stringtranslate.com

Receptor activado únicamente por un ligando sintético

Un receptor activado únicamente por un ligando sintético ( RASSL ) o un receptor de diseño activado exclusivamente por fármacos de diseño ( DREADD ), es una clase de receptores proteicos diseñados artificialmente que se utilizan en el campo de la quimiogenética y que se activan selectivamente por ciertos ligandos . [1] Se utilizan en la investigación biomédica, en particular en la neurociencia, para manipular la actividad de las neuronas . [2]

Los RASSL y los DREADD, que en un principio se diferenciaban por el método utilizado para diseñarlos, ahora se utilizan a menudo de forma intercambiable para representar un sistema receptor-ligando diseñado. [3] Estos sistemas suelen utilizar receptores acoplados a proteína G ( GPCR ) diseñados para responder exclusivamente a ligandos sintéticos, como el N-óxido de clozapina (CNO), [4] y no a ligandos endógenos. Existen varios tipos de estos receptores, derivados de receptores muscarínicos o κ-opioides . [1]

Tipos de RASSL/DREADD

Uno de los primeros DREADD se basó en el receptor muscarínico humano M 3 (hM 3 ). [5] Solo se necesitaron dos mutaciones puntuales de hM 3 para lograr un receptor mutante con potencia nanomolar para CNO , insensibilidad a la acetilcolina y baja actividad constitutiva y este receptor DREADD se denominó hM3Dq. Los receptores muscarínicos M 1 y M 5 se han mutado para crear DREADD hM1Dq y hM5Dq respectivamente. [5]

El inhibidor más comúnmente utilizado de DREADD es el hM4Di, derivado del receptor muscarínico M4 que se acopla a la proteína G1b . [5] Otro receptor muscarínico humano acoplado a G1b , el M2 , también fue mutado para obtener el receptor DREADD hM2D. [5] Otro inhibidor de DREADD G1b es el receptor opioide kappa (KOR) DREADD (KORD) que es activado selectivamente por la salvinorina B (SalB). [6]

También se han desarrollado receptores DREADD acoplados a G s . Estos receptores también se conocen como G s D y son receptores quiméricos que contienen regiones intracelulares del receptor β-adrenérgico de eritrocitos de pavo sustituido en el receptor DREADD M 3 de rata . [7]

Ligandos RASSL/DREADD

Cada vez hay más ligandos disponibles comercialmente que pueden utilizarse para activar RASSL/DREADD. [8]

El CNO es el activador prototípico de DREADD. El CNO activa los DREADD excitatorios acoplados a Gq: hM3Dq, hM1Dq y hM5Dq y también los DREADD inhibidores acoplados a G i hM4Di y hM2Di . El CNO también activa el DREADD acoplado a G s (GsD) y el DREADD que prefiere β-arrestina: rM3Darr (Rq(R165L). [9]

Hallazgos recientes sugieren que el CNO administrado sistémicamente no cruza fácilmente la barrera hematoencefálica in vivo y se convierte en clozapina, que a su vez activa los DREADD. La clozapina es un antipsicótico atípico que ha demostrado mostrar una alta afinidad y potencia por los DREADD. Las inyecciones subumbral de clozapina pueden utilizarse para inducir conductas preferenciales mediadas por los DREADD. Por lo tanto, cuando se utiliza CNO, se debe tener cuidado en el diseño experimental y se deben incorporar controles adecuados. [10]

El agonista 21 de DREADD, también conocido como Compuesto 21, representa un agonista alternativo para los DREADD de base muscarínica y una alternativa al CNO. Se ha informado que el Compuesto 21 tiene una excelente biodisponibilidad, propiedades farmacocinéticas y penetrabilidad cerebral y no sufre un metabolismo inverso a la clozapina. [11] Otro agonista conocido es la perlapina , un fármaco hipnótico aprobado para tratar el insomnio en Japón. Actúa como un activador de los DREADD G q -, G i - y G s que tiene una similitud estructural con el CNO. [12] Un agonista más reciente de hM3Dq y hM4Di es la descloroclozapina (DCZ). [13]

Por otra parte, SalB B es un activador potente y selectivo de KORD. [14]

JHU37160 y JHU37152 se han comercializado como nuevos ligandos DREADD, activos in vivo , con alta potencia y afinidad por los DREADD hM3Dq y hM4Di. [ cita requerida ]

También se han desarrollado comercialmente sales de dihidrocloruro de ligandos DREADD que son solubles en agua (pero con diferentes estabilidades en solución) (ver [15] [16] para la estabilidad acuosa).

Mecanismo

Descripción esquemática de cómo se pueden utilizar diferentes variantes de DREADD (hM3Dq y hM4Di) para activar y también inhibir grupos de neuronas que utilizan CNO. [17]

Los RASSL y los DREADD son familias de receptores acoplados a proteína G (GPCR) diseñados específicamente para permitir un control espaciotemporal preciso de la señalización de GPCR in vivo . Estos GPCR diseñados no responden a ligandos endógenos , pero pueden activarse mediante concentraciones nanomolares de moléculas pequeñas similares a fármacos, farmacológicamente inertes. Actualmente, existen RASSL para la interrogación de varias vías de señalización de GPCR, incluidas las activadas por Gs, Gi, Gq, Golf y β-arrestina. [18] Una de las principales causas del éxito de los recursos RASSL ha sido el intercambio abierto de construcciones de ADN y recursos relacionados con RASSL.

Los efectos inhibidores de hM4Di-DREADD son resultado de la estimulación del CNO y la consiguiente activación de los canales de potasio rectificadores internos de proteína G (GIRK). Esto provoca la hiperpolarización de la célula neuronal objetivo y, por lo tanto, atenúa la actividad posterior. [19]

Usos

Esta técnica quimiogenética se puede utilizar para la manipulación remota de células, en particular células excitables como neuronas, tanto in vitro como in vivo con la administración de ligandos específicos. [2] Técnicas similares en este campo incluyen la termogenética y la optogenética , el control de neuronas con temperatura o luz, respectivamente. [2]

La expresión viral de las proteínas DREADD, tanto potenciadoras como inhibidoras in vivo de la función neuronal, se ha utilizado para controlar bidireccionalmente comportamientos en ratones (por ejemplo, discriminación de olores). [20] Debido a su capacidad para modular la actividad neuronal, las DREADD se utilizan como una herramienta para evaluar tanto las vías neuronales como los comportamientos asociados con las señales de las drogas y la adicción a las drogas. [21]

Historia

Strader y sus colegas diseñaron el primer receptor GPCR que sólo podía activarse mediante un compuesto sintético [22] y que poco a poco ha ido ganando impulso. La primera reunión internacional de RASSL se programó para el 6 de abril de 2006. Un ejemplo sencillo del uso de un sistema RASSL en genética conductual fue ilustrado por Mueller et al. (2005), donde demostraron que la expresión de un receptor RASSL en células gustativas dulces de la lengua del ratón conducía a una fuerte preferencia por el consumo oral del ligando sintético, mientras que la expresión del RASSL en células gustativas amargas causaba una aversión dramática al sabor del mismo compuesto. [23]

Los efectos atenuantes del hM4Di-DREADD se exploraron originalmente en 2007, antes de confirmarse en 2014. [19]

Referencias

  1. ^ ab Roth BL (febrero de 2016). "DREADDs para neurocientíficos". Neuron . 89 (4): 683–94. doi :10.1016/j.neuron.2016.01.040. PMC  4759656 . PMID  26889809.
  2. ^ abc Campbell, Erin J.; Marchant, Nathan J. (abril de 2018). "El uso de la quimiogenética en la neurociencia conductual: variantes de receptores, enfoques de selección y advertencias". British Journal of Pharmacology . 175 (7): 994–1003. doi :10.1111/bph.14146. ISSN  1476-5381. PMC 5843707 . PMID  29338070. 
  3. ^ Conklin BR, Hsiao EC, Claeysen S, Dumuis A, Srinivasan S, Forsayeth JR, Guettier JM, Chang WC, Pei Y, McCarthy KD, Nissenson RA, Wess J, Bockaert J, Roth BL (agosto de 2008). "Ingeniería de vías de señalización de GPCR con RASSL". Nature Methods . 5 (8): 673–8. doi :10.1038/nmeth.1232. PMC 2703467 . PMID  18668035. 
  4. ^ Armbruster BN, Li X, Pausch MH, Herlitze S, Roth BL (marzo de 2007). "Evolución de la cerradura para que encaje en la llave y crear una familia de receptores acoplados a proteína G activados de forma potente por un ligando inerte". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 104 (12): 5163–8. Bibcode :2007PNAS..104.5163A. doi : 10.1073/pnas.0700293104 . PMC 1829280 . PMID  17360345. 
  5. ^ abcd Armbruster, Blaine N.; Li, Xiang; Pausch, Mark H.; Herlitze, Stefan; Roth, Bryan L. (20 de marzo de 2007). "Evolución de la cerradura para que encaje en la llave y crear una familia de receptores acoplados a proteína G activados de forma potente por un ligando inerte". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 104 (12): 5163–5168. Bibcode :2007PNAS..104.5163A. doi : 10.1073/pnas.0700293104 . ISSN  0027-8424. PMC 1829280 . PMID  17360345. 
  6. ^ Vardy, Eyal; Robinson, J. Elliott; Li, Chia; Olsen, Reid HJ; DiBerto, Jeffrey F.; Giguere, Patrick M.; Sassano, Flori M.; Huang, Xi-Ping; Zhu, Hu (20 de mayo de 2015). "Un nuevo DREADD facilita la interrogación quimiogenética multiplexada del comportamiento". Neuron . 86 (4): 936–946. doi :10.1016/j.neuron.2015.03.065. ISSN  1097-4199. PMC 4441592 . PMID  25937170. 
  7. ^ Conklin, Bruce R.; Hsiao, Edward C.; Claeysen, Sylvie; Dumuis, Aline; Srinivasan, Supriya; Forsayeth, John R.; Guettier, Jean-Marc; Chang, WC; Pei, Ying (agosto de 2008). "Ingeniería de vías de señalización de GPCR con RASSL". Nature Methods . 5 (8): 673–678. doi :10.1038/nmeth.1232. ISSN  1548-7105. PMC 2703467 . PMID  18668035. 
  8. ^ "Ligandos DREADD (CNO/SalB) para la investigación en neurociencia". HelloBio.com . Consultado el 5 de diciembre de 2018 .
  9. ^ Wess, Jürgen; Nakajima, Kenichiro; Jain, Shalini (julio de 2013). "Nuevos receptores de diseño para investigar la señalización y la fisiología de GPCR". Tendencias en ciencias farmacológicas . 34 (7): 385–392. doi :10.1016/j.tips.2013.04.006. ISSN  1873-3735. PMC 3758874 . PMID  23769625. 
  10. ^ Gomez, Juan L.; Bonaventura, Jordi; Lesniak, Wojciech; Mathews, William B.; Sysa-Shah, Polina; Rodriguez, Lionel A.; Ellis, Randall J.; Richie, Christopher T.; Harvey, Brandon K. (4 de agosto de 2017). "Revelada la quimiogenética: ocupación y activación de DREADD a través de clozapina convertida". Science . 357 (6350): 503–507. Bibcode :2017Sci...357..503G. doi : 10.1126/science.aan2475 . ISSN  1095-9203. PMC 7309169 . PMID  28774929. 
  11. ^ Thompson, Karen J.; Khajehali, Elham; Bradley, Sophie J.; Navarrete, Jovana S.; Huang, Xi Ping; Slocum, Samuel; Jin, Jian; Liu, Jing; Xiong, Yan (14 de septiembre de 2018). "El agonista 21 de DREADD es un agonista eficaz para DREADD de base muscarínica in vitro e in vivo". ACS Pharmacology & Translational Science . 1 (1): 61–72. doi :10.1021/acsptsci.8b00012. PMC 6407913 . PMID  30868140. 
  12. ^ Chen, Xin; Choo, Hyunah; Huang, Xi-Ping; Yang, Xiaobao; Stone, Orrin; Roth, Bryan L.; Jin, Jian (18 de marzo de 2015). "Los primeros estudios de relación estructura-actividad para receptores de diseño activados exclusivamente por drogas de diseño". ACS Chemical Neuroscience . 6 (3): 476–484. doi :10.1021/cn500325v. ISSN  1948-7193. PMC 4368042 . PMID  25587888. 
  13. ^ Nagai, Yuji; Miyakawa, Naohisa; Takuwa, Hiroyuki; Hori, Yukiko; Oyama, Kei; Ji, Bin; Takahashi, Manami; Huang, Xi-Ping; Slocum, Samuel T.; DiBerto, Jeffrey F.; Xiong, Yan (septiembre de 2020). "La descloroclozapina, un potente y selectivo actuador quimiogenético permite modulaciones neuronales y conductuales rápidas en ratones y monos". Nature Neuroscience . 23 (9): 1157–1167. doi :10.1038/s41593-020-0661-3. ISSN  1546-1726. PMID  32632286. S2CID  220375204.
  14. ^ Marchant, Nathan J.; Whitaker, Leslie R.; Bossert, Jennifer M.; Harvey, Brandon K.; Hope, Bruce T.; Kaganovsky, Konstantin; Adhikary, Sweta; Prisinzano, Thomas E.; Vardy, Eyal (enero de 2016). "Efectos conductuales y fisiológicos de un nuevo DREADD basado en el receptor opioide kappa en ratas". Neuropsicofarmacología . 41 (2): 402–409. doi :10.1038/npp.2015.149. ISSN  1740-634X. PMC 5130116 . PMID  26019014. 
  15. ^ "Estabilidad de ligandos DREADD solubles en agua en solución: una revisión técnica". HelloBio.com . Consultado el 5 de diciembre de 2018 .
  16. ^ "Estabilidad y almacenamiento de la base libre de N-óxido de clozapina (CNO)". HelloBio.com . Consultado el 5 de diciembre de 2018 .
  17. ^  Este artículo incorpora texto disponible bajo la licencia CC BY 4.0. Ju, William (1 de noviembre de 2023). Neurociencia . Toronto: Universidad de Toronto. 3.4 Métodos quimiogénicos para examinar el comportamiento cerebral.
  18. ^ Urban DJ, Roth BL (6 de enero de 2015). "DREADD (receptores de diseño activados exclusivamente por drogas de diseño): herramientas quimiogenéticas con utilidad terapéutica". Revisión anual de farmacología y toxicología . 55 (1): 399–417. doi : 10.1146/annurev-pharmtox-010814-124803 . PMID  25292433.
  19. ^ ab Zhu H, Roth BL (mayo de 2014). "Silenciamiento de sinapsis con DREADD". Neuron . 82 (4): 723–5. doi :10.1016/j.neuron.2014.05.002. PMC 4109642 . PMID  24853931. 
  20. ^ Smith RS, Hu R, DeSouza A, Eberly CL, Krahe K, Chan W, Araneda RC (julio de 2015). "Modulación muscarínica diferencial en el bulbo olfatorio". The Journal of Neuroscience . 35 (30): 10773–85. doi :10.1523/JNEUROSCI.0099-15.2015. PMC 4518052 . PMID  26224860. 
  21. ^ Ferguson SM, Eskenazi D, Ishikawa M, Wanat MJ, Phillips PE, Dong Y, Roth BL, Neumaier JF (enero de 2011). "La inhibición neuronal transitoria revela funciones opuestas de las vías indirectas y directas en la sensibilización". Nature Neuroscience . 14 (1): 22–4. doi :10.1038/nn.2703. PMC 3058296 . PMID  21131952. 
  22. ^ Coward P, Wada HG, Falk MS, Chan SD, Meng F, Akil H, Conklin BR (enero de 1998). "Control de la señalización con un receptor acoplado a Gi específicamente diseñado". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 95 (1): 352–7. Bibcode :1998PNAS...95..352C. doi : 10.1073/pnas.95.1.352 . JSTOR  44466. PMC 18222 . PMID  9419379. 
  23. ^ Mueller KL, Hoon MA, Erlenbach I, Chandrashekar J, Zuker CS, Ryba NJ (marzo de 2005). "Los receptores y la lógica de codificación del sabor amargo". Nature . 434 (7030): 225–9. Bibcode :2005Natur.434..225M. doi :10.1038/nature03352. PMID  15759003. S2CID  4383273.

Lectura adicional