Identifying Receptors for Neuropeptides and Peptide Hormones: Challenges and Recent Progress

Abstract

Intercellular signaling events mediated by neuropeptides and peptide hormones represent important targets for both basic science and drug discovery. For many bioactive peptides, the protein receptors that transmit information across the receiving cell membrane are not known, severely limiting these signaling pathways as potential therapeutic targets. Identifying the receptor(s) for a given peptide of interest is complicated by several factors. Most notably, cell–cell signaling peptides are generated through dynamic biosynthetic pathways, can act on many different families of receptor proteins, and can participate in complex ligand–receptor interactions that extend beyond a simple one-to-one archetype. Here, we discuss recent methodological advances to identify signaling partners for bioactive peptides. Recent efforts have centered on methods to identify candidate receptors via transcript expression, methods to match peptide–receptor pairs through high throughput screening, and methods to capture direct ligand–receptor interactions using chemical probes. Future applications of the receptor identification approaches discussed here, as well as technical advancements to address their limitations, promise to lead to a greater understanding of how cells communicate to deliver complex physiologies. Importantly, such advancements will likely provide novel targets for the treatment of human diseases within the central nervous and endocrine systems.

Functional studies on neuropeptides and receptors in model animal <italic>Aplysia</italic>

“…神经肽种类多样性是其作用广泛多样的基础。重要的是，神经肽所作用的受体及其信号通 路也具有多样性，这种特征也对神经肽的多功能性做出了重要贡献。具体讲，内源性的神经肽 与受体的相互作用比较复杂。一种神经肽可能只有一个受体，也可能有多个受体；多种神经肽 可能作用于同一受体，也可能作用于多个不同的受体 [18] 。同时，不同的受体可以通过至少三 种 Gα 蛋白的不同信号通路作用于下游靶标 [9] (图 2)。 [25] 。Zhang 等通过 RDA 方法发现了海兔神经组织中新 颖的神经肽 leucokinins [16] 。该方法在脊椎动物中也有应用，比如 Dong 等通过 RDA 方法分析 野生型小鼠和 NgnI -/-缺失型小鼠背根部神经的基因组差异，发现了与疼痛/痒觉相关的一些 GPCRs [26] 。总的来说，RDA 方法对于可识别神经元中特异蛋白(包括神经肽)的发现具有很 大的优势。但是此方法一般要求细胞可识别，并且需要合适的细胞作为 driver neurons，因此 RDA 方法也有一定的局限性。 此外，基于转录组学的表达序列标签方法(Expressed sequence tag，EST)和基于基因组 学的生物信息学方法也有力促进了神经肽的发现。例如研究者通过 EST 方法发现了沙漠蝗虫 中截短的神经肽 Neuropeptide F(truncated NPF，trNPF) [27,28] 、长红锥蝽(Rhodnius prolixus) 神经肽 Orcokinin B [29] 以及海兔 SPTR 家族神经肽 [30,31] 等，而线虫神经肽 FMRFamide-like peptides(FLPs) [32,33] ，insulin-like peptides [34] 第二位)会通过翻译后修饰转化为 D-型氨基酸，即产生含 D-型氨基酸神经肽 [22] ，而且，很多 情况下，含 D-型氨基酸神经肽比其 L-型的差向异构体的生物活性要高。重要的是，含 D-型氨…”

“…(crustacean-cardioactive peptide)信号途径相似 [53,56,57] 。 重要的是，神经肽受体的鉴定对于神经肽发挥作用的分子机制研究具有关键作用。 [18] [6,7,64] 。 例如， 随着模式动物线虫基因组测序的完成， 线虫中大量的神经肽被发现， 包括 insulin-like peptides，FMRFamide，non-insulin peptides 等，其中 insulin-like peptides 在哺乳动物中有同源 神经肽 [32,33] 。研究表明它们在摄食、位置移动和生殖等动物行为中发挥调控作用 [65] ，这对脊 椎动物中相关神经肽的研究具有指导或参考作用。 另外， 昆虫类的模式动物也有一定的优势。 比如神经肽 leucokinins [66] 最先在蟑螂中发现。 这归因于蟑螂繁殖能力强，可以短期内获得大量可用神经组织的特点，适合采用生物化学的方 法从组织中提取并鉴定神经肽。此外，果蝇的基因组测序也已经完成，研究者可以利用生物信 息学的方法发现大量的神经肽 [7,67] ，重要的是，还可以采用分子遗传学手段探索神经肽的信号 途径及其功能，这也使得果蝇成为研究神经肽的一种重要的优势模型动物。 此外，甲壳纲动物(比如螃蟹及龙虾)的神经系统，尤其是其口胃神经系统(stomatogastric nervous system, STNS)是研究神经肽的另一个优势模式系统 [6,68] 脊椎动物一样，海兔也具有所有动物的基本行为类型，包括觅食、位置移动和生殖等 [73] 。目 前海兔神经肽的研究进展相当一部分来自于对摄食行为调控机制的研究 [64,74] 。 海兔通过口器里的一个被称为齿舌(类似于舌头)的器官进行摄食，该器官能够牢牢咬住 食物，使食物可以被摄入食道或者从口器中吐出。海兔的摄食行为具有节律性，每个周期都由 齿舌的"伸长" (protraction)和"回缩" (retraction) ，以及齿舌的"打开"和"咬合"两组动 作组成。绝大部分摄食行为都是以齿舌伸长阶段开始，回缩阶段结束。摄食相关的行为主要有 两种类别：即摄入和反刍。在摄入和反刍行为中，齿舌伸长、回缩与齿舌打开、咬合这两组运 动的联合方式是不同的。在摄入行为里，齿舌在回缩时是咬合的，从而摄入食物；在反刍行为 里，齿舌在伸长时是咬合的，从而推出食物或不能吃的物体 [75,76] (图 3 B)。…”

“…程可能不同 [18] 。( 3)神经肽翻译后修饰的多样性。神经肽前体产生的同一个神经肽，经过不 同的蛋白翻译后修饰过程 (post-translational modifications， PTMs) ， 可能具有不同的生物活性。 大多数神经肽都需要经过 PTMs，常见的 PTMs 包括酰胺化 [19] ，糖基化，磷酸化，二硫键的形 成 [20,21] 以及神经肽中一个特定氨基酸从 L-型变为 D-型(即含 D-型氨基酸神经肽) [22,23] 等(图…”

Functional characterization of a neuropeptide receptor exogenously expressed in Aplysia neurons

“…Neuropeptides are the most diverse class of neurotransmitters/neuromodulators, which mostly act on G-protein coupled receptors (GPCRs). The diversity arises in part from the possibility that a single neuropeptide precursor can generate multiple forms of active peptides, and a peptide can act on multiple GPCRs, which in turn might function through different signaling pathways [1, 2]. Consequently, it has been challenging to study peptide signaling systems in vertebrates.…”

Exogenous expression of an allatotropin-related peptide receptor increased the membrane excitability in Aplysia neurons

“…Neuropeptides, the most diverse class of neurotransmitters/neuromodulators, largely act on G-protein coupled receptors (GPCRs). Diversity arises in part from the possibility that a single neuropeptide precursor can generate multiple forms of active peptides, and a peptide can act on multiple GPCRs, which in turn might function through different signaling pathways [ 1 ]. Relatively simple model systems such as Aplysia are often used to study neuropeptide signaling.…”