title: Theoretical study of the interaction of agonists with the 5-HT2A receptor
Creators: name: Silva, Maria Elena
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2009
Subjects: subject: Serotonin , Wirkstoff-Rezeptor-Bindung , Molekulardesign , QSAR , Serotoninrezeptor , 5-HT2A-Rezeptor , G-Protein-gekoppelter Rezeptor , 5-HT2AR-Partialagonist , CoMFA , CoMSIA , 5-HT2A receptor , G protein coupled receptor , 5-HT2A partial agonist , CoMFA , CoMSIA
subject: 570 Biowissenschaften, Biologie

description: The 5-HT2A receptor (5-HT2AR) is a biogenic amine receptor that belongs to the class A of G protein coupled receptors. It is characterized by a low affinity for serotonin (5-HT) and for other primary amines. Introduction of an ortho-methoxybenzyl substituent at the amine nitrogen increases the partial agonistic activity by a factor of 40 to 1400 compared with 5-HT. The present study was to analyse the QSAR of a series of 51 5-HT2AR partial agonistic arylethylamines, tested in vascular in-vitro assays on rats, at a structure-based level and to suggest ligand binding sites. The compounds belong to three different structural classes, (1) indoles, (2) methoxybenzenes and (3) quinazolinediones. Following a hierarchical strategy, different methods have been applied which all contribute to the investigation of ligand-receptor interactions: fragment regression analysis (FRA), receptor modeling, docking studies and 3D QSAR approaches (comparative molecular field analysis, CoMFA, and comparative molecular similarity index analysis, CoMSIA). An initial FRA indicated that methoxy substituents at indole and phenyl derivatives increase the activity and may be involved in polar interactions with the 5-HT2AR. The large contribution of lipophilic substituents in p position of phenethylamines suggests fit to a specific hydrophobic pocket. Secondary benzylamines are more than one order of magnitude more active than their NH2 analogs. An ortho-OH or -OMe substituent at the benzyl moiety further increases activity. Homology models of the human and rat 5-HT2AR were generated using the crystal structure of bovine rhodopsin and of the beta2-adrenoceptor as templates. The derivation of the putative binding sites for the arylethylamines was based on the results from FRA and on mutagenesis data. Both templates led to 5-HT2AR models with similar topology of the binding pocket within the transmembrane domains TM3, TM5, TM6 and TM7. Docking studies with representative members of the three structural classes suggested that the aryl moieties and particularly para-substituents in phenyl derivatives fit into a hydrophobic pocket formed by Phe2435.47, Phe2445.48 and Phe3406.52. The 5-methoxy substituents in indole and phenyl compounds form H bonds with Ser2395.43. In each case, an additional H bond with Ser1593.36 may be assumed. The cationic amine interacts with the conserved Asp1553.32. The benzyl group of secondary arylethylamines is inserted into another hydrophobic pocket formed by Phe3396.51, Trp3677.40 and Tyr3707.43. In this region, the docking poses depend on the template used for model generation, leading to different interactions especially of ortho- substituents. The docking studies with the beta2-adrenoceptor based rat 5-HT2AR model provided templates for a structure-based alignment of the whole series which was used in 3D QSAR analyses of the partial agonistic activity. Both approaches, CoMFA and CoMSIA, led to highly predictive models with low complexity (cross-validated q2 of 0.72 and 0.81 at 4 and 3 components, respectively). The results were largely compatible with the binding site and confirm the docking studies and the suggested ligand-receptor interactions. Steric and hydrophobic field effects on the potency indicate a hydrophobic pocket around the aryl moiety and near the para position of phenyl derivatives and account for the increased activity of secondary benzylamines. The effects of electrostatic and H-bond acceptor fields suggest a favourable influence of negative charges around the aryl moiety, corresponding to the increase in potency caused by methoxy substituents in 2-, 4-, 5- and 6-position of phenethylamines and by the quinazolinedione oxygens. This is in accord with the role of Ser1593.36 and Ser2395.43 as H bond donors. At the benzyl moiety, the negative charge and the acceptor potential of 2-hydroxy and -methoxy substituents is of advantage. Agonists stabilize or induce active receptor states not reflected by the existing crystal structures. Based on models of different rhodopsin states, a homology modeling and ligand docking study on corresponding 5-HT2AR states suggested to be specific to agonist and partial agonist binding, respectively, was performed. The models indicate collective conformational changes of TM domains during activation. The different 5-HT2AR states are similar with respect to the amino acids interacting with the arylethylamines, but show individual topologies of the binding sites. The interconversion of states by TM movements may be accompanied by co-translations and rotations of the ligands. In the case of the secondary amines considered, the tight fit of the benzyl substituent into a hydrophobic pocket containing key residues in TM6 probably impedes the complete receptor activation due to inhibiting the rotation of this helix. High affinity of a partial agonist is therefore often at the expense of its ability to fully activate a receptor.
description: Der 5-HT2A-Rezeptor (5-HT2AR) ist ein Rezeptor für biogene Amine, gehört zur Klasse A der G-Protein gekoppelten Rezeptoren und hat niedrige Affinität für Serotonin (5-HT) und andere primäre Amine. Die Einführung eines ortho-Methoxybenzyl-Substituenten am Amino-Stickstoff steigert die partialagonistische Aktivität um das 40- bis 1400-fache gegenüber 5-HT. Die vorliegende Arbeit sollte die QSAR einer Serie von 51 5-HT2AR-partialagonistischen Arylethylaminen untersuchen und mögliche Ligandbindungsstellen aufklären. Die biologischen Daten stammten aus vaskulären in-vitro-Tests an Ratten. Die Verbindungen lassen sich drei Strukturklassen zuordnen: (1) Indole, (2) Methoxybenzole und (3) Chinazolindione. Einer hierarchischen Strategie folgend, wurden verschiedene Methoden angewendet, die alle zur Aufklärung der Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen beigetragen haben: Fragmentregressionsanalyse (FRA), Rezeptor-Modeling, Dockingstudien und 3D-QSAR-Verfahren (vergleichende molekulare Feldanalyse, CoMFA, und vergleichende Analyse molekularer Ähnlichkeitsindizes, CoMSIA). Die FRA ergab, dass Methoxy-Substituenten die Aktivität von Indol- und Phenylverbindungen durch polare Wechselwirkungen mit dem 5-HT2AR steigern. Die hohen Wirkbeiträge lipophiler Gruppen in p-Position von Phenethylaminen sprechen für die Bindung in einer hydrophoben Tasche. Sekundäre Benzylamine sind mehr als eine Größenordnung aktiver als ihre NH2-Analoga. Ein o-OH- oder o-OMe-Substituent an der Benzylgruppe erhöht weiter die Wirkung. Kristallstrukturen des Rinderrhodopsins und des beta2-Adrenozeptors dienten zur Konstruktion von Homologiemodellen der 5-HT2AR des Menschen und der Ratte. Die hypothetischen Bindungsstellen für die Arylethylamine wurden aus den Ergebnissen der FRA und aus experimentellen Daten von Rezeptormutanten abgeleitet. Beide Kristallstrukturen ergaben 5-HT2AR-Modelle mit ähnlicher Topologie der Bindungsregion innerhalb der transmembranären Domänen TM3, TM5, TM6 und TM7. Dockingstudien mit repräsentativen Vertretern der drei Strukturklassen zeigten, dass die Arylteile, und hier vor allem die para-Substituenten der Phenylverbindungen, an einer aus den Aminosäuren Phe2435.47, Phe2445.48 und Phe3406.52 bestehenden hydrophoben Region binden. Die 5-Methoxygruppen der Indol- und Phenylderivate bilden H-Brücken mit Ser2395.43. In allen Fällen kann eine zusätzliche H-Brücke mit Ser1593.36 angenommen werden. Die kationische Aminofunktion bindet an das konservierte Asp1553.32. Die Benzylgruppe der sekundären Arylethylamine besetzt eine andere hydrophobe Region, die aus den Resten Phe3396.51, Trp3677.40 and Tyr3707.43 gebildet wird. In dieser Region hängen die Docking-Posen von der Ausgangs-Kristallstruktur ab. Insbesondere die ortho-Substituenten zeigten verschiedene Wechselwirkungsmuster. Die Dockingstudien mit dem aus dem beta2-Adrenozeptor entwickelten 5-HT2AR-Modell der Ratte waren Ausgangspunkt für ein Struktur-basiertes Alignment der Serie, das für 3D-QSAR-Analysen der partialagonistischen Aktivität verwendet wurde. Beide Methoden, CoMFA and CoMSIA, ergaben Modelle mit hoher Vorhersagekraft und niedriger Komplexität (q2=0.72 bzw. 0.81 bei 4 bzw. 3 PCs). Die Resultate stimmen weitgehend mit der Bindungsstelle überein und bestätigen das Docking und die vermuteten Wechselwirkungen. Sterische und hydrophobe Feldeffekte charakterisieren eine lipophile Bindungsregion für den Arylteil und für die para-Position der Phenylderivate und erklären die hohe Aktivität der sekundären Benzylamine. Die Effekte elektrostatischer und H-Brückenakzeptorfelder korrelieren mit dem günstigen Einfluss negativer Ladungen am Arylteil entsprechend dem Wirkungsanstieg durch Methoxysubstitution in Phenethylaminen. Damit wird die Rolle von Ser1593.36 und Ser2395.43 als H-Brückendonatoren untermauert. Am Benzylteil sind eine negative Ladung und das Akzeptorpotential von 2-Hydroxy- und 2-Methoxygruppen von Vorteil. Agonisten stabilisieren oder induzieren aktive Rezeptorzustände, die nicht mit den vorhandenen Kristallstrukturen übereinstimmen. Modelle verschiedener Rhodopsin-Zustände waren Grundlage für die Konstruktion entsprechender vermutlich agonistischer bzw. partialagonistischer 5-HT2AR-Konformationen und für Ligand-Dockingstudien. Die Modelle weisen auf kollektive Konformationsänderungen der TM-Domänen im Verlauf der Aktivierung hin. Die verschiedenen 5-HT2AR-Zustände gleichen sich in Bezug auf die mit den Arylethylaminen interagierenden Aminosäuren, zeigen jedoch spezifische Topologien der Bindungsstellen. Der Konformationsübergang durch Bewegungen der TMs wird von Kotranslationen und Korotationen der Liganden begleitet. Im Falle der untersuchten sekundären Amine behindert die starke Bindung der Benzylgruppen an eine hydrophobe Region im Bereich der TM6 wahrscheinlich die vollständige Rezeptoraktivierung durch Hemmung der Rotation dieser Helix. Hohe Affinität eines Partialagonisten geht daher oft auf Kosten seiner Fähigkeit zur vollen Aktivierung.