Titelaufnahme

G Protein-gekopplete Rezeptoren (GPCR) gehören zu einer der größten Rezeptorfamilien im menschlichen Genom und sind daher für die pharmakologische Forschung hochinteressant. Etwa 30-50% der verschreibungspflichtigen Arzneistoffe wirken über eine Modulation von jenen Rezeptoren, und deren assoziierten Botenstoffen.

Die molekular Erforschung solcher GPCRs beruht auf der Verfügbarkeit einer Bibliothek von chemischen Stoffen (genannt Liganden), welche selektiv verschiedene funktionelle Zustände der Rezeptoren aktivieren oder hemmen können. In dieser Arbeit haben wir eine neuartige Strategie zur Liganden- Entdeckung herangezogen, basierend auf evolutiven Gemeinsamkeiten des Oxytozin/Vasopressin-Signalsystems. Wir haben entdeckt, dass ein aus Ameisen (und anderen Insekten) isolierte Oxytozin-ähnliches Neuropeptid (genannt Inotozin) ein besonderes pharmakologisches Wirkungsspektrum an den vier menschlichen Oxytozin/Vasopressin Rezeptoren besitzt. Inotozin aktiviert die Insekten Rezeptoren und die menschlichen Vasopressin V1b Rezeptoren, aber hemmt den menschlichen Vasopressin V1a Rezeptor. Danach konnten wir mit Hilfe einer chemischen Methode einen Baustein im Insektenpeptid durch eine sogennate spiegelverkehrte Aminosäure ersetzen. Der Austausch von L-Arg8 im Inotocin durch D-Arg8 resultierte in einem effektiven, stabilen und kompetitiven V1a Rezeptor-Antagonisten (Hemmer) mit einer 3000-fachen höhern Bindungsselektivität für den menschlichen Vasopressin V1a Rezeptor gegenüber den anderen drei Rezeptor-Subtypen, Oxytozin-, Vasopressin V1b- sowie Vasopressin V2 Rezeptor. Der neuartige Ligand wurde anschliessend in einem physiologischen Muskel-Kontraktions-Modell erforscht, und konnte effektiv die Kontraktion von menschlichen Gebärmutter (Uterus) Muskelzellen reduzieren; ein solcher Vasopressin V1a Rezeptor Hemmstoff, könnte prinzipiell als sogennantes „Tokolytikum“ also zur Unterdrückung von vorzeitigen Wehen eingesetzt werden. Schliesslich konnten wir mit Hilfe von struktureller Modellierung zeigen, welche molekularen Vorgänge der Peptid- Rezeptor-Wechselwirkung für die pharmakologische Wirkungsweise verantwortlich sind. Dies führte zudem zu neue Einblicken, und zur Identifizierung von wichtigen Bausteinen der Rezeptoren welche für die Ligandenfunktionalität und Selektivität wichtig erscheinen, um in Zukunft gezielter einzelne Rezeptor-Subtypen physiologisch erforschen zu können, sowie Arzneistoffkandidaten mit besserer Wirksamkeit herstellen zu können.

Oxytocin and vasopressin are evolutionary conserved neuropeptides, crucial for several peripheral and central functions of human physiology, implicated in parturition, lactation, pressure regulation, fluid homeostasis and social behavior. They belong to a 600-million years old signaling system, which is expressed in almost all six animal kingdoms, exerting their biological activities through specific G- protein coupled receptors (GPCRs). The striking conservation of this system applies further to their peptide and receptor sequences, which retain remarkable level of homology, although differentiating their signaling properties and functions through four receptor isoforms in humans (OTR, V1aR, V1bR and V2R).

This work focuses on the identification and functional characterization of an invertebrate peptide orthologue of the OT/AVP family, namely inotocin, and its cognate receptor. It provides a solid example of how an invertebrate neuropeptide can be used as a molecular probe to carry out structure-activity relationship studies on human receptors, in order to pinpoint at crucial amino acid residue positions, which might be responsible of significant changes in the pharmacological interaction between ligands and receptors. Further, this evolutionary-driven strategy can be applied to shed light on the physiological functions of the OT/AVP signaling system across invertebrates, which remain still largely unknown.

Lastly, the nature-inspired design of a new peptide ligand has proved to be very successful for the pharmacological characterization of a novel, highly stable, competitive peptide antagonist targeting V1aR, inhibiting concentration-dependently the contractility of human myometrium in an established ex-vivo model, and thus offering a possible molecular framework for the further development of tocolytic agents in the treatment of preterm labor.