動物に対しても有効なジカウイルスプロテアーゼ阻害剤が新たに開発された。またX線結晶構造解析によりその阻害様式も明らかにした。

 ジカウイルスプロテアーゼの阻害剤開発

ジカウイルス(ZIKV)はフラビウイルス科に属するRNAウイルスであり、デングウイルス(DENV)や西ナイルウイルス(WNV)と同様にヤブカにより媒介される。ヒトに感染すると発熱、発疹、嘔吐などの諸症状が現れるほか、ギラン・バレー症候群の発症リスクが高まる。また、妊婦が感染した場合は母子感染による新生児の小頭症の原因となりうる。しかしZIKVに対する有効な薬やワクチンはなく、抗ウイルス剤の開発が望まれる。
ZIKVやDENVのRNAがコードするNS2B–NS3プロテアーゼはウイルスの複製に必須であるため創薬標的として注目されてきた^[1]。フラビウイルス間で高度に保存されており、高いアミノ酸配列類似性をもつ。NS2B–NS3プロテアーゼの構造研究や阻害剤開発はDENVを中心になされてきた^[2]。ZIKVのNS2B–NS3プロテアーゼに対する阻害剤もこれまでにいくつか知られているが、Kleinらが報告したcn-716(1)などのペプチド系阻害剤は膜浸透性や代謝安定性が低く、細胞や動物モデルに対して顕著な抗ウイルス活性を示さない^[3]。一方、非ペプチド系阻害剤はLiらによってtemoporfin(2)やNSC135618(3)が報告されているものの阻害活性が比較的弱く、プロテアーゼとの結合様式も不明である(図1B)^[4]。
今回、Songらはヒストン修飾酵素阻害剤ライブラリーのスクリーニングとSAR研究により、ZIKVに対して高い抗ウイルス活性を示す阻害剤4の創製に成功した(IC₅₀= 200 nM)。またX線結晶構造解析により、4がNS2B-NS3プロテアーゼのアロステリック阻害剤であることを明らかにした。さらにZIKV感染モデルマウスに対して4を投与しin vivoにおける抗ZIKV活性を示した。

図1.(A) ペプチド系ZIKVプロテアーゼ阻害剤 (B) 非ペプチド系ZIKVプロテアーゼ阻害剤と今回見出した阻害剤

“Discovery, X‐ray Crystallography and Antiviral Activity of Allosteric Inhibitors of Flavivirus NS2B-NS3 Protease”
Yao, Y.; Huo, T.; Lin, Y.-L.; Nie, S.; Wu, F.; Hua, Y.; Wu, J.; Kneubehl, A. R.; Vogt, M. B.; Rico-Hesse, R.; Song, Y. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6832.
DOI: 10.1021/jacs.9b02505

論文著者の紹介

研究者：Yongcheng Song (YouTube: https://youtu.be/CPPOVDS0tvY)
研究者の経歴：
-2000 Ph.D, National University of Singapore
2001-2003 Post-Doctoral Fellowship, Tokyo Institute of Technology
2003-2008 Post-Doctoral Fellowship, University of Illinois, Urbana-Champaign
2008- Assistant Professor, Baylor College of Medicine
研究内容：がんや感染症の関連タンパク質を標的とした新規小分子阻害剤の開発

論文の概要

著者らは、化合物スクリーニングから得られた5(IC₅₀= 21.7 µM)および6(IC₅₀= 3.14 µM)をリード化合物として4をはじめとする計7種類の誘導体を合成した(詳細は論文参照、図2A)。SAR研究の結果ZIKVプロテアーゼの阻害活性にはエーテル結合、中心のピラジン骨格、末端のフラン骨格が重要であることが明らかになった。なお、4は他のフラビウイルスに対しても強い阻害活性を示す一方、ヒトの各種プロテアーゼに対してはほとんど活性を示さない。
次に化合物4とNS2B-NS3プロテアーゼ複合体のX線結晶構造解析を行い、4がアロステリック阻害剤であることを示した。フラビウイルスプロテアーゼはセリンプロテアーゼドメインをもつNS3とNS2Bからなる複合体であり、NS2BがNS3を取り囲む閉構造がプロテアーゼ活性を示す(図2B)。解析の結果、阻害剤4とプロテアーゼ複合体は開構造をとることが分かった。また二つのループ構造が外側に押し出されること、阻害剤が入り込むL字型の深いポケットが形成されることも、阻害剤の結合によって引き起こされる特徴的な構造変化である。開構造ではNS2Bがフォールディングできず、プロテアーゼは基質結合部位を形成できない(図2C)。阻害剤はこの開構造を安定化することで、プロテアーゼと基質との結合を妨げることが示唆された。
続いてin vivoでの4の抗ZIKV活性を評価した。ZIKVに感染したマウスに対して4を一日あたり20または30 mg/kgで三日間投与した結果、マウスの生存期間が延長した(図2D)。
以上、in vivoにおいて抗ジカウイルス活性を示す小分子が開発された。またX線結晶構造解析によりその阻害様式も明らかにした。ヒトにも有効なジカウイルス治療薬の開発に期待したい。

図2. (A) SAR研究 (B) プロテアーゼの開/閉構造 (C) プロテアーゼ複合体の結晶構造 (D) in vivoでの活性評価 (論文より引用)

参考文献

1. Kang, C.; Keller, T. H.; Luo, D.Trends Microbiol. 2017, 25, 797. DOI: 1016/j.tim.2017.07.001
2. Nitsche, C.; Holloway, S.; Schirmeister, T.; Klein, C. D. Chem. Rev. 2014,114, 11348. DOI: 10.1021/cr500233q
3. (a) Lei, J.; Hansen, G.; Nitsche, C.; Klein, C. D.; Zhang, L.; Hilgenfeld, R. Science 2016, 353, 503. DOI: 1126/science.aag2419(b) Nitsche, C.; Zhang, L.; Weigel, L. F.; Schilz, J.; Graf, D.; Bartenschlager, R.; Hilgenfeld, R.; Klein, C. D. J. Med. Chem. 2017, 60, 511. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.6b01021
4. (a) Li, Z.; Brecher, M.; Deng, Y. Q.; Zhang, J.; Sakamuru, S.; Liu, B.; Huang, R.; Koetzner, C. A.; Allen, C. A.; Jones, S. A.; Chen, H.; Zhang, N. N.; Tian, M.; Gao, F.; Lin, Q.; Banavali, N.; Zhou, J.; Boles, N.; Xia, M.; Kramer, L. D.; Qin, C. F.; Li, H. Cell Res. 2017, 27, 1046. DOI: 1038/cr.2017.88(b) Brecher, M.; Li, Z.; Liu, B.; Zhang, J.; Koetzner, C. A.; Alifarag, A.; Jones, S. A.; Lin, Q.; Kramer, L. D.; Li, H. PLoS Pathog. 2017, 13, No. e1006411. DOI: 10.1371/journal.ppat.1006411