JP2005323619A - Delivery of functional protein sequences by translocating polypeptides - Google Patents
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Abstract
Description
発明の分野
本発明は、細胞間でポリヌクレオチド及びポリペプチドを転位させるための方法に関する。より具体的には、本発明は、細胞プロセスを改変させる分子を、該分子が応答性の標的部位と特異的に相互作用するように、細胞中に送達するための転位タンパク質の使用に関する。
The present invention relates to methods for translocating polynucleotides and polypeptides between cells. More specifically, the present invention relates to the use of translocation proteins to deliver molecules that alter cellular processes into cells such that the molecules specifically interact with responsive target sites.
発明の背景
転位タンパク質は、細胞膜などの生体膜を横切るその能力によって定義される。いくつかの転位タンパク質が記載されており、例えば、I型単純ヘルペスウイルスに由来するVP22 (G.Ellior及びP.O'Hare、Cell 88, 223-233 (1997))、ショウジョウバエに由来するアンテナペディアタンパク質(Antp)の断片 (D.Derossiら、Journal of Bioligical Chemistry 269, 10444-10450 (1994))、及びStreptococcus pyrogenesに由来するプロテインH (Axcronaら、Manuscript in preparation (1999))が挙げられる。
Background of the Invention Translocation proteins are defined by their ability to cross biological membranes such as cell membranes. Several translocation proteins have been described, for example VP22 derived from type I herpes simplex virus (G. Ellior and P. O'Hare, Cell 88, 223-233 (1997)), antennapedia derived from Drosophila Examples include fragments of proteins (Antp) (D. Derossi et al., Journal of Bioligical Chemistry 269, 10444-10450 (1994)) and protein H derived from Streptococcus pyrogenes (Axcrona et al., Manuscript in preparation (1999)).
アンテナペディアは3つのαヘリックスから構成され、βターンがヘリックス2及び3を分離している、DNA結合ドメインを有するホメオタンパク質である。実験により、Antpと呼ばれる、第3ヘリックスに対応する16アミノ酸のペプチドが、膜を横切って転位し、細胞質及び核の中に蓄積し得ることが示された(Derossiら、上掲)。このペプチドは、4℃という低い温度で内在化するが、このことは、エンドサイトーシスがこのペプチドの内在化に関与していないことを示唆している。さらに、転位は古典的なエンドサイトーシスを必要としないため、Antpはエンドソーム及びリソソームの区画を通って移動しない。従って、Antpはタンパク質分解に対する抵抗性を有し、ほとんどの細胞区画において増強された活性を有する(D. Derossiら、J Biol Chem 271:18188-18193, 1996)。
Antennapedia is a homeoprotein with a DNA binding domain that is composed of three alpha helices, with a beta
逆ヘリックス(すなわち、逆の一次配列)及びD−エナンチオマーからなるヘリックスが4℃で細胞膜を横断し得ることを示す最近の実験により、Antpの内在化は、リン脂質二重層中の逆転ミセルの形成を必要とし、受容体に依存せずかつエネルギーを要することなく細胞中へ侵入することが示唆される(H. Hallら、Current Biol 6:580-587, 1996)。 Recent experiments showing that a helix composed of a reverse helix (ie, a reverse primary sequence) and a D-enantiomer can cross the cell membrane at 4 ° C. indicates that the internalization of Antp is the formation of reversed micelles in phospholipid bilayers. Is suggested to enter the cell without receptor dependence and energy (H. Hall et al., Current Biol 6: 580-587, 1996).
ベクターペプチドとしてのAntpの有用性は、目的の種々のペプチドへのAntpの遺伝的融合により(F. Perezら、J Cell Sci 102:717-722, 1992、F. Perezら、Mol Endocrinol 8:1278-87, 1994、及びA. Prochiantz、Curr Opinion Neurob 6:629-634, 1996)、又はシステイン残基を介する共有結合により(D. Derossiら、上掲)、成功裏に証明されてきた。長さが41アミノ酸もあるペプチドの内在化及び荷電したホスホペプチドの内在化(B. Allinquantら、J Cell Biol 128:919-927, 1995)が神経細胞において証明されている。それぞれの場合において、Antpに融合された配列は、期待される生物学的機能を保持していた。さらに、Antpは、オリゴヌクレオチド(長さ45ヌクレオチドまで)を、培養細胞に送達するために用いられた唯一の転位ペプチドである(C.M. Troyら、J Neuro 16:253-61, 1996、G. Elliotら、J Virol 172:6448-6455, 1998)。 The usefulness of Antp as a vector peptide is due to the genetic fusion of Antp to various peptides of interest (F. Perez et al., J Cell Sci 102: 717-722, 1992, F. Perez et al., Mol Endocrinol 8: 1278 -87, 1994, and A. Prochiantz, Curr Opinion Neurob 6: 629-634, 1996), or covalently via a cysteine residue (D. Derossi et al., Supra). Internalization of peptides as long as 41 amino acids and internalization of charged phosphopeptides (B. Allinquant et al., J Cell Biol 128: 919-927, 1995) has been demonstrated in neurons. In each case, the sequence fused to Antp retained the expected biological function. In addition, Antp is the only translocating peptide used to deliver oligonucleotides (up to 45 nucleotides in length) to cultured cells (CM Troy et al., J Neuro 16: 253-61, 1996, G. Elliot Et al., J Virol 172: 6448-6455, 1998).
プロテインHは、ヒトの病原体であるStreptococcus pyrogenesの表面抗原である。プロテインHは、B及びTリンパ球により取り込まれ、核に転位する。細胞機能に影響しないと思われる他の転位タンパク質とは対照的に、プロテインHは、核タンパク質SET及びhnRNP A2/B1とのその会合の結果であると考えられる細胞増殖抑制効果を有する(D. Derossiら、上掲)。現在まで、他の分子に結合させたプロテインHの転位は証明されていない。 Protein H is a surface antigen of Streptococcus pyrogenes, a human pathogen. Protein H is taken up by B and T lymphocytes and translocated to the nucleus. In contrast to other translocated proteins that do not appear to affect cell function, protein H has a cytostatic effect believed to be the result of its association with nucleoprotein SET and hnRNP A2 / B1 (D. Derossi et al., Supra). To date, the translocation of protein H bound to other molecules has not been proven.
最もよく研究された転位タンパク質は、単純ヘルペスウイルスタンパク質VP22であり、これは培養された哺乳動物細胞間で転位する独特な能力を有する。VP22タンパク質をコードするプラスミドで細胞をトランスフェクトする場合、発現されたタンパク質は、トランスフェクトされた細胞の細胞質に蓄積し、細胞膜を横切って転位することにより、周囲のトランスフェクトされていない細胞に拡散し、その核の中に蓄積する。このプロセスは4℃でも起き、また、エネルギーを要さず、エンドサイトーシスとは無関係であるようである。細胞を通って移動するタンパク質がBrefeldin Aによって遮断される場合、依然としてVP22の輸送が起こり得る。VP22の移動中の細胞骨格エレメントに関する研究は、アクチン細胞骨格がVP22の内外輸送に関与することを示唆している(Elliot及びO'Hare、上掲)。 The best studied translocation protein is the herpes simplex virus protein VP22, which has a unique ability to translocate between cultured mammalian cells. When cells are transfected with a plasmid encoding VP22 protein, the expressed protein accumulates in the cytoplasm of the transfected cells and diffuses to surrounding untransfected cells by translocation across the cell membrane And accumulate in the nucleus. This process occurs even at 4 ° C, does not require energy, and appears to be independent of endocytosis. If the protein that moves through the cell is blocked by Brefeldin A, transport of VP22 can still occur. Studies on the cytoskeletal elements during VP22 migration suggest that the actin cytoskeleton is involved in VP22 translocation (Elliot and O'Hare, supra).
いくつかの機能性VP22融合タンパク質の送達が記載されており、そのような融合タンパク質としては、例えば、VP22-p53 (A. Phelanら、Nature Biotechnology 16:440-443, 1998)及びVP22-チミジンキナーゼ(M.S. Dilberら、Gene Therapy 6:12-21, 1999)が挙げられる。少なくとも20種の異なる哺乳動物細胞型が機能性VP22-GFP融合タンパク質を取り込むことができ(Elliot及びO'Hare、上掲、Aints A.ら、J. Gene Med. 1:275-9, 1999及びWybranietz W.A.ら、J. Gene Med. 1:265-274, 1999)、そのような細胞型としては、例えば、従来のトランスフェクション技術には抵抗するマウス骨格筋芽細胞が挙げられる(Derer W.ら、J. Mol. Med. 77: 609-6138, 1999)。 Delivery of several functional VP22 fusion proteins has been described, such as VP22-p53 (A. Phelan et al., Nature Biotechnology 16: 440-443, 1998) and VP22-thymidine kinase. (MS Dilber et al., Gene Therapy 6: 12-21, 1999). At least 20 different mammalian cell types can incorporate functional VP22-GFP fusion proteins (Elliot and O'Hare, supra, Aints A. et al., J. Gene Med. 1: 275-9, 1999 and Wybranietz WA et al., J. Gene Med. 1: 265-274, 1999), such cell types include, for example, mouse skeletal myoblasts that resist conventional transfection techniques (Derer W. et al. J. Mol. Med. 77: 609-6138, 1999).
プラスミドDNAを用いた細胞のトランスフェクションは、生物系の研究にとって非常に貴重なツールであった。種々のトランスフェクション法(例えば、リン酸カルシウム法)が市場に存在するが、これらの方法を用いると、50%を超える細胞が、該細胞にトランスフェクトされた、プラスミド上に担持された遺伝子を発現することは稀である。ほとんどの細胞は外因性DNAを取り込むので、非効率的なトランスフェクションは、そのDNA複合体が細胞に侵入できないことに起因しないようである。大部分のDNAは、極めて少数の内在化DNAによるエンドサイトーシスによって内在化され、発現が起こる細胞質又は核に到達するる。実際、直接的に注入された脂質−DNA複合体の観察からは、エンドソームから細胞質及び核への移動がトランスフェクションの成功にとって最も重要な制約条件であることが示唆される(J.H. Richardsonら、Proc. Natl. Acad. Sci. 92:3137-3141, 1995)。この観察と一致して、ヘマグルチニンの融合性ペプチド(J. Zabnerら、Journal of Biological Chemistry 270:18997-9007, 1995)などの膜融合活性を有するペプチド、又は核ターゲッティング配列(M. Wilkeら、Gene Therapy 3, 1133-1142 (1996))は、トランスフェクション効率を増加させる場合がある。 Transfection of cells with plasmid DNA has been an invaluable tool for biological system studies. Various transfection methods (eg, calcium phosphate method) exist on the market, but using these methods, more than 50% of the cells express the genes carried on the plasmid transfected into the cells That is rare. Since most cells take up exogenous DNA, inefficient transfection does not appear to be due to the inability of the DNA complex to enter the cell. Most DNA is internalized by endocytosis with very few internalized DNAs, reaching the cytoplasm or nucleus where expression occurs. Indeed, observation of directly injected lipid-DNA complexes suggests that the transfer from the endosome to the cytoplasm and nucleus is the most important constraint for successful transfection (JH Richardson et al., Proc Natl. Acad. Sci. 92: 3137-3141, 1995). Consistent with this observation, peptides having membrane fusion activity, such as hemagglutinin fusogenic peptides (J. Zabner et al., Journal of Biological Chemistry 270: 18997-9007, 1995), or nuclear targeting sequences (M. Wilke et al., Gene Therapy 3, 1133-1142 (1996)) may increase transfection efficiency.
かくして、当業界では、標的遺伝子の細胞における発現を調節するための新規でより良い方法、並びにトランスフェクションされた遺伝子の発現に対する主要なブロック(すなわちエンドソームにおける分解及び細胞核に侵入するDNAの無能力)を克服するためのトランスフェクション試薬及びそれらの使用方法が必要とされている。
本発明の簡単な説明
本発明は、培養細胞を、適当な条件下で、転位ポリペプチドに結合された細胞プロセス改変分子と接触させることにより、該分子を培養細胞中に転位させ、そこで該分子に応答性の標的部位と特異的に相互作用させることにより、該細胞における細胞プロセスを調節することを特徴とする、培養中の細胞における細胞プロセスを調節するための方法を提供し、これにより当業界におけるこれらの問題を克服するものである。
Brief Description of the Invention The present invention translocates a cultured cell into a cultured cell by contacting the cultured cell under appropriate conditions with a cellular process-modifying molecule bound to a translocating polypeptide, where the molecule A method for modulating cellular processes in cells in culture is provided, characterized by modulating cellular processes in the cells by specifically interacting with target sites responsive to It overcomes these problems in the industry.
別の実施形態において、本発明は、標的遺伝子を用いて培養細胞をトランスフェクトするための方法を提供し、該方法は、適当な条件下で、培養細胞を、転位ポリペプチドに結合された標的遺伝子を含むポリヌクレオチドと接触させることにより、該細胞を該標的遺伝子でトランスフェクトすることを特徴とする。 In another embodiment, the present invention provides a method for transfecting a cultured cell with a target gene, the method comprising culturing the cultured cell with a target bound to a translocating polypeptide under appropriate conditions. Transfecting the cell with the target gene by contacting with a polynucleotide containing the gene.
さらに別の実施形態において、本発明は、1つ以上の調節エレメントの制御下にある標的遺伝子を用いてトランスフェクトされた培養細胞において標的遺伝子産物の発現を調節するための方法を提供し、該方法は、適当な条件下で、該細胞を、転位ポリペプチドに結合された1種以上の調節物質と接触させることにより、該1種以上の調節物質を細胞中に転位させ、そこで1種以上の調節エレメントと相互作用させることにより、該細胞による標的遺伝子産物の発現を調節することを特徴とする。 In yet another embodiment, the present invention provides a method for modulating the expression of a target gene product in cultured cells transfected with a target gene under the control of one or more regulatory elements, The method involves translocating the one or more modulators into a cell by contacting the cell with one or more modulators bound to a translocating polypeptide under appropriate conditions, wherein the one or more modulators are translocated into the cell. By regulating the expression of the target gene product by the cell by interacting with the regulatory elements of
さらに別の実施形態において、本発明は、転位ポリペプチドに結合された、細胞プロセスを改変させる分子をコードするポリヌクレオチドを含むベクターを提供する。 In yet another embodiment, the present invention provides a vector comprising a polynucleotide encoding a molecule that alters a cellular process linked to a translocating polypeptide.
本発明の詳細な説明
本発明によれば、適当な条件下で、培養細胞を、転位ポリペプチドに結合された細胞プロセス改変分子と接触させることにより、該分子を該細胞中に転位させ、そこで該分子に応答性の標的部位と特異的に相互作用させることにより、該細胞における細胞プロセスを調節することを特徴とする、細胞プロセスを調節するための方法が提供される。
Detailed Description of the Invention According to the present invention, under appropriate conditions, a cultured cell is contacted with a cellular process-modifying molecule bound to a translocating polypeptide, thereby translocating the molecule into the cell. There is provided a method for modulating a cellular process, characterized by modulating the cellular process in the cell by specifically interacting the molecule with a responsive target site.
本明細書で用いられる用語「転位タンパク質」(translocating protein)とは、生体膜を横切るタンパク質、ポリペプチド又はその機能性断片を意味する。転位タンパク質、ポリペプチド、その機能性断片及び相同体は、以下の性質を有する。すなわち、タンパク質分解に対する抵抗性、受容体に依存しない細胞膜への貫入、及び実質的にエネルギーを要しない細胞膜への貫入である。本発明の方法及び構築物において用いることができる代表的な転位タンパク質としては、1型単純ヘルペスウイルスに由来するVP22(G. Elliot及びP. O'Hare、1997、上掲)、ショウジョウバエに由来するアンテナペディアタンパク質(Antp)の断片 (アミノ酸43〜58まで) (5'-RQIKIWFQNRRMKWKK-3') (配列番号21) (Axcronaら、上掲、1999)、Streptococcus pyrogenesに由来するプロテインH(D. Derossiら、J. Biol. Chem. 271:18188-93, (1996))などが挙げられる。各転位タンパク質は異なる性質を有するが、転位タンパク質の一般的な利用は、融合分子(例えば、融合タンパク質)を構築することによって、又は所望の分子を転位タンパク質に(例えば、共有結合もしくはリンカーによる結合で)結合させることによって、他の分子を細胞に送達することである。融合タンパク質においては、転位タンパク質を、そのN末端もしくはC末端に位置させることができる。本発明の方法の実施に用いるのに好適な融合タンパク質又はポリペプチドは、VP22ポリペプチドである。 As used herein, the term “translocating protein” means a protein, polypeptide, or functional fragment thereof that crosses a biological membrane. Translocated proteins, polypeptides, functional fragments and homologues thereof have the following properties. That is, resistance to proteolysis, penetration into cell membranes independent of receptors, and penetration into cell membranes that do not substantially require energy. Representative translocation proteins that can be used in the methods and constructs of the present invention include VP22 derived from herpes simplex virus type 1 (G. Elliot and P. O'Hare, 1997, supra), and antennas derived from Drosophila. Fragment of pedia protein (Antp) (amino acids 43 to 58) (5'-RQIKIWFQNRRMKWKK-3 ') (SEQ ID NO: 21) (Axcrona et al., Supra, 1999), protein H derived from Streptococcus pyrogenes (D. Derossi et al. , J. Biol. Chem. 271: 18188-93, (1996)). Each translocation protein has different properties, but the general use of translocation proteins is by constructing a fusion molecule (e.g., a fusion protein) or by attaching the desired molecule to the translocation protein (e.g., covalently or via a linker). To deliver other molecules to the cell by binding. In the fusion protein, the translocated protein can be located at its N-terminus or C-terminus. A preferred fusion protein or polypeptide for use in practicing the methods of the invention is a VP22 polypeptide.
本明細書で用いられる用語「VP22ポリペプチド」とは、ヘルペスウイルスのVP22タンパク質、並びに無傷の該タンパク質の転位特性を有するその機能性断片を指す。さらに、本明細書で用いられる用語「VP22ポリペプチド」は、水痘帯状疱疹ウイルス(VZV)、ウマヘルペスウイルス(EHV)、ウシヘルペスウイルス(BHV)などに由来するものを含めた、VP22タンパク質の相同体、それらの輸送活性を有する(すなわち、「機能性」)断片、突然変異体及びキメラな組合せを包含する。 As used herein, the term “VP22 polypeptide” refers to the herpesvirus VP22 protein, as well as functional fragments thereof having the translocation properties of the intact protein. Furthermore, as used herein, the term “VP22 polypeptide” refers to VP22 protein homology, including those derived from varicella-zoster virus (VZV), equine herpesvirus (EHV), bovine herpesvirus (BHV), etc. Bodies, fragments having their transport activity (ie “functional”), mutants and chimeric combinations.
特に、VP22ポリペプチドは、全長HSV1 VP22配列(1〜301) (その配列はWO 97/05265の図4に開示されている)のアミノ酸60〜301及び159〜301に対応するポリペプチドを包含する。他のヘルペスウイルスに由来するVP22タンパク質相同体の配列に基づく相同体タンパク質及び断片は、米国特許第6,017,735号に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み入れられるものとする。 In particular, VP22 polypeptides include polypeptides corresponding to amino acids 60-301 and 159-301 of the full-length HSV1 VP22 sequence (1-301), whose sequence is disclosed in FIG. 4 of WO 97/05265. . Homologous proteins and fragments based on the sequences of VP22 protein homologues derived from other herpesviruses are described in US Pat. No. 6,017,735, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
本明細書で用いられる用語「融合タンパク質」とは、同一のリーディングフレームによってコードされる、通常は天然で互いに結合していない2つの異なるタンパク質、ポリペプチド、ペプチド、及び/又は断片を指し、一緒に「融合された」2つ以上の異なるタンパク質及び/又は断片をもたらす。本発明の方法で用いられる融合タンパク質は、転位ポリペプチド(例えば、VP22ポリペプチド)及び同一のリーディングフレームにある別の機能性ペプチドをコードするヌクレオチド配列から産生される。融合タンパク質をコードするポリヌクレオチドはまた、同一のリーディングフレームにおいて、本発明の方法で有用な追加のペプチド又はポリペプチド配列(例えば、エピトープタグをコードする配列、アフィニティー精製タグをコードする配列、さらなる機能性タンパク質をコードする配列など、又はそれらの任意の2つ以上の組合せ)を含んでいてもよい。 As used herein, the term “fusion protein” refers to two different proteins, polypeptides, peptides, and / or fragments that are encoded by the same reading frame, usually not naturally associated with each other, together. Results in two or more different proteins and / or fragments that are “fused” together. The fusion protein used in the methods of the invention is produced from a nucleotide sequence that encodes a translocating polypeptide (eg, a VP22 polypeptide) and another functional peptide in the same reading frame. The polynucleotide encoding the fusion protein may also contain additional peptide or polypeptide sequences useful in the methods of the invention (e.g., sequences encoding epitope tags, sequences encoding affinity purification tags, additional functions) in the same reading frame. A sequence encoding a sex protein, etc., or any combination of two or more thereof).
一実施形態において、本発明は、細胞を標的遺伝子でトランスフェクトするための方法を提供し、該方法は、適当な条件下で、該細胞を、転位ポリペプチドに結合された標的遺伝子を含むポリヌクレオチドと接触させることにより、該細胞を該標的遺伝子でトランスフェクトすることを特徴とする。本明細書で用いる用語「トランスフェクトされた」とは、結合した転位ポリペプチドの転位特性により培養細胞中に転位された遺伝子が、該細胞において少なくとも一過性に発現されること、すなわち、該細胞が該標的遺伝子によって一過性にトランスフェクトされることを意味する。 In one embodiment, the present invention provides a method for transfecting a cell with a target gene, the method comprising, under suitable conditions, the cell comprising a target gene bound to a translocating polypeptide. Transfecting the cell with the target gene by contacting with a nucleotide. As used herein, the term “transfected” means that a gene that has been translocated in a cultured cell due to the translocation properties of the associated translocating polypeptide is at least transiently expressed in the cell, ie, the It means that the cell is transiently transfected by the target gene.
本発明の方法に従って細胞中にトランスフェクトされ得るポリヌクレオチドの大きさは、約10ヌクレオチド〜約10キロ塩基(kb)までの範囲である。例えば、約20ヌクレオチド(nt)〜約5 kb、又は約100〜500 ntの範囲のポリヌクレオチドを、本発明の方法を用いて細胞中にトランスフェクトすることができる。一般的には、標的ポリヌクレオチドを、培養(例えば、単層又は組織培養)中の細胞集団に一過性にトランスフェクトする。エレクトロポレーション、ウイルスベクターを用いる感染、リン酸カルシウムによるトランスフェクション、硫酸デキストランによるトランスフェクション、リポフェクション、サイトフェクション、粒子ビーズボンバードメントなどの、トランスフェクション又はトランスダクションを補助するために用いられる従来の手段はどれも必要とされない。その代わりに、必要とされる全ては、本明細書に記載の通り、共有結合又はリンカー分子によって転位タンパク質に結合された目的のポリヌクレオチドを有する、精製された転位タンパク質又は合成的に調製された転位タンパク質と、トランスフェクトすべき細胞集団との接触(すなわち、共培養)である。あらゆる型の原核又は真核培養細胞を、本発明の方法を用いてトランスフェクトすることができ、そのような細胞としては、例えば、哺乳動物細胞、酵母細胞、昆虫細胞又は植物細胞が挙げられる。しかしながら、培養細胞は哺乳動物細胞又は昆虫細胞の単層であるのが現在のところ好ましい。 The size of a polynucleotide that can be transfected into a cell according to the methods of the present invention ranges from about 10 nucleotides to about 10 kilobases (kb). For example, polynucleotides ranging from about 20 nucleotides (nt) to about 5 kb, or from about 100 to 500 nt can be transfected into cells using the methods of the invention. Generally, the target polynucleotide is transiently transfected into a cell population in culture (eg, monolayer or tissue culture). Conventional means used to aid transfection or transduction, such as electroporation, infection with viral vectors, calcium phosphate transfection, dextran sulfate transfection, lipofection, cytofection, particle bead bombardment, etc. None are required. Instead, all that is required is a purified translocated protein or synthetically prepared having a polynucleotide of interest linked to the translocated protein by a covalent bond or linker molecule as described herein. Contact (ie, co-culture) of the translocated protein with the cell population to be transfected. Any type of prokaryotic or eukaryotic cultured cell can be transfected using the methods of the present invention, such cells include, for example, mammalian cells, yeast cells, insect cells or plant cells. However, it is presently preferred that the cultured cells are monolayers of mammalian cells or insect cells.
転位タンパク質がプラスミドDNAに結合される(すなわち、共有結合的又は非共有結合的相互作用を介して結合される)本発明の方法においては、該DNAを遺伝子発現のために核に送達することができる。本明細書に記載される転位タンパク質を用いるDNAの送達は、極めて有用な研究ツールである。オープンリーディングフレームを含む所望のポリヌクレオチド(例えば、プラスミドに含まれるポリヌクレオチド)が本発明の転位タンパク質によって送達される最大100%の細胞において、該ポリヌクレオチドが内在化され、核に輸送された後、該オープンリーディングフレームが発現され、従って、細胞周期調節、転写調節、翻訳調節などの細胞プロセスを研究するための均一な細胞集団が得られる。 In the methods of the invention where the translocated protein is bound to plasmid DNA (i.e., bound via covalent or non-covalent interactions), the DNA may be delivered to the nucleus for gene expression. it can. Delivery of DNA using the translocation proteins described herein is a very useful research tool. In up to 100% of the cells in which a desired polynucleotide containing an open reading frame (e.g., a polynucleotide contained in a plasmid) is delivered by the translocation protein of the present invention, the polynucleotide is internalized and transported to the nucleus. The open reading frame is expressed, thus obtaining a uniform population of cells for studying cellular processes such as cell cycle regulation, transcriptional regulation, translational regulation.
本発明による別の実施形態においては、1種以上の調節エレメントの制御下に標的遺伝子を含む培養細胞における標的遺伝子産物の発現を調節するための方法が提供される。この実施形態においては、本発明の方法は、適当な条件下で、転位ポリペプチドに結合された1種以上の調節物質に該細胞を接触させることにより、該1種以上の調節物質を培養中の該細胞中に転位させ、そこで1種以上の調節エレメントと相互作用させることにより、該細胞による標的遺伝子産物の発現を調節することによって実施される。 In another embodiment according to the present invention, a method is provided for modulating the expression of a target gene product in a cultured cell containing the target gene under the control of one or more regulatory elements. In this embodiment, the method of the invention comprises culturing the one or more modulators under suitable conditions by contacting the cells with one or more modulators bound to a translocating polypeptide. By modulating the expression of the target gene product by the cell by translocating into the cell, where it interacts with one or more regulatory elements.
例えば、VP22などの転位ポリペプチドに結合されたポリヌクレオチドを、該ポリヌクレオチドの全部又は一部の発現のために、該細胞の核中に転位させることができる。一実施形態において、該ポリヌクレオチドは、目的のタンパク質(例えば、標的遺伝子産物又はリポーター遺伝子産物など)をコードするオープンリーディングフレームを含む。あるいは、該ポリヌクレオチドは、標的遺伝子をコードするクローン化されたオープンリーディングフレームを含むベクター(例えば、スーパーコイルがあるプラスミド)であってもよい。 For example, a polynucleotide linked to a translocating polypeptide such as VP22 can be translocated into the nucleus of the cell for expression of all or part of the polynucleotide. In one embodiment, the polynucleotide comprises an open reading frame encoding a protein of interest (eg, a target gene product or reporter gene product). Alternatively, the polynucleotide may be a vector (eg, a plasmid with a supercoil) that contains a cloned open reading frame encoding a target gene.
転位タンパク質及び結合された細胞プロセス改変分子は、転位タンパク質を核外輸送シグナル(NES)に結合(例えば、融合)させた場合、発現のために培養細胞集団の細胞質に、そして細胞核に方向付けし得ることが見出された。最近、核からのタンパク質の輸送のためのシグナルが記載された。PKI(cAPKの熱安定性インヒビター、サイクリックAMP依存性タンパク質キナーゼA)の分析(Y. Wangら、Gene Therapy 4, 432-441 (1997))及びHIVのRevタンパク質の分析(W. Wenら、Cell 82, 463-473 (1995))により、核外及び細胞質中に異種配列を誘導するのに十分なロイシンリッチ配列が示された。さらに、正規のSV40ラージT抗原NLSを含む異種タンパク質へのNESの融合は、細胞質区画と核区画との間に該タンパク質の分布をもたらすことが示された(Wangら、上掲)。同様に、Revタンパク質は、核内輸送及び核外輸送の双方のための配列を含み、細胞の細胞質及び核の双方の区画中に見出される(Wenら、上掲)。従って、NESの組込みは、VP22などの転位タンパク質の核ターゲッティングを調節するための可能性のある方法である。というのは、特にPKI NESはSV40 NLSの非常に強力なシグナルを部分的に無効にし得るからである。核外輸送シグナルに結合した場合、転位ポリペプチド及び任意の結合されたポリヌクレオチドは、培養細胞の細胞質並びに核に安定的に導入され、それにより細胞区画間のポリヌクレオチドの分配を達成することができる。細胞質においては、該ポリヌクレオチドに含まれる遺伝子の発現を、本明細書に記載する本発明の方法を用いて調節することができる。 The translocation protein and associated cellular process-modifying molecule direct the translocation protein to the cytoplasm of the cultured cell population for expression and to the cell nucleus when the translocation protein is bound (e.g., fused) to a nuclear export signal (NES). It was found to be obtained. Recently, signals for the transport of proteins from the nucleus have been described. Analysis of PKI (thermal stability inhibitor of cAPK, cyclic AMP-dependent protein kinase A) (Y. Wang et al., Gene Therapy 4, 432-441 (1997)) and analysis of HIV Rev protein (W. Wen et al., Cell 82, 463-473 (1995)) showed sufficient leucine-rich sequences to induce heterologous sequences outside the nucleus and in the cytoplasm. Furthermore, fusion of NES to a heterologous protein containing the canonical SV40 large T antigen NLS has been shown to result in the distribution of the protein between the cytoplasmic and nuclear compartments (Wang et al., Supra). Similarly, Rev proteins contain sequences for both nuclear and nuclear export and are found in both cytoplasmic and nuclear compartments of cells (Wen et al., Supra). Thus, NES integration is a potential method for regulating nuclear targeting of translocated proteins such as VP22. This is especially because PKI NES can partially negate the very strong signal of SV40 NLS. When bound to a nuclear export signal, the translocated polypeptide and any bound polynucleotide can be stably introduced into the cytoplasm and nucleus of the cultured cell, thereby achieving partitioning of the polynucleotide between the cell compartments. it can. In the cytoplasm, the expression of the gene contained in the polynucleotide can be regulated using the methods of the invention described herein.
本発明を実施するのに好適な核外輸送シグナルは当業界で公知であり、例えば、HIVのRevタンパク質又はcAPKの熱安定性インヒビターなどから誘導された核外輸送シグナルが挙げられる。多くの場合、転位タンパク質を含有する構築物に核外輸送シグナルを含めることで、目的の標的遺伝子を培養細胞のゲノムに安定的に組込むことができる。 Suitable nuclear export signals for practicing the present invention are known in the art and include, for example, nuclear export signals derived from HIV Rev proteins or thermostable inhibitors of cAPK. In many cases, a target target gene can be stably integrated into the genome of a cultured cell by including a nuclear export signal in a construct containing a translocated protein.
様々な方法により、培養細胞を、本発明による細胞改変分子に結合した転位タンパク質と接触させることができる。1つの方法において、(例えば、融合タンパク質として)細胞改変分子に融合させた転位タンパク質をコードするポリヌクレオチドでトランスフェクトされた発現細胞集団を、細胞改変分子を結合させた、発現された転位タンパク質を自発的に取り込む標的細胞集団と混合し、共培養する。発現されたタンパク質は、トランスフェクトされた発現細胞の細胞質に蓄積し、細胞膜を横切って転位することによって、周囲のトランスフェクトされていない細胞に拡散し、その核に蓄積する。例えば、発現細胞は、大腸菌などの原核細胞系であってもよく、標的細胞系は、例えば、CHOもしくはCOSなどの哺乳動物細胞系、又はショウジョウバエのS2などの昆虫細胞系などの任意の真核細胞系であってもよい。 By various methods, cultured cells can be contacted with translocation proteins bound to cell modifying molecules according to the present invention. In one method, an expressed cell population transfected with a polynucleotide encoding a translocation protein fused to a cell modifying molecule (e.g., as a fusion protein) is combined with the expressed translocation protein bound to the cell modifying molecule. Mix with the target cell population to be taken up spontaneously and co-culture. The expressed protein accumulates in the cytoplasm of the transfected expression cell, translocates across the cell membrane, diffuses to surrounding untransfected cells, and accumulates in its nucleus. For example, the expression cell may be a prokaryotic cell line such as E. coli and the target cell line may be any eukaryotic, such as a mammalian cell line such as CHO or COS, or an insect cell line such as Drosophila S2. It may be a cell line.
あるいは、トランスフェクトされた遺伝子の発現を促進する条件下で、発現細胞集団を培養し、当業界で公知の方法及び本明細書の実施例に記載される方法を用いて、トランスフェクトされた発現細胞集団の細胞溶解物を調製し、その溶解物を培養した標的細胞集団に加えることができる。転位ポリペプチドがVP22である場合、VP22又はVP22を含む融合タンパク質は、細胞集団の実質的に100%の核に転位する。本明細書に記載の通り、精製された転位タンパク質を含む分子と共に、又は共有結合もしくはリンカーによってポリペプチドもしくはヌクレオチドに結合された転位タンパク質を含む合成的に調製された分子と共に、標的細胞を培養することもできる。転位ポリペプチド及び結合された分子は、約10分〜約72時間、より典型的には、約10分〜約50時間、好ましくは約10分〜約24時間以内に、培養細胞集団全体に転位する。しかし、細胞集団全体による転位ポリペプチド及び結合された分子の取込みには、約10分も要しない場合もある。 Alternatively, the expressed cell population is cultured under conditions that promote the expression of the transfected gene and transfected expression using methods known in the art and described in the examples herein. A cell lysate of the cell population can be prepared and the lysate added to the cultured target cell population. When the translocating polypeptide is VP22, VP22 or a fusion protein comprising VP22 translocates to substantially 100% of the nucleus of the cell population. Culturing the target cell with a molecule containing a purified translocation protein or a synthetically prepared molecule containing a translocation protein linked to a polypeptide or nucleotide by a covalent bond or linker as described herein. You can also The translocating polypeptide and bound molecule are translocated throughout the cultured cell population within about 10 minutes to about 72 hours, more typically within about 10 minutes to about 50 hours, preferably about 10 minutes to about 24 hours. To do. However, uptake of the translocating polypeptide and bound molecules by the entire cell population may not take as long as about 10 minutes.
転位ポリペプチドと公知のDNA結合タンパク質との融合体を用いて、オープンリーディングフレームを含むDNA(例えば、プラスミド)を組織培養細胞に送達することもできる。本発明の方法のこの実施形態においては、該DNA結合タンパク質は、細胞改変ポリヌクレオチド(すなわち、細胞プロセスを改変するように働くポリヌクレオチドを含むプラスミド)に転位タンパク質を結合させるためのリンカーとして働く。プラスミドDNAなどのポリヌクレオチドの送達のために転位タンパク質に融合され得るタンパク質リンカーの例としては、ヒストン1(H1)タンパク質(M. Wilkeら、上掲、及びNiidomeら、J. Biol. Chem. 272, 15307-15312 (1997))並びに非ヒストンタンパク質HMG-17(高速移動群17) (S. V. Zaitsevら、Gene Ther. 4, 586-592 (1997))が挙げられる。DNAとHMG-17との相互作用は、徹底的に研究されてきており、HMG-17が非協同的、非特異的及び可逆的な様式でDNAと相互作用することを証明している(M. Bottgerら、Arch, Geschwulstforsch 60, 265-270 (1990))。いずれの場合も、DNA結合タンパク質全体又はその機能性断片(すなわち、DNA結合活性を有する断片)を用いることができる。 A fusion of a translocation polypeptide and a known DNA binding protein can be used to deliver DNA (eg, a plasmid) containing an open reading frame to tissue culture cells. In this embodiment of the method of the invention, the DNA binding protein serves as a linker to join the translocating protein to a cell modifying polynucleotide (ie, a plasmid containing a polynucleotide that serves to modify a cellular process). Examples of protein linkers that can be fused to translocation proteins for delivery of polynucleotides such as plasmid DNA include histone 1 (H1) protein (M. Wilke et al., Supra, and Niidome et al., J. Biol. Chem. 272 , 15307-15312 (1997)) and non-histone protein HMG-17 (high-speed movement group 17) (SV Zaitsev et al., Gene Ther. 4, 586-592 (1997)). The interaction between DNA and HMG-17 has been thoroughly studied, demonstrating that HMG-17 interacts with DNA in a non-cooperative, non-specific and reversible manner (M Bottger et al., Arch, Geschwulstforsch 60, 265-270 (1990)). In either case, the entire DNA binding protein or a functional fragment thereof (that is, a fragment having DNA binding activity) can be used.
転位タンパク質又は転位タンパク質−DNA結合ドメイン融合体との混合の前に、荷電したDNAを凝縮して、中和するポリエチレンイミン(PEI)などの試薬と該DNAとを複合体化するのが好ましいかもしれない。 Prior to mixing with the translocation protein or translocation protein-DNA binding domain fusion, it may be preferable to complex the DNA with a reagent such as polyethyleneimine (PEI) that condenses and neutralizes the charged DNA. unknown.
あるいは、用いる特定の系において、より短いペプチドリンカーが有利である場合、このペプチドリンカーを、化学的に合成されたペプチドとして又は原核発現系で発現される融合タンパク質をコードするヌクレオチドとして、転位タンパク質に融合することができる。化学的に合成されたペプチドとして又は融合タンパク質として転位タンパク質に融合することができる短いペプチド配列の例としては、ポリリシン配列及びペプチド配列LARLの3回以上の繰り返し配列を含む配列、例えばLARL-LARL-LARL(配列番号3)が挙げられる(J.D. Fritzら、Hum. Gene Ther, 7: 1395-1404(1996))。いくつかの場合には、本明細書に記載のように、LARL配列の3〜約100回、典型的には3〜約50回の繰り返し配列を、連結用ペプチドとして用いることができ、3〜約20回までの繰り返し配列が目下のところ好ましい。 Alternatively, if a shorter peptide linker is advantageous in the particular system used, this peptide linker can be used as a chemically synthesized peptide or as a nucleotide encoding a fusion protein expressed in a prokaryotic expression system to the translocation protein. Can be merged. Examples of short peptide sequences that can be fused to translocation proteins as chemically synthesized peptides or as fusion proteins include sequences comprising a polylysine sequence and three or more repeats of the peptide sequence LARL, such as LARL-LARL- LARL (SEQ ID NO: 3) is mentioned (JD Fritz et al., Hum. Gene Ther, 7: 1395-1404 (1996)). In some cases, as described herein, 3 to about 100, typically 3 to about 50 repeats of a LARL sequence can be used as a linking peptide, and 3 to Up to about 20 repeat sequences are currently preferred.
転位タンパク質を細胞改変ポリヌクレオチドに結合させるための好ましいリンカーは、ワクシニアウイルスのトポイソメラーゼIタンパク質、又はその突然変異体であり、これにより安定なトポイソメラーゼI−DNAコンジュゲートの形成が可能となる。ワクシニアのDNAトポイソメラーゼは314アミノ酸からなるウイルスにコードされる真核生物I型トポイソメラーゼ(I)であり、二本鎖DNAに結合し、一方の鎖のホスホジエステル骨格を切断する(S. Shuman及びB. Moss, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 84: 7478-7482 (1987))。この酵素は、制限エンドヌクレアーゼと同じく、高レベルの配列特異性を示す。切断は、切れやすい鎖中の共通のペンタピリミジンエレメントである5'-(C/T)CCTT-3'で起こる(S. Chengら、Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91: 5695-5699 (1994)、J.M. Clark, Nucleic Acids Res. 16: 9677-9686 (1988)並びにS.G. Morham及びS.J. Shuman, Biol. Chem. 267: 15984-15992 (1992))。切断反応において、結合エネルギーは切れた鎖の3'リン酸とタンパク質のチロシン残基(Tyr-274)との間の共有結合付加物の形成を介して保存される。ワクシニアのトポイソメラーゼは、最初に切断された(DNA弛緩中に起こる)同じ結合を越えて、共有結合で保持された鎖を再連結することができ、又は異種のアクセプターDNAに再連結することができ、それにより組換え分子を作る。本発明の転位タンパク質に結合される場合、ワクシニアのトポイソメラーゼIリンカーは、Taq介在PCR中で作製されるような、単一の5'A塩基オーバーハングを有する二本鎖オリゴヌクレオチドと結合する。その後、そのようなトポイソメラーゼI−DNAコンジュゲートを細胞中に導入することができる。 A preferred linker for attaching the translocation protein to the cell-modified polynucleotide is the vaccinia virus topoisomerase I protein, or a mutant thereof, which allows the formation of a stable topoisomerase I-DNA conjugate. Vaccinia DNA topoisomerase is a eukaryotic type I topoisomerase (I) encoded by a virus consisting of 314 amino acids, which binds to double-stranded DNA and cleaves the phosphodiester backbone of one strand (S. Shuman and B Moss, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 84: 7478-7482 (1987)). This enzyme, like the restriction endonuclease, exhibits a high level of sequence specificity. Cleavage occurs at 5 ′-(C / T) CCTT-3 ′, a common pentapyrimidine element in the fragile strand (S. Cheng et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91: 5695-5699 ( 1994), JM Clark, Nucleic Acids Res. 16: 9677-9686 (1988) and SG Morham and SJ Shuman, Biol. Chem. 267: 15984-15992 (1992)). In the cleavage reaction, the binding energy is conserved through the formation of a covalent adduct between the 3 ′ phosphate of the broken chain and the tyrosine residue of the protein (Tyr-274). Vaccinia topoisomerase can religate covalently held strands beyond the same bond that was originally cleaved (which occurs during DNA relaxation) or religate to heterologous acceptor DNA. , Thereby making a recombinant molecule. When coupled to the translocation protein of the present invention, the vaccinia topoisomerase I linker binds to a double stranded oligonucleotide with a single 5'A base overhang, as made in Taq-mediated PCR. Such topoisomerase I-DNA conjugate can then be introduced into the cell.
図7は、転位タンパク質を目的の二本鎖オリゴヌクレオチドに結合させるのにワクシニアのトポイソメラーゼIリンカーが用いられている、好適なベクターを示すものである。ベクターpVP22/Myc-His TOPO(登録商標)(配列番号2)は、単一の5'A塩基オーバーハングを有する二本鎖PCR産物(すなわち、細胞プロセス改変オリゴヌクレオチド)にVP22を結合してベクターDNAとのVP22融合体を作製するために、ワクシニアのトポイソメラーゼIリンカーを利用するものである。次いで、そのようなトポイソメラーゼI−DNAコンジュゲートは細胞中に直接導入することができる。 FIG. 7 shows a suitable vector in which a vaccinia topoisomerase I linker is used to attach the translocating protein to the double stranded oligonucleotide of interest. The vector pVP22 / Myc-His TOPO® (SEQ ID NO: 2) is a vector that binds VP22 to a double-stranded PCR product (ie, a cellular process modified oligonucleotide) having a single 5′A base overhang. A vaccinia topoisomerase I linker is used to generate a VP22 fusion with DNA. Such topoisomerase I-DNA conjugate can then be introduced directly into the cell.
別の実施形態においては、陽イオン性リポソームと共に転位タンパク質を用いてプラスミド送達の効率を増加させる。陽イオン性リポソームと容易に会合するタンパク質ドメイン、例えば、疎水性膜貫通ドメイン又はグリコシルホスファチジルイノシトール(GPI)アンカーへの転位タンパク質の融合により、脂質−DNA界面での相互作用が容易になる。リポソーム−DNA複合体のエンドサイトーシスの後、転位タンパク質は、該複合体を、エンドソームの膜を通って、細胞質中に転位させ、最終的には、遺伝子発現のための核に転位させる。また、リソソームのヒドロラーゼを阻害するクロロキンなどの化合物と共に転位タンパク質を用いて、トランスフェクション効率を増強することもできる(Niidomeら、J. Biol. Chem., 272: 5307-12, 1998)。 In another embodiment, translocation proteins are used with cationic liposomes to increase the efficiency of plasmid delivery. Fusion of translocated proteins to protein domains that readily associate with cationic liposomes, such as hydrophobic transmembrane domains or glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchors, facilitates interaction at the lipid-DNA interface. After endocytosis of the liposome-DNA complex, the translocated protein translocates the complex through the endosomal membrane into the cytoplasm and ultimately into the nucleus for gene expression. Translocation proteins can also be used with compounds such as chloroquine that inhibit lysosomal hydrolases to enhance transfection efficiency (Niidome et al., J. Biol. Chem., 272: 5307-12, 1998).
融合タンパク質をコードするポリヌクレオチドを、標準的な分子生物学的技術(J. Sambrook, E.F. Fritsch及びT. Maniatis (1989), Molecular Cloning, A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY)により構築し、組織培養細胞にトランスフェクトし、免疫蛍光法などの当業界で公知の好適な方法を用いて、転位能力について試験することができる。本明細書中の実施例に記載の方法も参照されたい。 Polynucleotides encoding fusion proteins can be synthesized using standard molecular biology techniques (J. Sambrook, EF Fritsch and T. Maniatis (1989), Molecular Cloning, A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY ), Transfected into tissue culture cells, and tested for transposition ability using suitable methods known in the art such as immunofluorescence. See also the methods described in the examples herein.
タンパク質発現の表現型効果を研究するためには誘導可能な系を用いる。誘導可能な系は、要求に応じたタンパク質の発現を可能にするので、そのような系は細胞プロセスを研究し、さらには組織培養において毒性タンパク質の発現を可能にするためにも研究用ツールとして用いることができる。現在の誘導可能な哺乳動物発現系は、細胞系において構成的に発現される、多様な生物由来の、例えば大腸菌(U. Fischerら、Cell 82:475-483 (1995))、又はショウジョウバエ(M. Gossenら、TIBS 18:471-475 (1993))由来の転写エレメントを、転写調節因子に応答するプロモーターを含むベクターと共に利用するものである。エフェクター分子を添加すると、誘導性プロモーターへの転写調節因子の結合が起こり、従って、遺伝子発現のスイッチが入る。 An inducible system is used to study the phenotypic effects of protein expression. Inducible systems allow the expression of proteins on demand, so such systems can be used as research tools to study cellular processes and even to allow the expression of toxic proteins in tissue culture. Can be used. Current inducible mammalian expression systems are derived from a variety of organisms, such as E. coli (U. Fischer et al., Cell 82: 475-483 (1995)), or Drosophila (M Transcription elements from Gossen et al., TIBS 18: 471-475 (1993)) are used with vectors containing promoters that respond to transcriptional regulators. Upon addition of the effector molecule, transcriptional regulator binding to the inducible promoter occurs, thus switching on gene expression.
本発明は、1種以上の調節エレメントの制御下にある標的遺伝子でトランスフェクトされた哺乳動物細胞における標的遺伝子産物の発現を調節するための方法を提供することによって、この問題に対する新規な手法を提供する。本発明の方法においては、適当な条件下で、標的細胞を、転位ポリペプチドに結合された1種以上の調節物質と接触させ、該1種以上の調節物質を哺乳動物細胞中に転位させ、そこで1種以上の調節エレメントと相互作用させることにより、該細胞による標的遺伝子産物の発現を調節する。標的遺伝子産物の発現を調節するための本発明の方法で用いられる転位ポリペプチドは、本明細書に開示されるどのような転位ポリペプチドであってもよいが、好ましくはVP22ポリペプチドである。 The present invention provides a novel approach to this problem by providing a method for modulating the expression of a target gene product in mammalian cells transfected with a target gene under the control of one or more regulatory elements. provide. In the method of the present invention, under appropriate conditions, a target cell is contacted with one or more modulators bound to a translocation polypeptide, and the one or more modulators are translocated into a mammalian cell, Thus, expression of the target gene product by the cell is regulated by interacting with one or more regulatory elements. The translocation polypeptide used in the methods of the invention for modulating the expression of a target gene product can be any translocation polypeptide disclosed herein, but is preferably a VP22 polypeptide.
調節物質は、ポリヌクレオチド、タンパク質もしくはポリペプチド、又は小分子であってよい。例えば、調節エレメントは、標的遺伝子に機能的に連結されたプロモーターであってもよく、その場合、該調節物質の転位は該プロモーターによる該標的遺伝子産物の発現をトランス活性化する。該調節物質は、該プロモーターに特異的なものであるのが好ましく、例えば、該プロモーターに特異的なポリメラーゼなどである。 The modulator may be a polynucleotide, protein or polypeptide, or small molecule. For example, the regulatory element may be a promoter operably linked to the target gene, in which case the translocation of the regulator transactivates the expression of the target gene product by the promoter. The regulatory substance is preferably specific to the promoter, such as a polymerase specific to the promoter.
本発明による代表的な誘導可能な系は、哺乳動物細胞における遺伝子発現を指令するのに用いられてきたバクテリオファージT7のRNAポリメラーゼを利用するものである。ワクシニアウイルスによるT7 RNAポリメラーゼ(T7 RNAP)の発現(A. Ramsey-Ewing及びB. Moss, J. Biol. Chem. 271: 16962-16966, 1996、T.R. Fuerstら、Proc. Natl. Acad. Sci. 83: 8122-8126, 1986)もしくは安定な細胞系におけるT7 RNAポリメラーゼの発現(O. Elroy-Stein及びB. Moss, Proc. Natl. Acad. Sci. 87: 6743-6747, 1990並びにA. Lieberら、Nucleic Acids Res. 17: 8485-8493, 1989)、又はトランスフェクションの時点でのT7 RNAPタンパク質の導入(X. Chenら、Cancer Gene Ther. 2: 281-289, 1995及びX. Chenら、Nucleic Acids Res. 22: 2114-2120, 1994)は、小さいT7プロモーターの下流に位置する遺伝子の特異的な発現を促進する。T7 RNAPがT7プロモーターに対して有する特異性により、所望の遺伝子が発現され、非特異的な遺伝子活性化が起こらないことが確実になる。T7 RNAPを用いる発現は非常に強力であり、RSVプロモーターよりも6倍高い場合があると報告されている(A. Lieberら、Nucleic Acids Res. 17: 8485-8493, 1989)。さらに、細胞の核(Lieber, 上掲及びJ.J. Dunnら、Gene 68: 259-266, 1988)又は細胞質において、遺伝子発現をT7ポリメラーゼにより指令することができる。これらの特徴は、T7 RNAPを用いて、T7 RNAP/VP22融合タンパク質を、T7プロモーター構築物を含む細胞に添加することにより、特異的に遺伝子発現を調節することができることを示唆した。VP22技術を用いるT7 RNAPの直接的送達により、遺伝子発現の特異的制御が可能になり、非標的部位への送達の負の効果が最小になる。従って、本発明の方法により、要求に応じたタンパク質発現の表現型効果に関する研究が可能となる。本発明の誘導可能な系の特異性により、毒性タンパク質の発現を組織培養において研究することもできる。本明細書で用いる用語「毒性タンパク質」とは、生体系に対する直接的で固有の毒性能力を有するタンパク質を指し、構成的に活性な型のタンパク質をもたらすタンパク質におけるトランスドミナント変異体を含む。従って、毒性タンパク質は、毒性能力を放出するために発現後の改変を必要とする「プロドラッグ」型分子とは区別される。本発明の方法の実施に用いられる毒性タンパク質の非限定的な例は、Raf及びRas癌遺伝子産物などの種々の癌遺伝子産物である(Avruchら、Trends in Biology 19: 279-83, 1994に総括されている)。 An exemplary inducible system according to the present invention utilizes the bacteriophage T7 RNA polymerase that has been used to direct gene expression in mammalian cells. Expression of T7 RNA polymerase (T7 RNAP) by vaccinia virus (A. Ramsey-Ewing and B. Moss, J. Biol. Chem. 271: 16962-16966, 1996, TR Fuerst et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 83 : 8122-8126, 1986) or expression of T7 RNA polymerase in stable cell lines (O. Elroy-Stein and B. Moss, Proc. Natl. Acad. Sci. 87: 6743-6747, 1990 and A. Lieber et al., Nucleic Acids Res. 17: 8485-8493, 1989), or introduction of T7 RNAP protein at the time of transfection (X. Chen et al., Cancer Gene Ther. 2: 281-289, 1995 and X. Chen et al., Nucleic Acids Res. 22: 2114-2120, 1994) promotes the specific expression of genes located downstream of the small T7 promoter. The specificity that T7 RNAP has for the T7 promoter ensures that the desired gene is expressed and non-specific gene activation does not occur. Expression with T7 RNAP has been reported to be very strong and may be 6 times higher than the RSV promoter (A. Lieber et al., Nucleic Acids Res. 17: 8485-8493, 1989). Furthermore, gene expression can be directed by T7 polymerase in the cell nucleus (Lieber, supra and J.J. Dunn et al., Gene 68: 259-266, 1988) or cytoplasm. These features suggested that T7 RNAP can be used to specifically regulate gene expression by adding a T7 RNAP / VP22 fusion protein to cells containing the T7 promoter construct. Direct delivery of T7 RNAP using VP22 technology allows for specific control of gene expression and minimizes the negative effects of delivery to non-target sites. Thus, the method of the present invention enables studies on phenotypic effects of protein expression on demand. Due to the specificity of the inducible system of the present invention, the expression of toxic proteins can also be studied in tissue culture. As used herein, the term “toxic protein” refers to a protein that has a direct and intrinsic toxic ability to a biological system and includes transdominant variants in the protein that result in a constitutively active form of the protein. Thus, toxic proteins are distinguished from “prodrug” type molecules that require post-expression modification to release toxic potential. Non-limiting examples of toxic proteins used in the practice of the methods of the invention are various oncogene products such as Raf and Ras oncogene products (reviewed in Avruch et al., Trends in Biology 19: 279-83, 1994). Have been).
あるいは、調節物質は、調節物質の転位が標的遺伝子産物の発現をトランス活性化するように調節エレメントに特異的な転写因子であってもよい。例えば、転位タンパク質を、Gal4タンパク質などに由来するDNA結合ドメイン及びVP16又はB42などの共通のトランス活性化ドメインに融合することができる。本発明のこの実施形態においては、転位タンパク質を含む融合タンパク質は、核に局在化した後、該融合タンパク質中に組み込まれたDNA結合ドメインに対する上流の結合部位を含むプロモーターを特異的に活性化する。 Alternatively, the modulator may be a transcription factor specific for the regulatory element such that translocation of the regulator transactivates the expression of the target gene product. For example, translocation proteins can be fused to a DNA binding domain such as from a Gal4 protein and a common transactivation domain such as VP16 or B42. In this embodiment of the invention, the fusion protein comprising the translocation protein is localized to the nucleus and then specifically activates a promoter comprising an upstream binding site for the DNA binding domain incorporated into the fusion protein. To do.
本明細書における使用が意図される「DNA結合タンパク質」は、DNAに直接結合することができ、転写の開始又は抑制を容易にするタンパク質の公知のクラスに属する。本明細書における使用が意図される代表的なDNA結合タンパク質としては、転写制御タンパク質(例えば、転写因子など;例えば、Conaway及びConaway, Transcription Mechanisms and Regulation, Raven Press Series on Molecular and Cellular Biology, Vol. 3, Raven Press, Ltd, New York, NY, 1994、T. Boulikas, Critical Reviews in Eukaryotic Gene Expression, 4(2&3): 117-321, 1994、A. Klug, Gene 135: 83-92, 1993、W.M. Krajewska, Int. J. Biochem., 24: 1885-1898, 1992を参照されたい)が挙げられる。 “DNA binding proteins” intended for use herein belong to the known class of proteins that can bind directly to DNA and facilitate the initiation or repression of transcription. Representative DNA binding proteins intended for use herein include transcriptional regulatory proteins (eg, transcription factors, etc .; see, for example, Conaway and Conaway, Transcription Mechanisms and Regulation, Raven Press Series on Molecular and Cellular Biology, Vol. 3, Raven Press, Ltd, New York, NY, 1994, T. Boulikas, Critical Reviews in Eukaryotic Gene Expression, 4 (2 & 3): 117-321, 1994, A. Klug, Gene 135: 83-92, 1993, WM Krajewska, Int. J. Biochem., 24: 1885-1898, 1992).
そのようなDNA結合ドメインの供給源として本明細書での使用が意図される転写因子としては、例えば、ホメオボックスタンパク質、ジンクフィンガータンパク質、ホルモン受容体、ヘリックス−ターン−ヘリックスタンパク質、ヘリックス−ループ−ヘリックスタンパク質、塩基性Zipタンパク質(bZip)、βリボン因子などが挙げられる。例えば、S. Harrison, "A Structural Taxonomy of DNA-binding Domains," Nature, 353: 715-719を参照されたい。本明細書で使用するのに好適なホメオボックスDNA結合タンパク質としては、例えば、HOX、STF-1 (Leonardら、Mol. Endo., 7: 1275-1283, 1993)、Mat α-2、INVなどが挙げられる。Scottら、Biochem. Biophys. Acta, 989: 25-48, 1989も参照されたい。STF-1ホメオドメインを含む76アミノ酸の断片(Leonardら、1993に記載されたアミノ酸140-215に対応する)は、野生型STF-1と同じくらいかたくDNAに結合する。本明細書で使用するのに好適なジンクフィンガーDNA結合タンパク質としては、Zif268、GLI、XFinなどが挙げられる。Klug及びRhodes, Trends Biochem. Sci., 12: 464, 1987、Jacobs及びMichaels, New Biol, 2: 583, 1990及びJacobs, EMBO J., 11: 4507-4517, 1992をも参照されたい。 Transcription factors intended for use herein as a source of such DNA binding domains include, for example, homeobox proteins, zinc finger proteins, hormone receptors, helix-turn-helix proteins, helix-loop- Examples include helix protein, basic Zip protein (bZip), and β ribbon factor. See, for example, S. Harrison, "A Structural Taxonomy of DNA-binding Domains," Nature, 353: 715-719. Suitable homeobox DNA binding proteins for use herein include, for example, HOX, STF-1 (Leonard et al., Mol. Endo., 7: 1275-1283, 1993), Mat α-2, INV, etc. Is mentioned. See also Scott et al., Biochem. Biophys. Acta, 989: 25-48, 1989. A 76 amino acid fragment containing the STF-1 homeodomain (corresponding to amino acids 140-215 described in Leonard et al., 1993) binds DNA as hard as wild type STF-1. Suitable zinc finger DNA binding proteins for use herein include Zif268, GLI, XFin, and the like. See also Klug and Rhodes, Trends Biochem. Sci., 12: 464, 1987, Jacobs and Michaels, New Biol, 2: 583, 1990 and Jacobs, EMBO J., 11: 4507-4517, 1992.
本発明の方法で用いられるDNA結合ドメインは、ステロイド/甲状腺ホルモン核受容体スーパーファミリーのメンバーから取得することもでき、又は該スーパーファミリーのメンバーから取得されるものと実質的に同じものであってもよい。ステロイド/甲状腺ホルモン核受容体の実質的に全てのメンバーのDNA結合ドメインが関連する。そのようなドメインは、66〜68個のアミノ酸残基からなり、約20個の不変アミノ酸残基(例えば、9個のシステイン)を保有する。該スーパーファミリーのメンバーは、これらの20個の不変アミノ酸残基を含むタンパク質として特徴付けられる。該スーパーファミリーのメンバーのDNA結合ドメインの高度に保存されたアミノ酸は、以下の通りである。
(配列番号4)
式中、Xは該DNA結合ドメイン内の非保存アミノ酸を示し、星印は、ほぼ普遍的に保存されているが、いくつかの同定されたホルモン受容体においては変異が認められたアミノ酸残基を示し、括弧内の残基は任意の残基である(従って、該DNA結合ドメインは最小で長さ66アミノ酸であるが、いくつかの追加の残基を含んでもよい)。そのようなDNA結合ドメインは、2-half部位認識部位に結合し、当業界では、該認識部位を含む応答エレメントの制御下で転写をトランス活性化することが知られている。
The DNA binding domain used in the methods of the invention can be obtained from a member of the steroid / thyroid hormone nuclear receptor superfamily or is substantially the same as that obtained from a member of the superfamily. Also good. Relevant are the DNA binding domains of virtually all members of the steroid / thyroid hormone nuclear receptor. Such domains consist of 66 to 68 amino acid residues and carry about 20 invariant amino acid residues (eg, 9 cysteines). The superfamily members are characterized as proteins containing these 20 invariant amino acid residues. The highly conserved amino acids of the DNA binding domains of the superfamily members are as follows:
(SEQ ID NO: 4)
Where X denotes a non-conserved amino acid within the DNA binding domain, and the asterisk is an amino acid residue that is almost universally conserved but mutated in some identified hormone receptors. The residues in parentheses are arbitrary residues (thus the DNA binding domain is a minimum of 66 amino acids in length, but may contain several additional residues). Such DNA binding domains bind to a 2-half site recognition site and are known in the art to transactivate transcription under the control of a response element containing the recognition site.
GAL4 DNA結合ドメインは、2-half部位DNA認識部位と相互作用しない。酵母のGAL4タンパク質のDNA結合ドメインは、少なくともその最初の74個のアミノ末端アミノ酸を含む(例えば、Keeganら、Science 231: 699-704, 1986を参照されたい)。好ましくは、GAL4タンパク質の最初の90個又はそれ以上のアミノ末端アミノ酸、例えば、酵母GAL4の147個のアミノ末端アミノ酸残基を用いる。 The GAL4 DNA binding domain does not interact with the 2-half site DNA recognition site. The DNA binding domain of the yeast GAL4 protein contains at least the first 74 amino-terminal amino acids (see, eg, Keegan et al., Science 231: 699-704, 1986). Preferably, the first 90 or more amino terminal amino acids of the GAL4 protein are used, for example, the 147 amino terminal amino acid residues of yeast GAL4.
本発明の実施に用いることができる別のDNA結合ドメインは、Tetオペロンである。テトラサイクリン誘導系は、当業界で公知である(例えば、Gossenら、Proc. Natl. Acad. Sci. 89: 5547-5551 (1992)、Gossenら、TIBS 18: 471-475 (1993)、Furthら、Proc. Natl. Acad. Sci. 91: 9302-9306 (1994)及びShockettら、Proc. Natl. Acad. Sci. 92: 6522-6526 (1995)を参照されたい)。 Another DNA binding domain that can be used in the practice of the present invention is the Tet operon. Tetracycline induction systems are known in the art (e.g. Gossen et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 89: 5547-5551 (1992), Gossen et al., TIBS 18: 471-475 (1993), Furth et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 91: 9302-9306 (1994) and Shockett et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 92: 6522-6526 (1995)).
転写調節ドメインは、本発明の系に応答する応答エレメントと機能的に結合された遺伝子配列の転写を活性化するもの(すなわち、転写活性化ドメイン)と、本発明の系に応答する応答エレメントと機能的に結合された遺伝子配列の転写を抑制又は脱活性化するもの(すなわち、転写抑制ドメイン)の2つのタイプがある。一般的には、転位タンパク質に結合された転写調節ドメインが転写活性化ドメインである場合には、標的遺伝子の転写を活性化する本発明の系の能力が増強される。本発明の実施における使用が意図される転写活性化ドメインは、種々の供給源から得ることができ、当業界で公知である。 A transcriptional regulatory domain is one that activates transcription of a gene sequence operably linked to a response element that is responsive to the system of the invention (ie, a transcriptional activation domain) and a response element that is responsive to the system of the invention. There are two types of those that repress or deactivate transcription of functionally linked gene sequences (ie, transcription repression domains). In general, when the transcriptional regulatory domain attached to the translocated protein is a transcriptional activation domain, the ability of the system of the present invention to activate transcription of the target gene is enhanced. Transcription activation domains intended for use in the practice of the present invention can be obtained from a variety of sources and are known in the art.
そのような転写活性化ドメインは、典型的には転写因子から誘導され、適当なDNA結合ドメインと結合させたときに遺伝子発現を活性化するように機能する連続的な配列を含む。例えば、好適な活性化ドメインは、ステロイド/甲状腺ホルモン核受容体スーパーファミリーのメンバーのN末端領域、転写因子活性化ドメイン(例えば、VP16、GAL4、NF-κB又はBP64活性化ドメイン)などから取得することができる(例えば、M. Manteuffel-Cymborowska, Acta Biochim Pol. 46(1) 77-89 (1999)、T. Tagamiら、Biochem Biophys Res. Commun. 253(2): 358-63 (1998)、W. Westin, Adv Pharmacol, 47: 89-112 (2000)を参照されたい)。本発明の実施で使用するのに現在好ましい活性化ドメインは、VP16タンパク質のC末端領域から得られる。 Such transcription activation domains are typically derived from transcription factors and comprise a contiguous sequence that functions to activate gene expression when combined with an appropriate DNA binding domain. For example, suitable activation domains are obtained from the N-terminal region of members of the steroid / thyroid hormone nuclear receptor superfamily, transcription factor activation domains (eg, VP16, GAL4, NF-κB or BP64 activation domains), etc. (E.g., M. Manteuffel-Cymborowska, Acta Biochim Pol. 46 (1) 77-89 (1999), T. Tagami et al., Biochem Biophys Res. Commun. 253 (2): 358-63 (1998), W. Westin, Adv Pharmacol, 47: 89-112 (2000)). The presently preferred activation domain for use in the practice of the present invention is derived from the C-terminal region of the VP16 protein.
本発明の方法に用いることができる転写リプレッサードメインとしては、遺伝子発現のトランス活性化を抑制するものが挙げられる。本発明の方法で転写調節ドメインとして使用するのに好適な代表的な転写リプレッサードメインとしては、RAFT、CREM、MECP-2、SMRT、NcoR、mSin3A、RAR、TR、SMRTRなどが挙げられる。 Examples of transcriptional repressor domains that can be used in the method of the present invention include those that suppress transactivation of gene expression. Representative transcriptional repressor domains suitable for use as transcriptional regulatory domains in the methods of the present invention include RAFT, CREM, MECP-2, SMRT, NcoR, mSin3A, RAR, TR, SMRTR, and the like.
転位タンパク質を、標的遺伝子の発現を調節するための誘導可能な発現系において使用できる別の方法は、特定の部位特異的リコンビナーゼによって特異的に認識される核酸配列である部位特異的組換え配列との遺伝子融合体又はin vitroでの共有結合リンケージを作製することである。本明細書において用いられる用語「部位特異的リコンビナーゼ」とは、核酸配列の切り出し及び/又は組換えを触媒する酵素であり、組換え事象においてトランスファー配列DNAと中間複合体を形成することができる。これらの酵素は、認識及び組換えの両方のための部位として働く、比較的短い、ユニークな核酸配列を認識する。本発明の実施において特に有用なリコンビナーゼは、広範囲の細胞型において機能するものである。何故なら、そのような酵素は、どのような宿主特異的因子も必要とせず、また機能するためにATPを必要としないからである。 Another method in which the translocated protein can be used in an inducible expression system to regulate the expression of a target gene is by using a site-specific recombinant sequence that is a nucleic acid sequence that is specifically recognized by a particular site-specific recombinase. Gene fusions or in vitro covalent linkages. The term “site-specific recombinase” as used herein is an enzyme that catalyzes excision and / or recombination of nucleic acid sequences, and can form an intermediate complex with transfer sequence DNA in a recombination event. These enzymes recognize relatively short, unique nucleic acid sequences that serve as sites for both recognition and recombination. Particularly useful recombinases in the practice of this invention are those that function in a wide range of cell types. This is because such enzymes do not require any host-specific factors and do not require ATP to function.
細菌及び単細胞の酵母に由来する部位特異的リコンビナーゼの2つの主要なファミリーが記載されている。すなわち、インテグラーゼファミリーとレゾルバーゼ/インベルターゼファミリーである。これらのリコンビナーゼにおいては、部位特異的リコンビナーゼによって触媒される鎖交換が、リコンビナーゼ酵素とDNA鎖との間に形成される共有結合的なタンパク質−DNA中間体を必要とする、(1)切断及び(2)再結合の2つのステップで起こる。これらの2つのリコンビナーゼファミリーについては、酵素の触媒アミノ酸残基の性質及び求核基の進入方向が異なる。インベルターゼ/レゾルバーゼファミリーによって触媒される切断の場合は、求核基ヒドロキシルはセリンから誘導され、脱離基はデオキシリボースの3'-OHである。インテグラーゼファミリーの場合は、触媒残基はチロシンであり、脱離基は5'-OHである。両方のリコンビナーゼファミリーにおいて、再結合ステップは切断ステップの逆反応である。 Two major families of site-specific recombinases from bacteria and unicellular yeast have been described. The integrase family and the resolvase / invertase family. In these recombinases, the site-specific recombinase-catalyzed strand exchange requires a covalent protein-DNA intermediate formed between the recombinase enzyme and the DNA strand, (1) cleavage and ( 2) happens in two steps of recombination. For these two recombinase families, the nature of the catalytic amino acid residue of the enzyme and the entry direction of the nucleophilic group are different. In the case of cleavage catalyzed by the invertase / resolvase family, the nucleophilic group hydroxyl is derived from serine and the leaving group is the 3′-OH of deoxyribose. For the integrase family, the catalytic residue is tyrosine and the leaving group is 5′-OH. In both recombinase families, the recombination step is the reverse reaction of the cleavage step.
Creのリコンビナーゼ活性は、インテグラーゼのモデル系として研究されてきた。Creは、バクテリオファージP1から単離された38 kDのタンパク質である。CreはloxPと呼ばれる核酸の34塩基対のストレッチの位置で組換え反応を触媒する。loxP部位は、配列5'-ATAACTTCGTATAGCATACATTATACGAAGTTAT-3'(配列番号5、下線はスペーサー領域である)を有し、8塩基対のコア配列に隣接する2つの13塩基対のパリンドローム反復配列からなる(Hoessら、Proc. Natl. Acad. Sci USA 79: 3398, 1982及び米国特許第4,959,217号、これらの参考文献の開示はその全体が参照により本明細書に組み入れられるものとする)。この反復配列はCre結合部位として作用し、交差点が内部スペーサーコア中に存在する。それぞれの反復配列は、1つのタンパク質分子に結合し、DNA基質(一方の鎖)が切断され、Creと切断DNA鎖との間に3'-ホスホチロシン結合を有するタンパク質−DNA中間体が形成されるようである。結晶学その他の研究は、4つのタンパク質及び2つのloxP部位(各々が異なるDNA分子上にある)がシナプス構造(DNAが4通りのホリデイ連結中間体のモデルに類似している)を形成し、続いて第2組の鎖の交換を行なって中間体を組換え産物に分割することを示唆している(Guoら、Naure 389: 40-46, 1997を参照されたい)。loxP組換え配列のコア領域の非対称性は、組換え反応の方向性に関与している。同じDNA分子上の2つのloxP部位が、直接的に繰り返された方向にある場合、Creはこれらの2つの部位間にあるDNAを切り出し、該DNA分子上に1個のloxP部位を残す(Abremskiら、Cell 32: 1301, 1983)。従って、この反復配列は、組換え交差点がコア中に存在するCre特異的結合部位として作用する。 Cre recombinase activity has been studied as a model system for integrase. Cre is a 38 kD protein isolated from bacteriophage P1. Cre catalyzes the recombination reaction at a 34 base pair stretch of nucleic acid called loxP. The loxP site has the sequence 5'-ATAACTTCGTATA GCATACAT TATACGAAGTTAT-3 '(SEQ ID NO: 5, underlined is the spacer region) and consists of two 13 base pair palindromic repeats adjacent to the 8 base pair core sequence. (Hoess et al., Proc. Natl. Acad. Sci USA 79: 3398, 1982 and US Pat. No. 4,959,217, the disclosures of these references are hereby incorporated by reference in their entirety). This repetitive sequence acts as a Cre binding site and the intersection is in the inner spacer core. Each repetitive sequence binds to one protein molecule and the DNA substrate (one strand) is cleaved to form a protein-DNA intermediate with a 3'-phosphotyrosine bond between Cre and the cleaved DNA strand. It seems. Crystallography and other studies have shown that four proteins and two loxP sites (each on a different DNA molecule) form a synaptic structure (the DNA is similar to a model of four holiday-linked intermediates) Subsequent exchange of a second set of strands suggests splitting the intermediate into recombination products (see Guo et al., Naure 389: 40-46, 1997). The asymmetry of the core region of the loxP recombination sequence is responsible for the direction of the recombination reaction. If two loxP sites on the same DNA molecule are in a directly repeated orientation, Cre will cut out the DNA between those two sites, leaving a single loxP site on the DNA molecule (Abremski Et al., Cell 32: 1301, 1983). This repetitive sequence thus acts as a Cre-specific binding site where the recombination intersection is present in the core.
loxP部位は、その大きさが複雑であるので、それはP1ファージのゲノム中にのみ存在する。従って、本発明の方法におけるloxP部位の使用により、トランスファー配列がP1ファージのゲノムに由来するものでない限り、該酵素はトランスファー配列を該配列の内部で切断しない。酵母などの種々の細胞バックグラウンドにおけるCreの活性は、Creが、植物(Albertら、Plant J. 7: 649-659, 1995、Dale及びOw, Gene 91: 79-85, 1990、Odellら、Mol. Gen. Genet. 223: 369-378, 1990)、又はげっ歯類及びヒトの細胞などの哺乳動物細胞(van Deursenら、Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92: 7376-7380, 1995、Agahら、J. Clin. Invest. 100: 169-179, 1997、Sauer及びHenderson, New Biologist 2: 441-449, 1990)においては、活性のための宿主特異的因子を必要としないことを示している(Sauer、Mol. Cell. Biol. 7: 2087-2096, 1987)。 Because the loxP site is complex in size, it exists only in the genome of the P1 phage. Thus, by using the loxP site in the method of the invention, the enzyme will not cleave the transfer sequence within the sequence unless the transfer sequence is derived from the genome of the P1 phage. Cre activity in various cell backgrounds, such as yeast, is determined by Cre (Plant et al., Plant J. 7: 649-659, 1995, Dale and Ow, Gene 91: 79-85, 1990, Odell et al., Mol. Gen. Genet. 223: 369-378, 1990), or mammalian cells such as rodent and human cells (van Deursen et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92: 7376-7380, 1995, Agah Et al., J. Clin. Invest. 100: 169-179, 1997, Sauer and Henderson, New Biologist 2: 441-449, 1990) show that host-specific factors for activity are not required. (Sauer, Mol. Cell. Biol. 7: 2087-2096, 1987).
また、Creタンパク質は、大腸菌の染色体中に認められるloxB、loxL及びloxR部位などのいくつかの変異型または突然変異型lox部位(loxP配列に対して変異型)を認識する。他の変異型lox部位としては、loxP511(5'-ATAACTTCGTATAGTATACATTATACGAAGTTAT-3' (配列番号6、下線はスペーサー領域)、loxC2(5'-ACAACTTCGTATAATGTATGCTATACGAAGTTAT-3' (配列番号7、下線はスペーサー領域、米国特許第4,959,217号)が挙げられる。当業者であれば、loxP部位のさらなる変異体を調製することができ、一般的には、部位特異的組換え配列を含む2つの反復配列中に合計1〜3個の点突然変異をもつにすぎない。Creは、スペーサー領域内のlox部位の切断を触媒し、6塩基対の付着端を作る。lox部位の2つの13 bpの逆反復ドメインは、Creタンパク質の結合部位を表す。この2つのlox部位は、Creが両方のlox部位を認識できる限りは異なっていてもよい。しかし、切断されたDNAのオーバーハング末端が互いに再アニーリングできないような様式で、2つのlox部位がそのスペーサー領域において異なる場合、Creはこの2つの異なるlox部位を用いて組換え事象を効率的に触媒することができない。組換え事象の効率は、結合部位における変異の程度及び位置に依存するであろう。例えば、loxC2部位をloxP部位で効率的に組換えることができる。何故なら、この2つのlox部位は、左側の結合部位中の1個のヌクレオチドで異なるからである。従って、Creが本発明の方法の実施に用いられる部位特異的リコンビナーゼである場合、部位特異的組換え配列は、loxP部位であるか、又はCre酵素により認識されるその変異体である。 Cre protein also recognizes several mutant or mutant lox sites (mutated relative to the loxP sequence) such as loxB, loxL and loxR sites found in the chromosome of E. coli. Other mutant lox sites include loxP511 (5'-ATAACTTCGTATA GTATACATT ATACGAAGTTAT-3 '(SEQ ID NO: 6, underlined spacer region), loxC2 (5'-ACAACTTCGTATA ATGTATGC TATACGAAGTTAT-3' (SEQ ID NO: 7, underlined spacer) Region, U.S. Pat. No. 4,959,217. One skilled in the art can prepare additional variants of the loxP site, generally in two repetitive sequences containing site-specific recombination sequences. It only has a total of 1 to 3 point mutations.Cre catalyzes the cleavage of the lox site in the spacer region, creating a 6 base pair sticky end.Two 13 bp inverted repeat domains in the lox site Represents the binding site of the Cre protein, which may be different as long as Cre can recognize both lox sites, but the overhanging ends of the cleaved DNA cannot re-anneal to each other The two lox sites are their spacers If different in the region, Cre cannot efficiently catalyze the recombination event using these two different lox sites, which will depend on the extent and location of the mutation at the binding site. For example, the loxC2 site can be efficiently recombined at the loxP site because the two lox sites differ by a single nucleotide in the left binding site, so Cre is the present invention. In the case of the site-specific recombinase used in carrying out the method, the site-specific recombination sequence is a loxP site or a variant thereof recognized by the Cre enzyme.
同様の機能を有するインテグラーゼファミリーのリコンビナーゼは、2μ環状DNAを含むSaccharomyces cerevisiaeの株で同定されたリコンビナーゼであるFlpである。Flpは、FRT(Flp組換え標的部位)と呼ばれる8塩基対のコア配列(5'-GAAGTTCCTATTCTCTAGAAAGTATAGGAACTTC-3' (配列番号8)、下線はスペーサー)に隣接する2つの13塩基対の逆反復配列からなるDNA配列を認識する。3番目の反復配列は、天然配列の3'末端の後に続くが、リコンビナーゼ活性にとっては必要ではないようである。Flp遺伝子がクローニングされ、大腸菌及び哺乳動物細胞において発現され(PCT国際特許出願PCT/US92/01899、公開番号WO 92/15694、この開示は参照により本明細書に組み入れられるものとする)、精製された(Meyer-Leanら、Nucleic Acids Res. 15: 6469, 1987、Babineauら、J. Biol. Chem. 260: 12313, 1985、Gronostajski及びSadowski、J. Biol. Chem. 260: 12328, 1985)。 An integrase family recombinase with a similar function is Flp, a recombinase identified in a strain of Saccharomyces cerevisiae containing 2μ circular DNA. Flp is an inverted repeat of two 13 base pairs adjacent to an 8 base pair core sequence called FRT (Flp recombination target site) (5'-GAAGTTCCTATTC TCTAGAAA GTATAGGAACTTC-3 '(SEQ ID NO: 8), underlined spacer) Recognizes a DNA sequence consisting of sequences. The third repetitive sequence follows the 3 ′ end of the native sequence but does not appear to be necessary for recombinase activity. The Flp gene has been cloned, expressed in E. coli and mammalian cells (PCT international patent application PCT / US92 / 01899, publication number WO 92/15694, the disclosure of which is hereby incorporated by reference) and purified. (Meyer-Lean et al., Nucleic Acids Res. 15: 6469, 1987, Babineau et al., J. Biol. Chem. 260: 12313, 1985, Gronostajski and Sadowski, J. Biol. Chem. 260: 12328, 1985).
Creと同様、Flpは、細菌(Huangら、J. Bacteriology 179: 6076-6083, 1997)、昆虫(Golic及びLindquist、Cell 59: 499-509, 1989、Golic及びGolic、Genetics 144: 1693-1711, 1996)、植物(Lyznikら、Nucleic Acids Res 21: 969-975, 1993)、及び哺乳動物(米国特許第5,677,177号及び第5,654,182号)などの種々の系において機能性であり、このことは、Flpが機能性のための宿主特異的因子を必要としないことを示している。 Like Cre, Flp is a bacterium (Huang et al., J. Bacteriology 179: 6076-6083, 1997), insect (Golic and Lindquist, Cell 59: 499-509, 1989, Golic and Golic, Genetics 144: 1693-1711, 1996), plants (Lyznik et al., Nucleic Acids Res 21: 969-975, 1993), and mammals (US Pat.Nos. 5,677,177 and 5,654,182), which are functional in Flp Show no need for host-specific factors for functionality.
本発明の方法を実施する際に使用することができるその他のインテグラーゼは、レトロウイルスインテグラーゼ、例えば、HIVおよびASVインテグラーゼである(Annu. Rev. Microbiol. 53:245-81, 1990に総説がある)。 Other integrases that can be used in carrying out the methods of the invention are retroviral integrases, such as HIV and ASV integrase (reviewed in Annu. Rev. Microbiol. 53: 245-81, 1990). Is).
標的遺伝子産物の発現を調節するために本発明の方法を実施する際に、転位タンパク質と融合した部位特異的DNAリコンビナーゼまたはインテグラーゼを、使用したリコンビナーゼまたはインテグラーゼに特異的なリコンビナーゼ組換え部位に隣接し、プロモーターと標的遺伝子をコードするオープンリーディングフレームとの間に置かれた転写阻止配列(例えば、転写終結配列)を含むプラスミドでトランスフェクトした細胞に、本明細書に記載された方法により導入する。例えば、リコンビナーゼがFlpである場合、リコンビナーゼ部位はfrt部位であり、リコンビナーゼがCreである場合、リコンビナーゼ部位はlox部位である。トランスフェクトされた細胞をリコンビナーゼまたはインテグラーゼ接合転位タンパク質に接触させると、リコンビナーゼの活性により転写ターミネーターが除去され、図1に示されるように目的の遺伝子が発現する。 When carrying out the method of the invention to regulate the expression of the target gene product, the site-specific DNA recombinase or integrase fused to the translocation protein is replaced with a recombinase recombination site specific for the recombinase or integrase used. Introduced by the methods described herein into cells transfected with a plasmid containing a transcriptional blocking sequence (eg, a transcription termination sequence) placed adjacent to and between the promoter and the open reading frame encoding the target gene To do. For example, when the recombinase is Flp, the recombinase site is a frt site, and when the recombinase is Cre, the recombinase site is a lox site. When the transfected cells are brought into contact with recombinase or integrase translocation protein, the transcription terminator is removed by the activity of the recombinase, and the gene of interest is expressed as shown in FIG.
このように、本発明の細胞プロセスを調節する方法において、1種以上の調節エレメントはリコンビナーゼ組換え部位に隣接する転写阻止配列を含んでいてよく、また、調節物質は組換え部位に特異的なリコンビナーゼであってよく、ここでリコンビナーゼの転位が組換え部位の組換えを引き起こすことにより、標的遺伝子産物の発現を調節する。 Thus, in the method of modulating a cellular process of the present invention, one or more regulatory elements may include a transcription blocking sequence adjacent to the recombinase recombination site, and the modulator is specific for the recombination site. It may be a recombinase, where the recombinase translocation regulates the expression of the target gene product by causing recombination at the recombination site.
あるいは、切り出されるべきポリヌクレオチドセグメントに隣接する1対のリコンビナーゼ部位を入れる代わりに、標的遺伝子およびゲノムのリコンビナーゼ部位と対合する第2のリコンビナーゼ部位を含むプラスミドを含む標的細胞のゲノムに、単一のリコンビナーゼ部位が取り込まれてもよい(または天然に存在してもよい)。そのような細胞が標的細胞中のリコンビナーゼ部位(単数または複数)に特異的なリコンビナーゼ(例えば、インテグラーゼ)に接触した場合、リコンビナーゼの転位が組換え事象を誘発して、標的遺伝子はゲノムのリコンビナーゼ部位において標的細胞のゲノムに安定に取り込まれる。 Alternatively, instead of including a pair of recombinase sites adjacent to the polynucleotide segment to be excised, the target cell and the genome of the target cell containing the plasmid containing the second recombinase site that pair with the genomic recombinase site are Of recombinase sites may be incorporated (or may be naturally occurring). When such a cell is contacted with a recombinase (eg, integrase) specific for the recombinase site (s) in the target cell, the recombinase translocation triggers a recombination event, and the target gene becomes a genomic recombinase. It is stably incorporated into the genome of the target cell at the site.
リコンビナーゼまたはインテグラーゼは、一方は転位タンパク質-酵素(例えば、FlpまたはCre)融合体を発現し、他方は異種遺伝子を含む2つの細胞集団を混合することにより導入される。あるいは、転位タンパク質-酵素融合体を原核または真核発現系の中で生産し、公知の方法および本明細書に記載された方法を用いて精製して、異種遺伝子を含む細胞に加えてもよい。細胞は、異種遺伝子で一過性にトランスフェクトされるか、または、そのゲノムに安定的に組み込まれた異種遺伝子を有するかのいずれであってもよい。 A recombinase or integrase is introduced by mixing two cell populations, one expressing a translocation protein-enzyme (eg Flp or Cre) fusion and the other containing a heterologous gene. Alternatively, translocated protein-enzyme fusions may be produced in prokaryotic or eukaryotic expression systems, purified using known methods and methods described herein, and added to cells containing the heterologous gene. . The cell may either be transiently transfected with a heterologous gene or have a heterologous gene stably integrated into its genome.
あるいは、本発明の遺伝子発現を調節する方法に使用する調節物質は、調節エレメントとしてのRev調節エレメント(RRE)と対にしたHIV Revタンパク質であってもよい。本明細書中実施例5に例証されるように、RREを含む標的細胞に送達されるRevタンパク質の量を増加すると、機能的に連結された標的遺伝子の発現が増加する。 Alternatively, the regulator used in the method for regulating gene expression of the present invention may be an HIV Rev protein paired with a Rev regulatory element (RRE) as a regulatory element. As illustrated in Example 5 herein, increasing the amount of Rev protein delivered to target cells containing RRE increases the expression of functionally linked target genes.
本発明の細胞プロセスを改変する方法の別の実施形態において、転位タンパク質に融合されるタンパク質分子はFv抗体フラグメントまたは一本鎖抗体(sFv)である。好ましくは、転位タンパク質およびsFvを含む融合タンパク質をコードするポリヌクレオチドを、本明細書に記載する方法で培養細胞に導入し、細胞核への転位および細胞内発現をおこなう。sFvが、細胞機能に関与する細胞内機構と関連する抗原標的、例えば細胞核内に位置する標的に特異的である場合、sFvの細胞内標的への結合により、細胞機能、例えば、Rasシグナル伝達(O. Elroy-Stein, T. R. Fuerst, B. Moss, Proc. Natl. Acad. Sci. 86, 6126-6130(1989))、膜輸送(O. Cachetら、Cancer Research 58, 1170-1176(1998))、またはウイルスの複製(J. H. Richardson, J. G. Sodroski, T. A. Waldmann, W. A. Marasco, Proc. Natl. Acad. Sci. 92, 3137-3141(1995))が妨害され得る。一本鎖抗体を構築して本発明の細胞プロセスを改変する方法に使用することができる細胞内標的のその他の例には、ヒトキナーゼ、転写因子、アポトーシスを制御するタンパク質、細胞周期調節物質、腫瘍タンパク質等が含まれる。 In another embodiment of the method of altering cellular processes of the invention, the protein molecule fused to the translocation protein is an Fv antibody fragment or a single chain antibody (sFv). Preferably, a polynucleotide encoding a fusion protein containing a translocation protein and sFv is introduced into cultured cells by the method described herein, and translocation to the cell nucleus and intracellular expression are performed. When sFv is specific for an antigen target associated with an intracellular mechanism involved in cell function, such as a target located in the cell nucleus, binding of sFv to the intracellular target causes cell function, e.g., Ras signaling ( O. Elroy-Stein, TR Fuerst, B. Moss, Proc. Natl. Acad. Sci. 86, 6126-6130 (1989)), membrane transport (O. Cachet et al., Cancer Research 58, 1170-1176 (1998)) Alternatively, viral replication (JH Richardson, JG Sodroski, TA Waldmann, WA Marasco, Proc. Natl. Acad. Sci. 92, 3137-3141 (1995)) may be disrupted. Other examples of intracellular targets that can be used in methods of constructing single chain antibodies to alter the cellular processes of the present invention include human kinases, transcription factors, proteins that control apoptosis, cell cycle regulators, Tumor proteins and the like are included.
したがって、本発明の細胞プロセスを調節する方法に使用される1以上の調節物質は、培養細胞内の1以上の調節エレメントの成分に特異的なFvまたはsFvを含んでいてよく(調節エレメントが天然のものであっても細胞にトランスフェクトされたものであってもよい)、ここで、転位タンパク質による細胞内へのFvまたはsFvの転位および上記成分への抗体の結合が標的遺伝子産物の発現を調節する。 Accordingly, the one or more modulators used in the method of modulating a cellular process of the present invention may comprise Fv or sFv specific for a component of one or more regulatory elements in cultured cells (the regulatory element is native). In which Fv or sFv is translocated into the cell by the translocating protein and the antibody is bound to the above components, thereby expressing the expression of the target gene product. Adjust.
例えば、細胞内プロセスは、VP22に融合した抗ATF-2 sFvおよびVP16の転写活性化ドメインを含む融合タンパク質を作ることにより改変された(図2A-D)。ATF-2は転写因子のbZIPファミリーに属し、ホモダイマーとして、または例えばJun (S. Huguierら、Molecular and Cellular Biology 18:7020-7029, 1998)とのヘテロダイマーとして、8-bpATF/CREBモチーフを介して遺伝子発現を制御する。融合タンパク質がリポーター遺伝子、例えば、細菌ルシフェラーゼ遺伝子の上流に結合したATF-2を有するリポーター細胞系内に発現された場合、細胞核中のATF-2抗原への融合タンパク質中のsFvの結合(図2A-D)がATF-2 sFv-VP16融合体の発現を誘発するが(図2B)、CREB sFv-VP16融合体を誘発しないので(図2C)、その結果としてリポーター遺伝子が発現する。この実験は、ATF-2 sFvが細胞核に送達されて、そこでATF-2抗原に結合することを証明する。 For example, the intracellular process was modified by making a fusion protein containing the anti-ATF-2 sFv fused to VP22 and the transcriptional activation domain of VP16 (FIGS. 2A-D). ATF-2 belongs to the bZIP family of transcription factors, as a homodimer or as a heterodimer with, for example, Jun (S. Huguier et al., Molecular and Cellular Biology 18: 7020-7029, 1998) via the 8-bp ATF / CREB motif. To control gene expression. When the fusion protein is expressed in a reporter cell line with a reporter gene, eg, ATF-2 bound upstream of a bacterial luciferase gene, binding of the sFv in the fusion protein to the ATF-2 antigen in the cell nucleus (FIG. 2A -D) induces the expression of the ATF-2 sFv-VP16 fusion (FIG. 2B) but not the CREB sFv-VP16 fusion (FIG. 2C), resulting in the expression of the reporter gene. This experiment demonstrates that ATF-2 sFv is delivered to the cell nucleus where it binds to the ATF-2 antigen.
本明細書において、“Fv”は、2本の鎖として発現されるが化学的に結合している、L鎖の可変領域およびH鎖の可変領域を含む遺伝子工学により作られたフラグメントを意味し、“sFv”は、適当なポリペプチドリンカーにより結合されて遺伝子的に融合した一本鎖の分子となったL鎖の可変領域およびH鎖の可変領域を含む遺伝子工学により作られた分子を意味する。 As used herein, “Fv” refers to a genetically engineered fragment comprising a light chain variable region and a heavy chain variable region that are expressed as two chains but are chemically linked. , "SFv" means a genetically engineered molecule comprising a light chain variable region and a heavy chain variable region that are linked together by a suitable polypeptide linker into a genetically fused single chain molecule .
Fv中のL鎖およびH鎖の可変領域の結合は、Inbarら、Proc. Natl. Acad. Sci. USA 69:2659-62, 1972に記載されるように、非共有結合であってよい。あるいは、可変鎖は分子間ジスルフィド結合により結合されてもよく、またはグルタルアルデヒドのような化学物質により架橋されてもよい。 The binding of the variable regions of the L and H chains in Fv may be non-covalent as described in Inbar et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 69: 2659-62, 1972. Alternatively, the variable chains may be linked by intermolecular disulfide bonds or cross-linked by chemicals such as glutaraldehyde.
Fvの2つのセグメントを結合するために、または他の2つのタンパク質(例えば、転位タンパク質およびDNA結合タンパク質)を結合するために使用されるリンカーの例は、N-スクシンイミジル(4-ヨードアセチル)-アミノベンゾアート、スルホスクシンイミジル(4-ヨードアセチル)-アミノベンゾアート、4-スクシンイミジルオキシカルボニル-α-(2-ピリジルジチオ)トルエン、スルホスクシンイミジル-6-[α-メチル-α-(ピリジルジチオール)-トルアミド]ヘキサノアート、N-スクシンイミジル-3-(-2-ピリジルジチオ)-プロピオナート、スクシンイミジル6[3(-(-2-ピリジルジチオ)-プロピオンアミド]ヘキサノアート、スルホスクシンイミジル6[3(-(-2-ピリジルジチオ)-プロピオンアミド]ヘキサノアート、3-(2-ピリジルジチオ)-プロピオニルヒドラジド、エルマン試薬、ジクロロトリアジン酸、S-(2-チオピリジル)-L-システイン等のような二官能性の開裂可能な架橋剤である。さらに別の二官能性結合化合物は米国特許第5,349,066号、第5,618,528号、第4,569,789号、第4,952,394号および第5,137,877号に開示されており、これらの文献をそれぞれ全体として参照により本明細書に組み入れる。 An example of a linker used to join two segments of Fv or to join two other proteins (eg translocation protein and DNA binding protein) is N-succinimidyl (4-iodoacetyl)- Aminobenzoate, sulfosuccinimidyl (4-iodoacetyl) -aminobenzoate, 4-succinimidyloxycarbonyl-α- (2-pyridyldithio) toluene, sulfosuccinimidyl-6- [α- Methyl-α- (pyridyldithiol) -toluamide] hexanoate, N-succinimidyl-3-(-2-pyridyldithio) -propionate, succinimidyl 6 [3 (-(-2-pyridyldithio) -propionamide] hexano Art, sulfosuccinimidyl 6 [3 (-(-2-pyridyldithio) -propionamide] hexanoate, 3- (2-pyridyldithio) -propionyl hydrazide, Elman reagent Bifunctional cleavable crosslinkers such as dichlorotriazine acid, S- (2-thiopyridyl) -L-cysteine, etc. Still other bifunctional linking compounds are U.S. Patent Nos. 5,349,066, 5,618,528, Nos. 4,569,789, 4,952,394 and 5,137,877, each of which is hereby incorporated by reference in its entirety.
これらのリンカーは当業者に公知の多くのプロトコール、例えば、実施例1および2に記載される方法を用いて、精製したタンパク質に結合させることができる(Pierce Chemicals “Solutions, Cross-linking of Proteins: Basic Concepts and Strategies,”Seminar#12, Rockford, ILを参照されたい)。 These linkers can be coupled to the purified protein using a number of protocols known to those skilled in the art, such as the methods described in Examples 1 and 2 (Pierce Chemicals “Solutions, Cross-linking of Proteins: See Basic Concepts and Strategies, “Seminar # 12, Rockford, IL”.
好ましくは、本発明の方法に使用される抗体は、ペプチドリンカーにより連結されたVHおよびVL鎖からなるsFvである。これらの一本鎖抗原結合タンパク質(sFv)は、オリゴヌクレオチドにより連結されたVHおよびVLドメインをコードするDNA配列からなる構造遺伝子を構築することにより製造される。上記構造遺伝子を発現ベクターに挿入した後、この発現ベクターを大腸菌(E. coli)のような宿主細胞に導入する。組換え宿主細胞は、2つのVドメインを橋渡しするリンカーポリペプチドを有する一本鎖のポリペプチドを合成する。sFvを製造する方法は、例えば、WhitlowおよびFilpula, Methods, 2:97-105, 1991;Birdら、Science 242:423-426, 1988;Packら、Bio/Technology 11:1271-77, 1993;およびLadnerら、米国特許第4,946,778号に記載されており、これらの文献を全体として参照により本明細書に組み入れる。これらの公知の方法を改変して、本明細書に記載するように、sFvおよび転位タンパク質からなる融合タンパク質を作ることができる。 Preferably, the antibody used in the method of the present invention is sFv consisting of V H and V L chains linked by a peptide linker. These single-chain antigen binding proteins (sFv) are produced by constructing a structural gene consisting of DNA sequences encoding VH and VL domains linked by oligonucleotides. After the structural gene is inserted into an expression vector, the expression vector is introduced into a host cell such as E. coli. The recombinant host cell synthesizes a single chain polypeptide with a linker polypeptide that bridges the two V domains. Methods for producing sFv are described, for example, in Whitlow and Filpula, Methods, 2: 97-105, 1991; Bird et al., Science 242: 423-426, 1988; Pack et al., Bio / Technology 11: 1271-77, 1993; Ladner et al., US Pat. No. 4,946,778, which is hereby incorporated by reference in its entirety. These known methods can be modified to create a fusion protein consisting of sFv and a translocation protein, as described herein.
例えば、sFv中のリンカーは、約2から約60個のアミノ酸残基を有する、典型的には約5から約40個の、好ましくは約10から約30個のアミノ酸残基を有するペプチドであってよい。この代替手段はリガンド部分がタンパク質様である場合に特に有利である。例えば、リンカー部分は、一本鎖抗体の研究において知られているような柔軟性のスペーサーアミノ酸配列であってよい。このような公知のリンカー部分の例には、GGGGS(配列番号9)、(GGGGS)n(配列番号10)、GKSSGSGSESKS(配列番号11)、GSTSGSGKSSEGKG(配列番号12)、GSTSGSGKSSEGSGSTKG(配列番号13)、GSTSGSGKSSEGKG(配列番号14)、GSTSGSGKPGSGEGSTKG(配列番号15)、EGKSSGSGSESKEF(配列番号16)、SRSSG(配列番号17)、SGSSC(配列番号18)等が含まれる。MGRSGGGCAGNRVGSSLSCGGLNLQAM(配列番号19)の配列を有するジフテリア毒素トリプシン感受性リンカーもまた有用である。あるいは、ペプチドリンカー部分はVMまたはAMであってもよく、または一般式AM(G2から4S)xAMで、xが1から11の整数であるもの(配列番号20)で表される構造を有していてもよい。その他のリンカー部分は、例えば、Hustonら、PNAS 85:5879-5883, 1988; Whitlow, M.ら、Protein Engineering 6:989-995, 1993; Newtonら、Biochemistry 35:545-553, 1996; A. J. Cumberら、Bioconj. Chem. 3:397-401, 1992; Ladurnerら、J. Mol. Biol. 273:330-337, 1997; および米国特許第4,894,443号に記載されており、最後の文献を全体として参照により本明細書に組み入れる。 For example, the linker in sFv is a peptide having about 2 to about 60 amino acid residues, typically about 5 to about 40, preferably about 10 to about 30 amino acid residues. It's okay. This alternative is particularly advantageous when the ligand moiety is proteinaceous. For example, the linker moiety may be a flexible spacer amino acid sequence as known in single chain antibody studies. Examples of such known linker moieties include GGGGS (SEQ ID NO: 9), (GGGGS) n (SEQ ID NO: 10), GKSSGSGSESKS (SEQ ID NO: 11), GTSGSSGKSSEGKG (SEQ ID NO: 12), GSTSGSGKSSEGSGSTKG (SEQ ID NO: 13), GSTSGSGKSSEGKG (SEQ ID NO: 14), GTSGSSGKPGSGEGSTKG (SEQ ID NO: 15), EGKSSGSGSESKEF (SEQ ID NO: 16), SRSSG (SEQ ID NO: 17), SGSSC (SEQ ID NO: 18) and the like are included. A diphtheria toxin trypsin sensitive linker having the sequence MGRSGGGCAGNRVGSSLSCGGLNLQAM (SEQ ID NO: 19) is also useful. Alternatively, the peptide linker moiety may be VM or AM, or a structure represented by the general formula AM (G 2 to 4 S) xAM, where x is an integer from 1 to 11 (SEQ ID NO: 20) You may have. Other linker moieties are described, for example, by Huston et al., PNAS 85: 5879-5883, 1988; Whitlow, M. et al., Protein Engineering 6: 989-995, 1993; Newton et al., Biochemistry 35: 545-553, 1996; AJ Cumber Bioconj. Chem. 3: 397-401, 1992; Ladurner et al., J. Mol. Biol. 273: 330-337, 1997; and U.S. Pat. Are incorporated herein by reference.
培養細胞内の標的遺伝子がリポーター遺伝子である場合、例えば、当業者に公知であるように、大腸菌(E. coli)β-ガラクトシダーゼ遺伝子、ルシフェラーゼ、またはCATのような検出可能なマーカーをコードする非内在性遺伝子である場合も本発明の範囲に含まれるものとする。 When the target gene in the cultured cell is a reporter gene, for example, as known to those skilled in the art, a non-coding gene encoding a detectable marker such as E. coli β-galactosidase gene, luciferase, or CAT. A case of an endogenous gene is also included in the scope of the present invention.
融合分子の精製、または本発明の方法の使用により誘発される発現の検出を助けるために、リポーター遺伝子をコードするポリヌクレオチドの中に、抗体エピトープ(例えば、Mycに由来するもの)、蛍光ペプチド、またはポリHisタグのような、タンパク質タグをコードする追加のヌクレオチド配列を含めると好都合なことが多い。 In order to assist in the purification of the fusion molecule or the detection of expression induced by the use of the method of the invention, the polynucleotide encoding the reporter gene includes an antibody epitope (eg, derived from Myc), a fluorescent peptide, Or it is often convenient to include additional nucleotide sequences encoding protein tags, such as poly-His tags.
ペプチドまたはオリゴヌクレオチド分子を転位タンパク質に結合させるためにさまざまな方法を用いることができる。例えば、転位タンパク質は、DNAのような巨大分子およびタンパク質に結合することができ、結合して本発明の方法に用いる融合タンパク質または融合遺伝子の製造に有用なリンカーを形成する2つの低分子量化学親和性リガンドを用いて、本発明の方法に使用するための転位タンパク質または転位ポリペプチドをコードするポリヌクレオチドに共有結合でコンジュゲートさせることができる。このような2つの低分子量の化学親和性リガンドはサリチルヒドロキサム酸(SHA)およびフェニルボロン酸(PBA)であって、迅速に反応して可逆的pH感受性共有結合を形成することにより(図3A-C)、転位タンパク質を別のタンパク質またはポリヌクレオチドに結合させるための便利なリンカーを提供する。例えば、PBA-NTP(ProLinx、シアトル、ワシントン州より入手可能)を用いてPBAを含む核酸分子を合成することができる。あるいは、2本鎖の場合、酵素ターミナルトランスフェラーゼを用いて、PBAを含む核酸分子をPBA-ATPにより標識することができる。また、SHA-NHSエステルを用いて、SHAを転位タンパク質中に存在するリシン残基に結合することができる。この実施形態において、PBA接合分子およびSHA接合転位タンパク質は共有結合により結合して細胞に加えられる。あるいは、他のリンカー、例えば、ジスルフィド結合(細胞質への送達に際して破壊される)または二官能性リンカー分子(例えば、本明細書に開示されるような)もまた使用することができる。これらのリンカー、または当業者に公知のおよび本明細書に開示される他のリンカーを用いた共有結合は、転位タンパク質と他の分子の比較的安定な結合を提供する。 Various methods can be used to attach the peptide or oligonucleotide molecule to the translocating protein. For example, translocation proteins can bind to macromolecules and proteins such as DNA, and combine to form two low molecular weight chemical affinities that form linkers useful in the production of fusion proteins or genes used in the methods of the invention. The sex ligand can be used to covalently conjugate to a polynucleotide encoding a translocating protein or translocating polypeptide for use in the methods of the invention. Two such low molecular weight chemical affinity ligands are salicylhydroxamic acid (SHA) and phenylboronic acid (PBA), which react rapidly to form reversible pH-sensitive covalent bonds (Figure 3A- C), providing a convenient linker for attaching the translocated protein to another protein or polynucleotide. For example, PBA-NTP (available from ProLinx, Seattle, WA) can be used to synthesize nucleic acid molecules containing PBA. Alternatively, in the case of a double strand, a nucleic acid molecule containing PBA can be labeled with PBA-ATP using an enzyme terminal transferase. SHA-NHS esters can also be used to link SHA to lysine residues present in translocated proteins. In this embodiment, the PBA junction molecule and the SHA junction translocation protein are covalently linked and added to the cell. Alternatively, other linkers, such as disulfide bonds (broken upon delivery to the cytoplasm) or bifunctional linker molecules (eg, as disclosed herein) can also be used. Covalent bonds using these linkers, or other linkers known to those skilled in the art and disclosed herein, provide a relatively stable bond between the translocating protein and other molecules.
さらに、いくつかの強い非共有結合による分子の相互作用を、転位タンパク質含有複合体を生成するために用いることができる。例えば、ストレプトアビジンは非常に強くビオチンに結合する(解離定数はおよそ10-15である)。この強い親和性は、通常はタンパク質を基質に結合するために用いられるが、細胞プロセス改変分子を転位ポリペプチドに結合させるリンカーを形成するために用いることができる。例えば、VP22転位タンパク質およびストレプトアビジンを含む融合タンパク質を作り、ビオチン化したオリゴヌクレオチドと複合体を形成させて、細胞プロセス改変ポリヌクレオチドを転位ポリペプチドに結合させるリンカーを形成する。ストレプトアビジンはビオチンに四量体として結合し(四量体の分子量は60,000ダルトン)、VP22は多量体として作用して、この組合せを適切なものとしていると考えられる。 In addition, several strong non-covalent molecular interactions can be used to generate translocated protein-containing complexes. For example, streptavidin binds to biotin very strongly (dissociation constant is approximately 10-15 ). This strong affinity is usually used to bind the protein to the substrate, but can be used to form a linker that connects the cellular process modifying molecule to the translocating polypeptide. For example, a fusion protein comprising a VP22 translocation protein and streptavidin is made and complexed with a biotinylated oligonucleotide to form a linker that binds the cellular process-modified polynucleotide to the translocation polypeptide. Streptavidin binds to biotin as a tetramer (tetramer has a molecular weight of 60,000 daltons) and VP22 appears to act as a multimer, making this combination appropriate.
本発明の方法に使用するための転位ポリペプチドに細胞プロセス改変分子を結合するリンカーとして使用することのできる別のポリペプチド分子は、大腸菌(E. coli)由来の1本鎖DNA結合タンパク質(SSB)である。SSBの21アミノ酸残基(アミノ酸残基2から22まで)のみがssDNAへの結合に関与していると思われる(すなわち、「SSBの機能性断片」)。さらに、SSBのssDNAへの結合は配列特異的でない。したがって、SSBの機能性断片に融合した転位タンパク質を含む融合タンパク質は、転位タンパク質をオリゴヌクレオチドまたはプラスミドDNAに結合するための非常に魅力的なリンカーである。転位タンパク質に結合するためにオリゴヌクレオチドを修飾する必要のある上記のリンカー分子(すなわち、PBAおよびSHA、またはストレプトアビジンおよびビオチンを含むもの)と異なり、SSBおよび転位タンパク質を含む融合タンパク質は修飾していないDNAに結合することができるので、時間および費用の節約という利点を提供する。
Another polypeptide molecule that can be used as a linker to attach a cellular process modifying molecule to a translocating polypeptide for use in the methods of the present invention is a single stranded DNA binding protein (SSB) from E. coli. ). Only 21 amino acid residues of SSB (
次に、以下の限定を目的としない実施例を参照して本発明をより詳細に説明する。
実施例1
トランスフェクションによる培養細胞へのVP22融合タンパク質の導入
VP22タンパク質をコードする完全なオープンリーディングフレームを、真核細胞発現ベクターpcDNA3.1/myc-His(Invitrogen, San Diego, CA) にクローン化して、ベクターpVP22/Myc-His(図5、配列番号1)を作った。このベクターには、VP22 ORFとC-末端の抗mycエピトープおよびポリHisタグをコードする配列の間に位置するマルチクローニング部位に、融合パートナーのORFを挿入することができる。抗mycエピトープは抗myc抗体を用いる組換えタンパク質の検出を容易にし、ポリHisタグは精製に有用である。また、使用したベクターを、線状化したベクターDNA(例えば、pVP22 TOPO(登録商標) TA Cloning(登録商標) Kit (Invitrogen)) へのワクシニアウイルスのトポイソメラーゼIタンパク質の共有結合によるカップリングにより修飾した。このタイプのベクターにおいて、目的とする遺伝子産物(すなわち、「融合パートナー」)のORFを、PCR産物としてベクターにクローン化した。このようなVP22ポリペプチドをコードするトポイソメラーゼ接合ベクターの例は、pVP22/Myc-HisTOPO(登録商標)ベクター(図7、配列番号2)である。どちらの場合にも、次に、VP22遺伝子融合体を含むプラスミドを培養細胞にトランスフェクトした。
The invention will now be described in more detail with reference to the following non-limiting examples.
Example 1
Introduction of VP22 fusion protein into cultured cells by transfection
The complete open reading frame encoding VP22 protein was cloned into the eukaryotic expression vector pcDNA3.1 / myc-His (Invitrogen, San Diego, Calif.) And the vector pVP22 / Myc-His (FIG. 5, SEQ ID NO: 1). )made. The fusion partner ORF can be inserted into this vector at the multiple cloning site located between the VP22 ORF and the sequence encoding the C-terminal anti-myc epitope and poly-His tag. Anti-myc epitopes facilitate detection of recombinant proteins using anti-myc antibodies, and poly-His tags are useful for purification. In addition, the vector used was modified by covalent coupling of vaccinia virus topoisomerase I protein to linearized vector DNA (eg, pVP22 TOPO® TA Cloning® Kit (Invitrogen)). . In this type of vector, the ORF of the gene product of interest (ie, “fusion partner”) was cloned into the vector as a PCR product. An example of a topoisomerase conjugation vector encoding such a VP22 polypeptide is the pVP22 / Myc-HisTOPO® vector (FIG. 7, SEQ ID NO: 2). In either case, the cultured cells were then transfected with a plasmid containing the VP22 gene fusion.
典型的なトランスフェクションにおいて、COSまたはCHO細胞を6ウェルプレートにまき、およそ50%の集密度にまで増殖した後トランスフェクトした。それぞれのウェルに対して、5μgのDNAを1.5mlのOptiMEM培地(Gibco BRL, Chagrin Falls, OH)で希釈し、COS細胞用には15μlのPfx-6脂質(Invitrogen)を、CHO細胞用には15μlのPfx-7脂質(Invitrogen)と混合した。希釈したDNAに脂質を加えたものを細胞と共に37℃で4時間インキュベートした後、適当な培地に置き換え、さらに37℃で40から48時間インキュベートした。 In a typical transfection, COS or CHO cells were seeded in 6-well plates, grown to approximately 50% confluency and then transfected. For each well, 5 μg of DNA is diluted with 1.5 ml of OptiMEM medium (Gibco BRL, Chagrin Falls, OH), 15 μl of Pfx-6 lipid (Invitrogen) for COS cells, and for CHO cells. Mixed with 15 μl of Pfx-7 lipid (Invitrogen). The diluted DNA plus lipid was incubated with the cells at 37 ° C for 4 hours, then replaced with an appropriate medium, and further incubated at 37 ° C for 40 to 48 hours.
mycエピトープタグに対する抗体を用いた免疫蛍光法により、トランスフェクトされた細胞から周囲のトランスフェクトされていない細胞へのVP22融合タンパク質の拡散を検出した。典型的な免疫蛍光実験において、6ウェル組織培養プレートの1つの35mmウェルに入れたトランスフェクト細胞をリン酸緩衝生理食塩水(PBS)で洗浄し、2mlのメタノール中で5分間インキュベートすることにより固定した。細胞をPBS(1回の洗浄に2ml)で5回洗浄し、10%のウシ胎児血清(FBS)を含むPBSを用いて15分間ブロックした後、10% FBSを含むPBS 1mlで1:500に希釈したmycエピトープタグに対する抗体(Invitrogen)を加えて20分間インキュベートした。抗体に蛍光分子を結合するために、細胞をPBSで2回洗浄し、10% FBSを含むPBS 1mlで1:500に希釈したヤギ抗マウスOregon Greenコンジュゲート(Molecular Probes, Eugene, OR; cat# O-6383)を加えて20分間インキュベートした。さらに2回洗浄した後、フルオレセインイソチオシアナート(FITC)フィルターをつけたOlympus IX-70蛍光顕微鏡を用いて抗原抗体複合体を観察した。 Diffusion of the VP22 fusion protein from the transfected cells to the surrounding untransfected cells was detected by immunofluorescence using an antibody against the myc epitope tag. In a typical immunofluorescence experiment, transfected cells in one 35 mm well of a 6-well tissue culture plate are washed with phosphate buffered saline (PBS) and fixed by incubating in 2 ml of methanol for 5 minutes. did. Cells are washed 5 times with PBS (2 ml per wash), blocked for 15 minutes with PBS containing 10% fetal bovine serum (FBS), then 1: 500 with 1 ml PBS containing 10% FBS. An antibody against diluted myc epitope tag (Invitrogen) was added and incubated for 20 minutes. To bind the fluorescent molecule to the antibody, the cells were washed twice with PBS and diluted 1: 500 with 1 ml of PBS containing 10% FBS, goat anti-mouse Oregon Green conjugate (Molecular Probes, Eugene, OR; cat # O-6383) was added and incubated for 20 minutes. After further washing twice, the antigen-antibody complex was observed using an Olympus IX-70 fluorescence microscope equipped with a fluorescein isothiocyanate (FITC) filter.
このようにして調製したいくつかのVP22融合タンパク質の転位、例えば、融合パートナーとしてAequorea victoria緑色蛍光タンパク質(hoGFP)、lacZ、または部位特異的リコンビナーゼFlpを取り込んだものの転位がこの方法により達成された。
実施例2
細胞の遺伝子融合体によるトランスフェクションおよびその後のトランスフェクトされていない細胞との混合
VP22を機能遺伝子産物の発現をモジュレートするために使用し得る方法を示すために、部位特異的DNAリコンビナーゼFlpを送達する系を開発した。VP22-Flpリコンビナーゼ融合タンパク質を発現するCOS細胞を上記の通りに調製し、リポータープラスミドpFIN4/lacZを用いてトランスフェクトしたCHO細胞と混合した(図1)。リポータープラスミドにおいて、転写終結因子、ウシ成長ホルモンポリアデニル化シグナル(GoodwinおよびRottman, J.Biol.Chem. 267:16330-4, 1992)を含むDNAセグメントはfrt部位(リコンビナーゼFlpにより認識される組換え部位)に隣接しており、CMVプロモーターと、リポーターとしてのβ-ガラクトシダーゼをコードする他の作動可能に結合されたリポーター遺伝子とを分離する。pFIN4/lacZを用いてトランスフェクトした細胞は、frt部位の間に位置する転写終結因子の存在のため、β-ガラクトシダーゼを発現しなかった。
Translocations of several VP22 fusion proteins thus prepared, such as those incorporating Aequorea victoria green fluorescent protein ( ho GFP), lacZ, or site-specific recombinase Flp as fusion partners, were achieved by this method. .
Example 2
Transfection of cells with gene fusion and subsequent mixing with untransfected cells
To demonstrate how VP22 can be used to modulate the expression of functional gene products, a system has been developed that delivers site-specific DNA recombinase Flp. COS cells expressing VP22-Flp recombinase fusion protein were prepared as described above and mixed with CHO cells transfected with the reporter plasmid pFIN4 / lacZ (FIG. 1). In the reporter plasmid, the DNA segment containing the transcription terminator, bovine growth hormone polyadenylation signal (Goodwin and Rottman, J. Biol. Chem. 267: 16330-4, 1992) is a frt site (recombination site recognized by recombinase Flp). ), And separates the CMV promoter and other operably linked reporter genes encoding β-galactosidase as a reporter. Cells transfected with pFIN4 / lacZ did not express β-galactosidase due to the presence of a transcription terminator located between the frt sites.
前記リポーター遺伝子の発現が、1つの細胞集団から別の集団へのVP22-Flpリコンビナーゼ融合タンパク質の転位によって制御されることを証明するために、CHO細胞の2つの集団を調製し、一方をVP22-Flpリコンビナーゼ融合タンパク質を発現するプラスミドでトランスフェクトし、他方をVP22-GFP融合タンパク質を発現するプラスミドでトランスフェクトした。トランスフェクションは上記した通りに実施した。トランスフェクトが終了してから24時間後に、トリプシン処理により細胞を回収した。次いで、これら2つの細胞系を混合し、さらに24時間インキュベートした後、β-ガラクトシダーゼ活性について染色した。 To demonstrate that the expression of the reporter gene is controlled by translocation of the VP22-Flp recombinase fusion protein from one cell population to another, two populations of CHO cells were prepared, one of which is VP22- Transfected with a plasmid expressing the Flp recombinase fusion protein and the other with a plasmid expressing the VP22-GFP fusion protein. Transfection was performed as described above. 24 hours after the completion of transfection, cells were collected by trypsinization. These two cell lines were then mixed and incubated for an additional 24 hours before staining for β-galactosidase activity.
pFIN4/lacZでトランスフェクトしたCHO細胞は、VP22-Flp融合体を発現するCOS細胞と混合した場合、β-ガラクトシダーゼのみを発現した。Flpリコンビナーゼの存在下では、転写終結因子を含むDNAのセグメントはfrt部位の組換えにより除去され、β-ガラクトシダーゼが発現された。VP22-GFP融合タンパク質を発現するがVP22-Flp融合タンパク質を発現しないプラスミドでトランスフェクトしたCHO細胞の集団をインキュベートした結果、β-ガラクトシダーゼは発現されなかった。 CHO cells transfected with pFIN4 / lacZ expressed only β-galactosidase when mixed with COS cells expressing VP22-Flp fusion. In the presence of Flp recombinase, the DNA segment containing the transcription terminator was removed by recombination of the frt site and β-galactosidase was expressed. Incubation of a population of CHO cells transfected with a plasmid expressing the VP22-GFP fusion protein but not the VP22-Flp fusion protein resulted in no expression of β-galactosidase.
この実験は、VP22-Flp融合タンパク質が異なる哺乳類細胞型の間で転位し、機能的FlpリコンビナーゼがVP22融合タンパク質中の融合パートナーとして細胞に送達され得ることを示している。
実施例3
細胞の遺伝子融合体によるトランスフェクションおよびその後のトランスフェクト細胞からの細胞フリーの溶解産物の調製
これらの研究において、細胞を含まない溶解産物を、pVP22/myc-Hisでトランスフェクトした細胞から以下のようにして調製した。COS細胞を、100mm皿中で50%の集密度になるまで増殖させた(およそ106個の細胞)。Pfx-6を用いて、細胞を20μgのpVP22/myc-His DNAを用いてトランスフェクトした。トランスフェクションの40時間後に、細胞の単層をPBSで2回洗浄し、その後すくい取って10mlのPBS中に回収した。細胞を500gで5分間遠心分離し、PBSを細胞ペレットから吸引した後、該細胞ペレットをドライアイス上で凍結させた。凍結した細胞ペレットは、溶解産物を調製するまで−80℃にて保存した。該細胞ペレットに、0.5 mlの氷冷した溶解緩衝液(10 mM HEPES、pH 7.9、400 mM NaCl、0.1 mMエチレンジアミン四酢酸(EDTA)、0.5 mMジチオトレイトール(DTT)、5%グリセロール)を加えて、氷上で解凍した。次に、溶解産物を簡単にボルテックスミキサーにかけ、10000×gで5分間、4℃にて遠心分離した。
This experiment shows that the VP22-Flp fusion protein translocates between different mammalian cell types and that the functional Flp recombinase can be delivered to the cell as a fusion partner in the VP22 fusion protein.
Example 3
Transfection with cell gene fusion and subsequent preparation of cell-free lysates from transfected cells In these studies, cell-free lysates were obtained from cells transfected with pVP22 / myc-His as follows: It was prepared as follows. COS cells were grown to 50% confluency in a 100 mm dish (approximately 10 6 cells). Cells were transfected with 20 μg pVP22 / myc-His DNA using Pfx-6. Forty hours after transfection, cell monolayers were washed twice with PBS, then scooped and collected in 10 ml PBS. Cells were centrifuged at 500 g for 5 minutes, PBS was aspirated from the cell pellet, and the cell pellet was frozen on dry ice. The frozen cell pellet was stored at −80 ° C. until the lysate was prepared. Add 0.5 ml of ice-cold lysis buffer (10 mM HEPES, pH 7.9, 400 mM NaCl, 0.1 mM ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), 0.5 mM dithiothreitol (DTT), 5% glycerol) to the cell pellet. And thawed on ice. The lysate was then briefly vortexed and centrifuged at 10000 xg for 5 minutes at 4 ° C.
上清全体を、組織培養培地を除去することなく、直ちに35 mmプレート中の2×105個の細胞に加えた。37℃で10分間インキュベートした後、培地を除去し、上記の免疫蛍光法を用いて、細胞核内に位置するVP22/myc-Hisタンパク質を検出した。 The entire supernatant was immediately added to 2 × 10 5 cells in a 35 mm plate without removing the tissue culture medium. After incubating at 37 ° C. for 10 minutes, the medium was removed, and the VP22 / myc-His protein located in the cell nucleus was detected using the immunofluorescence method described above.
融合タンパク質を発現する細胞から調製した、細胞を含まない溶解産物から哺乳動物細胞へのVP22融合タンパク質の取り込みを検出するための別の方法は、ウエスタンブロット法を利用する。典型的なウエスタンブロット実験では、HeLa、COSまたはCHO細胞を、60 mm皿に50%の集密度でうえた。溶解産物を適用した後、細胞をPBSで1回、次いで500 mM NaClを含むPBSで洗浄して、細胞の外側に非特異的に結合したタンパク質を除去した。該細胞をトリプシンで約5分間処理してプレートから解離させ、残存する細胞外ペプチドをすべて消化した。該細胞を可溶化し、タンパク質を4〜20%のグリシンゲル(Invitrogen, Carlsbad, CA)上で分離した。次いで、この分離したタンパク質をニトロセルロースに移して、西洋ワサビペルオキシダーゼ(HRP)に結合させた適当な抗体でプローブした。次に、VP22融合タンパク質を化学発光を用いて検出した。 Another method for detecting uptake of VP22 fusion protein into mammalian cells from cell-free lysates prepared from cells expressing the fusion protein utilizes Western blotting. In a typical Western blot experiment, HeLa, COS or CHO cells were plated on a 60 mm dish at 50% confluence. After applying the lysate, the cells were washed once with PBS and then with PBS containing 500 mM NaCl to remove proteins that non-specifically bound to the outside of the cells. The cells were treated with trypsin for about 5 minutes to dissociate from the plate and all remaining extracellular peptide was digested. The cells were solubilized and proteins were separated on a 4-20% glycine gel (Invitrogen, Carlsbad, CA). The separated protein was then transferred to nitrocellulose and probed with an appropriate antibody conjugated to horseradish peroxidase (HRP). Next, VP22 fusion protein was detected using chemiluminescence.
このように、pVP22/myc-Hisでトランスフェクトした細胞の溶解産物中に含まれるVP22/myc-Hisタンパク質は、接触から10分以内にすべてのトランスフェクトされていない細胞の核に転位した。この知見は、VP22を含む溶解産物が、レセプター細胞集団のトランスフェクションを必要としないでタンパク質配列を細胞型へ送達するのに有用であることを示している。
実施例4
大腸菌(E.coli)におけるVP22融合タンパク質の発現およびそれに続く培養細胞への精製したタンパク質の適用
大腸菌(E.coli)からのVP22融合タンパク質の発現および精製を可能にするために、ベクターpCRT7/VP22-1を開発した。このベクターは、VP22融合タンパク質の細胞膜を超えての転位に十分であることが証明されているVP22タンパク質のC-末端断片(アミノ酸159-301)を利用する。上記の方法を使って、融合パートナーとしてさまざまなタンパク質(HIV Revタンパク質およびヒトタンパク質rhoAを含む)を含むVP22融合タンパク質を調製し、融合タンパク質を発現し、精製した。培養細胞による取り込みの後に、それぞれの融合パートナーの活性が証明された。従来の技術を用いて、細胞がわずかしかトランスフェクトしない場合でも細胞培養において転位がおこるような高い効率を証明するために、標準的なトランスフェクションプロトコールに不応性であることが知られているJurkat T-細胞およびPC12細胞によるVP22/GFP融合タンパク質の取り込みもまた行われた。これらの実験は、VP22融合タンパク質が精製された後、培養された哺乳動物細胞集団の実質的にすべての細胞に送達され得ることを示しており、細胞系が標準的なトランスフェクションプロトコールに不応性であることが知られている場合であっても、トランスフェクションの必要性を完全に排除するものである。
Thus, the VP22 / myc-His protein contained in the lysate of cells transfected with pVP22 / myc-His was translocated to the nucleus of all untransfected cells within 10 minutes of contact. This finding indicates that lysates containing VP22 are useful for delivering protein sequences to cell types without the need for transfection of receptor cell populations.
Example 4
Expression of VP22 fusion protein in E. coli and subsequent application of purified protein to cultured cells To allow expression and purification of VP22 fusion protein from E. coli, vector pCRT7 / VP22 -1 was developed. This vector utilizes a C-terminal fragment of VP22 protein (amino acids 159-301) that has been demonstrated to be sufficient for translocation of the VP22 fusion protein across the cell membrane. Using the method described above, VP22 fusion proteins containing various proteins (including HIV Rev protein and human protein rhoA) as fusion partners were prepared, and the fusion protein was expressed and purified. Following uptake by cultured cells, the activity of each fusion partner was demonstrated. Jurkat, known to be refractory to standard transfection protocols, to prove high efficiency using conventional techniques to allow transposition to occur in cell culture even when only a few cells are transfected Uptake of VP22 / GFP fusion protein by T-cells and PC12 cells was also performed. These experiments show that the VP22 fusion protein can be purified and then delivered to virtually all cells of the cultured mammalian cell population, making the cell line refractory to standard transfection protocols. Even if known to be, it completely eliminates the need for transfection.
pCRT7/VP22-1はpET9bベクターバックボーン(Novagen, Madison, WI)に由来する。pCRT7/VP22-1の調製において、転位活性に十分なVP22のC-末端領域(アミノ酸159-301)をコードする配列、マルチクローニングサイトを含む断片およびベクターpVP22/myc-His由来のmycおよびHisタグをpET9bベクターバックボーンに挿入した。pCRT7/VP22-1のマルチクローニングサイトはpVP22/myc-Hisのものに由来した。上記のpVP22/myc-His-TOPO(登録商標)プラスミドの調製と全く同じ方法でpCRT7/VP22-1ベクターを調製してワクシニアトポイソメラーゼIとカップリングさせた。したがって、このベクターにおいて、融合パートナーのORFをコードする配列は、マルチクローニングサイトの1つに挿入されうるか、またはpVP22/myc-HisもしくはpVP22/myc-His-TOPO(登録商標)プラスミドに使用したものと同様の方法でPCR産物としてトポイソメラーゼクローニング部位にクローン化されうるかのいずれかである。 pCRT7 / VP22-1 is derived from the pET9b vector backbone (Novagen, Madison, Wis.). Sequences encoding the C-terminal region of VP22 (amino acids 159-301) sufficient for translocation activity in preparation of pCRT7 / VP22-1, fragments containing multiple cloning sites and myc and His tags from vector pVP22 / myc-His Was inserted into the pET9b vector backbone. The multicloning site of pCRT7 / VP22-1 was derived from that of pVP22 / myc-His. A pCRT7 / VP22-1 vector was prepared and coupled with vaccinia topoisomerase I in exactly the same manner as the preparation of the above-described pVP22 / myc-His-TOPO® plasmid. Thus, in this vector, the sequence encoding the fusion partner ORF can be inserted into one of the multiple cloning sites or used in the pVP22 / myc-His or pVP22 / myc-His-TOPO® plasmid. Can be cloned into the topoisomerase cloning site as a PCR product in a similar manner.
典型的な実験において、VP22融合タンパク質は以下のように発現された。10ngのpCRT7/VP22-1 DNAを50μlのBL21(DE3)plysS細胞に形質転換した。形質転換された細胞を200μlのSOC培地中で37℃で1時間インキュベートした後、50μg/mlのカナマイシンを加えたLuria-Burtoni(LB)培地により2mlに希釈し、37℃で一晩増殖させた。2mlの培養物を50μg/mlのカナマイシンを含むLB培地50mlに接種するために用いた。細胞を光学濃度が0.5から0.6になるまで増殖させた後、37℃または室温(およそ25℃)に下げながらのいずれかで30分間増殖を続けた。1mlの培養物を取り出して増殖を続けた。残りの培養物にイソプロピル-β-D-チオガラクトピラノシド(IPTG)を最終濃度が1mMとなるように加えた。細胞をさらに4時間増殖させた後、誘導された(IPTGを加えたもの)培養物および誘導されない培養物からゲルサンプルを調製した。それぞれの培養物を200μl取り出し、遠心分離により細胞を回収し、ペレットを50μlの1 X SDS/PAGEサンプルバッファーに入れた。あるいは、細胞を残りの培養物から遠心分離により回収し、細胞ペレットを−80℃で保存した。 In a typical experiment, the VP22 fusion protein was expressed as follows. 10 ng of pCRT7 / VP22-1 DNA was transformed into 50 μl of BL21 (DE3) plysS cells. Transformed cells were incubated in 200 μl SOC medium for 1 hour at 37 ° C., then diluted to 2 ml with Luria-Burtoni (LB) medium supplemented with 50 μg / ml kanamycin and grown overnight at 37 ° C. . A 2 ml culture was used to inoculate 50 ml of LB medium containing 50 μg / ml kanamycin. The cells were grown to an optical density of 0.5 to 0.6, and then continued to grow for 30 minutes either at 37 ° C. or lowered to room temperature (approximately 25 ° C.). A 1 ml culture was removed and continued to grow. Isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside (IPTG) was added to the remaining culture to a final concentration of 1 mM. Cells were grown for an additional 4 hours before gel samples were prepared from induced (plus IPTG) and non-induced cultures. 200 μl of each culture was removed, the cells were collected by centrifugation, and the pellet was placed in 50 μl of 1 × SDS / PAGE sample buffer. Alternatively, cells were harvested from the remaining culture by centrifugation and the cell pellet was stored at -80 ° C.
VP22融合タンパク質は以下のようにして精製された。細胞ペレットを氷温で解凍し、4mlの氷冷した溶解バッファー(50mMリン酸ナトリウム、pH8.0、300mM NaCl、5mMイミダゾール)に再懸濁した。細胞溶解の直前に以下のものを溶解バッファーに加えた:5mMとなるようにβ-メルカプトエタノール、0.5mMとなるようにα-トルエンスルホニルフルオリド(PMSF)、それぞれ1μg/mlとなるようにロイペプチンおよびペプスタチン、および1mg/mlとなるようにリゾチーム。溶解物を氷上で20〜30分間インキュベートした後、氷上に保ったまま3×10秒間超音波処理した。DNアーゼおよびRNアーゼをそれぞれ最終濃度が10μg/mlとなるように加えた。溶解物をさらに20分間氷上で放置した後、21ゲージの注射針を通して3回吸引し、20000gで15分間遠心分離した。遠心分離の後に、可溶性の上清からゲルサンプルを調製した。上清を溶解バッファーで平衡化された1mlのProbond樹脂を含有するカラムに入れる(Probondビーズは6ヒスチジンアレイのタグをつけたタンパク質と相互作用する)。樹脂および上清を氷上のカラムの中で1〜2時間混合した。次にカラムを垂直に固定し、樹脂を沈殿させた。 The VP22 fusion protein was purified as follows. The cell pellet was thawed at ice temperature and resuspended in 4 ml ice-cold lysis buffer (50 mM sodium phosphate, pH 8.0, 300 mM NaCl, 5 mM imidazole). The following were added to the lysis buffer immediately before cell lysis: β-mercaptoethanol to 5 mM, α-toluenesulfonyl fluoride (PMSF) to 0.5 mM, leupeptin to 1 μg / ml each. And pepstatin, and lysozyme to 1 mg / ml. Lysates were incubated on ice for 20-30 minutes and then sonicated for 3 × 10 seconds while kept on ice. DNase and RNase were added to a final concentration of 10 μg / ml, respectively. The lysate was left on ice for an additional 20 minutes, then aspirated 3 times through a 21 gauge needle and centrifuged at 20000 g for 15 minutes. After centrifugation, a gel sample was prepared from the soluble supernatant. The supernatant is placed in a column containing 1 ml of Probond resin equilibrated with lysis buffer (Probond beads interact with 6-histidine array tagged proteins). The resin and supernatant were mixed in a column on ice for 1-2 hours. The column was then fixed vertically to precipitate the resin.
上清のサンプルを取り出して、SDS/PAGEにより結合していないタンパク質の存在を試験した。10mlの溶解バッファー(50mM リン酸ナトリウム、pH8.0、300mM NaCl、5mM イミダゾール)をカラムに通すことにより、樹脂を洗浄した。溶解バッファーを集めてゲルサンプルを除去した。次に、カラムを20mlの洗浄バッファー(50mM リン酸ナトリウム、pH8.0、300mM NaCl、40mMイミダゾール、10% グリセロール)で洗浄し、同じ方法でもう1つのゲルサンプルを調製した。イミダゾール濃度の増加するバッファー(イミダゾールが100mM、200mM、または500mMのいずれかの濃度である洗浄バッファー)を加えることによりタンパク質を溶出した。それぞれのバッファーを3mlずつ適用し、100mMおよび200mMイミダゾール溶出物のそれぞれ3mlずつを回収した。500mMイミダゾールの溶出物は0.5mlの画分として回収した。また、溶出後の樹脂10μgからゲルサンプルも調製され、タンパク質が結合して残っているかどうかを測定した。すべてのサンプルについて4〜20%のSDS/PAGEゲル(Novex)上で試験した後、1:2000希釈の抗myc-HRPコンジュゲート抗体(Invitrogen)を用いてクマシー染色またはウエスタンブロットを行った。精製したタンパク質はすぐに使うためには4℃で保存し、保存用には−80℃で凍結した。 A sample of the supernatant was removed and tested for the presence of unbound protein by SDS / PAGE. The resin was washed by passing 10 ml of lysis buffer (50 mM sodium phosphate, pH 8.0, 300 mM NaCl, 5 mM imidazole) through the column. The lysis buffer was collected and the gel sample was removed. The column was then washed with 20 ml wash buffer (50 mM sodium phosphate, pH 8.0, 300 mM NaCl, 40 mM imidazole, 10% glycerol) and another gel sample was prepared in the same manner. Proteins were eluted by adding buffer with increasing imidazole concentration (wash buffer with imidazole at either 100 mM, 200 mM, or 500 mM). 3 ml of each buffer was applied and 3 ml each of the 100 mM and 200 mM imidazole eluates were collected. The eluate of 500 mM imidazole was collected as a 0.5 ml fraction. In addition, a gel sample was prepared from 10 μg of the resin after elution, and it was determined whether or not the protein remained bound. All samples were tested on 4-20% SDS / PAGE gels (Novex), followed by Coomassie staining or Western blot using a 1: 2000 dilution of anti-myc-HRP conjugated antibody (Invitrogen). The purified protein was stored at 4 ° C for immediate use and frozen at -80 ° C for storage.
VP22融合タンパク質の取り込みを免疫蛍光法により検出した。細胞を35mmウェルの中で飽和細胞濃度のおよそ50%まで増殖させた。次に培地を除去し、1mlの無血清培地で置き換えた。500mM イミダゾールを含む洗浄バッファー中に溶出した、およそ10μgの精製したVP22融合タンパク質を、無血清培地に直接加えた。細胞を37℃で20分間インキュベートした後、3×2mlのPBSで洗浄した。次に、細胞を固定し、メタノール中で5分間透過性を上げ、先に記載の方法で免疫蛍光法用に調製した(Invitrogen pVP22/myc-His Vector, カタログ番号 V484-1を参照されたい)。 Uptake of VP22 fusion protein was detected by immunofluorescence. Cells were grown to approximately 50% of saturated cell concentration in 35 mm wells. The medium was then removed and replaced with 1 ml serum free medium. Approximately 10 μg of purified VP22 fusion protein eluted in a wash buffer containing 500 mM imidazole was added directly to the serum-free medium. Cells were incubated for 20 minutes at 37 ° C. and then washed with 3 × 2 ml PBS. The cells were then fixed and permeabilized in methanol for 5 minutes and prepared for immunofluorescence as previously described (see Invitrogen pVP22 / myc-His Vector, catalog number V484-1). .
あるいは、VP22融合タンパク質の取り込みは、ウエスタンブロットにより検出された。この技術は、PC12細胞およびJurkat T-細胞の核へのVP22融合タンパク質の蓄積を検出するために用いられた。それぞれの型のおよそ5×105細胞の懸濁液を15mlのFalconチューブに移した。500gで5分間遠心分離を行って細胞を回収した後、10mlのPBSの中に再懸濁した。細胞を同じ方法で再度洗浄した後、およそ10μgのVP22/GFP融合タンパク質を含む1mlの無血清培地に再懸濁し、37℃で15分間インキュベートした。インキュベーションの後、先に記載したように、細胞を遠心分離により2回洗浄し、10mlのPBSに再懸濁した。細胞を再度遠心分離をおこなうことにより回収し、100μlの氷冷溶解バッファー(10mM HEPES-KOH、pH7.9、1.5mM MgCl2、10mM KCl、0.5mM ジチオトレイトール(DTT)、1% Triton X-100)に懸濁して、氷上で10分間インキュベートした。溶解物を10000gで10分間遠心分離した。可溶性細胞質タンパク質を含む上清を取り出して、4Xタンパク質サンプルバッファーを上清に加えた。細胞核を含むペレットを100μlの1Xタンパク質サンプルバッファーに再懸濁した。サンプルを4〜20%のSDS/PAGEゲル(Novex)にかけ、ニトロセルロース膜に転写した。ウエスタンブロットは抗myc-HRP抗体コンジュゲート(Invitrogen)でプローブした。
実施例5
レシピエント細胞中でのVP22融合タンパク質の活性:VP22/Rev融合タンパク質の機能的試験
HIV Revタンパク質は、HIVゲノムRNAにコードされ、RNAスプライシングの調節を行っている。Revタンパク質はRev応答エレメント(RRE)を含む転写産物に結合することができ、この転写産物の核外輸送およびそれに続く翻訳を可能にする(V. W. Pollardら、Ann. Rev. Micobiol. 52:491-532, 1998に概説されている)。Revが存在しないと、RREを含む転写産物はHIVスプライセオソームと複合体を作るがスプライスされない。代わりに、これらは核の中に留まり分解される。
Alternatively, uptake of VP22 fusion protein was detected by Western blot. This technique was used to detect the accumulation of VP22 fusion protein in the nucleus of PC12 cells and Jurkat T-cells. Approximately 5 × 10 5 cell suspensions of each type were transferred to a 15 ml Falcon tube. The cells were collected by centrifugation at 500 g for 5 minutes and then resuspended in 10 ml of PBS. Cells were washed again in the same manner, then resuspended in 1 ml serum-free medium containing approximately 10 μg VP22 / GFP fusion protein and incubated at 37 ° C. for 15 minutes. Following incubation, the cells were washed twice by centrifugation and resuspended in 10 ml PBS as described above. Cells were harvested by re-centrifugation and 100 μl ice-cold lysis buffer (10 mM HEPES-KOH, pH 7.9, 1.5 mM MgCl 2 , 10 mM KCl, 0.5 mM dithiothreitol (DTT), 1% Triton X- 100) and incubated on ice for 10 minutes. The lysate was centrifuged at 10000 g for 10 minutes. The supernatant containing soluble cytoplasmic protein was removed and 4X protein sample buffer was added to the supernatant. The pellet containing the cell nuclei was resuspended in 100 μl of 1X protein sample buffer. Samples were run on a 4-20% SDS / PAGE gel (Novex) and transferred to a nitrocellulose membrane. Western blots were probed with anti-myc-HRP antibody conjugate (Invitrogen).
Example 5
Activity of VP22 fusion protein in recipient cells: Functional test of VP22 / Rev fusion protein
HIV Rev protein is encoded by HIV genomic RNA and regulates RNA splicing. The Rev protein can bind to a transcript containing the Rev response element (RRE), allowing for nuclear export and subsequent translation of this transcript (VW Pollard et al., Ann. Rev. Micobiol. 52: 491- 532, 1998). In the absence of Rev, transcripts containing RRE are complexed with HIV spliceosome but not spliced. Instead, they remain in the nucleus and decompose.
以下の実験において、転写産物中のRREへのRevの結合をリポーター遺伝子の発現を活性化するために用いた。スプライスド供与部位により分離されたCMVプロモーターおよびCATリポーター遺伝子を含むリポータープラスミド(pCAT/RRE)を調製した。RREはCAT遺伝子部位の3'側に位置した。したがって、Revに応答したCATの発現はVP22/Rev融合タンパク質におけるRevの活性を証明するために用いることができる。 In the following experiments, Rev binding to RRE in transcripts was used to activate reporter gene expression. A reporter plasmid (pCAT / RRE) containing a CMV promoter and a CAT reporter gene separated by a spliced donor site was prepared. RRE was located 3 'to the CAT gene site. Thus, CAT expression in response to Rev can be used to demonstrate Rev activity in VP22 / Rev fusion proteins.
CHO細胞にpCAT/RREをトランスフェクトした後、VP22/Rev融合タンパク質またはVP22myc-His対照融合タンパク質のいずれかで処理した。CATタンパク質に対する抗体を用いた、処理した細胞から調製されたタンパク質サンプルのウエスタンブロットにより、CATリポーター遺伝子の発現を試験した。RREを含まないCMV-CAT陽性対照プラスミドをトランスフェクトした細胞からもサンプルを調製した。陽性対照の発現を検出することができた。細胞にpCAT/RREをトランスフェクトした後にVP22/myc-His対照融合タンパク質で処理した場合、CATの発現は検出されなかった。けれども、pCAT/RREをトランスフェクトされた細胞をVP22/Rev融合タンパク質で処理した場合、CATの発現を検出することができた。5倍量のVP22/Revタンパク質を加えた場合、CATタンパク質のレベルの明白な増加が検出された。これらの結果はVP22が機能的Revタンパク質を核に送達してリポーター遺伝子の発現を導くことができることを示している。 CHO cells were transfected with pCAT / RRE and then treated with either VP22 / Rev fusion protein or VP22myc-His control fusion protein. Expression of the CAT reporter gene was tested by Western blot of protein samples prepared from treated cells using antibodies against CAT protein. Samples were also prepared from cells transfected with CMV-CAT positive control plasmid without RRE. Positive control expression could be detected. When cells were transfected with pCAT / RRE and then treated with VP22 / myc-His control fusion protein, no expression of CAT was detected. However, CAT expression could be detected when cells transfected with pCAT / RRE were treated with the VP22 / Rev fusion protein. When 5 times the amount of VP22 / Rev protein was added, a clear increase in the level of CAT protein was detected. These results indicate that VP22 can deliver a functional Rev protein to the nucleus leading to reporter gene expression.
HIVに感染した細胞において、Revタンパク質は細胞質と核の間を往復することができる。これらの細胞内区画の間でのRevの分布は、タンパク質の中に存在する核外輸送シグナルに依存する。本発明のVP22/Rev融合タンパク質において核外輸送シグナルが機能しているかどうかを決定するために、VP22/Revタンパク質の分布を、上記のmycエピトープタグに対する抗体を用いた免疫蛍光法により試験した。この方法により、VP22/Rev融合タンパク質は細胞の細胞質および核において検出され、このことは、RevのVP22への融合が、Revの細胞質および核のいずれにも分布する能力を妨げないように見えることを示している。
実施例6
細胞プロセスを改変するための細胞内への1以上の分子の送達
以下の実験は、融合パートナーとして、哺乳動物細胞のアクチン微小繊維の重合に関与する、小さいGTPアーゼ、rhoAを含むVP22融合タンパク質の細胞への送達により、細胞における細胞プロセスを改変する方法を示す。以前の研究により、Swiss 3T3細胞を16時間血清を与えない状態におくと、細胞の形を維持することに関与するアクチン微小繊維が脱重合して、可溶性アクチンモノマーを後に残すことが示されている。血清を添加すると、アクチンの迅速な再重合が起こり、微小繊維を回復する。この効果は、大腸菌(E. coli)から発現して精製された活性化rhoAタンパク質の細胞へのマイクロインジェクションにより作り出された(A. Hall, Science 279:509-514, 1998)。
In HIV-infected cells, the Rev protein can shuttle between the cytoplasm and nucleus. The distribution of Rev among these intracellular compartments depends on the nuclear export signal present in the protein. In order to determine whether the nuclear export signal is functioning in the VP22 / Rev fusion protein of the present invention, the distribution of VP22 / Rev protein was examined by immunofluorescence using an antibody against the myc epitope tag described above. By this method, VP22 / Rev fusion proteins are detected in the cytoplasm and nucleus of the cell, which indicates that Rev's fusion to VP22 does not interfere with the ability of Rev to distribute in both the cytoplasm and nucleus. Is shown.
Example 6
Delivery of one or more molecules into the cell to modify cellular processes The following experiments show the VP22 fusion protein containing the small GTPase, rhoA, which is involved in the polymerization of actin fibrils in mammalian cells as a fusion partner. Figure 2 shows a method for modifying cellular processes in a cell by delivery to the cell. Previous studies have shown that leaving Swiss 3T3 cells serum-free for 16 hours depolymerizes the actin fibrils involved in maintaining cell shape, leaving behind soluble actin monomers Yes. When serum is added, rapid repolymerization of actin occurs and microfibrils are restored. This effect was created by microinjection into cells of activated rhoA protein expressed and purified from E. coli (A. Hall, Science 279: 509-514, 1998).
VP22-rhoA融合タンパク質が同様の効果を生み出すことができるかどうかを試験するために、VP22-rhoA融合タンパク質を、pCRT7/VP22-1-TOPO(登録商標)プラスミドを用いて大腸菌(E. coli)から発現させ、精製した。Swiss 3T3細胞を以下のようにして精製されたタンパク質で処理した。3T3細胞を35mmウェルの中で飽和細胞濃度のおよそ50%まで増殖させた。次に、培地を除去して1mlの無血清培地に置き換えた。細胞を37℃でさらに20時間インキュベートした。次いで、およそ1μgの精製したVP22/rhoAもしくはVP22myc-Hisのいずれかの融合タンパク質を細胞に適用した。20分後、細胞を3×2mlのPBSで洗浄した後、4%ホルムアルデヒド中で5分間固定した(Invitrogen、β-ガラクトシダーゼ染色キットより)。細胞を再び3×2mlのリン酸緩衝生理食塩水(PBS)により洗浄し、PBS中0.1%のTween-20(登録商標)界面活性剤により5分間透過性を上げた後、2×2ml PBSで再度洗浄した。細胞をPBS中10%のウシ胎児血清(FBS)で30分間ブロッキングした後、PBS/10% FBS中FITCコンジュゲートファロイジン(Sigma P-5282)を最終濃度が0.1μg/mlとなるように加えて30分間インキュベートした。 To test whether the VP22-rhoA fusion protein can produce a similar effect, the VP22-rhoA fusion protein was transformed into E. coli using the pCRT7 / VP22-1-TOPO® plasmid. From and purified. Swiss 3T3 cells were treated with the purified protein as follows. 3T3 cells were grown in 35 mm wells to approximately 50% of the saturated cell concentration. The medium was then removed and replaced with 1 ml serum free medium. Cells were incubated for an additional 20 hours at 37 ° C. Approximately 1 μg of purified VP22 / rhoA or VP22myc-His fusion protein was then applied to the cells. After 20 minutes, the cells were washed with 3 × 2 ml of PBS and then fixed in 4% formaldehyde for 5 minutes (from Invitrogen, β-galactosidase staining kit). Cells were washed again with 3 × 2 ml phosphate buffered saline (PBS), permeabilized with 0.1% Tween-20® detergent in PBS for 5 minutes, and then with 2 × 2 ml PBS. Washed again. After blocking the cells with 10% fetal bovine serum (FBS) in PBS for 30 minutes, FITC-conjugated phalloidin (Sigma P-5282) in PBS / 10% FBS was added to a final concentration of 0.1 μg / ml. Incubated for 30 minutes.
ファロイジンは脱重合したアクチンよりも重合したアクチンにより強く結合するので、再重合した微小繊維を可視化することができる。細胞を2×2mlのPBSで再度洗浄した後、Olympus蛍光顕微鏡およびFITCフィルターを用いて観察した。精製した融合タンパク質を血清を与えない3T3細胞に適用した。あらかじめ血清を与えずにおいた後VP22/myc-His対照融合タンパク質で処理された細胞では、アクチン微小繊維を検出することができず、細胞はいずれの融合タンパク質でも処理されていない血清を与えない細胞と同様に見えた。これに対して、VP22-rhoA融合タンパク質で20分間処理した細胞では、アクチン微小繊維をファロイジンの結合により明白に検出することができた。VP22-rhoA融合タンパク質で処理された細胞の中でのアクチン微小繊維の分布は、融合タンパク質処理と血清を与えない処理のどちらもおこなっていない細胞において見られるものと同様に見えた。これらの結果は、VP22を機能的rhoA融合タンパク質を細胞に送達するために使用することができることを示している。 Since phalloidin binds more strongly to polymerized actin than to depolymerized actin, repolymerized microfibers can be visualized. The cells were washed again with 2 × 2 ml PBS and then observed using an Olympus fluorescent microscope and FITC filter. The purified fusion protein was applied to 3T3 cells that did not receive serum. In cells treated with the VP22 / myc-His control fusion protein without prior serum, the actin fibrils cannot be detected and the cells do not give serum that has not been treated with any fusion protein Looked the same. In contrast, in cells treated with VP22-rhoA fusion protein for 20 minutes, actin microfibrils could be clearly detected by phalloidin binding. The distribution of actin microfilaments in cells treated with the VP22-rhoA fusion protein appeared similar to that seen in cells that had not been treated with either fusion protein or serum. These results indicate that VP22 can be used to deliver functional rhoA fusion proteins to cells.
野生型のrhoAタンパク質は細胞膜からアクチン微小繊維の重合を刺激するように見えるが、VP22タンパク質は通常細胞核に輸送される。VP22/rhoAは同様の方法でアクチン微小繊維の重合を刺激することができるので、VP22/rhoAタンパク質のmycエピトープタグに対する抗体(Invitrogen)を用いた免疫蛍光法によりVP22/rhoAタンパク質の分布を試験した。VP22/rhoA融合タンパク質のほとんどをレシピエント細胞の細胞質で検出することができ、ごくわずかのタンパク質しか核に達していないように見えた。これらの研究は、VP22/rhoAタンパク質はrhoA活性の部位に保持され、核には完全には転位しないことを示している。
実施例7
VP22の修飾によるVP22融合タンパク質の特定の細胞区画への送達
以下の実験は、VP22融合タンパク質を、融合パートナーの特定の細胞区画内への分布を調節するために使用することを実証する。HIV Revタンパク質(C. M. Troyら、Neuroscience 16:253-61, 1996)は、異種配列を核から出て細胞質に入るように指令するのに十分なロイシンリッチな配列を含む。さらに、核外輸送シグナル(NES)を正規のSV40 larger T抗原核局在化シグナルを含む異種タンパク質に融合すると、タンパク質が細胞質および核区画の間に分布する(W. Wenら、Cell 82:463-473, 1995)。同様に、Revタンパク質は核内輸送および核外輸送の両方の配列を含み、細胞質および核区画の両方に見いだされる(U. Fischerら、Cell 82:475-483, 1995)。
Wild-type rhoA protein appears to stimulate the polymerization of actin fibrils from the cell membrane, whereas VP22 protein is normally transported to the cell nucleus. Since VP22 / rhoA can stimulate the polymerization of actin fibrils in a similar manner, the distribution of VP22 / rhoA protein was tested by immunofluorescence using an antibody against the myc epitope tag of VP22 / rhoA protein (Invitrogen) . Most of the VP22 / rhoA fusion protein could be detected in the cytoplasm of the recipient cells, and only a few proteins appeared to reach the nucleus. These studies indicate that the VP22 / rhoA protein is retained at the site of rhoA activity and does not completely translocate to the nucleus.
Example 7
Delivery of VP22 fusion proteins to specific cell compartments by modification of VP22 The following experiment demonstrates the use of VP22 fusion proteins to regulate the distribution of fusion partners within specific cell compartments. The HIV Rev protein (CM Troy et al., Neuroscience 16: 253-61, 1996) contains sufficient leucine-rich sequences to direct heterologous sequences to exit the nucleus and enter the cytoplasm. Furthermore, when the nuclear export signal (NES) is fused to a heterologous protein containing the canonical SV40 larger T antigen nuclear localization signal, the protein is distributed between the cytoplasm and the nuclear compartment (W. Wen et al., Cell 82: 463 -473, 1995). Similarly, the Rev protein contains both nuclear and nuclear export sequences and is found in both the cytoplasm and nuclear compartment (U. Fischer et al., Cell 82: 475-483, 1995).
この実験において、転位タンパク質の融合パートナーを細胞核以外の細胞の位置に送達する能力を試験するために、VP22 ORFとmycエピトープタグの間に挿入された11アミノ酸Rev Nesを有するVP22/myc-Hisからなる融合タンパク質を上記のように大腸菌(E. coli)に発現させ、精製して、培養細胞に適用した。 In this experiment, from VP22 / myc-His with 11 amino acids Rev Nes inserted between the VP22 ORF and myc epitope tag to test the ability to deliver translocation protein fusion partners to cell locations other than the cell nucleus. The resulting fusion protein was expressed in E. coli as described above, purified and applied to cultured cells.
培養細胞の中の細胞内区画の間での融合タンパク質の分布を、上記の免疫蛍光法によって試験した。融合タンパク質の分布は、以下のようにして処理された細胞のウエスタンブロット分析により証明された。5×105細胞の懸濁液を15mlのFalconチューブに移した。500gで5分間の遠心分離により細胞を回収した後、10mlのPBS中に再懸濁した。細胞を同様の方法で再度洗浄した後、およそ10μgのVP22/GFP融合タンパク質を含む、無血清培地1mlに再懸濁し、37℃で15分間インキュベートした。インキュベーション後、細胞を先におこなったとおり、遠心分離と10mlのPBSへの再懸濁により2回洗浄した。細胞を再度の遠心分離により回収し、100μlの氷冷溶解バッファー(10mM HEPES-KOH、pH7.9、1.5mM MgCl2、10mM KCl、0.5mM DTT、1% Triton X-100(登録商標)界面活性剤)に懸濁して氷上で10分間インキュベートした。溶解物を10000gで10分間遠心分離した。可溶性細胞質タンパク質を含む上清を取り出して、4Xタンパク質サンプルバッファーで補足した。細胞核を含むペレットを100μlの1Xタンパク質サンプルバッファーに再懸濁した。サンプルを4〜20%のSDS/PAGEゲル(Novex)にかけ、ニトロセルロース膜に転写した。ウエスタンブロットは抗myc-HRP抗体コンジュゲート(Invitrogen)でプローブした。これらの試験は、Rev NES接合-VP22-含有融合タンパク質は処理された細胞の細胞質および核の中に分布し得ることを示している。
実施例8
誘導性遺伝子発現系の成分としてのVP22融合タンパク質の使用
転位タンパク質を大きな特異性を有する誘導性遺伝子発現系に使用することができるという理論を試験するために、他のVP22融合タンパク質について上記したものと同様のプロトコールを用いてT7 RNAP/VP22融合タンパク質を大腸菌(E. coli)から発現させ、精製した。in vitroの転写アッセイにより、RNAポリメラーゼ活性を試験した。すべての試薬はin vitro転写キット(Ambion, Austin, TX)より得たもので、製造者の指示に従って使用した。T7 RNAP/VP22融合タンパク質の存在により産生されたRNAの量は、キットに含まれるT7 RNAPのものと同様であることが見いだされた。
The distribution of the fusion protein among the intracellular compartments in the cultured cells was examined by the immunofluorescence method described above. The distribution of the fusion protein was verified by Western blot analysis of cells treated as follows. A suspension of 5 × 10 5 cells was transferred to a 15 ml Falcon tube. Cells were harvested by centrifugation at 500 g for 5 minutes and then resuspended in 10 ml PBS. The cells were washed again in the same manner, then resuspended in 1 ml of serum-free medium containing approximately 10 μg of VP22 / GFP fusion protein and incubated at 37 ° C. for 15 minutes. After incubation, the cells were washed twice as before by centrifugation and resuspension in 10 ml PBS. Cells are recovered by re-centrifugation and 100 μl ice cold lysis buffer (10 mM HEPES-KOH, pH 7.9, 1.5 mM MgCl 2 , 10 mM KCl, 0.5 mM DTT, 1% Triton X-100® surfactant) And incubated for 10 minutes on ice. The lysate was centrifuged at 10000 g for 10 minutes. The supernatant containing the soluble cytoplasmic protein was removed and supplemented with 4X protein sample buffer. The pellet containing the cell nuclei was resuspended in 100 μl of 1X protein sample buffer. Samples were run on a 4-20% SDS / PAGE gel (Novex) and transferred to a nitrocellulose membrane. Western blots were probed with anti-myc-HRP antibody conjugate (Invitrogen). These studies show that Rev NES-conjugated-VP22-containing fusion protein can be distributed in the cytoplasm and nucleus of treated cells.
Example 8
Use of VP22 fusion proteins as components of inducible gene expression systems To test the theory that translocation proteins can be used in inducible gene expression systems with great specificity, what was described above for other VP22 fusion proteins The T7 RNAP / VP22 fusion protein was expressed from E. coli and purified using the same protocol as described above. RNA polymerase activity was tested by an in vitro transcription assay. All reagents were obtained from in vitro transcription kits (Ambion, Austin, TX) and used according to the manufacturer's instructions. The amount of RNA produced by the presence of the T7 RNAP / VP22 fusion protein was found to be similar to that of T7 RNAP included in the kit.
T7プロモーターにより駆動されるルシフェラーゼ遺伝子を含むリポーター構築物もまた構築された。この構築物をCOS細胞にトランスフェクトし、24時間後に精製したT7 RNAP/VP22融合タンパク質を細胞に適用した。さらに24時間後に、細胞溶解物を調製し、ルシフェラーゼアッセイキット(Promega)を用いて、製造者の指示に従ってルシフェラーゼ酵素活性を試験した。リポーター遺伝子をトランスフェクトされた細胞にT7 RNAP/VP22融合タンパク質を添加すると、ルシフェラーゼ発現のレベルがバックグラウンドの5倍〜10倍に増加し、このことは、この系が真核細胞において異種遺伝子の発現を制御するように機能することを示している。
実施例9
転位タンパク質への共有結合および非共有結合によるカップリング
ペプチドまたはオリゴヌクレオチド分子は、低分子量化学親和性リガンドのサリチルヒドロキサム酸(SHA)およびフェニルボロン酸(PBA)を用いるLinx(登録商標)化学親和性系(Invitrogen)を用いて転位タンパク質に共有結合によりコンジュゲートしてもよい。この系において、低分子量化学親和性リガンドが、可逆的pH感受性共有結合により、転位タンパク質をポリヌクレオチドに結合させる二官能基リンカーを形成するために用いられる。
A reporter construct containing a luciferase gene driven by the T7 promoter was also constructed. This construct was transfected into COS cells and purified T7 RNAP / VP22 fusion protein 24 hours later was applied to the cells. After an additional 24 hours, cell lysates were prepared and tested for luciferase enzyme activity using a luciferase assay kit (Promega) according to the manufacturer's instructions. Addition of T7 RNAP / VP22 fusion protein to cells transfected with the reporter gene increases the level of luciferase expression to 5-10 times the background, indicating that the system is capable of expressing heterologous genes in eukaryotic cells. It is shown to function to control expression.
Example 9
Covalently and non-covalently coupled peptide or oligonucleotide molecules to the rearranged protein can be combined with Linx® chemical affinity using the low molecular weight chemical affinity ligands salicylhydroxamic acid (SHA) and phenylboronic acid (PBA). The system (Invitrogen) may be used to covalently conjugate to the translocated protein. In this system, a low molecular weight chemical affinity ligand is used to form a bifunctional linker that attaches the translocating protein to the polynucleotide by a reversible pH sensitive covalent bond.
PBAを含む核酸分子はPBA-NTPs(ProLinX, Seattle, WA)を用いて合成することができ、または、2本鎖の場合、酵素末端トランスフェラーゼを用いてPBA-ATPで標識することができる。SHA-NHSエステルを、SHAを転位タンパク質中に存在するリシン残基に結合させるために用いることができる(図3A-C)。次に、PBA接合分子およびSHA接合転位タンパク質を共有結合により連結させ、細胞に投与する。この系を用いてタンパク質を連結するために用いられる手順および条件の詳細な説明は公開されている(LinxTM Rapid Protein Conjugation Kit、カタログ番号 K8050-01〜K8060-01、Invitrogen, San Diego, CA)。
実施例10
転位タンパク質:オリゴヌクレオチドコンジュゲートの取り込みのアッセイ
転位タンパク質とさまざまな長さのオリゴヌクレオチドをコンジュゲートさせ、哺乳動物組織培養細胞に外因的に加えることができる。PBA-ATPを含むさまざまな長さの1本鎖DNA(ssDNA)を、PCRを用いて合成することができる。ストレパビジンカラム上でPBA-ATPを含む1本鎖分子を精製できるように、ビオチン化した5'プライマーをデザインすることができる。一連の3'リバースプライマーを作製し、20〜2000ヌクレオチドの長さの多くのssDNA分子の合成を促進することができる。次に、精製されたPBAを含むssDNA分子を転位タンパク質-SHAと混合する。次いで、さまざまな濃度のタンパク質:オリゴヌクレオチドコンジュゲートを細胞に加えて4時間までインキュベートすることができる。インキュベーションの後、細胞を洗浄、固定した後、ストレパビジン-FITCコンジュゲートを用いてプローブすることができる。取り込まれたオリゴヌクレオチドはいずれもストレパビジン-FITCに結合し、蛍光により検出されるだろう。短いオリゴヌクレオチドが非常に効率的に取り込まれ(すなわち、100%の細胞に送達され)、核内に濃縮されると予想される。
Nucleic acid molecules containing PBA can be synthesized using PBA-NTPs (ProLinX, Seattle, WA) or, if double stranded, labeled with PBA-ATP using an enzyme terminal transferase. SHA-NHS esters can be used to attach SHA to lysine residues present in translocated proteins (FIGS. 3A-C). The PBA-conjugated molecule and SHA-conjugated translocation protein are then covalently linked and administered to the cell. A detailed description of the procedures and conditions used to ligate proteins using this system has been published (Linx ™ Rapid Protein Conjugation Kit, catalog numbers K8050-01 to K8060-01, Invitrogen, San Diego, CA) .
Example 10
Translocation Protein: Oligonucleotide Conjugate Uptake Assay Translocation proteins and oligonucleotides of various lengths can be conjugated and added exogenously to mammalian tissue culture cells. Various lengths of single-stranded DNA (ssDNA) containing PBA-ATP can be synthesized using PCR. A biotinylated 5 ′ primer can be designed so that single-stranded molecules containing PBA-ATP can be purified on a streptavidin column. A series of 3 ′ reverse primers can be made to facilitate the synthesis of many ssDNA molecules 20 to 2000 nucleotides in length. Next, the purified ssDNA molecule containing PBA is mixed with translocation protein-SHA. Various concentrations of protein: oligonucleotide conjugates can then be added to the cells and incubated for up to 4 hours. Following incubation, the cells can be washed, fixed, and then probed with a strepavidin-FITC conjugate. Any incorporated oligonucleotide will bind to streptavidin-FITC and will be detected by fluorescence. Short oligonucleotides are expected to be taken up very efficiently (ie delivered to 100% of cells) and concentrated in the nucleus.
発明をその特定の好ましい実施形態を参照して詳細に説明したが、修正および改変は、詳細な説明および特許請求の範囲に記載された発明の意図および範囲に含まれるものと理解される。 Although the invention has been described in detail with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood that modifications and variations are encompassed within the spirit and scope of the invention as set forth in the detailed description and claims.
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