脂肪酸の構造ダイバーシティを活用する生理活性物質創製
東京大学大学院薬学系研究科

大和田智彦

There are scattered reports that fatty acids have different effects on ω-3 and ω-6; supplements of DHA and EPA, whichare ω-3 fatty acids, are available, but not so often for ARA, which is an ω-6 fatty acid. Fatty acids have a high degree ofstructural diversity in terms of the total number of carbons, the number of double bonds, the position of the double bonds,
and the geometric isomerism of the carbon-carbon double bonds, since they usually contain Z-olefines also E-olefines. Thestructural diversity of fatty acids not only refers to the diversity of molecular formulae due to geometric isomerism anddifferences in the number of carbons, but also refers to the fact that there are many conformations of a single fatty acidbased on bond rotations. There should be present endogenous ligands that are fatty acids themselves or have fatty acids as
substructures, and there are corresponding receptor proteins. It is certain that fatty acids are involved in a part of the signaltransduction mechanism in vivo. We studied herein rational design and synthesis of molecules with fixed conformations
based on the structure of fatty acids, which will lead to the creation of substances with bioactive functions such as cosmetology and pharmaceutical supplements.

1．緒

言

脂肪酸は、カルボキシル基とメチル基を持つ炭素鎖長の異なる分子である。多価不飽和脂肪酸（PUFA）は、2 つ以上の二重結合を含む脂肪酸分子のグループで、ω- 3（炭素数 3）と ω - 6（炭素数 6）PUFA の 2 つの主要なグループに分かれ、これらのグループのメンバーは生物活性脂質メディエーターの多くのレパートリーの前駆体である。ω - 3

図１

脂肪酸の役割は、中性脂肪を減らし、血圧を下げ、動脈のDiversity of Conformations of DHAプラークの蓄積を遅らせると報告されている。ω- 6 脂肪酸の役割は、血糖値のコントロールと血圧の低下作用が報告

脂肪酸を部分構造として持つ内因性リガンドが存在し、対されているが詳細な機構は不明である。脂肪酸は ω- 3 と応する受容体タンパク質が存在している。脂肪酸が生体内ω - 6 で作用が異なるという報告が散見される。ω- 3 脂肪シグナル伝達機構の一端に関与しているのは確実である。

酸である DHA や EPA のサプリメントは販売されているが、脂肪酸の構造を利用し立体配座を固定した分子を合理的に

ω- 6 脂肪酸である ARA は違う。脂肪酸は全長の炭素数、設計合成すれば、コスメトロジーをはじめ医薬品的サプリ

二重結合の数、二重結合の位置、通常は Z 体であるが E 体メントなど生理活性機能を有する物質創製につながるはずを含むため炭素 - 炭素二重結合の幾何異性の区別など高いである。

構造ダイバーシティを有している。脂肪酸の構造ダイバー

２．方シティとはこのような幾 何 異 性や炭 素 数の違いによる分 子法

式 のダイバーシティを意 味 するだけではなく、1 種類の脂溶媒や膜中、受容体結合サイト内などの様々な周辺環境

肪酸（たとえば DHA：ドコサヘキサエン酸）についても、結で脂肪酸（DHA）の長時間ＭＤやレプリカ交換、メタダイ合回転に基づく多数の立体配座が存在することを指している

ナミックス計算を実施する。構造探索の網羅性が重要であ

1 , 2）（図 1）

り、複数の計算理論を実施・比較する。構造を類似性で分。

サプリメントだけではなく、脂肪酸そのもの、あるいは類し、各小分類から複数の代表構造を選択する。特にDHA について研究し、方法論の妥当性を検討する。
溶液中の脂肪酸の立体配座は加速型分子動力学法の一種

Creation of Bioactive Substances byUtilizing Structural Diversity of Fatty
Acids
Tomohiko Ohwada
Graduate School of PharmaceuticalSciences, The University of Tokyo

replica exchange with solute tempering（REST）法にて網羅的に発生させた 3 , 4）。相似行列（similarity matrix）を、Schrödinger 社 製 の Canvas に よ っ て 生 成 さ れ る 3 Dpharmacophore fingerprint と Tanimoto 類似度（Tanimotosimilarity metric）から作成した。クラスタリングは各脂肪− 86 −脂肪酸の構造ダイバーシティを活用する生理活性物質創製酸について収集したすべての立体配座について行い、重要ミュレーションの利用した。 DHA を含む柔軟な PUFA のな立体配座を抽出するのに用いた。クラスター数は 30 以

全立体配座空間を収集するために，加速分子動力学シミュ下になるようにして、Kelly’s 基準値とクラスター間のレーションの一つである REST 法を用いて , 多数の立体配distance を考慮してクラスターを merge した。

置を生成した。REST は、レプリカ交換法による分子動力３．結学シミュレーションの一種で、対象となる分子を選択的に果加熱する一方で、周囲の環境は低温のままにしておく方法

脂肪酸サロゲートのデザインである。対象分子を選択的に加熱することで、立体配座間DHA サロゲートは cis-炭素 ─ 炭素二重結合をベンゼンの変換が促進され、少ないレプリカ数でもアクセス可能な環で置き換えることによってデザインした。炭素数を同じ立体配座を保存することができる。本研究では，カルボンように揃えるようにした（例を Fig. 3 に示した）5）。

酸イオンが生物学的環境で一般的に観察されることから，PUFA のイオン化形態を最小化して使用した。ピコ秒ごとPUFAの立体配座空間の収集に立体配座を抽出することで、1000 個のユニークな立体PUFA の立体配置空間の収集において加速分子動力学シ配座が収集された。立体配座の性質をよりよく理解するた
めに、クラスタリングを行い、DHA の立体配座の傾向を調べた。結果的にこの手法で効率的に立体配置が得られることが分かった。

立体配座のクラスタリング法
立体配座を分類するための最適な条件を確立するために、いくつかの典型的なクラスタリング手法をテストした。

重み付けセントロイド連結法
DHA がとる主要な立体配座を出力すると考えられたため、最初に重み付けセントロイド結合を選択した。クラス
図２ DHAサロゲートの例

図3ター数を Kelly’s Penalty 10 の最小値に設定したところ、DHAの立体配座の分類（主成分解析の場合）− 87 −

コスメトロジー研究報告 Vol. 29, 2021

加重セントロイド結合では、全体の 70 - 90 % をカバーする

ため、分子サイズの異なる分子では、立体配座の類似性が高度に変形した過密なクラスターが得られ、結合法の信頼高いにもかかわらず、互いに離れた座標を与えてしまう。

性が低いことに気付いた。例えば、水中の DHA コンフォ

この点は、PUFA 立体配座とそのサロゲート立体配座を比ーマーの場合、1000 個の立体配座を加重セントロイド結較する際に問題となる。したがって、立体配座を 3 次元空合法で 20 個のクラスターにクラスタリングすると、871間にプロットするためには、別の記述子が必要となり現在個の立体配座が同じクラスターに入る。しかし、この主要検討を継続している。

なクラスターに含まれる立体配座は、高い類似性を持って４．考いるわけではない。クラスター分散は、メンバー数が 10以下のマイナークラスターに比べて著しく大きい。そのため、より適切な結合方法を模索する必要がある。

察

多価不飽和脂肪酸の立体配座を水中または n- オクタノール中で、それぞれ REST 法で網羅的に発生させたところ、この 2 つの極性の異なる溶媒中での立体配座の和で、全立記述子の選択体配座空間をカバーできることが分かった。このことは、PUFA の単純で柔軟な構造をさらに特徴づけるために、タンパク質に結合する際、脂肪酸の立体配座は、多数の我々は現在利用可能な分子記述子のリストを測定した。一DHA の溶液立体配座から選択される可能性を示唆してい般に、分子指紋や分子記述子は、QSAR/SAR 解析、仮想る。

分子スクリーニング、標的分子のランク付け、薬物のADME 予測などの創薬プロセスで使用される。 そのため、 （引用文献）
ほとんどの分子指紋や記述子は、2 次元的な構造の違いを

1） H o r r o c k s L A , Y e o Y K ; H e a l t h b e n e f i t s o f

説明するものとなっている。つまり、トポロジー的に異なdocosahexaenoic Acid（DHA）．Pharmacol. Res., 4 0,る分子を区別することしかできない。我々の研究では、立211, 1999.

体配座を区別したいだけなので、限られた数の指紋や記述

2） Dyall SC; Interplay between N-3 and n-6 long-chain

子を評価することができる。実際、3 D ファーマコフォア

polyunsaturated fatty acids and the endocannabinoid

指紋は、使用できる唯一の指紋でありながら、前節で述べsystem in brain protection and repair, Lipids, 52, 885,

た階層型クラスタリングに有効であることが分かった。一2017.

方で、いくつかの 3 次元記述子は、立体配座の特性評価に

3） Liu P, Kim B, Friesner RA, Berne BJ; Replica

おいて、ユニークな視点を与えた。FOSA と FISA は我々

exchange with solute tempering: a method forが重要な記述子として選択した 2 つの記述子で、それぞれ

sampling biological systems in explicit water. Proc.

全溶媒到達表面積（SASA）の疎水性成分と親水性成分を表

Natl. Acad. Sci. U. S. A., 102, 13749, 2005.

している。表面積は立体配座のフォールディングに大きく

4） Wang L, Friesner RA, Berne BJ; Replica exchange

依存し、フォールディングの度合いが高いほど SASA は低with solute scaling: a more efficient version of replica

くなる。私たちは、これらの 3 つの記述子を、末端炭素距

exchange with solute tempering（REST2）．J. Phys.

離とともに、3 D プロットの座標として用いることで、最Chem. B, 115, 9431, 2011.

小限のデータで立体配座を表現することを考えた。DHA5） Jung S, Inoue A, Nakamura S, Kishi T, Uwamizu A,の 1000 個の立体配座をプロットし、色でクラスターを区

Sayama M, Ikubo M, Otani Y, Kano K, Makide K, Aoki

別している。図 3 に示すように、この 3 つの記述子、末端J, Ohwada T; Conformational constraint of the gycerol

炭素距離と疎水性（FOSA）と親水性（FISA）がうまくクラ

moiety of lysophosphatidylserine, an emerging

スターを区別している。

lysophospholipid mediator, affords compounds with

しかし、研究を進めるとこの記述子のセットには致命的な問題があることが判明した。表面積は大きさに依存する− 88 −

receptor subtype selectivity, J. Med. Chem. 5 9, 3 7 5 0,
2016.