ヒト膜タンパク質を標的とした中分子構造創薬研究の基盤構築

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H00923
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 岩田 想 京都大学, 医学研究科, 教授 (60452330)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 野村 紀通 京都大学, 医学研究科, 准教授 (10314246)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 膜タンパク質 / 創薬ターゲット / 中分子ペプチド / ファージディスプレイ / X線結晶構造解析 / クライオ電子顕微鏡単粒子解析

Outline of Annual Research Achievements

がん、高血圧、慢性炎症など種々の疾病に対する医薬品の分子標的の多くは膜タンパク質である。その構造解析の難度は依然として高いため、現時点で構造べースの創薬研究の進展は限定的である。これまで申請者は膜タンパク質に抗体フラグメントを結合させて結晶化を促進するという独自技術を開発し、X線結晶構造解析を推進してきた。本研究では、膜タンパク質の機能を制御する中分子アプタマーの創出とその構造学的検証に有用な新しい方法論の確立を目指している。
本年度は立体的束縛を有する安定なペプチド分子骨格 (50-90残基) を基盤として複数の末端ループの配列と長さを多様化した合成ライブラリーを作製した。 具体的には分子内に多数のジスルフィド結合が架橋され強い立体的束縛のある安定な中分子ペプチド骨格をベースとして、その末端ループの配列と長さを多様化した中分子母集団を人工合成し、ファージディスプレイ系ライブラリーを作製した。病原ウイルス感染のエントリーレセプターとして機能するヒト膜タンパク質Aやがんの転移能獲得・悪性化進展に関与するヒト膜タンパク質B等の複数の創薬標的膜タンパク質について，(1) 界面活性剤ミセルに覆われた状態の精製試料，(2)脂質ナノディスクに再構成した状態の試料等を作り、さらにパニングにおいて独自技術を導入することによって、これらの膜タンパク質ターゲットに対して特異的に認識し結合するファージ集団を4-12サイクル程度の選抜を経て取得した。選抜過程でのファージ集団の優占度の遷移をシーケンス解析にて評価した。
膜タンパク質/中分子ペプチド複合体を精製し、それを抗原として用いて結晶化促進ツールとしての構造認識抗体を作製した。Fab抗体断片の添加により、 膜タンパク質/中分子ペプチド/Fabの三者複合体の精製品を調製し、クライオ電子顕微鏡単粒子解析の予備検討を進めた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

立体的束縛を有する安定なペプチド分子骨格 (50-90残基) を基盤として複数の末端ループの配列と長さを多様化した合成ライブラリーを実際に作製して、異なる複数の膜タンパク質ターゲットに対して中分子バインダーを取得し、それらについてクライオ電子顕微鏡単粒子解析法により結合様式を明らかにするための実験に進んでいるので、本年度の目標は概ね達成できていると自己評価した。

Strategy for Future Research Activity

膜タンパク質/中分子ペプチド複合体を精製し、それを抗原として用いて結晶化促進ツールとしての構造認識抗体を作製する。Fab抗体断片の添加により、 膜タンパク質/中分子ペプチド/Fabの三者複合体の精製品を調製し、この試料を用いてクライオ電子顕微鏡単粒子解析による構造解析を実施する。これと並行して、当該複合体試料を用いて脂質キュービック相結晶化法により結晶を作製後、放射光マイクロフォーカス ビームにより回折データを収集する。膜タンパク質/中分子ペプチド/Fab複合体の立体構造(分解能2.5-3Å)を決定する。中分子ペプチドのファーマコフォア同定を経て、作用機序の構造学的基盤を解明する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of California, San Francisco(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of California, San Francisco
• [Int'l Joint Research] Fudan University(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Fudan University
• [Journal Article] Cryo-EM Structure of the Prostaglandin E Receptor EP4 Coupled to G Protein (2021)
  • Author(s): Nojima Shingo、Fujita Yoko、Kimura Kanako Terakado、Nomura Norimichi、Suno Ryoji、Morimoto Kazushi、Yamamoto Masaki、Noda Takeshi、Iwata So、Shigematsu Hideki、Kobayashi Takuya
  • Journal Title: Structure Volume: 29 Pages: 252～260
  • DOI: 10.1016/j.str.2020.11.007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] S1PR3?G12-biased agonist ALESIA targets cancer metabolism and promotes glucose starvation (2021)
  • Author(s): Toyomoto Masayasu、Inoue Asuka、Iida Kei、Denawa Masatsugu、Kii Isao、Ngako Kadji Francois Marie、Kishi Takayuki、Im Dohyun、Shimamura Tatsuro、Onogi Hiroshi、Yoshida Suguru、Iwata So、Aoki Junken、Hosoya Takamitsu、Hagiwara Masatoshi
  • Journal Title: Cell Chemical Biology Volume: 未定 Pages: 未定
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2021.01.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-resolution crystal structures of transient intermediates in the phytochrome photocycle (2021)
  • Author(s): Carrillo Melissa et al.
  • Journal Title: Structure Volume: 未定 Pages: 未定
  • DOI: 10.1016/j.str.2021.03.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Time-resolved serial femtosecond crystallography reveals early structural changes in channelrhodopsin (2021)
  • Author(s): Oda Kazumasa、et al.
  • Journal Title: eLife Volume: 10 Pages: e62389
  • DOI: 10.7554/eLife.62389
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Endogenous agonist-bound S1PR3 structure reveals determinants of G protein-subtype bias (2021)
  • Author(s): Maeda S, Shiimura Y, Asada H, Hirata K, Luo F, Nango E, Tanaka N, Toyomoto M, Inoue A, Aoki J, *Iwata S and *Hagiwara M.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 未定 Pages: 未定
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The structure of MgtE in the absence of magnesium provides new insights into channel gating. (2021)
  • Author(s): Jin F, Sun M, Fujii T, Yamada Y, Wang J, Maturana AD, Wada M, Su S, Ma J, Takeda H, Kusakizako T, Tomita A, Nakada-Nakura Y, Liu K, Uemura T, Nomura Y, Nomura N, Ito K, Nureki O, Namba K, Iwata S, Yu Y, Hattori M.
  • Journal Title: PLoS Biology Volume: 19 Pages: e3001232
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3001231
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comparing serial X-ray crystallography and microcrystal electron diffraction (MicroED) as methods for routine structure determination from small macromolecular crystals (2020)
  • Author(s): Wolff Alexander M.、et al.
  • Journal Title: IUCrJ Volume: 7 Pages: 306～323
  • DOI: 10.1107/S205225252000072X
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The primary structural photoresponse of phytochrome proteins captured by a femtosecond X-ray laser (2020)
  • Author(s): Claesson Elin、et al.
  • Journal Title: eLife Volume: 9 Pages: e53514
  • DOI: 10.7554/eLife.53514
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structural insights into tetraspanin CD9 function (2020)
  • Author(s): Umeda Rie、Satouh Yuhkoh、Takemoto Mizuki、Nakada-Nakura Yoshiko、Liu Kehong、Yokoyama Takeshi、Shirouzu Mikako、Iwata So、Nomura Norimichi、Sato Ken、Ikawa Masahito、Nishizawa Tomohiro、Nureki Osamu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Pages: 1606
  • DOI: 10.1038/s41467-020-15459-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The discovery of a new antibody for BRIL-fused GPCR structure determination (2020)
  • Author(s): Miyagi Hikaru、Asada Hidetsugu、Suzuki Michihiko、Takahashi Yuichi、Yasunaga Mai、Suno Chiyo、Iwata So、Saito Jun-ichi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 11669
  • DOI: 10.1038/s41598-020-68355-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure of an antagonist-bound ghrelin receptor reveals possible ghrelin recognition mode (2020)
  • Author(s): Shiimura Yuki、Horita Shoichiro、Hamamoto Akie、Asada Hidetsugu、Hirata Kunio、Tanaka Misuzu、Mori Kenji、Uemura Tomoko、Kobayashi Takuya、Iwata So、Kojima Masayasu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Pages: 4160
  • DOI: 10.1038/s41467-020-17554-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Atg9 is a lipid scramblase that mediates autophagosomal membrane expansion (2020)
  • Author(s): Matoba Kazuaki、Kotani Tetsuya、Tsutsumi Akihisa、Tsuji Takuma、Mori Takaharu、Noshiro Daisuke、Sugita Yuji、Nomura Norimichi、Iwata So、Ohsumi Yoshinori、Fujimoto Toyoshi、Nakatogawa Hitoshi、Kikkawa Masahide、Noda Nobuo N.
  • Journal Title: Nature Structural & Molecular Biology Volume: 27 Pages: 1185～1193
  • DOI: 10.1038/s41594-020-00518-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Isoprenoid-chained lipid EROCOC17+4: a new matrix for membrane protein crystallization and a crystal delivery medium in serial femtosecond crystallography (2020)
  • Author(s): Ihara Kentaro、Hato Masakatsu、Nakane Takanori、Yamashita Keitaro、Kimura-Someya Tomomi、Hosaka Toshiaki、Ishizuka-Katsura Yoshiko、Tanaka Rie、Tanaka Tomoyuki、Sugahara Michihiro、Hirata Kunio、Yamamoto Masaki、Nureki Osamu、Tono Kensuke、Nango Eriko、Iwata So、Shirouzu Mikako
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 19305
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76277-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Isolation and thermal stabilization of mouse ferroportin (2020)
  • Author(s): Deshpande Chandrika N.、Azucenas Corbin R.、Qiao Bo、Nomura Norimichi、Xin Vicky、Font Josep、Iwata So、Ganz Tomas、Nemeth Elizabeta、Mackenzie Bryan、Jormakka Mika
  • Journal Title: FEBS Open Bio Volume: 11 Pages: 26～34
  • DOI: 10.1002/2211-5463.13039
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structure of the dopamine D2 receptor in complex with the antipsychotic drug spiperone (2020)
  • Author(s): Im Dohyun、Inoue Asuka、Fujiwara Takaaki、Nakane Takanori、Yamanaka Yasuaki、Uemura Tomoko、Mori Chihiro、Shiimura Yuki、Kimura Kanako Terakado、Asada Hidetsugu、Nomura Norimichi、Tanaka Tomoyuki、Yamashita Ayumi、Nango Eriko、Tono Kensuke、Kadji Francois Marie Ngako、Aoki Junken、Iwata So、Shimamura Tatsuro
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Pages: 6442
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20221-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Beyond the molecular movies (2021)
  • Author(s): 岩田想
  • Organizer: SACLA Users' Meeting
  • Invited
• [Presentation] 抗体フラグメントを用いたGPCRの構造解析と創薬への応用 (2020)
  • Author(s): 岩田想
  • Organizer: 第93回日本生化学会大会
  • Invited
• [Book] “The Intervening Removable Affinity Tag (iRAT) System for the Production of Recombinant Antibody Fragments” in Methods Mol Biol. (2021)
  • Author(s): *Nomura N, Nomura Y, Sato Y and *Iwata S.
  • Total Pages: 340ページ
  • Publisher: Humana Press
  • ISBN: 978-1-0716-1125-8