Struktureller Mechanismus eines Aktivitäts‐Photoschalters am β ₂ ‐adrenergen Rezeptor

ZUSAMMENFASSUNG Die Photopharmakologie entwickelt lichtresponsive Wirkstoffe zur gezielten Modulation von Proteinaktivitäten, die präzise und dynamische Untersuchungen ihrer Funktionen in Gesundheit und Krankheit ermöglichen. Adrenerge Rezeptoren sind hierfür besonders geeignete Ziele, da sie prototypische G‐Protein‐gekoppelte Rezeptoren mit hoher klinischer Relevanz für bronchiale und kardiovaskuläre Erkrankungen darstellen. In dieser Studie kombinierten wir die azobenzenbasierte Verbindung Photoazolol‐1 mit zeitaufgelöster serieller Kristallographie an Röntgen‐Freie‐Elektronen‐Lasern, um die molekularen Mechanismen aufzuklären, durch die photoschaltbare β‐Blocker die Aktivität des β 2 ‐Adrenozeptors (β 2 AR) modulieren. Zeitaufgelöste Strukturen des Rezeptors in Komplexen mit trans‐Photoazolol‐1 (vor der Photokonversion), einem gespannten Zwischenzustand im Nanosekundenbereich sowie vollständig photoisomerisiertem cis‐Photoazolol‐1 zeigen, wie die Isomerisierung der Azobenzeneinheit unterschiedliche konformationelle Veränderungen innerhalb der orthosterischen Ligandenbindetasche induziert. Innerhalb von Sekunden nimmt lichtangeregtes Photoazolol‐1 eine neue Bindepose ein, wodurch Wechselwirkungen mit der extrazellulären Schleife 2 verändert und die Positionen der Transmembranhelices 5, 6 und 7 verschoben werden. Funktionelle Assays des β 2 AR in zellulären Membranen belegen, dass Photoazolol‐1 als Wirksamkeits‐Photoschalter fungiert, der sich bei der Isomerisierung von einem inversen Agonisten zu einem neutralen Antagonisten wandelt, ohne die Bindetasche zu verlassen. Zusammengenommen weisen diese Ergebnisse auf einen molekularen Mechanismus der Aktivitätsmodulation durch Wirksamkeits‐Photoschalter hin und liefern einen konzeptionellen Rahmen für das Design von Liganden, die lichtgetriebene Übergänge innerhalb der Bindetasche zur räumlichen und zeitlichen Kontrolle der Rezeptorfunktion nutzen.