κオピオイド受容体バイアスドシグナリングに関与する分子スイッチを同定~複数の最先端技術を統合し、創薬戦略に資する構造情報を獲得~

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2025-10-31 京都大学

京都大学の井上飛鳥教授らの研究グループ(東北大学、関西医科大学、名古屋工業大学、大阪大学との共同)は、鎮痛薬開発の標的として注目される「ヒトκ(カッパ)オピオイド受容体(KOR)」において、作用経路を選択的に制御する“分子スイッチ”を特定した。オピオイド受容体は、痛みを抑えるGタンパク質経路と、副作用を引き起こすβアレスチン経路の2つのシグナル伝達経路を持つ。本研究では、クライオ電子顕微鏡による立体構造解析、分子動力学シミュレーション、細胞機能解析を組み合わせ、特定のアミノ酸残基がこの二経路の活性化を切り替える鍵であることを突き止めた。その結果、鎮痛効果を維持しつつ依存や幻覚などの副作用を抑制する「バイアス型作動薬」の分子設計に新たな指針を提示した。本成果は、構造生物学と薬理学を融合した創薬研究の大きな前進であり、副作用の少ないオピオイド鎮痛薬開発への応用が期待される。成果は科学誌『Nature Communications』に掲載された。

κオピオイド受容体バイアスドシグナリングに関与する分子スイッチを同定~複数の最先端技術を統合し、創薬戦略に資する構造情報を獲得~
本研究の概要図

<関連情報>

ヒトκオピオイド受容体のバイアスシグナル伝達機構に関する構造的および動的知見 Structural and dynamic insights into the biased signaling mechanism of the human kappa opioid receptor

Chiyo Suno-Ikeda,Ryo Nishikawa,Riko Suzuki,Shun Yokoi,Seiya Iwata,Tomoyo Takai,Takaya Ogura,Mika Hirose,Akihisa Tokuda,Risako Katamoto,Akitoshi Inoue,Eri Asai,Ryoji Kise,Yukihiko Sugita,Takayuki Kato,Hiroshi Nagase,Ayori Mitsutake,Tsuyoshi Saitoh,Kota Katayama,Asuka Inoue,Hideki Kandori,Takuya Kobayashi & Ryoji Suno
Nature Communications  Published:28 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-64882-1

Abstract

The κ-opioid receptor (KOR) is a member of the G protein-coupled receptor (GPCR) family, modulating cellular responses through transducers such as G proteins and β-arrestins. G-protein-biased KOR agonists aim to retain analgesic and antipruritic actions while limiting aversion and sedation. Aiming to inform G-biased KOR agonist design, we analyze signaling-relevant residues from structural and dynamic views. Here we show, using multiple complementary methods, shared residues that determine β-arrestin recruitment by nalfurafine and U-50,488H. Cryo-electron microscopy structures of the KOR-Gi signaling complexes identify the ligand binding mode in the activated state. Vibrational spectroscopy reveals ligand-induced conformational changes. Cell-based mutant experiments pinpoint four amino acids (K2275.40, C2866.47, H2916.52, and Y3127.34; Ballesteros–Weinstein numbering is shown in superscript) that play crucial roles in β-arrestin recruitment. Furthermore, MD simulations revealed that the four mutants tend to adopt conformations with reduced β-arrestin recruitment activity. Our research findings provide a foundation for enhancing KOR-mediated therapeutic effects while minimizing unwanted side effects by targeting specific residues within the KOR ligand-binding pocket, including K2275.40 and Y3127.34, which have previously been implicated in biased signaling.

有機化学・薬学
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