共同発表：新規向精神薬の効率的な探索法を開発～鎮静・不安・認知に関わる受容体のセンサー化に成功～

ポイント

タンパク質に蛍光の目印をつける手法により、受容体の構造を把握することなく薬剤探索が可能に
開発した探索手法を用いて新規の薬剤候補２種を発見
向精神薬だけではなく、細胞膜受容体をターゲットとした他の薬剤探索へと応用できる

京都大学大学院工学研究科の浜地格　教授らは、γ－アミノ酪酸（以下、ＧＡＢＡ）^注１）を識別し情報を伝達するタンパク質ＧＡＢＡ_Ａ受容体を蛍光センサーに改変し、特定の受容体に作用する薬剤を探索する新たな手法を開発しました。

ＧＡＢＡ_Ａ受容体は抗うつ剤や抗不安薬といった向精神薬の標的であり、創薬標的として注目を集めています。これまでに開発されたＧＡＢＡ_Ａ受容体へ選択的に作用する薬剤の多くは偶然発見されたものでした。その主な要因は、ＧＡＢＡ_Ａ受容体の構造が複雑であり十分に把握した上での合理的な薬剤設計が難しいこと、多種多様な化合物を効率的に探索する方法論の確立が困難だったことの２点です。

我々は、独自に開発した、タンパク質の狙った部位に蛍光の目印をつける手法を使い、その蛍光強度の変化を手がかりに、タンパク質に結合する新たな薬剤を探索する手法を開発しました。また、本手法を用いることで、１２８０種類に及ぶ化合物の中から新たなアロステリック作用薬^注２）を見いだすことにも成功しました。現在用いられている向精神薬は依存性や眠気などの副作用が問題となっていますが、本手法を用いて新たな候補物質を見つけることで、副作用のない創薬開発につながることが期待されます。

なお本研究成果は、福岡大学医学部　沼田朋大　講師、井上隆司　教授との共同研究の成果であり、ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業として行われました。論文は２０１６年８月１６日午前０時（日本時間）に英国科学雑誌Ｎａｔｕｒｅ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｂｉｏｌｏｇｙのオンライン速報版で公開されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）

研究領域	「新機能創出を目指した分子技術の構築」（研究総括：山本尚　中部大学　教授）
研究課題	「生細胞有機化学を基軸としたタンパク質その場解析のための分子技術」
参考ＵＲＬ	http://www.mt.jst.go.jp/researchers/hamachi_itaru.html

＜研究の背景＞

ＧＡＢＡを認識して情報を伝達するＧＡＢＡ_Ａ受容体は神経伝達の制御において必要不可欠なものであり、その異常が不安障害や睡眠障害、うつ病や統合失調症などの多くの精神疾患に深く関係していることがわかっています。このことから、ＧＡＢＡ_Ａ受容体は向精神薬の創薬標的として着目されています。実際に、ＧＡＢＡ_Ａ受容体作用薬の臨床応用も報告されています。

しかしながら、現在用いられている薬剤は複数種類のＧＡＢＡ_Ａ受容体に作用してしまうことによる副作用の問題が指摘されており、特定のＧＡＢＡ_Ａ受容体にしか作用しない薬剤の開発が求められてきました。新規薬剤の開発では、受容体の構造を基にした創薬探索法が用いられます。ＧＡＢＡ_Ａ受容体の場合は複数のタンパク質からなる複合体を形成するという構造の複雑さから、創薬探索法の構築自体が困難な状況でした。

＜研究手法・成果＞

（１）ＧＡＢＡ_Ａ受容体の２つの薬剤結合部位の蛍光センサー化

　ＧＡＢＡ_Ａ受容体は前述の通り、複数のタンパク質が複合体を形成することで機能します。複合体を形成したＧＡＢＡ_Ａ受容体には、ＧＡＢＡ結合部位やベンゾジアゼピン^注３）結合部位など多くの薬剤結合部位が存在します（図１ａ）。本研究では、ＧＡＢＡ_Ａ受容体の薬剤結合部位を蛍光センサー化することで、創薬探索法を構築できると考えました。具体的には、著者らが独自に開発した特定のタンパク質に蛍光の目印をつけられる手法を用いて、ＧＡＢＡ_Ａ受容体の薬剤結合部位であるＧＡＢＡ結合部位、ベンゾジアゼピン結合部位に対する蛍光センサー化を行いました。図１ｂには、ベンゾジアゼピン結合部位に対する蛍光センサー化の結果を示します。この場合は、ベンゾジアゼピン結合部位に対するラベル化剤と呼ばれる有機化合物を細胞にふりかけることで、ＧＡＢＡ_Ａ受容体のベンゾジアゼピン結合部位のみに蛍光色素を修飾することに成功しました（ステップ１）。続いて目印の蛍光を弱くする薬剤（以下、消光剤）を加えることで、Ｆöｒｓｔｅｒ共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）機構^注４）により、その蛍光は弱められました（ステップ２）。その状態において、ベンゾジアゼピン結合部位に作用する薬剤を添加すると、消光剤が追い出されて蛍光回復が見られました（ステップ３）。次に、各種ＧＡＢＡ_Ａ受容体作用薬を加えた際の蛍光変化を評価したところ、ベンゾジアゼピン結合部位に結合する作用薬を加えた際にのみ、その作用薬の親和性に対応した蛍光変化を示しました。このことから、蛍光回復を手がかりに、結合部位に親和性を持つ薬剤を探索できる可能性が示されました。ＧＡＢＡ結合部位を標的とした蛍光センサー構築においても、同様の結果が得られています。すなわちベンゾジアゼピン結合部位およびＧＡＢＡ結合部位に対する作用薬の蛍光センサーを構築できたことを意味します。

（２）広範囲な薬剤探索による新たなアロステリック作用薬の発見

次に、本研究で開発したベンゾジアゼピン結合部位の蛍光センサーを創薬探索法へと展開しました（図２）。我々のセンサーを用いて１２８０個の化合物群から蛍光回復を手がかりに作用薬の探索を行った結果、４つの化合物が候補に残りました。その中の２つの化合物は、ＧＡＢＡ_Ａ受容体に作用することが既に知られていましたが、残りの２つの化合物（４，４＇，４＇＇－（４－ｐｒｏｐｙｌ－［１Ｈ］－ｐｙｒａｚｏｌｅ－１，３，５－ｔｒｉｙｌ）ｔｒｉｓｐｈｅｎｏｌ　（ＰＰＴ）および４，５，６，７－ｔｅｔｒａｂｒｏｍｏ－２－ａｚａｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ（ＴＢＢ））に関しては、ＧＡＢＡ_Ａ受容体に作用することが報告されていない新たなＧＡＢＡ_Ａ受容体の作用薬でした。

さらに、ＰＰＴとＴＢＢに関して、ＧＡＢＡ_Ａ受容体に対する作用を詳細に調べてみたところ、これらの化合物が確かにＧＡＢＡ_Ａ受容体の活性を阻害すること、既存の作用薬とは異なる仕組みで活性を阻害していることが明らかになりました。すなわち、ＰＰＴおよびＴＢＢが新たなタイプのＧＡＢＡ_Ａ受容体作用薬であることを意味します。

（３）それぞれのＧＡＢＡ_Ａ受容体に対して選択的な作用薬の蛍光センサーを構築できる

脳などの中枢神経系に発現しているＧＡＢＡ_Ａ受容体には、鎮静、不安、認識などそれぞれの生理機能に関与する複数種類のＧＡＢＡ_Ａ受容体の存在が知られています。しかし、ＧＡＢＡ_Ａ受容体を標的とした既存の向精神薬のほとんどが複数種類のＧＡＢＡ_Ａ受容体に対して作用してしまうため、記憶障害や作用の持ち越しといった副作用が問題となっています。そこで、特定の種類のＧＡＢＡ_Ａ受容体のみに作用する化合物の同定を目指して、蛍光センサー構築の拡張を行いました。具体的には、鎮静に関わるＧＡＢＡ_Ａ受容体、不安に関わるＧＡＢＡ_Ａ受容体、認知に関わるＧＡＢＡ_Ａ受容体に対して、それぞれの受容体を蛍光センサー化することに成功しました。今回行った実験をこれらの受容体に対しても行うことにより、選択的な作用薬の広範囲な探索へと展開できると考えられます。

＜今後の予定＞

本発表で報告したＧＡＢＡ_Ａ受容体作用薬に対する蛍光センサーの構築は、副作用のないＧＡＢＡ_Ａ受容体作用薬の開発につながると期待されます。また、本研究で見いだした２つのＧＡＢＡ_Ａ受容体作用薬（ＰＰＴおよびＴＢＢ）は、今後新たな向精神薬候補になると期待されます。加えて本研究手法は、構造情報が不十分で合理的な薬剤設計が難しかった他の細胞膜受容体を標的とした薬剤探索においても幅広く応用できると期待されます。

＜参考図＞

図１　ＧＡＢＡ_Ａ受容体の薬剤結合部位の蛍光センサー化

ａ：ＧＡＢＡ_Ａ受容体の構造とその薬剤結合部位。ＧＡＢＡ_Ａ受容体には抗うつ剤、抗不安薬、麻酔薬、睡眠薬など様々な薬剤が結合する。
ｂ：ベンゾジアゼピン結合部位の蛍光センサー化および共焦点顕微鏡観察結果。１．ラベル化剤添加によって薬剤結合部位に目印（蛍光団、綠丸）をつける。２．消光剤添加によって目印の蛍光を弱められる。３．ベンゾジアゼピン結合部位に作用する薬剤（ベンゾジアゼピンリガンド）の添加によって消光剤が追い出され、目印の蛍光が回復する。

図２　広範囲な創薬探索とそのヒット化合物

ａ：広範囲な創薬探索法の模式図。
ｂ：広範囲な創薬探索で得られたヒット化合物の構造。Ｆｌｕｍａｚｅｎｉｌ、ＩＬＴＧはＧＡＢＡ_Ａ受容体に作用することが知られていたが、ＰＰＴ、ＴＢＢがＧＡＢＡ_Ａ受容体に作用することは今まで知られていなかった。

＜用語解説＞

注１） γ－アミノ酪酸、ＧＡＢＡ: 脳などの中枢神経で機能する主要な抑制性の神経伝達物質。
注２）アロステリック作用薬: あるタンパク質に本来結合する分子とは異なる場所に結合し、タンパク質の機能を変化させる薬剤のこと。アロステリック部位はそれぞれのタンパク質において固有であるため、選択性が高く副作用の少ない薬剤標的部位として着目されている。
注３）ベンゾジアゼピン: ＧＡＢＡ_Ａ受容体におけるＧＡＢＡの作用を強める薬剤の一種。鎮静、睡眠導入、抗不安、抗けいれん、筋弛緩の特性が知られる。
注４）Ｆöｒｓｔｅｒ共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）機構: ２つの蛍光分子がごく近接して存在する場合、蛍光分子からもう１つの蛍光分子へエネルギーが移行する。もう１つの分子が蛍光消光剤であった場合は、その蛍光は減弱する。

＜論文情報＞

タイトル	“Discovery of allosteric modulators for GABA_A receptors by ligand-directed chemistry”
著者名	山浦圭、清中茂樹、沼田朋大、井上隆司、浜地格
掲載誌	Ｎａｔｕｒｅ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｂｉｏｌｏｇｙ
doi	10.1038/nchembio.2150