Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8368
Main Title: 3-Iodothyronamine and its role in aminergic G-protein coupled receptor signaling and neuromodulation
Translated Title: 3-Iodothyronamin und seine Rolle in der aminergen G-Protein gekoppelten Rezeptor-Signaltransduktion und Neuromodulation
Author(s): Bräunig, Julia
Advisor(s): Biebermann, Heike
Referee(s): Lauster, Roland
Biebermann, Heike
Rappsilbe, Juri
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: 3-Iodothyronamine (T1AM) is an endogenous thyroid hormone metabolite. Its profound pharmacological effects on energy metabolism and thermal homeostasis in rodents have raised interest to elucidate its signaling properties in tissues that pertain to metabolic regulation and thermogenesis. Especially its anapyrexic effect could be utilized in emergency medicine to treat disease conditions like stroke. Although the exact molecular mechanism of T1AM-induced anapyrexia has not been fully enlightened, it is assumed that in rodents its regulation is mediated centrally in the brain. Previous studies identified G protein-coupled receptors (GPCRs) and transient receptor potential channels (TRPs) as targets of T1AM in various cell types. However, known T1AM targets cannot explain the anapyrexic effect. In my dissertation, I investigated whether aminergic receptors that are involved in thermoregulation such as serotonin receptor 1b (5-HT1b) and histamine receptor 1 (HRH1) are new receptor targets for T1AM. 5-HT1b primarily activates the Gai/o-mediated pathway and phospholipase C (PLC) signaling through the Gβγ-subunit of Gi/o, whereas HRH1 is Gq/11 coupled. Since the expression profiles of TAAR1, the first described GPCR target of T1AM, and 5-HT1b coincide, I evaluated heteromerization of these two GPCRs and their signaling properties under co-expression. Next, I aimed at identifying activated brain areas after the intraperitoneal (i.p.) injection of T1AM in mice. I used the proto-oncogene cFOS (FOS) as a marker for neuronal activation. Further, I used murine neuronal cell lines to study their activation through T1AM regarding Gs and Gi/o signaling. In the first part of my dissertation, I showed that T1AM blocked HRH1 activation through its endogenous ligand histamine. Thus T1AM is an antagonist for HRH1. T1AM induced Gai/o signaling through 5-HT1b at a concentration of 10 µM. Strikingly, T1AM only activated the Gai/o mediated reduction of cAMP accumulation at 5-HT1b, but not PLC signaling through the ß?-subunit. Therefore, T1AM is a biased ligand for 5-HT1b. Additionally, I confirmed the heterodimerization between TAAR1 and 5-HT1b using fluorescence resonance energy transfer. When co-expressed, only TAAR1 mediated T1AM-induced signaling, whereas 5-HT1b activation was abrogated. In conclusion, 5-HT1b and HRH1 are new receptor targets for T1AM. Altogether, this indicates a complex interrelation of distinct signaling effects between the investigated GPCRs and respective ligands. In the second part, I observed a significant increase in the amount of FOS expressing neurons in the paraventricular nucleus (PVN) in C57BL/6 mice upon T1AM stimulation. To elucidate the underlying mechanism behind this T1AM signalosome, I used three different murine hypothalamic cell lines (GT1-7, mHypoE-N39 (N39) and mHypoE-N41 (N41)), which are known to express PVN markers. The cell lines expressed various aminergic GPCRs, as well as numerous members of TRP channel superfamily. Effects of T1AM on these cell lines were analyzed for the two GPCR signaling pathways, Gs and Gi/o. Here, I demonstrated that, despite the expression of known GPCR targets of T1AM, this thyroid hormone metabolite had no significant effect on Gi/o signaling and only a minor impact on the Gs pathway in the hypothalamic cell lines N39 and N41. A faint Gs signaling upon T1AM stimulation might have been the reason for FOS-expressing cells in the PVN. Although, the herein identified T1AM targets HRH1 and 5-HT1b are not Gs-coupled GPCRs my findings confirm that the multi-target ligand T1AM can modulate both histamine and serotonin GPCRs.
3-Iodothyronamin (T1AM) ist ein endogener Schilddrüsenhormonmetabolit. Seine pharmakologischen Auswirkungen auf den Energiestoffwechsel und die Temperaturregulation in Nagetieren haben Interesse an seiner Signaltransduktion in verschiedensten Organen, welche in den Metabolismus und die Thermogenese involviert sind, geweckt. Vor allem seine anapyrexische Wirkung hat das Potential in der Notfallmedizin zur Behandlung von akuten Krankheitsbildern, wie bei einem Schlaganfall, zur Anwendung zu kommen. Der genaue molekulare Mechanismus von T1AMinduzierter Anapyrexie ist nicht vollständig aufgeklärt, wird aber vermutlich bei Nagetieren zentral im Gehirn reguliert. Frühere Studien identifizierten G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) und transiente Rezeptorpotentialkanäle (TRPs) als Interaktionspartner von T1AM. Bereits bekannte T1AM-Interaktionspartner können die ausgelöste Anapyrexia jedoch nicht erklären. In meiner Dissertation untersuchte ich, ob aminerge Rezeptoren, die an der Temperaturregulation beteiligt sind, wie der Serotoninrezeptor 1b (5-HT1b) und der Histaminrezeptor 1 (HRH1), auch Rezeptoren für T1AM sind. 5-HT1b aktiviert in erster Linie den Gai/o Signalweg und Phospholipase C (PLC) durch Gβγ von Gi/o, während HRH1 ein Gq/11-gekoppelter Rezeptor ist. Da TAAR1, der erster beschriebene GPCR von T1AM, und 5-HT1b sich in ihrem Expressionsmuster teilweise überschneiden, untersuchte ich eine mögliche Heterodimerisierung zwischen diesen beiden GPCRs und die Signalwege der Rezeptoren bei Ko-Expression. Darüber hinaus identifizierte ich Gehirnareale, welche durch intraperitoneal (i.p.) injiziertes T1AM aktiviert werden. Dazu verwendete ich das Protooncogen cFOS (FOS) als Marker für stimulierte Neuronen. Um die endogene Gs und Gi/o Signaltransduktion durch T1AM-Stimulation zu untersuchen verwendete ich murine neuronale Zelllinien. Im ersten Teil meiner Dissertation konnte ich zeigen, dass T1AM die Aktivierung von HRH1 durch seinen endogenen Liganden Histamin blockierte, wodurch T1AM als ein Antagonist am HRH1 identifiziert werden konnte. T1AM induzierte Gai/o-Signalisierung am 5-HT1b in einer Konzentration von 10 µM. Allerdings, aktivierte T1AM am 5-HT1b nur die a- und nicht die ßy-Untereinheit. Dies macht T1AM zu einem funktionell selektiven Liganden. Zudem konnte ich zeigen, dass TAAR1 und 5-HT1b dimerisieren können. Bei der Ko-Expression von TAAR1 und HTR1b wurde die T1AM-Wirkung nur über TAAR1 vermittelt und die Aktivierung von 5-HT1b durch T1AM wurde blockiert. In meinem Exprimenten stellten sich 5-HT1b und HRH1 als neue Rezeptoren für T1AM heraus. Insgesamt deutet dies auf einen komplexen Zusammenhang der Signalwirkungen zwischen den untersuchten GPCRs und den jeweiligen Liganden hin. Im zweiten Teil dieser Arbeit konnte ich beobachten, dass die i.p. Injektion von 50 mg/kg Körpergewicht an T1AM die Anzahl an FOS exprimierenden Neuronen im Nucleus paraventricularis (PVN) von C57BL/6-Mäusen signifikant erhöhte. Um den zugrunde liegenden Mechanismus hinter diesem T1AM-induzierten Signalosom aufzuklären, habe ich drei verschiedene murine Hypothalamus-Zelllinien verwendet, da sie verschiedene PVN-Marker exprimieren: GT1-7, mHypoE-N39 (N39) und mHypoE-N41 (N41). In diesen Zelllinien wurden verschiedene aminerge GPCRs sowie TRP-Kanäle exprimiert. Auswirkungen von T1AM auf die hypothalamischen Zelllinien wurden für die zwei GPCR Signalwege Gs und Gi/o untersucht. Ich konnte zeigen, dass der Schilddrüsenhormon-Metabolit keinen signifikanten Effekt auf die Signalisierung von Gi/o und nur gering Gs Signalisierung in den hypothalamischen Zelllinien N39 und N41 aktiviert. Im PVN könnte ein Gs-Signal durch die T1AM Stimulation zu FOS-positiven Neuronen führen.Auch wenn die neu identifizierten T1AM Interaktionspartner HRH1 und 5-HT1b nicht Gs gekoppelte GPCRs sind, zeigen meine Forschungsergebnisse dennoch, dass T1AM ein Multi-Target-Ligand ist und sowohl Histamin-, als auch Serotonin-GPCRs modulieren kann.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9291
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8368
Exam Date: 29-Mar-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 10-May-2019
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): T1AM
Iodothyronamine
TAAR1
5-HT1b
GPCR
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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