JP2001512316A

JP2001512316A - 細胞微環境における変化を光学的に検出する混成分子

Info

Publication number: JP2001512316A
Application number: JP53592998A
Authority: JP
Inventors: ゲロ・マイゼンボク; ジェームズ・イー・ロスマン; ディーノ・エイ・デアンジェリス
Original assignee: メモリアル・スローンケタリング・キャンサー・センター
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 2001-08-21
Also published as: EP0981633A2; US7094888B2; WO1998036081A3; CA2281648A1; WO1998036081A2; US20040137611A1; US6670449B1

Abstract

(57)【要約】本発明は細胞に関連する微環境内変化を監視するのに発光を利用する方法及び組成物に関する。本発明は、特に、シナプス小胞の素量放出を検出するなどエクソサイトーシス活性を監視するのに有益である。ウミホタル・ルシフェラーゼとシナプトタグミン-I又はVXMP/シナプトブレビン-2の融合タンパク質がシナプス小胞にターゲットされ、エクソサイトーシスの際に発光複合体を細胞外培地に存在するルシフェリンにより形成した。脱分極刺激存在下での光子発光はこれらの系により観測可能である。グリーン蛍光タンパク質のpH感受性突然変異体も提供され、エクソサイトーシスの可視化と、細胞内区画のpH撮像及び測定に有益である。

Description

【発明の詳細な説明】細胞微環境における変化を光学的に検出する混成分子本出願は、1997年２月13日及び1997年２月14日に出願されて係属している米国仮出願60/038.179及び60/036,805に基づく優先権を主張しており、その両方はその全体においてここで参照して結合される。発明の技術分野本発明は、環境に敏感なレポーター分子内の光学的変化を検出することによって細胞内外の局所的環境における変化を監視する組成物及び方法に関する。特に、本発明は、光学的に敏感なレポーター分子が存在する環境変化に応答して光学的に検出可能なシグナルを生成し、細胞に特異的に結合可能又はそれらによって生成誘起可能な組成物に関する。本発明は、シナプス小胞などの細胞のエクソサイトーシス小胞に格納された物体の放出検知に特に適用可能であり、本発明の組成物は小胞内に局所化され、小胞内容物の放出時に細胞外空間に晒される。発明の背景局所的環境内の分子変化を微視的レベルで監視する様々な方法が知られている。活性細胞が関与する微環境変化の検出は、多くの方法が分析対象細胞の破壊や破損をもたらすために、特定の課題を与える。重要な情報が電気生理学技術によって得られてきたが、これらの技術は、複雑な実時間細胞生理学の研究に適用を限定し、記録対象細胞を破壊して変形させる可能性もある。また、電気生理学は電位変化が関与する事象の検知に限られている。多くの細胞プロセスが分子微環境の変化を伴う。例えば、かかるプロセスは、細胞内及び細胞外環境間の接触を伴うエクソサイトーシス及びエンドサイトーシスと、ニューロンや筋肉細胞などの電気活性細胞に関連付けられたイオン濃度変化を含んでいる。細胞物質の放出は、特に、多細胞生物の機能に基本的な幾つかの細胞型の一般化された現象である。血液細胞、内分泌細胞及びニューロンは、かかるプロセスに特に依存する細胞型の例である。例えば、血液顆粒球はエクソサイトーシスを通じて炎症の様々な化学伝達物質を放出し、内分泌細胞は他の細胞が要求するホルモンを放出し、ニューロンはシナプス小胞に収納された神経伝達物質を放出する。例えば、エクソサイトーシス小胞の形質膜との融合と、細胞外空間との管腔面と小胞内容物の接触とによってもたらされる微環境変化の検出能力は、かかる細胞物質の放出をもたらすプロセスを理解・調節するのに有益な情報を提供するであろう。エクソサイトーシス事象は、シナプス伝達がシナプス小胞の制御された放出に依存するのでニューロンの適当な機能に特に重要である。神経生理学の多くの問題は、例えば、単一のニューロンによる入力の統合、シナプス塑性及びニューラルネットワークによるパターン分類と格納を含むシナプス活性の場所、タイミング及び大きさに関する問題に集約することができる。これら及び関連問題の研究は、単一のエクソサイトーシス事象を信頼性良く検出することができることによって多くのシナプスからの直接同時記録を可能にする方法から大きな恩恵を受けるであろう。かかる方法は最適に思える。なぜなら、一方では、中央シナプスは一般に単一のシナプス小胞の融合を介して情報を伝達する(1,2)からであり、他方では、神経系の計算力は多数のシナプスを含むネットワークから生じるからである(参照3-5)。現在の電気生理学的方法は個々のシナプス活性が記録されることを可能にするが、それらは集団の研究はできない。細胞内電極が同時に刺通可能な細胞数には実用的制限が存住し、重要なことに、侵入的方法は研究対象細胞に関する先見的決定を必要とし、発見を困難にする。多数の電極を利用する細胞外電界記録はこれらの問題の幾つかを回避し、これによって多くの細胞の集合的活性が測定されることを許容するが、活性を個々のシナプス又はニューロン(6,7)に帰属せしめることはできない。膜電位又は細胞内Ca²⁺濃度の蛍光指示薬からの発光の光学的イメージング(7-10)は空間分解能を大幅に増加させるがシナプス活性を直接に測定しない。シナプス活性の直接測定を提供する代替的光学的手法は、シナプス小胞を蛍光色素で充填して色素放出を観測することである(11,12)。しかし、この方法は内在的に全蛍光のほんの僅かな減少をもたらす個々の素量分解ができない。それらの限定にもかかわらず、これらの技術は、網膜神経節細胞による視覚光景表示(13)と発育中の皮質回路の出現(14)と同じくらい多種多様の多細胞現象に関する窓口を開けた。従って、全ネットワークにおけるシナプス入出力の詳細パターンを表示する方法は、細胞と系の神経生理学間の比較的未開のインターフェースで働く重要な生理学的新概念を開示すると期待されている。従って、ニューロンと他の細胞型における適当なエクソサイトーシスプロセスの生理学に対する重要性のために、素量的エクソサイトーシス事象を含む細胞内外の微環境変化を実時間で検出可能な感受性組成物及び方法を開発することが望ましい。微環境変化を検出可能な分子は、溶液内の分子移動又は細胞膜関連分子の空間位置のため、かかる微環境における変化に関与する細胞事象のプローブとして有益であろう。かかる微環境変化に遭遇すると光学的シグナルを与える利用可能な分子を有することが特に望ましいだろう。様々な種類の分子が他の分子体の存在の検出用に当業界で使用されてきた。放射化学的標識は高い感受性を有するが、有害であるため適切な注意が払われなければならない。また、これらの標識は実時間の局所化に有益ではない。蛍光分子その他の色素形態などの光学的標識は特異性分子体の検出用レポーターとして動作するために分子と結合されてもきた。典型的に、光学的シグナルを生成可能なレポーターは、リガンド結合対の一部である特異性結合分子に結合されている。かかる結合分子は、通常は、特異的に対応ターゲットリガンドに結合する抗体、受容体などの特異性結合タンパク質又はペプチドホルモンである。これらのレポーターリガンドは、外部環境から調査中の系に添加しなければならない試薬である。従って、それらの有用性は、適当な分子ターゲットへのそれらのアクセス可能性、不適当な場所への非特異性結合又は拡散、及び、適当な結合対の入手可能性によって制限される。分子レポーターの別の種類は、細胞によって内因的に発現された分子を生成するシグナルを有する。幾つかの生物発光タンパク質は、分子体の存在を光学的にレポートする検出可能標識と同じくらい有益に報告されてきた。例えば、発光オワンクラゲ(aequora victoria)のグリーン蛍光タンパク質(GFP )は、Ser-Tyr-Gly配列（位置65-67）の生体内環化及び酸化によって生成されるp -ヒドロキシベンジリデンイミダゾロン発光団を有する自然蛍光タンパク質である。Tyr-66由来の発光団のフェノール基は、おそらくタンパク質の２つの主要な励起ピーク395及び475nmの基礎となる２つのプロトン付加状態で存在する(参照4 7)。幾つかのレポーターは様々な特徴的な生物発光タンパク質を有している。例えば、コーミエール等(Cormier et al.)、「アポエクオリンを発現可能な組替えD NA(Recombinant DNA Vectors Capable of Expressing Apoaequorin)」、米国特許第5,422,266号、プレイシャー(Prasher)、「増加された生物発光活性を有する変形アポエクオリン(Modified Apoaequorin Having Increased Bioluminescent Ac tivity)」、米国特許第5,541,309号、コーミエール等、「分離されたウミシイタケ・ルシフェラーゼ及びその用法(Isolated Renilla Luciferase And Method of U se Thereof)」、米国特許第5,418,155号、マクエルロイ(McEloroy et al.)、「コールオプテラ・ルシフェラーゼの組換え発現(Recombinant Expression of Coleo ptera Luciferase)」、米国特許第5,583,024号を参照のこと。遺伝子発現のレポーターとしての生物発光融合タンパク質の使用も報告されている。例えば、ハーポルド等(Harpold et al.)、「細胞外シグナルの細胞内形質導入を検出及び評価する検定方法及び組成物(Assay Methods And Compositions For Detecting And Evaluating The Intracellular Transduction of An Extracellular Signal)」、米国特許第5,436.128号、ツェン等(Tsein et al.)、「変形グリーン蛍光タンパク質(Modified Green Fluorescent Protein s)」国際出願WO96/23810、ガスタフサン等(Gustafson et al.)、「バクテリア・ルシフェラーゼ用融合レポーター遺伝子(Fusion Reporter Gene For Bacterial Luciferase)」、米国特許第5,196,524号、チャルファイ等(Chalfie et al.)、「グリーン蛍光タンパク質の使用(Uses Of Green-Fluorescent Protein)」、米国特許第5,491,084号を参照のこと。GFPは有益なレポーター分子として報告されているが、微環境の変化に感受性にされればその有用性は更に強まるであろう。発明の要約本発明は、微環境内変化を検出するのに有益な組成物及び方法を提供する。多くのダイナミック系が、区画の事後的合体又は一の区画の内容物の他の区画への放出を伴う分子の区画化に依存する。エンドサイトーシス及びエクソサイトーシスは、分子体の区画化を伴う生物学的系の例である。本発明の組成物及び方法は、区画化の変化に伴う微環境内変化を検出するのに特に有益である。シナプス小胞の放出に関連して発生するような素量的細胞エクソサイトーシス事象の実時間検出は本発明によって可能となる。本発明の方法は、第２の区画に接触する際に第１の区画に存在する混成分子レポーターの発光特性変化を検出することを含んでいる。混成分子レポーターは、ターゲティング領域と、第２の区画に接触する際に発光反応に関与するレポーター領域とを有する。細胞に適用されるように、本発明の方法はエクソサイトーシス小胞、特にシナプス小胞、の成分放出の素量的検出を可能にする。本発明の方法は同様に細胞内の小胞内容物の放出検出に適用可能であることが期待されている。また、本発明は混成分子レポーター分子も提供する。少なくとも２種類の混成分子が本発明によって提供される。一種類の分子は導入されるべき区画に外部的に由来する。細胞プロセスの検出に使用されると、かかる混成分子は、典型的に、それらが基づく細胞によって遺伝暗号されない。また、発光成分は環境感受性である検出可能な光学的シグナルを与える。本発明のよって提供されるもう一つの種類の混成分子は遺伝暗号される。これらの分子自体は２種類を有する。即ち、a)レポーター領域がターゲティング領域と共同発現されて光学的に検出可能なシグナルを生成することができるレポーター領域とターゲティング領域を含むものと、b)光学的に検出可能なシグナルを生成可能な別個のレポーター分子に結合するが、ターゲティング結合領域をコード化する細胞によってコード化されず、外部環境から与えられる結合領域とターゲティング領域を含むもの、である。ポリペプチドが特にターゲティング体にかなり適しており、遺伝暗号及び発現可能であるために、本発明の混成分子は、必然的ではないが、典型的には、ポリペプチドである。本発明の組成物は、様々な種類の多重区画系にターゲットされることができる。ある実施例においては、混成分子はリポソームにターゲットされて細胞に、リポソームに含まれる薬品などの物質を分配することを監視するのに使用されることができる。別の実施例においては、本発明の組成物は、エクソサイトーシス事象が発生するまで細胞外環境に接触しない場合に、エクソサイトーシス小胞などの細胞内配置にターゲットされることができる。エクソサイトーシスの際に、例えば、小胞膜の管腔側を含むエクソサイトーシス小胞の内部は細胞外環境と接触するようになる。細胞外環境との連通によって、小胞にターゲットされた本発明の組成物は、素量的エクソサイトーシス放出を表す光学的事象として検出可能な光子放出をもたらす。本発明のターゲティングポリペプチドは、好ましくは、エクソサイトーシス小胞膜にターゲットされ、光学的シグナルの生成に必要なアミノ酸配列順序は、好ましくは、小胞膜の管腔面に配置される。本実施例は、神経伝達物質放出を直接レポートする光学的シグナルを生成する分子を包含している。個別的小胞融合事象の検出は本発明により可能になり、それは多くの記録ラウンドに対するプローブの再生成も与える。本実施例及び他の実施例に対する好ましいプローブは遺伝暗号されたタンパク質である。本発明のプローブ発現の遺伝制御は、記録が、トランスジェニック動物の細胞、培養液、組織片又は露出組織から得られることを可能にし、(局所的DNA伝達技術により) ニューロン、（細胞型特異プロモーターにより）ニューロンの種類、又は、（シナプス接触を介して広がる組替えウイルスベクターにより）回路素子を含む個別細胞検出手段を与える。かかるプローブはシナプス小胞の放出を検出するのに有益である。本発明のある実施例においては、ルシフェラーゼ酵素と少なくとも小胞膜タンパク質の一部を有する混成レポーター分子が提供されている。これらの混成レポーター分子を「シナプトルシン(synaptolucins)」と呼ぶ。本発明は、環境感受性励起及び／又はスペクトル発光を示すと共に、例えば、本発明の混成分子のレポーター部分として有益である発光オワンクラゲのグリーン蛍光タンパク質の突然変異体も含んでいる。本発明が提供する環境感受性GFP 突然変異体の例は、「pHルオリン(pHluorins)」と呼ばれる様々なpH感受性突然変異体を含んでいる。本発明が提供する好ましい２種類のGFP突然変異体は、pH7 .4乃至5.5のpH減少に応答して、475nmにおいてGFP励起ピークの減衰又は損失を示す突然変異体(エクリプティック(ecliptic)pHルオリン)と、7.6乃至6.0のpH減少に依存して395及び475nmにおいて励起ピークの逆比を示す突然変異体（レイショメトリック(raitiometric)pHルオリン）である。これらのGFP突然変異体のアミノ酸配列順序をコード化する核酸分子も本発明の範囲内である。本発明の別の実施例においては、pHルオリンと少なくとも小胞膜タンパク質の一部を有する混成レポーター分子が提供されている。これらの混成レポーター分子を「シナプトpHルオリン(synaptopHluorins)と呼ぶ。本発明の別の実施例においては、本発明の混成レポーター分子ポリペプチドをコード化する核酸分子が提供されている。好ましくは、かかる核酸分子は、特異性細胞にポリペプチドの発現をもたらすプロモーターを含んでいる。また、本発明の核酸分子を有するベタター及び形質転換細胞が提供される。様々な種類の細胞が本発明の核酸に形質転換されて生体内又は生体外の一次細胞、細胞系を含む培養細胞及びトランスジェニック動物の細胞を含むことができる。従って、特許請求の範囲に記載した核酸を発現するトランスジェニック動物は本発明の別の実施例である。本発明の混成分子及び方法は環境分子の第２の環境との接触を検出に有益である。本発明は、エンド又はエクソサイトーシスに関与する細胞膜に関連した融合事象の検出に特に有益である。また、混成レポーター分子を含むリポソームと細胞との融合も本発明によって監視可能である。特に、特異性細胞集団におけるエクソサイトーシスプロセスを変更する分子のスクリーニングも本発明によって可能となる。また、本発明が提供するポリペプチドの細胞放出によって生成される多重光学的シグナルの源は空間的に見分けることが可能であるので、本発明の方法は、例えば、ニューロン細胞などの幾つかの細胞の活性を同時に記録する手段を提供する。離散的細胞集団内のエクソサイトーシス小胞の放出を検出する手段を提供することによって、本発明は、何らかの方法、例えば、エクソサイトーシスプロセスに含まれるあるタンパク質をコード化すると信じられているある遺伝子の不活性化によって変更された細胞内プロセスを測定することによって、特異性タンパク質又は細胞プロセスのエクソサイトーシスへの寄与を特定する手段を提供している。従って、例えば、本発明の使用は、ある遺伝子が「無効化(knocked out)」された動物又は細胞を利用して、様々な細胞型において様々な条件下でエクソサイトーシスに関する情報を提供する有益なモデルを提供することができる。本発明のシナプトpHルオリンの使用を通じて、個々のブートン(boutons)でのシナプス伝達が、様々な細胞型の分泌と同様に、蛍光顕微鏡法によって非侵入的に撮像可能となる。pHルオリンの使用は、培養液、組織又は完全透明有機体において指定細胞型の個別細胞又は集団のエンドサイトーシス、受容体活性化及び内部区画的トランスロケーションのような多種多様な転送プロセスを可視化するのに拡張可能であることが期待される。本発明が提供するGFP突然変異体は光学的標識に有益である。これらの突然変異体は、リガンド結合対の他の部位の存在を検出ずるためにリガンド結合対の一部である特異性結合分子に結合可能である。これらの突然変異体は、タンパク質発現のレポーターとしても使用可能である。それらのpH感受性のために、これらの突然変異体もそれらの環境におけるpH変化を検出するのに使用可能である。本発明の目的は、特異性細胞、細胞区画又は細胞位置に局所化可能で、ポリペプチドの細胞外空間との接触の際の光学的シグナルの生成に関与する二機能ポリペプチドを提供することである。本発明の別の目的は、エクソサイトーシス小胞、特に、例えば、シナプス小胞の内容物放出の光学的検出方法を提供することである。本発明の別の目的は小胞放出を調整するプロセス及び物質を特定する方法を提供することである。本発明の更に別の方法は、環境変化に感受的である励起及び／又は発光スペクトルを示すGFPの突然変異体を提供することである。図面の簡単な説明本特許の包袋は少なくとも一のカラー図面を含んでいる。カラー図面を有する本特許の副本は請求書の提出と必要な費用の支払いにより特許商標庁から得られるであろう。図１シナプス小胞タンパク質を有するシナプトルシンの分留(cofractionation )である。アンプリコン感染amplicon-infected)PC12細胞はホモジェネートされ、後核(postnuclear)上澄みは5-15％グリセロールに沈殿された。小さいシナプス小胞バンドが分画4-9に、エンドソームが分画11-14にある(参照25)。下部分画はサッカロースクッションに集められた材料を含んでいる。より遅い沈殿分画に比較して、この材料の15％だけがSDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS-PAG E)によって分析された。タンパク質は、トリクロロ酢酸で沈殿され、8-18％ジェルで分離され、ニトロセルロースに輸送された。フィルタは、シナプトタグミン-I（上）に対して導入されたmAb M48（参照23）又はVAMP- 2（下）に対して導入されたmAb CL67.1（参照24）によってプローブされた。結合抗体はECLによって可視化された(イリノイ州アーリントンハイツ(Arlington H eights)、アマーシャム(Amershem))。図2A-2F シナプトルシン-1を発現する海馬ニューロンで、広視野顕微鏡法によって撮像された。約60％のニューロンがシナプトルシン-1を形質導入するHSV（単純ヘルペスウイルス）によって感染された。目盛線は20μmであった。図2Aは、FM4-64によって神経末端をロードすることによって現れるシナプスマップを表示している。FM4-64からの蛍光シグナルが低増感器ゲインで得られ、32ビデオフレームに亘って平均化された。図2B-2Eは、30秒に亘るシナプトルシン発光から累積され、30nMルシフェリン、最大画像増感器ゲイン、及び、100ピクセル視野毎に平均1.06光子記録にバックグラウンド及び装置ノイズ（光子は脱分極刺激であるがルシフェリンなしで計数する）を抑制する光子検出に対する判別器値で得られた光子記録を表している。調製は正常カリウム血溶液(2B)で連続的に撮像され、エクソサイトーシスを誘起する３つの高カリウム血症のチャレンジ中に、外部Ca²⁺の存在（図2C及び2D）又は欠如（図2E）において実行された。各連続刺激間では静止状態で10分が経過した。図2A-2Cにおける赤点線は、おそらくウイルス感封中経細胞のために、刺激独立性シナプトルシン活性領域をマークしている。写真パネル2Fは、ここでは赤色着色された図2Cのシナプトルシンシグナルをシナプスマップの２値バージョンに重ねている。２値マップは、100分の97番目の強度を有するピクセルが黒色で現れるように図2Aをスレッショルドすることによって形成された。図３ 2つのシナプトルシン画像、図2B（制御）及び2C(エクサイトーシス誘発) 、のフィルタリングを、それらの共通シナプスマップである図2Aに、図2Fに概略的に示すようマッチした。xy軸はこれらの投影図フィルタと画像の相対軸を示し、縦座標は、画像とフィルタとのマッチの測定である正規相関関数を示している(参照3 8)。関数は、空間周波数領域においてポイント的積によって計算され、フーリエ変換の特性により周期的である(参照38)。xy方向の-π乃至πまでの単一の期間のみを示す。偏移(0,0)でフィルタ及び画像は記録され、偏移(x,+/-π)又(+/-π ,y)でフィルタ中央は画像の縁部に変位されている。図2Cの走査（上）は誘起されたシナプトルシン発光を示している。(0,0)のフィルタ偏移でのピークは画像のマッチング構造を示していることに留意する必要がある。図2Bの走査（下）は誘起されたシナプトルシン発光がない場合である。中央ピークがない点に留意する必要がある。図４シナプトルシン-1を発現する海馬ニューロンで、図２と同一の増感器と検出器で広視野顕微鏡法によって撮像された。（上）は、エクソサイトーシス誘発後最初の30秒間のシナプトルシン発光からの光子記録は赤色で着色され、FM4-64 で得られたシナプスマップに重ねられた。（下）は、高カリウム血症チャレンジ後のFM4-64画像である。写真パネル4A及び4BはBoNTs及びF処理前に写真パネル4C 及び4Dは同処理後に記録された。BoNTsは、５分間の脱分極中に(再循環シナプス小胞への毒素吸収を強めるために)、その後３時間保温中に１μMテトロドトキシンを有する完全な培地に添加された。写真パネル4Dに対して写真パネル4BのFM4- 64蛍光強度の印をつけられた減少に留意のこと。目盛線は20μmであった。図５野生型GFPのアミノ酸配列順序（配列ID番号1）である。図６野生型GFPのcDNA核酸コード配列順序（配列ID番号2）である。図7A GFP突然変異体1B11tのcDNA核酸コード配列順序（配列ID番号3）である。図7B GFP突然変異体14E12tのcDNA核酸コード配列順序（配列ID番号4）である。図8A-8E GFP突然変異体の励起スペクトルである。360乃至500nmの励起スペクトルが発光波長510nm、pH7.4（実線）及びpH5.5（点線）で、野生型GFP(図8A、GFP 突然変異体S202H(図8B)、GFP突然変異体1B11（図8C）及びGFP突然変異体14E12（図8D）に対して決定された。図9A-9E 1B11類似のGFP突然変異体の励起スペクトルである。励起スペクトルは図8A-8Dに対して説明されるように得られた(図9Aのクローン1D10、図9Bのクローン2F10、図9Cのクローン2H2、図9Dのクローン1B11t、図9Eのクローン8F6、図9F のクローン19E10)。図10A-10G 14E12類似のGFP突然変異体の励起スペクトルである。励起スペクトルは図8A-8Dに対して説明されるように得られた(図10Aのクローン14E12t、図10B のクローン14C9、図10Cのクローン14C8、図14Dのクローン2G3、図10Eのクローン S202H、図10Fのクローン14D9、図10Gのクローン8E8)。図11A クローン1D10のコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序(配列ID番号 5)である。図11B クローン2F10のコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序(配列ID番号 6)である。図11C クローン2H2のコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序（配列ID番号 7）である。図11D クローン1B11のコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序(配列ID番号 8)である。図11E クローン8F6のコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序（配列ID番号 9）である。図11F クローン19F10のコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序（配列ID番号10）である。図12A クローン14E12:14E12のコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序(配列ID番号11)である。図12B クローン14C9のコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序（配列ID番号12）である。図12C クローン14C8のコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序（配列ID番号13）である。図12D クローン2G3のコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序(配列ID番号1 4)である。図12E クローンS202Hのコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序（配列ID番号15）である。図12F クローン14D9のコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序（配列ID番号16）である。図12G クローン8H8のコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序(配列ID番H17 )である。図13 ウミホタル(Cypridina)ルシフェラーゼのコード領域に対するcDNA核酸コード配列順序（配列ID番号18）である。図14A-14B GFPのベータバレル構造の側面図(14A)及び上面図(14B)である。ポリペプチドバックボーンが灰色で、トリペプチドのSer⁶⁵-Tyr⁶⁶-Gly⁶⁷内部境化によって形成された発光団が緑色で、Tyr⁶⁶のヒドロキシル基が赤色強調表示で示されている。図14Aにおいては、青色領域は、組合せ変異生成(combinatorial mu tagenesis)に支配されているアミノ酸のカセット（位置94-97、146-149、164-16 8、202-205、221-225）を示している。図14Bにおいては、青色領域は、７主要残基(7key residues)及びそれらの側鎖である。Thr²⁰³の支配的側鎖配置が示されている。図14C 野生型GFPの508nmでの励起スペクトルである。図14D レイショメトリックpHルオリン（クローンC6）の508nmでの励起スペクトルである。図14E エクリプティックpHルオリン（クローン8F3）の508nmでの励起スペクトルである。図14C-14Eにおける縦軸目盛りは、25℃で記録された発光された蛍光強度における正規化された差を表している。試料は、27.5μM発光団、50mMカコジルナトリウム、50mM酢酸ナトリウム、100mM NaCl、1mM CaCl₂及び1mMMgCl₂を含んでいる。図15A R_410/470（平均±SD）とpHとの関係である。その表層(n＝28)におけるGP IアンカーされたレイショストリックpHルオリンを発現する細胞が（37℃で）5.2 8乃至7.8のpH値に調節された撮像緩衝液で撮像された。図15B 細胞外空間のレイショメトリックpH測定であり、右に表示された参照表に従ってカラーコードされた。使用されたターゲティングモジュールは、pH7.4 の撮像緩衝液にで一過的にトランスフェクトされたヒーラー(HeLa)細胞の細胞表層への分配用GPIアンカーであった。図15C エンドソームのレイショメトリックpH測定であり、右に表示された参照表に従ってカラーコードされた。使用されたターゲティングモジュールは一過的にトランスフェクトされたHeLa細胞でセルブレビン(Cellubrevin)であった。目盛線10μmは図15B-15Eで有効である。図15D トランスゴルジ網のレイショメトリックpH測定であり、右に表示された参照表に従ってカラーコードされた。ターゲティングモジュールは一過的にトランスフェクトされたヒーラー細胞でTGN38であった。図15E シナプス小胞のレイショメトリックpH測定であり、右に表示された参照表に従ってカラーコード化された。ターゲティンクモジュールはHSVアンプリコンベクターが感染された海馬ニューロンでVAMP/シナプトブレビンであった。図16A 海馬ニューロンの分野の全シナプスのマップで、シナプトタグミン-Iに対するモノクロナール抗体による免疫染色(immunostaining)により得られた。右下で細胞体への複数のシナプス入力に留意のこと。図16B シナプトpHルオリン発現シナプスのマップで、視界外にその細胞体があるHSV感染ニューロンにより形成された。右下で細胞体への複数のシナプス入力に留意のこと。低量感染のために図16Aで標識化されたシナプスのごく少片のみがシナプトpHルオリン陽性であった。比較的少量のシナプトpHルオリン陽比が右下の細胞体に入力して、シナプトpHルオリン発現の特異性比を明示した。矢印は図16A及び図16B巻の記録点を示す。目盛線は20μmである。図16C 図16Bの点線ボックスの写真で大きく拡大して示されている。２つのブートン(1及び2)が同定されている。図16D 図16Cにおいて同定された２つのブートンから得られたシナプス活性の記録である。R_410/470は1Hz、200ms露光、各発光波長で標本化された。ニューロンは、まず2mM細胞Ca²⁺で(横座標0-40秒)、その後、Ca²⁺なし、2.5mM EGTA（エチレングリコールビス（２−アミノエチルエーテル）四酢酸）ありで（横座標90-1 30秒）細胞外[K⁺]を上げることによって、２つの脱分極循環を通じてステップされた。図17A エクリプティックpHルオリンにより可視化された分泌である。エクリプティックpHルオリンを発現するRBL-2H3細胞は、細胞表層IgE受容体をロードするために３時間10ng/ml抗DNP IgEで前恒温処理された。静止状態において(フレーム１)、分泌顆粒が470nm励起ではなく410nmでのみ可視化された。分泌応答を誘発するために1mg/ml抗IgE抗体の付加後、200ms露光が0.1Hzで獲得された。470nm 励起で取り出された選択フレーム(2-7)が表示されている。全画像はコントラストが強調されて3x3二項核を有するローパスフィルタを通過された。目盛線は10 μmであった。フレーム４矢印は個別地点がフレーム５及び６で消失している集団をマークしている。フレーム５-７「点滅」地点である。図17B 分泌の光学的及び生化学的測定の関係である。図17Aの個々のフレームが獲得される回数を矢印に示す。RBL細胞顆粒の標識酵素であるβヘキソサミニダーゼ(β-hexosaminidase)の活性が画像緩衝液の20μlアリコートで検定されて表示回数で引き出された。図17C 生画像由来の分泌事象のサイズ分配であり、470nm励起で獲得された。統合蛍光強度はピクセル領域と平均強度の積である。事象は以下の場合に計数された。即ち、1)それらのピクセル各々のグレイレベルが、分泌刺激がない場合には事象が記録されないように経験的に設定された閾値を超えた場合（フレーム１）及び2)それらの領域が、多少平均マスト細胞顆粒よりも小さい径ca.0.5μmの蛍光対象のインフォーカス画像（エアリディスク(Airy disk)）に大きさが等しい４連続ピクセルを超えた場合、である。図18 GFP突然変異体C6のコード領域のDNA塩其配列順序（配列ID番号19）である。図19 GFP突然変異体C6のアミノ酸配列順序（配列ID番号20）である。図20 GFP突然変異体8F3のコード領域のDNA塩基配列順序(配列ID番号21)である。図21 GFP突然変異体8F3のアミノ酸配列順序（配列ID番号22）である。図22 GFP1B11tのアミノ酸配列順序（配列ID番号23）である。図23 GFP14E12tのアミノ酸配列順序（配列ID番号24）である。図24 GFP1D10のアミノ酸配列順序（配列ID番号25）である。図25 GFP2F10のアミノ酸配列順序（配列ID番号26）である。図26 GFP2H2のアミノ酸配列順序（配列ID番号27）である。図27 GFP1B11のアミノ酸配列順序（配列ID番号28）である。図28 GFP8F6のアミノ酸配列順序（配列ID番号29）である。図29 GFP19E10のアミノ酸配列順序（配列ID番号30）である。図30 GFP14F12のアミノ酸配列順序（配列ID番号31）である。図31 GFP14C9のアミノ酸配列順序（配列ID番号32）である。図32 GFP14C8のアミノ酸配列順序（配列ID番号33）である。図33 GFP2G3のアミノ酸配列順序（配列ID番号34）である。図34 GFPS202Hのアミノ酸配列順序（配列ID番号35）である。図35 GFP8H8のアミノ酸配列順序（配列ID番号36）である。発明の詳細な説明本発明は、ダイナミック生理学的プロセスを監視するのに有益な微環境内変化を検出する組成物及び方法に関する。混成ポリペプチド組成物本発明の組成物は、混成分子が微環境内変化に遭遇すると光学的に検出可能なシグナルをもたらす反応に関与可能なレポーター領域とターゲティング領域とを含む混成分子を有する。これらの混成分子は、好ましくは、特異的細胞又は細胞内位置に混成分子をターゲットする少なくとも一のアミノ酸配列と、レポーターとして機能すると共に光学的に検出可能なシグナル生成に関与する少なくとも一の他のアミノ酸配列とを有するポリペプチドである。光学的シグナルの増幅手段として複数のレポーターアミノ酸配列を有する分子を含むなど基本構成の変形は本発明の範囲内である。多くの場合において、アミノ酸配列をレポーター領域として使用することが望ましいであろうが、蛍光又は蛍光発生分子などの光学的シグナルを生成可能な他の部分もレポーター領域として使用可能である。ここで使用されるように蛍光発生分子は、試薬又は触媒として生物発光又は化学発光反応に関与又は蛍光又は発光種を生成する反応に関与する分子である。蛍光発生基質は適当な酵素によりそのプロセシングが発光をもたらす分子、例えば、ルシフェリンである。少なくとも一のアミノ酸を有するリンカーもターゲティング及びレポーター領域間に挟むことができる。本発明による別の形式の混成分子は、レポーターとして機能する別個の分子体によって認識可能なリガンド結合対の一部として機能する特異性結合領域とターゲティング領域とを有する分子である。従って、かかる混成分子は、抗体又はその断片、及びその他のリガンド結合対の一部を含むがこれらに限定されるものではない親和力に基づく試薬に結合するだろう。好ましくは、混成分子は遺伝暗号可能なポリペプチドである。これらの混成分子は内因性又は工学処理された構造を有することができる。混成分子の特異性結合領域に結合する標識抗体などの別個の発光レポーターは、混成分子を発現する細胞によって一般に発現されないが外部環境から系に添加される。微環境内変化を検出する能力はターゲティング領域とレポーター領域の選択の組合せに由来する。例えば、発現されると本質的に光学的シグナルを生成可能になるであろうレポーター領域は、検出可能なシグナルを生成するのに必要な環境を与えない環境を有する細胞領域に分子をターゲットするターゲティング領域を有する分子の一部として発現されることによってターンオフが可能である。微環境変化が生じると、レポーター領域はその後検出可能な光学的シグナルを生成する。この微環境変化は、例えば、必要基質の存在やpH変化の発生の場合に細胞外空間への露出の原因となる異なる場所に混成分子を移動させることによりもたらされる。本発明の混成ポリペプチド組成物は、エクソサイトーシス小胞が形質膜と融合して小胞の内容物の細胞外環境への接触をもたらすエクソサイトーシスプロセス中に発生するものなど微環境内の生理学的変化を監視するのに特に有益である。かかるプロセスを監視するために、本発明を通じて、本発明の混成ポリペプチドを細胞内小胞にロードして、小胞の形質膜とのその後の融合を検出することが可能になる。特に好ましい実施例においては、ニューロンシナプス小胞は、シナプス小胞放出の素量的検出を可能にするために、本発明の混成分子を含むようにされる。リポソームにおける本発明の混成分子の結合も、細胞膜とのリポソームの接触と融合を検出する方法を提供する。リポソームは薬分配系として使用されながら増加している。本発明の混成レポーター分子をリポソームの内部かその脂質二重層に挿入することによって、ターゲット膜とリポソームとの融合を検出することがその後可能になる。本実施例を実施する一の方法は、例えば、レポーター部分が自己消光蛍光団である場合に混成レポーター分子を小胞にロードすることであろう。リポソームのターゲット細胞との融合の際に蛍光団は希釈化され、蛍光増加をもたらす。核酸分子本発明の別の実施例は混成ポリペプチドをコード化する核酸分子である。これらの核酸分子は、レポーターアミノ酸配列をコード化する少なくとも一の核酸配列でフレームを読む際にターゲティングアミノ酸配列をコード化する少なくとも一の核酸配列を有している。光学的な弾性アミノ酸リンカーをコード化する更なる核酸配列も、核酸配列をコード化するレポーター及びターゲティング間に挟むことができる。所望の場所に分子を維持するのに十分なターゲテット領域とのアンカーを維持しながらアミノ酸リンカーの長さを外部環境への分子のレポーター領域のアクセス可能性を最適化するのに選択することができる。ある例示的実施例においては、リンカーは長さ15以下のアミノ酸である。別の実施例においては、リンカーは長さ12のアミノ酸である。好ましいアミノ酸リンカーは、-(Ser-Gl y-Gly)₄及び-(Ser-Gly-Gly)₂-Tyr-Gly-Glyである。本発明の核酸分子は、好ましくは、所望の組織及び／又は所望の時に、混成ポリペプチドの発現をもたらすプロモーター配列を有する。従って、プロモーター配列は混成ポリペプチドのターゲッティングにも寄与することができる。組織特異性プロモーターは、ここで参照されてその全体が結合されるショート(Short)、「誘導可能なプロモーターに動作的にリンクされた核酸輸送ペプチドをコード化する核酸構造」米国特許第5,589,392号に説明されているが、特にコラム8-10を参照のこと。好ましいプロモーターの例は、ターゲットがニューロンシナプス小胞であるときにシナプトタグミン-I及びVAMP/シナプトブレビン-2をコードする遺伝子に対するプロモーターを含んでいる。エクソサイトーシスから放出されるインシュリン(ブッチーニ等(Bucchini et al.)、プロシーディングス・オブ・ナショナル・アカデミック・サイエンスUSA(Proc.Natl.Acd.Sci.,USA)、85巻8890-8894頁(1989年)、成長ホルモン、プロラクチン(クレンショー等Crenshaw et al.)、遺伝子と開発、３巻959-972頁(1989年)、プロオピオメラナコルチン(proopiomelanacortin)( トレンブレイ等(Tremblay et al.)、プロシーディングス・オブ・ナショナル・アカデミック・サイエンスUSA、85巻8890-8894頁(1988年)などのポリペプチドホルモンに対するプロモーターは、それぞれ、それらが発現する遺伝子に依存する膵臓ベータ細胞及び下垂体の様々な細胞に本発明の混成分子をターゲットするのに有益になりえる。ニューロン特異性プロモーターは、神経系及び特異性ニューロンに本発明の混成分子をターゲットするのに有益となることができる。かかるプロモーターは、一搬に、「ニューロン特異性ハウスキーピング」プロモーターであるものと、細胞種類特異性であるものという２つのカテゴリーに属する。ニューロン「ハウスキーピング」プロモーターは、例えば、シナプスI遺伝子（サワーウォルド・エー等(Sauerwald A et al.)、ジャーナル・オブ・バイオロジー・アンド・ケミストリー(J.Biol.Chem.)、265巻14932-14937頁(1990年)）及びニューロン特異性エノラーゼ（サキムラ・ケイ等(Sakimura K. et al.)、遺伝子、60巻103-113頁(19 87年)を参照のこと）用プロモーターから選択可能である。特異性細胞型に対するプロモーターはセロトニン作用性ニューロン用のトリプトファン・ヒドロキシラーゼ・プロモーター（ストール・ジェイ(Stoll J.)及びゴールドマン・ディー (Goldman,D.)、ジャーナル・オブ・ニューロサイエンス・リサーチ(J.Neurosci.Res.)28巻、457-465頁(1991 年)）を含むことができる。コリン性のニューロン用のコリン・アセタルトランスフェラーゼ・プロモーター(ハーシュ・エル・ビー(Hersh,L.B.)、ジャーナル・オブ・ニューロケミストリー(J.Neurochem.)、61巻306-314頁(1993年)、セロトロン作用性ニューロン用のドーパミンβヒドロキシラーゼプロモーター(シャスカス・ジェイ等(Shaskus,J.et al.)、ジャーナル・オブ・バイオロジー・アンド・ケミストリー、267巻、18821-18830頁(1992年)）を含むことができる。本発明の核酸分子は、所望の細胞に発現を引き起こすために、様々なベクター、好ましくは、HSV又はアデノウイルスなどのウイルス性ベクターに挿入されることができる。本発明の使用構成も、本発明の混成ポリペプチドをコードする遺伝子の適当な転写及び処理に必要な開始、終了及び制御配列を含む必要がある。本発明の核酸分子用ターゲテット細胞は生体内又は生体外であってもよい。 DNAを細胞に挿入する方法は当業界で周知であり、また、生物発光タンパク質を細胞に導入することに関して報告もされている。例えば、以下の特許及び特許出願は、全てその全体がここで参照して結合されるが、生物発光ポリペプチドを遺伝子発現のレポーターとして使用する方法を述べている。ツェン等、「変形グリーン蛍光タンパク質」国際出願WO96/23810、ガスタフサン等、「バクテリア・ルシフェラーゼ用融合レポーター遺伝子」、米国特許第5,196,524号、及び、チャルファイ等、「グリーン蛍光タンパク質の使用」、米国特許第5,491,084号である。核酸を細胞に導入する方法は、例えば、リン酸カルシウム共沈法、リポソームトランスフェクション（(その全体がここで参照して結合される)エパンド等(Epa nd et al.)の米国特許第5,283,185号）微量注射法、エレクトロポレーション及び感染又はウイルス性形質導入などの従来の遺伝子トランスフェクション方法を含んでいる。また、本発明は、（その全体がここで参照して結合される）特異性組織に遺伝子分配をターゲットするピー・ロイバーマン等(P.Roy-Burman et al. )、米国特許第5,112,767号に記載されているもののようなベクターを含むウイルス性配列の全部又は一部を包括することができることが想定されている。トランスジェニック動物は、好ましくは、マウスやラットなどのヒト以外の哺乳類、又は、シー・エレガンス(C．Elegans)、ショウジョウバエ(Drosophila)及びゼブラフィッシュ(Zebrafish)など遺伝子的に処理しやすい生物も作成可能であり、本発明の核酸分子によってコードされる混成ポリペプチドを発現する。トランスジェニック動物の調製方法は、（その全体がここで参照して結合される）ホーガン等(Hogan et al.)、マウス胚の操作(Manipulating the Mouse Embryo) ：研究所マニュアル(Laboratory Manual)、ニューヨーク州コールド・スプリングハーバー(Cold Spring Harbor,N.Y.)(1987年)、ショート、「誘導可能なプロモーターに作用的にリンクされた核酸輸送ペプチドをコード化する核酸構造」米国特許第5,589,392号、ワグナー等(Wagner et al.)、「耐ウイルス性トランスジェニックマウス(Virus-Resistant Transgenic Mice)」、米国特許第5,175,385号に説明されている。ターゲティングアミノ酸配列本発明の混成分子をターゲットするアミノ酸配列は、混成分子が所望の標本組織及び／又は細胞領域に実質的に局所化されることをもたらすタンパク質全体又はその断片であってもよい。細胞型に特異的な膜貫通タンパク質は本発明の使用に好ましく、例えば、受容体、イオンチャンネル、細胞接着タンパク質（例えば、N-CAM）又は小胞ドッキングタンパク質（例えば、シナプトタグミン）及び輸送タンパク質を含んでいる。抗体、Fc断片その他の特異性結合タンパク質は、それらが混成分子を特異性抗原認識部位に結合されることをもたらすので、同様に使用可能である。好ましくは、混成分子をターゲットするのに使用されるポリペプチドは、微環境内変化を受ける部位にターゲットされる。例えば、ターゲティング部分が混成分子を細胞内に配置されることをもたらすが細胞外空間に晒されるようになれば、細胞外環境が混成分子のレポーター領域を活性化するのに必要な特性又は基質を有すれば、混成分子は細胞外環境に晒される場所と時間を検出するのに使用可能である。また、かかるターゲティングポリペプチドは、光学的シグナルの希釈化を回避して光学的シグナルをその生成部位に集中及び局所化し続けるために、自由に分散しないほうが好ましい。従って、膜タンパク質は、本発明の混成分子のターゲティング領域としての使用に特に好ましい。シナプス小胞放出シナプトタグミンを検出するために、VAMP/シナプトブレビンが好ましい。本発明の好ましい実施例においては、混成分子は、シナプス小胞−特異性内在性膜タンパク質由来のターゲティングモジュール、及び、構成的に「オフ」であるが小胞がシナプス前膜と融合すると活性化される発光モジュールという２つのモデルからなる工学的に形成されたタンパク質である。このようにして、発光がシナプス活性のシグナルを送る。潜在的なターゲティングモジュールは、発光モジュール用に付着部位を与えるために管腔的に露出している少なくとも一の領域を含むいかなるアミノ配列をも含むことができる。本発明のターゲティングモジュールは、発現が特異性細胞位置への配列のターゲティングを与えるアミノ酸配列を有する。シナプス小胞の場合には、これは好ましくはシナプス小胞の管腔面であろう。かかるアミノ酸配列は、好ましくは配列が所望の場所に輸送されることをもたらす内因性タンパク質に十分に相同的な配列を含んでいる。ターゲティングモジュールは、少なくとも一のターゲティング領域と少なくとも一の発光付着部位を含む複数の領域を含むことができる。発光付着部位は、ターゲティングモジュールの他の部位が膜結合又は膜内に埋め込まれている場合に発光モジュールにアクセス可能であれば、ターゲティングモジュールのいかなる特定の部分にも限定されない。レポーター領域本発明の混成分子のレポーター領域は生物発光、化学発光、蛍光又は蛍光発生反応に関与又は蛍光又は発光の消光又は抑制に関与するいかなる分子部分であってもよい。光強度又は波長の変化はレポーター部分の存在又は活性を光学的に検出するのに使用可能である。かかるレポーター活性はpH変化、消光、酵素基質の存在又は不存在、又は、検出可能な光学的シグナル生成にそれ自身関与する抗体抱合体などの第２の試薬に結合する能力をもたらすなどのイオン変化に由来する。発光レポーターは典型的に２成分系であり、第１の成分の第２の成分との物理的相互作用により一の成分から発光される光はスペクトル又は強度変化を受ける。本発明によれば、第１成分は、混成分子のターゲッティング領域との融合タンパク質として共同発現されるか、ターゲティング分子に付着する特異性結合部位に結合可能である(以下を参照のこと)。発光系の第２成分は分子又はイオンでもよく、その濃度は第１成分が接触する様々な区画において異なる又は異なるようにされることができる。光学的シグナル及び／又は光学的シグナルの変化は、異なる区画間の発光成分の移動によって、若しくは、異なる区画との発光成分の接触によって生成される。本発明に使用され、ここで「フルオロゲン」と呼ばれる適当な発光レポーターの非制限的例は以下のものを含んでいるが、これに限定されるものではない。 1. 酵素−基質複合体（例えば、ルシフェラーゼ） 2. 遺伝暗号可能な（例えば、後述の環境感受的GFP突然変異）又は合成色素などの遺伝暗号不能な第１成分としての環境感受性蛍光団、例えば、フルオレセイン、SNAFL、SNARF、NERF、メロシアニーネ(merocyaniies)、fura-2 など。これらの発光成分を活性化する第２成分は、イオン(例えば、プロトン、カルシウムイオン及びその他のいかなる内因性又は合成イオン)、又は、分析される異なる区画間でその濃度が異なる若しくは異なるようにされる他のいかなる分子 3. 蛍光共鳴エネルギー伝達対 4. 細胞外空間などの大区画に希釈化されると増加蛍光を示す自己消光蛍光団非遺伝暗号発光レポーターは、分析される区画のターゲット領域に関連付けられたリガンド結合対の他の部分を認識して結合するリガンド対の一部に結合可能である。本発明の混成分子は局所化のためにそれ自身細胞に添加されて分析対象細胞によって発現されないレポーターによってその後活性化されると、レポーターは、抗体又は抗体断片などのターゲティングアミノ酸配列に閉環状結合された上述した任意の形態の基質であってもよい。しかし、好ましくは、レポーター自身はターゲティングアミノ酸配列との融合タンパク質として上述したように共同発現されるアミノ酸配列である。かかる環境下において、光学的シグナルは、a)pH感受性発色団又は蛍光団を含むアミノ酸配列、b)大区画に（例えば、細胞外空間に）希釈化されると蛍光する自己消光蛍光アミノ酸配列、c)細胞外空間に存在する蛍光発生基質と反応する酵素配列、及び、d)細胞外空間に存在する特異性免疫試薬に結合するアミノ酸配列からなるグループから選択されるレポーターアミノ酸配列によって生成される。幾つかの生物発光分子は当業界で周知であり、微環境の変化のレポーターとして本発明の使用に適している。例えば、その全体が参照されてここで結合されるコーミエール等、「アポエクオリンを発現が可能な組替えDNA」、米国特許第5,422 ,266号は生物発生タンパク質アポエクオリンを発現可能な組替えDNAベクターについて述べている。腔腸動物ルシフェリンの下、アポエクオリンはエクオリンと呼ばれ、カルシウムイオンの存在下で可視光を生成する。様々な自然及び変形ルシフェラーゼが周知である。例えば、プレイシャー、「増加された生物発光活性を有する変形アポエクオリン」、米国特許第5,541,309号、上掲のツェン等を参照のこと。本発明の使用に適した他のルシフェラーゼの例は、コーミエール等、「分離されたウミシイタケ・ルシフェラーゼ及びその用法」、米国特許第5,418,155 号、マクエルロイ等、「コールオプテラ・ルシフェラーゼの組換え発現」、米国特許第5,583,024号、ハーポルド等、「細胞外シグナルの細胞内形質導入を検出及び評価する検定方法及び組成物」、米国特許第5,436,128号、及び、ウミホタル・ヒルゲンドルフィー(Cypridina hilgendorfii)(29)由来のものを含んでいる。グリーン蛍光タンパク質(GFP)は、チャルファイ等、「グリーン蛍光タンパク質の使用」、米国特許第5,491,084号に記載されている。グリーン蛍光タンパク質のある変形形態は報告されて本発明に使用可能であり、例えば、ツェン等、「変形グリーン蛍光タンパク質」国際出願WO96/23810に記載されている。ここに記載されているGFP突然変異体は特に本発明のレポーターとして好ましい。シナプス放出の測定に対して、発光シグナルは、単一のシナプス小胞の放出の際に検出可能な十分な強度でなければならない。また、光子発光はシナプス小胞エクソサイトーシスに条件付けられなければならない。ある実施例においては、膜不浸透基質上で作用するルシフェラーゼが使用可能である。基質が細胞外培地に存在して酵素がシナプス小胞に隔絶されれは発酵は生じないが、小胞がシナプス前膜と一旦融合して触媒分子がエクスターナリゼーションされると、爆発的光子発光が生じる(図2c)。好ましくは有益なルシフェラーゼは、i)（酵素の高光子代謝回転数と発光複合体の量子収量に依存する量）を撮像するための十分に高い光子フラックスに触媒作用を及ぼすことができ、ii)膜下浸透基質を使用することができ、iii)ER管腔でフォールド可能でシナプス小胞にターゲットすることができ、及び、iv)細胞外環境のpH及び塩性条件下で効率的に作用することができるものである。十分に特徴付けられた生物発光系において、貝虫類ウミホタル（又はバーグラ (Vargula)）ヒルゲンドルフィー(29)はこのプロフィールに驚くほどうまく一致するため好ましい。通常使用されるホタル・ルシフェラーゼは以下の理由によりあまり好ましくない。ウミホタル・ルシフェラーゼは、トランスフェクトされた哺乳類細胞(31)に発現可能で分泌される62kDa(16，30)の単量体自然分泌糖タンパク質であるのに対して、ホタル・ルシフェラーゼはペルオキシソームである。ウミホタル・ルシフェリン(32)は、生理pHで正に帯電され、それによって分子を膜に緩やかに浸透又は不浸透にすることが期待されているグアニジノ基を有する。ATP（及び、維持された活性に対しては補酵素A）を必要とするホタル・ルシフェラーゼと異なり、ウミホタル・ルシフェラーゼは水とO₂(29)以外の補因子を必要としない。その発光反応は最適にpH7.2と生理的塩性濃度(30)で進行するのに対して、ホタルのそれは低イオン強度(活性は生理食塩によって５乃至10倍抑制される)、アルカリpH及び還元条件で最適である。代謝回転数1600分^-1(33) と量子収量0.29(34)があれば、ウミホタル・ルシフェラーゼは最適化されたホタル系(35)のそれを少なくとも50の因子で凌ぐ特異性光子フラックスを生成する。本発明によって提供されるGFP突然変異体は、ターゲット領域との融合タンパク質として発現可能でもあるので、レポーターとして使用可能である。本発明に使用される別の形態のレポーターはターゲティング領域に結合される結合領域を含んでおり、かかる結合領域は特異的に別個の発光レポーター分子に結合する。結合領域は、好ましくは遺伝暗号可能で、最も好ましくはターゲティングアミノ酸配列との融合タンパク質として共同発現される。結合碩域が特異的に拘束する別個の発光レポーター分子は抗体、Fab断片などの抗体の断片、若しくは、ターゲティング領域に付着した結合領域のリガンドパートナーであるその他のいかなる部分であってもよい。別個の発光レポーター分子は蛍光発生シグナルの生成に関与する成分により標識され、適当な方法で検出可能にされる。他の部分が発光レポーター分子に閉環状に付着され、又は、他の点で安定して関連付けられている限り、リガンド結合対のいかなる部分も結合領域として使用に適している。好ましくは、結合領域は特異性抗体によって認識可能なアミノ酸配列である。商業的に入手可能な抗体によって認識されるかかるアミノ酸配列の例は以下のものを含んでいるが、これに限定されるものではない。 1) myc-tag:EQKLISEEDL 抗体:9E10 エバン、ジー・アイ等(Evan,G.I.et al.)(1985年)、モルキュラー・セル・バイオロジー(Mol.Cell.Biol.)、４巻2843-2850頁 2) Flag-tag:DYKDDDDK 抗体:M2 ブリザード、ビー・エル等(Brizzard，B.L．et al.)(1994年)、バイオテクニクス(BioTechniques)、16巻730-734頁 3) VSV-tag:YIDIEMNRLGK 抗体:P5D4 クレイス、ティー・エル(Kreis,T.E.)(1986年)、エンボ・ジャーナル(E MBO J.)、５巻931-941頁 4) HA-tag:YPYDVPDYA 抗体:12CA5 ウィルソン、イー・エイ等(Wilson,I.A.et al.)(1984年)、セル、37巻 767-778頁単一トランスジェニック動物において異なる結合領域を発現することによって、異なる発光レポーターがその後使用可能であるので、本発明によれば単一調製物において細胞の異なる集団を特定することができる。レポーターによって生成される光学的シグナルの検出は当業界で周知の標準方法により達成することができる。画像は、標準又は蛍光顕微鏡に取り付けられたビデオ又はディジタルカメラにより記録されて、ディジタル化され、光学的に強められることができる。増感器フォトカソードの使用を通じてなどの光学的シグナルの増幅方法も使用可能である。レポーター領域の活性化前に得られた制御画像も、ディジタル化され、電子的に格納され、エクソサイトーシス由来のものなどの特異性活性事象をより正確に特定するためにバックグラウンド発光を除去すべく画像から除去されることができる。ここで例示されているように、本発明の方法及び組成物は、シナプス小胞放出にあるようにエクソサイトーシスの放出を検出するのに特に有益である。反復試験における光子記録の再生可能なパターン（図2C及び2Dを比較せよ。）は、多くの可能な用途で、エクソサイトーシスの指示薬としての本発明のシナプトルオリンとシナプトpHルオリン混成分子の信頼性を立証している。例えば、シナプス塑性に関する多くの研究が論議を呼んでいるが、これはおそらく神経伝達のシナプス前後成分が、その全てが間接的である伝統的方法によっては区別できないためであろう(40)。シナプトルオリンとシナプトpHルオリンを介してエクソサイトーシスを直接的に測定することは、シナプス強度を変更する処置の前後で曖昧性の解決に役立つ。若しくは、シナプス後ニューロンへの多重入力がシナプトルシンとシナプトpHルオリンによりマップ可能になる。シナプス後ニューロンの膜電位が電気的に監視されれば、シナプス電子の形状は、樹状ツリーを介しての伝搬後に到達すると、測定されて直ちに起始点のその解剖学的部位に、入力組込みに対する重要な関係を有して、関連付けられることができる(5)。個々のシナプス入力の活性化パターンは、シナプス後ニューロンの活性化に関連して測定可能であり、発火規則を設定する直接手段を与える。シナプトルシン及びシナプトpHルオリンによって与えられる感受性及び一時的分解能は、小胞毎のシナプトルシン又はシナプトpHルオリン分子数、それらの特異性比発光速度、及び、関連生理学に歩調を合わせるために組み込み可能な光子計数という３つの因子によって決定される。ビデオ速度において、この間隔は、通常、一ビデオフレーム又は約30秒である。別の末端においては、本実験にあるように長い光子計数回数があれば、シナプス小胞循環のタイミング自体は制限的になる。かかる場合においては、光子発光は小胞がシナプス前膜と融合すると、蓋然論的に(41,42)観測期間中いつでも開始し、小胞のレポーター分子が再インターナライズされると再び蓋然論的に、又はカメラシャッターが閉じると終了する。小胞再循環がシナプトルシン活性を実質的に即座に停止させる。ルシフェリンが小胞を30nMの高濃度で再循環することによって摂取されると、（シナプト小胞の内径50nmから計算可能であるように）1000再循環小胞のうちの約１つのみがルシフェリン分子を含み、それら僅かが（ルシフェラーゼを介して）即座にインターナライズされたルシフェリンを消費するだろう。このことは、効果的に、エンドサイトーシス小胞の可視化を防止して光子発光をシナプス前膜のシナプトルシン膨張時間に限定する。シナプトpHルオリンの場合には、小胞再インターナリゼーション際の蛍光期間は内部小胞pHが再設定された速度に依存する。シナプトpHルオリンはこの現象を研究するのに有益であろうと期待されている。ウミホタル・ルシフェラーゼを使用する場合には、ルシフェリンはその細胞への浸透を最少にするためにその最大粘土約3％にルシフェラーザを限定して準飽和濃度で使用されなければならない。飽和濃度での真性不浸透ルシフェリン誘導体の使用は約35倍に光子発光を増加させるであろう。また、シナプス小胞毎の発光モジュール数はi)シナプトルシンを完全にVAMP及び／又はシアンプトタグミンに交換する遺伝子交換技術、及び、ii)単一のシナプトルシンに多重発光モジュールを含めることによって、増加可能である。単一又は組み合わせて、これらの光学形成工程は、あらゆる可視シナプスで単一小胞融合事象の信頼性のある検出を可能にする。本発明によって提供される組成物及び方法は、微環境内変化、特に、異なる細胞区画が互いに接触するか細胞外空間に接触する細胞を含むものを検出するのに有益である。本発明は、エクソサイトーシス事象、特に、シナプス小胞の放出を検出するのに特に有益である。かかる事象監視能力は、エクソサイトーシスの変更を含む障害を診断する新規な手段を提供するのに有益である。また、細胞培養を含むモデル系はエクソサイトーシスプロセスに関する薬効果を決定するのに使用可能である。本発明により放出効果を監視可能であることのみならず、混成分子の希釈化が生じるとシグナル密度の時間速度減少を検出することによって放出材料の再摂取速度も監視可能である。従って、本発明は、ニューロン放出及び神経伝達物質の再摂取を変更する抗うつ薬などの新薬を同定するのに特に有益である。本発明のpHルオリンは、異なるpH区画を接続する多くの転送プロセスを撮像するのに有益である。分泌貯蔵小胞は、一般に、酸性pHを有する結果(50)、pHルオリンは、単一のVAMPベースの構造（図16及び図17を参照のこと。）の形態であっても、エクソサイトーシスを監視するのに使用可能である。分泌小胞内容物の制御された放出は、恒常性及び発生における大多数の細胞内シグナリングプロセスの基礎となる。細胞内のかかる事象、又は、組織若しくはトランスジェニック生物の遺伝結合された細胞型内のかかる事象を撮像することは、細胞及び発生生物学において生理学と同様に価値がある。pHルオリン法は、医学関連の転送プロセスに影響を与える化合物に対する高スループット、細胞ベースのスクリーニングに対しても採用可能である。細胞面と酸性エンドゾームとを接続する輸送パスの例(50)は、受容体依存比エンドサイトーシス、（チロシンキネーゼ(75)及びGタンパク質結合受容体(76)などの）活性化されたシグナリング受容体のインターナリゼーション、及び、インスリンに応答するグルコース輸送体の細胞表層へのトランスロケーション(77)を含んでいる。シナプトpHルオリンは、多くの神経生物学的用途を発見するように期待されている。プローブがコード化可能であるので特異型のニューロン（例えば、グルタミタージック(glutamatergic)対GABAergic）は結合されて選択的記録が可能である。シナプトpHルオリンは、光学的シグナルへ神経伝達を翻訳するのと同様に、合成化及び局所化に排他的に細胞機械比に依存しているので、ニューロンの全集団の活性はin situ撮像が可能である。解剖学的及び機能的特異性比の自給自足的組み合わせは、複合神経系の情報フローの可視化補助を約束する。上述したように、本発明は細胞系又は初代培養に使用可能である。また、本発明のトランスジェニック動物を含む動物からの組織片を使用することができる。本発明は、適当な培地に浴された解離細胞、組織培養及び無傷動物の解剖及び露出組織にも使用可能である。アクセス可能性のその相対的安心感のために、無傷動物の腸筋神経叢のニューロンは、本発明の組成物及び方法により、特に、分析に最適である。混成分子が培地から細胞に添加される場合には、細胞は、分子が細胞による摂取と放出用収納を可能にするために、十分な時間、典型的には、数時間又は一晩、培地に保温される。適当な時間後に、その細胞外空間との接触によりレポーターの活性を引き起こすために、混成分子を含む培地は洗浄されて必要な基質又は pHなどの条件を含む培地に交換される。本発明の混成分子を発現するようにされた細胞は、活性条件を有する培地に直接に接触される。環境感受性GFP突然変異体(pHルオリン) 発光オワンクラゲのGFPの突然変異体が、GFP Ser-Tyr-Gly配列（位置65-67）の生体内環化及び酸化によって形成されている自然発光団p-ヒドロキシベンジリデンイミダゾロンと直接又は間接的相互作用するアミノ酸を変異させることによって本発明により提供されている。野生型GFPは、395及び475nmでピークを有する（図1C）二頂励起スペクトルを有している(54)。２つの励起極大の下には、異なるプロトン付加及びプロトン除去(deprotonated)された発光団状態(55-57)が存在し、発光団に結合されているT yr⁶⁶のフェノール酸素を含む水素結合網の異なるコンホメーションによって安定化されている(55,48,58)。Tyr⁶⁶のプロトン付加された形態は395nm励起最大値の原因となり、GFPの小分画に存在するプロトン除去されたTyr⁶⁶は小さい475nmピークを引き起こす(55-57)。395又は475nmのいずれかの励起は実質的に508nm付近で単一最大値を有する同一発光スペクトルをもたらす。 GFPの励起スペクトルはpH5.5乃至10で本質的に非変更である(54)。395nmで励起された蛍光への明確な重水素動力学同位体効果(a pronounced deuterium kine tic isotope effect)によって明らかなように、水がTyr⁶⁶などの重要な残基にアクセス可能であるので、このpH感受性の欠如はプロトン付加−プロトン除去(deprotonation)反応がコンホメーション的に制約されることを暗示している。換言すれば、所与のGFPは動力学的に２つの交替コンホメーションに束縛され、その一つでは発光団がプロトン付加され(395nmで励起可能で)、その他方ではそれはプロトン除去される(475n mで励起可能である)。商業的に（クロンテック社(Clontech,Inc.)入手される野生型GFPは図５に示すアミノ酸配列を有している。この配列は、位置161でIleではなくTyrが存在する点で、特許出願WO96/23810で公開されたものとは異なっている。GFPの突然変異体は、約350乃至約500の範囲に亘って508nmの発光波長で励起スペクトルを決定することによって、同定可能である。従って、395及び475nmでの自然発生励起ピークでの変更は決定可能である。同様に、発光スペクトルの変更も発光スペクトルを約350から約500nmまで一定の励起波長で、好ましくは、pH7.4におけるピーク励起波長である395nmで走査することによって、決定可能である。 GFP発光団と接触又は近接しているアミノ酸残基は、一以上のアミノ酸を置換する好ましい領域を同定する。好ましい領域で同定されているアミノ酸には、Gl n-69、Gln-94、Arg-96、Asn-121、His-148、Phe-165、Ile-167、Gln-183、Thr-2 03、Ser-205及びGlu-222が含まれている。最も好ましいものは、Gln-94、Arg-96 、His-148、Ile-167、Thr-203、Ser-205及びGlu-222である。 βバレル構造に存在する隣接残基の側鎖がタンパク質の外面に直面しており、このため環境、特にpH変化、により敏感であるので、アミノ酸置換は上記のアミノ酸に接する好ましくは残基でなされる。特定のpH範囲で感受性を有するpH感受性突然変異体を生成するために、一以上の上記隣接酸を、突然変異体GFPがpH範囲を検出するのに使用される範囲の（酸性度指数）pKaで側鎖を有するアミノ酸で置換することが好ましい。好ましくは、その範囲はそのpKaの上下約一pH単位である。例えば、約6.4のpKa値を有するヒスチジンが約pH5.5乃至7.5のpH感受性を有する突然変異体を得るのに好ましい。約4.3のpKaを有するグルタミン酸は約3.3乃至5.3のpH感受性を有する突然変異体に好ましい。10.8のpKaを有するリシンは約9.8乃至11.8の感受性を有する突然変異体に好ましい。他の置換を特定のアミノ酸に対する既知のpKaに基づいてなすこともできる。 pH感受性アミノ酸との置換に適合し得る様々な位置の中で位置202が好ましい。発光団と接触又は近接する領域の更なるランダムな突然変異誘発も突然変異GF Pタンパク質の発光特性を更に変形するのに導入される。かかる更なる突然変異は発光光子を消光又はタンパク質の励起特性を変更することによってGFP発光特性を更に変更することができる。 GHP突然変異体のアミノ酸置換を参照するのにここで使用される用語はXNZ標記を使用しており、「X」は野生型GFPにおける位置「N」でのアミノ酸残基に対する単一文字アミノ酸コードであり、「Y」はXの代わりの位置「N」で挿入されるアミノ酸に対する単一文字コードである。本発明のGFP突然変異体を調製するのに適しているアミノ酸置換は、S147D、S1 47E、S147P、N149H、N149V、N149Q、N149T、N149L、N149D、N149Y、N149W、T161 I、K163A、K166Q、I167V、R168H、S175G及びS202Hを含んでいるが、これらに限定されるものではない。S147D、N149Q、N149D、T161I、V163A、K166Q、I167V及びS202Hが好ましい。より好ましい組み合わせは、クローン1B11t、14E12t、8F3 及びC6によって表現されるそれらである。最も好ましいものはクローン8F3及びC 6である。V163A及びS175G突然変異は、突然変異体GFPの温度感受性を減少するために選択的に含めることが可能である。本発明の方法に従って調製されたGFP突然変異体も類似電荷の野生型タンパク質アミノ酸置換を含むことができる。GFPの形状及びトポロジーの報告として、ここで参照して結合されるヤング等(Yang et al.)、「グリーン蛍光タンパク質の分子構造The Molecular Structure Of Green Fluorescent Protein)、ネイチャー・バイオテクノロジー(Nature Biotechnology)、14巻1246-1251頁(1996年)を参照のこと。 pH感受性突然変異体の２つのクラスを例として提供する。一のクラスの突然変異体は、475nmにおける励起ピークの減衰又は損失と、395nmで励起可能な蛍光強度の損失を示している。好ましいクラスの一部はクローン8F3、1D10、2F10、2H2 、1B11、8F6及び19E10を含んでいる。後述の表２を参照のこと。最も好ましいのはクローン8F3である。pH感受性突然変異体の２番目のクラスは395nmピークでの減少励起による減少蛍光と475nmピークでの増加励起による増加傾向に伴うpH減少に応答する。本クラスの好ましい一部はクローンC6、14E12、14C9、14C8、2G3 、S202、H14D9及び8H8を含んでいる。最も好ましいのはC6である。 8F3クラスの突然変異体（エクリプティックpHルオリン）は分泌顆粒の放出検出の使用に適している。分泌顆粒は液胞型プロトンポンプを含んでいる。プロトンポンプは、pH勾配（小胞管腔酸性、pH ca.5.5）と膜電位（小胞管腔正）からなるシナプス小胞膜を横切るプロトン駆動力(pmf)を生成する。8F3を発光モジュールとして利用するシナプトpHルオリンが分泌小胞にターゲットされると、酸比小胞内(intrave sicular)pHは475nmで励起ピークをターンオフするだろう。しかし、475nmにおける励起後の発光は、シナプス間隙のよりアルカリのpH優勢で再開し、光学的シグナルがエクソサイトーシスと関連付けられることを可能にする。このシグナルは個別的小胞融合事象の実時間検出を可能にするのに十分大きい。 pH7.4乃至5.5で突然変異体C6によって生成されるシグナルのダイナミックレンジは、大変小さいために個別的小胞融合事象の検出ができない。しかし、適当なターゲティングモジュールに融合された別のレイショメトリックpHルオリン及び C6は、細胞内オルガネラなどのダイナミック区画に対するレイショメトリックpH 指示薬として機能するのに理想的に適している。本発明が提供するウミホタル・ルシフェラーゼ及びGFP突然変異体は、発光検出可能シグナルを有することが好ましいいかなる用途にも使用可能である。従って、かかる突然変異体は、タンパク質を他の分子に抱合する当業界で同知の技術を利用してGFP突然変異体又はウミホタル・ルシフェラーゼを適当な結合リガンドに結合することによって標準免疫測定法における分析物の存在を検出するのに使用可能である。 GFP突然変異体及びウミホタル・ルシフェラーゼは融合タンパク質として発現して、発現レポーターとして作用することもできる。かかる融合タンパク質に結合されると、環境感受性突然変異体は発現タンパク質の場所を実時間で空間的に検出するのに使用可能となる。 GFP突然変異体及びウミホタル・ルシフェラーゼをコードする核酸分子も本発明の範囲内である。表２に開示されているアミノ酸配列をコードする核酸配列は、図5(GFP)及び図13（ウミホタル・ルシフェラーゼ）の特異性核酸配列と同様に好ましい。これらの核酸分子は当業界で周知の方法によって、プラスミドや、大腸菌(E．coli)などのバクテリア細胞、酵母などの菌類、及び哺乳類細胞などの様々な細胞内の発現用発現ベクターに結合可能である。シーエレガンス(C.elega ns)やゼブラフィッシュなどのほぼ透明な動物の発現が好ましい。コード化されたポリペプチドのアミノ酸配列を変更しないが発現細胞の好ましいコドン用法に関して核酸配列の翻訳をより効率的に行う、ここで開示されている核酸配列への変形は当業者の能力の範囲内であり、この方法で変形された核酸配列も本発明の範囲内と考えることができる。実施例実施例１：シナプトルシンシナプトルシン TRISOLV（テキサス州ヒューストン、バイトテックス(Biotec x;Houston,TX)）から抽出した総ウミホタルRNAはルシフェラーゼをコード化する cDNAのRT-RCR合成に対するテンプレートとして機能する(16)。PCR製品はアンプリコン・プラスミドpα4「ａ」にサブクローンされ(17，18)、その配列はSEQUEN ASE2.0（オハイオ州クリーブランド、U.S.バイオケミカル）で決定された。シナプトルシン-1及び-2 を生成するために、ウミホタル・ルシフェラーゼに対するオープンリーディングフレームの適当な部位(16)と、それぞれ、ラットシナプトタグミン-1(19)及びVA MP/シナプトブレビン-2(20,21)が弾性リンカー-(SerGlyGly)₄-をコード化するヌクレオチドのストレッチに融合された。アンプリコン・プラスミドは、L_IPOFECTAMINE（メリーランド州ベセスダ、ギブコBRL(Gibco BRL)）の補助によりE5細胞にトランスフェクトされ(17,22)、HSV 欠失変異株d120の0.1PFU／セル感染後に複製及びビリオンに収納された(22)。主要なウイルスストックがE5細胞にベクター対ヘルパー比が1:4を超えるまで継代された。比はシナプトルシン-正のベロ(Vero)細胞数（mAbs M48(23)及びCL67.1( 24)を使用した免疫染色法による）対E5細胞感染後に形成されたウイルス性プラーク数として評価された。 PC12細胞は、多数の1アンプリコンバイロン／細胞で感染され、緩衝液Hで６時間p.i.で収穫された(10mM HEPES-NaOH、pH7.4、150mM NaCl、0.1mM MgCl₂、1mM EGTA、1mM PMSF及び、アプロチン、ロイペプチン及びペプスタチンの各々1μg/m l)。ホモジエネートが、ボールベアリング細胞クラッカー(ball-bearing cell c racker)と後核上澄み（postnuclear supematants）(5,000gで５分)の間を13通過によって調製され、ベックマン(Beckman)SW41ローターに5-25％(w/v)グリセロール勾配で分画され、41,000rpmで２時間操作された(25)。勾配分画は、SDS-PAGE ウェスタンブロッティング(Westem blotting)と免疫染色法によって分析された。シナプトルシン活性を測定するために、後核上澄みが１％NONIDFTP-40により氷で可溶化され、浄化され(15,000gで10分)、事前に30℃で加温された緩衝液Ｌで50倍に希釈化された(20mM HEPES-NaOH、pH7.4、150mM NaCl、2mM CaCl₂、2mM MgCl₂)。ウミホタル・ルシフェリンを5μMに添加後、光子フラックスは、[¹⁴C] ヘキサデカン標準分析法(26)によって調整されたLKB 1250にルミノメータに10秒間組み込まれた。シナプトルシン濃度は、mAbs M48(23)とCL67.1(24)と[¹²⁵I]プロテインG（マサチューセッツ州ボストンニュー・イングランド・ニュークリア(New England Nuclear)）を有する定量免疫染色法(immunoblotting)によってシナプトタグミンとVAMPの組替え細胞質ドメインを標準体として使用して決定された。海馬ニューロン P1スプレイグドーリー・ラットの海馬CA1-CA3部が10mM HEPE S-NaOH、pH7.0によってEBSSに解剖され、20U/mlパパイン（ニュージャージー州フリーホールド、ワーシングトン(Worthington)）処理後に機械的に解離された( 27,28)。細胞は中央8ｍｍガラス窓を有する35mm皿ポリ-Ｄ-リシン-及びラミニン -コート面にプレートされた(接着基質はミズーリー州セントルイス、シグマケミカル社(Sigma Chemical Corp.)製であった)。培養はアール製(Earle)塩と25mM H EPES-NaOH、pH7.4を有するBMEで維持され、20mMグルコース、1mMピルビン酸ナトリウム、10％ウシ胎児血清、0.1％MITO+セーラム・エクステンダー(Serum Exten der)(マサチューセッツ州ベッドフォード、コラボレイティブ・バイオメディカル・プロダクツ(Collaborative Biomedical Products))、100U/mlペニシリン、0 .1mg/mlストレプトマイシン、及びプレーティング後５目目から5μMシトシンアラビノシド（シグマケミカル社）(28)が補給された。調製物は、HSVアンプリコンベクターに生体外で1-2週間後に感染された。ウイルス性接種片が、1mMキヌレン酸塩(スイス国ブックス(Buchs)、フルカ(Fluka))を含むならし培地で略0.1の多重度に希釈化され、1時間吸収され、除去され、ならし培地に交換された。光学的記録8-20時間p.i.で培養皿は、ゼイス(Zeiss)AXIOVERT 135TV顕微鏡の台に載置されたPDMI-2マイクロインキュベーター（ニューヨーク州グリーンベイル、メディカルシステムズ社(Medical Systems Corp.)に移され、30℃に維持された。光学窓を横切る8mm幅チャンネルを形成するテフロン挿入物が、正常カリウム血溶液（25mM HEPES-NaOH、 pH7.05、119mM NaCl、2.5mM KCl、2mM CaCl₂、2mM MgCl₂、30mMグルコース）又は高カリウム血症対応物（90mMに増やされたKCl、31.5mMに減らされたNaCl）により高速灌流を可能にするために皿に配置された。神経末端は、1％透析ウシ血清によって高カリウム血症液(12)で3μM FM4-64（オレゴン州ユージーン、モルキュラープローブス(Molecular Probes)）に１分間露光によって染色され、その後、10分以上正常カリウム血溶液で過溶解された。 FM-64蛍光は減衰キセノンアークランプの510-560nm帯域で励起された。代替的に、シナプトルシン生物発光は30nMルシフェリンを30μMメタノールストックから添加することによって開始された。発光はゼイス40x/1.3NA PIAN-NEOFLUAR油浸漬対物レンズ、FM4-64蛍光の場合に590nmロングパスフィルタにより集められ、C2400-75電荷結合素子に結合されたC2400-30H画像増感器のフォトカソードにフォーカスされた(共に日本国浜松市浜松フォトニックス製)。ビデオ信号はARGU S-20画像処理装置（浜松フォトニクス）において８ビットでディジタル化され、 NIHイメージ(NIH Image)1.60 (http://rsb.info.nih.gov/nih-image/)、トランスフォーム(TRANSFORM)3.3（バージニア州スターリング、フォートナーリサーチLLC(Fortner Research LLC)及びマスマティカ(MATHEMATICA)3.0(イリノイ州シャンペイン、ウルフラム・リサーチ(Wolfram Research))を使用して、パワーマッキントッシュに分析用にセーブされた。ウミホタル・ルシフェラーゼをコードするcDNAは２つのシナプトルシンを形成するのに使用された。シナプトルシン-1においては、ルシフェラーゼのC末端がシナプス小胞の管腔に配置されたシナプトタグミン-IのN末端と融合された。混成タンパク質は、膜トランスロケーションのために、ルシフェラーゼ遺伝子によってコード化された分割可能なシグナルペプチドに依存し、シナプトタグミンの膜貫通ドメインによってシナプス小胞膜にアンカーされる。シナプトルシン-2においては、ルシフェラーゼの成熟N末端が小胞管腔に配置されたVAMP-2のC末端に融合される。これは、分割不能なシグナル配列としても機能する膜アンカーセグメントを有する第２型の混成タンパク質をもたらす。得られたルシフェラーゼcDNA（ゲンバンク(GenBank)寄託番号U89490）は公開されたDNA配列（参照16）とは30位置で異なり、その３つのみがAsp→Val、Ile-346→ Leu、及びAsn-495→Serのアミノ酸置換を引き起こす。第１の置換は予測シグナルペプチド分割可能部位(16)をシフトしたため、我々はGln-19が成熟N末端であると考察し、従ってシナプトルシン-2を形成することをもたらした。本発明の一部としても考えられるウミホタル・ルシフェラーゼをコード化するcDNA核酸配列を図13に示す。 PC12細胞に発現されると、シナプトルシン遺伝子は、速度勾配においてそれら各々のターゲティング分子に共同沈降する予想サイズの膜タンパク質合成をもたらす(図１)。シナプスルシンは、VAMP及びシナプトタグミンと同様に、シナプス小胞（分画4-9）とエンドソーム（分画11-14）の両方に認められる(25)。両シナプトルシンは、シナプトルシン-1及び-2モジュールの各々毎にK_cat5.2及び3.7光子発光秒^-1で酵素的に活性である。神経伝達物質放出の撮像飽和ルシフェリン濃度5μM(30)で海馬ニューロンの初期実験が実行され、脱分極刺激が光子発光発生には必要であることが示された。このシグナルは、殆ど疎水性置換を有するイミダゾール[1,2-a]ピラジン核(32 )であるウミホタル・ルシフェラーゼが、一旦そのグアニジノ基がプロトン除去されると、生物的膜を横切れば可視化される細胞内シナプトルシンプールから生じたものであるかは疑問であった。従って、プロトン付加されたルシフェラーゼ種を支持するために槽溶液のpHが7.4乃至7.05に低下され、ルシフェリン内容物が膜を横切る拡散を低減するために減少された。実際、ルシフェリン濃度30nMで、バックグラウンドシグナルは消失してと光子発光は刺激依存になる。しかし、ルシフェラーゼのK_mよりも著しく低いルシフェリン濃度において（0.52μM、参照30）シナプトルシンがそのV_maxのほんの3%で作用したために、長い光子計数回数が必要であった。図２は、シナプトルシン-1を形質導入するHSVアンプリコンベクターで感染された海馬ニューロンの典型的撮像実験を示している。我々は、再循環シナプス小胞を染色することで知られている(11)蛍光色素集合の一部であるFM4-64の存在下において(36)、脱分極循環を介して(12)、調製物を撮影することによって視界（図２）に最初にシナプスマップを得た。FM4-64は、ウミホタル・ルシフェラーゼの発光波長である462nm(34)で大幅に吸収しないせず、染色調製物から平静なシナプトルシンシグナルの獲得を可能にするので、より広く使用されたFM1-43に代わって使用された(11,12)。シナプス小胞プールを再充填して過剰FM4-64を除去するのに十分な少なくとも正常カリウム血溶液で10分間灌流後に、ルシフェリンの塊が槽溶液に添加されて発光が次の30秒計数された。多くの場合において、図 2Bに示すもののように、幾つかの光子は脱分極刺激なしで記録されたが、これらはシナプスの感知可能密度なしの領域から主として出発した(図2A及び図2Bにおける赤色点線でマークされた領域を比較せよ。)。海馬培養のHSVの向神経性は不完全であり(17)、シナプトルシン-1のターゲティングモジュールであるシナプトタグミンが非ニューロン細胞に発現すると細胞表層に現れるので(37)、混合培養におけるHSV感染神経膠細胞はこのバックグラウンドシグナル源である可能性がある。より正確なターゲティングがニューロン特異性プロモーターを利用することにより達成可能である。シナプス活性に由来する発光を記録するために、ニューロンを脱分極し、シナプス前末端で電圧ゲートCa²⁺チャンネルをオープンし、エクソサイトーシスを誘発するために海馬調製物が高カリウム血症液と灌流された。ウミホタル・ルシフェリンは水溶液では不安定であり、１分のオーダーでt_1/2分解するので(29,30) 、ルシフェリンの第２の塊が脱分極後に直ちに添加され、光子がその後30秒間計数された。刺激なしよりもはるかに多くの光子が記録され、今やそのパターン（図2C）はFM4-64のシナプスマップ記録（図2A）と同様であった。しかし、一致は不完全で、おそらくこれはシナプトルシン画像がウイルス感染神経膠細胞からのバックグラウンド発光を含んでいたため(図2B及び図2Cの赤色点線によってマークされた領域を比較せよ。)及び(ウイルス感染されたニューロンによって形成されたものなどの)シナプスの部分集合だけが潜在的光源であるからである。10分間の静止期間後に脱分極を反復することは同様のしかし完全には一致しない応答を誘発し(図2D)、（高カリウム血症液から自由Ca²⁺を省略することによる）Ca²⁺流入なしの脱分極が神経膠細胞に起因する領域からのみの光子発光を有する光子計数を基準線レベルに残した（図2E及び図2Bを比較せよ。）シナプトルシン活性とシナプスマップの部位間の対応度をより詳細に調べるために、光子計数画像が図2Aのシナプスマップから形成された２値フィルタに図2F に概略的に示すように重ねられた。フィルタは、FM4-64蛍光強度がグレースケールの100分の97番目（図2Fの黒色領域）を超える場合のピクセルにおいてのみそれが「透過する」がそれ似外では透過が遮断されるように選択された。かかるディジタルフィルタが別の画像を走査して透過信号強度がフィルタと画像との相対シフトの関数としてプロットされれば、最大値はフィルタが画像の一致構造を検出した場合に生じる(図38)。図３は、図2Aから形成されるフィルタを利用した２つのシナプトルシン画像、図2B及び図2C、の走査結果を示している。明らかに、図2Bの信号はシナプスマップの対応物を有さず、汚染物非ニューロン起始点としてその同定（図3、下）を支持している。図2Cで誘起光子発光部位は、反対に、フィルタと画像が登録され、従って神経末端にマップする急峻な最大値を生成する(図3、上)。膜電位と細胞外Ca²⁺への特徴的感受性に加えて、シナプス小胞エクソサイトーシスによって生成された光学的シグナルは、伝達物質放出用の機構の成分を非活性にするクロストリジウム属の神経毒に敏感でなければならない(39)。図４は、この点に着目するために実施された実験を示している。FM4-64/シナプトルシン画像対は、シナプトルシン発現シナプスを配置するために最初に獲得された(図４)。（図4B参照、シナプトルシン画像の獲得中の色素放出を補償するための）F M4-64ローディングの第２ラウンドに続いて、調製物は、保温中に活動電位（及びこれにより色素放出）を抑制するために、ボツリヌス神経毒(BoNT)血清型B及びF(39)の各々20nMと1μMテトロドトキシン(tetrodo toxin)を有する顕微鏡台で保温された。３時間の毒素処理後に第２の対の画像が記録され、以下の２点で第１のものとは異なることが認められた。即ち、i)高カリウム血症チャレンジを当初は伴っていたFM4-64蛍光の曇りが今や発生せず、エクソサイトーシスが効果的に遮断されることを示したこと(図4B及び4Dを比較せよ。)、及び、ii)シナプトルシンからの光子発光が付帯的に消失したこと（図4A 及び4Cを比較せよ。）である。これは、シナプトルシンシグナルを神経伝達物質放出プロセスに強固に結合している。上述の実験条件下で素量放出数及びシナプトルシン毎の平均観測時間の評価は小胞放出をモデリングしてポアソンプロセスとして再循環することによって得ることができる(1,2,41,42)。典型的な海馬シナプスでは、エクソサイトーシスの可能性は、初期速度約20素量秒^-1（「迅速に放出可能なプール」）から基本速度２素量秒^-1まで減少する(43)。初期及び基本放出速度間の遷移は時定数1.2秒で指数的に発生する(43)。再循環の可能性はt_1/2の20秒で終始一定であると思われる (12,44)。かかるシナプスを維持された高カリウム血症刺激下で30秒間観測すると、平均67素量放出が発生し、一素量（即ち、一小胞）中に含まれるシナプトルシンが平均13秒間発光する(図１の説明参照)。同一条件下で、平均12の光子記録がシナプス毎に計数された(表１)。検出効率を補正（表１を参照）しながら、これは、発光シナプス全体に対して約312光子発光に、単一小胞に対して4.7発光に、及び、小胞毎に0.38秒^-1の光子発光速度に翻訳し、生体外で約３シナプトルシン分子によって生成されたそれを同一の限定ルシフェリン濃度30nMで均一にする。図2Cに示す実験から得られた表１の光子計数の揺らぎ分析(fluctuation analy sis)(参照45,46)は、運動変数単体から引き出される値に密接に従って、放出された素尾数をシナプス毎に51と、光子発光速度を小胞毎に0.49秒^-1と評価する( 表１)。光子単一光子計数に対応するグレーレベル増分が図2Cのヒストグラムから決定され、30秒間に亘る標本平面の1.8x1.8μm領域に対応する50の2x2ピクセルフィールドで光子記録数が計数された。これらのフィールドは以下の２つの基準によって選択された。即ち、i)100分の97番目よりも大きいFM4-64蛍光(図2F参照)、及び、ii)脱分極によるシナプトルシン活性における５倍より大きい増加、である。光子計数を光子発光に変換するために、462nmにおける増感器フォトカソード(浜松フォトニクスC2400-30H)の検出効率と、対物レンズの受け入れ円錐に該当する焦点面からの光子発光分画として定義される1.3NA油浸漬対物レンズの収集効率という２つ補正ファタターが使用された。小胞シナプス小胞エクソサイトーシス及び再循環が、培養における海馬ニューロンの同定されたシナプスからの伝達物質又は色素放出の研究で得られた動力学的パラメータを利用して(12,43,44)、ポアソンプロセスとしてモデル化された(1 ,2,41,42)。この確率論的なモデルは、シナプス毎の統計的に独立の放出部位の固定数という仮定の下で(41-43)又は光子計数揺らぎ分析を通じて(45,46)、融合事象数の評価に対する根拠を与えた。（シナプス毎に約12の）光子記録数を現実の小胞融合事象数と比較すると、融合事象の大部分が現在の技術では未検出のままであることがわかる。小胞毎の光子発光速度0.4-0.5秒^-1及び約4％の全体光子検出効率（表１）があれば、同一小胞から出発するシナプトルシンからの２つの連続した光子記録間の時間（確率論的プロセスの待機時間）は平均約50秒であった。これは、シナプトルシンが観測された平均13秒よりもかなり長い。そのため、上述の報告された条件下においてシナプトルシンは、単一の光子発光が検出される前に、しばしば再インターナライズされ、記録する小胞融合事象は時間的目盛りに正確には配置することができない。実施例２：シナプトpHルオリン pH感受性GFP突然変異体を生成するために、管理されランダムな方法の組み合わせが採用された。GFPのフォールドコンホメーションにおいては、発光団はタンパク質の核に配置され、緊密なβバレル構造によって環境との直接相互作用から遮蔽されている。pH変化などの環境変動下における野生型タンパク質の蛍光特性の顕著な安定性は、発光団の保護位置が原因である。GFPがpHセンサとして機能可能にするために、外部プロトン濃度変化が発光団に中継され影響を与えることができる機構が発見されなければならない。 GFPをpHセンサに変換する例示的手法は、大きなpH変化を発光団の静電環境変化に結合するアミノ酸置換を含んでいる。かかる置換を得るために、７主要位置に隣接する残基が変異された。これらの主要位置は、Tyr⁶⁶のプロトン中継網の一部になるために(図14A及び14Bを参照)、及び／又は、変異時の励起スペクトルを変更するために(参照47,48,59,60)、X線結晶解析学から既知である(参照48,55 ,58)。これらの基準の一又は両方を実現する主要残基はGln-69、Gln-94、Arg-96 、Asn-121、His-148、Phe-165、Ile-167、Gln-183、Thr-203、Ser-205及びGlu-2 22を含んでいる。下の実施例においては、pH6乃至7で変化する可逆的スペクトル変化が追求された（分泌小胞のpH（50,51,53）は5-6の範囲内で、細胞外pHは一般に7.4である）ので、主要残基はそれ自体変異しなかったがそれらに接するアミノ酸が変化した。（GFPが、発光団を運ぶ中央αヘリックスを有する11の縒り線βバレルである(55,48,58) 、図14A）全てのβ構造にあるように、隣接残基の側鎖は、主要位置に接するアミノ酸のそれらがタンパク質表面に直面してこれにより大きなpHと滴定する見込みがなければならないように、配向が交代する。ヒスチジンは、エクソサイトーシス用センサにとっての所望のpKa(ca.6.4)を処理するので、ヒスチジン残基が位置149、151、153、164、166、168、202、204及び206で単体又は組み合わせにより導入された。臨界的に配置されて外方に面しているイミダゾール環の帯電変化はpH関数としてスペクトラルシストを駆動することが期待された。結局、GFPクローン10のコード領域（参照47）は、適当な突然変異誘発オリゴヌクレオチドを利用してPCRによって増幅され、発現ベクターpGEMEX2に連結反応され、大腸菌(E.Coli)株BL-21に形質転換された。可視蛍光コロニーは選択され、GFPの高レベル発現がクローンを飽和まで液体培養中25℃でIPTG導入なしに発育することによって達成された。可溶エキスを調製するために、2ml培養から細胞が採取、洗浄、及び、2mM EDTA、0.2mg/mlリゾチーム及び20μg/ml Dnase Iを含む50mM Tris/HCl、pH8.0で再懸濁された。氷で２時間後、溶解質が15分間14,0 00μmで遠心分離により清澄された。50mMカコジル酸ナトリウム緩衝液で10倍に希釈化され、pH7.4又は5.5に調製され、100mM KCl 1mMMgCl₂及び1mM CaCl₂を含む溶解質の励起スペクトルは、パーキン-エルマ(Perkin-Elmer)LS50B分光蛍光計において室温で記録された。発光波長は510nmに設定され、励起波長は、励起及び発光用の7.5nm帯域幅を利用して360乃至500mnで走査された。この第1ラウンドの突然変異誘発で生成された突然変異候補体の一つであるS20 2Hは、7.4乃至6.0のpHシフトによって誘起され、395nm励起の16％の減少と475nm 励起における26％増加を示した(図8A及び8Bを比較せよ。)。クローンS202Hは、p H応答性を増加するために突然変異誘発の更なるラウンドを経験した。変性オリゴヌクレオチドを一以上のアミノ酸残基に各位置で結合すること及び一以上の位置を変異させるのに使用しながら、上記で同定された主要アミノ酸残基を含むcDNA領域、即ち、アミノ酸位置94-97 、147-150、164-168、202-204及び221-223のコドンが最初に突然変異誘発用にターゲットされた。その後の突然変異誘発実験において、アミノ酸位置94-97、146 -149、164-168、202-205及び221-225のコドンが変異された。結果ライブラリーは、最初の実験において32乃至3072の異なるヌクレオチド配列と、その後の実験において20乃至8000の異なる配列を包含していた。PCRライブラリーはpGEMEX2に連結反応され、株BL-21に形質転換され、可視蛍光コロニーが選択された。高スループットスクリーニングのために、液体培養が発育され、溶解質が調製され、 96ウェル型マイクロプレート(96-well microtiter plates)で分析された。400nm 及び460nmでの励起が３つのpH値でラボシステムズ・フルオロスカンII(Labsystem s Fluoroskan II)蛍光プレートリーダで記録された後に、各ウェル毎に蛍光が51 0nmで発光した。即ち、最初はpH8.0（溶解緩衝液）で、次はpHを5.5に減少させるために200mMカコジル酸ナトリウムの添加後で、最後はpHを7.4まで復帰するために200mM NaOHの添加後である。蛍光データはディジタル化され、緩衝液及びNa OH添加による体積変化が補正され、励起ピーク比における変化が分析された。有望な候補は、完全な励起スペクトルと完全なDNA配列を入手するために、詳細に再分析された。その後の実験を含み、およそ19,000のコロニーが全体としてスクリーンされた。突然変異誘発の２つのラウンド後に、プロセスは、上述の理由により「レイシオメトリック」及び「エクリプティック」とよばれるpHルオリンの２つの別個のクラスを生成した。これら２つのクラスは３乃至５の更なる組み合わせラウンドをそれぞれ別個に経験し、その後、一の突然変異誘発のランダムなラウンドを経験した。最後に37℃でフォールディングを改善することで知られる（参照49）２つのアミノ酸変化(V163A,S175G)が導入された。これらの変化は、pHルオリンのスペクトラル特性に影響を与えないが37℃で発現レベルを増加させた。1B11t及び14E12tと呼ばれる２つの試作品配列及びスペクトルを図5-8に示す。クローン1 B11t（アミノ酸配列に対する図５及びcDNA核酸配列に対する図7Aを参照のこと。）はpHの減少に、475nmで励起可能な完全（及び可逆）蛍光損失、及び、3 95mnで励起可能な約８倍の蛍光強度の減少で応答した(図8C)。この種の突然変異体は、「エクリプティック」pHルオリンと呼ばれるが、下記のシナプトpHルオリンに対する好ましい発光モジュールを提供する。クローン14E12t（アミノ酸配列に対する図６及びcDNA核酸配列に対する図7Bを参照のこと。）はpHの減少に、395n mで励起可能な減少蛍光、及び、475nmで励起可能な増加蛍光で応答した(図8D)。クローン14E12及び14E12tによって例示された「レイショメトリック」pHルオリンのクラスはシナプトpHルオリンに対する別の好ましい発光モジュールを提供する。別のクローンのアミノ酸置換を表２に同定する。1B11類似のGFP突然変異体に対する励起スペクトルを図9A-9Dに示す。14E12類似の突然変異体に対する励起スペクトルを図10A-10Gに示す。これらの突然変異体に対する対応するcDNA核酸配列を、図11及び12にそれぞれ示す。最も好ましいエクリプティックpHルオリンは 8F3で、最も好ましいレイショメトリックpHルオリンはC6である。 GFPタンパク質の限定数の領域に限定数の突然変異がここで例示されているが、GFPタンパク質の他のタンパク質に対する突然変異がここで開示されている方法によって形成可能であることが理解される。レイショメトリックpHルオリンは、応答時間200ms未満で7.5乃至5.5の連続的及び可逆励起比率を表示する(図14D)。反対に、エクリプティックpHルオリンは、pHが低くなるにつれてpH値6.0まで次第に蛍光強度を失い、475nmで励起ピークは完全に消失する(図14E)。pH6.0未満の環境では、従ってタンパク質は475nm励起下で不可視となる(遮蔽される)。しかし、それは395nmでは依然（弱く）見ることができる。これらの変化は中性pHに戻った後で全体として200ms以内で可逆である。最初の撮像実験に対して、レイショメトリックpHルオリンは、 1) 細胞表層でグリコシルホスファチジルイノシトール(GPI)アンカーされる( 61)(図15B)か、 2) トランスゴルジ網の内在性膜タンパク質であるTGN38(62)の管腔領域に挿入されるか、 3) エンドソーム系の膜タンパク質である管腔が露出したセルブレビンのC末端(63)に取り付けられるか（図15D）のいずれかであった。これらの構成の正しいターゲティングが、 1) ホスファチジルイノシトール特異性ホスホリパーゼCによるGPIアンカー切断(61)後の細胞結合蛍光の放出により、 2) myc-結合されたTGN38による共同局所化により、 3) インターナライズされたトランスフェリンによる共同局所化により確認された。全ての場合に、トランスフェクトされたHeLa細胞の標識準細胞区画が広視野蛍光顕微鏡検査法によって直ちに認められ、別個の410/470nm励起率R_410/470によって特徴付けられた(図15)。（撮像用最適励起波長は395及び475nmではなく410 及び470nmであると認められた。これは、生体内及び生体外の異なる蛍光バックグラウンドと同様に、顕微鏡と分光蛍光計の異なる光学列をおそらく反映している。露光時間は励起波長毎に50乃至200msに亘り、R_410/470は5Hzで標本化された。）比は、1Hzでの２分間の連続的画像形成の間±3％内で安定に維持され、pHルオリンが使用された光度で検出可能に光異性( photoisomerize)(55)しなかった。本実験及び他の実験において励起率をpH値に変換するために、標準曲線が、定義されたpHの緩衝液において、その表面でのGPIアンカーpHルオリンを発現する細胞を撮像することによって生成された。この標準曲線に基づいて(図15A)、エンドソーム（n=61）に対する5.51±0.66及びTGN（n=28）に対する6.21±0.39のp H値（平均±SD）は決定され、それぞれ以前の見積もりである5.0-5.5、及びca.6 .2に一致した。液胞型(H⁺)ATPアーゼがシナプス小胞の内部を細胞質よりも高いプロトン電気化学電位で維持し、神経伝達物質を集中するために穴をあけられた小胞膜を横切る電気化学勾配を設定する(51-53,65)。この勾配が主として電気的であるか化学的（即ち、pH勾配）であるかは小胞膜の陰イオンコンダクタンスによって決定される。これらのコンダクタンスの大きさは、電気的及び化学的な生体内電位の相対的な大きさと同様に、既知ではない。生体内の小胞内pH関連精製シナプス小胞の報告評価(51-53)。生体内測定を実行するために、低密度培養の海馬ニューロン(66)がシナプトpHルオリンを発現する(69)単純ヘルペスウイルス(HSV)アンプリコンベクター(67,68)によって感染された。シナプトpHルオリンにおいてはターゲティング分子がシナプス小胞v-SNARE VAMP-2/シナプトブレビン(65)であり、発光ユニットがその管腔に露出したC端末でVAMPと結合するレイショメトリックpHルオリンである。シナプトpHルオリン蛍光は、単一の軸策が多数のシナプスを単一の樹状突起で形成する（図15E）ときに典型的に見られる紐に通されたビーズ模様で現れ、5.67±0.71（n=84）の小胞内pH（平均±SD）をレポートした。酸性化されたシナプス小胞のシナプス前膜との融合は、細胞外液とその内部の連続比を設定し、ca．5.7乃至ca．7.4のpHの本質的瞬間増加をもたらす。シナプス小胞の内面に付着されたシナプトpHルオリンは、pH変化を経験して、その励起スペクトルの記録可能な変化で応答するため、シナプス活性指数として機能することができる。図16はこの原理を示している。図16Aは、シナプス小胞タンパク質シナプトタグミン-Iに対する免疫染色法(65)によって現れた豊富なシナプス接触を形成する神経突起部を示している。これらの接触の幾つかは、レイショメトリックシナプトpHルオリンを発現するニューロンによって形成された。それらは、それらのグリーン蛍光によって容易に区別される(図16Aの可視シナプス全部の集合を図16Bの可視シナプスに遺伝的に結合された部分集合と比較せよ。)。 90mM KClを含む脱分極溶液の用途は、多くのブートンから平行に記録可能なR₄ _10/470 における迅速な増加を誘起した(図16C)。応答は、外部Ca²⁺に依存し、ブートン内の全小胞の同時融合に起因する8-20％のシグナルでピークであった。後者は50mM NH₄Clによって全シナプス小胞のpHを中性化することにより評価され、細胞膜を横切って分散して酸比細胞小器官内で自由プロトンを消滅させるNH₃を放出した(図16C)。最大可能応答に対して、K⁺脱分極によるR_410/470の増加はこのためシナプスで8-20％の小胞によって経験されたpHの急激な増加−「簡単に放出可能な」プールの大きさに密接に一致する数を反映する。このプールは、活性領域(65)で100-200シナプス小胞の１乃至２ダースを包含し(70)(即ち、6-24％) 、脱分極刺激開始後最初の２秒以内に放出される(70)。 R_410/470は連続された脱分極中に高められたままであり、エクソサイトーシスが小胞再循環によって清算される安定状態が得られたことを示し、小胞膜タンパク質の一定分画を外部に配置したままであった(図16C)。脱分極刺激の取消後にR_410/470 は次第に基準線に戻った(図16C)。小胞膜タンパク質は、シナプス小胞を再生成するためにエンドサイトーシスによって（図16Cで観測される時間経過に一致して10-20秒のt_1/2により(71)）再インターナライズされることで知られ、シナプトpHルオリンは小胞が酸性化するにつれてそのスペクトル基準線に戻ることが期待されている。 R_410/470値は、それが領域の単一シナプス又は多くのシナプスの集団に関係するかどうかを表すため、過去数秒間のシナプス活性の連続平均を与える。全てのレイショメトリック指数と同様に、R_410/470は、光路長、pHルオリン濃度及び照度の変化に敏感ではない。これらの特性は、多数のシナプスが空間分解能を達成するために３次元で調査されて連続的に標本化されなければならない場合に、レイショメトリックpHルオリンを優れた複合神経系分析用プローブにするだろう。エクリプティックpHルオリンは、470nm励起の下、pH6未満で非蛍光比であるため(図14E)、多くの超過静止小胞により蛍光を排除し、このため潜在的に単一小胞融合事象を検出するのに適している。これを試験するために、エクソサイトーシスが誘発されるときに(72)ヒスタミン、セロトニン及びその他の伝達物質を放出するマスト細胞系RBL-2H3が選択された。RBL-2H3細胞に発現されると、エクリプティックシナプトpHルオリン(VAMP及びエクリプティックpHルオリンの融合タンパク質)が散乱蛍光点に局所化され、それは分泌小胞であると仮定され、静止状態下で410nmでのみ見られて470nm励起では見られなかった(図17A、フレーム１ )。これらの顆粒のpHはレイショメトリックpHルオリンで測定され、エクリプティックpHルオリンの470nm励起用の閾値である（平均±SD）5.20±0.55（n=29）で平均化された。面受容体結合IgEを抗IgE抗体と架橋することによって(72)、分泌応答開始後に顆粒内容物が培地に放出され(図17B)、470nmで励起された蛍光変化は顆粒を抱く場所に発生した(図17A、フレーム1-7)。可変組込み強度の個々のスポット（スポットサイズと蛍光強度の積、図17C）が分泌刺激後に様々な時間で突然現れた(図 17A、フレーム2-7)。これらの個別的事象の累積的蛍光は、各事象が単一顆粒(73 )又は化合物エクソサイトーシスを被る多数の顆粒(73,74)の融合に起因する場合に期待されるように、密接に培地内の顆粒内容物の出現（図17B）をもたらした。その場合、図17Cのより強度の事象が化合物エクソサイトーシスに対応するだろう。しばしば、蛍光スポットは消失して顆粒回復と再酸性化を示す(フレーム４乃至フレーム５及び６の矢印にマークされている集団を追跡せよ)。これらの実験の期限内（図17B）に、これらの「オフ」事象(73)がエクソサイトーシスの「オン」事象ほど頻繁ではなくなり、エクソサイトーシス部位で形成されたしばしばねじれた膜トポロジーの低分解能に一致する(74)。稀に、顆粒は同一場所になるように見える所で出現、消失及び再出現した(フレーム5-7の矢印)。これは、融合孔の一過性開閉が小胞の内部pH（及びエクリプティックpHルオリン発光強度）の変動をもたらす「点滅」現象に相当する(73)。突然変異誘発野生型発光オワンクラゲgfp cDNA(クローンテックpGFP-1)がPC R突然変異誘発を受けた。管理されたコドン変化は非変比プライマー及びPwoポリメラーゼと共に導入された。組み合わせ工程は、と32乃至32,768倍のヌクレオチド変性及びTaqポリメラーゼのプライマーライブラリーを利用した。ランダム工程はTaqポリメラーゼを(7mM MgCl₂、0.5mM MnCl₂及び、dGTP及びdATPに対して５倍強のdCTP及びdTTP)と共に低忠実度増幅に利用した。PCR製品は、pGEMEX-2(プロメガ(Promega))に連鎖反応され、大腸菌(E.coli)に形質転換され可視蛍光コロニーが分析用に拡張された。コロニーは(25℃、IprG導入なしで)発育され、（氷で、50mM Tris、pH8.0、2mM EDTA、0.2mg/mlリゾチーム、200U/ml DNase Iに）溶解され、96ウェルプレートで分析された。510nmで発光された蛍光の３つの連続読み出しは、第１はpH8.0で、第２はpHを6.0に減少するために酸添加後に、第３はpH7.4に復帰するためにベース添加後に、400及び600励起フィルタを装備したラボシステム・フルオロスカンIIプレートリーダで得られた。第１はpH8.0で、第２はpHを6.0に減少するために酸の添加後で、第３はpH7.4を回復するためにベースの添加後であった。突然変異体をR_410/470の最大可逆pH依存性変化によりコードするプラスミドは、次の突然変異誘発ラウンドにおけるPCRテンプレートとして機能した。レイショメトリック及びエクリプティックpHルオリンをコードするcDNAは、pG EX-2T（ファーマシア(Pharmacia)）で配列されて発現された。蛍光スペクトルは精製組換えタンパク質に記録され、パーキン・エルマーLS-50B分光蛍光計において、各GST融合タンパク質のトロンビン切断後に得られた。pH変化までの応答時間は、内部基準としてのpHルオリンとSNAFL-2（モルキュラー・プローブス(Molecular Probes)）を含む攪拌クベットにおいて、時間駆動モードで評価された。細胞 GFP分子は２つの-Ser-Gly-Gly-反復及び１つの-Thr-Gly-Gly-反復を介してターゲティング分子にリンクされた。後者はGFP配列の挿入に対して独自のA geI部位を含んでいた。挿入部位は、TGN38の成熟N末端（参照15）及びNAMPの正確なC末端65)とセルブレビン(63)で、（各々、プリプロラクチン(preprolactin) 及び崩壊促進因子(61)由来の）ERトランスロケーションとGPIアンカー添加に対するシグナル間に配置された。全ての構造は、単一の管腔露出GFPモジュールを有する。ベクターpCI（プロメガ）はHeLa及びRBL-2H3細胞に一過性発現を駆動するのに使用された。海馬ニューロンが４重欠失されたHSV株(67)THZ.3（α4^-，α22^-， α27^-,U_L41^-）の精製ビリオンによって感染された。pα4「ａ」バックボーンに基づくアンプリコンプラスミドは補体細胞系(67)7Bの補助により収納され、ベクター及びヘルパーバイロンの結果混合物は25％スクロースを介してペレット状にされた。ニューロン培養は、海馬が胚性(E19)ラットから採取され、ウマ血清が使用され、10mMシトシンアラビノシドがプレーティング３日後から添加された以外は説明したように調製された(69)。実験は生体外で17-29日後に実行された。顕微鏡検査法トランスフェクション又はウイルス感染の２日後、細胞は（25 mM Na-Hepes、pH7.4、119mM NaCl、2.5mM KCl、2mM CaCl₂、2mM MgCl₂、30mMグルコースの）撮像緩衝液に移され、37℃で40倍、1.3NA PIAN-NEOFLUAR対物レンズと1.6倍及び2.5倍OPTOVAR挿入物を備えたゼイス製アクシオバート(Axiovert）顕微鏡で撮像された。実験は、メタモルフ(METAMORPH)3.0（ユニヴァーサル・イメージング(Universal Imaging)）とマスマティカ(MATHEMATICA)（ウルフラム・レサーチ）を利用して、オフラインパックグラウンド滅殺(off-line background subtraction)及び画像分析により、メタフルオロ(MFTAFLUOR)3.0（ユニヴァーサル・イメージング）を介して制御された。狭い励起帯間で迅速に交代するためにポリクローム(POLYCHROME) IIグレーティング単色分光器（ティルフォトニクス、75Wキセノンランプ、12nm 帯域）が顕微鏡の上照明ポート(epi-illumiation port)に結合された。発光は２色ミラー（500DCXR）とバンドパスフィルタ（HQ535/50、共にクロマ・テクノロジー(Chroma Technologies)）を介して通過され、ベンタマックス512EFT(PENTAM AX-512EFT)フレーム転送カメラにGEN IV画像増感器(プリンストン・インストルメンツ(Princeton Instruments)、12ビットEEV-37 CCDアレー)に結合されたファイバにより収集された。本発明の幾つかの実施例をここで説明したが、本発明の方法を利用する他の実施例を提供するために基本構成が変更可能であることは明らかである。従って、本発明の範囲は、上記において例示的に提供された特定の実施例によってではなくここに添付された特許請求の範囲によって画定される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ１２Ｑ 1/02 Ｃ１２Ｎ 5/00 Ｂ (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ，ＵＳ (72)発明者ディーノ・エイ・デアンジェリスアメリカ合衆国ニューヨーク州ニューヨーク、71番ストリート、イースト300、４Ｍ号室

Claims

【特許請求の範囲】１．少なくとも２つの異なる区画の接触に関連する分子環境変化を監視するポリペプチドであって、当該ポリペプチドは複数のアミノ酸配列を有し、前記ポリペプチドの前記アミノ酸配列の少なくとも一つは前記ポリペプチドを一の区画にターゲットし、前記ポリペプチドの少なくとも一の他のアミノ酸配列は第２の区画で前記ポリペプチドの光学的シグナルの生成に関与するポリペプチド。２．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをエクソサイトーシス小胞膜にターゲットし、前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列は前記小胞膜の管腔面に配置されている請求項１記載のポリペプチド。３．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをシナプス小胞膜にターゲットする請求項２記載のポリペプチド。４．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプス小胞タンパク質から構成されるグループから選択される請求項３記載のポリペプチド。５．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプトタグミン及びVAMP /シナプトブレビンからなるグループから選択される請求項４記載のポリペプチド。６．前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列は、a) pH感受性発光団又は蛍光団を含むアミノ酸配列、b)細胞外空間に希釈化されると蛍光する自己消光蛍光アミノ酸配列、c)前記第２の区画に存在する蛍光発生基質と反応する酵素配列、及び、 d)前記第２の区画に存在する特異性免疫学的試薬に結合するアミノ酸配列からなるグループから選択される請求項１記載のポリペプチド。７．前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は細胞外空間に存在する蛍光発生基質に反応するアミノ酸配列からなる請求項６記載のポリペプチド。８．前記アミノ酸配列はルシフェラーゼ活性を有するかpH感受性GF Pである請求項６記載のポリペプチド。９．前記アミノ酸配列は、ルシフェラーゼ、ルシフェラーゼ活性を維持するのにルシフェラーゼと十分に相同であるアミノ酸配列、レイショメトリックpHルオリン及びエクリプティックpHルオリンからなるグループから選択される請求項８記載のポリペプチド。 10．前記アミノ酸配列はウミホタル(Cypridina)・ルシフェラーゼである請求項９記載のポリペプチド。 11．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをシナプス小胞にターゲットし、前記第２の区画は細胞外空間である請求項１記載のポリペプチド。 12．前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列はルシフェラーゼ活性を有するかpH感受性GFPである請求項11記載のポリペプチド。 13．前記ターゲットするアミノ酸配列は、シナプトタグミン及びVA MP/シナプトブレビンからなるグループから選択され、前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は、ルシフェラーゼ、ルシフェラーゼ活性を維持するのにルシフェラーゼと十分に相同であるアミノ酸配列、8F3 GFP、C6 GFP、S202H GFP、1B 11 GFP及び14E12 GFPからなるグループから選択される請求項12記載のポリペプチド。 14．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプトタグミン及びVAMP /シナプトブレビンからなるグループから選択され、前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は、8F3 GFP又はC6 GFPである請求項13記載のポリペプチド。 15．少なくとも２つの異なる区画の接触に伴う分子環境の変化を監視するポリペプチドをコードする核酸配列であって、前記ポリペプチドは複数のアミノ酸配列を有し、前記ポリペプチドの前記アミノ酸配列の少なくとも一つは前記ポリペプチドを一の区画にターゲットし、前記ポリペプチドの少なくとも一の別のアミノ酸配列は前記ポリペプチドの第２の区画との接触により光学的シグナルの生成に関与する核酸配列。 16．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをエクソサイトーシス小胞膜にターゲットし、前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列は前記小胞膜の管腔面に配置されている請求項15記載の核酸配列。 17．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをシナプス小胞膜にターゲットする請求項16記載の核酸配列。 18．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプス小胞タンパク質からなるグループから選択される請求項17記載の核酸配列。 19．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプトタグミン及びVAMP /シナプトブレビンからなるグループから選択される請求項18記載の核酸配列。 20．光学的シグナルの生成に必要な前記アミン酸配列は、a)pH感受性発光団又は蛍光団を含むアミノ酸配列、b)細胞外空間に希釈化されると蛍光する自己消光蛍光アミノ酸配列、c)前記第２の区画に存在する蛍光発生基質と反応する酵素配列、及び、d)前記第２の区画に存在する特異性免疫学的試薬に結合するアミノ酸配列からなるグループから選択される請求項15記載の核酸配列。 21．前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列は、細胞外空間である前記第２の区画に存在する蛍光発生基質と反応するアミノ酸配列である請求項20記載の核酸。 22．前記アミノ酸配列はルシフェラーゼ活性を有するかpH感受性GF Pである請求項20記載の核酸配列。 23．前記アミノ酸配列は、ルシフェラーゼ、ルシフェラーゼ活性を維持するのにルシフェラーゼと十分に相同であるアミノ酸配列、S202H GFP、8F3 GFP、C6 GFP、1B11 GFP及び14E12 GFPからなるグループから選択される請求項2 2記載の核酸配列。 24．前記アミノ酸配列はウミホタル(Cypridina)・ルシフェラーゼである請求項23記載の核酸配列。 25．前記アミノ酸配列は、8F3 GFP又はC6 GFPである請求項23記載の核酸配列。 26．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをシナプス小胞にターゲットし、前記第２の区画は細胞外空間である請求項15記載の核酸配列。 27．前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列はルシフェラーゼ活性を有するかpH感受性GFPである請求項26記載の核酸配列。 28．前記ターゲットするアミノ酸配列は、シナプトタグミン及びVA MP/シナプトブレビンからなるグループから選択され、前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は、ルシフェラーゼ、ルシフェラーゼ活性を維持するのにルシフェラーゼと十分に相同であるアミノ酸配列、S202H GFP、8F3 GFP、C6 GFP、1B11 GFP及び14E12 GFPからなるグループから選択される請求項27記載の核酸配列。 29．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプトタグミン及びVAMP /シナプトブレビンからなるグループから選択され、前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は8F3 GFP又はC6 GFPである請求項27記載の核酸配列。 30．プロモーター配列に作用的に結合されている請求項15記載の核酸配列。 31．前記プロモーターは特異性細胞型の前記タンパク質の発現をもたらす請求項30記載の核酸配列。 32．前記プロモーター配列はニューロン細胞の前記タンパク質の発現をもたらす請求項31記載の核酸配列。 33．前記プロモーター配列はICP4をコードする極初期遺伝子のプロモーターである請求項32記載の核酸配列。 34．前記ターゲットするアミノ酸配列は、シナプトタグミン及びVA MP/シナプトブレビンからなるグループから選択され、前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は、ルシフェラーゼ、ルシフェラーゼ活性を維持するのにルシフェラーゼと十分に相同であるアミノ酸配列、S202H GFP、8F3 GFP、C6 GFP、1B11 GFP及び14E12 GFPからなるグループから選択される請求項32記載の核酸配列。 35．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプトタグミン及びVAMP /シナプトブレビンからなるグループから選択され、前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は8F3 GFP又はC6 GFPである請求項32記載の核酸配列。 36．請求項30乃至35のうちいずれか一項記載の核酸配列からなるプラスミド。 37．前記プラスミドは哺乳類発現ベクトルpα4「a」由来である請求項36記載のプラスミド。 38．シナプトタグミンのN端末へのリンカーを介してそのC端末を通じて結合されたルシフェラーゼをコードするDNAからなる請求項37記載のプラスミド。 39．ルシフェラーゼをコードするDNAは発現タンパク質の膜トランスロケーションを与える切断可能シグナルペプチドもコードする請求項38記載のプラスミド。 40．少なくとも２つの異なる区画の接触に伴う分子環境の変化を監視するポリペプチドをコードする核酸配列からなる細胞であって、前記ポリペプチドは複数のアミノ酸配列を有し、前記ポリペプチドの前記アミノ酸配列の少なくとも一つは前記ポリペプチドを一の区画にターゲットし、前記ポリペプチドの少なくとも一の別のアミノ酸配列は前記ポリペプチドの第２の区画との接触により光学的シグナルの生成に関与する細胞。 41．前記ターゲットするアミノ酸配列によってターゲットされた前記区画は哺乳類細胞である請求項40記載の細胞。 42．前記哺乳類細胞はニューロン細胞である請求項41記載の細胞。 43．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをシナプス小胞膜にターゲットする請求項42記載の細胞。 44．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプス小胞タンパク質からなるグループから選択される請求項43記載の細胞。 45．前記ターゲットするアミノ酸配列は、シナプトタグミン及びVA MP/シナプトブレビンからなるグループから選択される請求項44記載の細胞。 46．光学的シグナルの生成に関与する前記アミン酸配列は、a)pH感受性発光団又は蛍光団を含むアミノ酸配列、b)細胞外空間に希釈化されると蛍光する自己消光蛍光アミノ酸配列、c)前記第２の区画に存在する蛍光発生基質と反応する酵素配列、及び、d)前記第２の区画に存在する特異性免疫学的試薬に結合するアミノ酸配列からなるグループから選択される請求項40記載の細胞。 47．前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列は、前記第２の区画に存在する蛍光発生基質と反応するアミノ酸配列である請求項46記載の細胞。 48．前記アミノ酸配列は、前記アミノ酸配列はルシフェラーゼ活性を有するかpH感受性GFPである請求項46記載の細胞。 49．前記アミノ酸配列は、ルシフェラーゼ、ルシフェラーゼ活性を維持するのにルシフェラーゼと十分に相同であるアミノ酸配列、及び、pH感受性 GFPから選択される請求項48記載の細胞。 50．前記アミノ酸配列はウミホタル(Cypridina)・ルシフェラーゼである請求項49記載の細胞。 51．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをシナプス小胞にターゲットし、前記第２の区画は細胞外空間である請求項43記載の細胞。 52．前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列はルシフェラーゼ活性を有するかpH感受性GFPである請求項51記載の細胞。 53．前記ターゲットするアミノ酸配列は、シナプトタグミン及びVA MP/シナプトブレビンからなるグループから選択され、前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は、ルシフェラーゼ、ルシフェラーゼ活性を維持するのにルシフェラーゼと十分に相同であるアミノ酸配列、S202H GFP、8F3 GFP、C6 GFP、1B11 GFP及び14E12 GFPからなるグループから選択される請求項51記載の細胞。 54．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプトタグミン及びVAMP /シナプトブレビンからなるグループから選択され、前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は8F3 GFP又はC6 GFPである請求項51記載の細胞。 55．少なくとも２つの異なる区画の接触に伴う分子環境の変化を監視するポリペプチドをコードする核酸配列を含む生殖細胞と体細胞を有するトランスジェニック動物であって、前記ポリペプチドは複数のアミノ酸配列を有し、前記ポリペプチドの前記アミノ酸配列の少なくとも一つは前記ポリペプチドを一の区画にターゲットし、前記ポリペプチドの少なくとも一の他のアミノ酸配列は前記ポリペプチドの第２の区画との接触により光学的シグナルの生成に関与するトランスジェニック動物。 56．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをエクソサイトーシス小胞膜にターゲットし、前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列は前記小胞膜の管腔面に配置されている請求項55記載のトランスジェニック動物。 57．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをシナプス小胞膜にターゲットする請求項56記載のトランスジェニック動物。 58．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプス小胞タンパク質である請求項57記載のトランスジェニック動物。 59．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプトタグミン及びVAMP /シナプトブレビンからなるグループから選択される請求項58記載のトランスジェニック動物。 60．前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列は、a) pH感受性発光団又は蛍光団を含むアミノ酸配列、b)第２の区画に希釈化されると蛍光する自己消光蛍光アミノ酸配列、c)前記細胞外空間に存在する蛍光発生基質と反応する酵素配列、及び、d)前記第２の区画に存在する特異性免疫学的試薬に結合するアミノ酸配列からなるグループから選択される請求項55記載のトランスジェニック動物。 61．前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は第２の区画に存在する蛍光発生基質に反応するアミノ酸配列からなる請求項60記載のトランスジェニック動物。 62．前記アミノ酸配列はルシフェラーゼ活性を有するかpH感受性GF Pである請求項60記載のトランスジェニック動物。 63．前記アミノ酸配列は、ルシフェラーゼ又はルシフェラーゼ活性を維持するのにルシフェラーゼと十分に相同であるアミノ酸配列から選択される請求項62記載のトランスジェニック動物。 64．前記アミノ酸配列はウミホタル(Cypridina)・ルシフェラーゼである請求項63記載のトランスジェニック動物。 65．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをシナプス小胞にターゲットし、前記第２の区画は細胞外空間である請求項51記載のトランスジェニック動物。 66．前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列はルシフェラーゼ活性を有するかpH感受性GFPである請求項65記載のトランスジェニック動物。 67．前記ターゲットするアミノ酸配列は、シナプトタグミン及びVA MP/シナプトブレビンからなるグループから選択され、前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は、ルシフェラーゼ、ルシフェラーゼ活性を維持するのにルシフェラーゼと十分に相同であるアミノ酸配列、S202H GFP、8F3 GFP、C6 GFP、1B11 GFP及び14E12 GFPからなるグループから選択される請求項66記載のトランスジェニック動物。 68．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプトタグミン及びVAMP /シナプトブレビンからなるグループから選択され、前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は8F3 GFP又はC6 GFPである請求項66記載のトランスジェニック動物。 69．前記核酸配列は、特異性細胞型の前記タンパク質の発現をもたらすプロモーター配列に作用的に結合されている請求項55記載のトランスジェニック動物。 70．前記プロモーター配列はニューロン細胞に前記タンパク質の発現をもたらす請求項69記載のトランスジェニック動物。 71．前記プロモーター配列はICP4をコードする極初期遺伝子のプロモーターである請求項70記載のトランスジェニック動物。 72．前記ターゲットするアミノ酸配列は、シナプトタグミン及びVA MP/シナプトブレビンからなるグループから選択され、前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は、ルシフェラーゼ、ルシフェラーゼ活性を維持するのにルシフェラーゼと十分に相同であるアミノ酸配列及びpH感受性GFPから選択される請求項71記載のトランスジェニック動物。 73． a) 複数のアミノ酸配列を有するポリペプチドを含む細胞を得る工程であって、前記ポリペプチドの少なくとも一の前記アミノ酸配列は前記ポリペプチドを細胞内位置にターゲットし、前記ポリペプチドの少なくとも一の他のアミノ酸配列は前記ポリペプチドの前記細胞の外部環境との接触により光学的シグナルの生成に関与する工程と、 b) 工程(a)のポリペプチドの前記細胞の外部環境への放出の際に光学的シグナルを検出する工程であって、前記光学的シグナルは前記ポリペプチドの前記細胞の外部環境への接触によって生成される工程とを有する細胞内物質の放出を検出する方法。 74．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをエクソサイトーシス小胞膜にターゲットし、前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列は前記小胞膜の管腔面に配置されている請求項73記載の方法。 75．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをシナプス小胞膜にターゲットする請求項74記載の方法。 76．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプス小胞タンパク質である請求項75記載の方法。 77．前記ターゲットするアミノ酸配列はシナプトタグミン及びVAMP /シナプトブレビンからなるグループから選択される請求項76記載の方法。 78．前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列は、a) pH感受性発光団又は蛍光団を含むアミノ酸配列、b)細胞外空間に希釈化されると蛍光する自己消光蛍光アミノ酸配列、c)前記細胞外空間に存在する蛍光発生基質と反応する酵素配列、及び、d)前記細胞外空間に存在する特異性免疫学的試薬に結合するアミノ酸配列からなるグループから選択される請求項73記載の方法。 79．前記光学的シグナルの生成に必要なアミノ酸配列は前記細胞外空間に存在する蛍光発生基質に反応するアミノ酸配列からなる請求項78記載の方法。 80．前記アミノ酸配列はルシフェラーゼ活性を有するかpH感受性GF Pである請求項78記載の方法。 81．前記アミノ酸配列は、ルシフェラーゼ又はルシフェラーゼ活性を維持するのにルシフェラーゼと十分に相同であるアミノ酸配列から選択される請求項80記載の方法。 82．前記アミノ酸配列はウミホタル(Cypridina)・ルシフェラーゼである請求項81記載のポリペプチド。 83．前記ターゲットするアミノ酸配列は前記ポリペプチドをシナプス小胞にターゲットし、前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は前記細胞外空間に存在する蛍光発生基質に反応するアミノ酸からなる請求項73記載の方法。 84．前記光学的シグナルの生成に関与する前記アミノ酸配列はルシフェラーゼ活性を有するかpH感受性GFPである請求項73記載の方法。 85．前記ターゲットするアミノ酸配列は、シナプトタグミン及びVA MP/シナプトブレビンからなるグループから選択され、前記光学的シグナルの生成に関与するアミノ酸配列は、ルシフェラーゼ、ルシフェラーゼ活性を維持するのにルシフェラーゼと十分に相同であるアミノ酸配列又はpH感受性GFPから選択される請求項84記載の方法。 86． pH変化が、励起及び／又は発光スペクトルの強度を含む一以上のスペクトル特性の変更をもたらす発光オワンクラゲ(Aequora victoria)のGFP のpH感受性突然変異体。 87．位置94、96、148、167、203、205及び222においてアミノ酸からなるグループから選択された一以上のアミノ酸の側部にある少なくとも一のアミノ酸内のアミノ酸残基が変更される請求項86記載のpH感受性GFP。 88．位置147、149、161，163、166、167、168、175及び202からなるグループから選択されるアミノ酸位置において少なくとも一の置換がなされる請求項86記載のpH感受性GFP。 89． S147E、S147P、S149V、N149Q、N149T、N149L、N149D、N149Y、 N149W、T161I、K166Q、I167V、R168H及びS202Hからなるグループから選択される突然変異の少なくとも一つを有する請求項86記載のpH感受性GFP。 90． S147D、N149Q、N149D、T161I、K166Q、I167V及びS202Hからなるグループから選択される突然変異の少なくとも一つを有する請求項86記載のpH 感受性GFP。 91． S147D、N149Q及びT161I突然変異からなる請求項86記載のpH感受性GFP。 92． V163A及びS175G突然変異を更に有する請求項91記載のpH感受性 GFP。 93． S147D、N149D、K166Q、I167V及びS202H突然変異を有する請求項86記載のpH感受性GFP。 94． V163A及びS175G突然変異を更に有する請求項93記載のpH感受性 GFP。 95． 475nmにおける励起ピークの減衰又は損失と、395nmにおける励起可能な蛍光強度の損失がpHが減少すると発生する請求項86記載のpH感受性GFP 。 96． ID10、2F10、2H2、1B11、8F6、8F3及び19E10からなるグループから選択される請求項95記載のpH感受性GFP。 97． pHが減少すると395nmピークにおける励起による減少蛍光と475 nmピークにおける増加励起による増加蛍光を示す請求項86記載のpH感受性GFP。 98． 14E12、14C9、14C8、2G3、S202、H14D9、C6及び8H8からなるグループから選択される請求項97記載のpH感受性GFP。 99．請求項86記載のpH感受性GFPと少なくとも一の他のアミノ酸配列とを有する融合タンパク質。 100．前記他のアミノ酸配列は前記融合タンパク質を細胞にターゲットする請求項99記載の融合タンパク質。 101．請求項86乃至100のうちいずれか一項記載のpH感受性GFPタンパク質をコード化する核酸分子。