Interakce receptorů třídy Frizzled s G proteiny a Dishevelled

Mgr. Kateřina Straková, Ph.D.

Doctoral thesis

Interaction of Class Frizzled receptors with G proteins and Dishevelled

Abstract:

Aby byl zajištěn správný vývoj embrya, vývojové procesy řídící embryogenezi musí být pečlivě regulovány. Jedna z hlavních signálních drah zodpovědných za synchronizaci těchto procesů je signální dráha WNT. Skrze ligandy z rodiny WNT, jejich receptory Frizzled (FZD) a různé navazující efektory jsou regulovány klíčové procesy, jako například buněčná proliferace, polarizace, migrace, diferenciace a formování tělní osy. V této práci shrnuji výsledky, které byly získány v rámci výzkumu raných událostí nastávajících v signální dráze WNT po vazbě WNT na FZD. Jsou zde detailně popsány interakce receptorů třídy FZD s jejich přímými vazebnými partnery Dishevelled (DVL) a heterotrimerickými G proteiny. Představuji zde a diskutuji nové aspekty vazby FZD/DVL a FZD/G proteinů týkající se struktury, post-translačních modifikací, faktorů určujících jejich vazebnou selektivitu a drah asociovaných s těmito interakcemi. Naše výsledky poukazují na formování komplexů FZD4 a Gα12/13 v inaktivním stavu a podporují tak hypotézu, že receptory spřažené s G proteiny (GPCR) se mohou párovat s Gα podjednotkami v inaktivním stavu, alespoň v rámci třídy F. Popisujme nově objevené souvislosti propojující FZD4/Gα12/13 s malými GTPázami z rodiny RHO a s efektory dráhy YAP/TAZ. Tyto souvislosti pomáhají objasnit molekulární podstati funkce FZD4 při tvorbě nových cév a naznačují částečnou redundanci v signalizaci závislé na FZD4 a FZD10. Popisujeme intra-molekulární interakční síť mezi transmembránovými helixy 2 a 4, jejíž narušení vede ke snížené schopnosti FZD4 vázat DVL a zabraňuje WNT signalizaci závislé na DVL. Dále ukazujeme, že konformace FZD stabilizovaná touto intramolekulární interakcí a také C-terminus nejsou důležité pro vznik komplexu FZD4/Gα12/13. Tento komplex také vzniká nezávisle na DVL, což naznačuje, že DVL ovlivňuje signalizaci závislou na FZD/Gα pouze specificky u určitých receptorů třídy F. Naše výsledky dále naznačují, že translokace DVL na membránu zprostředkovaná FZD4 je zvýšena, pokud je DVL přítomen ve formě multimerů. V neposlední řadě, ukazujeme, že fosforylace FZD nemusí být vyžadována pro vazbu DVL, ale že může být naopak důsledkem takové vazby, a může být indukovaná kinázami CK1δ/ε nebo GRK2. Receptory spřažené s G proteiny, které zahrnují i receptory třídy Frizzled, jsou slibnými kandidáty pro design nových léčiv. Obvykle se snažíme zacílit na specifickou signální kaskádu, aniž by byly ovlivněny ostatní signální dráhy. V tomto kontextu pomáhají výsledky našich experimentů porozumět selektivitě v signální transdukci indukované WNT/FZD/DVL a WNT/FZD/G proteinovými komplexy, a proto mohou přispět k vývoji léčiv s vyšší účinností a menším množstvím vedlejších efektů.

Abstract:

The developmental processes driving embryogenesis have to be carefully regulated in order to achieve proper development of the embryo. One of the main signalling pathways responsible for the synchronization of these processes is the WNT signalling network. Through ligands of the WNT family, their receptors Frizzleds (FZDs) and various downstream pathway effectors, key developmental events such as cellular proliferation, polarization, migration, cell fate specification or body axis patterning are controlled. In this thesis, I summarize the results of me and my colleagues obtained during the investigation of the most proximal events in WNT signalling pathway following WNT/FZD binding. The interaction of FZDs with their immediate binding partners Dishevelled (DVL) and heterotrimeric G proteins is scrutinized. I introduce and discuss novel aspects of FZD/G protein and FZD/DVL interaction with regard to the structural features, post-translational modifications, binding selectivity determinants and downstream pathways associated with these interactions. Our results advocate the formation of WNT-sensitive FZD4/Gα12/13 inactive state complexes and therefore support the hypothesis of GPCR/Gα inactive state precoupling, at least within the Class F. Two novel connections linking FZD4/Gα12/13 with RHO GTPases and effectors of the YAP/TAZ pathway are described, shedding light on the molecular basis of FZD4 function in vasculogenesis and proposing partial redundancy of FZD4- and FZD10-dependent signalling. We report the formation of a conserved intramolecular network between transmembrane helices 2 and 4 of FZDs, disruption of which results in decreased DVL-binding capacity of FZD4 and impairs DVL-dependent WNT signalling. Further, we show that conformation stabilized by this intra-molecular network as well as the C-terminus of FZD4 is dispensable for the assembly of the FZD4/Gα12/13 complex. The complex also forms independently of DVL, suggesting a FZDspecific DVL involvement in FZD/Gα-dependent signalling. Our results indicate that FZD4-mediated recruitment of DVL is enhanced by the multimerization of DVL. Lastly, we report that FZD phosphorylation might not be a prerequisite for FZD/DVL interaction but instead a consequence of such interaction induced by kinases such as CK1δ/ε or GRK2. G protein-coupled receptors (GPCRs) such as FZDs are promising candidates for drug design. The goal in such case is to target a specific signal transduction cascade without affecting the other pathways. Our results help to understand the selectivity of signal transduction induced by WNT/FZD/DVL and WNT/FZD/G protein complexes and therefore can contribute to developing drugs with higher efficacy and fewer side effects.

Keywords

Frizzled, FZD6, FZD4, Dishevelled, DVL, G protein, GNA12, GNA13, signální dráha WNT, WNT signalling, fosforylace, phosphorylation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 9. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 6. 10. 2017
• Supervisor: Prof. Gunnar Schulte, PhD.
• Reader: Prof. Dr. Sigmar Stricker, Dr. Emma Andersson

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Animal Physiology