天然化合物の革新的標的分子同定法の確立とケミカルエピジェネティクス

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26221204
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 吉田 稔 国立研究開発法人理化学研究所, 吉田化学遺伝学研究室, 主任研究員 (80191617)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 新家 一男 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 創薬基盤研究部門, 上級主任研究員 (20251481) ; 中尾 洋一 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60282696)
• Project Period (FY): 2014-05-30 – 2019-03-31
• Keywords: 天然生理活性物質 / 標的分子 / エピジェネティクス / 合成致死遺伝子 / 分子間相互作用

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、新しい化合物-標的相互作用検出技術を開発することによって、あらゆる化合物の標的分子を迅速、組織的に同定する系を構築し、それを用いて未解明の天然物の標的分子と作用機構を明らかにすることを目的とする。（１）分裂酵母及び出芽酵母遺伝子破壊株を用いた作用機構の迅速解析系がほぼ完成したので、それを用いて理研の天然化合物バンクの約10,000化合物を解析したところ、1374化合物について標的経路を推定することができた。また、海洋天然物TheonellamideおよびTopsentinがそれぞれ脂質成分であるステロール、ホスファチジルコリンを特異的標的としていることを明らかにするとともに、化合物によるユニークな膜機能変化を観察した。（２）エピジェネティクスに作用する化合物としてAurilide Bの作用を解析した結果、H3K27やH4K5のアセチル化の減少とそれに続くH3K9やH3K27のトリメチル化の亢進が観察され、複数のヒストン修飾を段階的に変化させることが判明した。また、脱アセチル化酵素SIRT2がアクチン結合タンパク質Cortacinを活性化してがん細胞の転移・浸潤に関与することを明らかにしたので、転移抑制を目的にSIRT2阻害剤を探索した。得られたNPD11033の作用をX線結晶構造解析により調べた結果、SIRT2の機能不明な疎水空間に入り込むことがわかった。さらなる解析により、この疎水空間は長鎖アシル化リジンのアシル基のためのポケットであり、SIRT2が長鎖脱アシル化酵素活性を持つという驚くべき結果が得られた。（３）新しい天然物スクリーニングからニトロソ基、オキサゾール基、およびテトラミン酸骨格を同時に持つ新規物質としてJBIR-141および142を発見した。また、既知物質のMakaluvamine Aを単離同定した。そこでこれらの作用機構解析を開始した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

バーコード標識化した分裂酵母遺伝子破壊株ライブラリー、出芽酵母遺伝子破壊ライブラリー、動物細胞用Pooled shRNAライブラリーのそれぞれにおいて、バーコードシークエンスによる増殖定量系のための条件検討が完了し、実際の化合物の標的経路の推定が可能になった。それを用いて、理研・天然化合物バンクの多数の化合物の作用経路を同時に推定することができたので、検証作業を開始した。また、これを天然由来の化合物の作用機構解析にも適用し、作用経路に関する貴重な情報が得られるようになった。BiFCを用いた細胞内での化合物相互作用タンパク質スクリーニング系構築については、BiFCのための蛍光タンパク質の選定が完了し、感度、S/N比などを検証するためのパイロットスクリーニングを開始した。さらにエピジェネティクスを化合物で制御することを目的に様々なスクリーニング系を構築し、ヒストン修飾を変化させる化合物や脱アセチル化酵素SIRT2の特異的阻害剤等も得られている。

Strategy for Future Research Activity

天然物は生理活性の宝庫であるが、これまで作用機構が分子レベルで解明された例はごくわずかであり、巨大な研究資源の鉱脈がまだ眠ったままになっていると言っても過言ではない。その原因として、化合物の標的分子を同定し、作用機構を解明する研究には確立した方法論がなく、多くの場合標的の同定はきわめて困難であることが考えられる。我々は遺伝学的相互作用と物理的相互作用の組合せが必須であると考えている。本研究では、すでに網羅的な遺伝学的相互作用解析法として、分裂酵母遺伝子破壊株ライブラリー、出芽酵母遺伝子破壊ライブラリー、動物細胞用Pooled shRNAライブラリーを用いたバーコードシークエンスによる増殖定量系を確立した。そこで今後はユニークな作用を示す化合物を選抜し、作用機構解析を実施し、系の有効性を検証するとともに改良点を見いだす必要がある。BiFCを用いた物理的相互作用解析技術については、ゲートウェイ化されたヒトcDNAライブラリーから融合タンパク質発現ライブラリーの構築を進める。BiFCを用いた標的スクリーニング法については、今後約20,000クローンを導入して有効性を検証するため、さらに２年程度の時間を要するが、本基盤S研究の終了時までには完成させることを目指す。併せてエピジェネティクスを人為的に制御するための化合物スクリーニングを継続し、画期的な化合物の発見を目指す。

Research Products

• [Journal Article] RQN-18690A (18-deoxyherboxidiene) targets SF3b, a spliceosome component, and inhibits angiogenesis (2016)
  • Author(s): Kakeya, H., Kaida, D., Sekiya, H., Nagai, K., Yoshida, M., and Osada, H.
  • Journal Title: J. Antibiot. (Tokyo) Volume: 69 Pages: 121-123
  • DOI: 10.1038/ja.2015.94
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] MALAT1 long non-coding RNA in cancer (2016)
  • Author(s): Yoshimoto, R., Mayeda, A., Yoshida, M. and Nakagawa, S.
  • Journal Title: Biochim. Biophys. Acta Volume: 1859 Pages: 192-199
  • DOI: 10.1016/j.bbagrm.2015.09.012
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A proteome-wide fission yeast interactome reveals network evolution principles from yeasts to human (2016)
  • Author(s): Vo, T.V., Das, J., Meyer, M.J., Cordero, N.A., Akturk, N., Wei, X., Fair, B.J., Degatano, A.G., Fragoza, R., Liu, L.G., Matsuyama, A., Trickey, M., Horibata, S., Grimson, A., Yamano, H., Yoshida, M., Roth, F.P., Pleiss, J.A., Xia, Y., and Yu, H.
  • Journal Title: Cell Volume: 164 Pages: 310-323
  • DOI: 10.1016/j.cell.2015.11.037
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Eukaryotic translation initiation factor 5A (eIF5A) is essential for HIF-1 alpha activation in hypoxia (2016)
  • Author(s): Tariq, M., Ito, A., Ishfaq, M., Bradshaw, E. and Yoshida, M.
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Res. Commun. Volume: 470 Pages: 417-424
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2016.01.024
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of new SUMO activating enzyme 1 inhibitors using virtual screening and scaffold hopping (2016)
  • Author(s): Kumar, A., Ito, A., Hirohama, M., Yoshida, M. and Zhang, K.Y.J.
  • Journal Title: Bioorg. Med. Chem. Lett. Volume: 26 Pages: 1218-1223
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2016.01.030
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A genetically encoded FRET probe to detect intranucleosomal histone H3K9 or H3K14 acetylation using BRD4, a BET family member (2016)
  • Author(s): Nakaoka, S., Sasaki, K., Ito, A., Nakao, Y., and Yoshida, M.
  • Journal Title: ACS Chem. Biol. Volume: 11 Pages: 729-733
  • DOI: 10.1021/cb501046t
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Marine sponge cyclic peptide theonellamide A disrupts lipid bilayer integrity without forming distinct membrane pores (2016)
  • Author(s): Espiritu, R.A., Cornelio, K., Kinoshita, M., Matsumori, N., Murata, M., Nishimura, S., Kakeya, H., Yoshida, M., and Matsunaga, S.
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Acta Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.bbamem.2016.03.019.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] MBJ-0110, a novel cyclopeptide isolated from the fungus Penicillium sp. f25267 (2016)
  • Author(s): Kawahara, T., Itoh, M., Kozone, I., Izumikawa, M., Sakata, N., Tsuchida, T., and Shin-ya, K.
  • Journal Title: J. Antibiot. Volume: 69 Pages: 66-68
  • DOI: 10.1038/ja.2015.78
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The subcellular localization and activity of cortactin is regulated by acetylation and interaction with Keap1 (2015)
  • Author(s): Ito, A., Shimazu, T., Maeda, S., Shah, A. A., Tsunoda, T., Iemura, S.-I., Natsume, T., Suzuki, T., Motohashi, H., Yamamoto, M., and Yoshida, M.
  • Journal Title: Sci. Signal. Volume: 8 Pages: ra120
  • DOI: 10.1126/scisignal.aad0667
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Identification of the determinants of 2-deoxyglucose sensitivity in cancer cells by shRNA library screening (2015)
  • Author(s): Kobayashi, H., Nishimura, H., Matsumoto, K., and Yoshida, M.
  • Journal Title: Biochem. Biophys. Res. Commun. Volume: 467 Pages: 121-127
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2015.09.106
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Erasers of histone acetylation: the histone deacetylase enzymes (2015)
  • Author(s): Seto, E. and Yoshida, M.
  • Journal Title: Cold Spring Harb. Perspect. Biol. Volume: 6 Pages: a018713
  • DOI: 10.1101/cshperspect.a018713
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Kinetic and structural basis for acyl-group selectivity and NAD(+) dependence in sirtuin-catalyzed deacylation (2015)
  • Author(s): Feldman, J. L., Dittenhafer-Reed, K. E., Kudo, N., Thelen, J. N., Ito, A., Yoshida, M., and Denu, J. M.
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 54 Pages: 3037-3050
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.5b00150
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Targeting cholesterol in a liquid-disordered environment by theonellamides modulates cell membrane order and cell shape (2015)
  • Author(s): Arita, Y., Nishimura, S., Ishitsuka, R., Kishimoto, T., Ikenouchi, J., Ishii, K., Umeda, M., Matsunaga, S., Kobayashi, T., and Yoshida, M
  • Journal Title: Chem. Biol. Volume: 22 Pages: 604-610
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2015.04.011
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Foxo3a inhibitors of microbial origin, JBIR-141 and JBIR-142 (2015)
  • Author(s): Kawahara, T., Kagaya, N., Masuda, Y., Doi, T., Izumikawa, M., Ohta, K., Hirao A., and Shin-ya, K.
  • Journal Title: Org. Lett. Volume: 17 Pages: 5476-5479
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.5b02842
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pyrrolidine-containing peptides, JBIR-126, -148 and -149, from Streptomyces sp. NBRC 111228 (2015)
  • Author(s): Izumikawa, M., Kawahara, T., Kagaya, N., Yamamura, H., Hayakawa, M., Takagi, M., Yoshida, M., Doi, T., and Shin-ya, K.
  • Journal Title: Tetrahedron Lett. Volume: 56 Pages: 5333-5336
  • DOI: 10.1016/j.tetlet.2015.07.080
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Novel thioviridamide derivative―JBIR-140: heterologous expression of the gene cluster for thioviridamide biosynthesis (2015)
  • Author(s): Izumikawa, M., Kozone, I., Hashimoto, J., Kagaya, N., Takagi, M., Koiwai, H., Komatsu, M., Fujie, M., Satoh, N., Ikeda, H., and Shin-ya, K.
  • Journal Title: J. Antibiot. Volume: 68 Pages: 533-536
  • DOI: 10.1038/ja.2015.20
  • Peer Reviewed
• [Presentation] エピゲノム創薬への期待と課題 (2016)
  • Author(s): 吉田 稔
  • Organizer: 理研シンポジウム 第3回創薬ワークショップ アカデミア発創薬の到達点と課題
  • Place of Presentation: 理化学研究所 横浜キャンンパス 交流棟ホール （神奈川県 横浜市）
  • Year and Date: 2016-03-03 – 2016-03-03
  • Invited
• [Presentation] Target identification 表現型スクリーニングの成果の実用化に必須のステップ (2016)
  • Author(s): 吉田 稔
  • Organizer: 産学協力研究委員会「日本におけるケミカルバイオロジーの新展開第189 委員会」第4回定例会
  • Place of Presentation: 大手町サンケイプラザ 3Ｆ304号室 （東京都 千代田区）
  • Year and Date: 2016-03-02 – 2016-03-02
  • Invited
• [Presentation] A role of SIRT2 in cellular response to environmental signals (2016)
  • Author(s): Minoru Yoshida
  • Organizer: International Symposium for RIKEN Epigenetics Program 2016
  • Place of Presentation: RIKEN (Wako, Saitama, Japan)
  • Year and Date: 2016-02-15 – 2016-02-15
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Genetic network analysis for target identification of theonellamides (2015)
  • Author(s): Minoru Yoshida, Shinichi Nishimura
  • Organizer: 2015 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawai, USA
  • Year and Date: 2015-12-18 – 2015-12-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Marine natural products that control a specific set of histonemodifications (2015)
  • Author(s): Arai, D., Sakuma, C., Hayashi-Takanaka, Y., Kimura, H., Nakao, Y.
  • Organizer: 2015環太平洋国際化学会議（PACIFICHEM2015）
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawai, USA
  • Year and Date: 2015-12-18 – 2015-12-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] New approach to study histone modification changescontrolling biological phenomena by small molecules (2015)
  • Author(s): Nakao, Y., Arai, D., Kina, Y., Kataoka, R., Hayashi-Takanaka, Y., Kimura, H.
  • Organizer: 2015環太平洋国際化学会議（PACIFICHEM2015）
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawai, USA
  • Year and Date: 2015-12-17 – 2015-12-17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Search for active components of Japanese “miso” affecting histone modification and neural differentiation (2015)
  • Author(s): Otsuka, S., Sugie, K., Machida, K., Arai, D., Hayashi-Takanaka, Y., Kimura, H., Nakao, Y.
  • Organizer: 2015環太平洋国際化学会議（PACIFICHEM2015）
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawai, USA
  • Year and Date: 2015-12-16 – 2015-12-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Isolation and structure elucidation of an active compound affecting histonemodification from the marine sponge (2015)
  • Author(s): Machida, K., Ishibashi, N., Kataoka, K., Arai, D., Hayashi-Takanaka, Y., Kimura, H., Fusetani, N., Nakao, Y.
  • Organizer: 2015環太平洋国際化学会議（PACIFICHEM2015）
  • Place of Presentation: Honolulu, Hawai, USA
  • Year and Date: 2015-12-16 – 2015-12-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 真核生物特有の遺伝子発現制御機構に作用する天然生理活性物質の発見とその応用研究 (2015)
  • Author(s): 吉田 稔
  • Organizer: 日本農芸化学会関東支部2015年度第2回支部例会
  • Place of Presentation: 東京大学 弥生講堂一条ホール （東京都 文京区）
  • Year and Date: 2015-12-12 – 2015-12-12
  • Invited
• [Presentation] 日本食食材に含まれるヒストン修飾制御成分の探索 (2015)
  • Author(s): 田中万結、石橋信宏、新井大祐、木村宏、中尾洋一
  • Organizer: 第38回 日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド （兵庫県 神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-03 – 2015-12-03
• [Presentation] LC-MS/MSを用いた味噌中のヒストン修飾活性化合物の探索 (2015)
  • Author(s): 中村文彬、相馬里奈、坂本匠、田中万結、石橋信宏、新井大祐、木村宏、中尾洋一
  • Organizer: 第38回 日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド （兵庫県 神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-03 – 2015-12-03
• [Presentation] 味噌に含まれるヒストン修飾制御活性を有する化合物の探索 (2015)
  • Author(s): 石橋信宏、田中万結、新井大祐、木村宏、中尾洋一
  • Organizer: 第38回 日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド （兵庫県 神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-03 – 2015-12-03
• [Presentation] ヒト慢性骨髄性白血病由来細胞株MB-1のcobblestone area形成に対する海洋天然化合物の活性評価 (2015)
  • Author(s): 下本 哲平、新井大祐、永井麻美、加勢友香梨、浅野茂隆、中尾洋一
  • Organizer: 第38回 日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド （兵庫県 神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-03 – 2015-12-03
• [Presentation] 新規アセチル化タンパク質Early Growth Response2の同定と機能解析 (2015)
  • Author(s): 則次恒太、伊藤昭博、中尾洋一、吉田稔
  • Organizer: 第38回 日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド （兵庫県 神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-02 – 2015-12-02
• [Presentation] HIF-1α内因性活性化物質の同定と作用機序の解明 (2015)
  • Author(s): 芹澤茉里子、中田明子、前田里子、中尾洋一、伊藤昭博、吉田稔
  • Organizer: 第38回 日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド （兵庫県 神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-01 – 2015-12-01
• [Presentation] 微生物由来生理活性物質の作用機構研究とその応用 (2015)
  • Author(s): 吉田 稔
  • Organizer: 石川県立大学創立10周年記念公開シンポジウム「農学系大学と社会との関わり」
  • Place of Presentation: 金沢ニューグランドホテル （石川県 金沢市）
  • Year and Date: 2015-11-08 – 2015-11-08
  • Invited
• [Presentation] 海綿由来の抗トリパノソーマ活性化合物の探索 (2015)
  • Author(s): 万場昌子、中尾洋一、河津信一郎、井上昇、菅沼啓輔、松本芳嗣、後藤康之
  • Organizer: 日本化学会秋季事業 第5回CSJ化学フェスタ2015
  • Place of Presentation: タワーホール船堀 （東京都 江戸川区）
  • Year and Date: 2015-10-15 – 2015-10-15
• [Presentation] 熊本県産海洋無脊椎動物からの新規天然化合物の探索 (2015)
  • Author(s): 町田光史、松本拓郎、中尾洋一
  • Organizer: 日本化学会秋季事業 第5回CSJ化学フェスタ2015
  • Place of Presentation: タワーホール船堀 （東京都 江戸川区）
  • Year and Date: 2015-10-15 – 2015-10-15
• [Presentation] A novel functional role of histone deacetylases in protein acylation and metabolisms (2015)
  • Author(s): Minoru Yoshida, Akihiro Ito
  • Organizer: The 40th Naito Conference Epigenetics -From Histone Code to Therapeutic Strategy
  • Place of Presentation: Charteraise Gateaux Kingdom (Sapporo, Japan)
  • Year and Date: 2015-09-18 – 2015-09-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Chemical genomics for target identification of antifungal theonellamides (2015)
  • Author(s): Minoru Yoshida
  • Organizer: International Conference on Antimicrobial Agents and Chemotherapy
  • Place of Presentation: Valencia, Spain
  • Year and Date: 2015-08-05 – 2015-08-05
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ケミカルバイオロジーを目指したヒストン修飾のリアルタイムイメージング (2015)
  • Author(s): 吉田 稔、佐々木和樹
  • Organizer: 第67回日本細胞生物学会大会
  • Place of Presentation: タワーホール船堀 （東京都 江戸川区）
  • Year and Date: 2015-07-02 – 2015-07-02
  • Invited
• [Presentation] 基調講演：海洋毒・海洋生理活性物質の探索研究へのMSの応用 (2015)
  • Author(s): 中尾洋一
  • Organizer: 日本質量分析学会 第63回 質量分析総合討論会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場 エポカルつくば （茨城県つくば市）
  • Year and Date: 2015-06-17 – 2015-06-17
  • Invited
• [Presentation] Heterochromatin changes induced by splicing inhibition (2015)
  • Author(s): Tilman Schneider-Poetsch, Yumi Kawamura and Minoru Yoshida
  • Organizer: RIKEN–Max Planck Joint Research Center for Systems Chemical Biology The Fourth Symposium
  • Place of Presentation: Kobe Port Island Center (Kobe, Japan)
  • Year and Date: 2015-05-13 – 2015-05-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Identification of novel endogenous lipids regulating protein acylation and cancer metabolisms (2015)
  • Author(s): Minoru Yoshida
  • Organizer: RIKEN–Max Planck Joint Research Center for Systems Chemical Biology The Fourth Symposium
  • Place of Presentation: Kobe Port Island Center (Kobe, Japan)
  • Year and Date: 2015-05-11 – 2015-05-11
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Regulation of protein acetylation by oxygen and cellular metabolites (2015)
  • Author(s): Minoru Yoshida
  • Organizer: Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR) Genetic Networks Program Meeting
  • Place of Presentation: Toronto, Canada
  • Year and Date: 2015-04-09 – 2015-04-09
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Patent(Industrial Property Rights)] 白血病幹細胞のニッチ形成抑制活性を有する海洋生物由来の化合物及び組成物 (2016)
  • Inventor(s): 中尾洋一、浅野茂隆、新井大祐、加勢友香梨、下本哲平
  • Industrial Property Rights Holder: 学校法人早稲田大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2016-004523
  • Filing Date: 2016-01-13
• [Patent(Industrial Property Rights)] 高血糖によるエピゲノム異常の抑制のための方法及び組成物 (2015)
  • Inventor(s): 中尾洋一、新井大祐、塩田邦郎、早川晃司
  • Industrial Property Rights Holder: 中尾洋一
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2015-177459
  • Filing Date: 2015-09-09
• [Patent(Industrial Property Rights)] イミダゾピリジンアミン化合物、その製造方法及び用途 (2015)
  • Inventor(s): 中尾洋一、大塚悟史、田中克典
  • Industrial Property Rights Holder: 中尾洋一
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2015-203032
  • Filing Date: 2015-10-14