1.  Einleitung

G-Protein gekoppelte Rezeptoren (G protein-coupled receptors, GPCRs) stellen eine der größten Familien membranständiger Rezeptoren an Zelloberflächen des mensch­lichen Organismus dar (siehe http://www.gpcr.org/7tm). Durch den Empfang ver­schiedenster extrazellulärer Signale, wie zum Beispiel Hormone, Neuro­transmitter, visuelle, gustatorische und olfaktorische Signale, und deren Über­tragung in das Zellinnere, sind sie beteiligt an der Kontrolle physiologischer Vor­gänge und unseres Verhaltens. Diese zentrale Bedeutung von GPCRs macht deutlich, dass sie in pathologische Prozesse und zahlreiche Krankheiten, wie kardio­vaskulären und mental-psychischen Störungen, Degene­ration der Netzhaut, Krebs und AIDS invol­viert sein können [1,2,3,4,5]. Zudem entsprechen über 3% der mensch­lichen Gene GPCR-Genen, weshalb GPCRs pharma­kologisch von sehr großer Bedeutung sind und mehr als die Hälfte aller neu eingeführten Arzneistoffe gegen diese Rezeptoren gerichtet sind, um deren Wirkung zu stimu­lieren oder zu blockieren [6,7].

Die Bindung von spezifischen extrazellulären Liganden induziert in GPCRs eine Konfor­mations­änderung, wodurch diese aktiviert werden (siehe z. B. Über­sichts­artikel [8]*). Der so aktivierte Rezeptor (R*) kann dann auf der Innenseite der Zell­membran interagierende heterotrimere G-Proteine, bestehend aus einer Gα· GDP [Seite 2↓] Untereinheit und einem Dimer aus einer Gβ und einer Gγ Untereinheit, durch Nukleotid­aus­tausch­kata­lyse aktivieren [9] [10]*. Nach erfolgtem GDP→ GTP Aus­tausch, können Gα· GTP und das Gβγ Dimer ihrerseits als Transducer durch Protein-Protein-Interaktion das extrazelluläre Signal an intrazelluläre Effektorproteine weiterleiten (Abbildung 1, Hofmann & Ernst (2001), Ref. [8]*). Topologisch zeich­nen sich GPCRs durch sieben Helices aus, die die Zell­membran durchspannen, weshalb sie auch Sieben-Transmembran-Rezeptoren (7TM-Rezeptoren) genannt werden. Die intra­zellulären Peptidschleifen ver­binden die Trans­membran­helices und leiten das Signal für den Nukleotid­austausch zum G-Protein weiter [11,12,13] [14]*. Zusammen mit dem C-terminalen Bereich bilden sie die cytosolische Domäne.

Rhodopsin ist das Sehpigment in der Stäbchenzelle der Säugetierretina und dient dem Sehen bei Dämmerlicht ([15], siehe Abbildung 4, Hofmann & Ernst (2001), Ref. [8]*). Es ist der Archetyp der größten von drei GPCR-Familien, der Familie der Rhodopsin-ähnlichen GPCRs, die mehr als 90% aller GPCRs umfasst [16,17,18]. Durch zahlreiche Studien seit der Klonierung von Rhodopsin im Jahr 1983 [19] konnten viele für GPCRs grundlegende Prinzipien aufgeklärt werden. Dies war nicht zuletzt deshalb möglich, weil Rhodopsin etwa 90% der Membranproteine in Disk­membranen des Stäbchen­­außen­segments ausmacht, und Techniken zur Reinigung großer Mengen von funktionellem Protein entwickelt wurden. Über das G-Protein der Stäbchenzelle, das Transducin, Gt, wird Rhodopsin an den Effektor, eine cGMP spezische Phospho­diesterase, gekoppelt und kann so den Spiegel des second messenger cGMP senken. Dies führt zur Hyperpolaristaion der Plasma­membran durch Schließung cGMP-abhängiger Kationenkanäle und somit zur Umwandlung eines Lichtsignals in ein elektrisches Signal.

Als Sehpigment besteht Rhodopsin aus einem Apoprotein (Opsin) und einem Chromophor, der lichtempfindlichen prosthetischen Gruppe Retinal. Dieses Alde­hyd-Derivat des Vitamin A ist im Grundzustand des Rhodopsins in der 11-cis -Kon­formation kovalent als inverser Agonist gebunden (Abbildung 1, Ernst & Bartl (2002), Ref. [20]*). Absorbiert Rhodopsin ein Photon, so isomerisiert das Retinal in die agonistische all-trans -Konformation und leitet damit die Aktivierungsreaktion des Rhodopsins ein, die nach Millisekunden zu einer aktiven Rezeptorkonformation [Seite 3↓] R* führt [20,21,22,23]*. Die Ausbildung von R* ist mit dem Durchlaufen verschiedener Photoprodukte mit charakteristischen spektralen Absorptions­eigen­schaften ver­bun­den und erlaubt vielfältige spektroskopische Unter­suchungen (Über­sicht in [24,25,26,27] und [20,22]*). Auch sind aus EPR-, NMR- und Fluoreszenz­depolari­sations­unter­suchungen Informationen über die Proteindynamik im dunkel­adaptierten Grund­zustand und lichtaktivierten Zustand bekannt [28,29,30,31]. Die Möglichkeit der Signal­triggerung durch Licht bei Rhodopsin hat gegenüber anderen GPCRs den Vorteil, dass Untersuchungen zum Aktivierungs­mechanismus erleichtert werden.

Vor kurzem konnte auch die Kristallstruktur des inaktiven Rhodopsin Grund­zu­standes gelöst werden [32,33,34]. Sie stellt einen Durchbruch in der GPCR Forschung dar, weil sie die bislang einzige bekannte Struktur eines GPCR ist, und die Model­lierung anderer GPCRs erlaubt [35]. Beim Rhodopsin wurden bereits zuvor wichtige Meilensteine der GPCR Forschung erreicht. Hierzu gehören die Bestimmung der Primärstruktur [19,36,37], der Einsatz des ersten synthetischen GPCR Gens [38], die Herstellung rekombinanter Zelllinien zur Expression großer Rezeptormengen [39], und die Detektion von Konformationsänderungen bei der Rho­dopsin­aktivierung [40]. Auch wurde mit Transducin, dem ans Rhodopsin koppelnden G-Protein, die erste Kristallstruktur eines G-Proteins gelöst [41,42].

Obwohl viel über dieses Rezeptor/G-Proteinsystem bekannt ist, sind entscheidende Fragen noch unbeantwortet: Wie wird Rhodopsin durch Isomerisierung des Retinals aktiviert? Wie katalysiert Rhodopsin den Nukleotidaustausch im Transducin? Abbil­dung 2 in Hofmann & Ernst (2001), Ref. [8]* zeigt identifizierte Inter­aktionsstellen an Rhodopsin und Transducin, jedoch ist weder eine räumliche noch temporale Zuordnung der zugehörigen Bindungsstellen bekannt. In den folgenden drei Ab­schnitten werden meine Beiträge im Rahmen meiner Habilitation zur Beantwortung dieser Fragen diskutiert.

[Seite 4↓] Übersichtsarbeiten zu Abschnitt 1 Einleitung:

Hofmann, K.P. & Ernst, O.P. (2001) Vom Licht zum Sehen - Biophysik der visuellen Signaltransduktion. Z. Med. Phys. 11, 217-225.

Ernst, O.P. & Bartl, F.J. (2002) Active States of Rhodopsin. Chembiochem 3, 968-974.

Okada, T., Ernst, O.P., Palczewski, K., & Hofmann, K.P. (2001) Activation of G-protein-coupled receptors: New insights from structural and biochemical studies of rhodopsin. Trends Biochem. Sci. 26 , 318-324. 6759163

Ernst, O.P., Hofmann, K.P., & Palczewski, K. (2003) Vertebrate rhodopsin. Invited review. In: Photo­receptors and Light Signalling, Batschauer, A., ed., Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK.

Hofmann, K.P., Jäger, S., & Ernst, O.P. (1995) Structure and function of activated rhodopsin. Invited review. Isr. J. Chem. 35, 339-355.