Date of Award

11-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Molecular Biology and Biotechnology

Department

Biology

First Advisor

Dr. Mohammed Akli Ayoub

Second Advisor

Dr. Rabah Iratni

Abstract

Carnosol is a plant polyphenol compound known for its beneficial properties against human diseases such as cancer and diabetes. However, the exact molecular and cellular mechanisms involved, and its molecular targets are not fully known. Carnosol was shown to bind and to modulate specific intracellular signaling proteins in cancer cell lines. In this study, we hypothesized that carnosol may pharmacologically target specific cell surface receptors including G Protein-Coupled Receptors (GPCRs) and Receptor Tyrosine Kinase (RTKs). Therefore, we tested the pharmacological effect of carnosol on the following receptors: Insulin Receptor (IR), Chemokine CXCL12 Receptor (CXCR4), Angiotensin II (AngII) Receptor (AT1R), Glucagon-Like Peptide-1 Receptor (GLP-1R), Thrombin/Protease-Activated Receptor (PAR1), and the Vasopressin Receptor (V2R). For this, we used the Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET) technology in live Human Embryonic Kidney (HEK293) cells transiently expressing the different receptors. The effect of carnosol was examined on the activation of G proteins and the recruitment of β-arrestins or Insulin Receptor Substrate 1 (IRS1) by the receptors. Interestingly, we observed differential carnosol’s profile depending on the receptor and the different pathways. Indeed, carnosol significantly increased the BRET signals between most of the receptors and β-arrestin while it had no significant effect on G protein coupling suggesting a biased action. In addition, the combination treatment led to a potentiation of BRET increase suggesting additive/allosteric effects. By contrast, carnosol had a negative/antagonistic effect on vasopressin mediated V2R activation, and it had no effect on AT1R activation neither individually nor combined. However, some carnosol-mediated signals were blocked by receptor-selective antagonist while other were not. For IR, carnosol also increased BRET signals between the receptor and IRS1 in a dose-dependent manner, and its combination with insulin further potentiated the response. This may have implication in the anti-diabetic effects of carnosol as reported in previous studies and supported by our glucose uptake assay showing carnosol promoted glucose uptake in HepG2 cells. This study constitutes the first to screen various receptors for their targeting by carnosol, which may identify them as potential pharmacological targets of carnosol in different pathophysiological contexts (cancer and diabetes). This may open new perspectives in developing new pharmaceuticals based on the structure and the properties of carnosol.

Arabic Abstract

الكارنوزول (Carnosol) هو مركب نباتي متعدد الفينول معروف بخصائصه المفيدة ضد الأمراض التي تصيب الإنسان مثل السرطان والسكري. ومع ذلك، فإن الآليات الجزيئية والخلوية الدقيقة المعنية، وأهدافها الجزيئية، غير معروفة تمامًا. وقد ثبت أن الكارنوزول يرتبط ويؤثر على بروتينات تأشير معينة داخل الخلايا في خطوط الخلايا السرطانية. في هذه الدراسة، افترضنا أن الكارنوزول قد يستهدف دوائيًا مستقبلات سطح خلوية معينة بما في ذلك المستقبلات المقترنة بالبروتين (GPCRs) ومستقبلات الـ(RTKs) Tyrosine Kinase. لذلك، قمنا باختبار التأثير الدوائي للكارنوزول على المستقبلات التالية: مستقبلات الأنسولين (IR)، مستقبلات Chemokine CXCL12 (CXCR4)، مستقبلات (AT1R) (AngII) II، مستقبلات الببتيد الشبيه بالجلوكاجون (GLP-1R)، مستقبلات الثرومبين (PAR1) ومستقبلات فاسوبريسين (V2R). لهذا الغرض، استخدمنا تقنية نقل طاقة رنين التلألؤ الحيوي (BRET) في خلايا الكلى الجنينية البشرية الحية (HEK293) التي تصنع المستقبلات المختلفة بشكل مؤقت. تم فحص تأثير الكارنوزول على تنشيط المستقبلات المقترنة بالبروتين G وتوظيف مثبطات بيتا β-arrestins أو متفاعلات مستقبلات الأنسولين 1 (IRS1) بواسطة المستقبلات المناسبة. من المثير للاهتمام أننا لاحظنا تأثير الكارنوزول التفاضلي اعتماداً على المستقبلات والمسارات المختلفة. في الواقع، زاد الكارنوزول بشكل كبير من إشارات BRET بين معظم المستقبلات و β-arrestins بينما لم يكن له تأثير كبير على اقتران البروتين G مما يشير إلى تأثير متحيز. بالإضافة إلى ذلك، أدى العلاج المركب إلى تقوية زيادة BRET مما يشير إلى تأثيرات مضافة/ خيفية. على النقيض من ذلك، كان للكارنوزول تأثير سلبي/مناقض على تنشيط V2R بوساطة فازوبريسين، ولم يكن له أي تأثير على تنشيط AT1R سواء بشكل فردي أو مركب. ومع ذلك، تم حظر بعض الإشارات التي يتوسط فيها الكارنوزول بواسطة مناقض انتقائي للمستقبلات بينما لم يتم حظر أخرى. بالنسبة الـIR، زاد الكارنوزول أيضًا من إشارات BRET بين المستقبل و IRS1 بطريقة تعتمد على تركيز الجرعة المضافة، كما أدى دمج الجرعة مع الأنسولين إلى زيادة الاستجابة. يحتمل أن يكون لهذا التأثير دور في الخصائص المضادة للسكري للكارنوزول كما ورد في الدراسات السابقة وبدعم من اختبار امتصاص الجلوكوز الذي قمنا به والذي يُظهر التأثير المعزز للكارنوزول على امتصاص الجلوكوز في خلايا HepG2. هذه الدراسة هي الأولى التي تفحص استهداف الكارنوزول لمستقبلات مختلفة، مما قد يساعد على تعريف هذه المستقبلات كأهداف دوائية محتملة للكارنوزول في سياقات فسيولوجية مرضية مختلفة (السرطان والسكري). قد يفتح هذا آفاقًا جديدة في تطوير أدوية جديدة بناءً على بنية وخصائص الكارنوزول.

Download
COinS