Unified comprehension of chemical communication by natural PKC ligands and development of new medicinal seeds

• Project Area: Frontier research of chemical communications
• Project/Area Number: 17H06405
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 入江 一浩 京都大学, 農学研究科, 教授 (00168535)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 柳田 亮 香川大学, 農学部, 准教授 (10598121) ; 塚野 千尋 京都大学, 農学研究科, 准教授 (70524255) ; 村上 一馬 京都大学, 農学研究科, 准教授 (80571281)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥90,350,000 (Direct Cost: ¥69,500,000、Indirect Cost: ¥20,850,000); Fiscal Year 2021: ¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000); Fiscal Year 2020: ¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000); Fiscal Year 2019: ¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000); Fiscal Year 2018: ¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000); Fiscal Year 2017: ¥16,510,000 (Direct Cost: ¥12,700,000、Indirect Cost: ¥3,810,000)
• Keywords: シグナル伝達 / 癌 / 有機化学 / 薬理学 / 酵素 / プロテインキナーゼＣ / 機械学習 / マクラマイシン / アロタケタール / プロテインキナーゼC / ヒト免疫不全ウイルス / アプリシアトキシン / 発がんプロモーター / がん細胞増殖抑制

Outline of Annual Research Achievements

本研究代表者らは、アメフラシ由来のアプリシアトキシン (ATX) の構造を論理的に単純化することによって、PKC活性化能とがん細胞増殖抑制活性を選択的に抽出した10-Me-Aplog-1を開発するとともに、その大量合成に成功した。本研究では、10-Me-Aplog-1のプロテインキナーゼC（PKC）アイソザイムを介した化学シグナルを分子レベルで解析することにより、難治性疾患（がん、アルツハイマー病、HIV感染症）の治療薬として構造最適化を行うことを目的としている。さらに、ATX以外の新規PKCリガンドを機械学習により探索し、これらの全合成を行い、同様の医薬品シーズとしての展開を目指している。
今年度はまず、ヒトiPS細胞より作製した神経細胞ならびにラット一次ニューロンにおけるアミロイドβ42 (Aβ42) の産生と毒性オリゴマー化に及ぼす10-Me-Aplog-1の効果を、井上治久教授（京大iPS研）ならびに久米利明教授（富山大）と共同で調べた。その結果10-Me-Aplog-1は、Aβ42の産生と毒性オリゴマーの形成を抑制することが明らかになった。
次に、A03班の榊原康文教授、斎藤裕博士と共同で、PubChemデータベースに登録されている約1億個の化合物の中から、機械学習による新規PKCリガンドの探索を行った。PKCのC1ドメインに関する知識をもつ人間による二次スクリーニングの結果、約20個の候補化合物に絞り込んだ。それらの中から、植物内生菌が産生するマクラマイシンならびに海綿由来のアロタケタール類に着目した。マクラマイシンは、PKCαならびにδのC1ドメインに対して、それぞれ約10 μM、50 μMの結合阻害定数で結合した。一方、アロタケタール類の入手が困難であったため、それらの単純化アナログを設計し、(R)-carvoneから20段階での全合成を進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、10-Me-Aplog-1が、アルツハイマー病（AD）の発症に重要な役割を果たしているアミロイドβ42 (Aβ42) の産生と毒性オリゴマー化を阻害することを、ヒトiPS細胞ならびにラット一次ニューロンにおいて明らかにすることができた。今後、10-Me-Aplog-1の構造の更なる最適化により、AD治療薬の開発につながる可能性がある。
一方、機械学習とPKCのC1ドメイン構造に関する知識を有する人間との共同により、1億個のPubMedデータベースよりマクラマイシンならびにアロタケタール類を選抜することに成功した。特に、Andersenらにより海綿から単離されたアロタケタール類は、潜伏HIV（ヒト免疫不全ウイルス）を活性化させることから、新規PKCリガンドである可能性がきわめて高い。今後、単純化アナログの設計、全合成による新規医薬品シードとしての研究展開が可能となった。
以上より、本研究はおおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

昨年度合成した10-Me-Aplog-1の3位アセタール型アナログは、天然物アプリシアトキシン（ATX）の3位とは逆の配置をもつエピ体が主生成物として得られる傾向がある。また、4位の酸素原子がPKCδ-C1Bドメインに対する結合能を低下させることから、メチル基の導入位置を種々検討することにより構造最適化を目指す。これらのアセタール型アナログ類を効率的に合成すべく、最近、アルドール反応を鍵反応とした段階数の少ない合成経路をほぼ確立している。
一方、機械学習により選抜されたアロタケタール類の入手が困難であったため、ごれらの単純化アナログを設計し、(R)-carvoneから20段階での全合成を進めて行く。この単純化アナログに高いPKC結合能が認められれば、これらの構造をPKCδ-C1Bドメインとのドッキングシミュレーションにより最適化し、それらの全合成ならびに各種活性評価（PKC結合能、がん細胞増殖抑制活性、HIV活性化能）を機動的に進めていく。

Research Products

• [Journal Article] New diagnostic method for Alzheimer's disease based on the toxic conformation theory of amyloid β (2020)
  • Author(s): Irie Kazuhiro
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 84 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1080/09168451.2019.1667222
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluation of Toxic Amyloid β42 Oligomers in Rat Primary Cerebral Cortex Cells and Human iPS-derived Neurons Treated with 10-Me-Aplog-1, a New PKC Activator (2020)
  • Author(s): Murakami Kazuma、Yoshimura Mayuko、Nakagawa Shota、Kume Toshiaki、Kondo Takayuki、Inoue Haruhisa、Irie Kazuhiro
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 21 Pages: 1179-1179
  • DOI: 10.3390/ijms21041179
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Synthesis, conformation, and biological activities of a des-A-ring analog of 18-deoxy-aplog-l, a simplified analog of debromoaplysiatoxin (2019)
  • Author(s): Ashida, Y., Yanagita, R. C., Kawanami, Y., Okamura, M., Dan, S. and Irie, K.
  • Journal Title: Heterocycles Volume: 99
  • DOI: 10.3987/com-18-s(f)60
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of protein kinase C isozymes involved in the anti-proliferative and pro-apoptotic activities of 10-Methyl-aplog-1, a simplified analog of debromoaplysiatoxin, in several cancer cell lines (2018)
  • Author(s): Yusuke Hanaki, Yuki Shikata, Masayuki Kikumori, Natsuki Hotta, Masaya Imoto, Kazuhiro Irie
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 495 Pages: 438-445
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2017.11.052
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Synthesis and biological activities of acetal analogs at position 3 of 10-methyl-aplog-l, a potential anti-cancer lead derived from debromoaplysiatoxin (2018)
  • Author(s): Hayakawa, K., Hanaki, Y., Tokuda, H., Yanagita, R. C., Nakagawa, Y., Okamura, M., Dan, S. and Irie, K.
  • Journal Title: Heterocycles Volume: 97 Issue: 1 Pages: 478-492
  • DOI: 10.3987/com-18-s(t)37
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] CH/π相互作用に着目したaplysiatoxin単純化アナログの合成と生物活性 (2020)
  • Author(s): 小林巧実、入江一浩
  • Organizer: 2020年度日本農芸化学会大会（九州大学、福岡市）
• [Presentation] Debromoaplysiatoxin単純化アナログ・10-Me-Aplog-1の側鎖長の最適化 (2020)
  • Author(s): 権田敦子、高田晃児、入江一浩
  • Organizer: 2020年度日本農芸化学会大会（九州大学、福岡市）
• [Presentation] PKC活性化剤とBET阻害剤の併用によるHIV再活性化能及び毒性への効果 (2019)
  • Author(s): 鷲崎彩夏、村田めぐみ、関 洋平、Yin Pui Tang、Tan Wei Keat、入江一浩、明里宏文
  • Organizer: 第33回 日本エイズ学会学術集会・総会（熊本城ホール、熊本市）
• [Presentation] アミロイドβの毒性配座理論を基盤としたアルツハイマー病の予防戦略 (2019)
  • Author(s): 入江一浩
  • Organizer: 日本農芸化学会関西・中部支部2019年度合同神戸大会（神戸大学、神戸市）
  • Invited
• [Presentation] アミロイドβの毒性配座理論を基盤としたアルツハイマー病の予防戦略 (2019)
  • Author(s): 入江一浩
  • Organizer: 日本農芸化学会東北支部2019年度大会（弘前大学、弘前市）
  • Invited
• [Presentation] 新規PKCリガンドの開発とHIVのShock & Kill療法への応用 (2019)
  • Author(s): 入江一浩
  • Organizer: 新学術領域研究（化学コミュニ）第6回公開シンポジウム（慶應義塾大学、横浜市）
  • Invited
• [Presentation] Synthesis, conformation, and biological activities of a des-A-ring analog of 18-deoxy-aplog-1, a simplified analog of debromoaplysiatoxin (2019)
  • Author(s): Ashida Yoshiki、Yanagita Ryo C.、Kawanami Yasuhiro、Okamura Mutsumi、Dan Shingo、Irie Kazuhiro
  • Organizer: 新学術領域研究「化学コミュニケーションのフロンティア」第1回国際シンポジウム（一橋大学一橋講堂、東京）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation system of amyloid beta precursor protein processing in rat primary cortical neurons treated with PKC activators (2019)
  • Author(s): Yoshimura Mayuko、Murakami Kazuma、Kume Toshiaki、Irie Kazuhiro
  • Organizer: 新学術領域研究「化学コミュニケーションのフロンティア」第1回国際シンポジウム（一橋大学一橋講堂、東京）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スピロ環を簡略化したアプリシアトキシン単純化アナログの合成，配座，および生物活性 (2019)
  • Author(s): 柳田 亮、芦田能基、川浪康弘、旦 慎吾、岡村睦美、入江一浩
  • Organizer: 2018年度先端モデル動物支援プラットフォーム成果発表会（琵琶湖ホテル、大津市）
• [Presentation] スピロ環をもたないaplysiatoxin単純化アナログの合成とPKCアイソザイム結合活性 (2019)
  • Author(s): 押村亜沙美、早川皓太郎、花木祐輔、柳田 亮、入江一浩
  • Organizer: 2019年度日本農芸化学会大会（東京農大、東京）
• [Presentation] サンゴジュの花芽に含まれるビブサニン類の分析と生物活性評価 (2019)
  • Author(s): 柳田 亮、植松紗和子、西 皓冬、川浪康弘、入江一浩
  • Organizer: 2019年度日本農芸化学会大会（東京農大、東京）
• [Presentation] アミロイドβの毒性配座理論を基盤としたアルツハイマー病の予防戦略 (2019)
  • Author(s): 入江一浩
  • Organizer: 2019年度日本農芸化学会大会（東京農大、東京）日本農芸化学会賞受賞講演
  • Invited
• [Presentation] サンゴジュに含まれるビブサニン類のプロテインキナーゼC結合活性の評価と結合様式の予測 (2018)
  • Author(s): 植松紗和子、柳田 亮、三宅翔太、川浪康弘、入江一浩
  • Organizer: 日本農芸化学会2018年度中四国支部大会（島根大学松江キャンパス、松江市）
• [Presentation] 抗腫瘍性Aplysiatoxin単純化アナログ・10-Me-Aplog-1のアセタール型アナログの合成と生物活性 (2018)
  • Author(s): 早川皓太郎、花木祐輔、徳田春邦、柳田 亮、中川 優、入江一浩
  • Organizer: 第60回天然有機化合物討論会（久留米シティープラザ、福岡県久留米市）
• [Presentation] A Novel PKC activator 10-methyl-aplog-1 in combination with JQ1 showed high potency as LRA for shock and kill therapy (2018)
  • Author(s): Washizaki Ayaka、Murata Megumi、Seki Yohei、Yin Pui Tang、Kangawa Hiroyuki、Tan Wei Keat、Irie Kazuhiro、Akari Hirofumi
  • Organizer: 36th Annual Symposium on Nonhuman Primate Models for AIDS (Bell Harbor International Conference Center, Washington, USA)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 新規PKC活性化剤10-Methyl-Aplog-1とJQ1の併用はLatency Reversing Agentとして理想的な活性を示す (2018)
  • Author(s): 鷲崎彩夏、村田めぐみ、関 洋平、Yin Pui Tang、寒川裕之、Tan Wei Keat、入江一浩、明里宏文
  • Organizer: 第32回日本エイズ学会学術集会・総会（大阪国際会議場・大阪市中央公会堂、大阪市）
• [Presentation] アプリシアトキシン単純化アナログのがん細胞増殖抑制活性 (2018)
  • Author(s): 入江一浩
  • Organizer: 先端モデル動物支援プラットフォーム 成果発表会2017（琵琶湖ホテル、大津市）
  • Invited
• [Presentation] アプリシアトキシン単純化アナログ・10-Me-Aplog-1の構造最適化とがん細胞増殖抑制に関わるPKCアイソザイムの同定 (2018)
  • Author(s): 入江一浩
  • Organizer: 新学術領域研究「化学コミュニケーションのフロンティア」第2回公開シンポジウム（益川ホール、京都市）
  • Invited
• [Presentation] Aplysiatoxin 単純化アナログ・10-Methyl-aplog-1のがん細胞増殖抑制に関わるPKCアイソザイムの同定 (2018)
  • Author(s): 花木祐輔、四方雄貴、菊森将之、堀田夏紀、井本正哉、入江一浩
  • Organizer: 2018年度日本農芸化学会大会（名城大学、名古屋市）
• [Presentation] アプリシアトキシン単純化アナログ・10-Me-Aplog-1の3位アセタール型アナログの合成 (2018)
  • Author(s): 早川皓太郎、花木祐輔、徳田春邦、柳田 亮、中川 優、入江一浩
  • Organizer: 2018年度日本農芸化学会大会（名城大学、名古屋市）
• [Presentation] アプリシアトキシン単純化アナログ・10-Me-aplog-1の側鎖誘導体の合成と活性 (2018)
  • Author(s): 高田晃児、花木祐輔、菊森将之、徳田春邦、柳田 亮、入江一浩
  • Organizer: 2018年度日本農芸化学会大会（名城大学、名古屋市）
• [Presentation] スピロ環をもたないアプリシアトキシン単純化アナログの合成、配座、および活性 (2018)
  • Author(s): 芦田能基、柳田 亮、川浪康弘、入江一浩
  • Organizer: 2018年度日本農芸化学会大会（名城大学、名古屋市）
• [Presentation] A Novel PKC activator, 10-methyl-aplog-1, induces HIV-1 efficiently in combination with BET inhibitor JQ1 (2017)
  • Author(s): Ayaka Washizaki, Megumi Murata, Yohei Seki, Yin Pui Tang, Kazuhiro Irie, Hirofumi Akari
  • Organizer: 35th Annual Symposium on Nonhuman Primate Models for AIDS (Madison, USA)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 新規PKC activatorである10-methyl-aplog-1はHIV-1再活性化薬として有用である (2017)
  • Author(s): 鷲崎彩夏、村田めぐみ、関 洋平、Yin Pui Tang、寒川裕之、入江一浩、明里宏文
  • Organizer: 第65回日本ウイルス学会学術集会（大阪国際会議場、大阪市）
• [Presentation] 新規PKC activator、10-Methyl-Aplog-1はHIV-1を再活性化する有用なLatency Reversing Agentである (2017)
  • Author(s): 鷲崎彩夏、村田めぐみ、関 洋平、Yin Pui Tang、寒川裕之、入江一浩、明里宏文
  • Organizer: 第31回日本エイズ学会学術集会・総会（中野サンプラザ、東京都）
• [Remarks] 生命有機化学分野
  • URL: http://www.orgchem.kais.kyoto-u.ac.jp
• [Remarks] 生命有機化学分野
  • URL: http://www.orgchem.kais.kyoto-u.ac.jp/