Investigating the molecular basis for the constitutive activity of the nuclear hormone receptor CAR

Abstract

Der constitutive androstane receptor (CAR) gehört zur Superfamilie der Kernhormon-Rezeptoren. Die einzelnen Mitglieder dieser Familie stellen liganden-aktivierte Transkriptionsfaktoren dar, die zahlreiche zelluläre Prozesse regulieren, darunter sowohl Entwicklungs- und Differenzierungs-Vorgänge als auch Reproduktion und Metabolismus. Der CAR spielt eine wichtige Rolle im Metabolismus von körperfremden Stoffen, sogenannten Xenobiotika, aber auch endogenen Substanzen wie Bilirubin und Lithocholsäure. CAR reguliert transkriptionell sämtliche Gene des Bilirubin-Metabolismus und spielt eine zentrale Rolle beim Frühgeborenenikterus (Icterus neonatorum), dessen Hauptursache die Unterexpression von CAR ist. Im Gegensatz zu anderen Kernrezeptoren weist der CAR eine liganden-unabhängige (konstitutive) Aktivität auf, die durch Agonisten weiter verstärkt werden kann. Die strukturelle Grundlage dieser konstitutiven Aktivität war aufgrund fehlender Röntgenkristall-Daten bislang unbekannt. Mittels des Homologie-Modellierungs-Verfahrens konnte ein drei-dimensionales Modell der CAR Ligandenbindedomäne (LBD) generiert werden. Anhand des Modells konnten CAR-spezifische Wechselwirkungen zwischen einigen Aminosäuren der LBD als zentrale Elemente der konstitutiven Aktivität ermittelt werden. Die Bedeutung dieser Interaktionen wurde durch in vitro-Studien bestätigt. Desweiteren konnten andere Aminosäuren der Ligandenbindetasche als wichtig für die Liganden-Spezifität charakterisiert werden und eine Hypothese für die strukturelle Grundlage der liganden-induzierten Aktivierung des CAR über dessen konstitutive Aktivität hinaus postuliert werden. Durch Anwendung verschiedener virtueller Screening-Verfahren wurde nach neuen CAR-Agonisten gesucht. Insgesamt konnten 25 neuartige CAR-Agonisten gefunden werden, die sich N-substituierte und N,N-disubstituierte Sulfonamide sowie 4-Thiazolidinon-Derivate einteilen lassen. Diese Verbindungen könnten als neue Leit-Strukturen bei der Entwicklung CAR-spezifischer Agonisten dienen, die in der Therapie des Icterus neonatorum eingesetzt werden könnten.

The constitutive androstane receptor (CAR) belongs to the nuclear hormone receptor superfamiliy. Members of this family represent ligand-activated transcription factors that are involved in several cellular processes comprising development and differentiation as well as reproduction and metabolism. CAR plays an important role not only in the metabolism of exogenous compounds, so-called xenobiotics but also endogenous substances such as bilirubin and lithocholic acid. CAR transcriptionally regulates genes involved in bilirubin metabolism and is associated with neonatal jaundice (icterus neonatorum) which is mainly caused by a very low CAR expression. In contrast to other nuclear receptors CAR exhibits a ligand-independent (constitutive) Activity that can be further enhanced by agonists. The structural basis of this constitutive activity was unknown due to missing X-ray data. By applying the homology modelling approach a three-dimensional model of the CAR ligand binding domain (LBD) could be generated. On the basis of the model CAR-specific interactions between several amino acids of the LBD could be revealed as central elements of the constitutive activity. The importance of those interactions could be verified by using in vitro studies. Furthermore, other amino acids of the ligand binding pocket could be characterised as essential for ligand specificity and a hypothesis for the structural basis of CAR activation beyond the constitutive activity could be postulated. In order to discover new CAR agonists different virtual screening approaches were applied. A total of 25 novel CAR agonists could be discovered that can be divided into N-substituted and N,N-disubstituted sulfonamides as well as 4-thiazolidinone-derivates. These compounds could be used as new lead-structures for the development of CAR-specific agonists used in the treatment of Icterus neonatorum.