Gタンパク質共役受容体（GPCR）が複数種のGタンパク質と結合する仕組みを解明 GPCRを標的とした安全で選択性の高い治療薬設計に期待

東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系のTran Phuoc Duy（チャン・フ・ズイ）助教、萩本紗理大学院生、北尾彰朗教授、理化学研究所のアドナン・スリオカ研究員、トロント大学のスコット・プロッサー教授らの国際共同研究チームは、実験的・計算科学的手法を用いて、ヒトアデノシンA_2A受容体（A_2AR）が持つGタンパク質^[用語1]の選択性と機能性の土台となる仕組みを明らかにした。

A_2ARは、代表的な薬物標的であるGタンパク質共役型受容体（GPCR）の一種であり、Gタンパク質と結合して細胞シグナル伝達を開始し、心臓の健康状態や、炎症・がん・脳疾患に影響を与えている。本研究では、このA_2ARがどのようにして複数種のGタンパク質と結合して活性化するのかという、結合混在性^[用語2]のメカニズムを解明した。具体的には、活性状態のA_2ARの立体構造変化が直接的に結合混在性をもたらすことを発見し、A_2ARが動的に取りうるさまざまな立体構造の中で、特定の立体構造を巧妙に制御する長距離情報伝達（いわゆるアロステリー^[用語3]）の詳細な仕組みも明らかにした。

本研究は、GPCRが持つ選択性とシグナル伝達に関する深い洞察を提供するものであり、得られた知見は、がんや神経変性疾患など、ヒトに影響を及ぼすさまざまな疾患の治療において、GPCRを標的とした新規治療戦略への道を開くものと期待される。また計算やAIに基づいた研究を用いることで、従来の限界を打破するGPCRの活性化メカニズム研究や新世代の創薬を可能にすると期待される。

本研究成果は、7月31日付（現地時間）の「Nature Chemical Biology」に掲載された。

Gタンパク質共役型受容体（GPCR）は、ヒトのさまざまな生理学的側面に影響を及ぼす、多くの種類からなる受容体であり、承認されている医薬品の35％はGPCRに作用する。GPCRは感覚や神経細胞のシグナル伝達を制御し、細胞の恒常性、成長、免疫反応に関連する無数のプロセスを制御している。またGPCRは主に細胞を取り囲む細胞膜に存在している。GPCRに作用する薬物やホルモン・神経伝達物質など（リガンド）が、細胞外側に向いたGPCRのポケットに結合すると、結合するリガンドの種類によってGPCRが活性化または非活性化される。GPCRが活性化されると細胞膜の内側でGPCRがGタンパク質等と複合体を形成し、細胞内でシグナル伝達を開始する。このように、GPCRを標的とした薬剤は細胞内に入ることなく細胞内にシグナルを伝達できるので、GPCRは創薬の標的として有用である。

GPCRの活性化は、リガンドが結合してからGタンパク質が活性化されるまでの間に生じるさまざまな動的なイベントや、取りうる重要な中間状態や活性化状態と関係している。多くのGPCRは、異なる種類のGタンパク質と選択的に相互作用し、それぞれが特有の細胞応答に影響を与える混在性を持っている。Gタンパク質の選択性は、GPCRに関する生物学において最も理解されていない側面の一つである。GPCRの立体構造ダイナミクスとさまざまな機能状態、Gタンパク質の選択性における長距離情報伝達（アロステリー）の役割、結合混在性、活性化とシグナル伝達機構を理解することは難しい課題であり、医薬品開発においてGPCRの挙動を予測し、制御することを困難にしている。

こうしたGPCRのGタンパク質選択性の背後にあるメカニズムを解明するため、国際共同研究チームは今回の研究で、ヒトのアデノシンA_2A受容体（A_2AR）に焦点を当てた。A_2ARは、神経系や血小板、免疫細胞、肺、心臓・血管系に分布するGPCRで、典型的な結合相手であるG_sタンパク質に加えて、いくつかの別のGタンパク質（特にG_o）と相互作用する（図1）。A_2ARに作用する薬は、炎症やがんに加えて、創傷治癒や、アテローム性動脈硬化症、再狭窄、血小板活性化などの血管疾患に対処するために開発されてきた。薬理学的には、薬はA_2AR-G_s複合体に対する拮抗薬または作動薬としてのみ作用すると考えられている。したがって、A_2ARにおけるGタンパク質の選択性と有効性のメカニズムや活性化のメカニズムを理解することは、薬理学における新たな可能性をもたらす可能性がある。

図1.

アデノシンA_2A受容体（A_2AR、紫色で示す）のアロステリーとダイナミクスは、Gタンパク質（G_s：緑とG_o：オレンジ）の活性化に重要な役割を果たしている。

この研究では、機能アッセイ、フッ素19核磁気共鳴法^[用語4]、数理剛性理論^[用語5]、分子動力学シミュレーション^[用語6]やdPaCS-MD/MSM法^[用語7]、剛性と形状のモンテカルロ・シミュレーション^[用語8]などの実験的・計算的手法を用いて、A_2ARのGタンパク質選択性を調べた。具体的には、同じ作動薬を用いて、A_2ARをG_sおよびG_oと複合化させ、A_2ARの立体構造状態とダイナミクスを研究した。

まずフッ素19核磁気共鳴法によって、A_2ARがG_sおよびG_oと結合したときに取りうる複数の活性化状態を明らかにした。A_2ARがG_sと結合すると、受容体は長寿命で高密度な活性化状態を示す。しかし、G_oと結合した場合は、活性化構造は著しく減少した。しかも活性化状態の一つは、A_2ARがG_sと結合したときに主に観察されたが、G_oと結合したときには観察されなかった（図2）。

次に、東京工業大学で行われた分子動力学シミュレーション・dPaCS-MD/MSM法から、G_sの方がA_2ARとの相互作用が多く、結合親和性も高いことが明らかになった。また、この分子動力学シミュレーションと、理化学研究所で行われたモンテカルロ・シミュレーションから、G_sとG_oのどちらに結合するかによって、A_2ARのダイナミクスが大きく変化することが確認され、長距離情報伝達（アロステリー）が作用しているのではないかという仮説が導かれた。

この仮説について、スリオカ研究員が開発した数理剛性理論を利用した結果、A_2ARがG_sとG_oと結合する際に、それぞれ異なる情報伝達経路が存在することが示された（図3）。このメカニズムによって、異なる機能状態のダイナミクスの違いと状態間の遷移が直接制御されており、Gタンパク質の選択と結合に大きな役割を果たしている。

図2.

フッ素19核磁気共鳴法で得られたスペクトル（赤いボックスの中）で示すように、A_2ARがG_sと結合した際に見られるTM6部位の2つの活性化状態（左のオレンジ色のピーク）と、G_oと結合した際の1つの状態（薄青色のピーク）とTM7部位の主に1つの状態には、ダイナミクスに違いがみられる。

図3.

モデリングと数理剛性理論で得られた活性化の情報伝達経路（赤）には、A_2AR-G_s複合体（左）とA_2AR-G_o複合体（右）で違いが見られる。

GPCRが異なる活性化状態を通じて複数種のタンパク質と結合する能力は、私たちの体の細胞がシグナルを伝達して反応するプロセスの複雑さと可能性を浮き彫りにしており、これをうまく活用すればより良い治療法につながる可能性がある。本研究で得られた知見は、GPCRの選択性、アロステリー、部分作動性、シグナル伝達に関する重要な知見もたらし、創薬に大きな示唆を与えるものである。

今回の研究は、これまで未解明だったA_2ARの結合混在性メカニズムを解明したものであったが、今後の研究ではこのメカニズムを他のGPCRへ一般化し、高度なAIモデルを取り入れることに焦点を当てる。また今回の成果は、将来的にGPCRを標的としたより安全で選択性の高い治療薬の設計に役立つものと思われる。今後の研究によって、細胞内シグナル伝達機構の全体的な理解をさらに深めることを目指す。