[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

システインの位置選択的修飾を実現する「π-クランプ法」

[スポンサーリンク]

2016年、マサチューセッツ工科大学・Bradley L. Penteluteらは、ペプチドやタンパク質にπ-クランプ配列 (Phe-Cys-Pro-Phe) を導入することにより、当該配列内のシステイン残基のみを選択的に修飾できる方法論の開発に成功した。

“π-Clamp-mediated cysteine conjugation”
Zhang, C.; Welborn, M.; Zhu, T.; Yang, N. J.; Santos, M. S.; Voorhis, T. V.; Pentelute, B. L.* Nat. Chem. 2016, 8, 120–128. doi:10.1038/nchem.2413

問題設定

従来のタンパク質の位置選択的修飾は他官能基との反応性が低い反応剤や,特定位置での反応を促進させる触媒を用いて達成されていた。
また、システイン(Cys)残基選択的修飾では、マレイミドによるライゲーションもしくはアルキル化が用いられてきたが,これらは位置選択的修飾ができないために利用は限られていた。
タンパク質はその三次元構造により特定の反応や相互作用を制御している事実に照らし合わせれば、特定配列が本反応を加速しうるのではないかとの着想を得て、新たに本手法が見出された。

技術や手法のキモ

著者らはパーフルオロアリール基とCysとの芳香族求核置換反応が、有機溶媒中では進行する一方で水中では反応速度が極めて遅いことを見出していた[1]。
そこで、Xaa-Cys-Xaa-Xaa-Gly-Leu-Leu-Lys配列(Xaaは任意アミノ酸)のペプチドライブラリーに、ビオチン-パーフルオロアリールプローブ(TEVプロテアーゼで切断可能な配列を組み込んである)を投入し,ストレプトアビジンを用いるpull-down法を適用したところ、Phe-Cys-Pro-Trp配列含有ペプチドが優先的に反応していることが同定された。

さらに9残基からなるペプチド (Xaa-Cys-Pro-Xaa-Gly-Leu-Leu-Lys-Asn-Lys) を基質として反応の検討を行ったところ、XaaがともにPheの場合は定量的な収率が得られるのに対し,Xaaのどちらか一方でもPheからGlyとなった場合や、ProがD-Proとなった場合には収率の大きな低下が見られた。
このようにして最終的にπ-クランプ (Phe-Cys-Pro-Phe)と呼ばれる特殊配列を見いだすことに成功している。

主張の有効性検証

Cys残基を複数含むペプチド・タンパク質において、π-クランプ配列に含まれるCys残基のみを選択的にパーフルオロアリール化できることを以下の実験で示している。

①競合実験

π-クランプを含むペプチドと、π-クランプの一部がGlyに変異したペプチドが競合的に存在する条件下で反応を行ったところ、π-クランプを含むペプチドのみが選択的に、かつ定量的に反応が進行した。

②ペプチドにおける選択性確認実験

N末にCys, C末にπ-クランプを持ち,その間をTEVプロテアーゼによって切断することのできるモデルタンパク質を用いて検討を行った.この結果、π-クランプのCysのみが高い位置選択性で修飾されていることが確認された。

③各種タンパク質への適用

N末にπ-クランプを導入したSortase Aに対し本反応を適用した。Cysを複数含んでいるものの、π-クランプの一か所のみが修飾されていること、また酵素活性が低下しないことが示されている。
また、抗体に対しても応用し、抗体―薬物複合体(ADC)の製造へも応用している。Cysを標的とした位置特異的修飾は既存条件では不可能で有り、ADCは不均質混合物として供給されていた。
著者らはトラスツズマブやセツキシマブにπ-クランプを導入したうえで本反応を行い、π-クランプを含む抗体の選択的な修飾に成功している。また修飾後の抗体は抗原親和性が大きく変化せず、抗原を発現した細胞に対しても結合活性を保っている。

④π-クランプの構造化学・反応機構の示唆

分子動力学計算(MD) を用いたペプチドのコンフォメーション解析や、密度汎関数法 (DFT)による反応エネルギー解析が行われている。これによると、下図の4つ (Clamp, Half-Clamp, Phe-Phe face on, Open) が、π-クランプ配列が取り得る主要な配座となっている。

冒頭論文より引用

このうちClamp構造を取っている場合には,アリール化生成物のエネルギーや遷移状態のエネルギーが特に低くなり有利になる。これはPheの芳香環側鎖がパーフルオロアリール基を認識し、またCysの硫黄原子を活性化するためだと推測されている。また本解析により、π-クランプ配列4番目のPheがアリール化を行うに当たって特に重要であることが見出されている。

冒頭論文より引用

議論すべき点

  • π-クランプの位置がペプチドのアミノ酸配列のC末,N末,中間いずれにおいても非常に良好な収率で得られる。タンパク質の活性中心を避けてπ-クランプ配列を導入することで任意の位置が修飾可能なため、応用の幅は広い。
  • タンパク質が変性せず機能する条件(温度,pHなど)に制約があるように、π-クランプが有効に働く条件の制約はあるか?

次に読むべき論文は?

π-クランプ法の詳細な機構解析を行っている続報が、Pentelute自身らによって報告されている[2]。
π-クランプのProがtrans配座を取ることがパーフルオロアリール基捕捉機能に重要であることや,生成物においてPhe側鎖がパーフルオロアリール基と相互作用していることなどが述べられている。
これらの研究からπ-クランプ配列の変異体である下記ペプチドにおいては、85倍の反応加速効果があることが見いだされている。α-Me-Proによるtrans配座固定と,pyrenyl基とのπ-π相互作用が重要とされる。

参考文献

  1. Spokoyny, A. M.; Zou, Y.; Ling, J. J.; Yu, H.; Lin, Y.-S.; Pentelute, B. L. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 5946. DOI: 10.1021/ja400119t
  2. Dai, P.; Williams, J. K.; Zhang, C.; Welborn, M.; Shepherd, J. J.; Zhu, T.; Voorhis, T. V.; Hong, M.; Pentelute, B. L. Sci. Rep. 2017, 7, 7954. doi:10.1038/s41598-017-08402-2
Avatar photo

cosine

投稿者の記事一覧

博士(薬学)。Chem-Station副代表。国立大学教員→国研研究員にクラスチェンジ。専門は有機合成化学、触媒化学、医薬化学、ペプチド/タンパク質化学。
関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。
素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

関連記事

  1. 食べず嫌いを直し始めた酵素たち。食べさせれば分かる酵素の可能性!…
  2. 光学迷彩をまとう海洋生物―その仕組みに迫る
  3. ラジカルパスでアリールをホウ素から炭素へパス!
  4. 重いキノン
  5. アレ?アレノン使えばノンラセミ化?!
  6. 第二回ケムステVシンポ「光化学へようこそ!」開催報告
  7. チオール架橋法による位置選択的三環性ペプチド合成
  8. 有機フォトレドックス触媒による酸化還元電位を巧みに制御した[2+…

注目情報

ピックアップ記事

  1. 化学系面白サイトでちょっと一息つきましょう
  2. ランバーグ・バックランド転位 Ramberg-Backlund Rearrangement
  3. Modern Method of Organic Synthesis
  4. 化学研究者のためのやさしくて役に立つ特許講座
  5. カルベン触媒によるα-ハロ-α,β-不飽和アルデヒドのエステル化反応
  6. 萩反射炉
  7. ヘテロ環、光当てたら、減ってる環
  8. 触媒化学を基盤に展開される広範な研究
  9. サノフィ・アベンティスグループ、「タキソテール」による進行乳癌の生存期間改善効果を発表
  10. TLCと反応の追跡

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2018年1月
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031  

注目情報

最新記事

「MI×データ科学」コース 〜LLM・自動実験・計算・画像とベイズ最適化ハンズオン〜

1 開講期間2026年5月26日(火)、29日(金) 計2日間2 コースのねらい、特色近…

材料の数理モデリング – マルチスケール材料シミュレーション –

材料の数理モデリング概要材料科学分野におけるシミュレーションを「マルチスケール」で理解するた…

第59回天然物化学談話会@宮崎(7/8~10)

ごあいさつ天然物化学談話会は、全国の天然物化学および有機合成化学を研究する大学生…

トッド・ハイスター Todd K. Hyster

トッド・カート・ハイスター(Todd Kurt Hyster、1985年10月10日–)はアメリカ出…

“最難関アリル化”を劇的に加速する固定化触媒の開発

第 703回のスポットライトリサーチは、横浜国立大学大学院 理工学府 博士課程前期で…

「ニューモダリティと有機合成化学」 第5回公開講演会

従来の低分子、抗体だけでなく、核酸、ペプチド、あるいはその複合体(例えばADC(抗体薬物複合体))、…

溶融する半導体配位高分子の開発に成功!~MOFの成形加工性の向上に期待~

第702回のスポットライトリサーチは、関西学院大学理学部(田中研究室)にて助教をされていた秋吉亮平 …

ミン・ユー・ガイ Ming-Yu Ngai

魏明宇(Ming-Yu Ngai、1981年X月XX日–)は米国の有機化学者である。米国パデュー大学…

第55回複素環化学討論会

複素環化学討論会は、「複素環の合成、反応、構造および物性」をテーマとして、化学・薬学・農芸化学など幅…

逐次的脱芳香族化と光環化付加で挑む!Annotinolide B初の全合成

Annotinolide Bの初の全合成が報告された。キノリンの逐次的な脱芳香族化と分子内光環化付加…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP