Struktur- und Funktionsanalysen des humanen Bitterrezeptors TAS2R14 und seiner Agonisten.

Abstract

Die vorliegende Arbeit konnte die Lage der Bindungstasche zeigen und identifizierte Aminosäurepositionen, welche mit den Agonisten interagieren. Des Weiteren wurde die Bedeutung der extrazellulären Schleifen untersucht, wodurch die Rolle der ECLs für die Zugangskontrolle der TAS2R14-Agonisten aufgedeckt werden konnte. Nachdem der TAS2R14 als Generalist identifiziert worden ist (Meyerhof et al., 2010) stellte sich die Frage: Wie ist es möglich, dass so viele chemisch unterschiedliche Agonisten diesen Rezeptor aktivieren? Die Annahme, dass das große Agonistenspektrum durch eine hohe Flexibilität in der Bindungstasche begründet wird, konnte widerlegt werden. Die Seitenketten der Aminosäuren in der Bindungstasche können nicht agonistenspezifisch durch Torsion aus der Bindungstasche entfernt werden und somit Platz für bessere Interaktion einzelner Substanzen schaffen. Die funktionellen Analysen identifizierten agonistenspezifisch Interaktion innerhalb der Bindungstasche. Aus den Untersuchungen der Agonisten-Derivaten konnte geschlossen werden, dass die Bindungstasche sehr geräumig ist, da die Aktivierbarkeit des TAS2R14 trotz großer zusätzlicher Anhänge erhalten bleibt mit vielfältigen Möglichkeiten der Interaktion über diverse Interaktionsarten. Der Vergleich der finalen Docking- Modelle lagen die sieben untersuchten Agonisten (Aristolochiasäure, Flufenaminsäure, Pikrotoxinin, Santonin, Parthenolid, Thujon und Genistein) immer zwischen den gleichen Aminosäuren in der Bindungstasche. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Ausrichtung der Agonisten in der Bindungstasche nicht immer gleich ist, auch wenn die Substanzen zu einer gemeinsamen chemischen Klasse angehören. Der große Unterschied zu den anderen TAS2Rs liegt in der hohen Aktivierungsstabilität gegenüber Punktmutationen. Da der TAS2R14 von so vielen Substanzen oft mit pharmakologischer Wirkung aktiviert werden kann, kann das erworbene Wissen mit den entstandenen Pharmakophormodellen zur Vorhersage von Bitterblocker, off-target Wirkungen oder Prodrogen genutzt werden.

After the TAS2R14 has been identified as a generalist (Meyerhof et al., 2010) the question arose: How is it possible that so many chemically different agonists activate this receptor? This thesis provides evidence on the location of the TAS2R14 binding pocket and identifies amino acid positions, which interact with the various agonists. Furthermore, the importance of extracellular loops for the receptor’s agonist access control was investigated. The assumption that the broad agonist spectrum is based on high structural flexibility in the binding pocket was not confirmed. The side chains of the amino acids in the binding pocket are rather immobile and not able move in and out of the pocket depending on the contact points required by the individual agonists. The functional analysis identified agonist-specific interaction within the binding pocket. The study of agonist derivatives with large chemical groups attached to agonist cores revealed that the majority of the modified molecules can still activate the TAS2R14 receptor. Therefore, it can be concluded that the binding pocket is very spacious allowing multiple possibilities for interactions by various kinds of ligands. Comparison homology models with docked agonists show that all seven examined agonists (aristolochic acid, flufenamic acid, picrotoxinin, santonin, parthenolide, thujone und genistein) occupy a common shared binding pocked. However, even if agonists belong to the same chemical class, their orientation within the binding pocket can be different. The high resilience of TAS2R14 activation upon the insertion of point mutations represented a striking difference compared to other previously investigated TAS2Rs. Furthermore, as the TAS2R14 can be activated by varies considerable number of agonists with profound pharmacological effects, the acquired knowledge from pharmacophor models created during this thesis can be helpful to predict bitter blockers, off- target effects or prodrugs.