GABAA [GABA tief A] receptor alpha+beta- Interface as a novel drug target

GABA(A)-Rezeptoren (GABA(A)R) sind inhibitorische Neurotransmitter-Rezeptoren. Als Liganden-gesteuerten Chlorid-Kanäle sind sie für schnelle synaptische Hemmung verantwortlich. Im Zentralnervensystem von Säugetieren sind diese GABA gesteuerten Kanäle Ziel vieler klinisch relevanter Medikamente, die eine Kanal Öffnung oder Modulation der GABA-induzierte Chloridströme durch die Interaktion mit verschiedenen allosterischen Bindungsstellen verursachen. Die extrazelluläre Domäne der häufigsten GABA(A)R im Gehirn, zusammengesetzt aus 2[alpha], 2[beta] und einer [gamma] Untereinheiten, enthält die zwei GABA Bindungsstellen an den [beta]+[alpha]- Grenzflächen, und die Benzodiazepin-Bindungsstelle an der [alpha]+[gamma]- Grenzfläche. Kürzlich haben wir gezeigt, dass das Pyrazoloquinolinon CGS 9895 als hochaffiner null Modulator (Antagonist) an der Benzodiazepin-Bindungsstelle wirkt, aber bei höheren Konzentrationen löst es zusätzlich starke positive Modulation des GABA-induzierte Strom über die neu beschriebene Drug-Bindungsstelle an der extrazellulären [alpha]+[beta]- Grenzfläche aus (Ramerstorfer et al., 2011). Die Daten in dieser Studie wurden in zwei Artikeln, die von British Journal of Pharmacology für die Veröffentlichung akzeptiert geworden sind, aufgeteilt. In dem ersten Artikel, untersuchten wir 32 Strukturanaloga von CGS 9895 auf ihre Fähigkeit ihre Effekte über die [alpha]+[beta]- Grenzfläche zu vermitteln. Wir identifizierten 24 Liganden, die GABA Ströme über die [alpha]1+/[beta]3- Bindungsstelle modulieren, davon mehrere mit einer verbesserten Potenz und Wirksamkeit im Vergleich zu CGS 9895. Weiterhin zeigen einige von ihnen eine geringere Affinität zu den Benzodiazepin-Bindungsstelle und repräsentieren somit die ersten Liganden mit erhöhter Präferenz für die [alpha]+[beta]- Bindungsstelle. Schließlich identifizierten wir die erste Null Modulatoren (Antagonisten) für diese Bindungsstelle. Diese Liganden, mit sehr wenig oder keiner modulatorischen Wirksamkeit, sind fähig positive [alpha]+[beta]-Modulatoren zu verdrängen. In der zweiten Arbeit wurde 16 von diesen 32 Liganden auf ihre Fähigkeit zur Modulation der GABA-induzierten Ströme an den unterschiedlichen GABA(A)R Subtypen untersucht. Während einige Liganden unselektiv ein breites Spektrum der Rezeptorsubtypen modulieren, besitzen andere bemerkenswerte funktionelle Selektivität, insbesondere für [alpha]6[beta]3-hältige Rezeptoren oder verhalten sich als null Modulatoren an einigen Rezeptorsubtypen. Die [alpha]+[beta]- Bindungsstelle teilt wünschenswerte Eigenschaften mit der Benzodiazepin-Bindungsstelle, denn die Liganden der [alpha]+[beta]- Bindungsstelle sind abhängig von GABA und können nur die GABA(A)R in Anwesenheit von GABA modulieren. Daher würden sie wie die Liganden der Benzodiazepin-Bindungsstelle ein breites therapeutisches Fenster haben. Der wichtigste Unterschied zu der Benzodiazepin-Bindungsstelle ist, dass die Gamma-Untereinheit kein Teil der Bindungsstelle ist, deswegen könnten die Liganden der [alpha]+[beta]- Bindungsstelle die [alpha][beta], [alpha][beta][gamma], [alpha][beta][delta], [alpha][beta][epsilon] oder [alpha][beta][pi] Rezeptoren in einer ähnlichen Weise modulieren. Solche Substanzen werden eine weitaus breitere Wirkung als Benzodiazepine haben. Diese Substanzen könnten somit auch gute Antikonvulsiva sein und für die klinische Behandlung von Epilepsie Verwendung finden. Außerdem sind die hier vorgestellten [alpha]+[beta]- null Modulatoren nicht nur wichtig für die Hemmung der allosterische positiven oder negativen [alpha]+[beta]- Modulation von GABA(A)R in der experimentellen oder klinischen Studien, sondern sie sind auch ein ausgezeichnetes Werkzeug für die Identifizierung von neuen chemischen Klassen von Liganden, die ihre Wirkung über die [alpha]+[beta]- Grenzfläche vermitteln. Schließlich bietet die Entdeckung der [alpha]6 Subtyp-selektiven positiven Modulatoren ein sehr nützliches Werkzeug für die Untersuchung der [alpha]6 Rezeptor-Funktion im Gehirn von lebenden Tieren, die zu neuen therapeutischen Prinzipien führen könnte.GABA(A) receptors are inhibitory neurotransmitter receptors. As ligand-gated chloride channels they exert fast synaptic inhibition. In the mammalian CNS these GABA gated channels are target of many clinically important drugs that induce channel opening or modulate GABA-evoked chloride influx by interacting with various allosteric binding sites. The extracellular domain of the most abundant GABAA receptors in the brain, composed of 2alpha([alpha]), 2beta([beta]), and one gamma([gamma]) subunits, contains the two GABA binding sites at the b+a- interfaces (Smith and Olsen, 1995), and the benzodiazepine binding site at the [alpha]+[gamma]- interface (Sigel and Buhr, 1997). Recently, we demonstrated that the pyrazoloquinolinone CGS 9895 acts as a high affinity null modulator (antagonist) at the benzodiazepine binding site([alpha]+[gamma]- interface), but at higher concentration it additionally exerts strong positive modulation of GABA-evoked current via the novel drug binding site at the extracellular [alpha]+[beta]- interface (Ramerstorfer et al. 2011). This thesis presents results of an extensive characterization of ligands that bind to the novel a+b- binding site. The data obtained in this study have been divided into two articles published by the British Journal of Pharmacology. In the first paper, we investigated 32 structural analogues of CGS 9895 for their ability to mediate effects at the a+b- interface. We identified 24 ligands that modulate GABA currents via the [alpha]1+/[beta]3- binding site, several with improved potency and efficacy as compared to CGS 9895. Furthermore, some of them displayed lower affinity for the benzodiazepine binding site and thus represent the first ligands with increased a+b- binding site preference. Finally, we identified competitive "antagonists" for this site, meaning binders with very little or null modulatory efficacy, capable of displacing active binders. In the second paper, we investigated 16 of those 32 compounds for their ability to modulate GABA-induced currents at different GABA(A) receptor subtypes. Whereas some compounds unselectively modulate a broad range of receptor subtypes, other compounds feature remarkable functional selectivity particularly for the [alpha]6[beta]3[gamma]2 receptor, or act as null modulators at some receptor subtypes. The binding site at the [alpha]+[beta]- interface shares certain desirable properties with the benzodiazepine binding site. The [alpha]+[beta]- binding site ligands can only modulate GABA-induced ion flux; in the absence of GABA they have no effect on GABA(A) receptors. If such compounds can be taken into clinical application, this feature will result in a wide therapeutic window, in analogy to the benzodiazepines. On the other hand, the most important difference to the benzodiazepine binding site lies in the fact that the gamma subunit is not part of the binding site - which implies that all receptors containing an [alpha]+/[beta]- interface are likely to respond to these ligands. Accordingly, the a+b- ligands will mediate a much broader action than benzodiazepines and might become clinically important for the treatment of epilepsy. The [alpha]+[beta]- null modulators (antagonists) will be useful to screen by standard displacement experiments for additional compounds that target the [alpha]+[beta]- binding site. More potent null modulators will in the future also be useful as in vivo antagonists for their modulatory counterparts, for example when the functions that can be influenced by the [alpha]+[beta]- binding site are investigated in animal studies. Finally, the discovery of the a6 subtype-selective positive modulators provides a highly useful tool for the functional investigation of the a6 containing receptors in the brain of living animals, and may lead to novel therapeutic principles.submitted by Zdravko VaragicAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in dt. SpracheAuch erschienen in: British Journal of Pharmacology (2013) 169 371383 und British Journal of Pharmacology (2013) 169 384399Wien, Med. Univ., Diss., 2013OeBB(VLID)171435