JP2005168316A - Method for synthesizing protein - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、無細胞タンパク質合成法を用いる「膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質」の合成方法に関し、より詳細には、酸化型物質を含有しない還元条件の無細胞タンパク質試薬に細胞性膜成分を添加することを特徴とする生理活性を有するタンパク質の合成方法に関する。 The present invention relates to a method for synthesizing a “protein targeted on or in a membrane structure” using a cell-free protein synthesis method, and more particularly, to a cell-free protein reagent under reducing conditions that does not contain an oxidized substance. The present invention relates to a method for synthesizing a protein having physiological activity, characterized by adding a sex membrane component.
近年の遺伝子工学や分子生物学分野の進歩並びに各種ゲノム配列解読の成果により、目的の遺伝子の産物であるタンパク質を発現させ、網羅的に、その機能および構造を解析することに研究の主眼が注がれるようになっている。その中でも、特に研究の進みの著しいタンパク質は、細胞内に存在するタンパク質であり、遺伝子配列を元に種々の方法で発現させ、研究が進められている。特に、ハイスループット化という観点から、近年、無細胞タンパク質合成法を用いた、網羅的な合成を用いることが一般化しつつある。 Based on recent progress in genetic engineering and molecular biology and the results of various genome sequencing, the focus of research is to express the protein of the target gene and comprehensively analyze its function and structure. It has come to come off. Among them, proteins that are particularly well-researched are proteins present in cells, and are being researched by expressing them by various methods based on gene sequences. In particular, from the viewpoint of high throughput, in recent years, it has become common to use exhaustive synthesis using a cell-free protein synthesis method.
無細胞タンパク質合成法とは、生細胞の代わりに、種々の細胞系の破砕物を準備し、基質やエネルギー源等を必要に応じて添加することで、細胞の成育とは無関係にタンパク質を合成・発現させる技術である。そのためほぼあらゆる種類のタンパク質を合成することが可能で、その応用範囲はきわめて広い。現在無細胞タンパク合成系として知られているものは、大腸菌の細胞破砕物、哺乳類の網状赤血球の抽出物それに、植物種子のエキストラクト等である。これらを用いることで、無細胞系においてタンパクの合成が可能である。 The cell-free protein synthesis method synthesizes proteins regardless of cell growth by preparing various cell line debris instead of living cells and adding substrates and energy sources as necessary.・ It is a technology to express. Therefore, it is possible to synthesize almost any kind of protein and its application range is very wide. Currently known cell-free protein synthesis systems include E. coli cell debris, mammalian reticulocyte extract, and plant seed extract. By using these, protein synthesis is possible in a cell-free system.
また特に、近年、高効率コムギ胚芽無細胞タンパク質抽出液を用いる方法が注目を集めている(例えば、非特許文献1を参照。)。この方法は、コムギ胚芽抽出液中に含まれるとタンパク質合成を阻害する成分であるトリチンとはじめとするリボトキシンの含量を減らすことにより、タンパク質合成能を高めた方法である。真核生物由来のタンパク質合成方法としては、従来ウサギ網状赤血球を用いる方法が主に使用されてきたが、収量が低い、夾雑タンパク質が多い等の理由から、合成されたタンパク質の機能を解析するには、あまり向かない方法であると思われている。
一方、このコムギ胚芽を用いた改良法は、重層法を併用することで、高収率でタンパク質を得ることができる(例えば、非特許文献2を参照。)。また、休眠期の胚芽を原料として抽出液を調製していることから、夾雑タンパク質も少なく、合成したタンパク質の機能を解析する場合有利であり、ヒトをはじめとする真核生物由来のタンパク質の解析に広く使われ始めている。
また、無細胞タンパク質合成法では、安定同位体や、セレノメチオニンなどをタンパク質に取りこませることが比較的容易であり、NMRやX線結晶解析などへの応用面でも大いに期待されている。 In addition, in cell-free protein synthesis methods, it is relatively easy to incorporate stable isotopes, selenomethionine, and the like into proteins, and there are great expectations for application to NMR and X-ray crystal analysis.
一方、細胞質内に存在しないタンパク質、すなわち、分泌タンパク質や、細胞内小器官へ局在化するタンパク質、膜タンパク質などのいわゆる「膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質」の研究は、細胞内タンパク質と比べて遅れている現状にある。それは、細胞などを用いた発現において、分泌や局在などが律速となり、正常に発現しないことが多いことに起因している。また、それらの多くは、翻訳後に様々な修飾を受けたり、膜へ埋めこまれたりすることが必要であり、無細胞タンパク質合成法を用いても困難である場合が多くみうけられる。 On the other hand, research on proteins that do not exist in the cytoplasm, that is, secreted proteins, proteins localized in organelles, membrane proteins, and so-called “proteins targeted on or in membrane structures” The current situation is behind that of the internal protein. This is due to the fact that in expression using cells and the like, secretion and localization are rate limiting, and the expression is often not normal. In addition, many of them need to be subjected to various modifications after translation or embedded in a membrane, and it is often difficult to use a cell-free protein synthesis method.
これを解決するために考えられたのが、細胞内器官である小胞体を断片化しその画分を無細胞タンパク質合成系に添加する方法である。細胞内成分である小胞体を断片化したものは通常ミクロソーム画分と呼ばれ、一般的には動物由来のミクロソームの調製法が知られている(例えば、非特許文献3を参照。)。このミクロソーム画分は、動物の膵臓や肝臓および卵管といった臓器や、酵母の細胞からも得ることができる。調製されたミクロソーム画分は、ウサギ網状赤血球由来の無細胞タンパク質合成系ならびに、小麦胚芽由来の無細胞タンパク質合成系と共役させる方法が可能であることが知られている。
しかし、これらの方法では、主に膜タンパク質のトランスロケーションの研究に使われてきたのが実状であり、合成されたタンパク質の酵素活性などの機能を解析した例は数えるほどしかないのが事実である。非特許文献4では、β−Hexosaminidase Bが、非特許文献5では、tissue−type plasminogen activator (t−PA)を合成した例が、ウサギ網状赤血球無細胞系とイヌ膵臓由来ミクロソームを組み合わせた事例が報告されている。(β−Hexosaminidase Bはリソソームへ局在する酵素であり、t−PAは分泌性のセリンプロテアーゼの一種である。)これらの例では、活性測定まで行われている。これらの反応系へは、いずれも、酸化グルタチオンの添加が必須であることが論文に記載されている。しかし、通常細胞質は還元状態にあることから、酸化条件でタンパク質合成を行うことは不自然であるといえる。
また、t−PAの解析においては、分離した膜画分をサンプルとした解析例しか示されておらず、無細胞タンパク質合成後の反応液を直接用いた解析例に関しては、例示されていない。それは、ウサギ網状赤血球を用いる無細胞タンパク質合成系では、夾雑タンパク質の活性のレベルが高いことなどから、解析のバックグラウンドが高くなってしまうことに起因している可能性が高い。特に、哺乳類由来のタンパク質を用いた解析においては、ウサギ網状赤血球などの哺乳類系の無細胞タンパク質合成法を用いない方が、その後の解析面からは好ましいと言える。 Moreover, in the analysis of t-PA, only the analysis example which used the isolate | separated membrane fraction as a sample is shown, and it does not illustrate about the analysis example which used directly the reaction liquid after cell-free protein synthesis | combination. It is highly possible that the cell-free protein synthesis system using rabbit reticulocytes has a high analysis background due to the high activity level of contaminating proteins. In particular, in analysis using mammal-derived proteins, it can be said that it is preferable not to use a mammalian cell-free protein synthesis method such as rabbit reticulocytes from the viewpoint of subsequent analysis.
その点では、夾雑タンパク質の活性の低いコムギ無細胞タンパク質合成(特に、高効率コムギ胚芽無細胞タンパク質抽出液を用いる方法(例えば、非特許文献6を参照。)と膜画分をカップルさせ、生理活性を有する「膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質」を合成することが好ましいといえる。しかし、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系では、活性等を測定した例はほとんどないのが現状であり、その原因を追求し、改善することが急務であると考えられる。
このような理由から、コムギ無細胞タンパク質合成法を用いる、生理活性を有する「膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質」の合成方法が求められていた。すなわち、本発明の目的は、植物由来無細胞タンパク質合成系に細胞性膜成分を添加し、分泌タンパク質、細胞内小器官へ局在するタンパク質、膜タンパク質などを、生理活性を有する形で合成する方法を供給することにある。また、それを達成する試薬・キット、および本方法で合成されたタンパク質を供給することである。 For these reasons, there has been a demand for a method for synthesizing a “protein targeted on or in a membrane structure” having physiological activity using a wheat cell-free protein synthesis method. That is, an object of the present invention is to add a cellular membrane component to a plant-derived cell-free protein synthesis system to synthesize secreted proteins, proteins localized in organelles, membrane proteins, etc. in a form having physiological activity. To provide a method. It is also to supply reagents and kits that achieve this, and proteins synthesized by this method.
本発明者らは、これらの課題を解決するべく鋭意研究を進めた結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は以下の構成からなる。
(1) 無細胞タンパク質合成法を用いる「膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質」の合成方法であって、以下の(a)および(b)の条件を満たす無細胞タンパク質試薬に、細胞性膜成分を添加することを特徴とする生理活性を有するタンパク質の合成方法。
(a)グルタチオン成分を2mM以上の濃度で含有しない
(b)還元剤を0.2mM以上の濃度で含有する
(2) 還元剤としてジチオスレイトール(DTT)または2−メルカプトエタノールを用いることを特徴とする、(1)に記載のタンパク質の合成方法。
(3) 細胞性膜成分が、動物由来もしくは植物由来であることを特徴とする、(1)に記載のタンパク質の合成方法。
(4) 細胞性膜成分が、イヌ膵臓由来ミクロソームであることを特徴とする(4)に記載のタンパク質の合成方法。
(5) 以下の(c)および/または(d)の構成からなる緩衝溶液中に調製された細胞性膜組成物を添加することを特徴とする、(1)に記載のタンパク質の合成方法。
(c)緩衝溶液中に含まれるトリエタノールアミン濃度が40mM以下
(d)同様にスクロース濃度が0.2M以下
(6)以下の(e)および/または(f)を含有する緩衝溶液中に調製された細胞性膜組成物を添加することを特徴とする、(1)に記載のタンパク質の合成方法。
(e)両性イオン緩衝液成分
(f)糖アルコール類またはトレハロース
(7) 無細胞タンパク質合成に用いる抽出液が、植物由来、動物由来、もしくは菌由来であることを特徴とする、(1)に記載のタンパク質の合成方法。
(8) 無細胞タンパク質合成に用いる抽出液が、コムギ胚芽由来であることを特徴とする、(7)に記載のタンパク質の合成方法。
(9) 無細胞タンパク質合成に用いる抽出液が、タンパク質合成阻害因子の混入が少ない方法で調製されたことを特徴とする、(8)に記載のタンパク質の合成方法。
(10) 膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質が、分泌タンパク質、細胞内小器官局在タンパク質、膜タンパク質であることを特徴とする、(1)に記載に生理活性を有するタンパク質の合成方法。
(11) 生理活性が、酵素活性、リガンド−リセプター相互作、アフィニティー、抗原−抗体反応、細胞増殖・分泌促進・アポトーシス誘導、細胞形態に及ぼす影響、細胞成分の局在に及ぼす作用であることを特徴とする(1)に記載のタンパク質の合成方法。
(12) (1)〜(11)の方法に従って合成したタンパク質を、膜画分を分離することなしに、反応液を用いてタンパク質の機能および/または構造を解析する方法。
(13) (1)〜(12)の方法に従って合成したタンパク質を、合成後、膜画分を分離し、タンパク質の機能および/または構造を解析する方法。
(14) 解析の前に、界面活性剤で処理することを特徴とする、(12)、(13)に記載のタンパク質の機能および/または構造を解析する方法。
(15) (1)〜(14)に記載の方法に用いるための試薬類、キット。
(16) (1)〜(15)に記載の方法に従って合成された、タンパク質。
As a result of diligent research to solve these problems, the present inventors have completed the present invention. That is, the present invention has the following configuration.
(1) A method for synthesizing a “protein targeted on or in a membrane structure” using a cell-free protein synthesis method, wherein a cell-free protein reagent that satisfies the following conditions (a) and (b): A method for synthesizing a protein having physiological activity, comprising adding a cellular membrane component.
(A) Glutathione component is not contained at a concentration of 2 mM or more (b) Reducing agent is contained at a concentration of 0.2 mM or more (2) Dithiothreitol (DTT) or 2-mercaptoethanol is used as the reducing agent The protein synthesis method according to (1).
(3) The method for synthesizing a protein according to (1), wherein the cellular membrane component is derived from an animal or a plant.
(4) The protein synthesis method according to (4), wherein the cellular membrane component is canine pancreas-derived microsome.
(5) The method for synthesizing a protein according to (1), wherein the cellular membrane composition prepared is added to a buffer solution having the following constitution (c) and / or (d).
(C) The concentration of triethanolamine contained in the buffer solution is 40 mM or less. (D) Similarly, the sucrose concentration is 0.2 M or less. (6) Prepared in a buffer solution containing (e) and / or (f). The method for synthesizing a protein according to (1), wherein the cell membrane composition thus prepared is added.
(E) Zwitterion buffer component (f) Sugar alcohols or trehalose (7) The extract used for cell-free protein synthesis is derived from plants, animals or fungi, (1) A method for synthesizing the described protein.
(8) The protein synthesis method according to (7), wherein the extract used for cell-free protein synthesis is derived from wheat germ.
(9) The method for synthesizing a protein according to (8), wherein the extract used for cell-free protein synthesis is prepared by a method with little contamination with a protein synthesis inhibitor.
(10) The protein having physiological activity according to (1), wherein the protein targeted on or in the membrane structure is a secreted protein, an organelle-localized protein, or a membrane protein Synthesis method.
(11) that the physiological activity is an enzyme activity, ligand-receptor interaction, affinity, antigen-antibody reaction, cell proliferation / secretion promotion / apoptosis induction, effect on cell morphology, effect on cell component localization The protein synthesis method according to (1), which is characterized in that
(12) A method for analyzing the function and / or structure of a protein synthesized according to the method of (1) to (11) using a reaction solution without separating a membrane fraction.
(13) A method for analyzing the function and / or structure of a protein after separating the membrane fraction after synthesizing the protein synthesized according to the method of (1) to (12).
(14) The method for analyzing the function and / or structure of the protein according to (12) or (13), wherein the protein is treated with a surfactant before analysis.
(15) Reagents and kits for use in the method according to (1) to (14).
(16) A protein synthesized according to the method described in (1) to (15).
本発明により、ウサギ網状赤血球無細胞タンパク質合成系以外の、特にコムギ胚芽無細胞タンパク質合成での生理活性を有する「膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質」の合成の効率が著しく向上した。本発明の方法で得られた「膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質」は活性が高く、また、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いることができるようになったことから、反応後のクルードな溶液を活性測定に用いることができるようになり、従来法に比べ、簡便かつ確実な結果が得られる。 According to the present invention, the efficiency of the synthesis of “a protein targeted on or in a membrane structure” having physiological activity in the synthesis of cell-free protein synthesis of wheat germ other than the rabbit reticulocyte cell-free protein synthesis system has been remarkably improved. . The “protein targeted on or in the membrane structure” obtained by the method of the present invention has high activity and can use a wheat germ cell-free protein synthesis system. Thus, the crude solution can be used for activity measurement, and a simple and reliable result can be obtained as compared with the conventional method.
本発明は、無細胞タンパク質合成法を用いる「膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質」の合成方法であって、以下の(a)および(b)の条件を満たす無細胞タンパク質試薬に、細胞性膜成分を添加することを特徴とする生理活性を有するタンパク質の合成方法である。
(a)グルタチオン成分を2mM以上の濃度で含有しない
(b)還元剤を0.2mM以上の濃度で含有する
The present invention relates to a method for synthesizing a “protein targeted on or in a membrane structure” using a cell-free protein synthesis method, which is a cell-free protein reagent that satisfies the following conditions (a) and (b): A method for synthesizing a protein having physiological activity, characterized by adding a cellular membrane component.
(A) Does not contain glutathione component at a concentration of 2 mM or more (b) Contains a reducing agent at a concentration of 0.2 mM or more
ここでいう、生理活性を有するとは、タンパク質が膜上へ正しく標的化されること、もしくは膜上もしくは内に標的化された後、ジスルフィド結合や糖鎖付加などの翻訳後修飾を受けることにより活性を発現することを意味する。具体的には、酵素活性やバインディングアッセイ、増殖誘発活性、アポトーシス誘導活性、細胞の形態変化誘発活性など、何らかの方法でその活性を測定できる活性のことを示す。 The term “having biological activity” as used herein means that a protein is correctly targeted on the membrane, or is subjected to post-translational modifications such as disulfide bonds and glycosylation after being targeted on or in the membrane. It means to express activity. Specifically, it indicates an activity whose activity can be measured by some method such as enzyme activity, binding assay, proliferation-inducing activity, apoptosis-inducing activity, cell shape-change-inducing activity.
ここでいう、膜構造体とは、具体的には細胞性膜成分のことを意味し、さらに具体的には小胞体、ゴルジ体、ペルオキシソーム、グリオキシソーム、ミクロソーム、細胞膜等の膜構造体を示す。 As used herein, a membrane structure specifically means a cellular membrane component, and more specifically, a membrane structure such as an endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, peroxisome, glyoxisome, microsome, or cell membrane. Show.
ここでいう膜構造体上へ標的化されるとは、膜に埋まり込む、または膜表面に存在するということ意味している。タンパク質の種類としては、膜タンパク質を挙げることができる。膜タンパク質の多くは、N末端にシグナル配列と呼ばれる疎水性に富んだ配列を有しており、細胞質中でSRP(シグナル認識粒子)により認識され、小胞体へ運ばれる。運ばれたタンパク質は、N末端から小胞体中へ陥入し、最終的に小胞体の膜上に存在するようになる。膜タンパク質の種類によっては、一回以上膜を貫通するものの存在する。細胞膜へ局在化する膜タンパク質は、小胞体からゴルジ体を経て、細胞膜へ移動する経路が知られている。シグナル配列は、最終的にシグナルペプチダーゼの作用により切除されるものが多い。 Targeting on the membrane structure here means that it is embedded in the membrane or exists on the membrane surface. Examples of the type of protein include membrane protein. Most membrane proteins have a highly hydrophobic sequence called a signal sequence at the N-terminus, are recognized by SRP (signal recognition particles) in the cytoplasm, and are transported to the endoplasmic reticulum. The carried protein invades into the endoplasmic reticulum from the N-terminus and finally becomes present on the membrane of the endoplasmic reticulum. Some types of membrane proteins exist that penetrate the membrane more than once. A membrane protein localized to the cell membrane is known to travel from the endoplasmic reticulum through the Golgi apparatus to the cell membrane. Many signal sequences are ultimately excised by the action of signal peptidases.
膜構造体内へ標的化されるとは、たとえば小胞体やミクロソーム内へ存在するようになるということである。これらのタンパク質もN末端にシグナル配列を有しているものが多く、細胞質中でSRP(シグナル認識粒子)により認識され、小胞体へ運ばれる。それらのタンパク質はジスルフィド結合や、糖鎖修飾などを受けた後、ゴルジ体へ運ばれ、最終的に細胞外へ分泌されるものや、リソソームなどの細胞内小器官へ輸送されるものが多い。 Targeting into a membrane structure means that it becomes present, for example, in the endoplasmic reticulum or microsomes. Many of these proteins also have a signal sequence at the N-terminus and are recognized in the cytoplasm by SRP (signal recognition particles) and transported to the endoplasmic reticulum. Many of these proteins are subjected to disulfide bonds, sugar chain modifications, etc., then transported to the Golgi apparatus, and finally secreted out of the cell or transported to intracellular organelles such as lysosomes.
ジスルフィド結合の形成は、大腸菌などの原核生物では原形質内層(エンドプラズム)で、真核生物では小胞体で行われる。これらの内部は、細胞質が還元的環境にあるのに対して、酸化的に保たれているのが特徴である。実際には、大腸菌はDsbAやC、真核生物ではPDF(プロテインジスルフィドイソメラーゼ)などの作用によってジスフフィド結合は形成される。ジスルフィド結合の形成は、酸化的環境でタンパク質が合成されるだけでは不充分であり、膜の透過に続いて、上に述べたようなタンパク質成分などが総合的に作用することにより、正しいジスルフィド結合が形成され、活性を示すようになると考えられている。 Disulfide bond formation occurs in the protoplasmic inner layer (endoplasm) in prokaryotes such as E. coli and in the endoplasmic reticulum in eukaryotes. These interiors are characterized by being kept oxidative while the cytoplasm is in a reducing environment. Actually, disulfide bonds are formed by the action of DsbA and C in E. coli and PDF (protein disulfide isomerase) in eukaryotes. The formation of disulfide bonds is not sufficient when proteins are synthesized in an oxidative environment, and the correct disulfide bonds are formed by the comprehensive action of protein components as described above following membrane permeation. Are formed and become active.
タンパク質の糖鎖修飾は、主に真核生物で起こる代表的な翻訳後修飾である。最初に、小胞体で糖鎖を付加され、続いてゴルジ体へ移行し成熟型糖鎖へと変換される経路が一般的である。この反応についても中心的な役割を果たすのが、小胞体である。 Protein glycosylation is a typical post-translational modification that occurs mainly in eukaryotes. First, the sugar chain is added to the endoplasmic reticulum, and then the pathway is transferred to the Golgi apparatus and converted into the mature sugar chain. The endoplasmic reticulum plays a central role in this reaction.
従来技術の項でも述べたが、無細胞タンパク質合成においては、小胞体の断片であるミクロソームがこれらの反応の場として使用されてきた。特に、イヌ膵臓由来のミクソソームはPromega社などからも市販されており、膜タンパク質のトランスロケーションの研究を中心に使用されてきた。 As described in the section of the prior art, in the cell-free protein synthesis, microsomes, which are fragments of the endoplasmic reticulum, have been used as a field for these reactions. In particular, dog pancreas-derived myxosomes are also commercially available from Promega and others, and have been used mainly for research on translocation of membrane proteins.
しかし、合成したタンパク質の生理活性に関して研究された例は思うほど多くない。また、それらの報告は、ウサギ網状赤血球の無細胞タンパク質合成系にイヌ由来ミクロソームを添加し、非還元条件もしくは酸化グルタチオン(GSSG)を添加した条件にて合成したタンパク質の事例のみである。また、ウサギ網状赤血球無細胞系以外で合成した「膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質」を用いて、その生理活性を測定した事例はほぼ皆無である。 However, there are not as many examples of research on the physiological activity of synthesized proteins. Moreover, those reports are only examples of proteins synthesized under the condition that dog-derived microsomes are added to the cell-free protein synthesis system of rabbit reticulocytes and non-reducing conditions or oxidized glutathione (GSSG) is added. In addition, there are almost no cases where the physiological activity was measured using “proteins targeted on or in the membrane structure” synthesized other than the rabbit reticulocyte cell-free system.
ここでいうグルタチオン成分は、主に酸化型グルタチオン(GSSG)として添加され、DTT等の還元性を打ち消すために用いられるものである。今までの報告では、2〜3mMの濃度で使用される場合が最も多く、DTTを含有する溶液中に添加されることで、一部還元型グルタチオン(GSH)へ変換されていると思われる。請求項には、代表的な物質としてグルタチオンを記載したが、システインの二量体であるシスチンなども同様の用いることができるため、シスチンを含有しないことも同様に本発明の範囲に含めることができると考えられる。本願では、グルタチオンおよびシスチンを合わせてグルタチオン成分と呼称する。 The glutathione component here is mainly added as oxidized glutathione (GSSG), and is used to counteract reducing properties such as DTT. In the reports so far, it is most often used at a concentration of 2 to 3 mM, and it seems that it is partially converted to reduced glutathione (GSH) by being added to a solution containing DTT. In the claims, glutathione is described as a representative substance. However, since cystine, which is a dimer of cysteine, can be used in the same manner, the absence of cystine is also included in the scope of the present invention. It is considered possible. In the present application, glutathione and cystine are collectively referred to as a glutathione component.
本発明において、無細胞タンパク質合成反応液は、2mM以上の濃度でグルタチオン成分を含まない。ここでグルタチオン成分としたのは、還元剤を含有する溶液に酸化型グルタチオンを添加した場合、一部が還元型となり、明確にどちらかを定義することが困難になるからである。 In the present invention, the cell-free protein synthesis reaction solution does not contain a glutathione component at a concentration of 2 mM or more. The reason why the glutathione component is used here is that when oxidized glutathione is added to a solution containing a reducing agent, a part of the glutathione component is reduced and it is difficult to clearly define which one.
グルタチオンの検出方法としては、グルタチオンレダクターゼ、NADPH存在下でジスルフィドとのチオール−ジスルフィド交換反応を利用する方法が知られている。 As a method for detecting glutathione, a method using a thiol-disulfide exchange reaction with disulfide in the presence of glutathione reductase and NADPH is known.
還元剤として、好ましくは、ジチオスレイトール(DTT)や、2−メルカプトエタノールなどから選択される還元剤を含有する。その無細胞タンパク質合成溶液中での濃度は、0.2mM以上、好ましくは0.2〜20mM、更に好ましくは1〜10mM、最も好ましくは2〜5mMが用いられる。もっとも好ましくはDTTを含有する。 The reducing agent preferably contains a reducing agent selected from dithiothreitol (DTT), 2-mercaptoethanol, and the like. The concentration in the cell-free protein synthesis solution is 0.2 mM or more, preferably 0.2 to 20 mM, more preferably 1 to 10 mM, and most preferably 2 to 5 mM. Most preferably it contains DTT.
さらに、本発明は細胞性膜成分を用いることを特徴としている。細胞性膜成分としては、小胞体成分が好ましく用いられるが、小胞体成分を中心とする画分は、ミクロソーム画分を中心とする画分であることが好ましい。ここでミクロソームとは、組織のホモジネートから、遠心および超遠心分離することで沈殿として回収できる画分で、小胞体が細胞の破砕によってちぎれてできたものが主成分である。ミクロソームは動物の臓器由来のものが好ましいが、この他、酵母由来のミクロソーム画分を、本発明の小胞体成分として用いることも可能である。これに加えて、細胞中の小器官であるミクロボディー画分を使用することもできる。細胞由来のミクロボディー画分である、ペルオキシソームやグリオキシソーム等の器官を、同様の目的に使用することが可能であると考えられる。本発明で使用可能なミクロソームの由来を列挙すると以下のようになる。動物膵臓由来ミクロソーム膜成分、動物卵管由来ミクロソーム膜成分、動物肝臓由来ミクロソーム膜成分、動物由来ペルオキシソオーム、酵母由来ミクロソーム膜成分、植物種子由来ミクロソーム成分、植物由来ペルオキシソーム膜成分、植物由グリオキシソーム膜成分である。この中で最も好ましくは、イヌ膵臓由来ミクロソームが用いられる。 Furthermore, the present invention is characterized by using a cellular membrane component. As the cellular membrane component, an endoplasmic reticulum component is preferably used, but the fraction centered on the endoplasmic reticulum component is preferably a fraction centered on the microsomal fraction. Here, the microsome is a fraction that can be recovered as a precipitate from a tissue homogenate by centrifugation and ultracentrifugation, and the main component is that the endoplasmic reticulum is broken by cell disruption. Microsomes are preferably derived from animal organs, but yeast-derived microsomal fractions can also be used as the endoplasmic reticulum component of the present invention. In addition to this, it is also possible to use a microbody fraction which is an organelle in a cell. It is considered that organs such as peroxisomes and glyoxisomes, which are cell-derived microbody fractions, can be used for the same purpose. The origins of microsomes that can be used in the present invention are listed as follows. Animal pancreatic-derived microsomal membrane component, animal oviduct-derived microsomal membrane component, animal liver-derived microsomal membrane component, animal-derived peroxisome, yeast-derived microsomal membrane component, plant seed-derived microsomal component, plant-derived peroxisomal membrane component, plant-derived glyoxy It is a somal membrane component. Most preferably, canine pancreas-derived microsomes are used.
イヌの由来としては、特に限定されないが、好ましくは系統が純系化されているもの。好ましくは、ビーグル犬が好ましい。 The origin of the dog is not particularly limited, but preferably, the strain is purified. A beagle dog is preferable.
イヌ膵臓由来ミクロソームは、市販品を用いることもできるが、好ましくは、無細胞タンパク質合成システム用にさらに至適化されたものを用いることが好ましい。 A commercially available product can be used as the canine pancreas-derived microsome, but it is preferable to use a microsome optimized for a cell-free protein synthesis system.
好ましくは、緩衝溶液中に含まれるトリエタノールアミン濃度が40mM以下、スクロース濃度が0.2M以下の緩衝液中に調製された細胞性膜画分をもちいることが好ましく。より好ましくは、トリエタノールアミン濃度が10mM以下、スクロース濃度が0.1M以下、最も好ましくはトリエタノールアミン、スクロースを含有しない緩衝液を用いる。この理由は、トリエタノールアミンおよびスクロースが、無細胞タンパク質合成を阻害するからである。また更に、これらの物質はミクロソームの糖鎖付加等の活性をも阻害する場合があるからである。 Preferably, a cellular membrane fraction prepared in a buffer solution having a triethanolamine concentration of 40 mM or less and a sucrose concentration of 0.2 M or less contained in the buffer solution is preferably used. More preferably, a triethanolamine concentration is 10 mM or less and a sucrose concentration is 0.1 M or less, and most preferably a buffer solution containing no triethanolamine and sucrose is used. This is because triethanolamine and sucrose inhibit cell-free protein synthesis. Furthermore, these substances may also inhibit activities such as glycosylation of microsomes.
よって、本発明に用いる細胞性膜画分は、トリエタノールアミンの代わりに両性イオン緩衝液成分、スクロースの代わりに糖アルコール類またはトレハロース成分を含むことが好ましいといえる。 Therefore, it can be said that the cellular membrane fraction used in the present invention preferably contains a zwitterion buffer component instead of triethanolamine and a sugar alcohol or trehalose component instead of sucrose.
両性イオン緩衝液成分としては、グッドの緩衝液が好ましく用いられ、更に好ましくは2−[4−(2−ヒドロキシエチル)−1−ピペラジニル]エタンスルホン酸(HEPES)が用いられる。使用するHEPESの濃度としては、5〜500mMが好ましく用いられ、更に好ましくは10〜250mMが好ましく用いられる。また、pHとしては、6.8〜8.2が好ましく、7.4〜7.8が更に好ましく、7.6が最も好ましく用いられる。(グッドバッファーのpHは、25℃で調整するのが好ましい)。 As the zwitterionic buffer component, Good's buffer is preferably used, and 2- [4- (2-hydroxyethyl) -1-piperazinyl] ethanesulfonic acid (HEPES) is more preferably used. The concentration of HEPES to be used is preferably 5 to 500 mM, more preferably 10 to 250 mM. The pH is preferably 6.8 to 8.2, more preferably 7.4 to 7.8, and most preferably 7.6. (The pH of the good buffer is preferably adjusted at 25 ° C.).
糖アルコールとしては、ソルビトール、イノシトール、キシリトールが好ましく用いられる。更に、好ましくは、ソルビトールが用いられる。ソルビトールの濃度としては、0.2〜4Mが好ましく用いられ、0.3〜2Mが更に好ましく用いられる。 As the sugar alcohol, sorbitol, inositol and xylitol are preferably used. Furthermore, sorbitol is preferably used. The concentration of sorbitol is preferably 0.2 to 4M, more preferably 0.3 to 2M.
無細胞タンパク質合成に用いられる、抽出液の由来は特に限定されないが、植物由来、動物由来、もしくは菌由来であることが好ましい。更に好ましくは、コムギ胚芽由来、最も好ましくは、タンパク質合成阻害因子が少ないことを特徴とする方法((Proc.Natl.Acad.Sci.USA 96(2),559−564(2000))を用いる。この方法に従って調製した無細胞タンパク質合成試薬は、東洋紡績(株)からPROTIEOSTM Cell−free protein synthesis kitとして販売されている。 The origin of the extract used for cell-free protein synthesis is not particularly limited, but is preferably derived from plants, animals, or fungi. More preferably, a method ((Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96 (2), 559-564 (2000)) characterized in that it is derived from wheat germ and most preferably has few protein synthesis inhibitors. A cell-free protein synthesis reagent prepared according to this method is commercially available from Toyobo Co., Ltd. as a PROTIEOS ™ Cell-free protein synthesis kit.
また、無細胞タンパク質合成方法は、従来行われてきたバッチ法、重層法((FEBS Letter 514, 102−105(2000))、透析法(Proc.Natl.Acad.Sci.USA 96(2),559−564(2000))を用いることが出来、特に限定されない。重層法、透析法は共に、タンパク質合成時に必要とされるATP、GTG、やアミノ酸などの低分子物質を、タンパク質反応液に断続的に供給することにより、無細胞タンパク質合成の効率を向上させる方法である。重層法は、反応層の上にATP、GTG、やアミノ酸を含むバッファー層を重層することにより、それらが拡散で徐々に交じり合うことで、それらの物質が供給されることを原理としている。また透析法は、透析膜を介してATP、GTG、やアミノ酸などを供給すると共に、副生成物を除去することで、数日にわたり無細胞タンパク質合成を続けることができる。これらの方法を用いることにより、高収量でタンパク質を合成できるので、本発明において好ましくは、機能解析には重層法が、構造解析には透析法が適しているといえる。 Cell-free protein synthesis methods include conventional batch methods, multi-layer methods (FEBS Letter 514, 102-105 (2000)), dialysis methods (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96 (2), 559-564 (2000)) can be used, and the layering method and dialysis method are intermittently used in the protein reaction solution for low molecular weight substances such as ATP, GTG, and amino acids required for protein synthesis. In this method, the buffer layer containing ATP, GTG, and amino acids is layered on the reaction layer so that they are gradually diffused. The dialysis method is based on the principle that ATP, By supplying TG, amino acids, etc., and removing by-products, cell-free protein synthesis can be continued for several days. In the invention, it is preferable that the multi-layer method is suitable for functional analysis and the dialysis method is suitable for structural analysis.
無細胞タンパク質合成法に用いる温度は、通常無細胞タンパク質合成に用いられる温度であれば、特に限定されない。通常、20℃〜30℃が好ましく行われる。コムギ胚芽抽出液を用いる方法では、20℃〜26℃が好ましく。更に好ましくは、23〜26℃が用いられる。網状赤血球、大腸菌由来の抽出液を用いる場合は、30℃がもっとも好ましく行われる The temperature used for the cell-free protein synthesis method is not particularly limited as long as it is a temperature usually used for cell-free protein synthesis. Usually, 20-30 degreeC is performed preferably. In the method using a wheat germ extract, 20 ° C. to 26 ° C. is preferable. More preferably, 23 to 26 ° C. is used. When using an extract derived from reticulocytes or E. coli, 30 ° C. is most preferable.
また、本発明で重要なのは、上にも何度か述べたが、無細胞タンパク質合成を還元条件下で行うことである。無細胞タンパク質合成は一般的には還元条件下で行われることは、公知であり、ミクロソーム等の細胞性膜成分を添加する場合も還元条件下で行われることも報告されている。しかし、合成されたタンパク質の生理活性を測定した報告は、ほぼすべて酸化型グルタチオンを反応系に加えたウサギ網状赤血球抽出液を用いた無細胞タンパク質合成系のみであり、特にコムギ胚芽抽出液を用いるタンパク質合成系で生理活性を測定した例は、酸化型グルタチオンを添加する系においても皆無である。 Also important in the present invention, as mentioned several times above, is cell-free protein synthesis under reducing conditions. It is known that cell-free protein synthesis is generally performed under reducing conditions, and it has been reported that cell-free protein synthesis is also performed under reducing conditions when adding cellular membrane components such as microsomes. However, almost all reports of measuring the physiological activity of the synthesized protein are cell-free protein synthesis systems using rabbit reticulocyte extract with oxidized glutathione added to the reaction system, especially using wheat germ extract There is no example in which physiological activity is measured in a protein synthesis system even in a system in which oxidized glutathione is added.
上にも示したように、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成システムは近年注目を浴びつつある。それにも関わらず、細胞性膜成分を添加し「膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質」を合成し、その活性を測定した例が全く存在しないのは、一つは、酸化的条件下で合成する方法が一般化していたため、コムギ胚芽無細胞タンパク質合成においてもそれを適用した結果、思わしくない結果しか得られなかったことが考えられる。また、今まで高効率コムギ胚芽無細胞タンパク質合成系や、無細胞タンパク質合成液中でより高い活性を有する細胞性膜成分の調製方法がなかったため、それらの検討がなされなかった可能性もある。よって、本発明はこれらの条件をすべて整えることができたことにより達成されたとも言えるのではないかと思われる。 As indicated above, wheat germ cell-free protein synthesis systems have attracted attention in recent years. Nonetheless, there is no example of adding a cellular membrane component to synthesize a “protein that is targeted on or in a membrane structure” and measuring its activity. Since the method of synthesis below was generalized, it was considered that as a result of applying it to wheat germ cell-free protein synthesis, only unexpected results were obtained. Moreover, since there has been no high-efficiency wheat germ cell-free protein synthesis system or a method for preparing cellular membrane components having higher activity in a cell-free protein synthesis solution, there is a possibility that these studies have not been made. Therefore, it can be said that the present invention has been achieved by being able to adjust all of these conditions.
発明者らのヒトTissue−type plasminogen activator (t−PA)およびβ−Hexosaminidase Bをコムギ胚芽無細胞タンパク質合成系を用いて発現させ、活性を測定した検討では、還元的条件で行った方が、合成されたタンパク質は明らかに有意に高い活性を有していることが確認された(図3、4)。t−PAを用いた検討では、2.5mMDTT>2.5mMDTT+2.5M GSSG>無添加>2M GSSGという結果である。この結果は、ウサギ網状赤血球抽出液無細胞タンパク質合成系を用いた検討において、還元条件下で合成したこれらのタンパク質の活性がほぼ検出できないことを考えると、驚くほど逆の結果であることが分かる。しかし、元来、細胞質は還元状態であり、無細胞タンパク質合成はそれを反映しているはずであることを考えると、今回の結果の方がより自然であると考えることができる。 In the study in which the inventors' human tissue-type plasminogen activator (t-PA) and β-Hexosaminedase B were expressed using a wheat germ cell-free protein synthesis system, the activity was measured under reducing conditions. It was confirmed that the synthesized protein clearly has significantly higher activity (FIGS. 3 and 4). In the study using t-PA, the result is 2.5 mM DTT> 2.5 mM DTT + 2.5 M GSSG> no addition> 2 M GSSG. This result is surprisingly the opposite in the study using the cell-free protein synthesis system of rabbit reticulocyte extract, considering that the activity of these proteins synthesized under reducing conditions is almost undetectable. . However, considering that the cytoplasm is originally in a reduced state and cell-free protein synthesis should reflect that, it can be considered that this result is more natural.
また、今回の検討では、t−PAの活性を膜画分の精製なし測定することに成功している。このようなクルード系での活性測定は、今までの報告では皆無で、コムギ胚芽中に夾雑タンパク質が少ないという性質に起因していると考えることができる。これは、今回の発明がなければ成しえなかった解析法の一つであると思われる。 In this study, t-PA activity was successfully measured without purification of the membrane fraction. The activity measurement in such a crude system has never been reported so far, and can be considered to be caused by the property that there are few contaminating proteins in the wheat germ. This seems to be one of the analysis methods that could not have been achieved without the present invention.
今回、生理活性を有する膜上に標的化されるタンパク質(膜タンパク質)に関しては具体的に示していないが、既に本発明を用いて数種の膜タンパク質が合成でき、糖鎖修飾を受けることも確認しており、上に示したタンパク質同様に生理活性を有していることが容易に推察できる。 This time, we have not specifically shown the protein (membrane protein) targeted on the membrane having physiological activity, but it is possible to synthesize several types of membrane proteins using the present invention and to undergo sugar chain modification. It has been confirmed that it can be easily inferred that it has physiological activity similar to the protein shown above.
また今回、一連の実験は、自家調製したイヌ膵臓由来ミクロソームを用いたが、市販のイヌ膵臓由来ミクロソームを用いても、効率は異なるが、傾向はほぼ同じであると推察される。 In this series of experiments, self-prepared canine pancreas-derived microsomes were used. However, even if commercially available canine pancreas-derived microsomes were used, the efficiency was assumed to be almost the same, but the tendency was almost the same.
本発明でいう「膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質」とは、分泌タンパク質、細胞内小器官局在タンパク質、膜タンパク質などを指す。 The “protein targeted on or in the membrane structure” as used in the present invention refers to a secreted protein, an organelle-localized protein, a membrane protein, and the like.
本発明でいう生理活性とは、特に活性として測定できるものであれば特に限定されないが、酵素活性、リガンド−リセプター相互作、アフィニティー、抗原−抗体反応、細胞増殖・分泌促進・アポトーシス誘導、細胞形態に及ぼす影響、細胞成分の局在に及ぼす作用などのことを指す。 The physiological activity referred to in the present invention is not particularly limited as long as it can be measured as activity, but is not limited to enzyme activity, ligand-receptor interaction, affinity, antigen-antibody reaction, cell proliferation / secretion promotion / apoptosis induction, cell morphology This refers to the effects on cell and the effects on the localization of cellular components.
この後、本発明の方法を用いて、今まで解析の困難とされてきた分泌性タンパク質や、細胞小器官局在性タンパク質、膜タンパク質などの、機能解析が効果的かつハイスループット化されることが考えられる。具体的には、リセプターのリガンドの探索、医薬品ターゲットのスクリーニングなどの用途に広く使われる可能性が考えられる。さらに、構造解析にも応用されることも十分応用されることが考えられる。 After that, using the method of the present invention, functional analysis of secreted proteins, organelle localized proteins, membrane proteins, etc., which has been considered difficult to analyze, will be effective and high-throughput. Can be considered. Specifically, it may be widely used for applications such as receptor ligand search and drug target screening. Further, it can be applied to structural analysis.
以下に本発明の実施例をあげることにより、本発明による効果をより一層明瞭なものとする。ただし、これらの実施例によって本発明の範囲は限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below to further clarify the effects of the present invention. However, the scope of the present invention is not limited by these examples.
実施例1:細胞性膜組成物調製用の緩衝溶液の調製
細胞性膜組成物調製用の緩衝溶液の調製方法について以下に示す。
(1)238gのHEPESを滅菌水に溶解し、1モル/リットル濃度の水酸化カリウム溶液でpHを7.5に調製する。その後滅菌水で1リットルにし、HEPESの1モル/リットル溶液とする。使用時に、必要な濃度に調製して使用する。
(2)182gのソルビトールをはかりとり、滅菌水に溶解し500mlとする。これを2モル/リットルのソルビトール溶液とし、使用時に必要な濃度に調製して使用する。
これらの溶液をベースにして、以下の緩衝液系を調製し、使用した。
Example 1 Preparation of Buffer Solution for Cellular Membrane Composition Preparation A method for preparing a buffer solution for cell membrane composition preparation is described below.
(1) Dissolve 238 g of HEPES in sterilized water and adjust the pH to 7.5 with 1 mol / liter potassium hydroxide solution. Then make up to 1 liter with sterile water to make a 1 mol / liter solution of HEPES. At the time of use, it is adjusted to the required concentration and used.
(2) 182 g of sorbitol is weighed and dissolved in sterile water to make 500 ml. This is used as a 2 mol / liter sorbitol solution, which is prepared to the required concentration at the time of use.
Based on these solutions, the following buffer systems were prepared and used.
実施例2:小胞体成分(ミクロソーム画分)の調製
(1)イヌ(ビーグル犬)から摘出した膵臓を氷冷した調製液A(50mM−HEPES, pH7.5、50mM−酢酸カリウム、6mM−酢酸マグネシウム、1mM−エチレンジアミン四酢酸、1mM−ジチオスレイトール、0.5mM−フェニルメタンスルホニルフルオリド、0.25M−ソルビトール)で洗浄し、重量を測定した後細かく切断した。
(2)膵臓の重量に対して四倍量の上記調製液Aを加えてよくホモジナイズした。この溶液を、 約1,000×gで10分間遠心分離し上清を集めた。この上清を約10,000×gで10分間再度遠心分離し、同様に上清を集めた。
(3)この上清溶液を遠心管に入れ、1/3容量の調製液B(ソルビトール濃度を1.3Mとした以外は調製液Aと同じ組成のもの)を遠心管の底に重層し、140,000×gで2.5時間遠心分離した。
(4)沈澱物を集め、上記(2)の膵臓の重量と等量の調製液C(50mM−HEPES, pH7.5、1mM−ジチオスレイトール、0.25M−ソルビトール)に懸濁し、よくホモジナイズした。この溶液を少量とって1%−SDS溶液を用いて希釈し、OD280値を測定した。この時、OD280値が40ODよりも濃い場合は上記調製液Cで40OD濃度となるように希釈した。逆に40ODよりも薄い場合は、(3)に記載の方法で再度超遠心分離し、より少量の調製液Cで懸濁した。
(5)この溶液に対し等量の調製液D(調製液Cに50mM−EDTAを添加したもの)を加え、4℃で15分おいた。
(6)この溶液を遠心管に入れ、1/3容量の調製液E(ソルビトール濃度を0.5Mとした以外は調製液Cと同じ組成のもの)を遠心管の底に重層し、140,000×gで1時間遠心分離した。
(7) 沈澱物を集め、上記(4)で調製した溶液の半量の調製液Cに懸濁し、よくホモジナイズした。この溶液を少量とって1%−SDS溶液を用いて希釈し、OD280値を測定した。この時、OD280値が40ODよりも濃い場合は調製液Cで40OD濃度となるように希釈した。逆に40ODよりも薄い場合は、(6)に記載の方法で再度超遠心分離し、より少量の調製液Cで懸濁した。
このようにして調製した細胞性膜組成物を、無細胞タンパク質合成に使用した。
Example 2 Preparation of Endoplasmic Reticulum Component (Microsome Fraction) (1) Preparation solution A (50 mM HEPES, pH 7.5, 50 mM potassium acetate, 6 mM acetic acid) obtained by ice-cooling pancreas extracted from a dog (beagle dog) (Magnesium, 1 mM-ethylenediaminetetraacetic acid, 1 mM-dithiothreitol, 0.5 mM-phenylmethanesulfonyl fluoride, 0.25 M-sorbitol) and the weight was measured and then cut into pieces.
(2) The preparation solution A was added in an amount four times the weight of the pancreas and well homogenized. This solution was centrifuged at about 1,000 × g for 10 minutes, and the supernatant was collected. The supernatant was centrifuged again at approximately 10,000 × g for 10 minutes, and the supernatant was collected in the same manner.
(3) Put this supernatant solution in a centrifuge tube, and
(4) The precipitate is collected and suspended in the preparation liquid C (50 mM-HEPES, pH 7.5, 1 mM-dithiothreitol, 0.25M-sorbitol) in an amount equal to the weight of the pancreas in (2) above, and homogenized well. did. A small amount of this solution was diluted with 1% -SDS solution, and the OD280 value was measured. At this time, when the OD280 value was higher than 40 OD, it was diluted with the preparation solution C so as to have a 40 OD concentration. On the contrary, when it was thinner than 40 OD, ultracentrifugation was again performed by the method described in (3), and the suspension was suspended in a smaller amount of Preparation C.
(5) To this solution, an equal amount of Preparation Solution D (preparation solution C added with 50 mM EDTA) was added and allowed to stand at 4 ° C. for 15 minutes.
(6) Put this solution in a centrifuge tube, and
(7) The precipitate was collected, suspended in half of the preparation solution C prepared in (4) above, and well homogenized. A small amount of this solution was diluted with 1% -SDS solution, and the OD280 value was measured. At this time, when the OD280 value was higher than 40 OD, it was diluted with Preparation Solution C so as to have a 40 OD concentration. On the contrary, when it was thinner than 40 OD, it was ultracentrifuged again by the method described in (6) and suspended in a smaller amount of Preparation C.
The cellular membrane composition thus prepared was used for cell-free protein synthesis.
実施例3: ヒトTissue−type plasminogen activator (t−PA)およびβ−Hexosaminidase B遺伝子のクローニング、および無細胞タンパク質合成用mRNAの調製
ヒトβ−HexosaminidaseおよびB Tissue−type plasminogen activator (t−PA)遺伝子の配列は既に公知であり、データベースより配列を元にPCR増幅用プライマーを合成した。β−Hexosaminidase Bの増幅は、配列番号1、2、t−PAの増幅は、配列番号3、4に示すプライマーを用い、KOD −Plus−(東洋紡績製)を用い、取扱い説明書に従って増幅した。増幅産物を精製した後(MagExtractor −PCR&Gel Clean Up−:東洋紡製使用)、β−Hexosaminidase B増幅産物をSalIで、t−PA増幅産物をBamHIに消化し、それぞれpEU3−NIIベクター(東洋紡製)の、EcoRV−SalI、EcoRV− BamHIサイトへ挿入し、pEU−BHMB、およびpEU−t−PAを取得した。プラスミドは、大腸菌JM109を形質転換し、調製した。具体的には、QIAGEN社のプラスミド精製キットを用いて精製した後、フェノール・クロロホルム処理を行い、更に精製したものを用いた。mRNAの合成は、調製したプラスミドを鋳型としてThermo T7 RNAポリメラーゼ(東洋紡製)を用い、取扱い説明書に従って行った。合成後、G−25マイクロスピンカラム(アマシャムバイオサイエンス社製)を用いてゲル濾過精製(滅菌水)を行った後、1μg/μlに調整した。
Example 3: Cloning of human Tissue-type plasminogen activator (t-PA) and β-Hexosaminidase B gene and preparation of mRNA for cell-free protein synthesis Human β-Hexosaminidase and B Tissue-type plasminogen-activator gene (T-PA) The sequence of is already known, and primers for PCR amplification were synthesized from the database based on the sequence. For amplification of β-Hexosaminidase B, SEQ ID NOs: 1, 2 and t-PA were amplified using the primers shown in SEQ ID NOs: 3, 4 and using KOD-Plus- (manufactured by Toyobo) according to the instruction manual. . After purification of the amplified product (MagExtractor-PCR & Gel Clean Up-: used by Toyobo), the β-Hexosaminidase B amplification product was digested with SalI and the t-PA amplification product was digested with BamHI, respectively. , EcoRV-SalI and EcoRV-BamHI sites were inserted to obtain pEU-BHMB and pEU-t-PA. The plasmid was prepared by transforming E. coli JM109. Specifically, after purification using a plasmid purification kit manufactured by QIAGEN, phenol / chloroform treatment was performed and the purified product was used. The synthesis of mRNA was performed according to the instruction manual using Thermo T7 RNA polymerase (manufactured by Toyobo) using the prepared plasmid as a template. After the synthesis, gel filtration purification (sterilized water) was performed using a G-25 microspin column (manufactured by Amersham Bioscience), and then adjusted to 1 μg / μl.
実施例4:無細胞タンパク質合成によるヒトβ−Hexosaminidase B およびTissue−type plasminogen activator (t−PA)の合成
上記実施例3で調製したmRNAを用いて、無細胞タンパク質合成を実施した。無細胞タンパク質合成には、高効率コムギ胚芽無細胞タンパク質合成キット「PROTEIOSTM」(東洋紡製)を用い、取扱い説明書に記載してある重層法に従って合成反応を行った。このキットは、Proc.Natl.Acad.Sci.USA 96(2),559−564(2000)に記載の方法に従って調製されたものである。この検討において細胞性膜組成物(40 OD)を反応系あたり15%になるように添加し、検討を行った。ここでいう反応系とは、重層法の下層の反応液のことである。ただ、取扱い説明書に記載してある濃度のmRNA(Buffer mix中に調製)を用いると方法に従うと容量がオーバーしてしまうため、mRNAとして1μg/μl(滅菌水中に調製)のものを使用し、最終組成が同一になるよう調整を行った。また、この検討では、還元剤等の濃度を変える必要があったため、基本的に反応バッファーはProc.Natl.Acad.Sci.USA 96(2),559−564(2000)、FEBS Letter 514, 102−105(2000)に記載してある反応組成を参考にした。これらの文献に従うと、還元剤DTTの最終濃度は、約2.5mMとなる。また、コムギ胚芽抽出液に含有される還元剤(最終濃度約0.13 mM)については、少量のため、無視することができると考えて実験を進めた。その他の条件等は、キットの取扱い説明書および上記文献に忠実に従って行った。無細胞タンパク質合成反応は、ポリスチレン製96穴プレートを用い、26℃にて約16時間行った。
Example 4 Synthesis of Human β-Hexosaminidase B and Tissue-type Plasminogen Activator (t-PA) by Cell-Free Protein Synthesis Cell-free protein synthesis was performed using the mRNA prepared in Example 3 above. For cell-free protein synthesis, a high-efficiency wheat embryo cell-free protein synthesis kit “PROTEIOS ™ ” (manufactured by Toyobo) was used, and a synthesis reaction was performed according to the multi-layer method described in the instruction manual. This kit is described in Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96 (2), 559-564 (2000). In this examination, a cellular membrane composition (40 OD) was added at 15% per reaction system and examined. The reaction system referred to here is a reaction solution in the lower layer of the multi-layer method. However, if the mRNA concentration (prepared in Buffer mix) described in the instruction manual is used, the volume will exceed if the method is followed. Therefore, mRNA of 1 μg / μl (prepared in sterile water) should be used. The final composition was adjusted to be the same. In this study, since it was necessary to change the concentration of the reducing agent or the like, basically the reaction buffer was Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96 (2), 559-564 (2000), FEBS Letter 514, 102-105 (2000). According to these documents, the final concentration of the reducing agent DTT is about 2.5 mM. The experiment was carried out on the assumption that the reducing agent (final concentration of about 0.13 mM) contained in the wheat germ extract was negligible and could be ignored. Other conditions and the like were carried out in accordance with the instruction manual of the kit and the above literature. The cell-free protein synthesis reaction was performed at 26 ° C. for about 16 hours using a polystyrene 96-well plate.
実施例5:酵素活性測定前処理
無細胞タンパク質合成後のサンプルの前処理は、以下の方法に従って実施した。β−Hexosaminidase Bの前処理は、J. Biol. Chem. 263(26) 13463−13469 (1988)に従って実施した。具体的には、サンプル10μlをBufferA(20mM Na2HPO4、12mM citric acid, 0.1% Nonidet−P40(pH4.4))90μlに溶解し、51℃、2時間インキュベートした後、15,000r.p.m.にて10分間遠心分離を行った。その上清をサンプルとして活性測定を実施した。
t−PAも合成後同様に前処理を実施した。具体的には、合成終了液10μlを90μlのPBS(−)、0.01%Tween80に添加し、氷上で10分間以上放置し、その上清を活性測定用サンプルとして用いた。
t−PAの合成後、膜画分の精製も実施した。この操作はBiochem. J 286,275−280(1992)に従い行った。具体的には、ショ糖密度勾配遠心用溶液(0.5M ショ糖、100mM KCl、50mM HEPES(pH7.6))500μlを1.5ml超遠心チューブに添加し、その上に反応終了液100μlを重層した後、150,000r.p.m.で20分間遠心した。遠心後、沈殿を75μlのPBS(−), 0.01%Tween80溶液で溶解し、活性測定用サンプルとして使用した。
Example 5: Pretreatment of enzyme activity measurement Pretreatment of a sample after cell-free protein synthesis was performed according to the following method. The pretreatment of β-Hexosaminidase B is described in J. Org. Biol. Chem. 263 (26) 13463-13469 (1988). Specifically, 10 μl of sample was dissolved in 90 μl of Buffer A (20 mM Na 2 HPO 4 , 12 mM citric acid, 0.1% Nonidet-P40 (pH 4.4)), incubated at 51 ° C. for 2 hours, and then 15,000 r. . p. m. For 10 minutes. Activity was measured using the supernatant as a sample.
t-PA was pretreated in the same manner after synthesis. Specifically, 10 μl of the synthesis completion solution was added to 90 μl of PBS (−) and 0.01% Tween 80, left on ice for 10 minutes or more, and the supernatant was used as a sample for activity measurement.
After the synthesis of t-PA, the membrane fraction was also purified. This operation is performed in Biochem. J 286, 275-280 (1992). Specifically, 500 μl of a solution for sucrose density gradient centrifugation (0.5 M sucrose, 100 mM KCl, 50 mM HEPES (pH 7.6)) is added to a 1.5 ml ultracentrifuge tube, and 100 μl of the reaction end solution is added thereto. After layering, 150,000 r. p. m. And centrifuged for 20 minutes. After centrifugation, the precipitate was dissolved in 75 μl of PBS (−), 0.01% Tween 80 solution and used as a sample for activity measurement.
実施例6:ヒトβ−Hexosaminidase B およびTissue−type plasminogen activator (t−PA)の活性測定
ヒトβ−Hexosaminidase Bの活性は、J. Biol. Chem. 263(26) 13463−13469 (1988)に従って行った。具体的には、1.2mM 4−Methylumbeliferyl−N−acetyl−β−D−glucosaminide dihydrate (4−MU−GluNAc) (シグマ製)/ Buffer A 50μlに前処理液を10μl添加し、37℃で約1時間反応させた後、10倍量の0.17M Na2CO3(pH 10.0)を添加し、蛍光を測定した(励起波長:355nm、測定波長:460nm)。
t−PAの活性の測定は、ANGIOPHARM社のAngioSence Human tPA Chromogenic Activity Assay Kitを用いて行った(参考文献:J. Clin. Invest. 88, 1067 (1991))。測定原理は、t−PAによりプラスミノーゲンを活性化し、そのプロテアーゼ活性を合成基質を用いて比色定量することによる。具体的には、Assay diluent 10μl、Fibrinogen Fragments 10μl、Plasminogen 10μlと活性測定用サンプル10μlを混合し、37℃で約30分間加温した後に、Plasmin substrate 20μlを添加し、37℃で約30分間し、その405nmの吸収を測定した。
図1に反応終了液をサンプルとした場合の、ヒトβ−Hexosaminidase Bの活性の測定結果を示した。図からも理解できるように、無細胞タンパク質合成液中に約2.5mMの濃度でDTTが存在する条件で合成したものに強い活性を認めることができた。還元状態が弱くなるに従い、活性が低くなる傾向が見られた。
図2には、反応終了液をサンプルとした場合のヒトt−PAの活性の測定結果を示した。図からもわかるように還元条件での合成時のみ強い活性が確認されている。また、クルードな反応終了液を用いたt−PAの活性測定例は今まで報告されておらず、これは、コムギハイガ無細胞タンパク質合成系を用いたことで可能になったものと推察される。
図3、図4には、ショ糖密度勾配遠心して膜画分を精製したサンプルを用いた活性測定例を示した。何れも還元条件で合成したt−PAの活性が有意に高く、多くの文献で用いられているDTTを打ち消すためにGSSGを添加したものや、−DTTなどでは、やはり還元条件で得られたタンパク質よりも活性が発現しにくい傾向にあった。
Example 6: Activity measurement of human β-Hexosaminidase B and Tissue-type plasminogen activator (t-PA) The activity of human β-Hexosaminidase B Biol. Chem. 263 (26) 13463-13469 (1988). Specifically, 10 μl of the pretreatment solution was added to 50 μl of 1.2 mM 4-Methylumbeliferyl-N-acetyl-β-D-glucosamine hydrate (4-MU-GluNAc) (manufactured by Sigma) / Buffer A at about 37 ° C. After reacting for 1 hour, 10 times the amount of 0.17M Na 2 CO 3 (pH 10.0) was added, and fluorescence was measured (excitation wavelength: 355 nm, measurement wavelength: 460 nm).
The measurement of t-PA activity was performed using the ANIOPHARM ARMoSense Human tPA Chromogenic Activity Assay Kit (reference: J. Clin. Invest. 88, 1067 (1991)). The principle of measurement is that plasminogen is activated by t-PA and its protease activity is colorimetrically determined using a synthetic substrate. Specifically, Assay diluent 10 μl, Fibrinogen Fragments 10 μl, Plasgenogen 10 μl and activity measurement sample 10 μl were mixed, heated at 37 ° C. for about 30 minutes, and then added with Plasmin substrate 20 μl for about 30 minutes. The absorption at 405 nm was measured.
FIG. 1 shows the measurement results of the activity of human β-Hexosaminidase B when the reaction end solution is used as a sample. As can be understood from the figure, a strong activity was observed in a cell-free protein synthesis solution synthesized under conditions where DTT was present at a concentration of about 2.5 mM. As the reduction state became weaker, the activity tended to decrease.
FIG. 2 shows the measurement results of the activity of human t-PA when the reaction end solution is used as a sample. As can be seen from the figure, strong activity was confirmed only during synthesis under reducing conditions. In addition, no t-PA activity measurement example using a crude reaction completion solution has been reported so far, and this is presumed to have been made possible by using a wheat hyuga cell-free protein synthesis system.
FIG. 3 and FIG. 4 show an activity measurement example using a sample obtained by purifying the membrane fraction by sucrose density gradient centrifugation. In all cases, the activity of t-PA synthesized under reducing conditions is significantly high, and GSSG is added to counteract DTT used in many literatures, and proteins obtained under reducing conditions are also used with -DTT. The activity was less likely to be expressed.
本発明の方法は、今まで無細胞タンパク質合成で生理活性を有する形で合成困難とされてきた分泌性タンパク質や、細胞小器官局在性タンパク質、膜タンパク質などの、機能解析を効果的かつハイスループット化するのに有用である。具体的には、リセプターのリガンドの探索、医薬品ターゲットのスクリーニングなどの用途に広く使われる可能性が考えられる。さらに、構造解析にも応用されることも十分応用されることが考えられる。「膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質」の解析は、創薬等の観点から大変重要視されているにも関わらず、通常の細胞質に存在するタンパク質に比べて解析が遅れているのが現状である。今後、本方法を用いることにより、「膜構造体上もしくは内に標的化されるタンパク質」の解析が容易に実施可能になることは産業界に寄与できるところが大きいと考えられる。 The method of the present invention enables effective and high-performance analysis of secreted proteins, organelle-localized proteins, membrane proteins, etc., which have been difficult to synthesize in the form of physiological activity in cell-free protein synthesis. Useful for increasing throughput. Specifically, it may be widely used for applications such as receptor ligand search and drug target screening. Further, it can be applied to structural analysis. Analysis of “proteins targeted on or in membrane structures” is delayed from the analysis of proteins present in the normal cytoplasm, despite the importance of drug discovery. is the current situation. In the future, it is considered that the use of this method makes it possible to easily analyze “a protein targeted on or in a membrane structure” and contribute greatly to the industry.
Claims (16)
(a)グルタチオン成分を2mM以上の濃度で含有しない
(b)還元剤を0.2mM以上の濃度で含有する A method of synthesizing a “protein targeted on or in a membrane structure” using a cell-free protein synthesis method, wherein a cell-free protein reagent that satisfies the following conditions (a) and (b) is added to a cell membrane A method for synthesizing a protein having physiological activity, which comprises adding a component.
(A) Does not contain glutathione component at a concentration of 2 mM or more (b) Contains a reducing agent at a concentration of 0.2 mM or more
(c)緩衝溶液中に含まれるトリエタノールアミン濃度が40mM以下
(d)同様にスクロース濃度が0.2M以下 The method for synthesizing a protein according to claim 1, wherein the cellular membrane composition prepared in a buffer solution having the following constitution (c) and / or (d) is added.
(C) Triethanolamine concentration contained in the buffer solution is 40 mM or less (d) Similarly, the sucrose concentration is 0.2 M or less.
(e)両性イオン緩衝液成分
(f)糖アルコール類またはトレハロース The method for synthesizing a protein according to claim 1, wherein a cellular membrane composition prepared in a buffer solution containing the following (e) and / or (f) is added.
(E) Zwitterion buffer component (f) Sugar alcohols or trehalose
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WO2007048459A1 (en) * | 2005-10-28 | 2007-05-03 | Max-Planck Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. | Cell-free in vitro transcription and translation of membrane proteins into tethered planar lipid layers |
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