Struktur und Pharmakologie von GABAA Rezeptoren

Die -Aminobuttersäure (GABA) ist die quantitativ bedeutendste inhibitorische Transmittersubstanz des Zentralnervensystems. Ein Großteil der Wirkungen der GABA wird über GABA A -Rezeptoren ausgelöst. GABA A - Rezeptoren sind Chloridionenkanäle, die durch GABA geöffnet werden können. Viele pharmakologisch und klinisch wichtige Substanzen, wie z.B. Benzodiazepine, Barbiturate, neuroaktive Steroide, Anästhetika und Konvulsiva, üben ihre Wirkung über diese Rezeptoren aus. GABA A -Rezeptoren bestehen aus fünf Untereinheiten, die verschiedenen Untereinheitsklassen angehören können und den zentralen Chloridkanal ausbilden. Bisher wurden an drei der fünf Kontaktflächen zwischen den Untereinheiten Bindungsstellen identifiziert: eine Benzodiazepin- und zwei unterschiedliche GABA- Bindungsstellen. Für die meisten anderen allosterisch-modulatorischen Substanzen, die am GABA A -Rezeptor angreifen, konnten noch keine Bindungsstellen an diesem Rezeptor identifiziert werden. In diesem Projekt sollen durch Herstellung von chimären oder mutierten Rezeptoren Aminosäuresequenz- Änderungen in die bisher noch nicht untersuchten Kontaktflächen eingeführt und die Wirkungen verschiedenster Substanzen auf mutierte und nicht-mutierte Rezeptoren in elektrophysiologischen und pharmako-logischen Untersuchungen verglichen werden. Weiters soll die Lösungsmittel-Zugänglichkeit und Geometrie der entsprechenden Bindungsstellen mittels Cystein-Substitution, kovalenter Markierung und Quervernetzung untersucht werden. Im Zuge dieses Projekts sollen Substanzen identifiziert werden, die in einer der beiden Kontaktflächen binden, und es sollen Aminosäuren identifiziert werden, die für die Wirkung der Substanzen wichtig sind. Die Ergebnisse können in Strukturmodelle des GABA A -Rezeptors eingebaut werden und zu einer präziseren Vorhersage der Struktur verschiedener definierter allosterischer Zustände des Rezeptors beitragen. Dies ist von großer Bedeutung für die pharmazeutische Industrie und wird zu einer rationaleren Entwicklung von klinisch bedeutenden Medikamenten führen.

Die Gamma-Aminobuttersäure (GABA) ist die quantitativ bedeutendste inhibitorische Transmittersubstanz des Zentralnervensystems. Ein Großteil der Wirkungen der GABA wird über GABA A -Rezeptoren ausgelöst. Die GABA A -Rezeptoren sind Chlorid-Kanäle, die aus fünf Untereinheiten bestehen und durch GABA geöffnet werden können. Viele klinisch und pharmakologisch wichtige Substanzen, wie z.B. Benzodiazepine, Barbiturate, neuroaktive Steroide, Anästhetika und Konvulsiva, üben ihre Wirkung über diese Rezeptoren aus. Für die meisten dieser Substanzen ist nicht bekannt, an welcher Stelle im Rezeptor sie angreifen. Im Rahmen dieses Projekts berechneten wir Strukturmodelle der extrazellulären und transmembran-Domäne von GABA A Rezeptoren unter Verwendung der Struktur verwandter Rezeptoren. Mit Hilfe dieser Modelle gelang es uns nachzuweisen, dass es innerhalb dieser Rezeptoren mindestens 15 verschiedene Hohlräume gibt, die mit Zellflüssigkeit gefüllt sind und vermutlich für Konformationsänderungen des Rezeptors benötigt werden, jedoch auch als Bindungstaschen für Medikamente fungieren und somit die komplexe Pharmakologie dieser Rezeptoren erklären können. Diese Modelle können nicht nur zur Visualisierung dieser Hohlräume, sondern auch als Ausgangspunkt zur weiteren Untersuchung dieser möglichen Bindungsstellen für Medikamente dienen. In einem derartigen Ansatz versuchten wir mittels experimenteller Daten und Rechenprogrammen herauszufinden, auf welche Art und Weise sich die Angst-lösenden, Muskel-relaxierenden, sedierenden und Krampf-lösenden Benzodiazepine in die Benzodiazepin- Bindungsstelle der GABA A Rezeptoren binden. Die erhaltenen Ergebnisse gaben nicht nur gute Hinweise darauf, sondern erlaubten auch, einige der von uns berechneten Modelle als unrealistisch auszuschließen und somit insgesamt die Qualität der verwendeten Modelle zu verbessern. In einem weiteren Ansatz untersuchten wir eine weitere dieser 15 Hohlräume des Rezeptors. Wir konnten zeigen, dass sich in diesem Hohlraum tatsächlich eine Bindungsstelle für Medikamente befindet, und wir konnten auch eine Substanzklasse identifizieren, die an diese Bindungsstelle bindet. Substanzen dieser Strukturklasse haben das Potential eine Rezeptor-Subtyp-selektive Wirkung zu entfalten und könnten Prototypen zur Entwicklung von Medikamenten mit einem neuen Wirkmechanismus und klinischer Bedeutung darstellen. Und schließlich entwickelten wir im Rahmen dieses Projektes eine Methode zur Expression und Reinigung großer Mengen an GABA A Rezeptoren, die zur Untersuchung der Struktur und Pharmakologie dieser Rezeptoren mittels NMR- und Kristallisations-Studien verwendet werden können. Diese und ähnliche Studien stellen den Ausgangspunkt für eine zukünftige Medikamentenentwicklung auf Strukturbasis dar und können die Entwicklung von klinisch wirksamen Medikamenten bedeutend beschleunigen.