大型放射光施設 SPring-8

公開日

2021年06月10日

2021年6月10日
京都大学
東北大学
理化学研究所
日本医療研究開発機構

背景
　生体内で脂質はエネルギー源や細胞膜の構成成分としてだけでなく、受容体を介して生理活性作用を示す分子であることが知られています。このような分子を脂質メディエーターと呼んでいます。スフィンゴシン-1-リン酸（S1P）^1）も脂質メディエーターとして知られている脂質の一つで、Gタンパク質共役受容体（GPCR）^2）であるS1PR1-5を介して、血管・免疫系を中心に様々な生理作用を示します。近年では自己免疫疾患などの炎症性疾患に対してS1P受容体を標的とした化合物が治療薬として開発、上市されています。
　我々のグループでは新規に同定した抗癌作用を示す化合物がS1P受容体に対する作動薬^3）であり、さらにその伝達するシグナル^４）が内在性の作動薬であるS1Pとは異なることを見出しました（Toyomoto, M. et al. Cell Chem. Biol. 2021）。しかしながら、S1P受容体が作動薬の種類に応じてどのように細胞内に伝えるシグナルを変化させているかは明らかとなっていません。また、これまでにS1P受容体では拮抗薬^5）の結合した不活性型のS1PR1の構造しか解かれておらず、S1P受容体の活性化機構すら明らかとなっていませんでした（Hanson, M. A. et al. Science 2012）。そこで本研究では、S1Pの結合した状態でのS1PR3の立体構造の解明を試みました。

研究手法・成果
　本研究ではS1Pが結合したS1PR3の構造を、X線結晶構造解析^6）の手法を用いて決定しました。そのためにはS1PR3の結晶を取得する必要がありましたが、独自に取得したS1PR3特異的に結合する抗体の断片を一緒に結晶化することで、良質なデータを取得できる結晶を得ることに成功しました。データを得るためのX線回折実験は高輝度放射光施設のSPring-8^7）のビームラインBL32XUにて行いました。実に316個の結晶から自動的にデータを取得し、構造決定することができました。
　解析の結果、先行研究で構造決定された不活性型のS1PR1に結合したS1Pを模倣した拮抗薬と比較すると、拮抗薬はL字に折れ曲がった形になっていましたが、S1Pは受容体に対して脂質鎖を斜めにまっすぐ突き刺していることがわかりました（図1）。この違いが受容体の活性化に強く関与していることが示唆されました。このことは斜めにまっすぐ突き刺さるために構造変化を起こしているアミノ酸残基（カルテット•コア）を変異させるとS1Pに応答した受容体の活性化が弱まることからも支持されました。これまで構造決定されたGPCRでは細胞外側のポケットが作動薬と結合し収縮することで活性化すると提唱されてきましたが、今回のS１Pの結合したS1PR3の構造から作動薬がポケットの奥深くにあるスイッチ（カルテット•コア）を押すことで活性化する機構が新たに明らかになりました（図2）。これまでにS1P以外にもプロスタグランジン^8）やカンナビノイド^9）などの脂質に対する受容体は活性型で構造決定されてきましたが、今回発見した受容体を斜めにまっすぐ突き刺すような作動薬の結合様式は見られていませんでした。これらのことから、斜めにまっすぐ突き刺すことで受容体を活性化する機構はS1PとS1P受容体が独自に獲得したものである可能性が示唆されます。
　またS1Pの結合様式から、脂質鎖を短くすると受容体の活性状態が変化すると予測されたため、生体内のS1Pの大部分を占めるd18:1 S1P（炭素が18個並んでいるS1P）よりもさらに脂質鎖の短いS1Pの類縁体のd16:1 S1Pを使って受容体の活性を測定したところ、d18:1 S1Pよりも一部のシグナルのみ弱まりました（図3）。さらに変異体解析により、脂質鎖を取り囲む疎水性アミノ酸残基群がこの現象に関わっていることがわかりました。これらのことから、脂質鎖と周辺のアミノ酸残基の相互作用の仕方を少し変えるだけで受容体の制御するシグナル伝達に偏りを引き起こせることがわかりました。S1P受容体をはじめ、GPCRは上市されている薬の約30%近くの標的分子であると知られています。近年では構造情報に基づく薬のデザイン（SBDD: Structure-based drug design）^10）が熱心に行われており、本研究成果はSBDDの礎となることが期待されます。

波及効果、今後の予定
　本研究では、免疫や血管系の機能を調節するS1P受容体の構造を解明しました。その結果、S1Pはまっすぐ受容体に突き刺さることで受容体を活性化することがわかりました。また、シグナル伝達に偏りを持たせることのできる作動薬に求められる性質なども明らかにすることができました。しかしながら、短い脂質鎖をもつ作動薬がどのようにシグナル伝達に偏りを引き起こしているのか詳細な機構は明らかとなっていません。今後は短い脂質鎖を持つ作動薬の結合した構造などを決定することでこの機構を明らかにしていく予定です。

研究プロジェクトについて
　本研究は東北大学、理化学研究所などとの共同研究により行われました。また、日本学術振興会（JSPS）の特別研究員奨励費（19J22636）、科学研究費助成事業（18H02394, 17K08264, 19H05776, 19H05777, 15H05721） や、国立研究開発法人日本医療研究開発機構（AMED）の創薬等ライフサイエンス研究支援基盤事業（BINDS） （JP20am0101070, JP20am0101079, JP20am0101092）、革新的先端研究開発支援事業ソロタイプ（PRIME）（JP19gm5910013）、同インキュベートタイプ（LEAP）（JP20gm0010004）など、多くの支援を受けています。

用語解説

＜研究者のコメント：前田信太郎＞
私たちは生理活性をもつ分子がどのようにしてその機能を発揮するのかを構造レベルで明らかにすることと、構造情報からより良い薬の開発に役立つ情報を得ることを目指しています。今後は異なる状態でのS1PR3の構造解析や別の受容体の構造解析を行い、シグナル伝達機構をさらに詳細に明らかにすることを目指しています。