LS
Lei Shi
Author with expertise in Structure and Function of G Protein-Coupled Receptors
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
27
(81% Open Access)
Cited by:
5,256
h-index:
58
/
i10-index:
135
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Activation of the β2-Adrenergic Receptor Involves Disruption of an Ionic Lock between the Cytoplasmic Ends of Transmembrane Segments 3 and 6

Juan Ballesteros‐Cánovas et al.Aug 1, 2001
The movements of transmembrane segments (TMs) 3 and 6 at the cytoplasmic side of the membrane play an important role in the activation of G-protein-coupled receptors. Here we provide evidence for the existence of an ionic lock that constrains the relative mobility of the cytoplasmic ends of TM3 and TM6 in the inactive state of the beta(2)-adrenergic receptor. We propose that the highly conserved Arg-131(3.50) at the cytoplasmic end of TM3 interacts both with the adjacent Asp-130(3.49) and with Glu-268(6.30) at the cytoplasmic end of TM6. Such a network of ionic interactions has now been directly supported by the high-resolution structure of the inactive state of rhodopsin. We hypothesized that the network of interactions would serve to constrain the receptor in the inactive state, and the release of this ionic lock could be a key step in receptor activation. To test this hypothesis, we made charge-neutralizing mutations of Glu-268(6.30) and of Asp-130(3.49) in the beta(2)-adrenergic receptor. Alone and in combination, we observed a significant increase in basal and pindolol-stimulated cAMP accumulation in COS-7 cells transiently transfected with the mutant receptors. Moreover, based on the increased accessibility of Cys-285(6.47) in TM6, we provide evidence for a conformational rearrangement of TM6 that is highly correlated with the extent of constitutive activity of the different mutants. The present experimental data together with the recent high-resolution structure of rhodopsin suggest that ionic interactions between Asp/Glu(3.49), Arg(3.50), and Glu(6.30) may constitute a common switch governing the activation of many rhodopsin-like G-protein-coupled receptors.
0

Structural Mimicry in G Protein-Coupled Receptors: Implications of the High-Resolution Structure of Rhodopsin for Structure-Function Analysis of Rhodopsin-Like Receptors

Juan Ballesteros‐Cánovas et al.Jul 1, 2001
The availability of a high-resolution structure of rhodopsin now allows us to reconsider research attempts to understand structure-function relationships in other G protein-coupled receptors (GPCRs). A comparison of the rhodopsin structure with the results of previous sequence analysis and molecular modeling that incorporated experimental results demonstrates a high degree of success for these methods in predicting the helix ends and protein-protein interface of GPCRs. Moreover, the amino acid residues inferred to form the surface of the binding-site crevice based on our application of the substituted-cysteine accessibility method in the dopamine D(2) receptor are in remarkable agreement with the rhodopsin structure, with the notable exception of some residues in the fourth transmembrane segment. Based on our analysis of the data reviewed, we propose that the overall structures of rhodopsin and of amine receptors are very similar, although we also identified localized regions where the structure of these receptors may diverge. We further propose that several of the highly unusual structural features of rhodopsin are also present in amine GPCRs, despite the absence of amino acids that might have thought to have been critical to the adoption of these features. Thus, different amino acids or alternate microdomains can support similar deviations from regular alpha-helical structure, thereby resulting in similar tertiary structure. Such structural mimicry is a mechanism by which a common ancestor could diverge sufficiently to develop the selectivity necessary to interact with diverse signals, while still maintaining a similar overall fold. Through this process, the core function of signaling activation through a conformational change in the transmembrane segments that alters the conformation of the cytoplasmic surface and subsequent interaction with G proteins is presumably shared by the entire Class A family of receptors, despite their selectivity for a diverse group of ligands.
0
Paper
Citation441
0
Save
0

Amphetamine-induced loss of human dopamine transporter activity: An internalization-dependent and cocaine-sensitive mechanism

Christine Saunders et al.May 23, 2000
The dopamine transporter (DAT) is a target of amphetamine (AMPH) and cocaine. These psychostimulants attenuate DAT clearance efficiency, thereby increasing synaptic dopamine (DA) levels. Re-uptake rate is determined by the number of functional transporters at the cell surface as well as by their turnover rate. Here, we present evidence that DAT substrates, including AMPH and DA, cause internalization of human DAT, thereby reducing transport capacity. Acute treatment with AMPH reduced the maximal rate of [ 3 H]DA uptake, decreased AMPH-induced currents, and significantly redistributed the immunofluorescence of an epitope-tagged DAT from the plasma membrane to the cytosol in human embryonic kidney 293 cells. Conversely, DAT inhibitors, such as cocaine, mazindol, and nomifensine, when administered with AMPH, blocked the reduction in [ 3 H]DA uptake and the redistribution of DAT immunofluorescence to the cytosol. The reductions of [ 3 H]DA uptake and AMPH-induced DAT internalization also were inhibited by coexpression of a dominant negative mutant of dynamin I (K44A), indicating that endocytosis modulates transport capacity, likely through a clathrin-mediated pathway. With this mechanism of regulation, acute application of AMPH would reduce DA uptake not only by direct competition for uptake, but also by reducing the available cell-surface DAT. Moreover, AMPH-induced internalization might diminish the amount of DAT available for DA efflux, thereby modulating the cytotoxic effects of elevated extracellular DA.
0

β2 Adrenergic Receptor Activation

Lei Shi et al.Oct 1, 2002
In many rhodopsin-like G-protein-coupled receptors, agonist binding to a cluster of aromatic residues in TM6 may promote receptor activation by altering the configuration of the TM6 Pro-kink and by the subsequent movement of the cytoplasmic end of TM6 away from TM3. We hypothesized that the highly conserved Cys6.47, in the vicinity of the conserved Pro6.50, modulates the configuration of the aromatic cluster and the TM6 Pro-kink through specific interactions in its different rotamer configurations. In the β2 adrenergic receptor, mutation of Cys6.47 to Thr, which in an α-helix has a different rotamer distribution from Cys and Ser, produced a constitutively active receptor, whereas the Ser mutant was similar to wild-type receptor. Use of the biased Monte Carlo technique of Conformational Memories showed that the rotamer changes among Cys/Ser/Thr6.47, Trp6.48, and Phe6.52 are highly correlated, representing a rotamer “toggle switch” that may modulate the TM6 Pro-kink. Differential modulation of the accessibility of Cys6.47 and an engineered Cys6.52 in wild type and a constitutively active background provides experimental support for the association of this rotamer switch with receptor activation. In many rhodopsin-like G-protein-coupled receptors, agonist binding to a cluster of aromatic residues in TM6 may promote receptor activation by altering the configuration of the TM6 Pro-kink and by the subsequent movement of the cytoplasmic end of TM6 away from TM3. We hypothesized that the highly conserved Cys6.47, in the vicinity of the conserved Pro6.50, modulates the configuration of the aromatic cluster and the TM6 Pro-kink through specific interactions in its different rotamer configurations. In the β2 adrenergic receptor, mutation of Cys6.47 to Thr, which in an α-helix has a different rotamer distribution from Cys and Ser, produced a constitutively active receptor, whereas the Ser mutant was similar to wild-type receptor. Use of the biased Monte Carlo technique of Conformational Memories showed that the rotamer changes among Cys/Ser/Thr6.47, Trp6.48, and Phe6.52 are highly correlated, representing a rotamer “toggle switch” that may modulate the TM6 Pro-kink. Differential modulation of the accessibility of Cys6.47 and an engineered Cys6.52 in wild type and a constitutively active background provides experimental support for the association of this rotamer switch with receptor activation. G-protein-coupled receptors (GPCRs) 1The abbreviations used are: GPCR, G-protein-coupled receptors; TM, transmembrane; β2AR, β2 adrenergic receptor; CAM, constitutively active mutants; EEDQ, N-ethoxycarbonyl-2-ethoxy-1,2-dihydroquinoline; WT, wild type; H-bond, hydrogen bond; MTSEA, methanethiosulfonate ethylammonium. 1The abbreviations used are: GPCR, G-protein-coupled receptors; TM, transmembrane; β2AR, β2 adrenergic receptor; CAM, constitutively active mutants; EEDQ, N-ethoxycarbonyl-2-ethoxy-1,2-dihydroquinoline; WT, wild type; H-bond, hydrogen bond; MTSEA, methanethiosulfonate ethylammonium. are comprised of an extracellular N terminus, seven transmembrane α-helical segments (TMs) connected by intracellular and extracellular loops, and a cytoplasmic C terminus. In the β2 adrenergic receptor (β2AR) and related rhodopsin-like GPCRs that bind small molecules, the binding site is formed among their seven TMs in a water-accessible binding site crevice (1Shi L. Javitch J.A. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2002; 42: 437-467Google Scholar). The transmembrane domain of these receptors, therefore, transduces the binding of ligands, such as biogenic amines, to the activation of intracellular G-proteins, which in turn mediate downstream signal transduction pathways. Even in peptide and glycoprotein hormone receptors, in which the binding site is formed, at least in part, by extracellular loops or by large N-terminal domains, respectively, agonist binding must still be transduced via the transmembrane segments to the intracellular G-protein-interacting regions of these receptors.Understanding the function of GPCRs at a molecular level requires an understanding of how agonist binding to the receptor is converted into receptor activation (2Gether U. Endocr. Rev. 2000; 21: 90-113Google Scholar). Studies based on electron paramagnetic resonance spectroscopy, fluorescence spectroscopy, alterations in cysteine accessibility, and engineering of metal-binding sites have altogether pointed to a key role for conformational changes of TM3 and TM6 in receptor activation (3Farrens D.L. Altenbach C. Yang K. Hubbell W.L. Khorana H.G. Science. 1996; 274: 768-770Google Scholar, 4Sheikh S.P. Zvyaga T.A. Lichtarge O. Sakmar T.P. Bourne H.R. Nature. 1996; 383: 347-350Google Scholar, 5Gether U. Lin S. Ghanouni P. Ballesteros J.A. Weinstein H. Kobilka B.K. EMBO J. 1997; 16: 6737-6747Google Scholar, 6Javitch J.A., Fu, D. Liapakis G. Chen J. J. Biol. Chem. 1997; 272: 18546-18549Google Scholar, 7Rasmussen S.G. Jensen A.D. Liapakis G. Ghanouni P. Javitch J.A. Gether U. Mol. Pharmacol. 1999; 56: 175-184Google Scholar, 8Jensen A.D. Guarnieri F. Rasmussen S.G. Asmar F. Ballesteros J.A. Gether U. J. Biol. Chem. 2001; 276: 9279-9290Google Scholar). It has been suggested that protonation of the Asp in the highly conserved (D/E)RY motif at the cytoplasmic side of TM3 leads to release of constraining intramolecular interactions, thereby resulting in movements of TM3 and TM6 and conversion of the receptor to the active state. This hypothesis has been supported by the observation that charge-neutralizing mutations of the Asp/Glu3.49 in TM3 lead to increased agonist-independent activation of a number of GPCRs (7Rasmussen S.G. Jensen A.D. Liapakis G. Ghanouni P. Javitch J.A. Gether U. Mol. Pharmacol. 1999; 56: 175-184Google Scholar, 9Arnis S. Fahmy K. Hofmann K.P. Sakmar T.P. J. Biol. Chem. 1994; 269: 23879-23881Google Scholar, 10Scheer A. Fanelli F. Costa T., De Benedetti P.G. Cotecchia S. EMBO J. 1996; 15: 3566-3578Google Scholar, 11Cohen G.B. Yang T. Robinson P.R. Oprian D.D. Biochemistry. 1993; 32: 6111-6115Google Scholar, 12Alewijnse A.E. Timmerman H. Jacobs E.H. Smit M.J. Roovers E. Cotecchia S. Leurs R. Mol. Pharmacol. 2000; 57: 890-898Google Scholar).Experiments using cysteine cross-linking and engineered metal ion-binding sites (3Farrens D.L. Altenbach C. Yang K. Hubbell W.L. Khorana H.G. Science. 1996; 274: 768-770Google Scholar, 4Sheikh S.P. Zvyaga T.A. Lichtarge O. Sakmar T.P. Bourne H.R. Nature. 1996; 383: 347-350Google Scholar, 13Sheikh S.P. Vilardarga J.P. Baranski T.J. Lichtarge O. Iiri T. Meng E.C. Nissenson R.A. Bourne H.R. J. Biol. Chem. 1999; 274: 17033-17041Google Scholar) suggest that residues at the cytoplasmic ends of TM3 and TM6 face each other. We proposed that in the inactive state Arg3.50, in addition to interacting with Asp3.49, also interacts with the conserved Glu6.30 at the cytoplasmic end of TM6, and that this interaction contributes to maintaining the receptor in the inactive state by holding together the cytoplasmic ends of TM3 and TM6. Our experimental data (14Ballesteros J.A. Jensen A.D. Liapakis G. Rasmussen S.G. Shi L. Gether U. Javitch J.A. J. Biol. Chem. 2001; 276: 29171-29177Google Scholar) together with the high-resolution structure of rhodopsin (15Palczewski K. Kumasaka T. Hori T. Behnke C.A. Motoshima H. Fox B.A., Le Trong I. Teller D.C. Okada T. Stenkamp R.E. Yamamoto M. Miyano M. Science. 2000; 289: 739-745Google Scholar) suggest that ionic interactions between Asp/Glu3.49, Arg3.50, and Glu6.30may constitute a common switch governing the activation of many rhodopsin-like receptors. Disruption of the interaction between TM3 and TM6 produces constitutive receptor activation and the extent of constitutive activation is highly correlated with the extent of conformational rearrangement in TM6 (14Ballesteros J.A. Jensen A.D. Liapakis G. Rasmussen S.G. Shi L. Gether U. Javitch J.A. J. Biol. Chem. 2001; 276: 29171-29177Google Scholar).Experimental and computational simulation studies indicate that conformational switches in transmembrane α-helices can be generated via Pro-containing motifs that form flexible molecular hinges (16Sansom M.S. Weinstein H. Trends Pharmacol. Sci. 2000; 21: 445-451Google Scholar). Although Farrens et al. (3Farrens D.L. Altenbach C. Yang K. Hubbell W.L. Khorana H.G. Science. 1996; 274: 768-770Google Scholar) predicted that a rigid body motion of TM6 relative to TM3 was associated with the activation of rhodopsin, the movements crucial to activation may involve flexibility about the hinge formed by the highly conserved Pro in TM6 (Pro-2886.50 in β2AR) (17Visiers I. Ballesteros J.A. Weinstein H. Methods Enzymol. 2002; 343: 329-371Google Scholar). In rhodopsin, and presumably in the β2AR, TM6 exists in a highly bent configuration, with its cytoplasmic end near to the cytoplasmic end of TM3 (15Palczewski K. Kumasaka T. Hori T. Behnke C.A. Motoshima H. Fox B.A., Le Trong I. Teller D.C. Okada T. Stenkamp R.E. Yamamoto M. Miyano M. Science. 2000; 289: 739-745Google Scholar).In the β2AR and related aminergic receptors, a cluster of highly conserved aromatic residues surrounding the Pro-kink, including Phe6.44, Trp6.48, Phe6.51, and Phe6.52 in catecholamine receptors, face the binding-site crevice (reviewed in Ref. 1Shi L. Javitch J.A. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2002; 42: 437-467Google Scholar). Binding of agonist to a residue or residues in this “aromatic cluster” has been hypothesized to induce or stabilize an altered configuration of the side chains within this cluster that promotes receptor activation (17Visiers I. Ballesteros J.A. Weinstein H. Methods Enzymol. 2002; 343: 329-371Google Scholar). Such a conformational rearrangement of the aromatic cluster may be associated with an alteration in the configuration of the TM6 Pro-kink and the subsequent movement of the cytoplasmic end of TM6 away from TM3.In the β2AR the conserved endogenous Cys-2856.47, positioned i-3 from the conserved Pro-2886.50, becomes accessible to methanethiosulfonate ethylammonium (MTSEA) in the binding-site crevice in constitutively active mutants (CAMs) (6Javitch J.A., Fu, D. Liapakis G. Chen J. J. Biol. Chem. 1997; 272: 18546-18549Google Scholar, 7Rasmussen S.G. Jensen A.D. Liapakis G. Ghanouni P. Javitch J.A. Gether U. Mol. Pharmacol. 1999; 56: 175-184Google Scholar, 14Ballesteros J.A. Jensen A.D. Liapakis G. Rasmussen S.G. Shi L. Gether U. Javitch J.A. J. Biol. Chem. 2001; 276: 29171-29177Google Scholar). Cys, Ser, and Thr can hydrogen bond (H-bond) to the backbone in an α-helix, and this interaction may impact significantly not only the local conformation but may also lead to long range conformational changes through bends and distortions generated in the helix backbone (18Ballesteros J.A. Deupi X. Olivella M. Haaksma E.E. Pardo L. Biophys. J. 2000; 79: 2754-2760Google Scholar, 19Gray T.M. Matthews B.W. J. Mol. Biol. 1984; 175: 75-81Google Scholar, 20McGregor M.J. Islam S.A. Sternberg M.J. J. Mol. Biol. 1987; 198: 295-310Google Scholar). The highly conserved Cys-2856.47 near the Pro-kink at 6.50 can H-bond to different backbone carbonyls in different rotamer positions, and its rotamer position may modulate the TM6 kink.We hypothesized that the configuration of the TM6 Pro-kink in a GPCR would be correlated with constitutive activity and that both Cys6.47 and the aromatic cluster may impact this configuration. We tested these hypotheses in the β2AR by assessing the binding and activation properties of Cys6.47mutants. The biased Monte Carlo technique of Conformational Memories was used to probe for correlations between the Cys-2856.47rotamer position, the configuration of the aromatic cluster in TM6, and the TM6 Pro-kink conformation. We carried out cysteine accessibility experiments to test a prediction that arose from the simulations, and the experimental results supported the existence of a critical rotamer “toggle switch” (17Visiers I. Ballesteros J.A. Weinstein H. Methods Enzymol. 2002; 343: 329-371Google Scholar) associated with receptor activation.EXPERIMENTAL PROCEDURESNumbering of Residue and Residue IndexResidues are numbered according to their positions in the human β2AR sequence. We also index residues relative to the most conserved residue in the TM in which it is located (21Ballesteros J. Weinstein H. Methods Neurosci. 1995; 25: 366-428Google Scholar). By definition, the most conserved residue is assigned the position index “50,” e.g. Pro-2886.50 and therefore Leu-2876.49 and Phe-2896.51. This indexing simplifies the identification of aligned residues in different GPCRs. Mutants are named as WT residue, residue number, superscript index number, and mutant residue where the residues are given in single letter codes.Nomenclature of χ1 RotamerDifferent nomenclatures have been used to describe the rotamers of side chain torsion angles. When the heavy atom at the γ position is at a position opposite to the backbone nitrogen, when viewed from β-carbon to α-carbon, we define the χ1 rotamer as in thetrans (t) position; from the same viewing angle, when the heavy atom at the γ position is at a position opposite to the backbone carbon, we define the χ1 rotamer as in thegauche+ (g+) position; when the γ-carbon is opposite to the α-hydrogen, we define the χ1 rotamer as in thegauche− (g−) position.β2-Plasmids and Site-directed MutagenesisThe mutations were generated by the polymerase chain reaction-mediated mutagenesis using Pfu polymerase (Stratagene). The polymerase chain reaction-generated DNA fragments containing the mutations were subcloned into the appropriate plasmid. The mutations were identified initially through the presence of diagnostic restriction sites introduced via the mutated oligonucleotides and subsequently verified by DNA sequencing analysis of the polymerase chain reaction-generated segments. For stable expression in HEK 293 cells, this cDNA was subcloned into the bicistronic expression vector pCIN4-SFβ2AR6His (22Liapakis G. Ballesteros J.A. Papachristou S. Chan W.C. Chen X. Javitch J.A. J. Biol. Chem. 2000; 275: 37779-37788Google Scholar).Cell Culture and TransfectionHEK 293 cells were maintained at 37 °C in 5% CO2in Dulbecco's modified Eagle's medium/F-12 (1:1) containing 3.15 g/liter of glucose in 10% bovine calf serum. The HEK 293 cells were transfected with 2 μg of the pCIN4 constructs using the LipofectAMINE/Opti-MEM (Invitrogen) transfection system, and a stably transfected pool was selected with Geneticin (700 μg/ml) (6Javitch J.A., Fu, D. Liapakis G. Chen J. J. Biol. Chem. 1997; 272: 18546-18549Google Scholar).Membrane Preparation and [3H]CGP-12177 BindingTo increase the expression of the constitutively active mutant, a 10 μm concentration of the inverse agonist sotalol was added to the growth medium of HEK 293 cells stably expressing WT or mutant β2AR for 1–2 days. Membranes were prepared as described previously (14Ballesteros J.A. Jensen A.D. Liapakis G. Rasmussen S.G. Shi L. Gether U. Javitch J.A. J. Biol. Chem. 2001; 276: 29171-29177Google Scholar). Aliquots of diluted membrane suspension (200 μl) were incubated in binding buffer either with six different concentrations of the antagonist [3H]CGP-12177 between 40 and 1100 pm (in saturation binding experiments) or with increasing concentrations of agonists or antagonists in the presence of 100 pm [3H]CGP-12177 (in competition binding experiments). The total volume was adjusted to 1.0 ml, and the binding experiments and data analysis were performed as described previously (22Liapakis G. Ballesteros J.A. Papachristou S. Chan W.C. Chen X. Javitch J.A. J. Biol. Chem. 2000; 275: 37779-37788Google Scholar, 23Staehelin M. Simons P. Jaeggi K. Wigger N. J. Biol. Chem. 1983; 258: 3496-3502Google Scholar).cAMP Accumulation AssayHEK 293 cells stably expressing the WT β2AR or the mutants were plated in 96-well cell culture plates (pretreated with poly-l-lysine, 0.1 mg/ml) at a density of 40,000–60,000 cells/well. After incubation overnight at 37 °C in 5% CO2, the cells were 95–100% confluent. The medium was removed, and 100 μl of 0–60 μm N-ethoxycarbonyl-2-ethoxy-1,2-dihydroquinoline (EEDQ) in Opti-MEM (Invitrogen) was added to normalize the concentration of receptor (22Liapakis G. Ballesteros J.A. Papachristou S. Chan W.C. Chen X. Javitch J.A. J. Biol. Chem. 2000; 275: 37779-37788Google Scholar). The concentration of EEDQ used for a particular experiment was adjusted based on the level of cell surface expression of the particular mutant, as higher expressing receptors such as WT required higher concentrations of EEDQ for appropriate normalization. The level of cell surface expression of WT and the mutants was determined by specific binding of the hydrophilic radioligand [3H]CGP-12177 at a concentration 10-fold higher than itsK D (0.9 nm). cAMP accumulation assay was performed as described previously (22Liapakis G. Ballesteros J.A. Papachristou S. Chan W.C. Chen X. Javitch J.A. J. Biol. Chem. 2000; 275: 37779-37788Google Scholar).Reactions of F2906.52C Mutants with MTS ReagentsWhole cells from a 35-mm dish were resuspended in 400 μl of buffer A. Aliquots (50 μl) of cell suspension were incubated with freshly prepared MTSEA (Toronto Research Biochemicals) at the stated concentrations at room temperature for 2 min. Cell suspensions were then diluted 20-fold, and 300-μl aliquots were used to assay for [3H]CGP-12177 (1.2 nm) binding in triplicate as described above. The fractional inhibition was calculated as 1-[(specific binding after MTS reagent)/(specific binding without reagent)].Rotamer Statistics of Cys/Ser/Thr of Membrane ProteinsThe distributions of the χ1 rotamer of Cys/Ser/Thr were calculated from all the high resolution (≤3 Å) membrane protein structures currently available. The structures were downloaded from the Protein Data Bank. The list and definitions of transmembrane α-helical segments were updated and modified using the Membrane Protein Topology data base (24Jayasinghe S. Hristova K. White S.H. Protein Sci. 2001; 10: 455-458Google Scholar). Cys/Ser/Thr in transmembrane α-helical segments were only included if at least 5 residues N-terminal to the identified position were within the α-helix. Only regions with a B-value ≤40 (25Word J.M. Lovell S.C. LaBean T.H. Taylor H.C. Zalis M.E. Presley B.K. Richardson J.S. Richardson D.C. J. Mol. Biol. 1999; 285: 1711-1733Google Scholar) and structures with a resolution ≤3 Å were included in the analysis. Our rationale was that a resolution ≤3 Å can differentiate whether or not a region is α-helical and B-values ≤40 of the Cys/Ser/Thr side chain atoms ensure that coordinate information was reliable.Conformational MemoriesThe approach of Conformational Memories, which is a two-phase biased Monte Carlo simulation, was described previously (26Guarnieri F. Wilson S.R. J. Comp. Chem. 1995; 16: 648-653Google Scholar). We used this algorithm, which was implemented in CHARMM (27Brooks B.R. Bruccoleri R.E. Olafson B.D. States D.J. Swaminathan S. Karplus M. J. Comp. Chem. 1983; 4: 187-217Google Scholar), to probe the conformational space of TM6 of human β2AR.Initial StructuresThe template was TM6 (6.40–6.56) of chain A of the bovine rhodopsin structure (Protein Data Bank number1HZX). The side chains of the residues were mutated to those of the aligned positions in the human β2AR. Four Ala residues in a standard α-helical conformation were added at the N and C termini. Thus, there are totally 25 residues in the system. The α-helix was capped by acetamide at the N terminus andN-methylamide at the C terminus. χ1 of 6.47 (Cys/Ser/Thr) was manually placed in gauche+(g+), gauche− (g−), ortrans (t). χ1 of 6.48 and 6.52 were manually placed in g+ or t, and ing+/g+, g+/t, andt/t combinations (see “Results”). The initial structures were energy minimized by CHARMM (27b1). During the minimization, the backbone atoms were harmonically constrained with a force constant of 10, and the χ1 of the 6.47, 6.48, and 6.52 side chains were constrained by well shaped energy barriers around a specific rotamer.Biased (Constrained) Exploring PhaseIn the initial conformational memories, the backbone angles (ϕ and ψ) of 6.44–6.52 were distributed with ±50° freedom from the rhodopsin structure values (10% in each of the designated 10° buckets); those of 6.40–6.43 and 6.53–6.56 were distributed within ±25° freedom (20% at each of designated 10° buckets). The dihedral angles of the alanines in the N and C termini were set to those of a standard α-helix (ϕ = −65° ψ = −40°). Side chain torsion angles were able to freely rotate except for the χ1 of 6.47. The χ1 of 6.47 (Cys/Ser/Thr) was constrained to g+, g−, or t as specified under “Results.”Forty runs of Monte Carlo simulated annealing were carried out within the above defined conformational memories, with a distance dependent dielectric with a coefficient of 2. Each run of Monte Carlo simulated annealing consisted of a walk from 2070 to 310 K in 18 temperature intervals with a cooling schedule ofT n+1 = 0.9 T n, and 25,000 steps per temperature. At each step, 2 dihedral angles were randomly selected to change within the allowed conformational memories, and the trial conformation was accepted or rejected according to the standard Metropolis criteria with a Boltzmann probability function defined at the given temperature.Biased Sampling PhaseSeveral hundred structures were collected for each combination of χ1 of 6.47, 6.48, and 6.52 (see “Results”), based on the biased conformational memories created by the biased (constrained) exploration phase. Each structure was generated after a run of biased Monte Carlo simulated annealing. Each run in this phase consisted of a walk of 15,000 steps at 310 K. At each step, 2 dihedral angles were randomly selected to change within the output conformational memories from the biased exploring phase. Difference structures were generated by changing the odd random number seed.Analysis of the Output Simulation StructuresThe resulting simulation structures were first classified according to their χ1 rotamer positions of 6.48 and 6.52 (see “Results”). For each structure in each group, the corresponding coordinates were extracted to calculate the following parameters: the ϕ and ψ of 6.44–6.52 and their individual averages for each group; the population distribution of χ1 of 6.44, 6.47, 6.48, 6.51, and 6.52; the distances between the atoms at the γ position of Cys/Ser/Thr (6.47) to the carboxyl oxygen at i−3 (6.44) andi−4 (6.43) and the average for each group.The Pro-kink can be described with bend angle, wobble angle, and face shift (28Visiers I. Braunheim B.B. Weinstein H. Protein Eng. 2000; 13: 603-606Google Scholar). To assess the configuration across the Pro-kink rather than only the configuration N-terminal to the Pro, we have defined the face shift differently from Visiers et al. (28Visiers I. Braunheim B.B. Weinstein H. Protein Eng. 2000; 13: 603-606Google Scholar). We used the angle between the projection of the average of the vectors connecting the α-carbons of the (i−3) and (i−4) amino acids with the origin in the y,z-plane (A−34) and the projection of the average of the vectors connecting the α-carbons of the (i+3) and (i+4) amino acids with the origin in the y,z-plane, instead of the angle between A−34 and the projection of the vector connecting the proline α-carbon with origin in they,z-plane in Ref. 28Visiers I. Braunheim B.B. Weinstein H. Protein Eng. 2000; 13: 603-606Google Scholar. The transformation of the coordinates was similar to Visiers et al. (28Visiers I. Braunheim B.B. Weinstein H. Protein Eng. 2000; 13: 603-606Google Scholar). The calculation was implemented in a Perl script that automatically calls CHARMM to calculate the helix axis and extract the results from the output.The output simulation structures were clustered using Macromodel/Xcluster. Representative structures and the largest clusters were selected for illustration and these were superimposed on the backbone atoms of 6.49 to 6.60 (extracellular region).DISCUSSIONInteractions at the cytoplasmic ends of TM3 and TM6 constrain the relative mobility of these segments in the inactive state of the β2AR and related rhodopsin-like receptors (14Ballesteros J.A. Jensen A.D. Liapakis G. Rasmussen S.G. Shi L. Gether U. Javitch J.A. J. Biol. Chem. 2001; 276: 29171-29177Google Scholar). Upon release of this “ionic lock” the mobility of TM6 and its position relative to TM3 may be modulated by the configuration of its Pro-kink. If, as we hypothesized, the rotamer position of 6.47 modulates the TM6 Pro-kink, then because the β-branched Thr does not populate thet rotamer, C2856.47T should favor conformations of the receptor driven by the g+ rotamer, and destabilize those conformations driven by the t rotamer. Because Ser can exist in the t rotamer with a roughly similar frequency as Cys, C2856.47S would be expected to resemble WT receptor in its activation properties.We found that C2856.47T had multiple properties of a CAM: it had a higher basal level of cAMP accumulation, it had a higher basal level of cAMP in the presence of forskolin, it had a lower EC50 for agonist stimulation of adenylyl cyclase, basal and forskolin-stimulated basal activity was reduced substantially by the inverse agonist timolol, and it had higher affinity for agonist in competition binding studies. Therefore, C2856.47T has the classical characteristics of a CAM, in which a greater fraction of receptor is present in the active state (31Samama P. Cotecchia S. Costa T. Lefkowitz R.J. J. Biol. Chem. 1993; 268: 4625-4636Google Scholar, 33Gether U. Ballesteros J.A. Seifert R. Sanders-Bush E. Weinstein H. Kobilka B.K. J. Biol. Chem. 1997; 272: 2587-2590Google Scholar). In contrast, C2856.47S had properties similar to that of WT.Conformational Memories revealed that the rotamer conformations at positions 6.47, 6.48, and 6.52 around Pro6.50 are correlated. A change of 6.48 from g+ (its conformation in the rhodopsin inactive state structure), to t, must be accompanied by a corresponding change of 6.52 to t to avoid steric clash (Fig. 3 A). On the other hand, a change of Phe6.52 from t to g+ must be accompanied by a corresponding change of 6.48 to g+ to avoid the same steric clash. Thus in the β2AR and related rhodopsin-like receptors these two residues may act in concert as part of a rotamer toggle switch that transduces agonist binding into an altered conformation of TM6 (17Visiers I. Ballesteros J.A. Weinstein H. Methods Enzymol. 2002; 343: 329-371Google Scholar). The aromatic stacking interactions between Trp6.48 and Phe6.52 may stabilize theg+/g+ and t/t rotamer configurations. These favorable interactions between 6.48 and 6.52 are facilitated by the presence of the Pro-kink, which brings these two residues closer to each other, altering the relationship between these two side chains from what would be much less favorable interactions in a standard α-helix (data not shown).We also found that the rotamer conformation of 6.47 was significantly correlated with the rotamer of 6.48, making 6.47 a critical part of the rotamer toggle switch. Specifically, 6.47 in g+ was associated with 6.48 in t, and 6.47 in t was associated with 6.48 in g+ (Table III). We propose that the impact of mutation of 6.47 to Thr on activation results from both altered H-bonding as well as modulation by the 6.47 side chain of the rotamer toggle switch. Thus, we propose that Cys6.47 g+/Trp6.48 t/Phe6.52 trepresents the active state and that Cys6.47 t/Trp6.48 g+/Phe6.52 g+ represents the inactive state. With Trp6.48 in tin the active state, Phe6.52 must also be in tto avoid steric clash. In contrast, as discussed above, with Trp6.48 in g+ in the inactive state, although there is an increased propensity for 6.52 to be in g+, 6.52 may also exist in t, suggesting the possibility of a diversity of inactive states, with the rotamer positions of 6.47 and 6.48 being more critical to its phenotype.This hypothesis is consistent with a number of experimental results in rhodopsin. Movement of the side chain of Trp6.48 fromg+ to t upon activation is consistent with the inference from UV absorption spectrometry in rhodopsin that the indole side chain of Trp-2656.48 changes orientation during the inactive to active conformational transition (34Lin S.W. Sakmar T.P. Biochemistry. 1996; 35: 11149-11159Google Scholar) as well as with data suggesting that a single Trp tilts toward the membrane during activation (35Chabre M. Breton J. Photochem. Photobiol. 1979; 30: 295-299Google Scholar).Although 6.52 is an alanine in rhodopsin, in the inactive rhodopsin structure the β-ionone ring and carbon chain of retinal interact with 6.48 in g+ in a configuration very similar to that of the interaction of 6.48 in g+ with Phe6.52 ing+ in the β2AR (Fig.5). Photoisomerization of retinal fromcis to trans moves the β-ionone ring toward TM4 (36Borhan B. Souto M.L. Imai H. Shichida Y. Nakanishi K. Science. 2000; 288: 2209-2212Google Scholar) and thus away from Trp6.48, whose enhanced freedom and subsequent rearrangement is involved in the activation mechanism of rhodopsin. The exquisite lack of constitutive activity of rhodopsin may result from the inability of 6.48 to move to the t rotamer when constrained by bound 11-cis-retinal. For GPCRs, such as the β2AR, which are activated by diffusible ligands, a ligand that stabilizes Trp6.48 in the g+conformation would, therefore, behave as an inverse agonist. One such mechanism of inverse agonism may involve forcing or stabilizing Phe6.52 into the g+ rotamer conformation, which would in turn force Trp6.48 into the g+conformation, and thereby promote the inactive state. Conversely, an agonist that stabilizes Phe6.52 in the t rotamer conformation would free Trp6.48 to adopt the tconformation, and thereby promote the active state.FTIR difference spectroscopy has been used to study the role of cysteine residues in the photoactivation of rhodopsin (37Rath P. Bovee-Geurts P.H. DeGrip
0

The Molecular Mechanism Governing the Oncogenic Potential of SOX2 in Breast Cancer

Yupeng Chen et al.May 5, 2008
SOX genes encode a family of high-mobility group transcription factors that play critical roles in organogenesis. The functional specificity of different SOX proteins and the tissue specificity of a particular SOX factor are largely determined by the differential partnership of SOX transcription factors with other transcription regulators, many of which have not yet been discovered. Virtually all members of the SOX family have been found to be deregulated in a wide variety of tumors. However, little is known about the cellular and molecular behaviors involved in the oncogenic potential of SOX proteins. Using cell culture experiments, tissue analysis, molecular profiling, and animal studies, we report here that SOX2 promotes cell proliferation and tumorigenesis by facilitating the G1/S transition and through its transcription regulation of the CCND1 gene in breast cancer cells. In addition, we identified β-catenin as the transcription partner for SOX2 and demonstrated that SOX2 andβ-catenin act in synergy in the transcription regulation of CCND1 in breast cancer cells. Our experiments not only determined a role for SOX2 in mammary tumorigenesis but also revealed another activity of the multifunctional protein, β-catenin. SOX genes encode a family of high-mobility group transcription factors that play critical roles in organogenesis. The functional specificity of different SOX proteins and the tissue specificity of a particular SOX factor are largely determined by the differential partnership of SOX transcription factors with other transcription regulators, many of which have not yet been discovered. Virtually all members of the SOX family have been found to be deregulated in a wide variety of tumors. However, little is known about the cellular and molecular behaviors involved in the oncogenic potential of SOX proteins. Using cell culture experiments, tissue analysis, molecular profiling, and animal studies, we report here that SOX2 promotes cell proliferation and tumorigenesis by facilitating the G1/S transition and through its transcription regulation of the CCND1 gene in breast cancer cells. In addition, we identified β-catenin as the transcription partner for SOX2 and demonstrated that SOX2 andβ-catenin act in synergy in the transcription regulation of CCND1 in breast cancer cells. Our experiments not only determined a role for SOX2 in mammary tumorigenesis but also revealed another activity of the multifunctional protein, β-catenin. The SOX 2The abbreviations used are: SOX, Sry-type HMG box; HMG, high-mobility group; ChIP, chromatin immunoprecipitation; IHC, immunohistochemistry; DCIS, ductal carcinoma in situ; MOI, multiplicity of infection; GFP, green fluorescent protein; BrdU, bromodeoxyuridine; FACS, fluorescent-activated cell sorting; GST, glutathione S-transferase; RT, reverse transcriptase; siRNA, small interference RNA. 2The abbreviations used are: SOX, Sry-type HMG box; HMG, high-mobility group; ChIP, chromatin immunoprecipitation; IHC, immunohistochemistry; DCIS, ductal carcinoma in situ; MOI, multiplicity of infection; GFP, green fluorescent protein; BrdU, bromodeoxyuridine; FACS, fluorescent-activated cell sorting; GST, glutathione S-transferase; RT, reverse transcriptase; siRNA, small interference RNA. gene family encodes a group of transcription factors that are characterized by a highly conserved high-mobility group (HMG) domain (1Bowles J. Schepers G. Koopman P. Dev. Biol. 2000; 227: 239-255Crossref PubMed Scopus (728) Google Scholar, 2Wilson M. Koopman P. Curr. Opin. Genet. Dev. 2002; 12: 441-446Crossref PubMed Scopus (261) Google Scholar, 3Kamachi Y. Uchikawa M. Kondoh H. Trends Genet. 2000; 16: 182-187Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (520) Google Scholar). These genes are found throughout the animal kingdom, are expressed in a restricted spatial-temporal pattern, and play critical roles in stem cell biology, organogenesis, and animal development (3Kamachi Y. Uchikawa M. Kondoh H. Trends Genet. 2000; 16: 182-187Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (520) Google Scholar, 4Wegner M. Nucleic Acids Res. 1999; 27: 1409-1420Crossref PubMed Scopus (742) Google Scholar). For example, overexpression of Sox2 in mouse neural stem cells blocks their differentiation, and inhibition of Sox2 in these cells causes their premature exit from the cell cycle and differentiation into neurons(5Graham V. Khudyakov J. Ellis P. Pevny L. Neuron. 2003; 39: 749-765Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (976) Google Scholar). Depletion of Sox2 by RNA interference blocks the proliferation of neural stem-like cells and causes them to differentiate into neurons(6Kondo T. Raff M. Genes. Dev. 2004; 18: 2963-2972Crossref PubMed Scopus (187) Google Scholar). Recently, a number of links have been found between SOX transcription factors and human cancers (7Dong C. Wilhelm D. Koopman P. Cytogenet Genome Res. 2004; 105: 442-447Crossref PubMed Scopus (122) Google Scholar). For instance, SOX2 has been found to be an immunogenic antigen in 41% of small cell lung cancer patients (8Gure A.O. Stockert E. Scanlan M.J. Keresztes R.S. Jager D. Altorki N.K. Old L.J. Chen Y.T. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2000; 97: 4198-4203Crossref PubMed Scopus (193) Google Scholar) and in 29% of meningioma patients (9Comtesse N. Zippel A. Walle S. Monz D. Backes C. Fischer U. Mayer J. Ludwig N. Hildebrandt A. Keller A. Steudel W.I. Lenhof H.P. Meese E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2005; 102: 9601-9606Crossref PubMed Scopus (66) Google Scholar). Immunohistochemistry results suggest that SOX2 is involved in later events of carcinogenesis, such as invasion and metastasis of pancreatic intraepithelial neoplasia (10Sanada Y. Yoshida K. Ohara M. Oeda M. Konishi K. Tsutani Y. Pancreas. 2006; 32: 164-170Crossref PubMed Scopus (114) Google Scholar). SOX2 may also be involved in gastric carcinogenesis (11Li X.L. Eishi Y. Bai Y.Q. Sakai H. Akiyama Y. Tani M. Takizawa T. Koike M. Yuasa Y. Int. J. Oncol. 2004; 24: 257-263PubMed Google Scholar) and may be amplified in prostate cancers (12Sattler H.P. Lensch R. Rohde V. Zimmer E. Meese E. Bonkhoff H. Retz M. Zwergel T. Bex A. Stoeckle M. Wullich B. Prostate. 2000; 45: 207-215Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar). Furthermore, SOX2 expression has been observed in 43% of basal cell-like breast carcinomas and was found to be strongly correlated with CK5/6, EGFR, and vimentin immunoreactivity, suggesting that SOX2 may play a role in conferring a less differentiated phenotype in these tumors (13Rodriguez-Pinilla S.M. Sarrio D. Moreno-Bueno G. Rodriguez-Gil Y. Martinez M.A. Hernandez L. Hardisson D. Reis-Filho J.S. Palacios J. Mod. Pathol. 2007; 20: 474-481Crossref PubMed Scopus (187) Google Scholar). How SOX2 exerts its oncogenic potential is currently unknown. SOX proteins including SOX2 bind to specific DNA sequences (C(T/A)TTG(T/A)(T/A)) by means of their HMG domains in functioning as transcription factors to activate or repress target gene expression (2Wilson M. Koopman P. Curr. Opin. Genet. Dev. 2002; 12: 441-446Crossref PubMed Scopus (261) Google Scholar, 3Kamachi Y. Uchikawa M. Kondoh H. Trends Genet. 2000; 16: 182-187Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (520) Google Scholar). It is currently accepted that SOX proteins themselves do not possess sufficient affinities for DNA binding. Rather, the transcription activity of SOX proteins requires recruitment of other protein partners, which facilitate and stabilize the formation of SOX transcription initiation complexes (2Wilson M. Koopman P. Curr. Opin. Genet. Dev. 2002; 12: 441-446Crossref PubMed Scopus (261) Google Scholar, 3Kamachi Y. Uchikawa M. Kondoh H. Trends Genet. 2000; 16: 182-187Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (520) Google Scholar). In fact, the functional specificities among members of the SOX family and the tissue specificity for a particular SOX protein are believed to be determined largely by the differential partnership of SOX proteins with other proteins (2Wilson M. Koopman P. Curr. Opin. Genet. Dev. 2002; 12: 441-446Crossref PubMed Scopus (261) Google Scholar, 3Kamachi Y. Uchikawa M. Kondoh H. Trends Genet. 2000; 16: 182-187Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (520) Google Scholar). Numerous transcription factors from a wide range of families have been found to partner with SOX proteins (2Wilson M. Koopman P. Curr. Opin. Genet. Dev. 2002; 12: 441-446Crossref PubMed Scopus (261) Google Scholar, 3Kamachi Y. Uchikawa M. Kondoh H. Trends Genet. 2000; 16: 182-187Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (520) Google Scholar). As stated above, because the partnership of SOX proteins with different protein factors is a crucial element in determining the functional specificity of SOX proteins, it is of great importance to identify partner proteins for different SOX proteins in different tissues to understand the pathophysiological activities of SOX proteins. Another prominent and related issue is the identification of the downstream targets of SOX proteins. To date, investigation of the functions of SOX proteins has concentrated on embryonic development, and information on the physiological functions of SOX proteins in adult tissues, as well as their potential roles in carcinogenesis, is limited. In this study, we found that SOX2 overexpression is a frequent event in breast carcinomas and that the levels of SOX2 expression were strongly correlated with tumor grades and with the levels of cyclin D1 expression in breast carcinoma samples. We demonstrated that SOX2 promoted the proliferation of breast cancer cells through facilitating the G1/S transition and through up-regulation of the CCND1 gene. Furthermore, we identified β-catenin as the transcription partner for SOX2 in breast cancer cells and demonstrated that SOX2 synergized with β-catenin in transactivation of the CCND1 gene. Tissue Specimens and Cell Lines—Breast carcinoma tissues were obtained from Peking University Oncology Hospital. Samples were frozen in liquid nitrogen immediately after surgical removal and maintained at –80 °C until use. All human tissue was collected using protocols approved by the Ethics Committee of the Peking University Health Science Center. The normal human breast epithelia cell lines and the human breast cancer cell lines were obtained from the American Type Culture Collection (Manassas, VA). Recombinant Retroviral Construction—Recombinant Retro-GFP, Retro-SOX2, and Retro-SOX2 RNAi were generated using the BD Retro-X™ Universal Packaging System (BD Biosciences, San Jose, CA) according to the manual provided by the vendor. The cDNA for full-length SOX2 and the specific oligonucleotide for generating SOX2 siRNA were cloned into the pLNCX2 vector. The resultant plasmids were transformed into Escherichia coli DH5α, purified, and co-transfected with the pVSV-G vector into the GP2-293 packaging cell line (BD Biosciences) using Lipofectamine (Invitrogen). Three days after transfection, cell lysates were obtained from the 293 cells. Cell lysates were added to 293 cells again, and when most of the cells had been killed by virus infection and detached, cell lysates were collected and filtered through a 0.45-μm cellulose acetate filter. The viral titers were determined according to the procedure provided by the vendor. For cell infection, cells were incubated with viruses at an MOI (multiplicity of infection) of 10 for 6 h before fresh medium was added, and cultures were continued for another 48 h. For generation of SOX-overexpressing cells to be transplanted into nude mice, infected cells were grown in the presence of 400 μg/ml of G418 for 3 weeks. Individual drug-resistant clones were collected, pooled, and expanded. Tumor Xenografts—MCF-7 breast cancer cells were plated and infected in vitro with mock, Retro-GFP, Retro-SOX2, or Retro-SOX2 RNAi at an MOI of 100. Forty-eight hours after infection, 5 × 106 viable MCF-7 cells in 200 μl of phosphate-buffered saline were injected into the mammary fat pads of 6–8-week-old female BALB/c mice (Charles River, Beijing, China). Six animals per group were used in each experiment. 17β-Estradiol pellets (0.72 mg/pellet, 60 day release; Innovative Research of America, Sarasota, FL) were implanted 1 day before the tumor cell injection. Tumors were measured weekly using a vernier caliper, and volume was calculated according to the formula: π /6 × length × width2. Tumors were collected at the time of sacrifice, 8-weeks postretrovirus infection. Deparaffinized sections of tumor tissue were used to assess proliferation using antibodies against Ki-67 (1:200, Zymed Laboratories). Apoptosis was determined using the In Situ Cell Death Detection kit, POD (Roche Applied Science, Germany), according to the manufacturer's instruction. Nuclei that stained brown were scored as positive for apoptosis and blue as negative. All studies were approved by the Animal Care Committee of Peking University Health Science Center. Chromatin Immunoprecipitation (ChIP) Assays—ChIP assays were performed essentially as described previously (14Shang Y. Hu X. DiRenzo J. Lazar M.A. Brown M. Cell. 2000; 103: 843-852Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1423) Google Scholar, 15Shang Y. Brown M. Science. 2002; 295: 2465-2468Crossref PubMed Scopus (982) Google Scholar, 16Zhang H. Yi X. Sun X. Yin N. Shi B. Wu H. Wang D. Wu G. Shang Y. Genes Dev. 2004; 18: 1753-1765Crossref PubMed Scopus (82) Google Scholar, 17Wu H. Chen Y. Liang J. Shi B. Wu G. Zhang Y. Wang D. Li R. Yi X. Zhang H. Sun L. Shang Y. Nature. 2005; 438: 981-987Crossref PubMed Scopus (234) Google Scholar, 18Zhang H. Sun L. Liang J. Yu W. Zhang Y. Wang Y. Chen Y. Li R. Sun X. Shang Y. EMBO J. 2006; 25: 4223-4233Crossref PubMed Scopus (72) Google Scholar, 19Yin N. Wang D. Zhang H. Yi X. Sun X. Shi B. Wu H. Wu G. Wang X. Shang Y. Cancer Res. 2004; 64: 5870-5875Crossref PubMed Scopus (169) Google Scholar). Primers that specifically amplify the CCND1 promoter were used in the PCR amplifications, as listed: for proximal promoter (spanning –86 to +234 bp) forward: 5′-tgccgggctttgatcttt-3′ and reverse: 5′-cggtcgttgaggaggttgg-3′; for control region (spanning –2598 to –2377 bp) forward: 5′-ttttggattttctttc-3′ and reverse: 5′-gcattttgattttatt-3′. SOX2 Is Overexpressed in Human Mammary Tumors and Its Level Is Correlated with Tumor Grade—Similar to other developmentally regulated genes, the expression of SOX2 is supposed to be switched off in adulthood. The observation that SOX2 is expressed in several types of tumors (7Dong C. Wilhelm D. Koopman P. Cytogenet Genome Res. 2004; 105: 442-447Crossref PubMed Scopus (122) Google Scholar, 8Gure A.O. Stockert E. Scanlan M.J. Keresztes R.S. Jager D. Altorki N.K. Old L.J. Chen Y.T. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2000; 97: 4198-4203Crossref PubMed Scopus (193) Google Scholar, 9Comtesse N. Zippel A. Walle S. Monz D. Backes C. Fischer U. Mayer J. Ludwig N. Hildebrandt A. Keller A. Steudel W.I. Lenhof H.P. Meese E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2005; 102: 9601-9606Crossref PubMed Scopus (66) Google Scholar, 10Sanada Y. Yoshida K. Ohara M. Oeda M. Konishi K. Tsutani Y. Pancreas. 2006; 32: 164-170Crossref PubMed Scopus (114) Google Scholar, 11Li X.L. Eishi Y. Bai Y.Q. Sakai H. Akiyama Y. Tani M. Takizawa T. Koike M. Yuasa Y. Int. J. Oncol. 2004; 24: 257-263PubMed Google Scholar, 12Sattler H.P. Lensch R. Rohde V. Zimmer E. Meese E. Bonkhoff H. Retz M. Zwergel T. Bex A. Stoeckle M. Wullich B. Prostate. 2000; 45: 207-215Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar, 13Rodriguez-Pinilla S.M. Sarrio D. Moreno-Bueno G. Rodriguez-Gil Y. Martinez M.A. Hernandez L. Hardisson D. Reis-Filho J.S. Palacios J. Mod. Pathol. 2007; 20: 474-481Crossref PubMed Scopus (187) Google Scholar) prompted us to investigate whether SOX2 was also expressed in breast cancers. Using immunohistochemistry (IHC), we screened paraffin-embedded mammary tissue sections from 19 normal and 56 breast cancer patients for the expression of SOX2. The results of these experiments indicated that, while normal mammary epithelial cells displayed none or weak SOX2 staining (Fig. 1A, left panel), breast carcinoma cells were strongly positive for SOX2 staining in the nucleus (Fig. 1A, right panel). To investigate whether there is any association between the expression level of SOX2 and the development and progression of breast tumors, quantitative real-time RT-PCR analysis of primary tumor mRNAs was carried out to determine the relative expression levels of SOX2. We defined the overexpression cut-off value for tumors to be the normalized mean expression of SOX2 in normal tissue plus three times the standard deviation (20Wulf G.M. Ryo A. Wulf G.G. Lee S.W. Niu T. Petkova V. Lu K.P. EMBO J. 2001; 20: 3459-3472Crossref PubMed Scopus (475) Google Scholar). In 19 normal and 56 primary human breast cancer tissues that we examined, we observed a striking difference in the level of SOX2 expression. According to Bloom and Richardson's classification system (21Bloom H.J. Richardson W.W. Br. J. Cancer. 1957; 11: 359-377Crossref PubMed Scopus (2613) Google Scholar), SOX2 overexpression was observed in 33.3% (3 of 9) of ductal carcinoma in situ (DCIS) tumors, 42.3% (11 out of 26) of grade II tumors, and 57.1% (12 of 21) of grade III tumors (Fig. 1B). Moreover, Western blotting analysis of immunoreactive SOX2 in established mammary epithelial cell lines indicated that the levels of SOX2 in breast cancer cell lines were considerably higher than those in the two cell lines (MCF-10A, HBL100) derived from normal mammary epithelial cells (Fig. 1C). Collectively, these data suggest that the overexpression of SOX2 might be a frequent event in human breast cancer and that the level of SOX2 expression is correlated with the tumor grade. SOX2 Promotes Proliferation and Tumorigenesis of Breast Cancer Cells—Because of the crucial role of SOX2 in cell proliferation and differentiation, the deregulation of SOX2 expression in breast carcinomas and breast cell lines may have important pathological relevance. Thus, we next investigate the role of SOX2 expression in cell proliferation and tumorigenesis. First, both gain-of-function and loss-of-function experiments were performed to examine the effect of SOX2 overexpression or knockdown on cell cycle regulation in mammary carcinoma cells. In these experiments, MCF-7 cells were synchronized at the G0/G1 phases by serum starvation (22Shi B. Liang J. Yang X. Wang Y. Zhao Y. Wu H. Sun L. Zhang Y. Chen Y. Li R. Hong M. Shang Y. Mol. Cell. Biol. 2007; 27: 5105-5119Crossref PubMed Scopus (257) Google Scholar, 23Zhang Y. Zhang H. Liang J. Yu W. Shang Y. EMBO J. 2007; 26: 2645-2657Crossref PubMed Scopus (40) Google Scholar, 24Shang Y. Nat. Rev. Cancer. 2006; 6: 360-368Crossref PubMed Scopus (205) Google Scholar), at the G1/S boundary by double thymidine blocking (25Wang S.C. Nakajima Y. Yu Y.L. Xia W. Chen C.T. Yang C.C. McIntush E.W. Li L.Y. Hawke D.H. Kobayashi R. Hung M.C. Nat. Cell Biol. 2006; 8: 1359-1368Crossref PubMed Scopus (244) Google Scholar), or at mitosis (M phase) with nocodazole blocking (26Shifrin V.I. Davis R.J. Neel B.G. J. Biol. Chem. 1997; 272: 2957-2962Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (43) Google Scholar). Cell cycle profiling by FACS indicated that, after release from thymidine and nocodazole blocking, cells with either SOX2 overexpression or with SOX2 knockdown proceeded through the S and G2 phases with efficiencies and kinetics similar to those of control cells (Fig. 2A, upper panel). However, after release of the cells from G0/G1 arrest, overexpression of SOX2 was associated with an increase in the population of cells in the S+G2/M phases and a concomitant decrease in the population of cells in the G0/G1 phases (Fig. 2A, upper panel). Consistently, knockdown of the expression of SOX2 with siRNA resulted in an accumulation of cells in the G0/G1 phases. Similar results were also observed in one of basal-like breast cancer cell lines, MDA-MB-231 (data not shown). To confirm that the phenotypic behavior of cells with SOX2 knockdown was specifically caused by loss of SOX2 protein, we sought to “rescue” the effect of the SOX2 RNAi by constitutively expressing murine Sox2 in MCF-7 cells. As shown in Fig. 2A (lower panel), the expression of Sox2 in cells with SOX2 knockdown resulted in an increase in the population of cells in the S+G2/M phases, similar to the profile of the cells co-transfected with a combination of Sox2 and nonspecific siRNA, suggesting that the G0/G1 accumulation of cells with SOX2 knockdown was specifically associated with the loss of SOX2 protein. Collectively, these results indicate that SOX2 promotes the proliferation of breast cancer cells by facilitating the G1/S transition. To investigate the role of SOX2 in breast tumorigenesis, retrovirus (retro)-mediated overexpression and knockdown strategy was utilized. Retro-EGFP (retroviruses carrying the EGFP gene), Retro-SOX2 (retroviruses carrying the SOX2 gene), or Retro-SOX2-RNAi (retroviruses carrying an oligonucleotide specific for SOX2 mRNA) were constructed and used to infect MCF-7 cells. Anchorage-independent growth assays demonstrated that SOX2-overexpressing cells exhibited an increase both in the size and number of colonies formed on the soft agar, whereas knockdown of SOX2 expression resulted in a substantial reduction in the number of colony formed (Fig. 2B). The level of SOX2 expression in MCF-7 cells infected with Retro-EGFP, Retro-SOX2, or Retro-SOX2-RNAi was monitored by Western blotting (Fig. 2B, right panel). To assess the role of SOX2 on breast tumorigenesis in vivo, equal numbers of mock-, Retro-EGFP, Retro-SOX2, or Retro-SOX2-siRNA-infected MCF-7 cells were implanted onto the mammary fat pad of athymic BALB/c mice, and the growth of the implanted tumors was measured. The results of these experiments indicated that overexpression of SOX2 was associated with a significant tumor growth over an 8-week period, and knockdown of SOX2 expression resulted in a dramatic reduction in tumor volume (Fig. 2C). The increase/decrease in tumor volume could either be a reflection of enhanced/inhibited cell proliferation or a manifestation of inhibited/enhanced apoptosis. To further elucidate the mechanism by which SOX2 promotes mammary tumor growth, serial xenograft tumor sections were stained with Ki-67 and TUNEL, markers for cellular proliferation and apoptosis, respectively. As shown in Fig. 2D (upper panel), compared with the control, tumors with SOX2 overexpression showed more Ki-67-positive nuclei, whereas tumors with SOX2 knockdown exhibited significantly fewer Ki-67-positive nuclei. However, the apoptosis assay revealed no statistically significant difference in the percentage of TUNEL-positive cells between the control and experimental groups (Fig. 2D, lower panel), suggesting that SOX2 was able to promote cell proliferation and tumorigenesis in xenograft models. Taken together, these experiments indicate that SOX2 contributed to breast cancer cell proliferation and tumorigenic properties both in vitro and in vivo. Molecular Profiling of SOX2 Downstream Targets in Breast Cancer Cells—As stated before, SOX2 is a transcription factor that exerts its biological function through transactivation of its downstream target genes (2Wilson M. Koopman P. Curr. Opin. Genet. Dev. 2002; 12: 441-446Crossref PubMed Scopus (261) Google Scholar, 3Kamachi Y. Uchikawa M. Kondoh H. Trends Genet. 2000; 16: 182-187Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (520) Google Scholar). To further delineate the molecular mechanism underlying the cell proliferation and tumorigenic properties of SOX2, we investigated the gene expression profile in SOX2-overexpressing MCF-7 cells using Human Genome U133 Plus 2.0 Affymetrix Gene Chip. The microarray analysis identified 145 up-regulated genes and 41 down-regulated genes. The data were analyzed, and genes were classified into cellular signaling pathways that are known to be implicated in cell proliferation and differentiation with the Gene Ontology classification system using DAVID software (supplemental Fig. S1A). These alleles were all up-regulated by SOX2. The microarray results were validated by quantitative RT-PCR analysis of 7 genes selected to represent different levels of induction, including 4 up-regulated genes (CCND1, FGFR2, SMARCA1, and CXCL10) and 3 down-regulated genes (CSTA, MME, and ZNF407) (supplemental Fig. S1B). Identification of Cyclin D1 as a Downstream Target for SOX2—Among these SOX2-regulated genes, 4(FGFR2, RhoB, CCND1, and RET), all of which were up-regulated by SOX2, are reported to be related to cell growth and proliferation. To further dissect the signaling pathway leading to SOX2-mediated cell proliferation and tumorigenesis, gain-of-function and loss-of-function experiments were performed in MCF-7 cells in which the expression of SOX2 was silenced while the 4 genes were ectopically individually expressed (gain-of-function) or where SOX2 was overexpressed while the expression of the 4 genes was individually silenced (loss-of-function). The proliferation of MCF-7 cells under these experimental conditions was measured by BrdU incorporation assays. As shown in Fig. 3A, both the gain-of-function and loss-of-function experiments revealed that, while FGFR2, RHOB, and RET had marginal effects on SOX2-promoted cell proliferation, the most profound effect was found with CCND1, indicating that CCND1 is an important downstream target in mediating the cell proliferation activity of SOX2. The expression of the proteins was monitored by Western blotting (Fig. 3B). Similar results were also observed in one of basal-like breast cancer cell lines, MDA-MB-231 (data not shown). Next we investigated the regulation of endogenous cyclin D1 protein expression by SOX2 in MCF-7 cells. As shown in Fig. 3C, while either overexpression or knockdown of SOX2 had little effect on the expression of other cell cycle-regulated genes including cyclin D3, cyclin E, p21Cip1, and p27Kip1, the expression of cyclin D1 protein was elevated in cells overexpressing SOX2 and inhibited in cells with SOX2 knockdown. These results further support the argument that CCND1 gene is a downstream target for SOX2 in breast cancer cells. To further explore the role of cyclin D1 in mediating SOX2-promoted proliferation of breast cancer cells, we tested whether overexpression of cyclin D1 could alleviate the effect of G0/G1 accumulation under SOX2 knockdown. For this purpose, MCF-7 cells were co-transfected with SOX2 siRNA and cyclin D1 expression construct or with SOX2 siRNA plus an empty vector as control. FACS analysis revealed that cyclin D1 transfection in cells with SOX2 knockdown resulted in a significant increase in the percentage of cells in the S+G2/M phases (Fig. 4A, upper panel). On the other hand, even with SOX2 overexpression, knockdown of cyclin D1 expression was associated with a failure in the G1/S transition in MCF-7 cells (Fig. 4A, lower panel). The expression of SOX2, cyclin D1, and other cell cycle-related genes under different experimental conditions is shown in Fig. 4B. These results strongly favor the idea that cyclin D1 is a critical downstream mediator of SOX2 in promoting the G1/S transition and cell proliferation. Correlation of SOX2 and Cyclin D1 Expression in Breast Tumor Samples—As stated before, SOX2 is up-regulated in several types of cancers including pancreatic intraepithelial neoplasia, prostate cancer, gastric carcinoma, and breast cancer (7Dong C. Wilhelm D. Koopman P. Cytogenet Genome Res. 2004; 105: 442-447Crossref PubMed Scopus (122) Google Scholar, 8Gure A.O. Stockert E. Scanlan M.J. Keresztes R.S. Jager D. Altorki N.K. Old L.J. Chen Y.T. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2000; 97: 4198-4203Crossref PubMed Scopus (193) Google Scholar, 9Comtesse N. Zippel A. Walle S. Monz D. Backes C. Fischer U. Mayer J. Ludwig N. Hildebrandt A. Keller A. Steudel W.I. Lenhof H.P. Meese E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2005; 102: 9601-9606Crossref PubMed Scopus (66) Google Scholar, 10Sanada Y. Yoshida K. Ohara M. Oeda M. Konishi K. Tsutani Y. Pancreas. 2006; 32: 164-170Crossref PubMed Scopus (114) Google Scholar, 11Li X.L. Eishi Y. Bai Y.Q. Sakai H. Akiyama Y. Tani M. Takizawa T. Koike M. Yuasa Y. Int. J. Oncol. 2004; 24: 257-263PubMed Google Scholar, 12Sattler H.P. Lensch R. Rohde V. Zimmer E. Meese E. Bonkhoff H. Retz M. Zwergel T. Bex A. Stoeckle M. Wullich B. Prostate. 2000; 45: 207-215Crossref PubMed Scopus (86) Google Scholar, 13Rodriguez-Pinilla S.M. Sarrio D. Moreno-Bueno G. Rodriguez-Gil Y. Martinez M.A. Hernandez L. Hardisson D. Reis-Filho J.S. Palacios J. Mod. Pathol. 2007; 20: 474-481Crossref PubMed Scopus (187) Google Scholar). Analogously, CCND1 amplification/overexpression has been documented in ∼50% of breast carcinomas (27Arnold A. Papanikolaou A. J. Clin. Oncol. 2005; 23: 4215-4224Crossref PubMed Scopus (317) Google Scholar, 28Bartkova J. Lukas J. Muller H. Lutzhoft D. Strauss M. Bartek J. Int. J. Cancer. 1994; 57: 353-361Crossref PubMed Scopus (471) Google Scholar, 29Gillett C. Fantl V. Smith R. Fisher C. Bartek J. Dickson C. Barnes D. Peters G. Cancer Res. 1994; 54: 1812-1817PubMed Google Scholar). In light of our observation that SOX2 is capable of upregulating CCND1 expression, it was logical to postulate that the expression of SOX2 is correlated with the expression of CCND1 in primary breast carcinomas. To validate this hypothesis, the expression of CCND1 and SOX2 mRNAs was analyzed by real time RT-PCR in mammary tissues. As shown in Fig. 4C, statistical analysis found a Spearman correlation coefficient of 0.725 (p < 0.0001) between the expression of CCND1 and SOX2 mRNAs in the 26 breast carcinoma samples tested, whereas there was no correlation between CCND1 and SOX2 mRNA expression in 19 normal mammary tissue samples. These experiments further substantiate a functional link between SOX2 and cyclin D1 in brea
0
Citation352
0
Save
0

SNOSID, a proteomic method for identification of cysteine S-nitrosylation sites in complex protein mixtures

Gang Hao et al.Jan 17, 2006
Reversible addition of NO to Cys-sulfur in proteins, a modification termed S-nitrosylation, has emerged as a ubiquitous signaling mechanism for regulating diverse cellular processes. A key first-step toward elucidating the mechanism by which S-nitrosylation modulates a protein's function is specification of the targeted Cys (SNO-Cys) residue. To date, S-nitrosylation site specification has been laboriously tackled on a protein-by-protein basis. Here we describe a high-throughput proteomic approach that enables simultaneous identification of SNO-Cys sites and their cognate proteins in complex biological mixtures. The approach, termed SNOSID (SNO Site Identification), is a modification of the biotin-swap technique [Jaffrey, S. R., Erdjument-Bromage, H., Ferris, C. D., Tempst, P. & Snyder, S. H. (2001) Nat. Cell. Biol. 3, 193–197], comprising biotinylation of protein SNO-Cys residues, trypsinolysis, affinity purification of biotinylated-peptides, and amino acid sequencing by liquid chromatography tandem MS. With this approach, 68 SNO-Cys sites were specified on 56 distinct proteins in S -nitrosoglutathione-treated (2–10 μM) rat cerebellum lysates. In addition to enumerating these S-nitrosylation sites, the method revealed endogenous SNO-Cys modification sites on cerebellum proteins, including α-tubulin, β-tubulin, GAPDH, and dihydropyrimidinase-related protein-2. Whereas these endogenous SNO proteins were previously recognized, we extend prior knowledge by specifying the SNO-Cys modification sites. Considering all 68 SNO-Cys sites identified, a machine learning approach failed to reveal a linear Cys-flanking motif that predicts stable transnitrosation by S -nitrosoglutathione under test conditions, suggesting that undefined 3D structural features determine S-nitrosylation specificity. SNOSID provides the first effective tool for unbiased elucidation of the SNO proteome, identifying Cys residues that undergo reversible S-nitrosylation.
0

Dopamine D2 receptors form higher order oligomers at physiological expression levels

Wen Guo et al.Jul 31, 2008
Article31 July 2008free access Dopamine D2 receptors form higher order oligomers at physiological expression levels Wen Guo Wen Guo Center for Molecular Recognition, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Department of Psychiatry, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Search for more papers by this author Eneko Urizar Eneko Urizar Center for Molecular Recognition, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Department of Psychiatry, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Search for more papers by this author Michaela Kralikova Michaela Kralikova Center for Molecular Recognition, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Department of Psychiatry, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Search for more papers by this author Juan Carlos Mobarec Juan Carlos Mobarec Department of Structural and Chemical Biology, Mount Sinai School of Medicine, New York, NY, USA Search for more papers by this author Lei Shi Lei Shi Department of Physiology and Biophysics and the Institute for Computational Biomedicine, Weill Medical College of Cornell University, New York, NY, USA Search for more papers by this author Marta Filizola Marta Filizola Department of Structural and Chemical Biology, Mount Sinai School of Medicine, New York, NY, USA Search for more papers by this author Jonathan A Javitch Corresponding Author Jonathan A Javitch Center for Molecular Recognition, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Department of Psychiatry, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Department of Pharmacology, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Search for more papers by this author Wen Guo Wen Guo Center for Molecular Recognition, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Department of Psychiatry, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Search for more papers by this author Eneko Urizar Eneko Urizar Center for Molecular Recognition, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Department of Psychiatry, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Search for more papers by this author Michaela Kralikova Michaela Kralikova Center for Molecular Recognition, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Department of Psychiatry, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Search for more papers by this author Juan Carlos Mobarec Juan Carlos Mobarec Department of Structural and Chemical Biology, Mount Sinai School of Medicine, New York, NY, USA Search for more papers by this author Lei Shi Lei Shi Department of Physiology and Biophysics and the Institute for Computational Biomedicine, Weill Medical College of Cornell University, New York, NY, USA Search for more papers by this author Marta Filizola Marta Filizola Department of Structural and Chemical Biology, Mount Sinai School of Medicine, New York, NY, USA Search for more papers by this author Jonathan A Javitch Corresponding Author Jonathan A Javitch Center for Molecular Recognition, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Department of Psychiatry, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Department of Pharmacology, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA Search for more papers by this author Author Information Wen Guo1,2,‡, Eneko Urizar1,2,‡, Michaela Kralikova1,2, Juan Carlos Mobarec4, Lei Shi5, Marta Filizola4 and Jonathan A Javitch 1,2,3 1Center for Molecular Recognition, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA 2Department of Psychiatry, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA 3Department of Pharmacology, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, NY, USA 4Department of Structural and Chemical Biology, Mount Sinai School of Medicine, New York, NY, USA 5Department of Physiology and Biophysics and the Institute for Computational Biomedicine, Weill Medical College of Cornell University, New York, NY, USA ‡These authors contributed equally to this work *Corresponding author. Center for Molecular Recognition and Departments of Psychiatry and Pharmacology, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, 630W 168th street, P&S, Room 11-401, NY 10032, USA. Tel.: +1 21 230 573 08; Fax: +1 21 230 555 94; E-mail: [email protected] The EMBO Journal (2008)27:2293-2304https://doi.org/10.1038/emboj.2008.153 PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info G-protein-coupled receptors are generally thought to be organized as dimers; whether they form higher order oligomers is a topic of much controversy. We combined bioluminescence/fluorescence complementation and energy transfer to demonstrate that at least four dopamine D2 receptors are located in close molecular proximity in living mammalian cells, consistent with their organization as higher order oligomers at the plasma membrane. This implies the existence of multiple receptor interfaces. In addition to the symmetrical interface in the fourth transmembrane segment (TM4) we identified previously by cysteine (Cys) crosslinking, we now show that a patch of residues at the extracellular end of TM1 forms a second symmetrical interface. Crosslinking of D2 receptor with Cys substituted simultaneously into both TM1 and TM4 led to higher order species, consistent with our novel biophysical results. Remarkably, the rate and extent of crosslinking at both interfaces were unaltered over a 100-fold range of receptor expression. Thus, at physiological levels of expression, the receptor is organized in the plasma membrane into a higher order oligomeric structure. Introduction G-protein-coupled receptors (GPCRs) comprise a diverse, well-studied system for transducing signals from the extracellular milieu to a variety of intracellular signalling molecules (Bartfai et al, 2004). GPCRs have been inferred to be dimers in the plasma membrane (Pin et al, 2007; but see Chabre et al, 2003; Chabre and le Maire, 2005; James et al, 2006; Meyer et al, 2006). Class C receptors form homo- and heterodimers but have been inferred not to be organized as higher order oligomers (Brock et al, 2007). In contrast, several lines of evidence have suggested that class A receptors might exist as higher order oligomers, although this remains controversial (Chabre et al, 2003). Despite an explosion of recent interest, our understanding of the structural details and functional role of GPCR oligomerization is still limited. Most importantly, it has not been established whether activation of class A rhodopsin-like GPCRs is affected by their organization in a particular quaternary structure. Recently, both rhodopsin (Bayburt et al, 2007) and β2-adrenergic receptor (B2AR) (Whorton et al, 2007) have been shown to signal efficiently to G proteins when reconstituted into lipid nanodiscs containing only a single receptor. Thus, after solubilization and reconstitution, these GPCRs can function alone. However, whether in fact they do function alone in vivo cannot be addressed by such studies and requires an exploration of their native organization. Much evidence indicates that class C receptors exist and function as homo- or heterodimers (reviewed in Pin et al, 2003). Findings in class A glycoprotein hormone receptors support the existence of trans- as well as cis-activation (Ji et al, 2002), which requires them to be organized at least as dimers. In addition, ligand binding to one protomer in a GPCR dimer appears to be sufficient to cause an activation-like conformational change in the unoccupied protomer (Damian et al, 2006; Brock et al, 2007), consistent with transfer of information between the protomers and thus with a functional role of dimerization. An understanding of the structural basis of crosstalk between receptors must include their interfaces, but information about these interactions is still limited. In various class A receptors, cysteine (Cys) crosslinking studies have supported a contribution of transmembrane 4 (TM4) (Guo et al, 2003, 2005; Klco et al, 2003; Kota et al, 2006) or TM1 and TM2 (Klco et al, 2003) to a symmetrical interface. FRET studies performed in the alpha-factor yeast GPCR supported a contribution of TM1 to the dimer interface (Overton and Blumer, 2002). Work with peptides and receptor fragments has supported a contribution of TM1, TM4 and/or TM6 to interaction surfaces (Hebert et al, 1996; Ng et al, 1996; Baneres and Parello, 2003; Carrillo et al, 2004). Recently, a role for TM4 as part of a dimerization interface has been extended to the class B secretin-like class of GPCRs (Harikumar et al, 2007). Given the placement of TM1 and TM4 in the high-resolution structures of rhodopsin (Palczewski et al, 2000) and the B2AR (Cherezov et al, 2007), it is not possible for these segments to contribute to the same dimer interface. Although not without substantial controversy (Chabre et al, 2003), higher order packing of native rhodopsin into rows of well-organized protomers has been visualized by atomic force microscopy (AFM) (Fotiadis et al, 2003), and biochemical and biophysical findings in other GPCRs also suggest the possibility of higher order organization (Park and Wells, 2004; Lopez-Gimenez et al, 2007; Philip et al, 2007). A higher order organization of GPCRs could simultaneously provide for symmetrical TM1 and TM4 interfaces (Liang et al, 2003). Here, we use protein complementation assays combined with resonance energy transfer to demonstrate that in living mammalian cells, the dopamine D2 receptor (D2R) is organized in a unit comprised of at least four protomers. In addition to the symmetrical interface in TM4 we established previously by Cys crosslinking, in the present work, we identified a patch of residues at a second symmetrical interface at the extracellular end of TM1. As predicted by our biophysical data, crosslinking of receptors with Cys substituted simultaneously into both TM1 and TM4 led to higher order species, consistent with a higher order organization of D2R in the plasma membrane of intact cells. The rate and extent of crosslinking were unaltered over a 100-fold range of receptor expression, suggesting that the receptor is organized into a higher order structure at physiological levels of expression. Results Higher order oligomerization: resonance energy transfer evidence Given the controversy regarding the possibility that class A GPCRs are organized as higher order oligomers, we developed a biophysical approach using a combination of luminescence and fluorescence complementation and energy transfer approaches to explore the higher order structure of the D2R in living cells. First, we used bimolecular fluorescence (BiFC) (Hu et al, 2002) and luminescence (BiLC) (Paulmurugan et al, 2004) complementation assays to study the D2R dimer. Split fluorescent (or luminescent) proteins are not fluorescent (or luminescent) when expressed alone, but when fused to proteins that are located in close proximity, they can be assembled early in biosynthesis and thereby complement fluorescence (or luminescence) and report on molecular proximity (Kerppola, 2006). Coexpression of C-terminally tagged D2R with either split monomeric Venus (mVenus) (Zacharias et al, 2002) (D2–V1 and D2–V2) or split Renilla luciferase 8 (RLuc8) (Loening et al, 2006) (D2–L1 and D2–L2) resulted in efficient complementation of fluorescence or luminescence, respectively (Figure 1A and C). Evidence for specificity of the interactions came from experiments using the thyrotropin receptor (TSHr) fused at its C terminus to split Venus or RLuc8. TSHr readily complemented with TSHr (data not shown), but much lower levels of heterocomplementation were observed between D2R and TSHr with either combination of constructs (Figure 1B and D). Figure 1.D2R ‘dimerization’ as assessed by protein complementation. HEK 293T cells transiently coexpressing D2R split Venus (A) or RLuc8 (C) or D2R and the corresponding TSHr splits (B, D) were harvested 48 h post-transfection, washed with PBS, centrifuged and resuspended in PBS. Fluorescence was recorded for 1 s using 500 nm excitation and 540 nm emission filters (Polarstar, BMG). Unfiltered luminescence was recorded for 1 s (Gain 3900). Background was determined with cells expressing only one of the receptor probes and the signal to background ratio was plotted against the FACS ratio (A–D). For the FACS ratio, cells transfected in parallel were labelled with primary and secondary antibodies (Abs) as described previously (Costagliola et al, 1998) and in the Methods. Relative staining for each receptor was determined independently in the same cells with the same secondary anti-mouse Ab to determine the FACS ratio. Representative results from at least three independent experiments are shown. Inset in (A) illustrates HTRF experiments performed in cells expressing identical amounts of D2–V1 and D2–V2 as compared with SF–D2 and SM–D2, respectively. Download figure Download PowerPoint Homogeneous time-resolved fluorescence (HTRF) experiments using probes directed against distinct N-terminal epitope tags in the split D2R constructs confirmed their interaction at the cell surface. Complementation of the split probes did not affect energy transfer (Figure 1A inset), indicating that complementation does not enhance D2R–D2R interactions. Thus, the proximity of receptors in a dimeric or oligomeric complex early in biosynthesis (Kerppola, 2006) is maintained on the plasma membrane, with or without complementation. To confirm that complementation is without impact on plasma membrane expression, we performed confocal microscopy analysis of various combinations of the transfected receptor constructs. As expected, Venus complemented by D2–V1 and D2–V2 is almost exclusively on the plasma membrane (Supplementary Figure 1c). In striking contrast, the lower levels of complementation of TSHr and D2R originate exclusively from receptor complexes that are retained intracellularly (Supplementary Figure 1c). Similar intracellular retention was observed upon coexpression of D2R–V1 and the single membrane-spanning protein CD8 fused to V2, which was tested as an additional control (Supplementary Figure 1c). We also carried out cell surface fluorescence-activated cell sorting (FACS) analysis, which indicated that any combination of TSHr and D2R that can complement (V1–V2 or L1–L2 in both orientations) leads to complete intracellular retention of TSHr (Supplementary Figure 1d inset). Thus, the low nonspecific complementation appears to result from receptors that become inappropriately attached by cotranslational folding of Venus or RLuc8, but the quality control mechanism of the cell does not allow these species to reach the cell surface. In parallel, we also used bioluminescence resonance energy transfer (BRET) (Xu et al, 1999) to study receptor interactions. We performed BRET titration experiments with cells coexpressing constant amounts of D2–RLuc8 and increasing concentrations of D2–Venus (full-length versions of the previously split proteins). A specific and saturable BRET signal was observed for D2R–D2R (Figure 2A), as well as for the TSHr–TSHr (data not shown), which is known to homodimerize (Urizar et al, 2005). The level of BRET between D2R–RLuc8 and TSHr–Venus was low, but the expression levels of the TSHr–Venus were not sufficient to titrate fully the D2–RLuc8. To insure that the direction and the orientation of the BRET between the receptors did not affect the results and to allow full titration between TSHr and D2R, we swapped the probes and still observed very low and right-shifted BRET, which in this case was titrated fully (Figure 2A). In contrast to the hetero-complementation studies described above, TSHr–RLuc8 was seen on the plasma membrane in the presence of D2–Venus (data not shown). Figure 2.Biophysical evidence of higher order oligomerization. (A) Two-protomer BRET: increasing amounts of D2–Venus were coexpressed with constant amounts of either D2–RLuc8 or TSHr–RLuc8 in HEK 293T cells. At 48 h post-transfection, BRET was performed and the BRET signals were plotted against the relative expression levels of each tagged receptor. Results were analysed by nonlinear regression assuming a model with one site binding (GraphPad Prism 4.0) on a pooled data set from four independent experiments. (B) BRET was performed as described above in cells coexpressing constant amounts of D2–RLuc8 and increasing amounts of D2–Venus in the absence (▪ and solid line), or presence of three different class A GPCRs (D2R: □ and dashed line; TSHr: • and dotted line; CXCR4: × and dotted line). Cell surface expression of each untagged receptor used as a competitor was monitored by FACS (not shown). As above, pooled BRET signals from three independent experiments were plotted against relative expression ratios assuming a one-binding site model. (C) BRET assay was performed in cells coexpressing constant D2–RLuc8 and increasing D2–Venus with increasing amounts of untagged D2R as described above. The increasing level of surface expression of the competing D2R and surface expression of TSH and CXCR4 was confirmed by FACS (data not shown). A representative experiment performed three times is shown. (D and inset) Three-protomer BRET: cells coexpressing constant amounts of D2–L1 and D2–L2 as a BRET donor (complemented RLuc8) and increasing amounts of either D2–Venus or TSHr–Venus as the acceptors were treated and analysed identically as described in (A). Data from a pooled data set from four independent experiments are shown. (E) Three-protomer BRET: cells coexpressing increasing amounts of D2–V1 and D2–V2 as the BRET acceptor (complemented mVenus) and either D2–RLuc8 or TSHr–RLuc8 as donors were treated and analysed identically as described in (A). Data from a pooled data set from four independent experiments are shown. (F and inset) Four-protomer BRET: Cells coexpressing increasing amounts of D2–V1 and D2–V2 as the BRET acceptor (complemented mVenus) and constant amounts of either D2–L1 and D2–L2 or TSHr–L1 and TSHr–L2 as donors (complemented RLuc8) were treated and analysed identically as described in (A). Data from a pooled data set from four independent experiments are shown. Cartoons represent different receptor species: D2 depicted as a 7TM alone and TSHr as the 7TM with the large extracellular domain. mVenus and the splits are represented as elliptical and RLuc8 and the splits as rectangular. In the legends, + separates donor (first) from the acceptor (second) and _ indicates the complemented pairs. Download figure Download PowerPoint To confirm the specificity of these interactions, to rule out a role of the biosensor orientation and to avoid biased comparisons between different BRET couples, we performed BRET experiments in the presence of different concentrations of untagged receptor, which would be expected to inhibit the BRET signal by competing for dimerization with the receptors fused to the probes. To ensure that the signal was consistent over the entire range of coexpression, we performed these experiments over a wide range of donor concentrations. Coexpression of untagged D2R decreased the BRET signal, whereas coexpression of TSHr or CXCR4 was without effect (Figure 2B). Competition over the entire titration range rules out changes in the absolute or relative levels of expression of the BRET probes as the cause of the decreased BRET signal (Figure 2B and C). The decrease in maximal BRET, without an associated increase in BRET50, suggests caution in the use of BRET50 analysis in studying receptor interactions that might be stable. Thus, BiFC, BiLC, HTRF and BRET assays all were consistent with the robust formation of D2R ‘dimers’, although, one can only infer from these parallel approaches that the receptor forms at least a dimer. Once we established the basic ‘dimeric’ unit, we combined the different constructs to probe the existence of higher order oligomeric complexes in living cells. Complementing RLuc8 with coexpression of D2–L1 and D2–L2 resulted in a very efficient donor for the full-length D2–Venus but not for the TSHr–Venus (Figure 2D). As for the full-length BRET (see above), only the complemented RLuc8 generated by coexpressing D2–L1 and D2–L2 was a donor for D2–Venus and none of the other combinations assayed substituting L1, L2 or both with TSHr–splits gave significant BRET signals (Supplementary Figure 2a and b). Similar results were obtained expressing constant amounts of D2–RLuc8 full-length construct as donor with the split acceptor constructs, mVenus (D2–V1 and D2–V2) (Figure 2E; Supplementary Figure 2c). All the tested probes were expressed and functional (Supplementary Figure 1a and b) and transfections were adapted so that the relative expression levels would be comparable. Although the TSHr constructs could not be combined with the D2R constructs to produce ‘three-protomer’ BRET, under similar conditions, BRET was readily observed when all the probes were attached to TSHr (Supplementary Figure 2b). In summary, when the three probes were all from D2R or all from TSHr, regardless of which reporter was split, BRET was most efficient, whereas the titration curves were right shifted dramatically when one of the protomers was substituted by the other receptor. This set of experiments confirms that D2R can form higher order complexes containing at least three receptors. To establish that the minimum oligomeric unit is formed by at least four receptors, we carried out experiments in which both the donor and the acceptor were split and complemented. We coexpressed constant amounts of split RLuc8 (D2–L1 and D2–L2) with increasing amounts of split mVenus (D2–V1 and D2–V2), and we detected specific and saturable energy transfer between the complemented probes used as donor and acceptor, respectively (Figure 2F). Again, when any of the four probes was substituted by a homologous TSHr probe, the BRET curves were dramatically right shifted. It is important to note that complementation of either luminescence or fluorescence requires that the RLuc8 or Venus be assembled early in biosynthesis. Therefore, given the enormous number of ‘non-productive’ receptor combinations that would fail to show fluorescence or luminescence, or would show luminescence and/or fluorescence but not BRET (Supplementary Figure 5), our observation of a substantial ‘four-protomer BRET’ signal is remarkable. Our demonstration of resonance energy transfer between the complemented RLuc8 and the complemented Venus shows that at least four receptors are located in close molecular proximity in living cells. A patch of residues at the extracellular end of TM1 forms a second symmetric dimerization interface We had previously identified a site of symmetrical interaction in TM4 of D2R (Guo et al, 2003, 2005), but the energy transfer data described above imply the existence of another interface. A molecular model proposed based on the AFM data of native murine rhodopsin (Fotiadis et al, 2003; Liang et al, 2003) placed a second symmetrical interface in TM1, and we therefore first focused on this region. In our background D2R construct (see Methods), the endogenous Cys1684.58 at the TM4 interface is mutated to Ser to eliminate crosslinking (Guo et al, 2003). In this background, we mutated each residue in TM1 to Cys, one at a time, from the extracellular end (P321.30) to the beginning of the putative first intracellular loop (R611.59) and stably expressed these mutants in HEK 293 cells. On the basis of immunoblotting, 28 of the mutant receptors were well expressed and maturely glycosylated, whereas mutation to Cys of the highly conserved residue N521.50 led to loss of immunoreactivity (Figure 3A and B). Of the 28 Cys mutants that were expressed, treatment with 1 mM copper phenanthroline (CuP) led to oxidative crosslinking of four mutants (Y361.34C, Y371.35C, L401.38C and L431.41C) to a species with a mobility on SDS–PAGE consistent with that of a D2R dimer (Figure 3A and B), as we observed previously with selected Cys in TM4 (Guo et al, 2005). To estimate the susceptibilities to crosslinking, we treated the mutants with a range of CuP concentrations. As shown in Figure 3, the crosslinking was saturable at all four positions, with different susceptibilities to crosslinking and different maximal crosslinking (Figure 3C–J). The mutant Y371.35C was the most susceptible to crosslinking (Figure 3E and F). Figure 3.TM1 forms a symmetrical ‘dimerization’ interface in D2R. (A, B) Intact cells stably expressing substituted Cys mutants in TM1 from P321.30C to R611.59C (denoted using the indexing system described in Methods) (except for non-expressed N521.50C and the endogenous C561.54, which is present in the background construct and all the mutants) were treated with 1 mM CuP in a 1:2 molar ratio at 25°C for 10 min, washed with PBS buffer, treated with NEM and analysed by immunoblotting. (C–J) Crosslinking was performed as described above with increasing concentrations of CuP for the four Cys mutants of interest Y361.34C (C, D), Y371.35C (E, F), L401.38C (G, H) and L431.41C (I, J). The dimer fraction is plotted against CuP concentration to determine the apparent crosslinking rates and efficiency. (K, L). Intact cells were treated with 1 mM CuP for Y361.34C, L401.38C and L431.41C and 5 μM for Y371.35C in the absence or presence of 10 μM sulpiride or 10 μM quinpirole. Quantification of crosslinking fractions was performed as described in Methods. All experiments were repeated ⩾3 times, and one representative experiment is shown. Download figure Download PowerPoint To explore the potential effect of ligand binding on the TM1 interface, we treated each of the four mutants with a non-saturating concentration of CuP in the presence and absence of either agonist or antagonist. In contrast to our findings in TM4 (Guo et al, 2005), we did not see a significant effect of these ligands on crosslinking of any of the TM1 Cys mutants (Figure 3K and L). These data suggest that a patch of residues near the extracellular end of TM1 contributes to a symmetrical interface that does not appear to undergo major conformational changes upon ligand binding. Consistent with our predictions (Shi et al, 2001), the recent high-resolution structure of the B2AR (Cherezov et al, 2007), which has much greater sequence similarity with the D2R, showed that the greatest divergence between rhodopsin and the B2AR structure is the presence of a much straighter TM1 in B2AR. We built a homology model of the D2R based on the B2AR structure (see Materials and methods), and packed the TM1 interface to satisfy our crosslinking data (Figure 4). The same packing is not possible in the rhodopsin model, as the TM1 helices would clash in such a configuration (Figure 4D and E). Figure 4.Molecular model of the TM1 interface and of a D2R oligomeric arrangement. Ribbon representations of (A) vertical, (B) extracellular and (C) cytoplasmic views of the proposed TM1–TM1 interacting regions of the D2R homodimer. The TM1 and H8 helices at the interface are highlighted by thicker traces. The Cβ atoms of residues that crosslink when mutated to Cys are shown in CPK representations in different colours. (D) Vertical and (E) extracellular views of the best fit between rhodopsin-based models of the D2R protomers (only TM1 helices are shown; orange and yellow colours) and the proposed B2AR-based model of the TM1–TM1 homodimer of D2R (cyan and grey colours). (F) Schematic representation of a possible D2R oligomeric organization based on inferences from our crosslinking studies (see Methods). Eight protomers are shown. The four protomers with red in the interior can be crosslinked in the 1.35C/4.58C construct. The four protomers contained in the yellow contour can be crosslinked in the 1.35C/5.41C construct (see Discussion). Download figure Download PowerPoint The configuration that was most compatible with our observed TM1 crosslinking places helix 8 (H8) in direct interaction with H8 from the adjacent protomer (see Discussion). In an attempt to validate this prediction, we created a series of Cys mutations (F4377.64C, L4387.65C and K4397.66C) in H8 and stably expressed these in HEK 293 cells. In intact cells, no crosslinking of the H8 Cys mutants was observed with CuP treatment (data not shown). In contrast, treatment with the membrane permeant crosslinker HgCl2 led to crosslinking of L4387.65C, consistent with the prediction of our model of the TM1 interface (Figures 4A–C and 5C). Thus, based on the biochemical and computational data, we infer that H8 is part of the symmetrical TM1 interface. Figure 5.TM1 and TM4 contribute to symmetrical interfaces in higher order D2R complexes. (A) Intact cells stably expressing a D2R TM1–TM4 double Cys mutant with both TM1 Y371.35C and the endogenous TM4 C1684.58 were treated with increasing concentrations of CuP as described in Figure 3. A representative blot is shown with the different species as determined by the mass molecular weight standards. (B) Fractions of the different species at the indicated CuP concentration from three independent experiments (mean±s.d.). (C) Intact cells stably expressing F4377.64C, L4387.65C or K4397.66C in H8 an
Load More