多くの創薬標的受容体(GPCR)を耐熱化する共通の方法を発見

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GPCRを標的とした創薬研究に大きく貢献

2018-12-14 京都大学

木下正弘 エネルギー理工学研究所教授、村田武士 千葉大学教授、安田賢司 同特任助教、小林拓也 関西医科大学教授、寿野良二 同講師、岩田想 医学研究科教授らの研究グループは、ヒトGPCRであるムスカリンM2受容体やプロスタグランジンEP4受容体に対する耐熱化変異体(耐熱化置換体)を同定し、X線結晶構造解析を用いて両受容体の立体構造の解明に成功しました。また、これらの耐熱化変異体では、アゴニスト(作動薬)やアンタゴニスト(阻害剤)に対する結合親和性が変化していることが見出されました。

本研究成果により、本耐熱化変異体を用いることにより立体構造解析が可能となるばかりでなく、阻害剤等のスクリーニングが容易となり、GPCRを標的とした創薬研究への貢献が期待されます。

本研究成果は、2本の論文として、2018年11月12日および12月3日に、国際学術誌「Nature Chemical Biology」のオンライン版に掲載されました。

図:本研究の概要図

詳しい研究内容について

多くの創薬標的受容体(GPCR)を耐熱化する共通の方法を発見
―GPCR を標的とした創薬研究に大きく貢献―
概要京都大学エネルギー理工学研究所 木下正弘 教授は、千葉大学大学院理学研究院 村田武士 教授、安田賢司 同特任助教らと協力して、先に開発した統計熱力学に基づく理論的予測法(エントロピー基盤法注 1))を用い ることにより、重要な創薬標的ファミリーである G タンパク質共役型受容体 (GPCR)を耐熱化することがで きる共通のアミノ酸置換箇所を発見することに成功していました。この成果を踏まえて本研究では、関西医科 大学 清水(小林)拓也 教授、寿野良二 同講師、京都大学 岩田想 教授らと共同で、ヒト GPCR であるムス カリン M2 受容体やプロスタグランジン EP4 受容体に対する耐熱化変異体 (耐熱化置換体)を同定し、X 線結 晶構造解析注 2)を用いて両受容体の立体構造の解明に成功しました。これらの耐熱化変異体では、アゴニスト (作動薬)注 3)やアンタゴニスト (阻害剤)注 4)に対する結合親和性が変化していました。このことから、本耐 熱化変異体を用いることにより立体構造解析が可能となるばかりでなく、阻害剤等のスクリーニングが容易と なり、GPCR を標的とした創薬研究に大きく貢献できると期待されます。
本研究成果は、2018 年 11 月 12 日および 12 月 3 日に国際学術誌「Nature Chemical Biology」にオンライ ン公開されました。
図. 研究成果全体の概要図1.背景
人の体の中には約 800 種類もの G タンパク質共役型受容体 (GPCR)が存在し、生体膜内外の情報伝達に大切な役割を果たしています。このため GPCR は重要な創薬標的ファミリーであり、現在市販されている薬の約 30%以上は GPCR を標的としていることが知られています。GPCR を安定かつ大量に調製できるようになれば、その機能の解明や薬のスクリーニング、X線結晶構造解析等による立体構造決定が容易になります。しかし、GPCR は一般に熱安定性が低いため取り扱いが難しく、大量調製が困難でした。私たちは最近、GPCR を 含む膜タンパク質を耐熱化させるアミノ酸置換を経験則に頼らずに純理論的に予測する方法 (エントロピー基 盤法注 1))を開発しました(国内特許登録済:第 6359656 号、国際特許出願中:WO2015/1991621A1) (図 1)。本研究では、複数の GPCR に対してエントロピー基盤法による耐熱化変異体の予測を行うことにより、多 くの GPCR の耐熱化に繋がる共通のアミノ酸置換箇所すなわち「ホットスポット」を発見しました。

2.研究手法・成果
本研究では、アデノシン A2a 受容体 (A2aR)、M2 ムスカリン受容体 (M2R)、プロスタグランジン EP4 受 容体 (EP4R)を含む 8 種類のヒト GPCR にエントロピー基盤法を適用し、それぞれの耐熱化変異体を予測し ました。その結果、Ballesteros-Weinstein (BW)番号注 5)が 3.39 に位置するアミノ酸残基が 「ホットスポッ ト」であり、それのアルギニンまたはリジンへの置換により耐熱化すると予測されました(図 2)。そこで、 A2aR、M2R、EP4R について実際に置換を導入し、変性温度を測定したところ、A2aR では 9℃、M2R では 5℃、EP4R では 6.5℃の熱変性温度の上昇が観測されました。また、これらの耐熱化変異体はアゴニスト注 3) に対する結合親和性が低下する一方で、特定のアンタゴニスト注 4)(阻害剤)に対する結合親和性は向上して いました。これらの変異体を用いて化合物スクリーニングを行うことにより、特定の阻害剤の選別が容易にな ると期待されます。さらに、M2R 変異体では、アンタゴニスト結合型の結晶構造の分解能が 3Åから 2.3Åへ 向上し、新規の選択的アンタゴニスト結合型の結晶構造解析に成功しました (図 3)。EP4R 変異体に関しても X 線回折分解能が 6Åから 3.4Åへ向上し、新規の結晶構造の解明に成功しました(図 4)。

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