[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. なぜクロスカップリングは日本で発展したのか?
  2. 反芳香族性を示すπ拡張アザコロネン類の合成に成功
  3. 持てるキャリアを生かせるUターン転職を その難題をクリアしたLH…
  4. 天然物界70年の謎に終止符
  5. 3Mとはどんな会社? 2021年版
  6. クロう(苦労)の産物!Clionastatinsの合成
  7. 天然階段状分子の人工合成に成功
  8. ここまでできる!?「DNA折り紙」の最先端 ② ~巨大な平面構造…

注目情報

ピックアップ記事

  1. 大森 建 Ken OHMORI
  2. 生命由来の有機分子を見分ける新手法を開発
  3. ベンゾ[1,2-b:4,5-b’]ジチオフェン:Benzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophene
  4. 点群の帰属 100 本ノック!!
  5. 金属ナトリウム分散体(SD Super Fine ™)
  6. 英会話とプログラミングの話
  7. 大学院生になっても宿題に追われるってどないなんだが?【アメリカでPh.D.を取る–コースワークの巻–】
  8. 分子標的薬、手探り続く
  9. 変わったガラス器具達
  10. お前はもう死んでいる:不安定な試薬たち|第4回「有機合成実験テクニック」(リケラボコラボレーション)

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

“とび跳ねる水滴”に潜む物理 〜接触時間とエネルギー源で読む撥水・防氷のテク〜

熱したフライパンに落ちた水滴が、玉になってコロコロと走り回り、冷えた面では、結露水が合体した瞬間に跳…

AI時代に研究者がすでに持っている力・これから伸ばしたい力

論文要約や文献検索など、研究現場でもAI活用が日常化する一方、「自分の仕事の先行き」に漠然とした不安…

miHub®を活用した探索的データ解析の実践

開催概要研究開発においてデータ活用が進む中、機械学習モデルの構築や予測解析に…

“ある特効薬”のはなし ~本田宗一郎氏の回想から

Tshozoです。最近実家に戻っては色々と廃棄するなどの店じまいを少しずつ進めているのですが、中…

高分子鎖を束ねた新しい共重合体「束状共重合体」が誕生

第715回のスポットライトリサーチは、東京大学大学院 工学系研究科(植村研究室)に所属されていた亀谷…

2026年「有機溶媒危機」へのアンサー。北大発・メカノクロスが挑む、溶媒に依存しない新たな合成法 = “メカノケミカル有機合成”の社会実装

株式会社メカノクロスは、メカノケミカル有機合成技術の社会実装に挑む北海道大学発の…

“壊れないよう” に作ってきた半導体ポリマーを、あえて “壊れるよう” に作る化学

半導体ポリマーは長いあいだ、「いかに壊れにくく、長持ちさせるか」といったような安定性を競って進歩して…

有機合成化学協会誌2026年7月号:固体高分子電解質・電子ドナー・アクセプター錯体・機械学習法・trichodermamide類・エナンチオ選択的スキップジエン合成法

有機合成化学協会が発行する有機合成化学協会誌、2026年7月号がオンラインで公開されています。…

第62回Vシンポ「見えない空気を科学する~センサによる室内環境・臭気の見える化と快適空間デザインの最前線~」を開催します!

こんにちは、Macyです。第62回Vシンポのご案内をさせていただきます。今回は、前回同様…

【協和ファーマケミカル】新卒採用情報(2028年卒)

協和ファーマケミカルが求めているのは、有機合成の知識や実験経験を身につけ、活かし…

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