Exploration of vitamin D metabolites involved in the maintenance of bone metabolic balance

• Project/Area Number: 22K19101
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 37:Biomolecular chemistry and related fields
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 長澤 和夫 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10247223)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 廃用性骨粗鬆症 / ビタミンD代謝物 / 重水素標識化合物 / LC-MS/MS解析 / 骨代謝 / ビタミンDメタボローム解析

Outline of Research at the Start

クマの冬眠期で観察される「力学負荷のない状態で正常な骨代謝が持続する現象」に関し、これを制御する鍵化合物をビタミンD (VD) 代謝物から探索する。本探索では、活動期および冬眠期のクマの血清を用い、VD代謝物のメタボローム解析を行う。さらに探索したVD代謝物の破骨細胞分化抑制活性を評価し、目的とする代謝物を突き止める。得られる成果は、廃用性骨粗鬆症の克服に寄与する。

Outline of Annual Research Achievements

哺乳類の骨密度は「破骨細胞による骨破壊」と「骨芽細胞による骨形成」からなる骨代謝バランスにより厳密に制御されている。ヒトの場合、骨代謝のバランスはビタミンD (以下VD)やビタミンKなどの栄養素、また運動等による骨への力学負荷 (運動負荷)により調節される。特に力学負荷が減弱すると、骨破壊 (骨量の減少)が異常に亢進することで骨代謝バランスが破綻し、廃用性骨粗鬆症になる。本疾患は、入院や加齢等で寝たきり状態の継続、また宇宙滞在時の微小重力環境により引き起こされ、現代の高齢化社会の喫緊の課題である。これまで本疾患に関し、実験室レベルで検証可能な力学負荷の加重による骨代謝機構が精力的に研究されている。一方、力学負荷の減弱で亢進する骨破壊機構は依然不明である。本研究では、一部の哺乳動物が冬眠環境等で力学負荷が減弱した状態で廃用性骨粗鬆症が観察されないことに着目し、当該動物の活動期と冬眠期での血中における、骨代謝に重要なVD代謝物群の各濃度を調べることで、廃用性骨粗鬆症の亢進を阻害する鍵化合物をVD代謝物群の中から同定することを目的とした。また、見出した代謝物の金または骨細胞での機能について検証することを目的とした。
血中からVD代謝物群の各濃度を測定するためには、LC-MS/MS法を用いるが、これらの濃度を正確に測定するためには、各VD代謝物の重水素標識化された誘導体が必要になる。昨年度までに、重水素化標識VD代謝物の合成法を開発した。また合成した標識代謝物類を用い、冬眠動物の活動期と冬眠期の血清サンプルからVD代謝物群の濃度を比較することで、両時期で濃度が異なる代謝物を同定した。本化合物の筋芽細胞に対する予備的評価を行い興味深い結果を得た。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

昨年度までに、重水素標識を行ったビタミンD誘導体の合成法の開発を行うことができた。本年度は本手法を基盤に、１０種類のビタミンD代謝物の合成を新規に行うった。合成においては、昨年度までに開発した手法に従い、複数の重水素が導入されたA環等価体を合成し、これを代謝物のCD環構造を有するシントンと系統的にカップリングすることで、D 化VD代謝物を系統的に合成することができた。
合成した化合物を用い、冬眠動物の活動期と冬眠期の血清サンプルからVD代謝物群の濃度を比較した。その結果、代謝物の一つについて、これらの両時期で濃度が大きく異なるものを発見した。そこで本代謝物を再度化学合成し、これを用いて、筋芽細胞への影響を評価した。その結果、当該代謝物は大変興味深いことに、活性型ビタミンDとして知られる1,25Dとほぼ同様の活性（詳細は論文化後に公表予定）を示すことがわかった。

Strategy for Future Research Activity

昨年は、冬眠期において活動期とは異なり高濃度で存在するビタミンD代謝物を発見することができた。またこの代謝物の筋芽細胞に対する予備的知見を得ることができた。これらの結果をもとに、当該代謝物のRNA量の変動やタンパク質の変動を調べる。また当該代謝物をプローブ化して、ケミカルバイオロジ－の手法によりその標的タンパク質の同定を計画し、その作用機序の解明についても検討を行う。

Research Products

• [Journal Article] Differential gene regulation by a synthetic vitamin D receptor ligand and active vitamin D in human cells (2023)
  • Author(s): Iwaki Miho、Kanemoto Yoshiaki、Sawada Takahiro、Nojiri Koki、Kurokawa Tomohiro、Tsutsumi Rino、Nagasawa Kazuo、Kato Shigeaki
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 18 Issue: 12 Pages: 0295288-0295288
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0295288
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Differential Metabolic Stability of 4α,25- and 4β,25-Dihydroxyvitamin D3 and Identification of Their Metabolites (2023)
  • Author(s): Mizumoto Yuka、Sakamoto Ryota、Iijima Kazuto、Nakaya Naoto、Odagi Minami、Tera Masayuki、Hirokawa Takatsugu、Sakaki Toshiyuki、Yasuda Kaori、Nagasawa Kazuo
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 13 Issue: 7 Pages: 1036-1036
  • DOI: 10.3390/biom13071036
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis of Deuterium-Labeled Vitamin D Metabolites as Internal Standards for LC-MS Analysis (2022)
  • Author(s): Nagata Akiko、Iijima Kazuto、Sakamoto Ryota、Mizumoto Yuka、Iwaki Miho、Takiwaki Masaki、Kikutani Yoshikuni、Fukuzawa Seketsu、Odagi Minami、Tera Masayuki、Nagasawa Kazuo
  • Journal Title: Molecules Volume: 27 Issue: 8 Pages: 2427-2427
  • DOI: 10.3390/molecules27082427
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Controlled lipid β-oxidation and carnitine biosynthesis by a vitamin D metabolite (2022)
  • Author(s): Mendoza, A., Takemoto, Y., Cruzado, KT., Masoud, SS., Nagata, A., Tantipanjaporn, A., Okuda, S., Kawagoe, F., Sakamoto, R., Odagi, M., Mototani, S., Togashi, M., Kawatani, M., Aono, H., Osada, H., Nakagawa, H., Higashi, T., Kittaka, A., Nagasawa, K., Uesugi, M.
  • Journal Title: Cell Chem Biol. Volume: 29 Issue: 4 Pages: 660-669
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2021.08.008
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] ビタミンDラクタム誘導体 (DLAM) の 立体選択的合成及び活性評価 (2023)
  • Author(s): 堤梨乃, 岩城海帆, 坂本良太, 澤田崇広, 加藤茂明, 長澤和夫
  • Organizer: 有機合成化学協会 第84回関東支部シンポジウム
• [Presentation] ビタミンD受容体リガンド類の合成とクロマチン構造変化の解析 (2023)
  • Author(s): 堤梨乃, 岩城海帆, 坂本良太, 澤田崇広, 加藤茂明, 長澤和夫
  • Organizer: 先端モデル動物支援プラットフォーム 若手支援技術講習会
• [Presentation] シトクロムP450によるビタミンD3ラクトンの代謝物探索と構造解析 (2023)
  • Author(s): 飯島一翔,坂本良太,永田亜希子,水本結花,仲谷尚人,安田佳織,榊利之,福沢世傑,滝脇正貴,菊谷善國,小田木陽,寺正行,長澤和夫
  • Organizer: 日本化学会 第103回春季年会
• [Presentation] ホモアレニルボロン酸エステルの1,3-ホウ素転移反応によるボリルジエンの新規合成法の開発 (2023)
  • Author(s): 坂本良太,小田木陽,長澤和夫
  • Organizer: 日本化学会 第103回春季年会
• [Presentation] 環境応答型蛍光分子を有する蛍光ビタミンDプローブの開発 (2023)
  • Author(s): 岩城 海帆、坂本 良太、堤 梨乃、澤田 崇広、加藤 茂明、長澤 和夫
  • Organizer: 日本薬学会 第143回年会
• [Presentation] 重水素標識されたビタミンD3代謝産物群の合成 (2022)
  • Author(s): 飯島 一翔,永田 亜希子,坂本 良太,水本 結花,滝脇 正貴,菊谷 善國,福沢 世傑,小田木 陽,寺 正行,長澤 和夫
  • Organizer: 第38回有機合成化学セミナー
• [Presentation] Development of vitamin D3 derivates with environment fluorescent molecules (2022)
  • Author(s): Miho Iwaki, Ryota Sakamoto, Rino Tsutsumi, Shigeaki Kato, Kazuo Nagasawa
  • Organizer: The 24 th vitamin D work shop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stereoselective synthesis of lactone-vitamin D3 and identification of its binding protein (2022)
  • Author(s): Ryota Sakamoto, Akiko Nagata, Shadi Sedghi Masoud, Minami Odagi, Aileen Mendoza, Yasushi Takemoto, Atsushi Kittaka, Motonari Uesugi, Kazuo Nagasawa
  • Organizer: The 24 th vitamin D work shop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 環境応答型蛍光分子を有する蛍光ビタミンDプローブの開発 (2022)
  • Author(s): Miho Iwaki, Ryota Sakamoto, Rino Tsutsumi, Takahiro Sawada, Shigeaki Kato, Kazuo Nagasawa
  • Organizer: 第33回日本レチノイド研究会学術集会