Molekulardynamik-geleitete Analyse der Ligandenaktivierung, Ionenpermeation und Subtyp-spezifischen Liganden-Interaktionen von P2X-Rezeptoren

• Antragsteller: Dr. Ralf Hausmann
• Fachliche Zuordnung: Pharmakologie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 236175933

P2X-Rezeptoren stellen eine Familie (P2X1R-P2X7R) homo- oder heterotrimerer Liganden-gesteuerter Ionenkanäle dar, die bei Bindung von extrazellulärem ATP einen depolarisierenden Einstrom von Kationen in die Zelle vermitteln. P2X-Rezeptoren sind interessante Targets für neue Arzneimittel. In den letzten drei Jahren wurden erhebliche Fortschritte im Verständnis der molekularen Funktion, Modulation und Struktur von P2X-Rezeptoren erzielt. Wir identifizierten (i) einen elektrostatischen Schalter-Mechanismus, der so funktioniert, dass Salzbrücken in der ATP-Bindestelle, die die geschlossene P2X2R-Konformation stabilisieren, durch Eindocken von ATP aufgebrochen werden; wir identifizierten außerdem (ii) Gating-Konformationsänderungen im P2X3R und (iii) Aminosäurereste, die für Subtyp-spezifische Interaktionen zwischen Liganden und P2X-Rezeptoren verantwortlich sind.Von hoher Relevanz für die Fortführung des Projektes sind die neuen hochaufgelösten Strukturen des humanen P2X3R in der geschlossenen und offenen Konformation sowie des Panda-P2X7R. Dies sind die ersten Strukturen von Säugetier-P2X-Rezeptoren. Die neuen hP2X3R-Strukturen, die erstmals intrazelluläre Domänen beinhalten, bieten eine bislang nicht da gewesene Chance, den Übergang von der geschlossenen in die offene Konformation durch funktionelle Messungen mittels umfassender all-atom Molekulardynamik-(MD)-Simulationen zu verfolgen. In der ersten Antragsperiode konnten wir nachweisen, dass die Kombination aus Struktur-geleiteter Mutagenese und funktionellen Analysen hoch effizient bei der Detektion und Validierung molekularer Interaktionen ist. Wir erwarten, dass MD-Simulationen die Struktur-geleitete Mutagenese für elektrophysiologische Experimente weiter verbessern. In Fortsetzung der bisherigen Arbeiten sind die Hauptziele der zweiten Antragsperiode, die dynamischen molekularen Mechanismen der Ligandenaktivierung und des Gatings zusammen mit den molekularen Mechanismen der Ionenpermeation, -leitfähigkeit und -selektivität zu identifizieren. Ein zugehöriges Ziel ist die Identifizierung der molekularen Determinanten von Subtyp-spezifischen Liganden-Interaktionen, um zu verstehen, wie P2X-Rezeptoren künftig gezielt und selektiv durch Arzneistoffe beeinflusst werden können. Zu diesem Zweck wollen wir als wichtige neue Methoden umfassende MD-Simulationen, Liganden-Docking und virtuelle Screening-Simulationen einsetzen. Daraus abgeleitete Hypothesen werden durch gerichtete Mutagenese in Verbindung mit elektrophysiologischen Messungen auf makroskopischer und Einzelkanal-Ebene geprüft. Die elektrophysiologischen Daten werden im iterativen Feedback zur Adaptation der MD-Simulationen genutzt, mit dem finalen Ziel, die funktionelle Dynamik der Kopplung von Liganden-Bindung und Ionenfluss in P2X-Rezeptoren im atomaren Detail zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Jan-Philipp Machtens