細胞内アロステリック調節剤によるニューロテンシン受容体1のアレスチン偏向作動の分子メカニズム

2025-04-13 Sun
Gタンパク質共役型受容体アロステリック調節剤アレスチン偏向作動ニューロテンシン受容体1 クライオ電子顕微鏡構造シグナル伝達創薬
学術的背景Gタンパク質共役受容体（GPCRs）は、ヒトの細胞表面で最も豊富な受容体ファミリーであり、FDA承認薬物の中で最も一般的なターゲットです。GPCRsは、疼痛、糖尿病、心血管疾患、がんなど、さまざまな疾患の治療において重要な役割を果たしています。しかし、GPCRsの薬物開発には多くの課題があり、特に受容体サブタイプの選択性とターゲットおよび非ターゲット副作用の制御が問題となっています。従来のオーソステリックリガンド（orthosteric ligands）ではこれらの問題を解決することが難しいため、オーソステリックポケット外に作用するアロステリック調節剤（allosteric modulators）の開発が有望な戦略として注目されています。アロステリック調節剤は、内因性リガンドのシグナル伝達を選択的に増強または抑制し、優れた受容体サブタイプ選択性を提供します。
近年、バイアスドアロステリック調節剤（biased allosteric modulators, BAMs）と呼ばれる分子が注目を集めています。BAMsはアロステリック調節機能に加えて、受容体シグナル伝達をGタンパク質またはβ-arrestin経路に偏向させることで、特定の副作用を回避することができます。これまでに、BAM結合状態でのGPCRとGタンパク質またはGPCRキナーゼ（GRK）の複合体構造が解明されていますが、BAM結合状態でのGPCRとβ-arrestinの複合体構造は未解明のままであり、BAMsの包括的な薬理特性の理解が制限されています。
本研究は、BAMがどのようにGPCRとβ-arrestinの相互作用を調節するかを明らかにすることを目的としており、特にニューロテンシン受容体1（NTSR1）とβ-arrestin1およびBAM SBI-553の高分解能クライオ電子顕微鏡構造を解明することで、この重要な知識の空白を埋めることを目指しています。
論文の出典本論文は、中国科学技術大学、清華大学、中国科学院上海薬物研究所などの研究者であるDemeng Sun、Xiang Li、Qingning Yuanらによって共同で執筆され、2025年3月21日に『Cell Research』誌にオンライン掲載されました。
研究の流れと結果1. リン酸化NTSR1の化学合成研究ではまず、C末端に6つのリン酸化部位を持つNTSR1を生成するための化学的タンパク質合成戦略を開発しました。NTSR1のC末端のリン酸化は、β-arrestin1のリクルートと活性化に重要です。研究チームは、異なるリン酸化パターンを持つNTSR1 C末端ペプチドを合成し、蛍光偏光実験を用いてこれらのペプチドとβ-arrestin1の親和性を検証しました。その結果、6つのリン酸化部位（Ser401/Ser403/Ser404およびThr407/Ser409/Ser410）を持つペプチドは、β-arrestin1に対する親和性が著しく向上し、解離定数（Kd）は35 nMでした。
2. NTSR1-β-arrestin1-SBI-553複合体の組み立てと構造解析研究チームは、化学的に合成した6リン酸化NTSR1を用いて、NTSR1-β-arrestin1-SBI-553複合体を組み立て、クライオ電子顕微鏡技術を用いてその高分解能構造（2.65–2.88 Å）を解明しました。構造解析により、SBI-553の結合がNTSR1の細胞内領域に著しい再構築を引き起こし、特に細胞内ループ3（ICL3）と膜貫通ヘリックス6（TM6）領域が変化することが明らかになりました。この再構築により、ICL3がβ-arrestin1の中央尾根の腔に挿入され、従来の「コア結合」構造とは異なる独特の「ループ結合」構造が形成されることがわかりました。
3. 構造比較と機能分析SBI-553結合および非結合のNTSR1-β-arrestin1複合体構造を比較した結果、SBI-553の結合がNTSR1の細胞内領域の構造を著しく変化させ、特にTM5とTM6の細胞質端に影響を与えることが明らかになりました。さらに、SBI-553はNTSR1の細胞内領域と広範な疎水性相互作用を形成し、複合体構造を安定化させることがわかりました。機能実験では、SBI-553がβ-arrestin1のリクルートを著しく増強し、Gαqタンパク質のシグナル伝達を抑制することが示されました。
4. β-arrestin1とNTSR1の相互作用メカニズム研究では、「ループ結合」構造におけるNTSR1とβ-arrestin1の相互作用界面を詳細に解析しました。ICL3はβ-arrestin1の中央尾根の複数のループと広範な水素結合および塩橋相互作用を形成し、ICL1はβ-arrestin1のラリアットループ（lariat loop）と水素結合を形成します。これらの相互作用は複合体構造を安定化させ、β-arrestin1のリクルートを促進します。
5. リン酸化C末端とβ-arrestin1の結合研究では、NTSR1のリン酸化C末端がβ-arrestin1のN葉と結合し、電荷相補的な相互作用を形成することが観察されました。リン酸化されたThr407、Ser409、およびSer410は、β-arrestin1の複数の正電荷残基と安定な水素結合および塩橋を形成し、複合体の安定性をさらに高めました。
研究の結論と意義本研究は、BAM結合状態でのGPCRとβ-arrestinの複合体構造を初めて解明し、SBI-553がNTSR1の「ループ結合」構造を誘導することで、β-arrestin1のリクルートを選択的に増強するメカニズムを明らかにしました。この発見は、BAMがGPCRとβ-arrestinの相互作用を調節するメカニズムに関する重要な知識の空白を埋め、より安全で効果的なGPCR標的薬物の開発に重要な構造的基盤を提供します。
研究のハイライト高分解能構造解析：本研究は、NTSR1-β-arrestin1-SBI-553複合体の高分解能クライオ電子顕微鏡構造（2.65 Å）を解明し、GPCR-β-arrestin複合体の中で最も高い分解能を達成しました。
独特の「ループ結合」構造：研究では、β-arrestin1とGPCRの新しい結合モードである「ループ結合」構造を発見しました。この構造は、これまでのGPCR-β-arrestin複合体では観察されていませんでした。
化学的タンパク質合成戦略：研究チームは、C末端に6つのリン酸化部位を持つNTSR1を生成するための化学的タンパク質合成戦略を開発し、リン酸化がGPCR機能に及ぼす影響を研究するための重要なツールを提供しました。
バイアスドシグナル伝達メカニズム：研究では、SBI-553がNTSR1の構造を調節することで、β-arrestin1のリクルートを選択的に増強するメカニズムを明らかにし、バイアスドGPCR薬物の開発に新たな視点を提供しました。
その他の価値ある情報本研究では、SBI-553とNTSR1の結合に関する詳細な分子メカニズムも提供しており、SBI-553とNTSR1の細胞内領域との疎水性相互作用や、SBI-553がNTSR1の構造を変化させることでGタンパク質の結合を阻害するメカニズムが明らかになりました。これらの発見は、BAMの分子メカニズムを理解するための新たな視点を提供し、BAMの設計をさらに最適化するための重要な参考資料となります。
本研究を通じて、科学者たちはGPCRとβ-arrestinの相互作用に関する重要な知識の空白を埋めるだけでなく、より安全で効果的なGPCR標的薬物の開発に重要な構造的基盤を提供しました。この研究成果は、GPCR薬物開発のさらなる進展を促進し、さまざまな疾患の治療に新たな戦略を提供する可能性があります。