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东京大学 千叶大学 细胞内酶一样修饰组蛋白的化学催化剂的开发—介入疾病中酶功能异常的新疗法的可能性—◆作为重要的翻译后修饰之一的组蛋白乙酰化是由组蛋白乙酰化酶激活细胞内生物合成的代谢物乙酰辅酶a引起的。 ◆在世界上首次成功开发出了将细胞内存在的乙酰辅酶a活化，促进组蛋白乙酰化的化学催化剂。 ◆本研究有望开发介入疾病中酶功能异常的新治疗方法。
细胞内进行组蛋白修饰的化学催化 此次，东京大学研究生院药学系研究科有机合成化学教室金井求教授、山次健三助教(现千叶大学研究生院药学研究院教授)、川岛茂裕副教授等人的研究小组，将细胞内作为乙酰源存在的代谢物乙酰辅酶a酶(注1 )一样活化，进行组蛋白(注2 )的乙酰化(注2 ) 在生物体内，各种化学反应通过形成网络来维持和控制生命功能。 作为那样的化学反应之一，核内蛋白质组蛋白的乙酰化，作为控制基因转录的重要反应是众所周知的。 组蛋白乙酰化是由组蛋白乙酰化酶激活乙酰辅酶a引起的，其功能异常与各种疾病相关。 因此，开发能够代替酶促进生物体内组蛋白乙酰化反应的人工化学催化剂，有可能与阐明疾病中异常组蛋白乙酰化的功能及其控制的新疗法相关联。 研究小组设计了从细胞内存在量少的乙酰辅酶a中有效地吸收乙酰基并使其活性化的催化剂设计，通过结构改变进行了催化剂化学性质的调节和优化。 将由此得到的催化剂分子添加到活细胞中后，确认了使用细胞内的乙酰辅酶a进行组蛋白在特定位置的乙酰化。 本成果是用低分子的化学催化剂代替酶实现对使用生物体内产生的代谢物的生命活动有意义的生物体内化学反应的首次例子，可以说是新的基础生物学的研究工具和创药基础概念构筑的第一步。 〈研究背景〉 在生物体内，通过各种化学反应相互交织的网络进行生物分子的功能、局部存在、相互作用等的控制，维持着生命活动。 这种生物化学反应受酶严格控制，其异常与各种疾病有关。 因此，直接介入生物体内化学反应网络，使异常化学反应正常化的方法，有望与疾病的治疗相关联。 其中，众所周知，在核内负责存储DNA的蛋白质组蛋白通过接受以赖氨酸残基(注6 )乙酰化为代表的多种翻译后修饰(注7 )，参与基因转录的调控，其修饰反应被作为抗癌剂的重要目标。 一直以来，在以治疗为目的的生物体内反应的调节中，采用了使用可经口给药的低分子抑制剂等来控制与反应相关的酶的功能的方法。 例如，在组蛋白乙酰化水平下降的癌细胞中，促进乙酰化时，可以采取通过低分子药剂阻碍去除乙酰化的组蛋白脱乙酰化酶的功能的战略。虽然也有几个抗癌剂通过低分子控制酶功能取得了成功，但既然以生物体拥有的酶为目标，就无法避免因酶的变异而获得抗性(注8 )，而且如果乙酰化组蛋白的酶的功能降低，那么即使抑制脱乙酰化，乙酰化水平也有可能无法提高。对此，本研究小组认为，如果能开发出不依赖酶而直接进行组蛋白乙酰化等对生命活动有意义的生物体内化学反应的化学催化剂，或许会成为新的制药概念，从而进行了研究(图1 )。
图1 :控制组蛋白乙酰化反应的策略 在以往的以癌症治疗为目标的组蛋白乙酰化水平的控制中，采取了通过抑制剂等调节组蛋白乙酰化酶( HAT )和组蛋白脱乙酰化酶( HDAC )等酶的功能的策略。 对此，本研究小组以开发能够直接进行组蛋白乙酰化反应的化学催化剂，从而克服以往依赖于酶的功能的战略所存在的课题的新的制药概念为目标。 到目前为止，本研究小组已经开发出了能够在细胞内乙酰化蛋白质赖氨酸残基的化学催化剂(注9 )。 这些催化剂可以激活乙酰源，进行将乙酰基转移到蛋白质赖氨酸残基上的反应。 但是，尽管细胞内已经存在组蛋白乙酰化酶用于反应的乙酰辅酶a，传统的化学催化剂都必须从细胞外加入人工乙酰源才能进行反应。 乙酰辅酶a以被称为硫酯的反应性较低的形式具有乙酰基，细胞内浓度也只有几μM到几十μM，作为代谢物停留在很低的水平上。 直接活化这种细胞内乙酰辅酶a是一个化学难题，传统的化学催化剂无法实现这一点。 此次，本研究小组致力于开发不从外部添加乙酰源，而只将细胞内的乙酰辅酶a作为乙酰源来乙酰化组蛋白的高活性化学催化剂。 〈研究内容〉 首先，进行了为了高效活性化细胞内乙酰辅酶a的催化剂分子的设计(图2 )。 催化剂主要由具有两个功能的部位组成，一个是用于将乙酰辅酶a的乙酰基吸收到催化剂分子中的部位(硫醇基)，另一个是用于使吸收的乙酰基活化并与赖氨酸残基反应的催化剂中心部位。 后者的催化剂中心决定使用本研究小组过去开发的即使在细胞内环境中也显示出高催化活性的羟肟酸型骨架(注10 )。 合成了结构一点一点变化、使反应关键催化剂中心性质发生变化的多个候选催化剂分子，比较了其组蛋白乙酰化活性，发现图2所示的催化剂分子mBnA具有最好的活性。
图2 :活化细胞内乙酰辅酶a化学催化剂的设计 为了高效地活化反应性低且细胞内存在量少的乙酰辅酶a，设计了将硫醇基作为从乙酰辅酶a中快速吸收乙酰基的部位，将具有羟肟酸型结构的催化剂中心作为使吸收的乙酰基强力活化的部位，分别嵌入分子内的催化剂结构。 假设反应如图右侧所示，经由两个中间体进行。 将开发的mBnA催化剂添加到人类细胞中时，尽管没有添加乙酰源，组蛋白也进行了乙酰化。 此时，通过实验确认了mBnA催化剂使用的是人类细胞内代谢途径产生的乙酰辅酶a进行反应。 而且，细胞内除了乙酰辅酶a以外，还存在着具有类似结构的代谢物，明确了mBnA催化剂可以使用其中之一的丙二烯辅酶a进行组蛋白的丙二烯化反应。 丙氨酰辅酶a不能很好地嵌入组蛋白乙酰化酶的口袋，因此被认为是酶不能用于反应的代谢物。 可以说化学催化剂不仅可以替代生物体内的酶功能，还可能发挥酶所没有的功能。 本研究进一步提示，mBnA催化组蛋白乙酰化反应的进度可作为细胞内乙酰辅酶a含量的指标(图3 )。 组蛋白存在于细胞核中，因此只能检测出细胞核及与其相连的细胞质区域中存在的乙酰辅酶a。 由此，可以在至今为止困难的活细胞内的特定区域检测出乙酰辅酶a。 可以说，本成果表明了mBnA催化剂也可以作为用于调查核-细胞质区域乙酰辅酶a代谢和组蛋白乙酰化之间关系的生物化学研究工具进行应用。
图3 :核-细胞质分区乙酰辅酶a量变化的检测 已知在细胞内，乙酰辅酶a是在核细胞质线粒体中生物合成的。 由于乙酰辅酶a无法穿过分隔细胞和细胞内小器官的膜，被膜分隔的线粒体内的乙酰辅酶a与其他分区独立存在。 另一方面，由于复盖细胞核的膜上有一个被称为核膜孔的孔，存在于细胞核和细胞质中的乙酰辅酶a可以通过该孔相互来往。 因此，由于mBnA催化剂可用于在核内乙酰组蛋白的乙酰辅酶a仅限于存在于核-细胞质中的物质，所以从催化剂进行组蛋白乙酰化的进度可以得知核-细胞质的乙酰辅酶a量的变化。 这有望成为迄今为止困难的检测细胞内特定区域乙酰辅酶a含量的方法。 〈今后的展望〉 这次，成功开发出了像酶一样可以活化细胞内代谢物乙酰辅酶a，促进组蛋白乙酰化的低分子化学催化剂。 本成果将成为开发通过替代·补充生物体内的组蛋白乙酰化酶的功能，可以介入细胞内化学反应网络的低分子化学催化剂的基础，有望扩展组蛋白乙酰化介导的疾病治疗的可能性。 〈相关新闻稿〉 ①东京大学新闻稿《化学催化操纵细胞内表基因组》( 2021/01/21 ) URL:https://www.u-Tokyo.AC.jp/focus/ja/21 ) URL:/②东京大学研究生院药学系研究科药学部新闻发布会“有机合成化学教室的Christopher Adamson研究生、梶野英俊博士研究员、川岛茂裕特任副教授、山次健三助教、金井求教授开发出了吸引反应剂的催化剂，成功实现了生物细胞中目标蛋白质的高效化学修饰URL:https://www.f.u-Tokyo.AC.jp/topics.html？ page=9&key=1631594020 主讲人 东京大学研究生院药学系研究科 金井求(教授) 川岛茂裕(副教授) 千叶大学研究生院药学研究院 山次健三(教授) <研究当时:东京大学研究生院药学系研究科(助教) > 论文信息 〈杂志〉 《自然·通讯》 〈标题〉一种能使组蛋白与内源性酰基辅酶a酰化的化学催化剂A chemical catalyst enabling histone acylation with endogenous acyl-CoA 〈作者〉 Misuzu Habazaki, Shinsuke Mizumoto, Hidetoshi Kajino, Tomoya Kujirai, Hitoshi Kurumizaka, Shigehiro A. Kawashima*, Kenzo Yamatsugu*, Motomu Kanai* 〈D O I〉 10.1038/s41467-023-41426-z 〈U R L〉 https://www./articles/s41467-023-41426-z https://www./articles/s41467-023-41426-z 研究资助 本研究在文部科学省科学研究费基础研究a“介入体分子结构转换动力学的化学催化剂研究”( JP20H00489 )、基础研究s“操作体内化学秩序的催化剂的开发与应用”( JP23H05466 )、 加强国际共同研究b“以化学催化工具的开发为基轴的组蛋白修饰与DNA修复的相关阐明”( JP19KK0179 )、挑战性研究(萌芽)“理解为酶不可能的组蛋白超酰化导致的活细胞基因组操作”( JP21K19326 )、 学术变革领域研究b“通过化学催化剂引入neo-ptms”( jp22 h 05018 )、基础研究b“开发可操作表基因组的化学催化剂”( JP21H02074 )、新学术领域研究“通过核小体高级结构和动力学的分析来解释染色质潜在性”( JP18H05534 )的支持下实施。 用语解说 (注1 )酶 具有促进生物体内发生化学反应的“催化剂”功能的蛋白质的总称。 生物体是在约37 ℃中性的水中混合有各种各样的分子的复杂环境。 在这种生物体内环境中，酵素具有能够选择性地在温和的条件下高效促进特定化学反应的特征。 (注2 )组蛋白 存在于细胞核中，通过缠绕DNA参与其收纳的蛋白质。 此外，它还具有通过化学反应接受各种翻译后修饰(见注7 )，控制DNA编码基因转录的功能。 (注3 )乙酰化 是指将乙酰基-C(=O ) CH3导入有机化合物上的官能团(具有特定结构的原子团)的化学反应。 组蛋白乙酰化时，是指向组蛋白蛋白质中存在的赖氨酸残基(参照注6 )的氨基-NH2导入乙酰基的反应。 (注4 )低分子 是指相对于分子量约一万以上的蛋白质等高分子，由几个到一百个原子连接而成的分子量为数百左右的小分子。 在本研究中，通过分子量250左右的小化学催化剂基元，成功实现了数十万左右分子量的酶进行的“通过乙酰CoA的活性化来乙酰化赖氨酸残基(参照注6 )”。 (注5 )化学催化剂 指对也称为“生物催化剂”的酶，通过化学合成人工合成的催化分子。 催化剂是指虽然使特定化学反应的反应速度上升，但本身在反应前后不发生变化的分子。 只要原料存在，就可以继续促进重复反应。 (注6 )赖氨酸残基 蛋白质中含有的、来自具有氨基-NH2的被称为赖氨酸的氨基酸的部位。 它成为以乙酰化为代表的各种翻译后修饰的靶点，往往涉及蛋白质的功能调控。 (注7 )翻译后修饰 指蛋白质在细胞内生物合成(翻译)后，通过化学反应使蛋白质上的某些官能团发生变化。 赖氨酸残基的乙酰化是其代表例之一。 翻译后修饰通过改变蛋白质的活性或触发特定的生物体内反应来实现生命活动的动态调控。 (注8 )获得耐受性 原本有效的药剂失效了。 与酶等蛋白质结合使功能变化的抗癌剂的情况下，癌细胞发生基因变异，使蛋白质结构发生变化，产生药剂不能结合的蛋白质时，就会获得抗药性。 (注9 )详情见相关新闻发布会①② (注10 )详情见以下 迷你马达， s.et al.hydrox amic acid–piper idine conjugate is an activated catalyst for lysine acetyl ation under physiological conditions.chem .URL:https://online library.Wiley.com/doi/10.1002/Asia.201901737 〈研究相关咨询〉 东京大学研究生院药学系研究科 教授金井求 tel:03-5841-4830 e-mail:kanai @ mol.f.u-Tokyo.AC.jp 〈报道相关咨询〉 东京大学研究生院药学系研究科总务小组 tel:03-5841-4702 e-mail:sho mu @ mol.f.u-Tokyo.AC.jp 千叶大学宣传室 tel:043-290-2018 e-mail:koho-press @ chiba-u.jp |
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