Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.01.2006

Funktionelle Eigenschaften G-Protein gekoppelter Rezeptoren

Prof. Dr. Peter Gmeiner
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Lehrstuhl für Pharmazeutische Chemie

Prof. Dr. Brian Kobilka
Stanford University
Kobilka Lab


Catecholamin-Rezeptoren verzeichnen adrenerge und dopaminerge Subtypen und sind bekannt als Targetproteine für ZNS und cardiovaskulär aktive Arzneistoffe. Sie können weiterhin eingesetzt werden als Modellsysteme zum Verständnis der Struktur, Zellbiologie und Physiologie von GPCR-Ligandkomplexen. In Brian Kobilka’s Labor in Stanford wurden direkte Methoden zur Beobachtung konformativer Veränderungen in β2-Rezeptoren entwickelt. Die Gruppe von Peter Gmeiner in Erlangen arbeitet auf dem Gebiet des Designs und der Synthese neuartiger hochspezifischer GPCR-Agonisten und Antagonisten. Unter Verwendung des β2-Subtyps als Modellsystem wird sich die Kooperation zwischen der Bayerischen und der Kalifornischen Forschungsgruppe auf die Synthese maßgeschneiderter GPCR-Liganden und deren biologische Untersuchung als molekulare Sonden konzentrieren, um Einblick in die Protein-Erkennungs- und -Aktivierungsprozesse zu erhalten.

Abschlussbericht
Unterstützt durch eine Förderung von BaCaTeC initiierte meine Gruppe eine Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Brian Kobilka und seiner Arbeitsgruppe an der Stanford University. Nach Anfangsdiskussionen im Jahr 2006 begannen wir mit der Umsetzung eines gemeinsamen Forschungsprogramms. Unsere Tätigkeiten starteten unmittelbar nachdem Brian Kobilka’s Labor die erste Kristallstruktur des ß2-adrenergen Rezeptors publizieren konnte, einem G-Protein gekoppelten Rezeptor in seinem inaktiven Zustand. Dabei war das Membranprotein mit einem inversen Agonisten stabilisiert. Ziel unserer Zusammenarbeit war es, Zugang zur ersten Agonist-gebundenen Struktur eines G-Protein gekoppelten Rezeptors zu erhalten.

Da bekannt war, dass die Bindungsaffinität von Agonisten in einem binären Komplex zwischen G-Protein gekoppeltem Rezeptor und seinem Liganden niedrig ist (niedrigaffiner Zustand), entschlossen wir uns, eine Strategie zu entwickeln, die es uns erlaubte, die Dissoziationskonstante des Liganden, gebunden an seinen Rezeptor, substantiell zu vermindern. Das Resultat unserer Diskussion war die Entwicklung eines kovalent bindenden ß2-Adrenorezeptor-Agonisten, der in der Lage war, mehr oder weniger irreversibel mit dem Rezeptor zu assoziieren, so dass wir die Dissoziation quasi auf null setzen konnten. Wir identifizierten eine Position im Rezeptor (Position 93 in der transmembranären Helix 2), die durch Cystein ersetzt werden konnte, ohne dass es dabei zu einem Verlust der Funktionalität kam. Basierend auf der Kristallstruktur des inaktiven Zustandes bestimmten wir den ungefähren Abstand zwischen dieser Position und dem Pharmakophor des potentiellen Agonisten. Durch Kombination der Struktur unterschiedlicher heterozyklischer Bioisostere von Noradrenalin mit Linkersequenzen unterschiedlicher Länge und einer Funktionalität, von der eine kovalente Bindung an die mutierte Cysteinposition in transmembranärer Helix 2 erwartet wurde, gelang uns die Entwicklung des kovalenten ß2-Adrenorezeptor-Agonisten FAUC 50 im Rahmen eines evolutiven Prozesses. Tatsächlich zeigte diese Verbindung kovalente Bindungseigenschaften zum Rezeptor und die funktionellen Eigenschaften eines vollen Agonisten. Nach sorgfältigen funktionellen Studien führten Kristallisationsexperimenten im Labor von Brian Kobilka an der Stanford University zu einer Kristallstruktur des ersten Agonist-gebundenen GPCRs. Die Arbeit wurde im Jahr 2011 in Nature publiziert.

Im Anschluss daran konnte das Kobilka-Labor weiterhin die Kristallstruktur des ternären Komplexes sowie eine Struktur in Gegenwart des vollständigen G-Proteins erhalten. Im Jahre 2012 erhielt Brian Kobilka den Nobelpreis für seine strukturellen Charakterisierungen G-Protein gekoppelter Rezeptoren.

In der Zwischenzeit haben wir unsere Zusammenarbeit intensiviert, was zu drei weiteren gemeinsamen Arbeiten geführt hat, die in den Zeitschriften Nature, PNAS und Molecular Pharmacology publiziert wurden. Mit Hilfe der dankenswerten Starthilfe durch BaCaTeC wird unsere Zusammenarbeit jetzt durch die National Institutes of Health unterstützt, die mein Labor mit weiteren Drittmitteln für weitere wissenschaftliche Untersuchungen auf dem Gebiet der medizinischen Chemie G-Protein gekoppelter Rezeptoren versorgen. Ziel dieses NIH Projektes ist es, allosterische Liganden, basierend auf den neuen GPCR Kristallstrukturen, zu entwickeln.