The diversity of G protein-coupled receptors is a fundamental element in this thesis. GPCRs are the largest family of membrane proteins, with about 800 in humans. While the human GPCR repertoire is well described, in other species, especially in non-mammals, GPCRs are not tracked to the individual subtype level in large-scale genomic studies. The diversity of GPCRs in non-human vertebrates was studied in the first publication. The study classified 142 rhodopsin-like non-olfactory GPCRs without human orthologue, 69 of which were reported for the first time. The study also points out inconsistencies in the GPCR nomenclature system and reveals a pool of yet-to-be studied receptors. Understanding the repertoire of GPCRs in non-human species might also be useful for many areas of science, such as pharmacology, ecotoxicology and evolutionary biology.
For more insight into the orexin system, two small-molecule orexin receptor agonists were pharmacologically characterised in the second and third publications. Nag26 was confirmed to be a potent and almost full agonist of orexin receptors, but the selectivity for orexin receptor type-2 was not as strong as reported (20-fold against 70-fold). Yan7874 was also confirmed to be an orexin receptor agonist, but only partial and weak with high off-target activity. Neither of these compounds is likely to be suitable for further drug development as such. These studies also display the challenge in the development of small-molecule agonists for peptide-bound GPCRs.
Finally, Ciona intestinalis putative orexin receptor was studied, and its functionality was verified in recombinant cells. Homology models of C. intestinalis orexin receptor revealed a highly similar binding cavity as in the human OX2 orexin receptor. Thus, the functionality of the receptor was studied in Ca2+ elevation assay, and the receptor was verified to be functional and binding to human orexin peptides. Further database mining resulted in the identification of putative C. intestinalis prepro-orexin and orexin peptide that was shown to bind to a plasma membrane of C. intestinalis orexin receptor-expressing cells. Solving the function of the orexin system in distinct species such as C. intestinalis might be interesting from an evolutionary point of view but also essential in extending the knowledge of the orexin system in humans.
This thesis was conducted collaboratively with the Division of Pharmaceutical Chemistry and Technology, Faculty of Pharmacy and Department of Veterinary Biosciences, Faculty of Veterinary Medicine, at the University of Helsinki.G-proteiinikytkentäisten reseptorien moninaisuus on keskiössä tässä väitöskirjatyössä. G-proteiinikytkentäiset reseptorit ovat suurin yhtenäinen kalvoreseptorien ryhmä, ja ihmisellä on noin 800 G-proteiinikytkentäistä reseptoria. Toisin kuin ihmisen reseptorien kohdalla, muiden lajien edustajien (varsinkin nisäkkäiden ulkopuolelta) reseptorijoukkoa on harvoin jäljitetty alatyyppitasolle asti laajoissa genomitutkimuksissa.
Tämän väitöskirjatyön ensimmäinen julkaisu perehtyy G-proteiinikytkentäisten reseptorien moninaisuuteen selkärankaisilla lajeilla. Tutkimus luokittelee 142 rodopsiini-reseptorien ryhmään kuuluvaa G-proteiinikytkentäistä reseptoria ilman humaania ortologia. Näistä reseptoreista 69 esitetään tässä työssä ensimmäistä kertaa. Lisäksi tutkimus osoittaa reseptorien epäjohdonmukaisuuksia nimeämissysteemissä, sekä esittelee vielä tutkimattomia reseptoreja. Laajempi ymmärrys eri lajien reseptorirepertuaarista voi olla hyödyllinen monilla tieteenaloilla, kuten farmakologiassa, ekotoksikologiassa ja evoluutiobiologissa.
Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin myös ihmisen G-proteiinikytkentäisiä reseptoreja. Kahden pienmolekyylioreksiinireseptoriagonistin ominaisuudet luokiteltiin farmakologisesti tämän väitöskirjan toisessa ja kolmannessa julkaisussa. Tutkimus vahvisti pienmolekyyli Nag26:n olevan potentti, lähes täysagonisti ja selektiivinen tyypin-2 oreksiinireseptorille, joskaan ei yhtä voimakkaasti selektiivinen kuin aikaisemmin on raportoitu. Pienmolekyyli Yan7874:n vahvistettiin olevan myös oreksiinireseptoriagonisti, mutta vain osittainen ja heikko. Lisäksi, Yan7874 indusoi soluissa epäspesifisiä vaikutuksia. On siis epätodennäköistä, että kumpikaan näistä yhdisteistä tarjoaisi sellaisenaan potentiaalia pidemmälle lääkekehitykselle. Nämä tutkimukset osoittavat osaltaan pienmolekyyliagonistien kehityksen haasteita peptideihin sitoutuviin G-proteiinikytkentäistiin reseptoreihin.
Lopuksi, tässä työssä tutkittiin selkärangattoman Ciona intestinalis –lajin putatiivista oreksiinireseptoria, ja sen toiminnallisuus vahvistettiin ilmentämällä sitä rekombinanteissa soluissa. Homologiamallien perusteella reseptorin sitoutumistaskun osoitettiin muistuttavan ihmisen tyyppi-2 oreksiinireseptorin sitoutumistaskua. Oreksiinireseptorin toimivuus vahvistettiin reseptori-riippuvaisella solunsisäisen kalsiumin mobilisaatiolla, ja sitovan humaaneja oreksiinipeptidejä. Lisäksi tietokantalouhinta johti putatiivisen C. intestinalis oreksiini-prekursorin ja oreksiinipeptidin tunnistamiseen. Tässä väitöskirjatyössä tunnistettiin ensimmäistä kertaa C. intestinalis –lajin oreksiini-prekursori ja osoitettiin, että putatiivinen oreksiinipeptidi sitoutuu C. intestinalis oreksiinireseptoria expressoivien solujen solukalvolle. Oreksiinisysteemin toiminnallisuus evolutiivisesti etäisillä lajeilla, kuten C. intestinalis –lajilla, on mielenkiintoinen tutkimuskohde evoluutiobiologian kannalta. Lisäksi se voi tarjota tietoa kokonaisvaltaiseen oreksiinisysteemin ymmärtämiseen myös ihmisillä.
Tämä väitöskirja on toteutettu yhteistyössä Helsingin Yliopiston Farmaseuttisen Kemian ja Teknologian osaston (Farmasian Tiedekunta) ja Eläinlääketieteellisten Biotieteiden osaston (Eläinlääketieteellinen Tiedekunta) kanssa
