Bräuner-Osborne, Hans

Danish

Copenhagen University Research Information System

u n i ve r s i t y  o f  co pe n h ag e n  Københavns UniversitetReceptorer i historisk og nutidig belysningBräuner-Osborne, HansPublished in:Carlsbergfondet. AarsskriftPublication date:2009Document versionOgså kaldet Forlagets PDFCitation for published version (APA):Bräuner-Osborne, H. (2009). Receptorer i historisk og nutidig belysning. Carlsbergfondet. Aarsskrift, 30-35.Download date: 02. Feb. 20203 0  IVreceptor konceptetI 1908 blev Nobel prisen i fysiologi/medicin givet til Paul Ehrlich (1854-1915), der spillede en central rolle for for-muleringen af receptorkonceptet – selvom han brugte ud-trykket ”side-kæde teori” frem for ordet receptor og pri-mært applicerede teorien inden for området antigen-anti-stof-interaktioner. Som det fremgår af ﬁgur 1, var hans teori, at celler udtrykte ”side-kæder”, som stoffer kunne binde til og dermed føre til fysiologiske respons. Ehrlich fremførte også et berømt citat ”Corpora non agunt ﬁxa-ta”, der frit oversat betyder ”Hvis stoffet ikke binder, vir-ker det ikke”. Disse koncepter kulminerede sidst i hans karriere, hvor han jagtede en såkaldt ”magic bullet” i form af et stof, der speciﬁkt kunne binde til en sygdomsfremkal-dende organisme uden at ramme den menneskelige vært. Ehlich gennemførte dermed den første rationelle kemote-rapeutiske lægemiddeludvikling ved systematisk at frem-stille analoger af arsenholdige stoffer, som han efterfølgen-de testede på syﬁlisbakterien Treponema pallidum. Med analog 606 var succesen hjemme, idet han ﬁk markedsført lægemidlet Salvarsan mod syﬁlis i 1910. Mekanismen for stoffet er dog endnu i dag ukendt, og det er således tvivl-somt, om det virker via en receptor, men konceptet med receptor-ligand-interaktioner og struktur-aktivitets-relati-oner var blevet født. Det var John Newport Langley (1852-1926) der introducerede termen ”receptive substans” i 1905 ud fra sine studier af nikotin og nikotin antagonisten kurare på nerve-ender og muskelceller, hvor han konklu-derede, at de to stoffer måtte virke på samme ”receptive substans”. Samtidigt og uafhængigt af Ehrlich var Langley således pioner inden for deﬁnitionen af receptor og recep-tor-ligand begreberne der i dag er helt grundlæggende for farmakologien.farmakologiske subtyperDet autonome nervesystem fortsatte med at være det cen-trale område for receptorforskningen i de følgende årtier. I 1948 observerede Raymond Ahlquist (1914-1983), at stofferne isoproterenol, adrenalin og noradrenalin havde forskellig styrke (potens) rækkefølge for sammentrækning af glatte muskler og hjertemuskler, hvilket han konklude-rede skyldtes tilstedeværelsen af to forskellige receptorer med henholdsvis α- og ß-respons – dermed var de ad-renerge α- og ß-receptorer blevet deﬁneret. Observationen receptorer i  historisk  og nutidig belysninga f  p r o f e s s o r ,  d r . p h a r m .  h a n s  b r ä u n e r- o s b o r n e ,  i n s t i t u t  f o r  m e d i c i n a l k e m i ,  f a r m a c e u t i s k  f a k u l t e t ,  k ø b e n h av n s  u n i v e r s i t e t3 1 c a r l s b e r g f o n d e taf farmakologiske undergrupper (subtyper) blev efterføl-gende udvidet til mange andre receptorer, og efterhånden viste det sig, at de ﬂeste receptorer havde ﬂere subtyper med forskellig farmakologi, hvilket kunne udnyttes til udvikling af selektive lægemiddelstoffer med bedre virkning-bivirk-ningsproﬁl. I midt 80’erne begyndte kloningen af arvemate-rialet for receptorerne, hvilket kulminerede med publicerin-gen af det humane genom i 2001, hvorved man endeligt kunne kortlægge alle receptorer i mennesker. Man kunne hermed matche de farmakologiske receptorsubtyper med de klonede receptorsubtyper og endda ofte udvide antallet af receptorer i de enkelte familier. Således ved man i dag, at mennesker har hele seks forskellige α-receptorer og tre for-skellige ß-receptorer. Endvidere har den humane genomse-kvens ført til identiﬁkation af hundredvis af receptorer uden kendt endogent aktiverende stof (agonist ofte også kaldet ligand) – såkaldt ”orphan” receptorer. Fra at have ligander med kendt farmakologisk effekt, men ukendt receptor har man således fået vendt tingene på hovedet og står i dag med mange kendte receptorer med ukendt ligand.f i g u r  1.Skitser af Paul Ehrlich’s ”side-kæder” der var forstadiet til receptorer. Billedet til venstre er et fotograﬁ fra hans laboratorium, hvor en receptor-model er tegnet på tavlen. Figuren til højre er en model af receptorer udtrykt på overﬂaden af celler, hvoraf nogle har bundet ligander.Genoptrykt fra Winau et al. Microbes and Infection 6, 786-789 (2004) med tilladelse fra Elsevier.3 2  partielle agonisterI midten af 50’erne publicerede Everhardus J. Ariëns (1918-2002) og Robert P. Stephenson (1925-2004) studier, hvor de havde undersøgt partielle agonister, som er stoffer, som kun aktiverer receptorer til et lavere niveau end den fulde aktivitet. De udviklede hver især teorier for at forklare observationerne med matematiske modeller og kom dermed frem til termerne ”intrinsic activity” og ”efﬁcacy” til at for-klare stoffers forskellige evne til at aktivere receptorer (ﬁgur 2). De grundlagde hermed fundamentet for at forstå liganders binding til receptorer som en uafhængig funktion i forhold til aktivering af re-ceptorer. Disse begreber er nærmest universelle i dag og særdeles vig-tige i forhold til udvikling af lægemidler, idet man tidligere kun un-dersøgte stoffers binding til receptorer (hvorved man normalt ikke kan bestemme stoffernes intrinsic activity / efﬁcacy), mens man i dag hovedsagligt bruger funktionelle receptorassays, hvor man både be-stemmer stoffers potens og maksimale respons. Ariëns var i øvrigt også foregangsmand mht. at afdække stereo-selektivitet af stereoiso-mere stoffer og var ivrig fortaler for kun at udvikle rene stereoisome-re lægemiddelstoffer, altså stoffer med entydigt fastlagt tredimensio-nel struktur, hvilket i dag er af fundamental betydning for godken-delse af nye lægemidler.invers agonisme og konstitutiv aktivitetI 1982 opdagede danskeren Claus Bræstrup og kollegaer en ny struk-tur-aktivitets relation, idet de fremstillende en række ß-carbolin-for-bindelser med afﬁnitet for benzodiazepin bindingsstedet på GABAA receptorer, der i modsætning til benzodiazepinernes (f.eks. Valium og Stesolid) krampestillende effekt førte til kramper. Dette ledte dem til at foreslå, at receptoren var i ligevægt mellem en inaktiv og aktiv form (konformation) som benzodiazepinerne og ß-carbolinerne f i g u r  2.Receptorer antages at være i ligevægt mellem en inaktiv (R) og en aktiv (R*) konformation, som ligander med forskellig efﬁcacy / intrinsic activity vil forskubbe mod enten mindre eller større aktivitet som illustreret med vægten til venstre. Til højre ses koncentrations-respons-kurver for ligander med forskellig efﬁcacy / intrinsic activity på en konstitutivt aktiveret receptor med forhøjet basal respons.3 3 c a r l s b e r g f o n d e tskubbede mod henholdsvis højre og venstre via en såkaldt allosterisk mekanisme. De nye stoffer blev kaldt inverse agonister for at indikere, at de i modsætning til direkte bloke-rende stoffer (antagonister) har en effekt uden samtidig tilstedeværelse af en agonist (ﬁ-gur 2). Effekten af inverse agonister forudsatte, at receptorerne havde en basal effekt i sig selv, hvilket længe var kontroversielt, indtil Robert J. Lefkowitz og kollegaer i 1990 iden-tiﬁcerede mutationer i den adrenerge α1-receptor, som gjorde receptoren konstitutiv akti-veret, altså uden tilstedeværelse af agonist. Kort tid efter blev tilsvarende mutationer iden-tiﬁceret i andre receptorer, og man fandt endda eksempler på ikke-muterede receptorer, som var konstitutivt aktiverede in vivo. Man identiﬁcerede også muterede receptorer i mennesker, som var konstant aktiverede og dermed forårsagede sygdomme såsom cancer. For ﬂere sygdomme forsøger man således at udvikle inverse agonister, der kan hæmme denne uønskede høje receptoraktivitet.allosteriske modulatorerDet første lægemiddel af benzodiazepingruppen, chlordiazepoxid, blev opdaget af Leo Sternbach (1908-2005) i 1954 og blev markedsført som bl.a. bedøvelsesmiddel (Librium) i 1960. Initialt mente man, at der eksisterede en decideret benzodiazepinreceptor, og ad-skillige grupper ledte efter den endogene benzodiazepin uden dog at ﬁnde den. Efterføl-gende blev det vist, at benzodiazepinerne var allosteriske modulatorer, der ændrede neu-rotransmitteren GABA’s effekt på GABAA receptoren ved at binde et andet sted end GABA selv. Benzodiazepinerne har således ikke nogen effekt i sig selv, men virker indirekte ved at ændre det endogene neurotransmitters aktivitet. Som beskrevet i forrige afsnit kan stoffer med afﬁnitet for benzodiazepin bindingsstedet på GABAA receptorer både øge og mindske GABA’s effekt, hvilket kaldes henholdsvis positiv og negativ allosterisk modulation. Siden har man identiﬁceret allosteriske modulatorer for en lang række receptorer, og ﬂere af disse er blevet udviklet som lægemidler, idet de potentielt kan have terapeutiske fordele frem for klassiske agonister og antagonister.promiskuøse receptorerI 1890 foreslog Hermann Emil Fischer (1852-1919) en ”nøgle-og-lås” model for enzy-mers interaktion med deres substrater, hvilket senere blev overført til receptorer af Ehrlich og Langley. Konceptet var, at ligander skal passe i receptoren som en nøgle i en lås, og der-med underforstået, at der kun ville være én endogen agonist for hver receptor. Dette har langt hen ad vejen vist sig at være korrekt, men i det seneste årti har man identiﬁceret en række receptorer, som er promiskuøse. Dvs. at de aktiveres af en bred vifte af naturlige agonister. Det er interessant, at de ﬂeste af disse promiskuøse receptorer er involveret i opfattelse af fødeindtag, idet de aktiveres af smagsstoffer, sukkerstoffer, fedtstoffer og proteiner/aminosyrer. Disse receptorer er således lokaliseret i bl.a. smagsløgene, tarmen og bugspytkirtlen, hvor de regulerer vores fødeindtag via smagsopfattelsen samt udskil-lelse af hormoner såsom insulin. Set retrospektivt er det egentligt ikke overraskende, at receptorer er blevet udviklet til at være promiskuøse netop inden for smag og fødeopfat-telse, idet kroppen naturligvis skal kunne reagere på mange forskellige former for føde. Hvis hver af disse receptorer kun målte én molekylær fødekomponent, skulle vi have langt ﬂere receptorer, end vi har, for at dække naturens mangfoldighed.3 4  komplekse s ignalvejePå samme måde som for signalstofferne var den oprindelige opfattelse, at én receptor aktiverer én signalvej indeni cellerne. Dette er også blevet modiﬁ ceret siden kloningen af receptorerne begyndte i 80’erne. Ved at udtrykke DNA for receptorerne i celler har man kunnet studere signalvejene i stor detalje og fun-det, at én receptor sagtens kan koble til ﬂ ere signalveje. Hvilket signal en given receptor giver i et organ afhænger således af, hvilke proteiner fra de mange for-skellige signalveje, som den enkelte celle udtrykker. I de seneste år har man end-videre opdaget, at ligander speciﬁ kt kan aktivere eller hæmme enkelte af disse signalveje, hvilket bl.a. Robert J. Lefkowitz har vist for angiotensinreceptoren AT1. Den endogene agonist angiotensin II aktiverer således både G protein og ß-arrestin signalvejene, mens den kunstige ligand SII kun aktiverer sidstnævnte, hvorfor de to ligander har forskellige fysiologiske effekter (ﬁ gur 3). Ligander som SII kaldes nu for ”biased” ligander.Ovenstående observationer har ført til hypotesen, at der ﬁ ndes mere end én ak-tiv konformation af receptorer, som hver kan aktivere forskellige signalveje, samt at man i princippet kan udvikle ligander, der speciﬁ kt binder til de forskel-lige receptorkonformationer og dermed aktiverer / hæmmer dem selektivt.f i g u r  3.Mange receptorer kan aktivere ﬂ ere intracellulære signalveje som illustre-ret hér for angiotensin receptoren AT1: den endogene agonist angioten-sin II aktiverer både G protein og ß-arrestin signalvejene, mens den kunstige agonist SII, der er en biased ligand, kun aktiverer ß-arrestin signalvejen. Dette er grundlaget for, at de to agonister giver forskellige fysiologiske respons in vivo.3 5 c a r l s b e r g f o n d e treceptorstrukturerDen seneste revolution indenfor receptorforskningen er en stigende strøm af receptor tredimensionale strukturer frembragt ved røntgenkrystallograﬁ . Initialt løste man ”kun” strukturen af dele af receptorerne, f.eks. den ligand-bindende del, men i de seneste par år har man i stigende grad også været i stand til at løse strukturen af hele recep-torer (ﬁ gur 4). I ﬂ ere tilfælde har man opklaret receptor- strukturen sammen med forskellige ligander og dermed fået dyb indsigt i receptor-ligand-interaktioner. Dette har bl.a. ført til afdækning af molekylære mekanismer for re-ceptoraktivering og subtypeselektivitet og dermed skabt et solidt fundament for struktur-baseret lægemiddeldesign. Det er dog stadig kun toppen af isbjerget, vi har set mht. receptorstrukturer, og der er således ingen tvivl om, at vi i det kommende årti kommer til at få indsigt i de molekylæ-re processer bag mange af de principper, der har været dis-kuteret i denne artikel.f i g u r  4.Den tredimensionale (3D) struktur af krystalstrukturen af den inaktive konformation af den adrenerge ß2 receptor sammen med antagonisten carazolol. Dette var den første 3D struktur af en human G protein koblede receptor, der blev løst.Genoptrykt fra Weis og Kobilka. Current Opinion in Structural Biology 18, 734-740 (2008) med tilladelse fra Elsevier.

Receptorer i historisk og nutidig belysning

https://curis.ku.dk/ws/files/20423183/Carlsbergfondet_Aarsskrift_2009__s.30-35_

Receptorer i historisk og nutidig belysning

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Copenhagen University Research Information System