Mechanism of aggregation of ADP/ATP carrier induced by epoxycyclohexenedione (ECHD)-type inhibitor

• Project/Area Number: 18K05458
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38040:Bioorganic chemistry-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Murai Masatoshi 京都大学, 農学研究科, 准教授 (80543925)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山本 武範 国立医薬品食品衛生研究所, 遺伝子医薬部, 主任研究官 (80457324)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2018: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: ミトコンドリア / ADP/ATP輸送体 / ECHD類 / ケミカルバイオロジー / 阻害剤

Outline of Final Research Achievements

We found epoxycyclohexenedione (ECHD)-type compounds as unique inhibitors of the bovine heart mitochondrial ADP/ATP carrier (AAC). Proteomic analyses of ECHD-bound AAC as well as biochemical characterization using different SH reagents showed that ECHDs inhibit the function of AAC by covalently binding primarily to Cys57 and secondarily to Cys160. Interestingly, AAC remarkably aggregated in SMPs upon being incubated with high concentrations of ECHDs for a long period of time. ECHDs are the first chemicals, to the best of our knowledge, to induce prominent structural alteration in AAC without forming intermolecular S－S linkages. When all solvent accessible cysteines (Cys57, Cys160, and Cys257) were previously modified by N-ethylmaleimide, the aggregation of AAC was completely suppressed. In contrast, when Cys57 or Cys160 is selectively modified by a SH reagent, the covalent binding of ECHDs to a residual free residue of the two cysteines is sufficient to induce aggregation.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ミトコンドリアADP/ATP輸送体(AAC)は、ミトコンドリア内膜上でADPとATPの交換輸送を行う分子質量約30 kDaの膜輸送体である。AACは細胞のエネルギー代謝の要となる膜輸送体であるため、本輸送体の特異的阻害剤に関する研究は、エネルギー代謝を制御する新規な薬剤の開発研究に資するところが大きい。申請者は、既知のAAC阻害剤であるBKA類やCATR類と分子骨格の異なるエポキシシクロヘキセンジオン類（ECHD類）がAACの新規な阻害剤であることを見出した。本化合物は、細胞のエネルギー代謝を標的とする新たな医農薬シーズとしての可能性を秘めている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Rensselaer Polytechnic Institute(米国)
• [Int'l Joint Research] Rensselaer Polytechnic Institute(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Helsinki(フィンランド)
• [Journal Article] Inhibitors of a Na+-pumping NADH-ubiquinone oxidoreductase play multiple roles to block enzyme function (2020)
  • Author(s): Masuya Takahiro、Sano Yuki、Tanaka Hinako、Butler Nicole L.、Ito Takeshi、Tosaki Tatsuhiko、Morgan Joel E.、Murai Masatoshi、Barquera Blanca、Miyoshi Hideto
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 295 Issue: 36 Pages: 12739-12754
  • DOI: 10.1074/jbc.ra120.014229
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] IACS-010759, a potent inhibitor of glycolysis-deficient hypoxic tumor cells, inhibits mitochondrial respiratory complex I through a unique mechanism (2020)
  • Author(s): Tsuji Atsuhito、Akao Takumi、Masuya Takahiro、Murai Masatoshi、Miyoshi Hideto
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: 295 Issue: 21 Pages: 7481-7491
  • DOI: 10.1074/jbc.ra120.013366
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Exploring the binding pocket of quinone/inhibitors in mitochondrial respiratory complex I by chemical biology approaches (2020)
  • Author(s): Murai Masatoshi
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 84 Issue: 7 Pages: 1322-1331
  • DOI: 10.1080/09168451.2020.1747974
  • NAID: 120006876586
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oversized ubiquinones as molecular probes for structural dynamics of the ubiquinone reaction site in mitochondrial respiratory complex I (2020)
  • Author(s): Uno, S., Masuya, T., Shinzawa-Itoh, K., Lasham, J., Haapanen, O., Shiba, T., Inaoka, D. K., Sharma, V., Murai, M., and Miyoshi, H.
  • Journal Title: The Journal of Biological Chemistry Volume: 295 Issue: 8 Pages: 2449-2463
  • DOI: 10.1074/jbc.ra119.012347
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Defining the mechanism of action of S1QELs, specific suppressors of superoxide production in the quinone-reaction site in mitochondrial complex I (2019)
  • Author(s): Banba, A., Tsuji, A., Kimura, H., Murai, M. and Miyoshi, H
  • Journal Title: The Journal of Biological Chemistry Volume: 294 Issue: 16 Pages: 6550-6561
  • DOI: 10.1074/jbc.ra119.007687
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The antibiotic korormicin A kills bacteria by producing reactive oxygen species, (2019)
  • Author(s): 6. Maynard, A., Butler, N. L., Ito, T., da Silva, A. J., Murai, M., Chen, T., Koffas, M. A. G., Miyoshi, H., and Barquera, B.
  • Journal Title: Journal of Bacteriology Volume: 201 Issue: 11
  • DOI: 10.1128/jb.00718-18
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fusaramin, an antimitochondrial compound produced by Fusarium sp., discovered using multidrug-sensitive Saccharomyces cerevisiae (2019)
  • Author(s): Sakai, K., Unten, Y., Iwatsuki, M., Matsuo, H., Fukasawa, W., Hirose, T., Chinen, T., Nonaka, K., Nakashima, T., Sunazuka, T., Usui, T., Murai, M., Miyoshi, H., Asami, Y., Omura, S., and Shiomi, K.
  • Journal Title: Journal of Antibiotics Volume: 72 Issue: 9 Pages: 645-652
  • DOI: 10.1038/s41429-019-0197-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photoaffinity labeling of respiratory complex I in bovine heart submitochondrial particles by photoreactive [125I]amilorides (2019)
  • Author(s): Murai, M. and Miyoshi, H
  • Journal Title: Bio-Protocol Volume: 9 Issue: 17
  • DOI: 10.21769/bioprotoc.3349
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Exploring the quinone/inhibitor-binding pocket in mitochondrial respiratory complex I by chemical biology approaches (2019)
  • Author(s): Uno S, Kimura H, Murai M and Miyoshi H
  • Journal Title: The Journal of Biological Chemistry Volume: 294 Issue: 2 Pages: 679-696
  • DOI: 10.1074/jbc.ra118.006056
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pentenediol-type compounds specifically bind to voltage-dependent anion channel 1 in Saccharomyces cerevisiae mitochondria (2019)
  • Author(s): Yufu Unten, Masatoshi Murai, Takenori Yamamoto, Akira Watanabe, Naoya Ichimaru, Shunsuke Aburaya, Wataru Aoki, Yasuo Shinohara and Hideto Miyoshi
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 58 Issue: 8 Pages: 1141-1154
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.8b01209
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Epoxycyclohexenedione-Type Compounds Make Up a New Class of Inhibitors of the Bovine Mitochondrial ADP/ATP Carrier (2018)
  • Author(s): Aoyama A, Murai M, Ichimaru, Aburaya S, Aoki W, and Miyoshi H
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 57 Issue: 6 Pages: 1031-1044
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.7b01119
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ミトコンドリア呼吸鎖複合体-Iを阻害するManassantinの作用機構研究 (2021)
  • Author(s): 永岡千草、村井正俊、桝谷貴洋、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 出芽酵母ミトコンドリアを標的とする天然テトラミン酸誘導体Fusaraminの作用機構研究 (2021)
  • Author(s): 運天優歩、村井正俊、坂井克行、浅見行弘、桝谷貴洋、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 抗がん剤候補化合物IACS-010759の呼吸鎖複合体-I に対する作用機構研究 (2021)
  • Author(s): 村井正俊、辻諄人、赤尾拓海、桝谷貴洋、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] コレラ菌Na+輸送型NADH-キノン酸化還元酵素のNqrBサブユニットの位置特異的化学修飾法 (2021)
  • Author(s): 石川萌、桝谷貴洋、田中比奈子、村井正俊、Blanca Barquera、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 呼吸鎖複合体-Iユビキノン結合部位の構造解明に向けたサブユニット間クロスリンク (2021)
  • Author(s): 桝谷貴洋、宇野晋平、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] 人工キノン類を用いた呼吸鎖複合体-I のキノン結合ポケットの構造特性の解明 (2021)
  • Author(s): 宇野晋平、桝谷貴洋、新澤(伊藤)恭子、志波智生、稲岡健ダニエル、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] コレラ菌Na+輸送型NADH-キノン酸化還元酵素のNqrBサブユニットの位置特異的化学修飾法の確立 (2021)
  • Author(s): 石川萌、桝谷貴洋、田中比奈子、村井正俊、Blanca Barquera、三芳秀人
  • Organizer: 日本農薬学会第46回大会
• [Presentation] 人工キノン類を用いた呼吸鎖複合体-I のキノン結合ポケットの構造特性の解明 (2021)
  • Author(s): 宇野晋平、桝谷貴洋、新澤(伊藤)恭子、志波智生、稲岡健ダニエル、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農薬学会第46回大会
• [Presentation] 呼吸鎖複合体-Iユビキノン結合部位の構造解明に向けたサブユニット間クロスリンク (2020)
  • Author(s): 桝谷貴洋、宇野晋平、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会第46回討論会
• [Presentation] コレラ菌Na+輸送型NADH-キノン酸化還元酵素の阻害剤コロルミシンの結合部位の同定 (2020)
  • Author(s): 桝谷貴洋、佐野祐樹、田中比奈子、伊藤剛、Blanca Barquera、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農薬学会第45回大会、2020年3月、大阪府立大学（コロナウイルス感染拡大により中止）
• [Presentation] 抗がん剤候補化合物IACS-010759の呼吸鎖複合体-Iにおける作用機構 (2020)
  • Author(s): 辻諄人、赤尾拓海、桝谷貴洋、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農薬学会第45回大会、2020年3月、大阪府立大学（コロナウイルス感染拡大により中止）
• [Presentation] 人工キノン類を用いたミトコンドリア呼吸鎖複合体-Iのキノン結合ポケットの構造特性の解明 (2020)
  • Author(s): 宇野晋平、桝谷貴洋、新澤-伊藤恭子、志波智生、稲岡健ダニエル、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農薬学会第45回大会、2020年3月、大阪府立大学（コロナウイルス感染拡大により中止）
• [Presentation] コレラ菌Na+輸送型NADH-キノン酸化還元酵素の特異的化学修飾法の検討 (2020)
  • Author(s): 石川萌、桝谷貴洋、村井正俊、Blanca Bqrquera、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会、2020年3月、九州大学（コロナウイルス感染拡大により中止）
• [Presentation] コレラ菌Na+輸送型NADH-キノン酸化還元酵素の阻害剤オーラシンの結合部位の同定 (2020)
  • Author(s): 佐野祐樹、桝谷貴洋、村井正俊、Blanca Bqrquera、三芳秀人、
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会、2020年3月、九州大学（コロナウイルス感染拡大により中止）
• [Presentation] 人工キノン類を用いたミトコンドリア呼吸鎖複合体-Iのキノン結合ポケットの構造特性の解明、 (2020)
  • Author(s): 宇野晋平、桝谷貴洋、新澤-伊藤恭子、志波智生、稲岡健ダニエル、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会、2020年3月、九州大学（コロナウイルス感染拡大により中止）
• [Presentation] 抗がん剤候補化合物IACS-010759のミトコンドリア呼吸鎖複合体-Iにおける作用機構 (2020)
  • Author(s): 辻諄人、桝谷貴洋、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会、2020年3月、九州大学（コロナウイルス感染拡大により中止）
• [Presentation] ミトコンドリア呼吸鎖複合体-Iの機能解明を目指した生物有機化学的研究 (2019)
  • Author(s): 村井正俊
  • Organizer: 日本農芸化学会関西支部例会（第508講演会）、2019年6月、京都府立大学
  • Invited
• [Presentation] ミトコンドリア呼吸鎖複合体-I のキノン/阻害剤結合ポケットの構造特性の解明 (2019)
  • Author(s): 宇野晋平、木村洋則、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会関西支部例会（第508講演会）、2019年6月、京都府立大学
• [Presentation] 出芽酵母ミトコンドリアVDAC1を特異的に阻害するペンテンジオ ール類の作用機構研究 (2019)
  • Author(s): 運天優歩、村井正俊、山本武範、一丸直哉、篠原康雄、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会関西・中部支部2019年度合同大会、2019年9月、神戸大学
• [Presentation] 人工キノンを用いた呼吸鎖複合体-Iのキノン結合ポケットの構造特性の解明 (2019)
  • Author(s): 宇野晋平、桝谷貴洋、新澤-伊藤恭子、志波智生、稲岡健ダニエル、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会第45回討論会、2019年12月、九州工業大学
• [Presentation] 出芽酵母ミトコンドリアVDAC1を特異的に阻害するペンテンジオール類の作用機構研究 (2019)
  • Author(s): 運天優歩、村井正俊、山本武範、篠原康雄、一丸直哉、三芳秀人
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会第45回討論会、2019年12月、九州工業大学
• [Presentation] ミトコンドリア呼吸鎖複合体-Iからの活性酸素発生を抑制する化合物群（S1QEL類）の作用機構研究 (2019)
  • Author(s): 村井正俊、馬場敦志、辻諄人、三芳秀人
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会第45回討論会、2019年12月、九州工業大学
• [Presentation] ミトコンドリア呼吸鎖複合体-Iのキノン/阻害剤結合ポケットの構造特性の解明 (2019)
  • Author(s): 宇野晋平、木村洋則、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農薬学会第44回大会
• [Presentation] 呼吸鎖複合体-Iからの活性酸素を抑制する化合物群（S1QEL類）の作用機構研究 (2019)
  • Author(s): 馬場敦志、辻諄人、木村洋則、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農薬学会第44回大会
• [Presentation] エポキシシクロヘキセンジオン類によるミトコンドリアADP/ATP輸送体の凝集メカニズムの解明 (2019)
  • Author(s): 青山綾希、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2019年度大会
• [Presentation] 合成キノン類を用いた呼吸鎖複合体-Iのキノン結合ポケットの構造特性の解明 (2019)
  • Author(s): 宇野晋平、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2019年度大会
• [Presentation] ペンテンジオール類は出芽酵母ミトコンドリアVDAC1を特異的に阻害する (2019)
  • Author(s): 運天優歩、村井正俊、一丸直哉、山本武範、篠原康雄、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2019年度大会
• [Presentation] ミトコンドリア呼吸鎖複合体-Iにおけるアミロライド類の結合部位の同定 (2019)
  • Author(s): 木村洋則、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2019年度大会
• [Presentation] ミトコンドリア呼吸鎖複合体-Iからの活性酸素発生を抑制する化合物群（S1QEL類）の作用機構研究 (2019)
  • Author(s): 馬場敦志、辻諄人、村井正俊、三芳秀人
  • Organizer: 日本農芸化学会2019年度大会
• [Presentation] ミトコンドリア呼吸鎖複合体-Iのユビキノン結合ポケットの構造特性 (2018)
  • Author(s): 村井正俊、桝谷貴洋、三芳秀人
  • Organizer: 日本農薬学会第43回大会
• [Presentation] ミトコンドリアADP/ATP 輸送体の新規阻害剤エポキシシクロヘキセンジオン類の作用機構研究 (2018)
  • Author(s): 青山綾希、村井正俊、一丸直哉、三芳秀人
  • Organizer: 日本農薬学会第43回大会
• [Presentation] Epoxycyclohexenedione-type compounds make up a new class of inhibitors of the bovine mitochondrial ADP/ATP carrier (2018)
  • Author(s): Aoyama A, Murai M and Miyoshi, H
  • Organizer: 19th European Bioenergetics Conference (EBEC2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characterization of the quinone-binding pocket of mitochondrial respiratory complex I through specific chemical modifications (2018)
  • Author(s): Murai M, Masuya T and Miyoshi H
  • Organizer: 19th European Bioenergetics Conference (EBEC2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ケミカルバイオロジーで紐解く呼吸鎖複合体-I のキノン結合ポケットの 構造特性 (2018)
  • Author(s): 村井正俊、宇野晋平、木村洋則、三芳秀人
  • Organizer: 日本生体エネルギー研究会 第44回討論会
• [Presentation] ミトコンドリア呼吸鎖複合体-Iの機能解明を目指した生物有機化学的研究：低分子化合物で紐解く巨大タンパク質の構造と機能 (2018)
  • Author(s): 村井正俊
  • Organizer: 有機化学研究会（白鷺セミナー）第84回講演会
  • Invited
• [Remarks] 所属研究室HP
  • URL: http://www.biofunc-chem.kais.kyoto-u.ac.jp
• [Remarks] Google Scholar
  • URL: https://scholar.google.co.jp/citations?user=I66ybkoAAAAJ&hl=ja
• [Remarks] Google Schalor
  • URL: https://scholar.google.co.jp/citations?user=I66ybkoAAAAJ&hl=ja
• [Remarks] 所属研究室ホームページ
  • URL: http://www.biofunc-chem.kais.kyoto-u.ac.jp
• [Remarks] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/read0145924/