Development of prenylated peptides interacting with intracellular targets

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H02866
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 後藤 佑樹 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (70570604)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 中分子ペプチド / プレニル化ペプチド / 擬天然物 / 生物活性分子

Outline of Annual Research Achievements

次世代型の創薬候補分子として、中分子サイズの環状ペプチドが近年注目されている。しかしながら、親水性の高いアミド結合を主鎖にもつペプチドは、一般的に細胞膜を通過できないため、細胞内移行配列に頼らずに細胞内標的を阻害する人工ペプチド薬剤の開発原理は、現時点では存在しない。そこで、本研究では、天然物ペプチドにみられ、高い細胞膜親和性が期待されるプレニル化骨格を活用することで、任意の生物活性を示す人工プレニル化ペプチドを創製するシステムの樹立を目指す。
具体的に本研究課題では、人工プレニル化環状ペプチド(PMP)の試験管内生合成に資する新規ペプチドプレニル化酵素の探索と同定（計画A）、より多彩なプレニル化骨格の合成を目的とした試験管内人工PMP生合成系の高度化（計画B）、望みの生物活性を発揮する人工PMPの試験管内分子選択技術の確立（計画C）、創製した人工PMPの細胞膜親和性・細胞内阻害活性の実証（計画D）、を計画している。
本年度は、既知のTrpプレニル化酵素を用いた我々の試験管内生合成系において、非天然型のTrp誘導体をプレニル化させ、非天然型のプレニル化残基骨格を構築できることを見出した。さらに、ゲノムデータベースより25種類を超える新規ペプチドプレニル化酵素候補を見出し、これらのうち20種類について実際に異種発現によってリコンビナントタンパク質の調製に成功した。これら新規候補酵素の予備評価実験において、新規プレニル化反応を触媒する未知のプレニル化酵素をいくつか発見することにも成功した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初は期待していなかった、これまで知られていなかった新規プレニル化反応を触媒する未知のプレニル化酵素を発見した。これにより、今後の研究の幅が大幅に拡がった。

Strategy for Future Research Activity

プレニル化活性を示した複数の新規酵素について、より詳細に生化学的特性の評価を進め、人工PMPの試験管内生合成に資する新規酵素の同定を進める(計画A)。さらに、これらの新規プレニル化酵素について、人工アミノ酸誘導体のプレニル化を検証することで、人工PMPに組み込めるプレニル化骨格のバリエーションを増やすことも目指す(目的B)。さらに、昨年度までの研究で、既知のTrpプレニル化酵素を用いた系については試験管内生合成系の確立の目処が経ったので、今年度はプレニル化Trpを有する人工PMPの試験管内分子選択技術の確立にも着手する予定である(目的C)。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Princeton University/Univ. of North Carolina at Chapel Hill(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Princeton University/Univ. of North Carolina at Chapel Hill
• [Int'l Joint Research] National University of Singapore(シンガポール)
  • Country Name: SINGAPORE
  • Counterpart Institution: National University of Singapore
• [Journal Article] Posttranslational chemical installation of azoles into translated peptides (2021)
  • Author(s): Tsutsumi, H., Kuroda, T., Kimura, H., Goto, Y., Suga, H.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 12 Pages: 696
  • DOI: 10.1038/s41467-021-20992-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] New developments in RiPP discovery, enzymology and engineering (2021)
  • Author(s): Montalban-Lopez, M., et al.
  • Journal Title: Nat. Prod. Rep. Volume: 38 Pages: 130-239
  • DOI: 10.1039/d0np00027b
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Promiscuous Enzymes Cooperate at the Substrate Level En Route to Lactazole A (2020)
  • Author(s): Vinogradov, A.A., Shimomura, M., Kano, N., Goto, Y., Onaka, H., Suga, H.
  • Journal Title: J Am Chem Soc Volume: 142 Pages: 13886-13897
  • DOI: 10.1021/jacs.0c05541
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Minimal lactazole scaffold for in vitro thiopeptide bioengineering (2020)
  • Author(s): Vinogradov, A.A., Shimomura, M., Goto, Y., Ozaki, T., Asamizu, S., Sugai, Y., Suga, H., Onaka, H.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 11 Pages: 2272
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16145-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Accurate Broadcasting of Substrate Fitness for Lactazole Biosynthetic Pathway from Reactivity-Profiling mRNA Display (2020)
  • Author(s): Vinogradov, A.A., Nagai, E., Chang, J.S., Narumi, K., Onaka, H., Goto, Y., Suga, H.
  • Journal Title: J Am Chem Soc Volume: 142 Pages: 20329-20334
  • DOI: 10.1021/jacs.0c10374
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Macrocyclic Peptide Library with a Structurally Constrained Cyclopropane-containing Building Block Leads to Thiol-independent Inhibitors of Phosphoglycerate Mutase (2020)
  • Author(s): Okuma, R., Kuwahara, T., Yoshikane, T., Watanabe, M., Dranchak, P., Inglese, J., Shuto, S., Goto, Y., Suga, H.
  • Journal Title: Chem. Asian J. Volume: 15 Pages: 2631-2636
  • DOI: 10.1002/asia.202000700
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Human trans-editing enzyme displays tRNA acceptor-stem specificity and relaxed amino acid selectivity (2020)
  • Author(s): Vargas-Rodriguez, O., Bakhtina, M., McGowan, D., Abid, J., Goto, Y., Suga, H., Musier-Forsyth, K.
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 295 Pages: 16180-16190
  • DOI: 10.1074/jbc.RA120.015981
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Artificial in vitro biosynthesis for backbone-modified peptides (2020)
  • Author(s): Yuki Goto
  • Organizer: 7th FIP Pharmaceutical Sciences World Congress (PSWC2020 Virtual)
• [Presentation] Artificial in vitro biosynthesis for backbone-modified peptides (2020)
  • Author(s): Yuki Goto
  • Organizer: 6th International Symposium on Middle Molecular Strategy (ISMMS-6)