細胞質ポリアミン脱アセチラーゼであるHDAC10の選択的阻害の構造的基盤

Structural Basis for the Selective Inhibition of HDAC10, the Cytosolic Polyamine Deacetylase.

• Corey J Herbst-Gervasoni
• Raphael R Steimbach
• Michael Morgen
• Aubry K Miller
• David W Christianson

抄録

細胞質性クラスIIbヒストン脱アセチル化酵素HDAC10は、ドラッグデザインのための新たなターゲットである。オートファジーの誘導因子であるHDAC10を選択的に阻害することで、オートファジー反応が抑制され、細胞毒性のあるがん化学療法薬の有効性が損なわれることが知られています。HDAC10は亜鉛依存性ポリアミン脱アセチル化酵素であり、N8-アセチルペルミジンに対して最大の触媒活性を示します。すなわち、活性部位を立体的に収縮させるP(E,A)CEモチーフを含む310のらせんと、カチオン性ポリアミン基質に対する選択性を付与する静電的ゲートキーパーE274である。ヒトHDAC10を標的とした創薬研究を加速するために、2つのアミノ酸置換（A24EとD94A）により、ヒトHDAC10に近い活性部位の輪郭を持つ"ヒト化"ゼブラフィッシュHDAC10を調製したことを報告する。このHDAC10変異体とツバスタチンAおよびペンダント型第三級アミンを有するインドール類似体との複合体のX線結晶構造から、ゲートキーパーE274と水素結合することが可能な阻害剤は、HDAC6（他のクラスIIbアイソザイム）よりもHDAC10に対して高い親和性と選択性を示すことが明らかになりました。さらに、これらの構造から、P(E,A)CEモチーフのらせんは、かさばる阻害剤の結合に対応するために2Åまでシフトできることが明らかになった。このように、細長いポリアミン様インヒビター構造は、HDAC10への選択的で高親和性の結合に排他的に必要とされるものではありません。実際、P(E,A)CEモチーフヘリックスの柔軟性は、特定のタンパク質基質の結合を可能にする可能性がある。

The cytosolic class IIb histone deacetylase HDAC10 is an emerging target for drug design. As an inducer of autophagy, its selective inhibition suppresses the autophagic response that otherwise attenuates the efficacy of cytotoxic cancer chemotherapy drugs. HDAC10 is a zinc-dependent polyamine deacetylase exhibiting maximal catalytic activity against N8-acetylspermidine. As revealed in the structure of Danio rerio (zebrafish) HDAC10, two conserved structural motifs direct this narrow substrate specificity: a 310 helix containing the P(E,A)CE motif that sterically constricts the active site, and an electrostatic "gatekeeper", E274, that confers selectivity for cationic polyamine substrates. To accelerate drug design efforts targeting human HDAC10, we now report the preparation of "humanized" zebrafish HDAC10 in which two amino acid substitutions, A24E and D94A, yield an active site contour more similar to that of human HDAC10. X-ray crystal structures of this HDAC10 variant complexed with Tubastatin A and indole analogues bearing pendant tertiary amines reveal that inhibitors capable of hydrogen bonding with gatekeeper E274 exhibit high affinity and selectivity for HDAC10 over HDAC6 (the other class IIb isozyme). Moreover, these structures reveal that the P(E,A)CE motif helix can shift by up to 2 Å to accommodate the binding of bulky inhibitors. Thus, slender polyamine-like inhibitor structures are not exclusively required for selective, high affinity binding to HDAC10. Indeed, the flexibility of the P(E,A)CE motif helix could conceivably enable the binding of certain protein substrates.