Development of a novel inhibitor cocktail targeting peptidases from sugar non-fermentative bacteria

• Project/Area Number: 19H02876
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38020:Applied microbiology-related
• Research Institution: Kitasato University (2020-2022); Showa University (2019)
• Principal Investigator: Tanaka Nobutada 北里大学, 薬学部, 教授 (00286866)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000); Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2019: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
• Keywords: 糖非発酵性細菌 / ペプチダーゼ / 立体構造 / 抗菌剤 / ドラッグデザイン / 結晶構造解析 / 歯周病 / 多剤耐性菌

Outline of Research at the Start

糖非発酵性グラム陰性細菌は、ブドウ糖ではなく、蛋白質やペプチドをエネルギー源とする。近年同定されたS46型ペプチダーゼ類は、ヒトに存在しないジペプチジルペプチダーゼであり、細菌ペリプラズムにおいて他のペプチダーゼ類と協調的に種々のペプチドを分解する。本研究では、新規作用機序の抗菌剤を開発するため、歯周病原因菌あるいは多剤耐性菌等の糖非発酵性細菌が持つS46ペプチダーゼ類に関する生化学的解析や立体構造解析、in silico, in vitro両面での阻害剤探索と酵素／阻害剤複合体の立体構造解析に基づく阻害剤の構造最適化研究を展開する。

Outline of Final Research Achievements

Peptidases belonging to the S46 family are absent in humans and are ideal targets for novel antibiotics. In the case of dipeptidyl peptidase 11 (PgDPP11) from the periodontopathogen Porphyromonas gingivalis, we found a completely novel skeleton of PgDPP11 inhibitor based on a pharmacophore model of the binding mode of SH-5, a nonpeptidic PgDPP11 inhibitor found in our previous studies. For DPP7 from the multidrug-resistant Stenotrophomonas maltophilia, we elucidated the molecular mechanism of substrate preference at the S2 subsite by biochemical analyses and high-resolution crystal structure analyses of the complex with four kinds of dipeptides. SmDPP7 prefers more bulky amino acids as P2 residues, but exceptionally, it can successfully recognize asparagine side chains by a hydrogen bond network.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

歯周病原因菌Porphyromonas gingivalisや多剤耐性菌Stenotrophomonas maltophiliaは糖ではなく蛋白質やペプチドをエネルギー源とする「糖非発酵性細菌」である。従って、これらの菌のペプチド代謝経路を阻害するような化合物は新規抗生物質と成り得る。従って、本研究の学術的意義は、糖非発酵性細菌を標的とした新規抗生物質開発に繋がるものである。また、本研究の社会的意義として、製薬企業は感染症関連研究に対して消極的なため大学研究者による抗生物質開発に繋がる基盤研究は社会的に極めて重要であることを強調したい。

Research Products

• [Journal Article] 5-<i>C</i>-Branched Deoxynojirimycin: Strategy for Designing a 1-Deoxynojirimycin-Based Pharmacological Chaperone with a Nanomolar Affinity for Pompe Disease (2022)
  • Author(s): Kato Atsushi、Nakagome Izumi、Kanekiyo Uta、Lu Tian-Tian、Li Yi-Xian、Yoshimura Kosuke、Kishida Mana、Shinzawa Kenta、Yoshida Tomoki、Tanaka Nobutada、Jia Yue-Mei、Nash Robert J.、Fleet George W. J.、Yu Chu-Yi
  • Journal Title: Journal of Medicinal Chemistry Volume: 65 Issue: 3 Pages: 2329-2341
  • DOI: 10.1021/acs.jmedchem.1c01673
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural basis for an exceptionally strong preference for asparagine residue at the S2 subsite of Stenotrophomonas maltophilia dipeptidyl peptidase 7 (2021)
  • Author(s): 22)Akihiro Nakamura, Yoshiyuki Suzuki, Yasumitsu Sakamoto, Saori Roppongi, Chisato Kushibiki, Natsuri Yonezawa, Masato Takahashi, Yosuke Shida, Hiroaki Gouda, Takamasa Nonaka, Nobutada Tanaka, Wataru Ogasawara
  • Journal Title: scinentific reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 7929-7929
  • DOI: 10.1038/s41598-021-86965-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Novel angular naphthopyrone formation by Arp1p dehydratase involved in <i>Aspergillus fumigatus</i> melanin biosynthesis (2021)
  • Author(s): Nambu Natsuki、Tsai Huei‐Fung、Chang Yun C.、Kwon‐Chung K. J.、Yoshida Tomoki、Tanaka Nobutada、Tomoda Hiroshi、Ebizuka Yutaka、Fujii Isao
  • Journal Title: Environmental Microbiology Reports Volume: 13 Issue: 6 Pages: 822-829
  • DOI: 10.1111/1758-2229.13013
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fragment-based discovery of the first non-peptidyl inhibitor for dipeptidyl aminopeptidase with chymotrypsin-like domain from pathogens (2020)
  • Author(s): Sakamoto, Y., Suzuki, Y., Nakamura, A., Sekiya, M., Ogasawara, W., & Tanaka, N.
  • Journal Title: Photon Factory Highlights 2019 Volume: - Pages: 56-57
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fragment-based discovery of the first nonpeptidyl inhibitor of an S46 family peptidase (2019)
  • Author(s): YasumitsuSakamoto,YoshiyukiSuzuki,AkihiroNakamura,YurieWatanabe,MizukiSekiya,SaoriRoppongi,ChisatoKushibiki,IppeiIizuka,OsamuTani,HitoshiSakashita,KojiInaka,HiroakiTanaka,MitsuguYamada,KazunoriOhta,NobuyukiHonma,YosukeShida,WataruOgasawara,MayumiNakanishi-Matsui,TakamasaNonaka,HiroakiGouda & NobutadaTanaka
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 13587-13587
  • DOI: 10.1038/s41598-019-49984-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] STRUCTURE AND SUBSTRATE RECOGNITION MECHANISM OF S46 PEPTIDASES (2023)
  • Author(s): Nobutada Tanaka, Yasumitsu Sakamoto, Akihiro Nakamura, Yoshiyuki Suzuki, and Wataru Ogasawara
  • Organizer: 12th GENERAL MEETING OF THE INTERNATIONAL PROTEOLYSIS SOCIETY
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fragment-based discovery of the first nonpeptidyl inhibitor of dipeptidyl peptidase 11 from Porphyromonas gingivalis (2023)
  • Author(s): Nobutada Tanaka, et al., and Yasumitsu Sakamoto
  • Organizer: 26th Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A water-mediated hydrogen bond network facilitates an exceptionally strong preference for asparagine in the S2 subsite of dipeptidyl peptidase 7 from Stenotrophomonas maltophilia (2023)
  • Author(s): Yasumitsu Sakamoto, et al., and Nobutada Tanaka
  • Organizer: 26th Congress and General Assembly of the International Union of Crystallography
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多剤耐性菌Stenotrophomonas maltophilia DPP7に対する抗菌薬開発に向けた阻害剤開発の構造基盤 (2022)
  • Author(s): 阪本泰光, 中村彰宏, 鈴木義之, 六本木沙織, 櫛引千里, 米澤 夏里, 高橋聖人, 志田洋介, 合田浩明, 野中孝昌, 田中信忠, 小笠原渉
  • Organizer: 日本薬学会第142年会
• [Presentation] インシリコ・フラグメントマッピング法によるタンパク質-タンパク質間相互作用阻害剤の探索 (2022)
  • Author(s): 小澤 新一郎, 北村 祐万, 広野 修一, 田中 信忠
  • Organizer: 日本薬学会第142年会
• [Presentation] In silico フラグメントマッピング法を利用したマラリア原虫の酵素pfDXRに対する新規阻害剤の探索 (2022)
  • Author(s): 中込 泉, 長谷川 桃子, 山乙 教之, 田中 信忠
  • Organizer: 日本薬学会第142年会
• [Presentation] アロステリック・サイトは正に荷電したアミノ酸残基を好む (2022)
  • Author(s): 山乙 教之, 茂原 理沙, 木村 亮祐, 田中 信忠
  • Organizer: 日本薬学会第142年会
• [Presentation] 水和サイト解析を用いたTRIM24阻害剤のバーチャルスクリーニング (2022)
  • Author(s): 吉田 智喜, 田中 信忠
  • Organizer: 日本薬学会第142年会
• [Presentation] In silico解析と親和性測定に基づいたlysosomal acid α-glucosidase (GAA)選択特性を有するイミノ糖のデザイン研究 (2022)
  • Author(s): 加藤敦, 中込泉, 畑瑞希, 新澤健太, 名取良浩, 吉村祐一, 田中 信忠
  • Organizer: 日本薬学会第142年会
• [Presentation] Development of a 3DPharmacophore Model for P-gpSubstrates using in silico Fragment Mapping Method (2021)
  • Author(s): Harutoshi Kato, Noriyuki Yamaotsu, Mika Nabeno, Nao Torimoto, Haruko Miyoshi, Tomoko Watanabe, NobutadaTanaka, Shuichi Hirono
  • Organizer: 日本薬物動態学会第36回年会
• [Presentation] タンパク質-フラグメント複合体X線構造に基づくin silicoフラグメント・マッピング法 (2021)
  • Author(s): 山乙 教之, 広野 修一, 田中 信忠
  • Organizer: 第49回構造活性相関シンポジウム
• [Presentation] インフルエンザウイルスRNAポリメラーゼのサブユニット間相互作用阻害剤のバーチャルスクリーニング (2021)
  • Author(s): 大岩 瑞季, 小澤 新一郎, 田中 信忠
  • Organizer: 第49回構造活性相関シンポジウム
• [Presentation] In silicoフラグメントマッピング法を用いた新規ATAD2阻害剤の探索 (2021)
  • Author(s): 越智拓仁, 吉田智喜, 田中信忠
  • Organizer: 第49回構造活性相関シンポジウム
• [Presentation] 水和サイト解析を用いたリガンドドッキング計算精度向上のための試み (2021)
  • Author(s): 吉田智喜、広野修一、田中信忠
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] 実験的に決定されたタンパク質-フラグメント複合体立体構造に基づくin silicoフラグメント・マッピング法の開発 (2021)
  • Author(s): 山乙教之、広野修一、田中信忠
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] ポンペ病の原因酵素であるGAAの変異部位がDNJのシャペロン効果に及ぼす影響について (2021)
  • Author(s): 加藤敦、今枝秀貴、畑瑞希、中込泉、広野修一、田中信忠
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] ゴーシェ病治療薬の開発を目指したたβ-glucocerebrosidaseに対する新規allosteric activatorの探索 (2021)
  • Author(s): 中込泉、加藤敦、廣瀬花穂、島立優奈、畑瑞希、山乙教之、田中信忠、広野修一
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] 多剤耐性菌Stenotrophomonas maltophiliaに抗菌活性を示すジペプチド誘導体の開発 (2021)
  • Author(s): 日高興士、橋本大聖、関拓海、櫻井有紀、阪本泰光、六本木沙織、關谷瑞樹、中村彰宏、鈴木義之、小笠原渉、田中信忠、宮崎杏奈、北條恵子、津田裕子
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] キモトリプシン様ペプチダーゼを標的とするフラグメント創薬による非ペプチド系阻害剤の探索 (2021)
  • Author(s): 阪本泰光、鈴木義之、中村彰宏、關谷瑞樹、六本木沙織、櫛引千里、谷修、山田貢、本間宣行、志田洋介、小笠原渉、中西真弓、野中孝昌、合田浩明、田中信忠
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] 病原性細菌由来Dipeptidyl peptidaseの基質P2残基の嗜好性と認識機構の分子基盤 (2021)
  • Author(s): 中村彰宏、阪本泰光、鈴木義之、六本木沙織、志田洋介、田中信忠、小笠原渉
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度大会
• [Presentation] Development of antimicrobial dipeptides targeting dipeptidyl peptidase 7 of Stenotrophomonas maltophilia (2020)
  • Author(s): Koushi Hidaka, Taisei Hashimoto, Takumi Seki, Yuki Sakurai, Yasumitsu Sakamoto, Saori Roppongi, Mizuki Sekiya, Akihiro Nakamura, Wataru Ogasawara, Yoshiyuki Suzuki, Nobutada Tanaka, Anna Miyazaki, Keiko Hojo, & Yuko Tsuda
  • Organizer: 第57回ペプチド討論会
• [Presentation] 感染症治療薬開発を目指したタンパク質の立体構造解析 (2020)
  • Author(s): 田中信忠
  • Organizer: 東京工業大学化学生命科学研究所講演会
  • Invited
• [Presentation] タンパク質の立体構造に基づく分子機構解明と阻害剤開発 (2020)
  • Author(s): 田中信忠
  • Organizer: 第45回白金シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Fragment-based discovery of inhibitory compounds of bacterial proteases for the development of the noel antibiotics. (2019)
  • Author(s): Akihiro Nakamura et al., Nobutada Tanaka, and Wataru Ogasawara
  • Organizer: Tsukuba Conference 2019
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 新しいタイプの抗菌薬開発につながる化合物発見に「きぼう」で作られたタンパク質結晶が貢献
  • URL: https://iss.jaxa.jp/kiboexp/news/190930.html
• [Remarks] 田中信忠准教授、合田浩明教授が参加する共同研究グループが歯周病菌の増殖を抑制する化合物を発見しました
  • URL: https://www.showa-u.ac.jp/news/nid00000331.html
• [Remarks] 高分解能立体構造解析に基づいた、多剤耐性菌や歯周病菌に特異的な阻害剤の探索に成功
  • URL: https://www2.kek.jp/imss/news/2019/topics/0924dpp11/