タンパク質分解酵素の働きを視る蛍光分子の新規モジュール型設計法を確立

東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系の神谷真子教授らと東京大学大学院 薬学系研究科の浦野泰照教授（兼：同大学大学院 医学系研究科）らのグループは、タンパク質分解酵素の一群であるカルボキシペプチダーゼ^[用語1]を標的とした蛍光プローブ^[用語2]の新たな分子設計法の開発に成功しました。本研究では、プロドラッグ^[用語3]技術として知られるProtide^[用語4]を応用したモジュール型の分子設計法を確立することで、蛍光波長や標的酵素、およびその反応性を自在に変化させたさまざまな蛍光プローブ群の効率的な開発を世界で初めて可能としました。本手法に基づき、CPM^[用語5]やPSMA^[用語6]に対する蛍光プローブを開発し、これらを用いて培養細胞や乳がん患者の外科的切除検体における標的酵素の活性を検出することに成功しました。

確立した分子設計を用いることで診断薬開発や創薬スクリーニングなどの目的に応じて最適な蛍光プローブの提供が可能となり、医学・生命科学研究に大きく貢献することが予想されます。

（1）蛍光団、（2）リン原子上の置換基、（3）リンカーアミノ酸、（4）基質アミノ酸の各モジュールを組み合わせることで、所望の蛍光プローブを開発できる。

カルボキシペプチダーゼはタンパク質やペプチドのC末端のアミノ酸を認識して切断する酵素群の総称であり、生体内で重要な役割を担っています。加えて、がんや高血圧などの疾患との関与が報告されていることから、その活性を高感度で検出できる蛍光プローブの開発が期待されています。一方で、その設計の難しさからカルボキシペプチダーゼに対する蛍光プローブの報告例は過去当グループで開発したものを含めても非常に限られており、特に目的に応じてその特性を柔軟に変化させられる汎用性の高い分子設計法はこれまで報告がありませんでした。

このような中で本研究では、プロドラッグ技術として知られるProtideの特徴的な活性化機構に着目し、これを応用した蛍光プローブの分子設計を行いました（図1）。これはプローブ分子を4つのモジュールに分割して考えることが可能なデザインであり、目的に応じた蛍光プローブの開発が可能となります。具体的には、蛍光団を適切に選択することでCPMの活性をそれぞれ青・緑・赤色の蛍光で検出できる一連のプローブ群の開発が可能であること（図2）、リン原子上の置換基を最適化することによりカルボキシペプチダーゼに対する反応性を調節することが可能であること、加えて、カルボキシペプチダーゼの認識に重要なペプチド部位を変換することでPSMAに対する蛍光プローブの開発が可能であることを明らかとしました。このように（1）蛍光波長、（2）酵素に対する反応性、（3）標的酵素といったパラメータを自在に変換できることは、所望の特性を有するプローブを効率的に開発できることを示しています。さらに、開発した塩基性カルボキシペプチダーゼ^[用語7]の活性を検出可能な赤色蛍光プローブを乳がん患者の外科的切除検体に添加したところ、がん組織における塩基性カルボキシペプチダーゼの活性を蛍光で検出することが可能であることも明らかとなりました（図3）。

カルボキシペプチダーゼはその生体内での重要な役割から、診断薬や治療薬の標的となることが想定されます。本研究で確立したモジュール型の分子設計法に則りプローブを開発することで、手術中にがん部位を見つけるための新規診断薬開発や、その活性を調節する薬剤の効率的なスクリーニングへの応用が期待されます。加えて、カルボキシペプチダーゼに関するさまざまな基礎研究の発展に資するツール分子となることも期待されます。

a) 本研究で開発したCPMなどの塩基性カルボキシペプチダーゼ活性を検出する青、緑、赤色蛍光プローブの一例。蛍光団のモジュールを変更することでプローブの蛍光色を変化させることができる。
b) 開発した緑色および赤色プローブによるMDCK細胞におけるCPM活性のイメージング。青色はHochestによる核染色。

赤色塩基性カルボキシペプチダーゼ蛍光プローブThPSiR-Bn-eaSoul-ARを用いた乳がん検体におけるイメージング。がん組織における塩基性カルボキシペプチダーゼの活性を赤色蛍光で検出している。