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Sep 07, 2023

オーファン受容体 GPRC5A のアゴニストとしての微生物叢の代謝産物

biologia chimica naturale

Nature Chemical Biology (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

私たちは化学プロテオミクスを使用して、哺乳動物細胞におけるインドール代謝産物の候補タンパク質標的を同定しました。 私たちは、微生物叢由来および合成芳香族モノアミンが、オーファン受容体 GPRC5A への β-アレスチンの動員を活性化できることを発見しました。 アミノ酸デカルボキシラーゼを発現する特定の微生物叢種が、GPRC5A の芳香族モノアミン アゴニストを産生することが判明しました。

ヒトの微生物叢は、宿主の生理機能や病気を調節するさまざまな代謝産物を生成します。 実際、多糖類、アミノ酸、胆汁酸、合成薬物の微生物の代謝は、宿主の代謝、免疫、神経学的行動、および治療薬の活性に重大な影響を及ぼします。 特に、トリプトファン、チロシン、フェニルアラニンなどの食事性芳香族アミノ酸は、腸内細菌叢によってさまざまな生物学的に活性な分子に代謝されます1。 微生物叢の代謝産物は、パターン認識受容体、核内受容体、Gタンパク質共役受容体（GPCR）などのさまざまなクラスの細胞タンパク質に関与することが示されていますが、微生物叢の代謝産物のタンパク質標的を定義し、それらの正確な作用機序を決定することはまだ解明されていません。挑戦的。 化学プロテオミクスは、細胞内の代謝産物と相互作用するタンパク質を同定し、その作用機構を特徴付けるための強力なアプローチを提供します2。

私たちは、ヒトの糞便サンプル中でマイクロモルレベルで検出可能な 2 つの著名な微生物叢代謝産物であるインドール-3-酢酸とトリプタミンの光親和性レポーターを開発しました 3。 我々は、代謝酵素、小分子トランスポーター、免疫センサー、オーファン GPCR など、インドール代謝産物と相互作用する多くの候補タンパク質を同定しました。 注目すべきことに、我々は、インドール代謝産物光親和性レポーターが、炎症および腫瘍形成に関連するクラスCオーファンGPCRであるGPRC5A4によってコードされるレチノイン酸誘導タンパク質3（RAI3）を光架橋できることを発見した。 さらに、PRESTO-Tango アッセイ 5 では、トリプタミン、フェネチルアミン、チラミンなどの芳香族モノアミンが GPRC5A を刺激して β-アレスチンを動員できることが示されました。 さらに、芳香族モノアミン誘導体の構造活性相関研究により、7-フルオロトリプタミンがトリプタミンよりも強力な GPRC5A 合成アゴニストであることが特定されました。 GPRC5A の突然変異誘発により、芳香族モノアミンの潜在的な結合部位として機能するアミノ酸残基として N252 および F256 が同定されました。

インドール-3-酢酸とトリプタミンの光親和性レポーター (左) は、哺乳類細胞内の GPCR を光架橋します。 特定の微生物叢種とそれぞれの芳香族アミノ酸脱炭酸酵素は、GPRC5A への β-アレスチンの動員を刺激する芳香族モノアミンを生成します。 7-フルオロトリプタミン（右下）などの合成芳香族モノアミン誘導体は、トリプタミン（右上）などの微生物の芳香族モノアミンよりも強力なGPRC5Aアゴニストとして機能します。 © 2023、Zhao、X他。

次に、GPRC5A アゴニストが、ルミノコッカス グナブス (トリプトファン デカルボキシラーゼ)、モルガネラ モルガニ (グルタミン酸またはチロシン デカルボキシラーゼ)、およびエンテロコッカス フェシウム (チロシン デカルボキシラーゼ) を含む特定の微生物叢種およびそれぞれの芳香族アミノ酸デカルボキシラーゼによって産生できるかどうかを評価しました。 E. faecium チロシン デカルボキシラーゼ (TyrDC) の系統解析により、これがヒトの腸内細菌叢に存在する Enterococcus 種の株に高度に保存されていることが実証されました。 野生型 E. faecium と TyrDC 欠失変異体のメタボロミクス分析により、TyrDC が芳香族アミノ酸のモノアミンへの代謝に関与していることが明らかになりました。 最後に、CRISPR-Cas9 を使用して HT-29 結腸直腸がん細胞株の GPRC5A をノックアウトし、RNA シーケンスによって遺伝子発現の変化を評価しました。 GPRC5A をコードする遺伝子がノックアウトされた細胞の転写プロファイリングにより、このユニークな GPCR が免疫およびがんシグナル伝達において重要な役割を果たしていることが示唆されました。

特定の微生物叢種や代謝物の作用機序を解明することは、それらが宿主の生理機能や疾患に及ぼす影響を理解するために非常に重要です。 代謝産物を感知する GPCR は、宿主と微生物の相互作用の化学対話を仲介します。 GPRC5A の異常発現は、複数のヒトの癌と関連しています。 インドール代謝物が GPRC5A に結合し、芳香族モノアミンが GPRC5A を介した β-アレスチンの補充を活性化するという我々の発見は、より効果的な薬理学的ツールの開発と、特定の微生物叢の代謝物と GPRC5A の間の相互作用の特性評価に向けた重要な第一歩となります。

標準的なクラス C GPCR の大きな細胞外アゴニスト結合領域とは対照的に、GPRC5A は、古典的な G タンパク質媒介シグナル伝達に関与するリガンドに結合する可能性が低い短い N 末端配列を持っています。 芳香族モノアミンは、β-アレスチンの動員を超えて追加の GPRC5A シグナル伝達を誘導するほど強力なアゴニストではない可能性があります。 あるいは、芳香族モノアミンによる他の GPCR の結合により、GPRC5A 特異的なシグナル伝達が妨げられる可能性があります。 芳香族モノアミンがアロステリックアゴニストとして作用し、GPRC5A シグナル伝達を完全に活性化するには追加のリガンドまたはタンパク質成分が必要である可能性もあります。

より強力で選択的なアゴニストの将来の発見と開発は、GPRC5A シグナル伝達がどのように調節されるかを解明するのに役立つ可能性があります。 さらに、合成アゴニストや芳香族モノアミン産生細菌をさまざまなマウスモデルに適用すると、炎症性疾患や結腸直腸がんにおける GPRC5A シグナル伝達の役割を解明するのに役立つ可能性があります。

ハワード・C・ハン＆シャオホイ

スクリップスリサーチ、米国カリフォルニア州ラホーヤ。

「このエレガントな研究で、著者らは微生物叢由来のリガンドに似た光親和性標識プローブを使用してGタンパク質共役受容体GPRC5Aを孤立させ、これらのリガンドを産生する腸内微生物叢細菌を同定し、これらのリガンドより強力な合成アゴニストを開発した。 「この研究は、GPCR を孤立させ、微生物のリガンドが癌や炎症に関与している可能性があるこの受容体を活性化できることを発見したため、新規であり、影響力のあるものです。」 Pamela V. Chang、コーネル大学、イサカ、ニューヨーク州、米国。

微生物叢由来のインドール代謝産物のこの研究は、ペプチドグリカン、短鎖脂肪酸、胆汁酸などの微生物叢代謝産物の機能的役割を決定するための私たちの研究室の取り組みの一環として開始されました。 我々は、これらの代謝産物が相互作用する多くの興味深い候補宿主タンパク質を同定しましたが、その「オーファン」状態とさまざまながんにおける異常な発現のため、機能研究には GPRC5A を選択しました。 オープンソース リソースとして利用可能な PRESTO-Tango アッセイは、GPRC5A の芳香族モノアミン アゴニストを同定するために使用した重要な方法の 1 つです。 科学界および共同研究者からの研究資料の寛大な贈り物に非常に感謝しています。 2020 年初頭に新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) のパンデミックが始まったため、他の合成芳香族モノアミン誘導体や微生物叢種の培養に関する研究のペースを落とすことを余儀なくされましたが、そのおかげでこの研究について議論し、準備する時間を得ることができました。 HCH & XZ

「この研究は、微生物の代謝とGPCRシグナル伝達の間の優れた相互作用を提供し、微生物の代謝産物の作用機序の同定におけるケモプロテオミクスの強みを強調しています。」 Nature Chemical Biology編集チーム。

ドッド、D. et al. 腸内細菌経路は、芳香族アミノ酸を 9 つの循環代謝産物に代謝します。 ネイチャー 551、648–652 (2017)。 この論文は、腸内微生物叢の種による芳香族アミノ酸の代謝について報告しています。

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Parker, CG & Pratt, MR プロテオミクス研究におけるクリックケミストリー。 セル 180、605–632 (2020)。 この総説記事では、小分子相互作用タンパク質のケモプロテオーム プロファイリングの戦略を紹介します。

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Dong、F.ら。 腸内微生物叢由来のトリプトファン代謝産物は、Ah 受容体の活性を予測します。 腸内微生物 12、1–24 (2020)。 この論文では、マウスおよびヒトの糞便サンプルで検出されたインドール代謝物を測定します。

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Cheng, Y. & Lotan, R. 推定上の G タンパク質共役受容体をコードする新規レチノイン酸誘導性遺伝子の分子クローニングと特性評価。 Ｊ．Ｂｉｏｌ． 化学。 273、35008–35015 (1998)。 この論文では、GPCR ファミリーのメンバーとして GPRC5A を特徴付けます。

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Kroeze、WK et al. PRESTO-Tango は、創薬可能なヒト GPCRome を調べるためのオープンソース リソースです。 ナット。 構造体。 モル。 バイオル。 22、362–369 (2015)。 この論文では、GPCR による β-アレスチンの動員を検出するための細胞ベースのアッセイである PRESTO-Tango について紹介します。

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これは以下の要約です: Zhao, X. et al. ケモプロテオミクスにより、微生物叢由来の GPRC5A に対する芳香族モノアミン アゴニストが明らかになりました。 ナット。 化学。 バイオル。 https://doi.org/10.1038/s41589-023-01328-z (2023)。

転載と許可

オーファン受容体 GPRC5A のアゴニストとしての微生物叢の代謝物。 ナットケムバイオル（2023）。 https://doi.org/10.1038/s41589-023-01342-1

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公開日: 2023 年 5 月 29 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41589-023-01342-1

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