Oct. 2018

〈総THE JAPANESE JOURNAL OF ANTIBIOTICS

71―5181（ 1 ）説〉

新しい抗生物質の開発を志向した天然物創薬ケミカルバイオロジー
掛谷秀昭
京都大学大学院薬学研究科

医薬創成情報科学専攻

システムケモセラピー（制御分子学）分野（2018 年 7 月 30 日受付）
筆者は，2006 年度（平成 18 年度）「微生物が生産する新規生理活性物質の開拓とケミカルバイオロジー研究」で「住木・梅澤記念賞」を受賞した。本年（2018 年）で，12 年の歳月が流れようとしている。
12 といえば，干支，月，時間など多くのものの区切りの数でもある。この度，本総説に執筆機会を頂戴したのも大切な縁である。そこで本稿では，受賞後の研究の中から著者らが発見した新規抗生物質（抗細菌薬，抗真菌薬）を抜粋して紹介するとともに，本稿にも関連の深い新学術領域研究（研究領域提案型）「化学コミュニケーションのフロンティア（2017–2021）」について紹介する。

はじめに疾患など）を標的としたアカデミア発のオリジナ
ル創薬に向けて，3 つの研究グループ体制（天然近年，国内外において抗菌剤に対する耐性菌の物化学研究グループ，ケミカルバイオロジー研究

出現と蔓延が問題となりつつあり，新規抗生物質グループ，メディシナルケミストリー研究グルーの開発の遅れが極めて深刻な問題としてとらえらプ）で教育・研究を展開している 4）。すなわち，れている 1,2）。2015 年 4 月に WHO（世界保健機関） “ 切れ味の鋭い生物活性物質（新薬）は新しいサにより発表された「Antimicrobial resistance: global

イエンスを切り拓く ” の理念のもと，主に下記のreport on surveillance 2014」においてもメチシリ

4 つの研究課題を中心に先導的ケミカルバイオロ

ン耐性黄色ブドウ球菌（MRSA; methicillin-resistant

ジー研究を世界へ発信している。

Staphylococcus aureus）やバンコマイシン耐性腸1）創薬リード化合物の開拓を指向した新規生物球菌（VRE; vancomycin-resistant Enterococcus）を活性物質の天然物化学（天然物薬学）およびメはじめとした各種耐性菌の増加に対する強い警告

ディシナルケミストリー研究が記されており，世界的に新しい抗生物質の開発推進は喫緊の課題である 。

2）多因子疾患に対する次世代化学療法の開発を3）指向した先導的ケミカルバイオロジー研究

このような背景の中，当研究室では，多因子疾3）有用物質生産・創製のための遺伝子工学的研究

患（がん，感染症，心疾患，神経変性疾患，免疫4）ケモインフォマティクス，バイオインフォマ

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ティクスを活用したシステムケモセラピー研究

抑制活性を指標に活性物質を単離精製した結果，本稿では，受賞後の研究の中から著者らが発見

新規化学構造を有する Tumescenamide C（1）を見した新しい抗生物質（抗細菌薬，抗真菌薬）を中出した（図 1A）5）。Tumescenamide C は，各種ス

心にした天然物創薬ケミカルバイオロジーについペクトル（NMR, MS, UV など）の詳細な解析にて概説する。

より， D-Leu, D-Val, L-Thr, D-Tyr, 2-amino-2-butenoic acid（Abu）および 2,4-dimethylheptanoic

放線菌 Streptomyces sp. KUSC_F05 が生産する新規抗菌剤 tumescenamide Cacid（Dmh）から構成されていることを明らかにした。通常アミノ酸の立体配置は改良 Marfey 法により決定し，Abu に含まれる二重結合の立体化

放 線 菌 Streptomyces sp. KUSC_F05 は，複 数 の学は NOEs より Z 配置であると決定した。さらに，表現型スクリーニング結果から，多様な二次代謝

Dmh の立体配置については，1 の酸加水分解によ産物の生産能を有していること，さらには特定のり得られた 2 の 2 位を PGME（phenylglycine methyl

Streptomyces 属に対して増殖抑制を示すことが示ester）法により S 配置と決定し，続いて 2 種類の唆された。そこで，Streptomyces 属に対する増殖ジアステレオマー（2a&2b）を不斉合成して，天図 1. Tumescenamide C（1）および関連化合物（2, 2a & 2b）の化学構造

表 1. Tumescenamide C（1）の抗菌活性Oct. 2018

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71―5183（ 3 ）然由来の 2 と 1H NMR スペクトルを比較すること

coelicolor に対しては顕著な生育阻害活性を示し，で 4 位の立体配置を決定した（図 1B）。

Streptomyces 属の増殖シグナルを制御している可Tumescenamide C（1）は，グラム陽性菌である能性が示唆された（表 1）。現在，tumescenamide

Staphylococcus aureus や Bacillus subtilis，グ ラ ムC（1）の安定供給や構造活性相関研究のために全陰 性 菌 で あ る Escherichia coli や Pseudomonas

合成研究を行っている。

aeruginosa の生育には全く影響を与えなかった。
しかし，大変興味深いことに，tumescenamide C（1）は，グラム陽性菌である Streptomyces 属の放線 菌 で あ る Streptomyces lividans や Streptomyces
図 2. Chlorocatechelins A（3）および B（4）の化学構造

図 3. Chlorocatechelin A（3）の全合成の概要

184（ 4 ）THE JAPANESE JOURNAL OF ANTIBIOTICS

放線菌 Streptomyces sp. ML93-86F2 株が生産する新規シデロフォア
chlorocatechelin 類

71―5Oct. 2018（III）と非常に親和性が高く水溶性の錯体を形成す（III）-シデロフォア錯ることができ，形成した Fe（III）を還元し体を能動的に取り込み，錯体中の Feて取り出すことで微生物や植物は必要な鉄を獲得

微生物や植物はシデロフォアと呼ばれる低分子する。一方，Streptomyces pilosus など様々な微生化合物を分泌あるいは利用することで，自身の生物の産生するシデロフォアである desferrioxamine存戦略を企てている 。このシデロフォアは Fe

B（DFB）は，生化学分野などで鉄のキレート剤と6）

表 2. Chlorocatechelins A（3）および B（4）の抗菌活性Oct. 2018

THE JAPANESE JOURNAL OF ANTIBIOTICS

71―5185（ 5 ）して広く用いられているだけでなく，慢性鉄過剰は 3 : 1 の比率で Fe（III）と錯体を形成することが明症の治療薬として用いられている 。

らかになり，さらに，サイクリックボルタンメト

7）

そこで我々は，抗菌活性および Chrome Azurol S（III）-シデロフォア錯体の還元電位リーを用いた Fe

アッセイを指標に，微生物抽出液ライブラリーから（III）との親和性は，4 やの測定結果より，3 の Fe新規シデロフォアの探索研究を行った。その結果， DFB よりも大きいことも明らかになった 8,9）。なお，
放線菌 Streptomyces 属 ML93-86F2 株が生産する， 我々はすでに chlorocatechelin A（3）の安定供給の天然物としては非常に稀なアシルグアニジン構造ために，o-vanilin（7）と 1-benzyl D-glutamate（9）を有する chlorocatechelins A（3）および B（4）をからそれぞれ化合物 8 および 10 を合成し，両者の見出した（図 2） 。Chlorocatechelin A（3）は，分縮合，脱保護を行うことで 3 の全合成を達成してい子 内 に 一 つ の arginine，一 つ の N-δ-hydroxy-N-δ-る（図 3）9）。

8）

formyl ornithine（hfOrn），および二つの 4-chloro-

次に，DFB 感受性の細菌群に対する抗菌活性を2,3-dihydroxybenzoic acids（CDB）を有する。構成検討した結果，vancomycin は高い濃度でも魚類

アミノ酸の立体配置は改良 Marfey 法によりいずれ感染菌である Pasteurella piscicida や牛肺炎原因も D 体と決定し，各種スペクトル（NMR, MS, UV菌である Mannheimia haemolytica に対して増殖阻など）の詳細な解析により全化学構造を決定した。 害活性を示さなかった。一方，chlorocatechelins A
一 方， chlorocatechelin B （4）は， CDB, ornitine， （3）および B（4）は両菌に対して増殖阻害活性をおよび hfOrn を各一つ有し，構成アミノ酸はいずれ示し，特に 3 は 4 よりも強い活性を有していた（表も D 体であった。Chrolocatechelin 類はこれまでに天2A）9）。また，同じアッセイ条件で DFB 非感受性然物での報告例のない CDB を有していた。シデロ菌である Staphylococcus aureus に対する抗菌活性

フォアは鉄の欠乏した環境で鉄を獲得するためにを試験すると，vancomycin が非常に低い濃度で産生される化合物であるため，鉄の豊富な環境で阻害活性を示したのに対して，chlorocatechelins

は 産 生 さ れ な い。そ こ で，鉄（FeCl3 あ る い はA（3）および B（4）は高い濃度域においてのみFeSO4）を加えた条件で Streptomyces 属 ML93-86F2（III）親和性の高い阻害活性を示した（表 2B）。Fe株を培養した結果，chlorocatechelin 類は生産されchlorocatechelin A （3） が chlorocatechelin B （4）ず，本化合物生産菌にとってもシデロフォアとしてよりも高い活性を示したことと，3 と 4 が DFO 感

機 能 し て い る こ と が 強 く 示 唆 さ れ た。一 方， 受性の菌株に対してのみ増殖阻害活性を示したこ

chlorocatechelin A（3）は 1 : 1, chlorocatechelin B（4） とから，これらの活性は DFB と同様に微生物が図 4. 全合成による mirubactin の構造訂正186（ 6 ）THE JAPANESE JOURNAL OF ANTIBIOTICS

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図 5. Saccharotriolides A（11）–F（16）の化学構造利用可能な鉄を制限することによる効果であることが強く示唆された。
ところで，Marahiel らは放線菌 Actinosynnema

mirum が生産するシデロフォア mirubactin を報告

希少放線菌 Saccharothrix sp. A1506 株が生産する新規抗真菌抗がん剤
saccharothriolide 類

していた 10）が，我々は mirubactin の各種スペクト

新規生物活性物質のケミカルスペース拡充戦略

ルの帰属およびシデロフォアとしての化学構造において，希少放線菌の利用は極めて有効であ（5）に疑問を感じた。そこで，mirubactin の真のる。我々は，ヒトがん細胞および分裂酵母を用い構造は dechloro-chlorocatechelin A（6）であるとた表現型スクリーニングを行うことで，希少放線推測し，chlorocatechelin A（3）の全合成経路に菌 Saccharothrix sp. A1506 株が生産する新規抗真倣って，6 の全合成を達した。得られた 6 の H-NMR

菌抗がん剤saccharothriolides A（11）–F（16）を見スペクトルおよび C-NMR スペクトルは文献値出した（図 5）12,13）。

113と良い一致を示した結果，mirubactin の真の構造

Saccharothrix 属 放 線 菌 は， rebeccamycin,は dechloro-chlorocatechelin A（6）であると結論

sacchathridine A, tianchimycin A を は じ め と し て付けた（図 4）11）。さらに mirubactin は，1 : 1 の比

化学構造的にも生物活性的にも多様性に富んだ化（III）と錯体を形成した。また，mirubactin
率で Fe合 物 群 を 産 生 し て い る が， saccharothriolides Aの Fe（III）との親和性は，chlorocatechelin A（3） （11）–E（15）は分子内のすべての sp3 炭素が不斉よりも低いことを明らかにし，3 の分子内の Cl 基炭素である 10 員環ラクトンを基本骨格としていの重要性が示唆された。

るのが特徴的である。Saccharothliolide F（16）は，saccharothriolides A（11）および D（14）の C-2 位における脱メチル体であった。これら saccharo-thriolide 類の化学構造は，各種スペクトル（NMR,

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THE JAPANESE JOURNAL OF ANTIBIOTICSMS, UV など）の詳細な解析や ECD スペクトルの71―5187（ 7 ）明できたことで，より効率的に，さまざまな求核TD-DFT 法 な ど に よ り 決 定 し た。さ ら に， 試薬と反応させ簡便に saccharothriolide 類の類縁saccharothriolides B （12）と E （15）， A （11）と化 合 物 を 合 成 可 能 な precursor-directed in situ

D（14）はそれぞれジアステレオマーの関係にあsynthesis（PDSS）法の開発に成功した 15）。PDSSるなど，同一生産菌におけるこれら類縁化合物の法の利点は，反応性に富んだ不安定中間体の単離生産の意義および生合成経路に興味がもたれた。 精製や生合成酵素の同定・精製が不要であること
さらに我々は，saccharothriolides A（11）–C（13） や任意の求核試薬を利用可能であることなどであの生合成経路を図 6 に示した通り推定しており， る。これまでに Saccharothrix sp. A1506 の培養抽
ごく最近，中間体 presaccharothriolide X の単離・同定に成功した。

出 物 に 対 し て，求 核 試 薬 と し て o-anisidine,3-methoxyaniline, 3-aminophenol を 用 い た PDSS

14）

中間体 presaccharothriolide X（22）の存在を証法により，saccharothriolides G（17）–K（21）の設–C（13）の推定生合成機構
図 6. Saccharothriolides A（11）図 7. PDSS 法による saccharothriolides G（17）–K（21）の設計・創製

188（ 8 ）THE JAPANESE JOURNAL OF ANTIBIOTICS計・創製に成功している（図 7）14,15）。

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は，プ ロ リ ン を 窒 素 源 と し た 最 小 生 育 培 地Saccharothriolides A（ 11 ）–K（ 21 ） および （EMM-N 培地）において，分裂酵母の増殖を選択
presaccharothriolide X（22）のヒト線維肉腫細胞的に抑制し，特定のアミノ酸代謝を制御するといHT1080 に対する細胞増殖抑制活性は，表 3 に示う非常にユニークな作用機序が示唆された（図した通り， saccharothriolide B （ 12 ） および9）。現在，saccharothriolide 類の安定供給や構造活

presaccharothriolide X（22）が同程度に強く，C-2性相関研究のために全合成研究を行っている。

位における置換基および立体化学，C-7 位およびC-2″ 位における置換基の効果など非常に興味深

化学コミュニケーションのフロンティア

い構造活性相関を示した。さらに，我々は生理的2017 年度，文部科学省・新学術領域研究（研究条件下で，saccharothriolide B（12）より 2-amino-領域提案型）「化学コミュニケーションのフロン

phenol が遊離し presaccharothriolide X（22）を生」（領域代表・掛谷秀昭（京ティア（2017–2021）

じることを明らかにし，2-aminophenol が医薬品大院薬））が発足した（図 10）。本領域では，多種のプロドラッグ型保護基として利用できる可能性多様な化学コミュニケーションの統合的理解にきを示した（図 8）。一方，saccharothriolides B（12） わ め て 有 効 な「革 新 的 高 次 機 能 解 析 プ ラ ッ ト
表 3. Saccharothriolides 類のヒト線維肉腫
細 胞 HT1080 に 対 す る 50% 増 殖 抑 制濃度（IC50 値，μM）フォームの構築」を行い，「天然物リガンドの真の生物学的意義の解明」および「ケミカルツール分子・創薬シーズ開発」を推進している。本領域は，医療・農業・食糧分野などに貢献し，最終的には自然環境における多様な生物種における化学コミュニケーションの解明と制御を主眼とした「分子社会学」という新しい学問領域の確立を目指す
ものであり，天然物創薬ケミカルバイオロジー研究分野において，世界における日本のプレゼンス向上にも大きく寄与するものである。したがって，本領域は新しい抗生物質の開発にも関連深いものである 16）。

図 8. Saccharothriolide B（12）から presaccharothriolide X（22）の推定生成機構

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71―5189（ 9 ）図 9. Sccharothriolide B（12）のプロリン（Pro）を窒素源とした最小生育培地（EMM-N 培地）における分裂酵母（野生株）に対する選択的増殖抑制効果

図 10. 化学コミュニケーションのフロンティア

おわりに活性物質のケミカルスペース拡充戦略において，生合成中間体などを効率よく活用する PDSS 法の本稿では，著者らの最近の天然物創薬ケミカル開発・応用について紹介した。また，日本発の天バイオロジー研究について，新規抗生物質のリード然物創薬ケミカルバイオロジー研究をより一層推化 合 物 と し て の tsumescenamide C （1）， chloro-進可能な新学術領域研究（研究領域提案型）「化学catechelin 類および saccharothriolide 類を抜粋してコミュニケーションのフロンティア」について紹紹介した。また，抗生物質などを対象とした生物介した。世界遺産（古都京都の文化財）に囲まれ

190（ 10 ）THE JAPANESE JOURNAL OF ANTIBIOTICSた著者らの天然物創薬ケミカルバイオロジー研究が，人類の健康・福祉に貢献する日を期して，一層精進する所存である。
謝辞
本稿で紹介した研究成果に関しまして，岸本真治博士，五十嵐雅之博士，Shan Lu 博士，西村慎一博士をはじめとして，多くの共同研究者の皆様に深謝します。本研究は，JSPS 科学研究費，日本医療研究機構 AMED などの支援のもとに行われました。
利益相反自己申告
申告すべきものなし［この総説は 2006 年度住木・梅澤記念賞受賞者 掛谷秀昭博士が受賞後の研究の一部をまとめたものです。
］

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Oct. 2018

る―。創薬ケミカルバイオロジー：シード分子開発と分子プロファイリング。生体の化学。
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71―5191（ 11 ）15）Lu S, Nishimura S, Ito M, Kato T, Kakeya H:Precursor-directed in situ synthesis ofsaccharothriolides G and H by the actinomycete
Saccharothrix sp. A1506. J Antibiot. 2017; 70:718–20.
16）新学術領域研究「化学コミュニケーションのフ ロ ン テ ィ ア」
・領 域 ホ ー ム ペ ー ジ URL:
http://www.pharm.kyoto-u.ac.jp/fr_chemcomm

Natural products-inspired chemical biology toward
development of new antibiotics
Hideaki Kakeya
Department of System Chemotherapy and Molecular Sciences
Division of Bioinformatics and Molecular Sciences
Graduate School of Pharmaceutical Sciences
Kyoto University
Sakyo-ku, Kyoto 606–8501, Japanscseigyo-hisyo@pharm.kyoto-u.ac.jpInfectious diseases caused by antibiotic-resistant bacteria has greatly increased and brought a
recent public health crisis worldwide. Therefore, it is requisite to develop new antibiotics with anovel pharmacophore or molecular target. In this review, chemistry and antimicrobial propertiesof new microbial metabolites, tumescenamide C, chlorocatechelins, and saccharothriolides, as
pharmaceutical leads produced by actinomycetes such as Streptomyes sp. and the rare
actinomycete Saccharothrix sp. are summarized. In addition, precursor-directed in situ synthesis（PDSS）to obtain new derivatives of microbial metabolites in one pot is also described.