化学遺伝学とは

化学的アプローチにより生理活性物質の作用機構を分子レベルで解明するケミカルバイオロジー

 抗生物質の発見以来、微生物が造る天然生理活性物質は、医薬品のシードとして人類の健康に貢献してきただけでなく、劇的な表現型変化をもたらすその生物活性が多くの生物学者を魅了してきました。生理活性物質の活性発現メカニズムの解明は、医薬品開発の応用面にとどまらず、生命現象の根幹となる分子機構を解明し、新しい創薬標的を生み出す点で重要な研究分野です。その研究プロセスは突然変異の原因遺伝子を明らかにする遺伝学と類似性が高く、遺伝学が突然変異を出発点として表現型の原因となる遺伝子を研究対象とするのに対し、低分子生理活性物質の作用機序研究は、突然変異の代わりに特異な生理活性(表現型)を示す化合物を出発点とし、その原因となる標的分子を同定し、機能を明らかにする「化学遺伝学」であるということができます。  私たちは、分子遺伝学を基盤にポストゲノムツールと合成化学的アプローチを組み合わせ、論理的、組織的に薬剤標的分子を同定する方法論を確立し、独自のケミカルゲノミクスへと発展させてきました。それによっていくつかの驚くべき標的分子を解明し、新しい創薬標的の発見と生命科学の発展に貢献してきました。引き続き、新しい活性物質の発見と標的分子の同定を両輪として生理活性物質のケミカルバイオロジーを推進しています。


1. 新しい生理活性物質の探索研究

私たちの化学遺伝学研究は、新しい生理活性物質を手に入れるところから始まります。生理活性物質を取得するための探索系は、研究者のアイディアにしたがって構築していきます。例えば、タンパク質SUMO化を調節する化合物は、細胞膜を透過性にした細胞(セミインタクト細胞)に対して蛍光標識したSUMOやSUMO化酵素などを添加して細胞内の核膜上で反応を行う蛍光検出法を使っています。また、細胞のリプログラミングや分化を誘導する物質は、遺伝子発現を可視化した細胞系を用い、一方、エピジェネティクスを制御する化合物は、個々のヒストン修飾酵素の反応を合成蛍光基質で高感度に測定する方法などを使っています。最近では、エピジェネティクスを制御して人工多能性(iPS)細胞の効率的な作成や癌の新しい抑制法の開発にも取り組んでいます。また、ヒト遺伝子を薬剤超感受性の分裂酵母に導入した「ヒト化酵母」を用いて、ヒト遺伝子の過剰発現で引き起こされる致死的な表現型を回復する化合物を得ることで、ヒト遺伝子産物の機能阻害剤を取得することにも成功しています(図1)。

図1.「ヒト化酵母」を用いたヒト遺伝子産物を制御する薬剤の探索


2. 薬剤の作用を生きた細胞で観察するライブイメージング法の開発

私たちは現在、同じ遺伝子配列を持ちながら、異なる遺伝子発現パターンを娘細胞に継承する遺伝情報制御機構であるエピジェネティクスに関心を持っています。特にヒストンアセチル化やメチル化が細胞内でどのように制御されているか、またそれらを阻害する化合物はどのように作用するかを研究するため、FRETを用いたライブイメージング法の開発を行っています。これまでにヒストンH4 K5/K8のアセチル化やヒストンH4 K12のアセチル化をリアルタイムで可視化するセンサープローブを開発し、抗癌活性のあるヒストン脱アセチル化酵素阻害剤の作用を細胞内で可視化することに成功しました。現在はさらにヒストンメチル化の可視化に取り組んでいます。

図2.アセチル化検出プローブ(Histac)の構造(A)とFRET応答反応によるヒストンアセチル化の検出(B)


3. 抗癌物質スプライソスタチンAの作用機序研究

 FR901464は藤沢薬品工業で発見された微生物由来抗癌活性物質ですが、その作用機構は長く不明でした。私たちは、スプライソスタチンA(SSA)と命名したFR901464のメチルケタール体が化学的に安定で高活性であることを利用し、SSAのビオチン化誘導体を合成し、結合タンパク質を解析したところ、スプライソソームU2 snRNPの構成成分であるSF3b複合体を同定しました。興味深いことにSF3bの機能欠損の結果、スプライシングが阻害されるだけでなく、一部のmRNA前駆体が細胞質に漏出し、イントロンを含むタンパク質が翻訳されしまうことがわかり、SF3bがスプライシングを受ける前の未成熟なmRNAの核内保持にも関わることが示されました。すなわち、SSAはスプライシングを阻害してイントロンを蓄積させたり、その配列をタンパク質に翻訳させたりできる初めての化合物であるということができます。イントロンにはこれまでわかっていない機能があると考えられることから、SSAを使って、スプライシングと遺伝子発現の知られざる関係やイントロンの新しい機能を明らかにするための研究を行っています。

図3.スプライソスタチンの作用機構とイントロンを含むmRNAの翻訳


4. タンパク質アセチル化の機能解析

私たちは世界で初めて特異的なタンパク質脱アセチル化酵素(HDACまたはKDAC)の阻害剤を発見しました。HDAC阻害剤は強い抗癌活性を示しますが、そのメカニズムにはまだよくわかっていません。その理由は、HDACがヒストンだけでなく、他の多くのタンパク質のアセチル化を制御することにあるのではないかと考えています。そこで、重要なタンパク質がアセチル化によって制御される例を調べ、そのアセチル化がどのような機能を持っているかについて研究しています。これまでに微小管を構成するタンパク質チューブリンのアセチル化は微小管の安定性に(図4)、ウイルス癌タンパク質T抗原のアセチル化はそれ自身の安定性に関与することなどを明らかにしてきましたが、最近、細胞の運動性や老化に関わるタンパク質など、さらに多くの制御タンパク質がアセチル化されていることを見いだし、その機能解明に努めています。

図4.チューブリン脱アセチル化酵素HDAC6による微小管の安定性制

5. ミトコンドリア遺伝のケミカルバイオロジー

 核ゲノムと並んで細胞が持つもう一つの重要な遺伝情報はミトコンドリアにあります。すなわち固有のゲノムを持つミトコンドリアは、細胞あたり数千コピー存在し、核ゲノムの複製・分配とは独立に複製を繰り返しています。酸素呼吸で生じる活性酸素種により核ゲノムに比べて10倍以上もの頻度で変異が蓄積することも知られており、その結果、加齢とともに変異mtDNAが蓄積し、ヘテロプラスミー(正常型と変異型が混在した状態)となり、老化現象としての細胞機能低下につながると考えられています。一方、ヒトのmtDNAは全て母親に由来し、卵形成時に仮想的な「遺伝的ボトルネック」で正常型に均一化(ホモプラスミー化)され、新生児は正常ホモプラスミーとであるといわれていますが、この初期化のメカニズムはわかっていません。遺伝性疾患であるMELASなどのミトコンドリア病患者では生来ヘテロプラスミーであり、発症の主因は混在する変異mtDNAの増加であると考えられますが、未だその機序が不明で根本的治療法はありません。私たちは最近、酵母を使ってmtDNAがホモプラスミー化が起こる際、相同組換えに依存していることを見出しました。また、適度な酸化ストレスがこの過程を促進することを見出しました。そこでミトコンドリアゲノムの初期化メカニズムの解明とミトコンドリア病治療を目指してホモプラスミー化を誘導するためのケミカルバイオロジーを展開しています。

Copyright (C) 2008 Chemical Genetics Laboratory, RIKEN