Bindung, Funktion und Signalwegbevorzugung von orthosterischen, allosterischen und Hybridliganden vermittelt durch Wildtyp und punktmutierte muskarinische <em>h</em>M₁-<em>h</em>M₅-Rezeptoren

Abstract

Bislang war ungeklärt, ob der Arzneistoff Methantheliniumbromid (MB) (Vagantin®) mit muskarinischen Acetylcholinrezeptoren (<em>h</em>M-Rezeptoren) interagiert (Teilprojekt 1). In umfassenden Untersuchungen konnte erstmalig nachgewiesen werden, dass die Substanz formal kompetitiv, nicht selektiv, im nanomolaren Konzentrationsbereich an alle fünf Subtypen (<em>h</em>M₁ – <em>h</em>M₅) bindet. Auch funktionell konnte an allen <em>h</em>M-Rezeptoren eine Beeinflussung der G-Proteinaktivierung im nanomolaren Konzentrationsbereich festgestellt werden, die als kompetitives Antagonisieren des jeweils durch Acetylcholin induzierten Effektes gemessen wurde. Die klinische Wirkung der Hemmung der Schweißproduktion könnte somit auf die Blockade von <em>h</em>M₃-Rezeptoren zurückführbar sein und MB konnte als nicht-selektiver muskarinischer Acetylcholinrezeptorantagonist in CHO-Zellen charakterisiert werden. In weiteren Untersuchungen am <em>h</em>M₁-Rezeptor von neuen Carbachol/TBPBd-Hybridliganden (Substanzreihe 3), bestehend aus Carbachol und einem Derivat von TBPB [1-(1′-2-methylbenzyl)-1,4′-bipiperidin-4-yl)-1H-benzo[d]imidazol-2(3H)-one], konnte erstmals gezeigt werden, dass diese nicht über die Fähigkeit der Aktivierung des Rezeptors verfügen, obwohl die korrespondierenden Bausteine TBPBd (vor allem zu nennen UR-MD-2 (C8)) und auch Carbachol allein, eine messbare G-Proteinaktivierung bewirkten (Teilprojekt 2). Mit Hilfe von punktmutierten <em>h</em>M₁-Rezeptorvarianten konnte im Folgenden herausgefunden werden, dass das ausgewählte Carbachol/TBPBd-Hybrid UR-MD-140 (C8), und der korrespondierende TBPBd-Baustein UR-MD-2 (C8) identisch auf eine orthosterische Mutation (M1 106Tyr→Ala) reagierten. Der TBPBd-Teil interagiert mit seiner Benzimidazol-Einheit an der Aminosäure Tyrosin 106; der Carbachol-Substituent (UR-MD-140 (C8)) bzw. die aliphatische Kohlenstoffkette (UR-MD-2 (C8)) ist zur extrazellulären Seite hin ausgerichtet. Die neuen Carbachol/BQCAd-Hybride (Substanzreihe 4), bestehend aus Carbachol und einem Derivat von BQCA [1,4-Dihydro-1-[(4-methoxyphenyl)methyl]-4-oxo-3-quinolinecarboxylic acid], und die entsprechenden Bausteine zeigten ein konträres pharmakologisches Profil (Teilprojekt 3), wobei eine dualsterische Interaktion an der orthosterischen und allosterischen Bindungsstelle durch die jeweiligen Molekülteile wahrscheinlich war. Weiterhin konnte UR-MD-139 (C3) als Substanz mit der kürzesten Kettenlänge zumindest als Vollagonist auf allen untersuchten Signalwegen definiert werden (bezogen auf ACh 100 µM). Erstmalig konnte Carbachol als Gq-Protein bevorzugender Ligand in Bezug zu Acetylcholin gegenüber des Gs-Signalweges erkannt werden und es wurde beobachtet, dass durch die Derivatisierung und das Anhängen der BQCAd-Struktur an Carbachol zu den resultierenden Liganden UR-MD-141 (C5) und UR-MD-139 (C3) die Signalwegbevorzugung in Richtung einer Gq-Proteinsignaltransduktion verstärkt wurde. Durch die Verknüpfung des Agonisten Carbachol mit TBPBd (Substanzreihe 3) oder BQCAd (Substanzreihe 4) entstanden Hybride, die völlig verschiedene pharmakologische Eigenschaften hinsichtlich der Bindung und Aktivierung des <em>h</em>M₁-Rezeptors aufweisen und so konnte das gegenwärtige Wissen über dualsterische Hybridliganden deutlich erweitert werden.