ユビキチン機能制御のためのケミカルバイオロジー

2021 年度 実績報告書

• 研究領域: ケモテクノロジーが拓くユビキチンニューフロンティア
• 研究課題/領域番号: 18H05503
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 吉田 稔 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 副センター長 (80191617)
• 研究分担者: 近藤 恭光 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 専任研究員 (80333342) ; PRADIPTA AMBARA 東京工業大学, 物質理工学院, 助教 (90631648)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2023-03-31
• キーワード: 化合物アレイ / ユビキチンリガーゼ / E3リガンド / UbTACs / ライブラリー合成 / クリック反応 / アジド / アルキン

研究実績の概要

本研究では、ケモテクノロジーを駆使して、ユビキチン修飾系を理解し、操作する新たな方法論、すなわちUbTACsやPROTACs等新たなユビキチン化誘導キメラ分子、各種デコーダー分子の相互作用阻害剤、脱ユビキチン化酵素阻害剤等を開拓しようとしている。キメラ分子創製を目的にE3リガーゼの新規リガンドを探索するため、独自技術である化合物アレイを活用する。
2021年度は、膜タンパク質輸送を制御するユビキチンリガーゼであり、K63 鎖を特異的に形成する NEDD4 に結合しユビキチン化活性を増強する化合物を分析したところ、混合物であることが判明し、そのユビキチン化活性を増強する分画を特定した。今後、分画物の構造解析を進める予定である。また、CFTR関連E3リガーゼの化合物アレイスクリーニングから得られたヒット化合物の中から、活性阻害化合物を見出した。アジドとアルキンを用いたキメラ化法を利用し、昨年度はヒストン脱アセチル化酵素HDAC6阻害剤とのキメラ化合物を合成することに成功したので、今年度は新たにSIRT2のキメラ化合物合成を開始した。さらにがん細胞で蓄積する代謝物アクロレインと選択的に反応するアリルアジドを利用して、がん細胞内でカルベンを中間体として生成させ、がん細胞内のタンパク質と共有結合させることが可能になった。これを利用し、がん細胞内で強くユビキチン化を誘導する方法としてE3リガンドを付与することにより代謝物アクロレインを標的としたキメラ化合物の合成にも成功した。また、数万化合物のライブラリーを用いてデコーダー分子の相互作用を阻害する化合物の探索を行い、Rpn10, Rpn13, UFD1のデコーダー阻害剤候補を同定した。さらにスプライシング阻害によって起きるプロテオーム変化の実態を解析した結果、イントロン配列由来の異常タンパク質が液液相分離を起こして凝集体化することを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当グループのもつ大規模化合物探索技術と設備を生かし、領域全体のケミカルバイオロジー研究のハブとして機能することが１つの目標である。そのため、多くの研究班との共同研究を進めている。新たなE3リガンドの探索に関しては、NEDD4全長タンパク質を用いたリガンド探索の結果、in vitroでNEDD4のユビキチン化活性を増強する化合物を見出している。また、CFTR関連E3リガーゼおよびプロテアソームタンパク質についても、領域内の計画班員、公募班員と共同でスクリーニングを実施し、ヒット化合物を得ており、その中からCFTR関連E3リガーゼの活性を阻害する化合物も見出している。さらにがん細胞内の様々なタンパク質と結合し、分解するがん治療分子候補としての新しいキメラ化合物を開発した。すなわち、我々がこれまでに報告したがん細胞で特異的に発生するアクロレインとアジドの反応により結合した特定の分子に対して、生体内のタンパク質分解システムを誘導する技術に応用できる可能性を示している。一方、デコーダー相互作用阻害分子の探索については、２分子蛍光補完法を用いた評価系により、UFD1を含む3種類の系で候補化合物を同定した。現時点で、細胞内で有効な化合物の同定には至っていないが、今後スクリーニングを継続することにより、目的の化合物が得られると期待される。また、領域代表の佐伯らがNature誌に報告したプロテアソームの液液相分離に刺激を受けて、スプライシング調節薬Spliceostatin A処理した細胞におけるイントロン配列を含む異常タンパク質の状態を観察したところ、同様に液液相分離を引き起こすとともに凝集体形成に至ることが明らかになった。その結果、ストレス応答が誘導されてmTORC1活性が低下し、異常タンパク質の翻訳を抑制するフィードバック機構の存在が明らかになった。

今後の研究の推進方策

NEDD4結合化合物の探索から偶然得られたNEDD4のユビキチン化活性を増強する化合物は、純品でなく、化学混合物であったため、活性本体の同定を試みる。また、CFTR関連E3リガーゼおよびプロテアソームタンパク質のリガンド候補については、タンパク質との結合活性や酵素活性への影響を評価し、リガンドの絞り込みを行なっていくとともに、CFTR関連E3リガーゼのリガンドは、ERAD誘導剤として機能する可能性があるため、キメラ化合物化を進め、機能評価を行う。必要に応じて、最新技術であるマイクロスケール熱泳動法による新たなリガンド候補化合物探索を実施する。一方、デコーダーの結合を制御する新たな化合物の探索については、確立したGaussiaルシフェラーゼの２分子蛍光補完法を用いた広範なスクリーニングを継続する。得られた候補化合物の容量依存性試験、特異性試験を実施するとともに生理活性の検証を開始する。また、細胞内で発現した特定の脱ユビキチン化酵素活性のみを分泌型ルシフェラーゼの活性として定量的に測定できる方法を新たに開発したので（特許出願予定）、これを用いてUSP8やUSP19阻害剤探索の領域内共同研究を実施する。さらに特定のタンパク質を標的とするPROTACsの概念とは異なり、がん細胞内で非特異的なタンパク質ユビキチン化と分解を誘導することができれば、より効果の高い治療法につながるUbiTACsになると考え、がん細胞内で大量に発現しているアクロレインとフェニルアジド分子が特異的に反応することを利用したタンパク質分解システムを誘導する新規分子を取得した。今後さらにキメラ化合物をデザインし、その効果を検証する。近年、多くの疾患でスプライシング異常が報告されており、イントロン配列を含む異常タンパク質が注目されている。それらの細胞内運命について解析を進める。またリボソーム品質管理機構に作用する化合物についての解析も開始する。

研究成果

• [雑誌論文] The second-generation click-to-sense probe for intraoperative diagnosis of breast cancer tissues based on acrolein targeting (2022)
  • 著者名/発表者名: A. R. Pradipta, H. Michiba, A. Kubo, M. Fujii, T. Tanei, K. Morimoto, K. Shimazu
  • 雑誌名: Bull. Chem. Soc. Jpn. 巻: 95 ページ: 421-426
  • DOI: 10.1246/bcsj.20210387
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Comparison of “click-to-sense” assay with frozen section analysis using simulated surgical margins in breast cancer patients (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Kubo, T. Tanei, A. R. Pradipta, K. Morimoto, M. Fujii, Y. Sota, T. Miyake, N. Kagara, M. Shimoda, Y. Naoi, Y. Motoyama, E. Morii, K. Tanaka, K. Shimazu
  • 雑誌名: Eur. J. Surg. Oncol. 巻: 48 ページ: 1520-1526
  • DOI: 10.1016/j.ejso.2022.04.003
• [雑誌論文] Identification of a small molecule that enhances ferroptosis via inhibition of FSP1. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshioka H, Kawamura T, Muroi M, Kondoh Y, Honda K, Kawatani M, Aono H, Waldmann H, Watanabe N, Osada H.
  • 雑誌名: ACS Chemical Biology 巻: 17 ページ: 483-491
  • DOI: 10.1021/acschembio.2c00028
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Differential biosynthesis and roles of two ferrichrome-type siderophores, ASP2397/AS2488053 and ferricrocin, in Acremonium persicinum. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Asai, Tomoshige Hiratsuka, Miyu Ueda, Yumi Kawamura, Shumpei Asamizu, Hiroyasu Onaka, Manabu Arioka, Shinichi Nishimura, and Minoru Yoshida
  • 雑誌名: ACS Chem. Biol. 巻: 17 ページ: 207_216
  • DOI: 10.1021/acschembio.1c00867
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inhibition of amyloid formation of amyloid β(1-42), amylin and insulin by 1,5-diazacyclooctanes, as spermine-acrolein conjugate (2021)
  • 著者名/発表者名: R. Kunitomi, A. R. Pradipta, H. Kawabe, N. Lobsiger, K. Tanaka, T. Zako
  • 雑誌名: Bioorg. Med. Chem. 巻: 46 ページ: 116391
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2021.116391
  • 査読あり
• [雑誌論文] CSE1L promotes nuclear accumulation of transcriptional coactivator TAZ and enhances invasiveness of human cancer cells. (2021)
  • 著者名/発表者名: Nagashima S, Maruyama J, Honda K, Kondoh Y, Osada H, Nawa M, Nakahama KI, Ishigami-Yuasa M, Kagechika H, Sugimura H, Iwasa H, Arimoto-Matsuzaki K, Nishina H, Hata Y
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 297 ページ: 100803
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2021.100803
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] New abscisic acid derivatives revealed adequate regulation of stomatal, transcriptional, and developmental responses to conquer drought. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K, Kondoh Y, Nakano T, Bolortuya B, Kawabata S, Iwahashi F, Nagano E, Osada H
  • 雑誌名: ACS Chemical Biology 巻: 16 ページ: 1566-1575
  • DOI: 10.1021/acschembio.1c00451
  • 査読あり
• [雑誌論文] Targeting epigenetic and posttranscriptional gene regulation by PSF impairs hormone therapy-refractory cancer growth. (2021)
  • 著者名/発表者名: Takayama KI, Honma T, Suzuki T, Kondoh Y, Osada H, Suzuki Y, Yoshida M, Inoue S
  • 雑誌名: Cancer Research 巻: 81 ページ: 3495-3508
  • DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-20-3819
  • 査読あり
• [雑誌論文] Alantolactone is a natural product that potently inhibits YAP1/TAZ through promotion of reactive oxygen species accumulation. (2021)
  • 著者名/発表者名: Nakatani K, Maehama T, Nishio M, Otani J, Yamaguchi K, Fukumoto M, Hikasa H, Hagiwara S, Nishina H, Mak TW, Honma T, Kondoh Y, Osada H, Yoshida M, Suzuki A
  • 雑誌名: Cancer Science 巻: 112 ページ: 4303-4316
  • DOI: 10.1111/cas.15079
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pharmacological inhibition of Mint3 attenuates tumour growth, metastasis, and endotoxic shock. (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakamoto T, Fukui Y, Kondoh Y, Honda K, Shimizu T, Hara T, Hayashi T, Saitoh Y, Murakami Y, Inoue J, Kaneko S, Osada H, Seiki M
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 4 ページ: 1165
  • DOI: 10.1038/s42003-021-02701-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A cesium tolerance-enhancing chemical promotes cesium tolerance in Arabidopsis thaliana by interacting with BETA-GLUCOSIDASE 23. (2021)
  • 著者名/発表者名: Moon JY, Adams E, Miyazaki T, Kondoh Y, Muroi M, Watanabe N, Osada H, Shin R
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 26 ページ: 21109
  • DOI: 10.1038/s41598-021-00564-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mitochondrial complex I inhibitors suppress tumor growth through concomitant acidification of the intra- and extracellular environment. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshida J, Ohishi T, Abe H, Ohba S, Inoue H, Usami I, Amemiya M, Oriez R, Sakashita C, Dan S, Sugawara M, Kawaguchi T, Ueno J, Asano Y, Ikeda A, Takamatsu M, Amori G, Kondoh Y, Honda K, Osada H, Noda T, Watanabe T, Shimizu T, Shibasaki M, Kawada M
  • 雑誌名: iScience 巻: 24 ページ: 103497
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.103497
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Splicing modulators elicit global translational repression by condensate-prone proteins translated from introns. (2021)
  • 著者名/発表者名: Jagat K. Chhipi-Shrestha, Tilman Schneider-Poetsch, Takehiro Suzuki, Mari Mito, Khalid Khan, Naoshi Dohmae, Shintaro Iwasaki, and Minoru Yoshida
  • 雑誌名: Cell Chemical Biology 巻: 29 ページ: 259-275
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2021.07.015
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improving Measures of Chemical Structural Similarity Using Machine Learning on Chemical-Genetic Interactions (2021)
  • 著者名/発表者名: Hamid Safizadeh, Scott W. Simpkins, Justin Nelson, Sheena C. Li, Jeff S. Piotrowski, Mami Yoshimura, Yoko Yashiroda, Hiroyuki Hirano, Hiroyuki Osada, Minoru Yoshida, Charles Boone, and Chad L. Myers
  • 雑誌名: Journal of chemical information and modeling 巻: 61 ページ: 4156-4172
  • DOI: 10.1021/acs.jcim.0c00993
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Splicing modulators: on the way from nature to clinic (2021)
  • 著者名/発表者名: Schneider-Poetsch Tilman, Chhipi-Shrestha Krishna Jag at, Yoshida Minoru
  • 雑誌名: JOURNAL OF ANTIBIOTICS 巻: 74 ページ: 603_616
  • DOI: 10.1038/s41429-021-00450-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 機能低下したミトコンドリアを活性化させる化合物の発見 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林大貴、吉田稔
  • 雑誌名: 実験医学 巻: 39 ページ: 954-957
• [雑誌論文] ケミカルバイオロジーによる新たなミトコンドリア病創薬標的候補の発見 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小林大貴、吉田稔
  • 雑誌名: ケモテクノロジーが拓くユビキチンニューフロンティア ニュースレター 巻: 3 ページ: 37-39
• [学会発表] CFTR関連ユビキチンリガーゼの阻害剤探索と治療的応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 谷口幸穂、松浦佑大、小野裕司、土井由佳子、近藤恭光、本田香織、長田裕之、井上敬太郎、山口美穂、田代杏樹、青木俊介、福田亮介、沖米田司
  • 学会等名: 日本薬学会第142年会
• [学会発表] YAP-TEADの分子間相互作用を標的とした阻害剤探索 (2022)
  • 著者名/発表者名: 関根咲彩、高瀬翔平、林瀬瑠奈、則次恒太、黒川留美、市川保恵、近藤恭光、小川健司、松本健、長田裕之、吉田稔、伊藤昭博
  • 学会等名: 日本薬学会第142年会
• [学会発表] Reactivity of Endogenous Acrolein: Application for Cancer-Specific Ubiquitination (2021)
  • 著者名/発表者名: A. R. Pradipta
  • 学会等名: 新学術領域「ケモユビキチン 」第6回総括班会議
• [学会発表] がん代謝物との環化付加反応によるがん化学療法 (2021)
  • 著者名/発表者名: A. R. Pradipta, P. Ahmadi, K. Terashima, M. Fujii, K. Tanaka
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会 第15回年会
• [学会発表] がん代謝物との反応を基盤とするプロドラッグ法 (2021)
  • 著者名/発表者名: A. R. Pradipta, K. Tanaka
  • 学会等名: 第79回有機合成化学協会関東支部大岡山シンポジウム
• [学会発表] Thriving in Your Research Career: My Personal Experience - Hints & Tip (2021)
  • 著者名/発表者名: A. R. Pradipta
  • 学会等名: 第12回 Tokyo Tech Indonesian Commitment Award 2021
• [学会発表] Add Perseverance to Your Passion: The Long and Rocky Academia Pathway (2021)
  • 著者名/発表者名: A. R. Pradipta
  • 学会等名: 第11回 CSJ化学フェスタ 2021
• [学会発表] がんが普遍的に過剰生産するアクロレイン代謝物：生組織でのカスケード反応によるがん診断・治療への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: A. R. Pradipta
  • 学会等名: Departemental Talk Kyushu University
• [学会発表] がんが普遍的に過剰生産するアクロレイン代謝物：生組織でのカスケード反応によるがん診断・治療への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: A. R. Pradipta
  • 学会等名: 専門基礎研究塾：有機化学分野
• [学会発表] がんが普遍的に過剰生産するアクロレイン代謝物：生組織でのカスケード反応によるがん診断・治療への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: A. R. Pradipta
  • 学会等名: 物質理工学院研究紹介～ランチセッション～
• [学会発表] がんが普遍的に過剰生産するアクロレイン代謝物：生組織でのカスケード反応によるがん診断・治療への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: A. R. Pradipta
  • 学会等名: 第8回慶應有機化学若手シンポジウム
• [学会発表] 次世代シークエンサーを用いた低分子化合物と結合する非コードRNAの網羅的探索 (2021)
  • 著者名/発表者名: 藤本颯、近藤恭光、河村達郎、長谷純崇、井本正哉、長田裕之、榊原康文
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会 第15回年会
• [学会発表] YAP-TEAD分子間相互作用を標的とした阻害剤スクリーニング (2021)
  • 著者名/発表者名: 高瀬翔平、関根咲彩、林瀬瑠奈、則次恒太、市川保恵、近藤恭光、小川健司、長田裕之、吉田稔、伊藤昭博
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会 第15回年会
• [学会発表] YAP-TEAD間相互作用を標的とした低分子阻害剤の探索 (2021)
  • 著者名/発表者名: 関根咲彩、高瀬翔平、林瀬瑠奈、則次恒太、市川保恵、近藤恭光、小川健司、長田裕之、吉田稔、伊藤昭博
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
• [学会発表] ハイプシン化阻害剤 GC7 による細胞増殖抑制の標的経路の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松本健、黒川留美、吉田稔
  • 学会等名: 日本ケミカルバイオロジー学会 第15回年会
• [学会発表] 分裂酵母の分泌型シグナル分子を使った細胞間コミュニケーション (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田稔、西村慎一、八代田陽子
  • 学会等名: 第23回酵母合同シンポジウム
• [学会発表] 生理活性天然物が教えてくれた真核生物の新しい遺伝子発現制御機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田稔
  • 学会等名: 日本農芸化学会2021年 度西日本・中四国・関西支部 合同大会
• [学会発表] ケミカルゲノミクスが牽引するがん研究と創薬 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田稔
  • 学会等名: 第80回日本癌学会学術総会
• [学会発表] eIF5Aハイプシン化阻害剤GC7によるミトコンドリアタンパク質への影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松本健、黒川留美、吉田稔
  • 学会等名: 第94回日本生化学会大会シンポジウム 神秘の生命物質ポリアミンから探る生命現象と健康への応用
• [備考] イントロン由来の異常タンパク質が与えるストレス
  • URL: https://www.riken.jp/press/2021/20210914_1/index.html