Stimulatory coupling of dopamine D1 (D1R) and adenosine A2A receptors (A2AR) to adenylyl cyclase within the striatum is mediated through a specific Gαolfβ2γ7 heterotrimer to ultimately modulate motor behaviors. To dissect the individual roles of the Gαolfβ2γ7 heterotrimer in different populations of medium spiny neurons (MSNs), we produced and characterized conditional mouse models, in which the Gng7 gene was deleted in either the D1R- or A2AR/D2R-expressing MSNs. We show that conditional loss of γ7 disrupts the cell type-specific assembly of the Gαolfβ2γ7 heterotrimer, thereby identifying its circumscribed roles acting downstream of either the D1Rs or A2ARs in coordinating motor behaviors, including in vivo responses to psychostimulants. We reveal that Gαolfβ2γ7/cAMP signal in D1R-MSNs does not impact spontaneous and amphetamine-induced locomotor behaviors in male and female mice, while its loss in A2AR/D2R-MSNs results in a hyperlocomotor phenotype and enhanced locomotor response to amphetamine. Additionally, Gαolfβ2γ7/cAMP signal in either D1R- or A2AR/D2R-expressing MSNs is not required for the activation of PKA signaling by amphetamine. Finally, we show that Gαolfβ2γ7 signaling acting downstream of D1Rs is selectively implicated in the acute locomotor-enhancing effects of morphine. Collectively, these results support the general notion that receptors use specific Gαβγ proteins to direct the fidelity of downstream signaling pathways and to elicit a diverse repertoire of cellular functions. Specifically, these findings highlight the critical role for the γ7 protein in determining the cellular level, and hence, the function of the Gαolfβ2γ7 heterotrimer in several disease states associated with dysfunctional striatal signaling.SIGNIFICANCE STATEMENT Dysfunction or imbalance of cAMP signaling in the striatum has been linked to several neurologic and neuropsychiatric disorders, including Parkinson's disease, dystonia, schizophrenia, and drug addiction. By genetically targeting the γ7 subunit in distinct striatal neuronal subpopulations in mice, we demonstrate that the formation and function of the Gαolfβ2γ7 heterotrimer, which represents the rate-limiting step for cAMP production in the striatum, is selectively disrupted. Furthermore, we reveal cell type-specific roles for Gαolfβ2γ7-mediated cAMP production in the control of spontaneous locomotion as well as behavioral and molecular responses to psychostimulants. Our findings identify the γ7 protein as a novel therapeutic target for disease states associated with dysfunctional striatal cAMP signaling.

Abstract GPR37L1 is an orphan receptor that couples through heterotrimeric G-proteins to regulate physiological functions. Since its role in humans is not fully defined, we used an unbiased computational approach to assess the clinical significance of rare GPR37L1 genetic variants found among 51,289 whole exome sequences from the DiscovEHR cohort. Briefly, rare GPR37L1 coding variants were binned according to predicted pathogenicity, and analyzed by Sequence Kernel Association testing to reveal significant associations with disease diagnostic codes for epilepsy and migraine, among others. Since associations do not prove causality, rare GPR37L1 variants were then functionally analyzed in SK-N-MC cells to evaluate potential signaling differences and pathogenicity. Notably, receptor variants exhibited varying abilities to reduce cAMP levels, activate MAPK signaling, and/or upregulate receptor expression in response to the agonist prosaptide (TX14(A)), as compared to the wild-type receptor. In addition to signaling changes, knockout of GPR37L1 or expression of certain rare variants altered cellular cholesterol levels, which were also acutely regulated by administration of the agonist TX14(A) via activation of the MAPK pathway. Finally, to simulate the impact of rare nonsense variants found in the large patient cohort, a knockout (KO) mouse line lacking Gpr37L1 was generated, revealing loss of this receptor produced sex-specific changes implicated in migraine-related disorders. Collectively, these observations define the existence of rare GPR37L1 variants in the human population that are associated with neuropsychiatric conditions and identify the underlying signaling changes that are implicated in the in vivo actions of this receptor in pathological processes leading to anxiety and migraine. SIGNIFICANCE STATEMENT G-protein coupled receptors (GPCRs) represent a diverse group of membrane receptors that contribute to a wide range of diseases and serve as effective drug targets. However, a number of these receptors have no identified ligands or functions, i.e., orphan receptors. Over the past decade, advances have been made, but there is a need for identifying new strategies to reveal their roles in health and disease. Our results highlight the utility of rare variant analyses of orphan receptors for identifying human disease associations, coupled with functional analyses in relevant cellular and animal systems, to ultimately reveal their roles as novel drug targets for treatment of neurological disorders that lack wide-spread efficacy.

Many G protein-coupled receptors (GPCRs) lack common variants that lead to reproducible genome-wide disease associations. Here we used rare variant approaches to assess the disease associations of 85 orphan or understudied GPCRs in an unselected cohort of 51,289 individuals. Rare loss-of-function variants, missense variants predicted to be pathogenic or likely pathogenic, and a subset of rare synonymous variants were used as independent data sets for sequence kernel association testing (SKAT). Strong, phenome-wide disease associations shared by two or more variant categories were found for 39% of the GPCRs. Validating the bioinformatics and SKAT analyses, functional characterization of rare missense and synonymous variants of GPR39, a Family A GPCR, showed altered expression and/or Zn2+-mediated signaling for members of both variant classes. Results support the utility of rare variant analyses for identifying disease associations for genes that lack common variants, while also highlighting the functional importance of rare synonymous variants.

Obstructive sleep apnea (OSA) is defined by frequent episodes of reduced or complete cessation of airflow during sleep and is linked to negative health outcomes. Understanding the genetic factors influencing expression of OSA may lead to new treatment strategies. Electronic health records can be leveraged to both validate previously reported OSA-associated genomic variation and detect novel relationships between these variants and comorbidities. We identified candidate single nucleotide polymorphisms (SNPs) via systematic literature review of existing research. Using datasets available at Geisinger (n=39,407) and Vanderbilt University Medical Center (n=24,084), we evaluated associations between 48 SNPs and OSA diagnosis, defined using clinical codes. We also evaluated associations between these SNPs and OSA severity measures obtained from sleep reports at Geisinger (n=6,571). Finally, we used a phenome-wide approach to perform discovery and replication analyses testing associations between OSA candidate SNPs and other clinical codes and laboratory values. Ten SNPs were associated with OSA diagnosis in at least one dataset, and one additional SNP was associated following meta-analysis across all datasets. Three other SNPs were solely associated in subgroups defined by established risk factors (i.e., age, sex, and BMI). Five OSA diagnosis-associated SNPs, and 16 additional SNPs, were associated with OSA severity measures. SNPs associated with OSA diagnosis were also associated with codes reflecting cardiovascular disease, diabetes, celiac disease, peripheral nerve disorders and genitourinary symptoms. Results highlight robust OSA-associated SNPs, and provide evidence of convergent mechanisms influencing risk for co-occurring conditions. This knowledge can lead to more personalized treatments for OSA and related comorbidities.

GPR37L1 is an orphan receptor that couples through heterotrimeric G-proteins to regulate physiological functions. Since its role in humans is not fully defined, we used an unbiased computational approach to assess the clinical significance of rare G-protein-coupled receptor 37-like 1 ( GPR37L1 ) genetic variants found among 51,289 whole-exome sequences from the DiscovEHR cohort. Rare GPR37L1 coding variants were binned according to predicted pathogenicity and analyzed by sequence kernel association testing to reveal significant associations with disease diagnostic codes for epilepsy and migraine, among others. Since associations do not prove causality, rare GPR37L1 variants were functionally analyzed in SK-N-MC cells to evaluate potential signaling differences and pathogenicity. Notably, receptor variants exhibited varying abilities to reduce cAMP levels, activate mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling, and/or upregulate receptor expression in response to the agonist prosaptide (TX14(A)), as compared with the wild-type receptor. In addition to signaling changes, knock-out (KO) of GPR37L1 or expression of certain rare variants altered cellular cholesterol levels, which were also acutely regulated by administration of the agonist TX14(A) via activation of the MAPK pathway. Finally, to simulate the impact of rare nonsense variants found in the large patient cohort, a KO mouse line lacking Gpr37l1 was generated. Although KO animals did not recapitulate an acute migraine phenotype, the loss of this receptor produced sex-specific changes in anxiety-related disorders often seen in chronic migraineurs. Collectively, these observations define the existence of rare GPR37L1 variants associated with neuropsychiatric conditions in the human population and identify the signaling changes contributing to pathological processes.

The striatal D 1 dopamine receptor (D 1 R) and A 2a adenosine receptor (A 2a R) signaling pathways play important roles in drug-related behaviors. These receptors activate the G olf protein comprised of a specific combination of α olf β 2 γ 7 subunits. During assembly, the γ 7 subunit sets the cellular level of the G olf protein. In turn, the amount of G olf protein determines the collective output from both D 1 R and A 2a R signaling pathways. This study shows the Gng7 gene encodes multiple γ 7 transcripts differing only in their non-coding regions. In striatum, Transcript 1 is the predominant isoform. Preferentially expressed in the neuropil, Transcript 1 is localized in dendrites where it undergoes post-transcriptional regulation mediated by regulatory elements in its 3′ untranslated region that contribute to translational suppression of the γ 7 protein. Earlier studies on gene-targeted mice demonstrated loss of γ 7 protein disrupts assembly of the G olf protein. In the current study, morphological analysis reveals the loss of the G olf protein is associated with altered dendritic morphology of medium spiny neurons. Finally, behavioral analysis of conditional knockout mice with cell-specific deletion of the γ 7 protein in distinct populations of medium spiny neurons reveals differential roles of the G olf protein in mediating behavioral responses to cocaine. Altogether, these findings provide a better understanding of the regulation of γ 7 protein expression, its impact on G olf function, and point to a new potential target and mechanisms for treating addiction and related disorders.