Allosterische Kernregion muskarinischer Acetylcholinrezeptoren: Nutzung durch agonistische Dual-Liganden und Rolle für Rezeptoraktivierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Unsere Voruntersuchungen an muskarinischen Acetylcholinrezeptoren vom Subtyp M2 und die jüngst publizierten Kristallstrukturen von diesem und anderen G Proteingekoppelten Rezeptoren (GPCR) zeigen, dass die Bindungstasche für den endogenen Botenstoff zwei „Etagen“ hat. Der Botenstoff tritt zunächst in einen oberflächlich gelegenen Vorraum („allosterisches Vestibül“) ein, um dann in die Tiefe der Bindungstasche zu gelangen und von dieser orthosterischen Position aus den Rezeptor zu aktivieren. Das Projekt hatte zum Ziel: erstens, Entwurf und Synthese von Substanzen zur gleichzeitigen, überlappenden Besetzung beider Etagen („dualsterische“ Liganden) und, zweitens, deren Nutzung als molekulare Sonden zur Erkundung und gezielten Modulation der Rezeptorfunktion. Die neuen Wirkstoffe sind modular aufgebaut aus drei Teilen: orthosterische Rezeptor-Aktivatoren mit unterschiedlicher Fähigkeit zur Rezeptoraktivierung, Alkyl-Zwischenketten verschiedener Länge, nicht zur Rezeptoraktivierung befähigte allosterische Bausteine unterschiedlicher Raumfüllung und Bindungsaffinität. Als modellhaft ausgewählter GPCR diente der muskarinische M2-Acetylcholinrezeptor, weil für diesen umfangreichste Erfahrungen zur Wechselwirkung zwischen unverbundenen orthosterischen und allosterischen Wirkstoffen vorliegen. Eine breite Palette von Messmethoden erlaubte es, die Rezeptor-induzierte Aktivierung unterschiedlicher Signalwege zu erfassen. In diesem Rahmen wurde ein neues, Großgerät-basiertes Verfahren zur Erfassung der Gesamtantwort lebender Zellen erstmals eingehend validiert. Mittels optischer Sensoren wird in Echtzeit die Testsubstanz-induzierte Änderung der Zelldichte registriert, welche im Gefolge von Veränderungen der Zellform und der Verteilung intrazellulärer Bestandteile auftritt (EPIC® Dynamic Mass Redistribution assay). Das Projekt führte zu grundlegend neuen Entdeckungen und Einsichten: Mittels geeigneter orthosterischer Agonistbausteine ist es möglich, den M2-Rezeptor stärker zu aktivieren als durch den körpereigenen Botenstoff: „Superagonismus“. Die „Konstriktion“ des allosterischen Vestibüls ist Voraussetzung für eine uneingeschränkte Signalwegsaktivierung. Mittels maßgeschneiderter dualsterischer Aktivatoren ist das Muster der Signalwegsaktivierung gezielt modulierbar. Erstmals konnte mittels dualsterischer Wirkstoffe für die GPCR-Superfamilie eine neue Form des Partialagonismus gezeigt werden: „dynamische“ Ligandbindung, d.h. ein strukturabhängiger und damit molekular einstellbarer stochastischer Wechsel zwischen aktiven und inaktiven Wirkstoff-Bindepositionen am Rezeptor.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Deconvolution of complex G protein-coupled receptor signaling in live cells using dynamic mass redistribution measurements. Nat Biotechnol. 2010 Sep;28(9):943-9. Epub 2010 Aug 15
Schröder R, Janssen N, Schmidt J, Kebig A, Merten N, Hennen S, Müller A, Blättermann S, Mohr-Andrä M, Zahn S, Wenzel J, Smith NJ, Gomeza J, Drewke C, Milligan G, Mohr K, Kostenis E
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Applying label-free dynamic mass redistribution technology to frame signaling of G protein-coupled receptors noninvasively in living cells. Nat Protoc. 2011 Oct 20;6(11):1748-60
Schröder R, Schmidt J, Blättermann S, Peters L, Janssen N, Grundmann M, Seemann W, Kaufel D, Merten N, Drewke C, Gomeza J, Milligan G, Mohr K, Kostenis E
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The allosteric vestibule of a seven transmembrane helical receptor controls G-protein coupling. Nat Commun. 2012;3:1044
Bock A, Merten N, Schrage R, Dallanoce C, Bätz J, Klöckner J, Schmitz J, Matera C, Simon K, Kebig A, Peters L, Müller A, Schrobang-Ley J, Tränkle C, Hoffmann C, De Amici M, Holzgrabe U, Kostenis E, Mohr K
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Agonists with supraphysiological efficacy at the muscarinic M2 ACh receptor. Br J Pharmacol. 2013 May;169(2):357-70
Schrage R, Seemann WK, Klöckner J, Dallanoce C, Racké K, Kostenis E, De Amici M, Holzgrabe U, Mohr K
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Dualsteric GPCR targeting and functional selectivity: the paradigmatic M2 muscarinic acetylcholine receptor. Drug Discovery Today: Technologies, Volume 10, Issue 2, Summer 2013, Pages e245-e252
Bock A, Mohr K
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Molecular alliance - from orthosteric and allosteric ligands to dualsteric/bitopic agonists at G protein coupled receptors. Angew Chem Int Ed Engl. 2013 Jan 7;52(2):508-16. Epub 2012 Dec 6
Mohr K, Schmitz J, Schrage R, Tränkle C, Holzgrabe U
