天然化合物の革新的標的分子同定法の確立とケミカルエピジェネティクス

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26221204
• 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, 吉田化学遺伝学研究室, 主任研究員 (80191617)
• 研究分担者: 新家 一男 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 研究グループ長 (20251481) ; 中尾 洋一 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (60282696)
• 研究期間 (年度): 2014-05-30 – 2019-03-31
• キーワード: 天然生理活性物質 / 標的分子 / エピジェネティクス / 合成致死遺伝子 / 分子間相互作用

研究実績の概要

本研究は新しい化合物-標的相互作用検出技術を開発し、それを用いて未解明の天然物の標的分子と作用機構を明らかにすることを目的とする。そのための遺伝学的相互作用の網羅的かつ迅速な検出法として、(1) 酵母遺伝子破壊株を用いたケミカルゲノミクス系、および(2) バーコードつきプール型shRNAライブラリーによる増殖定量の多検体解析系が完成した。そこで、極めてユニークなチオアミド構造を有するチオビリダミドとその新規類縁化合物JBIR-140の作用機序解析に取り組んだ。これらの化合物は、アデノウイルスE1Aで形質転換された線維芽細胞に特異的にアポトーシスを誘導するが、その作用機構は不明であった。マイクロアレイによる遺伝子発現解析とバーコードつきshRNAライブラリーによる感受性遺伝子スクリーニングの結果、JBIR-140は統合ストレス応答経路の中のGCN2経路を活性化して転写因子ATF4の発現を上昇させることが判明した。また、ゲノムワイドのshRNAの中で、いくつかのミトコンドリア蛋白質のノックダウンが特異的にJBIR-140の効果を減弱させることから、呼吸活性との関連を調べた。その結果、JBIR-140は呼吸鎖複合体V の蛋白質と直接結合して複合体Vを阻害することが判明した。同様の複合体Vの特異的阻害剤は、JBIR-140と同じようにE1Aで形質転換された細胞を特異的に抑制することから、ミトコンドリア呼吸系がJBIR-140およびチオビリダミドの標的であることが明らかになった。このように、本研究で構築された新しい化合物-標的相互作用検出技術は、様々な生理活性物質の作用機序研究に応用可能であることが示された。さらに、スプリットルシフェラーゼの一種であるNanoBiTを用いた細胞内化合物―標的同定法もほぼ完成したので、化合物と標的タンパク質の細胞内物理的相互作用の探索を開始した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

新技術の開発の部分については、改良を重ねて実用レベルに達したと考えている。その結果、長年にわたって作用機序が不明であったチオアミド系抗腫瘍活性物質の標的分子の解明に成功した。このことから当初目的の大部分をすでに達成したと考えている。一方、新規阻害剤の開発からエピジェネティクス関連因子の機能を解析するケミカルエピジェネティクスの課題においては、ヒストン脱アセチル化酵素SIRT2が脱アセチル化活性だけでなく、脱長鎖アシル化酵素活性を有するという当初の想定を超える発見があった。昨年度すでにSIRT2が脱長鎖アシル化酵素でもあること、さらに我々が発見したSIRT2の阻害剤は、脱アセチル化酵素活性を阻害するものの、SIRT2の脱長鎖アシル化酵素活性を阻害できないことを見いだしていた。そのメカニズムは、蛍光偏光測定と構造解析から長鎖アシル化基質による阻害剤のキックアウトであることもわかった。さらに脱長鎖アシル化反応によって生じるO-アシル-ADPリボースが酵素内にとどまることによって脱アセチル化反応を阻害し、長鎖アシル化リジンを含む基質がO-アシル-ADPリボースをキックアウトすることによって脱長鎖アシル化反応が進むという選択的阻害機構が示唆された。これらの結果は、当初の想定を超えた発見であり、エピジェネティクス分野における独創的研究に発展することが期待される。

今後の研究の推進方策

天然物は生理活性の宝庫であるが、これまで作用機構が分子レベルで解明された例はごくわずかであり、巨大な研究資源の鉱脈がまだ眠ったままになっていると言っても過言ではない。その原因として、化合物の標的分子を同定し、作用機構を解明する研究には確立した方法論がなく、多くの場合標的の同定はきわめて困難であることが考えられる。我々は遺伝学的相互作用と物理的相互作用の組合せが必須であると考えている。本研究では、すでに網羅的な遺伝学的相互作用解析法として、分裂酵母遺伝子破壊株ライブラリー、出芽酵母遺伝子破壊ライブラリー、動物細胞用Pooled shRNAライブラリーを用いたバーコードシークエンスによる増殖定量系を確立した。また、新しい物理的相互作用検出法としてNanoBiTを応用したスリーハイブリッド系を構築した。今回これらを用いて、きわめてユニークな化学構造を有するJBIR-140の作用機序を解明した。今後はさらに興味深い化合物を選抜し、作用機構解析を実施する予定である。また、予想外の発見となったSIRT2の脱アセチル化―脱長鎖アシル化反応のスイッチ機構についても解析を進める予定である。

研究成果

• [国際共同研究] 北京大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 北京大学
• [雑誌論文] Neothioviridamide, a poly thioamide compound produced by heterologous expression of a Streptomyces sp. cryptic RiPP biosynthetic gene cluster (2018)
  • 著者名/発表者名: Kawahara T, Izumikawa M, Kozone I, Hashimoto J, Kagaya, N. Koiwai H, Komatsu M, Fujie M, Sato N, Ikeda H, Shin-ya K
  • 雑誌名: J. Nat. Prod. 巻: 81 ページ: 264-269
  • DOI: 10.1021/acs.jnatprod.7b00607
  • 査読あり
• [雑誌論文] JBIR-150, a novel 20-membered polyene macrolactam from marine-derived Streptomyces sp. OPMA00071 (2018)
  • 著者名/発表者名: Kawahara T, Fujiwara T, Kagaya N, Shin-ya K
  • 雑誌名: J. Antibiot. 巻: 71 ページ: 390-392
  • DOI: 10.1038/s41429-017-0010-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Halistanol sulfates I and J, new SIRT1-3 inhibitory steroid sulfates from a marine sponge of the genus Halichondria (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakamura F, Kudo N, Tomachi Y, Nakata A, Takemoto M, Ito A, Tabei H, Arai D, de Voogd N, Yoshida M, Nakao Y, Fusetani N
  • 雑誌名: J. Anitibiot. 巻: 71 ページ: 273-278
  • DOI: 10.1038/ja.2017.145
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Establishment of a high-throughput detection system for DNA demethylating agents (2018)
  • 著者名/発表者名: Okochi-Takada E, Hattori N, Ito A, Niwa T, Wakabayashi M, Kimura K, Yoshida M, Ushijima T
  • 雑誌名: Epigenetics 巻: 13 ページ: 147-156
  • DOI: 10.1080/15592294.2016
  • 査読あり
• [雑誌論文] レプトマイシン物語 抗真菌抗生物質の探索から始まった新規がん分子標的治療への道 (2018)
  • 著者名/発表者名: 26.吉田 稔
  • 雑誌名: 化学と生物 巻: 56 ページ: 197-202
• [雑誌論文] Kakeromamide A, a new cyclic pentapeptide inducing astrocyte differentiation isolated from the marine cyanobacterium (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakamura F, Maejima H, Kawamura M, Arai D, Okino T, Zhao M, Ye T, Lee J, Chang Y-T, Fusetan N, Nakao Y
  • 雑誌名: Bioorg.Med.Chem.Lett. 巻: - ページ: in press
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2018.04.067
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A genetic screen to discover SUMOylated proteins in living mammalian cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Komiya M, Ito A, Endo M, Hiruma D, Hattori M, Saitoh H, Yoshida M, Ozawa T.
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 7 ページ: 17443
  • DOI: 10.1038/s41598-017-17450-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The distinct roles of class I and II RPD3-like histone deacetylases in salinity stress response (2017)
  • 著者名/発表者名: Ueda M, Matsui A, Tanaka M, Nakamura T, Abe T, Sako K, Sasaki T, Kim JM, Ito A, Nishino N, Shimada H, Yoshida M, Seki M
  • 雑誌名: Plant Physiol. 巻: 175 ページ: 1760-1773
  • DOI: 10.1104/pp.17.01332
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tachibana M. Rescuing the aberrant sex development of H3K9 demethylase Jmjd1a-deficient mice by modulating H3K9 methylation balance (2017)
  • 著者名/発表者名: Kuroki S, Okashita N, Baba S, Maeda R, Miyawaki S, Yano M, Yamaguchi M, Kitano S, Miyachi H, Itoh A, Yoshida M
  • 雑誌名: PLoS Genet. 巻: 13 ページ: e1007034
  • DOI: 10.1371/journal.pgen.1007034
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Increased metabolite production by deletion of an HDA1-type histone deacetylase in the phytopathogenic fungi, Magnaporthe oryzae (Pyricularia oryzae) and Fusarium asiaticum (2017)
  • 著者名/発表者名: Maeda K, Izawa M, Nakajima Y, Jin Q, Hirose T, Nakamura T, Koshino H, Kanamaru K, Ohsato S, Kamakura T, Kobayashi T, Yoshida M, Kimura M
  • 雑誌名: Lett. Appl. Microbiol. 巻: 65 ページ: 446-452
  • DOI: 10.1111/lam.12797
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functional annotation of chemical libraries across diverse biological processes (2017)
  • 著者名/発表者名: Piotrowski JS, Li SC, Deshpande R, Simpkins SW, Nelson J, Yashiroda Y, Barber JM, Safizadeh H, Wilson E, Okada H, Gebre AA, Kubo K, Torres N, Leblanc MB, Andrusiak K, Okamoto R, Yoshimura M, et al.
  • 雑誌名: Nat. Chem. Biol. 巻: 13 ページ: 982-993
  • DOI: 10.1038/nchembio.2436
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Regulation of Small Mitochondrial DNA Replicative Advantage by Ribonucleotide Reductase in Saccharomyces cerevisiae (2017)
  • 著者名/発表者名: Bradshaw E, Yoshida M, Ling F
  • 雑誌名: G3 (Bethesda) 巻: 7 ページ: 3083-3090
  • DOI: 10.1534/g3.117.043851
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of zinc finger transcription factor EGR2 as a novel acetylated protein (2017)
  • 著者名/発表者名: Noritsugu K, Ito A, Nakao Y, Yoshida M
  • 雑誌名: Biochem. Biophys. Res. Commun. 巻: 489 ページ: 455-459
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2017.05.170
  • 査読あり
• [雑誌論文] A quantitative shRNA screen identifies ATP1A1 as a gene that regulates cytotoxicity by aurilide B (2017)
  • 著者名/発表者名: Takase S, Kurokawa R, Arai D, Kanemoto Kanto K, Okino T, Nakao Y, Kushiro T, Yoshida M, Matsumoto K
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 7 ページ: 2002
  • DOI: 10.1038/s41598-017-02016-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chemical and structural biology of protein lysine deacetylases (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshida M, Kudo N, Kosono S, Ito A
  • 雑誌名: Proc. Jpn. Acad. Ser. B Phys. Biol. Sci. 巻: 93 ページ: 297-321
  • DOI: 0.2183/pjab.93.019
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of a trichothecene production inhibitor by chemical array and library screening using trichodiene synthase as a target protein (2017)
  • 著者名/発表者名: Maeda K, Nakajima Y, Motoyama T, Kondoh Y, Kawamura T, Kanamaru K, Ohsato S, Nishiuchi T, Yoshida M, Osada H, Kobayashi T, Kimura M
  • 雑誌名: Pestic. Biochem. Physiol. 巻: 138 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1016/j.pestbp.2017.03.006
  • 査読あり
• [雑誌論文] Live imaging of H3K9 acetylation in plant cells (2017)
  • 著者名/発表者名: Kurita K, Sakamoto T, Yagi N, Sakamoto Y, Ito A, Nishino N, Sako K, Yoshida M, Kimura H, Seki M, Matsunaga S
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 7 ページ: 45894
  • DOI: 10.1038/srep45894
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The copper transport-associated protein Ctr4 can form prion-like epigenetic determinants in Schizosaccharomyces pombe (2017)
  • 著者名/発表者名: Sideri T, Yashiroda Y, Ellis DA, Rodriguez-Lopez M, Yoshida M, Tuite MF, Bahler J
  • 雑誌名: Microb. Cell 巻: 4 ページ: 16-28
  • DOI: 10.15698/mic2017.01.552
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The histone deacetylase inhibitor suberoylanilide hydroxamic acid alleviates salinity stress in Cassava (2017)
  • 著者名/発表者名: Patanun O, Ueda M, Itouga M, Kato Y, Utsumi Y, Matsui A, Tanaka M, Utsumi C, Sakakibara H, Yoshida M, Narangajavana J, Seki M
  • 雑誌名: Front. Plant Sci. 巻: 7 ページ: 2039
  • DOI: 10.3389/fpls.2016.02039
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of fungal denitrification inhibitors by targeting copper nitrite reductase from Fusarium oxysporum (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka M, Kumar A, Muddassar M, Matsuyama A, Yoshida M, Zhang KY
  • 雑誌名: J. Chem. Inf. Model. 巻: 57 ページ: 203-213
  • DOI: 10.1021/acs.jcim.6b00649
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of cytopathic factors through genome-wide analysis of the Zika viral proteins in fission yeast (2017)
  • 著者名/発表者名: Li G, Poulsen M, Fenyvuesvolgyi C, Yashiroda Y, Yoshida M, Simard JM, Gallo RC, Zhao RY
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. U S A 巻: 114 ページ: e376-E385
  • DOI: 10.1073/pnas.1619735114
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Global analysis of pre-mRNA subcellular localization following splicing inhibition by spliceostatin A (2017)
  • 著者名/発表者名: Yoshimoto R, Kaida D, Furuno M, Burroughs AM, Noma S, Suzuki H, Kawamura Y, Hayashizaki Y, Mayeda A, Yoshida M
  • 雑誌名: RNA 巻: 23 ページ: 47-57
  • DOI: 10.1261/rna.058065.116
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dolabellol A, a new halogenated diterpene isolated from the opisthobranch Dolabella auricularia (2017)
  • 著者名/発表者名: Machida K, Matsumoto T, Fusetani N, Nakao Y
  • 雑誌名: Chem. Lett. 巻: 46 ページ: 1676-1678
  • DOI: 10.1246/cl.170756
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cancer cell targeting driven by selective polyamine reactivity with glycine propargyl esters (2017)
  • 著者名/発表者名: Vong K. K. H., Tsubokura K, Nakao Y, Tanei T, Noguchi S, Kitazume S, Taniguchi N, Tanaka K
  • 雑誌名: Chem. Commun. 巻: 53 ページ: 8403-8406
  • DOI: 10.1039/c7cc01934c
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] In vivo gold complex catalysis within live mice (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsubokura K, Vong K. K. H, Pradipta A. R, Ogura A, Urano S, Tahara T, Nozaki S, Onoe H, Nakao Y, Sibgatullina R, Kurbangalieva A, Watanabe Y, Tanaka K
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 56 ページ: 3579-3584
  • DOI: 10.1002/anie.201610273
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 分裂酵母による化学遺伝学：天然物の作用機序研究から自己調節因子まで (2018)
  • 著者名/発表者名: 吉田 稔
  • 学会等名: 第32回バイオテクノロジー懇談会
  • 招待講演
• [学会発表] Continued Efforts to Discover New Drugs using Natural Resources (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuo Shin-ya
  • 学会等名: 日本製薬工業協会、第6回アジア製薬団体連携会議; Asia Partnership Conference of Pharmaceutical Associations (APAC), 創薬連携 (Drug Discovery Alliances；DA)
  • 招待講演
• [学会発表] Metabolic regulation of SIRT2, a novel dual-specificity acylase (2017)
  • 著者名/発表者名: Minoru Yoshida
  • 学会等名: CIFAR Genetic Networks Program Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 宮城県産未同定ホヤから得られた新規環状ペプチドに関する研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 町田光史、勝俣良祐、中尾洋一
  • 学会等名: 第31回海洋生物活性談話会
• [学会発表] 神経分化調節活性を有する海洋天然化合物ageladine A誘導体に関する研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大塚 悟史、中尾 洋一
  • 学会等名: 第31回海洋生物活性談話会
• [学会発表] マウスES細胞から血管内皮細胞への分化誘導促進活性を持つ海洋天然物の探索 (2017)
  • 著者名/発表者名: 神平梨絵、山下潤、中尾洋一
  • 学会等名: 第31回海洋生物活性談話会
• [学会発表] 抗多剤耐性緑膿菌活性を有するピロールイミダゾール系アルカロイドに関する研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 坂本匠、中尾洋一
  • 学会等名: 第31回海洋生物活性談話会
• [学会発表] 奄美大島産海綿からのヒストン修飾制御活性化合物の探索 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中村文彬、菊池恒太、中尾洋一
  • 学会等名: 第31回海洋生物活性談話会
• [学会発表] LC-MSによる海綿二次代謝産物の比較と探索 (2017)
  • 著者名/発表者名: 親泊安基、中尾洋一
  • 学会等名: 第31回海洋生物活性談話会
• [学会発表] Metabolic regulation of SIRT2, a dual-specificity deacylase (2017)
  • 著者名/発表者名: Minoru Yoshida
  • 学会等名: Frontiers in epigenetic chemical biology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Heterologous expression of large biosynthetic gene clusters originated from actinomycetes and Pseudomonas (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuo Shin-ya
  • 学会等名: U.S./Japan Seminar on Natural Product Biosynthesis Enzymology, Structural Biology, Drug Discovery, and Genome Mining
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Discovery and mode of action of splicing inhibitors (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉田 稔
  • 学会等名: 第1回バイオ医薬 EXPO（BIO tech／バイオ医薬 EXPO）
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chemical biology on deacetylation and deacylation by sirtuins (2017)
  • 著者名/発表者名: Minoru Yoshida and Akihiro Ito
  • 学会等名: FASEB Science research conferences Reversible acetylation in health and disease
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cloning and heterologous expression of bacterial secondary metabolites produced in actinomycetes and Pseudomonas hosts (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuo Shin-ya
  • 学会等名: China/Japan Symposium on Natural Product Biosynthesis
  • 招待講演
• [学会発表] Application of advanced technology of natural product chemistry for drug discovery (2017)
  • 著者名/発表者名: Kazuo Shin-ya
  • 学会等名: APAC DAEWG Events at Bio Japan 2017
  • 招待講演
• [学会発表] タンパク質リジン残基の脂質修飾を介した代謝制御機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉田 稔
  • 学会等名: 第3回ミニシンポジウム 機能性バイオ：新たな分野の開拓とその進捗
  • 招待講演
• [学会発表] 代謝と寿命を調節する二重特異性脱アシル化酵素SIRT2のケミカルバイオロジー (2017)
  • 著者名/発表者名: 吉田 稔
  • 学会等名: 2017年度生命科学系学会合同年次大会（第40回日本分子生物学会年会 第90回日本生化学会大会）
  • 招待講演
• [学会発表] 巨大生合成遺伝子クラスターを応用した異種発現システムの開発 (2017)
  • 著者名/発表者名: 新家 一男
  • 学会等名: 「生合成リデザイン」第３回公開シンポジウム
  • 招待講演
• [備考] 早稲田大学 先進理工学部 化学・生命化学科 中尾研究室（ケミカルバイオロジー研究室）
  • URL: http://www.chem.waseda.ac.jp/nakao/
• [備考] 理化学研究所 吉田化学遺伝学研究室
  • URL: http://www.riken.jp/SPD/ChemicalGeneticsLab/subpageMember.html