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100μMの高濃度条件でタンパク質フォールディングを促進する低分子化合物の開発に成功 ―「寛容的」な基質認識が可能にする、タンパク質製剤の合成効率向上と認知症などの変性疾患治療への技術基盤―

100μMの高濃度条件でタンパク質フォールディングを
促進する低分子化合物の開発に成功
―「寛容的」な基質認識が可能にする、タンパク質製剤の
合成効率向上と認知症などの変性疾患治療への技術基盤―

ポイント

  • ポリペプチド鎖の折りたたみ（フォールディング）は、タンパク質が機能を獲得する上で必要不可欠なプロセスです。疎水性効果やジスルフィド（SS）結合注1)の形成によって一本のポリペプチド鎖が折りたたまれると、正常な構造（天然構造）を形成します。一方、高濃度な条件では、疎水性効果やSS結合が分子間で形成されることで複数のポリペプチド鎖が不可逆的に凝集し、フォールディング効率が大幅に低下する問題があります。本研究では、SS結合形成を伴う酸化的タンパク質フォールディングを、初めて、サブmM（100μM）の高濃度条件で効率的に進める人工分子βCDWSHの開発に成功しました。
  • 通常の分子認識材料の開発では、特定の基質分子を識別する選択的認識が重視されます。本研究では、タンパク質の凝集を抑制し、高濃度でのフォールディングを促進する上で、選択的認識とは対照的に、従来注目されてこなかった「寛容的」な認識機構が重要であることを、初めて突き止めました。
  • フォールディングの異常によって生じる構造異常タンパク質は、アルツハイマー病などの認知症、筋萎縮性側索硬化症（ALS）、沖縄型神経原性筋萎縮症注2)、2型糖尿病などの、いずれも根本的な治療法が確立されていないミスフォールディング病の原因と考えられています。生体内のタンパク質濃度は非常に高いため、高濃度環境で構造異常タンパク質の形成を抑制し、天然構造タンパク質の合成を促進する本化合物は、ミスフォールディング病の根本的な治療へ結びつく技術基盤を創出します。
  • 抗がん剤などとして利用される抗体医薬注3)や、糖尿病治療薬であるインスリンなどの医薬品タンパク質は、その合成効率が低いことが課題となっています。高い濃度でフォールディングを促進する本化合物によって、タンパク質製剤の合成効率向上につながると期待されます。

本研究成果は2024 年7月29日(月)、英国化学会誌「Chemical Science」のオンライン版（オープンアクセス）て?公開されます。
【報道解禁】2024年7月29日(月) 午後5時（日本時間）
論文タイトル：Redox-active chemical chaperones exhibiting promiscuous binding promote oxidative protein folding under condensed sub-millimolar conditions
著者: Koki Suzuki, Ryoya Nojiri, Motonori Matsusaki, Takuya Mabuchi, Shingo Kanemura, Kotone Ishii, Hiroyuki Kumeta, Masaki Okumura, Tomohide Saio, and Takahiro Muraoka
*責任著者 村岡貴博、奥村正樹、齋尾智英
DOI：10.1039/D4SC02123A
URL：https://pubs.rsc.org/doi/D4SC02123A

概要
　新万博体育_万博体育官网-【官方授权牌照】大学院工学研究院の村岡貴博教授、同大学院工学府の鈴木洸希大学院生、野尻涼矢大学院生（研究実施当時）、徳島大学先端酵素学研究所の齋尾智英教授、松﨑元紀助教、東北大学流体科学研究所の馬渕拓哉准教授、東北大学学際科学フロンティア研究所の奥村正樹准教授、金村進吾助教、石井琴音大学院生、北海道大学大学院先端生命科学研究院附属施設の久米田博之学術専門職の研究ク?ルーフ?は、ジスルフィド（SS）結合の形成を伴う酸化的タンパク質フォールディングを、初めて、サブmM（100μM）の高濃度条件で効率的に進める人工分子βCDWSHの開発に成功しました。また、その鍵となる特徴は、従来の超分子化学では注目されてこなかった「寛容的」な分子認識機構であることを突き止めました。
アミノ酸が連結した高分子であるタンパク質は、天然構造と呼ばれる特定の三次元構造を形成することで機能を発現します。変性状態と呼ばれる伸びた高分子鎖が天然構造を形成する過程をタンパク質フォールディングと呼び、分子鎖内での疎水性効果やSS結合形成によって進行します。天然構造とは異なる三次元構造を持つ構造異常タンパク質は、分子間で疎水性効果やSS結合を形成し、凝集する特性があります。そこで、通常の人工系でのフォールディング反応は、タンパク質濃度が数μMと希薄な条件で行うことで凝集を防ぎながら行われます。希薄条件のため収量を上げることが困難であり、合成反応としての効率が低いことが課題でした。
また、生体内での構造異常タンパク質の凝集は、認知症などの神経変性疾患注4）や2型糖尿病などのミスフォールディング病注5)の原因と考えられています。生体内のタンパク質濃度は非常に高いため、生体内環境で構造異常タンパク質の凝集を抑制し、正常な天然構造へ再生するためには、高濃度条件でタンパク質フォールディングを促進する分子材料の開発が重要となります。
本研究では、SS結合形成を伴う酸化的タンパク質フォールディングを、サブmM（100μM）の高濃度条件で促進する初めての人工分子の開発に成功しました。反応濃度の大幅な向上を可能にする本研究成果は、インスリンや抗体医薬など、医薬品タンパク質の合成効率向上や、ミスフォールディング病の予防や治療技術の創出につながる重要な基盤と位置付けられます。

背景
　タンパク質が機能を獲得するためには、天然構造と呼ばれる立体構造を形成する必要があります。この立体構造を形成する過程をフォールディングと呼びます（図1a）。タンパク質の中には、疎水的な側鎖を有するアミノ酸残基や、SS結合を形成するシステイン残基があり、天然構造の中では、それらは分子内部に配置されます。しかし、非天然型の立体構造を有する構造異常タンパク質の場合、それらのアミノ酸残基が表面に配置されるため、分子間での疎水性効果やSS結合形成につながります。その結果、多数のタンパク質分子が会合した凝集体が形成され、天然構造の形成が大幅に阻害されます。
　タンパク質の凝集は、医薬品タンパク質の製造効率を低下させる原因となり、さらに認知症などの神経変性疾患や2型糖尿病などのミスフォールディング病を発症する原因と考えられています。これらの課題を解決するためには、高濃度条件でタンパク質フォールディングを効率的に促進する技術の構築が求められますが、特にSS結合形成を伴う酸化的タンパク質フォールディングでは、その技術は未開拓でした。

研究体制
　本研究は、新万博体育_万博体育官网-【官方授权牌照】大学院工学研究院の村岡貴博教授、東北大学学際科学フロンティア研究所の奥村正樹准教授、徳島大学先端酵素学研究所の齋尾智英教授の研究ク?ルーフ?が中心となって行われました。本成果は、日本学術振興会科学研究費助成事業　学術変革領域研究(B)「遅延制御超分子�