Structural analysis of biased agonism in GPCR and drug discovery

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19J22636
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 前田 信太郎 京都大学, 医学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Keywords: GPCR / バイアスド・アゴニスト / 構造解析 / シグナル伝達

Outline of Annual Research Achievements

Gタンパク質共役受容体(GPCR)は細胞外からの刺激に応じてその構造を変化させ、3量体Gタンパク質やアレスチンなどの細胞内の情報伝達を担う分子を活性化する。これまでに数多くのGPCR作動薬が開発されたことにより、作動薬の中には内在性基質とは異なるシグナル・プロファイルを示すもの(バイアスド・リガンド)があることが報告されてきた。しかしながら、これらのバイアスド・リガンドが同一のGPCRに対してどのような構造変化を引き起こすのかは未だに解明されていない。本研究ではGPCRのある一種に対してバイアスド・リガンドを含む様々な作動薬との複合体の構造を解析することで、バイアスド・リガンドの作用機序を明らかにするとともにバイアスド・リガンドをデザインできるようにすることを目的としている。本年度は前年に樹立した受容体の三次元エピトープを認識する抗体を用いて受容体の安定化と結晶化の促進を試みた。三種類の抗体のうち、細胞外エピトープを認識する抗体を用いることで、構造解析に十分な品質の結晶を得ることができた。この結晶を用いて、内在性基質とその受容体の複合体の構造をX線結晶構造解析にて決定した。この構造からその受容体および類縁の受容体の活性化機構が明らかとなった。さらに内在性基質のアナログや基質認識に重要なアミノ酸残基を変異させた受容体を用いたシグナル解析の結果から、リガンド依存的なGタンパク質の選択性の変化の一端が明らかとなりつつある。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は受容体の活性化状態の構造をX線結晶構造解析にて決定することができたため、期待通りに研究が進展したと判断する。結晶化のスクリーニングには時間を費やしたが、抗体と受容体の混合比率を変えることで飛躍的に結晶の品質と大きさが向上した。また構造が決定してすぐに変異体解析に取り組み、年度内に予定していた変異体を用いたシグナル解析を終了することができた。

Strategy for Future Research Activity

内在性基質の構造のみで、活性化機構からGタンパク質の選択性の機構まで明らかとなりつつあり、次年度より得られた知見を元にして実際に別のGPCRに対してもバイアスド・リガンドをデザインしていく。デザインしたリガンドのうち、最も有望なものから順にシグナルアッセイを行い、作動薬としてのプロファイルを作成する。並行して別のリガンドとの複合体の構造も解析していく。超低温電子顕微鏡を用いた単粒子解析も積極的に行っていく。