KCNQカリウムチャネルをアイソフォーム特異的に活性化する神経伝達物質のインシリコ・リエンジニアリング

In silico re-engineering of a neurotransmitter to activate KCNQ potassium channels in an isoform-specific manner.

• Rían W Manville
• Geoffrey W Abbott

抄録

電圧依存性カリウム（Kv）チャネルの機能不全は様々な遺伝性障害を引き起こすが、Kvチャネルを活性化する低分子の開発は困難であることが証明されている。我々は最近、抑制性神経伝達物質であるγ-アミノ酪酸（GABA）がKvチャネルであるKCNQ3とKCNQ5を直接活性化することを発見した。ここで、抑制性神経伝達物質グリシンはKCNQを活性化しないことを発見し、我々はそれをインシリコで再設計し、予測されたKCNQ開通特性を導入し、インシリコドッキングによってスクリーニングし、インビトロでヒットを検証した。グリシンにフルオロフェニル環を付加することで、その静電ポテンシャルを最適化し、低nMの親和性を持つKCNQチャネル活性化剤に変換した。フェニル環のフッ素を置換し、および/またはメチルスルホニル基を追加することで、再設計したグリシンの有効性が向上し、標的KCNQを切り替えた。また、KCNQ2とKCNQ3に特異的なグリシン誘導体を組み合わせることで、ヘテロメリックチャネルの組成を利用して、KCNQ2/3の活性化を相乗的に増強することができた。このように、インシリコ最適化とドッキングにより、3つの化合物のみの機能スクリーニングを組み合わせることで、グリシンの再設計が容易になり、いくつかの強力なKCNQ活性化剤を開発することができた。

Voltage-gated potassium (Kv) channel dysfunction causes a variety of inherited disorders, but developing small molecules that activate Kv channels has proven challenging. We recently discovered that the inhibitory neurotransmitter γ-aminobutyric acid (GABA) directly activates Kv channels KCNQ3 and KCNQ5. Here, finding that inhibitory neurotransmitter glycine does not activate KCNQs, we re-engineered it in silico to introduce predicted KCNQ-opening properties, screened by in silico docking, then validated the hits in vitro. Attaching a fluorophenyl ring to glycine optimized its electrostatic potential, converting it to a low-nM affinity KCNQ channel activator. Repositioning the phenyl ring fluorine and/or adding a methylsulfonyl group increased the efficacy of the re-engineered glycines and switched their target KCNQs. Combining KCNQ2- and KCNQ3-specific glycine derivatives synergistically potentiated KCNQ2/3 activation by exploiting heteromeric channel composition. Thus, in silico optimization and docking, combined with functional screening of only three compounds, facilitated re-engineering of glycine to develop several potent KCNQ activators.

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