2018 Fiscal Year Research-status Report
分子表面の有用構造を標的としたD-アミノ酸酸化酵素阻害剤の創出
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18K06580
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| Research Institution | The University of Tokushima |
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Principal Investigator |
加藤 有介 徳島大学, 先端酵素学研究所(次世代), 准教授 (70596816)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福井 清 徳島大学, 先端酵素学研究所(次世代), 教授 (00175564)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | D-amino acid oxidase / Virtual screening / drug design / protein surface |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的はD-アミノ酸酸化酵素(DAO)の分子表面を標的とする阻害剤の探索をvirtual screening (VS)などのin silico手法を中心として検討することであった。この試みは成功に向けて着実に進捗している。
初年度は予備的な研究を行うこととし１６万化合物によるVSを検討した。近年では百万種以上の化合物ライブラリーを用いたVSの報告もあるが、そうした大規模な計画に取り組む前にまず本研究計画の探索戦略の有効性を検討するために予備研究を展開した。In silico解析によりDAOの分子表面にはいくつかのhot spotの候補部位が見出されたが、そのうちどの部位を標的にするのかがVSの成否を決定づける可能性が高いと考えた。そこで過去の我々自身によるラベリング研究の成果等を参照しFAD結合部周辺のグルーブを標的とした。次いでVSソフトを用いてこのグルーブを標的として設定することが可能かどうか検討した。複数のVSプログラムを検討したところ探索範囲の設定方法をアレンジすることでいずれのプログラムでも任意の表面領域を標的とすることが可能となった。さらに物理化学的な性質や水素結合の形成能によるフィルタリングによりシステマティックにdruggableな化合物を絞り込むことにも成功した。その結果５種類の候補化合物を得た。これらの化合物について酵素学実験によりDAOに対する阻害能を検討したところ、１化合物が阻害能を示した。上記のような内容で論文原稿をまとめ国際的な専門誌に投稿した。
その他関連する研究でDAOの分子内部を標的とする新規阻害剤を発見し、その新規阻害剤の阻害機構をX線結晶構造解析と分子動力学解析により解明することに成功した。この研究は塚本尚博士 (Johns Hopkins大学) 、福井清博士 (本学)らと共同で実施され国際的な創薬専門誌EJMECHに発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初年度は予備的な研究を展開したが、その結果上述の通りおおよそ期待通りの成果が得られた。本研究課題では最終的な目標として最大数千万程度の化合物数のVSの検討を掲げているがその成功は計算機の処理能力等に大きく依存する。大規模な化合物ライブラリーを用いたin silico研究は計算機への負荷が非常に大きいためである。そのため限られた研究期間中に成果を導く可能性を高めることを目的として、まずは方法論の確立のためより扱いやすいサイズのライブラリーを用いて予備研究を展開することが非常に重要であると考えた。タンパク質分子表面に結合する阻害剤探索という本研究計画の課題は非常にチャレンジングであるため早期に戦略の見直しが可能な予備研究の必要性を着想した。いずれも分子内部を標的とする研究ではあるが、数万規模の化合物数のライブラリーを用いて成功に導いたVSを用いた研究成果がこれまでに多数発表されていることから最終的な目標とするライブラリーサイズからある程度ダウンサイジングしてもサイエンティフィックな意義を損なわず研究を展開可能であると考えた。その成果について早急にまとめ国際的な専門誌に投稿し現在審査中である。予備研究とはいえプロジェクト開始から１年足らずで論文審査まで辿りつけたこともありおおよそ順調な進捗状況であると考えている。
2018年には以前から継続してきた関連プロジェクトの成果をまとめ上げ論文発表することにも成功した。この課題は本研究課題と同じくDAOを標的とした創薬研究であった。この研究で培った計算科学や実験のノウハウが本研究計画でも活用され、さらに発展を遂げたことで上述のような成果に結びついたと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
前項に述べたように初年度の研究成果は最終的な計画と比べライブラリーサイズをダウンサイジングした内容によるものである。したがって今後まず検討すべきことはライブラリーサイズを増加させることである。この過程は計算機の処理能力に依存するためこれまで利用してきた計算機よりもさらに高速な新規計算機の導入が必要になる可能性がある。さらに、これまでに得られたヒット化合物は１種類のみであることから、将来の高精度なファーマコフォアデザインを睨みさらなる阻害化合物の探索が必須である。スペキュレーションになるが１６万化合物から１ヒット化合物が得られたため仮に１００万化合物の探索をすれば複数のヒット化合物が得られるかも知れないし、１０００万化合物を試せば数多くのヒット化合物が得られるかも知れない。したがって今後はより大規模なライブラリーを検討することが重要である。
初年度の予備研究ではDAO分子表面に存在する凹みのうちの１つを標的として阻害化合物の探索研究を展開した。DAO分子表面には他にも活性に影響を与えうる凹みが存在する。したがって別のサイトを標的とした新たな取り組みも検討している。また、これまで３種類のVSプログラムを最適化して利用してきたが、さらに別の原理に基づいたプログラムを導入することも検討している。それぞれのプログラムによりドッキング原理や評価関数が異なるが、そうした基本原理が異なるプログラムの導入はこれまでと異なる結果、あるいはさらに高確率のヒットを生み出す可能性もある。加えて各プログラムのパラメータ設定等により詳細な検討を加えることでさらなるヒット化合物が得られる可能性もある。
予備研究同様にVSで得られた候補化合物を酵素学的実験により実証する研究を推進する。さらにX線構造解析や細胞学実験などによる研究により阻害剤作用機構等についても検討していく計画である。
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| Causes of Carryover |
当初計画では初年度に最先端の高速計算機を導入することで非常に大きなサイズの化合物ライブラリーを用いたVSを展開することを計画していた。しかし、上述のようにまずは予定よりも扱いやすいサイズのライブラリーを用いて予備研究を展開した。そのため計算機の負担は大幅に軽減され、初年度には既存の計算機の活用により予備研究の実施に成功した。また、高額なプログラムライセンスや消耗品の導入を見送るなどして支出を極力抑えた。そのため実施した予備研究は予定された計画とは一部異なるが研究目的に大きな影響はない。今後の計画で出来るだけ理想的なスペックの高速計算機を導入するため今年度は消耗品の支出を極力抑えた。一方、予定よりも早期に候補化合物の絞り込み段階に進んだため、計画を前倒ししてそれらの化合物を購入した。旅費その他の経費については当初計画していなかったが、１件だけ情報収集のために発生した。
２年目においてはより規模の大きな計算を行うため高速計算機導入を検討する。さらに計画が期待通りに進行した場合、多種類の候補化合物購入が必要になる。その他の試薬や消耗品、さらに新規のVSソフトウェアを検討する際に高額なライセンス料が必要になる可能性もある。また、研究成果を発表するために学会発表と論文発表を行う計画である。
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Research Products
(4 results)
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[Presentation] Combined approach of computation and enzymology to investigate novel D-amino acid oxidase inhibitors.2018
Author(s)
Yusuke Kato, Nobuo Maita, Taiki Kohiki, Sumire Kurosawa, Yusuke Nishikawa, Ikuko Sagawa, Masaya Denda, Tsubasa Inokuma, Yuji Shishido, Kazuko YORITA, Akira Shigenaga, Akira Otaka, Kiyoshi Fukui
Organizer
The 13th International Symposium of the Institute Network for Biomedical Sciences
Int'l Joint Research
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