Photopharmakologie DOI: 10.1002/ange.200904504 Photochrome Liganden für spannungsgesteuerte Kaliumkanäle** Matthew R. Banghart, Alexandre Mourot, Doris L. Fortin, Jennifer Z. Yao, Richard H. Kramer* und Dirk Trauner* Photochrome Liganden (PCLs) lassen sich optisch zwischen Isomeren mit unterschiedlicher biologischer Aktivität schal- ten. Dies ermöglicht es, ligandengesteuerte biologische Pro- zesse in lichtgesteuerte umzuwandeln, wodurch man eine Vielzahl biologischer Vorgänge mit Licht beeinflussen kann. PCLs wurden für verschiedene Proteinklassen entwickelt, unter anderem für Enzyme, [1–3] ligandengesteuerte Ionenka- näle [4–6] und G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. [7] So wurden z.B. vor mehr als 30 Jahren photochrome Agonisten [5] und Antagonisten [8] für nikotinische Acetylcholinrezeptoren be- schrieben. Vor kurzem haben wir eine photochrome Version von Glutamat vorgestellt, die als ein PCL für Kainatrezep- toren fungiert und mit der man Aktionspotentiale auslösen kann. [6] Der PCL-Ansatz kann besonders effektiv in neuro- nalen Netzwerken angewendet werden, deren nichtlineare Natur relativ schwache ¾nderungen der intrinsischen Akti- vität oder unvollständige Photokonversion zwischen Isome- ren akzentuieren kann. Wir stellen hier eine Familie von amphiphilen Azoben- zolen vor, die mit tetrameren, spannungsgesteuerten Ionen- kanälen wechselwirken (Abbildung 1). Kanäle dieses Typs werden zwar nicht von extrazellulären Liganden aktiviert, lassen sich aber von niedermolekularen Liganden blockieren, bei denen es sich oft um lipophile Kationen handelt. [9, 10] Unsere Moleküle fungieren als photochrome Blocker von spannungsgesteuerten Kaliumkanälen und wechselwirken mit der intrazellulären Tetraethylammonium(TEA)-Bin- dungsstelle (Abbildung 1 b). Sie können allerdings von der extrazellulären Seite appliziert werden und haben lang an- haltende Effekte auf Zellen nach einer einzigen, kurzen Applikation. In Neuronen wirken sie als photochrome Neu- romodulatoren, womit sie zur optischen Kontrolle neuronaler Aktivität eingesetzt werden können. Eines unserer Moleküle, AAQ („acrylamide-azo-quater- nary ammonium“, 1), wurde bereits als ein Reagens vorge- stellt, das Wildtyp-Kaliumkanäle lichtempfindlich machen kann. [11] In unserer ursprünglichen Publikation hatten wir vermutet, dass AAQ als kovalent gebundener, photoschalt- barer Ligand (photoswitchable tethered ligand, PTL) für die externe TEA-Bindungsstelle fungiert, der über Affinitäts- markierung mit nativen Aminosäureresten reagiert (Abbil- Abbildung 1. Lichtsteuerung von Kaliumkanälen. a) Photoisomerisie- rung und Strukturen von lichtschaltbaren Kaliumkanalblockern. b) Wir- kungsweise eines PCL an der intrazellulären TEA-Bindungsstelle. Das gestreckte trans-Isomer ist ein besserer Blocker als das gewinkelte cis- Isomer. c) Wirkungsweise eines PTL an der extrazellulären TEA-Bin- dungsstelle. Das gestreckte trans-Isomer bringt die geladene Seitenket- te in die Nähe der Kanalöffnung; das gewinkelte cis-Isomer ist hierfür zu kurz. [*] Dr. A. Mourot, [+] Dr. D. L. Fortin, Prof. R. H. Kramer Department of Molecular and Cellular Biology University of California, Berkeley Berkeley, CA 94720 (USA) Fax: (+ 1) 510-643-6791 E-Mail: rhkramer@berkeley.edu Prof. D. Trauner Department für Chemie und Biochemie Ludwig-Maximilians-Universität München Butenandtstraße 5–13 (F4.086), 81377 München (Deutschland) Fax: (+ 49) 89-2180-77972 E-Mail: dirk.trauner@cup.uni-muenchen.de Dr. M. R. Banghart, [+] J. Z. Yao, Prof. D. Trauner Department of Chemistry, University of California, Berkeley Berkeley, CA 94720 (USA) [ + ] Diese Autoren haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen. [**] Die vorliegende Arbeit wurde durch einen Laboratory Directed Re- search Development Award des Lawrence Berkeley National Labo- ratory (R.K.), ein NSF-DFG-Stipendium CHE0724214 (D.T.), das National Institutes of Health Nanomedicine Development Center for the Optical Control of Biological Function (5PN2EY018241; R.K. und D.T.) und ein Stipendium des Human Frontier Science Program (RGP23-2005) (R.K. und D.T.) unterstützt. Wir danken F. Tombola und E. Isacoff für hilfreiche Diskussionen, den Gruppen um Isacoff und Yellen für Shaker Klone sowie T. Fehrentz für zusätzliche Ex- perimente, die an dieser Stelle nicht diskutiert werden. Hintergrundinformationen zu diesem Beitrag sind im WWW unter http://dx.doi.org/10.1002/ange.200904504 zu finden. Angewandte Chemie 9261 Angew. Chem. 2009, 121, 9261 –9265  2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim