Рецептор активируется исключительно синтетическим лигандом
Рецептор , активируемый исключительно синтетическим лигандом ( RASSL ), или дизайнерский рецептор, активируемый исключительно дизайнерскими лекарствами ( DREADD ), представляет собой класс искусственно созданных белковых рецепторов, используемых в области хемогенетики , которые избирательно активируются определенными лигандами . [1] Их используют в биомедицинских исследованиях, в частности в нейробиологии, для манипулирования активностью нейронов . [2]
Первоначально различавшиеся подходом, использованным для их конструирования, RASSL и DREADD теперь часто используются как взаимозаменяемые, чтобы представить сконструированную систему рецептор-лиганд. [3] Эти системы обычно используют рецепторы, связанные с G-белком ( GPCR ), спроектированные так, чтобы реагировать исключительно на синтетические лиганды, такие как N-оксид клозапина (CNO), [4] а не эндогенным лигандам. Существует несколько типов этих рецепторов, происходящих от мускариновых или κ-опиоидных рецепторов . [1]
Типы RASSL/DREADD
[ редактировать ]Один из первых DREADD был основан на М 3 мускариновом рецепторе человека (hM 3 ). [5] Всего две точечные мутации hM3 потребовались для создания мутантного рецептора с наномолярной активностью в отношении CNO , нечувствительностью к ацетилхолину и низкой конститутивной активностью, и этот рецептор DREADD был назван hM3Dq. M 1 и M 5 Мускариновые рецепторы были мутированы, чтобы создать DREADDs hM1Dq и hM5Dq соответственно. [5]
Наиболее часто используемым ингибирующим DREADD является hM4Di, полученный из мускаринового рецептора M4 , соединяется с Gi который белком . [5] Другой G i- связанный мускариновый рецептор человека, M 2 , также был мутирован с получением рецептора DREADD hM2D. [5] Другим ингибитором G i- DREADD является каппа-опиоидный рецептор (KOR) DREADD (KORD), который избирательно активируется сальвинорином B (SalB). [6]
G s Также были разработаны -связанные DREADD. Эти рецепторы известны также как G s эритроцитов индейки, D и представляют собой химерные рецепторы, содержащие внутриклеточные участки β-адренергического рецептора замененные на крысиный M 3 DREADD. [7]
Лиганды RASSL/DREADD
[ редактировать ]Все большее число лигандов, которые можно использовать для активации RASSL/DREADD, коммерчески доступны. [8]
CNO — прототип активатора DREADD. CNO активирует возбуждающие Gq-связанные DREADD: hM3Dq, hM1Dq и hM5Dq, а также тормозные hM4Di и hM2Di G i -связанные DREADD. CNO также активирует Gs - связанный DREADD (GsD) и β-аррестин, предпочитающий DREADD: rM3Darr (Rq(R165L). [9]
Недавние результаты показывают, что CNO, вводимый системно, с трудом преодолевает гематоэнцефалический барьер in vivo и превращается в клозапин , который сам по себе активирует DREADD. Клозапин является атипичным антипсихотиком , который, как было показано, обладает высоким сродством и эффективностью к DREADD. Подпороговые инъекции самого клозапина могут быть использованы для индукции предпочтительного поведения, опосредованного DREADD. Поэтому при использовании CNO необходимо соблюдать осторожность при планировании эксперимента и обеспечить надлежащий контроль. [10]
Агонист DREADD 21, также известный как Соединение 21, представляет собой альтернативный агонист DREADD на основе мускариновой кислоты и альтернативу CNO. Сообщалось, что Соединение 21 обладает превосходной биодоступностью, фармакокинетическими свойствами и способностью проникать в мозг и не подвергается обратному метаболизму с образованием клозапина. [11] Другой известный агонист — перлапин , снотворное средство, одобренное для лечения бессонницы в Японии. Он действует как активатор G q- , G i- и G s DREADD, что имеет структурное сходство с CNO. [12] Более поздним агонистом hM3Dq и hM4Di является десхлорклозапин (DCZ). [13]
С другой стороны, SalB B является мощным и селективным активатором КОРД. [14]
JHU37160 и JHU37152 коммерчески продаются как новые лиганды DREADD, активные in vivo , обладающие высокой эффективностью и сродством к DREADD hM3Dq и hM4Di. [ нужна ссылка ]
Диигидрохлоридные соли лигандов DREADDs, растворимые в воде (но с различной стабильностью в растворе), также были коммерчески разработаны (см. [15] [16] для водной стабильности).
Механизм
[ редактировать ]
RASSL и DREADD — это семейства дизайнерских рецепторов, связанных с G-белком (GPCR), созданных специально для обеспечения точного пространственно-временного контроля передачи сигналов GPCR in vivo . Эти сконструированные GPCR не реагируют на эндогенные лиганды , но могут быть активированы наномолярными концентрациями фармакологически инертных, подобных лекарствам малых молекул. В настоящее время существуют RASSL для исследования нескольких сигнальных путей GPCR, включая те, которые активируются Gs, Gi, Gq, Golf и β-аррестином. [18] Основной причиной успеха ресурсов RASSL стал открытый обмен конструкциями ДНК и ресурсами, связанными с RASSL.
Ингибирующие эффекты hM4Di-DREADD являются результатом стимуляции CNO и, как следствие, активации G-белка, внутренне выпрямляющего калиевые каналы (GIRK). Это вызывает гиперполяризацию целевой нейрональной клетки и, таким образом, ослабляет последующую активность. [19]
Использование
[ редактировать ]Этот хемогенетический метод можно использовать для дистанционного манипулирования клетками, в частности возбудимыми клетками, такими как нейроны, как in vitro , так и in vivo с введением специфических лигандов. [2] Подобные методы в этой области включают термогенетику и оптогенетику , управление нейронами с помощью температуры или света соответственно. [2]
Вирусная экспрессия белков DREADD, как усилителей in vivo, так и ингибиторов функции нейронов, использовалась для двунаправленного контроля поведения мышей (например, распознавания запахов). [20] Благодаря своей способности модулировать активность нейронов, DREADD используются в качестве инструмента для оценки как нейронных путей, так и поведения, связанного с сигналами о наркотиках и наркотической зависимостью. [21]
История
[ редактировать ]Стрейдер и его коллеги разработали первый GPCR, который можно было активировать только синтетическим соединением. [22] и постепенно набирает обороты. Первое международное совещание RASSL было запланировано на 6 апреля 2006 г. Простой пример использования системы RASSL в поведенческой генетике был проиллюстрирован Mueller et al. (2005), где они показали, что экспрессия рецептора RASSL в клетках сладкого вкуса языка мыши приводит к сильному предпочтению перорального потребления синтетического лиганда, тогда как экспрессия RASSL в клетках горького вкуса вызывает резкое отвращение вкуса к тому же соединению. [23]
Ослабляющее действие hM4Di-DREADD первоначально исследовалось в 2007 году, а затем было подтверждено в 2014 году. [19]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Рот Б.Л. (февраль 2016 г.). «УЖАСЫ для нейробиологов» . Нейрон . 89 (4): 683–94. дои : 10.1016/j.neuron.2016.01.040 . ПМЦ 4759656 . ПМИД 26889809 .
- ^ Jump up to: а б с Кэмпбелл, Эрин Дж.; Марчант, Натан Дж. (апрель 2018 г.). «Использование хемогенетики в поведенческой нейробиологии: варианты рецепторов, подходы к нацеливанию и предостережения» . Британский журнал фармакологии . 175 (7): 994–1003. дои : 10.1111/bph.14146 . ISSN 1476-5381 . ПМЦ 5843707 . ПМИД 29338070 .
- ^ Конклин Б.Р., Сяо Э.К., Клайсен С., Думуис А., Шринивасан С., Форсает Дж.Р., Геттье Дж.М., Чанг В.К., Пей Ю., Маккарти К.Д., Ниссенсон Р.А., Весс Дж., Бокарт Дж., Рот Б.Л. (август 2008 г.). «Инженерия сигнальных путей GPCR с помощью RASSL» . Природные методы . 5 (8): 673–8. дои : 10.1038/nmeth.1232 . ПМК 2703467 . ПМИД 18668035 .
- ^ Армбрустер Б.Н., Ли Х, Пауш М.Х., Херлитце С., Рот Б.Л. (март 2007 г.). «Развитие замка так, чтобы он соответствовал ключу, для создания семейства рецепторов, связанных с G-белком, мощно активируемых инертным лигандом» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (12): 5163–8. Бибкод : 2007PNAS..104.5163A . дои : 10.1073/pnas.0700293104 . ПМЦ 1829280 . ПМИД 17360345 .
- ^ Jump up to: а б с д Армбрустер, Блейн Н.; Ли, Сян; Пауш, Марк Х.; Херлице, Стефан; Рот, Брайан Л. (20 марта 2007 г.). «Развитие замка так, чтобы он соответствовал ключу, для создания семейства рецепторов, связанных с G-белком, мощно активируемых инертным лигандом» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (12): 5163–5168. Бибкод : 2007PNAS..104.5163A . дои : 10.1073/pnas.0700293104 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 1829280 . ПМИД 17360345 .
- ^ Варди, Эяль; Робинсон, Дж. Эллиотт; Ли, Чиа; Олсен, Рид Х.Дж.; ДиБерто, Джеффри Ф.; Жигер, Патрик М.; Сассано, Флори М.; Хуан, Си-Пин; Чжу, Ху (20 мая 2015 г.). «Новый DREADD облегчает мультиплексное хемогенетическое исследование поведения» . Нейрон . 86 (4): 936–946. дои : 10.1016/j.neuron.2015.03.065 . ISSN 1097-4199 . ПМЦ 4441592 . ПМИД 25937170 .
- ^ Конклин, Брюс Р.; Сяо, Эдвард С.; Клейсен, Сильви; Дюмюи, Алин; Шринивасан, Суприя; Форсайет, Джон Р.; Геттье, Жан-Марк; Чанг, туалет; Пей, Ин (август 2008 г.). «Инженерия сигнальных путей GPCR с помощью RASSL» . Природные методы . 5 (8): 673–678. дои : 10.1038/nmeth.1232 . ISSN 1548-7105 . ПМК 2703467 . ПМИД 18668035 .
- ^ «Лиганды DREADD (CNO/SalB) для нейробиологических исследований» . ПриветБио.com . Проверено 5 декабря 2018 г.
- ^ Весс, Юрген; Накадзима, Кенитиро; Джайн, Шалини (июль 2013 г.). «Новые дизайнерские рецепторы для исследования передачи сигналов и физиологии GPCR» . Тенденции в фармакологических науках . 34 (7): 385–392. дои : 10.1016/j.tips.2013.04.006 . ISSN 1873-3735 . ПМЦ 3758874 . ПМИД 23769625 .
- ^ Гомес, Джон Л.; Бонавентура, Хорди; Лесняк, Войцех; Мэтьюз, Уильям Б.; Сыса-Шах, Полина; Родригес, Лайонел А.; Эллис, Рэндалл Дж.; Ричи, Кристофер Т.; Харви, Брэндон К. (4 августа 2017 г.). «Хемогенетика выявила: заселение и активацию DREADD посредством конвертированного клозапина» . Наука 357 (6350): 503–507. Бибкод : 2017Sci...357..503G . дои : 10.1126/science.aan2475 . ISSN 1095-9203 . ПМК 7309169 . ПМИД 28774929 .
- ^ Томпсон, Карен Дж.; Хаджехали, Эльхам; Брэдли, Софи Дж.; Наваррете, Йована С.; Хуан, Си Пин; Слокам, Сэмюэл; Джин, Цзянь; Лю, Цзин; Сюн, Ян (14 сентября 2018 г.). «Агонист DREADD 21 является эффективным агонистом DREADD на основе мускариновой кислоты in Vitro и in Vivo» . ACS Фармакология и трансляционная наука . 1 (1): 61–72. дои : 10.1021/acptsci.8b00012 . ПМК 6407913 . ПМИД 30868140 .
- ^ Чен, Синь; Чу, Хьюна; Хуан, Си-Пин; Ян, Сяобао; Стоун, Оррин; Рот, Брайан Л.; Джин, Цзянь (18 марта 2015 г.). «Первые исследования взаимосвязи структура-активность дизайнерских рецепторов, активируемых исключительно дизайнерскими наркотиками» . ACS Химическая нейронаука . 6 (3): 476–484. дои : 10.1021/cn500325v . ISSN 1948-7193 . ПМЦ 4368042 . ПМИД 25587888 .
- ^ Нагай, Юджи; Миякава, Наохиса; Такува, Хироюки; Хори, Юкико; Ояма, Кей; Джи, Бин; Такахаси, Манами; Хуан, Си-Пин; Слокам, Сэмюэл Т.; ДиБерто, Джеффри Ф.; Сюн, Ян (сентябрь 2020 г.). «Дехлорклозапин, мощный и селективный хемогенетический активатор, обеспечивает быструю нейрональную и поведенческую модуляцию у мышей и обезьян» . Природная неврология . 23 (9): 1157–1167. дои : 10.1038/ s41593-020-0661-3 ISSN 1546-1726 . ПМИД 32632286 . S2CID 220375204 .
- ^ Марчант, Натан Дж.; Уитакер, Лесли Р.; Боссерт, Дженнифер М.; Харви, Брэндон К.; Хоуп, Брюс Т.; Кагановский, Константин; Адикари, Света; Присинцано, Томас Э.; Варди, Эяль (январь 2016 г.). «Поведенческие и физиологические эффекты нового DREADD, основанного на каппа-опиоидных рецепторах, у крыс» . Нейропсихофармакология . 41 (2): 402–409. дои : 10.1038/нпп.2015.149 . ISSN 1740-634X . ПМК 5130116 . ПМИД 26019014 .
- ^ «Стабильность водорастворимых лигандов DREADD в растворе - технический обзор» . ПриветБио.com . Проверено 5 декабря 2018 г.
- ^ «Стабильность и хранение свободного основания N-оксида клозапина (CNO)» . ПриветБио.com . Проверено 5 декабря 2018 г.
- ^
В эту статью включен текст , доступный по лицензии CC BY 4.0 . Джу, Уильям (1 ноября 2023 г.). Нейронаука . Торонто: Университет Торонто. 3.4. Хемогенные методы исследования поведения мозга. - ^ Городской диджей Рот Б.Л. (06 января 2015 г.). «DREADDs (дизайнерские рецепторы, активируемые исключительно дизайнерскими лекарствами): хемогенетические инструменты с терапевтической ценностью» . Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии . 55 (1): 399–417. doi : 10.1146/annurev-pharmtox-010814-124803 . ПМИД 25292433 .
- ^ Jump up to: а б Чжу Х, Рот Б.Л. (май 2014 г.). «Заглушение синапсов с помощью DREADD» . Нейрон . 82 (4): 723–5. дои : 10.1016/j.neuron.2014.05.002 . ПМК 4109642 . ПМИД 24853931 .
- ^ Смит Р.С., Ху Р., ДеСоуза А., Эберли С.Л., Крахе К., Чан В., Аранеда Р.К. (июль 2015 г.). «Дифференциальная мускариновая модуляция в обонятельной луковице» . Журнал неврологии . 35 (30): 10773–85. doi : 10.1523/JNEUROSCI.0099-15.2015 . ПМЦ 4518052 . ПМИД 26224860 .
- ^ Фергюсон С.М., Эскенази Д., Исикава М., Ванат М.Дж., Филлипс П.Е., Донг Ю., Рот Б.Л., Ноймайер Дж.Ф. (январь 2011 г.). «Транзиторное нейрональное торможение обнаруживает противоположные роли непрямых и прямых путей в сенсибилизации» . Природная неврология . 14 (1): 22–4. дои : 10.1038/nn.2703 . ПМК 3058296 . ПМИД 21131952 .
- ^ Кауард П., Вада Х.Г., Фальк М.С., Чан С.Д., Мэн Ф., Акил Х., Конклин Б.Р. (январь 1998 г.). «Управление передачей сигналов с помощью специально разработанного Gi-связанного рецептора» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (1): 352–7. Бибкод : 1998PNAS...95..352C . дои : 10.1073/pnas.95.1.352 . JSTOR 44466 . ПМК 18222 . ПМИД 9419379 .
- ^ Мюллер К.Л., Хун М.А., Эрленбах И., Чандрашекар Дж., Цукер К.С., Рыба, Нью-Джерси (март 2005 г.). «Рецепторы и логика кодирования горького вкуса». Природа . 434 (7030): 225–9. Бибкод : 2005Natur.434..225M . дои : 10.1038/nature03352 . ПМИД 15759003 . S2CID 4383273 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Конклин Б.Р., Сяо Э.К., Клайсен С., Думуис А., Шринивасан С., Форсает Дж.Р. и др. (август 2008 г.). «Инженерия сигнальных путей GPCR с помощью RASSL» . Природные методы . 5 (8): 673–8. дои : 10.1038/nmeth.1232 . ПМК 2703467 . ПМИД 18668035 .