfamilie verder zal bestuderen, met als uiteindelijk doel om de gezondheid van de mens te verbeteren. De partners van het netwerk zullen gebruik maken van specifieke receptoren en receptorsubfamilies als model, met als doel om het domein van GPCRs als geheel te benaderen, aangezien vele van de te onderzoeken aspecten van toepassing kunnen zijn voor de volledige familie. De voornaamste modellen die zullen bestudeerd worden, en waarop de aanwezige onderzoeksexpertise van de partners werd uitgebouwd, omvatten de receptoren voor glycoproteïnehormonen en voor chemoattractantia bij de mens en de muis, de receptoren voor neuropeptiden bij insecten en de receptoren voor suikers bij gist. De voornaamste onderzoekslijnen van dit programma zijn de volgende:
De structuur van GPCRs, activeringsmechanismen en ligand-receptor interacties
Op basis van de enige kristalstructuur die momenteel gekend is (runder rhodopsine) zullen we driedimensionale modellen construeren van de receptoren die hiervoor in onze belangstelling staan. Hieruit kunnen dan hypothesen geformuleerd worden betreffende ligand-receptor interacties, activeringsmechanismen en oligomeervorming. We zullen systematisch deze hypothetische modellen testen aan de hand van mutagenesestudies, en de resultaten van deze experimenten zullen dan verder aangewend worden om de geconstrueerde modellen te verfijnen. Deze benadering zal toegepast worden op de meeste receptorklassen onder studie, en de modelleringsaspecten zullen ondersteund worden door onze buitenlandse partner EU1 (L. Pardo, Barcelona). Voor een selectie van receptoren, zullen de geproduceerde modellen aangewend worden als basis voor de virtuele screening van chemische libraries, met als doel om kleine moleculen te ontwikkelen die als agonist of antagonist kunnen werken.
Oligomerisatie van GPCRs
GPCRs werden initieel beschouwd functioneel te zijn als monomeer. Meer recente gegevens hebben echter aangetoond dat de meeste receptoren dimeren, of zelfs meer complexe oligomeren, kunnen vormen. Het vermogen van GPCRs tot het vormen van homo- en heterodimeren zal wellicht een invloed hebben op meerdere aspecten van de farmacologie in het algemeen, en het partnerschap heeft recent het bestaan van allosterische interacties tussen receptorprotomeren aangetoond. Voor verschillende klassen van receptoren zullen we verder de functionele gevolgen van deze dimerisatie bestuderen, op gebied van farmacologie, receptoractivering, signaaltransductie en regulatie, en verder onderzoeken of deze observaties van toepassing kunnen zijn op receptoren die aan fysiologische expressieniveaus aanwezig zijn in natieve celpopulaties. Receptoren voor chemokines, glycoproteïnehormonen en glucose zullen als eerste families in deze context worden onderzocht.
Signaalcascades van G-proteïne gekoppelde receptoren
Naast de klassieke signaalwegen die via heterotrimere G-proteïnen door GPCRs geactiveerd worden, zijn er een aantal additionele pathways beschreven waarvan sommige G-proteïne-onafhankelijk verlopen. Bovendien kan het gamma aan signaalcascades dat geactiveerd wordt door een gegeven receptor variëren naargelang de aard van de agonist. De cascades die instaan voor waarneming van suikers bij gist, van neuropeptiden bij insecten en van chemoattractantia bij zoogdieren zullen nader worden bestudeerd, met focus op nieuwe signaalwegen en op de eiwitcomplexen betrokken bij signaaltransductie.
Functionele karakterisering van specifieke receptoren in fysiologische processen
Een aantal specifieke receptoren, waarvan er verscheidene door de partners zelf geïdentificeerd werden gedurende de vorige IUAP-programma’s, zullen meer in detail bestudeerd worden met als doel om hun rol in fysiologische processen te achterhalen. Dit onderzoek omvat in vitro analyses van de receptorfarmacologie en van ligand-processing, distributiestudies, evenals in vivo studies en de ontwikkeling van knock-out en transgene modellen. We zullen onder meer enkele receptoren voor chemoattractantia (ChemR23, FPRL2) en een set van neuromodulatorische receptoren bij zoogdieren, neuropeptidereceptoren bij insecten, en het glucose/sucrose-gevoelige GPCR-systeem bij gist en Candida albicans bestuderen.
GPCRs bij menselijke ziekten en in diermodellen voor ziekten
Verder zullen we ook de mogelijke betrokkenheid onderzoeken van receptoren bij menselijke aandoeningen, met een speciale focus op inflammatie, kanker, en de neuroendocriene assen. Deze studies zullen zowel worden uitgevoerd door onderzoek op menselijke pathologische stalen, als door het onderwerpen van genetisch gemodificeerde muizen aan een aantal in vivo ziektebeelden. Deze modellen zullen getoetst worden dankzij de medewerking van een groep van pathologen (partner P5). De receptoren die in deze context zullen bestudeerd worden, omvatten receptoren voor glycoproteïnehormonen, chemoattractantia en neuromodulators van zoogdieren. Tenslotte zal de invloed worden bestudeerd van allelische variatie in GPCR-genen of -genclusters in muismodellen voor longziekten aan de hand van genetische linkage analyse. Indien deze benadering zou leiden tot kandidaat GPCR-genen, dan zullen deze meer specifiek worden bestudeerd zowel bij de mens als in muismodellen.
Karakterisering van nieuwe receptoren en hun liganden
Vele weesreceptoren, waarvoor nog geen liganden of functies bekend zijn, worden gecodeerd door de genomen van (onder andere) zoogdieren, insecten en gisten. Verscheidene partners zullen zich toeleggen op de karakterisering van dergelijke receptoren, door de identificatie van hun liganden, en de verdere opheldering van hun functies. We zullen hierbij de nadruk leggen op humane receptoren voor nieuwe chemoattractantia van leukocyten, neuropeptiden, glycoproteïnehormoon-achtige eiwitten en glucose, op receptoren voor neuropeptiden bij insecten, en op receptoren betrokken bij nutriëntwaarneming bij gisten, en zullen bij deze benadering tevens gebruik maken van evolutionaire aanwijzingen.
Olfactorische receptoren en evolutionaire aspecten van de GPCR-familie
Het partnerschap omvat groepen gespecialiseerd in receptoren afkomstig van gist, insecten en zoogdieren. Dit voegt een evolutionaire dimensie toe aan het onderzoeksprogramma, met parallelle studies van receptorklassen in verschillende systemen. We hebben dan ook de intentie om te interageren met een ander IUAP-netwerk dat zich toespitst op Bioinformatica om aldus een diepgaande studie te gaan voeren van de verschillende receptorgenfamilies die aanwezig zijn in het gestadig toenemend aantal volledige genomen die beschikbaar zijn in sequentiedatabanken. In deze context, zal de correlatie tussen structurele en functionele evolutie van receptor- en ligand-genfamilies bestudeerd worden. Tevens zullen we een onderzoekslijn herintroduceren die gericht is op de studie van olfactorische receptoren. Een doorbraak in het realiseren van een betrouwbare, functionele expressie van olfactorische receptoren werd immers tijdens de recente jaren verwezenlijkt, en dit na enkele jaren met niet zo succesvolle pogingen. We zullen voortbouwen op deze recente ontwikkeling, en zullen starten met een proteomische analyse met het oog op het identificeren van nieuwe proteïnen betrokken bij de organisatie van het signalerend complex in olfactorische neuronen, zowel bij muizen als bij insecten. De evolutionaire aspecten van olfactorische receptoren, geassocieerde proteïnen, en van ligandspecificiteit zullen eveneens in overweging genomen worden.
Integratie in internationale netwerken
Dit programma zal via verschillende van zijn leden onder meer verbonden zijn met Europese consortia (FP6) gewijd aan dezelfde of gelijkaardige topics. Deze omvatten o.a. een STREP programma “GPCRs” met partners P1 (als coördinator) en EU1, een geïntegreerd project “INNOCHEM” met partners P1 en P4, een excellentienetwerk “EADGENE” met partner P5, en een Marie-Curie Training Network “CANTRAIN” met partner P3.
