KR102728382B1 - 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보툴리눔 독소의 경쇄에 있어서 특정 라이신을 아르기닌으로 치환하여 얻어진 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체를 제공한다. 본 발명에 따른 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체는 유비퀴틴-프로테아좀에 의한 분해가 억제됨으로써, 유의성 있게 증가된 생체내 반감기를 갖는다.
Description
본 발명은 보툴리눔 독소의 경쇄('보툴리눔 경쇄 단백질'로도 지칭된다)의 변이체에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 보툴리눔 독소의 경쇄에 있어서 특정 라이신을 아르기닌으로 치환하여 얻어진, 반감기가 증가된 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체에 관한 것이다.
진핵세포 내에서 일어나는 단백질의 분해는 리소좀(lysosome)과 프로테아좀(proteasome)에 의한 두 가지 경로를 통해 이루어진다. 단백질의 10%-20%를 분해하는 리소좀 경로는 기질 특이성 및 정교한 시간적 조절성이 없다. 즉 내포운동(endoxytosis)에 의해 세포 내로 함입되어 들어간 세포 표면단백질이 리소좀에서 분해되는 것처럼 대부분 세포 외 또는 막단백질을 분해하는 과정이다. 하지만, 진핵세포에서 단백질들이 선택적으로 분해되기 위해서는 유비퀴틴(ubiquitin) 결합 효소에 의해 목표단백질에 유비퀴틴이 결합한 후 폴리유비퀴틴 사슬이 형성되고, 이것이 프로테아좀에 의해 인지되어 분해되는 과정, 즉 유비퀴틴-프로테아좀 경로 (ubiquitin-proteasome pathway)를 거쳐야 한다. 진핵세포 단백질 중 80% 이상은 이 과정을 거쳐서 분해되며, 유비퀴틴-프로테아좀 경로는 진핵세포 내에 존재하는 대부분의 단백질 분해를 조절함으로써, 단백질의 기능전환과 항상성을 담당한다.
보툴리눔 독소는 약 100 kDa의 중쇄(heavy chain) 및 약 50 kDa의 경쇄가 이황화 결합으로 연결된 구조를 갖는다. 이황화 결합은 독소의 생물학적인 활성화와 작용에 중요한 역할을 하고 결합력이 약하여 다른 주변 요인에 의해 쉽게 절단된다. 중쇄는 2개의 기능적 말단(terminal)으로 구성되어 있다. N-말단 부위는 전위부로 이중 지질층에 이온 통로를 형성하는 것으로 알려져 있으며 C-말단부는 결합부로 독소가 세포막에 부착하여 내재화(internalization)하는데 중요한 역할을 담당한다. 경쇄는 아연 의존성 펩티드 중간 분해 효소의 역할을 한다. 보툴리눔 독소는 대부분 안면 미용 목적으로 많이 사용되고 있다. 미간, 이마 등의 주름개선 용도로 독소를 피부에 주사하는 방식으로 사용된다. 또한, 독소를 통한 신경의 마비 등의 장점으로 인해 질병 치료에도 사용되고 있다. 하지만, 이는 보통 6개월 내외의 효과를 나타내며, 이후에는 피부 및 질병 부위가 원래의 형태를 찾는다. 보툴리눔 독소의 지속적인 주입은 내성을 유도할 수 있으며, 부작용 또한 배제할 수 없기 때문에 가능한 소량의 독소를 주입하면서 효과를 유지할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명자들은 보툴리눔 독소의 생체 내 반감기를 효과적으로 증가시킴으로써, 장기간 지속되는 시술 혹은 적은 용량을 이용한 시술을 가능하게 할 수 있는 방법을 개발하고자 다양한 연구를 수행하였다. 본 발명자들은 보툴리눔 독소의 경쇄가 유비퀴틴-프로테아좀에 의한 분해경로를 거친다는 확인하였으며, 다양한 변이체를 제작하여 유비퀴탄화 분해경로를 비교하였다. 그 결과, 보툴리눔 독소의 경쇄에 있어서 특정 라이신(즉, 335번 라이신)을 아르기닌으로 치환하여 얻어진 변이체가 유비퀴틴화 분해가 유의성 있게 억제된다는 것을 발견하였다.
따라서, 본 발명은 특정 라이신(즉, 335번 라이신)을 아르기닌으로 치환하여 얻어진 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체를 코딩하는 유전자를 포함하는 벡터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체를 코딩하는 유전자를 포함하는 벡터로 형질감염된 세포를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 보툴리눔 독소의 경쇄에 있어서, 특정 라이신(즉, 335번 라이신)을 아르기닌으로 치환하는 것을 포함하는 보툴리눔 독소의 경쇄의 반감기를 증가시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 태양에 따라, 서열번호 1의 아미노산 서열로 구성된 보툴리눔 독소의 경쇄에 있어서, 335번의 라이신이 아르기닌으로 치환된 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체가 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 따라, 상기 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체를 코딩하는 유전자를 포함하는 벡터가 제공된다.
본 발명의 또다른 태양에 따라, 상기 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체를 코딩하는 유전자를 포함하는 벡터로 형질감염된 세포가 제공된다.
본 발명의 또다른 태양에 따라, 서열번호 1의 아미노산 서열로 구성된 보툴리눔 독소의 경쇄에 있어서, 335번의 라이신을 아르기닌으로 치환하는 것을 포함하는 보툴리눔 독소의 경쇄의 반감기를 증가시키는 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체는 유비퀴틴-프로테아좀에 의한 분해가 억제됨으로써, 유의성 있게 증가된 생체내 반감기를 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체는 장기간 지속되는 시술 혹은 적은 용량을 이용한 시술을 가능하게 할 수 있는 보툴리눔 독소의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 B16F10 세포주 내에서 플라스미드 유전자인 보툴리눔 경쇄의 양을 증가시키며 형질감염을 유도한 후 발현을 확인한 결과를 나타낸다.
도 2는 유비퀴틴화 분석 실험을 통한 보툴리눔 경쇄의 분해조절 경로를 확인한 결과를 나타낸이다.
도 3은 야생형 보툴리눔 독소의 경쇄 단백질 및 보툴리눔 독소의 경쇄 단백질 변이체들의 유비퀴틴화 정도를 비교한 결과를 나타낸다.
도 4는 사이클로헥시미드를 처리한 후 세포 내 보툴리눔 경쇄의 안정화 정도를 비교한 결과를 나타낸다.
도 5는 도 4의 결과를 수치화하여 나타낸 그래프이다. (*: 0.01 < p < 0.05, ns: p > 0.05).
도 2는 유비퀴틴화 분석 실험을 통한 보툴리눔 경쇄의 분해조절 경로를 확인한 결과를 나타낸이다.
도 3은 야생형 보툴리눔 독소의 경쇄 단백질 및 보툴리눔 독소의 경쇄 단백질 변이체들의 유비퀴틴화 정도를 비교한 결과를 나타낸다.
도 4는 사이클로헥시미드를 처리한 후 세포 내 보툴리눔 경쇄의 안정화 정도를 비교한 결과를 나타낸다.
도 5는 도 4의 결과를 수치화하여 나타낸 그래프이다. (*: 0.01 < p < 0.05, ns: p > 0.05).
본 발명자들은 보툴리눔 독소의 경쇄가 유비퀴틴-프로테아좀에 의한 분해경로를 거친다는 확인하였다. 또한, 본 발명자들은, 부위 특이적 돌연변이유도(site-directed mutagenesis)를 통하여, 보툴리눔 경쇄 단백질에 대한 보존적 아미노산 치환 변이체, 즉 보툴리눔 경쇄 단백질의 212번, 320번, 330번, 335번, 340번, 또는 417번째 라이신을 각각 아르기닌으로 치환한 변이체를 제작하여 유비퀴틴-프로테아좀에 의한 분해 정도를 확인하였다. 본 발명자들은 이들 변이체 중 335번 라이신을 아르기닌으로 치환하여 얻어진 변이체(즉, 서열번호 3의 아미노산 서열로 구성된 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체)가 유의성 있게 억제된 유비퀴틴-프로테아좀에 의한 분해를 나타냄으로써, 유의성 있게 증가된 생체내 반감기를 갖는다는 것을 발견하였다. 따라서, 상기 변이체는 장기간 지속되는 시술 혹은 적은 용량을 이용한 시술을 가능하게 할 수 있는 보툴리눔 독소의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명은 보툴리눔 경쇄 단백질(서열번호 1의 아미노산)의 변이체를 제공한다. 즉, 본 발명은 서열번호 1의 아미노산 서열로 구성된 보툴리눔 독소의 경쇄에 있어서, 335번의 라이신이 아르기닌으로 치환된 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체를 제공한다.
보툴리눔 경쇄 단백질의 아미노산 서열 및 이를 코딩하는 염기서열은 모두 공지되어 있으며, 예를 들어, 보툴리눔 경쇄 단백질의 아미노산 서열은 서열번호 1과 같고, 이를 코딩하는 염기서열은 서열번호 2와 같다.
일 구현예에서, 본 발명에 따른 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체는 서열번호 3의 아미노산 서열로 구성된 변이체일 수 있다.
본 발명에 따른 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체는 생명공학 분야에서 통상적으로 사용되는 방법에 따라 335번의 라이신을 아르기닌으로 치환함으로써 제작할 수 있다. 예를 들어, 하기 서열번호 11 및 12의 프라이머 세트를 사용하여, 보툴리눔 경쇄 단백질을 코딩하는 유전자(예를 들어, 서열번호 2의 염기서열을 갖는 유전자)를 주형으로 하여 중합효소연쇄반응을 수행함으로써 335번의 라이신이 아르기닌으로 치환된 변이체를 코딩하는 유전자를 얻을 수 있다. 일 구현예에서, 상기 335번의 라이신이 아르기닌으로 치환된 변이체를 코딩하는 유전자는 서열번호 4의 염기서열로 구성될 수 있다. 얻어진 유전자는 생명공학 분야에서 사용되는 통상의 방법에 따라, 발현 벡터를 제작한 후, 숙주세포를 형질감염시켜 형질감염된 세포를 얻을 수 있으며, 이를 배양함으로써 상기 변이체를 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체를 코딩하는 유전자를 포함하는 벡터(즉, 발현 벡터)를 포함한다. 상기 유전자는 서열번호 4의 염기서열로 구성될 수 있다. 발현 벡터는 생명공학 분야에서 통상적으로 사용되는 벡터, 예를 들어, pcDNA3, pCS4, pcDNA3.1 등을 빈 벡터(empty vector)로 사용하여 적절한 제한 효소를 사용하여 제조할 수 있다. 상기 빈 벡터는 필요에 따라 Flag 등의 표지로 표지된 벡터일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체를 코딩하는 유전자를 포함하는 벡터(즉, 발현 벡터)로 형질감염된 세포를 포함한다. 상기 유전자는 서열번호 4의 염기서열로 구성될 수 있다. 숙주세포는 예를 들어, HEK293T 세포, B16F10 세포, A549 세포, A2780 세포, SKOV3 세포, HeLa 세포 등을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 또한 서열번호 1의 아미노산 서열로 구성된 보툴리눔 독소의 경쇄에 있어서, 335번의 라이신을 아르기닌으로 치환하는 것을 포함하는 보툴리눔 독소의 경쇄의 반감기를 증가시키는 방법을 제공한다. 본 발명의 방법에 있어서, 상기 치환은 상기에서 설명한 바와 같다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명이 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예
1. 실험방법
(1) 발현벡터의 제작
제한효소 EcoR I 및 Xho I 을 사용하여 서열번호 2의 염기서열로 구성된 보툴리눔 경쇄의 폴리뉴클레오티드를 pCS4-3Flag 벡터(4.3 kb)(E7908, Sigma-Aldrich)에 클로닝하여 야생형 보툴리눔 경쇄 단백질의 발현벡터(pCS4-3Flag-Bont LC WT)를 제작하였다.
하기 표 1의 프라이머 세트를 사용하여, 부위 특이적 돌연변이유도(site-directed mutagenesis)를 통하여, 보툴리눔 경쇄 단백질의 212번, 320번, 330번, 335번, 340번, 또는 417번 라이신을 각각 아르기닌으로 치환한 변이체를 제작하였다. 구체적으로, 각각의 변이체는 위에서 클로닝된 pCS4-3Flag-Bont LC WT 야생형 보툴리눔 경쇄 단백질 유전자를 주형으로 하고, 각각의 프라이머 세트를 이용하여 다음 조건으로 중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction, PCR)을 수행하였다: 95℃에서 30초, 60℃에서 30초, 및 68℃에서 5분 40초로 총 12 사이클. 돌연변이유도를 통해 총 6개의 변이체 pCS4-3Flag-LC (K212R), pCS4-3Flag-LC (K320R), pCS4-3Flag-LC (K330R), pCS4-3Flag-LC (K335R), pCS4-3Flag-LC (K340R), 및 pCS4-3Flag-LC (K417R)를 제작하였다.
| 발현벡터 | 서열번호 | 서열 | |
| pCS4-3Flag-LC (K212R) | 5 | 정방향 | 5'- GGT GCA GGC AGA TTT GCT -3' |
| 6 | 역방향 | 5'- AGC AAA TCT GCC TGC ACC -3' | |
| pCS4-3Flag-LC (K320R) | 7 | 정방향 | 5'- TTT TAA AGA GAG ATA TCT CCT A -3' |
| 8 | 역방향 | 5'- TAG GAG ATA TCT CTC TTT AAA A -3' | |
| pCS4-3Flag-LC (K330R) | 9 | 정방향 | 5'- CAT CTG GAA GAT TTT CGG -3' |
| 10 | 역방향 | 5'- CCG AAA ATC TTC CAG ATG -3' | |
| pCS4-3Flag-LC (K335R) | 11 | 정방향 | 5'- TTT CGG TAG ATA GAT TAA AAT T -3' |
| 12 | 역방향 | 5'- AAT TTT AAT CTA TCT ACC GAA A -3' | |
| pCS4-3Flag-LC (K340R) | 13 | 정방향 | 5'- AAT TTG ATA GGT TAT ACA AAA -3' |
| 14 | 역방향 | 5'- TTT TGT ATA ACC TAT CAA ATT -3' | |
| pCS4-3Flag-LC (K417R) | 15 | 정방향 | 5'- ACT AAA CTA AGA AAT TTT ACT GG -3' |
| 16 | 역방향 | 5'- CCA GTA AAA TTT CTT AGT TTA GT -3' | |
(2) 형질감염(transfection)
각각의 발현벡터를 사용하여 B16F10 세포(ATCC, CRL-6475)에 형질감염(Transfection)을 유도하였다. B16F10 세포주는 10% 소태아혈청(FBS, Gibco, Grand Island, NY, USA)와 1% 페니실린 및 스트렙토마이신(Gibco, Grand Island, NY, USA)이 포함된 Dulbecco's Modified Eagle's Medium(DMEM, Gibco, Grand Island, NY, USA)에 5% CO2 인큐베이터에서 배양하였다. 보툴리눔 경쇄 WT, K212R, K320R, K330R, K335R, K340R, 또는 K417R 및 유비퀴틴 pRK5-HA-Ub의 형질감염을 위해, 보툴리눔 경쇄의 야생형 또는 변이체 3 μg, 유비퀴틴 3 μg, 600 μl의 NaCl과 폴리에틸렌이민 시약(PEI, Polysciences, Inc., Warrington, PA, USA) 42 μl, 혼합하여 상온에서 15분 반응시키고, B16F10 세포(1 x 106 세포)가 담긴 6 ml의 배양액에 혼합액을 넣어준 후, 37℃에서 48시간 동안 배양하였다.
(3) 면역블롯팅(immunoblotting) 및 항체(antibody)
항-Flag 항체(MBL), 항-HA 항체(12CA5 hybridoma cell media) 및 항 β-actin 항체(Santa Cruz Biotechnology)를 이용하여 면역블롯팅을 수행하였다. SDS-PAGE 과정을 거친 후, 폴리비닐리덴다이폴로라이드(polyvinylidene difluoride, PVDF) 멤브레인(Millipore)으로 옮긴 후, HRP-결합 2차 항체를 이용하여 블롯 검출을 수행하였다.
(4) 면역침강
형질감염된 세포를 용액 완충액(lysis buffer)(50 mM Tris-HCl[pH 7.5], 1 mM EDTA, 10% 글리세롤, 300 mM NaCl 및 1% Triton X-100)에 얼음에서 20분간 용해시킨 후, 13,000 rpm으로 20분 동안 원심분리하였다. 상등액을 취하여 항체(Flag 항체)를 넣고 4℃에서 밤새 반응시킨 다음, A/G PLUS 아가로스 비드(Santa Cruz Biotechnology, Santa Cruz, CA, USA)를 넣고 4℃ 로테이터에서 2시간 동안 반응시켜, B16F10 세포주에서 발현된 단백질 중 Flag로 표지된 보툴리눔 경쇄(Flag-Bont LC)만을 얻어 내었다. 항체, 비드 및 단백질을 2X SDS(sodium dodecyl sulfate) 완충액과 혼합한 후, 100℃에서 7분간 끓여 결합을 끊고, 보툴리눔 경쇄의 구조적 풀림(unfolding)을 유도하여 SDS-PAGE를 수행하여 분리하였다. 분리된 단백질은 폴리비닐덴다이플로라이드 멤브레인으로 이동(transfer)시켜, 1차 항체[항-Flag(MBL), 항-HA(12CA5 hybridoma cell media) 및 항-β-actin(Santa Cruz Biotechnology)]를 2% 스킴밀크(skim milk)와 섞어주어 4℃에서 하룻밤 동안 반응시킨 후, 항-마우스 2차 단일클론항체를 이용하여 ECL (Enhanced chemiluminescence) 시스템으로 블롯을 감광필름에 현상하였다.
(5) 도출된 결과 확인 및 통계 분석
덴시토메터 분석(Densitometric analysis)은 Image J (National Institutes of Health)로 수행하였고, Turkey는 GraphPad Prism version 5 (GraphPad Software)로 수행하였다. ANOVA는 유의성 있는 차이를 나타내기 위한 일원 분석 (one-way analysis)으로 수행하였다.
2. 실험결과
야생형 보툴리눔 경쇄 단백질의 발현벡터로 형질감된 세포에 대하여 아가로즈 겔 전기영동을 수행하였다. 항체를 이용하여 특이적으로 Flag-Bont LC만을 선별하였고, 정확한 단백질 크기를 확인하기 위하여 플라스미드 유전자의 양을 증가시키며 형질감염을 실시하였다. Flag-Bont LC은 약 51-54 kDa 정도의 크기를 갖는 것으로 확인하였고, 세포주 내에서 발현이 유도됨을 확인하였다(도 1).
보툴리눔 경쇄의 유비퀴틴화 분석을 위해 pCS4-3Flag-Bont LC WT 및 pRK5-HA-Ub 플라스미드 유전자를 이용하여 B16F10 세포에 형질감염(Transfection)을 유도하였다. 면역침강분석법에 의해 세포주 내로 형질감염시킨 보툴리눔 경쇄를 침강시켜 유비퀴틴화 정도를 확인하였으며, MG132 시약을 처리한 결과, 유비퀴틴화 정도가 증가한 것을 통해 보툴리눔 경쇄가 유비퀴틴-프로테아좀에 의한 분해경로를 거친다는 것을 확인하였다(도 2).
pCS4-3Flag-Bont LC WT, 3Flag-LC (K212R), pCS4-3Flag-LC (K320R), pCS4-3Flag-LC (K330R), pCS4-3Flag-LC (K335R), pCS4-3Flag-LC (K340R), pCS4-3Flag-LC (K417R), 및 pRK5-HA-Ub 플라스미드 유전자를 이용하여 B16F10 세포에 형질감염(Transfection)을 유도하였으며, 상기와 동일한 유비퀴틴화 정도를 비교하였다. 그 결과, 335번째 라이신을 아르기닌으로 치환한 변이체의 경우, 대조군과 비교하여 유비퀴틴화 정도가 유의성 있게 감소하였다(도 3).
pCS4-3Flag-Bont LC WT 및 pCS4-3Flag-LC (K335R) 플라스미드 유전자를 B16F10 세포에 동일한 양으로 형질감염을 유도하고, 24시간 후 각 세포배지에 사이클로헥시미드(cycloheximide: CHX)를 100 μg/ml 농도로 0시간, 12시간, 18시간 동안 처리한 다음, 면역침강분석을 수행하였다. 그 결과는 도 4와 같다. 도 5는 도 4의 결과를 수치화하여 나타낸 그래프이다. 도 4 및 도 5의 결과로부터, 335번째 라이신 잔기를 치환한 경우 반감기가 유의성 있게(즉, 18시간에서 1.69배) 증가하였음을 알 수 있다.
서열목록 전자파일 첨부
Claims (7)
- 서열번호 1의 아미노산 서열로 구성된 보툴리눔 독소의 경쇄에 있어서, 335번의 라이신이 아르기닌으로 치환된 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체.
- 제1항에 있어서, 서열번호 3의 아미노산 서열로 구성된 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체.
- 제1항 또는 제2항에 따른 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체를 코딩하는 유전자를 포함하는 벡터.
- 제3항에 있어서, 상기 유전자가 서열번호 4의 염기서열로 구성된 것을 특징으로 하는 벡터.
- 제1항 또는 제2항에 따른 보툴리눔 독소의 경쇄 변이체를 코딩하는 유전자를 포함하는 벡터로 형질감염된 세포.
- 제5항에 있어서, 상기 유전자가 서열번호 4의 염기서열로 구성된 것을 특징으로 하는 세포.
- 서열번호 1의 아미노산 서열로 구성된 보툴리눔 독소의 경쇄에 있어서, 335번의 라이신을 아르기닌으로 치환하는 것을 포함하는 보툴리눔 독소의 경쇄의 반감기를 증가시키는 방법.
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