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特集：GPCR創薬研究

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株式会社タンソーバイオサイエンス研究開発部

小笠原英明様

GPCR創薬の現状と展望

Gタンパク質共役型受容体（GPCR）は医薬品の主要な標的分子群のひとつです。医薬産業政策研究所の調査（図1）によればGPCR標的の新薬開発品目数は開発薬全体の20%（253/1265）を占めています¹。新規標的（未だ医薬品が開発されていない受容体）を対象とする創薬プロジェクトが成功すればfirst-in-classの新薬開発に繋がりますが、失敗するリスクも高いです。それ故に、現在のGPCR創薬では、新規標的ではなく既知標的（既に医薬品が開発されている受容体）を対象とするプロジェクトが主流です¹。既知標的を対象にした創薬プロジェクトであってもbiased agonismもしくは allosteric modulationといった新しいコンセプトを導入することにより、革新的な医薬品の創出が可能と考えられます²。

図1 標的分子種類別の新薬開発品目数

Biased agonismは、作用する受容体が同一であるにも関わらず、リガンド化合物ごとに異なるシグナリングプロファイルが惹起される現象です。GPCRの場合、Gタンパク質もしくはβ-arrestinのどちらか一方を選択的に活性化するbiased ligand（図2）に関して研究が進んでおり³、より副作用の少ない鎮痛薬として米国FDAから認可されたoliceridine （μ-オピオイド受容体に対するbiased ligand）が開発成功例として知られています。しかし一方で、oliceridineの軽微な副作用はbiased agonismではなく化合物自体のlow intrinsic efficacyに起因するとの報告や⁴、近年、培養細胞で全Gタンパク質を欠失させるとβ-arrestinシグナルも同時に消失するとの予想外の報告がなされるなど^5,6、「Gタンパク質・β-arrestin間でのbiased agonism」の意義に関して意見がわかれています。

図2 Gタンパク質・β-arrestin間のbiased agonism
Gタンパク質・β-arrestin間のbiased agonismではいずれかのシグナル伝達経路が選択的に活性化される。

このような状況をうけ、「Gタンパク質・β-arrestin間でのbiased agonism」に加えて、「共役するGタンパク質間でのbiased agonism（作用するGPCRが同一であるにも関わらず、リガンド化合物依存的に異なるGタンパク質が活性化される現象）」が現在注目され（図3）、既にそのような化合物例として、μ-及びκ-オピオイド受容体に対するnaloxone⁷、オキシトシン受容体に対するatosiban⁸、グレリン受容体に対するwFw-isonipecotic acid⁸などが報告されています。今後は「共役するGタンパク質間でのbiased agonism」がGPCR創薬における新たなトレンドになっていく可能性が高いです。

図3 Gタンパク質間のbiased agonism
Gαタンパク質間のbiased agonismではGαタンパク質（Gs, Gi/o, Gq, G12/13）の中の特定のものが選択的に活性化される。

Allosteric modulatorは生理的リガンドとは異なる受容体部位に作用することにより、1) 同じ生理的リガンドを認識するファミリー受容体間であっても受容体特異性を発揮しやすい、2) 生理的リガンド存在下でのみ作用することから薬理効果の時間的選択性をもたらす、といった魅力的な性質を有しています。更に、allostericな作用により生理的リガンドとは質的に異なるbiased agonismを惹起しうるため（図4）、従来の医薬品にはない有用性を生み出すことが期待できます^2,3。

図4 Allosteric modulatorによるbiased agonism
生理的リガンドのみの時とは異なる下流シグナル伝達経路の活性化をもたらすallosteric modulatorは医薬品の新しい作用機序として期待される。Allosteric modulatorによるGsに偏った活性化の例を図に示したが、同様に、他のGタンパク質間、あるいはGタンパク質・β-arrestin間のbiased agonismに寄与するallosteric modulatorも考えられる。

創薬標的としてのポテンシャルを有するGPCR（嗅覚受容体などの感覚受容体を除く）はヒトゲノム上に約300-400種類存在しますが、そのうちの約200種類は未開発のままです²。未開発のGPCR、特にオーファン受容体に関しては、受容体を活性化するリガンドが同定されておらず、受容体下流のシグナル伝達経路に関する情報も不足しています。そのため従来のアッセイ系による受容体活性の検出は困難を極め、これらGPCRに対して適用可能な新規アッセイ系の確立が待たれています。新規アッセイ系による化合物スクリーニングを通じて、これら受容体に対するsurrogateリガンドが同定されれば、そのリガンドをプローブとして当該受容体の生理機能を解明できます。未開発なGPCRの生理機能及びヒト疾患との関連性を次々と明らかにし創薬標的として選定されうるGPCRのレパートリーを拡大することが、GPCR創薬の更なる発展に重要です。

メーカー一覧

コスモ・バイオでは、GPCR創薬研究に有用な製品・サービスを取り扱っております。

タンソーバイオサイエンス社 GPCRプロファイリングサービス
Eurofins DiscoverX社 GPCR評価用製品・サービス
Calixar社膜タンパク質作製サービス

タンソーバイオサイエンス社 GPCRプロファイリングサービス

タンソーバイオサイエンス社は、独自のレポーター細胞及びGαタンパク質を組み合わせることで、ヒト全GPCRに対する高感度な機能解析系を構築しました。本サービスは、幅広いGPCRに対するオンターゲット/オフターゲット探索、特定のGPCRに対するスクリーニングや最適化など、多様な目的でご利用頂けます。

特長

独自のレポーターアッセイ系により高感度、高いS/B比を実現（図5）
オーファンGPCR含め、ヒト全GPCR313種（感覚受容体除く）をカバー
安価かつ短納期（サンプル受領後約2～3週間で結果を送付）

データ例

図5. 既存アッセイ（左図：J Biol Chem. 1995;270:12846-50.）とタンソーバイオサイエンス社アッセイ（右図）の比較
AGTR1に対するタンソーバイオサイエンス社のアッセイは既存アッセイと比較して100倍近く高感度であり、高いS/B比も実現している。

図6. タンソーバイオサイエンス社のヒトリガンド既知GPCR 200種パネルアッセイの例
糖尿病開発薬TAK-875のFFAR1選択的なアゴニスト活性が見られ（左図）、濃度依存性も確認された（右図）。

Eurofins DiscoverX社 GPCR評価用製品・サービス

Eurofins DiscoverX社では、GPCRに対するサンプルの活性評価用の製品・サービスを取り扱っております。他社にない豊富なアッセイ系、ご利用方法により、お客様の目的に沿ったご利用方法をご提案いたします。

特長

β-Arresitnのリクルート、2nd messenger、内在化のアッセイに対応 (図7)
多様なアッセイ系によりバイアスリガンドの評価が可能
委託サービス、使い切りのキット、継代可能な細胞株を選択可能
標的GPCRのmembrane traffickingの評価に有用な独自のアッセイ系 (図8)

原理・データ例

図7 CHRM2に対するアッセイ間のデータ比較
同じGPCR、同じ化合物の組み合わせだが、アッセイ系により応答性に違いが見られた。

図8 PathHunter® Pharmacochaperone Trafficking Assaysの原理図

本アッセイは標的タンパク質のmembrane traffickingを、①核から細胞膜表面への移行　②細胞膜表面から初期エンドソームへの移行の2つのポイントで評価可能です。タンパク質のミスフォールディングやmutationに対する分子シャペロンの薬剤探索及び評価に有用で、遺伝性疾患を中心とした疾患領域の研究にご利用頂けます。

詳細

Calixar社膜タンパク質作製サービス

Calixar社では、独自の試薬による、膜タンパク質に特化したタンパク質作製サービスを承っております。変異導入やラベリング等無しの、よりnativeに近い状態で発現精製が可能です。

特長

独自の試薬を用いてnativeに近い状態の膜タンパク質を作製
精製タンパク質は多様なバリデーション項目で評価可能（ELISA, Radioligand Binding等）
約170種以上の豊富なタンパク質作成実績

データ例

図9 精製A2ARのバリデーションデータ例
A：ウエスタンブロットによりA2AR特異的なバンドが検出された。
B：A2ARに対するアゴニストとアンタゴニストの結合を放射性リガンドとの競合をベースに検出した。

参考文献

1) 戸邊雅則. 創薬化学の側面から見た低分子医薬の将来像. 医薬産業政策研究所リサーチペーパー. 2018;シリーズ72. 2) Hauser AS, Attwood MM, Rask-Andersen M, Schi?th HB, Gloriam DE. Trends in GPCR drug discovery: new agents, targets and indications. Nat Rev Drug Discov. 2017;16:829-842. 3) Wootten D, Christopoulos A, Marti-Solano M, Babu MM, Sexton PM. Mechanisms of signalling and biased agonism in G protein-coupled receptors. Nat Rev Mol Cell Biol. 2018;19:638-653. 4) Gillis A, Gondin AB, Kliewer A, Sanchez J, Lim HD, Alamein C, Manandhar P, Santiago M, Fritzwanker S, Schmiedel F, Katte TA, Reekie T, Grimsey NL, Kassiou M, Kellam B, Krasel C, Halls ML, Connor M, Lane JR, Schulz S, Christie MJ, Canals M. Low intrinsic efficacy for G protein activation can explain the improved side effect profiles of new opioid agonists. Sci Signal. 2020;13:eaaz3140. 5) O'Hayre M, Eichel K, Avino S, Zhao X, Steffen DJ, Feng X, Kawakami K, Aoki J, Messer K, Sunahara R, Inoue A, von Zastrow M, Gutkind JS. Genetic evidence that β-arrestins are dispensable for the initiation of β 2-adrenergic receptor signaling to ERK. Sci Signal. 2017;10:eaal3395. 6) Grundmann M, Merten N, Malfacini D, Inoue A, Preis P, Simon K, R?ttiger N, Ziegler N, Benkel T, Schmitt NK, Ishida S, M?ller I, Reher R, Kawakami K, Inoue A, Rick U, K?hl T, Imhof D, Aoki J, K?nig GM, Hoffmann C, Gomeza J, Wess J, Kostenis E. Lack of beta-arrestin signaling in the absence of active G proteins. Nat Commun. 2018;9:341. 7) Masuho I, Ostrovskaya O, Kramer GM, Jones CD, Xie K, Martemyanov KA. Distinct profiles of functional discrimination among G proteins determine the actions of G protein-coupled receptors. Sci Signal. 2015;8:ra123. 8) Davenport AP, Scully CCG, de Graaf C, Brown AJH, Maguire JJ. Advances in therapeutic peptides targeting G protein-coupled receptors. Nat Rev Drug Discov. 2020;19:389-413.

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