Molekulardynamik-geleitete Analyse der Ligandenaktivierung, Ionenpermeation und Subtyp-spezifischen Liganden-Interaktionen von P2X-Rezeptoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der P2X3-Rezeptor (P2X3R), ein ATP-gesteuerter nicht-selektiver Kationenkanal der P2X-Rezeptorfamilie, ist an der Schmerzwahrnehmung beteiligt und daher ein vielsprechendes Ziel für neue Analgetika. Obwohl zu Projektbeginn neue hochaufgelösten Strukturen des humanen P2X3R (hP2X3R) in geschlossenem, offenem und desensitisiertem Zustand verfügbar waren, waren Details zur Subtyp-selektiven Ligandenbindung, die Grundlage für die Weiterentwicklung oder auch rationale Planung von Arzneimittelwirkstoffen sind, nicht ausreichend bekannt. Auch war die biophysikalische Funktionsweise, bzw. im Detail die dynamische Transition zwischen den verschiedenen Zuständen sowie die Determinanten der Kationselektivität unklar. Auch dieses Wissen ist neben Grundlagenwissenschaftlichen Interessen zur Funktionsweise dieser Ionenkanäle für eine rationale Planung von Arzneimittelwirkstoffen wertvoll. Daher waren die Hauptziele des vorliegenden Projektes, die molekularen Mechanismen der Ligandenaktivierung, der Ionenpermeation und der subtypspezifischen Ligandeninteraktionen von P2X- Rezeptoren, insbesondere dem hP2X3R zu identifizieren und zu verstehen. Mittels All-Atom Molekulardynamiksimulationen und molekularem Docking sowie elektrophysiologischer Experimente wurde die Konformationsdynamik der zytoplasmatischen Kappe während der Desensibilisierung des P2X3R sehr umfassend untersucht und wir konnten einen allosterischen Kopplungsmechanismus zwischen der zytoplasmatischen Kappe und dem Gating der Transmembran-Ionenpore im P2X3R aufdecken. Die Ergebnisse zeigen erstmals, dass sich während des Übergangs vom ATP-gebundenen offenen Zustand zum desensibilisierten Zustand nur der distale C-Terminus der zytoplasmatischen Kappe entfaltet, während N-Terminus und proximaler C-Terminus ihre Faltung beibehalten. Weiter konnten wir zeigen, dass die Kationenselektivität des hP2X3R (im Gegensatz zu einer kürzlichen Publikation zum P2X2R) nicht nur durch Reste im N-Terminus, sondern auch maßgeblich durch die Transmembrandomäne 2 (TM2) und Reste im externen Ionenzugangsportal bestimmt wird. Unsere Daten ergänzen die Strukturdaten vom hP2X3 und ermöglichen zum ersten Mal ein strukturell-dynamisches Verständnis der Funktionsweise oder der dynamischen Übergänge zwischen Konformationen während der Desensibilisierung des Kanals. Des Weiteren konnten die molekularen Determinanten der Interaktion zwischen einzelnen negativ allosterischen sowie orthosterischen, kompetitiven Antagonisten am hP2X3R identifiziert werden. Durch Mutagenese des hP2X3R konnte sogar eine spezifische und rational geplante Verbesserung der Wirkstärker beider Gruppen von Antagonisten erreicht werden. Diese Ergebnisse zeigen eindrucksvoll, dass die Kenntnis der molekularen Determinanten der Ligandenbindung, zusammen mit dem besseren strukturell-dynamischen Verständnis der Funktionsweise eine rationale Verbesserung der Potenz und möglicherweise ein rationales Ligandendesign in der Zukunft ermöglichen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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An ionic-lock mechanism stabilizes the closed-state conformation of the P2X2 receptor. Poster presentation at the 29th Ion Channel Meeting of the Association Canaux Ioniques of France in 2018, Sète, France
Kuhlmann, D.; Kless, A.; Schmalzing, G. & Hausmann, R.
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The ASIC3/P2X3 cognate receptor is a pain-relevant and ligand-gated cationic channel. Nature Communications, 9(1).
Stephan, Gabriele; Huang, Lumei; Tang, Yong; Vilotti, Sandra; Fabbretti, Elsa; Yu, Ye; Nörenberg, Wolfgang; Franke, Heike; Gölöncsér, Flóra; Sperlágh, Beáta; Dopychai, Anke; Hausmann, Ralf; Schmalzing, Günther; Rubini, Patrizia & Illes, Peter
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Bile acids are potent inhibitors of rat P2X2 receptors. Purinergic Signalling, 15(2), 213-221.
Schmidt, Axel; Joussen, Sylvia; Hausmann, Ralf; Gründer, Stefan & Wiemuth, Dominik
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Identification of aurintricarboxylic acid as a potent allosteric antagonist of P2X1 and P2X3 receptors. Neuropharmacology, 158(2019, 11), 107749.
Obrecht, Astrid S.; Urban, Nicole; Schaefer, Michael; Röse, Anni; Kless, Achim; Meents, Jannis E.; Lampert, Angelika; Abdelrahman, Aliaa; Müller, Christa E.; Schmalzing, Günther & Hausmann, Ralf
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Structural insights into ligand binding and dynamics of P2X receptors. Annals Royal Academy of Pharmacy of Spain, special issue of abstracts from 1st European Purine Meeting September 4-6, 2019; Symposium 11 (organized by Ralf Hausmann) at the 1st European Purine Meeting in Santiago di Compostela, Spain in 2019
Hausmann, R. & Dal Ben, D.
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The molecular dynamics of ion conduction in P2X receptors. Annals Royal Academy of Pharmacy of Spain, special issue of abstracts from 1st European Purine Meeting September 4-6, 2019; Oral and poster presentation at the 1st European Purine Meeting in Santiago di Compostela, Spain in 2019
Cönen, S.; Hausmann, R. & Machtens, J.P.
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Extracellular binding sites of positive and negative allosteric P2X4 receptor modulators. Life Sciences, 311(2022, 12), 121143.
Weinhausen, Stephanie; Nagel, Jessica; Namasivayam, Vigneshwaran; Spanier, Claudia; Abdelrahman, Aliaa; Hanck, Theodor; Hausmann, Ralf & Müller, Christa E.
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Conformational dynamics of the cytoplasmic cap during desensitization of the hP2X3R. Biophysical Journal, 122(3), 247a-248a.
Cheng, Linhan; Cönen, Saskia; Hausmann, Ralf & Machtens, J.-P.
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Diclofenac and other non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) are competitive antagonists of the human P2X3 receptor. Frontiers in Pharmacology, 14(2023, 3, 16).
Grohs, Laura; Cheng, Linhan; Cönen, Saskia; Haddad, Bassam G.; Bülow, Astrid; Toklucu, Idil; Ernst, Lisa; Körner, Jannis; Schmalzing, Günther; Lampert, Angelika; Machtens, Jan-Philipp & Hausmann, Ralf
