2020 Fiscal Year Annual Research Report
ストレス応答生合成と化学修飾を融合した多様性天然物による難治性疾患治療薬の開発
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19H03701
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
児玉 栄一 東北大学, 災害科学国際研究所, 教授 (50271151)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
林 宏典 東北大学, 災害科学国際研究所, 助教 (00752916)
浅井 禎吾 東北大学, 薬学研究科, 教授 (60572310)
菊地 晴久 東北大学, 薬学研究科, 准教授 (90302166)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ウイルス / 薬学 / 感染症 / 天然物 / 化学合成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
全く新しい骨格を持つ化合物ライブラリーと革新的スクリーニング法を開発、それらを駆使し既存薬と一線を画す新たな作用機序を有するヒット化合物の網羅的探索を目的とした。本年度は、(1) 新型コロナウイルス (SARS-CoV-2) やRSウイルス (RSV) に対する薬剤評価系を確立、(2) 天然では珍しいホスホエタノールアミン含有型の新規マクロライド、ビアリールエーテル・ビアリールアミン構造を持つ新規化合物32種の取得に成功、(3) 既存の抗菌薬とは全く異なる薬剤標的としてセリンヒドロキシメチルトランスフェラーゼ (SHMT) を同定した。各実績の概要を以下に示す。
(1) 薬剤評価系の確立： SARS-CoV-2のワクチンは実用化されたが、未だ治療薬は存在しない。RSVは、SARS-CoV-2と同様に肺炎の原因となるが、効果的なワクチンも治療薬も存在しない。SARS-CoV-2とVeroE6/TMPRSS2細胞、RSVとHep2細胞の組み合わせを用いて生細胞数の比色評価法 (MTT法) により化合物の抗ウイルス活性測定系を構築した。
(2) 新規化合物群の取得： ホスホエタノールアミン含有型のマクロライドに関しては、ゲノムマイニングにより見出した非リボソーム型ペプチド合成酵素を含む生合成遺伝子クラスターを麹菌に移植することで生合成した。ビアリールエーテル・ビアリールアミン構造を持つ化合物は、薬用植物の抽出物に対して直接Buchward-Hartwigカップリングを行うことにより合成した。
(3) 新規抗菌薬標的の同定： ヒトのSHMT阻害剤として開発された化合物、SHIN-1がE. faeciumに対し強力な抗菌活性を発揮することを見出し、結晶構造解析を用いてSHIN-1とSHMTの結合様式を解明した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
全く新しい骨格を持つ化合物ライブラリーと革新的スクリーニング法を開発、それらを駆使し既存薬と一線を画す新たな作用機序を有するヒット化合物の網羅的探索を目的とし研究を展開した (Nat. Commun. 2020, doi:10.1038/s41467-020-15664-4)。新しい骨格を持つ化合物群として、天然では珍しいホスホエタノールアミン含有型の新規マクロライド化合物の生合成とビアリールエーテル・ビアリールアミン構造を持つ新規化合物32種の取得に成功しており、化合物ライブラリーの構築は当初の予定通り進展している。さらに、本年度の成果としてSARS-CoV-2およびRSV治療薬スクリーニング系を新たに確立し、我々のグループでは10種類以上の感染性微生物に対する治療薬探索が可能となった。すなわち、新規化合物ライブラリー開発研究と連動して相乗的に研究を発展させる体制が整った。また、SARS-CoV-2に対する対応として、国立国際医療研究センターと協力して、SARS-CoV-2由来プロテアーゼと新規化合物の構造解析を実施、より強力な活性を発揮する新薬の設計に資する結果を得た (Nat. Commun. 2021, doi: 10.1038/s41467-021-20900-6)。抗菌薬開発の分野では、腸球菌を用いて細菌の1炭素代謝経路 (one carbon metabolism) に関与する酵素であるSHMTを阻害する化合物、SHIN-1の同定に成功した。SHMTを阻害する抗菌薬はこれまで開発されておらず、新たな作用機序を持つ抗菌薬開発に重要である。本年度は、化合物ライブラリーとスクリーニング系の構築だけでなく、新規作用機序を持つ薬剤同定と、新規SARS-CoV-2薬開発へとつながる成果を挙げており、計画以上の研究進度である。
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| Strategy for Future Research Activity |
独自に開発した人工天然化合物ライブラリーと薬剤アッセイ系を駆使し、SARS-CoV-2やRSVを中心に薬剤耐性菌を含むハイリスク新興再興感染症に対する治療薬の同定を進める。分担研究者と協力して以下の3テーマについて検討する。 (1) 新規天然物の創製： 独自に収集したゲノム情報ライブラリーとゲノムマイニングを駆使して糸状菌内に存在する未開拓生合成遺伝子を探索する。同定した未開拓遺伝子群を異種発現のモデルホストである麹菌に組み込み、新たな人工天然化合物の創製を試みる。さまざまなストレス環境下におかれた微生物、薬用植物からの抽出物を直接的に化学修飾し、新たな化合物群の取得を試みる。(2) 新規治療薬の同定: これまでに開発したHIV-1、ヘルペスウイルス、アデノウイルス、B型肝炎ウイルス、EBウイルス、サイトメガロウイルス、麻疹ウイルス、SARS-CoV-2、RSVや薬剤耐性菌などに対する化合物スクリーニング系を用いて抗ウイルス活性または抗菌活性を発揮する新規薬剤の同定を行う。また、SARS-CoV-2は活性評価に使用する細胞株の違いによって化合物の抗ウイルス活性が変化するため、令和2年度に構築したVeroE6/TMPRSS2細胞以外の細胞株を使用した実験系を確立する。腸球菌を用いたSHMT阻害薬のスクリーニングを実施する。(3) 作用機序解析: 同定した化合物の作用機序を解明する。薬剤耐性誘導と全ゲノム配列解析を用いた標的タンパクの同定やtime of addition法を用いた化合物の作用点の特定を行う。同定した化合物の誘導体を作成し構造活性相関を解析する。最も高い活性を発揮した化合物と標的タンパクからなる複合体の結晶構造解析を行い、タンパクと化合物の相互作用様式を特定し、より高い活性を発揮する化合物の設計へと還元する。
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