Development of a new design method for artificial nucleic acids

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K12125
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 長尾 知生子 大阪大学, 蛋白質研究所, 助教 (10402463)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 笠原 勇矢 国立研究開発法人医薬基盤・健康・栄養研究所, 医薬基盤研究所 創薬デザイン研究センター, サブプロジェクトリーダー (10740673) ; 李 秀栄 国立研究開発法人医薬基盤・健康・栄養研究所, 医薬基盤研究所 創薬デザイン研究センター, プロジェクト研究員 (50390670)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 人工核酸 / アプタマー / デザイン / ドッキング

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、あらゆるターゲットタンパク質に対して人工核酸アプタマーを取得できるよう、特異的な相互作用による親和性とターゲット表面との非特異的な相互作用も含めて「滞在時間」を考慮した修飾基の導入による、論理的、かつ効率的な人工核酸アプタマーのデザイン方法を提案する。具体的には、１．親和性と滞在時間を考慮した修飾基の選択、２．適切な修飾基を導入した人工核酸を用いたSELEX法によるアプタマー取得の効率化、３．インシリコによる効率的な人工核酸アプタマー最適化、の3項目を実施する。
今年度は、項目1. 親和性と滞在時間を考慮した修飾基の選択に関して、修飾基選択のパラメータの設定、あるいは機械学習法の開発を行うための調査を実施した。
調査を行うためのターゲットタンパク質として、タンパク質間相互作用を阻害する低分子化合物が多数報告されており、かつ立体構造が解かれている5つのタンパク質をiPPI-DBデータベースより選択した。化合物情報は、ChEMBLデータベースより、高い阻害活性を持つ化合物からほとんど阻害活性を持たない化合物まで、幅広く収集した。ドッキング計算は、ソフトウェアsminaを用いて、タンパク質表面全体に対して行った。
まず、予備的なドッキング計算を通じて最適な計算パラメータを決定し、次いで５つのタンパク質に対して決定したパラメータを用いたドッキング計算を実施、その結果から修飾基選択基準を決めるために必要な基礎データを得た。

Current Status of Research Progress

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

Reason

今年度は、項目1. 親和性と滞在時間を考慮した修飾基の選択に関して、修飾基選択のパラメータの設定、あるいは機械学習法の開発を行うための調査を実施した。
調査を行うためのターゲットタンパク質として、タンパク質間相互作用（PPI）を阻害する低分子化合物に関するデータベース　iPPI-DB（https://ippidb.pasteur.fr/）より、阻害剤の報告が多く、立体構造情報が得られる、5つのタンパク質を選択した。化合物情報は、ChEMBLデータベース（https://www.ebi.ac.uk/chembl/）より、高い阻害活性を持つ化合物からほとんど阻害活性を持たない化合物まで、KiあるいはIC50を収集した。ドッキング計算は、ソフトウェア　Smina（https://github.com/mwojcikowski/smina）を用いた。まず、予備的なドッキング計算を通じて最適な計算パラメータを決定し、次いで５つのタンパク質に対して決定したパラメータを用いたドッキング計算を実施した。
高い阻害活性を示す化合物と活性を示さない化合物で、得られた結果を比較した。高い活性を示す化合物はPPI部位以外のタンパク質表面とも比較的強く相互作用し、活性が低い化合物と比べて、タンパク質表面全体に留まっている時間が長い可能性を示唆する結果が得られた。さらに詳細な解析が必要であるが、人工核酸アプタマーに導入する修飾基の選択の基準となりうるパラメータの候補も得られている。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、項目1. 親和性と滞在時間を考慮した修飾基の選択に関して、修飾基選択のパラメータの設定、あるいは機械学習法の開発を行うための調査を行う。今年度得られたドッキング結果の詳細な解析を進める。PPI表面とそれ以外の表面の電荷や構造的な違いと、それぞれの表面における化合物の相互作用の違いを比較する予定である。その結果に基づいて、導入する修飾基を選択するための指標を設定する。エボラウイルスのVP24タンパク質に対して、フラグメント化合物のドッキング計算を行い、設定した指標と分子動力学計算により、候補フラグメントを絞り込む。
候補フラグメントを用いて、項目2. 適切な修飾基を導入した人工核酸を用いたSELEX法によるアプタマー取得の効率化を行う。エボラウイルスのVP24タンパク質とKaryopherin alphaとの相互作用の阻害活性を、本研究によって得られた人工核酸アプタマーとこれまでに得られている人工核酸アプタマー間で比較することで、新規の方法によって選択された修飾基の導入による効果を確認する。

Causes of Carryover

研究進捗としては「おおむね順調に進捗している」と判断できる結果であった。しかし調査のためのターゲット選択とドッキング計算を行うための立体構造選択は、注意深く行う必要があり、当初予定よりも時間を要した。そのため、導入する修飾基の選択まで到達することができず、修飾基導入用フラグメント化合物購入予定費を次年度使用額として繰り越した。令和４年度に導入する修飾基を決定し、フラグメント化合物の購入に使用する。