Chemoproteomics and molecular dynamics simulation-based drug discovery platforms for chemoprevention

• Project/Area Number: 22K10489
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 58020:Hygiene and public health-related: including laboratory approach
• Research Institution: Kyoto Prefectural University of Medicine
• Principal Investigator: 渡邉 元樹 京都府立医科大学, 医学(系)研究科(研究院), 講師 (40723581)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 亀田 倫史 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 上級主任研究員 (40415774)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: がん予防 / 天然化合物 / ケモプロテオミクス / 分子動力学シミュレーション / がん予防学 / がん腫瘍学 / 食品成分

Outline of Research at the Start

世界的にみても、これまでに実践的ながん予防創薬法を確立した例がないのが現状である。本研究課題は、ケモプロテオミクスを用いて、がん予防標的分子を明らかにすると同時に、スーパーコンピューターを用いた、タンパク質-化合物の結合予測スクリーニングの先端技術（分子動力学シミュレーション）を取り入れることで、がん予防創薬に必要なヒット化合物を一挙に得ることが可能となり、得られたヒット化合物を最適化することで、迅速かつ効率的にリード化合物を見出すことを目標とする。以上の創薬戦略は、がん化学予防の社会実装を視野に入れた、世界的にみても類を見ない全く新しい独自のがん予防創薬基盤の創製になりうるものと考えている。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、天然化合物の結合タンパク質を網羅的に解析するケモプロテオミクスの技術と、計算構造生物学による分子動力学（MD）シミュレーションを組み合わせることで、これまで前例のないがん予防創薬の基盤確立を目指す研究課題であり、初年度の令和4年度は次に示す通り、当初の計画以上に順調な進捗を示した。まず文献ベース及び申請者の実績ベースに、がん予防効果を有するテスト化合物として、ゴマ油の成分であるsesaminolと、シソやハーブに含有されるperillyl alcohol (POH)を選択した。両化合物はともにヒト大腸がん細胞株やヒト肺がん細胞株に対し、著明な細胞増殖抑制効果を示した。次にsesaminolとPOHを各々ナノ磁性ビーズに固定化し、がん細胞抽出液と反応させ、両化合物の結合タンパク質を精製し銀染色を行ったところ、両化合物に共通の結合タンパク質を示す20KDa近傍のバンドを同定した。そのバンドを質量分析計にて解析したところ、これまで固形がんとの関連が報告されていなかったリボゾームタンパク質ribosomal protein S5 (RPS5)であることが判明した。siRNAを用いてRPS5を発現枯渇させたところ、がん細胞の増殖は著明に抑制され、また公共データベース解析により、RPS5の高発現は大腸がんや肺がんの予後不良因子であることも確認できた。そこでRPS5と、そのリガンドであるsesaminolやPOHとの結合様式について、スーパーコンピュターを用いたドッキングシミュレーションを行ったところ、両化合物ともRPS5がリボゾーム形成時には露出していない面に結合することが示された。即ち、これは両化合物がfreeのRPS5に結合し、近年、注目のリボゾームタンパク質のextraribosomal functionに影響することで、抗腫瘍効果を発揮する可能性が示唆された。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本課題に注力するに当たり、採択前より事前に文献ベースでのテスト化合物のサーベイランスや、研究代表者の専門であるケモプロテオミクスの実験系の構築は言うに及ばず、スーパーコンピューターを用いた化合物とその結合タンパク質のドッキングシミュレーションがうまく作動するかなどの予備検討はほぼ完了していたことが、プロジェクトのスムーズなキックオフに繋がった。

Strategy for Future Research Activity

（１）当初の計画通り、セサミノールとPOHを用いた実験系はスムーズに動くことが確認されたため、さらにがん予防天然化合物の候補物質を増やし、同様の手法で検証範囲を拡大していく。
（２）今回得られたがん予防標的分子候補のRPS5に対し、細胞分子生物学的及び構造生物学的観点から、その機能や構造について、さらに詳細な解析を行い、RPS5ががん予防の真の標的分子として適切であるかどうかについて慎重に検証する。
（３）②の検証結果も踏まえ、スーパーコンピューターを用いた分子動力学シミュレーションによるRPS5リガンドスクリーニングを本格的に進めていく。

Research Products

• [Journal Article] A chemoproteoinformatics approach demonstrates that aspirin increases sensitivity to MEK inhibition by directly binding to RPS5 (2022)
  • Author(s): Watanabe Motoki、Boku Shogen、Kobayashi Kaito、Kurumida Yoichi、Sukeno Mamiko、Masuda Mitsuharu、Mizushima Katsura、Kato Chikage、Iizumi Yosuke、Hirota Kiichi、Naito Yuji、Mutoh Michihiro、Kameda Tomoshi、Sakai Toshiyuki
  • Journal Title: PNAS Nexus Volume: 1 Issue: 2
  • DOI: 10.1093/pnasnexus/pgac059
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Stabilization of CDK6 by ribosomal protein uS7, a target protein of the natural product fucoxanthinol (2022)
  • Author(s): Iizumi Yosuke, Sowa Yoshihiro, Goi Wakana, Aono Yuichi, Watanabe Motoki, Kurumida Yoichi, Kameda Tomoshi, Akaji Kenichi, Kitagawa Masatoshi, Sakai Toshiyuki.
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 5 Issue: 1 Pages: 564-564
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03522-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Citrus limon L.-Derived Nanovesicles Show an Inhibitory Effect on Cell Growth in p53-Inactivated Colorectal Cancer Cells via the Macropinocytosis Pathway (2022)
  • Author(s): Takakura Hideki、Nakao Toshimasa、Narita Takumi、Horinaka Mano、Nakao-Ise Yukako、Yamamoto Tetsushi、Iizumi Yosuke、Watanabe Motoki、Sowa Yoshihiro、Oda Keisuke、Mori Nobuhiro、Sakai Toshiyuki、Mutoh Michihiro
  • Journal Title: Biomedicines Volume: 10 Issue: 6 Pages: 1352-1352
  • DOI: 10.3390/biomedicines10061352
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] A chemoproteoinformatics approach demonstrates that aspirin increases sensitivity to MEK inhibition by directly binding to RPS5 (2023)
  • Author(s): Shogen Boku, Motoki Watanabe, Tomoshi Kameda
  • Organizer: The 6th International Cancer Research Symposium
  • Invited
• [Presentation] OH基を有する化合物の標的タンパク質同定法の開発と作用機序解明 (2023)
  • Author(s): 飯泉陽介, 曽和義広, 後居和佳奈, 青野裕一, 渡邉元樹, 来見田遥一, 亀田倫史, 赤路健一, 北川雅敏, 酒井敏行
  • Organizer: 第22回分子予防環境医学研究会
• [Presentation] OH基を有する化合物の標的タンパク質同定法の開発と抗がん作用の機序解明 (2023)
  • Author(s): 飯泉陽介, 曽和義広, 後居和佳奈, 青野裕一, 渡邉元樹, 来見田遥一, 亀田倫史, 赤路健一, 北川雅敏, 酒井敏行
  • Organizer: 日本農芸化学会2023年度大会
• [Presentation] A chemoproteoinformatics approach demonstrates that aspirin increases sensitivity to MEK inhibition by directly binding to RPS5 (2023)
  • Author(s): Shogen Boku, Motoki Watanabe, Kaito Kobayashi, Yoichi Kurumida, Mamiko Sukeno, Mitsuharu Masuda, Katsura Mizushima, Chikage Kato, Yosuke Iizumi, Kiichi Hirota, Yuji Naito, Michihiro Mutoh, Tomoshi Kameda, Toshiyuki Sakai
  • Organizer: 第20回日本臨床腫瘍学会学術集会
• [Presentation] ポストゲノム時代のケモプロテオインフォマティクス創薬戦略 (2022)
  • Author(s): 渡邉 元樹, 朴 将源, 亀田 倫史
  • Organizer: がん予防学術大会2022
  • Invited
• [Presentation] 脾腫が腸ポリープ生成に与える影響（第二報） (2022)
  • Author(s): 成田 匠, 中尾 俊雅, 増田 光治, 曽和 義広, 渡邉 元樹, 飯泉陽介, 宮本 慎吾, 武藤 倫弘
  • Organizer: がん予防学術大会2022
• [Presentation] Prevention of intestinal polyps by Brassicaceae (2022)
  • Author(s): NARITA Takumi, FUJII Gen, MASUDA Mitsuharu, SOWA Yoshihiro, MIYAMOTO Singo, WATANABE Motoki, IIZUMI Yosuke, MUTOH Michihiro
  • Organizer: 第45回日本基礎老化学会大会
• [Presentation] ポストゲノム時代のケモプロテオインフォマティクス創薬戦略 －天然化合物から化学予防剤へ― (2022)
  • Author(s): 渡邉 元樹, 朴 将源, 亀田 倫史
  • Organizer: 第81回日本癌学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Rabdosianone I, a bitter diterpene from an oriental herb Isodon japonicus Hara -Identification of its direct targets in cancer cells and elucidation of anticancer mechanisms of action (2022)
  • Author(s): Motoki Watanabe, Yasumasa Yamada
  • Organizer: 8th International Conference on Food Chemistry & Technology (FCT-2022)
• [Presentation] 植物由来エクソソーム様ナノ粒子による大腸がん予防効果の検討 (2022)
  • Author(s): 高倉 英樹, 小田 啓祐, 中尾 俊雅, 成田 匠, 堀中 真野, 中尾・伊勢 由佳子, 山本 哲志, 飯泉 陽介, 渡邉 元樹, 曽和 義広, 酒井 敏行, 武藤 倫弘, 森 信博
  • Organizer: 第61回日本薬学会・日本薬剤師会・日本病院薬剤師会 中国四国支部学術大会