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FtsZ タンパク質: 抗菌薬の新規ターゲット CYTOSKELETON NEWS 2016年9月号

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CYTOSKELETON NEWS 2016年9月号 FtsZ タンパク質: 抗菌薬の新規ターゲット

FtsZ タンパク質: 抗菌薬の新規ターゲット

チューブリンホモログである FtsZ(Filamenting temperature-sensitive mutant Z)タンパク質は、原核生物の細胞分裂に必須のタンパク質です。FtsZ は、ヌクレオチド依存的に head-to-tail で重合して一本鎖のフィラメントを形成する GTPase で、Zリングと呼ばれる収縮環を形成します。Zリングは細胞膜の内側に形成され、この箇所が細胞分裂時に隔壁となります。また、Zリングは、FtsZ 重合体の連続的で迅速なターンオーバーにより、細胞分裂の過程を通して動的に維持されます 1-3。FtsZ は、分裂部位に最初に現れるタンパク質で、細菌の細胞分裂に関与する他のタンパク質をリクルートします。細胞分裂に関わる他のタンパク質の足場となるほか、FtsZ それ自体が細胞質を分裂させる力を発揮し、細胞分裂をもたらす可能性があります 1-6

FtsZ は、細菌の細胞分裂に重要な役割を担っていることから、近年、抗生物質や抗菌剤の開発における新規ターゲットとなっています 7-12。抗生物質耐性菌がこれまでになく増加しているにもかかわらず、新しい抗生物質の開発が滞っていることから、細菌の細胞分裂タンパク質などの新規ターゲットに対して活性を持つ、新しい抗菌剤の必要性が注目されています 9,13。FtsZ を標的とする化合物は、創薬ターゲットとしての新規性から、これまでに細菌が獲得した薬剤耐性機構による影響を受けないと考えられます 14。チューブリンと FtsZ は機能的および構造的に重複することから、FtsZ に対する創薬スクリーニングでは、当初、真核生物のチューブリン重合を阻害する薬剤が注目されました 14。FtsZ とチューブリンの配列類似性はわずか 10-18% であり、抗 FtsZ 化合物が抗チューブリン化合物にもなり得るおそれはほとんどないと考えられます 1,14-16

現在、FtsZ タンパク質阻害剤として多数の化合物が評価されており、合成小分子化合物(例: PC190723)、ポリペプチド、天然物由来の阻害剤、ftsZ 遺伝子発現を抑制する核酸阻害剤などが含まれます 17,18。これまでに唯一、FtsZ 阻害剤 PC190723 と黄色ブドウ球菌(Staphylococcus aureus) FtsZ との複合体についてのみ、X線結晶構造解析が行われています 19,20(図1)。PC190723(ベンズアミド誘導体)は、チューブリンのタキソール結合部位に類似した領域である、C末端ドメインとへリックス7 との間の間隙に結合することで、黄色ブドウ球菌(S. aureus)および枯草菌(Bacillus subtilis)のFtsZ タンパク質を強力に阻害します 17,19-21(図1)。これらの結果は、FtsZ がヌクレオチドに結合して重合した際に、PC190723 との結合が最も強力になることを示しており、PC190723 は、まず FtsZ の重合を促進し、次に重合体を安定化することにより、細菌の細胞分裂に必須となる FtsZ 重合体の動的な変化を阻害することが示唆されます 8,17,20。不活性化された FtsZ は mislocalize し、細胞の中央に局在する代わりに、長く伸びた細胞全体に点状に分布します。PC190723 の主な欠点として、FtsZ の薬剤耐性変異が自然に起こりやすい領域に結合することが挙げられ(図1)、FtsZ 阻害能を十分に発揮できないおそれがあります。この理由から、PC190723 アナログ(例: TX707)、PC190723 および TX707 のプロドラッグバージョン(TX541、TX709)が開発され、黄色ブドウ球菌(S. aureus)に対して有効であることが示されています。しかし、他のグラム陽性菌やグラム陰性菌に対して不活性であることから、広域スペクトルを持つ抗菌剤としては使用できないと考えられます。これらの化合物の他に、様々な段階(開発・製造・試験)にある FtsZ 阻害剤の候補化合物が存在し、ftsZ タンパク質を標的とする三置換ベンズイミダゾールやペプチド系化合物、ftsZ 遺伝子の発現を阻害する核酸系化合物などが含まれます 14,17,18

黄色ブドウ球菌(S. aureus)FtsZ/PC190723 複合体の結晶構造

図1 黄色ブドウ球菌(S. aureus)FtsZ/PC190723 複合体の結晶構造
図は参考文献19から引用。

近年行われたこれらの研究結果から、FtsZ タンパク質(または ftsZ 遺伝子)を標的とした抗生物質/抗菌剤の開発が、特定の細菌に対して可能となることが期待されます。しかし、その一方で、現在行われている研究では、FtsZ を標的とした広域スペクトルの抗菌剤の開発については否定的にとらえています。実際に、FtsZ 種間のアミノ酸配列の同一性は 35 - 99% で、通常は 40 - 60% です(相同性データベース をご参照ください)。従って、1種類の FtsZ タンパク質を標的にすると、その種に極めて特異的な薬剤を生成すると考えられます。例えば、Haydon et al. 21,22 らは、PC190723 が黄色ブドウ球菌(S. aureus)および枯草菌(B. subtilis)由来の FtsZ(互いに 70% の同一性)を阻害しますが、大腸菌(Escherichia coli)由来の FtsZ (それぞれ 51% および 47% の同一性)は阻害しないと報告しています。

抗 FtsZ 薬を探索し、創薬科学者による研究成果を、前臨床(最終的には臨床)試験が可能な FtsZ 阻害剤につなげていくためには、まだ手付かずな部分が多く残されています。合理的な創薬プロセスには、FtsZ に結合する化合物(すなわち阻害剤)の構造/動態解析や、抗 FtsZ 化合物のメカニズムの解析が必要となります。

FtsZ の重合を測定するには、GTPase 活性の測定、蛍光消光法、FRET、沈降法、光散乱法などの方法を用います。創薬スクリーニングの要件を満たすには、GTPase 活性の測定や蛍光消光法が適しています。

Cytoskeleton社では、様々な細菌に由来する精製 FtsZ タンパク質(活性型)の販売や、ご希望の FtsZ タンパク質を作製して抗 FtsZ 化合物のスクリーニングを行うカスタムサービスをご提供しております。詳細についてはお問い合わせください。

参考文献
  1. Romberg L. and Levin P.A. 2003. Assembly dynamics of the bacterial cell division protein FtsZ: Poised at the edge of stability. Annu. Rev. Microbiol. 57, 125-154.
  2. Erickson H.P. et al. 2010. FtsZ in bacterial cytokinesis: cytoskeleton and force generator all in one. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 74, 504-528.
  3. Mingorance J. et al. 2010. Strong FtsZ is with the force: mechanisms to constrict bacteria. Trends Microbiol. 18, 348–56.
  4. Osawa M. and Erickson H.P. 2006. FtsZ from divergent foreign bacteria can function for cell division in Escherichia coli. J. Bacteriol. 188, 7132-7140.
  5. Erickson H.P. 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 H.P. 1997. FtsZ, a tubulin homologue in prokaryotic cell division. Trends Cell Biol. 7, 362-367.
  7. Margalit D.N. 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.
  8. Andreu J.M. 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.
  9. Kumar K. et al. 2010. Discovery of anti-TB agents that target the cell-division protein FtsZ. Future Med. Chem. 2, 1305-1323.
  10. Sass P. et al. 2011. Antibiotic acyldepsipeptides activate ClpP peptidase to degrade the cell division protein FtsZ. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 108, 17474-17479.
  11. Mathew B. et al. 2011. Novel pyridopyrazine and pyrimidothiazine derivatives as FtsZ inhibitors. Bioorg. Med. Chem. 19, 7120-7128.
  12. Schaffner-Barbero C. et al. 2011. Targeting the assembly of bacterial cell division protein FtsZ with small molecules. ACS Chem. Biol. DOI: 10.1021/cb2003626.
  13. Mintz C. 2011. Why the antibiotic discovery business needs to be revamped. Life Science Leader. http://www.lifescienceleader.com. October 2011.
  14. Huang Q. et al. 2007. FtsZ: A novel target for tuberculosis drug discovery. Curr. Top. Med. Chem. 7, 527-543.
  15. de Pereda J.M et al. 1996. Tubulin secondary structure analysis, limited proteolysis sites, and homology to FtsZ. Biochemistry. 35, 14203-14215.
  16. Mukherjee A. and Lutkenhaus J. 1994. Guanine nucleotide-dependent assembly of FtsZ into filaments. J. Bacteriol. 176, 2754-2758.
  17. Panda D. et al. 2016. Identification of agents targeting FtsZ assembly. Future Med. Chem. 8, 1111-1132.
  18. Haranahalli K. et al. 2016. Recent advances in the discovery and development of antibacterial agents targeting the cell-division protein FtsZ. Bioorg. Med. Chem. doi: 10.1016/j.bmc.2016.05.003.
  19. Matsui T. et al. 2012. Structural reorganization of the bacterial cell-division protein FtsZ from Staphylococcus aureus. Acta Cryst. D68, 1175-1188.
  20. Elsen N.L. et al. 2012. Mechanism of action of the cell-division inhibitor PC190723: modulation of FtsZ assembly cooperativity. J. Am. Chem. Soc. 134, 12342-12345.
  21. Haydon D.J. et al. 2008. An inhibitor of FtsZ with potent and selective anti-Staphyloccocal aureus activity. Science. 321, 1673-1675.
  22. Haydon D.J. 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.

チューブリンタンパク質

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品名 メーカー 品番 包装 希望販売価格
Tubulin (porcine brain, >99% pure), Porcine詳細データ CYT T240-A 1*1 MG
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Tubulin (porcine brain, >99% pure), Porcine詳細データ CYT T240-B 5*1 MG
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Tubulin (porcine brain, >99% pure)詳細データ CYT T240-DX 1*10 MG
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Tubulin: MAP-rich (porcine)詳細データ CYT ML116-A 1*1 MG
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Tubulin: MAP-rich (porcine)詳細データ CYT ML116-DX 1*10 MG
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Pre-formed Microtubles, Porcine詳細データ CYT MT002-A 4*500 UG
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Tubulin, Porcine, HiLyte FluorTM 647詳細データ CYT TL670M-A 5*20 UG
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Tubulin, Porcine, HiLyte FluorTM 647詳細データ CYT TL670M-B 20*20 UG
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FtsZ タンパク質

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FtsZ Protein Staphylococcus aureus 詳細データ CYT FTZ02-A 1*1 MG
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FtsZ Protein詳細データ CYT FTZ03-A 1*1 MG
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FtsZ protein Escherichia coli 詳細データ CYT FTZ05-A 1*1 MG
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FtsZ protein Escherichia coli 詳細データ CYT FTZ05-B 5*1 MG
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チューブリン重合キット

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Tubulin Polymerization Assay Kit詳細データ CYT BK006P 1 KIT
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Tubulin Polymerization Assay Kit, Porcine詳細データ CYT BK004P 1 KIT
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