A cell-based NRG1-ERBB4 assay designed for high-throughput compound screening to identify small molecule modulators with relevance for schizophrenia
Entwicklung eines zellbasierten Hochdurchsatzverfahrens zur Identifikation Schizophrenie-relevanter Wirkstoffe und Modulatoren des NRG1-ERBB4 Signalweges.
by Wilko Hinrichs
Date of Examination:2012-11-02
Date of issue:2012-12-07
Advisor:Prof. Dr. Klaus-Armin Nave
Referee:Prof. Dr. Martin Göpfert
Referee:Prof. Dr. André Fischer
Referee:PD Dr. Moritz Rossner
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-1489
Files in this item
Name:hinrichs.pdf
Size:5.60Mb
Format:PDF
The following license files are associated with this item:
Abstract
English
Summary A cell-based NRG1-ERBB4 assay designed for high-throughput compound screening to identify small molecule modulators with relevance for schizophrenia Schizophrenia (SZ) is as severe and phenotypically as well as genetically complex neuropsychiatric disorder. Only so-called positive symptoms (e.g. hallucinations and delusions) are currently amenable to treatments with neuroleptics. Negative symptoms (such as anhedonia, social withdraw) and cognitive deficits, however, are not substantially improved by current therapies. An impaired function of the prefrontal cortex has been hypothesised as a potential cause for the latter symptoms. Impaired NRG1-ERBB4 signalling affects cortical circuits formed between inhibitory interneurons and excitatory pyramidal neurons. The corresponding dysbalance of inhibition and excitation is thought to be causative for the cognitive deficits observed in corresponding gain and loss-of-function mouse models. Importantly, genetic association studies have identified NRG1 and ERBB4 as risk factors for SZ. Therefore, NRG1-ERBB4 signalling is among the most promising targets for the development of new treatments for SZ. This thesis describes the design and development of a split TEV-based co-culture assay to monitor several steps of the NRG1-ERBB4 signalling cascade in one integrated measurement. The assay displays high sensitivity and robustness and is applicable to high-throughput approaches. In a proof-of-principle, the assay was used to screen 727 FDA-approved drugs. One drug was recovered as a major hit, acting as an inhibitor of NRG1-ERBB4 signalling and was validated by an extensive set of secondary assays including several technical controls. Moreover, specificity and first mode-of-action analyses were performed with a panel of assays with NRG and ERBB family members as well as different components of the signalling cascade. In summary, the assay monitoring proximal aspects of the inter- and intracellular NRG1-ERBB4 signalling cascade was successfully established and a first hit was validated. The assay qualifies for high-throughput screenings with huge libraries of diverse chemical compounds and thus holds a great promise to identify and improve new lead structures to modulate NRG1-ERBB4 signalling.
Keywords: cell-based; Neuregulin; NRG1; ERBB4; high-throughput; compound screening; small molecule modulators; schizophrenia; SZ
Other Languages
Zusammenfassung
Entwicklung eines zellbasierten Hochdurchsatzverfahrens zur
Identifikation Schizophrenie-relevanter Wirkstoffe und Modulatoren
des NRG1-ERBB4 Signalweges. Die Schizophrenie (SZ) ist eine
schwerwiegende neurologische Erkrankung des Zentralnervensystems
mit einem breiten Symptomspektrum und komplexer genetischer
Ursache. Lediglich die so genannten Positiv-Symptome (z.B.
Halluzinationen und Wahnvorstellungen) sind einer Behandlung mit
Neuroleptikern zugänglich. Die Negativ-Symptomatik (z.B. Anhedonie
und soziale Vereinsamung) und die Kognitiven-Defizite werden mit
den bestehenden Medikamenten nicht oder kaum verbessert. Eine
gängige Hypothese besagt, dass eine verminderte Funktion des
Präfrontalen Cortex für diese Symptome verantwortlich ist. Eine
Veränderung in der NRG1-ERBB4 Signalkaskade beeinträchtigt die
Verschaltungen zwischen inhibitorischen Interneuronen und
exitatorischen Pyramidalneuronen. Die resultierende Dysbalance
zwischen Inhibition und Aktivierung ist in diesem Modell Ursache
für die Kognitiven-Defizite. Diese Hypothese wird durch die
Verhaltensbeobachtung, in entsprechenden gain of function/loss of
function Maus Modellen, gestützt. Ferner haben mehrere genetische
Assoziationsstudien gezeigt das NRG1 und ERBB4 Risikofaktoren für
die Entwicklung einer SZ sind. Dies macht das Zusammenspiel
zwischen NRG1 und ERBB4 zu einem der vielversprechendsten Ziele für
die Entwicklung neuer medikamentöser Behandlungsmöglichkeiten der
SZ. Die vorliegende Arbeit beschreibt das Design und die
Entwicklung eines Testsystems, bestehend aus zwei kommunizierenden
Zellen, basierend auf der Split TEV Technologie. Das Testsystem ist
in der Lage in einer einzelnen Messung, Änderungen an verschiedenen
Schritten der NRG1-ERBB4 Signalkaskade auszulesen. Das Testsystem
ist hoch sensitiv, robust und für die Hochdurchsatzanalyse
geeignet. In einer ersten Machbarkeitsstudie wurden 727 Wirkstoffe
getestet. Ein Wirkstoff wurde als Haupttreffer klassifiziert und
agiert als Inhibitor der NRG1-ERBB4 Funktion. Dieser Wirkstoff
wurde mit einem breit aufgestellten Set weiterer Tests, inklusive
technischer Kontrollen, ausführlich charakterisiert. Weiter, wurde
mithilfe eines Testpanels, bestehend aus verschiedenen
Neuregulinen, Mitgliedern der ERBB Rezeptorfamilie und
verschiedener weiterer Komponenten der Signalkaskade, die
Spezifität und der Wirkmechanismus des Wirkstoffes analysiert. Das
Testsystem wurde erfolgreich etabliert und ein erster Treffer
erfolgreich validiert. Das Testsystem ist für Hochdurchsatzanalysen
großer Substanzbibliotheken geeignet und hat großes Potential für
die Identifikation und Verbesserung neuer Leitstrukturen zur
Modulation der NRG1-ERBB4 Signalkaskade
Schlagwörter: Schizophrenie Neuregulin ERBB4 Hochdurchsatzanalyse; Wirkstoffentwicklung; Zell-basiertes Messverfahren
