Luca Agnetta

• G protein-coupled receptor research looks out for new technologies to elucidate the complex processes of receptor activation, function and downstream signaling with spatiotemporal resolution, preferably in living cells and organisms. A thriving approach consists in making use of the unsurpassed properties of light, including its high precision in space and time, noninvasiveness and high degree of orthogonality regarding biological processes. This is realized by the incorporation of molecular photoswitches, which are able to effectivelyG protein-coupled receptor research looks out for new technologies to elucidate the complex processes of receptor activation, function and downstream signaling with spatiotemporal resolution, preferably in living cells and organisms. A thriving approach consists in making use of the unsurpassed properties of light, including its high precision in space and time, noninvasiveness and high degree of orthogonality regarding biological processes. This is realized by the incorporation of molecular photoswitches, which are able to effectively respond to light, such as azobenzene, into the structure of a ligand of a given receptor. The muscarinic acetylcholine receptors belong to class A GPCRs and have received special attention in this regard due to their role as a prototypic pharmacological system and their therapeutic potential. They mediate the excitatory and inhibitory effects of the neurotransmitter acetylcholine and thus regulate diverse important biological processes, especially many neurological functions in our brain. In this work, the application of photopharmacological tool compounds to muscarinic receptors is presented, consisting of pharmacophores extended with azobenzene as light-responsive motif. Making use of the dualsteric concept, such photochromic ligands can be designed to bind concomitantly to the orthosteric and allosteric binding site of the receptor, which is demonstrated for BQCAAI (M1) and PAI (M2) and may lead to subtype- and functionalselective photoswitchable ligands, suitable for further ex vivo and in vivo studies. Moreover, photoswitchable ligands based on the synthetic agonist iperoxo were investigated extensively with regard to their photochemical behavior and pharmacological profile, outlining the advantages and challenges of using red-shifted molecular photoswitches, such as tetraortho- fluoro azobenzene. For the first time on a GPCR it was examined, which impact the different substitution pattern has on both the binding and the activity on the M1 receptor. Results show that substituted azobenzenes in photopharmacological compounds (F4-photoiperoxo and F4-iper-azo-iper) not just represent analogs with other photophysical properties but can exhibit a considerably different biological profile that has to be investigated carefully. The achievements gained in this study can give important new insights into the binding mode and time course of activation processes, enabling precise spatial and temporal resolution of the complex signaling pathway of muscarinic receptors. Due to their role as exemplary model system, these findings may be useful for the investigation into other therapeutically relevant GPCRs.…
• Die Forschung an G-Protein-gekoppelten Rezeptoren verlangt nach neuen Technologien zur Aufklärung der komplexen Prozesse der Rezeptoraktivierung, -funktion und ihrer nachgeschalteten Signalwege mit räumlicher und zeitlicher Auflösung, vorzugsweise in lebenden Zellen und Organismen. Ein erfolgreicher Ansatz besteht darin, die unübertroffenen Eigenschaften des Lichts zu nutzen, welche die hohe Präzision in Raum und Zeit, die Nicht- Invasivität und die hohe Orthogonalität in Bezug auf biologische Prozesse einschließt. Dies wird durch denDie Forschung an G-Protein-gekoppelten Rezeptoren verlangt nach neuen Technologien zur Aufklärung der komplexen Prozesse der Rezeptoraktivierung, -funktion und ihrer nachgeschalteten Signalwege mit räumlicher und zeitlicher Auflösung, vorzugsweise in lebenden Zellen und Organismen. Ein erfolgreicher Ansatz besteht darin, die unübertroffenen Eigenschaften des Lichts zu nutzen, welche die hohe Präzision in Raum und Zeit, die Nicht- Invasivität und die hohe Orthogonalität in Bezug auf biologische Prozesse einschließt. Dies wird durch den Einbau von molekularen Photoschaltern, wie z. B. Azobenzolen, in die Struktur eines Liganden eines bestimmten Rezeptors realisiert, welche effektiv auf Licht reagieren. Die muskarinischen Acetylcholin Rezeptoren gehören zur Klasse A der GPCRs und haben aufgrund ihrer Rolle als prototypisches pharmakologisches System und ihres therapeutischen Potenzials diesbezüglich besondere Beachtung gefunden. Sie vermitteln die stimulierenden und hemmenden Wirkungen des Neurotransmitters Acetylcholin und regulieren somit verschiedene wichtige biologische Prozesse, insbesondere viele neurologische Funktionen in unserem Gehirn. In dieser Arbeit wird die Anwendung photopharmakologischer „Tool“-Verbindungen auf die muskarinischen Rezeptoren vorgestellt, die aus Pharmakophoren bestehen, welche mit Azobenzol als lichtempfindlichem Motiv modifiziert wurden. Mit Hilfe des Konzepts der Dualsterie können solche photochromen Liganden so gestaltet werden, dass sie gleichzeitig an die orthosterische und allosterische Bindungsstelle des Rezeptors binden, was für BQCAAI (M1) und PAI (M2) gezeigt wurde und zu subtypen- und funktionsselektiven photoschaltbaren Liganden führen kann, die für weitere Ex- und In-Vivo-Studien geeignet sind. Darüber hinaus wurden photoschaltbare Liganden auf Basis des synthetischen Agonisten Iperoxo hinsichtlich ihres photochemischen Verhaltens und ihres pharmakologischen Profils ausführlich untersucht, um die Vorteile und Herausforderungen der Verwendung rotverschobener molekularer Photoschalter wie tetra-ortho-Fluor-azobenzol zu erläutern. Es wurde erstmals an einem GPCR untersucht, welche Auswirkungen das unterschiedliche Substitutionsmuster sowohl auf die Bindung, als auch auf die Aktivität am M1-Rezeptor hat. Diese Ergebnisse zeigen, dass substituierte Azobenzole in photopharmakologischen Verbindungen (F4-Photoiperoxo und F4-Iper-azo-iper) nicht nur Analoga mit anderen photophysikalischen Eigenschaften darstellen, sondern auch ein deutlich unterschiedliches biologisches Profil aufweisen können, das sorgfältig untersucht werden muss. Die in dieser Studie erzielten Ergebnisse geben neue und wichtige Einblicke in den Bindungsmodus und den zeitlichen Verlauf von Aktivierungsprozessen und ermöglichen eine präzise räumliche und zeitliche Auflösung der komplexen Signalwege von muskarinischen Rezeptoren. Aufgrund ihrer Rolle als exemplarisches Modellsystem können diese Befunde für die Untersuchung anderer therapeutisch relevanter GPCRs sehr nützlich sein.…