Wiederherstellung der Funktion eines menschlichen Zelloberflächenproteins in Hefezellen

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind die größte und vielfältigste Gruppe von Zelloberflächenproteinen beim Menschen. Diese Rezeptoren, die als „Verkehrsdirektoren“ angesehen werden können, leiten Signale von außen nach innen von Zellen und sind an vielen physiologischen Prozessen beteiligt.

Aufgrund ihrer herausragenden Rolle bei der Zellkommunikation, dem Zellwachstum, der Immunantwort und der Sinneswahrnehmung wurden zahlreiche Medikamente entwickelt, die auf GPCRs abzielen und zur Behandlung von Erkrankungen wie Asthma, Allergien, Depressionen, Bluthochdruck und Herzerkrankungen eingesetzt werden. Tatsächlich befinden sich derzeit mehr als 300 GPCR-bezogene Medikamente in klinischen Studien, von denen 36 % auf über 60 neue GPCR-Targets abzielen, ohne dass es ein bereits zugelassenes Medikament gibt.

Darüber hinaus machen Medikamente, die auf GPCRs abzielen, bis zu 27 % des weltweiten Marktanteils therapeutischer Medikamente aus, mit einem Gesamtumsatz von fast 890 Milliarden US-Dollar zwischen 2011 und 2015. Daher wird jede Technik, die die Forschung an GPCRs beschleunigen könnte, wahrscheinlich einen Auslöser auslösen große Wellenwirkung, die letztendlich Millionen von Menschen wirksamere Behandlungen ermöglicht.

Heutzutage werden Ansätze wie Kryo-Elektronenmikroskopie, Optogenetik, rechnerische Ansätze und künstliche Intelligenz, Biosensoren und markierungsfreie Technologien sowie Einzelzelltechnologien für die Entdeckung und Entwicklung von GPCR-Arzneimitteln erforscht.

Unter diesen ist der auf Hefe basierende Einzelzellansatz eine der nützlichsten Plattformen zur Untersuchung von GPCRs. Neben ihrer weit verbreiteten Anwendung bei der Bier- und Brotherstellung wird die Hefeart Saccharomyces cerevisiae seit langem als Wirt für die Erforschung menschlicher GPCRs verwendet.

Obwohl einige GPCRs so konstruiert werden können, dass ihre Stabilität und Funktion verbessert werden, um Experimente zu erleichtern, funktionieren die meisten GPCRs in Hefezellen nicht gut. Dieses seit langem bestehende Problem hat den Fortschritt unseres Verständnisses von GPCRs und der Entwicklung neuer Medikamente, die auf sie abzielen, erheblich verlangsamt.

Vor diesem Hintergrund hat ein Forschungsteam der Tokyo University of Science (TUS), Japan, kürzlich eine innovative Strategie entwickelt, um die Aktivität des vom Menschen stammenden GPCR Human Histamin 3 (H3R) in S. cerevisiae wiederherzustellen. Ihr Studium, veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichte am 26. September 2023 wurde von Associate Professor Mitsunori Shiroishi geleitet und von Frau Ayami Watanabe und Frau Ami Nakajima, alle von TUS, gemeinsam verfasst.

„H3R wird hauptsächlich im Nervensystem exprimiert. Es ist an der kognitiven Funktion beteiligt und seine Hemmung ist mit den therapeutischen Ergebnissen verschiedener Erkrankungen wie ADHS, Schizophrenie, Alzheimer-Krankheit und Narkolepsie verbunden“, erklärt Dr. Shiroishi. Durch vorläufige Experimente zeigte das Team, dass H3R seine Funktion verliert, wenn es in Hefe exprimiert wird.

Um seine Funktion wiederherzustellen, nutzte das Forschungsteam eine Technik namens fehleranfällige Polymerasekettenreaktion, um zufällige Mutationen im H3R-Gen einzuführen.

Nachdem sie eine zufällige Mutantenbibliothek von H3R erstellt hatten, führten sie modifizierte DNA-Segmente in Hefezellen ein und kultivierten sie in Gegenwart eines H3R-Agonisten – einer Verbindung, die an H3R bindet und eine messbare Reaktion auslöst. Durch das Screening mehrerer Kulturen erhielten die Forscher vier Mutanten, bei denen die normale Aktivität von H3R wiederhergestellt war.

Diese Mutanten reagierten ausschließlich auf eine Art Hefestamm, der bestimmte G-Chimären-Proteine ​​enthält. Die für die wiederhergestellte Aktivität verantwortlichen Mutationen befanden sich in der Nähe der für die GPCR-Aktivierung wichtigen Aminosäuresequenzmotive.

Dieser innovative Ansatz zur Untersuchung von GPCRs könnte tiefgreifende Auswirkungen haben, insbesondere in den Bereichen Medizin und Zellbiologie.

„Unsere Forschung könnte dazu beitragen, die Funktion von GPCRs aufzuklären und möglicherweise sogar zur Entwicklung von Medikamenten mit weniger Nebenwirkungen führen und die Entdeckung von Medikamenten für Krankheiten vorantreiben, für die es derzeit keine Behandlung gibt“, sagte Dr. Shiroishi.

Es gibt viele Therapiebereiche, in denen GPCR-gerichtete Medikamente aktiv entwickelt werden, darunter neurologische Erkrankungen wie Alzheimer und Schizophrenie, Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie Bluthochdruck und Herzinsuffizienz, verschiedene Krebsarten und Stoffwechselstörungen.

Ein tieferes Verständnis der GPCR-Variationen und ihrer unterschiedlichen Auswirkungen auf den Einzelnen könnte auch zu neuen Ansätzen für die personalisierte Medizin führen. Die Anpassung von GPCR-zielgerichteten Arzneimitteln an die genetische Ausstattung und das spezifische Krankheitsprofil einer Person kann die Behandlungsergebnisse erheblich verbessern. Darüber hinaus könnten generische GPCR-Behandlungen, die eine große Zahl von Menschen weltweit erreichen, Realität werden, was die Belastung der Gesundheitssysteme verringern würde.