Hvad er DREADD’er?

Af Dr. Liji Thomas, MDReviewed by Dr. Surat P, Ph.D.

“Designer Receptors Activated Only by Designer Drugs” (DREADD’er) tilhører en klasse af proteiner, der kaldes kemogenetiske proteiner. Disse konstruerede proteiner gør det muligt for forskere at kontrollere nervecelleaktiviteten i ambulante dyr.

Juan Gaertner |

Hvordan virker DREADD’er?

DREADD’er gør det muligt for G-protein-koblede receptorer at reagere på syntetiske ligander og ikke på deres naturlige ligand, acetylcholin. De aktiveres af et molekyle kaldet clozapin-N-oxid (CNO), som er biologisk inert.

G-proteiner er vigtige cellesignalmolekyler, og forskere kan undersøge cellens funktion i levende organismer ved at modulere denne signalering i tid og rum. Den største anvendelse af DREADD’er er inden for neurovidenskab, fordi CNO let kan krydse blod-hjernebarrieren.

Flere DREADD’er kobler sig til forskellige G-proteinreceptortyper, såsom Gi, Gs og Gq. Enhver af disse kan vælges afhængigt af den cellulære vej, der skal aktiveres eller inaktiveres.

Disse proteiner bruges typisk til at studere nervebaner, diabetes, metaboliske lidelser, Parkinsons sygdom, alkoholmisbrug, posttraumatisk stresslidelse, depression og til at regulere adfærd hos mus, der reagerer på stoffer og i stofmisbrug.

Hvad er egenskaberne ved DREADD’er?

DREADD’er er muterede muscarinreceptorer, der screenes for følgende egenskaber:

• Lav konstitutiv aktivitet;
• Høj ligandaffinitet;
• Høj specificitet over for den syntetiske ligand.

Hvordan virker DREADD’er?

DREADD’er er proteiner, der er manipuleret til at reagere specifikt med små molekyler, der fungerer som kemiske aktuatorer, men som ikke tidligere blev genkendt af disse proteiner.

En viral vektor indsætter det gen, der koder for det manipulerede (muterede) G-protein-koblede receptorprotein (GPCR), i den celle, der skal undersøges. Forskellige promotorer hjælper med at udvælge målcellerne. Det tager to til tre uger for den inficerede celle at udtrykke det manipulerede receptorprotein, som aktiveres ved hjælp af CNO.

Typer af DREADD

hM3Dq er en af de tidligste DREADD’er, der er afledt af den humane muskarinreceptor hM3 ved to punktmutationer. Den er meget følsom over for CNO, men ufølsom over for acetylcholin og har et lavt niveau af konstitutiv aktivitet.

hM4Di er en udbredt hæmmende DREADD, der anvendes i vid udstrækning. Andre omfatter hM2D, kappa opioidreceptorer, Gs-koblede DREADD’er (GsD), som er chimære receptorer (indeholdende kalkun- og rotte-receptorregioner).

DREADD’er versus optogenetik

DREADD’er giver forskerne mulighed for at kontrollere GPCR-signalering lettere end optogenetik. De gør det muligt at slukke eller tænde for cellulære kontakter ved hjælp af CNO-injektion, uden at der er behov for fiberoptiske arrays. Kun celler, der udtrykker den virale vektor, vil blive påvirket, hvilket forbedrer forskningsresultaterne.

Den noget langsommere hastighed, hvormed DREADD-reaktioner opstår, kan være en ulempe. Denne metode anvender imidlertid cellernes egen GPCR-signalvej. Dette står i modsætning til optogenetik, hvor åbningen af kunstige kanaler giver mulighed for at lade ioner strømme ind i cellen, når denne udsættes for lysbølger. For det andet giver den langsommere hastighed mulighed for at studere celleprocesser i en længere periode.

Den hurtige clearance af CNO er en anden fordel, da det giver mulighed for tidskontrol af signalvejen og også gentagelse af den samme dosis, hvis det er nødvendigt.

Hvad er udfordringerne ved at arbejde med DREADD’er?

DREADD’er skal have et lavt niveau af konstitutiv aktivitet for at undgå signalering, selv når der ikke er nogen ligandbinding. Et andet problem er muligheden for desensibilisering og nedregulering af receptorerne, mens man anvender DREADD’er, hvilket vil reducere responsernes styrke. Graden af desensibilisering afhænger af receptorreserven. GPCR-signalering kan aktivere mere end én nedstrøms effektorvej, hvilket enten resulterer i en forstærkning eller en stilstand af den neurale aktivitet.

Nye DREADD’er bliver skabt ved hjælp af rettet molekylær evolution med en gærbaseret platform. En anden måde er at docke små molekyler mod GPCR’er, som de har tilgængelige strukturer for (strukturstyret docking). Nye forbindelser skal let kunne trænge ind i centralnervesystemet for at muliggøre en nøjagtig evaluering af kemiske aktuatorer på tværs af GPCR-genet. Målet kunne også raffineres til subdomæner som f.eks. axonal målretning, dendritisk målretning eller rygmarvsspecifik målretning.

I en nylig undersøgelse af CNO’s virkningsmekanisme in vivo på DREADD’erne er det imidlertid blevet rapporteret, at receptorerne aktiveres af clozapin. CNO kan hurtigt omdannes i kroppen til clozapin, som let kan krydse blod-hjernebarrieren og binde sig til DREADD’erne i hjernen. Injektion af clozapin i subthreshold-niveauer kan således fremkalde de forskellige adfærdsmønstre, der formidles via DREADD’er.

Skrevet af

Dr. Liji Thomas

Dr. Liji Thomas er OB-GYN, som er uddannet fra Government Medical College, University of Calicut, Kerala, i 2001. Liji praktiserede som fuldtidskonsulent i obstetrik/gynækologi på et privathospital i et par år efter sin eksamen. Hun har rådgivet hundredvis af patienter med problemer i forbindelse med graviditet og infertilitet og har stået for over 2 000 fødsler, idet hun altid har bestræbt sig på at opnå en normal fødsel frem for en operation.

Citationer