Aggregation and post-translational modification of the parathyroid hormone and its agonistic activity towards the G-protein coupled PTH receptors

Abstract

Das humane Parathormon (PTH) und sein Rezeptor (PTH1R), ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR), sind die primären Regulatoren der Calcium Homeostase und des Knochenumbaus. Hier wurden die biologische Funktion von PTH und dessen detaillierter molekularer Mechanismus aufgeklärt. (i) Das vorhergesagte zweistufige Bindungsmodel konnte bestätigt werden. Der erste Schritt beinhaltet die Membraninteraktion (Reste 1 bis 42) von PTH an der Zelloberfläche, gefolgt von Rezeptorerkennung und -bindung (Reste 1 bis 38) im zweiten Schritt. (ii) PTH wird an drei Cystein am N-Terminus phosphoryliert, was eine Reduktion der α-helicen Konformationsanteile bewirkt. Dieser Vorgang blockiert in vivo die PTH-vermittelte cAMP-Aktivierung. Diese Studie zeigt, dass die Funktion von PTH durch Phosphorylierung kontrolliert werden kann. (iii) Eine detaillierte strukturelle Charakterisierung für in vitro gebildete Amyloidfibrillen aus PTH (1-84) wird vorgestellt. Diese Fibrillen zeigten eine charakteristische cross-β Struktur, wobei die Reste 25R-37L die Kernstruktur der Fibrillen bilden und bei Verdünnung eine langsam Dissoziation in Monomere.

Human parathyroid hormone (PTH) and its receptor (PTH1R), a class B G-protein coupled receptor (GPCR) are the primary regulators of calcium homeostasis and bone remodeling. Here, the biological action of PTH and its detailed molecular mechanism were elucidated. (i) An earlier proposed two-step binding model could be confirmed. The first step involves the membrane interaction (residues 1 to 42) of PTH on the cell surface followed by the receptor recognition and binding (residues 1 to 38) in the second step. (ii) PTH gets phosphorylated at three N-terminal cysteine residues of the hormone disrupting the α-helical propensity. This event ablated in vivo the PTH-mediated cAMP signaling. This studies thus uncovered the important finding that the function of PTH can be controlled by phosphorylation. (iii) A detailed structural characterization is presented for in vitro generated amyloid fibrils from PTH (1-84). These fibrils showed the characteristic cross-β structure, residues 25R-37L from the fibril core and dissociate slowly upon dilution into monomers.