医薬化学I 宮地弘幸本日の講義内容核酸アナログの医薬品を列挙し、それらの化学構造を比較できる SBO51 核酸アナログの医薬品は、抗悪性腫瘍薬（抗がん剤）や抗ウイルス薬に属するものが大部分である。核酸とは塩基と糖、リン酸からなるヌクレオチドがリン酸エステル結合で連なった生体高分子化合物。糖の違い（2‘位が、水素か水酸基か）によって、2-デオキシリボースを持つデオキシリボ核酸 (DNA) と、リボースを持つリボ核酸 (RNA) とがある。 RNAは2'位が水酸基であるため加水分解を受けることにより、DNAよりも反応性が高く、熱力学的に不安定である。塩基と糖がグリコシル結合によって結びついたものがヌクレオシドで、ヌクレオシドにリン酸がついたものがヌクレオチドである。核酸の化学構造サルベージ経路と代謝拮抗薬サルベージ経路（salvage pathway）ヌクレオチド（プリンとピリミジン）の分解経路の中間体から再びヌクレオチドを合成する経路。サルベージ経路はRNAとDNAの生分解で生成した核酸塩基とヌクレオチドの再生で使われる。代謝拮抗剤 (anti-metabolites) はDNA構成要素のプリンやピリミジンの構造類似物質であり、（細胞周期の）S期にDNAへのプリンやピリミジンの取り込みを防止する。それにより、正常な増殖や分裂は停止する。ピリミジン塩基ピリミジン塩基（pyrimidine base）とは核酸の構成要素のうちピリミジン骨格を基本とする塩基性物質である。ピリミジン塩基はチミン，シトシン，ウラシル，5‐メチルシトシン，5‐(ヒドロキシメチル)シトシンのいずれかを指し、DNA 中ではシトシンとチミンが，RNA 中ではシトシンとウラシルが含まれる。チミンシトシンウラシル 5-メチルシトシンピリミジン塩基の生合成ピリミジン塩基の生合成は、ウリジル酸（UMP）を中間体とし、他のピリミジンヌクレオシド/ヌクレオチド類はウリジンのピリミジン環が酵素的に修飾されることで、メチル基またはアミノ基が置換されて生成する。すなわちピリミジン塩基はウリジル酸を中心に相互変換される。 CP orotate OMP Asp UMP ウリジル酸はカルバモイルリン酸(CP)とアスパラギン酸(Asp)を出発物質とし、脱水閉環、脱水素されてオロチン酸（orotate）が生成する。これがホスホリボシル化されてオロチジル酸（OMP）となりピリミジンに置換していたカルボキシル基が脱炭酸することでウリジル酸(UMP) が産生される。 DNA構成成分のTはUMPから生合成される UMP UDP dUDP チミジル酸シンターゼ dUMP DNA 複製 dTMP チミジル酸(dTMP)はUMPからデオキシウリジル酸(dUMP)を経由して、これがメチル化されることで生成する。フルオロウラシル（5-FU）もサルベージ経路に乗る O F HN O フルオロウラシル（5-FU）胃がん，肝がん，結腸・直腸がん，乳がん，膵がん，子宮頸がん，子宮体がん，卵巣がん,食道がん，肺がん，頭頸部腫瘍（注射，経口） N H サルベージ経路 5-FU 5-FdUMP 5-TdUMPはチミジル酸合成酵素を阻害する O O HN O サルベージ経路 F N H PO F HN O N O FdUMP フルオロウラシル（5-FU） O O OH HN PO O O OH 阻害 N PO チミジル酸合成酵素 dUMP CH3 HN O N DNA O OH dTMP ５F-dUMPのフッ素原子の大きさが水素に大差ないので、チミジル酸合成酵素は本来の基質であるｄUMPと認識する。チミジル酸合成酵素は補酵素テトラヒドロ葉酸を用いて、ｄUMPからTMPを生合成する過程ではウラシル5位水素がH＋として引き抜く反応が起きる。しかし、結合エネルギーの大きいフッ素原子では、F+が生成しない。その結果酵素-補酵素-基質の複合体のままで反応が止まる。細胞では、TMPの供給が止まってしまうので死滅する。 5-FUのプロドラッグピリミジンヌクレオシド構造を有する抗悪性腫瘍薬 O N N N HO NH2 NHCO(CH2)20CH3 NH2 O N O HO OH シタラビンリン酸化され， dCTP，CDPに拮抗急性白血病（急性骨髄性白血病）消化器がん（注射） HO N O HO OH エノシタビンシタラビンのプロドラッグ急性白血病（注射） HO O N O F OH F ゲムシタビンリン酸化され， dCTP，CDPに拮抗非小細胞肺がん，膵がん（注射）プリン塩基プリン塩基は、プリン核を持った塩基である。プリン体（プリンたい）とも総称される。核酸塩基であるアデニン、グアニンなどヌクレオシド/ヌクレオチド以外にもNADやFADの成分として、あるいはプリンアルカロイドのカフェイン、テオブロミンなどが知られている。プリン塩基の生合成アデニル酸(AMP)やグアニル酸(GMP)はイノシン酸から生合成される。プリン塩基はPRPPを土台に，プリン骨格を次々と組み立てて生合成される。プリン骨格は，Gln，Gly, Asp, ギ酸およびCO2 からつくられる。重要中間体がイノシン酸 (IMP)であるプリン塩基の生合成 AMPやGMPはIMPから生合成される。サルベージ(salvage)合成経路異化代謝において，核酸は最終的にリボースと遊離塩基へと分解される。遊離塩基の大半は排泄されるが，一部は再利用され，核酸のサルベージ (salvage)合成経路でヌクレオチドへと変換される。白血病治療薬メルカプトプリン急性および慢性白血病（経口）ヌクレオチドに変換されて IMPに拮抗し，核酸合成阻害メルカプトプリンは対応するリボ核酸に変換される。すなわち6-MPリボ核酸はプリン核酸の生合成と代謝を阻害する。そのことにより、DNAとRNAの合成とそれらが関与する機能を阻害する。サルベージ経路メルカプトプリンのリボ核酸はイノシン酸に構造が類似している。イノシン酸と競合し,アデニル酸やグアニル酸の生合成を阻害する. イノシン酸痛風治療薬アロプリノロール痛風；高尿酸血症を原因とした関節炎を来す疾患。体液中の尿酸値上昇により難溶性の尿酸ナトリウムが血管壁,関節などに析出する. 尿酸の生合成を抑えられれば良い。シタラビンの合成ソリブジン事件（薬物相互作用に基づく薬害）低分子医薬とも、抗体医薬とも違う次世代医薬として期待される核酸医薬低分子医薬：酵素や受容体等の結合部位に直接結合してその機能を亢進/抑制して，遺伝子産物機能を制御。候補物質探索には万単位の化合物評価も必要。抗体医薬：疾病発症原因タンパク質表面に蛋白－蛋白相互作用（広い相互作用空間）で特異的に結合する抗体を医薬品にする。標的に結合する蛋白質は基本構造は一つである。核酸医薬：標的蛋白質の翻訳レベルDのRNAの配列を認識して相補的に標的部位と特異的な結合形成。その結果，好ましくない遺伝子の働きを阻害。抗がん剤の例では、がん細胞のmRN Aの20-30塩基に「アンチセンス核酸」が結合してがん細胞増殖を阻害（低分子医薬とも、抗体医薬とも違う次世代医薬として期待される核酸医薬 RNAi（RNA interference：RNA干渉）二本鎖RNAと相補的な塩基配列を持つmRNAが分解される現象。RNAi法はこの現象を利用して人工的に二本鎖RNAを導入することにより、任意の遺伝子の発現を抑制する手法（発見は1998年） RNase IIIの一種Dicerにより、長い二本鎖RNAが、siRNA（small interfering RNA）と呼ばれる21-23 ntの短い3‘突出型二本鎖RNAに切断される。このsiRNAといくつかの蛋白質から成るRNA蛋白質複合体であるRISC複合体が再利用されながら相補的な配列を持つmRNAを分解する標的のmRNAをと切り刻んでいく仕組みを、真核生物の細胞は有する。本来、このRNA干渉は、ウイルスRNAを切り刻んだり、自分の遺伝子が発現する量を制御したりするための仕組み、これを薬に応用する機運が一気にすすんだ。 22 低分子医薬とも、抗体医薬とも違う次世代医薬として期待される核酸医薬種類内容アンチセンス標的遺伝子のmRNAと対抗配列を持つ核酸医薬．特定のmRNAに結合して遺伝子発現を阻止したり，mRNAのスプライシングを操作する． siRNA RNAi（RNA干渉）作用を持つ低分子RNA.RNAiとは外から細胞内に導入された2本鎖 RNAによって配列特異的に標的RNAが分解されて標的遺伝子の発現が抑制される現象． 23 低分子医薬とも、抗体医薬とも違う次世代医薬として期待される核酸医薬  RNAi（RNA interference,RNA干渉）：２本鎖RNA（double-stranded RNA;dsRNA）が引き金となってそのアンチセンス鎖<siRNA（small interfering RNA) >と相補的な配列のmRNAが分解され、それにより遺伝子の発現（形質発現）が抑制される現象。２本鎖RNA Ｄｉｃｅｒ（ＲＮＡ分解酵素） siRNA siRNA ｍＲＮＡＲＩＳＣ（RNA Induced Silencing Complex）ｍＲＮＡを切断低分子医薬とも、抗体医薬とも違う次世代医薬として期待される核酸医薬サイトメガロウイルス網膜炎治療薬ホミビルセンサイトメガロウイルスは通常，増殖にブレーキがかかっている。しかし，エイズを発症すると免疫力が落ち増殖が活発化する。増殖の初発がタンパク質IE2(immediate early antigen 2)の産生である。そこで、IE2タンパク質のアミノ酸配列をコードしたRNAと、ホミビルセンは相補に塩基対を形成し、IE2の mRNAにリボソームを寄せ付けないことで翻訳を阻害する。核酸医薬の課題 RNAは不安定な化合物である！ RNAはDNAと比較すると不安定である。RNA の2'位水酸基の酸素には孤立電子対が2つあるため、塩基性条件下、隣接したリン酸は水酸基から求核攻撃を受け、ホスホジエステル結合が切れ、主鎖が開裂する。この特性から、翻訳の役割を終えたmRNAを直ちに分解することが可能になる（バクテリアでは数分、動物細胞でも数時間後には分解される）。 26