Anschlussprojekte

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

Prof. Dr. Brian Kobilka
Stanford University
Molecular and Cellular Physiology and Medicine

Funktionelle Eigenschaften G-Protein gekoppelter Rezeptoren

Monoaminerge 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 biophysikalische Methoden zur Beobachtung der Struktur und konformativer Veränderungen von GPCRs entwickelt. Die Gruppe von Peter Gmeiner in Erlangen arbeitet auf dem Gebiet des Designs und der Synthese neuartiger hochspezifischer GPCR-Agonisten und Antagonisten. Die Zusammenarbeit beider Labors führte zur Kristallstruktur des ersten Agonist-gebundenen GPCRs. Unter Verwendung der Röntgenstrukturanalyse als Werkzeug für die Medizinische Chemie von GPCRs wird die Kooperation zwischen der Bayerischen und der Kalifornischen Forschungsgruppe neue Einblicke in Struktur-Aktivitätsbeziehungen ermöglichen, die auf verwandte Rezeptoren übertragen werden sollen.

Ausgangsprojekt: Funktionelle Eigenschaften G-Protein gekoppelter Rezeptoren

Abschlussbericht

Die Ursprüngliche gemeinsame Untersuchungen führten im Rahmen eines iterativen Prozesses zu kovalenten Catecholamin-Analogen. Die Verbindungen, die im Labor von Peter Gmeiner an der Friedrich-Alexander-Universität entwickelt wurden, zeigten kovalente Bindung zum Rezeptor und die funktionellen Eigenschaften eines vollen Agonisten. Sorgfältige funktionelle Studien und Kristallisationsexperimente im Labor von Brian Kobilka an der Stanford University führten zu Kristallstrukturen Agonist-gebundener GPCRs.

Das Konzept unserer Kooperation mit dem Labor von Brian Kobilka bedient sich der komplementären Expertise zwischen beiden Gruppen. Strukturbiologie und Medizinische Chemie arbeiten zusammen, um hochauflösende Kristallstrukturen therapeutisch relevanter, G-Protein gekoppelter Rezeptoren, gebunden an hochspezifische Liganden, zu entwickeln. Anschließend versuchen wir diese für das Design neuer Arzneistoffkandidaten zu nutzen.

Röntgenkristallographie ist von sehr großem Interesse für die Optimierung von Leitstrukturen in der Wirkstoffentwicklung, da eine rationale strukturelle Basis einen effizienteren Zugang zu neuen Arzneistoffkandidaten ermöglicht. Deshalb beabsichtigen wir, GPCR-Kristallographie auch in meinem Labor in Erlangen aufzubauen. Zusammen mit Frau Dr. Möller aus meiner Gruppe haben wir den Dopamin D3-Rezepor-Subtyp als Modellrezeptor gewählt, der bereits kristallisiert wurde. Wir wollen neue Kristallstrukturen mit spezifischen Liganden, die in meinem Labor in Erlangen entwickelt wurden, erhalten. Unter Benutzung der Kristallographie als Werkzeug für die medizinisch-chemische Entwicklung im Bereich eines G-Protein gekoppelten Rezeptors wird uns diese Vorgehensweise neue Einblicke in Struktur-Aktivitätsbeziehungen eröffnen, die auf verwandte Rezeptor-Ligand-Systeme übertragen werden sollen. Brian Kobilka unterstützt unser Konzept nachdrücklich und hilft uns, die Methodik in meinem Labor zu entwickeln. Da die Erfahrung seines Labors besonders wichtig für den Erfolg des Vorhabens ist (nur wenige Labors weltweit sind bislang in der Lage, GPCRs zu kristallisieren), unternahm Frau Dr. Möller einen Forschungsaufenthalt an der Stanford University. In engem Kontakt mit der Kobilka-Gruppe arbeitet sie derzeit an der Reinigung von Rezeptorproteinen in meinem Labor. Wir sind davon überzeugt, dass das Projekt uns zukünftig Kristallstrukturen von interessanten GPCR-Ligand-Komplexen liefern wird.

Dank der durch BaCaTeC unterstützten Initiative wird unsere Zusammenarbeit durch die National Institutes of Health finanziell gefördert. Dies gibt uns die Möglichkeit, weitere wissenschaftliche Untersuchungen im Bereich der Medizinischen Chemie G-Protein gekoppelter Rezeptoren durchzuführen. Wir arbeiten zurzeit an einem Forschungsantrag für einen zweiten NIH-geförderten Grant, den wir im Juni 2018 einreichen werden.

Folgende Publikationen stehen im Zusammenhang mit dem geförderten Projekt:

Structure-Based Design and Discovery of New M2 Receptor Agonists. Inbar Fish, Anne Stoessel, Katrin Eitel, Celine Valant, Sabine Albold, Harald Huebner, Dorothee Moeller, Mary J. Clark, Roger K. Sunahara, Arthur Christopoulos, Brian K. Shoichet, Peter Gmeiner. J. Med. Chem. 2017, 60, 9239-9250.
(Prof. Kobilka ist nicht unter den Autoren, da er nur am Rande beteiligt war. Die Arbeit mit den Kollegen Sunahara (UCSD) und Shoichet (UCSF) ist jedoch im Umfeld mit dem BaCaTeC-geförderten Kalifornien Aufenthalt von Frau Dr. Möller zu betrachten.
Structure-based discovery of opioid analgesics with reduced side effects. Aashish Manglik, Henry Lin, Dipendra K. Aryal, John D. McCorvy, Daniela Dengler, Gregory Corder, Anat Levit, Ralf C. Kling, Viachaslau Bernat, Harald Huebner, Xi-Ping Huang, Maria F. Sassano, Patrick M. Giguere, Stefan Loeber, Da Duan, Gregory Scherrer, Brian K. Kobilka, Peter Gmeiner, Bryan L. Roth, Brian K. Shoichet. Nature 2016, 537, 185-190.
Structural insights into mu-opioid receptor activation. Weijiao Huang, Aashish Manglik, A. J. Venkatakrishnan, Toon Laeremans, Evan N. Feinberg, Adrian L. Sanborn, Hideaki E. Kato, Kathryn E. Livingston, Thor S. Thorsen, Ralf C. Kling, Sebastien Granier, Peter Gmeiner, Stephen M. Husbands, John R. Traynor, William I. Weis, Jan Steyaert, Ron O. Dror, Brian K. Kobilka. Nature 2015, 524, 315-321.

(Die unter 2 und 3 genannten Publikationen entstanden unter Zusammenarbeit zwischen P. Gmeiner und B. Kobilka, die dort veröffentlichen Ergebnisse sind dem Umfeld des BaCaTeC-Projekts zuzuordnen.)