薬物とGPCRの弱い相互作用が滞在時間に応じて生体応答を制御する機構の解明

• Project Area: Biophysical Chemistry for Material Symbiosis
• Project/Area Number: 21H05509
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 上田 卓見 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 准教授 (20451859)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2021: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
• Keywords: NMR / 膜タンパク質 / GPCR / アデノシンA2A受容体 / 滞在時間

Outline of Research at the Start

ヒトの体内では、数百種類のGPCR (Gタンパク質共役型受容体) と呼ばれる膜タンパク質が、様々なホルモンや神経伝達物質の受容体として機能しています。GPCRに作用する薬物は、GPCRと非共有結合により弱く相互作用して、結合・解離を繰り返しており、薬物がGPCRに滞在する時間(滞在時間)は、薬効を規定する重要なパラメータです。 この研究では、溶液中におけるタンパク質の動的な構造を解析できるNMR法を用いて、GPCRの薬物結合部位近傍の構造が、滞在時間に応じてどのように変調するかを明らかにすることで、GPCRと薬物の滞在時間の制御機構を解明することを目的とします。

Outline of Annual Research Achievements

昨年度までに、アデノシンA2A受容体(A2AAR)のリガンド結合部位に位置するA165, A265のメチル基に由来するNMRシグナルを観測・帰属した上で、A265の1H化学シフトが、E169-H264の塩橋の構造を反映することを示した。今年度は、滞在時間が野生型の1/10程度まで低下することが報告されているT256A変異を導入したA2AARにおける、アラニン残基およびメチオニン残基のメチル基のNMRシグナルを、滞在時間が比較的長いZM241385が結合した状態で観測した。その結果、A265に由来するシグナルの1H化学シフトが、滞在時間が1/60程度に減少するE169Q変異体と野生型の中間的な値となり、滞在時間と相関することが判明した。また、滞在時間がZM241385の1/8程度であることが知られている、LUF5834が結合した状態においても、A265の1H化学シフトがE169Q変異体と野生型の中間的な値となり、滞在時間との相関がみられた。T256A変異体におけるA265の化学シフトが、野生型とE169Q変異体の中間的な値となる現象は、完全作動薬NECAが結合した状態においても、またA265に近接するM270に由来するNMRシグナルにおいても観測されたことから、A2AARの活性化状態にかかわらずA265の化学シフトが滞在時間と相関すること、これらの化学シフトが構造変化を反映することが示唆された。以上の結果から、T256A変異導入時やLUF5834結合時には、E169Q-H264の塩橋が部分的に崩れた構造となることで、中間的な滞在時間を示すと考えた。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Amide-to-ester substitution as a stable alternative to N-methylation for increasing membrane permeability in cyclic peptides. (2023)
  • Author(s): Hosono Y, Uchida S, Shinkai M, Townsend CE, Kelly CN, Naylor MR, Lee HW, Kanamitsu K, Ishii M, Ueki R, Ueda T, Takeuchi K, Sugita M, Akiyama Y, Lokey SR, Morimoto J, Sando S.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 14 Issue: 1 Pages: 1416-1416
  • DOI: 10.1038/s41467-023-36978-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Function-Related Conformational Dynamics of GPCRs Revealed by Solution NMR (2022)
  • Author(s): UEDA Takumi、KOFUKU Yutaka、TAKEUCHI Koh、IMAI Shunsuke、SHIRAISHI Yutaro、SHIMADA Ichio
  • Journal Title: Nihon Kessho Gakkaishi Volume: 64 Issue: 4 Pages: 279-284
  • DOI: 10.5940/jcrsj.64.279
  • ISSN: 0369-4585, 1884-5576
  • Year and Date: 2022-12-15
• [Journal Article] Residue-based program of a β-peptoid twisted strand shape via a cyclopentane constraint (2022)
  • Author(s): Kim J, Kobayashi H, Yokomine M, Shiratori Y, Ueda T, Takeuchi K, Umezawa K, Kuroda D, Tsumoto K, Morimoto J, Sando S.
  • Journal Title: Org. Biomol. Chem. Volume: 20 Issue: 35 Pages: 6994-7000
  • DOI: 10.1039/d2ob01300b
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Activation mechanism of the μ-opioid receptor by an allosteric modulator. (2022)
  • Author(s): Kaneko S, Imai S, Asao N, Kofuku Y, Ueda T, Shimada I.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. Volume: 119 Issue: 16
  • DOI: 10.1073/pnas.2121918119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ultrafast water permeation through nanochannels with a densely fluorous interior surface. (2022)
  • Author(s): Itoh Y, Chen S, Hirahara R, Konda T, Aoki T, Ueda T, Shimada I, Cannon JJ, Shao C, Shiomi J, Tabata KV, Noji H, Sato K, Aida T.
  • Journal Title: Science Volume: 376 Issue: 6594 Pages: 738-743
  • DOI: 10.1126/science.abd0966
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Function-related dynamics of GPCRs (2022)
  • Author(s): Ueda Takumi、Imai Shunsuke、Shimada Ichio
  • Journal Title: Journal of Magnetic Resonance Volume: 336 Pages: 107164-107164
  • DOI: 10.1016/j.jmr.2022.107164
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Oligo(N‐methylalanine) as a Peptide‐Based Molecular Scaffold with a Minimal Structure and High Density of Functionalizable Sites (2022)
  • Author(s): Yokomine Marin、Morimoto Jumpei、Fukuda Yasuhiro、Shiratori Yota、Kuroda Daisuke、Ueda Takumi、Takeuchi Koh、Tsumoto Kouhei、Sando Shinsuke
  • Journal Title: Angewandte Chemie International Edition Volume: 61 Issue: 14 Pages: 6994-7000
  • DOI: 10.1002/anie.202200119
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biphasic activation of β-arrestin 1 upon interaction with a GPCR revealed by methyl-TROSY NMR (2021)
  • Author(s): Shiraishi Yutaro、Kofuku Yutaka、Ueda Takumi、Pandey Shubhi、Dwivedi-Agnihotri Hemlata、Shukla Arun K.、Shimada Ichio
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 7158-7158
  • DOI: 10.1038/s41467-021-27482-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Function-Related Dynamics in Multi-Spanning Helical Membrane Proteins Revealed by Solution NMR (2021)
  • Author(s): Takeuchi Koh、Kofuku Yutaka、Imai Shunsuke、Ueda Takumi、Tokunaga Yuji、Toyama Yuki、Shiraishi Yutaro、Shimada Ichio
  • Journal Title: Membranes Volume: 11 Issue: 8 Pages: 604-604
  • DOI: 10.3390/membranes11080604
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] アデノシンA2A受容体とリガンドの滞在時間を規定する構造基盤の解明 (2023)
  • Author(s): 上田 卓見
  • Organizer: 第61回NMR討論会
• [Presentation] Clarification of the GPCR signaling mechanism based on the function-related conformational dynamics (2023)
  • Author(s): 上田 卓見
  • Organizer: 第61回NMR討論会
  • Invited
• [Remarks]
  • URL: https://biophys.f.u-tokyo.ac.jp/
• [Remarks]
  • URL: https://biophys.f.u-tokyo.ac.jp/