Untersuchungen zu den Ligandenbindungsdomänen des nikotinischen Acetylcholinrezeptors unter Berücksichtigung der allosterischen Eigenschaften

Abstract

Kürzlich ist gezeigt worden, dass der nikotinische Acetylcholinrezeptor (nAChR) durch chemische Vernetzung mit Glutardialdahyd in definierten Konformationen fixiert werden kann. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Konformationen, die dem Ruhe- bzw. dem desensibilisierten Zuständen ähneln, bezüglich ihrer Affinität für verschiedene Klassen von Liganden untersucht. Die gleichen Liganden wurden danach auf ihre Fähigkeit hin überprüft, den nAChR vom Ruhezustand in den desensibilisierten Zustand zu überführen. Erwartungsgemäß banden Agonisten mit höherer Affinität an den desensibilisierten Zustand und induzierten einen Übergang des nAChR in diese Konformation. Im Gegensatz dazu vermochten Antagonisten keine Veränderung des Affinitätszustands des nAChR auszulösen, obwohl die meisten von ihnen ebenfalls fester an den desensibiliserten Rezeptor banden. Diese Beobachtungen widersprechen eindeutig dem Symmetriemodell, das die Existenz eines präformierten Gleichgewichts zwischen allen allosterischen Zuständen auch in Abwesenheit von Agonist postuliert. Mit einem ähnlichen Ansatz wurde gezeigt, dass der nicht kompetitive Inhibitor Ethidium durch gut charakterisierte Kanalblocker auf nicht-allosterische Weise vom nAChR verdrängt wird. Folglich liegt die Bindungsstelle für Ethidium im Lumen des Ionenkanals und nicht ý wie früher postuliert ý in der extrazellulären Domäne des nAChR. Durch Fluoreszenztitrationen wurde nachgewiesen, dass die Bindungsstellen für Polyaminamide mit dem Ethidiumlocus überlappen. Die so ermittelten Affinitäten einer Serie von neu entwickelten Polyaminamid-Derivaten legen nahe, dass die Einführung hydrophober Element in die Struktur dieser Liganden die Bindung an den nAChR verstärkt. Der dritte Teil dieser Studie befasst sich mit dem Einfluss der Membran auf die Bindung von Agonisten und kompetitiven Peptidantagonisten. Bindungstests mit alpha-Bungarotoxin (alpha-BgTx) zeigten, dass nach Erhöhung der Temperatur oder nach Zugabe eines nicht-denaturierenden Detergens die Zahl mehr Bindungsstellen für alpha-BgTx zugänglich sind. Dies impliziert, dass sich alpha-Neurotoxine ihren Bindungsstellen von der Peripherie der extrazellulären Domäne des nAChR aus und nicht durch das Vestibül des Ionenkanals nähern. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Kooperativität der Acetylcholinbindung in starkem Maße von der Anwesenheit von Cholesterin in der Membran abhängt.

Recent work has shown that the nicotinic acetylcholine receptor (nAChR) can be fixed in distinct conformations by chemical cross-linking with glutardialdehyde. Here, two conformations that resemble the desensitized and the resting states are compared with respect to their affinities for different classes of ligands. The same ligands are tested for their ability to convert the nAChR from the low-affinity resting state to the high-affinity desensitized state. As expected, agonists are found to bind with higher affinity to the desensitized state and to induce a shift of the nAChR to this conformation. In contrast, although most antagonists bind preferentially to the desensitized receptor as well they fail to induce a change of the affinity of the nAChR for acetylcholine. These observations sharply contradict basic predictions of the symmetry model including the postulate of a pre-formed equilibrium between the different states of the nAChR in absence of agonist. With a similar approach we show that the non-competitive inhibitor ethidium is displaced in a non-allosteric manner by well-characterized channel blockers from the cross-linked nAChR. Therefore, the ethidium locus must be located in the lumen of the nAChR´s ion channel and not within the extracellular domain as proposed earlier. Using ethidium as a reporter fluorophor in titration assays it is demonstrated that the binding sites for polyamine amides overlap with the ethidium locus. By testing a series of newly developed polyamine amide derivatives for their ability to bind to the receptor´s vestibule we show that the affinity of these compounds is strongly influenced by hydrophobic elements in their structure. The third part of this study focuses on the influence of the surrounding membrane on the binding of agonists and competitive peptide antagonists. Binding assays with alpha-bungarotoxin (alpha-BgTx) reveal that more binding sites for alpha-bungarotoxin are accessible upon an increase of the temperatur or the addition a non-denaturing detergent. These results indicate, that alpha-neurotoxins approach their binding sites from the membrane-facing periphery of the receptor´s extracellular domain rather than through the channel mouth. Furthermore, it is demonstrated that the cooperativity of acetylcholine binding depends dramatically on the presence of cholesterol in the membrane.