Development of disease-specific protein-targeting technology

• Project/Area Number: 21K18262
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 50:Oncology and related fields
• Research Institution: Ehime University
• Principal Investigator: 東山 繁樹 愛媛大学, プロテオサイエンスセンター, 教授 (60202272)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小川 敦司 愛媛大学, プロテオサイエンスセンター, 准教授 (30442940)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2024: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2023: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2022: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: K-Ras変異 / がん治療 / DNAアプタマー / タンパク質分解 / ユビキチンリガーゼ / K-Ras / DNA アプタマー / K-Ras 変異 / SPOP / cullin3

Outline of Research at the Start

細胞が内在的に有するタンパク質分解システムの一つにユビキチン・プロテアソームシステムがある。このシステムの一つCUL3-SPOPユビキチンリガーゼを、膵がん、肺がんや大腸がんで高頻度に認められるK-RasG12変異体3種(K-RasG12D/V/C)に指向性を持つようにする基質指向性変換モジュレーター分子を開発し、癌細胞増殖阻止へ応用する。本モジュレーターは１アミノ酸変異も認識しうる人工分子DNAアプタマーをSELEX法にて調製し、SPOPとK-RasG12D/V/Cを架橋することで作成する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、疾患特異的変異タンパク質を任意に標的・分解する共通技術プラットホームを提案・創出し、その有用性と汎用性を示し、実用化を目指す。まず、膵がん、肺がんや大腸がんで高頻度に認められるK-Ras G12変異体３種(K-RasG12D/V/C)を対象事例として、K-RasG12D/V/Cを特異的に分解するCUL3型ユビキチンE3リガーゼ(CUL3 UbE3)の基質指向性変換モジュレーターはSPOPとK-RasG12D/V/Cにそれぞれ特異的に結合するリガンドを創出した後、各リガンドを架橋することで作製する。このリガンド架橋基質指向性変換モジュレーターを目的のがん細胞に導入し、細胞増殖増殖阻止を試みる。
本年度は、昨年度までに取得したK-Ras特異的DNAアプタマー「C-A2」の塩基配列を基に２次構造予測を行い、がん治療薬候補として昨年度に特許公開されたG12D結合DNAアプタマー「NBK2-TG」との構造比較より重要と推定される「C-A2」の特定領域へランダム変異を導入したランダムmC-A2 DNAライブラリーを作成し、K-RasG12DおよびK-RasWTをベイトにしてSELEXを施行し、K-RasG12D特異性の向上を試みた。しかし、残念ながらK-RasG12D特異的DNAアプタマーを濃縮するには至らなかった。
一方、既に取得済みのSPOP結合低分子化合物#533とK-Ras標的DNAアプタマーC-A2を化学架橋し、K-RasG12Dを有する肺がん細胞株 SK-LU-1への導入を試み、K-Rasタンパク質レベルの変動解析、並びに細胞増殖特性の解析を行った。その結果、K-Rasタンパク質の減少と、有意な細胞増殖抑制を観察することができた。今後、さらに、K-RasG12D特異的DNAアプタマーの取得を目指す。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、昨年度までに取得したK-Ras特異的DNAアプタマー「C-A2」の塩基配列を基に２次構造予測を行い、がん治療薬候補として昨年度に特許公開されたG12D結合DNAアプタマー「NBK2-TG」との構造比較より重要と推定される「C-A2」の特定領域へランダム変異を導入したランダムmC-A2 DNAライブラリーを作成し、K-RasG12DおよびK-RasWTをベイトにしてSELEXを施行し、K-RasG12D特異性の向上を試みた。しかし、残念ながらK-RasG12D特異的DNAアプタマーを濃縮するには至らなかった。この点において、今後さらに検討を重ねる必要がある。
一方、既に取得済みのSPOP結合低分子化合物#533とK-Ras標的DNAアプタマーC-A2を化学架橋し、K-RasG12Dを有する肺がん細胞株 SK-LU-1への導入を試み、K-Rasタンパク質レベルの変動解析、並びに細胞増殖特性の解析を行った。その結果、K-Rasタンパク質の減少と、有意な細胞増殖抑制を観察することができた。このことは、本研究の有用性が示されたと評価できる。

Strategy for Future Research Activity

既に取得済みの「C-A2」K-Ras DNAアプタマーとK-RasG12D DNAアプタマー「NBK2-TG」の両者と、K-RasG12DおよびK-RasWTタンパク質との結合シュミレーションをAIにより試みることで、「C-A2」を基盤とした改変の有効性を検証・判定する。また、「NBK2-TG」の２次構造予測を基にしたランダム変異導入ライブラリーを作成し、新たなK-RasG12D特異的DNAアプタマーの取得を継続して試みる。また、SPOPリンカー化合物として#533の代わりに#144, #1991を採用し、その有用性の検証も進める。