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Die Superfamilie der nukleären Rezeptoren umfasst 48 ligandenabhänige Transkriptionsfaktoren, die durch Veränderungen in der Genexpression unterschiedlichste (patho-)physiologische Vorgänge wie Metabolismus, Entzündungen und Zelldifferenzierung beeinflussen.
Für die Vertreter der Retinoid X Rezeptoren (RXRs) und Peroxisomen Proliferator-aktivierten Rezeptoren (PPARs) wurden in den letzten Jahren vielversprechende Effekte auf neurodegenerative Erkrankungen berichtet. Beide Rezeptorklassen beeinflussen u.a. Bildung, Transport und Abbau des neurotoxischen Amyloid-β, das als eine der Ursachen für die Entstehung einer Alzheimer Demenz (AD) vermutet wird. Außerdem gibt es Hinweise darauf, dass durch gezielte Modulation der RXRs (besonders RXRγ) eine Remyelinisierung auto-immun demyelinisierter Neurone und damit eine regenerative Therapie für die Multiple Sklerose (MS) möglich sein könnte. Die aktuell zur Verfügung stehenden Liganden der RXRs besitzen unzureichende Subtypenselektivität und meist unvorteilhafte physikochemische Eigenschaften, die der weiteren Erforschung im Wege stehen. Um diese Hindernisse zu überwinden, sollten im Rahmen dieser Arbeit neuartige RXR-Agonisten synthetisiert und umfassend charakterisiert werden.
Ein kürzlich publizierter RXR-Agonist besitzt eine ungewöhnlich lineare Biphenylgrundstruktur und offenbart ein attraktives Aktivitätsprofil: Während alle drei RXR-Subtypen mit einem ähnlichen EC50-Wert (RXRα/β/γ = 12/12/14 µM) adressiert werden, führt die Bindung an RXRα nur zu einer minimalen Aktivierung (max. 5-fache Aktivierung im Vergleich zur Grundaktivität), während RXRβ und γ deutlich stärker aktiviert werden (60-70-fache Aktivierung). Da für diesen Chemotyp bislang noch keine systematischen Studien vorlagen, wurden seine Struktur-Wirkungs-Beziehungen (SAR) erforscht. Durch Synthese und in vitro Charakterisierung von 24 Derivaten konnten sowohl selektivitäts- als auch potenzfördernde Strukturmerkmale identifiziert werden, die sich auch kombinieren ließen. Es wurden ein RXRβ-selektives Derivat, mehrere RXRα/β-präferierende Analoga und ein potentes Derivat mit annähernd 100-fach gesteigerter Potenz ((EC50(RXRα/β/γ) = 0,08/0,15/0,22 µM) erhalten. Im Zuge der Charakterisierung wurden außerdem strukturelle Variationen identifiziert, die eine Umgehung des LXR/RXR-Heterodimers ermöglichen könnten. Zusätzlich gelang die Kristallisation der Ligandbindedomäne (LBD) von RXRα im Komplex mit dem potentesten Vertreter der Serie und offenbarte Potential für weitere Optimierungen, u.a. der Möglichkeit eine kovalente Bindung mit Cys432 zu etablieren und damit eine weitere Potenzsteigerung zu erreichen.
Neben der mangelnden Subtypenpräferenz behindern auch die ungünstigen physikochemischen Eigenschaften von RXR-Liganden die weitere Entwicklung von RXR-basierten Therapieoptionen. Deshalb sollte eine neue Leitstruktur mit überlegenen physikochemischen Eigenschaften identifiziert und durch systematische SAR-Untersuchungen weiterentwickelt werden. Für den experimentellen Wirkstoff Wy14,643, einem dualen Agonisten an PPARα und γ, wurden im Laufe der letzten vier Jahrzehnte wiederholt Effekte patentiert, die sich mit dem bislang bekannten Aktivitätsprofil nicht erklären ließen. Er zeigte u.a. in einem Tiermodell der MS einen immunmodulierenden Effekt und reduzierte in vitro die Bildung von Amyloid-β.Im Rahmen dieser Arbeit konnte Wy14,643 als potenter RXR-Agonist (EC50 (PPARα/γ/δ) = 36/54/- µM¸ EC50(RXRα/β/γ) = 9,1/13/31 µM) mit überlegenen physikochemischen Eigenschaften (z.B. Löslichkeit in Wasser = 48,6 mg/L) identifiziert und dadurch dessen Wirkungen erklärt werden.
Wy14,643 wurde als Startpunkt einer systematischen Untersuchung der Ligand-Rezeptor-Interaktionen sowohl an den PPARs und den RXRs ausgewählt. Dabei wurden ein potenter selektiver PPAR-Agonist und ein potenter und ausgeglichener panRXR/panPPAR-Agonist erhalten. Der panRXR/panPPAR-Agonist konnte im Komplex mit der LBD von PPARγ kristallisiert werden, wo der Ligand gleich doppelt gebunden vorliegt. Eines der Moleküle bindet in einer alternativen Bindungstasche. Diese Erkenntnis könnte die Grundlage für die Entwicklung einer neuen Klasse von PPARγ-Modulatoren legen.
Durch Kombination des erlangten SAR-Wissens wurde ein selektiver RXR-Agonist (EC50 (PPARα/γ/δ) = -/-/- µM¸ EC50(RXRα/β/γ) = 0,09/0,14/0,36 µM) mit annähernd 100-fach gesteigerter Potenz synthetisiert, der die günstigen physikochemischen Eigenschaften der Leitstruktur erhalten konnte (Löslichkeit in Wasser = 14,3 mg/L). Mit diesem Profil ist es gelungen einen RXR-Agonisten zu kreieren, der dem bisherigen Goldstandard Bexaroten bei vergleichbarer Potenz in physikochemischen Eigenschaften überlegen ist.
Die Kristallstruktur des RXR-selektiven Derivats im Komplex mit der LBD von RXRα zeigte einen orthosterischen Bindemodus und legte weitere Optimierungen nahe: So gibt es sowohl ungenutzten Raum, der zukünftig durch strukturbasierte Substitutionen adressiert werden könnte, als auch die Möglichkeit eine kovalente Bindung zum Rezeptor (Cys432) zu initiieren. Durch diese Arbeit konnten nicht nur eine Reihe von potenten RXR-Liganden identifiziert werden, durch die Entwicklung eines Sets aus PPAR-selektiven, dual PPAR/RXR-aktiven und RXR-selektiven Derivaten gleichen Chemotyps, entstand auch ein nützliches pharmakologisches Werkzeug zur weiteren Entschlüsselung des Zusammenspiels dieser Rezeptoren.
Die systematische Entwicklung einer Leitstruktur, wie sie in den vorangegangenen Projekten praktiziert wurde, kann je nach deren Komplexität eine kostenintensive und synthetisch anspruchsvolle Aufgabe darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine computergestützte Optimierung einer Leitstruktur als Teil einer selektiven Optimierung von Nebenaktivitäten (SOSA) etabliert, um den präparativen Aufwand der Strukturoptimierung zu reduzieren. Als Modellsubstanz wurde das Fettsäuremimetikum Cinalukast ausgewählt, das einen potenten Cysteinylleukotrienrezeptor 1 (CysLT1R)-Antagonisten darstellt, für den eine schwache Aktivität an PPARα entdeckt wurde. Ein automatisierter Arbeitsablauf testete eine virtuelle Bibliothek von annähernd 8000 Cinalukastanaloga auf ihre PPARα-Aktivität und die Derivate mit der besten vorhergesagten PPARα-Aktivität wurden durch maschinelles Lernen nach ihrem CysLT1R-Antagonismus klassifiziert. Die Synthese und Charakterisierung eines virtuell bevorzugten Derivats zeigte selektiven PPARα-Agonismus und konnte so den computergestützten Arbeitsablauf als wertvolles Instrument zur Optimierung von Fettsäuremimetika bestätigten.
Die vorliegende Arbeit hat bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von zwei neuen Chemotypen als RXR-Liganden erreicht. Die Klasse der Biphenyl-Analoga kann als Ausgangspunkt für eine weitere Entwicklung von subtypenselektiven RXR-Agonisten dienen und könnte gleichzeitig die gezielte Umgehung einzelner Heterodimere ermöglichen. Das Set aus drei Derivaten von Wy14,643 mit identischem Chemotyp, aber drastisch unterschiedlichen Aktivitätsprofilen an den PPARs und RXRs ermöglicht eine intensive pharmakologische Untersuchung der beiden Rezeptorfamilien und deren Zusammenspiel. Außerdem entstand aus dieser Klasse einer der zurzeit fortschrittlichsten RXR-Agonisten. Zukünftig kann außerdem der im Zuge der Arbeit etablierte computergestützte Arbeitsablauf die Optimierung von Fettsäuremimetika deutlich beschleunigen.
Alzheimer’s disease (AD) is the major cause of dementia. It is characterized by the accumulation of abnormal proteins (amyloid-β plaque and neurofibrillary tangles) leading to loss of synapses, dendrites, neurons, memory and cognition. Sporadic late-onset AD is the major type of AD characterized by unclear etiology and a lack of disease-modifying therapy. To understand this disease, an alternative AD hypothesis has been proposed: AD may resemble diabetes in the brain or “diabetes type 3”. This hypothesis is supported by the fact that (1) brain glucose hypometabolism precedes AD clinical symptoms and (2) diabetes increases the risk of AD. To test this hypothesis, wild-type rats receiving intracerebroventricular administration of streptozotocin (icv-STZ) were used as a model. Streptozotocin (STZ) is a glucosamine-nitrosourea compound commonly used to induce experimental diabetes by peripheral administration. A similar pathological mechanism to peripheral STZ is then proposed to explain icv-STZ toxicity: insulin receptor signaling impairment results in glucose hypometabolism leading to cognitive deficits.
Objective: Icv-STZ model seems promising as a toxin-induced, non-transgenic AD model with the possibility to connect AD and diabetes mellitus (DM), one of the risk factors for AD. However, the mechanisms of how icv-STZ induced AD-like symptoms are unclear. Therefore, using microdialysis as the main technique, we tested 2 AD hypotheses in this model: (1) the glucose hypometabolism as an alternative AD hypothesis and (2) the cholinergic deficit as an important characteristic of AD pathology. Hippocampus was chosen because cholinergic function in this region is severely affected in AD. In comparison, the striatum was chosen because it contains cholinergic interneurons and is less affected in AD.
Methods: In this study, we used male Wistar rats of 190-220 g body weight (5 weeks of age). The rats were injected intracerebrally with STZ at a dose of 3 mg/kg (2x1.5 mg/kg; „high dose“) and 0.6 mg/kg („low dose“) with saline as control. After 21 days, samples were collected to investigate cholinergic and metabolic changes using histology, biochemistry, and neurochemistry. Brain injury was confirmed using GFAP staining and Fluoro jade staining in the hippocampus. Mitochondrial toxicity was investigated by measurement of mitochondrial
respiratory function in both hippocampus and striatum. Cholinergic markers such as acetylcholinesterase (AChE) activity, choline acetyltransferase (ChAT) activity, and choline transporter (CHT-1) activity, commonly known as high-affinity choline uptake (HACU), were measured in both hippocampus and striatum using a spectrophotometer and a scintillator.
Microdialysis is the main technique in our study. It was done in awake animals under behavioral or pharmacological stimulation. We used a self-built probe with a semi-permeable membrane (pore size of 30 kDa) that was implanted in either hippocampus or striatum. The probes were then perfused with artificial cerebrospinal fluid (aCSF) supplemented with 0.1 μM neostigmine for extracellular acetylcholine level measurement. During the perfusion, small hydrophilic compounds from brain extracellular space diffuse into the dialysates. Dialysates of 15 minutes intervals were collected for 90 minutes and used for analysis. After collection of dialysates for the first 90 minutes (basal data), rats were moved to an open field box (35x32x20 cm) for behavioral stimulation. After collection of the second 90 minute dialysates, the rats were transferred back to the microdialysis cage and dialysates were collected for another 90 minutes. On day 2, after collection of dialysates under basal conditions, 1 μM scopolamine was added to the perfusion solution for stimulation of acetylcholine release. The dialysates were also collected for 90 min followed by another 90 min of dialysis without scopolamine. The microdialysate samples were then analyzed as follows. ACh level was measured by HPLC-ECD. Glucose metabolites (glucose, lactate, pyruvate) were measured by a CMA-600 microanalyzer. An alternative energy metabolite (beta-hydroxybutyrate/BHB) was measured by GC-MS. Choline and glycerol as membrane breakdown markers were also measured by HPLC-ECD and CMA-600 microanalyzer, respectively. Markers of oxidative stress (isoprostanes) were measured using a commercially available ELISA kit.
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Redox homeostasis must be kept in balance for an intact redox signaling, which is necessary to control neuronal pathways such as growth cone pathfinding, synaptic plasticity and transmission (Oswald, Garnham, Sweeney, & Landgraf, 2018).
Nucleoredoxin (NXN) is an oxidoreductase and thioredoxin-like protein holding two conserved cysteine residues in its structure (Funato & Miki, 2007), which are essential for its redox-regulating functionality. The function of NXN in neurons is still less well studied. But the expression of NXN in neurons, which was confirmed through analyzing adult NXN-LacZ reporter mice, suggested a dominant functional role in neuronal pathways. Initial experiments revealed calcium-calmodulin-dependent kinase 2 a (Camk2a) as a potential interaction partner through a Yeast-2-Hybrid screen (not shown) which is the major protein to induce synaptic plasticity during neuronal activity. Therefore, neuronal expression of NXN and the potential interaction with Camk2a prompted us to investigate deeper into the neuronal pathway. The goal of this work was to confirm the interaction of Camk2a and NXN with further experiments and to characterize behavior of mice carrying a neuronal NXN deletion. To achieve a pan-neuronal depletion of NXN expression in our mouse model, we used the Cre/loxP system with a NestinCre driver. We did not achieve the expected complete deletion of NXN due to unknown compensatory mechanisms. Nevertheless, the partial deletion of NXN in our transgenic mouse model prevented embryonic lethality as occurring in complete NXN knockout mice (Funato et al., 2010). The interaction of Camk2a and NXN was confirmed through proximity ligation assay (PLA) and immunofluorescence staining of primary cortical neurons.
Investigations of the functional interaction revealed a lower redox-sensitivity of Camk2a activity in NXN-deficient brain samples. Additionally, the respiratory activity was significantly reduced in mitochondria of NXN deficient mouse brain pointing to possible dysfunctional mitochondria which is also observed in various neurodegenerative diseases, e.g.: Alzheimer, Parkinson, and Huntington disease (Norat et al., 2020). Unexpectedly, behavioral studies revealed only a subtle effect of the pan-neuronal NXN-deficiency. Significant differences between genotypes were found at the reduction of exploratory behavior and a reduced motivation for the voluntary wheel running in NesNXN-/- mice, which is normally seen as a joyful and rewarding activity. The observed behavior of NesNXN-/- mice potentially results from interaction mechanisms of NXN with Camk2a, as well as decreased oxidation of
Camk2a and further unidentified target proteins of NXN.
Conclusively, function of NXN was revealed as a non-essential redox modulator of Camk2a in neurons. The behavioral phenotype of NesNXN-/- mice is probably compensated through unknown mechanisms. Redox signaling of Camk2a in neurons is regulated through various components such as TXN or GSH, which can backup each other (Branco et al., 2017; Ren et al., 2017). NXN is an additional but not essential regulator.