One of the assumptions of the mobile receptor hypothesis as it relates to G protein-coupled receptors is that the stoichiometry of receptor, G protein, and effector is 1:1:1 (Bourne, H. R., Sanders, D. A., and McCormick, F. (1990) Nature 348, 125–132). Many studies on the cooperativity of agonist binding are incompatible with this notion and have suggested that both G proteins and their associated receptors can be oligomeric. However, a clear physical demonstration that G protein-coupled receptors can indeed interact as dimers and that such interactions may have functional consequences was lacking. Here, using differential epitope tagging we demonstrate that β2-adrenergic receptors do form SDS-resistant homodimers and that transmembrane domain VI of the receptor may represent part of an interface for receptor dimerization. The functional importance of dimerization is supported by the observation that a peptide derived from this domain that inhibits dimerization also inhibits β-adrenergic agonist-promoted stimulation of adenylyl cyclase activity. Moreover, agonist stimulation was found to stabilize the dimeric state of the receptor, while inverse agonists favored the monomeric species, which suggests that interconversion between monomeric and dimeric forms may be important for biological activity. One of the assumptions of the mobile receptor hypothesis as it relates to G protein-coupled receptors is that the stoichiometry of receptor, G protein, and effector is 1:1:1 (Bourne, H. R., Sanders, D. A., and McCormick, F. (1990) Nature 348, 125–132). Many studies on the cooperativity of agonist binding are incompatible with this notion and have suggested that both G proteins and their associated receptors can be oligomeric. However, a clear physical demonstration that G protein-coupled receptors can indeed interact as dimers and that such interactions may have functional consequences was lacking. Here, using differential epitope tagging we demonstrate that β2-adrenergic receptors do form SDS-resistant homodimers and that transmembrane domain VI of the receptor may represent part of an interface for receptor dimerization. The functional importance of dimerization is supported by the observation that a peptide derived from this domain that inhibits dimerization also inhibits β-adrenergic agonist-promoted stimulation of adenylyl cyclase activity. Moreover, agonist stimulation was found to stabilize the dimeric state of the receptor, while inverse agonists favored the monomeric species, which suggests that interconversion between monomeric and dimeric forms may be important for biological activity.

Abstract The activity of striatal medium-spiny projection neurons is regulated by dopamine acting principally at D1 and D2 dopamine receptors. The dopamine D1 receptor (D1R) is a Gα s/olf -coupled GPCR which activates a cAMP/PKA/DARPP-32 signalling cascade that increases excitability and facilitates plasticity, partly through the regulation of transcription. Transcriptional regulation downstream of the D1R involves the activation of PKA, which can translocate to the nucleus to phosphorylate various targets. The chromatin reader Brd4 regulates transcription induced by neurotrophic factors in cortical neurons and has also been implicated in dopamine-dependent striatal functions. Brd4 is activated by phosphorylation; this facilitates its binding to acetylated histones at promoters and enhancers. In non-neuronal cells, Brd4 is recruited to chromatin in response to PKA signalling. However, it is unknown whether Brd4 is involved in transcriptional activation by the D1R in striatal neurons. Here, we demonstrate that cAMP/PKA signalling increases Brd4 recruitment to dopamine-induced genes in striatal neurons, and that knockdown or inhibition of Brd4 modulated D1R-induced gene expression. Specifically, inhibition of Brd4 with the bromodomain inhibitor JQ1 suppressed the expression of ∼25% of D1R-upregulated genes, while increasing the expression of a subset of immediate-early genes, including Fos and Jun . This pro-transcriptional effect of JQ1 was P-TEFb-dependent, and mediated through inhibition of the BD1 bromodomain of Brd4. Finally, we report that JQ1 treatment downregulated expression of many GPCRs and also impaired ERK1/2 signalling in striatal neurons. Our findings identify Brd4 as a novel regulator of D1R-dependent transcription and delineate complex bi-directional effects of bromodomain inhibitors on neuronal transcription.

Abstract Dilated cardiomyopathy (DCM) is a cardiovascular condition that develops when the left ventricle of the heart enlarges, compromising its function and diminishing its capacity to pump oxygenated blood throughout the body. After patients are diagnosed with DCM, disease progression can lead to heart failure and the need for a heart transplantation. DCM is a complex disease where underlying causes can be idiopathic, genetic, or environmental. An incomplete molecular understanding of disease progression poses challenges for drug discovery efforts as effective therapeutics strategies remain elusive. Decades of research using primary cells or animal models have increased our understanding of DCM but has been hampered due to the inaccessibility of human cardiomyocytes, to model cardiac disease, in vitro , in a dish. Here, our goal is to leverage patient-derived hiPSC-CMs and to combine them with biosensors to understand how cellular signalling is altered in DCM. With high sensitivity and versatility, optical biosensors represent the ideal tools to dissect the molecular determinants of cardiovascular disease, in an unbiased manner and in real-time at the level of single cells. By characterizing the pathobiology of dilated cardiomyopathy in a patient-specific manner using high content biosensor-based assays, we aim to uncover personalized mechanisms for the occurrence and development of DCM and as a pathway to development of personalized therapeutics.

Abstract Genetically-encoded biosensors are used to track biochemical activities in living cells by measuring changes in fluorescence emitted by one or more fluorescent proteins. In the present article, we describe the application of genetically-encoded FRET biosensors with high content microscopy to image the signaling responses of thousands of neurons in response to drug treatments. We applied this approach to reveal intercellular variation in signaling responses among cultured striatal neurons stimulated with multiple drugs. The striatum is largely composed of medium-spiny GABAergic neurons which are divided into two broad sub-types based in part on their expression of dopamine D1 vs. D2 receptors. Using high content FRET imaging and immunofluorescence, we identified neuronal sub-populations with unique responses to pharmacological manipulation. Focusing on dopamine- and glutamate-regulated PKA and ERK1/2 signaling in both the cytoplasm and nucleus, we identified pronounced intercellular differences, in both the magnitude and kinetics of signaling responses to drug application. Importantly, we found that a conventional “bulk” analysis that included all cells in culture yielded a different rank order of drug potency than that revealed by our single-cell analysis. The high degree of heterogeneity that we observed at the single cell level would not have been detectable using common population-level analyses, derived for example from western blotting or plate reader-based measurements. In conclusion, our single-cell analytical approach highlights the limitations of population-level analyses, and provides a novel way to study signaling biology.

Heterotrimeric G proteins can be regulated by post-translational modifications, including ubiquitylation. KCTD5, a pentameric substrate receptor protein consisting of an N-terminal BTB domain and a C-terminal domain (CTD), engages CUL3 to form the central scaffold of a cullin-RING E3 ligase complex (CRL3KCTD5) that ubiquitylates Gβγ and reduces Gβγ protein levels in cells. The cryo-EM structure of a 5:5:5 KCTD5/CUL3NTD/Gβ1γ2 assembly reveals a highly dynamic complex with rotations of over 60° between the KCTD5BTB/CUL3NTD and KCTD5CTD/Gβγ moieties of the structure. CRL3KCTD5 engages the E3 ligase ARIH1 to ubiquitylate Gβγ in an E3-E3 super-assembly, and extension of the structure to include full-length CUL3 with RBX1 and an ARIH1~ubiquitin conjugate reveals that some conformational states position the ARIH1~ubiquitin thioester bond to within 10 Å of lysine-23 of Gβ and likely represent priming complexes. Most previously described CRL/substrate structures have consisted of monovalent complexes and have involved flexible peptide substrates. The structure of the KCTD5/CUL3NTD/Gβγ complex shows that the oligomerization of a substrate receptor can generate a polyvalent E3 ligase complex and that the internal dynamics of the substrate receptor can position a structured target for ubiquitylation in a CRL3 complex.

Pathological cardiac hypertrophy is driven by neurohormonal activation of specific G protein-coupled receptors (GPCRs) in cardiomyocytes and is accompanied by large-scale changes in cardiomyocyte gene expression. These transcriptional changes require activity of positive transcription elongation factor b (P-TEFb), which is recruited to target genes by the bromodomain protein Brd4 or the Super Elongation Complex (SEC). Here we describe GPCR-specific regulation of these P-TEFb complexes and a novel mechanism for activating Brd4 in primary neonatal rat cardiomyocytes. The SEC was required for the hypertrophic response downstream of either the α1-adrenergic receptor (α1-AR) or the endothelin receptor (ETR). In contrast, Brd4 inhibition selectively impaired the α1-AR response. This was corroborated by the finding that activation of α1-AR, but not ETR, increased Brd4 occupancy at promoters and super enhancers of hypertrophic genes. Transcriptome analysis demonstrated that activation of both receptors initiated similar gene expression programs, but that Brd4 inhibition attenuated hypertrophic genes more robustly following α1-AR activation. Finally, we show that protein kinase A (PKA) is required for α1-AR stimulation of Brd4 chromatin occupancy. The differential role of the Brd4/P-TEFb complex in response to distinct GPCR pathways has potential clinical implications as therapies targeting this complex are currently being explored for heart failure.

Abstract Over the last decade, the urotensinergic system has garnered significant attention as a promising new target for the treatment of various cardiovascular diseases and also cancer. Significant investment toward the development of clinically relevant UT ligands for therapeutic intervention has been made but have met little to no success to date. The UT system, which has yet to be effectively targeted, therefore remains to be therapeutically exploited. The discovery of allosteric sites that allow modulation of receptor activity will increase the searchable chemical space against a disease-relevant target. Pepducins and other lipidated peptides have been used as both mechanistic probes and potential therapeutics. Therefore, pepducins derived from the human urotensin II receptor might represent unique tools to generate signaling bias and study UT signaling networks. Two hUT-derived pepducins, derived from the second and the third intracellular loop of UT, respectively, have been synthesized and pharmacologically characterized. Our results demonstrated that hUT-Pep2 and [Trp 1 , Leu 2 ]hUT-Pep3 acted as biased ago-allosteric modulators, triggered ERK 1/2 phosphorylation and to a lesser extent, IP 1 production, stimulated cell proliferation yet were devoid of contractile activity. Interestingly, both hUT-derived pepducins were able to modulate hUII- and URP-mediated contraction albeit to different extents. These new derivatives represent unique tools to reveal the intricacies of hUT signaling and also a novel avenue to design allosteric ligands selectively targeting UT signaling that could prove to be useful for the treatment of hUT-associated diseases.

ABSTRACT Gonadotropin-releasing hormone (GnRH) is the primary neuropeptide controlling reproduction in vertebrates. GnRH stimulates follicle-stimulating hormone (FSH) and luteinizing hormone (LH) synthesis via a G protein-coupled receptor, GnRHR, in the pituitary gland. In mammals, GnRHR lacks a C-terminal cytosolic tail (Ctail) and does not exhibit homologous desensitization. This might be an evolutionary adaptation that enables LH surge generation and ovulation. To test this idea, we fused the chicken GnRHR Ctail to the endogenous murine GnRHR in a transgenic model. The LH surge was blunted, but not blocked in these mice. In contrast, they showed reductions in FSH production, ovarian follicle development, and fertility. Addition of the Ctail altered the nature of agonist-induced calcium signaling required for normal FSH production. The loss of the GnRHR Ctail during mammalian evolution is unlikely to have conferred a selective advantage by enabling the LH surge. The adaptive significance of this specialization remains to be determined.

Abstract Heterochromatin is a condensed chromatin structure that represses transcription of repetitive DNA elements and developmental genes, and is required for genome stability. Paradoxically, transcription of heterochromatic sequences is required for establishment of heterochromatin in diverse eukaryotic species. As such, components of the transcriptional machinery can play important roles in establishing heterochromatin. How these factors coordinate with heterochromatin proteins at nascent heterochromatic transcripts remains poorly understood. In the model eukaryote Schizosaccharomcyes pombe (S. pombe) , heterochromatin nucleation can be coupled to processing of nascent transcripts by the RNA interference (RNAi) pathway, or to other post-transcriptional mechanisms that are RNAi-independent. Here we show that the RNA polymerase II processivity factor Spt5 negatively regulates heterochromatin in S. pombe through its C-terminal domain (CTD). The Spt5 CTD is analogous to the CTD of the RNA polymerase II large subunit, and is comprised of multiple repeats of an amino acid motif that is phosphorylated by Cdk9. We provide evidence that genetic ablation of Spt5 CTD phosphorylation results in aberrant RNAi-dependent nucleation of heterochromatin at an ectopic location, as well as inappropriate spread of heterochromatin proximal to centromeres. In contrast, truncation of Spt5 CTD repeat number enhanced RNAi-independent heterochromatin formation and bypassed the requirement for RNAi. We relate these phenotypes to the known Spt5 CTD-binding factor Rtf1. This separation of function argues that Spt5 CTD phosphorylation and CTD length restrict heterochromatin through unique mechanisms. More broadly, our findings argue that Spt5 CTD repeat length and phosphorylation have distinct regulatory effects on transcription.