From Structural Biology to Drug Discovery

Yamanouchi Pharmaceutical Co. Ltd., Toshio Furuya

Developments in molecular biology make it possible to obtain experimentally useful quantities of receptor proteins of potential terapeutic importance. Techincal advances in X-ray crystallography, multidimentional NMR methods and computational procedures including various molecular modeling techniques have made it easier to obtain valuable structural data for many important receptor-ligand complexes and make possible design rationally novel, high affinity and highly specific molecules. Since many proteins regulate key biological functions such as signal transduction, physiological regulation and enzymatic reactions via interaction with receptor proteins and nucleic acids, they are often prime targets for therapeutic agents. Therfore structure biology is promised to contribute to discovery of novel drugs by the use of protein structure-based and mecanism-based data.

われわれの生命健康は細胞内に秘められている30億ビット以上の遺伝情報の指令にも とづいて酵素やホルモンなどの有用生理活性物質が生体内で産生さ札、免疫機構が動員されることにより維持されている。生命の基本的な機能を司るタンパク質などの生体高分子の持つ本来の機能を解明するためにはこれらが機能している状態における、これらの立体的な構造や物性を理解することが出発点となる。ヒトの疾病や病態を治癒し、健康を回復する役割を担っているのが医薬品であるが、生体中での機能にもとづいたより優れた医薬品を創り出すことは医薬品産業で働く研究者に課せられた重要な使命であり、夢でもある。

構造生物学の始まりについては詳しいことは知らない。WatsonとCrickの2重らせんモ デルに遡ると考えてもよいのかも知れないが、実際には1980年代になってから、米国 において遺伝子工学の発展によりタンパク質を大量に発現できるようになり、かつまた、構造解析技術の様々な進展により、これらの融合の結果として、構造生物学の飛躍的な発展がもたらされたと見るべきであろう。この間の構造解析技術における具体的な進展としては、X線構造解析においては2次元検出器による回折データ収集の迅速かつ高精度化な らびにシンクロトロン放射施設の出現によるX線源の多様化と高輝度化が可能となり、新 しい解析方法などと相俟って、短期間に新規のタンパク質の構造が解かれるようになった。また、NMRにおいても、高磁場化がすすみ、多次元NMRによりタンパク質の構造解析法 が確立され分子量2万程度までのタンパク質の構造解析が可能になった。さらには、計算 速度の高速化やグラフィックス端末の高性能化もあり、解析スピードが飛躍的に増したことから、タンパク質の構造解析が研究全体の中でのボトルネックにならない場合も散見さ れるようになり、製薬企業における研究においてもレセプター(生体内リガンドが結合す る酵素などを含めた広義の標的タンパク質)の構造情報を積極的に利用した、いわゆる、 ラショナルドラックデザインとして登場し、今や創薬研究に組み込まれつつある。レセプターとリガンドとの複合体の構造解析が行われ、相互作用様式を解明し、これに基づいて新たに分子をデザインし、活性を評価し、さらにその複合体の構造解析をして、デザインした分子の妥当性を検証するというサイクルを繰り返すことにより、効率よくレセプターに対して高親和性かつ高選択的な医薬品を創り出すことも可能になってきた。

分子生物学研究の進展による生体内における機能発現機構の分子レベルでの解明も進み つつある。例えば、生理活性を持つリガンドが細胞膜表面に内在するレセプターに結合すると、その活性シグナルは細胞膜表面から細胞質を経て核に至るシグナル伝達として、分子の構造と機能が関与することが次々に明らかにされつつある。この場合、細胞表面にあるレセプターを標的とするのみならず、2次メッセンジャー、タンパク質キナーゼ、DNA 結合タンパク質などを標的とすることも可能となってきた。そして、それを調節する分子の最適化には勿論従来からの定量的構造活・性相関法や分子モデリング法を適用することの他、機能発現に関与しているタンパク質およびこれらと相互作用するリガンドとの複合体の3次元構造解析に基づくアプローチも可能となってきた訳で、構造生物学はメカニズムと構造の両面からラショナルに創薬に貢献できるようになってきた。

このような構造生物学の最近の成果として、細胞内シグナル伝達系の果たす役割の重要 性が認識され、その要素物質の構造と機能の解明に大きな関心が寄せられている。細胞内シグナル伝達の重要なステップの1つであるチロシンのリン酸化について、v-srcなどのチロシンキナーゼのSH2ドメインとリン酸化チロシンを含むペプチドとの複合体の立体構造 が幾つか報告されている。これらの結果はシグナル伝達におけるリン酸化チロシンの認識機構を明らかにすると共に、SH2ドメインの阻害剤のデザインにおいても有用な情報をも たらすもので、新規の薬理作用に対する低分子リード化合物の提示が可能となる。この研究では複合体の構造が明らかになっているので、両者の分子認識についてコンピュータによる理論計算や分子モデリングを含めた解析を行うことを可能にし、デザイン、合成、活性評価、複合体の構造解析というラショナルドラックデザインのサイクルを回すことにより、リード化合物の構造最適化へと今後進展していくであろう。この研究に見られるように、かつては概念に過ぎなかった生体内のレセプターのイメージが具体的な描像を与え、推測されるレセプターから逆に適切な生体制御物質をデザインすることやレセプターとの複合的な相互作用を明らかにすることなどが実験的に、あるいは、コンピュータシミュレーションの技術により現実のものとなりつつある。

このように分子の構造に基づいて生体内における機能発現機構を明らかにする構造生物 学が極めて重要な役割を担うようになり、新たなる構造生物学的な知見が決してブレイクスルーなどと大袈裟な言い方をすることなく創薬研究に大きく貢献し始めようとしている。さらに、特筆すべきことは、レセプターの単に静的な構造だけでなく、相互作用に伴うコンフォメーション変化、ホモダイマーあるいはヘテロダイマー化による制御、リン酸化といった動的変化に対する構造解析が可能になったことでる。喜ぶべきことにTARA坂部プロジェクトはこのような標的タンパク質の動的な構造解析が実際可能である。こうした結果から創薬研究の新しいストラテジーも生まれてくることであろう。

しかしながら、構造生物学的な研究は構造解析の部分だけをとっても、基盤となる設備 が必要であり、また、幅広い分野の知識が必要であるため、多岐にわたる分野の研究者の緊密な連携があって、はじめて評価の高い研究が行われることになる。とても1つの研究 グループでこれらのヒト、モノ、カネを揃えることはできることではない。私はかねがね日本人研究者は個々には優秀な研究者がいるにもかかわらず、世界的に評価される研究が乏しいことはこのようなところに問題のユつがあるのではないかと思っている。すなわち、学際的な研究体制での研究に欠けているのではにだろうか。"つくば"には官・学・民の優秀な人材が大勢いて、恐らく、人材密度としては日本一ではないかと想像している。フォトンファクトリーや750MHzのNMRもある。このような基盤設備のなかで官学民の人材 が融合することにより、独創的かつ画期的な研究が成し遂げられる素地があるとみるべきであろう。その一つに創薬研究もあり、これまでに述べてきたように、研究の標的は構造生物学の進展に伴い限りない広がりをみせており、標的タンパク質に対して、高親和性かつ高選択的な医薬品の開発が可能でこのような研究こそが独創的かつ画期的な医薬品の開発を目的とする創薬研究ではないであろうか。