Newsletter for Chem-Bio Informatics Society Members
情報計算化学生物学会
No.2

広報誌

2006 （2006 年 12 月 15 日発行）

研究講演会レポート

G P C R は、キナーゼと並ぶ代表的な創薬標的タンパク質であるが、結晶構造解析が困難なこともあり、創薬に結びつけるためにはより多角的なアプローチが望まれている。さらにオーファン GPCR の存在や GPCR 二量体形成の持つ構造・機能の多様性など標的タンパク質としてもまだミステリアスな部分を残しており、新しい創薬の切り口になるものと期待されている。このような背景の中、本研究講演会では、G P C R ‑ 化合物、GPCR‑GPCR など「相互作用」をキーワードに分子モデリング、立体構造情報、配列解析、ケモインフォマティクス等を利用したアプローチでご活躍の先生方にご講演をお願いした。いずれも
G P C R 創薬を支援、加速する内容であると確信している。多くの方々の御参加と活発な議論を期待する。
世話人：広川貴次（産総研 C B R C ）、渡辺美砂子（エーザイ株式会社）

今回は本講演会のレポーター役として、東京農工大学大学院工学府生命工学専攻 中村智子
氏にお願いした。

石黒正路氏

典型的な GPCR であるロドプシンのＸ線結晶解析により、7 つの膜貫通ヘリックスの形状が明らかになった。石黒正路氏は、このロドプシンの立体構造と構造変化についてのモデルを作成し、活性化型の GPCR 構造を推測、リガンドと GPCR とプログラム
１．「G P C R の機能的リガンド認識構造」
石黒正路（新潟薬科大・応用生命科学部）
２． 「リガンド認識仮説に基づく G P C R の立体構造を用いたバーチャルスクリーニング」
古谷利夫（株式会社ファルマデザイン）
３． 「創薬標的としての G P C R s オリゴマー化と、そのインターフェイス予測」
根本 航（奈良先端科学技術大学院大学 情報科学研究科）
４．「ケミカルゲノム情報に基づく G P C R 創薬」
奥野恭史（京都大学大学院薬学研究科 統合薬学フロンティア教育センター）
５．「GPCR 創薬;情報から制御へ」
藤井信孝（京都大学大学院薬学研究科 創薬科学専攻 薬品有機製造学分野）

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の相互作用機序について研究をされている。本講演ではロドプシンが活性化型に至るまでの機構を中心にその概要が紹介された。
ロドプシンは、初期中間体であるバソプレシンを介し、さらに光活性型中間体のルミロドプ
シンを経て活性型のメタロドプシンⅡへ至る。
ルミロドプシンからメタロドプシン
Ⅱに至る経路には、メタロドプシンⅠ 380 を経る系とメタロドプシンⅠ、メタロドプシンⅠ b を経る系の二つあることがわかっている。
ロドプシンがバソロドプシンに変化する際、構成タンパク質のオプシンに共有結合している
1 1 ‑ シスレチナールが 1 1 ‑ トランスへ異性化する。このとき異性化した二重結合に約 3 0 °のねじれが生じる。これを解消するべく、7 つの膜貫通セグメント（Transmembrane segment , TM3〜 7）のうち TM3 および TM4 が構造変化を起こし外向きに動く現象がルミロドプシンへの変遷の過程で起こる。ルミロドプシンからメタロドプシンⅡへ至る過程では、G タンパク質との結合のため、さらなる TM3、TM4 の運動が続く。特にメタロドプシンⅠ 380 を経る系では、TM3 上のよく保存された 3 残基、Glu134、Arg135、Tyr136 が特徴的な動きをする。TM3 の挙動に伴い、Glu134が極性条件下から無極性環境下へ移りプロトン化される。これにより Glu134 と Arg135 間の水素結合が解消され、Arg135 は、今度は TM6 上のGlu247 と水素結合を形成する。この結果、TM6 がTM3 に近づくように回転し、G タンパク質と相互作用ができるようになる。この状態が活性化型のメタロドプシンⅡであり、 Tyr136 はこの形状を安定化する役割を果たすと考えられる。
また石黒氏は multiple two‑state model の概念についても紹介された。G P C R には、インバースアゴニスト結合型、パーシャルアゴニスト結合型、アンタゴニスト結合型、アゴニスト結合型の４つの状態がある。ロドプシンに当てはめれば、メタロドプシンⅠがインバースアゴニスト結合型、メタロドプシンⅠ b がアンタゴニスト結合型、メタロドプシンⅠ b 3 8 0 がパーシャルアゴニスト結合型、そしてメタロドプシンⅡがアゴニスト結合型とみなすことができる。各結合型において活性・不活性どちらに平衡が傾くかは結合型によって異なるが、インバースアゴニスト結合型に限っては G タンパク質が結合しておらず、G P C R は常に不活性であり、活性・不活性の平衡反応はない。また、結合型間の遷移もまた平衡反応であり、アンタゴニスト結合型−パー2シャルアゴニスト結合型間、アンタゴニスト結合型−アゴニスト結合型間、アンタゴニスト結合型−インバースアゴニスト結合型間で、平衡反応を解した GPCR 状態の変換が起こるとされている。特にアンタゴニスト結合型からインバースアゴニスト結合型へ遷移する際には G タンパク質の解離が起こる。
今後、リガンドと GPCR の結合機序解析がさらに進められ、未知の GPCR の機能・構造推測、延いてはより効率的な創薬デザインに応用されることが期待される。

古谷利夫氏
G P C R は魅力的な創薬ターゲットであるにも関わらず、その立体構造情報が乏しいため、合理的な薬物設計がままならない現状である。そこで古谷利夫氏は、先の石黒正路氏のリガンド認識仮説に基づく GPCR 立体構造モデルをベースにした、GPCR‑ フォーカストライブラリの構築を行っている。
データベース上にある約 1 0 0 万の化合物からドラッグライクな化合物約 3 0 万個にまで絞り込んでおく。アンタゴニストの創薬デザインにはアンタゴニスト結合型構造モデルを、アゴニストにはアゴニスト結合型構造モデルを作成し、ドッキングスコアと相互作用の条件を基に専門家の目視によるバーチャルスクリーニングを行い、最終的に約 1000 個まで絞り込む。複数の GPCRについて、この方法を適用したところ、概ね 1 0％のヒット率（1 0 μ M 以下の結合活性）が得られ、このライブラリの有用性が実証された。さらに古谷氏は、数ある GPCR の中でも近年特に注目を集めるケモカイン受容体についてもライブラリを設計されている。こちらもヒット率が 1 3 . 3％と良好な結果が得られているという。
古谷氏が構築されたフォーカストライブラリ
は、リガンド情報のみに依存する従来の化合物

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ライブラリとは異なり、化合物の多様性があるため、新規骨格を持つ化合物を多く含有している。効率がよく、ヒット率の高いこのライブラリは GPCR 創薬に大きく貢献するものと期待される。

根本航氏
近年、ホモもしくはヘテロのオリゴマーを形成する GPCR の存在が明らかになっている。オリゴマーの形成が細胞内シグナル伝達や疾病に関与するとの報告もあり、アゴニスト・アンタゴニ
スト設計だけでなく、G P C R 同士の相互作用制御も重要視されている。こうした背景を受けて、オリゴマー化のためのインターフェイス領域の予測法の開発が進められている。本講演では、講演者である根本航氏らが開発した、G P C R 内の保存残基の分布を利用したインターフェイス予測法が紹介された。
先行のインターフェイス予測法として、進化トレース法(evolutionary trace , ET)が知られているが、この方法は、インターフェイスは進化の過程で変化しないという前提に基づいており、サブタイプごとの差異を考慮しないため、予測結果と実際の実験データが一致しないという事例が発生する。これに対応すべく、根本氏らの開発した手法では、進化的情報に加えて、これまでに予測されてきた GPCR の立体構造情報を利用する。とはいえ現在利用可能な構造情報が、classA、B、C に分けられる GPCR のうち classAに属するロドプシンに限られているため、この手法は classA GPCR に特化している。
まず、インターフェイスを予測したい class A
G P C R ファミリーの配列についてマルチプルアラインメントを作成し、分子系統樹のクラスタリングを行ってターゲットとするサブタイプを特定する。このサブタイプに対して、ロドプシンの配列情報を考慮しながら再度アラインメントを行い、各サイトの保存度を算出しておく。続く三CBI NEWS No.2

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次元座標データ解析のために、1) GPCR は模式的に見て、ひずんだ筒型の構造をしている、2) イ
ンターフェイスは筒型構造の表面に位置している、3) 他の表面領域と比較して、インターフェイスには保存残基が多く存在している、の以上 3つを仮定しておく。この前提に基づいて、立体構造上で、保存残基が多く見出される領域をインターフェイスとして探索する。具体的には、ロドプシンの C αの座標について主成分分析を行う。
細胞膜に垂直で、且つ GPCR の筒型構造の中心をはしる軸を第一主成分軸として想定し、第二・第三主成分軸で規定される平面に G P C R の残基の Cαを射影する。すると候補残基が平面上にひずんだリング状のプロットを形成する。形成された各プロットに、算出しておいた保存度を割り当てる。このリング状のプロットの中心に扇形の領域をとり、扇形領域の位置、扇形領域の角度、保存残基の閾値を変化させて全探索を行い、インターフェイスの候補領域を特定する。
複合状態での構造がわかってきているロドプ
シン、実験的にインターフェイスの予測が行われているβ 2 アドレナリン受容体や D 2 ドーパミン受容体などにこの手法を応用したところ、根本氏らの方法は非常に高い精度でインターフェイスを予測できることが示された。
ただしこの方法は、G P C R のオリゴマー形成が膜貫通ヘリックス表面での相互作用に起因するものと仮定しており、他の機構（膜貫通ヘリックスのドメインスワッピングなど）が関与する可能性を考慮していないという留意点はあるが、それでもなお有効なツールと考えられ、G P C R の相互作用制御の研究へ結びつくことだろう。

膨大なゲノム情報の蓄積により、GPCR 研究におけるデータベースとバイオインフォマティクスの利用が必然となっている。しかし、G P C R が創薬の大きな焦点と 奥野恭史氏なっているにもかかわらず、GPCR自身の生化学的情報とリガンドの化学的情報の相互リンクが十分に機能しているとは言えない。
こうした背景から、ケミカルゲノミクスと呼ばれる、生物学的情報と化学的情報をゲノムスケールで統合させようという新規の情報科学が注目されるようになった。しかし、G P C R とリガ

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ンドの情報はケミカルゲノミクスを応用できる 率のスクリーニングアッセイを期待できる。奥ほど十分ではない。そこで奥野恭史氏は新規の 野氏が開発された G L I D A をはじめとするケミカリレイショナルデータベース、G L I D A ( G P C R ‑ ルゲノミクス手法が、創薬研究の加速に貢献すLIgand DAtabase)の開発を進めている。本講演 るものと考えられる。
ではその概要が紹介された。
G L I D A は、G P C R に関する生物学的情報、リガンドの化学的情報、G P C R とリガンドの特異的な結合の組み合わせ、以上３種類の情報が組み込まれている。ユーザーは、G P C R からでもリガンドからでも検索することが可能であり、アゴニスト、インバースアゴニスト、アンタゴニスト、それぞれに対応するリガンド（もしくは GPCR）候補を調べることができる。また GLIDA は、構造類似性の探索機能も有しており、1 つの検索対象に藤井信孝氏
対して G P C R の場合は 25 、リガンドならば 4 0 の類似体が選出される。例えば G P C R 側からアプ
近年のゲノミクスとプロテオミクスの進歩にローチした場合、検索対象を含めた 2 5 の構造類 より、リガンドやその受容体からもたらされる似体がリストアップされ、同時にそれに対応す 情報は爆発的に増加し、新規の薬理活性物質発る 2 5 個のリガンド物質も表示される。これをそ 見の可能性を高めている。しかし同時に、期待しれぞれクラスタリングし、G P C R 類似体のクラス たほどの成果をゲノムサイエンスからもたらさタリング結果を x 軸に、リガンド結果を y 軸にと れていないこともまた事実であり、現行の創薬り二次元マップを描出する。これにより、G P C R 研究手法の効率化および革新が必要とされていとリガンドの相互作用機構および GPCR 標的薬剤 る。藤井信孝氏はこの創薬基盤の革新という命候補の推定が容易になる。G L I D A の使用により、 題に基づいて、高分子ペプチド･ タンパク質の低オーファン GPCR の新規リガンドの予測が可能と 分子化を試験されている。本講演ではその一例なるかもしれない。G P C R 関連創薬に、ケミカル として、HIV 感染、癌、リウマチ等各種炎症性疾ゲノムからのアプローチとして活用されること 患に対する病態生理と関連が深く、血球再生やが期待される。
生体防御の生理的恒常性維持にもきわめて重要
またケミカルゲノミクスの確立の一環として、 なケモカイン受容体、CXCR4 のアンタゴニスト開SVM(Support Vector Machine)が応用されてい 発研究を紹介された。
ることを紹介された。化学物質情報、タンパク質CXCR4 は、HIV‑1 の T 細胞への感染の際の第二情報両者をベクトルで座標化し、これをトレー 受容体として同定され、数種類の C X C R 4 アンタ
ニングデータとして SVM に与え学習させる。学習 ゴニストが H I V 感染阻害剤として開発されていした SVM は、リガンドと GPCR が相互作用するか る。藤井氏らは、カブトガニの血中に存在し、抗どうか有効な判断を行えるようになる。さらに 菌抗ウイルス活性を示すタキプレッシンとポリこれに主成分分析（PCA）を組み合わせれば、新 フェムシンを基盤構造とした 1 8 アミノ酸残基長規のリガンド特定にも応用できると見込まれる。 の T22 ペプチドを開発し、T22 が CXCR4 を介した
G P C R 研究に関わらず、化学と生物学の融合は HIV‑1 の T 細胞への感染を阻止することを実証し創薬研究における１つの大きな焦点である。化 ている。さらに藤井氏らは、T22 の構造を基にし学的スペース( c h e m i c a l s p a c e ) と生物学的ス た低分子化、アミノ酸置換を行い、1 4 残基長のペース(biological space)の概念が定義され、 T140 ペプチドの開発に成功している。この T140
両者間の関連付けが進められている。生物学的 は T22 よりも強い CXCR4 阻害能および抗 HIV‑1 感スペース上の一点を、化学的スペースに対して 染能を有することが実証されている。また近年投射すると、化学的スペース上のあるまとまっ CXCR4 は HIV‑1 感染のほかにもガン細胞の転移にた区域とリンクする。逆方向の投射もまた同じ も 関 与 し て い る こ と が 明 ら か と な っ て い る 。
である。投影された区域は、統計学的に理学的か C X C R 4 の 元 来 の リ ガ ン ド で あ る ケ モ カ イ ンつ化学的特性が狭められており、従来の網羅的 C X C L 1 2 が、ガン転移の標的になりやすい組織なハイスループットスクリーニングに比べ高効 （肺、リンパ節、肝臓、骨髄）から分泌されてお4CBI NEWS No.2

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り、ガン細胞はそれら標的組織に対して走化性を示すことが知られている。CXCR4 の発現を強化すると転移現象が増大するという報告もされている。ガン転移には他の因子も寄与しているが、CXCR4 の阻害はガン転移抑制のひとつの有効な手段と考えられており、実際に藤井氏らの開発した T22、T140 にはガン転移抑制作用があった。
また CXCR4 が仲介する化学走性反応を、CXCR4アンタゴニストとは別のアプローチで抑制しようという検討がなされている。その一例として、
藤井氏は G P R 5 4 アゴニストの有用性を紹介された。GPR54 は GPCR ファミリーに属する受容体で、メタスチン（kisspeptin‑54）をリガンドとして認識する。メタスチンは、CXCL12 に対する CXCR4発現ガン細胞の走化性を妨げ、さらに CXCL12 に誘引されるシグナル伝達を阻害する。つまりGPR54 シグナル伝達系の活性化により、ガン転移における C X C R 4 の機能を調節できる可能性があり、藤井氏らは、T22、T140 のような直接的な阻害剤に加え、GPR54 アゴニストの研究を進めているとのことであった。
最後に藤井氏は、創薬研究の革新を図るためには、創薬情報を医薬品リード創出に効率リンクさせることが必要であり、物理化学・有機化学・生化学・情報科学の融合的昇華、延いてはChem‑Bio Informatics の今後の発展を期待したい、との見解も述べた。

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CBI NEWS No.220065膨大な数の有機化合物がこれまでに合成されたり、天然から得られている。一方、これらの化合物に関しては潜在的に膨大な情報があるはずであるが、多くの情報は埋もれてしまっている。創薬分野では勿論、広く有機材料開発という立場で考えても、これらの化合物そしてそれに付随する情報を活用することは極めて重要である。創薬分野での大きな関心事は、どのような化合物が入手可能なのか、膨大な化合物から特定の目的に適う化合物をどうやって絞り込むか、そして化合物に付随する情報をどのように網羅的かつ効率的に求めるか、などである。これらの問題は重要であるが、系統的に議論されることが少ない。そこで今回は、創薬に必須の「大規模化合物データの活用」を巡る幾つかのトピックスについて議論したい。
２００７年２月８日（木）１３：００−１８：００
日本化学会化学会館 7 F ホール
東京都千代田区神田駿河台 1 ‑ 5 ( J R お茶の水駅下車、徒歩４分)
平山令明（東海大学 医学部）、岡部隆義（万有製薬株式会社）

１． 13:00‑13:10

世話人の挨拶

２． 13:10‑13:50「医薬品候補、3 4 5 万種収録のデータベースの開発・活用法と公開」
福西快文（産業技術総合研究所 生物情報解析研究センター）

３． 13:50‑14:30「創薬のための大量化合物の物性推算」
池田博隆（株式会社菱化システム）

４． 14:30‑15:10「医薬分子探索活用できる化合物群」
Barry Johnson（Sigma Aldrich）

５． 15:40‑16:20「様々な視点から集められた医薬関連化合物の空間群」
羽島宏史（Elsevier MDL）

６． 16:20‑17:00「大学化合物プロジェクトの進捗と今後の展望」
奥山 彬（財団法人科学技術教育協会）

７． 17:00‑17:40「化合物探索研究における作用機序予測について」David Aragones（Prous Institute for Biomedical Research）

８．17:40‑18:00

コメントおよび議論

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ビジター（一般企業）：￥10,000
出席を希望される方は事前に必ず事務局セミナー受付 seminar@cbi.or.jp に連絡してください。
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FAX：03‑5491‑5462
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