ＪＳＴ 課題解決型基礎研究の一環として、京都大学 大学院医学研究科の岩田 想 教授、島村 達郎 特定講師、小林 拓也 講師らは、花粉症の薬の標的である「ヒスタミンＨ１受容体（Ｈ１Ｒ）」の立体構造をＸ線結晶構造解析注１）によって解明しました。
花粉症をはじめとするアレルギー疾患は、花粉などの異物に免疫機能が過剰に反応することが原因です。アレルギー症状が起こるメカニズムは複雑ですが、花粉症やアレルギー症状は、花粉などの刺激で体内にあるヒスタミン注２）などの炎症物質が飛び出し、それらが受容体と呼ばれる膜たんぱく質（Ｇたんぱく質共役型受容体（ＧＰＣＲ）注３））に結合することで引き起こされます。花粉症の薬として知られている抗ヒスタミン薬は、ヒスタミンが受容体Ｈ１Ｒに結合するのをブロックすることで花粉症の症状を抑制します。しかし、抗ヒスタミン薬は、Ｈ１Ｒ以外の受容体にも結合しやすいため、眠気や口渇、不整脈などの副作用を引き起こす場合があります。そのため、副作用を抑えたより効果的な抗ヒスタミン薬の開発に向けて、Ｈ１Ｒの立体構造の解明が有効な手段として期待されていました。
本研究では、Ｈ１Ｒの立体構造を世界で初めて明らかにしました。また、Ｈ１Ｒと抗ヒスタミン薬の複合体の立体構造から、抗ヒスタミン薬の結合様式や、Ｈ１Ｒに特有なアミノ酸に囲まれた薬剤結合部位の存在も明らかにしました。
本研究により、分子レベルで薬の標的の「形」が明らかになったことで、今後、その立体構造情報をもとに、より効果的で副作用の少ない花粉症・アレルギー疾患の治療薬の探索・設計が可能となるものと期待されます。
本研究は、九州大学の白石 充典 助教、米国・スクリプス研究所のレイモンド・スティーブンス 教授
と共同で行われ、本研究成果は、２０１１年６月２２日（英国時間）に英国科学雑誌「Ｎａｔｕｒｅ」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・研究プロジェクトによって得られました。
戦略的創造研究推進事業 ＥＲＡＴＯ型研究
| 研究プロジェクト |
「岩田ヒト膜受容体構造プロジェクト」 |
| 研究総括 |
岩田 想（京都大学 大学院医学研究科 教授） |
| 研究期間 |
平成１７～２２年度 |
ＪＳＴはこのプロジェクトで、構造解析の極めて困難な疎水的な膜たんぱく質であるヒト膜受容体の構造解析において、膜受容体の精製・結晶化の普遍的な技術を確立し、ヒト膜受容体構造解析を系統的に行う技術の確立を目指します。
＜研究の背景と経緯＞
近年、多くの日本人がかかっているスギ花粉症は、国民病とも呼ばれ、花粉症による経済的損失は年間数千億円にも及ぶと言われます。花粉症をはじめとするアレルギー疾患は、花粉などの異物に免疫機能が過剰に反応することが原因で起こる疾患です。くしゃみや鼻水などのアレルギー症状は、体内に侵入した花粉などを異物と認識し、ヒスタミンなどの炎症物質を放出し、それらが神経や血管細胞にあるヒスタミン受容体と呼ばれるＧＰＣＲに結合することで引き起こされます。
花粉症やアレルギーの治療薬として知られる抗ヒスタミン薬は、ヒスタミンがＨ１Ｒに結合する作用を阻害することで花粉症などのアレルギー症状を抑制しますが、眠気や口渇、不整脈といった副作用を引き起こすものがあります。このような副作用は、抗ヒスタミン薬が脳に移行しやすいことや、Ｈ１Ｒ以外のアミン受容体注４）にも結合しやすいことなどが原因です。そのため、より選択性が高く、強い効果を持つ抗ヒスタミン薬を開発するためには、Ｈ１Ｒの立体構造を明らかにする必要がありました。
一方で、膜たんぱく質であるＨ１Ｒは、可溶性の細胞内のたんぱく質と異なり、立体構造を明らかにするために必要なたんぱく質の精製や結晶化が非常に困難なため、これまで立体構造が解明されていません。そこで本研究では、より副作用の少ない抗ヒスタミン薬の探索・設計のために必要なＨ１Ｒの構造情報を得ることを目的に、Ｈ１Ｒの立体構造の解明を試みました。
＜研究の内容＞
本研究では、まず、人が持つＨ１Ｒ遺伝子を合成し、酵母を用いてＨ１Ｒを大量に発現・精製するための技術を構築しました。Ｈ１Ｒは、膜たんぱく質の結晶化で効果をあげているＬｉｐｉｄｉｃ ｃｕｂｉｃ ｐｈａｓｅ法注５）を用いて結晶化を行い、Ｘ線結晶構造解析によって抗ヒスタミン剤の一種であるドキセピン注６）とＨ１Ｒの複合体の立体構造を解明しました（図１ａ）。
Ｈ１Ｒの全体構造は、これまでに構造が決定されているＧＰＣＲと同様に７本の膜貫通したらせん構造のヘリックスを持ち、Ｈ１Ｒとともにアミン受容体ファミリーに属すβ２アドレナリン受容体（図１ｂ）やドーパミンＤ３受容体（図１ｃ）とよく似た構造でした。ドキセピンは、Ｈ１Ｒ以外のアミン受容体でも保存されているアミノ酸に囲まれていました（図２ａ）。このことは、ドキセピンが他のアミン受容体にもよく結合する原因の１つであることを示しています。また、ドキセピンが結合している部位の近くに、Ｈ１Ｒ特有のアミノ酸と相互作用しているリン酸イオンが結合していました（図２ｂ）。
次にＨ１Ｒの立体構造情報を利用して、抗ヒスタミン薬の中で第二世代と呼ばれ、Ｈ１Ｒへの結合選択性が高いレボセチリジン注７）やフェキソフェナジン注８）とＨ１Ｒの複合体構造を、コンピューターを用いて計算しました（図３）。それらの計算結果から得られたモデルでは、これらの薬剤のカルボキシル基が上述のリン酸イオンと同等の位置に存在し、Ｈ１Ｒ特有のアミノ酸と相互作用していました。このような結果から、レボセチリジンやフェキソフェナジンのＨ１Ｒへの結合選択性の高さは、Ｈ１Ｒに特有のアミノ酸とカルボキシル基との相互作用が原因であることが示唆され、抗ヒスタミン薬のＨ１Ｒへの結合選択性は、Ｈ１Ｒ特有のアミノ酸との相互作用が重要な役割を担うことが明らかになりました。
＜今後の展開＞
創薬分野では近年、たんぱく質の立体構造をもとにした創薬戦略（Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ－Ｂａｓｅｄ Ｄｒｕｇ Ｄｅｓｉｇｎ）が進められています。特に、人が持つ受容体は創薬のターゲットとして注目されており、これらの受容体の立体構造を明らかにすることで、より効果的な薬剤の設計が可能になると期待されています。
本研究結果からＨ１Ｒの立体構造が明らかになり、抗ヒスタミン薬の結合部位の詳細情報を得ることができました。これらの立体構造の情報をもとに、今後、副作用を抑えた抗ヒスタミン薬の探索・設計が可能になると考えられ、花粉症やアレルギー症の治療薬への貢献が期待されます。
＜参考図＞
図１ Ｈ１Ｒとドキセピン複合体の立体構造
- ａ） 全体構造。ドキセピンを黄色で、リン酸イオンの炭素原子をオレンジ色、酸素原子を赤色で表示している。
- ｂ） Ｈ１Ｒの構造（緑色）とβ２アドレナリン受容体（水色）を比較したもの。
- ｃ） Ｈ１Ｒの構造（緑色）とドーパミンＤ３受容体（紫色）を比較したもの。Ｈ１Ｒは、同じアミン受容体であるβ２アドレナリン受容体やドーパミンＤ３受容体と、全体構造がよく似ている。
図２ リガンド結合部位の様子
- ａ） ドキセピン（黄色）と周囲のアミノ酸（灰色）の相互作用。周囲のアミノ酸のほとんどのものがアミンの受容体で高度に保存されている。
- ｂ） リン酸イオンと周囲のアミノ酸の相互作用。Ｋ１７９、Ｋ１９１、Ｈ４５０は、Ｈ１Ｒに特有のアミノ酸である。
図３ Ｈ１ＲとＨ１Ｒ選択性の高い薬剤との結合モデル
- ａ） Ｈ１Ｒとレボセチリジン複合体のモデル構造。
- ｂ） Ｈ１Ｒとフェキソフェナジン複合体のモデル構造。これらの薬剤のカルボキシル基は、図２ｂにおいてリン酸イオンが結合していた場所に結合し、Ｈ１Ｒに特有のアミノ酸であるＫ１７９、Ｋ１９１と相互作用している。
＜用語解説＞
- 注１） Ｘ線結晶構造解析
- 解析対象のたんぱく質を結晶化し、Ｘ線照射によって得られる回折データから、結晶内部で原子がどのように配列しているかを決定する手法。
- 注２） ヒスタミン
活性アミンの一種。分子式は、「Ｃ５Ｈ９Ｎ３」。通常時は細胞内に保存されており、外部からの刺激により細胞外へと放出され、アレルギー反応や炎症の原因ともなる。- 注３） Ｇたんぱく質共役型受容体（ＧＰＣＲ：Ｇ－ｐｒｏｔｅｉｎ ｃｏｕｐｌｅｄ ｒｅｃｅｐｔｏｒ)
- Ｇたんぱく質と共役して細胞外の情報を細胞内へ情報伝達する受容体ファミリー。多くの薬の標的となっている。
- 注４） アミン受容体
- ヒスタミン、アドレナリン、ドーパミン、セロトニンといった生体アミンを受容するＧＰＣＲファミリー。
- 注５） Ｌｉｐｉｄｉｃ ｃｕｂｉｃ ｐｈａｓｅ法
- 脂質（モノオレインなど）からなる脂質二重層内に膜たんぱく質を存在させ、生体膜に近い環境で結晶化を行う方法。膜たんぱく質の結晶化に有効な手法。
- 注６） ドキセピン
第一世代の抗ヒスタミン薬の１つ。分子式は、「Ｃ１９Ｈ２１ＮＯ」。- 注７） レボセチリジン
第二世代の抗ヒスタミン薬の１つとして知られている。分子式は、「Ｃ２１Ｈ２５ＣｌＮ２Ｏ３」。- 注８） フェキソフェナジン
第二世代の抗ヒスタミン薬の１つで、アレルギー性疾患治療剤である。分子式は、「Ｃ３２Ｈ３９ＮＯ４」。
＜論文名および著者名＞
“Structure of the human histamine H1 receptor complex with doxepin”
（ヒト由来ヒスタミンＨ１受容体とドキセピンの複合体の立体構造）
doi: 10.1038/nature10236
Shimamura T., Shiroishi M., Weyand S., Tsujimoto H., Katritch V., Abagyan R., Cherezov V., Liu W., Han G. W., Kobayashi T., Stevens R. C., Iwata S.
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
島村 達郎（シマムラ タツロウ）
京都大学 大学院医学研究科 分子細胞情報学 特定講師
〒606-8501 京都府京都市左京区吉田近衛町 京都大学 大学院医学研究科 Ａ棟３階
Tel：075-753-4389 Fax：075-751-8262
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＜ＪＳＴの事業に関すること＞
金子 博之（カネコ ヒロユキ）
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