JP7357354B2 - Amyloid β42 cross-linked analog peptide - Google Patents
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本発明は、野生型のアミロイドβ42ペプチドの配列において毒性ターン構造を分子内で架橋し固定した誘導体であるアナログペプチドに関するものである。 The present invention relates to an analog peptide that is a derivative of the wild-type amyloid β42 peptide sequence in which a toxic turn structure is intramolecularly crosslinked and fixed.
アルツハイマー病(Alzheimer’s disease:AD)は、神経変性疾患の一種であるが、現状では未だ有効な治療方法がほとんどなく、ADの発症機構の解明並びに根本的治療法の確立が強く望まれている。近年、ADの発症において、アミロイドβタンパク質(Aβ)(以下、本願明細書においては「アミロイドβペプチド(Aβ)」とも称する)が重要な役割を果たしており、その凝集(オリゴマー化)により神経細胞毒性を示すことが判明してきている。当初は、老人斑(Aβ凝集体)周辺の神経細胞が死滅していることなどから、アミロイド線維であるAβ凝集体を除去することがAD治療に有効と考えられた。しかしながら、老人斑の量とAD病態があまり相関しないことから、アミロイド線維ではなく、準安定なAβオリゴマーが毒性本体であると考えられるようになってきた。但し、その実態は混沌としている。例えば2量体及び3量体を基本単位として12量体、24量体、さらには100量体に及びオリゴマーが報告されているものの、どのオリゴマーが細胞毒性に関わっているのか、またそれらがどのような高次構造をとっているのかについては、殆ど明らかになっていない。さらに、これらのオリゴマーは、単量体と原線維(フィブリル)との平衡状態にあり、純粋なオリゴマーを単離・構造決定することは不可能である。 Alzheimer's disease (AD) is a type of neurodegenerative disease, but there are currently few effective treatments, and there is a strong desire to elucidate the onset mechanism of AD and establish a fundamental treatment method. In recent years, amyloid-β protein (Aβ) (hereinafter also referred to as "amyloid-β peptide (Aβ)") plays an important role in the onset of AD, and its aggregation (oligomerization) causes neuronal cell toxicity. It has been found that this shows that Initially, it was thought that removing Aβ aggregates, which are amyloid fibrils, would be effective in treating AD because nerve cells around senile plaques (Aβ aggregates) were dying. However, since there is little correlation between the amount of senile plaques and AD pathology, it has come to be considered that metastable Aβ oligomers, rather than amyloid fibrils, are the main cause of toxicity. However, the reality is chaotic. For example, oligomers of 12-mer, 24-mer, and even 100-mer have been reported, with dimers and trimers as basic units, but it is unclear which oligomers are involved in cytotoxicity and how they are related to each other. Little is known about whether it has such a higher-order structure. Furthermore, these oligomers are in an equilibrium state between monomers and fibrils, making it impossible to isolate and determine the structure of pure oligomers.
ADでは、主に40残基または42残基のアミノ酸からなるアミロイドβタンパク質(以下、「Aβ40」、「Aβ42」と表記する。以下同様)が蓄積することが特徴であり、ADの病因となることが見出されている。Aβ42はAβ40よりも凝集性が高く神経細胞毒性があるが、Aβ40はAβ42よりも体液中に約10倍豊富である。最近、Aβのオリゴマー種は、ADの早期発症でシナプス毒性を示し、最終的に神経細胞の損失をもたらすタウタンパク質の過剰リン酸化を誘発するために特に重要であると考えられている。本発明者らはこれまでに、Aβ42の系統的なプロリン置換法、固体NMR法、電子スピン共鳴法などによる解析から、中央部分(22位のグルタミン酸(Glu22又はE22と表記する)及び23位のアスパラギン酸(Asp23又はB22と表記する)の近傍)でのターン構造(以下、「毒性ターン」と称する)とC末端の疎水性コアを特徴とした2量体及び3量体モデルを提唱している(図1参照)。この毒性ターン構造では、Glu22及びAsp23の残基(カルボキシ基)が共に主鎖に対して外側を向く(シス配置)を取っている。そのなかで本発明者は、Aβ自体に毒性があるのではなく、Aβ42の凝集と神経細胞毒性の発現において鍵となるAβ42の構造因子を明らかにすることで、有害な立体配座をとるAβ42アナログペプチドを見出してきている(特許文献1参照)。 AD is characterized by the accumulation of amyloid β protein (hereinafter referred to as "Aβ40" and "Aβ42", the same shall apply hereinafter), which mainly consists of 40 or 42 amino acid residues, and is the cause of AD. It has been found that Aβ42 is more aggregating and neurotoxic than Aβ40, but Aβ40 is approximately 10 times more abundant in body fluids than Aβ42. Recently, oligomeric species of Aβ are thought to be particularly important for inducing hyperphosphorylation of tau protein, which exhibits synaptic toxicity in the early onset of AD and ultimately leads to neuronal loss. The present inventors have so far analyzed Aβ42 using a systematic proline substitution method, solid-state NMR method, electron spin resonance method, etc., and have found that the central region (glutamic acid at position 22 (denoted as Glu22 or E22) proposed a dimer and trimer model characterized by a turn structure (hereinafter referred to as a "toxic turn") in the vicinity of aspartic acid (denoted as Asp23 or B22) and a hydrophobic core at the C-terminus. (See Figure 1). In this toxic turn structure, the residues (carboxy groups) of Glu22 and Asp23 both face outward with respect to the main chain (cis configuration). Among these, the present inventors determined that Aβ42, which assumes a harmful conformation, was not found to be toxic by itself, but by clarifying the structural factors of Aβ42 that are key to Aβ42 aggregation and the expression of neuronal cytotoxicity. Analog peptides have been discovered (see Patent Document 1).
さらに本発明者は、特に毒性の高いAβ42の中央部分(Glu22、Asp23の近傍)で折れ曲がることにより毒性オリゴマーを形成するという「毒性配座理論」(図2参照)を提唱している。ここで、ヒトの野生型Aβ42のアミノ酸配列は配列表の配列番号1及び図2に示した通りである。毒性配座理論では、Aβ42の中央部分でのターン形性は、銅イオン等との反応によって生じた10位のチロシン(Tyr10)のフェノキシラジカルによる35位のメチオニン(Met35)の硫黄原子の酸化を効率的に促進し、生じたカチオンラジカルをC末端のカルボキシラートアニオンにより安定化できるものと理解でき、その結果、電荷を失ったC末端コアの疎水性が増大して凝集しやすくなり、2量体及び3量体のオリゴマー形性が生じる一方で、C末端の中性ラジカルはオリゴマー内に存在することから、長期間に亘って酸化ストレスを細胞に与えることが可能となる、と考えている。
Furthermore, the present inventor has proposed a "toxic conformation theory" (see FIG. 2) in which toxic oligomers are formed by bending the central portion of Aβ42 (near Glu22 and Asp23), which is particularly toxic. Here, the amino acid sequence of human wild type Aβ42 is as shown in SEQ ID NO: 1 of the sequence listing and FIG. 2. According to the toxic conformation theory, the turn shape in the central part of Aβ42 is due to the oxidation of the sulfur atom of methionine (Met35) at position 35 by the phenoxy radical of tyrosine (Tyr10) at
そこで本発明者らは、Glu22をプロリン置換した9残基から35残基のペプチド(E22P-Aβ9-35)を抗原として開発した立体構造特異抗体である「24B3」は、ヒト脳髄液を用いたAD診断において一定の成功を収めている(非特許文献1、2参照)。24B3抗体は、Aβ42の毒性ターン構を模したE22P-Aβ9-35をキャリアタンパク質に結合させたものを抗原としてマウスに免疫することにより、E22P-Aβ及びその2量体モデルには強く結合するが、毒性ターン構造をあまりとっていない野生型Aβモノマーに対する結合能が低いモノクローナル抗体である。
Therefore, the present inventors developed a conformation-specific antibody "24B3" using a 9- to 35-residue peptide (E22P-Aβ9-35) in which Glu22 is replaced with proline as an antigen, using human cerebrospinal fluid. It has achieved a certain degree of success in AD diagnosis (see
24B3抗体は、毒性ターン構造を極めて特異的に認識したことから、既存のN末端抗体とのサンドイッチELISAを本発明者らと免疫生物学研究所とにより共同開発し、京都府立医科大学の徳田教授の協力によりAD患者の脳脊髄液を解析した結果、AD患者において毒性コンホマー量(毒性ターンをもつAβ分子種の量)の全Aβ42量に対する割合が、ADでない人と比べて有意に高いことが判明した。また、特発性正常圧水頭症患者においてもこの割合が高い傾向にあることが判明するとともに、ADへの移行を判断する一つの指標になり得ることが示唆された。さらに24B3抗体は、Aβ42の神経細胞毒性を数種の市販抗体よりも強く抑制したことから、本発明者らは千葉大学医学研究科と共同で、ADモデルマウス(Tg2576)に対する治療効果を検討した結果、高架式十字迷路並びに巣作り試験において、認知機能改善効果が認められた。24B3抗体を用いたサンドイッチELISAは、2016年11月に、免疫生物学研究所より研究用試薬として販売され、国内外で多くの研究者に使用されている。 Since the 24B3 antibody recognized the toxic turn structure very specifically, a sandwich ELISA with an existing N-terminal antibody was jointly developed by the present inventors and the Institute of Immunobiology, and Professor Tokuda of Kyoto Prefectural University of Medicine As a result of analyzing the cerebrospinal fluid of AD patients with the cooperation of found. It was also found that this rate tends to be high in patients with idiopathic normal pressure hydrocephalus, and it has been suggested that this rate may be an indicator for determining the transition to AD. Furthermore, since the 24B3 antibody suppressed Aβ42 neuronal cytotoxicity more strongly than several commercially available antibodies, the present inventors, in collaboration with Chiba University Graduate School of Medicine, investigated its therapeutic effect on AD model mice (Tg2576). As a result, cognitive function improvement effects were observed in the elevated plus maze and nest building tests. Sandwich ELISA using the 24B3 antibody was sold as a research reagent by the Institute of Immunobiology in November 2016, and is used by many researchers in Japan and abroad.
しかしながら、24B3抗体を、血漿を用いた超早期のAD診断に応用するためには、感度と特異性の点で改善が必要であった。その原因の一つとしては、ヒト脳内には本来存在しないプロリン置換体であるE22P-Aβアナログを抗原(ハプテン)として用いていることに依るものであると考えられる。さらに、E22P-Aβアナログは毒性ターンの周りの立体構造がしっかりと固定されていないことから、理想的な抗体の開発において問題となり得るものである。このことから、AD診断、特に超早期の診断により有用な抗体を開発するためには、抗原として、Aβオリゴマーの毒性ターンに対する24B3抗体の特異性と感度を高めるために、毒性ターンの位置でのプロリン置換または側鎖間のラクタム形成をすることなく、毒性ターンの前後数残基に渡って野生型のアミノ酸配列を持つAβ42アナログを開発することが望ましいといえる。 However, in order to apply the 24B3 antibody to ultra-early AD diagnosis using plasma, improvements were needed in terms of sensitivity and specificity. One of the reasons for this is thought to be that E22P-Aβ analogue, which is a proline substitute that does not originally exist in the human brain, is used as an antigen (hapten). Furthermore, the E22P-Aβ analogs do not have a tightly fixed conformation around the toxic turn, which can pose problems in the development of ideal antibodies. From this, in order to develop antibodies that are more useful for AD diagnosis, especially for very early diagnosis, it is necessary to use the 24B3 antibody as an antigen at the position of the toxic turn in order to increase the specificity and sensitivity of the 24B3 antibody to the toxic turn of Aβ oligomers. It would be desirable to develop an Aβ42 analog that has a wild-type amino acid sequence over several residues before and after the toxic turn, without proline substitution or lactam formation between side chains.
最近になって、本発明者らは、千葉大学と共同で、Aβ42の毒性ターン構造を模したヒト型E22P-Aβ配列をノックインしたキメラマウスの交配によって、ホモのノックインマウスを作出することに成功した。本マウスは、6ヶ月齢において野生型マウスと比べて新規物体認識試験において異常行動を示すとともに、脳切片の抽出物中にAβの3量体が検出された一方で、単量体は殆ど認められなかった。Aβの3量体はシナプス毒性を示すことが報告されていることから、これは興味深い結果である。一方で、神経細胞の脱落は認められず、症状としては軽いものであった。E22P-Aβ42は毒性ターン構造をとりやすく、in vitro試験では野生型Aβ42と比べて速やかにオリゴマーを形成する。それにも関わらず、重篤なAD症状を示さなかった事実は、Aβオリゴマー単独での神経細胞毒性は低く、シナプス毒性を示すものであることを支持している。ADの発症には、Aβの蓄積に引き続き、タウのリン酸化が必要であり、Aβオリゴマーはその橋渡しをしている可能性がある。 Recently, the present inventors, in collaboration with Chiba University, succeeded in creating homozygous knock-in mice by crossing chimeric mice with a knock-in human E22P-Aβ sequence that mimics the toxic turn structure of Aβ42. did. At 6 months of age, this mouse exhibited abnormal behavior in the novel object recognition test compared to wild-type mice, and while Aβ trimers were detected in brain slice extracts, monomers were hardly detected. I couldn't. This is an interesting result since trimers of Aβ have been reported to exhibit synaptic toxicity. On the other hand, no loss of nerve cells was observed, and the symptoms were mild. E22P-Aβ42 tends to adopt a toxic turn structure, and forms oligomers more quickly than wild-type Aβ42 in in vitro tests. Nevertheless, the fact that no serious AD symptoms were shown supports that Aβ oligomer alone has low neuronal cytotoxicity and exhibits synaptic toxicity. Following Aβ accumulation, tau phosphorylation is required for the development of AD, and Aβ oligomers may act as a bridge.
本発明は、このような点に着目してなされたものであって、主たる目的は、これまでの研究成果に基づき、野生型Aβ42の毒性ターンが固定され、極めて高度な凝集性と神経細胞毒性を示す安定した立体配座を有し、毒性ターンの前後数残基に渡って野生型Aβ42とアミノ酸配列を有するAβ42の分子内架橋アナログペプチドを提供するものである。 The present invention was made with attention to these points, and the main purpose is to fix the toxic turn of wild-type Aβ42 and to achieve extremely high aggregation and neuronal cell toxicity, based on the results of previous research. The present invention provides an intramolecularly cross-linked analog peptide of Aβ42, which has a stable conformation exhibiting the following, and has an amino acid sequence similar to that of wild-type Aβ42 over several residues before and after the toxic turn.
すなわち、本発明のアミロイドβ42架橋アナログペプチド(以下、「Aβ42アナログ」又は「架橋Aβ42アナログ」と称する)は、アミノ酸42残基のアミロイドβタンパク質(Aβ42)において、17位のアミノ酸残基と28位のアミノ酸残基が架橋され、22位のアミノ酸残基と23位のアミノ酸残基においてアミノ酸配列によるβシート構造間のターン構造が固定された立体構造を有し、少なくともこのターン構造を含む18位のアミノ酸残基から27位のアミノ酸残基において、野生型アミロイドβ42タンパク質と同じアミノ酸配列を有することを特徴とするものである。 That is, the amyloid β42 cross-linked analog peptide of the present invention (hereinafter referred to as "Aβ42 analog" or "cross-linked Aβ42 analog") has amino acid residues at the 17th position and 28th position in the amyloid β protein (Aβ42), which has 42 amino acid residues. has a three-dimensional structure in which the amino acid residues at positions 22 and 23 have a fixed turn structure between the β-sheet structures according to the amino acid sequence, and at least position 18, which includes this turn structure, It is characterized by having the same amino acid sequence as the wild-type amyloid β42 protein at the 27th amino acid residue from the amino acid residue of .
研究の結果、17位と28位のアミノ酸残基同士を架橋された構造のAβ42アナログは、Aβ42の毒性ターンを形成する22位と23位のアミノ酸残基とその前後各4残基、ターン構造を含みそのN末端側4残基及びC末端側4残基(18位~27位)が野生型Aβ42のアミノ酸配列であって、特に22位のグルタミン酸(Glu22)及び23位のアスパラギン酸(Asp23)が人工的にプロリン置換されておらず、また側鎖間にラクタムが形成されていない状態で毒性ターンの立体構造が安定的に固定されたものとなることが明らかとなった。そして、本発明の17位と28位のアミノ酸残基が分子内で架橋されたAβ42アナログは、現在知られている中で凝集性があり最も神経細胞毒性が高いE22P-Aβ42と同等の凝集性と神経細胞毒性を示すものであることが分かった。このE22P-Aβ42から24B3抗体が得られていることを考慮すると、本発明の架橋Aβ42アナログは、24B3抗体より優れたADの迅速診断用の試薬又は検査薬としての抗Aβ42抗体(Aβ42の22位及び23位における固定された毒性ターン構造を認識する抗体)の開発に資するものであるといえる。 As a result of the research, Aβ42 analogues with a structure in which amino acid residues at positions 17 and 28 are cross-linked, amino acid residues at positions 22 and 23, which form the toxic turn of Aβ42, and 4 residues each before and after the turn structure. 4 residues on the N-terminal side and 4 residues on the C-terminal side (positions 18 to 27) are the amino acid sequence of wild type Aβ42, especially glutamic acid at position 22 (Glu22) and aspartic acid at position 23 (Asp23). ) was not artificially substituted with proline, and it was revealed that the three-dimensional structure of the toxic turn was stably fixed in a state where no lactam was formed between the side chains. The Aβ42 analog of the present invention, in which the amino acid residues at positions 17 and 28 are intramolecularly cross-linked, has an aggregation property equivalent to that of E22P-Aβ42, which has the highest aggregation property and has the highest neurotoxicity among the currently known ones. and was found to be neurotoxic. Considering that the 24B3 antibody is obtained from this E22P-Aβ42, the cross-linked Aβ42 analog of the present invention can be used as an anti-Aβ42 antibody (at the 22nd position of Aβ42) as a reagent or test agent for the rapid diagnosis of AD, which is superior to the 24B3 antibody. This can be said to contribute to the development of antibodies that recognize the fixed toxic turn structure at position 23 and 23.
本発明に関する研究において、最も早期に確立された有用な架橋Aβ42アナログとしては、17位のロイシン残基(Leu17)及び28位のリシン残基(Lys28)が共にシステイン残基(Cys)に置換され、17位と28位のアミノ酸残基間で分子内ジスルフィド結合することにより、22位及び23位における毒性ターン構造が固定されたAβ42アナログである。より具体的な本発明は、1位のアミノ酸残基から16位のアミノ酸残基、及び29位のアミノ酸残基から42位のアミノ酸残基が、野生型アミロイドβ42タンパク質と同じアミノ酸配列を有しているものである。そのうち、17位と28位のアミノ酸残基(Leu17とLys28)がシステイン残基(Cys)に置換されてこれらの間で分子内ジスルフィド結合した架橋Aβ42アナログ(L17C-K28C-17,28-S-S-Aβ42)について、凝集性や神経細胞毒性の試験結果が極めて良好であることを見出した(試験結果等の詳細は後述する)。この他にも、Aβ42アナログの17位と28位の間における分子内架橋の手法としては、ホモシステインによる置換によるジスルフィド結合に基づく架橋(L17homoC-K28homoC-Aβ42)、メタセシス重合反応による架橋、クリック反応による架橋を挙げることができる。固定された毒性ターン構造の周辺領域のできるだけ広い範囲のアミノ酸配列が野生型Aβ42と同じ配列になれば、野生型Aβ42の毒性ターン構造に特異的な抗体を作成することができると考えられるが、本発明では、Leu17とLys28との間で架橋を形成するため、できるだけ広い領域を野生型Aβ42と同じ配列とするには、少なくともこの架橋によって挟まれる毒性ターン構造とその周囲となる18位から27位に渡るアミノ酸配列を野生型Aβ42と同じ配列とすることが望ましい。さらに、17位と28位以外の全てのアミノ酸残基を野生型Aβ42と同じ配列とすれば、野生型Aβ42と極めて近いアミノ酸配列と毒性ターン構造を有する架橋Aβ42アナログとすることができる。なお、本発明においては、17位よりもN末端側のアミノ酸配列と、28位よりもC末端側のアミノ酸配列は、野生型Aβ42と必ずしも同じアミノ酸配列である必要はなく、17位及び28位以外の変異の可能性やアミノ酸の付加、置換、欠失の可能性が否定されるものではない。
In the research related to the present invention, the earliest and most useful cross-linked Aβ42 analog was one in which the leucine residue at position 17 (Leu17) and the lysine residue at position 28 (Lys28) were both replaced with cysteine residue (Cys). , is an Aβ42 analog in which the toxic turn structure at positions 22 and 23 is fixed by an intramolecular disulfide bond between the amino acid residues at positions 17 and 28. More specifically, the present invention provides amino acid residues in which the amino acid residues from
以上に述べたように、本発明によれば、超早期のAD診断に資する試薬又は診断薬として利用できる抗体の開発のために有用となる物質として、高い神経細胞毒性を示す野生型Aβ42の中央部分でのターン構造が固定され、より迅速な凝集性を示す新規の架橋Aβ42アナログを提供することが可能である。 As described above, according to the present invention, the center of wild-type Aβ42, which exhibits high neuronal cytotoxicity, can be used as a substance useful for the development of antibodies that can be used as reagents or diagnostic agents for very early AD diagnosis. It is possible to provide new cross-linked Aβ42 analogs with fixed turn structures and faster aggregation properties.
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
まず、野生型Aβ42の毒性ターン構造の周りと同配列のアミノ酸配列を有し、この毒性ターン構造が固定された架橋Aβ42アナログを作成するために、Aβ42の分子内ジスルフィド結合が形成されたアナログの作成を試みた。これまで、Aβ42の2つのアミノ酸残基が適切な位置でシステイン(Cys)残基に置換されると、酸化されて分子内ジスルフィド(S-S)結合が形成されることが分かっている。例えば、21位と30位の分子内ジスルフィド結合を有するAβ40アナログ及びAβ42アナログはフィブリルを形成せず、可溶性オリゴマーを形成すると報告されている(Sandberg, M. L. et. al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2010, 107, 15595-15600.)。また、アミド結合により23位と28位でAβ42の塩橋代用物(サロゲート)を合成し、毒性の低い立体配座に固定したアナログも作成されたことが報告されている(M. Yamamoto, et. al., Bioorg. Med. Chem., 2019, 27, 888-893.)。しかし、本発明者らの知る限り、このような方法によって、神経細胞毒性のあるAβ42の立体構造を固定するといった体系的な試みはない。
Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, in order to create a cross-linked Aβ42 analog that has the same amino acid sequence as around the toxic turn structure of wild-type Aβ42 and in which this toxic turn structure is fixed, we first created an analog in which intramolecular disulfide bonds of Aβ42 were formed. I tried to create it. It has been previously known that when two amino acid residues of Aβ42 are substituted with cysteine (Cys) residues at appropriate positions, they are oxidized to form an intramolecular disulfide (SS) bond. For example, it has been reported that Aβ40 and Aβ42 analogs with intramolecular disulfide bonds at
ここで改めて、図3にAβ42の毒性の高い立体配座と毒性の低い立体配座との構造の関係を示す。これらの間でターン位置は互いに異なり、前者は22位及び23位でターンを形成しており、後者は25位及び26位でターンを形成している。そこで、本実施形態では、毒性の高い立体配座が固定された架橋Aβ42アナログを10種類合成した。図4は、これら合成した架橋Aβ42アナログのモデル図(左図は架橋Aβ42アナログの構造を示し、右図は固体NMRによって決定された凝集体中のAβ42ユニットの立体配座を示す)とそれらの一覧表である。まず、3種類の架橋Aβ42アナログ(アナログ1~3)を合成した。アナログ1は、野生型Aβ42のGlu22及びAsp23の側鎖が環の外側にある毒性ターンモデルとして21と24位で架橋したものである。アナログ2は、フィブリルモデルとして19位と30位を架橋したものであり、19位と30位の炭素原子は互いに近い位置にある。Tyr10及びMet35は神経細胞毒性を誘発するために不可欠であることから、ネガティブコントロールとして10位と35位を架橋したものとしてアナログ3を作成した。アナログ1~3では、ホモシステイン(homoCys)残基を置換に用い、分子動力学シミュレーションを使用して各立体構造を最適化した。
Here again, FIG. 3 shows the structural relationship between the highly toxic conformation and the less toxic conformation of Aβ42. The turn positions are different between these cars, with the former forming turns at 22nd and 23rd positions, and the latter forming turns at 25th and 26th positions. Therefore, in this embodiment, 10 types of cross-linked Aβ42 analogs with a fixed highly toxic conformation were synthesized. Figure 4 shows model diagrams of these synthesized cross-linked Aβ42 analogs (the left figure shows the structure of the cross-linked Aβ42 analog, and the right figure shows the conformation of the Aβ42 unit in the aggregate determined by solid-state NMR) and their This is a list. First, three types of cross-linked Aβ42 analogs (
これらのアナログ1~3は、Fmocストラテジー(Fmoc固相ペプチド合成法)を使用して、全自動マイクロウェーブペプチド合成装置(バイオタージ社製、Initiator + Alstra(製品名))で合成した(合成法は、後述するアナログ4~10についても同様である)。鎖延長の完了後、各ペプチド樹脂は脱保護され、樹脂から切断された。粗ペプチドは、NH4OH(0.1%)を含む水中の10%DMSOで酸化し、分子内ジスルフィド結合を形成した。酸化された各粗ペプチドを、HPLCにより精製した。精製後のペプチドは、高分解能エレクトロスプレーイオン化-飛行時間型質量分析法(HR-ESI-qTOF-MS)によって満足のいく質量スペクトルデータが得られた。
These
最初に、SH-SY5Yヒト神経芽腫細胞に対するAβ42アナログ1~3の神経細胞毒性を、神経細胞培養の典型的なモデルの1つとして評価した。比較対象として、野生型Aβ42(WT-Aβ42)を用いている。37℃で24時間インキュベートした後の細胞生存率は、3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide(MTT)テストによって評価しており、図5(A)にその結果を示す。以下、各図中に太文字で示した1~10の数字は、Aβ42モデルの番号(図4の一覧表参照)である。溶媒(0.1%NH4OH)を添加した後に得られた吸光度を100%とした(溶媒に対して*p<0.05)。その結果、毒性ターンモデルであるアナログ1は、野生型Aβ42に匹敵する有意な神経細胞毒性を示した。対照的に、フィブリルモデルであるアナログ2は野生型Aβ42と比較して毒性が低く、ネガティブコントロールであるアナログ3は完全に不活性であった。アナログ1~3の凝集能力は、チオフラビンT(Th-T)蛍光法によって評価した。図5(B)に、37℃での野生型Aβ42(25μM)とアナログ1~3のTh-T蛍光テストの結果を示す。このデータは平均値±標準偏差(n=8)として表示している。同図に示すように、βシート構造の形成に依存するTh-T蛍光によって推定されるそれらの凝集能力は、神経細胞毒性とよく相関していた。図5(C)に示すように、アナログ1とアナログ2及び野生型Aβ42の凝集体におけるフィブリルの形成は、透過型電子顕微鏡(TEM)分析によって確認した。37℃で48時間インキュベートした後の凝集体のTEM分析による写真(スケールバーは50nm(倍率:50k))を示す。これらのデータは、22位と23位での架橋がAβ42をE22K、D22E-Aβ42-ラクタムのような有毒な立体構造に固定し、Aβ42フィブリルの立体配座が弱い神経細胞毒性を示すことを示唆している。この結果は、フィブリルが神経細胞毒性の主要な原因ではないという最近の仮説と一致している。
First, the neuronal cytotoxicity of Aβ42 analogs 1-3 on SH-SY5Y human neuroblastoma cells was evaluated as one of the typical models for neuronal cell culture. Wild type Aβ42 (WT-Aβ42) is used for comparison. Cell viability after 24 hours of incubation at 37°C was evaluated by the 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) test, and is shown in Figure 5(A). The results are shown below. Below, the
アナログ1~3の結果を踏まえ、Aβ42の22位及び23位で毒性ターンを最適化するために、Cys残基又はhomoCys残基で21位と24位のアミノ酸残基を置換した3つの架橋Aβ42アナログ(アナログ4~6)を合成した(図4の一覧表4~6)。アナログ1~3と同様に、アナログ4~6の神経細胞毒性をMTTテストで評価し(図6(A))、凝集能力をTh-T蛍光テストで評価した(図6(B))。比較対象として、毒性ターンモデルであるアナログ1と野生型Aβ42を用いた。MTTテストの条件はアナログ1~3におけるテストと同じである。Th-T蛍光テストの条件については、インキュベーション温度を室温(23℃)、野生型Aβ42の濃度を10μMとし、データは平均値±標準偏差(n=4)で表している点、ならびに10分ごとに自動的に観測する点で、アナログ1~3のTh-T蛍光テストとは異なっている。これらの結果、アナログ1が最も凝集性が高く神経細胞毒性があり、CysとhomoCysの組み合わせで架橋したアナログ4~6がアナログ1の活性を改善できないことが示唆された。これは、より小さな環状ペプチドは強力な神経細胞毒性と凝集能力を伴う最適な立体配座をとるほど柔軟ではないことによるものであると考えられる。
Based on the results of
そこでさらに、Aβ42の立体構造が固定された4つの架橋Aβ42アナログ(アナログ7~10)を設計し(図4の一覧表7~10)、Glu22とAsp23が分子内ジスルフィド結合に関与する2つのCys残基の中央に位置するように合成した。これまでの報告では、Aβ42凝集体の分子間αシート構造には、15位から21位のアミノ酸残基が関与していることが示唆されている。さらに、His14、Glu22、Asp23、Gly33、Gly37及びGly38がAβ42の凝集に重要な役割を果たすことが実証されている(F. Hsu, et. al., ACS Omega 2018, 3, 8401-8407.)。ここではデータは示していないが、実際のところ、Cys残基により20位と25位で架橋された別の立体構造に固定されたAβ42アナログは、アナログ4及びアナログ7よりも神経細胞毒性が小さいことが判明している。
Therefore, we further designed four cross-linked Aβ42 analogs (
これらのアナログ7~10については、上述した方法からわずかな修正を加えることで合成と特性評価を行った。すなわち、保護基の脱保護中に芳香族環tert-ブチル基が導入される可能性が高いため、7位及び8位でFmoc-Asp及びFmoc-Serに代えて擬似プロリン型ジペプチドを使用した。擬似プロリンは、2つのアミノ酸残基からなるFmoc保護オキサゾリジンまたはチアゾリジンでもあり、βシートを固定することにより、ペプチド合成中の凝集を防ぐ。ここで図7に、アナログ2、4及び7~10のHPLCプロファイルとHR-ESI-qTOF-MSのデータを示す。
These
アナログ7~10と、比較のためにアナログ4及び野生型Aβ42のSH-SY5Yヒト神経芽腫細胞に対する神経細胞毒性テストの結果を図9(A)に示す。テストの方法はアナログ1~3に対する神経細胞毒性テストと同様である。その結果、17位と28位の間にS-S結合により架橋されたアナログ8は、特に低濃度(0.04、0.2、1μM)で野生型Aβ42と比較して非常に高い神経細胞毒性を示した。21位と24位、19位と26位でそれぞれ架橋されたアナログ4及びアナログ7の神経細胞毒性は、野生型Aβ42の神経細胞毒性とほぼ同等であった。一方、15位と30位、30位と32位でそれぞれ架橋されたアナログ9及びアナログ10は、神経細胞毒性を示さなかった(なお、アナログ10のデータは示していない)。
The results of the neuronal cytotoxicity test against SH-SY5Y human neuroblastoma cells of
また、Th-T蛍光およびTEM分析により、アナログ7~10と、アナログ4及び野生型Aβ42の凝集能力をテストした(図9(B)、(C))。なお、同図(C)では、アナログ4、7、8及び野生型Aβ42の各凝集体の写真のみを示している。特に、アナログ8(L17C-K28C-17,28-S-S-Aβ42)の凝集能が非常に高かったため、Th-T蛍光テストは10分ごとに自動的に観測することとした。最も高い神経細胞毒性を示したアナログ8は、野生型Aβ42よりも急速に凝集した。アナログ4及びアナログ7は中程度に凝集した。これら3つのアナログは、同図(C)に示すように、24時間のインキュベーション後に典型的なフィブリルを形成した。一方、非神経細胞毒性アナログ9及びアナログ10では、蛍光強度も顕著な凝集体も観察されなかった。
We also tested the aggregation ability of
これらの結果は、Aβ42の凝集能力と神経細胞毒性は分子内ジスルフィド結合によって調節できることを示している。17位と28位の間に分子内ジスルフィド結合を持つアナログ8(配列表の配列番号2)は、神経細胞毒性及び凝集性が最も高く、野生型Aβ42とこれまで最も神経細胞毒性と凝集性が高かったAβ42アナログであるE22P-Aβ42と比較したところ、アナログ8の神経細胞毒性は、E22P-Aβ42の神経細胞毒性とほぼ同等であった(図10)。興味深いことに、アナログ8は低濃度(0.04、0.2、1μM)でE22P-Aβ42に匹敵する非常に高い神経細胞毒性を示したが、その神経細胞毒性は高濃度(5μM以上)では野生型Aβ42よりも弱かった。神経細胞毒性におけるこの違いは、5μMでのアナログ8の高度な凝集能力によって生じている可能性があると考えられる。このような濃度依存的な凝集能力を、Th-T蛍光テストによって調べた(図11)。その結果、E22P-Aβ42が5μMで有意な蛍光を示さなかったことを明確に示しているが、アナログ8は5μMでも急速に凝集して毒性の低いフィブリルを形成したことを示唆している。
These results indicate that the aggregation ability and neuronal cytotoxicity of Aβ42 can be modulated by intramolecular disulfide bonds. Analog 8 (SEQ ID NO: 2 in the sequence listing), which has an intramolecular disulfide bond between positions 17 and 28, has the highest neuronal cytotoxicity and aggregation property, and has the highest neuronal cytotoxicity and aggregation property compared to wild-type Aβ42. When compared with E22P-Aβ42, an Aβ42 analog, which had higher neuronal cytotoxicity, the neuronal cytotoxicity of
以上の結果から、Aβ42への分子内ジスルフィド架橋は、Aβ42の立体構造を制御するための信頼性が高く簡単な方法であることが実証された。22位及び23位における毒性ターン構造とその前後4残基(毒性ターン構造を形成する22位及び23位を含みそのN末端側4残基及びC末端側4残基である18位~27位)において野生型Aβ42のアミノ酸配列を有しつつ、その毒性ターン構造を固定すべく17位と28位で架橋された革新的な誘導体であるアナログ8は、Aβ42の毒性ターンに対する新しい抗体の開発の潜在的な標的分子となるものである。アナログ8は、野生型Aβ42と同じアミノ酸配列の22位及び23位で形成されるターン構造が固定され、Cysに置換されてジスルフィド結合が形成された17位と28位以外のアミノ酸配列、すなわち、毒性ターン構造を含む架橋部分の内側及び外側が全て野生型Aβ42と同じアミノ酸配列を有している架橋Aβアナログであるといえる。このアナログ8をハプテンとして、立体構造特異抗体を作成すれば、野生型Aβ42と同じ毒性ターン構造部分を認識して結合する抗体、すなわちヒト脳内に存在する毒性オリゴマーを特異的且つ好感度で検出することができる抗体の開発が可能となる。但し、アナログ8の高度な凝集能力が問題となる場合も考えられるが、最近の研究により、Aβ40の2量体および3量体モデルは、少なくとも24時間で約20量体の準安定オリゴマーを形成することが明らかになってきている(Y. Irie, et. al., ACS Chem. Neurosci. 2017, 8, 807-816., Y. Irie, et. al., Chem. Commun., 2019, 55, 182.)。アナログ8の2量体化または3量体化は、その高い凝集性を克服するのに効果的であり、AD診断及び治療用の抗体の調製に役立つツールになる可能性があると考えられる。したがって、アナログ8の2量体及び3量体モデルを作成することによって、毒性オリゴマーに特異的に作用する低分子化合物の開発への道も拓かれた。これまで、Aβにおいて分子内ジスルフィド結合を形成させた誘導体の合成例は存在するが、22位及び23番目付近の毒性ターン構造に着目して分子設計し、合成された例は本発明が初めてである。
The above results demonstrated that intramolecular disulfide bridges to Aβ42 are a reliable and simple method for controlling the tertiary structure of Aβ42. Toxic turn structure at
なお、本発明は、野生型Aβ42の毒性ターン構造を形成する22位及び23位とその前後各4残基のアミノ酸配列が野生型と同じ配列を有しながら、その毒性ターン構造が固定されたAβ42アナログであることが肝要であり、そのためには17位のアミノ酸残基と28位のアミノ酸残基が架橋された状態であることが必要であることから、上述したアナログ8のように17位と28位のアミノ酸残基がCys残基に置換され分子内ジスルフィド結合を形成していることが必須なのではなく、アナログ8は本発明の一例である。この他にも、例えば、17位と28位のアミノ酸残基がhomoCys残基に置換され分子内ジスルフィド結合が形成されたAβ42、17位と28位のアミノ酸残基の間においてメタセシス重合反応やクリック反応による架橋が形成された状態のAβ42アナログ等も本発明に含まれるものである。その他、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
In addition, the present invention provides that the amino acid sequence of positions 22 and 23, which form the toxic turn structure of wild-type Aβ42, and four residues each before and after the same sequence as the wild type, but that the toxic turn structure is fixed. It is important that it is an Aβ42 analog, and for that purpose, the amino acid residue at position 17 and the amino acid residue at position 28 must be in a cross-linked state. It is not essential that the amino acid residue at position 28 is replaced with a Cys residue to form an intramolecular disulfide bond, and
本発明のAβ42架橋アナログペプチドは、それを標的として用いることで、野生型Aβ42と同じ毒性ターン構造を認識する抗体の開発と、その抗体に基づく超早期ADの迅速診断用試薬や試験薬の開発などに極めて有用なものである。 By using the Aβ42 cross-linked analog peptide of the present invention as a target, it is possible to develop antibodies that recognize the same toxic turn structure as wild-type Aβ42, and to develop reagents and test drugs for rapid diagnosis of very early AD based on the antibodies. It is extremely useful for such purposes.
Claims (3)
17位のアミノ酸残基と28位のアミノ酸残基が架橋され、
22位のアミノ酸残基と23位のアミノ酸残基においてアミノ酸配列によるβシート構造間のターン構造が固定された立体構造を有し、少なくとも前記ターン構造を含む18位のアミノ酸残基から27位のアミノ酸残基において、野生型アミロイドβ42タンパク質と同じアミノ酸配列を有することを特徴とするアミロイドβ42架橋アナログペプチド。 In amyloid β42 protein of 42 amino acid residues,
The amino acid residue at position 17 and the amino acid residue at position 28 are cross-linked,
The amino acid residue at position 22 and the amino acid residue at position 23 have a three-dimensional structure in which the turn structure between the β-sheet structures according to the amino acid sequence is fixed, and at least the amino acid residues from position 18 to position 27, which include the turn structure, An amyloid β42 cross-linked analog peptide characterized by having the same amino acid sequence as the wild-type amyloid β42 protein in terms of amino acid residues.
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Biochemistry,2004年,Vol. 43, No. 49,pp. 15310-15317,doi: 10.1021/bi048019s |
分子内ジスルフィド結合形成によるアミロイドβ42の毒性配座モデルの合成と機能解析,日本農芸化学会2019年度大会講演要旨集(オンライン),2019年03月05日,インターネット<URL: https://www.jsbba.or.jp/MeetingofJSBBA/2019/MeetingofJSBBA2019.pdf>,講演番号: 3D3p14 |
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