GOTO-ONO Research Group
Department of Chemistry, School of Science
Institute of Science Tokyo
生体反応活性種のモデル研究
生体反応のメカニズムを分子レベルで理解するには、多様な解析手法を適用できる人工モデル系を用い、反応中間体の構造と反応性を直接捉えることが不可欠です。しかし、生体内で重要な役割を担うと提唱されてきた中間体には極めて不安定なものが多く、存在自体が実験的に確認されていない例も少なくありません。その結果、重要中間体が「仮説的化学種」にとどまり、反応機構の“ミッシングリンク”として研究の進展を阻む要因となってきました。こうしたブラックボックスを解くためには、従来の常識では扱えなかった不安定種を、観測・同定・評価できる革新的な人工モデル系の構築が求められます。当研究室では、ナノサイズの分子空孔を「保護クレードル」として活用し、内包したアミノ酸・ペプチド由来の活性中間体を安定化する独自の「分子クレードル」モデルを開発しました。本モデルにより、これまで「仮説的化学種」にとどまっていた多様な生体反応中間体を、安定な化合物として合成・単離できるようになりました。さらに、従来は検証が困難だったそれらの構造と反応性を実験的に明らかにし、生体反応機構の理解に向けた確かな分子基盤を提供しています。現時点では当研究室の「分子クレードル」モデルを用いなければ合成できない活性中間体も多くあり、生化学研究において生体内現象を解釈するための「標準物質」として活用されつつあります。
システイン／セレノシステイン由来中間体のモデル研究
生体内のレドックス制御や信号伝達で中心的役割を担うシステイン（Cys）およびセレノシステイン（Sec）由来の活性中間体は、二量化や自己縮合を起こしやすく、一般に極めて不安定です。代表例であるシステインスルフェン酸（Cys–SOH）は、小分子系ではスペクトル的観測例すら報告がありませんでした。当研究室は「分子クレードル」を用いることで、安定なシステインスルフェン酸の合成・単離に初めて成功し、結晶構造を決定しました。さらに、システインスルフェン酸が関与すると想定されてきた複数の反応過程を実験的に証明しています。加えて、ペプチドの酸化的クロスリンクに関与する反応中間体として注目されるシステインヨウ化スルフェニル（Cys–SI）の安定化にも成功しています。
セレン酵素機構の「仮説的中間体」を捉える
セレンは生体必須超微量元素であり、ppbオーダーの含有量で高い生理活性を示します。一方、その機能を司るセレン酵素では、中間体の不安定性が作用機序解明の大きな障壁となってきました。たとえば、主要な抗酸化酵素の一つであるグルタチオンペルオキシダーゼ（GPx）では、1970年代からセレノシステインセレネン酸（Sec–SeOH）が中間体として想定されてきましたが、いまだに実験的観測例は報告されていません。さらに、GPxと活性窒素種との相互作用に関わる鍵中間体と提唱されているSe-ニトロソセレノシステイン（Sec–SeNO）も、生体系・合成系のいずれでも確認例がありませんでした。
当研究室では「分子クレードル」を用いてセレノシステインセレネン酸をNMRで直接観測することに初めて成功し、GPx触媒サイクルとして提案されてきたすべての反応過程を実験的に証明しました。さらに、新たに開発した「拡張型分子クレードル」によりSe-ニトロソセレノシステインの合成にも初めて成功し、GPxと活性窒素種との相互作用として提唱されてきた反応過程の解明につなげています。
分子クレードルの特長
「分子クレードル」モデルは、活性中間体の二量化や自己縮合を効果的に抑制しつつ、基質分子に対する反応性は損なわない点に大きな特長があります。設計通り、得られた化合物は高い安定性と十分な反応性を両立し、不安定中間体を“扱える化学種”へと変換するための基盤技術として機能しています。
・Otaka, S.; Sano, T.; Sase, S.; Kuwano, S.; Goto, K. ChemBioChem 2025, 26, e202500619. 【Selected as Front Cover】
・Kuwano, S.; Fujisaki, K..; Goto, K. Metallomics Res. 2025, 5, reg39-reg43.
・Masuda, R.; Kuwano, S.; Goto, K. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 14184-14189. 【Selected as Supplementary Cover; Highlighted in JACS Spotlights】
・Masuda, R.; Karasaki, T.; Kuwano, S.; Goto, K. Chem. - Eur. J. 2023, 29, e202302615. 【Selected as Hot Paper; Selected as Inside Cover】
・Goto, K.; Kimura, R.; Masuda, R.; Karasaki, T.; Sase, S. Molecules 2023, 28, 7972.
・Goto, K.; Sano, T.; Masuda, R.; Otaka, S.; Kimura, R.; Sase, S.; Kuwano, S. Phosphorus, Sulfur Silicon Relat. Elem. 2023, 198, 466-470.
・Masuda, R.; Kuwano, S.; Sase, S.; Bortoli, M.; Madabeni, A.; Orian, L.; Goto, K. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2022, 95, 1360-1379. 【Selected as Front Cover; Selected as BCSJ Award】
・Masuda, R. Goto, K. Methods Enzymol. 2022, 662, 331-361.
・Shimizu, A.; Tobe, R.; Aono, R.; Inoue, M.; Hagita, K.; Kiriyama, S.; Toyotake, Y.; Ogawa, T.; Kurihara, T.; Goto, K.; Prakash, N. T.; Mihara, H. Int. J. Mol. Sci. 2021, 21, 10965.
・Masuda, R.; Kimura, R.; Karasaki, T.; Sase, S.; Goto, K. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 6345-6350. 【Highlighted in JACS Spotlights】
・Sano, T.; Masuda, R.; Sase, S.; Goto, K. Chem. Commun. 2021, 57, 2479-2482. 【Selected as Front Cover; Selected as Hot Article; Highlighted in RSC Chemical Communications Blog】