Licht-vermittelte Kontrolle der TRPC3 Funktion

Ionenkanäle der TRPC Familie sind Eiweißmoleküle (Proteine) die in der Zellmembran von fast allen menschlichen Zellen vorkommen und Angriffspunkte für die medikamentöse (pharmakologische) Behandlung von verschiedensten Erkrankungen darstellen. Die Bezeichnung TRPC leitet sich von der Funktion dieser Moleküle in den Insekten ab in denen sie erstmals entdeckt wurden. Ein Defekt in der TRPC Funktion führt in der Fruchtfliege zur Erblindung durch zeitliche Verkürzung der Reaktion von Sehzellen (Lichtrezeptoren), was als sogenanntes transientes Rezeptorpotential (TRP) erkennbar wird. Störungen der Funktion von klassischen (classical) TRP Molekülen (TRPC) werden bei Menschen insbesondere für Erkrankungen des Nervensystems (Neurodegeneration), desHerzkreislaufsystems(Herzmuskelschwäche, Herzrhythmusstörungen) sowie der Niere (Niereninsuffizienz), aber auch für Tumorerkrankungen verantwortlich gemacht. Dementsprechend erscheint die Entwicklung von Wirkstoffen mit spezifischem Angriffspunkt an TRPC Kanalproteinen sehr attraktiv für die Entwicklung neuer, verbesserter Therapien gegen diese Erkrankungen. Die zentrale Hürde auf dem Weg dieser Entwicklung ist die weite Verbreitung von ähnlichen TRPC Kanälen im menschlichen Körper wodurch eine besonders hohe Spezifität des therapeutischen Eingriffes nötig wird. Darüber hinaus ist noch weitgehend unklar, ob und wie sich bestimmte TRPC Kanäle in verschiedenen Organen des menschlichen Körpers in ihrer Funktion unterscheiden. Ein hervorstechendes Merkmal des TRPC3 Proteins, eines wichtigen Vertreters dieser Ionenkanalfamile, ist die Fähigkeit, seine Umgebung in der Zellmembran hinsichtlich ihrer Fett(Lipid)-Zusammensetzung zu erkennen. Spezielle Membranlipide werden innerhalb des TRPC3 Moleküls an noch nicht klar identifizierte Stellen gebunden und bestimmen so seine Funktion. Seit kurzem ist man in der Lage, die Wirkung solcher regulatorischen Lipide oder aber auch synthetischer Wirkstoffe, die an TRPC3 Kanäle binden, gezielt und effektiv durch Licht zu kontrollieren. Dabei kann der aktive Zustand von Lipiden und auch von synthetischen Wirkstoffen durch Licht bestimmter Wellenlängen ein- und ausgeschaltet werden. Die Licht-vermittelte Kontrolle der TRPC3 Funktion ist damit ohne direkten Kontakt und mit sehr hoher zeitlicher und räumlicher Präzision möglich. Diese Methode einer lichtvermittelten Kontrolle von Proteinen und damit von Organfunktionen wird als Photopharmakologie bezeichnet. Im vorliegenden Projekt sollen einerseits die genauen molekularen Mechanismen der Beeinflussung von TRPC3 durch Lipide und synthetische Wirkstoffe geklärt und andererseits Möglichkeiten einer völlig neuen und hochspezifischen Kontrolle dieser Moleküle in erkrankten menschlichen Geweben durch Photopharmakologie entwickelt werden.

Das Projekt P 33263-B wurde konzipiert, um unser Wissen über ein Ca2+-permeables Kanalprotein mit der Bezeichnung TRPC3 (transient receptor potential channel canonical 3) zu erweitern. Dieser Kationenkanal ist für die Erzeugung von Ca2+-Signalen in einer Vielzahl menschlicher Gewebe beteiligt und damit für deren Funktion von zentraler Bedeutung. TRPC3 wurde als potenzielles Ziel für die Therapie neurologischer Erkrankungen wie Epilepsie, kognitiver Dysfunktion und Neurodegeneration vorgeschlagen. Auch im Hinblick auf kardiovaskuläre Erkrankungen, insbesondere Bluthochdruck, kardiale Remodellierung und Herzrhythmusstörungen erscheint TRPC3 als attraktive therapeutische Zielstruktur. TRPC3 wird auch als ein mögliches Ziel für die Behandlung von Diabetes mellitus und bestimmten Krebsarten ansehen. Trotz der überwältigenden Beweise für eine Rolle von TRPC3 in der menschlichen Physiopathologie wurde bisher enttäuschend wenig Fortschritt bei der Entwicklung klinischer Anwendungen erzielt. Dieses Dilemma ist zum Teil auf das noch immer fehlende Wissen über die zelluläre Kontrolle durch spezifische regulatorische Strukturen innerhalb des TRPC3-Proteins zurückzuführen. Unsere Arbeitshypothese für das Projekt P 33263-B basierte auf einem Konzept, in dem der TRPC3 Kanal durch verschiedene Lipidmoleküle, die an regulatorische Stellen im Kanal binden, kontrolliert wird. Das übergreifende Ziel unseres Projekts war es unser Verständnis über die Struktur-Funktions-Beziehungen dieser Lipidregulation von TRPC3 zu verbessern. Um dieses Ziel zu erreichen, verwendeten wir eine interdisziplinäre Strategie, die einen effizienten Zyklus aus Hypothesenbildung und Hypothesenprüfung umfasste. Dabei werden zuerst mögliche regulatorische Strukturen und kritische Aminosäuren innerhalb des Kanals durch computergestützte Modellierung identifiziert. Die Relevanz dieser Strukturen wurde dann durch Mutagenese und funktionelle Aufzeichnungen getestet und die funktionellen Phänotypen der Kanalmutationen nachfolgend rigoros auf Übereinstimmung mit unserem Modell geprüft. Unsere experimentelle Strategie umfasste auch eine Technologie zur hochpräzisen Analyse von Lipid-Protein Interaktionen. Aktive Lipidmoleküle wurden dabei mit hoher zeitlicher und räumlicher Präzision durch Lipid-Photopharmakologie generiert. Dadurch konnten TRPC3-Kanäle genau definierten Veränderungen der regulatorischen Lipide ausgesetzt werden. Insgesamt hat unsere Arbeit wichtige neue Einblicke in die zelluläre Regulierung von TRPC3 erbracht. Auf der Grundlage unserer Ergebnisse schlagen wir nun vor, dass TRPC3 mehrere regulatorische Lipidmoleküle innerhalb des Kanalkomplexes binden kann. Wir haben jene Mechanismen identifiziert, durch die Diacylglycerin, Phosphatidy-linositol-bisphosphat und Cholesterin die zelluläre Aktivität der TRPC3-Kanäle steuern. Unsere Arbeiten zeigen, dass diese Lipide unterschiedliche Bindungsstellen in TRPC3 besetzen. Darüber hinaus haben wir Befunde für eine allosterische Kommunikation zwischen den unterschiedlichen sensorischen Lipidbindungsstellen erhalten. Wir schlagen ein Konzept vor, bei dem die komplexe Lipidsensorik von TRPC3 in zentraler Weise daran beteiligt ist die Kanalaktivität an den metabolischen und funktionellen Zustand eines Gewebes anzupassen. Unsere Ergebnisse ebnen damit den Weg zu einem besseren Verständnis der zellulären Rolle und Regulierung von TRPC3, und werden voraussichtlich die Entwicklung therapeutischer Maßnahmen mit TRPC3 als Zielmolekül vorantreiben.