ゴーシェ病治療薬開発を指向したイミノ糖型シャペロンのデザイン合成研究

2012 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 23590127
• Research Institution: University of Toyama
• Principal Investigator: 加藤 敦 富山大学, 大学病院, 准教授 (60303236)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高畑 廣紀 東北薬科大学, 薬学部, 教授 (00109109) ; 広野 修一 北里大学, 薬学部, 教授 (30146328) ; 石井 達 大分大学, 医学部, 客員研究員 (00222935) ; 足立 伊左雄 富山大学, 大学病院, 教授 (30151070)
• Keywords: リソソーム病 / グリコシダーゼ / イミノ糖 / シャペロン / フォールディング

Research Abstract

平成24年度では、昨年までに得られた1-N-型イミノ糖であるisofagomine類を用いたβ-glucocerebrosidaseの活性中心における水素結合及び結合安定性試験の結果を、更に発展させる意味でDMDPに代表されるピロリジン型イミノ糖のD体、L体を含む全10種の異性体の合成を行い、これらイミノ糖が各種グリコシダーゼに及ぼす効果について検討を行った。DMDPは、β-glucocerebrosidaseに対してμMオーダーの強いIC50値を示した。一方、鏡像異性体であるL-DMDPは、DMDPに認められたβ-glucocerebrosidaseに対する阻害活性が完全に消失したものの、逆に、α-glucosidaseに対して、IC50値が1.2-5.8 μMを示す強力な阻害活性であった。また、メソ-allo体は、α-galactosidaseおよびα-L-fucosidaseに対して阻害を示すなど、水酸基の配置がこれら酵素に対する選択的な阻害活性を大きく左右する事が示唆された。次に、DMDPがβ-glucosidaseに対し強力な阻害活性を示したことに着目し、 DMDPのC2位ヒドロキシメチル基を持たないDABとその誘導体について、グリコシダーゼ阻害活性を比較した。その結果、DABおよびN-alkyl-DABでは、DMDPに比べ阻害活性が大きく低下したが、1-C- alkyl -DABでは阻害活性の上昇が認められた。そこで1-C-アルキル鎖を順次延長したところ、1-C-アルキル鎖の炭素数増加に伴い、β-glucosidaseに対する阻害活性は増強されることが明らかになった。以上の結果から、DABの1-C-アルキル化はβ-glucocerebrosidaseをターゲットとする新たなファーマコロジカルシャペロンとして機能する可能性が示された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

平成24年度の成果により、目標であったβ-glucocerebrosidaseの活性中心におけるイミノ糖との水素結合の解析及び結合安定性試験を行うことができた。特に、これまで医薬品開発がほとんど行われてこなかったDMDPに代表されるピロリジン型イミノ糖のD体、L体を含む全10種の異性体の合成を行い、これらイミノ糖が各種グリコシダーゼに及ぼす効果を網羅的に解析できた成果は大きい。本成果は、J. Org. Chem. 77 (18) 7777-7792, 2012に掲載され、簡便かつ系統的なピロリジン型イミノ糖の合成と、断片化していたグリコシダーゼに対する阻害および選択性に関する情報を集約し、医薬品応用の可能性に言及した点を高く評価されている。また、同様に平成24年度では、D-マンノースから8種類のα-homonojirimycinを網羅的に合成し、グリコシダーゼに対する阻害選択性の評価を行い、その成果をOrg. Lett.14(8), 2050-2053,2012に投稿するとともに、アゼチジン型イミノ糖の有用性の評価も行えた(Org. Lett. 14 (8) 2142-2415, 2012, Org. Lett. 14 (16) 4174-4177, 2012).

Strategy for Future Research Activity

今年度行ったピロリジン型イミノ糖を用いた解析結果から、D型のDMDPはβ-glucocerebrosidaseに対してμMオーダーの強いIC50値を示すとともに、高い親和性を示すことが明らかになった。また、タンパク- リガンドinduced fit docking 解析から、これらピロリジン型イミノ糖は、1-N型イミノ糖であるisofagomineとは、明らかに異なる様式で活性中心で結合していることが示唆された。そこで、次年度では、これら結果を更に発展させ、isofagomine とβ-glucocerebrosidaseとの間で認められるC3 位OH基とAsp127 およびTrp179 の水素結合等が、DMDPでも認められるかなど、より詳細な酵素-リガンド間の相互作用を解析して行きたい。また、組織への移行性も考慮した更なるデザインも行う予定である、具体的には、本年度の成果としてDMDPは、N-アルキル化により、β-glucocerebrosidaseとの親和性が減弱する一方で、1-C-アルキル体では親和性の向上が認められた。この結果を踏まえ、C1位のアルキル化が、β-glucocerebrosidaseとの結合に与える影響についてタンパク- リガンドinduced fit docking 解析を行うとともに、単純なアルキル化ではなく、芳香環を始めとする他の置換基を導入した場合の効果についても実験を行う予定である。すでにゴーシェ病モデル細胞としてN370SおよびL444P変異を持つ線維芽細胞を準備しており、これまで行ってきた一連のイミノ糖について、その効果を評価していく予定である。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

平成25年度は、引き続きβ-glucocerebrosidaseに対し高親和性を示す化合物の探索と構造活性相関の検討ならびにイミノ糖の結合部位および結合様式の解析とシミュレーションデザインをおこなう。従って、化学合成し、ライブラリーを作製するための薬品およびガラス器具等、必要な経費を配分する。また、β-glucocerebrosidaseとの親和性を測定するために必要な酵素、基質など酵素化学的研究が十分に行えるよう経費を配分する。さらに、ゴーシェ病患者由来線維芽細胞を用いたシャペロン効果の評価等、細胞生物学的なデータを集積するために必要な実験経費を配分する。今年度は、当初計画より早くピロリジン型の候補化合物の絞り込みが行えたため、次年度使用額が生じたが、これらを細胞培養に必要なプラスチック器具類や酵素、細胞、ラベル化試薬など、細胞生物学的な実験が十分に行えるような経費配分とする。また、研究代表者および研究分担者が集まり、研究成果をまとめる際に必要な旅費として使用する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Eight stereoisomers of homonojirimycin from D-mannose. (2012)
  • Author(s): Lenagh-Snow, G. M. J., Jenkinson, S. F., Newberry, S. J., Kato, A., Nakagawa, S., Adachi, I., Wormald, M. R., Yoshihara, A., Morimoto, K., Akimitsu, K., Izumori, K., Fleet, G. W. J.
  • Journal Title: Org. Lett. Volume: 14 (8) Pages: 2050-2053
  • DOI: 10.1021/ol3005744
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Azetidine iminosugars from the cyclization of 3,5-di-O-triflates of α-furanosides and of 2,4-O-triflates of β-pyranosides derived from glucose. (2012)
  • Author(s): Lenagh-Snow, G. M. J., Araujo, N., Jenkinson, S. F., Martinez, R. F., Shimada, Y, Yu, C.-Y., Kato, A., Fleet, G. W. J.
  • Journal Title: Org. Lett. Volume: 14 (8) Pages: 2142-2145
  • DOI: 10.1021/ol300669v
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Scalable syntheses of both enantiomers of DNJNAc and DGJNAc from glucuronolactone: The effect of N-alkylation on hexosaminidase inhinition. (2012)
  • Author(s): Glawar, A. Best, D., Ayers, B., Miyauchi, S., Nakagawa, S., Agulilar-M, M., Fernandez, J. M. G., Mellet, C. O., Crabtree, E. V., Butters, T. D., Wilson, F. X., Kato, A., Fleet, G. W. J.
  • Journal Title: Chem. Eur. J. Volume: 18 (30) Pages: 9341-9359
  • DOI: 10.1002/chem.201200110
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis from D-altrose of (5R,6R,7R,8S)-5,7-dihydroxy-8-hydroxymethylconidine and 2,4-dideoxy-2,4-imino-D-glucitol, azetidine analogues of swainsonine and 1,4-dideoxy-1,4-imino-D-mannitol. (2012)
  • Author(s): Araujo, N., Jenkinson, S. F., Martinez, R. F., Glawar, A. F. G., Wormald, M. R., Butters, T. D., Nakagawa, S., Adachi, I., Kato, A. Yoshihara, A., Akimitsu, K., Izumori, K., Fleet, G. W. J.
  • Journal Title: Org. Lett. Volume: 14 (16) Pages: 4174-4177
  • DOI: 10.1021/ol301844n
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Glycosidase inhibition by all 10 stereoisomeric 2,5-dideoxy-2,5-iminohexitols prepared from the enantiomers of glucuronolactone. (2012)
  • Author(s): Ayers, B., Ngo, M., Jenkinson, S. F Martínez, R. F., Shimada, Y., Adachi, I., Weymouth-Wilson, A. C., Kato, A., Fleet, G. W. J.
  • Journal Title: J. Org. Chem. Volume: 77 (18) Pages: 7777-7792
  • DOI: 10.1021/jo301243s
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] α-1-C-Butyl-LAB as a second-generation iminosugar-based oral α-glucosidase inhibitor for improving postprandial hyperglycemia. (2012)
  • Author(s): Kato, A., Hayashi, E., Miyauchi, S., Adachi, I., Imahori, T., Natori, Y., Yoshimura, Y., Nash, R. J., Shimaoka, H., Nakagome, I., Koseki, J., Hirono, S., Takahata, H.
  • Journal Title: J. Med. Chem. Volume: 55 (23) Pages: 10347-10362
  • DOI: 10.1021/jm301304e
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 3-Hydroxyazetidine carboxylic acids: non-proteinogenic amino acids for medicinal chemists. (2012)
  • Author(s): Jenkinson, S. F., Thompson, A. L., Nakagawa, S., Kato, A., Butters, T. D., Fleet, G. W. J.
  • Journal Title: ChemMedChem. Volume: 8 (4) Pages: 658-666
  • DOI: 10.1002/cmdc.201200541
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ピロリジン型イミノ糖の構造活性相関に基づいたシャペロン様化合物のデザイン研究 (2013)
  • Author(s): 中川進平、加藤敦、足立伊佐雄
  • Organizer: 日本薬学会第133年会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20130328-30
• [Presentation] 七員環型イミノ糖の誘導体化とグリコシダーゼ阻害活性 (2013)
  • Author(s): 岩城蓮、加藤敦、中川進平、足立伊佐雄
  • Organizer: 日本薬学会第133年会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20130328-30
• [Presentation] コンピュータリガンドドッキングによるα-glucosidase阻害剤α-1-C-Butyl-LABのmaltase及びβ-glucosidaseに対する結合様式解析 (2013)
  • Author(s): 中込泉、小関準、山乙教之、合田浩明、広野修一、加藤敦、林恵利奈、足立伊佐雄、今堀龍志、名取良浩、吉村祐一、高畑廣紀
  • Organizer: 日本薬学会第133年会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20130328-30
• [Presentation] α-1-C-アルキル-D-アラビノイミノ糖誘導体の触媒的不斉合成とその生物活性 (2013)
  • Author(s): 渡邊靖香、佐久間俊嘉、名取良浩、吉村祐一、佐藤香純、加藤敦、足立伊佐雄、高畑廣紀
  • Organizer: 日本薬学会第133年会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20130328-30
• [Presentation] 1-C-n-ブチル-L-イミノフラノース誘導体の触媒的不斉合成 (2013)
  • Author(s): 佐久間俊嘉、渡邊はるか、名取良浩、吉村祐一、中川進平、加藤敦、足立伊佐雄、高畑廣紀
  • Organizer: 日本薬学会第133年会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20130328-30
• [Presentation] C1位に4-アリールブチル基を導入したL-アラビノイミノ糖誘導体の不斉合成と生物活性評価 (2013)
  • Author(s): 名取良浩、今堀龍志、吉村祐一、嶋田陽介、加藤敦、足立伊佐雄、高畑廣紀
  • Organizer: 日本薬学会第133年会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20130328-30
• [Presentation] 次世代型イミノ糖であるα-1-C-alkyl-LABの特性と生物活性について（第1報） (2013)
  • Author(s): 足立伊佐雄、加藤 敦、林 恵利奈、中川進平、名取良浩、吉村祐一、高畑廣紀
  • Organizer: 日本薬学会第133年会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20130328-20130330
• [Presentation] 次世代型イミノ糖であるα-1-C-alkyl-LABの特性と生物活性について（第2報） (2013)
  • Author(s): 加藤 敦、林 恵利奈、足立伊佐雄、今堀龍志、名取良浩、吉村祐一、島岡秀行、中込 泉、小関 準、広野修一、高畑廣紀
  • Organizer: 日本薬学会第133年会
  • Place of Presentation: 横浜
  • Year and Date: 20130328-20130330
• [Presentation] Sucrase及びIsomaltaseへのLAB化合物の結合様式に関する理論的研究 (2012)
  • Author(s): 小関準、中込泉、足立伊佐雄、加藤敦、広野修一
  • Organizer: 第40回構造活性相関シンポジウム
  • Place of Presentation: 岡崎
  • Year and Date: 20121129-30
• [Presentation] C1位に4-アリールブチル基を組み込んだL-アラビノイミノフラノースの触媒的不斉合成と生物活性評価 (2012)
  • Author(s): 名取良浩、吉村祐一、高畑廣紀、嶋田陽介、加藤敦、足立伊佐雄
  • Organizer: 第38回反応と合成の進歩シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 20121105-06
• [Presentation] L-アラビノイミノフラノースをベースとした食後過血糖改善薬のデザイン合成研究 (2012)
  • Author(s): 加藤敦、林恵利奈、中川進平、足立伊佐雄、中込泉、小関準、広野修一、名取良浩、今堀龍志、吉村祐一、高畑廣紀
  • Organizer: 第31回糖質学会年会
  • Place of Presentation: 鹿児島
  • Year and Date: 20120917-20
• [Presentation] Synthesis of glycosidase inhibitors based on bicyclic azetidines for the treatment of cancer. (2012)
  • Author(s): Martinez, R. F., Araujo, N., Jenkinson, S. F., Kato, A., and Fleet, G. W. J
  • Organizer: 26th International Carbohydrate Symposium (ICS2012)
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20120722-20120727
• [Presentation] Synthesis and biological evaluation of azetidines derivatives from carbohydrates. (2012)
  • Author(s): Araujo, N., Martinez, R. F., Lenagh-Snow, G. M. J., Glawar, A. F. G., Jenkinson, S. F., Kato, A., Fleet, G.W.J.
  • Organizer: 26th International Carbohydrate Symposium (ICS2012)
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 20120722-20120727