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| 名前 | |
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| 推奨されるIUPAC名
(2 R )- N -{(3 S ,5 S ,6 R )-7-[(4 R )-4-エテニル-4,5-ジヒドロ-1,3-チアゾール-2-イル]-3,5,6-トリメチルヘプチル}- N ,2-ジメチルブタナミド | |
| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| ケムスパイダー |
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パブケム CID
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| ユニ |
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| C 21 H 38 N 2 O S | |
| モル質量 | 366.61 グラムモル−1 |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
インフォボックス参照
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シアノバクテリアLyngbya majuscula由来の毒素であるカルキトキシンは、NMDA 受容体を介した神経細胞壊死を誘発し、電圧依存性ナトリウムチャネルを遮断し、電子伝達系(ETC) 複合体 1 を阻害することで細胞低酸素症を誘発します。
天然資源
カルキトキシンは、サンゴ礁の一部を覆うシアノバクテリアLyngbya majuscula [1]に由来する魚類毒です。 [2]典型的にはミニブルームを形成し[2] 、カルキトキシン、キュラシンA、アンチラトキシンなどのいくつかの代謝産物を生成します。[1]カルキトキシンはキュラソー島[1]とプエルトリコの海岸近くで発見され、精製されています。 [3]
構造と反応性
カルキトキシンは、分子量が 366.604Da のリポペプチド毒素[4]です。 [5]化学式は C 21 H 38 N 2 OS です。[6]構造には、2 つの二重結合、2,4-二置換チアゾリン環系、および追加のカルボニル基が含まれています。[6]これらの 4 つの基はそれぞれ不飽和度を提供し、カルキトキシンの不飽和度は 4 になります。[6]構造には 5 つのキラル中心が含まれており、そのうちの 1 つはチアゾリン環の置換基によるもので、他の 4 つは脂肪族炭素鎖に沿ったメチン基によるもので、[7] 3 つの単炭素結合と 1 つの水素を持つ第三級炭素原子です。 4 つのメチル基 (それぞれメチンキラル中心)、構造全体の立体化学、および N-メチル基はすべて、カルキトキシンの毒性に寄与しています。[7]
構造決定
カルキトキシンの構造は、最初に6つの部分構造を特徴付け、その後それらをつなげて全体の構造を得ることによって決定されました。[4]この調査は主にさまざまなNMR実験を通じて行われました。構造(a)はsec-ブチル基であり、隣接するカルボニルによる中央のメチン基の特徴的な脱遮蔽によって示されます。構造(b)にはこのカルボニル基と、隣接する第三級メチル化窒素原子が含まれ、第三級アミド基を構成しています。これは第三級アミドであるため、シス/トランス混合物として存在し、カルキトキシンの2つの立体配座の基礎となっています。構造(c)は、2つのメチレン基の列と、高磁場メチル基を持つメチン基の列です。次に特定された2つの基(d、e)は、同一で反対のCH2-CH-CH3の列ですが、左側の基のメチレンプロトンは、隣接するイミンに近いため、より大きな脱遮蔽を受けます。脱遮蔽は、近くの電気陰性原子が特定の原子核から電子密度を引き離し、 NMR で測定される 化学シフトの増加を引き起こす効果です。
最終的な部分構造は、電子イオン化質量分析法（EI-MS）と13 C NMRによって決定された末端アルケン置換基を有するチアゾリン環で構成されています。[4]硫黄と窒素ヘテロ原子に隣接する環炭素の化学シフトをモデル化合物の13 C NMRデータと比較しました。これにより、環内のこれらのヘテロ原子の位置を決定し、続いてチアゾリン環自体の存在を決定することができました。[8]これらの部分構造が確立されたので、それらの接続性をHMBC分光法[4]で評価しました。これは、隣接していない炭素とプロトンの異核J結合値を決定できる2D NMR技術です。これにより、構造内の特定の炭素原子と水素原子の空間関係を決定できます。
立体化学
カルキトキシンには5つのキラル中心があり、そのうちの1つは末端アルケンが配位している環炭素であり、残りの4つはイミン窒素に由来する脂肪族鎖に沿った第三級炭素原子に存在します。天然の(+)-カルキトキシンの全立体化学は、3R、7R、8S、10S、2′Rです。[6]この決定には、 HSQMBCパルス技術のバリエーション（ HMBC分光法の一種）による3つのJ CH値と、排他的相関分光法（E.COSY）による3つのJ HH値が使用されました。これらの方法では、NMRを使用して、分析対象の原子の二面角に直接関連するスピン-スピン結合定数を評価し、キラリティーの決定を可能にします。これを使用して、C7、C8、およびC10のキラル中心の立体化学が決定されました。 C7とC8は隣接する立体中心であるため、これらの技術によりそれらの相対立体化学を直ちに決定できるが、C10は2つのジアステレオトピックプロトンを持つC9によってC8から分離されている。これにより、[[J-カップリング \ 3 Jカップリング]]値を介してC8とC10のC9プロトンに対する相対立体化学を決定し、C8の相対立体化学をC10に関連付けることができる。これらの方法により、脂肪族鎖の立体中心の相対立体化学は7R、8S、10Sとなった。[6] C3の立体化学はMarfeyの分析によって決定され、化合物はオゾン化され、続いて加水分解されてチアゾリン環および結合した末端アルケンからシステイン酸が得られた。Marfeyの分析では、このアミノ酸誘導体はL-システイン酸であることが示され、C3の絶対立体化学はRであることが示された。 [6]分子全体の絶対立体化学は、既に決定されている相対キラリティーの可能な配置を合成し、13 C NMRシフト差を介してこれらを天然カルキトキシンと比較することによって決定され、天然（+）-カルキトキシンの立体化学は3R、7R、8S、10S、2′Rであることが明らかになりました。[6]
構造活性相関
分子の構造活性相関（SAR）とは、化合物内の構造部分と、それらの特定の構造が分子の生物学的活性の範囲と特徴にどのように直接寄与するかとの関係です。カルキトキシンは、その作用を完全なチアゾリン環に依存する強力な細胞毒性を示します。[9 ]完全なチアゾリン環を欠くカルキトキシン類似体は、固形腫瘍細胞株に対する毒性が約1000倍低下します。[9]これは、チアゾリン環構造がカルキトキシンの細胞毒性メカニズムの重要な構成要素であることを示しています。天然の（+）-カルキトキシンで示される立体化学の必要性は、分子の中心にあるキラル中心に向かうにつれて低下しますが、より末端のキラル中心とアミドメチル基は、毒性にとってますます重要になります。[7]カルキトキシンとさまざまな類似体のブラインシュリンプに対する毒性を調べた研究では、効力の低下が最も少なかった類似体はC8またはC10のエピマーでした。[7]これは、天然の(+)-カルキトキシンのC8とC10のキラリティーが毒性生物活性にとって最も重要でないことを示しています。C10のキラリティーがC8よりも重要でないことは明らかです。なぜなら、(+)-カルキトキシンのC10のエピマーはC8のエピマーよりも効力が高いからです。[7]さらに、C10のメチル基の除去はC7のエピマー化よりも効力に及ぼす影響が小さく、脂肪族鎖のコアキラル中心でのSAR相関が減少する傾向を裏付けています。[7]末端アルケンがチアゾリン環に結合するC3のエピマー化によりカルキトキシンの効力がさらに低下し、これはチアゾリン環と分子の左端の全体的な立体配座が生物活性に重要であることと一致している。最後に、三級アミドを二級アミドに置き換えると観察可能な毒性がなくなるため、この構造はカルキトキシンの毒性のメカニズムにおいて極めて重要である。[7]
合成
ウー等合成
この試みは、(+)-カルキトキシンの最初の全合成であり、天然カルキトキシンの特定の立体化学を推定する目的で行われました。 [6]この合成は、(+)-カルキトキシンに見られるC8とC10に適切なキラリティーを持つアルコールから始まり、C8のβ位にジメチルフェニルシロキシ(DPSO)基、およびC10のα位に末端アルケンを持ちました。このアルケンのヒドロホウ素化によりアルコールが得られ、これがアジドに変換されます。アジドは、(R)-2-メチル酪酸が結合してsec-ブチル基とアミド基を生成する位置です。アミドは続いてメチル化され、カルキトキシンの毒性にとって非常に重要であることが示されている第三級アミドが完成します。[7]得られたアルコールのO-脱シリル化と酸化により、カルボニルとα-メチル化ホスホネートが反応してアルケンを生成するホーナー・ワズワース・エモンズ反応の受容体が得られる。この場合、(R)-フェニルグリシン由来の補助基を有するβ-ケトホスホネートが分子に連結されている。この基は、(R)-アミノアルコールの不斉共役付加で失われ、ウィプフのオキサゾリン-チアゾリン相互変換プロトコルを使用した2つの脱水環化段階を経てチアゾリン環が生成される。[6]
白等合成
(+)-カルキトキシンの第2の全合成はわずか16ステップで、全収率は3%でした。 [ 10]これが(+)-カルキトキシンの最初の全合成と異なる主な点は、 4-フェニル-2-オキサゾリジノンを有するホスホネートを連結するためにホーナー・ワズワース・エモンズ反応を使用するのではなく、代わりに有機銅共役付加反応を使用したことです。[10]これは具体的には、クロトニル基のα,β-不飽和への1,4-求核付加を介して、(S)-N-トランス-クロトニル基を有する4-フェニル-2-オキサゾリジノンに有機銅種を結合させることによって行われました。この方法は、C7、C8、およびC10キラル中心へのメチル置換基のより大規模な連続導入中に、結果として得られる1,3-ジメチル構成の立体 選択性を可能にするため有利です。
これら 2 つの合成法のもう 1 つの相違点は、ケト補助基と C7 のキラル中心を隔てる炭素の数です。この基は最初の全合成では C7 から 1 つの炭素で隔てられていたため、ケト補助基は、その後すぐにアミノアルコールを添加することを想定して、カルボン酸に変換できました。 [6]この合成では、このケト補助基は C7 に直接隣接しているため、チアゾリン環の構築前に 1 つの炭素の同族化が必要です。これは、補助基の還元的結合開裂による第一級アルコールへの変換と対応するアルデヒドへの酸化、メトキシ基を持つイリドを使用したウィッティヒ反応によるエノールエーテルの生成、アルデヒドへの加水分解、そして最後に酸化によるカルボン酸の生成によって達成されました。[10]
バリウ等合成
この合成法は、カルキトキシンに見られるような脂肪族鎖延長のために官能基の相互変換と繰り返しの精製を必要とする従来の合成法である従来の反復合成法とは対照的に、「アセンブリライン」合成法を採用している点で他と異なります。この新しい方法は、ボロン酸エステルの試薬制御鎖延長法 [11] を使用することで実現され、これは、新たに追加されたリチウム化安息香酸エステル構成要素を組み込んだ中間体化合物の形成後の自発的な 1,2 転位に依存しています。[12]
これにより、添加する各安息香酸エステルのキラリティーを選択することで、添加ごとにキラリティーを制御できます。さらに、これにより、繰り返し鎖延長に通常必要な相互変換と精製の繰り返しステップが回避され、収率と効率が向上し、労力が削減されます。この合成では、コアの脂肪族鎖を単一の大きなフラグメントとして生成し、このフラグメントをカルボン酸を持つキラルなsec-ブチル基に結合させることで、この技術を活用しました。[12]反対のアミノチオエーテルフラグメントは別々に合成され、その後、Whiteらによって考案された手順に従って結合され、その後環化されました。 [10]全体として、最初のホモログ化シリーズを1ステップとしてカウントすると、この合成には7ステップしか必要ありません。[12]
Nature に掲載: Burns, M., Essafi, S., Bame, J. et al. カスタマイズされた形状を持つ有機分子のアセンブリライン合成。Nature 513, 183–188 (2014). https://doi.org/10.1038/nature13711
ターゲット
カルキトキシンはNMDA受容体を活性化する可能性がある。[1]また、電位依存性ナトリウムチャネル[13]と電子伝達系（ETC）複合体1を阻害する。 [13]カルキトキシンが電位依存性ナトリウムチャネルに正確にどのように結合するかは不明である。神経毒部位1と2は結合部位として除外されているが、神経毒部位7はカルキトキシンの結合部位として示唆されている。[4]これは、正のアロステリック効果を持つデルタメトリンが存在するとカルキトキシンによってチャネルが阻害されるためである可能性がある。[13]これは、カルキトキシンとデルタメトリンの結合の分子決定因子が類似しているためである可能性がある。[13]
作用機序
カルキトキシンはラットの小脳顆粒細胞に遅延性神経壊死を引き起こす。 [1]この神経壊死はNMDA受容体を介したものであることが判明した。[1]これらの受容体は通常、グルタミン酸やその他の興奮毒性化合物によって活性化され、神経壊死を引き起こす可能性がある。 [1]毒素が直接壊死を引き起こすのか、興奮毒性化合物の放出を介して壊死を引き起こすのかはまだわかっていない。[1 ]
第二に、カルキトキシンは電位依存性ナトリウムチャネルを阻害し、それによって、電位依存性ナトリウムチャネルが活性化されたときに通常起こるCa 2+放出を濃度依存的に阻害する。 [13]カルシウム放出は乳酸脱水素酵素（LDH）産生を誘導することが示されている。 [13] LDHの量は神経細胞死の尺度である。[13]カルキトキシンの存在下では、神経細胞死とLDH産生の濃度依存的阻害もある（9）。この阻害の背後にあるメカニズムはまだ不明である。[13]
第三に、カルキトキシンは、ミトコンドリア呼吸に関与するタンパク質複合体の1つである電子伝達系（ETC）複合体1を阻害します。 [2] ETC複合体1を阻害することにより、カルキトキシンは低酸素誘導因子-1（HIF-1）の活性化を強力に阻害します。[2] HIF-1は転写因子であり、酸素の利用可能性を高める遺伝子と酸素消費を減少させる遺伝子の発現を促進します。[2]カルキトキシンの主な効果の1つであるHIF-1の阻害は、細胞の低酸素状態を誘発します。
毒性
カルキトキシンは金魚（Carassius auratus、LC 50 : 700nM）と水生甲殻類のブラインシュリンプ（Artemia salina、LC 50 : 150-180nM [7]）に対して魚類毒性を示す。[14]カルキトキシンはラットの小脳顆粒細胞に対して遅発性の神経毒性作用を示すことも示されている（LC 50 : 3,86nM）。[2]
治療研究
がん治療薬を発見するための多くの取り組みは、さまざまな植物や動物から生成および分離された新しい生体分子のスクリーニングに焦点を当てています。[15]これらの分離された分子は、望ましい治療効果を選択するように設計された標準化されたパラダイムでその効果を測定するために、 in vitro アッセイでスクリーニングされます。カルキトキシンはもともと、抗腫瘍剤または抗真菌剤としての試験のための新しい分子を収集する取り組みとして、Lyngbya majusculaから単離されました。 [4]カルキトキシンの腫瘍選択的細胞毒性の最初のテストの 1 つは、in vitro アッセイを使用して、カルキトキシンの以前に実証されたヒト結腸細胞株 HCT-116 に対する固形腫瘍選択性をテストしました。[9]このアッセイは、固形腫瘍細胞、および白血病細胞などの非固形腫瘍細胞または正常細胞に対する異なる細胞毒性を観察することによって、カルキトキシンとさまざまな類似構造の異なる細胞毒性の程度を測定しました。この試験では有望な結果が得られ、カルキトキシンは非固形腫瘍細胞試験条件（Colon 38およびHCT-116細胞）に対して、非固形腫瘍細胞および正常細胞条件と比較して優先的な細胞毒性を示した。[9]
カルキトキシンは、ミトコンドリア 電子伝達系複合体 1を阻害することでこの細胞毒性効果を発揮します。[2]これにより、低酸素症によって誘発されるHIF-1活性化が阻害されます。これは固形腫瘍がんにおいて極めて重要です。なぜなら、低酸素症は腫瘍の血管新生を促進し、病期の悪化や治療抵抗性の増加につながるからです。HIF-1 は、酸素の利用を促進し、酸素消費を減少させる遺伝子の発現を誘導する転写因子であり、その効果は細胞の低酸素症を打ち消します。[16]したがって、カルキトキシンの HIF-1 阻害能力は、低酸素症に対する腫瘍増殖反応を阻害することで、一部の固形腫瘍がんの進行を打ち消す有望な分子として位置付けられています。カルキトキシンの有望な抗増殖特性に対する注意点は、その神経毒性効果です。カルキトキシンは、腫瘍選択的細胞毒性に必要な濃度と同等の濃度で、培養中のラット小脳顆粒ニューロン（CGN）に適用すると細胞死を誘導します。 [2]カルキトキシンはN-メチル-D-アスパラギン酸（NMDA）受容 体作動薬として作用し、培養されたラットCGNに遅延した時点で細胞毒性を誘導します。[1]したがって、カルキトキシンまたはその化学誘導体を治療オプションとして使用することを検討する場合は、この効果を考慮する必要があります。
参考文献
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