Vad är DREADDs?

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

”Designer Receptors Activated Only by Designer Drugs” (DREADDs) tillhör en klass av proteiner som kallas kemogenetiska proteiner. Dessa konstruerade proteiner gör det möjligt för forskare att styra nervcellsaktiviteten hos ambulerande djur.

Juan Gaertner |

Hur fungerar DREADDs?

DREADDs gör det möjligt för G-proteinkopplade receptorer att reagera på syntetiska ligander och inte på sin naturliga ligander, acetylkolin. De aktiveras av en molekyl som kallas clozapin-N-oxid (CNO) som är biologiskt inert.

G-proteiner är viktiga cellsignalmolekyler, och forskare kan undersöka cellfunktioner i levande organismer genom att modulera denna signalering i tid och rum. Den största användningen av DREADDs är inom neurovetenskapen eftersom CNO lätt kan passera blod-hjärnbarriären.

Flera DREADDs kopplar sig till olika G-proteinreceptortyper, till exempel Gi, Gs och Gq. Någon av dessa kan väljas beroende på vilken cellulär väg som ska aktiveras eller inaktiveras.

Dessa proteiner används vanligtvis för att studera nervbanor, diabetes, metaboliska störningar, Parkinsons sjukdom, alkoholmissbruk, posttraumatiskt stressyndrom, depression och för att reglera beteenden hos möss som reagerar på droger och vid drogberoende.

Vad är egenskaperna hos DREADDs?

DREADDs är muterade muskarinreceptorer som screenas för följande egenskaper:

• Låg konstitutiv aktivitet;
• Hög ligandaffinitet;
• Hög specificitet för den syntetiska liganden.

Hur verkar DREADDs?

DREADDs är proteiner som manipuleras för att reagera specifikt med små molekyler som fungerar som kemiska aktivatorer, men som tidigare inte har erkänts av dessa proteiner.

En viral vektor för in genen som kodar för det manipulerade (muterade) G-proteinkopplade receptorproteinet (GPCR) i cellen som ska studeras. Olika promotorer hjälper till att välja målceller. Det tar två eller tre veckor för den infekterade cellen att uttrycka det manipulerade receptorproteinet som aktiveras med CNO.

Typer av DREADD

hM3Dq är en av de tidigaste DREADD:erna och härstammar från den humana muskarinreceptorn hM3 genom två punktmutationer. Den är mycket känslig för CNO, men okänslig för acetylkolin och har låga nivåer av konstitutiv aktivitet.

hM4Di är en i stor utsträckning använd hämmande DREADD. Andra inkluderar hM2D, kappa opioidreceptorer, Gs-kopplade DREADDs (GsD), som är chimära receptorer (innehållande kalkon- och råttreceptorregioner).

DREADDs jämfört med optogenetik

DREADDs gör det möjligt för forskarna att styra GPCR-signalering lättare än optogenetik. De gör det möjligt att stänga av eller sätta på cellulära strömbrytare med hjälp av CNO-injektion, utan att det behövs fiberoptiska matriser. Endast celler som uttrycker den virala vektorn påverkas, vilket förbättrar forskningsresultaten.

Den något långsammare hastigheten med vilken DREADD-reaktionerna sker kan vara en nackdel. Denna metod använder dock cellernas egen GPCR-signalväg. Detta står i kontrast till optogenetik, där öppnandet av konstgjorda kanaler möjliggör jonflöde in i cellen när den senare utsätts för ljusstötar. För det andra gör den långsammare hastigheten att cellprocesser kan studeras under en längre period.

Den snabba clearance av CNO är en annan fördel, eftersom det möjliggör tidskontroll av banan och även upprepning av samma dos om så krävs.

Vilka utmaningar finns det när man arbetar med DREADD:

DREADD:s måste ha en låg nivå av konstitutiv aktivitet, för att undvika att signalera även när det inte finns någon bindning av liganden. Ett annat problem är möjligheten till desensibilisering och nedreglering av receptorerna när man använder DREADDs, vilket skulle minska styrkan i reaktionerna. Graden av desensibilisering beror på receptorreserven. GPCR-signalering kan aktivera mer än en effektorväg nedströms, vilket resulterar i antingen förstärkning eller tystnad av neurala aktiviteter.

Nya DREADDs skapas med hjälp av riktad molekylär evolution med en jästbaserad plattform. Ett annat sätt är att docka små molekyler mot GPCRs för vilka man har tillgängliga strukturer (strukturstyrd dockning). Nya föreningar måste lätt kunna tränga in i det centrala nervsystemet för att möjliggöra en noggrann utvärdering av kemiska agenter över GPCR-genen. Målet skulle också kunna förfinas till subdomäner som axonal inriktning, dendritisk inriktning eller ryggradsspecifik inriktning.

I en nyligen genomförd studie om CNO:s verkningsmekanism in vivo på DREADDs har man emellertid rapporterat att receptorerna aktiveras av klozapin. CNO kan snabbt omvandlas i kroppen till klozapin, som lätt kan passera blod-hjärnbarriären och binda till DREADDs i hjärnan. Injektion av klozapin i subtröskelnivåer kan således framkalla de olika beteenden som förmedlas via DREADDs.

Skrivet av

Dr. Liji Thomas

Dr. Liji Thomas är en obstetriker, som tog examen från Government Medical College, University of Calicut, Kerala, 2001. Liji praktiserade som heltidskonsult inom obstetrik/gynekologi på ett privat sjukhus under några år efter sin examen. Hon har gett råd till hundratals patienter med graviditetsrelaterade problem och infertilitet och har ansvarat för över 2 000 förlossningar och har alltid strävat efter att uppnå en normal förlossning snarare än en operativ förlossning.

Citat

.