ケモゲノミクス

ケモゲノミクス（chemogenomics）は、化学遺伝学（chemical genomics）とも称され、小分子化合物ライブラリーを対象とする多様なタンパク質標的ファミリー（例えばGタンパク質共役受容体、核内受容体、キナーゼ、プロテアーゼなど）に対して網羅的にスクリーニングを実施する研究領域です。その究極的な目的は、新しい医薬品や治療標的を同定することにあります。

ヒトゲノムプロジェクトの完了により、治療介入の可能性がある標的候補が多数明らかになりました。ケモゲノミクスは、これら膨大な標的候補に対し、多種多様な薬剤候補がどのような作用を及ぼすかを横断的に解析することを目指しています。通常、標的ファミリーの一部のメンバーについては、その機能や、機能を調節する化合物（例えば受容体に対するリガンド、酵素に対する阻害剤など）がすでに判明しています。しかし、他のメンバーについては、既知のリガンドを持たず、その機能がまだ不明な「オーファン受容体」などとして分類されている場合もあります。ケモゲノミクスにより、あまり知られていない標的メンバーの活性を調整する化合物をスクリーニングで見つけ出すことで、これらの未知の標的の働きを明らかにすることが可能となります。さらに、これらの標的に有効な化合物は、新たな医薬品開発の糸口となります。

対象とする標的ファミリーの既知のリガンドを化学ライブラリーに含めることは、効果的なスクリーニングに繋がります。特定のファミリーメンバーに結合するように設計・合成されたリガンドの中には、同じファミリーの他のメンバーにも結合するものがあるため、このように構築された化学ライブラリーは、その標的ファミリーの多くのメンバーに包括的に作用することが期待できます。

研究戦略

ケモゲノミクスは、リガンドとして機能する活性化合物を「プローブ」として活用し、細胞内に存在する全タンパク質（プロテオーム）の機能を解明することで、標的探索と創薬を結びつけます。低分子化合物とタンパク質の相互作用が特定の細胞や個体の表現型（目に見える変化や生理的な応答）を引き起こします。この表現型を分析することで、特定のタンパク質を分子レベルのイベントに関連付けることができます。遺伝学的な手法が遺伝子レベルで機能改変を行うのに対し、ケモゲノミクス技術は主にタンパク質の機能を変更できます。また、ケモゲノミクスでは、分子間の相互作用だけでなく、その可逆性もリアルタイムで観察できる利点があります。例えば、特定の化合物を加えたときにのみ表現型の変化が観察され、その化合物を培地から取り除くと変化が止まる、といった検証が可能です。

現在、ケモゲノミクスには主に二つの実験的アプローチが存在します。一つは「フォワード・ケモゲノミクス（順化学遺伝学）」で、特定の表現型を示す分子を探索し、そこから創薬標的を同定しようとするものです。もう一つは「リバース・ケモゲノミクス（逆化学遺伝学）」で、特定のタンパク質と特異的に相互作用する分子を探し、その分子が引き起こす表現型を検証することを目的としています。これらのアプローチのどちらも、適切な化合物のコレクションと、化合物をスクリーニングし、生物学的標的と活性化合物を同時に見つけ出すための適切な実験システムを必要とします。これらの手法によって発見された生物学的に活性な化合物は、特定の分子標的に結合してその機能を調節することから「モジュレーター」と呼ばれ、「標的治療薬」として応用されることがあります。

二つの主要アプローチ

フォワード・ケモゲノミクス

フォワード・ケモゲノミクス、あるいは古典的化学遺伝学とも呼ばれるこの手法は、特定の表現型に着目し、その機能に影響を与える低分子化合物を同定します。この望ましい表現型がどのような分子メカニズムによって引き起こされているかは、この段階ではまだ明らかになっていません。モジュレーターとなる化合物が見つかったら、それを手がかりとして、その表現型の原因となっているタンパク質を探し出します。例えば、腫瘍の増殖を停止させるような「機能喪失」の表現型に着目し、これをもたらす化合物を同定した後、その化合物の標的となる遺伝子やタンパク質を特定するといった進め方をします。フォワード・ケモゲノミクス戦略における主な課題は、スクリーニングの結果が直接的に標的の同定につながるような表現型アッセイをいかに設計するかという点にあります。

リバース・ケモゲノミクス

リバース・ケモゲノミクスは、まずin vitro（試験管内）での酵素活性試験などにおいて、特定の標的タンパク質の機能を阻害する低分子化合物を同定します。モジュレーターが特定された後、その化合物が細胞レベルあるいは生物全体でどのような表現型を引き起こすかを解析します。この解析を通じて、その標的タンパク質が生物学的応答においてどのような役割を担っているのかを特定または確認することができます。リバース・ケモゲノミクスは、過去数十年にわたって創薬や分子薬理学で広く用いられてきた「ターゲットベース」のアプローチと本質的には同じ流れを汲んでいます。現在では、並列スクリーニング技術や、一つの標的ファミリーに属する多数の標的に対してリード化合物の最適化を同時に行う能力によって、この戦略はさらに強力になっています。

多様な応用例

ケモゲノミクスは、基礎研究から創薬まで幅広い分野で活用されています。

作用機序の決定

医薬品候補や、例えば伝統中国医学やアーユルヴェーダといった伝統医療で用いられる生薬成分の作用機序（MOA）を特定するのに用いられます。伝統医薬に含まれる化合物は、合成化合物に比べて溶解性が高く、多様な生体分子に結合しやすい「特権構造」を持つものがあり、安全性に関する情報も比較的蓄積されています。このため、これらを新規化学物質開発の「リード構造」の資源として活用することは非常に魅力的です。伝統医薬に用いられる化合物の化学構造と表現型効果を記録したデータベースや、計算化学（in silico）解析は、既知の表現型に関連するリガンド標的を予測することにより、作用機序の解明に役立ちます。例えば、伝統中国医学の「調色および補充薬」クラスの治療作用（表現型）が解析され、ナトリウム-グルコース輸送タンパク質やPTP1Bなどが血糖降下作用に関連する標的として示唆されました。また、アーユルヴェーダの抗がん剤製剤の事例では、癌の進行に直接関わる標的（ステロイド-5α-リダクターゼなど）や、薬物排出ポンプP-gpのような相乗的な標的が予測されました。こうした標的と表現型の関連付けは、新しい作用機序の発見に繋がります。ケモゲノミクスは、創薬の初期段階での作用機序決定だけでなく、臨床試験（第I相および第II相）において、化合物の毒性や有効性に関連するゲノムバイオマーカーを特定する目的でも適用可能です。

新規治療標的の同定

ケモゲノミクス・プロファイリングは、全く新しい治療標的、例えば新たな作用機序を持つ抗菌剤の標的の同定にも利用できます。ある研究では、細菌の細胞壁成分であるペプチドグリカン合成経路に関わるmurDという酵素の既存リガンドライブラリーが活用されました。研究者たちは、ケモゲノミクスの「相似性原理」に基づき、murDのリガンドライブラリーを同じmurリガーゼファミリーの他のメンバー（murC, murEなど）に適用し、既知のリガンドが未知の標的に結合するかを調べました。ペプチドグリカン合成は細菌に固有の経路であるため、同定されたリガンドは広域スペクトルのグラム陰性菌阻害剤となる可能性が期待されました。構造解析や分子ドッキング研究により、murCやmurEリガーゼに対するリガンド候補が複数示唆されました。

生物学的経路における遺伝子の同定

ケモゲノミクスは、未知の生物学的経路に関わる遺伝子や酵素の発見にも貢献しています。例えば、翻訳後修飾されたヒスチジン誘導体であるジフタミドが決定されてから30年後、ケモゲノミクスのアプローチがその合成に関わる未知の酵素の発見に成功しました。ジフタミドは、翻訳伸長因子2（eEF-2）上に存在する特殊なアミノ酸です。その生合成経路のうち、ジプチンに至るまでの最初の2段階は知られていましたが、ジプチンをジフタミドに変換する最終段階を担う酵素は不明でした。研究者たちは、出芽酵母の「コフィットネス・データ」を利用しました。これは、異なる遺伝子を欠損させた酵母株の間で、様々な環境下での増殖能力（適応度）がどれだけ似ているかを示すデータです。ジフタミド合成酵素の遺伝子が欠損した酵母株は、ジフタミド合成経路の他の遺伝子が欠損した株と似た適応度を示すはずだという仮説のもと、コフィットネス・データの中から最も高い類似性を示す株を探しました。その結果、ylr143wという遺伝子を欠損した株が、既知のジフタミド合成遺伝子欠損株と最も高いコフィットネスを示すことがわかりました。その後の実験的な検証により、YLR143wタンパク質がジフタミド合成に不可欠であり、求めていた未知のジフタミド合成酵素であることが確認されました。

このように、ケモゲノミクスは、化合物と標的タンパク質の関係性を網羅的に解析することで、創薬のみならず、生命現象の解明においても重要な役割を果たしています。

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