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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Erregungsübertragung und Entwicklung
neuer Pharmazeutika.
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STAND DER
TECHNIK
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Die
US-Patenschriften 6,090,631 und 5,623,051 beschreiben eine Region
der P/Q-Typ- und N-Typ-Kalziumionenkanäle N, welche Syntaxin- und
SNAP-25-Proteine
binden. Diese Region liegt zwischen den Domänen II und III der α1-Untereinheit dieser
Kanäle.
Syntaxin und SNAP-25 sind Proteine, die das Docking der präsynaptischen
Vesikel vermitteln, die für
die Freigabe der Neurotransmitter erforderlich sind. Wie in diesen
Dokumenten beschrieben, können
diese Syntaxin/SNAP-25-Bindungsregionen verwendet werden, um nach
Verbindungen durchzumustern, die die Bindung dieser Regionen an
Syntaxin und/oder SNAP-25 blockieren werden, und so die neuronale Übertragung
hemmen.
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Die
Bedingungen, die die Übertragung
von Signalen durch neuronale Netze umgeben, beeinträchtigen deutlich
eine Vielzahl von physiologischen Antworten, einschließlich der
Wahrnehmung von Schmerz, Lernen, Gedächtnis und ähnliches. Die Modulation des
neuronalen Übertragungslevel
und die Bedingung der präsynaptischen
Umgebung haben starke physiologische Wirkungen, hauptsächlich innerhalb
des Nervensystems. Die primären
Kalziumionenkanäle,
die die neuronale Übertragung
bewirken, sind diese N-Typ-
und P/Q-Typ-Kanäle.
P/Q-Typ-Kanäle
waren hauptsächlich
in die präsynaptischen
Terminale des Zentralnervensystems (ZNS) eingebunden, während die
Kanäle
vom Typ N im peripheren Nervensystem zu dominieren scheinen. Folglich
sind Typ-P/Q-Kanäle
insbesondere bei ZNS-Funktionen, wie etwa Gedächtnis oder Schmerz wichtig.
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Kalziumionenkanäle bestehen
im Allgemeinen aus α1-Untereinheit,
sind optional gekoppelt mit zusätzlichen
Untereinheiten, können
aber alleine arbeiten.
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Gemäß der aktuellen
Terminologie umfassen Typ-N-Kanäle α1B Untereinheiten,
während
P/Q-Kanäle aus α1A-Untereinheiten
bestehen. DNA- Sequenzen,
die α1A-Untereinheiten kodieren, werden in WO
95 04822 und in Zuchenko, O., et al. (1997) Nature Genetics 15:62–68 beschrieben.
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Es
wäre eindeutig
wünschenswert,
Verbindungen bereitzustellen, die in der Lage sind, die präsynaptische
Umgebung zu kontrollieren, um eine bessere Kontrolle über Zentralnervensystemfunktionen,
einschließlich
Gedächtnis,
Lernen und Schmerz zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Mechanismus für diese
Kontrolle bereit. Wie nachfolgend gezeigt werden wird, enthält eine
spezifische Region der α1A-Untereinheit eine Sequenz, die an das
bekannte Homer-Protein bindet, das in Artikeln von Xiao, B., et
al., Cur. Opinion in Neurobiol. (2000) 10:370–374 und von Tu, J. C., et
al., Neuron (1998) 21:717–726
beschrieben ist. Wie in diesen Artikeln gezeigt, bindet das Homer-Protein
an eine Vielzahl von Zielen, die für die Signalübertragung und
die Neurotransmission wichtig sind. Eine Consensus-Sequenz, die
reich an Prolin ist, wird ebenfalls beschrieben.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung besteht in der Identifikation einer Peptidregion, die
für den
P/Q-Kalziumionenkanal
spezifisch ist, der verantwortlich ist, für die Ereigniskaskade, die
zur Expression des genkodierenden Syntaxin-1A führt. Folglich ermöglicht die
Verwendung dieses Peptids bei Durchmusterungstests die Identifikation
von Verbindungen, die verwendet werden können, um die Syntaxin-1A-Level
zu regulieren, die in der präsynaptischen Region
verfügbar
sind, und folglich solche Funktionen, wie Lernen, Gedächtnis und
Schmerz zu modulieren.
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Gemäß der Entdeckung
der genannten Anmelder, bewirkt Kalziumstrom durch den P/Q-Ionenkanal spezifisch
die Expression des genkodierenden Syntaxin in Modellzellsystemen
und in neuronalen Zellen per se. Es wurde nun herausgefunden, dass
eine spezifische 4-Aminosäurensequenz
etwa 200 Aminosäuren
entfernt vom C-Terminus des P/Q-Kalziumionenkanals der Ort für die Interaktion
dieses Kanals mit Homer ist, einem Protein, von dem bekannt ist,
dass es die intrazellulären
Kalziumionenlager beeinträchtigt,
und diese Interaktion ist wesentlich für die Fähigkeit des P/Q-Kalziumionenkanals,
die Expression des Syntaxin-1A kodierenden Gens zu bewirken.
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Folglich
richtet sich die Erfindung einerseits auf ein Verfahren zur Identifikation
von Verbindungen, die die Funktion des Zentralnervensystems, wie
etwa Lernen und Gedächtnis,
beeinträchtigen,
wobei das Verfahren umfasst, Kontaktieren einer Kandidatenverbindung
mit einem Peptid, welches die Bindungsstelle für ein Homer umfasst, das nahe
dem Carboxyterminus des P/Q-Kalziumionenkanals sitzt, und Bestimmen,
ob die Verbindung an das Peptid bindet. Verbindungen, die an dieses
Peptid binden, werden als Verbindungen identifiziert, die die Funktion
des Zentralnervensystems (ZNS) beeinträchtigen. Dieser Durchmusterungstest
kann auf unkomplizierte Art durchgeführt werden, indem einfach die
Fähigkeit
der Verbindung zu binden, beurteilt wird.
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Üblicherweise
kann die Fähigkeit
der Kandidatenverbindung, die Bindung eines Liganden zu hemmen, von
dem bekannt ist, dass er an das Peptid bindet, einschließlich der
Fähigkeit
von Homer sich so zu binden, verwendet werden, um die Bindung zu
bewerten.
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Andererseits
richtet sich die Erfindung auf ein Peptid, das die Sequenz der Bindungsstelle,
flankiert durch zusätzliche
Aminosäuren,
umfasst, normalerweise jene, welche die Bindungsstelle in dem nativen
Ionenkanal flankieren, und auf Antibiotika, die für diese
Region immunspezifisch sind.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Die
betreffenden Anmelder haben gezeigt, dass selektiver Kalziuminflux
durch P/Q-Kalziumionenkanäle
verantwortlich ist für
die Aktivierung der Expression von Syntaxin-1A, einem präsynaptischen
Protein, das eine zentrale Rolle bei der Vermittlung von Vesikel-Docking,
Fusion und Neurotransmitterfreigabe spielt. Die Anmelder haben bewiesen,
dass das anfängliche
Kalziumionensignal durch Kalziumionen aus intrazellulären Lagern
verstärkt
wird, und über
Phosphorylierung agiert, die von einer Anzahl von Kofaktoren, einschließlich CaMK
II/IV, PKA, und MAPKK, abhängig
ist. Da Syntaxin-1A mit P/Q-Kalziumionenkanälen interagiert,
um die Kanalverfügbarkeit
zu verringern, wird die Expression des genkodierenden Syntaxin-1A
durch eine aktivitätsabhängige Feedback-Leitungsbahn
reguliert.
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Die
Anmelder haben nun gezeigt, dass die Interaktion des anfänglichen
extrazellulären
Kalziumsignals mit dem Kalzium, das aus den intrazellulären Lagern
freigegeben wird, durch die Bindung des bekannten Homer-Proteins
an eine spezifische Aminosäurensequenz,
nahe bei dem C-Terminus des P/Q-Typ-Ionenkanals vermittelt wird, und, im
Gegensatz zu anderen Kalziumionenkanälen, für die P/Q α1A-Untereinheit
spezifisch ist. Die Identifikation dieser Bindungsstelle ermöglicht die
Verwendung von Peptiden, die diese Stelle enthalten, als Durchmusterungswerkzeuge
für wichtige
Verbindungen, welche die ZNS-Aktivität modulieren.
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Verfahren
zur Durchführung
solcher Durchmusterungstests sind auf dem Fachgebiet gut bekannt.
Normalerweise wird das Zielpeptid rekombinant in geeigneten Wirtszellen
hergestellt und auf der Oberfläche
der Wirtszellen ausgestellt oder wird an einen stabilen Träger gekoppelt.
Eine solche Kopplung kann eine kovalente Kopplung sein, oder kann
erreicht werden durch nicht kovalente Adsorption, wie zum Beispiel
indem ein Histidin-tag bereitgestellt wird und das sich daraus ergebende
Fusionsprotein mit einem stabilen Träger über ein Metallchelat verbunden
wird. Eine große
Vielzahl an Verfahren zur Bereitstellung einer testbaren Form des Peptids
ist in dem Fachgebiet bekannt. Da das erforderliche Peptid relativ
kurz ist, ist tatsächlich
die direkte Synthese auf einem stabilen Träger ein geeigneter Weg zur
Bereitstellung dieses Peptids.
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Die
spezifische Stelle, die für
die Bindung erforderlich ist, ist die Vier-Aminosäuresequenz PLMF. Um den Test
durchführbar
und spezifisch zu machen, ist es jedoch wünschenswert, eine zusätzliche
Aminosäuresequenz
an einem oder beiden N- und C-Termini dieses Tetrapeptids einzufügen. Bevorzugte
Ausführungsformen
für solche
zusätzlichen
Aminosäuresequenzen
sind die Sequenzen, die in den nativen Ionenkanälen vorhanden sind. Normalerweise
werden Sequenzen verwendet, die sich auf 20 Aminosäuren stromaufwärts und/oder
stromabwärts
ausdehnen, besonders bevorzugt 15 Aminosäuren stromaufwärts und,
oder stromabwärts,
oder sogar 10 oder 5 oder 2 Aminosäuren der Sequenzen stromaufwärts und/oder
stromabwärts
des erforderlichen Tetrapeptids.
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Die
Sequenz, die das Tetrapeptid enthält ist folgende, wobei das
Tetrapeptid selbst fettgedruckt und unterstrichen ist:
1966-YYRQSKAKKL
QAMREEQDRT PLMFQRMEPP SPTQEGGPGQ
NALP-2009
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Diese
Sequenz ist abgeleitet von einem Allel, das einen humanen P/Q-Typ-Kalziumkanal kodiert.
Es versteht sich, dass ähnliche
Sequenzen, die in den entsprechenden P/Q-Kanälen anderer Säugetierarten
enthalten sind, und Peptide, die von diesen Arten abgeleitet sind,
sowie von allelischen Varianten der oben gezeigten Sequenz, im Verfahren
der Erfindung verwendet werden können.
Im Allgemeinen ist es bevorzugt, Peptide zu verwenden, die eine
Sequenz enthalten, die von der oben gezeigten Sequenz abgeleitet
ist, welche mindestens 90 % homolog, bevorzugt 95 % homolog, besonders
bevorzugt 97 % homolog und ganz besonders bevorzugt 99 % homolog
zur oben gezeigten Sequenz, oder einem Fragment davon ist, solange
das erforderliche Tetrapeptid enthalten ist.
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Verfahren
zur Durchführung
des Tests, sobald das Peptid verfügbar gemacht wurde, bevorzugt
ausgestellt auf Zellen oder einem stabilen Träger, sind im Fachgebiet gut
bekannt. Wie oben festgestellt, können Verbindungen auf direkte
Bindungen bewertet werden, indem sie mit Marken ausgestattet werden,
oder, zum Beispiel, indem homogene Tests verwendet werden, wobei
das Peptid selbst markiert wird und die Signalnachweisbarkeit, die
dem Marker zugeschrieben wird, durch das Peptid beeinträchtigt wird,
das sich in einem gebundenen oder ungebunden Zustand befindet. Alternativ,
und möglicherweise
praktischer, kann die Bindung bewertet werden durch die Fähigkeit
der Verbindung, die Bindung eines Liganden zu hemmen, von dem bekannt
ist, dass er das P/Q-Peptid bindet, und spezifisch an den wesentlichen
Teptrapeptidabschnitt. Solche "Liganden" würden Antikörper enthalten,
die spezifisch für
dieses Epitop sind, einschließlich
Antikörper
in den verschiedenen Formen, wie etwa Einketten-Fv-Regionen, Fab-Fragmente
usw., das Homer-Protein,
das einen nativen Liganden hat, oder tatsächlich jede Verbindung, von
der vorher festgestellt wurde, dass sie an diese Stelle bindet.
Eine große
Vielzahl von Nachweisverfahren für
eine solche Hemmung bekannter Ligandenbindungen ist bekannt.
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Normalerweise
wird der konkurrierende bekannte Ligand markiert und eine Abnahme
an Marker, gebunden an einen stabilen Träger (wenn das Peptid so getragen
wird), stellt eine Bewertung einer solchen Hemmung bereit. Marker können fluoreszierende
Marker, chromogene Marker, Enzymmarker, Radioisotopmarker und ähnliche,
einschließen.
Wieder können
homogene Tests geeignet sein. Es sind zum Beispiel Fluoreszenzlöschungstests
bekannt, wobei sowohl das Peptid als auch der konkurrierende Ligand
Marker enthalten. Die Erfindung besteht in der Natur des als Ziel
verwendeten Peptids, nicht in dem spezifischen Design des Durchmusterungstests.
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Die
Verbindungen, die in dieser Durchmusterung identifiziert werden,
werden den Status der Signalübertragung
in den neuronalen Leitungsbahnen eines Probanden, dem diese Verbindungen
verabreicht werden, deutlich beeinflussen. Der Proband kann ein
Labortier sein, das für
die Untersuchung von Lern- und Gedächtnismustern verwendet wird,
wie etwa Ratten, Mäuse
und Kaninchen. Der Proband kann auch ein menschlicher Proband sein,
wenn gewünscht
wird, ein Gedächtnisdefizit
zu verändern,
oder einige andere physiologische Störungen zu lindern. Die Verabreichung
solcher Verbindungen an Probanden erfolgt durch Standardverfahren
und verwendet Zubereitungen, wie etwa jene aus Remington's Pharmaceutical
Sciences, Neueste Ausgabe, Mack Publishing Co., Easton, PA. Folglich
könnten
die unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung identifizierten
Verbindungen, zum Beispiel an murinen Modellen mit spezifischen
ZNS-basierten oder anderen neurologisch basierten Leiden, verabreicht
werden, und die Wirkung solcher Verbindungen auf das Modell wird
die Mechanismen im Zusammenhang mit dem Leiden aufklären.
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Die
Anmelder haben hier die Natur der Erhöhung der Expression von Syntaxin-1A durch Kalziumionentransit
des Ionenkanals PXQ wie folgt überprüft:
Zuerst
wurde gezeigt, dass die transiente Expression von menschlichen αA1-Kalziumkanälen (P/Q-Typ)
in HEK293-Zellen zu einer negativen Fließgleichgewichts-Inaktivierung
führte,
welche ihrerseits eine entsprechende Interaktion mit Syntaxin anregte.
Dies wurde bestätigt
durch Inkubation mit Botulismustoxin C1, welches die Fließgleichgewichts-Inaktivierung
verschob, aber die Spannungsabhängigkeit
der Stromaktivierung nicht beeinträchtigte. Außerdem wurden diese Ergebnisse,
wie erwartet, durch die Gegenwart eines Antisense-Syntaxin-Konstrukts
beeinträchtigt.
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Es
wurde ferner gezeigt, dass es keine endogene Expression von Syntaxin-1A
in HEK293-Zellen gab, während
die Gegenwart des Syntaxin-1A-Proteins in HEK293-Zellen nachgewiesen
wurde, die mit dem αA1-P/Q-Typ-Kalziumkanal transfiziert wurden;
mRNA, entsprechend zu Syntaxin-1A, wurde ebenfalls nachgewiesen,
aber gehemmt, wenn die Zellen in Actinomycin D inkubiert wurden.
Syntaxin-1A war das einzige SNARE-Protein, das in diesen Zellen
hergestellt wurde; Syntaxin 1B, SNAP-25, Synaptophysin, VAMP und
Synaptotagmin wurden nicht nachgewiesen.
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Es
gab keinen Hinweis auf die Herstellung von Syntaxin-1A in HEK293-Zellen,
die mit Kalziumionenkanälen α2δ- oder β1B-Untereinheiten
transfiziert wurden. Zellen, die transfiziert wurden mit α1B (N-Typ); α1C (L-Typ); α11E (neuartiger Typ); und die α1G-
und α1I-T-Typ-Kanäle führten ebenfalls nicht zur Herstellung
von Syntaxin-1A mRNA. Die Möglichkeit,
dass die Spezifität
der P/Q-Typ-Kanäle, die
Syntaxin-1A-Herstellung induziert, wurde durch Verwendung geeigneter
Kontrollen beseitigt.
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In
Gegenwart verschiedener ausgewählter
P/Q-Typ-Kanal-Antagonisten, war die Herstellung von Syntaxin-1A,
mRNA oder Protein nicht nachweisbar.
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Es
wurde bestätigt
dass die Gegenwart der P/Q-Typ-Kanäle in transfizierten HEK293-Zellen
zu einer verbesserten intrazellulären Kalziumionenkonzentration
führte.
Es scheint diese intrazelluläre
verbesserte Kalziumionenkonzentration zu sein, die zur Syntaxin-1A
Herstellung führt,
da Ionomycin in Konzentrationen von 10nM–2μM, welches die intrazelluläre Kalziumionenkonzentration
nicht-spezifisch verbessert, eine diskrete obere und untere Grenze
der von der intrazellulären
Kalziumionenkonzentration abhängigen
Aktivierung mit maximaler Aktivierung definiert, die bei Levels
von 50–200
nM stattfindet.
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Nachdem
sie nachgewiesen haben, dass die Expression des Syntaxin-1A-Gens
durch Kalziumfluss, der durch P/Q-Ionenkanäle vermittelt ist, speziell
induziert ist, haben die Anmelder die folgende Transduktionsleitungsbahn,
die Mittel verwendet, die intrazelluläre Kalziumkonzentration verändert, aufgeklärt. Die
Anwendung von Thapsigargin stimulierte die Syntaxin-1A-Expression
in nicht transfizierten Zellen, und in α1A-transfizierten
Zellen blockierten sowohl BAPTA-AM und EGTA-AM die kalziumabhängige Induktion
von Syntaxin-1A. Entweder Coffein oder Carbachol aktivierte die
Kalziumfreigabe aus ryanodin- und
IP3-sensitiven Lagern schnell und stimulierte
Syntaxin-1A mRNA-Level in nicht-transfizierten Zellen. Dies wurde
gehemmt durch die Verwendung von Mitteln, welche die Freigabe aus
jedem dieser Lager blockierte. Im Allgemeinen legen die vorstehenden
Informationen nahe, dass ein diskretes Level von Basis-α1A-spezifischem
Kalziuminflux die Syntaxin-1A Expression durch eine zweite Kalziumfreigabe
aus intrazellulären
Lagern induziert.
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Syntaxin-1A
Expression in α1A-transfizierten Zellen können mit
Verbindungen gehemmt werden, von denen bekannt ist, dass sie Tyrosinkinase,
Calmodulinaktivität
oder CaMK-II/IV- oder PKA-Aktivitäten blockieren. PKA-Aktivatoren induzierten
Syntaxin mRNA sogar in Abwesenheit von α1A-Transfektion. Aktivierung
von Proteinkinase C induzierte keine Expression. Ein Abschnitt der
Transduktionsleitungsbahn kann ebenfalls den Transkriptionsfaktor
CREB einschließen,
da festgestellt wurde, dass das Level an phosphoryliertem CREB in den
transfizierten HEK-Zellen hinaufreguliert wird.
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Die
vorstehenden Ergebnisse in HEK293-transfizierten Zellen waren korreliert
mit den endogenen P/Q-Typ-Kanälen
in Neuronen. Syntaxin-1A ist in zerebellaren Körnerzellen basal exprimiert,
aber dies wird gehemmt durch ω Agatoxin
IVA, welches bekannt ist, P/Q-Typ-Kalziumkanäle spezifisch zu hemmen. Inhibitoren
von N- oder L-Typ-Kanälen
blockierten kalziumabhängige
Expression von Syntaxin-1A. Die Behandlung dieser zerebellaren Körnerzellen,
die in ω Agatoxin
IVA mit Thapsigargin inkubiert wurden, gewann die Syntaxin-1A-Expression zurück.
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Die
Syntaxin-IA-Expression wurde durch die gleichen Mittel gehemmt,
die sie auch in den HEK293-Zellen hemmten, einschließlich Inhibitoren
von ryanodin- oder
IP3-induzierter Kalziumfreigabe aus den
Lagern, von CaM-Kinase-II/IV und von PKA, oder MAPKK.
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Zusammenfassend
induziert selektiver P/Q-Typ-Kalziuminflux die Expression von Syntaxin-1A,
aber nicht von anderen SNARE-Proteinen, die in die Vesikelfusion
und die Neurotransmitter-Freigabe involviert sind. Es scheint unter
enger räumlicher
und temporärer
kalziumabhängiger
Kontrolle zu sein, und ist offensichtlich durch eine Assoziation
mit intrazellulärem
Kalziumlager vermittelt.
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Ferner
haben die Anwender den anfänglichen
kritischen Schritt in der Transduktionsleitungsbahn identifiziert,
welcher die Bindung des Homerproteins an eine spezifische Stelle
in der α1A-Kanaleinheit nahe am C-Terminus ist. Die
Verfügbarkeit
eines Peptids, das diese Stelle enthält, ermöglicht die Identifikation von
Verbindungen, die bei der Aufklärung
neuronaler Leitungsbahnen, und bei der Modulation des ZNS bei Probanden im
Allgemeinen, einschließlich
der Behandlung von Störungen
der ZNS, insbesondere jene, die Lernen und Gedächtnis einschließen, nützlich sind.
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