Investigating the therapeutic potential of serotonin receptor 7 in tau-mediated neurodegenerative diseases

Brüge, Alina

Dissertation 2024 CC BY-NC-ND 4.0

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Investigating the therapeutic potential of serotonin receptor 7 in tau-mediated neurodegenerative diseases

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Neurodegenerative Erkrankungen sind eine heterogene Gruppe von Erkrankungen, die durch fortschreitenden neuronalen Verlust und kognitive Dysfunktion, verursacht durch vermehrte Proteinablagerungen, gekennzeichnet sind. Insbesondere die Aggregation des Mikrotubuli‑assoziierten Proteins Tau ist charakteristisch für die sogenannten Tauopathien. Zu diesen gehören die Alzheimer‑Krankheit und die Frontotemporale Demenz. Allen gemein ist die Ablagerung von neurofibrilläreren Tangles (NFTs), die aus hyperphosphorylierten Tau‑Aggregaten bestehen und wesentlich zur Neurodegeneration beitragen. Neben anderen Enzymen kann die Cyclin‑abhängige Kinase 5 (CDK5) die Tau‑Phosphorylierung modulieren und ist mutmaßlich entscheidend an der Pathogenese von AD und FTD beteiligt. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass die konstitutive Aktivität des Serotoninrezeptors 7 (5‑HT7R) die Hyperphosphorylierung und Aggregation von Tau induziert, indem der 5-HT7R physikalisch mit CDK5 interagiert und diese aktiviert.

Das Ziel dieser Arbeit war es, den 5‑HT7R als neue therapeutische Zielstruktur für die Behandlung von Tauopathien zu validieren, wobei zwei verschiedene Behandlungsstrategien evaluiert wurden. Zunächst wurde eine KI‑basierte Strukturmodellierung angewandt, um die strukturellen Voraussetzungen für die 5‑HT7R/CDK5‑Interaktionsschnittstelle zu bestimmen. Dabei wurden zwei Phenylalaninreste innerhalb der dritten intrazellulären Schleife des 5‑HT7Rs identifiziert, die vermutlich an dieser Interaktion beteiligt sind. Die selektive Inhibition der 5‑HT7R/CDK5‑Interaktion durch zielgerichtete Mutagenese dieser Aminosäurereste resultierte in einer reduzierten 5‑HT7R‑vermittelten CDK5‑Aktivierung, wodurch die Tau‑Pathologie verbessert wurde, ohne den physiologischen 5‑HT7R/Gαs‑Signalweg zu beeinflussen.

Der zweite Ansatz basiert auf der Blockierung der konstitutiven 5‑HT7R‑Aktivität durch spezifische inverse Agonisten. Durch strukturelle und funktionelle Untersuchungen verschiedener klinisch zugelassener Arzneimittel hinsichtlich ihres inversen Agonismus für den 5‑HT7R konnte Amisulprid als ein vielversprechender Kandidat identifiziert werden. Die Behandlung mit Amisulprid verbesserte zudem verschiedene Aspekte der Tau‑Pathologie in mehreren Zell‑ und Tiermodellen der Tauopathie.

Um das therapeutische Potenzial von Amisulprid, das zusätzlich als Antagonist am Dopaminrezeptor 2 (D2R) wirkt, weiter zu optimieren, wurden die (R)‑ und (S)‑Enantiomere von Amisulprid getrennt validiert. Mit einer höheren 5‑HT7R‑Bindungsaffinität zeigte (R)‑Amisulprid eine überlegene therapeutische Wirksamkeit bei der Prävention der Tau‑Pathologie im Vergleich zu racemischem und (S)‑Amisulprid. Bemerkenswerterweise verursachte (R)‑Amisulprid nicht die dopaminergen Nebenwirkungen, die typischerweise mit racemischem Amisulprid verbunden sind, während das (S)‑Enantiomer dies tat. Diese Daten deuten daher darauf hin, dass (R)‑Amisulprid hauptsächlich für den therapeutischen Effekt von Amisulprid verantwortlich ist, wohingegen das (S)‑Enantiomer vorwiegend für die Nebenwirkungen verantwortlich sein könnte.

Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass das gezielte Targeting des 5‑HT7R/CDK5‑vermittelten Signalwegs eine neuartige und vielversprechende Strategie zur Behandlung von Tau‑vermittelten neurodegenerativen Erkrankungen darstellen könnte. Darüber hinaus bilden die hier vorgestellten Daten die Grundlage für die zukünftige Konzeption und Verfeinerung von Arzneimitteln, die sich entweder auf die Entwicklung kleiner 5‑HT7R/CDK5‑störenden Moleküle konzentrieren könnten, die selektiv die 5‑HT7R/CDK5‑Interaktionsschnittstelle inhibieren, oder auf biased inverse Agonisten, die selektiv den 5‑HT7R/CDK5‑Signalweg blockieren, ohne dabei die physiologischen Signalwege des 5‑HT7Rs zu beeinträchtigen.

Neurodegenerative diseases are a heterogeneous group of disorders characterized by progressive neuronal loss and cognitive dysfunction caused by the accumulation of protein inclusions. In particular, the aggregation of the microtubule‑associated protein tau is a hallmark of so‑called tauopathies. These include Alzheimer’s disease (AD) and frontotemporal dementia (FTD). They all commonly share the deposition of neurofibrillary tangles (NFT) composed of hyperphosphorylated tau aggregates that critically contribute to neurodegeneration. Among other enzymes, the cyclin‑dependent kinase 5 (CDK5) can modulate tau phosphorylation and has been critically implicated in the pathogenesis of AD and FTD. Recently, the constitutive activity of the serotonin receptor 7 (5‑HT7R) has been shown to induce tau hyperphosphorylation and aggregation through the physical interaction with CDK5 and its subsequent activation.

The aim of this thesis was to validate the 5‑HT7R as a novel therapeutic target for the treatment of tauopathies by evaluating two different treatment strategies. Firstly, AI‑based structural modeling was applied to uncover the structural requirements for the 5‑HT7R/CDK5 interaction interface. Here, two phenylalanine residues within the third intracellular loop of the 5‑HT7R were predicted to be critically involved in this interaction. Selective disruption of the 5‑HT7R/CDK5 interaction by site‑directed mutagenesis of these amino acid residues revealed reduced 5‑HT7R‑mediated CDK5 activation, thereby improving tau pathology without affecting physiological 5‑HT7R/Gαs‑mediated signaling.

The second approach is based on blocking the constitutive activity of the 5‑HT7R using specific inverse agonists. Structural and functional screening of several clinically approved drugs for their 5‑HT7R inverse agonism identified amisulpride as a promising candidate. Treatment with amisulpride ameliorated various aspects of tau pathology in multiple cell and animal models of tauopathy.

To further enhance the therapeutic potential of amisulpride, which additionally targets dopaminergic receptors as an antagonist, the (R)‑ and (S)‑enantiomers of amisulpride were validated separately. With a higher 5‑HT7R binding affinity, (R)‑amisulpride elicited superior therapeutic efficacy in preventing tau pathology compared to racemic and (S)‑amisulpride. Noteworthy, the (R)‑enantiomer did not cause the dopaminergic adverse effects typically seen with racemic amisulpride, while the (S)‑enantiomer did. Thus, these data suggest that (R)‑amisulpride is predominantly responsible for the therapeutic potential of amisulpride, whereas the (S)‑enantiomer may primarily account for its side effects.

Taken together, this thesis demonstrates that targeting the 5‑HT7R/CDK5‑mediated signaling might be a novel and promising strategy in the treatment of tau‑mediated neurodegenerative diseases. Moreover, the data presented here provide the basis for future drug design and refinement, which may focus on the development of either small 5‑HT7R/CDK5 interfering molecules that selectively disrupt the 5‑HT7R/CDK5 interaction interface or biased inverse agonists that selectively inhibit the 5‑HT7R/CDK5 signaling, without impairing 5‑HT7R‑mediated physiological pathways.