Plk1
は細胞分裂において種々の基質をリン酸化し細胞分裂を制御しているが、その制御 にはPBD
を介したPlk1
の細胞分布が重要であることが報告されている3-1-11)。Plk1
のPBD
に対して結合するSer-pSer/pThr
モチーフを持つタンパク質は多数知られており 3-1-1)、そ の中の一つであるpolo-box-interacting protein 1 (PBIP1)
がPlk1
の細胞内局在に関与し ている3-1-12)(Figure 3-1-4)
。Figure 3-1-4. PBIP1
を介したPlk1
の細胞局在(
論文3-1-12)より改編)
71
3-1-3.
抗 が ん 剤 の タ ー ゲ ッ ト と し て のPlk1
Plk1
は非小胞肺がんや頭頸部がん等、種々のがん細胞に過剰発現しており、Plk1
を阻害 すると細胞分裂の停止・細胞増殖抑制・アポトーシス誘導・腫瘍縮小が起こることが知られている3-1-2)。現在、
Plk1
をターゲットとした抗がん剤(Figure 3-1-5)
の臨床試験が行われている3-1-13)。これら化合物はいずれも
ATP
と競合的に作用することで、Plk1
阻害活性を示す。
Figure 3-1-5.
現在臨床試験中のATP
競合型Plk1
阻害による抗がん剤3-1-13)3-1-13)
a) BI2536; 1) Steegmaier M, Hoffmann M, Baum A, Lénárt P, Petronczki M, Krssák M,
Gürtler U, Garin-Chesa P, Lieb S, Quant J, Grauert M, Adolf GR, Kraut N, Peters JM, Rettig WJ. “BI 2536, a potent and selective inhibitor of polo-like kinase 1, inhibits tumor growth in vivo.” Curr. Biol . 2007, 17 , 316; 2) Sebastian M, Reck M, Waller CF, Kortsik C, Frickhofen N, Schuler M, Fritsch H, Gaschler-Markefski B, Hanft G, Munzert G, von Pawel J. “The efficacy and safety of BI 2536, a novel Plk-1 inhibitor, in patients with stage IIIB/IV non-small cell lung cancer who had relapsed after, or failed, chemotherapy: results from an open-label, randomized phase II clinical trial.” J. Thorac. Oncol. 2010, 5 , 1060; b) BI6727; 1) Rudolph D, Steegmaier M, Hoffmann M, Grauert M, Baum A, Quant J, Haslinger C, Garin-Chesa P, Adolf GR. “BI 6727, a Polo-like kinase inhibitor with improved pharmacokinetic profile and broad antitumor activity.” Clin. Cancer Res. 2009, 15 , 3094; 2) Schöffski P, Awada A, Dumez H, Gil T, Bartholomeus S, Wolter P, Taton M, Fritsch H, Glomb P, Munzert G. “A phase I, dose-escalation study of the novel Polo-like kinase inhibitor volasertib (BI 6727) in patients with advanced solid tumours.” Eur. J. Cancer 2012, 48 , 179; c) GSK461364; Olmos D, Barker D, Sharma R, Brunetto AT, Yap TA, Taegtmeyer AB, Barriuso J, Medani H, Degenhardt YY, Allred AJ, Smith DA, Murray SC, Lampkin TA, Dar MM, Wilson R, de Bono JS, Blagden SP. “Phase I study of GSK461364, a specific and competitive Polo-like kinase 1 inhibitor, in patients with advanced solid malignancies.” Clin. Cancer Res. 2011, 17 , 3420; d) HMN-214; Garland LL, Taylor C, Pilkington DL, Cohen JL, Von Hoff DD. “A phase I pharmacokinetic study of HMN-214, a novel oral stilbene derivative with polo-like kinase-1-interacting properties, in patients with advanced solid tumors.” Clin. Cancer Res. 2006, 12 , 518 e) NMS-P937; Valsasina B, Beria I, Alli C, Alzani R, Avanzi N, Ballinari D, Cappella P, Caruso M, Casolaro A, Ciavolella A, Cucchi U, De Ponti A, Felder E, Fiorentini F, Galvani A, Gianellini LM, Giorgini ML, Isacchi A, Lansen J, Pesenti E, Rizzi S, Rocchetti M, Sola F, Moll J. “NMS-P937, an orally available, specific small-molecule polo-like kinase 1 inhibitor with antitumor activity in solid and hematologic malignancies.” Mol. Cancer Ther. 2012, 11, 1006
PLHST P
Polo(like,kinase,1,(Plk1)
, polo(box,domain,(PBD) cataly=c,domain,
ATP ADP
ATP Plk1
BI 2536
N N
N
N S
O O
NH2
GSK461364 F3C
MeO SO2 NCOCH3
NO
HMN-214 N
N N
N O
NH
BI 6727 HN
O
N N
OMe N
N N
N O
NH HN
O
N OMe
Curr. Biol. 2007, 17, 316
J. Thorac. Oncol. 2010, 5, 1060 Clin. Cancer Res. 2009, 15, 3094
Eur. J. Cancer 2012, 48, 179 Clin. Cancer Res. 2011, 17, 3420 Clin. Cancer Res. 2006, 12, 5182 F3CO
N N
HN N
N
N N OH
NH2 O
NMS-P937 Mol. Cancer Ther. 2012, 11, 1006
一方で
Plk1
のPBD
における相互作用がPlk1
による細胞分裂制御に必須であることに着 目し、PBD
での相互作用を阻害することで、Plk1
の働きを阻害するペプチド化合物も報告がある3-1-14)
(Figure 3-1-6)
。即ち、PBIP1
とPlk1
の相互作用に重要であるリン酸化Thr78
を含んだペプチド配列由来のペンタペプチド
PLHSpT (Pro-Leu-His-Ser-pThr)
の誘導体 は、PBD
における相互作用を阻害することで、Plk1
の正常な細胞局在形成を阻害し、Plk1
を介した適切なリン酸化を阻害することによって、細胞分裂の停止とアポトーシスを引き 起こすことが報告されている3-1-11)。PLHSpT
ペプチドそのものは膜透過性を有さないため 細胞に対して活性を持たない3-1-11)が、構造展開によって膜透過性の獲得3-1-14 b)や高活性化3-1-13 c)が達成されている。
Figure 3-1-6. PBD
相互作用を阻害するPLHSpT
ペプチド誘導体3-1-14)PLHST P P P
P PLHST
P
Polo(like,kinase,1,(Plk1)
PLHSpT polo(box,domain,(PBD),
cataly=c,domain ,
O NH
N H
N O
NH O
HN N
OH
O HN
NH2 O
O POH O
OH O
PLHSpT peptide (Nat. Struct. Mol. Biol. 2009, 16, 876) IC50 36 µM (cell free(ELISA)) N.A. (cell (HeLa))
O NH
N H
N O
HN O
N N
OH
O HN
NH2 O
POH O
OH O
6 O O
Me 4
PLHSpT peptide derivertive (Nat. Chem. BIol. 2011, 7, 595) IC50 0.03 µM (cell free(ELISA)) 380 µM (cell (HeLa))
O NH
N H
N O
NH O
HN N
OH
O HN
NH2 O
O POH O
OH O
4O
IC50 0.014 µM (cell free(ELISA)) PLHSpT peptide derivertive (ACS Chem. Biol. 2012, 7, 805)
PLHST P
73
また
PBD
相互作用を阻害する非ペプチド型の低分子に関してもいくつか報告がなされて いる3-1-15)(Figure 3-1-7)
。Figure 3-1-7. PBD
相互作用を阻害する非ペプチド型低分子3-1-15)Thymoquinone
は植物のNigella sativa
より単離された天然物であり、スクリーニング によってPlk1-PBD
阻害活性が見いだされた。それを元にpoloxin
およびpoloxipan
が誘導 体として合成された。Thymoquinone
とpoloxin
はPBD
以外でPlk1
と共有結合を形成す る可能性が示唆されていた3-1-16)。しかしながら、近年になってthymoquinone
はPBD
に おいて非共有結合の形式で作用し、PBD
におけるSpT motif
の認識を阻害することがX
線 結晶構造解析によって示された3-1-17)。
Purpurogallin
はnutgalls [
没食子(
もっしょくし)
：ブナ科植物の幼芽に生じる虫こぶ]
より単離された天然物であり、スクリーニングによってPlk1-PBD
におけるタンパク質間 相互作用阻害活が見いだされた3-1-15 c)。またドッキングスタディが行われ、PBD
における 結合様式が推測されている3-1-16)。3-1-15)
a) thymoquinone & poloxin; Reindl W, Yuan J, Krämer A, Strebhardt K, Berg T.
“Inhibition of polo-like kinase 1 by blocking polo-box domain-dependent protein-protein interactions.” Chem. Biol. 2008, 15 , 459; b) poloxipan; Reindl W, Yuan J, Krämer A, Strebhardt K, Berg T. “A pan-specific inhibitor of the polo-box domains of polo-like kinases arrests cancer cells in mitosis.” Chembiochem 2009, 10 , 1145; c) purpurogallin; Watanabe N, Sekine T, Takagi M, Iwasaki J, Imamoto N, Kawasaki H, Osada H. “Deficiency in chromosome congression by the inhibition of Plk1 polo box domain-dependent recognition.” J.
Biol. Chem. 2009, 284 , 2344
3-1-16)
Liao C, Park JE, Bang JK, Nicklaus MC, Lee KS. “Exploring Potential Binding Modes
of Small Drug-like Molecules to the Polo-Box Domain of Human Polo-like Kinase 1.” ACS Med. Chem. Lett. 2010, 1 , 110
3-1-17)
Yin Z, Song Y, Rehse PH. “Thymoquinone blocks pSer/pThr recognition by Plk1 Polo-box domain as a phosphate mimic.” ACS Chem. Biol. 2013, 8 , 303
O
O
N
O O
O
poloxin thymoquinone
OMe
Br S
N
N N
O
O poloxipan
HO HO
OH O OH
purpurogallin Chem. BIol. 2008, 15, 459 ChemBioChem 2009, 10, 1145 J. Biol. Chem. 2009, 284, 2344
3-2 節 非ペプチド・ATP 非競合型 Plk1 阻害薬の創製
3-2-1.
作 業 仮 説著者は
Plk1
のPBD
におけるリン酸化ペプチド認識による相互作用と細胞内局在形成に着目し、「
PLHSpT
配列を模倣した非ペプチド性低分子、即ちPLHSpT
ペプチド等価体の創製により、
Plk1
と基質タンパク質の相互作用を阻害することで、PBD
を介したPlk1
の細胞内 局在形成、およびPlk1
を介したリン酸化を阻害できる」とする作業仮説を構築した。Figure 3-2-1.
作業仮説：PDB
での相互作用を阻害することによるPlk1
阻害
3-1-3
で述べたようにPlk1
阻害薬はATP
競合型キナーゼ阻害薬が複数知られている。しかしながら一般に
ATP
競合型キナーゼ阻害薬は、キナーゼ間でATP
結合ドメインの構造が高 度に保存されているため、標的以外のキナーゼとの選択性が問題となり得る3-2-1)。一方で、本作業仮説の
PBD
での相互作用阻害に基づくPlk1
阻害薬はATP
と競合しないため、選択性 の向上が期待される。加えて標的キナーゼのATP
結合ドメインに変異が入ることにより、がん細胞が抗がん剤に耐性を獲得する事例も多く知られており3-2-2)、
ATP
競合型キナーゼ阻 害薬以外の、作用機序の異なるキナーゼ阻害薬を創製することは有用であると考えられる。しかしながら
3-1-3
で述べた既知のPlk1-PBD
相互作用阻害薬に関しては、ペプチドや天然物 由来の構造であり、必ずしもドラッグライクで構造展開に有利な構造ではない。そこで著者は
PBD
とPLHSpT
ペプチドの複合体X
線結晶構造解析に基づき、PLHSpT
ペプ チド等価体を設計・合成することで、上述の課題を解決したPlk1
阻害薬が創製できると考 えた。PLHST P P P
P PLHST
P
Polo(like,kinase,1,(Plk1)
polo(box,domain,(PBD), cataly=c,domain ,
75
3-2-2.
研 究 目 的著者は本研究の目的を『前述の「
PLHSpT
配列を模倣した非ペプチド性低分子、即ちPLHSpT
ペプチド等価体の創製により、Plk1
と基質タンパク質の相互作用を阻害することで、
PBD
を介したPlk1
の細胞内局在形成、およびPlk1
を介したリン酸化を阻害できる」とした作業仮説に基づいて、
Plk1-PBD
におけるタンパク質間相互作用を阻害し、Plk1
を 介した細胞分裂制御を阻害するATP
非競合型Plk1
阻害薬を創製すること』と設定した。本研究の目的を達成することで、一般に難しいとされる「タンパク質間相互作用を制御す る低分子化合物」を論理的に創製する実証例を提示するとともに、新規骨格・新規作用機 序を有する
Plk1
阻害薬を提案できることが期待された。以下、本研究目的を達成すべく、取り組んだ研究内容について記述する。
3-2-3.
化 合 物 デ ザ イ ン
PLHSpT
ペプチド等価体の化合物デザインにあたり、Plk1
とPLHSpT
ペプチドとの複合体
X
線結晶構造解析を参考にした(Figure 3-2-2)
。Figure 3-2-2. Plk1
とPLHSpT
ペプチドの複合体X
線結晶構造解析PDB ID: 3HIKより作成した。PLHSpTペプチドフラグメントは緑で表示した。Plk1の表面構造における 炭素原子は白で示した。加えて結晶化条件における buffer 中のグリセロールをシアンで示した。また
PLHSpTペプチドの認識に重要なリン酸基を黄色円で、Plk1に特徴的なArg519との相互作用を黄色点線
で示した。