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2022 Fiscal Year Annual Research Report

オピオイド受容体の網羅的シグナル解析による薬理経路の同定

Planned Research

Project AreaMulti-scale platform for untangling physiological complexity
Project/Area Number 21H05113
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

井上 飛鳥  東北大学, 薬学研究科, 教授 (50525813)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 生田 達也  東北大学, 薬学研究科, 助教 (80894815)
Project Period (FY) 2021-08-23 – 2024-03-31
KeywordsGPCR / オピオイド / バイアス
Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の対象GPCRであるカッパーオピオイド受容体(KOR)に対するリガンドとして斉藤班が設計・有機合成した41種類のモルヒナン骨格構造類縁体について、KORを介したGタンパク質活性(GiおよびGo)とアレスチン活性をNanoBiT-GPCRシグナルアッセイを用いて評価した。その結果、約半数の化合物がナルフラフィンと同等かそれ以上の親和性でKORに対する作動活性を示した。高親和性の化合物のうち大半はGタンパク質と比べてアレスチンに対して部分作動活性を示し、Gタンパク質バイアス型であることがわかった。領域内の構造研究の変異体実験を見据えて、デルタオイピオイド受容体(DOR)の検討を行った。その結果、N末にシグナルシークエンスとFLAGエピトープタグを付加したDORコンストラクトにおいて、プラスミドトランスフェクション量依存的に膜発現が低下することを確認した。既存のDOR構造からリガンドドッキングを元に予想したKNT-127のリガンド認識アミノ酸残基について、フローサイトメトリー解析を行い、発現量が同等になる野生型のプラスミドトランスフェクション量を検討し、NanoBiT-GPCRシグナルアッセイを行った。その結果、KNT-127のGi活性が大きく低下する変異体を見出した。この変異体では、内因性リガンドのエンケファリンの活性は維持されていた。従って、リガンドの認識機構と受容体活性化機構に差があることがわかった。関連研究として、ヒトとマウスのオレキシン受容体(OX1R、OX2R)に対するシグナル活性をTGFα切断アッセイを用いて評価する実験系を構築し、斉藤班が合成したオレキシン受容体作動薬がマウス受容体においてもOX1R選択的であることを示した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

当初計画に沿った研究を実施することができた。当初計画外の成果として、オレキシン受容体に関する領域内共同研究の実施、本研究で確立したリガンドドッキングを応用した微生物代謝物カルコンの生合成経路の解明が挙げられる。

Strategy for Future Research Activity

本研究によって得られたKORリガンドの構造活性相関情報を元に、斉藤班が親和性・シグナルバイアス活性を強めた設計の構造類似体を合成しており、本研究者がKORに対する活性評価を行う。同様に、昨年度までに得られたDORの構造活性相関から、KNT-127構造類似体のGタンパク質活性とアレスチン活性を評価し、親和性・シグナルバイアス活性を増強したリガンド取得を狙う。さらに、寿野班が進めているKORとDORの構造解析情報を元に、分子動力学解析によりリガンド結合モデルを検証するとともに、シグナルバイアス性に関わる構造基盤を調べる。さらに、本年度確立した変異体アッセイ系を用いて、KORとDORの変異体解析を進め、リガンド結合やシグナルバイアス活性を担う構造基盤を明らかにする。

  • Research Products

    (34 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (18 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results,  Peer Reviewed: 18 results,  Open Access: 10 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] Stanford University/Indiana University(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Stanford University/Indiana University
  • [Int'l Joint Research] Copenhagen University(デンマーク)

    • Country Name
      DENMARK
    • Counterpart Institution
      Copenhagen University
  • [Int'l Joint Research] Chinese University of Hong Kong/Harbin Institute of Technology(中国)

    • Country Name
      CHINA
    • Counterpart Institution
      Chinese University of Hong Kong/Harbin Institute of Technology
  • [Int'l Joint Research] Indian Institute of Technology(インド)

    • Country Name
      INDIA
    • Counterpart Institution
      Indian Institute of Technology
  • [Journal Article] Ectodomain shedding of EGFR ligands serves as an activation readout for TRP channels2023

    • Author(s)
      Tatsumi Manae、Kishi Takayuki、Ishida Satoru、Kawana Hiroki、Uwamizu Akiharu、Ono Yuki、Kawakami Kouki、Aoki Junken、Inoue Asuka
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 18 Pages: e0280448

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0280448

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structural and dynamic insights into supra-physiological activation and allosteric modulation of a muscarinic acetylcholine receptor2023

    • Author(s)
      Xu Jun、Wang Qinggong、Hubner Harald、Hu Yunfei、Niu Xiaogang、Wang Haoqing、Maeda Shoji、Inoue Asuka、Tao Yuyong、Gmeiner Peter、Du Yang、Jin Changwen、Kobilka Brian K.
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Pages: 376

    • DOI

      10.1038/s41467-022-35726-z

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Generation of Gαi knock-out HEK293 cells illuminates Gαi-coupling diversity of GPCRs2023

    • Author(s)
      Ono Yuki、Kawakami Kouki、Nakamura Gaku、Ishida Satoru、Aoki Junken、Inoue Asuka
    • Journal Title

      Communications Biology

      Volume: 6 Pages: 112

    • DOI

      10.1038/s42003-023-04465-2

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structural basis of lysophosphatidylserine receptor GPR174 ligand recognition and activation2023

    • Author(s)
      Liang Jiale、Inoue Asuka、Ikuta Tatsuya、Xia Ruixue、Wang Na、Kawakami Kouki、Xu Zhenmei、Qian Yu、Zhu Xinyan、Zhang Anqi、Guo Changyou、Huang Zhiwei、He Yuanzheng
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Pages: 1012

    • DOI

      10.1038/s41467-023-36575-0

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Identification and Functional Characterization of Fungal Chalcone Synthase and Chalcone Isomerase2023

    • Author(s)
      Furumura Sho、Ozaki Taro、Sugawara Akihiro、Morishita Yohei、Tsukada Kento、Ikuta Tatsuya、Inoue Asuka、Asai Teigo
    • Journal Title

      Journal of Natural Products

      Volume: 86 Pages: 398~405

    • DOI

      10.1021/acs.jnatprod.2c01027

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Phenotypic evaluation of constitutive GPCR/G-protein signaling in zebrafish embryos and larvae2022

    • Author(s)
      Shibata Takeaki、Kawakami Kouki、Kawana Hiroki、Aoki Junken、Inoue Asuka
    • Journal Title

      Biochemical and Biophysical Research Communications

      Volume: 602 Pages: 70~76

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2022.02.098

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Common coupling map advances GPCR-G protein selectivity2022

    • Author(s)
      Hauser Alexander S、Avet Charlotte、Normand Claire、Mancini Arturo、Inoue Asuka、Bouvier Michel、Gloriam David E
    • Journal Title

      eLife

      Volume: 11 Pages: e74107

    • DOI

      10.7554/eLife.74107

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Activation and allosteric regulation of the orphan GPR88-Gi1 signaling complex2022

    • Author(s)
      Chen Geng、Xu Jun、Inoue Asuka、Schmidt Maximilian F.、Bai Chen、Lu Qiuyuan、Gmeiner Peter、Liu Zheng、Du Yang
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 13 Pages: 2375

    • DOI

      10.1038/s41467-022-30081-5

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Cryo-EM structures of the β3 adrenergic receptor bound to solabegron and isoproterenol2022

    • Author(s)
      Nureki Ikko、Kobayashi Kazuhiro、Tanaka Tatsuki、Demura Kanae、Inoue Asuka、Shihoya Wataru、Nureki Osamu
    • Journal Title

      Biochemical and Biophysical Research Communications

      Volume: 611 Pages: 158~164

    • DOI

      10.1016/j.bbrc.2022.04.065

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Serodolin, a β-arrestin-biased ligand of 5-HT7 receptor, attenuates pain-related behaviors2022

    • Author(s)
      El Khamlichi Chayma、Reverchon Flora、Hervouet-Coste Nadege、Robin Elodie、Chopin Nicolas、Deau Emmanuel、Madouri Fahima、Guimpied Cyril、Colas Cyril、Menuet Arnaud、Inoue Asuka、Bojarski Andrzej J.、Guillaumet Gerald、Suzenet Franck、Reiter Eric、Morisset-Lopez Severine
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences

      Volume: 119 Pages: e2118847119

    • DOI

      10.1073/pnas.2118847119

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effect of Ligands and Transducers on the Neurotensin Receptor 1 Conformational Ensemble2022

    • Author(s)
      Dixon Austin D.、Inoue Asuka、Robson Scott A.、Culhane Kelly J.、Trinidad Jonathan C.、Sivaramakrishnan Sivaraj、Bumbak Fabian、Ziarek Joshua J.
    • Journal Title

      Journal of the American Chemical Society

      Volume: 144 Pages: 10241~10250

    • DOI

      10.1021/jacs.2c00828

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] PRECOGx: exploring GPCR signaling mechanisms with deep protein representations2022

    • Author(s)
      Matic Marin、Singh Gurdeep、Carli Francesco、De Oliveira Rosa Natalia、Miglionico Pasquale、Magni Lorenzo、Gutkind J Silvio、Russell Robert B、Inoue Asuka、Raimondi Francesco
    • Journal Title

      Nucleic Acids Research

      Volume: 50 Pages: W598~W610

    • DOI

      10.1093/nar/gkac426

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Structure of the human galanin receptor 2 bound to galanin and Gq reveals the basis of ligand specificity and how binding affects the G-protein interface2022

    • Author(s)
      Heo Yunseok、Ishimoto Naito、Jeon Ye-Eun、Yun Ji-Hye、Ohki Mio、Anraku Yuki、Sasaki Mina、Kita Shunsuke、Fukuhara Hideo、Ikuta Tatsuya、Kawakami Kouki、Inoue Asuka、Maenaka Katsumi、Tame Jeremy R. H.、Lee Weontae、Park Sam-Yong
    • Journal Title

      PLOS Biology

      Volume: 20 Pages: e3001714

    • DOI

      10.1371/journal.pbio.3001714

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Endogenous ligand recognition and structural transition of a human PTH receptor2022

    • Author(s)
      Kobayashi Kazuhiro、Kawakami Kouki、Kusakizako Tsukasa、Miyauchi Hirotake、Tomita Atsuhiro、Kobayashi Kan、Shihoya Wataru、Yamashita Keitaro、Nishizawa Tomohiro、Kato Hideaki E.、Inoue Asuka、Nureki Osamu
    • Journal Title

      Molecular Cell

      Volume: 82 Pages: 3468~3483

    • DOI

      10.1016/j.molcel.2022.07.003

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Allosteric modulation of GPCR-induced β-arrestin trafficking and signaling by a synthetic intrabody2022

    • Author(s)
      Baidya Mithu、Chaturvedi Madhu、Dwivedi-Agnihotri Hemlata、Ranjan Ashutosh、Devost Dominic、Namkung Yoon、Stepniewski Tomasz Maciej、Pandey Shubhi、Baruah Minakshi、Panigrahi Bhanupriya、Sarma Parishmita、Yadav Manish K.、Maharana Jagannath、Banerjee Ramanuj、Kawakami Kouki、Inoue Asuka、et al
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 13 Pages: 4634

    • DOI

      10.1038/s41467-022-32386-x

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Structural insights into the G protein selectivity revealed by the human EP3-Gi signaling complex2022

    • Author(s)
      Suno Ryoji、Sugita Yukihiko、Morimoto Kazushi、Takazaki Hiroko、Tsujimoto Hirokazu、Hirose Mika、Suno-Ikeda Chiyo、Nomura Norimichi、Hino Tomoya、Inoue Asuka、Iwasaki Kenji、Kato Takayuki、Iwata So、Kobayashi Takuya
    • Journal Title

      Cell Reports

      Volume: 40 Pages: 111323~111323

    • DOI

      10.1016/j.celrep.2022.111323

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Enhanced membrane binding of oncogenic G protein αqQ209L confers resistance to inhibitor YM-2548902022

    • Author(s)
      Randolph Clinita E.、Dwyer Morgan B.、Aumiller Jenna L.、Dixon Alethia J.、Inoue Asuka、Osei-Owusu Patrick、Wedegaertner Philip B.
    • Journal Title

      Journal of Biological Chemistry

      Volume: 298 Pages: 102538~102538

    • DOI

      10.1016/j.jbc.2022.102538

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Membrane phosphoinositides regulate GPCR-β-arrestin complex assembly and dynamics2022

    • Author(s)
      Janetzko John、Kise Ryoji、Barsi-Rhyne Benjamin、Siepe Dirk H.、Heydenreich Franziska M.、Kawakami Kouki、Masureel Matthieu、Maeda Shoji、Garcia K. Christopher、von Zastrow Mark、Inoue Asuka、Kobilka Brian K.
    • Journal Title

      Cell

      Volume: 185 Pages: 4560~4573

    • DOI

      10.1016/j.cell.2022.10.018

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Non-canonical activation of β-arrestin and G protein2023

    • Author(s)
      Asuka Inoue
    • Organizer
      GPCR Workshop 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] GPCR におけるバイアスシグナル創出基点とその機構の解析2023

    • Author(s)
      中村楽、川上耕季、生田達也、井上 飛鳥
    • Organizer
      日本薬学会第143年会
  • [Presentation] βアレスチンの新規PIP2結合部位2022

    • Author(s)
      倉本律輝、生田達也、川上耕季
    • Organizer
      第60回日本生物物理学会年会
  • [Presentation] GRK-independent arrestin activation2022

    • Author(s)
      Asuka Inoue
    • Organizer
      FASEB SRC: The G Protein-coupled Receptor Kinases and Arrestins Conference: Key Modulators of Signal Transduction
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] オピオイド受容体のシグナル解読とバイアス型リガンドによる自在制御2022

    • Author(s)
      井上飛鳥
    • Organizer
      第95回日本生化学会大会
  • [Presentation] 固有振動解析によって生成したGPCRコンフォメーションの評価2022

    • Author(s)
      生田達也、井上飛鳥
    • Organizer
      第17回 GPCR研究会
  • [Presentation] 第三の結合様式におけるアレスチンの機能の解明2022

    • Author(s)
      桑原莉来、川上耕季、倉本律輝、生田達也、井上飛鳥
    • Organizer
      第17回 GPCR研究会
  • [Presentation] Gαタンパク質を起点としたGRK-βアレスチン機能制御機構2022

    • Author(s)
      川上耕季、柳川正隆、平塚寿々音、佐甲靖志、井上飛鳥
    • Organizer
      第17回 GPCR研究会
  • [Presentation] 固有振動解析によるGPCRの多様なリガンドポケットの生成2022

    • Author(s)
      生田達也、井上飛鳥
    • Organizer
      第45回日本分子生物学会年会
  • [Presentation] 日本人に特徴的なGPCR遺伝子バリアントの探索2022

    • Author(s)
      鈴木璃子、生田達也、川上耕季、井上飛鳥
    • Organizer
      第45回日本分子生物学会年会
  • [Presentation] 細分化して見えてくるGPCRシグナル原理2022

    • Author(s)
      井上飛鳥
    • Organizer
      第17回 GPCR研究会
    • Invited
  • [Remarks] 東北大学分子細胞生化学分野ホームページ

    • URL

      http://www.pharm.tohoku.ac.jp/~seika/2020/index.html

URL: 

Published: 2023-12-25  

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