G12/13シグナルを標的としたデザイナーGPCRの開発と疾患治療戦略

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04791
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 井上 飛鳥 東北大学, 薬学研究科, 教授 (50525813)
• 研究分担者: 加藤 英明 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (80805961)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2025-03-31
• キーワード: GPCR / G12 / DREADD

研究実績の概要

12共役型デザイナーGPCR(G12D)を肝細胞特異的に発現させたHep-G12Dマウスの体重抑制作用について、肝臓由来のホルモン（ヘパトカイン）に着目した解析を行った。その結果、ヘパトカインの1種であるFGF21がG12D活性化時に肝臓にて発現増加が見られることがわかった。さらに、抗FGF21抗体によりFGF21の機能阻害を行った条件において、高脂肪食負荷でのデザイナーリガンド投与によるHep-G12Dマウスの体重抑制作用が消失した。従って、肝臓のG12シグナルを介した体重抑制作用にFGF21が関与することを見出した。また、肝臓からのリポタンパク質分泌を測定したところ、デザイナーリガンドの慢性投与によりリポタンパク質分泌が増加することを見出した。脂肪G12共役型デザイナーGPCR発現マウスについて、寒冷刺激処置によるベージュ脂肪細胞の機能評価を行った。アドレナリンβ3受容体作動薬とデザイナーリガンドを投与した条件において、寒冷刺激処置による体温温度低下作用が減弱することを見出した。従って、脂肪細胞のG12シグナルは白色脂肪細胞のベージュ化を促進し、これが熱産生に機能であることがわかった。
G12DとGα12サブユニットの複合体およびG12DとGα13サブユニットの複合体の構造モデルを構築し分子動力学計算を行った。その結果、G12DとGαサブユニットの結合様式に差異が生じていることを見出した。Gα12とGα13の別々の相互作用に関与しうるG12Dの4カ所の残基について、アミノ酸置換のスクリーニングを行い、G13共役を強める4つの変異体を見出した。変異の組み合わせから、高いG13共役を示す二重変異体を作出した。

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

当初計画に沿って研究を実施し、計画通りの研究成果を得ることができた。本研究課題の主要業績となる論文掲載に至った（Ono et al., Sig Trans Target Ther 2023）。また、当初計画外の成果として、GPCRとGタンパク質の共役選択性の構造・動態基盤の解明（Ham et al., Commun Biol 2024; Jayakody et al., Sci Signal 2024）、GPCRとGタンパク質の共役選択性のインフォマティクス解析（Matic et al., Nat Commun 2023）、GPCRの構造解析（Park et al., Nat Commun 2023; Ishimoto et al., Nat Commun 2023; Kobayashi et al., Nature 2023）、新型コロナウイルス治療薬のオフターゲット標的同定（Ogawa et al., Commun Biol 2023）などの成果を得た。

今後の研究の推進方策

・G12共役型デザイナーGPCR（G12D）発現マウス解析
前年度までに、肝G12D発現マウスにおいて、代謝向上作用とこの効果を一部担うヘパトカインを同定した。本年度は、引き続き肝G12D発現マウスを解析し、デザイナーリガンド投与による肝G12シグナル誘導時の行動量への影響や糖代謝の変動を評価する。また、前年度の表皮G12D発現マウスの解析から見出した表皮の肥厚作用に着目し、本年度は皮膚バリア機能の変化を解析する。さらに、Bリンパ球特異的Cre発現マウスを導入し、G12DをB細胞に発現させたマウスを作出し、デザイナーリガンド投与による免疫応答について表現型解析を行う。

・G13共役型デザイナーGPCRの開発
前年度までの分子動力学計算と変異体スクリーニング実験から、G12Dに2つのアミノ酸置換を導入した改変GPCRにおいてG13共役活性の増強が生じた。本年度は、他のGタンパク質ファミリーのGタンパク質特異性を評価し、これらの非特異的なGタンパク質共役を低減する改変を試みる。また、前年度までにG12Dにおいて見出したGα12とGα13のC末端ヘリックスの差異が認識される機構が、他のG12/13共役型GPCRで保存されているかどうか、Gα12とGα13のC末端ヘリックスの1アミノ酸の相互置換変異体を用いて解析する。

研究成果

• [国際共同研究] Stanford University/UCSD/Indiana University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Stanford University/UCSD/Indiana University
• [国際共同研究] Copenhagen University(デンマーク)
  • 国名: デンマーク
  • 外国機関名: Copenhagen University
• [国際共同研究] Tsinghua University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Tsinghua University
• [国際共同研究] Indian Institute of Technology(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: Indian Institute of Technology
• [雑誌論文] Molecular mechanism of muscarinic acetylcholine receptor M3 interaction with Gq (2024)
  • 著者名/発表者名: Ham Donghee、Inoue Asuka、Xu Jun、Du Yang、Chung Ka Young
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 7 ページ: 362
  • DOI: 10.1038/s42003-024-06056-1
• [雑誌論文] The role of G protein-coupled receptor kinases in GLP-1R β-arrestin recruitment and internalisation (2024)
  • 著者名/発表者名: McNeill Samantha M.、Lu Jessica、Marion C. Carino Carlo、Inoue Asuka、Zhao Peishen、Sexton Patrick M.、Wootten Denise
  • 雑誌名: Biochemical Pharmacology 巻: 222 ページ: 116119～116119
  • DOI: 10.1016/j.bcp.2024.116119
• [雑誌論文] Development and basic performance verification of a rapid homogeneous bioassay for agonistic antibodies against the thyroid-stimulating hormone receptor (2024)
  • 著者名/発表者名: Hoshina Motoki、Ojima Shiomi、Kawasaki Atsushi、Doi Kosuke、Ohta Satoshi、Inoue Asuka、Murayama Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Immunological Methods 巻: 528 ページ: 113655～113655
  • DOI: 10.1016/j.jim.2024.113655
• [雑誌論文] Mechanisms of biased agonism by Gαi/o-biased stapled peptide agonists of the relaxin-3 receptor (2024)
  • 著者名/発表者名: Jayakody Tharindunee、Inoue Asuka、Kannan Srinivasaraghavan、Nakamura Gaku、Kawakami Kouki、Mendis Krishan、Nguyen Thanh-Binh、Li Jianguo、Herr Deron R.、Verma Chandra S.、Dawe Gavin S.
  • 雑誌名: Science Signaling 巻: 17 ページ: eabl5880
  • DOI: 10.1126/scisignal.abl5880
• [雑誌論文] GPCR signaling bias: an emerging framework for opioid drug development (2024)
  • 著者名/発表者名: Kise Ryoji、Inoue Asuka
  • 雑誌名: The Journal of Biochemistry 巻: 175 ページ: 367-376
  • DOI: 10.1093/jb/mvae013
• [雑誌論文] Structural and functional characterization of the endogenous agonist for orphan receptor GPR3 (2024)
  • 著者名/発表者名: Chen Geng、Staffen Nico、Wu Zhangsong、Xu Xinyu、Pan Jinheng、Inoue Asuka、Shi Tingyi、Gmeiner Peter、Du Yang、Xu Jun
  • 雑誌名: Cell Research 巻: 34 ページ: 262～265
  • DOI: 10.1038/s41422-023-00919-8
• [雑誌論文] Interaction modes of human orexin 2 receptor with selective and nonselective antagonists studied by NMR spectroscopy (2024)
  • 著者名/発表者名: Imamura Kayo、Akagi Ken-Ichi、Miyanoiri Yohei、Tsujimoto Hirokazu、Hirokawa Takatsugu、Ashida Hideo、Murakami Kaori、Inoue Asuka、Suno Ryoji、Ikegami Takahisa、Sekiyama Naotaka、Iwata So、Kobayashi Takuya、Tochio Hidehito
  • 雑誌名: Structure 巻: 32 ページ: 352～361.e5
  • DOI: 10.1016/j.str.2023.12.008
• [雑誌論文] Basal interaction of the orphan receptor GPR101 with arrestins leads to constitutive internalization (2024)
  • 著者名/発表者名: Abboud Dayana、Abboud Clauda、Inoue Asuka、Twizere Jean-Claude、Hanson Julien
  • 雑誌名: Biochemical Pharmacology 巻: 220 ページ: 116013～116013
  • DOI: 10.1016/j.bcp.2023.116013
• [雑誌論文] GNAQ/GNA11 Mosaicism Causes Aberrant Calcium Signaling Susceptible to Targeted Therapeutics (2024)
  • 著者名/発表者名: Zecchin Davide、Knopfel Nicole、Gluck Anna K.、Stevenson Mark、Sauvadet Aimie、Polubothu Satyamaanasa、Barberan-Martin Sara、Michailidis Fanourios、Bryant Dale、Inoue Asuka、Lines Kate E.、Hannan Fadil M.、Semple Robert K.、Thakker Rajesh V.、Kinsler Veronica A.
  • 雑誌名: Journal of Investigative Dermatology 巻: 144 ページ: 811～819.e4
  • DOI: 10.1016/j.jid.2023.08.028
• [雑誌論文] Characterization of the real-time internalization of nine GPCRs reveals distinct dependence on arrestins and G proteins (2024)
  • 著者名/発表者名: Moller Thor C.、Moo Ee Von、Inoue Asuka、Pedersen Mie F.、Brauner-Osborne Hans
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research 巻: 1871 ページ: 119584～119584
  • DOI: 10.1016/j.bbamcr.2023.119584
• [雑誌論文] Structural basis for ligand recognition and signaling of hydroxy-carboxylic acid receptor 2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Park Jae-Hyun、Kawakami Kouki、Ishimoto Naito、Ikuta Tatsuya、Ohki Mio、Ekimoto Toru、Ikeguchi Mitsunori、Lee Dong-Sun、Lee Young-Ho、Tame Jeremy R. H.、Inoue Asuka、Park Sam-Yong
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 7150
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42764-8
• [雑誌論文] Gαs is dispensable for β-arrestin coupling but dictates GRK selectivity and is predominant for gene expression regulation by β2-adrenergic receptor (2023)
  • 著者名/発表者名: Burghi Valeria、Paradis Justine S.、Officer Adam、Adame-Garcia Sendi Rafael、Wu Xingyu、Matthees Edda S.F.、Barsi-Rhyne Benjamin、Ramms Dana J.、Clubb Lauren、Acosta Monica、Tamayo Pablo、Bouvier Michel、Inoue Asuka、von Zastrow Mark、Hoffmann Carsten、Gutkind J. Silvio
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 299 ページ: 105293～105293
  • DOI: 10.1016/j.jbc.2023.105293
• [雑誌論文] G protein-biased LPAR1 agonism of prototypic antidepressants: Implication in the identification of novel therapeutic target for depression (2023)
  • 著者名/発表者名: Kajitani Naoto、Okada-Tsuchioka Mami、Inoue Asuka、Miyano Kanako、Masuda Takeshi、Boku Shuken、Iwamoto Kazuya、Ohtsuki Sumio、Uezono Yasuhito、Aoki Junken、Takebayashi Minoru
  • 雑誌名: Neuropsychopharmacology 巻: 49 ページ: 561～572
  • DOI: 10.1038/s41386-023-01727-9
• [雑誌論文] Eriodictyol and thymonin act as GPR35 agonists (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakashima Fumie、Qi Loh Wei、Wakabayashi Mayuka、Shimomura Sayako、Hattori Hiroyuki、Kita Masaki、Inoue Asuka、Uchida Koji、Shibata Takahiro
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: 87 ページ: 1514～1522
  • DOI: 10.1093/bbb/zbad125
• [雑誌論文] Chemogenetic activation of G12 signaling enhances adipose tissue browning (2023)
  • 著者名/発表者名: Ono Yuki、Ito Ryo、Arai Kaito、Singh Gurdeep、Saitoh Tsuyoshi、Russell Robert B.、Raimondi Francesco、Aoki Junken、Sakai Juro、Inoue Asuka
  • 雑誌名: Signal Transduction and Targeted Therapy 巻: 8 ページ: 307
  • DOI: 10.1038/s41392-023-01524-2
• [雑誌論文] Molecular insights into intrinsic transducer-coupling bias in the CXCR4-CXCR7 system (2023)
  • 著者名/発表者名: Sarma Parishmita、Carino Carlo Marion C.、Seetharama Deeksha、Pandey Shubhi、Dwivedi-Agnihotri Hemlata、Rui Xue、Cao Yubo、Kawakami Kouki、Kumari Poonam、Chen Yu-Chih、Luker Kathryn E.、Yadav Prem N.、Luker Gary D.、Laporte Stephane A.、Chen Xin、Inoue Asuka、Shukla Arun K.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 4808
  • DOI: 10.1038/s41467-023-40482-9
• [雑誌論文] GPCRome-wide analysis of G-protein-coupling diversity using a computational biology approach (2023)
  • 著者名/発表者名: Matic Marin、Miglionico Pasquale、Tatsumi Manae、Inoue Asuka、Raimondi Francesco
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 4361
  • DOI: 10.1038/s41467-023-40045-y
• [雑誌論文] Structural basis of CXC chemokine receptor 1 ligand binding and activation (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishimoto Naito、Park Jae-Hyun、Kawakami Kouki、Tajiri Michiko、Mizutani Kenji、Akashi Satoko、Tame Jeremy R. H.、Inoue Asuka、Park Sam-Yong
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 4107
  • DOI: 10.1038/s41467-023-39799-2
• [雑誌論文] Class B1 GPCR activation by an intracellular agonist (2023)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Kazuhiro、Kawakami Kouki、Kusakizako Tsukasa、Tomita Atsuhiro、Nishimura Michihiro、Sawada Kazuhiro、Okamoto Hiroyuki H.、Hiratsuka Suzune、Nakamura Gaku、Kuwabara Riku、Noda Hiroshi、Muramatsu Hiroyasu、Shimizu Masaru、Taguchi Tomohiko、Inoue Asuka、Murata Takeshi、Nureki Osamu
  • 雑誌名: Nature 巻: 618 ページ: 1085～1093
  • DOI: 10.1038/s41586-023-06169-3
• [雑誌論文] Structural basis of omega-3 fatty acid receptor FFAR4 activation and G protein coupling selectivity (2023)
  • 著者名/発表者名: Yin Han、Inoue Asuka、Ma Zhengxiong、Zhu Xinyan、Xia Ruixue、Xu Zhenmei、Wang Na、Duan Yaning、Zhang Anqi、Guo Changyou、He Yuanzheng
  • 雑誌名: Cell Research 巻: 33 ページ: 644～647
  • DOI: 10.1038/s41422-023-00835-x
• [雑誌論文] Stabilization of pre-existing neurotensin receptor conformational states by β-arrestin-1 and the biased allosteric modulator ML314 (2023)
  • 著者名/発表者名: Bumbak Fabian、Bower James B.、Zemmer Skylar C.、Inoue Asuka、Pons Miquel、Paniagua Juan Carlos、Yan Fei、Ford James、Wu Hongwei、Robson Scott A.、Bathgate Ross A. D.、Scott Daniel J.、Gooley Paul R.、Ziarek Joshua J.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 3328
  • DOI: 10.1038/s41467-023-38894-8
• [雑誌論文] Molecular mechanism of fatty acid activation of FFAR1 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kumari Punita、Inoue Asuka、Chapman Karen、Lian Peng、Rosenbaum Daniel M.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 120 ページ: e2219569120
  • DOI: 10.1073/pnas.2219569120
• [雑誌論文] Activation of the urotensin-II receptor by remdesivir induces cardiomyocyte dysfunction (2023)
  • 著者名/発表者名: Ogawa Akiko、Ohira Seiya、Kato Yuri、Ikuta Tatsuya、Yanagida Shota、Mi Xinya、Ishii Yukina、Kanda Yasunari、Nishida Motohiro、Inoue Asuka、Wei Fan-Yan
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 6 ページ: 511
  • DOI: 10.1038/s42003-023-04888-x
• [雑誌論文] Structure-affinity and structure-residence time relationships of macrocyclic Gαq protein inhibitors (2023)
  • 著者名/発表者名: Voss Jan H.、Crusemann Max、Bartling Christian R.O.、Kehraus Stefan、Inoue Asuka、Konig Gabriele M.、Stromgaard Kristian、Muller Christa E.
  • 雑誌名: iScience 巻: 26 ページ: 106492～106492
  • DOI: 10.1016/j.isci.2023.106492
• [雑誌論文] Design and Synthesis of Orexin 1 Receptor-Selective Agonists (2023)
  • 著者名/発表者名: Iio Keita、Hashimoto Kao、Nagumo Yasuyuki、Amezawa Mao、Hasegawa Taisei、Yamamoto Naoshi、Kutsumura Noriki、Takeuchi Katsuhiko、Ishikawa Yukiko、Yamamoto Hikari、Tokuda Akihisa、Sato Tetsu、Uchida Yasuo、Inoue Asuka、Tanimura Ryuji、Yanagisawa Masashi、Nagase Hiroshi、Saitoh Tsuyoshi
  • 雑誌名: Journal of Medicinal Chemistry 巻: 66 ページ: 5453～5464
  • DOI: 10.1021/acs.jmedchem.2c01773
• [雑誌論文] Function and dynamics of the intrinsically disordered carboxyl terminus of β2 adrenergic receptor (2023)
  • 著者名/発表者名: Heng Jie、Hu Yunfei、Perez-Hernandez Guillermo、Inoue Asuka、Zhao Jiawei、Ma Xiuyan、Sun Xiaoou、Kawakami Kouki、Ikuta Tatsuya、Ding Jienv、Yang Yujie、Zhang Lujia、Peng Sijia、Niu Xiaogang、Li Hongwei、Guixa-Gonzalez Ramon、Jin Changwen、Hildebrand Peter W.、Chen Chunlai、Kobilka Brian K.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: 2005
  • DOI: 10.1038/s41467-023-37233-1
• [雑誌論文] Migration mediated by the oxysterol receptor GPR183 depends on arrestin coupling but not receptor internalization (2023)
  • 著者名/発表者名: Kjaer Viktoria M.S.、Daugvilaite Viktorija、Stepniewski Tomasz M.、Madsen Christian M.、Jorgensen Astrid S.、Bhuskute Kaustubh R.、Inoue Asuka、Ulven Trond、Benned-Jensen Tau、Hjorth Siv A.、Hjorto Gertrud M.、Moo Ee Von、Selent Jana、Rosenkilde Mette M.
  • 雑誌名: Science Signaling 巻: 16 ページ: eabl4283
  • DOI: 10.1126/scisignal.abl4283
• [雑誌論文] Phosphorylation barcodes direct biased chemokine signaling at CXCR3 (2023)
  • 著者名/発表者名: Eiger Dylan S.、Smith Jeffrey S.、Shi Tujin、Stepniewski Tomasz Maciej、Tsai Chia-Feng、Honeycutt Christopher、Boldizsar Noelia、Gardner Julia、Nicora Carrie D.、Moghieb Ahmed M.、Kawakami Kouki、Choi Issac、Hicks Chloe、Zheng Kevin、Warman Anmol、Alagesan Priya、Knape Nicole M.、et al.
  • 雑誌名: Cell Chemical Biology 巻: 30 ページ: 362～382.e8
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2023.03.006
• [雑誌論文] Insights into distinct signaling profiles of the μOR activated by diverse agonists (2023)
  • 著者名/発表者名: Qu Qianhui、Huang Weijiao、Aydin Deniz、Paggi Joseph M.、Seven Alpay B.、Wang Haoqing、Chakraborty Soumen、Che Tao、DiBerto Jeffrey F.、Robertson Michael J.、Inoue Asuka、Suomivuori Carl-Mikael、Roth Bryan L.、Majumdar Susruta、Dror Ron O.、Kobilka Brian K.、Skiniotis Georgios
  • 雑誌名: Nature Chemical Biology 巻: 19 ページ: 423～430
  • DOI: 10.1038/s41589-022-01208-y
• [学会発表] 化学遺伝学的手法を用いた脂肪肝におけるG12共役型GPCRの機能解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 荒井魁斗、小野雄基、井上飛鳥
  • 学会等名: 第22回次世代を担う若手のためのファーマ・バイオフォーラム2023
• [学会発表] ケモジェネティクスを用いたG12シグナルの脂肪肝抑制効果とその機構解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 荒井魁斗、小野雄基、井上飛鳥
  • 学会等名: 第96回日本生化学会大会
• [備考] 研究室HP
  • URL: http://www.pharm.tohoku.ac.jp/~seika/2020/index.html
• [備考] 東北大学薬学研究科HP
  • URL: http://www.pharm.tohoku.ac.jp/home/information/