Development of chemical catalyst enabling epigenome manipulation

• Project/Area Number: 23K21157
• Project/Area Number (Other): 21H02074 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 37030:Chemical biology-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 川島 茂裕 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 准教授 (40508115)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000); Fiscal Year 2024: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2022: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2021: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: 触媒 / エピゲノム / ヒストン / アシル化 / クロマチン / アセチル化 / CPP

Outline of Research at the Start

本研究では、細胞内においてヒストン修飾酵素のように働く「化学触媒」の開発を目的とする。具体的には、ヒストンのリジン残基を位置選択的にアシル化できる化学触媒を開発し、その化学触媒を細胞および個体に投与することによりエピゲノムを操作することを目指す。さらに、エピジェネティクス関連疾患の代表例の一つである急性白血病に対して、化学触媒を用いた革新的な治療戦略を提示したい。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、細胞内においてヒストン修飾酵素のように働く「化学触媒」の開発を目的とする。
代表者らがこれまでに報告した化学触媒の一つであるLANA-DSHは、独自のDSH触媒にヌクレオソーム結合リガンドLANAを繋いだ化合物であり、LANAがヌクレオソームの酸性領域に結合することにより触媒部位がヒストンH2Bの120番目のリジン残基(H2BK120)に近づき、試験管の中ではH2BK120を選択的にほぼ100%の収率でアシル化することが可能である(Amamoto Y et al. J Am Chem Soc. 2017)。しかし、この触媒は生細胞内において機能しないという大きな問題を抱えていた。昨年度までに種々の問題点の解決に挑み、活性が向上した新規触媒部位BAHAを見出すとともに(Adamson C et al. J Am Chem Soc. 2021）、リガンド部位としては、 LANAにポリエチレングリコール(PEG)を付加することによりペプチダーゼ耐性化することを見出した（Fujiwara Y et al. PNAS 2021)。本年度は、まずこの二つの知見を生かしたPEG-LANA-BAHA触媒を合成し、生細胞内でヒストンアシル化をおこなったが、本触媒は細胞膜透過性が低く、細胞膜透過性を上げる必要があることが明らかとなった。そこで、細胞膜透過性ペプチド（CPP）に着目し、細胞膜透過性のあるヒストンアセチル化触媒の開発を目指した。CPPとして知られている [D-Arg]8、[D-Arg]16、またはCPP44をPEG-LANA-FITCに繋ぐことで、化合物の細胞膜透過性を蛍光顕微鏡を用いて検討した。その結果、 [D-Arg]8を用いた場合では、化合物がエンドソーム内に留まっていたのに対し、[D-Arg]16またはCPP44を繋いだ場合では、化合物がエンドソーム内に留まらず、クロマチンに結合した。次に、これらのCPPをPEG-LANA-BAHAに繋いだ触媒を合成して生細胞内アセチル化反応の検討を行った。その結果、本触媒は培地に添加するだけで細胞膜を透過し期待通りヒストンをアセチル化できることがわかった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

昨年度までに開発した科学触媒は細胞膜透過性がないために、生細胞内に導入するためには、細胞とガラスビーズを混ぜて物理的な刺激を与えることにより一時的に細胞に穴を開けるビーズローディング法が必要であった。そのため、疾患治療への応用は難しかった。本年度は、細胞膜透過性のあるヒストンアセチル化触媒の開発に成功し、がん細胞の培地に触媒を混ぜるだけで、生細胞内のヒストンアセチル化を始めて達成した。よって、現在までの進捗状況は、当初の計画以上に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今後は、CPPをPEG-LANA-BAHAに繋いだ触媒CPP44-PEG-LANA-BAHAによって導入されたヒストンアセチル化が転写等にどのような影響があるか調べ、また触媒によるヒストンアセチル化によって、がん細胞の増殖を阻害することができるかについても検討を進める。

Research Products

• [Journal Article] Improving Drug Sensitivity of HIV-1 Protease Inhibitors by Restriction of Cellular Efflux System in a Fission Yeast Model (2022)
  • Author(s): Zhang Jiantao、Li Qi、Kawashima Shigehiro A.、Nasr Mohamed、Xue Fengtian、Zhao Richard Y.
  • Journal Title: Pathogens Volume: 11 Issue: 7 Pages: 804-804
  • DOI: 10.3390/pathogens11070804
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Live Cell Synthetic Histone Acetylation by Chemical Catalyst (2022)
  • Author(s): Kawashima Shigehiro A.、Kanai Motomu
  • Journal Title: Chromosome Analysis Volume: 0000 Pages: 155-161
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2433-3_17
  • ISBN: 9781071624326, 9781071624333
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Live-cell epigenome manipulation by synthetic histone acetylation catalyst system (2021)
  • Author(s): Fujiwara Yusuke、Yamanashi Yuki、Fujimura Akiko、Sato Yuko、Kujirai Tomoya、Kurumizaka Hitoshi、Kimura Hiroshi、Yamatsugu Kenzo、Kawashima Shigehiro A.、Kanai Motomu
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 118 Issue: 4
  • DOI: 10.1073/pnas.2019554118
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Single-Step Asymmetric Phosphodiester Synthesis from Alcohols with Phosphoenolpyruvate Phosphodiester (2021)
  • Author(s): Yamatsugu Kenzo、Kanai Motomu、Fujiyoshi Kohei、Kawashima Shigehiro A.
  • Journal Title: Synlett Volume: 32 Issue: 11 Pages: 1135-1140
  • DOI: 10.1055/a-1509-9275
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Live-Cell Protein Modification by Boronate-Assisted Hydroxamic Acid Catalysis (2021)
  • Author(s): Adamson Christopher、Kajino Hidetoshi、Kawashima Shigehiro A.、Yamatsugu Kenzo、Kanai Motomu
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 143 Issue: 37 Pages: 14976-14980
  • DOI: 10.1021/jacs.1c07060
  • Peer Reviewed