GPCRs represent one of the most important drug target families. They enable the transmission of signals into cells, which is crucial for the regulation of biological systems. GPCRs can recognize extracellular stimuli, adapt their conformation and hence allow for an intracellular response. This study shed light on the first two steps of GPCR function: ligand binding and the resulting conformational changes. Taking MAChR as representative example we clarified the specific receptor modulation by dualsteric ligands. In this study, we successfully combined state-of-the-art modeling techniques to obtain structural and functional models with high explanatory power. These models comprise both inactive and active-like receptor states. After a characterization of the orthosteric binding side, we focused on dualsteric ligand binding. These kind of ligands bind simultaneously to the orthosteric and the allosteric binding site. This approach combines the high affinity of orthosteric ligands with the high specificity of the allosteric binding site. Here we report the structural basis for a specific modulation of MAChRs by dualsteric ligand binding. This includes subtype selectivity, partial agonism and biased signaling. Our dynamic models illustrate how conformational changes can be triggered in a ligand-dependent manner. This offers the possibility to rationally design specific modulators for MAChRs but also for other GPCRs.
G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) repräsentieren eine der wichtigsten Targetklassen für Arzneistoffe – mehr als 30% aller Medikamente addressieren GPCR-vermittelte Mechanismen. Als Transmembranproteine stellen diese Rezeptoren eine Verbindung des Zellinneren mit der Umgebung her und sind so an zahlreichen essentiellen Regulationsmechanismen beteiligt. Auf mechanistischer Ebene führen extrazelluläre Ereignisse zu spezifischen Konformationsänderungen des Rezeptors und erzeugen so eine intrazelluläre Antwort. Die erst kürzlich verfügbaren Kristallstrukturen vieler GPCRs geben zwar einen Einblick in bestimmte Konformationen dieser Rezeptorfamilie, das dynamische Verständnis der Signalübertragung durch Konformationsänderungen des Rezeptors bleibt aber eine Herausforderung. In dieser Arbeit wurden extrazelluläre Ligandenbindungs- mechanismen und die daraus resultierenden Konformationsänderungen des Rezeptors mechanistisch untersucht und dynamisch modelliert. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der spezifischen Rezeptormodulation durch dualsterische Liganden, einem neuen Konzept zur spezifischen und gleichzeitig effektiven Modulation von GPCRs. Muskarinische Acetylcholinrezeptoren wurden als Modell-system verwendet. Durch die Kombination verschiedener computergestützter Methoden, wie Docking, 3D Pharmakophormodellierung, Homologiemodellierung und umfangreichen Molekulardynamiksimulationen konnten strukturell-mechanistische Rezeptormodelle erstellt werden. Diese Modelle bilden sowohl aktive als auch inaktive Rezeptorkonformationen ab und ermöglichen so eine differenzierte Beschreibung von Ligandeneffekten. Insbesondere die Rezeptormodulation durch dualsterische Liganden, die gleichzeitig an der orthosterischen und an allosterischen Region des Rezeptors binden, konnte erkärt werden. Die grundsätzliche Idee, dass die hohe Affinität orthosterischer Liganden mit spezifischen Effekten allostericher Liganden durch einfache Kombination mit einem Linker kombiniert werden kann, führt meist, aber nicht immer zum gewünschten Effekt. Unerwartetes Signalverhalten dualsterischer Liganden konnte durch unseren dynamischen Modellierungsansatz differenziert und mechanistisch erklärt werden. Die hier vorgestellten Modelling-Untersuchungen an muskarinischen Acetylcholin-rezeptoren bilden die Vorraussetzungen für das Design spezifischer Rezeptor-modulation auf molekularer Ebene. Spezielle, sonst schwer erklärbare Effekte wie Subtyp- Selektivität, Partialagonismus und funktionelle Selektivität ('biased signalling') konnten mechanistisch abgebildet werden. Unsere dynamischen Rezeptormodelle erklären spezifische ligandeninduzierte Konformationsänderungen und die dadurch ausgelöste Signaltransduktion auf rationaler Ebene. Diese Erkenntnisse können direkt für das zielgerichtete Design von Wirkstoffen verwendet werden und potenziell auch auf andere G -Protein-gekoppelte Rezeptoren übertragen werden.
