Subtype-Selektive G Proteinantagonisten

Heterotrimere G Proteine, koppeln Membranständige Rezeptoren (für Hormone, Neurotransmitter, Autakoide, Photonen, Geruchstoffe) an ihre zellulären Effektorsysteme (Ionenkanäle und "second messenager"- synthetisierende Enzyme). G Proteine bestehen aus 3 Untereinheiten (alpha-, beta-, und gamma-Untereinheiten, wobei von jeder 5 bis >20 existieren): beta- und gamma-Untereinheiten bilden ein stabiles Dimer, dessen Struktur rigid ist; die alpha-Untereinheit, die die Guaninnukleotidbindungstelle trägt, durchläuft hingegen im Rahmen des Zyklus von Aktivierung (durch Austausch des gebundenen GDP für GTP) und Deaktivierung (durch GTP- Hydrolyse) eine Serie von Konformationsänderungen, wobei sie sequentiell Bindungsstellen für Reaktionpartner exponieren, nämlich für das beta-gamma-Dimer, den Rezeptor, GDP/GTP, den Effektor und in vielen Fällen für RGS-Proteine (="regualtor of G protein signalling", die die intrinsische GTPase der alpha-Untereinheit beschleunigen). In der Pharmakotherapie wird derzeit der Input in G Protein-regulierte Signalwege manipuliert, indem Rezeptoren als Angriffspunkte für Wirkstoffe (Agonisten oder Antagonisten) dienen. Auf Grund der kombinatorischen Assoziation von Untereinheiten existiert eine große Vielzahl an G Proteinoligomeren; in vivo, sind manche Rezeptoren ausschließlich auf ein einziges Oligomer definierter alpha-beta-gamma-Zusammensetzung (von allen möglichen Oligomeren) angewiesen, um einen Effektor zu regulieren. Weiters, führt die Rezeptor-vermittelte Stimulation einer Zelle in vielen Fällen zur konzentrierten Aktivierung mehrerer unterschiedlicher G Proteine, so daß multiple Effektoren rekrutiert werden, die die globale biologische Antwort auslösen. Auf Grund theoretischer Überlegungen könnte es unter anderem wünschenswert sein, das Signal, das ein Rezeptor über ein bestimmtes G Proteinoligomer auslöst, zu hemmen, ohne die Aktivierung der anderen G Porteinologomere zu beeinflussen; die daraus resultierende "biased" Inhibition der Rezeptor/G Proteinkopplung kann mit Rezeptorantagonisten (="Rezeptorblocker") nicht erreicht werden. Die diesem Antrag zugrundeliegende Arbeitshypothese geht davon aus, daß G Proteinologomere per se als Angriffspunkt für Pharmaka aufgefaßt werden können. Suraminanaloga sind bereits als G Protein-Inhibitoren charakterisiert worden, wobei bereits beachtliche Selektivitäten beobachtet wurden. Im vorliegenden Projekt soll daher (i) die Struktur-Wirkungsbeziehung für Suraminanaloga bestimmt werden. (ii) die Bindungsstelle für Suraminanaloga auf G Protein alpha-Untereinheiten kartiert werden. (iii) die strukturellen Voraussetzungen für die selektive Entkopplung von Rezeptor/G Proteinkomplexen bestimmt werden. (iv) die Selektivität der Substanzen, die in den Ansätzen (i) bis (iii) charakterisiert worden sind, auf zellulärem Niveau geprüft werden. Ziel des Projektes ist es, die Voraussetzungen zur Entwicklung hochselektiver Inhibitoren zu schaffen. Von diesen Verbindungen wird erwartete, daß sie nicht nur nützliche experimentelle Werkzeuge darstellen sondern auch letztlich zu Wirkstoffen führen, die für die Pharmakotherapie am Menschen relevant sind. Außerdem sollte durch diese Untersuchungen auch Einblicke in die molekularen Mechanismen gewonnen werden, über die die Aktivierung von G Proteinen durch Rezeptoren ausgelöst wird.

Wenn ein neues Gen identifiziert wird, wird in der Öffentlichkeit oft der Eindruck transportiert, dass es demnächst auch einen entsprechenden Hemmstoff als Arzneimittel. Tatsächlich ist der Weg bis dorthin sehr lange und mit vielen Fragen gesäumt. Im vorliegenden Projekt wurde nach Hemmstoffen für G Proteine (G Proteininhibitoren) gesucht. G Proteine funktionieren als molekulare Schalter, die ein Signal von einem Rezeptor (der ein Hormon oder einen Neurotransmitter bindet an der Zellaußenseite bindet) in die Zelle weiterleiten. Aus der Sequenzierung des menschlichen Erbgutes (=Genoms) lässt sich abschätzen, dass es weit mehr als 1000 Rezeptoren gibt, die an G Proteine koppeln; die Zahl von G Proteinen ist deutlich niedriger (wahrscheinlich weniger als 100 verschiedene). Es gibt Argumente, die für oder gegen das Konzept von G Proteininhibitoren sprechen. Im vorliegenden Projekt wurde dieses Konzept experimentell geprüft: Es wurde insbesondere der Nachweis erbracht, dass G Proteininhibitoren selektiv sein können und dass sie neue Typen von Selektivitäten entfalten können, weil sie an der Grenzfläche zwischen Rezeptoren und G Proteinen wirken. Da verschiedene Rezeptoren unterschiedlich mit demselben G Protein interagieren, ergeben sich neue Formen der Selektivität. Die Aufgabe der experimentellen Pharmakologie ist nicht die Arzneimittelentwicklung sondern unter anderem die Untersuchung von Wirkmechanismen und die Prüfung neuer Wirkprinzipien. Es ist leicht ein theoretisches Konzept zu formulieren, entscheidend ist aber der experimentelle Beweis und die Prüfung von Voraussagen. Dieses Ziel wurde im vorliegenden Projekt verfolgt und einigermaßen erfolgreich erreicht. Dies lässt sich anhand der Publikationen ablesen, die bereits eine gewisse Resonanz gefunden haben (s. Science Citation Index). Es ist aber offensichtlich, dass die gewonnenen Erkenntnisse auch von Bedeutung für die Arzneimittelentwicklung sind.