FtsZ: 新たな抗生剤の標的となるチュ−ブリンホモログ CYTOSKELETON NEWS 2012年1月／2月号

チューブリンホモログであるFtsZ (Filamenting temperature-　sensitive mutant Z)は細菌の細胞分裂に密接に関与しており、新たな理想的な抗生剤の標的と考えられています。このタンパク質を欠損している変異体は細胞分裂することができず、フィラメント状に伸長し続けます。FtsZはGTPaseの一種でヌクレオチド依存性に一本鎖のフィラメントを形成し、頭尾重合により伸縮性のあるリングを形成します。このリングはZ-ringと呼ばれ、細菌が分裂する際に隔壁が形成される細胞膜の内側に形成されます。FtsZ重合反応は速やかに定常状態に到達しますが、FtsZのGTP加水分解により供給されているかのような継続的で迅速な補充により細胞分裂中も動的に維持されています(1-3)。FtsZは分裂部位に最初に出現し、細菌の分裂に関与する他のタンパクを誘導します。他の分裂関連タンパクの足場として働く一方で、FtsZ自身も細胞分裂作用を発揮し、細胞分裂を誘導します(1-6)。

FtsZは真核生物におけるチューブリンの原核生物におけるホモログと考えられています(5-11)。チューブリンとFtsZはいずれもGTP結合ドメイン(7-11)とGTPase活性(1-3, 12)を有しており、原繊維、2次元シート、原繊維リングを構築し、構造的に一致しています(5-11)。このような類似点があるにもかかわらず、これら2分子間での塩基配列のホモロジーは10-18％と低く(1, 13, 14)、FtsZの基礎となるサブユニットは単量体であるのに対してチューブリンのサブユニットはαとβのヘテロ2量体で構成されています(1-3)。また、in vitroにおけるFtsZ会合のためのGTPの加水分解の必要性は実験条件によって様々です；会合はしますがGTPase活性を欠損したFtsZ変異体はin vivoにおいて異なる細胞の表現形や機能を示します(17)。

最近になって、FtsZが新しい抗菌薬の新規標的として抗生物質研究において注目されています（18-23)。薬剤耐性菌の顕著な増加と新しい抗生物質開発の遅れから、細菌の分裂に関連するタンパクといった新規の標的に作用する抗菌剤が注目の的となっています(20, 24)。異なる種のFtsZ間のアミノ酸配列のホモロジーは35-99%で、その多くは40-60%の中に含まれます（www.cytoskeleton.com/new-products参照）。このような一致のレベルは創薬研究に主に以下に示す2通りの影響を与えます。1. 広い薬効範囲を持つ細菌FtsZに対するリガンドを同定することが難しくなります。2. 1種類のFtsZを標的として使用した場合、その種に特異性の高い薬剤を作製することができます。実際、HaydonらはFtsZ阻害剤であるPC190723は70%のホモロジーを持つStaphylococcus aureusとBacillus subtilisには作用しますが、Escherichia coli （51%; 対S. aureus、47%; 対B. subtilis）には作用しないことを報告しています（Figure 1）(25, 26)。

図1: 15uM PC190723（阻害剤：赤線）およびHEPES250バッファー（緑線）存在下でのE.coli由来FtsZ (0.5 mg/ml：A)およびS. aureus由来FtsZ (0.5 mg/ml：B)の重合。GTPase活性はMESG-based assay（カタログ番号　BK052）を用いて測定した。詳細は文献(25-27)参照。

GTPase活性測定や蛍光消光法、FRET解析法、沈降法、光散乱法といった方法がFtsZ重合の測定に用いられています。薬剤スクリーニングにはGTPase活性測定と蛍光消光法が適しています（詳細はwww.cytoskeleton.com/new-products参照）。タンパク相互作用の測定には、沈降法とGTPase活性測定が適しています。

これまでFtsZに関する多くの知見を得てきてはいるものの、以下のような多くの疑問がいまだ残されています。(i) Z-ringは何らかの力を発生する構造なのか、もしくは分裂に関連するタンパクが局在するための単なる足場なのか、(ii) 分裂においてヌクレオチド加水分解がどのような役割を果たしているのか、(iii)フィラメント中のどこで加水分解が起こっているのか、(v) ヌクレオチドの変換は単量体内、重合体内、もしくは両方で起こっているのか、(v) FtsZフィラメント間の側方相互作用はどのような性質を示すのか(3)。加えて、FtsZ重合におけるトレッドミル現象に関する報告や力学的不安定性に関してはさらに検討する必要があります。

FtsZおよびFtsZに関連した解析、異なるFtsZタンパク間のホモロジーに関する詳細な情報は サイトスケルトン社ウェブサイト「New Products」  をご参照ください。

上部イメージ：FtsZ重合体（Aylett, et al. (2010). PNAS, 107, 19766-19771.
【参考文献】
1. Romberg and Levin (2003). Assembly dynamics of the bacterial cell division protein FtsZ: Poised at the edge of stability. Annu. Rev. Microbiol. 57, 125-154.
2. Erickson et al (2010). FtsZ in bacterial cytokinesis: cytoskeleton and force generator all in one. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 74, 504-528.
3. Mingorance et al (2010). Strong FtsZ is with the force: mechanisms to constrict bacteria. Trends Microbiol. 18, 348–56.
4. Osawa and Erickson (2006). FtsZ from divergent foreign bacteria can function for cell division in Escherichia coli. J. Bacteriol. 188, 7132-7140.
5. Erickson et al (1996). Bacterial cell division protein FtsZ assembles into protofilament sheets and minirings, structural homologs of tubulin polymers. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 93, 519-523.
6. Erickson (1997). FtsZ, a tubulin homologue in prokaryotic cell division. Trends Cell Biol. 7, 362-367.
7. Erickson (1998). Atomic structures of tubulin and FtsZ. Trends Cell Biol. 8, 133-137.
8. Nogales et al (1998). Structure of the alpha/beta tubulin dimer by electron crystallography. Nature. 391, 199-202.
9. Lowe and Amos (1998). Crystal structure of the bacterial cell-division protein FtsZ. Nature. 391, 203-206.
10. Lowe (1998). Crystal structure determination of FtsZ from Methanococcus jannaschii. J. Struct. Biol. 124, 235-243.
11. Erickson (1995). FtsZ, a prokaryotic homolog of tubulin? Cell. 80, 367-370.
12. de Boer et al (1992). The essential bacterial cell-division protein FtsZ is a GTPase. Nature. 359, 254-256.
13. de Pereda et al (1996). Tubulin secondary structure analysis, limited proteolysis sites, and homology to FtsZ. Biochemistry. 35, 14203-14215.
14. Mukherjee and Lutkenhaus (1994). Guanine nucleotide-dependent assembly of FtsZ into fila­ments. J. Bacteriol. 176, 2754-2758.
15. Mukherjee and Lutkenhaus (1998). Dynamic assembly of FtsZ regulated by GTP hydrolysis. EMBO J. 17, 462-469.
16. Mukherjee et al (2001). Assembly of an FtsZ mutant deficient in GTPase activity has implica­tions for FtsZ assembly and the role of the Z ring in cell division. J. Bacteriol. 183, 7190-7197.
17. Bi and Lutkenhaus (1990). Analysis of ftsZ mutations that confer resistance to the cell division inhibitor SulA (SfiA). J. Bacteriol. 172, 5602-5610.
18. Margalit et al (2004). Targeting cell division: small-molecule inhibitors of FtsZ GTPase perturb cyto­kinetic ring assembly and induce bacterial lethality. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 101, 11821-11826.
19. Andreu et al (2010). The antibacterial cell division inhibitor PC190723 is an FtsZ polymer-stabi­lizing agent that induces filament assembly and condensation. J. Biol. Chem. 285, 14239-14246.
20. Kumar et al (2010). Discovery of anti-TB agents that target the cell-division protein FtsZ. Future Med. Chem. 2, 1305-1323.
21. Sass et al (2011). Antibiotic acyldepsipeptides activate ClpP peptidase to degrade the cell divi­sion protein FtsZ. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 108, 17474-17479.
22. Mathew et al (2011). Novel pyridopyrazine and pyrimidothiazine derivatives as FtsZ inhibitors. Bioorg. Med. Chem. 19, 7120-7128.
23. Schaffner-Barbero et al (2011). Targeting the assembly of bacterial cell division protein FtsZ with small molecules. ACS Chem. Biol. DOI: 10.1021/cb2003626.
24. Mintz (2011). Why the antibiotic discovery business needs to be revamped. Life Science Leader. http://www.lifescienceleader.com. October 2011.
25. Haydon et al (2008). An inhibitor of FtsZ with potent and selective anti-Staphyloccocal aureus activity. Science. 321, 1673-1675.
26. Haydon et al (2010). Creating an antibacterial with in vivo efficacy: synthesis and characteriza­tion of potent inhibitors of the bacterial cell division protein FtsZ with improved pharmaceuti­cal properties. J. Med. Chem. 53, 3927-3936.
27. Chen and Erickson (2005). Rapid in vitro assembly dynamics and subunit turnover of FtsZ dem­onstrated by fluorescence resonance energy transfer. J. Biol. Chem. 280, 22549-22554.
28. Popp et al (2010). Suprastructures and dynamic properties of Mycobacterium tuberculosis FtsZ. J. Biol. Chem. 15,

FtsZは細菌におけるチューブリンホモログで、細菌の分裂に不可欠なタンパク質です。FtsZの不活化により分裂が抑制されることから新しい抗菌薬の標的として注目されています。
FtsZタンパク質はsるていどのホモロジーを有しているものの、これらのタンパク質に対する阻害剤は異なる親和性、効果を示します。したがって、標的精度を向上するには異なる種由来のタンパク質をスクリーニングする必要があります。
種選択的抗菌薬のスクリーニング精度を向上させるために、Cytoskeleton社ではStaphylococcus aureus、Streptococcus pneumoniae、Enterococcus faecalis由来のFtsZタンパク質を提供しています。他の種由来のFtsZタンパク質もご要望によりご提供可能です。

FtsZタンパク質の結晶構造 Low and Armos (1998). Nature, 391, 203-206.

 FtsZタンパク質（サイトスケルトン社；CYT）

■ CYTOSKELETON NEWS バックナンバー

• 2020年10月号　紡錘体 - 可視化に向けた新規ツール
• 2020年8月号　細胞膜染色用蛍光プローブ
• 2020年4月号　生細胞におけるF-アクチンプローブ
• 2020年3月号　コロナウイルスと細胞骨格
• 2020年2月号　タウ（Tau）の将来性をMapping
• 2020年1月号　Rho GTPaseによる細胞遊走制御

• 2019年12月号　表現型プロファイリング：アクチンに焦点を当てたがん治療
• 2019年11月号　チューブリンの過剰グルタミル化、ミトコンドリア、神経変性
• 2019年9月号　細胞運動性を制御するために相互作用する膜張力とアクチン細胞骨格
• 2019年8月号　Rac1B、がん、およびRac1
• 2019年7月号　Rhoファミリー GTPases、神経可塑性、およびうつ状態
• 2019年6月号　アクチンメチオニン酸化： 動的制御の次の段階
• 2019年5月号　ミクログリアと神経変性疾患
• 2019年2月号　生細胞画像化に対するCNS疾患や障害

※  表示価格について