大型放射光施設 SPring-8

公開日

2020年11月13日

2020年11月13日
長岡工業高等専門学校
東京大学
東京工業大学
理化学研究所
株式会社リガク
日本医療研究開発機構

ポイント
・環状ペプチド医薬品であるダルババンシンと血漿タンパク質であるヒト血清アルブミンの複合体結晶構造を解明。
・結晶構造と溶液状態での解析を組み合わせ、溶液中での結合状態を解明。
・環状ペプチド医薬品の最適化に貢献することが期待される。

【背景】
　ヒト血清アルブミンは、血漿タンパク質の60-70 %を占め、血漿中で最も豊富なタンパク質であり、血中において多くの物質の輸送等を担っています。
　環状ペプチド医薬品は、核酸医薬品と共に、低分子医薬品、抗体医薬品につぐ第3の医薬品として近年注目を集めていますが、腎排泄などの影響から、投与後の体内安定性が低いことが問題として上げられています。環状ペプチド医薬品の体内安定性を向上させるためには、血漿タンパク質であるヒト血清アルブミンとの結合が非常に重要になります。しかし、これまでに環状ペプチドとヒト血清アルブミンの複合体構造は報告されておらず、環状ペプチドがどのようにヒト血清アルブミンに結合しているかは未解明でした。

【研究手法】
　研究グループは、ヒト血清アルブミンと既に上市されている環状ペプチド医薬品であるダルババンシンの結合様式を詳細に理解することを目的とし、大型放射光施設「SPring-8」のビームライン（BL26B2, BL32XU）を用いてX線結晶構造解析を実施し、原子分解能でのヒト血清アルブミンとダルババンシンとの結合様式の解析を行いました。さらに、生体中の環境に近い、溶液中での結合状態を解析するため、実験室系X線装置を用いたX線小角散乱法（Small-angle X-ray scattering, SAXS）、等温滴定型カロリメーター（Isothermal titration calorimetry, ITC）、分子動力学（Molecular dynamics, MD）シミュレーションを行いました。

【研究成果】 　結晶構造解析の結果から、環状ペプチド医薬品であるダルババンシンは、ヒト血清アルブミンの一般的な化合物結合サイトとは異なる部位に結合していることがわかりました。また、結晶構造中では、1分子のヒト血清アルブミンに対して、2分子のダルババンシンが結合していました (図1)。しかしながら、ヒト血清アルブミンに結合していた2分子のダルババンシンのうち、一方は、結晶中で隣り合って位置しているヒト血清アルブミンの影響を大きく受けており、結晶中と溶液中とでダルババンシンとヒト血清アルブミンの構造が異なることが示唆されました。そこで、SAXSおよびITCを用いて溶液状態での解析を行い、溶液中ではダルババンシンが結晶中で観測された2箇所の結合サイトのうち、片方のみにしか結合しないことを明らかにしました。結晶構造解析、SAXSおよびITCから明らかになったダルババンシン結合部位において、ダルババンシンの疎水性領域である炭化水素鎖は、ヒト血清アルブミンの疎水性ポケットに深く挿さるように結合していました。一方で、ダルババンシンの環状領域は、ヒト血清アルブミンの表面を覆うように結合し、相互作用面積を増加させつつ、かつ多くの水素結合を形成することで、ヒト血清アルブミンに強く結合していました(図2)。さらに、結晶構造解析と分子動力学シミュレーションの結果から、ダルババンシンはヒト血清アルブミンにinduced-fit^*9と呼ばれる様式で結合することを示しました。

【今後への期待】
　本研究で明らかになった構造情報に基づき、ヒト血清アルブミンとより適切に相互作用する環状ペプチドをデザインすることで、体内安定性が向上した環状ペプチドの開発が期待されます。

【謝辞】
　本研究は日本医療研究開発機構（AMED）創薬等ライフサイエンス研究支援基盤事業「創薬等ライフサイエンス研究のための相関構造解析プラットフォームによる支援と高度化（SPring-8/SACLAにおけるタンパク質立体構造解析の支援および高度化）（JP20am0101070）」、「リード創製を指向した物理化学的品質評価技術の開発と支援（JP20am0101094）」および日本学術振興会（JSPS）から交付を受けた科研費（20K19926）の助成を受けて実施されました。

【用語解説】