Photochrome Liganden für spannungsgesteuerte Kaliumkanäle

Abstract

Photochrome Liganden (PCLs) lassen sich optisch zwischen Isomeren mit unterschiedlicher biologischer Aktivität schalten. Dies ermöglicht es, ligandengesteuerte biologische Prozesse in lichtgesteuerte umzuwandeln, wodurch man eine Vielzahl biologischer Vorgänge mit Licht beeinflussen kann.PCLs wurden für verschiedene Proteinklassen entwickelt, unter anderem für Enzyme, [1][2][3] ligandengesteuerte Ionenkanäle [4][5][6] und G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. [7] So wurden z. B. vor mehr als 30 Jahren photochrome Agonisten [5] und Antagonisten [8] für nikotinische Acetylcholinrezeptoren beschrieben. Vor kurzem haben wir eine photochrome Version von Glutamat vorgestellt, die als ein PCL für Kainatrezeptoren fungiert und mit der man Aktionspotentiale auslösen kann.[6] Der PCL-Ansatz kann besonders effektiv in neuronalen Netzwerken angewendet werden, deren nichtlineare Natur relativ schwache ¾nderungen der intrinsischen Aktivität oder unvollständige Photokonversion zwischen Isomeren akzentuieren kann.Wir stellen hier eine Familie von amphiphilen Azobenzolen vor, die mit tetrameren, spannungsgesteuerten Ionenkanälen wechselwirken (Abbildung 1). Kanäle dieses Typs werden zwar nicht von extrazellulären Liganden aktiviert, lassen sich aber von niedermolekularen Liganden blockieren, bei denen es sich oft um lipophile Kationen handelt. [9,10] Unsere Moleküle fungieren als photochrome Blocker von spannungsgesteuerten Kaliumkanälen und wechselwirken mit der intrazellulären Tetraethylammonium(TEA)-Bindungsstelle (Abbildung 1 b). Sie können allerdings von der extrazellulären Seite appliziert werden und haben lang anhaltende Effekte auf Zellen nach einer einzigen, kurzen Applikation. In Neuronen wirken sie als photochrome Neuromodulatoren, womit sie zur optischen Kontrolle neuronaler Aktivität eingesetzt werden können.Eines unserer Moleküle, AAQ ("acrylamide-azo-quaternary ammonium", 1), wurde bereits als ein Reagens vorgestellt, das Wildtyp-Kaliumkanäle lichtempfindlich machen kann.[11] In unserer ursprünglichen Publikation hatten wir vermutet, dass AAQ als kovalent gebundener, photoschaltbarer Ligand (photoswitchable tethered ligand, PTL) für die externe TEA-Bindungsstelle fungiert, der über Affinitäts-markierung mit nativen Aminosäureresten reagiert (AbbilAbbildung 1. Lichtsteuerung von Kaliumkanälen. a) Photoisomerisierung und Strukturen von lichtschaltbaren Kaliumkanalblockern. b) Wirkungsweise eines PCL an der intrazellulären TEA-Bindungsstelle. Das gestreckte trans-Isomer ist ein besserer Blocker als das gewinkelte cisIsomer. c) Wirkungsweise eines PTL an der extrazellulären TEA-Bindungsstelle. Das gestreckte trans-Isomer bringt die geladene Seitenkette in die Nähe der Kanalöffnung; das gewinkelte cis-Isomer ist hierfür zu kurz.

Emerging Targets in Photopharmacology

“…[26] An acrylamide-azobenzene-quaternary ammonium compound (2)w as used, which was reported in 2008 to be aK v channel photoswitch that enables control of neuron excitation. [86,87] Thedesign of compound 2 is inspired by the positive charge present in lidocaine (in its protonated form). Thea dministration, as in the abovedescribed example,w as carried out simply by injection of the photoswitch into the vitreous cavity of the eye,w ith no surgical intervention required.…”

Photochemical Control of Reversible Encapsulation

“…[6,7] The changes in molecular shape on isomerization are large and predictable, a feature that has also made them useful in biological applications. [8,9] We show herein that the photoisomerization can be indirectly used as a method to control encapsulation phenomena. This remote control is a consequence of the snug fit of trans-4,4'-dimethylazobenzene (trans-1) in the capsule 2·2.…”

Lichtgesteuerte Werkzeuge

“…[285] Fischer et al konnten zeigen, dass der Einfluss der Bestrahlung auf die Inhibierungseffizienz eines mit Azobenzol modifizierten immunosuppressiven Cyclosporin A durch Vergrçßerung der strukturellen ¾nderungen zwischen den photoschaltbaren Konformeren mithilfe der "protein borrowing"-Strategie optimiert werden kann. Die Schalter kçnnen entweder in trans (AAQ, [292] BzAQ, [293] DENAQ [294] ) oder in cis (PrAQ, [293] PhENAQ [294] ) blockieren. [273] Durch Überführung der geschlossenen in die offene Form mit sichtbarem Licht, konnte in vitro wiederholt der IC 50 -Wert um das 55-fache auf 8 nm gesenkt werden.…”

“…[286,287] Benzolsulfonamid, der Inhibitor der humanen Carboanhydrase I (hCAI), und ein Cu 2+ -Iminodiacetat(IDA)-Komplex, der an Histidinreste in der Nähe des aktiven Zentrums des Enzyms bindet, wurden über einen DET-Schalter miteinander verbunden (18). [293] Die Funktion von Oligonukleotiden hängt stark von ihrer Sekundärstruktur ab. Das DET-Derivat 19 wurde in einer anderen Studie von Branda et al C. Elegans oral verabreicht und behielt seine Photoaktivität innerhalb der Nematoden für mindestens drei Zyklen bei.…”