Towards selective ligands for the GaBAA redceptor α+/β- interface

Abstract

Der Neurotransmitter gamma-Aminobuttersäure (GABA) ist in unserem Zentralen Nervensystem (ZNS) weit verbreitet und bindet unter anderem an eine Klasse von ligandengesteuerten Ionenkanälen, die GABAA-Rezeptoren genannt werden. Diese pentameren Rezeptoren sind Zieleobjekte vieler klinisch relevanter Arzneimittel (z. B. Benzodiazepine) und bestehen aus vielen verschiedenen Untereinheiten, die sich zusätzlich in Isoformen unterscheiden (z. B. alpha1-6, beta1-3, gamma1-3 usw.). Daher existiert eine enorme Anzahl an möglichen Anordnungen der unterschiedlichen Untereinheiten (Rezeptor-Subtypen), was zu einer sehr komplexen Pharmakologie dieser Rezeptoren führt. Die Forschung nach selektiven pharmakologischen Diagnoseverbindungen zur Untersuchung von GABAA-Rezeptoren ist ergo von großer Bedeutung. Es ist bekannt, dass die Verbindungsklasse von Pyrazolochinolinonen (PQs) mit hoher Affinität an die alpha+/gamma2- Grenzfläche (Benzodiazepin-Bindungsstelle) und mit niedriger Affinität an die alpha+/beta- Grenzfläche bindet. Somit stellen PQs einen geeigneten Ausgangspunkt dar, um die molekularen Determinanten zu untersuchen, die den Mechanismus der allosterischen Modulation zwischen den zwei homologen Bindungsstellen beeinflussen. In dieser Arbeit haben wir eine systematische Bibliothek unterschiedlich substituierter PQs synthetisiert und konnten zwei subtyp-selektive Prototypen identifizieren, die als Beweis für die Entwicklung dringend benötigter subtyp-selektiver Diagnoseverbindungen dienten. Des Weiteren haben wir die Bindungsorientierung von PQs an der alpha1+/gamma2- Bindestelle aufgeklärt, indem wir ein neues Docking-Protokoll etabliert haben, das während des Bewertungsprozesses auf Struktur-Aktivität-Beziehungsdaten zurückgreift. Die Kombination dieser Ergebnisse führte zu innovativen Liganden-Designs, welche zu Verbindung führen sollten, die ausschließlich an die alpha+/beta- Bindestelle binden. Die Evaluierung dieser Verbindungen wird in zukünftigen Studien untersucht werden.

The neurotransmitter gamma- aminobutyric acid (GABA) occurs ubiquitously in our central nervous system (CNS) and binds, inter alia, to a class of ligand-gated ion channels called GABAA receptors. These pentameric receptors are targets of many clinically relevant drugs (e.g. benzodiazepines). The family contains many different subunits which are further classified into isoforms (e.g. alpha1-6, beta1-3, gamma1-3, etc). Thus, there exists an enormous number of possible different subunit assemblies (receptor subtypes) which results in a very complex pharmacology of these receptors. Hence, the exploration of selective pharmacological tool compounds to study GABAA receptors is of great importance. The compound class of pyrazoloquinolinones (PQs) is known to interact with the high affinity alpha+/gamma2- interface (benzodiazepine binding site) and the low affinity modulatory site at the alpha+/beta- interface. Therefore, PQs represent a suitable starting point to study the molecular determinants which influence the mechanism of allosteric modulation at the two homologous binding sites. In this thesis we synthesized a systematic library of differently substituted PQs and were able to identify two subtype selective prototypes which served as proof of concept in the development of urgently required subtype selective tool compounds. Moreover, we elucidated the binding mode of PQs at the alpha1+/gamma2- site by establishing a novel docking protocol which assesses SAR data during the scoring process. The combination of these findings led to innovative ligand designs which should exclusively interact with the alpha+/beta- interfaces and will be investigated in future studies.