三次元構造制御を鍵とした分子設計に基づく機能性ペプチドの開発

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K06965
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 渡邉 瑞貴 北海道大学, 薬学研究院, 准教授 (20507173)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: ペプチド / フォルダマー / ヘリックス / 膜透過性

研究実績の概要

本研究では、細胞内タンパク質間相互作用を標的可能な新たなペプチド創薬方法論の確立を目指し、分子全体の三次元構造を制御することによって機能化したペプチドの創製に取り組んだ。具体的には、キラルシクロプロパンの構造特性を利用して配座を高度に制御した光学活性シクロプロパンδ-アミノ酸を鍵ユニットとした分子設計による、タンパク質間相互作用に重要なαヘリックス上の側鎖官能基の空間配置を模倣したペプチドフォルダマー、および、配座制御によって高い細胞膜透過性を有した環状ペプチドの設計・合成・立体構造解析を実施した。まず、分子動力学計算を活用し、三次元構造を予測をしながら、シクロプロパンの構造特性を利用して配座を高度に制御した光学活性シクロプロパンδ-アミノ 酸を鍵ユニットとしたオリゴマーや環状ペプチドの分子設計を行った。次に、分子設計した分子の有機化学合成に取り組んだ。トランス形シクロプロパンユニットは、光学活性グリシドールを出発原料とし、立体選択的なシクロプロパン構築反応、不斉補助基を利用した立体選択的Grignard反応、および、不斉アルキル化を経て、18工程で合成した。シス形シクロプロパンユニットは、光学活性エピクロロヒドリンから立体選択的にシクロプロパン骨格を構築し、ヒドロホウ素化からのシス選択的な酸化反応などを経て合成した。昨年度に引き続き、当該年度も新たに、シクロプロパンδ-アミノ酸ユニットを基盤としたオリゴマーを設計・合成した。 合成したオリゴマーの溶液中での三次元構造を、詳細なNMR解析によって確認した。また、合成した各種環状ペプチドの膜透過性を人工膜を用いた透過性評価システム（PAMPA）によって評価した。

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

まず、目的の立体化学を有した光学活性シクロプロパンδ-アミノ酸を、不斉補助基を利用した立体選択的Grignard反応および不斉アルキル化を経て、ある程度大量合成できた。また、合成したシクロプロパンδ-アミノ酸を用いて、D-およびL-α-アミノ酸とのヘテロオリゴマーを合成した。合成したオリゴマーの溶液中での三次元構造を、詳細なNMR解析によって実施できた。また、新たな環状ペプチドも10種類以上、合成した。その膜透過性をPAMPAによって評価し、高い膜透過性を示すペプチドを取得することもできた。

今後の研究の推進方策

さらに新たなオリゴマーおよび環状ペプチドを設計し、合成する。それらの溶液中および結晶の三次元構造を、NMR, CD, XRDなどの測定により、実験的に明らかにし、分子設計で期待した通りの三次元構造かどうか、確認する。膜透過性は、人工膜アッセイ (PAMPA) および Caco-2細胞で評価する。化学構造―三次元構造―膜透過性の三者相関を解析し、膜透過性環状ペプチドの分子設計にフィードバックする。
さらに、抗がん薬の創薬標的 (I) p53/MDM2相互作用などのタンパク質間相互作用を標的としたペプチドを設計・合成し、その生物活性を評価する。本研究の当初の目的である本分子設計法の有用性を実証し、汎用性のあるペプチド創薬方法論の確立へと繋げる。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナ感染症拡大の影響を受けて、当初に参加予定していた学会がいずれもオンラインへの変更、または、中止となったことから、旅費としての使用を計画 していた分を消耗品費(試薬などの購入)に充てたものの、実験停止期間もあったことにより、僅かに次年度への繰越分が残ることになった。 次年度には、研究を遂行するために必要な実験消耗品(試薬など)の購入へと適切に使用する予定である。

研究成果

• [国際共同研究] University of Copenhagen(デンマーク)
  • 国名: デンマーク
  • 外国機関名: University of Copenhagen
• [雑誌論文] Structure, solubility, and permeability relationships in a diverse middle molecule library (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Miyachi, K. Kanamitsu, M. Ishii, E. Watanabe, A. Katsuyama, S. Otsuguro, F. Yakushiji, M. Watanabe, K. Matsui, Y. Sato, S. Shuto, T. Tadokoro, S. Kita, T. Matsumaru, A. Matsuda, T. Hirose, M. Iwatsuki, Y. Shigeta, T. Nagano, H. Kojima, S. Ichikawa, T. Sunazuka, K. Maenaka
  • 雑誌名: Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 巻: 37 ページ: 127847
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2021.127847
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular Determinants and Pharmacological Analysis for a Class of Competitive Non-transported Bicyclic Inhibitors of the Betaine/GABA Transporter BGT1 (2021)
  • 著者名/発表者名: Petrine Wellendorph, Stefanie Kickinger, Maria EK Lie, Akihiro Suemasa, Anas Al-Khawaja, Koichi Fujiwara, Mizuki Watanabe, Kristine S Wilhelmsen, Christina B Falk-Petersen, Bente Frolund, Satoshi Shuto, Gerhard Franz Ecker
  • 雑誌名: Frontiers in Chemistry 巻: 9 ページ: 736457
  • DOI: 10.3389/fchem.2021.736457
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] シクロプロパンによる配座制御を基軸としたペプチドフォルダマーの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 渡邉瑞貴
  • 学会等名: 日本薬学会 第142年会
  • 招待講演
• [学会発表] シクロプロパンによる配座制御に基づいた膜透過性環状ペプチドの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高島 悠太、山崎 祐季、佐藤 優希菜、植村 麻衣、松井 耕平、藤原 広一、渡邉 瑞貴、周東 智
  • 学会等名: 日本薬学会 第142年会
• [学会発表] 分子空間固定型ネガマイシンの合成とそのリードスルー活性評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 大村 紀子、田口 晃弘、濵田 圭佑、桑原 智希、渡邉 瑞貴、中久木 正則、今野 翔、高山 健太郎、谷口 敦彦、乃村 俊史、周東 智、林 良雄
  • 学会等名: 日本薬学会 第142年会
• [学会発表] シクロプロパンδ-アミノ酸を基盤としたヘリカルフォルダマーの創製研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 落合七彩、永田真、藤原広一、渡邉瑞貴、周東智
  • 学会等名: 第53回若手ペプチド夏の勉強会
• [学会発表] 強力な抗炎症活性を有するレゾルビンE1の安定誘導体の創出研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小坂篤生、藤原広一、渡邉瑞貴、周東智
  • 学会等名: 第47回反応と合成の進歩シンポジウム
• [学会発表] 逆マルコフニコフ型アルキンヒドロアミノ化による3-デアザアデニン環の構築と応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 今田圭祐，山田真輝，藤原広一，渡邉瑞貴，周東智
  • 学会等名: 第47回反応と合成の進歩シンポジウム
• [学会発表] スピロシクロプロパン型ペプチド模倣体に基づくBcl-2ファミリータンパク質阻害剤の創製研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 坂下遼太郎、桑原智希、藤原広一、渡邉瑞貴、周東智
  • 学会等名: 第58回ペプチド討論会
• [学会発表] Development of Cyclic Peptides with Membrane Permeability by Cyclopropane-Based Conformational Restriction Strategy (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuki Yamazaki, Mai Uemura, Yukina Sato, Kouhei Matsui, Nanami Kato, Yoh Takekuma, Mitsuru Sugawara, Mizuki Watanabe, Satoshi Shuto
  • 学会等名: 13th AFMC International Medicinal Chemistry Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Design and Synthesis of Benzene Congeners of specialized proesolving lipid mediator resolving E2 as its Stable Equivalents (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinei Tanaka, Koichi Fujiwara, Yuto Murakami, Hayato Fukuda, Jun Ishihara, Mizuki Watanabe, Satoshi Shuto
  • 学会等名: 13th AFMC International Medicinal Chemistry Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Synthesis of Conformationally Restricted GABA Analogues as Betaine/GABA Transporter BGT1 Inhibitors: Construction of the Bicyclo[3.1.0] hexene and [4.1.0]heptene backbones by RCMs with a Common Diene Substrate (2021)
  • 著者名/発表者名: Naoki Saito, Keisuke Mitsui, Koichi Fujiwara, Mizuki Watanabe, Satoshi Shuto
  • 学会等名: 13th AFMC International Medicinal Chemistry Symposium
  • 国際学会