2015年日化協LRI研究報告会 2015年8月28日 核内受容体の肝毒性発現への寄与と 毒性予測への応用 吉成 浩一 静岡県立大学薬学部 衛生分子毒性学分野 Contents ü イントロダクション：核内受容体とは？ ü 肝発がんと核内受容体：分子機序の考察 ü 肝毒性の予測に向けた取り組み： ・インビボ毒性試験データベースと 核内受容体アッセイを利用した試み Contents ü イントロダクション：核内受容体とは？ ü 肝発がんと核内受容体：分子機序の考察 ü 肝毒性の予測に向けた取り組み： ・インビボ毒性試験データベースと 核内受容体アッセイを利用した試み 核内受容体nuclear receptor (NR)の構造と作用機序 低分子化合物 (リガンド) 核内受容体 標的遺伝子 ーC Nー DNA結合 リガンド結合 転写活性化 核内受容体は、低分子化合物に応答して種々遺伝子の発現 を変化させることで細胞機能を制御している。 NRs: members and functions VDR ・ ・ ・ CAR PXR GR GR ER ER ER Hormone action target gene Hormone action target gene VDR RXR Xenobiotic compounds • Drugs • Pesticides • Foods • Industrial chemicals • Environmental pollutants • etc. GR Target gene Vitamin action target gene CAR RXR Endogenous compounds • Steroid hormones • Fatty acids • Lipophilic vitamins • Thyroid hormones • etc. NR Xenobiotic disposition Carcinogenesis target gene PXR RXR Ligand Xenobiotic disposition Energy metabolism target gene There are 48 members identified in human NR superfamily. Chemical activation of nuclear receptors VDR ・ ・ ・ CAR PXR GR GR ER ER ER Hormone action target gene Hormone action target gene VDR RXR Xenobiotic Endocrine compounds • Drugs disruptors� • Pesticides • Foods • Industrial chemicals • Environmental pollutants • etc. GR Target gene Vitamin action target gene CAR RXR Endogenous compounds • Steroid hormones • Fatty acids • Lipophilic vitamins • Thyroid hormones • etc. NR Xenobiotic disposition Carcinogenesis target gene PXR RXR Ligand Xenobiotic disposition Energy metabolism target gene Chemical activation of nuclear receptors VDR ・ ・ ・ CAR PXR GR GR ER ER ER Hormone action target gene Hormone action target gene VDR RXR Xenobiotic compounds • Drugs • Pesticides • Foods • Industrial chemicals • Environmental pollutants • etc. GR Target gene Vitamin action target gene CAR RXR Endogenous compounds • Steroid hormones • Fatty acids • Lipophilic vitamins • Thyroid hormones • etc. NR Xenobiotic disposition Carcinogenesis target gene PXR RXR Ligand Xenobiotic disposition Energy metabolism target gene NRs have broad, overlapping but distinct ligand specificity. Chemical activation of nuclear receptors VDR ・ ・ ・ CAR PXR GR GR ER ER ER Hormone action target gene Hormone action target gene VDR RXR Xenobiotic compounds • Drugs • Pesticides • Foods • Industrial chemicals • Environmental pollutants • etc. GR Target gene Vitamin action target gene CAR RXR Endogenous compounds • Steroid hormones • Fatty acids • Lipophilic vitamins • Thyroid hormones • etc. NR Xenobiotic disposition Carcinogenesis target gene PXR RXR Ligand Xenobiotic disposition Energy metabolism target gene NRs have broad, overlapping but distinct ligand specificity. 化学物質の毒性発現に対する核内受容体の寄与 化学物質 NR NR 相互作用 代謝・排泄 ホメオスタシス 維持機構 撹乱・破綻 平衡の変化 解毒 毒性発現 NR ホメオスタシス 維持機構 撹乱・破綻 毒性発現 Contents ü イントロダクション：核内受容体とは？ ü 肝発がんと核内受容体：分子機序の考察 ü 肝毒性の予測に向けた取り組み： ・インビボ毒性試験データベースと 核内受容体アッセイを利用した試み 化学物質による発がん 化学物質 （発がん物質） イニシエーター がん 正常細胞 プロモーター 変異細胞 発がん性試験 がん DNA傷害 細胞増殖 悪性化 イニシエーション プロモーション プログレッション • 長期発がん試験（ラット、マウス） • Ames試験 • 小核試験 • コメットアッセイ • 染色体異常試験 • 二段階発がん試験 核内受容体と肝化学発がん Dioxins PCBs AHR 肝細胞の 増殖亢進 Phenobarbital CAR アポトーシス 抑制 Fibrates Phthalates PPARα ??? 肝 が ん 共通機序？ ü 肝がんプロモータによる発がんには、核内受容体の活性 化が関与することが知られている。 ü しかし、その詳細な分子機序は明確になっていない。 発がん予測モデル 非発がん物質 発がん物質 短期間曝露 学習用化学物 質の選択に、 機序が考慮さ れていない。 ラット・マウス（肝）の網羅的遺伝子発現解析 発がん物質曝露に伴い特異的に発現変動する遺伝子群の同定 分子機序の考察などによる選別 機械学習モデルの構築（SVMなど） 発がん予測モデル 機序を考慮した発がん性予測 AOP1 代謝活性化、DNA損傷 ROS産生 AOP2 発 が ん 物 質 肝 へ の 分 布 AHR AOP3 AOP4 PPARα AOP5 X� AOP6 AOP7 が ん 化 CAR Y� Z� AOPの同定は、精度の高い（動物を用いた）発がん予測モデルおよびインビトロインシリコ発がん予測モデルの構築、ヒト外挿性評価に必須である。 核内受容体を介した肝化学発がんの種差 フェノバル ビタール げっ歯 動物 肝臓 フィブラート ヒト 肝臓 CAR 発がん PPARα フェノバル ビタール CAR フィブラート PPARα 発がん ü フェノバルビタールやフィブラートによるげっ歯動物の肝発がんには、 核内受容体CARとPPARαが必要である。 ü これら化学物質は、ヒトとげっ歯動物のCARとPPARαを共に活性化するが、 ヒトでは肝がんを引き起こさないと考えられている。 CAR機能の種差を生じる２つの要因： 活性化物質の種類と機能発現機構 種差１ 種差２ CAR PB ヒ ト CITCO CYP2B6 CAR CAR TCPOBOP Gene C CAR PB マ ウ ス CITCO TCPOBOP Gene B Cyp2b10 CAR CAR Gene B Gene C ヒト・マウスに共通のCAR活性化物質であるフェノバルビタールを投与した際にマウス で認められるCAR依存的な転写は、必ずしもヒトで認められるとは限らない。 CAR機能の種差の原因は？ CAR PB ヒ ト CITCO CYP2B6 CAR CAR TCPOBOP マ ウ ス この差が 発がん性の PB 種差の原因？ CITCO TCPOBOP Gene B Gene C CAR Cyp2b10 CAR CAR Gene B Gene C ヒト・マウスに共通のCAR活性化物質であるフェノバルビタールを投与した際にマウス で認められるCAR依存的な転写は、必ずしもヒトで認められるとは限らない。 Contents ü イントロダクション：核内受容体とは？ ü 肝発がんと核内受容体：分子機序の考察 ü 肝毒性の予測に向けた取り組み： ・インビボ毒性試験データベースと 核内受容体アッセイを利用した試み Use of in vitro assays for the biological/toxicological characterization of chemical compounds (Q)SAR approach • Defines physicochemical properties (e.g. descriptors), based on the whole and/or partial chemical structure (2D/3D). • Tries to find out the association between physicochemical properties and toxicity. Our working hypothesis • The biological property (ability to interact with cellular macromolecules) may not be defined comprehensively only by chemical structures. • The biological (toxicological) property of chemicals may be defined by in vitro assay using cells and/or biomolecules. What kind of assays are good for such a strategy? How much in vitro information do we need? ü Big data (by a large set of assays) will give us valuable information on chemicals’ biological/toxicological characteristics that we cannot obtain in silico analysis (descriptors, (Q)SAR). ü Japan is far behind USA in terms of in vitro big data collection (e.g. ToxCast by USEPA) Our hypothesis and project: Ø There are Japan-made good database available (e.g. HESS, TG-GATEs) . Ø We may be able to predict in vivo toxicity with small data by selected/targeted assays in combination with such database. Ø Nuclear receptor/P450 assays seem good as “startup/first choice” assays for a such strategy in the evaluation and prediction of chemical toxicity. Why nuclear receptors? ü Nuclear receptors (NRs) are activated by a wide variety of chemical compounds, acting as “xeno-sensors” and “toxicity targets” in the body. ü NRs show broad, overlapping, but distinct, ligand specificity. ü NR-activating ability of chemical compounds is easily determined by easy-to-handle, high-throughput in vitro assays. ü NR assays show “high-positive rate”. ü P450s are major drug metabolizing enzymes showing broad substrate specificities and work as “xeno-sensors”. (e.g. human CYP3A4 metabolizes ~50% of clinically used drugs) NR/P450 assays may be used as in vitro chemical profilers. Toxicity prediction using NR-activating profiles and in vivo toxicity database: on-going LRI project NR-activating profile Compounds NR assays (with chemical properties) from DB (+P450s) Non-toxic Toxic C1 C2 C3 . . . . C51 C52 C53 . . . . CX New compound CAR PXR LXR PPAR FXR GR . . . . Performing assays C1 C2 C3 Toxic . . . . C51 C52 C53 . . . . CX Nontoxic Toxicity prediction using NR-activating profiles and in vivo toxicity database: on-going LRI project Prediction: NR-activating profile Compounds NR assays chemical properties) from DB Cx(with exhibits C3-like toxicity. (+P450s) Non-toxic Toxic C1 C2 C3 . . . . C51 C52 C53 . . . . CAR PXR LXR PPAR FXR GR . . . . C1 C2 Toxic C3 . . . . C51 Nontoxic C52 C53 . . . . Comparison CX New compound Performing assays CX まとめと将来展望 Ø 核内受容体は、生体内「異物センサー」として機能しており、 化学物質による毒性発現の作用点となりうる。 Ø 作用機序（AOP/MOA）の把握は、毒性予測モデルの構築、 種差の理解に重要である。 Ø 化学物質応答性核内受容体のリガンド選択性は低く、その活 性化作用評価試験は、陽性率の高いインビトロ試験である。 このため、化学物質の生物学的・毒性学的特徴付け（プロ ファイリング）に利用可能である。 Ø これら試験と、インビボ毒性試験データベース及びインシリ コ解析（記述子計算）の統合により、複雑な毒性の予測に有 用な試験系を構築できる可能性がある。 Ø 代謝（体内動態）情報の利用が、インビボ毒性とインビトロ 試験をつなぐために重要と思われる。 謝辞 静岡県立大学薬学部 中山 知恵 増田 茜 増田 雅美 東北大学大学院薬学研究科 中島 宏之 野表 知世 飯塚 薫 杉本 雄一 山添 康 製品評価技術基盤機構(NITE) 山田 隆志 櫻谷 祐企 山田 隼 北海道立衛生研究所 小島 弘幸 産業技術総合研究所 竹下 潤一 Funding 日本化学工業協会（LRI） 内閣府食品安全委員会 経済産業省 マンダム・動物実験代替法学会 Thank you for your kind attention.!
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