テイ－サックス病治療に最適な高親和性シャペロン化合物の創製

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K08362
• Research Institution: University of Toyama
• Principal Investigator: 加藤 敦 富山大学, 附属病院, 准教授 (60303236)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石井 達 大分大学, 医学部, 客員研究員 (00222935) ; 広野 修一 北里大学, 薬学部, 教授 (30146328) ; 足立 伊左雄 富山大学, 附属病院, 教授 (30151070) ; 名取 良浩 東北医科薬科大学, 薬学部, 助教 (50584455)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: リソソーム病 / グリコシダーゼ / イミノ糖 / シャペロン / フォールディング / テイーサックス病

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題ではテイーサックス病の原因酵素であるβ-hexosaminidase Aの安定性を高める実用的なシャペロン化合物の創製を目標にしている。今年度は活性中心ポケットの許容性や柔軟性を知る目的で環構造の異なるイミノ糖を系統的に選択しβ-hexosaminidase Aに対する親和性を測定した。その結果、β-hexosaminidase Aタンパクの活性中心は非常に柔軟性に富み、アゼチジン環からアゼパン環まで幅広く結合可能である事が判明した。同様の試験を同じリソソーム酵素であるβ-glucocerebrosidaseやα-galactosidase Aでも実施したが、これら酵素では親和性を示した化合物は基質相同性が高いピペリジン環もしくはピロリジン環に限定された。これらの結果は、β-hexosaminidase Aに対する高親和性化合物をデザインするためには母核構造以外の要素を探す必要があることを示唆している。親和性の強さとリガンド-アミノ酸の相互作用について解析を進める中で、高親和性を示すイミノ糖化合物はいずれもArg178, Asp322, Tyr42, Glu462と水素結合を形成すると共にTrp460とcation-π相互作用を有しているのに対し、現在臨床試験が進められているpyrimethamineは、Arg178, Asp207, Asp322と水素結合を形成すると共にTrp460, Tyr421とcation-π相互作用を形成しており、両者の相互作用は大きく異なっていることが明らかになった。この認識の違いが新たなデザインのヒントになると考え、現在、pyrimethamineが受ける相互作用部位の詳細な解析を行うと共に両者のハイブリッド化合物をデザイン中である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

昨年度の成果として既にβ-hexosaminidase Aに対しKi値が0.041 micro Mとこれまで報告されているシャペロンの中で最も高い親和性を示すDMDP amideを見いだすことに成功している。更に本化合物は濃度依存的に患者由来G269S変異細胞のβ-hexosaminidase Aを上昇させ、正常細胞の43%まで酵素活性を回復させるなど実用性の面でも非常に有用であるといえる。更に本化合物が高い親和性を示す理由として、柔軟性に富み許容性の高いβ-hexosaminidase Aに対しAsp322と3位OH間およびGlu323と6位OH間の相互作用距離が他のイミノ糖と比べ知覚、両相互作用の形成により活性中心の可塑性や揺らぎを軽減させているためであることを見いだしている。今後、更なる親和性の向上のためには糖結合部位以外での認識性の向上が鍵を握ると考えており、現在、近傍に存在する脂溶性ポケットの解析を進めている。

Strategy for Future Research Activity

β-Hexosaminidase A活性中心は非常に柔軟性に富み、イミノ糖の母核構造の選択のみでは親和性を向上させるのは十分でないことが明確になったため、糖結合部位周辺のアミノ酸残基の環境に着目し研究を行う方針である。具体的には、イミノ糖のような環上にOH基を複数持たないpyrimethamineが、弱いながらβ-hexosaminidase Aに対して親和性を示すことに着目し、pyrimethamineが受ける相互作用部位の詳細な解析を行うことにより、β-hexosaminidase A認識の新たな糸口を見つけたいと考えている。特にpyrimethamineが持つ芳香環が収納されるポケットを特定し、化合物を用いた実測 (Wet系)とタンパク-リガンド・ドッキングシミュレーション (Dry系）を組み合わせた相補的な解析を行い、従来までのイミノ糖化合物-β-hexosaminidase A相互作用に加え、脂溶性認識ポケットとも相互作用可能な置換基の導入を検討していく予定である。

Causes of Carryover

当初、環構造の異なる化合物の合成を予定していたが、既に所有している化合物ライブラリーを使用することにより目的とするスクリーニングが実施できたため次年度繰越金が生じた。本予算は次年度計画しているハイブリッド型化合物の合成の際に翌年度分として請求した助成金と合わせて使用する予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Oxfordy(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: University of Oxfordy
• [Int'l Joint Research] University of Seville(スペイン)
  • Country Name: SPAIN
  • Counterpart Institution: University of Seville
• [Int'l Joint Research] Universite de Poitiers(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: Universite de Poitiers
• [Int'l Joint Research] Shiv Nadar University (SNU)/Banaras Hindu University(インド)
  • Country Name: INDIA
  • Counterpart Institution: Shiv Nadar University (SNU)/Banaras Hindu University
• [Int'l Joint Research] Aarhus University(デンマーク)
  • Country Name: DENMARK
  • Counterpart Institution: Aarhus University
• [Journal Article] Design and synthesis of N-acetylglucosamine derived 5a-carbasugar analogues as glycosidase inhibitors. (2018)
  • Author(s): Narayana, C., Kumari, P., Ide, D., Hoshino, M., Kato, A., Sagar, M.
  • Journal Title: Tetrahedron Volume: 74 Pages: 1957-1964
  • DOI: 10.1016/j.tet.2018.02.063
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Discovery of a potent α-galactosidase inhibitor by in situ analysis of a library of pyrrolizidine-(thio)urea hybrid molecules generated via click chemistry. (2018)
  • Author(s): Eias-Rodriguez, P., Pingitore, V., Carmona, A., Moreno-Vargas, A., Ide, D., Miyawaki, S., Kato, A., Alvarez, E., Robina, I.
  • Journal Title: J. Org. Chem. Volume: 83 Pages: 8863-8873
  • DOI: 10.1021/acs.joc.8b01073
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Divergent synthesis of new α-glucosidase inhibitors obtained through a vinyl Grignard-mediated carbocyclization. (2018)
  • Author(s): Hedberg, C., Knudsen, I. M. B., Ladefoged, L. K., Ide, D., Brinko, A., Eikeland, E. Z., Kato, A., Jensen, H. H.
  • Journal Title: Org. Biomol. Chem. Volume: 16 Pages: 6250-6261
  • DOI: 10.1039/C8OB01433G
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 2-Acetamido-2-deoxy-L-iminosugar C-alkyl and C-aryl glycosides: synthesis and glycosidase inhibition. (2018)
  • Author(s): Fontelle, N., Yamamoto, Arda, A., Jimenez-Barbero, J., Kato, A., Desire, J., Bleriot,
  • Journal Title: Eur. J. Org. Chem. Volume: 40 Pages: 5477-5488
  • DOI: 10.1002/ejoc.201800678
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design of a new α-1-C-alkyl-DAB derivative acting as a pharmacological chaperone for β-glucocerebrosidase using ligand docking and molecular dynamics simulation. (2018)
  • Author(s): Nakagom, I., Kato, A., Yamaotsu, N., Yoshida, T., Ozawa, S., Adachi, I., Hirono, S.
  • Journal Title: Molecules Volume: 23 Pages: 2683-2693
  • DOI: 10.3390/molecules23102683.
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Hex A高親和性リガンドのin silico解析とTay-Sachs病に対するファーマコロジカルシャペロン効果の検証 (2019)
  • Author(s): 加藤 敦、中込 泉、中川 進平、島立 優奈、足立 伊佐雄、広野 修一
  • Organizer: 日本薬学会第139年会
• [Presentation] 新規ピロリジン型イミノ糖誘導体のデザインとゴーシェ病に対するシャペロン効果について (2019)
  • Author(s): 島立 優奈、加藤 敦、久保萌美、井出大介、足立伊佐雄
  • Organizer: 日本薬学会第139年会
• [Presentation] MDシミュレーションによるβ-glucocerebrosidase-ケミカルシャペロンα-1-C-tridecyl-DAB複合体の構造安定性解析 (2019)
  • Author(s): 中込 泉、加藤 敦、山乙教之、広野修一
  • Organizer: 日本薬学会第139年会
• [Presentation] Hex A高親和性リガンドの創製とTay-Sachs病に対するファーマコロジカルシャペロン効果の検証 (2018)
  • Author(s): 加藤 敦、中込 泉、久保萌美、今枝秀貴、足立伊佐雄、広野修一
  • Organizer: 第37回日本糖質学会年会