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Quantitative evaluation of inhibitory potency of inhibitors for Formyl Peptide Receptor 1 and elucidation of the inhibition mechanism using fluorescence microscopy techniques

西口, 知輝 東京大学 DOI:10.15083/0002006453

2023.03.24

概要

論文審査の結果の要旨
氏名 西口

知輝

本論文は、Formyl Peptide Receptor 1 (FPR1)の活性化とシグナル伝達を定量評価
する細胞系の確立と、活性伝達機序における FPR1 クラスター化の役割解明に関する論
文である。
本論文は全 4 章からなる。第 1 章では細胞膜局在タンパク質である G タンパク質共
役型受容体(GPCR)が、ヘテロ三量体 G タンパク質とアレスチンとの相互作用により、
生体内のシグナル伝達を引き起こす基本原理を説明している。このシグナル伝達は、
GPCR に結合する下流シグナルタンパク質や GPCR の局在、そのオリゴマー形成によって
複雑に制御されることに着目している。中でも活性伝達様式に偏りを持つリガンドバイ
アスに基づくシグナルの制御が、特異性の高い創薬において有用であると述べている。
次に具体的な疾患として重症薬疹を取り上げ、GPCR の一つである FPR1 が創薬ターゲッ
トになっていることを解説している。FPR1 を標的とした有効な医薬品が見出されていな
いことから、FPR1 の活性伝達機構の深い理解が創薬には必要であることを説明している。
そこで本研究の目的が,多角的な活性伝達をもとに FPR1 のリガンドバイアス評価系を
確立すること、そして FPR1 のオリゴマー形成がシグナル伝達に及ぼす影響を明らかに
することであることを述べている。
第 2 章ではまず、FPR1 のシグナル伝達が継時的に変化する可能性に言及し、本研究
の目的が、生細胞内で FPR1 の活性伝達能をリアルタイムに検出する手法の確立である
ことを述べている。具体的には、リガンドバインディングアッセイ、アレスチンアッセ
イ、cAMP アッセイ、G タンパク質 FRET アッセイの 4 つの測定系をヒト由来 HEK293 細胞
を用いて樹立したことを報告している。いずれのアッセイ系においても蛍光あるいは発
光シグナルが FPR1 特異的作動薬に対し濃度依存的に応答することから、FPR1 の活性伝
達能を定量的に評価する系が確立されたことを立証している。既報と矛盾のない濃度域
で、特異的阻害剤による競合阻害が起こることも確認されている。経時的な反応変化は、
G タンパク質 FRET アッセイにおいては秒オーダー、他 3 つのアッセイ系においては分オ
ーダーで追跡可能であると示している。アレスチンアッセイにおいては、作動薬刺激後
の時間によって FPR1 の作動薬認識能が変化することを実証している。4 つのアッセイ系

1

の確立により、FPR1 の多角的な活性伝達を経時的に評価することが可能になったことを
結論づけている。開発した手法は、FPR1 の活性伝達が作動薬の濃度と時間によって流動
的に制御されることを示しており、リガンドバイアスを利用した特異性の高い創薬研究
への有用性が期待される成果である。
第 3 章では、FPR1 のクラスター形成のシグナル伝達における役割を述べている。ま
ず、全反射蛍光(TIRF)顕微鏡測定により、FPR1 が作動薬添加後 5 分でクラスターを形
成することを見出している。クラスターに属する FPR1 は 40 分子程度であり、アレスチ
ンの発現によって形成されることを確認している。次に一分子 TIRF 顕微鏡測定により、
FPR1 のオリゴマー形成状態を評価している。本評価系では、2-4 分子からなる小さいオ
リゴマーと 5-11 分子からなる大きいオリゴマーとが識別できることを証明している。
作動薬添加後 1 分以内で、FPR1 は小さいオリゴマーから大きいオリゴマーへと平衡が傾
くことが示されている。二色一分子 TIRF 顕微鏡測定により、FPR1 と G タンパク質の結
合時間を評価し、作動薬添加後の大きいオリゴマーで結合時間が増大していることを見
出している。さらに三色一分子 TIRF 顕微鏡測定により作動薬結合 FPR1 と非結合 FPR1
を識別し、作動薬の結合した大きな FPR1 オリゴマーが高い G タンパク質結合能を示す
ことを立証している。阻害剤では上記の応答が見られなかったことも合わせて、FPR1 の
G タンパク質を介した活性伝達には、作動薬結合 FPR1 の大きなオリゴマー形成が重要で
あると結論づけている。一連の成果は、FPR1 の幅広い大きさの分子集合体を検出するユ
ニークな手法を実証するものであり、GPCR 以外の対象にも応用が可能な研究手技を確立
した点で大きな波及効果が今後期待される成果である。
第 4 章は、本研究で開発した時間情報を含めた活性伝達能評価法を用いることの優
位点、ならびに一定の FPR1 発現量でオリゴマーとクラスターの両方を評価する意義に
ついて述べている。本論文において、FPR1 活性伝達の生細胞内リアルタイム定量評価系
は創薬開発における実用性が期待できる技術であり、また蛍光顕微鏡法により FPR1 の
オリゴマー・クラスター形成がその活性伝達において役割を担うことを発見した点で学
術的に意義深い研究成果である。
なお本論文は、吉村英哲氏、笠井倫志氏(京都大学)、藤原敬宏氏(京都大学)との
共同研究の成果をまとめたものであるが、論文提出者が主体的に実験やデータ解析を行
っており、論文提出者の寄与が十分であると判断した。
したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。

2

この論文で使われている画像

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90

Chapter 4

General Conclusion

91

GPCRs are involved in a wide range of diseases. Growing evidence has suggested the

pluridimensional signal controls of GPCRs by many factors, including ligand-induced unique

structural changes and transient GPCR-GPCR interactions. However, temporally dynamic changes in

signal transductions of GPCRs have not been fully investigated for drug discovery.

In Chapter 2, I established four assay systems to measure the signal transduction efficiency

quantitatively with temporal information. In the conventional drug discovery, the efficacy of signal

transduction has been evaluated mainly by ligand binding and second messengers only at a fixed time

point. The present study added two assay systems to monitor directly the G protein activation and the

β-arrestin recruitment to evaluate ligand bias. All the assays were designed to be performed in the

same cell type and under the same temperature, enabling the unbiased measurements of the efficiency

and the kinetics of signal transduction events. At the equilibrated states, an FPR1 agonist, fMLP,

displayed different dose–response curves among signal transduction events, suggesting an originally

biased signal transduction of FPR1. In addition, I monitored the temporal changes in the dose–

response of β-arrestin recruitment. The effective concentrations of the agonist for β-arrestin

recruitment were decreased over time, suggesting that relative signal strengths among signal pathways

might change dependent on the time point after ligand stimulation. Therefore, the present results

demonstrated the importance of measuring the ligand bias with the temporal information.

In Chapter 3, I visualized oligomer formations of FPR1 in living cells and revealed its roles in signal

transduction. The cluster formation of FPR1 has been widely accepted due to the relatively large size

of the clusters, being visible under conventional microscopy. Recent studies have investigated the 3D

structures of GPCRs using cryo-EM and the monomer–dimer equilibrium of FPR1 using single

molecule microscopy, but the presence and the roles of FPR1 oligomers with intermediate sizes have

not been elucidated. In the present study, by controlling the labeling efficiency of FPR1, both the

clusters and oligomers have been detected in the cells with the same expression levels of FPR1. I

demonstrated that FPR1 on the plasma membrane of HEK293 cells was equilibrated between small

oligomers (2–4 FPR1) and large oligomers (5–11 FPR1) at the physiological expression level of 2

molecules/μm2. The agonist stimulation induced the equilibrium shift toward the large oligomers to

induce G protein binding within 2 min, and induced FPR1 cluster formation (20–40 FPR1) triggered

by β-arrestin recruitment in 5 min. The temporally dynamic complex formation of FPR1 would

provide a robust signal transduction under noisy physiological conditions. The oligomerizationinduced signal transduction may be a novel target for signal specific drug discovery.

I established ligand binding assay, β-arrestin split luciferase assay, bioluminescence cAMP assay, and

G protein FRET assay system for quantitative evaluation of signaling patterns of FPR1 in living

HEK293 cells. Using single molecule and ensemble TIRF imaging, I clarified the size distributions of

FPR1 and their roles in signal transductions under the physiological expression level. The presently

92

established methods enable the detection of signal biases and provide a deep insight into the effects

on dynamic signal control mediated by FPR1 oligomer formation in living systems.

93

Acknowledgments

The present thesis was completed under a supervision of Prof. Takeaki Ozawa. I would like to thank

Prof. Takeaki Ozawa for giving me continuous supports and numerous opportunities to make

presentations in domestic and foreign conferences. I appreciate all staff members in Ozawa Lab.,

especially Dr. Hideaki Yoshimura, Dr. Miho Tanaka for heartful instructions to complete the researches,

Dr. Rintaro Shimada, Dr. Natsumi Noda for exciting scientific talks. My thanks as well go to Dr. Maki

Komiya, Dr. Osamu Takenouchi, Mr. Hiroaki Toyota for daily discussions and helpful suggestions. I

am deeply grateful to Dr. Ayari Takamura, Ms. Aya Yanamisawa, Ms. Qi Dong for sharing their passion

for science. Special thanks to Dr. Genki Kawamura for constant encouragements.

I would like to express my gratitude to Prof. Hirotatsu Kojima, Prof. Takayoshi Okabe, Dr. Naoki

Suto for technical help in developing assay systems. I am truly grateful to Dr. Rinshi S. Kasai, Dr.

Takahiro K. Fujiwara for cheerful discussion and technical help in performing single molecule imaging.

My deep appreciation goes to Prof. Carsten Hoffmann, Prof. Martin J. Lohse for providing me precious

opportunity to join in their laboratory for three months in Würzburg. I owe an important debt to Prof.

Riichiro Abe for generous support to complete the present thesis.

Without their technical and heartful supports, I would not complete the present thesis.

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