Die Energie-Kopplung des Serotonin Transporters

Neuron sind auf das Verarbeiten und Weiterleiten von Information spezialisierte Zellen. Diese können eine Länge von über einem Meter erreichen und nutzen sich sehr schnell ausbreitende elektrische Signale (Aktionspoteniale) zur Kommunikation. Informationsaustausch zwischen Neuronen benötigt spezialisiert Strukturen, die als Synapsen bezeichnet werden. Otto Loewi erhielt 1936 den Nobelpreis für die Erkenntnis, dass die Kommunikation zwischen Neuronen auf kleine diffundierende Molekülen basiert. Diese als Neurotransmitter bezeichneten Moleküle sind in kleinen Vesikeln gespeichert und werden nach Erregung der Synapse ausgeschüttet. Der dadurch ausgelöste starken Konzentrationsanstieg kann ein neues Aktionspotential in einem zweiten Neuron hervorrufen. Neuronale Funktion verlangt ein effizientes Entfernen der Neurotransmitters, während abnormale neuronale Funktionistmit Krankheitsbilder wie Depression,Aufmerksamkeits-und Hyperaktivitätsyndrom, Authismus, oder Bipolare Störungen verbunden ist. Gegenstand dieses Forschungsvorhabens ist der Transporter des Neurotransmitters Serotonin (hSERT). Der Transporter hSERT oszilliert zwischen zwei Konformationen, wobei dabei gleichzeitig der Zugang zur Serotonin Bindestelle zwischen Extra- und Intrazellulärraum alterniert. Transport wird von den elektrochemischen Gradienten der co-transportierten Ionen durch einen Prozess angetrieben, der als Energiekopplung bezeichnet wird. Das Ziel dieses Forschungsvorhabens dreht sich um folgenden Fragen: Wie wird die Energie des Ionengradienten in konformationelle Veränderungen konvertiert? Wie kann die Energiekopplung das Aufkonzentrieren von Serotonin antreiben? Um das gesteckte Ziel zu erreichen, werden die Beiträge von Konformationen, Dynamik, Wechselwirkungen und Thermodynamik zum Transport von Serotonin quantifiziert. Diesem Forschungsvorhaben liegt die Hypothese zugrunde, dass die Bindung von Serotonin und der co- transportierten Ionen in der initialen Konformation des hSERT unvollständig ist, aber die Energie aufbringt, damit hSERT seine alternative Konformation einnimmt und die Bindungsstelle zum Intrazellularraum hinwendet. Der noch unbekannt Mechanismus der Energiekonversion wir durch die Integration einer Vielzahl von Methodenuntersucht werden, welchenvon Zell-basierten Transportexperiment bis in zu Computersimulationen des Serotonintransports mit atomarer Auflösung reichen. Die Pharmaindustrie hat sich in den letzten Jahren zusehend aus der Entwicklung von neuen Medikamenten zur Behandlung von neuronalen Erkrankungen zurückgezogen, weil es immer schwieriger wurde, neuen und effektive Wirkstoffe zu finden. Diese Forschungsvorhaben adressiert dieses Problematik nicht direkt, aber die Erforschung der Mechanismen der Energiekonversion und der strukturellen Details des Serotonintransports lege den Grundstein für innovative Medikamentenentwicklungen, die in der Zukunft zu besser Medikamente führen können.

Neuron sind auf das Verarbeiten und Weiterleiten von Information spezialisierte Zellen. Informationsaustausch zwischen Neuronen benötigt spezialisiert Strukturen, die als Synapsen bezeichnet werden. Die als Neurotransmitter bezeichneten Moleküle sind in kleinen Vesikeln gespeichert und werden nach Erregung der Synapse ausgeschüttet. Der dadurch ausgelöste starken Konzentrationsanstieg kann ein neues Aktionspotential hervorrufen. Neuronale Funktion verlangt ein effizientes Entfernen der Neurotransmitters, während abnormale neuronale Funktion mit Krankheitsbilder wie Depression, Aufmerksamkeits- und Hyperaktivitätsyndrom, Authismus, oder Bipolare Störungen verbunden ist. Gegenstand dieses Forschungsvorhabens ist der Transporter des Neurotransmitters Serotonin (hSERT). Die Substratbindungsstelle (S1) befindet sich im Zentrum des Transporter in der Mitte der Membran. Das Model des Transportzyklus von SERT sagt vorher, dass das Binding von 5HT and den nach aussen offenen Transporter den Transportzykus startet. Im nächsten Schritt geht SERT dann in den okkludierten Zustand über, und öffnet anschließend das inner Portal, was den Austritt von 5HT in das Zytosol des pre-synaptischen Neurons erlaubt. In diesem Forschungsprojekt konnten wir die Annahme bestätigen, dass SERT im Ruhezustand auswärts geoffnet ist. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass das Binden des Co-transportieren Natriumions notwendig ist, um diesen Zustand zu stabilisieren. Wir konnten zeigen, dass der strukturelle Übergang in den okkludierten Zustand sehr komplex ist und mehrer intermediäre Schritte umfasst. Wir konnten mithilfe umfangreicher Simulationen und der Kombination mit Experimenten die einzelnen Schritte auf dem Weg zur SERT-Okklusion identifizieren. Der erste Schritt ist die Erkennung des Substrats durch Aspartat 98, das Teil der Helix TM1B ist. Dieser Ligandensensor leitet den Prozess ein: zunächst die Bewegung von TM1B, gefolgt von einer konzertierten Bewegung der Bundledomäne und dem Abschluss der Okklusion durch Bewegungen von TM6A. Als einen Hauptprädiktor für diese Bewegungen haben wir die Dichte des Wasser im Eingang zur Substratbindungsstelle identifiziert, die unmittelbar vor und während der Bewegungen eine geringe Dichte aufweist. Wir fanden heraus, dass die Grenzfläche zwischen den relativ zueinander gleitenden Proteindomänen Oberflächen Eigenschaften aufweisen, die eine scheinbar reibungslose Bewegung gekennzeichnet ist und durch konformativ anpassbare Proteinseitenketten ermöglicht wird. Das zentrale Ergebnis dieses Projekts ist die Charakterisierung der konformativen Kopplung zwischen Ligand und Transporter und der Quantifizierung des damit verbundenen freien Energie. Durch die Charakterisierung der Wechselwirkung von 5HT, einer kongenerischen Reihe von 5HT-Derivaten und mehreren psychoaktiven Substanzen konnten wir zeigen, dass der Ligand die SERT-Okklusion auslöst. Das bedeutet, dass der Ligand seinen eigenen Transport durch wenige Schlüsselinteraktionen initiiert, was voraussetzt, dass die Substrateigenschaften mit den energetischen und geometrischen Anforderungen des Transporters zusammenpassen. Das Profil der freien Energie zeigt deutlich den molekularen Ursprung dieser Eigenschaften. Die wesentlichen Wechselwirkungen für die Auslösung und den Antrieb der einzelnen Schritte sind Wechselwirkungen der Carboxylgruppe von Aspartat 98 und des helikale Dipol der Helix TM6A, während im Substrat der aliphatische Stickstoff der wesentliche Faktor ist.