糖非発酵性細菌のペプチダーゼ類を標的とした新規抗菌剤開発

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H04902
• Research Institution: Showa University
• Principal Investigator: 田中 信忠 昭和大学, 薬学部, 准教授 (00286866)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 糖非発酵性細菌 / ペプチダーゼ / 立体構造 / 抗菌剤 / ドラッグデザイン

Outline of Annual Research Achievements

糖非発酵性グラム陰性細菌は、ブドウ糖ではなく、蛋白質やペプチドをエネルギー源とする。近年同定されたS46型ペプチダーゼ類は、ヒトに存在しないジペプチジルペプチダーゼであり、細菌のペリプラズムにおいて、他のペプチダーゼ類と協調的に種々のペプチドを分解している。本研究は、新規作用機序の抗菌剤を開発するため、歯周病に関与する慢性歯周炎原因菌Porphyromonas gingivalisや根尖性歯周炎原因菌Porphyromonas endodontalisあるいは多剤耐性菌として悪名高いStenotrophomonas maltophilia等の糖非発酵性細菌が持つS46ペプチダーゼ類に関する生化学的解析や立体構造解析、in silico, in vitro両面での阻害剤探索と酵素／阻害剤複合体の立体構造解析に基づく阻害剤の構造最適化研究を展開するものである。
初年度の平成28年度は、連携研究者である昭和大学・薬学部の合田浩明教授（計算化学者）の協力を得て、S46ファミリーに属する酵素であるPorphyromonas gingivalis由来dipeptidyl peptidase 11（PgDPP11）並びにStenotrophomonas maltophilia由来dipeptidyl peptidase 7（SmDPP7）の立体構造情報に基づく、in silicoスクリーニングを実施した。候補化合物を購入し、連携研究者である長岡技術科学大学・生物系の小笠原渉准教授（微生物学者）の協力を得て、候補化合物の標的酵素に対する酵素活性阻害能を評価した。その結果、PgDPP11に関し有意な阻害能を有する化合物（仮名：SH5）を見出すことができた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

上述の様に、PgDPP11に関し、in silicoスクリーニングで得られた化合物SH5が酵素阻害活性を有することを確認することができた。これまで我々は、S46ペプチダーゼファミリーに属するDAP BIIやPgDPP11に関し、いくつかのペプチド類との複合体構造の決定に成功している。しかし、S46ペプチダーゼに対して阻害能を有する非ペプチド性化合物は知られておらず、それらとS46ペプチダーゼ類との複合体構造は得られていない。SH5は非ペプチド性化合物であることから、PgDPP11とSH5との複合体結晶が得られれば、S46ペプチダーゼに関し初の非ペプチド性化合物との複合体の構造を得ることとなる。ペプチド化合物との複合体の結合情報に加え非ペプチド性化合物の構造情報を得ることは、阻害剤デザインを多面的に展開することに繋がり非常に意義深い。従って、非ペプチド性阻害剤候補化合物SH5が得られたことは計画初年度の成果として十分であり、進捗状況として「おおむね順調」と評価できる。

Strategy for Future Research Activity

平成29年度は、PgDPP7, PgDPP11, PeDPP7, PeDPP11, SmDPP7を対象とし、in silico及びin vitroスクリーニングを出発点として、候補化合物の評価、ヒット化合物及び誘導体の合成、Ｘ線結晶構造解析による結合様式確認により次の最適化サイクルへ繋げるという流れで研究を展開し、P1残基特異性の異なる（DPP7：疎水性、DPP11：酸性）各酵素に対する阻害剤開発を目指す。
29年度-1．In silicoスクリーニングによる各酵素の新規阻害剤探索とその評価
（１）28年度に見出したPgDPP11やSmDPP7に関する第一世代阻害剤と各標的酵素との複合体結晶を調製し、Ｘ線結晶構造解析を行う。（２）（１）で得られた第一世代阻害剤の標的酵素への結合様式に基づき、結合エネルギーなどを考慮して第二世代阻害剤をデザインする。（３）第二世代阻害剤を合成する。（４）第二世代阻害剤の標的酵素阻害活性を上記と同様に評価する。（５）第二世代阻害剤と標的酵素との複合体結晶を調製し、シンクロトロン放射光を用いた高分解能結晶構造解析により第二世代阻害剤の結合様式を解明し、構造最適化に繋げる。
29年度-2．PeDPP7, PgDPP7, PeDPP11の立体構造解析および新規阻害剤探索とその評価
（１）PeDPP7, PgDPP7, PeDPP11の結晶化条件最適化、X線結晶構造解析を実施する。（２）約500万化合物から成る市販化合物ライブラリに対し、上記酵素の活性部位構造を鋳型としてTripos社のUNITYサーチを用いてin silicoスクリーニングを実施する。（３）（２）で見出された候補化合物群の標的酵素阻害活性を評価する。酵素活性阻害を指標とした生化学的評価と結合強度を指標とした物理化学的評価を併用する。

Research Products

• [Journal Article] 糖非発酵グラム陰性細菌由来新規ジペプチド産生酵素の構造と機能 (2016)
  • Author(s): 阪本泰光、野中孝昌、鈴木義之、小笠原渉、田中信忠
  • Journal Title: 日本結晶学会誌 Volume: 58 Pages: 221-227
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Crystal Structure of Dipeptidyl Peptidase 11 from Porphyromonas gingivalis: The Molecular Basis of Substrate Specificity among the Family S46 Peptidases (2016)
  • Author(s): Sakamoto, Y. and Tanaka, N.
  • Journal Title: Photon Factory Highlights 2015 Volume: - Pages: 56-57
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Structural Analysis of Dipeptidyl Peptidase 11 (DPP11) from Porphyromonas gingivalis. (2016)
  • Author(s): Sakamoto, Y., Suzuki, Y., Iizuka, I., Tateoka, C., Roppongi, S., Fujimoto, M., Inaka, K., Tanaka, H., Yamada, M., Ohta, K., Gouda, H., Nonaka, T., Ogasawara, W. and Tanaka, N.
  • Organizer: AsCA 2016
  • Place of Presentation: Hanoi, Socialist Republic of Vietnam
  • Year and Date: 2016-12-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structure and Fuctions of Dipeptidyl Peptidase 11 (DPP11) from Porphyromonas gingivalis. (2016)
  • Author(s): Sakamoto, Y., Suzuki, Y., Iizuka, I., Tateoka, C., Roppongi, S., Fujimoto, M., Inaka, K., Tanaka, H., Yamada, M., Ohta, K., Gouda, H., Nonaka, T., Ogasawara, W. and Tanaka, N.
  • Organizer: 2nd International Symposium on Space Science of High Quality Protein Crystallization
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2016-10-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystal structure of dipeptidyl amino peptidase 11 from Porphyromonas gingivalis. (2016)
  • Author(s): Sakamoto, Y., Suzuki, Y., Iizuka, I., Tateoka, C., Roppongi, S., Fujimoto, M., Inaka, K., Tanaka, H., Yamada, M., Ohta, K., Gouda, H., Nonaka, T., Ogasawara, W. and Tanaka, N.
  • Organizer: 42nd Naito Conference on In the Vanguard of Structural Biology
  • Place of Presentation: Sapporo, Japan
  • Year and Date: 2016-10-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Enzymatic characterization of S46 peptidase from pathogenic bacteria. (2016)
  • Author(s): Ito, Y., Nakamura, A., Roppongi, S., Sakurai, Y., Suzuki, Y., Hidaka, K., Tsuda, Y., Sakamoto, Y., Tanaka, N. and Ogasawara, W.
  • Organizer: The 5th International GIGAKU Conference in Nagaoka
  • Place of Presentation: Nagaoka, Japan
  • Year and Date: 2016-10-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystal structure of dipeptidyl amino peptidase 11 (DPP11) from periodontal pathogen. (2016)
  • Author(s): Sakamoto, Y., Suzuki, Y., Iizuka, I., Tateoka, C., Roppongi, S., Fujimoto, M., Inaka, K., Tanaka, H., Yamada, M., Ohta, K., Gouda, H., Nonaka, T., Ogasawara, W. and Tanaka, N.
  • Organizer: ISS R&D 2016
  • Place of Presentation: San Diego, USA
  • Year and Date: 2016-07-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystal Structure analaysis of dipeptidyl peptidase 11 from Porphyromonas gingivalis. (2016)
  • Author(s): Sakamoto, Y., Suzuki, Y., Iizuka, I., Tateoka, C., Roppongi, S., Fujimoto, M., Inaka, K., Tanaka, H., Yamada, M., Ohta, K., Gouda, H., Nonaka, T., Ogasawara, W. and Tanaka, N.
  • Organizer: 16th International Conference on the Crystallization of Biological Macromolecules
  • Place of Presentation: Prague, Czech Republic
  • Year and Date: 2016-07-05
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Structure-Function Relationships of S46 Peptidases from Non-Fermenting Gram-Negative Rods. (2016)
  • Author(s): Roppongi, S., Suzuki, Y., Iizuka, I., Inaka, K., Tanaka, H., Yamada, M., Ohta, K., Nonaka, T., Ogasawara, W., Tanaka, N. and Sakamoto, Y.
  • Organizer: 116th The American Society for Microbiology General meeting
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2016-06-17
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] International Space Station Award
  • URL: http://iss.jaxa.jp/topics/2016/07/160715.html