PICK1, a PDZ domain-containing protein, is known to increase the reuptake activities of dopamine transporters by increasing their expressions on the cell surface. Here, we report a direct and functional interaction between PICK1 and dopamine $D_3$ receptors ($D_3R$), which act as autoreceptors to negatively regulate dopaminergic neurons. PICK1 colocalized with both dopamine $D_2$ receptor ($D_2R$) and $D_3R$ in clusters but exerted different functional influences on them. The cell surface expression, agonist affinity, endocytosis, and signaling of $D_2R$ were unaffected by the coexpression of PICK1. On the other hand, the surface expression and tolerance of $D_3R$ were inhibited by the coexpression of PICK1. These findings show that PICK1 exerts multiple effects on $D_3R$ functions.
Biased signaling or functional selectivity refers to the ability of an agonist or receptor to selectively activate a subset of transducers such as G protein and arrestin in the case of G protein-coupled receptors (GPCRs). Although signaling through arrestin has been reported from various GPCRs, only a few studies have examined side-by-side how it differs from signaling via G protein. In this study, two signaling pathways were compared using dopamine D2 receptor (D2R) mutants engineered via the evolutionary tracer method to selectively transduce signals through G protein or arrestin (D2G and D2Arr, respectively). D2G mediated the inhibition of cAMP production and ERK activation in the cytoplasm. D2Arr, in contrast, mediated receptor endocytosis accompanied by arrestin ubiquitination and ERK activation in the nucleus as well as in the cytoplasm. D2Arr-mediated ERK activation occurred in a manner dependent on arrestin3 but not arrestin2, accompanied by the nuclear translocation of arrestin3 via importin1. D2R-mediated ERK activation, which occurred in both the cytosol and nucleus, was limited to the cytosol when cellular arrestin3 was depleted. This finding supports the results obtained with D2Arr and D2G. Taken together, these observations indicate that biased signal transduction pathways activate distinct downstream mechanisms and that the subcellular regions in which they occur could be different when the same effectors are involved. These findings broaden our understanding on the relation between biased receptors and the corresponding downstream signaling, which is critical for elucidating the functional roles of biased pathways.
In this study, we determined the effect of 24 different synthetic 4-benzylpiperidine carboxamides on the reuptake of serotonin, norepinephrine, and dopamine (DA), and characterized their structure-activity relationship. The compounds with a two-carbon linker inhibited DA reuptake with much higher potency than those with a three-carbon linker. Among the aromatic ring substituents, biphenyl and diphenyl groups played a critical role in determining the selectivity of the 4-benzylpiperidine carboxamides toward the serotonin transporter (SERT) and dopamine transporter (DAT), respectively. Compounds with a 2-naphthyl ring were found to exhibit a higher degree of inhibition on the norepinephrine transporter (NET) and SERT than those with a 1-naphthyl ring. A docking simulation using a triple reuptake inhibitor 8k and a serotonin/norepinephrine reuptake inhibitor 7j showed that the regions spanning transmembrane domain (TM)1, TM3, and TM6 form the ligand binding pocket. The compound 8k bound tightly to the binding pocket of all three monoamine reuptake transporters; however, 7j showed poor docking with DAT. Co-expression of DAT with the dopamine D2 receptor (D2R) significantly inhibited DA-induced endocytosis of D2R probably by reuptaking DA into the cells. Pretreatment of the cells with 8f, which is one of the compounds with good inhibitory activity on DAT, blocked DAT-induced inhibition of D2R endocytosis. In summary, this study identified critical structural features contributing to the selectivity of a molecule for each of the monoamine transporters, critical residues on the compounds that bound to the transporters, and the functional role of a DA reuptake inhibitor in regulating D2R function.
Tetrazoles were designed and synthesized as potential inhibitors of triple monoamine neurotransmitters (dopamine, norepinephrine, serotonin) reuptake based on the functional and docking simulation of compound 6 which were performed in a previous study. The compound structure consisted of a tetrazole-linker (n)-piperidine/piperazine-spacer (m)-phenyl ring, with tetrazole attached to two phenyl rings (R1 and R2). Altering the carbon number in the linker (n) from 3 to 4 and in the spacer (m) from 0 to 1 increased the potency of serotonin reuptake inhibition. Depending on the nature of piperidine/piperazine, the substituents at R1 and R2 exerted various effects in determining their inhibitory effects on monoamine reuptake. Docking study showed that the selectivity of tetrazole for different transporters was determined based on multiple interactions with various residues on transporters, including hydrophobic residues on transmembrane domains 1, 3, 6, and 8. Co-expression of dopamine transporter, which lowers dopamine concentration in the biophase by uptaking dopamine into the cells, inhibited the dopamine-induced endoctytosis of dopamine D2 receptor. When tested for compound 40 and 56, compound 40 which has more potent inhibitory activity on dopamine reuptake more strongly disinhibited the inhibitory activity of dopamine transporter on the endocytosis of dopamine D2 receptor. Overall, we identified candidate inhibitors of triple monoamine neurotransmitter reuptake and provided a theoretical background for identifying such neurotransmitter modifiers for developing novel therapeutic agents of various neuropsychiatric disorders.
${\beta}$-Arrestins are one of the protein families that interact with G protein-coupled receptors (GPCRs). The roles of ${\beta}$-arrestins are multifaceted, as they mediate different processes including receptor desensitization, endocytosis, and G protein-independent signaling. Thus, determining the GPCR regions involved in the interactions with ${\beta}$-arrestins would be a preliminary step in understanding the molecular mechanisms involved in the selective direction of each function. In the current study, we determined the roles of the N-terminus, intracellular loops, and C-terminal tail of a representative GPCR in the interaction with ${\beta}$-arrestin2. For this, we employed dopamine $D_2$ and $D_3$ receptors ($D_2R$ and $D_3R$, respectively), since they display distinct agonist-induced interactions with ${\beta}$-arrestins. Our results showed that the second and third intracellular loops of $D_2R$ are involved in the agonist-induced translocation of ${\beta}$-arrestins toward plasma membranes. In contrast, the N- and C-termini of $D_2R$ exerted negative effects on the basal interaction with ${\beta}$-arrestins.
Dooti Kundu;Anlin Zhu;Eunae Kim;Suresh Paudel;Choon-Gon Jang;Yong Sup Lee;Kyeong-Man Kim
Biomolecules & Therapeutics
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v.31
no.1
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pp.108-115
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2023
Numerous psychotropic and addictive substances possess structural features similar to those of β-phenethylamine (β-PEA). In this study, we selected 29 β-PEA derivatives and determined their structure-activity relationship (SAR) to their ability to inhibit dopamine (DA) reuptake; conducted docking simulation for two selected compounds; and identified their potential functionals. The compounds were subdivided into arylethylamines, 2-(alkyl amino)-1-arylalkan-1-one derivatives and alkyl 2-phenyl-2-(piperidin-2-yl)acetate derivatives. An aromatic group, alkyl group, and alkylamine derivative were attached to the arylethylamine and 2-(alkyl amino)-1-arylalkan-1-one derivatives. The inhibitory effect of the compounds on dopamine reuptake increased in the order of the compounds substituted with phenyl, thiophenyl, and substituted phenyl groups in the aromatic position; compounds with longer alkyl groups and smaller ring-sized compounds at the alkylamine position showed stronger inhibitory activities. Docking simulation conducted for two compounds, 9 and 28, showed that the (S)-form of compound 9 was more stable than the (R)-form, with a good fit into the binding site covered by helices 1, 3, and 6 of human dopamine transporter (hDAT). In contrast, the (R, S)-configuration of compound 28 was more stable than that of other isomers and was firmly placed in the binding pocket of DAT bound to DA. DA-induced endocytosis of dopamine D2 receptors was inhibited when they were co-expressed with DAT, which lowered extracellular DA levels, and uninhibited when they were pretreated with compound 9 or 28. In summary, this study revealed critical structural features responsible for the inhibition of DA reuptake and the functional role of DA reuptake inhibitors in regulating D2 receptor function.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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