The Independence of CXCR4’s Pathways, Gαi and β-Arrestin2, and Their Modulation by AMD3100 and TC14012

Abstract

CXCR4, a chemokine receptor involved in metastasis and homing of hematopoietic stem cells, signals through two major pathways: Gαi and β-arrestin2. β-arrestin2 terminates G-protein signaling and targets the receptor to endocytosis. This project proposed to study the effect of a previously described set of CXCR4 mutants on both these signaling pathways, as well as their localization. These mutants were assayed by different Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET) systems. Using these systems, we confirmed that N119S is a constitutively active mutant (CAM), spontaneously activating Gαi. As well, we found that R134A is a constitutively inactive mutant (CIM), devoided of G-protein signaling, but spontaneously recruiting β-arrestin2. In addition, we studied the dependency of β-arrestin2 recruitment on the Gαi activity. By targeting R134A and N119S with pertussis toxin, an inhibitor of the Gαi activation, we showed efficient blocking of the Gαi pathway, while maintaining the constitutive recruitment of β-arrestin2. This demonstrated that for CXCR4, β-arrestin2 recruitment is independent of the Gαi pathway. Finally, two synthetic ligands of CXCR4, AMD3100 and TC14012 were tested for their ability to recruit β-arrestin2. AMD3100 is a clinically approved drug used for stem cell transplantation, with considerable side effects. We found it to be an antagonist on both Gαi and β-arrestin2 recruitment. On the other hand, TC14012 was found to be an inverse agonist on Gαi and an antagonist on β-arrestin2 recruitment. Based on this finding, it would be preferable to use of TC14012 as it will further reduce any basal Gαi activity, without affecting β-arrestin2 recruitment. These results support the development of TC14012 for stem cell mobilization trials.

CXCR4 est un récepteur de chimiokines impliqué dans les métastases et la mobilisation des cellules souches hématopoïétiques. Il signale par deux voies: Gαi et β-arrestin2. La β-arrestine2 termine la signalisation des protéines G et cible le récepteur vers l'endocytose. Un des objectifs du projet était d’étudier l’effet de certaines mutations de CXCR4 sur la signalisation et la localisation du récepteur. À l’aide de la technique BRET, nous avons confirmé que le mutant N119S est constitutivement actif sur la voie de signalisation Gαi. De plus, nous avons constaté que le mutant R134A était dépourvu de signalisation par les protéines G, mais qu’il recrutait constitutivement la β-arrestine2. Nous souhaitions également étudier la dépendance du recrutement de la β-arrestine2 sur l’activité de Gαi. En utilisant la toxine de la coqueluche, un inhibiteur de la voie Gαi, le recrutement constitutif de la β-arrestine2 à R134A et N119S était maintenu. Ces résultats démontrent que, pour le récepteur CXCR4, le recrutement de la β-arrestine2 est indépendant de l’activation de Gαi. Finalement, nous avons investigué la capacité de recrutement de la β-arrestine2 induite par deux ligands synthétiques de CXCR4, soit AMD3100 et TC14012. À noter, AMD3100 est un médicament déjà approuvé pour la transplantation des cellules souches. Par contre, il démontre des effets secondaires considérables. D’un côté, nous avons constaté qu’AMD3100 était un antagoniste sur les deux voies de signalisation, soit Gαi et β-arrestine2. De l’autre côté, TC14012 a démontré l’effet d’agoniste inverse sur la voie Gαi, mais d’antagoniste sur la voie β-arrestine2. À la lumière de ces résultats, TC14012 pourrait être plus approprié dans des cas cliniques puisqu’il réduirait toute activité basale de Gαi sans affecter le recrutement de la β-arrestine2. Enfin, ces résultats suggèrent que le ligand TC14012 pourrait être utilisé dans des essais cliniques visant la mobilisation des cellules souches.