G-Protein-gekoppelte Rezeptoren: Evolution von ligandengesteuerter Zugangskontrolle zur Regulierung der Bindungsaffinität

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Arnd Baumann; Professorin Dr. Sigrun Korsching; Dr. Kanika Sharma
• Fachliche Zuordnung: Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen ; Molekulare und zelluläre Neurologie und Neuropathologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467577117

Rezeptoren für neuronale Botenstoffe (Neurotransmitter) sind ein wichtiges pharmazeutisches Ziel für eine Vielzahl von Erkrankungen, u.a. Depressionen, Drogenabhängigkeit und neurodegenerative Erkrankungen wie z.B. Alzheimer Demenz. Solche Erkrankungen werden in Zukunft immer häufiger auftreten, u.a. wegen der zunehmenden Lebenserwartung. Es gibt bereits sehr viele Untersuchungen zum Wirkungsmechanismus dieser Rezeptoren, aber trotzdem sind manche grundlegenden Fragen noch ungelöst. Eine wichtige Untergruppe sind die G Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCR), diese besitzen meist eine Bindungsstelle im Innern des Moleküls, so dass der Botenstoff, der ja von ausserhalb der Zelle kommt, erst durch einen Eingangstunnel passieren muss, um zu dieser inneren Bindungsstelle zu gelangen. Wir haben in kürzlichen Untersuchungen für einen Geruchsrezeptor, der einem bestimmten Neurotransmitter Rezeptor ähnelt, einen überraschenden Mechanismus zur Regulierung der Bindungsstärke gefunden. Wir konnten zeigen, dass der Geruchsstoff eine zusätzliche Bindungsstelle in einem 'Vestibül' am Eingangstunnel besitzt, die die Passage zur inneren Bindungstelle blockiert, und so die effektive Bindungsstärke drastisch herabsetzt. Unsere präliminären Untersuchungen haben gezeigt, dass ein solches Vestibül mit einer externen Bindungsstelle auch in u.a. zwei evolutionär entfernt verwandten Neurotransmitterrezeptoren vorkommt. Darauf stützen wir unsere zentrale Hypothese, dass die Gegenwart einer zweiten externen Bindungsstelle am Anfang des Eingangstunnels ein evolutionär altes und konserviertes Merkmal in der Hauptgruppe der GPCR darstellt, und zur Regulierung der effektiven Bindungsstärke verwendet werden kann. In dem hier vorgelegten Antrag schlagen wir vor, diese Hypothese stringent zu überprüfen, indem wir für ausgewählte Geruchsrezeptoren und Neurotransmitterrezeptoren die Gegenwart und Funktion eines solchen Vestibüls analysieren. Wir beginnen mit computergestützter Modellierung dieser Rezeptoren mit ihren Bindungsstoffen (Liganden), wobei wir für eine stringente Überprüfung mehrere unterschiedliche Methoden verwenden. In einem zweiten Schritt mutieren wir Rezeptoren mit einer solchen Vestibül-Vorhersage dergestalt, dass essentielle Aminosäuren der externen Bindungsstelle ausgetauscht werden. In dem dritten Schritt überprüfen wir die Auswirkungen dieser Mutationen auf das Bindungsverhalten der Rezeptoren, indem wir diese in Zellen exprimieren, und die Aktivierung der Rezeptoren durch die Liganden durch eine nachgeschaltete Signaltransduktionskette visualisieren. Wir erwarten, dass die Durchführung unseres Projektes wesentliche neue Einsichten in den grundlegenden Mechanismus der Aktivierung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren erbringt. Dadurch könnte auch eine gezielte Suche nach neuen Wirkstoffen starke Impulse erhalten, was von großer Bedeutung für Krankheiten wie Depression, Drogensucht, und neurodegenerativer Gedächtnisverlust wäre.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Mitverantwortlich: Dr. Paul Ziemba
• Kooperationspartner: Dr. Christophe Moreau