Was sind DREADDs?

Von Dr. Liji Thomas, MDRevaluiert von Dr. Surat P, Ph.D.

„Designer Receptors Activated Only by Designer Drugs“ (DREADDs) gehören zu einer Klasse von Proteinen, die chemogenetische Proteine genannt werden. Diese künstlich hergestellten Proteine ermöglichen es Wissenschaftlern, die Aktivität von Nervenzellen in gehfähigen Tieren zu kontrollieren.

Juan Gaertner |

Wie funktionieren DREADDs?

DREADDs ermöglichen es G-Protein-gekoppelten Rezeptoren, auf synthetische Liganden zu reagieren und nicht auf ihren natürlichen Liganden, Acetylcholin. Sie werden durch ein Molekül namens Clozapin-N-Oxid (CNO) aktiviert, das biologisch inert ist.

G-Proteine sind wichtige Zellsignalmoleküle, und Forscher können die Zellfunktionen in lebenden Organismen untersuchen, indem sie diese Signalübertragung zeitlich und räumlich modulieren. Der größte Nutzen der DREADDs liegt in den Neurowissenschaften, da CNO die Blut-Hirn-Schranke leicht überwinden kann.

Viele DREADDs koppeln an verschiedene G-Protein-Rezeptortypen, wie Gi, Gs und Gq. Je nachdem, welcher zelluläre Weg aktiviert oder inaktiviert werden soll, kann einer dieser Typen ausgewählt werden.

Diese Proteine werden typischerweise zur Untersuchung von Nervenbahnen, Diabetes, Stoffwechselstörungen, Parkinson-Krankheit, Alkoholmissbrauch, posttraumatischer Belastungsstörung und Depression sowie zur Verhaltensregulierung bei Mäusen, die auf Drogen reagieren, und bei Drogenabhängigkeit eingesetzt.

Welche Eigenschaften haben DREADDs?

DREADDs sind mutierte Muscarinrezeptoren, die auf die folgenden Eigenschaften hin untersucht werden:

• geringe konstitutive Aktivität;
• hohe Ligandenaffinität;
• hohe Spezifität für den synthetischen Liganden.

Wie wirken DREADDs?

DREADDs sind Proteine, die so manipuliert werden, dass sie spezifisch mit kleinen Molekülen reagieren, die als chemische Auslöser fungieren, aber zuvor von diesen Proteinen nicht erkannt wurden.

Über einen viralen Vektor wird das Gen, das für das manipulierte (mutierte) G-Protein-gekoppelte Rezeptorprotein (GPCR) kodiert, in die zu untersuchende Zelle eingeführt. Verschiedene Promotoren helfen bei der Auswahl der Zielzellen. Die infizierte Zelle braucht zwei bis drei Wochen, um das manipulierte Rezeptorprotein zu exprimieren, das mit CNO aktiviert wird.

Typen von DREADD

hM3Dq ist einer der frühesten DREADD, der durch zwei Punktmutationen vom menschlichen Muscarinrezeptor hM3 abgeleitet wurde. Er ist sehr empfindlich gegenüber CNO, aber unempfindlich gegenüber Acetylcholin und weist eine geringe konstitutive Aktivität auf.

hM4Di ist ein weit verbreiteter inhibitorischer DREADD. Andere sind hM2D, Kappa-Opioidrezeptoren und Gs-gekoppelte DREADDs (GsD), bei denen es sich um chimäre Rezeptoren handelt (die Rezeptorregionen von Truthahn und Ratte enthalten).

DREADDs im Vergleich zur Optogenetik

DREADDs ermöglichen es Forschern, die Signalübertragung von GPCRs leichter zu kontrollieren als die Optogenetik. Sie ermöglichen es, zelluläre Schalter durch die Injektion von CNO aus- oder einzuschalten, ohne dass faseroptische Arrays erforderlich sind. Nur Zellen, die den viralen Vektor exprimieren, werden beeinflusst, was die Forschungsergebnisse verbessert.

Die etwas langsamere Geschwindigkeit, mit der DREADD-Reaktionen auftreten, könnte ein Nachteil sein. Allerdings wird bei dieser Methode der zelleigene GPCR-Signalweg genutzt. Dies steht im Gegensatz zur Optogenetik, bei der die Öffnung künstlicher Kanäle den Ionenfluss in die Zelle ermöglicht, wenn diese mit Lichtstößen bestrahlt wird. Zweitens ermöglicht die langsamere Rate die Untersuchung von Zellprozessen über einen längeren Zeitraum.

Die schnelle Clearance von CNO ist ein weiterer Vorteil, da sie die zeitliche Kontrolle über den Signalweg und bei Bedarf auch die Wiederholung der gleichen Dosis ermöglicht.

Welche Herausforderungen bringt die Arbeit mit DREADDs mit sich?

DREADDs müssen eine geringe konstitutive Aktivität aufweisen, um zu vermeiden, dass sie auch dann signalisieren, wenn keine Ligandenbindung vorhanden ist. Ein weiteres Problem ist die Möglichkeit einer Desensibilisierung und Herunterregulierung der Rezeptoren bei der Verwendung von DREADDs, was die Stärke der Reaktionen verringern würde. Der Grad der Desensibilisierung hängt von der Rezeptorreserve ab. Die GPCR-Signalübertragung kann mehr als einen nachgeschalteten Effektorweg aktivieren, was zu einer Verstärkung oder Unterdrückung der neuronalen Aktivität führt.

Neue DREADDs werden durch gerichtete molekulare Evolution mit einer Hefe-basierten Plattform geschaffen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, kleine Moleküle an GPCRs anzudocken, für die es verfügbare Strukturen gibt (strukturgesteuertes Andocken). Neue Verbindungen müssen in der Lage sein, leicht in das zentrale Nervensystem einzudringen, um eine genaue Bewertung der chemischen Auslöser über das GPCR-Gen zu ermöglichen. Das Target könnte auch auf Subdomänen wie axonales Targeting, dendritisches Targeting oder wirbelsäulenspezifisches Targeting verfeinert werden.

Eine kürzlich durchgeführte Studie über den in vivo-Wirkungsmechanismus von CNO auf die DREADDs hat jedoch ergeben, dass die Rezeptoren durch Clozapin aktiviert werden. CNO kann sich im Körper schnell in Clozapin umwandeln, das die Blut-Hirn-Schranke leicht überwinden und an die DREADDs im Gehirn binden kann. Die Injektion von Clozapin in unterschwelligen Dosen kann somit die verschiedenen Verhaltensweisen hervorrufen, die über DREADDs vermittelt werden.

Geschrieben von

Dr. Liji Thomas

Dr. Liji Thomas ist Gynäkologin für Gynäkologie und Geburtshilfe und machte 2001 ihren Abschluss am Government Medical College der Universität von Calicut, Kerala. Nach ihrem Abschluss praktizierte Liji einige Jahre lang als Vollzeit-Beraterin für Geburtshilfe/Gynäkologie in einem privaten Krankenhaus. Sie hat Hunderte von Patientinnen mit Schwangerschaftsproblemen und Unfruchtbarkeit beraten und über 2.000 Entbindungen betreut, wobei sie stets bestrebt war, eine normale Entbindung anstelle einer operativen zu erreichen.

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