ケミカルバイオロジーツールを利用したWntシグナル伝達機構の構造的解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00455
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 高木 淳一 大阪大学, 蛋白質研究所, 教授 (90212000)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: Wntシグナル / ケミカルバイオロジー / 立体構造解析 / 環状ペプチド / アンタゴニスト

研究実績の概要

本研究は、様々な組織幹細胞の分化状態を制御する鍵因子であるWntシグナルパスウェイについて、ケミカルバイオロジーツールの作用メカニズムの解明を通してその分子論の理解を深めるとともに、環状ペプチドをプローブとしてWntシグナル伝達系の機能構造研究に応用することを目指し、以下の４つの業務項目に従って研究を進めた。
（項目１）Wnt3/3aヘアピンループとLRP6の複合体の構造解析を通した相互作用部位の同定： Wnt3由来のループ模倣ペプチド（LP3ss）とLRP6の複合体の結晶構造取得のため、LRP6の断片の生産と結晶化に成功し、2.09Åの分解能でその構造解析に成功したが、最終的にペプチドの構造モデルを置くことはできなかった。
（項目２）LRP6：USAG-1相互作用の構造基盤とWntシグナル阻害メカニズム：強いWntシグナル阻害活性をもつUSAG-1の中和抗体を京都大学の高橋克博士と共同で作製し、そのいくつかについて、中和活性がLRP6とUSAG-1の相互作用を阻害することを明らかにし、論文を発表した。
（項目３）機能修飾ペプチドとWnt3aの複合体の結晶構造解析と作用メカニズムの解明：すでに得ているマウスWnt3a結合性環状ペプチドPD04について、さらなる改変を行った結果、10番目のTrpをProに変異させることで約5倍の親和性向上が得られること、1番目のアミノ酸TyrはD体で無ければならないことを突き止めた。
（項目４）内因性Wnt3a可視化ツールの開発と「Wntシグナルイメージング」方法論の確立：活性阻害ペプチドであるPD04のビオチン化体を調製し、それが細胞中のインタクトのWnt3aに結合できることを確認した。さらに、PD04はマウスWnt3aだけでなくヒトWnt3aをも認識でき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

項目１についてはすでに構造解析を終えたので今年度で終了とする。項目２については中和のメカニズムに関する知見は得られ、論文発表にいたった。一方で、USAG-1と抗体の構造解析については本格的に着手することができず、遅れが出ている。項目３について、Wnt3aの生物活性を阻害するペプチドの高親和性化に成功したことは特筆に値する。Wntシグナルは様々な疾患に関わるので、その阻害剤は医薬品開発につながる可能性もある。ただし同ペプチドの難溶性のために、Wnt3aとの複合体の構造解析にはかなりの困難が予想される。項目４では当初期待していたFL29ペプチドが利用できないことが判明したが、PD04ペプチドが天然型のマウスおよびヒトWnt3aを等しく認識できることから、これを用いたイメージングの可能性は残されている。以上のように、目的を達成できた事項と計画変更を余儀なくされた未達事項が混在することから、「概ね順調な進展」と自己評価する。

今後の研究の推進方策

項目1についてはすでに構造解析を終了したのでR3年度以降は実施しない。項目2についてはUSAG-1抗体のエピトープマッピングが終了したので、今後は抗体の組み換え発現と複合体結晶化を行う。項目3については引き続きWnt3a-PD04複合体の結晶化を試みる。項目4については、Wnt3a阻害ペプチドPD04の親和性の低さとその難溶性のため、これ以上の検討を継続することは必ずしも得策でないと判断した。そこで、あらたに項目5（アファミン結合環状ペプチドの取得とWnt3a精製への利用）を開始する。

研究成果

• [雑誌論文] Structural insights into the integrin α5β1 opening by fibronectin ligand. (2021)
  • 著者名/発表者名: Schumacher S, Dedden D, Nunez RV, Matoba K, Takagi J, Biertumpfel C, Mizuno N.
  • 雑誌名: Science Advances 巻: - ページ: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Anti-USAG-1 therapy for tooth regeneration through enhanced BMP signaling. (2021)
  • 著者名/発表者名: Murashima-Suginami A, Kiso H, Tokita Y, Mihara E, Nambu Y, Uozumi R, Tabata Y, Bessho K, Takagi J, Sugai M, and Takahashi K.
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 7 ページ: eabf1798
  • DOI: 10.1126/sciadv.abf1798
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lasso-grafting of macrocyclic peptide pharmacophores yields multi-functional proteins (2021)
  • 著者名/発表者名: Mihara E, Watanabe S, Bashiruddin N, Nakamura N, Matoba K, Maini R, Yin Y, Sakai K, Arimori T, Matsumoto K, Suga H, and Takagi J.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1543
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21875-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A feasibility study of inverse contrast-matching small-angle neutron scattering method combined with size exclusion chromatography using antibody interactions as model systems. (2021)
  • 著者名/発表者名: Sato N, Yogo R, Yanaka S, Marte Al, Porcar L, Morishima K, Inoue R, Tominaga T, Arimori T, Takagi J, Sugiyama M, and Kato K.
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1093/jb/mvab012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structural studies of reelin N-terminal region provides insights into a unique structural arrangement and functional multimerization. (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagae M, Suzuki K, Yasui N, Nogi T, Kohno T, Hattori M and Takagi J.
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: - ページ: mvaa144
  • DOI: 10.1093/jb/mvaa144
  • 査読あり
• [雑誌論文] High affinity modified ACE2 receptors protect from SARS-CoV-2 infection. (2020)
  • 著者名/発表者名: Higuchi Y, Suzuki T, Arimori T, Ikemura N, Kirita Y, Ohgitani E, Mazda O, Motooka D, Nakamura S, Matsuura Y, Matoba S, Okamoto T, Takagi J, and Hoshino A.
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1101/2020.09.16.299891
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of cyclic peptides with potent in vivo osteogenic activity through RaPID-based affinity maturation. (2020)
  • 著者名/発表者名: Bashiruddin NK, Hayashi M, Nagano M, Wu Y, Matsunaga Y, Takagi J, Nakashima T, Suga H.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 117 ページ: 31070-31077
  • DOI: 10.1073/pnas.2012266117
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dissection of α4β7 integrin regulation by Rap1 using novel conformation-specific monoclonal anti-β7 antibodies. (2020)
  • 著者名/発表者名: Sato T, Ishihara S, Marui R, Takagi J, Katagiri K.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 13221
  • DOI: 10.1038/s41598-020-70111-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Negatively charged amino acids in the stalk region of membrane proteins reduce ectodomain shedding. (2020)
  • 著者名/発表者名: Iwagishi R, Tanaka R, Seto M, Takagi T, Norioka N, Ueyama T, Kawamura T, Takagi J, Ogawa Y, Shirakabe K.
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 295 ページ: 12343-12352
  • DOI: 10.1074/jbc.RA120.013758
  • 査読あり
• [雑誌論文] Site-specific epitope insertion into recombinant proteins using the MAP tag system. (2020)
  • 著者名/発表者名: Wakasa A, Kaneko MK, Kato Y, Takagi J, and Arimori T.
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: 168 ページ: 375-384
  • DOI: 10.1093/jb/mvaa054
  • 査読あり
• [雑誌論文] Macrocyclic peptides that inhibit Wnt signallingviainteraction with Wnt3a. (2020)
  • 著者名/発表者名: Otero-Ramirez ME, Matoba K, Mihara E, Passioura T, Takagi J, and Suga H.
  • 雑誌名: RSC Chemical Biology 巻: 1 ページ: 26-34
  • DOI: 10.1039/d0cb00016g
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] LassoGraft Technology による新規バイオ医薬品モダリティの創成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 高木 淳一
  • 学会等名: 第114回未来医療セミナー（招待講演）
  • 招待講演
• [学会発表] Instant formulation of multispecific binders using LassoGraft Technology, (2021)
  • 著者名/発表者名: Junichi Takagi
  • 学会等名: PepTalk2021( Characterization of Biotherapeutics)
  • 国際学会 / 招待講演