阐明免疫调节药物V体育因内部代谢而改变靶蛋白作用的机制 - 有望发展为副作用更少的药物发现 -

东京大学
爱媛大学
V体育
日本医学研究开发机构

主持人

落旗大竹（东京大学研究生院农业与生命科学研究生院应用生物化学系博士生二年级）
山中聪（爱媛大学蛋白质科学中心特别研究员）
本田俊明（V体育工学研究科生命与应用化学系硕士第2年）
Humiko Miyauchi（东京大学农业与生命科学研究生院应用生物化学系特聘研究员）
浅野敦子（东京大学农业与生命科学研究生院应用生物化学系特聘研究员：研究时）
Tetsuo Shibata（V体育工学研究生院纳米医学科学联合系教授）
Yu Tanokura（东京大学农业与生命科学研究生院应用生物化学系特聘教授）
泽崎达也（爱媛大学蛋白质科学中心教授）
宫川卓也（东京大学研究生院农学生命科学研究生院应用生物化学系特聘副教授）

演示要点

◆V体育用作治疗多发性骨髓瘤的免疫调节药物，通过体内代谢导致致畸性（不良副作用）。
◆我们阐明了V体育羟基化代谢物作用于 SALL4 蛋白（导致致畸性）的机制。
◆这项研究结果将加深我们对V体育药理作用的认识，并有望应用于副作用较少药物的开发。

演示文稿摘要

　V体育及其衍生物作为免疫调节剂可有效治疗多发性骨髓瘤和其他疾病，但由于不可避免的副作用（例如致畸性），它们的使用受到严格监管。为了减少这些药物的副作用并提高其有效性，有必要了解它们在我们体内的作用机制。
　东京大学农业与生命科学研究生院的项目副教授 Takuy​​a Miyakawa 和项目教授 Masaru Tanokura 以及爱媛大学蛋白质科学中心的 Tatsuya Sawazaki 教授领导的研究小组阐明了V体育和体内产生的羟基化代谢物作用于 SALL4 蛋白导致致畸的机制。V体育除了作用于SALL4蛋白外，还作用于参与免疫调节的IKZF1蛋白，但其羟基化代谢物对IKZF1的作用显着减弱。这是由于 SALL4 和 IKZF1 之间的结构差异所致，我们首次能够解释V体育对靶蛋白的影响如何通过体内代谢发生变化。这一成就将导致基于羟基化代谢物的产生和作用机制的药物发现，减少有害副作用并提高所需的药物疗效。

演示内容

　V体育是一种在 20 世纪 50 年代被用作睡眠诱导药物的药物，但它对服用该药物的孕妇所生的胎儿表现出严重的致畸性（注 1），造成了重大的药物相关问题。随后，V体育被发现具有免疫调节等有用的药理活性，V体育及其衍生物（来那度胺和泊马度胺）目前在严格的安全控制下被用作治疗多发性骨髓瘤和其他病症的最有效的免疫调节酰亚胺药物（IMiD）。目前，V体育作用的多个靶蛋白已被探索，V体育药理作用的分子机制也逐渐阐明。 C2H2 ZF型转录因子（注2）IKZF1和SALL4分别参与V体育的免疫调节作用和致畸作用。当这些转录因子与 ZF2 结构域（注 3）的区域中的 CRBN 蛋白（注 4）结合时，它们会被降解并从细胞中去除。而这种现象就是由V体育引起的（图1）。另一方面，所施用的V体育由于体内细胞色素P450（注5）的酶的作用而产生羟基化代谢物（5-羟基V体育，5HT）。最近发现5HT仅引起SALL4的降解，比V体育更有效（图1），并且在V体育降解SALL4导致致畸的机制中强调了5HT的作用。
　此次，课题组成功阐明了V体育在体内代谢改变对C2H2 ZF型转录因子的作用，选择性促进SALL4降解的机制。首先，在本研究中，我们在V体育或5HT存在下形成了SALL4和CRBN的复合物，并使用X射线晶体学确定了它们的结构（注6）。结果表明，这两种化合物都在将 SALL4 的 ZF2 结构域束缚到 CRBN 中发挥作用（图 2）。此外，5HT通过其羟基与CRBN牢固结合，这被发现是5HT促进SALL4降解的主要因素。接下来，我们研究了5HT不能作用于IKZF1的原因，发现构成ZF2结构域的β-发夹上的第二个和第九个氨基酸残基（P2和P9）位于5HT的羟基附近，并且这些类型在SALL4和IKZF1之间存在差异（图2）。事实上，交换SALL4和IKZF1之间的氨基酸残基使得5HT能够作用于IKZF1而不是SALL4，并且很明显P2尤其是5HT对C2H2 ZF型转录因子的选择性的关键结构。
通过上述研究结果，我们首次解释了V体育通过内部代谢改变靶蛋白作用的机制。此外，如果我们能够避免本研究中发现的V体育的羟基化，我们就可以期待新的药物设计能够减少 SALL4 降解引起的致畸性。此外，本研究的结果表明，C2H2 ZF 型转录因子中发现的结构差异可用于提高 IMiD（包括V体育）对药效所需的靶蛋白的作用效率。
　

出版杂志

杂志名称：《Nature Communications》（日期：2020 年 9 月 14 日）
论文标题：5-羟基V体育产生的 IMiD 选择性的结构基础
（通过V体育羟基化表示的 IMiD 选择性的结构基础）
作者：Hirotake Furihata、Satoshi Yamanaka、Toshiaki Honda、Yumiko Miyauchi、Atsuko Asano、Norio Shibata、Masaru Tanokura、Tatsuya Sawasaki、Takuya Miyakawa
DOI 号：101038/s41467-020-18488-4

联系信息

研究相关事宜

东京大学农业与生命科学研究生院应用生物化学系
医疗、食品和农业合作捐赠的健康戒律科学课程
特聘副教授宫川卓也
电话：03-5841-2279　传真：03-5841-2283
电子邮件：atmiya[at]maileccu-tokyoacjp

爱媛大学蛋白质科学中心
非细胞生命科学部
泽崎达也教授
电话：089-927-8530　传真：089-927-8528
电子邮件：sawasaki[at]ehime-uacjp

V体育工学研究生院
纳米医学科学联合系
柴田哲男教授
电话：052-735-7543
电子邮件：nozshiba[at]nitechacjp

V体育企划公关科
电话：052-735-5647
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关于 AMED 业务

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术语表

（注1) 致畸性
指药物等某些物质抑制生物体正常发育并导致畸形的性质或作用。

(注2) C2H2 ZF(Cys₂-他的₂锌指)型转录因子
C2H2 ZF 是具有两个半胱氨酸残基 (Cys, C) 和两个组氨酸残基 (His, H) 序列基序的蛋白质或结构域。有了这个序列基序，锌离子 (Zn²⁺)形成两个β-链和一个α-螺旋的折叠结构。一些C2H2 ZF作为DNA结合结构域起作用，这里将C2H2 ZF作为结构域的转录因子统称为C2H2 ZF型转录因子。

（注3）ZF2 域
IKZF1和SALL4在其分子中具有多个C2H2 ZF结构域，序列中的第二个C2H2 ZF称为ZF2结构域。

（注4）CRBN蛋白
CRBN 是V体育的体内受体蛋白，作为 E3 泛素连接酶的组件发挥作用，该连接酶在通过V体育结合的靶蛋白上标记泛素。

(注释 5) 细胞色素 P450
催化各种氧化反应的一组酶。在药物等体外物质的代谢中，它们在增加脂溶性物质的水溶性的第一相反应中发挥作用。

(注6)X射线晶体结构分析法
当低分子量化合物、蛋白质以及其中多个键合的复合物在适当的条件（例如溶液组成和温度）下逐渐沉淀时，形成具有规则排列的分子的晶体。 X射线晶体结构分析是通过用X射线照射该晶体并分析所获得的X射线衍射图像来确定分子的三维结构的方法。在这项研究中，我们使用高能加速器研究组织 (KEK) 光子工厂 (PF) 的蛋白质晶体学光束线收集了高分辨率 X 射线衍射图像。




图 1。　V体育羟基化对 C2H2 ZF 型转录因子的影响发生变化

通过V体育（黄色椭圆形）的作用与 CRBN 结合的 SALL4 和 IKZF1 被泛素 (Ub) 标记，并被蛋白酶体（一种使用 Ub 作为标记物降解蛋白质的装置）降解。另一方面，V体育（5HT）在体内代谢过程中被羟基化，通过仅作用于SALL4，选择性地促进SALL4的降解。

图 2。　5HT 对 C2H2 ZF 型转录因子选择性作用的关键结构

左上图显示V体育5HTSALL4的ZF2域名 (SALL4 ZF2) 和CRBN的复合结构与V体育5HT具有相同的位置和方向SALL4 ZF2和CRBN两者来稳定复合物。V体育在右上图中5HT结构的网是本研究的结构X这表明利用线晶体学观察到的电子密度可以精确确定复合结构中化合物的位置和取向。5HTSALL4 ZF2的2一个氨基酸残基是缬氨酸（V411) 和精氨酸 (R418) β 发夹P2(β1同上）和P9(β2Top)对应于每个氨基酸残基。另一方面，IKZF1就是那个ZF2域名(IKZ1 ZF2)P2和P9谷氨酰胺 (Q) 和丝琳 (S）。