Alpha2-adrenoceptors: Structure and ligand binding properties at the molecular level

<b>Alpha₂-Adrenoceptors: structure and ligand binding properties at the molecular level</b> The mouse is the most frequently used animal model in biomedical research, but the use of zebrafish as a model organism to mimic human diseases is on the increase. Therefore it is considered important to understand their pharmacological differences from humans also at the molecular level. The zebrafish Alpha_2-adrenoceptors were expressed in mammalian cells and the binding affinities of 20 diverse ligands were determined and compared to the corresponding human receptors. The pharmacological properties of the human and zebrafish Alpha_2--adrenoceptors were found to be quite well conserved. Receptor models based on the crystal structures of bovine rhodopsin and the human Beta₂-adrenoceptor revealed that most structural differences between the paralogous and orthologous Alpha_2--adrenoceptors were located within the second extracellular loop (XL2). Reciprocal mutations were generated in the mouse and human Alpha_2--adrenoceptors. Ligand binding experiments revealed that substitutions in XL2 reversed the binding profiles of the human and mouse Alpha_2--adrenoceptors for yohimbine, rauwolscine and RS-79948-197, evidence for a role for XL2 in the determination of species-specific ligand binding. Previous mutagenesis studies had not been able to explain the subtype preference of several large Alpha_2--adrenoceptor antagonists. We prepared chimaeric Alpha_2--adrenoceptors where the first transmembrane (TM1) domain was exchanged between the three human Alpha_2--adrenoceptor subtypes. The binding affinities of spiperone, spiroxatrine and chlorpromazine were observed to be significantly improved by TM1 substitutions of the Alpha_2a--adrenoceptor. Docking simulations indicated that indirect effects, such as allosteric modulation, are more likely to be involved in this phenomenon rather than specific side-chain interactions between ligands and receptors.

<b>Alpha₂- Adrenoseptorit: rakenne ja lääkeaineiden sitoutumisominaisuudet molekyylitasolla</b> Biolääketieteen tutkimuksessa hiiri on yleisimmin käytetty koe-eläin, mutta seeprakalan käyttö ihmisen sairauksien mallinnuksessa on lisääntymässä. Siksi on tärkeää tutkia ja ymmärtää näiden eläinten ja ihmisten farmakologisten ominaisuuksien eroavaisuuksia myös molekyylitasolla. Seeprakalan alpha₂-adrenoseptoreja tuotettiin nisäkässoluissa ja verrattiin 20 erilaisen lääkeyhdisteen sitoutumista niihin ja ihmisen vastaaviin reseptoreihin. Ihmisen ja seeprakalan alpha₂-adrenoseptorien farmakologiset ominaisuudet todettiin hyvin samanlaisiksi. Naudan rodopsiinin ja ihmisen beta₂- adrenoseptorin kiderakenteisiin perustuvat alpha₂-reseptorien rakennemallit osoittivat, että suurimmat rakenne-erot sekä reseptorialatyyppien että eri eläinlajien reseptorien välillä löytyvät reseptorien toisesta solunulkoisesta silmukkarakenteesta (XL2). Erilaiset aminohapot vaihdettiin hiiren ja ihmisen alpha₂-adrenoseptorien välillä toistensa kaltaisiksi. Näillä muokatuilla reseptoreilla tehdyt sitoutumiskokeet osoittivat kolmen testatun lääkeaineen, johimbiinin, rauwolskiinin ja RS-79948-197:n, sitoutumishanakkuuden muuttuvan vastaavasti. Tulos osoitti, että XL2:n rakenne osaltaan määrittää eläinlajille tyypillisen lääkeaineiden sitoutumisprofiilin sen alpha₂-reseptoreihin. Aiemmat reseptorien muokkaamiseen perustuvat tutkimukset eivät olleet kyenneet selittämään isokokoisten alpha₂-reseptoreja salpaavien lääkeainemolekyylien valikoivaa sitoutumista alpha₂-reseptorialatyyppeihin. Sen vuoksi valmistettiin ns. kimeerisiä alpha₂-reseptoreja, joissa ensimmäistä solukalvon läpäisevää rakennejaksoa (TM1) vaihdeltiin systemaattisesti ihmisen kolmen alpha₂-reseptorialatyypin välillä. TM1-jakson vaihdon seurauksena kolmen reseptorinsalpaajan, spiperonin, spiroksatriinin ja klooripromatsiinin havaittiin sitoutuvan aiempaa selvästi hanakammin alpha₂-reseptoreihin. Reseptorien tietokonemalleilla suoritetut lääkeaineiden sovittamissimulaatiot viittasivat siihen, että lisääntynyt sitoutumishanakkuus ei johdu spesifisistä vuorovaikutusten muutoksista reseptorien sitomiskohtien ja lääkeaineiden välillä vaan epäsuorista vaikutuksista reseptorien kolmiulotteiseen muotoon.