transcript advances in g protein-coupled receptor ......sean sanders: hello to our viewers and...

29
1 Advances in G ProteinCoupled Receptor Research [0:00:00] Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G ProteinCoupled Receptor Research.” My name is Sean Sanders and I’m the commercial editor at Science Magazine. Slide 1 Membrane bound G proteincoupled receptors or GPCRs play an integral role in sensing the external environment of the cell. A broad range of external stimuli signal through GPCRs including neurotransmitters, hormones, odor molecules, cations, and even photons. Their position at the apex of essential signal transduction pathways means that malfunctioning of these molecules frequently leads to disease, making them a perfect target for drug therapies. Further, naturally occurring and induced mutations in GPCRs can provide valuable information about these signaling pathways and their role in human pathologies. For today’s webinar, I’m very pleased to have with us a truly exceptional panel of scientists and thought leaders who we trust will give us valuable insight into GPCR proteins and their role in signaling and disease, as well as share their experience of the techniques and technologies available to study GPCRs. In the studio today, we have sitting to my left Dr. Jeffrey Conn from Vanderbilt University Medical Center in Nashville, Tennessee; next is Dr. Michel Bouvier from the Institute for Research in Immunology and Cancer at Montreal University; and at the far end of the table is Dr. Brian Kobilka from Stanford University School of Medicine in California. Before we begin our first presentation, I wanted to remind you all that if you wish to see an enlarged version of any of the slides presented today, you can simply click the enlarge slides button located just underneath the slide window of your web console. If you like, you can also download a PDF copy of all the slides using the download slides button. Please be aware that the file is quite large so it might take a few minutes to download. To submit a question live to our panel or to a particular speaker, just type it into the askaquestion box on the bottom left of your viewing console and click submit. I’ll do my best to pose as many questions as

Upload: others

Post on 14-Sep-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

1

Advances in G Protein‐Coupled Receptor Research  [0:00:00] Sean Sanders:  Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar 

entitled “Advances in G Protein‐Coupled Receptor Research.” My name is Sean Sanders and I’m the commercial editor at Science Magazine. 

 Slide 1    Membrane  bound  G  protein‐coupled  receptors  or  GPCRs  play  an 

integral  role  in  sensing  the external environment of  the  cell. A broad range  of  external  stimuli  signal  through  GPCRs  including neurotransmitters,  hormones,  odor  molecules,  cations,  and  even photons.  Their  position  at  the  apex  of  essential  signal  transduction pathways  means  that  malfunctioning  of  these  molecules  frequently leads  to  disease,  making  them  a  perfect  target  for  drug  therapies. Further,  naturally  occurring  and  induced  mutations  in  GPCRs  can provide valuable information about these signaling pathways and their role in human pathologies. 

   For  today’s  webinar,  I’m  very  pleased  to  have  with  us  a  truly 

exceptional panel of  scientists and  thought  leaders who we  trust will give us valuable  insight  into GPCR proteins and  their  role  in  signaling and disease,  as well  as  share  their  experience of  the  techniques  and technologies available to study GPCRs. 

   In  the  studio  today, we have  sitting  to my  left Dr.  Jeffrey Conn  from 

Vanderbilt University Medical  Center  in Nashville,  Tennessee;  next  is Dr. Michel Bouvier from the  Institute for Research  in  Immunology and Cancer  at Montreal University;  and  at  the  far  end  of  the  table  is Dr. Brian Kobilka from Stanford University School of Medicine in California. 

   Before we begin our first presentation, I wanted to remind you all that 

if you wish  to  see an enlarged version of any of  the  slides presented today,  you  can  simply  click  the  enlarge  slides  button  located  just underneath the slide window of your web console. If you  like, you can also download a PDF  copy of all  the  slides using  the download  slides button. Please be aware that the file is quite large so it might take a few minutes to download. 

   To submit a question  live  to our panel or  to a particular speaker,  just 

type  it  into the ask‐a‐question box on the bottom  left of your viewing console and click submit.  I’ll do my best to pose as many questions as 

Page 2: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

2

possible to the panel. Keeping them short and to the point will give you the best chance of having them answered. 

   Finally, I’d like to thank Roche Diagnostics and their xCELLigence System 

who are kind sponsors for today’s webinar.    Okay, I think we’re ready to begin.  Slide 2    So  our  first  speaker  today  is Dr.  Jeffrey  Conn. Dr.  Conn  received  his 

Ph.D. in Pharmacology from Vanderbilt University in 1986 and pursued postdoctoral  studies  in  the  Department  of  Pharmacology  at  Yale University.  He  then  joined  the  faculty  of  the  Department  of Pharmacology at Emory University and in 2000 assumed the position of Senior Director and Head of the Department of Neuroscience at Merck and Company’s site in West Point, Pennsylvania. 

   Dr.  Conn  returned  to  Vanderbilt  University  in  2003  to  start  a  new 

program  in  drug  discovery,  with  a  primary  mission  of  facilitating translation of  recent  advances  in basic  science  to novel  therapeutics. He  is  currently  the  Lee  E.  Limbird  Professor  of  Pharmacology  and Director  of  the  Vanderbilt  Program  in  Drug  Discovery.  Dr.  Conn  is Editor‐in‐Chief  of Molecular  Pharmacology,  Regional  Editor  for North America  of  Current  Neuropharmacology,  and  also  serves  on  the editorial board of six other international journals. 

   Dr. Conn has received numerous awards and honors and was named an 

ISI  Most‐Cited  Scientists  in  Pharmacology  &  Toxicology.  Dr.  Conn’s current  research  is  focused  on  the  development  of  novel  treatment strategies  for  schizophrenia,  Parkinson’s  disease,  and  other  brain disorders. 

   Welcome, Dr. Conn.  Dr. Jeffrey Conn:  Thank you, Sean.  Slide 3    So before I begin to discuss some of the more recent work that we have 

pursued  in our  lab,  I will  focus on work  that we have done  in  recent years and I will focus on just a brief overview of the GPCR field. 

 

Page 3: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

3

  So  thinking  about  the  GPCRs,  the  GPCRs  are  positioned  in  a  setting where  they have an extracellular domain and an  intracellular domain. The  extracellular  domain  interacts  with  extracellular  stimuli  such  as hormones and neurotransmitters and then activates to proteins  in the intracellular  environment  that  have  a wide  variety  of  effects  on  cell function. So this is the largest class of receptors, cell‐surface receptors. There are  three major  subclasses within  the GPCR  super  family. They play  critical  roles  in  virtually  every  major  organ  system  and  are activated  by  a  wide  range  of  ligands  including  ions,  odorants, neurotransmitters, hormones as  I mentioned, and photons of  light, so quite  a  diverse  array  of  ligands  that  activate  these  receptors,  and coupled  to  a broad  range of effector  systems  and  second messenger pathways that we’ll hear more about. 

 [0:05:04]    One of  the  important  things about  the G protein‐coupled  receptors  is 

that  they  are  involved  in multiple  human  disease  states  and  are  the targets  of  approximately  50%  of  all modern  drugs.  To  they  are  very critical  for  novel  therapeutics  and  thinking  about  new  therapeutic strategies for different human disorders. 

   While we understand  the GPCRs  and have  ligands  for many of  these 

receptors, there are still many receptors in this family for which we do not have ligands. Approximately 1000 genes exist for G protein‐coupled receptors, many of which we do not have  ligands to either activate or inhibit. 

 Slide 4    So  when  we  think  about  some  of  the  major  advances  that  have 

occurred  in GPCR  research  in  recent  years, we’ll hear  about many of those today, there have been major advances  in our understanding of this  function of GPCRs and how  that  relates  to  the  structure,  so new insights  into  the  structure of GPCRs and  their associated  functions of representing  a major  breakthrough  and  increasing  understanding  of hetero‐  and  homodimerization  and  oligomerization,  how  these  may impact  GPCR  function,  increased  understanding  of  complex  signaling pathways and this includes large networks of signaling pathways as well as G protein‐independent  signaling mechanisms. And  then what  I will talk to you about today are studies that we have performed and others in  recent  years,  focused  on  novel  approaches  to  regulate G  protein‐coupled  receptors  with  allosteric  modulators  that  provide  in  many cases an unprecedented cell activity for specific GPCR subtypes. 

Page 4: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

4

 Slide 5    So the work that I will talk to you about began with an interest that we 

had  in  developing  new  therapeutic  strategies  for  treatment  of schizophrenia,  and  we  had  identified  a  specific  G  protein‐coupled receptor termed mGluR5, metabotropic glutamate receptor 5, which is a receptor for the major excitatory transmitter in the brain, glutamate, and  this  is  just  a  cartoon  illustrating  the  position  of mGluR5  at  the glutamatergic  synapse. And without  going  into  all of  the biology  that led  to  the  hypothesis  that  agonists  of  this  receptor  might  have antipsychotic activity, I’ll just focus on the strategies that we have taken to try to develop these compounds. 

   So when we began  these  studies, mGluR5 was  similar  to many other 

receptors  in  this  class  of GPCRs  in  that  there were  no  known  highly selective agonists or antagonists for this specific receptor subtype. 

 Slide 6    However,  when  individuals  began  to  focus  on  developing  highly 

selective  tools,  the  first breakthroughs  that occurred were developing selective  antagonists,  and what was  unique  about  the  antagonists  of this  receptor  is  that  they  did  not  act  at  the  orthosteric  glutamate binding  site,  but  instead  acted  in  the  7‐transmembrane‐spanning domain  of  the  receptor  to  inhibit  receptor  function,  so  stabilizing  a conformation of the receptor that prevented coupling to G proteins. 

   In  our  search  for  selective  activators  of  the  receptor,  we  began  to 

reason  that  if  it’s  possible  to  develop  allosteric  antagonists  of  the receptor, it may also be possible to develop compounds that interact at a  site on  the  receptor  removed  from  the  glutamate binding  site,  the orthosteric agonist binding  site  that  shift  the  receptor or  stabilize  the receptor  in  a  conformation  that  favors  coupling  to  G  proteins  and therefore act as allosteric activators. 

 Slide 7    So  if we  look at  this slide, what we’re  looking  for  is a compound  that 

has no effect on its own. So this is just a schematized representation on the right of this slide of the type of response we may look for in which we  add  a  test  compound  at  the  beginning  of  the  trace,  then  two minutes  later we  add  an  EC20  concentration  of  glutamate  to  slightly activate  the  receptor. And we’re  looking  for a compound  that has no 

Page 5: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

5

effect by itself so it’s not an agonist but will potentiate the response to the EC20 glutamate  concentration.  So once again  in  this  schematized illustration,  you’ll  see what we  are  looking  for  in  a  potentiator  that would enhance this response to the EC20 glutamate addition. 

   So  in  looking  for  these  compounds,  there were  no  such  compounds 

that were known. So really, the only way to get a foot in the door was to perform random screens of small molecule libraries, and we did that using a calcium fluorescence assay. These receptors lead to an increase in  intracellular  calcium. And on  the  left panel of  this  slide  shows  the assay that we used, and again, we’re adding our test compound at the beginning  of  the  trace.  Several  minutes  later,  we  add  an  EC20 concentration of glutamate. We’re looking for a compound that has no effect on  its own but potentiates  the  response  to glutamate, and you can see the response to one of the first allosteric potentiators that we identified shown here, which has exactly that profile. 

 [0:10:03]    One  of  the  biggest  breakthroughs  for  us  was  discovery  of  the 

compound  shown,  CDPPB, which  is  a  robust  allosteric  potentiator  of mGluR5, and you see on the right the concentration response curve for glutamate at activating the receptor in the absence of CDPPB and in the presence of  increasing concentrations of CDPPB. And CDPPB  induces a robust shift to the  left of the glutamate concentration response curve and has no effect on the maximal response. 

   This was a breakthrough relative to previous allosteric potentiators we 

had identified in that it was the first compound that had properties that would make it useful for studies in native systems. We’ve found that it’s highly selective for mGluR5 relative to other members of this receptor subclass.  It  potentiates  mGluR5  in  native  systems  when  we  drive glutamate  synapses  so  it  potentiates  responses  to  endogenous glutamate  that  is  released  from  presynaptic  terminals,  and  most importantly,  when  we  took  this  compound  to  animal  models  that predict  antipsychotic  activity,  we’ve  found  that  it  did  have antipsychotic‐like  effects  in  these  animal  models.  So  a  major breakthrough in achieving a high level of selectivity, taking a hypothesis that was  somewhat  speculative  from  a  cell  biology  perspective,  and now  being  able  to  test  that  hypothesis  more  rigorously  in  animal models. 

 Slide 8  

Page 6: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

6

  Another  receptor  that we’re  interested  in  is  especially  of  interest  to many  in  the  field  in  that  the  glutamate  receptors,  metabotropic glutamate  receptors or class C GPCRs, whereas another  receptor  that we  have  studied  in  this  vein  is  a  class  A  GPCR,  a  muscarinic acetylcholine receptor. And what is of interest here is that the family A GPCRs have a somewhat different structure than the class C in that they do  not  have  this  large  extracellular  domain,  but  the  natural  ligand, acetylcholine,  interacts  with  the  receptor  in  the  7‐transmembrane‐spanning  domain.  So while  previous  studies  had  established  that  it’s possible  to  develop  allosteric modulators  of  these  receptors, we  and others have had questions about whether the class A GPCRs would be as a minimal to robust allosteric potentiation that might be used for in vivo studies. 

   So again, we performed  the same  types of experiments  in  looking  for 

allosteric  potentiators  of  these  receptors,  and  this  was  also  in  the context of a schizophrenia program, looking specifically for M1 and M4 allosteric potentiators. 

 Slide 9    This shows one of the allosteric potentiators of M4 that we’ve recently 

reported, a compound called VU10010, and this is a very robust, highly selective allosteric potentiator of M4. So shown in the left panel of this slide, you see a dose response curve for acetylcholine alone, and then in  the presence of VU10010, we  see a 50‐fold  shift  to  the  left of  the acetylcholine  concentration  response  curve,  very  robust potentiation, and most  notably,  very  high  selectivity  for M4  relative  to  any  other muscarinic receptor subtype with M1, 2, 3, and 5 shown on the right. So this is an unprecedented selectivity for a class of receptors for which that level of selectivity has been largely intractable based on traditional orthosteric ligands. 

   We understand a  lot about  this compound and compounds  that have 

come  from  this  initial  compound  from  studies  at  a  molecular pharmacology level have found that this compound increases affinity of acetylcholine  for  the  orthosteric  site  but  also  increases  efficiency  of coupling of these receptors to G proteins. 

   Also, we’ve found that it selectively potentiates M4 responses in native 

systems  and  we  have  optimized  compounds  in  this  series  and  now performed in vivo studies where we find that they also have activity in some animal models that might predict antipsychotic‐like activity. 

 

Page 7: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

7

Slide 10    Now, a question that has come up  in this vein  in developing allosteric 

modulators  is that they may  interact with G protein‐coupled receptors in  a  promiscuous  way  in  which  selectivity  across  a  broad  range  of receptors may  be  difficult  to  achieve.  From what  I  just  showed  you, these compounds are highly  selective  for  the  individual GPCR  in  their sub‐family, but  looking  across  a broader  range of GPCRs,  for  the M4 potentiator, we  have  looked  at  a  panel  of GPCRs  from  the Millipore GPCR profile  screen, and with  the panel of  the 15 closest  relatives  to the muscarinic  receptors, we have  found  that only M4  is potentiated. So this  is very encouraging and suggesting that there  is a possibility of developing  very  highly  selective  compounds  that  interact with  these allosteric sites to have their activity. 

 [0:15:00]  Slide 11    So  in  thinking  about  this  field,  and  I’ve  just  touched  on  a  couple  of 

highlights  of  some  of  the  studies  that we  have  performed  in  recent years with allosteric potentiators, but  it’s part of a much broader field and we’ve  learned  a  lot  about  these  allosteric  site  ligands. We  now have allosteric site  ligands for multiple GPCRs that  include family A, B, and C across  the  field with different  investigators. Different allosteric modulators can act at distinct sites on the same GPCR to have allosteric regulator activity. As I’ve mentioned, allosteric modulators can regulate both affinity of the orthosteric  ligand and coupling to G proteins. And we’ve  found  that within  a  structural  class, we  can  identify  allosteric modulators to have a range of activities from antagonist to potentiator and  include  natural  ligand  or  neutral  ligands  that  interact  with  the allosteric  site but have no detectible  activity but block  the  effects of either allosteric potentiators or antagonists. 

   Also,  novel  modes  of  pharmacology  have  become  possible  such  as 

partial  antagonists  by  targeting  these  allosteric  sites,  and  something that’s very interesting and relates to the next presentation is that these allosteric modulators can differentially regulate coupling of a receptor to different signaling pathways. 

   And in each case in which we have been able to optimize compounds ‐‐ 

when  I say “we” the  larger field, not  just our own studies ‐‐ to a point where we can go  into  in vivo studies, we see robust effects  in  in vivo animal models, and now,  there are at  least  two allosteric modulators 

Page 8: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

8

that  are  in  the  clinic  and  on  the market  for  treatment  of  different disorders. So there have been major advances in this area. 

 Slide 12    So many people who are  involved  in this research.  I won’t go  into the 

details,  but  this  is  just  the  individuals  that  are  part  of  the  Drug Discovery Program at Vanderbilt. Those highlighted in yellow have been especially involved in the work that I talked to you about today. 

 Sean Sanders:  Great. Thank you very much, Dr. Conn.  Slide 13    I think we’re going to move right on to our next speaker.  Slide 14    Our second speaker today  is Dr. Michel Bouvier. Following his Ph.D.  in 

Neurological Sciences at Montreal University  in 1985, Dr Bouvier went on  to  complete  a  postdoctoral  fellowship  at  Duke  University  in  the United  States.  In  1989,  he  returned  to Montreal  as  a  scholar  of  the Medical  Research  Council  of  Canada  and  Assistant  Professor  of Biochemistry in the Faculty of Medicine of Montreal University. He was Chairman of the Biochemistry Department between 1997 and 2005 and was awarded the Hans‐Selye Chair in Cell and Molecular Biology in 1997 and  the Canada Research Chair  in  Signal  Transduction  and Molecular Pharmacology in 2001. 

   He  is  now  the  director  of  the  University  Research  Group  on  Drug 

Discovery and professor of Biochemistry at the Institute for Research in Immunology  and  Cancer  at  Montreal  University.  Dr.  Bouvier  is  the author of over 160 scientific papers and has delivered numerous invited conferences. He  is a world  renowned expert  in  the  field of G protein‐coupled  receptors  and  has  made  seminal  contributions  to  our understanding  of  this major  class  of  drug  targets.  He  has  served  on many  peer  review  committees  and  scientific  advisory  boards  and  his contributions  to  the  field  of  molecular  pharmacology  have  been recognized by many awards. 

   Welcome, Dr. Bouvier.  Dr. Michel Bouvier:  Thanks, Sean.  

Page 9: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

9

Slide 15    As  Dr.  Conn mentioned  in  the  first  presentation,  G  protein‐coupled 

receptors are classically viewed to transmit their activity through their interaction with heterotrimeric G protein, thus modulating the activity of  a  vast  diversity  of  effectors  into  the  cell,  leading  to  the  biological response. 

 Slide 16    In  that  context,  the  activity  of  these  receptors were  viewed  as  their 

ability to either activate such as for partial agonists and full agonists or inhibit  such  as  for  partial  or  full  inverse  agonists  the  activity  of  their cognate G proteins. 

 Slide 17    However, in recent years, it became evident that the signaling capacity 

of GPCR were more complex. For one thing, GPCR can  form homo‐ or hetero‐oligomers, but also they can engage a large diversity of proteins that can either modulate the ability of the receptor to interact with its G  proteins  or  serve  as  signaling molecules  themselves,  and  in  some case  can mediate  the activity of  the  receptor  independently of  the G protein. Also, it became obvious that many G protein‐coupled receptors can  talk  to more  than one G protein and  therefore can modulate  the activity of different signaling pathways downstream. 

   In  that  context,  then  the  question  becomes  are  ligands  able  to 

modulate the efficacy of all these signaling in the same direction? Could some  ligands  selectively activate  some of  these  signaling pathways or could have different efficacy towards these various pathways? 

 [0:19:56]  Slide 18    Recently  or  a  few  years  ago, we’ve  looked  at  that  and  acquired  the 

detail  for the human beta‐2 adrenergic receptor,  looking at the ability of  various  beta‐adrenergic  ligands  to  modulate  the  ability  of  the receptor  to  either  modulate  the  activity  of  adenylyl  cyclase  or  the production of cyclic AMP through activation of Gs or the activation of the MAP kinase pathway, ERK1 and ERK2. 

 

Page 10: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

10

  As  can  be  seen  here  on  the  left  panel  looking  at  adenylyl  cyclase activity,  some  compounds  such  as  isoproterenol  and  labetalol  can be either partial or  full  agonists  for  the  cyclic AMP production pathway, whereas other  compounds  such  as bucindolol  and  carvedilol  that  are neutral  antagonists  and  other  compounds  such  as  propranolol, metoprolol,  bisoprolol,  and  atenolol  are  inverse  agonists  for  adenylyl cyclase activity. 

   However, when  looking  at  the  right  panel,  it will  become  clear  that 

some of the compounds that are either neutral antagonists or  inverse agonists  for  the  cyclic AMP production are  in  fact partial agonists  for the MAP  kinase;  therefore,  they  have  a  reverse  efficacy  toward  the MAP kinase when compared to the adenylyl cyclase activity. 

 Slide 19    Also  some  compounds  are  inverse  agonists  for  the MAP  kinase  and 

we’re saying  this  for both  the cyclase and  the MAP kinase. Therefore, you  have  a  vast  diversity  of  possible  signaling  efficacy  when encountering more than one pathway. 

 Slide 20    And  you  can  represent  that  efficacy  in  graphical manner  by  doing  a 

Cartesian representation of the efficacy of these compounds by plotting their efficacy along for example two of the signaling pathways. On the X‐axis  here  is  the  adenylyl  cyclase  activity,  and  on  the  Y‐axis  is  the ERK1/2 or MAP kinase activity. And as you can see, the compounds can find themselves either being agonists for the two pathways. They would be  in  the upper right quadrant;  inverse agonist  for  the  two pathways, they would be  in  the  lower  left quadrant; or being an  inverse agonist adenylyl cyclase and an agonist on the ERK1/2 pathway. 

 Slide 21    So without going  into the details of the experiment that were done to 

show  that, but we’re also able  to show  that  the mechanism by which the  activation  of  these  different  pathways  occurred  through  the receptors bound by different ligands differ. For instance, the compound isoproterenol  which  is  a  classical  agonist  for  the  beta‐2  adrenergic receptors, when we’re  looking at the ability to activate the ERK1, does it partially through the activation of Gs, partially through the activation of Gi, and partially through the activation of the accessory protein beta‐arrestin. 

Page 11: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

11

   However,  the  compound  ICI  and  propranolol,  which  are  inverse 

agonists within the adenylyl cyclase pathway but agonists for the MAP kinase  pathway,  do  activate  the  ERK1/2  exclusively  through  a  beta‐arrestin‐dependent mechanism and do not involve either Gs or Gi. 

 Slide 22    And  in order to probe that directly, we used some assays that allowed 

to  monitor  directly  protein‐protein  interaction  in  living  cells  in  real time.  This  assay  is  based  on  the  transfer  of  energy  between  the bioluminescent enzyme luciferase and the fluorescent protein GFP. In a nutshell, when the two proteins, as you can see in the left panel, do not interact  and  you  add  the  substrate  of  luciferase,  you  have  light emission that corresponds simply to the emission of light by luciferase. 

   However,  if  there  is  recruitment  of  beta‐arrestin  to  the  receptor  or 

engagement  of  the  beta‐arrestin  by  the  receptor,  then  luciferase becomes  very  close  to  GFP,  and  part  of  the  energy  of  luciferase  is transferred to the GFP such that now,  instead of having only the  light emitted by the  luciferase, you also have  light emitted by the GFP, and you  can  calculate  the  transfer  of  energy  by  doing  the  ratio  of  light emitted by the GFP over the amount of light emitted by the luciferase. And by doing so, you can monitor the protein‐protein interaction. 

   And  as  you  can  see  in  the  right  panel,  the  compound  ICI  and 

propranolol,  which  are  inverse  agonists  for  the  production  of  cyclic AMP  but  agonists  for  the  MAP  kinase,  were  able  to  recruit  beta‐arrestin,  therefore  promoting  recruitment  of  beta‐arrestin,  and therefore activating this pathway. 

   When  you  look  at  the  ability  of  propranolol  to  block  isoproterenol‐

stimulated  recruitment  of  beta‐arrestin  on  the  extreme  right  of  the panel,  you  can  see  that  propranolol  acts  a  partial  agonist.  In  other words, it blocks the extent where propranolol can itself promote beta‐arrestin recruitment. 

 Slide 23    So it means that when we are considering more than one pathway, we 

can  start  finding  that  there  is  a  lot of possibility of  representation of signaling efficacy. In fact, the number of potential efficacy profile for a given compound will be 2n number of output or signaling cascade that 

Page 12: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

12

are being considered. That means  that we need  to be able  to  look at more than one pathway at the same time. 

 Slide 24    And  this  is  a  representation  of  how  this  may  be  happening  at  the 

molecular  level. At  the  top of  the slide here are some of  the possible signaling mechanisms  and  just  a  fraction  of  these  possible  signaling mechanisms that can be engaged by the G protein‐coupled receptors ‐‐ the  G  protein  dependent  signaling  leading  to  desensitization, endocytosis of the receptor, but also G protein independent signaling. 

 [0:24:55]    So the lower part of the slide shows that some ligands, by stabilizing a 

specific conformation, may allow the engagement of a subset of these signaling effectors, leading to only part of the signaling repertoire of the receptor.  In  order  to  be  able  to  detect  these  possible  signaling pathways, we  need  to  be  able  to measure more  than  one  signaling activity  in  the  cells.  In  most  cases,  it  would  be  nice  to  have  it simultaneously. 

 Slide 25    And so we started developing in the laboratory a number of biosensors 

that allow to measure the activity of some of these signaling pathways in real time in living cells and hopefully in parallel, looking at more than one  pathway.  And  I won’t  give  you  an  extensive  list  but  just  a  few examples of this. 

   And  here  is  a  recent  BRET‐based  biosensor  that we’ve  developed  to 

monitor the accumulation of cyclic AMP in the cell. This is based on the structure  of  EPAC, which  is  a  RhoGEF,  and  the  idea  here  is  that  the proximity between  luciferase and GFP  that are  fused  to  the EPAC will be modified  upon  binding  of  the  cyclic  AMP  to  the  EPAC molecule, allowing a change in the BRET signal that is being measured in the cell. And you can see that by using this in living cell, we can monitor either a Gs‐coupled  receptor,  the V2 vasopressin  receptor on  the  left  that will lead to a decreased in BRET upon the increase of cyclic AMP production or a Gi‐coupled receptor, the delta opioid receptor that will  lead to an increase in BRET upon the activation of the Gi. 

 Slide 26  

Page 13: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

13

  Also, we are using currently  in  the  laboratory a biosensor  for calcium flux into the cells which is obelin. Obelin is a luminescent protein that is completely  silent  in  the  absence  of  calcium  but  become  highly luminescent  in the presence of calcium. This protein that  is originally  I think from Obelia longissima can be expressed in cells and then we can look at the ability of a receptor. The example given here  is the GABAb receptor,  promoting  the  increase  in  calcium  that  is  reflected  by  an increase  in  the  luminescence  of  the  obelin,  and  in  that  case,  we documented  that  this was phospholipase C dependent  as  it  could be blocked by a phospholipase C inhibitor. 

 Slide 27    We can also try to monitor the conformational changes or the change 

in  the  engagement  of  the  various  effectors  that  the  receptor  can engage with upon stimulation with different ligands that have different patterns. Here  is an example only that  is given where we’re  looking at three  compounds  ‐‐  isoproterenol,  bucindolol,  and  propranolol  and their ability  to activate or  inhibit adenylyl  cyclase or  the ERK1/2. And you can see these three compounds have different signaling efficacies depending on which signaling pathway you considered. 

   And then you can look at their ability to either induce the engagement 

of  alpha‐I  by  the  receptor  by monitoring  the  BRET  on  the  left  panel between  the receptor and G‐alpha‐I‐1. And you can see here  that  the signature  of  the  BRET  signal  obtained  by  isoproterenol  is  clearly different  from  that  bucindolol  and  propranolol,  indicating  therefore that there’s a change  in conformation which  is distinct between these compounds,  the  change  in  conformation  of  the  receptor  G  protein complex. 

   And  to  the  right‐hand  side,  we  can  see  here  the  change  in  BRET 

between the G‐alpha subunit and the G‐gamma subunit which  is seen here  as  an  indication  of  deactivation  of  Gi,  and  you  can  see  that isoproterenol here can engage Gi, whereas bucindolol and propranolol cannot engage Gi in this pathway. 

 Slide 28    Also, we are now considering using another technology that is based on 

the measurement of  impedance of cell  that has been proposed  to be able  to distinguish between different signaling pathways. Here  in  that slide  you  can  see  the  pattern  observed  with  this  measurement  of impedance  looking  at Gq‐coupled  receptor,  top; Gi‐coupled  receptor, 

Page 14: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

14

bottom; or dopamine receptor which is a Gs receptor on the right. And you  can  see  the  traces  obtained  for  these  different  receptors  are different  and  are  believed  to  really  indicate which  type  of G  protein there  is that they’re engaged with. We are now asking ourselves  if the granularity of  this assay  is sufficient  to get more  information out of  it and  to  really  obtain  more  information  about  which  ligand  can selectively  engage  a  subset  of  signaling  pathways  and  dissect more precisely  the  information  that  is  given  by  these  trace  of  impedance measurement. 

 Slide 29    So in closing, I’d like to thank the people who did the work and that are 

either in my laboratory or in the laboratory of collaborators. Thank you very much. 

 Sean Sanders:  Thank you, Dr. Bouvier.  Slide 30    Well, we’ve  had  a  number  of  questions  come  in,  but  I  think  in  the 

interest of time, we’re going to move on to our final talk and we’ll get to those at the end in our Q&A session. 

 Slide 31    So our final speaker today is Dr. Brian Kobilka. Dr. Kobilka completed his 

undergraduate  training  in  Biology  and  Chemistry  at  the University  of Minnesota  and  his  medical  degree  at  Yale  University  School  of Medicine. 

 [0:30:00]    Following  a  research  fellowship  at Duke University Medical Center  in 

North Carolina, Dr Kobilka  joined the faculty of Duke  in 1987. He  later took  up  an  Assistant  Professorship  at  Stanford  University  School  of Medicine  where  he  moved  up  the  ranks  to  his  current  position  as Professor  in  the Departments of Medicine and Molecular and Cellular Physiology. Dr Kobilka has published numerous papers in eminent peer‐reviewed journals as well as receiving many awards and honors for his research.  He  currently  sits  on  the  editorial  boards  of  the  Journal  of Biological  Chemistry  and  Molecular  Pharmacology.  His  research  is focused  on  understanding  the  structural  basis  for  the  functional properties of G protein‐coupled receptors. 

Page 15: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

15

   Dr. Kobilka.  Dr. Brian Kobilka:  Thank you, Sean.  Slide 32    So my presentation  today will  focus  largely on  the beta‐2  adrenergic 

receptor and our efforts to understand ‐‐ to use this as a model system to  understand  the  structural  basis  for  G  protein‐coupled  receptor signaling. And I’ll show on this slide just some of the properties that the beta‐2 receptor exhibits in a cell to show you more or less its versatility as a signaling molecule. 

   First  of  all,  the  beta‐2  receptor mediates  cardiovascular  and  smooth 

muscle  responses  to  adrenaline  and noradrenaline.  It  signals  through both Gs and Gi and arrestin as Michel  just discussed.  It also has been shown  to  reside  in  specific  plasma  membrane  micro  domains  with other signaling molecules. It undergoes agonist‐induced  internalization and  trafficking  to  different  cellular  compartments.  It  exists  in  both homo‐ and hetero‐oligomeric forms and exhibits a moderate amount of basal  activity.  As  Michel  mentioned,  a  number  of  receptors  exhibit basal activity let’s say in contrast to rhodopsin where it’s literally silent in the absence of activation, and it’s basal activity can be modulated by inverse agonists. And finally, it’s a very good receptor to study because as you’ve seen in the previous talk, there are a large number of ligands available with interesting functional behavior. 

 Slide 33    Our  approaches  to  study  the  structure  of  the  beta  receptor  are 

illustrated here. Chimeric receptors and site‐directed mutagenesis have provided  a  tremendous  amount  of  information  through  many  labs including  ours,  but many  other  labs  have  contributed  to  identifying domains involved in ligand binding and G protein coupling specificity. 

   We’ve recently been able to solve the structure of the beta‐2 receptor 

and this structure  is a three‐dimensional structure of an  inactive state of  the beta‐2  receptor. And we’ve used  fluorescence  spectroscopy  to characterize  conformational  changes  involved  in  agonist  binding  and activation and to get a better understanding of the dynamic aspects of the receptor. 

 Slide 34 

Page 16: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

16

   So I’d briefly like to outline some of the changes that were required in 

order  for us  to be able  to get a crystal structure. The beta‐2  receptor like  many  membrane  proteins  becomes  a  rather  flexible  dynamic molecule when it’s removed from the plasma membrane, and in order to get high quality crystals, one must have very uniform proteins so you have to minimize heterogeneity. 

 Slide 35‐36    And  the  structure  modifications  that  we  made  included  removing 

glycosylation sites, truncating some of the unstructured regions which are shown as grey circles. 

 Slide 37    And  finally,  the  receptor within  the  transmembranes  is quite dynamic 

and we  have  evidence  that  that  two  domains  boxed  here  behave  as independent folding domains are a particularly dynamic interface. 

 Slide 38‐39    And  to  stabilize  that  interface,  we’ve  used  both  a  high  affinity 

antagonist  or  an  inverse  agonist,  carazolol,  and  two  different approaches  ‐‐ one using  an  antibody  fragment  to  stabilize  the  three‐dimensional  epitope  composed  of  transmembranes  5  and  6  and  a fusion protein. 

 Slide 40    And those two approaches are illustrated here.  Slide 41    The  antibody  as  you  can  see  is  binding  to  an  epitope  at  the  end  of 

transmembrane  5  and  6,  and  lysozyme  is  fused  to  the  end  of transmembrane  5  and  6,  and  both  of  these  approaches  resulted  in obtaining diffraction‐quality crystals. 

 Slide 42    The  two  different  properties  of  the  receptor  in  complex  with  the 

antibody  and  lysozyme  are  shown here.  It’s obviously  important  that whatever we do to get crystal structures have serious negative  impact 

Page 17: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

17

on the function of the protein. Both the antibody receptor complex and T4  lysozyme exhibit wild‐type antagonist binding properties. The only slight modification  in properties would be  that  the  receptor  lysozyme fusion has a slight  increase  in agonist affinity, but both structures are able  to undergo  agonist‐induced  conformational  changes. And  I  think that the fact that we were able to get structures in two different ways provides  some  confidence  that  the  structures  we  get  are  probably accurate. 

 [0:34:56]  Slide 43    So I’d like to briefly go through some interesting comparisons between 

the beta‐2  receptor  and  rhodopsin,  and probably,  there  are  a  couple particularly interesting differences. 

 Slide 44    And while  the  overall  typology  of  the  proteins  are  extremely  similar, 

there  are  some  particularly  interesting  differences,  one  of  which  is shown here, in that the extracellular loop 2 of the rhodopsin forms a lid over the retinal binding pocket. And as you can see here in the beta‐2, the  extracellular  loop  2  is  displaced  away  from  the  binding  pocket, providing open access for diffusion into and out of the binding pocket. 

 Slide 45    Another  interesting difference  is shown  in  the next slide where we’re 

looking at the cytoplasmic domains. In rhodopsin and many family A G protein‐coupled receptors, there’s a highly conserved sequence, DRY or ERY, at the cytoplasmic end of transmembrane 3 that forms a stabilizing interaction with a glutamate residue at the end of transmembrane 6. So this  a  conserved  sequence  and  it  stabilizes  the  rhodopsin  in  inactive state. 

 Slide 46‐47    What we’ve  found  to be of  interest  is  that both  the  lysozyme  fusion 

structure and  the  receptor Fab  structure,  this  ionic  lock  is broken. So the stabilizing interaction is not observed in our crystal structures. 

 Slide 48  

Page 18: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

18

  A possible explanation  is  that  this might be a crystallography artifact. This is unlikely since both crystal structures have the same ‐‐ both show the  same  loss of  the  ionic  lock.  It’s also possible  that  it’s a  carazolol‐specific  conformation  or  that  it  might  be  one  of  several  basal conformations that the beta receptor exists in. 

 Slide 49    We’ve  also  been  able  to  observe  some  interesting  behavior  or 

properties of the ligand binding site that might have implications on our ability to identify selective drugs for specific receptors. And I show here in white  are  residues  that  surround  the  carazolol binding pocket  and carazolol is shown in yellow. And these residues are all within fractions of the carazolol molecule. 

 Slide 50‐51    If we now try to look at what residues differ between beta‐1 and beta‐2 

adrenergic receptors, you can see that there’s only one difference, and what  this  illustrates  is  the  extreme  degree  of  difficulty  in  generating ligands  that  are  specific  for one  subtype. And now,  if we  extend  the differences to the whole molecule, you can see these are all the amino acid  differences  between  beta‐1  and  beta‐2,  and  in  order  to  achieve sound selectivity, you’d have to extend the ligand to the outside of the binding pocket and possibly sample some of the differences in the pore of the binding pocket. 

 Slide 52‐54    Now,  the  structure  is an  inactive  structure, but  it does provide  some 

clues as  to  the possible pathway of activation. And  shown here  is an interesting collection of water molecules that are resolved  in both the beta‐2 receptor and rhodopsin, and this collection of water molecules involves  interactions with highly conserved residues. So these residues form a network of hydrogen bonding  interactions between  the water and  these  conserved  residues,  and  this  is  likely  to  be  a  signal transduction pathway  for conformational changes extending  from  the agonist binding site of the G protein coupling domain. 

Slide 55    Now,  briefly what we would  like  to  next  learn  about  is what  is  the 

structure  of  an  active  receptor  and  how  do  we  get  these  active structures,  and  this  is  going  to  be  a  very  challenging  problem  as  I outlined here briefly. The challenges involve getting a very high affinity 

Page 19: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

19

agonist  and  possibly  the  necessity  for  obtaining  a  structure  of  a receptor  and  a  G  protein  complex.  So  I  think  this  is,  in  terms  of structural biology, the next frontier for us. 

   However, we have been able to  learn something about the process of 

activation using fluorescence studies, and in the last few slides, I’m just going to outline some of the approaches that we’ve used to study the process of agonist activation of the receptor. 

 Slide 56    And  a  particular method  that we’ve  employed  recently  is  the  use  of 

tryptophan quenching of bimane fluorescence.  Slide 57    The experiments shown here is that we initially engineer a receptor so 

that  we’re  able  to  specifically  attach  bimane,  which  is  a  small fluorescent molecule. 

 Slide 58    We then attach through site‐directed mutagenesis a tryptophan, which 

if  it’s  within  15  Ångströms  of  the  bimane  will  quench  bimane fluorescence. 

 Slide 59    And then we’re able to observe conformational changes by changes  in 

bimane  fluorescence  if  ligand‐induced  conformational  changes  affect the distance between the tryptophan and the bimane. 

 [0:40:12]  Slide 60    This  just  summarizes  some of  the movements  that we’ve observed  in 

the beta receptor. This is the cytoplasmic end. The solid arrows indicate the  positions where  agonists  induce  an  increase  in  distance,  and  the dotted  lines  indicate  positions  where  agonists  induce  a  decrease  in distance. And what we’ve  found  is evidence  that agonists and partial agonists induce distinct states and that agonists and partial agonists, in the presence of both  agonists, partial  agonists  and  in  the absence of drugs, the receptor exists in more than one state. So the receptors, the 

Page 20: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

20

dynamic protein, it’s not in the single conformational state even in the presence of  these compounds, and  this  is perhaps one of  the reasons why it’s so difficult to crystallize these proteins. 

 Slide 61    So here’s a brief summary of what I hoped to present and I’ll just move 

on to the acknowledgements.  Slide 62    And  particularly,  I’d  like  to  acknowledge  Dan  Rosenbaum  and  Soren 

Rasmussen who were the postdoctoral fellows involved in obtaining the tissue crystal structures that I discussed. Thank you. 

 Sean Sanders:  Great.  Thank  you  very much, Dr.  Kobilka,  and  thank  you  all  for  your 

excellent presentations.  Slide 63    So  it’s  time  to now move on  to our Q&A portion of  the webinar. But 

just  before  we  do,  I  want  to  mention  that  Sciences  Online  Signal Transduction  Knowledge  Environment  (STKE)  is  now  called  Science Signaling, and for the first time, we are accepting original research. So if you would  like to know more about this  information about submitting your papers, you can go to the website which will come up in your slide viewer, www.sciencesignaling.org. 

   So we’re going to move on to our first question. I’m going to pose this 

to Dr. Conn about a question  that came  in via email  from one of our registrants asking, how is high specificity achieved in such a large family and such a large super family of proteins? 

 Dr. Jeffrey Conn:  I think when we think about specificity, we can be thinking about two 

different  things  ‐‐  the  specificity  of  signaling  for  a G  protein‐coupled receptor, how does  a G protein‐coupled  receptor  specifically  activate different  signaling  cascades,  and  also  then  the  specificity  of  small molecule reagents like the ones that I mentioned. 

   In  terms  of  specificity  of  signaling,  I  think  a  lot  of  evidence  recently 

suggests that the same receptor  in different cellular environments can induce very different and specific effects. So in recording for instance in the  nervous  system where  I work,  recording  from  different  neuronal populations the activity of a single GPCR, you may see that same GPCR 

Page 21: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

21

regulate  different  effector  systems,  different  ion  channels,  and different  cell  types even  though all of  those are present  in each, and the  thought  is  that  that  is  due  to  different  signaling  complexes,  so different  protein‐protein  interactions  and  scaffolding  proteins  within the cell that are very cell type specific. 

   So  then  a  ligand  inducing  a  conformation,  stabilizing  a  conformation 

can selectively as we’ve discussed stabilize a conformation that couples to one of those, and then there’s the question of the specificity of the ligands. And some of the allosteric molecules that we’re studying, the very unique specificity that we’re finding,  is really not well understood why  that  is  the  case  at  this  point.  I  think  we’re  just  starting  to understand  something  about  the  binding  pockets  for  those  ligands, how  they  specifically  react with  different  receptors  but  really  do  not fully understand why that selectivity is possible. 

 Sean Sanders:  Okay. Any other comments from the panel?  Dr. Michel Bouvier:  I think it was addressed very nicely. An additional level of selectivity can 

also  in  some  cases  be  achieved  by  sequestrating  some  of  the component  of  this  into  microdomains  which  may  be  lipidic microdomains  or  some  environment  of  the membrane  that  can  also allow the selectivity of signaling in some cell type or in some conditions versus otherwise. 

 Sean Sanders:  Okay, excellent. So  I’m going to  jump to Dr. Kobilka with the question 

considering  the  large  number  and  variety  of  GPCRs,  are  there  any common  structural  similarities  in  drug  binding  sites  for  different GPCRs? 

 Dr. Brian Kobilka:  Well,  I believe  that many of  the  family A members, particularly  those 

for  small molecules  such as dopamine,  serotonin, histamine, all  share overlapping  binding  pockets,  and  even  for  some  of  the  family  A members where  larger  peptides  are  involved  in  binding where  they bind primarily  in  the extracellular  loops,  there  are other parts of  the peptides  that  in  fact might  share  common  space with  small molecule receptors. But nevertheless,  there are  receptors  such  as  the  family C receptor where small molecules are binding to an extracellular domain. 

 [0:45:05]    So  there  is both  shared binding  sites and very different binding  sites, 

but  they  all  seem  to  ultimately  change  the  arrangement  of  the 

Page 22: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

22

transmembrane  domains  and  lead  to  similar  kind  of  conformational change on the inside recognized by G proteins. 

 Sean Sanders:  Okay, great. Perhaps this is something that Dr. Bouvier can answer. Do 

you feel that there are multiple activation site states of GPCRs such that the  different  states  can  activate  different  G  proteins,  leading  to differential activation? 

 Dr. Michel Bouvier:  Yeah. There’s  increasing evidence as  I mentioned a  little bit during my 

talk that different  ligands can have different  functional responses. We believe that this  is due to different conformations of the receptor that may  be  stabilized  differentially  by  the  different  ligands,  allowing  the receptor to add up a conformation that will engage only a subset of the signaling  partners,  the  subset  of  signaling  partners  being  either different G proteins or in some cases G protein‐independent signaling. 

   One other difficulty  right now  is  finding  the  link between  the elegant 

structural  work  that  had  been  accomplished  by  Brian  and  these functional responses. We don’t know how the different conformations that  are  being  observed  in  fluorescence  studies  and  other  type  of studies impinge on the selection of specific factors in the cell. 

   The  other  challenge  also  will  be  to  identify  how  important  these 

different  signaling pathways engaged by different  ligands will  lead  to physiologically  relevant  different  biological  response  so  that  we  can exploit these different efficacies of the compound to really have better handle on the efficacy of potential therapeutic agents. 

 Sean Sanders:  Okay, great. So a question from our online audience that I believe this 

came  in  during  your  talk, Dr.  Conn,  asking, which  family  B  receptors have you been  successful with and have you  found both positive and negative allosteric modulators for these? 

 Dr. Jeffrey Conn:  So we have not in our lab studied the family B receptors so our studies 

have focused on family A and family C. There’s nothing that would say to me that the family B receptors could not be as successful and there are examples  in  the  literature. So when you  look at  some of  the CRF receptor ligands, those are likely to be acting by allosteric mechanisms. And  some  of  the  compounds  that  were  even  discovered  before individuals were specifically  looking for allosteric modulators, but they were  just  looking at  functional assays,  some of  the  ligands  that were discovered without really thinking about the mechanism in earlier days are now being  reevaluated  in  terms of  their allosteric mechanisms of action,  and  some  of  those  do  include  family  B  GPCRs  where  this 

Page 23: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

23

mechanism does appear  to be viable,  somewhat behind  family A and family  C  in  terms  of  different  labs  specifically  going  after  those compounds. 

 Sean Sanders:  Dr. Bouvier, Dr. Kobilka, have you studied any family B proteins?  Dr. Michel Bouvier:  We have studied a little bit some of the family B protein but not in the 

realm of  identifying allosteric  regulators.  In  some of  them, one other particularity  if we  think about  the CGRP  receptor  is  that  they  involve not only a seven‐transmembrane‐domain protein but also an accessory protein  known  as  RAMP  which  is  required  for  the  pharmacological selectivity  and  also  the  trafficking  of  the  receptor,  which may  offer other sites of action actually for allosteric regulators. So a molecule that would bind to the RAMP protein in the seven‐domain portion could be an  allosteric  regulator.  To my  knowledge,  there’s  no  such  compound identified yet, but this is certainly a possibility. 

 Sean Sanders:  Okay.  Dr. Jeffrey Conn:  And having mentioned CGRP, that is an example where a recent paper 

came out showing allosteric antagonists of the CGRP receptors and the exact mechanism, whether  it  involves RAMPs  is not  really understood but certainly allosteric mechanism of action. 

 Sean Sanders:  Good. So I’m going to jump to the question. I’ve got a couple of queries 

from  our  online  audience  and  I  know we  talked  a  little  bit  about  it earlier  before  the  broadcast.  This  question  is  about  more  recent research  that  shows  the  existence  of  nuclear  GPCRs  in  several  cell types,  and  the  viewer  asked  how  do  you  think  these  GPCRs  are different  from  the  GPCRs  in  the  plasma membrane?  So  Dr.  Kobilka, would you like to jump in? 

 Dr. Brian Kobilka:  I’m  afraid  I  really  can’t  answer  that  question.  I  don’t  know  enough 

about them.  Sean Sanders:  Okay. Dr. Bouvier?  Dr. Michel Bouvier:  Well, those are intriguing observations, finding that there is GPCRs that 

may be nuclear. How exactly they function, I don’t think we know really right now.  Some of  the  receptors which were described being  at  the nuclear membrane are also found at the plasma membrane. One other complexity  there  of  course  is  that  the membrane  of  the  nucleus  is continuous with the endoplasmic reticulum so it’s not always clear if it is a trafficking phenomenon that is being seen or whether or not there 

Page 24: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

24

would be a real functional response. Some people have described nice functional response so most  likely there will be some effect of GPCRs, but  I don’t  think at  this point we know what distinguishes a  receptor that  can  indeed  be  translocated  to  the  nuclear membrane  whereas those that do not. 

 [0:50:30]  Sean Sanders:  Okay. Anything to add, Dr. Conn?  Dr. Jeffrey Conn:  Really not a lot to add. It’s not an area that I am that familiar with, but 

there had been  recent  studies. Michel mentioned  some of  the GPCRs that are on the plasma membrane, also the nuclear membrane. At least one metabotropic glutamate receptor falls into that category and it has been  postulated  that  it  interacts  with  intracellular  glutamate  under different conditions.  I  think  it’s  too early  to  really know  for certain  to fully understand that, but there are postulated roles that are starting to come out. 

 Sean Sanders:  Do you think talking hypothetically that it’s possible that these nuclear 

GPCRs could also be targets for drugs?  Dr. Jeffrey Conn:  I think  it’s certainly possible. You have the additional barrier of getting 

compounds  into  the  cell which  that’s  common and  for many enzyme targets  and  other  targets.  Certainly,  there  are  many  intracellular targets. If it is a nuclear receptor that also exists on the cell membrane, having  developing  compounds  that would  selectively  interact with  a nuclear  receptor may  be  a  real  challenge.  But  in  other  cases,  if  it  is predominantly a nuclear receptor, there should be nothing to make  it particularly difficult to develop compounds that will have that activity. 

 Sean Sanders:  Okay. Another question here about studies on the effects of membrane 

composition on GPCR  conformation and  signaling.  I’m going  to  throw that open if anybody would like to jump in. Dr. Kobilka? 

 Dr. Brian Kobilka:  Yeah.  I  think  it’s an extremely  interesting point and  there’s very  little 

that has been done. The only thing I’m aware of are some studies done in rhodopsin I think out of I believe Michael Brown’s lab where they’ve looked at the effect of alkyl chain  length and head groups on signaling of  rhodopsin molecules  and  they  clearly  show  important  differences, but  there’s  really  been  nothing  done  on  other  GPCRs.  We’ve  been interested in pursuing this, but it’s a very challenging problem. 

 

Page 25: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

25

Sean Sanders:  Okay. A question to the panel asking to highlight some recent methods for  deorphanizing  GPCRs,  whether  there’s  a  number  of  orphan receptors still out there. Any comments so we could start with you? Dr. Bouvier? 

 Dr. Michel Bouvier:  Yes. Well, it’s still a daunting task. The numbers have been falling down. 

I mean,  there was  a  period where  they were  deorphanizing  a  lot  of receptors  rapidly.  I  think  the  one  that  were  ‐‐  the  easiest  ones  to deorphanize have been deorphanized.  I think there’s still a number of them to be achieved. There’s no easy way. There’s many different ways that  people  are  trying.  People  are  trying  using  synthetic  ligand,  just screening  randomly,  trying  to  look  for  a  generic  activity  and  high throughput screening, and with this tool then go back into physiological system trying to find out what could be the endogenous ligand. People are still trying to look at extract from tissue to identify the ligands that can be binding and  I also know of some people  that are  trying  to use bioinformatic tools to predict what kind of  ligands could be binding to the  receptors.  But  each  of  these methods  are  challenging.  They  are difficult. There  is no rapid solution to deorphanization that  I can think of. 

 Dr. Jeffrey Conn:  I would not add anything to that except that a real challenge  is  if you 

are  randomly  screening  libraries,  having  a  readout  that  you  have confidence couples to the receptor, the orphan receptor, and that has always been a challenge. People have used promiscuous G proteins and that has been effective. Now, there are other methods that are coming available.  I  think each of  them has  the same  limitations. You can’t be absolutely certain that the receptor that you’re studying couples to that effector  system even  if  it  is designed  to be a very generic  readout of GPCR function until you have at least a foot in the door in some ligand that you know activates the receptor. Then once you find the agonist, knowing what the natural agonist is is another major task that does not necessarily come easily. 

 Sean Sanders:  Okay. So  I’m going to stay with you, Dr. Conn, and ask you a question 

about the role of GPCRs  in neurodegenerative disorders and  in mental illness, if you could comment briefly. 

 [0:54:55]  Dr. Jeffrey Conn:  Sure. So when we  look at  the roles of GPCRs  in CNS disorders,  I  think 

we can think about two different aspects to that. One is the etiology, so a primary role of a GPCR in the etiology of a disorder, and the second is the role of a GPCR  in regulating transmission through circuits that are 

Page 26: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

26

important  for  the  disorder  in  a  way  that  might  have  a  therapeutic benefit. And I think those are two quite different questions. In thinking about roles in primary etiology of a disorder, there are different genetic association studies that are providing hints to roles of GPCRs, but really, a  primary  causative  role  of  a  mutation  say  in  a  GPCR  in neurodegenerative disorders  is really something that  I cannot point to specific examples. 

   If we  look  at Alzheimer’s disease as  an example,  there  is a  very  long 

field of study that preceded some of the more modern approaches. So thinking  about Alzheimer’s  disease with  acetylcholine  and muscarinic receptor  signaling  so  there’s  a  very  early  degeneration  of  cholinergic neurons.  There’s  a  thought  that  muscarinic  receptors  may  play  an important role, and a major target for Alzheimer’s disease in the 1990s were the muscarinic receptors which really waned in more recent years and  that  is  now  having  a  resurgence with  some  of  these  new more selective ligands. And as that occurs, more evidence for a role of these receptors in processing of some of the toxic proteins, the amyloid beta precursor protein, and that could play both in etiologic role potentially and also a role for therapeutics. 

   But when we  look  at  a  variety of CNS disorders, we  can  see  roles of 

GPCRs that have therapeutic value, and there are many good examples. So one of  the most obvious would be  schizophrenia where dopamine receptor  antagonists  have  antipsychotic  efficacy.  So  dopamine  and dopamine  receptors  are  in  some  way  involved.  Whether  that  is causative  for  the disorder or not,  it provides  a  therapeutic potential. The same would be true for the loss of dopamine in Parkinson’s disease and  therefore  agonists  of  dopamine  receptors  having  therapeutic effects.  And we  could  point  to  several  examples  such  as  that where GPCRs are involved in the circuits that are impacted in both psychiatric and neurological disorders  in  important ways  that  lead  to  therapeutic approaches. 

 Sean Sanders:  Okay. I’m going to come back to Dr. Bouvier ‐‐ a question that came in 

during your  talk. You mentioned  that a single receptor can bind more than one G protein. Is there a possibility, the viewer asks, to have two different  ligands  that  activate  two  different  G  proteins  via  a  single receptor  or  a  single  ligand  activating  two  different  G  proteins  via  a single GPCR? 

 Dr. Michel Bouvier:  The answer is yes to both questions. There is for example, for the beta‐

2 adrenergic receptor, some ligand will lead to the activation of both Gs and Gi which may appear paradoxical because one stimulates adenylyl 

Page 27: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

27

cyclase  and  then  one  inhibit  adenylyl  cyclase,  but  there  is  a  kinetic random event here  that  is  taking place, and each of  these G proteins can have more effect  than  just regulating adenylyl cyclase. That’s one example where some  ligands can  lead to the activation of only Gs and others to both Gs and Gi. 

   The other example  is the  ligand that can promote two G proteins  isn’t 

the same answer really because isoproterenol and even norepinephrine and epinephrine, the natural ligands for the beta‐2 adrenergic receptor, can  lead  to  the  activation  of  both  Gs  and  Gi,  and  there’s  ample examples of that that are known for many GPCRs of different classes. 

 Sean Sanders:  Okay.  So  we’re  almost  out  of  time  but  I’m  going  to  ask  one more 

question  that  I’ll  throw open  to  the panel. This was a question asking are there high throughput screening technologies available to discover new drugs targeting GPCRs? Maybe Dr. Conn, you would like to start. 

 Dr. Jeffrey Conn:  A  large  number  of  different  high  throughput  screening  technologies 

that are available and we wouldn’t have time to go through all of them, but  starting with  radioligand binding‐based  assays  that  start with  the knowledge of a specific binding site on the GPCR that you’re interested in  developing  molecules  to  functional  readouts.  Some  of  the  more common functional readouts would be those such as what I showed in my  talk  with  calcium  fluorescence  where  you’re  looking  at  a  Gq‐coupled  receptor  that  activates  calcium mobilization  from  a  cell  and then  in  high  throughput  format,  you  can measure  that  quite  readily. You can also do that with Gi‐coupled receptors and using promiscuous G proteins. 

 [1:00:00]    There  are  a  number  of  other  technologies  that  are  also  available, 

including  technologies  that’s  specifically  get  beta‐arrestin‐mediated signaling,  so  high  information  content  screening  where  you  look  at trafficking of GPCRs in response to novel ligands. New technologies that have  recently  been  reported  that  can  measure  coupling  to  an  ion channel  in  high  throughput  format  using  fluorescence.  Plate  readers but then also increasingly technology is moving towards an ability to do at  least moderate  throughput  assays with  rapid  parallel  patch  clamp recording. So  it  ranges  from ultra‐high  throughput  to more moderate throughput,  but  a  wide  range  of  technologies  that  are  available depending on the specific needs. 

 Sean Sanders:  Great. Dr. Bouvier, you have anything to add? 

Page 28: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

28

 Dr. Michel Bouvier:  Well,  I  think  that was very well covered, and as Dr. Conn mentioned, 

depending on the type of questions that you want to ask, the screening that you will be able  to pick will be determined by  this. But also, we have  to keep  in mind  that  the  type of molecules  that we will  identify will be impacted by the acid that we’ve selected, and one clear example of that comes from the fact that there is this ligand biased signaling and that,  you  know,  some  ligands  can  have  different  efficacies  toward different pathways. When you select a given pathway, let’s say calcium, using a promiscuous G protein that couples everyone, you don’t know if a ligand which is an agonist on this assay will also be an agonist on the most pertinent physiological readout that could be something else. And it could be an inverse agonist or it could be a neutral antagonist. 

   So you have to keep that in mind when you’re selecting your assay that 

if  you  are  really  looking  for  an  agonist,  you  better  choose  an  assay which  is as close as possible to your assay, the physiologically relevant assay. And then you can also,  if you  just want to have something that binds,  then whatever  assay will  give  you  information  about what  is binding to the receptor most likely. 

 Sean Sanders:  Okay, thank you. Anything to add, Dr. Kobilka?  Dr. Brian Kobilka:  Well,  just  that one of  the problems with high  throughput screening  is 

you’re developing an assay which  is very sensitive but not necessarily one that will pick up the physiologic signaling pathway which could be a minor pathway  for  that particular  receptor  and  that particular  cell  in the body, and I think that’s more or less echoing with what Michel said. So it’s a very big challenge for drug discovery. 

 Sean Sanders:  Right. Well,  it seems  like  there’s a  lot of challenges out  there  to keep 

everyone busy for a good few years.  Slide 64    So  it  just  remains  for me  to  thank all of our wonderful  speakers very 

much  for  being  with  us  today  and  for  sharing  their  knowledge  and expertise:  Dr.  Jeffrey  Conn  from  Vanderbilt  University,  Dr.  Michel Bouvier from Montreal University, and Dr. Brian Kobilka from Stanford University School of Medicine. 

   Thank you  to our online audience  for your great questions.  I wish we 

had  time  to answer all of  them, but unfortunately, we’re out of  time. Please  go  to  the URL  at  the  bottom  of  your  slide  viewer  now  if  you 

Page 29: Transcript Advances in G Protein-Coupled Receptor ......Sean Sanders: Hello to our viewers and welcome to today’s Science/AAAS live webinar entitled “Advances in G Protein‐Coupled

29

would  like  to  learn more about products related  to  today’s discussion and  look  out  for  more  webinars  from  Science  in  the  near  future available at www.sciencemag.org/webinar. We encourage you to share your  thoughts about  the webinar with us by  sending an email  to  the address now up in your slide viewer, [email protected]

   Again, thank you to our participants and to Roche Diagnostics and their 

xCELLigence System for their generous sponsorship of this educational seminar. 

   Goodbye.  [1:03:30]  End of Audio