JP2019047763A - Rhodopsin phosphodiesterase - Google Patents

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秀樹 神取
Hideki Kamitori
秀樹 神取
角田 聡
Satoshi Tsunoda
聡 角田
一帆 吉田
Kazuho Yoshida
一帆 吉田
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Abstract

To provide rhodopsin phosphodiesterase capable of reducing the concentration of cyclic nucleotides having an important role as a signaling substance in cells by light irradiation.SOLUTION: The rhodopsin phosphodiesterase (Rh-PDE) of the invention is an optical switch type phosphodiesterase expressed by a consecutive genetic code of Choanomonada (Salpingoeca rosetta), and when irradiated, it decomposes cyclic nucleotides such as cAMP and cGMP. When this Rh-PDE is introduced into a mammalian cell such as human cells, the cellular cyclic nucleotide concentration can be quickly reduced by light irradiation.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、光スイッチ型ホスホジエステラーゼに関する。 The present invention relates to a photoswitched phosphodiesterase.

生命現象を光で操作する技術は光遺伝学(オプトジェネティクス)と呼ばれ、近年飛躍的な発展を遂げている。例えばチャネルロドプシンと呼ばれる光スイッチタンパク質を神経細胞へ導入することで、その神経細胞の興奮を光照射で瞬時に誘起することが可能になった。このような光スイッチ型分子を用いた神経活動の光操作技術は、記憶形成メカニズムといった脳神経機能の解明に大きく貢献している。 The technology to manipulate life phenomena with light is called optogenetics, and has achieved rapid development in recent years. For example, by introducing a light switch protein called channelrhodopsin into neurons, it has become possible to instantaneously induce excitation of the neurons by light irradiation. Optical manipulation technology of neural activity using such optical switch type molecule greatly contributes to elucidation of cranial nerve function such as memory formation mechanism.

一方、細胞内シグナル伝達物質濃度を光操作するための酵素活性を示す光スイッチ分子は限られている。その分子として非特許文献1に、ミドリムシ由来の光スイッチ型アデニル酸シクラーゼ(PAC)が開示されている。また、非特許文献2に菌類由来の光スイッチ型グアニルサンシクラーゼ(BeGC1)が知られている。 On the other hand, photoswitch molecules that exhibit enzyme activity for light manipulation of intracellular signal transduction substance concentration are limited. Non-Patent Document 1 discloses a light-switched adenylate cyclase (PAC) derived from green leaf as its molecule. Further, Non-Patent Document 2 discloses a photoswitch type guanyl sancyclase (BeGC1) derived from fungi.

これらタンパク質分子は、細胞内シグナル伝達物質であるサイクリックAMP、サイクリックGMP等の環状ヌクレオチド(以下、cAMP、cGMPと言う場合がある)を合成することができる光スイッチ型酵素分子である。これら分子をヒトなどの細胞や組織へ導入することにより、光照射によって細胞内のcAMP、cGMP量を高めることができる。 These protein molecules are photoswitched enzyme molecules capable of synthesizing cyclic nucleotides (hereinafter, sometimes referred to as cAMP and cGMP) such as intracellular signal transduction substances cyclic AMP and cyclic GMP. By introducing these molecules into cells or tissues such as human, the amount of cAMP and cGMP in cells can be increased by light irradiation.

ところが、細胞内のcAMP、cGMP量を下げるための光スイッチ分子は自然界から発見されておらず、現状では薬剤添加による方法が一般的である。しかしながら薬剤を使用した場合、その薬剤は標的細胞以外にも効果を及ぼしてしまうという点が第1の問題である。第2の問題として薬剤投与後、その効果が奏するまでに時間を要すること、また1度薬剤を投与すると、それを除去して投与前の状態に戻すのにも長時間を要する。このように薬剤を用いた研究では限界がある。従って、標的細胞特異的、かつ短時間での細胞内のcAMP、cGMP量の抑制効果の検証が困難である。
However, optical switch molecules for reducing the amount of cAMP and cGMP in cells have not been found in nature, and at present, methods by drug addition are generally used. However, when using a drug, the first problem is that the drug exerts an effect on other than the target cells. The second problem is that after drug administration, it takes time for its effect to be effective, and once it is administered, it takes a long time to remove it and return it to the state before administration. Thus, there are limitations in drug research. Therefore, it is difficult to verify the inhibitory effect of cAMP and cGMP in the target cell specific and in a short time.

特開平11−29599号公報JP 11-29599 A

Stierl M, Stumpf P, Udwari D, Gueta R, Hagedorn R, Losi A, et al. Light modulation of cellular cAMP by a small bacterial photoactivated adenylyl cyclase, bPAC, of the soil bacterium Beggiatoa. J Biol Chem. 2011;286: 1181−1188. doi:10.1074/jbc.M110.185496Stierl M, Stumpf P, Udwari D, Gueta R, Hagedorn R, Losi A, et al. Light modulation of cellular cAMP by a small bacterial photoactivated adenylyl cyclase, bPAC, of the bacillus Beggiatoa. J Biol Chem. 2011; 286: 1181-1188. Doi: 10.1074 / jbc. M110. 185496 Scheib U, Stehfest K, Gee CE, K▲oe▼rschen HG, Fudim R, Oertner TG, et al. The rhodopsin−guanylyl cyclase of the aquatic fungus Blastocladiella emersonii enables fast optical control of cGMP signaling. Sci Signal. 2015;8: 1−9.Scheib U, Stehfest K, Gee CE, Koe rs rschen HG, Fdimdim R, Oertner TG, et al. The Rhodopsin-guanylyl cyclase of the aquatic fungus Blastocladiella emersonii enables fast optical control of cGMP signaling. Sci Signal 2015; 8; : 1-9.

本発明の課題は上記のような従来の問題を解決し、ヒトの細胞や組織内の環状ヌクレオチド濃度を光によって迅速に抑制する光スイッチ分子を提供することである。 An object of the present invention is to solve the conventional problems as described above, and to provide a light switch molecule that rapidly suppresses the cyclic nucleotide concentration in human cells and tissues with light.

光照射によってcAMP、cGMPを分解するロドプシンホスホジエステラーゼ(以下、Rh−PDEと言う場合がある)をヒトなどの哺乳類細胞、組織へ導入する。 Rhodopsin phosphodiesterase (hereinafter sometimes referred to as Rh-PDE) that degrades cAMP and cGMP by light irradiation is introduced into mammalian cells such as humans and tissues.

薬剤ではなく、光照射されたRh−PDEによって、人などの哺乳類細胞内の環状ヌクレオチド濃度を迅速に抑制するという効果を奏する。細胞内の環状ヌクレオチド濃度の低下は、様々な疾患の原因となることが知られている。従って例えば、Rh−PDEを健常な動物の細胞や組織に導入すれば、光照射で環状ヌクレオチド濃度を低下させることでその動物を疾患状態に一過的に陥らせることが可能となり、革新的な疾患研究手法となる可能性がある。 Irradiated Rh-PDE, not a drug, has the effect of rapidly suppressing the cyclic nucleotide concentration in mammalian cells such as humans. Decreased intracellular cyclic nucleotide concentrations are known to cause various diseases. Thus, for example, if Rh-PDE is introduced into cells or tissues of a healthy animal, it is possible to transiently bring the animal into a disease state by reducing the cyclic nucleotide concentration by light irradiation, which is innovative It may be a disease research method.

本発明者らは、襟べん毛虫(襟べん毛虫門、カラエリヒゲムシ属 学名Salpingoeca rosetta)という微生物において、光受容体であるロドプシンと、ホスホジエステラーゼが連続した遺伝子コードをゲノム中に持つことに着目して本発明を完成した。 The present inventors focused attention on the fact that, in a microbe named Laurella flagellum (Solaria phylum, Salpingoeca rosetta), the genome contains the gene code of consecutive rhodopsin, which is a photoreceptor, and phosphodiesterase. The present invention has been completed.

すなわち、その遺伝子がコードするたんぱく質(Rh−PDE)が、光に反応して環状ヌクレオチド分解活性を示すこと見出した。そして、このたんぱく質を人の培養細胞に導入したところ、光照射によって細胞内の環状ヌクレオチド濃度を抑制することができた。 That is, it has been found that the protein encoded by that gene (Rh-PDE) exhibits cyclic nucleotide degradation activity in response to light. Then, when this protein was introduced into human cultured cells, it was possible to suppress the cyclic nucleotide concentration in the cells by light irradiation.

ここで、襟べん毛虫(Choanomonada、コアノモナダ)とは、体長数ミクロンの単細胞生物で1本のべん毛を持つ。単細胞生物ではあるが、進化的には多細胞生物に最も近いとされる。ロドプシンとは、発色団としてレチナールを結合しており、光が当たるとイオン輸送などの機能を発揮する光受容型膜たんぱく質である。また、ホスホジエステラーゼ(phosphodiesterase)とは、環状ヌクレオチド加水分解酵素のことであり、人では11種類のファミリーが知られており、その基質特異性や、活性調節の仕組みが異なっている。ヒトなどの哺乳類がもつホスホジエステラーゼは光で直接働くことはできない。 As used herein, the term “Choanomonada” refers to a single-celled organism having a length of several microns and having one flagella. Although it is a unicellular organism, it is evolutionarily closest to multicellular organisms. Rhodopsin is a photoreceptor membrane protein that binds retinal as a chromophore and exhibits functions such as ion transport when exposed to light. Moreover, phosphodiesterase (phosphodiesterase) is a cyclic nucleotide hydrolase, and in humans, 11 types of families are known, and their substrate specificities and mechanisms of activity regulation differ. Phosphodiesterases possessed by mammals such as humans can not work directly with light.

ここで、環状ヌクレオチドとは、サイクリックAMP、サイクリックGMP(以下、cAMP、cGMPと言う場合がる)などの環状エステル結合を持つヌクレオチドのことであり、細胞内シグナル情報伝達においてセカンドメッセンジャー(二次情報伝達物質)として働いている。なお、cAMP、cGMPは環状アデノシン一リン酸、および環状グアノシン一リン酸の略称である。 Here, a cyclic nucleotide is a nucleotide having a cyclic ester bond such as cyclic AMP or cyclic GMP (hereinafter, may be referred to as cAMP or cGMP), and is a second messenger in intracellular signal transduction. It works as the next information carrier). CAMP and cGMP are abbreviations of cyclic adenosine monophosphate and cyclic guanosine monophosphate.

cAMPやcGMPは、細胞内シグナル情報伝達物質であり、細胞内で働くさまざまな酵素の機能を調節している。環状ヌクレオチドは必要に応じて合成され、PDEにより分解されることで、細胞内での濃度が適切に保たれている。 cAMP and cGMP are intracellular signal transducers, and regulate the functions of various enzymes that work in cells. Cyclic nucleotides are optionally synthesized and degraded by PDE to maintain the intracellular concentration appropriately.

環状ヌクレオチドは呼吸器系疾患や認知症、網膜色素変性症などの疾患にも深く関与するため、Rh−PDEを応用した細胞内シグナル伝達の光操作法を確立することによって、これら疾患メカニズムの解明にも貢献することができる。 Since cyclic nucleotides are deeply involved in diseases such as respiratory diseases, dementia, and retinitis pigmentosa, elucidation of the mechanism of these diseases by establishing a light manipulation method of intracellular signal transduction applying Rh-PDE. Can also contribute.

例えば、気管支喘息は気道が狭くなることで粘膜泌物がたまり、軌道に炎症がおこることで発症する。気道が狭くなるのは気道を構成する気管支平滑筋内のcAMP量が減少することで平滑筋が収縮するためである。ゆえに例えばRh−PDEを健常マウスの平滑筋に導入した場合、光照射でcAMPが分解され、人為的かつ迅速に気管支喘息の状態を発現することが可能となる。このように疾患状態を光照射で自在に作り出すことができれば、疾患メカニズムの解明、さらには治療法の確立に貢献すると期待される。 For example, bronchial asthma develops when mucosal airways accumulate due to narrowing of the airway and inflammation occurs on the trajectory. The airway narrows because the smooth muscle contracts by decreasing the amount of cAMP in bronchial smooth muscle that constitutes the airway. Therefore, for example, when Rh-PDE is introduced into the smooth muscle of a healthy mouse, light irradiation degrades cAMP, and it becomes possible to artificially and rapidly develop a bronchial asthma condition. Thus, if the disease state can be freely created by light irradiation, it is expected to contribute to the elucidation of the disease mechanism and the establishment of a treatment.

本発明に係るRh−PDEの機能を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the function of Rh-PDE which concerns on this invention. 試験管内のRh−PDEにcGMPを混合し、光を照射したとき(light)と、光を照射しなかったとき(dark)の各時間での試験管内のcGMPの残存率の変化を示した図である。Figure showing the change of cGMP survival rate in test tube at each time when light is mixed with cGMP and light is irradiated (light) and Rh-PDE in test tube is mixed with light (light) It is. 図2に基づいた光を照射したとき、及び照射しなかったときでのcGMPの分解量を示した図である。It is the figure which showed the decomposition | disassembly amount of cGMP in the case where light was irradiated based on FIG. 2, and when not irradiating. 試験管内のRh−PDEにcAMPを混合し、光を照射したとき(light)と、光を照射しなかったとき(dark)の各時間でのcAMPの残存率の変化を示した図である。It is a figure which showed the change of the residual ratio of cAMP in each time when light mix (light) and light (light) without mixing light to Rh-PDE in a test tube. 図4に基づいた光を照射したとき、及び照射しなかったときでのcAMPの分解量を示した図である。It is the figure which showed the decomposition | disassembly amount of cAMP at the time of irradiating with light based on FIG. 4, and when not irradiating. マウス由来の培養細胞の一種であるND7/23細胞へ導入されたRh−PDEについて、(a)透過光像、(b)緑色蛍光タンパク(GFP)による蛍光像である。(A) Transmitted light image, (b) Fluorescent image by green fluorescent protein (GFP), about Rh-PDE introduced into ND7 / 23 cells which are a kind of cultured cells derived from mouse. ヒト由来の培養細胞の一種であるHEK293細胞にRh−PDEを導入し、細胞に光を照射したとき(Light、2分間(縦帯で示した時間)と、光を照射しなかったとき(Dark)の細胞内のcAMP量の継時変化の様子を相対ルミネセンスの変化として示した図である。When Rh-PDE is introduced into HEK293 cells, which are a kind of cultured cells of human origin, and the cells are irradiated with light (Light, 2 minutes (time indicated by the vertical band) and when not irradiated with light (Dark) It is the figure which showed the mode of the time-dependent change of the amount of cAMP in the cell of 2.) as a change of relative luminescence. 図7同様、HEK293細胞に導入されたRh−PDEについて、細胞への光照射を繰り返したとき(縦細帯で示した時間、11回)の細胞内のcAMP量の継時変化の様子を相対ルミネセンスの変化として示した図である。Similar to FIG. 7, with regard to Rh-PDE introduced into HEK 293 cells, the appearance of the change in intracellular cAMP amount with time when light irradiation to the cells is repeated (11 times shown in the vertical strip) is relative It is the figure shown as a change of luminescence.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。なお、説明が重複する箇所については、適宜説明を省略する場合があるが、発明の要旨を限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and changes, modifications, and improvements can be made without departing from the scope of the invention. In addition, although description may be suitably abbreviate | omitted about the location where description overlaps, it does not limit the summary of invention.

本発明で使用されるRh−PDEタンパク質の調製は、例えば、Rh−PDEタンパク質をコードする遺伝子配列を含む発現ベクターが導入された形質転換体を使用することで行うことができる。例えば、まず、この形質転換体を適宜の条件で培養し、遺伝子配列がコードするRh−PDEタンパク質を合成させる。そして、合成されたタンパク質を形質転換体又は培養液から回収することにより、本発明のRh−PDEタンパク質を得ることができる。   The Rh-PDE protein used in the present invention can be prepared, for example, by using a transformant into which an expression vector containing a gene sequence encoding the Rh-PDE protein has been introduced. For example, first, this transformant is cultured under appropriate conditions to synthesize the Rh-PDE protein encoded by the gene sequence. Then, the Rh-PDE protein of the present invention can be obtained by recovering the synthesized protein from the transformant or the culture solution.

より具体的に説明すると、適当な発現ベクターに上述のRh−PDEタンパク質をコードする遺伝子配列を挿入することにより、作製できる。「適当なベクター」とは、原核生物及び真核生物の各種の宿主内で複製保持又は自己増殖できるものであればよく、使用の目的に応じて適宜選択できるものである。その具体例としては、特に限定されず、例えば、特開平11−29599号公報に記載された公知のベクターが挙げられる。   More specifically, it can be prepared by inserting the gene sequence encoding the above-mentioned Rh-PDE protein into an appropriate expression vector. The “suitable vector” may be any vector as long as it can maintain replication or self-propagation in various prokaryote and eukaryote hosts, and can be appropriately selected depending on the purpose of use. As the specific example, it does not specifically limit, For example, the well-known vector described in Unexamined-Japanese-Patent No. 11-29599 is mentioned.

また、発現ベクターは、培養細胞に導入してタンパク質を調整するのみならず、ヒトやマウス個体に直接導入することで、標的とする生体組織に発現することができる。この場合におけるベクターは、ヒトやマウスに導入可能なベクターを用いる。かかるベクターとしては、アデノ随伴ウイルスベクター(AAVベクター)、レンチウイルスベクターが好適でありこれらを、例えばマウスの気管支細胞に注射することで導入することができる。   Furthermore, the expression vector can be expressed not only in a cultured cell to prepare a protein, but also directly in a human or mouse individual, thereby expressing it in a target living tissue. The vector in this case is a vector that can be introduced into human or mouse. As such a vector, an adeno-associated virus vector (AAV vector) and a lentiviral vector are suitable and can be introduced, for example, by injection into mouse bronchial cells.

発現ベクターを導入する宿主は、発現ベクターに適合し形質転換され得るものであれば
よく、その具体例としては、特に限定されないが、細菌、酵母、動物細胞、昆虫細胞等の
、公知の天然細胞もしくは人工的に樹立された細胞(特開平11−29599号公報参照)、あるいは、ヒト、マウス等の動物が挙げられる。形質転換体の培養は、Rh−PDEタンパク質が大量にかつ容易に取得できるように、形質転換体の種類等に応じて、公知の栄養培地から適宜選択し、温度、栄養培地のpH、培養時間等を適宜調整して行うことができる(例えば、特開平11−29599号公報参照)。
The host into which the expression vector is introduced may be any host that is compatible with the expression vector and can be transformed. Specific examples thereof include, but are not limited to, known natural cells such as bacteria, yeast, animal cells, insect cells, etc. Alternatively, artificially established cells (see JP-A-11-29599), or animals such as humans and mice can be mentioned. The culture of the transformant is appropriately selected from known nutrient media according to the type of transformant and the like so that the Rh-PDE protein can be easily obtained in large quantities, and temperature, pH of nutrient medium, culture time And the like can be appropriately adjusted (see, for example, JP-A-11-29599).

Rh−PDEタンパク質の単離方法及び精製方法としては、特に限定されず、溶解度を利用する方法、分子量の差を利用する方法、荷電を利用する方法等の公知の方法(例えば、特開平11−29599号公報参照)が挙げられる。   The method for isolating and purifying the Rh-PDE protein is not particularly limited, and known methods such as a method using solubility, a method using difference in molecular weight, a method using charge, etc. 29599)).

(Rh−PDEのアミノ酸配列)
発現されたRh−PDEの1文字表記のアミノ酸配列(配列番号:1)は以下のようであった。704個のアミノ酸が配列したものであった。
(Amino acid sequence of Rh-PDE)
The amino acid sequence of the expressed Rh-PDE in one-letter code (SEQ ID NO: 1) was as follows: 704 amino acids were arranged.

(配列番号:1)
MGRKNAANSSMLQEASMNNYSMTSAASGASSSGRGKRRAKTRNIAIASTKEVQWQGIFMIIVWLCVMGSLIFFANPEASRRVFAKFSHLQSFYGATSVAFAFATGLDILAYVNAVSDEKRVLSGILAYVDGVACISYLSMATLNLYFLVDSTQGNPVWLMRYAEWIITCPTLLYWCGLASRADRSSVSDIATADALLLAGGALSSILPSWPAFFVFAGSFATYIYVMLHMWGMFGKAMQPDFQPPPPLPRHALHLLRCEIVMSWSIFPLVEFLRRQGYIDFQVGEAMNCVADYAAKVGLAMIMVNCNLEQINALRVQQMHSALTGMLKVMRKTNLSSSRMAQLDGVDDDVKSWIMNEFSGSTDGKGGDDAKAQQRARGRKGHSAAMDAEKLAASSLFTWDFDALDKSDEDLTAVCVRVFQELHVIEQFNIDEKKLRKWLQKVRTQYNKNPFHNWRHAVMVLHTTYLLLTSVATEFITEVELLAMLIAALSHDLDHNGLTNAFHINSRSELALVYNDQSVLENHHSHLAFEILLEKGCNVVENLDEDEFKRLRAVIINCILNTDMATHHTKLSKMEEVNRLGGFINLAENNDQRLFVLAVLLHTADLHNPIKPFESNKRWSARLQKEFNNQVELEAKMNLPSLPFMRGNDEESLAKGEIGFINFVVKPWHQQLSQAFPKLDFLLDTIDANLAEWKAIAESYRQMH
(SEQ ID NO: 1)
MGRKNAANSSMLQEASMNNYSMTSAASGASSSGRGKRRAKTRNIAIASTKEVQWQGIFMIIVWLCVMGSLIFFANPEASRRVFAKFSHLQSFYGATSVAFAFATGLDILAYVNAVSDEKRVLSGILAYVDGVACISYLSMATLNLYFLVDSTQGNPVWLMRYAEWIITCPTLLYWCGLASRADRSSVSDIATADALLLAGGALSSILPSWPAFFVFAGSFATYIYVMLHMWGMFGKAMQPDFQPPPPLPRHALHLLRCEIVMSWSIFPLVEFLRRQGYIDFQVGEAMNCVADYAAKVGLAMIMVNCNLEQINALRVQQMHSALTGMLKVMRKT LSSSRMAQLDGVDDDVKSWIMNEFSGSTDGKGGDDAKAQQRARGRKGHSAAMDAEKLAASSLFTWDFDALDKSDEDLTAVCVRVFQELHVIEQFNIDEKKLRKWLQKVRTQYNKNPFHNWRHAVMVLHTTYLLLTSVATEFITEVELLAMLIAALSHDLDHNGLTNAFHINSRSELALVYNDQSVLENHHSHLAFEILLEKGCNVVENLDEDEFKRLRAVIINCILNTDMATHHTKLSKMEEVNRLGGFINLAENNDQRLFVLAVLLHTADLHNPIKPFESNKRWSARLQKEFNNQVELEAKMNLPSLPFMRGNDEESLAKGEIGFINFVVK WHQQLSQAFPKLDFLLDTIDANLAEWKAIAESYRQMH

(Rh−PDEタンパク質の発現)
Salpingoeca rosetta(ATCC50818株)のゲノム配列中のRh−PDEをコードする遺伝子配列をNCBI Gene ID 16078606から入手した。
(Expression of Rh-PDE protein)
The gene sequence encoding Rh-PDE in the genomic sequence of Salpingoeca rosetta (strain ATCC 50818) was obtained from NCBI Gene ID 16078606.

入手された遺伝子配列をもとに、ヒトの細胞での発現用に遺伝子配列の最適化をおこない、その遺伝子配列を合成した。合成遺伝子を哺乳類細胞発現用プラスミドであるpEGFP−N1およびpcDNA3.1にライゲーション法を用いて挿入した。この産物をpEGFP−Rh−PDEおよびpcDNA3.1−Rh−PDEと呼ぶ。
pEGFP−Rh−PDEおよびpcDNA3.1−Rh−PDEをリポフェクション法、又はリン酸カルシウム法によりにHEK293細胞およびND7/23細胞に導入し、Rh−PDEタンパク質の発現を行った。発現後細胞を回収し、カラムクロマトグラフィー法によりRh−PDEタンパク質を精製した。
Based on the obtained gene sequence, the gene sequence was optimized for expression in human cells, and the gene sequence was synthesized. The synthetic gene was inserted into plasmids for mammalian cell expression, pEGFP-N1 and pcDNA3.1, using a ligation method. This product is called pEGFP-Rh-PDE and pcDNA3.1-Rh-PDE.
pEGFP-Rh-PDE and pcDNA3.1-Rh-PDE were introduced into HEK293 cells and ND7 / 23 cells by the lipofection method or calcium phosphate method to express Rh-PDE protein. After expression, cells were recovered and Rh-PDE protein was purified by column chromatography.

(Rh−PDEの光による活性化メカニズム)
光による活性化メカニズムを調べるために、精製したRh−PDEタンパク質の光受容部位であるロドプシン部位の光反応特性を分光学的に検証した。試験管内にRh−PDEを静置して520ナノメートルの青緑色の光を照射した。その結果、図1に示すように、Rh−PDEは光照射の約7秒後に完全に活性化され、光照射を終えるとその活性は数分かけて減衰し、元の状態に戻ることが分かった。Rh−PDEの活性化とは、cAMP、cGMPを分解する反応を示すことである。分解産物はそれぞれ5´AMP、5´GMPである。
(Light activation mechanism of Rh-PDE)
In order to investigate the mechanism of activation by light, the light reaction characteristics of the rhodopsin site, which is the light receiving site of the purified Rh-PDE protein, were spectroscopically verified. The Rh-PDE was allowed to stand in a test tube and illuminated with 520 nm blue-green light. As a result, as shown in FIG. 1, it was found that Rh-PDE was fully activated about 7 seconds after light irradiation, and when light irradiation was finished, its activity was attenuated over several minutes and returned to its original state. The The activation of Rh-PDE is to exhibit a reaction for degrading cAMP and cGMP. The degradation products are 5 'AMP and 5' GMP respectively.

試験管内で精製Rh−PDEタンパク質とcGMPを混合し静置して520ナノメートルの青緑色の光を、20分間照射したとき(Light)と、しないとき(Dark)における各時間におけるcGMPの残存率は、図2のようになった。図2から20分間の間、cGMPの残存率は、両者の場合に共に低下した。光照射をした場合、しない場合よりさらに低下した。 Mixture of purified Rh-PDE protein and cGMP in a test tube and allowed to stand for 520 nm blue-green light for 20 minutes (Light) with and without (Dark) residual rate of cGMP at each time Became like Figure 2. During the period of 20 minutes from FIG. 2, the residual rate of cGMP decreased in both cases. When irradiated with light, it decreased more than the case without.

図2に基づいて、光照射をしたときと光照射をしなかったときのcGMPの分解量(nmol/mg total protein/min)を算出して図3に示した。図3から、cGMPについて、光依存的に140%の分解活性の上昇を示すことが判明した。 Based on FIG. 2, the decomposition amount (nmol / mg total protein / min) of cGMP when light irradiation was not performed and light irradiation was calculated is shown in FIG. It was found from FIG. 3 that cGMP showed a 140% increase in degradation activity in a light-dependent manner.

試験管内でRh−PDEタンパク質とcAMPを混合し静置して520ナノメートルの青緑色の光を、20分間照射したとき(Light)と、しなかったとき(Dark)における各時間でのcAMPの残存率は、図4のようになった。図4から20分間の間、cAMPの残存率は、両者の場合に共に低下した。光照射をした場合、しない場合よりさらに低下した。 When mixed with Rh-PDE protein and cAMP in a test tube and allowed to stand and irradiated with 520 nm blue-green light for 20 minutes (Light) and without (Dark) cAMP for each time The survival rate is as shown in FIG. During the period of 20 minutes from FIG. 4, the residual rate of cAMP decreased in both cases. When irradiated with light, it decreased more than the case without.

図4に基づいて、光照射をしたときと光照射をしなかったときのcAMPの分解量(nmol/mg total protein/min)を算出して図5を示した。図5から、cGMPについて、光依存的に160%の分解活性の上昇があることが分かった。 Based on FIG. 4, the decomposition amount (nmol / mg total protein / min) of cAMP was calculated with and without light irradiation, and FIG. 5 is shown. From FIG. 5, it was found that for cGMP, there is a 160% increase in degradation activity in a light-dependent manner.

(ND7/23細胞へのRh−PDEの導入)
上述した哺乳類細胞発現用プラスミドであるpEGFP−Rh−PDEを、リポフェクション法によりマウス由来の培養細胞に導入した。なお、pEGFP−Rh−PDEには緑色蛍光タンパク質(GFP)遺伝子も含まれており、Rh−PDEタンパク質の発現を緑色蛍光により検出することができる。遺伝子導入後の細胞を、蛍光顕微鏡を用いて観察したところ細胞内に緑色蛍光が観察されたため(図6(b))、Rh−PDEが発現したと結論付けた。
(Introduction of Rh-PDE into ND7 / 23 cells)
The above-described mammalian cell expression plasmid pEGFP-Rh-PDE was introduced into cultured cells of mouse origin by the lipofection method. In addition, green fluorescence protein (GFP) gene is also contained in pEGFP-Rh-PDE, and the expression of Rh-PDE protein can be detected by green fluorescence. It was concluded that Rh-PDE was expressed because green fluorescence was observed in the cells when the cells after gene transfer were observed using a fluorescence microscope (FIG. 6 (b)).

(HEK293細胞へのRh−PDEの導入)
ヒトの細胞の中でも同じようにRh−PDEが働くかを検証するために、Rh−PDEをヒトの培養細胞での一種であるHEK293細胞に導入した。このために、pEGFP−Rh−PDEをリポフェクション法を用いて導入した。
(Introduction of Rh-PDE into HEK 293 cells)
In order to verify whether Rh-PDE works in human cells as well, Rh-PDE was introduced into HEK293 cells, which is a kind of cultured human cells. For this, pEGFP-Rh-PDE was introduced using the lipofection method.

(cAMP濃度の経時的検出)
Rh−PDEを導入したHEK293細胞に青緑光(510ナノメートル)を照射して、細胞内のcAMP濃度を経時的に検出することで、青緑色光照射に応じたcAMP濃度の減少を観察した。
(Detection of cAMP concentration over time)
By irradiating blue-green light (510 nm) to the HEK 293 cells into which Rh-PDE has been introduced and detecting intracellular cAMP concentration over time, a decrease in cAMP concentration in response to blue-green light irradiation was observed.

図7に示すように、2分間青緑光を照射すると、細胞内cAMP量を示す相対ルミネセンスは一旦減少し、その後漸増して約6分後には減少前の値に戻った。減少前の値は、青緑光を照射しなかったときのcAMPの相対ルミネセンスであるから、Rh−PDEは人の細胞内に導入されても、試験管内と同様な光による活性化メカニズムを有することが判明した。
なお、図7中のATRはall−trans−retinal(全トランスレチナール)の略称であって、ビタミンAの誘導体でヒトの生体内にも存在するが、cAMPの相対ルミネセンスの感度を向上させるため、添加されたものである。図7において+ATRのときが−ATRのときよりもcAMPの相対ルミネセンスが減少していた。
As shown in FIG. 7, when blue-green light was applied for 2 minutes, the relative luminescence indicating the amount of intracellular cAMP once decreased, then gradually increased and returned to the value before the decrease after about 6 minutes. Since the value before reduction is the relative luminescence of cAMP when not irradiated with blue-green light, Rh-PDE, even when introduced into human cells, has an activation mechanism by light similar to that in vitro. It has been found.
Note that ATR in FIG. 7 is an abbreviation of all-trans-retinal (all-trans retinal), which is a derivative of vitamin A and is also present in human beings, but in order to improve the sensitivity of relative luminescence of cAMP. , Was added. In FIG. 7, the relative luminescence of cAMP was reduced when + ATR was -ATR.

図7の青緑光照射を11回繰り返した結果を図8に示す。図8から、図7のcAMPの相対ルミネセンスの挙動が11回繰り返されていたため、HEK293細胞に導入されたRh−PDEについて、可逆的、繰り返しの光操作が可能であることが判明した。 The result of repeating the blue-green light irradiation of FIG. 7 11 times is shown in FIG. From FIG. 8, it was found that reversible and repetitive light manipulation was possible for Rh-PDE introduced into HEK 293 cells because the relative luminescence behavior of cAMP in FIG. 7 was repeated 11 times.

細胞内環状ヌクレオチド濃度の光操作がRh−PDEを用いることで可能であり、Rh−PDEを応用した細胞内シグナル伝達の光操作法を確立する。これにより環状ヌクレオチドが関わる疾患メカニズムの解明に貢献する。環状ヌクレオチドの欠乏は気管支喘息、アルツハイマー病、網膜色素変性症等の原因である。Rh−PDEを健常な動物組織に導入することで、環状ヌクレオチド濃度を光照射により低下させることが可能になるため、疾患状態を迅速に作り出すことが可能となる。これは疾患メカニズムの解明、さらには治療法の開発に貢献する画期的な手法となる。   The light manipulation of intracellular cyclic nucleotide concentration is possible by using Rh-PDE, and a light manipulation method of intracellular signaling by applying Rh-PDE is established. This contributes to the elucidation of the disease mechanism in which cyclic nucleotides are involved. Depletion of cyclic nucleotides is the cause of bronchial asthma, Alzheimer's disease, retinitis pigmentosa and the like. By introducing Rh-PDE into healthy animal tissue, it is possible to reduce the cyclic nucleotide concentration by light irradiation, and thus it is possible to rapidly create a disease state. This is an innovative method that contributes to the elucidation of disease mechanisms and the development of therapeutics.

Claims (2)

配列番号:1のアミノ酸配列を有するロドプシンホスホジエステラーゼ。 Rhodopsin phosphodiesterase having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 1. 請求項1において1又は複数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸からなり、かつ光照射によって、cGMP及び/又はcAMP分解活性を有するロドプシンホスホジエステラーゼ。

A rhodopsin phosphodiesterase consisting of an amino acid in which one or more amino acids are deleted, substituted or added in claim 1 and having cGMP and / or cAMP degradation activity by light irradiation.

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