image: Rouven Schulz made microglia cells – part of the immune system in the brain – produce a certain G protein-coupled receptor (GPCR) by infecting it with a specially designed virus from ISTA’s Virus Services. By applying an immunofluorescence staining (magenta), he made the receptors on the cell surface visible. He also colored the cell nuclei blue with another dye. view more
Credit: © Rouven Schulz / ISTA
Wie lösen Signale von außerhalb der Zelle eine Reaktion in ihr aus? Die Signale von außen können Hormone oder Neurotransmitter sein. Um sie wahrzunehmen, verfügt die Zelloberfläche über Rezeptoren. Eine der wichtigsten Klassen solcher Rezeptoren sind die so genannten G-Protein-gekoppelten Rezeptoren, kurz GPCRs. Sie sind Proteine, die auf der Zellmembran sitzen. Werden sie durch ein äußeres Signal aktiviert, lösen sie im Inneren der Zelle Prozesse aus, die weitreichende Auswirkungen auf das Zellwachstum haben, aber auch auf die Zellbewegung, den Stoffwechsel und die Kommunikation zwischen den Zellen. Diese Gruppe von mehr als 800 Rezeptoren spielt bei vielen Krankheiten eine wichtige Rolle. Daher sind GPCRs wichtige Zielstrukturen für Arzneimittel. Tatsächlich zielen 35 Prozent aller von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zugelassenen Medikamente auf sie ab, was einen jährlichen Markt von schätzungsweise 180 Milliarden US-Dollar eröffnet.
Trotz ihrer Bedeutung existieren bei der Erforschung von GPCRs zahlreiche Herausforderungen. Erstens sind viele der Substanzen, die an sie binden, sogenannte Liganden, unbekannt. Zweitens können selbst bekannte Liganden im Organismus schwer verfügbar sein oder unerwünschte Nebenwirkungen verursachen. Und drittens ist es schwierig, Reaktionen genau zu bestimmen, wenn derselbe Rezeptor auf verschiedenen Zellen im Körper vorkommt. Zum Beispiel kann derselbe GPCR auf einer Immunzelle eine Entzündung modulieren, während er im Bronchialgewebe die Muskeln entspannen kann. „Wir wollten diese Einschränkungen überwinden. Deshalb haben wir für alle, die sich mit GPCRs beschäftigen, eine zugängliche und effektive Toolbox entwickelt“, sagt Rouven Schulz, Doktorand am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und Hauptautor der in Nature Communications veröffentlichten Studie.
Wie imitiert man einen Rezeptor?
Vereinfacht ausgedrückt, haben Schulz und seine Kolleg:innen künstliche Nachbildungen von GPCRs gebaut. Die Nachahmungen sind gegenüber den ursprünglichen Signalen von außen unempfindlich, können aber durch ein entsprechendes, leicht kontrollierbares Medikament aktiviert werden, das genau darauf ausgelegt ist, sich nur an diesen Rezeptor zu binden. Das bekannte Verfahren zur Schaffung von Designer-Rezeptoren, die ausschließlich durch Designer-Medikamente aktiviert werden (DREADDs), ermöglichte es den Autor:innen, Chimären von praktisch jedem GPCR herzustellen. Um die Funktionalität prinzipiell zu belegen, wählten sie β2AR – einen Rezeptor von großer biologischer Bedeutung, auch beim Menschen. Die Nachbildung von β2AR wird selektiv durch ein bekanntes Medikament namens Clozapin-N-Oxid aktiviert. „Sobald wir den Prototypen einer Nachbildung von β2AR hatten, konnten wir viele der Verhaltensweisen des Originals im lebenden Organismus erfolgreich reproduzieren. Erstaunlicherweise ahmt die Chimäre zahlreiche Funktionen exakt nach“, erklärt Schulz.
Die Forscher:innen wendeten die Methode dann auf Mikrogliazellen an. Diese Immunzellen sind Schlüsselzellen für die Aufrechterhaltung des Gehirns und des gesamten zentralen Nervensystems. Sie sind ständig auf der Suche nach Infektionserregern, aber auch nach beschädigten oder nicht funktionierenden neuronalen Verbindungen. „GPCRs, insbesondere β2AR, sind für diese Funktionen der Mikrogliazellen entscheidend. Ausgestattet mit unseren Rezeptorchimären von β2AR, replizierten die Mikrogliazellen den Prozess der Entzündung im Nervensystem."
Das große Ganze
Schaut man sich die GPCRs in Mikrogliazellen und Immunzellen insgesamt genauer an, findet man eine große Vielfalt von ihnen. Bislang weiß jedoch niemand, warum Organismen und Menschen eine solche Vielfalt dieser Rezeptoren aufweisen. Häufig werden GPCRs nach den typischen Wegen kategorisiert, wie sie Signale weiterleiten, auch im Fachjargon Signalwege genannt. „In unseren Daten sehen wir jedoch, dass es subtile Unterschiede zwischen den Rezeptoren gibt, selbst wenn sie denselben Signalweg steuern“, erläutert Assistenzprofessorin Sandra Siegert. „Das deutet wiederum darauf hin, dass sie fein abgestimmte Eigenschaften besitzen, die über diese kanonischen Signalwege hinausgehen. Jetzt haben wir endlich eine Möglichkeit, diese Details zu untersuchen.“ Derzeit erweitert die Gruppe die Methode mit Hilfe von Stammzellen auf den menschlichen Kontext. Auf diese Weise wollen die Wissenschafter:innen untersuchen, wie sich verschiedene Arten von Entzündungsmerkmalen durch die Stimulation von GPCRs verändern.
Publikation:
Rouven Schulz, Medina Korkut-Demirbaş, Gloria Colombo, Alessandro Venturino, und Sandra Siegert. 2022. Chimeric GPCRs mimic distinct signaling pathways and modulate microglia responses. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-022-32390-1.
Projektförderung:
Diese Forschung wurde durch ein DOC-Stipendium der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) unterstützt.
Information zu Tierversuchen:
Die Bestätigung der Funktion des DREADD-β2AR-Prototyps ist nur möglich, indem man die Rezeptoren in lebende Tiere einbringt, da sich Mikrogliazellen außerhalb dieser Umgebung in ihrer genetischen, molekularen und funktionellen Signatur völlig verändern. Keine anderen Methoden, wie zum Beispiel in silico-Modelle, können als Alternative dienen. Die Tiere werden nach den strengen Vorschriften des österreichischen Rechts aufgezogen, gehalten und behandelt. Alle Tierversuche sind vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung genehmigt.
Journal
Nature Communications