タンパク質メチル化阻害剤を評価する新手法~化学の力で複雑なタンパク質メチル化反応を制御する~

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2018-08-06 理化学研究所

理化学研究所(理研)開拓研究本部袖岡有機合成化学研究室の五月女宜裕専任研究員、袖岡幹子主任研究員、眞貝細胞記憶研究室の島津忠広専任研究員、眞貝洋一主任研究員らの共同研究グループは、タンパク質メチル化反応[1]の網羅的検出法を阻害剤探索に応用することで、新しいメチル化阻害剤を開発し、その標的基質の同定に成功しました。

本研究成果は、優れたタンパク質メチル化阻害剤の開発に貢献すると期待できます。

細胞の多様性を支えるのは、ヒストンタンパク質[2]の修飾(メチル化、アセチル化など)を介した「エピジェネティクス[3]」です。ヒストンのリジンあるいはアルギニン残基のメチル化反応は、転写をつかさどるクロマチン構造[4]の変化に重要な役割を果たします。しかし、現在同定されているタンパク質メチル化の例はほんの一部であり、メチル化されるタンパク質の全体像を理解し、メチル化反応を制御するための基礎的な方法が求められていました。今回、共同研究グループは、以前開発した「ProSeAMプローブ」を用いる検出系を基盤として、タンパク質メチル化反応を抑制する薬剤(阻害剤)を評価する手法を開発しました。これにより、無数のタンパク質が存在する細胞抽出液において、阻害剤のメチル化阻害能を評価できるようになりました。さらに、本手法を用いることで、ケトシンの全合成を基盤として新たに合成したメチル化阻害剤「syn-HyPA ETP-2」を開発し、非ヒストン選択的にメチル化を阻害することを見いだしました。

図 検出プローブを羅針盤とするタンパク質メチル化阻害剤の探索・評価

本研究成果は、国際科学雑誌『Chemical Communications』(7月31日付け)に掲載されました。

※共同研究グループ

理化学研究所
開拓研究本部
袖岡有機合成化学研究室
専任研究員 五月女 宜裕(そうとめ よしひろ)
(環境資源科学研究センター 触媒・融合研究グループ 専任研究員)
国際特別研究員(研究当時) バルハウ・ホアキン(BarjauJoaquin)
研修生(研究当時) 藤城 信哉(ふじしろ しんや)
テクニカルスタッフⅠ 赤壁 麻依(あかかべ まい)
テクニカルスタッフⅠ 寺山 直樹(てらやま なおき)
(環境資源科学研究センター 触媒・融合研究グループ テクニカルスタッフⅠ)
専任研究員 どど 孝介(どど こうすけ)
(環境資源科学研究センター 触媒・融合研究グループ 専任研究員)
主任研究員 袖岡 幹子(そでおか みきこ)
(環境資源科学研究センター 触媒・融合研究グループ グループディレクター)
眞貝細胞記憶研究室
専任研究員 島津 忠広(しまず ただひろ)
主任研究員 眞貝 洋一(しんかい よういち)
環境資源科学研究センター ケミカルゲノミクス研究グループ
グループディレクター 吉田 稔(よしだ みのる)
専任研究員(研究当時) 伊藤 昭博(いとう あきひろ)
(現 東京薬科大学 生命科学部 教授)

※研究支援

本研究は、日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金基盤研究B「有機合成化学が切り拓くケミカルメチロームの新展開(研究代表者:五月女宜裕)」などによる支援を受けて行われました。

背景

生命現象の設計図である遺伝情報は、DNAに書き込まれています。生体では遺伝情報を取り出し、それを適材適所で運用することにより、さまざまな生命現象が制御されています。細胞には、DNAの塩基配列を変えることなく、DNAのメチル化やヒストンタンパク質の修飾(メチル化、アセチル化、ユビキチン化など)を介して、遺伝子の発現を制御する「エピジェネティクス」というメカニズムが備わっています。

ヒストンのリジン(K、リシンとも表記される)あるいはアルギニン(R)残基のメチル化反応は、転写をつかさどるクロマチン構造の変化に重要な役割を果たし、これにより多彩な生命現象が制御されることが明らかにされています。近年では、ヒストン以外のタンパク質(非ヒストン)のメチル化反応も生命現象の制御に重要な役割を果たすことが分かってきました。しかし、現在同定されている例は、実際に生体で起こるメチル化反応のほんの一部であり、その複雑なタンパク質メチル化反応の全容は分かっていません。特に、「どの酵素が、どのタンパク質をメチル化するのか」を紐付けるための方法の開発が大きな課題として残されていました。

一方、五月女宜裕専任研究員、袖岡幹子主任研究員、島津忠広専任研究員、眞貝洋一主任研究員らはこれまでに、メチル化基質の検出を可能とする検出プローブを用いて、この課題を解決するタンパク質メチル化反応の網羅的検出法を開発しました注1)。今回、共同研究グループは、この検出系を基盤として、タンパク質メチル化を抑制する薬剤 (阻害剤)が「どのタンパク質のメチル化を、どの程度阻害するのか」を評価する手法の開発を目指しました。

注1)T. Shimazu, B. Joaquin, Y. Sohtome, M. Sodeoka, Y. Shinkai,”Selenium-Based S-Adenosylmethionine Analog Reveals the Mammalian Seven-Beta-Strand Methyltransferase METTL10 to Be an EF1A1 Lysine Methyltransferase”Plos One, 2014, 9, e105394.

研究手法と成果

共同研究グループは、タンパク質メチル化反応のメチル源である低分子化合物 S-アデノシルメチオンニン(SAM)[1]に着目し、この構造を合成化学的に改変した低分子化合物を検出プローブとして用いることで、人工的目印をタンパク質メチル化反応の基質タンパク質に導入する戦略で研究を進めてきました。これまでに、SAMのメチル基をプロパルギル基に改変した「ProSeAM(propargylic Se-adenosyl-L-selenomethionine)」と呼ばれる化合物をプローブとして用いた場合、最も効率的にプロパルギル基(人工的目印)を基質タンパク質に導入できることが分かっています注1)

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