Untersuchung der molekularen Details des µ-Opioidrezeptor-Komplexes mit Arrestin mittels genetisch kodierter Crosslinker in lebenden Zellen.

• Antragstellerin: Professorin Dr. Irene Coin
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568338957

Opioid-Medikamente, die den Gi-gekoppelten μ-Opioid-Rezeptor (MOR) ansprechen, sind die wichtigsten Schmerzmittel zur Behandlung von starken Schmerzen. Sie führen jedoch zu Toleranz und Sucht und können lebensbedrohliche Nebenwirkungen haben. Diese Effekte könnten mit der Wechselwirkung des MOR mit Arrestin zusammenhängen, das die Internalisierung des Rezeptors vermittelt und somit an der Desensibilisierung beteiligt ist. Es ist bekannt, dass Agonisten unterschiedlicher Wirksamkeit verschiedene GPCR-Kinasen (GRKs) zum MOR rekrutieren, was unterschiedliche Grade der Arrestin-Rekrutierung zur Folge hat. Hochauflösende Strukturen des MOR, das an GRK oder Arrestin gebunden ist, fehlen jedoch, und es ist noch unklar, ob die durch verschiedene Agonisten induzierten MOR-Arrestin-Komplexe strukturelle Unterschiede aufweisen. Die Wechselwirkung zwischen MOR und Arrestin ist transient, was die strukturelle Charakterisierung erschwert. Wir haben eine Methode entwickelt, um die strukturellen Details von GPCR-Arrestin-Komplexen direkt in lebenden Zellen zu ermitteln. Diese basiert auf dem systematischen genetischen Einbau nicht-kanonischer Aminosäuren für Crosslinking über die Protein-Protein-Wechselwirkungsoberfläche, kombiniert mit Molecular Modelling und MD-Simulationen. Mit diesem Ansatz haben wir kürzlich den PTH1R-Arrestin2-Komplex im Detail charakterisiert, einschließlich flexibler Teile, die mit herkömmlichen Methoden nicht zugänglich sind. Diese Methode ist auch für transiente MOR-Arrestin-Komplexe anwendbar (vorläufige Arbeiten). In diesem Projekt wollen wir die Wechselwirkungen zwischen MOR, Arrestinen und GRKs aufklären und die funktionellen Implikationen spezifischer struktureller Elemente untersuchen, mit dem Ziel, unser Verständnis der MOR-Signalregulation zu erweitern und die manipulieren zu können. Wir werden unsere Crosslinkingsplattform nutzen, um MOR-Arrestin-Komplexe zu charakterisieren, die durch hochwirksame (z. B. DAMGO) und schwach wirksame Agonisten (z. B. Morphin) induziert werden. Wir werden die experimentellen Daten in Molecular Modelling integrieren, um präzise Modelle des MOR-Arrestin-Komplexes zu erstellen. Wir werden molekulare Wechselwirkungen im Kontext der bestehenden Literatur untersuchen und ausgewählte Elemente mit komplementären Methoden analysieren (z. B. Struktur-Aktivitäts-Beziehungs-Studien, Manipulation von Phosphorylierungszuständen). Zudem werden wir untersuchen, ob und wie verschiedene GRKs strukturell unterschiedliche Komplexe induzieren. Schließlich planen wir, unseren Ansatz auf Wechselwirkungen von GPCRs mit GRKs zu erweitern. Dieses Projekt zielt auf eine molekulare Wechselwirkung von hoher biomedizinischer Relevanz ab, mit weitreichenden Auswirkungen auf die Gesellschaft (Opioid-Epidemie). Unsere Strategie bietet Einblicke direkt aus dem transienten Komplex, der in der zellulären Umgebung gebildet wird und mit reduktionistischen Methoden nicht zugänglich ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen