JP2005261323A - Gene transfer method by electroporation - Google Patents

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Tetsuya Ishimoto
哲也 石本
Takahisa Taguchi
隆久 田口
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/02Electrical or electromagnetic means, e.g. for electroporation or for cell fusion

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for introducing a gene into a cell and rapidly expressing the introduced gene and an apparatus therefor. <P>SOLUTION: The method for introducing a gene into a cell comprises removing the culture medium of a cell and applying a gene-containing solution to the cell and carrying out electroporation. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、遺伝子導入法及びエレクトロポレーション装置に関する。   The present invention relates to a gene introduction method and an electroporation apparatus.

細胞に任意の蛋白質を発現させることは、遺伝子操作における最も重要な技術の1つである。   It is one of the most important techniques in gene manipulation to express an arbitrary protein in a cell.

培養した細胞へ遺伝子導入する方法としては、リン酸カルシウム法、リポフェクション法、ウイルスベクターを用いる方法、エレクトロポレーション法などが挙げられる。これらの方法により細胞に遺伝子を導入することができるが、それらのすべては細胞の中に蛋白質を発現させるまでに数時間から数日を要するものである。   Examples of the method for introducing a gene into cultured cells include a calcium phosphate method, a lipofection method, a method using a viral vector, and an electroporation method. Genes can be introduced into cells by these methods, but all of them require several hours to several days to express a protein in the cells.

従って、より速やかにタンパク質の発現を行うことができる技術が求められていた。   Therefore, there has been a demand for a technique capable of performing protein expression more rapidly.

本発明は、細胞に遺伝子を導入し、導入された遺伝子を速やかに発現させる方法及びそのための装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a method for introducing a gene into a cell and quickly expressing the introduced gene and an apparatus therefor.

本発明は、エレクトロポレーションの前に培地を抜き取ることで遺伝子を含有する高濃度のプラスミドDNAが細胞に直接触れるようにした点に特徴を有する。その結果、例えば
数時間以内という極めて短時間で蛋白質を培養細胞中に高効率で発現させることができることを見出し、本発明を完成した。
1. 細胞の培養培地を除去した後に細胞に遺伝子を含む溶液を適用し、エレクトロポレーションを行うことを特徴とする遺伝子を細胞に導入する方法。
2. 細胞に導入される遺伝子が、20〜100μlの溶液として細胞に適用される項1に記載の方法。
3. 電気パルスの長さが10〜20msecであり、電気パルスの印加回数が5〜20である項1または2に記載の方法。
4. 培地量は、細胞を含む容器1cm2当たり200〜300μlである項1〜3のいずれかに記載の方法。
5. 少なくとも2つの電極を有するエレクトロポレーション装置であって、第1電極が囲む面内に第2電極の一部を固定し、第1電極と前記第2電極の一部の間に流れる電流が遺伝子を導入される細胞に通電されることを特徴とする装置。
6. 第1電極が円形の電極であり、第2電極の先端が第1電極が囲む円の中心付近に存在する項5に記載の装置。
The present invention is characterized in that a medium is extracted before electroporation so that a high-concentration plasmid DNA containing a gene can directly touch a cell. As a result, the present inventors have found that a protein can be expressed in cultured cells with high efficiency in a very short time, for example, within a few hours, thereby completing the present invention.
1. A method for introducing a gene into cells by applying a solution containing the gene to the cells after removing the cell culture medium and performing electroporation.
2. Item 2. The method according to Item 1, wherein the gene introduced into the cell is applied to the cell as a 20 to 100 µl solution.
3. Item 3. The method according to Item 1 or 2, wherein the length of the electric pulse is 10 to 20 msec and the number of times of applying the electric pulse is 5 to 20.
4). Item 4. The method according to any one of Items 1 to 3, wherein the amount of the medium is 200 to 300 μl per 1 cm 2 of the container containing cells.
5). An electroporation apparatus having at least two electrodes, wherein a part of a second electrode is fixed in a plane surrounded by the first electrode, and a current flowing between the first electrode and a part of the second electrode is a gene. A device characterized by being energized to a cell into which is introduced.
6). Item 6. The device according to Item 5, wherein the first electrode is a circular electrode, and the tip of the second electrode is present near the center of a circle surrounded by the first electrode.

以下、本発明をより詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

本発明において、細胞に導入される遺伝子としては、タンパク質をコードするものであれば特に限定されず、任意の遺伝子が対象になる。該遺伝子は、宿主となる培養細胞にとって異種の遺伝子であってもよく、宿主由来の遺伝子を導入してもよい。   In the present invention, the gene introduced into the cell is not particularly limited as long as it encodes a protein, and any gene is targeted. The gene may be a heterologous gene for a cultured cell serving as a host, or a host-derived gene may be introduced.

遺伝子はそれ自身を使用してもよいが、通常は宿主に適したベクターに発現可能に組み込んだ発現ベクターとして宿主となる培養細胞に導入される。発現ベクターを構成するベクター、プロモーター、エンハンサーなどは宿主となる培養細胞に応じて適切に選択すれ
ばよい。
Although the gene itself may be used, it is usually introduced into a cultured cell serving as a host as an expression vector that is incorporated into a vector suitable for the host so as to allow expression. The vector, promoter, enhancer and the like constituting the expression vector may be appropriately selected according to the cultured cell serving as the host.

宿主となる細胞としては、ディッシュに接着している細胞が挙げられ、具体的には植物細胞、動物細胞(哺乳動物、昆虫、鳥類、両生類、は虫類、魚類等の細胞)が含まれる。   Examples of the cell serving as the host include cells adhered to the dish, and specifically include plant cells and animal cells (cells such as mammals, insects, birds, amphibians, reptiles and fish).

好ましい宿主は哺乳動物細胞、昆虫細胞及び植物細胞であり、哺乳動物としてはヒト、ウシ、ウマ、イヌ、サル、ラット、マウス、ハムスターなどが挙げられ、好ましくはヒトの細胞、例えば神経細胞である。   Preferred hosts are mammalian cells, insect cells and plant cells. Examples of mammals include humans, cows, horses, dogs, monkeys, rats, mice, hamsters, etc., preferably human cells such as nerve cells. .

本発明の方法では、細胞の培養液をできるだけ取り除くことが重要である。細胞の培養液(培地)が少ないと、遺伝子を含む溶液を細胞に適用した場合に、遺伝子の濃度が希釈されず、液量が少ないために導入効率を高く維持することができる。   In the method of the present invention, it is important to remove as much of the cell culture medium as possible. When the cell culture medium (medium) is small, the gene concentration is not diluted when the gene-containing solution is applied to the cells, and the introduction efficiency can be maintained high because the liquid volume is small.

培養液と添加される遺伝子を含む溶液の合計量は、細胞40万個当たり、150μl以下、好ましくは120μl以下、より好ましくは100μl以下である。   The total amount of the culture solution and the solution containing the gene to be added is 150 μl or less, preferably 120 μl or less, more preferably 100 μl or less per 400,000 cells.

培養液の残存量と添加される遺伝子を含む溶液の各量は、合計量が上記の範囲内であれば特に限定されないが、培養液の残存量としては、細胞40万個当たり、50μl程度以下、例えば10〜50μl程度であり、添加される遺伝子を含む溶液の量は、細胞40万個当たり、20〜100μl程度が使用される。   Each amount of the solution containing the remaining amount of the culture solution and the added gene is not particularly limited as long as the total amount is within the above range, but the remaining amount of the culture solution is about 50 μl or less per 400,000 cells. The amount of the solution containing the gene to be added is, for example, about 20 to 100 μl per 400,000 cells.

本発明では、培養液等の液体をほとんど含まない状態でのエレクトロポレーションにより細胞に遺伝子、例えば外来遺伝子をベクターに組み込んで導入する。このため、例えば図1に示すような、一方の電極2(第2電極)の端部2aが円形であり、他方の電極1(第1電極)の一部、特に先端1aが第2電極の円の中心付近になるように2つの電極を絶縁材3(例えばゴム)に固定したものを使用することができる。該電極1,2は、図2に示されるように、培養細胞を含む容器上6に固定され、円形2aの第2電極2と該電極の支持体を兼ねた絶縁材3で囲まれる狭い空間5内に細胞4を閉じこめ、エレクトロポレーションを行うことにより遺伝子を細胞内に効率よく導入することができる。   In the present invention, a gene, for example, a foreign gene is incorporated into a vector and introduced into a cell by electroporation in a state that hardly contains a liquid such as a culture solution. For this reason, for example, as shown in FIG. 1, the end 2a of one electrode 2 (second electrode) is circular, and a part of the other electrode 1 (first electrode), in particular, the tip 1a is the second electrode. An electrode in which two electrodes are fixed to an insulating material 3 (for example, rubber) so as to be near the center of a circle can be used. As shown in FIG. 2, the electrodes 1 and 2 are fixed on a vessel 6 containing cultured cells, and are surrounded by a second electrode 2 having a circular shape 2a and an insulating material 3 that also serves as a support for the electrode. By enclosing the cell 4 in 5 and performing electroporation, the gene can be efficiently introduced into the cell.

第1電極と第2電極は、少ない溶液量で細胞に電流が十分に流れるようなものであれば、特に限定されないが、第1電極と絶縁性支持体を細胞培養容器上に固定したときに、第1電極と絶縁性支持体と該容器により囲まれる狭い空間内に細胞が閉じこめられ、且つ該空間内に第2電極の一部(特に先端)が固定され、細胞に効率よく通電されるようにすることが、好ましい実施形態の1つとして例示される。   The first electrode and the second electrode are not particularly limited as long as the current can sufficiently flow to the cells with a small amount of solution, but when the first electrode and the insulating support are fixed on the cell culture vessel The cells are confined in a narrow space surrounded by the first electrode, the insulating support, and the container, and a part (particularly the tip) of the second electrode is fixed in the space, so that the cells are efficiently energized. This is illustrated as one of the preferred embodiments.

細胞を閉じこめることが可能な第2電極の厚みは、0.2〜3mm程度、より好ましくは0.5〜1mm程度である。   The thickness of the second electrode capable of confining cells is about 0.2 to 3 mm, more preferably about 0.5 to 1 mm.

第1電極と第2電極の一部(先端)の距離は、特に限定されないが、通常5〜20mm程度である。   The distance between the first electrode and a part (tip) of the second electrode is not particularly limited, but is usually about 5 to 20 mm.

好ましい実施形態において、第2電極上の絶縁材は、細胞を傷つけない程度に接触するか、或いは、細胞に近い位置に固定される。細胞と絶縁材の距離は、好ましくは0.5〜1mm程度である。細胞と絶縁材の距離が近い方が、細胞への通電を効率的に行うことができる。   In a preferred embodiment, the insulating material on the second electrode is in contact with the cell so as not to damage the cell, or is fixed at a position close to the cell. The distance between the cells and the insulating material is preferably about 0.5 to 1 mm. When the distance between the cells and the insulating material is shorter, the cells can be efficiently energized.

エレクトロポレーションで用いる電圧としては10〜2000V/cmの範囲で適用でき、皮膚に対する電気刺激を考慮すると好ましくは50〜1000V/cm、より好ましくは100〜500V/cmの範囲で適用される。通電パターンとしては特に限定はない
が、指数対数型パルスか矩形型パルスであるのが好ましく、矩形型パルスがより好ましい。エレクトロポレーション は1回以上通電すれば効果は見られるが、回数が多いほどそ
の効果は増加する。通電時間は電気刺激による細胞への障害を抑制するために、10〜20msec程度であるのが望ましい。
The voltage used in electroporation can be applied in the range of 10 to 2000 V / cm, and is preferably applied in the range of 50 to 1000 V / cm, more preferably 100 to 500 V / cm in consideration of electrical stimulation to the skin. The energization pattern is not particularly limited, but is preferably an exponential logarithmic pulse or a rectangular pulse, and more preferably a rectangular pulse. Electroporation is effective if it is energized once or more, but the effect increases as the number of times increases. The energization time is preferably about 10 to 20 msec in order to suppress damage to cells due to electrical stimulation.

エレクトロポレーション後は、培地を加えてインキュベートすることにより、速やかに遺伝子の発現を行うことができる。   After electroporation, gene expression can be performed quickly by adding a medium and incubating.

本発明によれば、遺伝子導入後数時間以内、好ましくは30分から2時間程度の短時間で遺伝子産物であるタンパク質が発現しているのが観察された。   According to the present invention, it was observed that the protein as the gene product was expressed within a few hours after gene introduction, preferably within a short time of about 30 minutes to 2 hours.

このような短時間でのタンパク質の発現が可能になることにより、タンパク質の機能をより正確に評価することが可能になる。   By enabling protein expression in such a short time, the function of the protein can be more accurately evaluated.

また、遺伝子治療に応用される際に、慢性的な病気に対してのみではなく、突発的な病気やけがなどに対して、患部に特異的に必要とされる蛋白質を数十分以内に発現させる技術を提供できる。   In addition, when applied to gene therapy, proteins that are specifically required for affected areas are expressed within tens of minutes for not only chronic diseases but also for sudden illnesses and injuries. Technology can be provided.

以下、遺伝子を導入する細胞として神経細胞を例にとり説明する。
(材料と方法)
細胞培養
SDラット海馬または皮質ニューロン(E18)をCa2+, Mg2+-フリーのリン酸緩衝生理食塩水(PBS-)中でバラバラにした。胚からの組織を同じ培地中37℃で20分間0.125%トリプシンで処理した。DMEMでリンス後, これらの組織を使い捨てのプラスチックピペットを用いて穏やかに解離することによりバラバラにした。解離されたニューロンを、10% FCS, グル
コース(10 mM), グルタミン(2 mM)及びインスリン(2μg/ml)で補足したDMEMとともに、ポリエチレンイミンでコートされたガラスベースのディッシュ (Matsunami, Japan)上にプ
レートした。ニューロンは5% CO2 /95%空気および飽和湿度において37℃で10-13日間培養した。培養物を 実験に使用した。
免疫組織化学
ガラスベースディッシュ(Matsunami, Japan)で増殖した海馬ニューロンを4% パラホル
ムアルデヒドとTBS中15分間室温で固定した。該ニューロンは抗ラットフェリチンポリク
ローナル抗体 とインキュベートし、次いでHRP複合体化抗ウサギIgG (Panafarm, Japan)
とPBS中でインキュベートされた。次いで、シグナルを3,3'-ジアミノベンジジン(DAB)及
びH2O2と共にインキュベーションすることにより可視化した。
培養海馬ニューロンとのIn situハイブリダイゼーション
培養されたニューロンを4% ホルムアルデヒドで固定し、0.2 M HClで10分間、 0.1 Mトリエタノールアミン(pH 8.0)中の0.25%無水酢酸で10分間処理し、エタノールで脱水した
。ハイブリダイゼーションを50%ホルムアミド, 10 mM Tris (pH 7.6), 200 μg/ml tRNA,
1x デンハルト溶液, 10%デキストラン硫酸, 600 mM NaCl, 0.25% SDS, 1 mM EDTAおよびDIG標識RNAプローブを含む溶液と50℃で18時間行った。200 bpsのフェリチンH鎖3'領域をPCRで増幅し、pGEM-T ベクター(PROMEGA, USA)にサブクローニングし、プローブをDIG RNAラベリングキット(Boehringer, Germany)で合成した。スライドグラス上でハイブリダイズされたサンプルを2x SSC中50%ホルムアミド、2x SSC, 0.2x SSCで50℃において洗浄し
た。サンプルをアルカリ性ホスファターゼ複合体化抗DIG Fab フラグメント(Boehringer,
Germany)と反応させ、ニトロブルーテトラゾリウム及び5-ブロモ-4-クロロ-3-インドリ
ルホスフェートとともにインキュベーションすることにより可視化した。
翻訳分析のためのプラスミド構築
フェリチン H 鎖 mRNA (Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR)の5'及び3'UTR 配列を含むプラスミ
ドをpd2EGFP-N1 (Clontech, USA)を用いて調製した。フェリチンH鎖の5' UTRをプラスミ
ドのNheI, AgeI部位に挿入し、フェリチン H 鎖 mRNAの3'UTRをNotI, BsmI部位に挿入し
た。各挿入フラグメントを以下のプライマー:
NheI, AgeI: 5'-TTGGGGCTAGCCAGACGTTCTCGCCCAGAG3'(配列番号1), 5'-GGTTACCGGTGATGGCGGCTGGGCAGGG-3' (配列番号2),
NotI, BsmI: 5'-CCTTTGCGGCCGCGCTGACGTCCCCAAGGCCAT-3' (配列番号3), TTTCCGAATGCAGGGTACCAAAATTCTTTATTTGAAG-3' (配列番号4)を用いるPCRにより増幅した。該プラスミドをトランスフェクション用のQIAprep Spin Mini prep Kit (QIAGEN, Germany)を用いて精製した。鉄応答配列(Iron Responsive Element; IRE)欠損プラスミド(Ft5'UTR(IREを含まない)-d2EGFP-Ft3'UTR)について,プライマー(5'-CCAGACGTTCTCGCCCAGAGGTGCTCGACC-3' (配列番号5), 5'-CGTCCTTGAAGAAGATGGTGCG-3' (配列番号6))を用いたPCR産物を
精製し、プライマー(5'-TTGGGGCTAGCCAGACGTTCTCGCCCAGAG-3' (配列番号7),5'-GGTTACCGGTGATGGCGGCTGGGCAGGG-3' (配列番号8))を用いて再増幅された。PCR産物をpd2EGFP-N1プラスミドのNheI, AgeI 部位に挿入した。局所翻訳の観察のあいだ、培養ディッシュ
を37℃に維持し、タイロード液(Tyrode solution ; 124 mM NaCl, 5 mM KCl, 25 mM Hepes, 1 mM MgCl2, 2 mM CaCl2, 30 mM グルコース, pH 7.4)をディッシュに2 ml/minで連続的に流した。図5に示されるように、ガラスピペットを用いた近位位置の標的樹状突起の解離後、グルタミン酸 (最終濃度100μM)またはキサンチン(最終濃度50μM)およびキサンチンオキシダーゼ(最終濃度0.05U/ml) (Nacalai, Japan)を浴適用(bath-application)
により培養ディッシュに加えた。図6において、グルタミン酸(1 mM)をピコポンプ(WPI, USA)に接続されたガラスマイクロピペット (Matsunami, Japan, 先端直径; 1μm)を用い
て標的にパフした(puffed)。部位指向性パフ(Site-directed puff)を、FITCを用いるコントロール実験において10μm (半径)の領域に限定した。パフ後、こぼれたグルタミン酸による過度の刺激を防止するためにピペットをすぐに取り除いた。得られた画像は、 MetaMorph (Universal Imaging,USA)を用いて解析した。
エレクトロポレーション
翻訳分析のためのエレクトロポレーションをSquare Electroporator CUY21 (BEX, Japan)を用いて行った。海馬解離ニューロン(10 DIV)の培養培地を吸引により除去した。プラスミド溶液(40μg /40μlのPBS-)をニューロンに加え、10矩形パルス(300 V, 10 msec)をそれらに適用した。各パルスの間隔は900 msecであった。
シンドビスウイルス
2シストロン性(bicistronic)ベクタープラスミド(pSinEGdsp)をDr. Kawamura (Niigata University)よりご提供いただいた。該プラスミドはpSinRep5 (Invitrogen, USA)から
誘導され、2つのサブゲノムプロモーターとそれに続く任意の遺伝子挿入及びEGFP ORFのためのマルチクローニング部位 を有し、従って、該ウイルスは感染細胞において任意の
タンパク質とEGFPを独立して産生できる(Kawamura et al., 2003)。特異的プライマー(5'-TCTAGACGACAGTGCTTGAACGGAACC-3' (配列番号9), 5'-AGGCCTGGGTACCAAAATTCTTTATTTGAAG-3' (配列番号10))を用いたRT-PCRにより増幅されたフェリチンH鎖cDNAは、該プラスミドのXba1,Stu1部位に挿入された。該プラスミドはPac1で切断され、mRNAはmMESSAGE mMACHINE キット (Ambion, USA)を用いてin vitroで合成された。 次に、Baby Hamster Kidney (BHK) 細胞をGene Pulser2(BioRad, USA)を用いてエレクトロポレーション (1250 V/cm, 50 μF, 単一パルス)によりmRNA及び26SヘルパーmRNA(Invitrogen, USA)とともに
トランスフェクトした。細胞は10% FCSを補足したDMEMと24時間37℃でインキュベートさ
れ、上清をシュードビリオン含有溶液として集めた。
細胞生存/死アッセイ
ニューロンal細胞生存を、オリジナルの方法(Monsmann, 1983; Hansen et al., 1989)に
従いMTT アッセイにより測定した。簡単には、テトラゾリウム塩MTT (3-(4,5-ジメチル-2-チアゾリル)-2,5-ジフェニル-2H-テトラゾリウムブロミド)を最終濃度1 mg/mlで培養液
に加えた。37℃で2時間インキュベーション後、80体積%の溶解緩衝液 (50% N,N-ジメチ
ルホルムアミド中10% SDS, pH 4.7)を加えることによりアッセイを停止した。次に、吸光度を570 nm で分光学的に測定し、24時間37℃でインキュベーションした。生存細胞のパ
ーセントを下記式で定義した:
(A(実験ブランク)/A(コントロールブランク)) × 100
(ブランク値は細胞のないウェルから得られた)。アポトーシスを受ける細胞は、先行文献(Gavrieli et al., 1992)に従い、ターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェ
ラーゼ-介在dUTP-ビオチンニック末端標識(TUNEL)法により特定した。
シナプトソーム調製
マイナーな改変を行ったVerity's法(Verity, 1972)に従いシナプトソームを調製した。第1に, 第10日の皮質ニューロン培養物をホモジナイズ緩衝液 (0.35 Mシュクロース, 1 mM MgCl2, 1 mM EDTA, 10 mM Hepes pH 7.4)中でloose fitted Potter homogenizer(5 ml)でホモジナイズした。ホモジネートを1分間2,000xgで遠心分離し、ペレットを捨てた。
次に、上清を5分間23,000xgで遠心分離した。得られた粗ミトコンドリアペレットを2 ml
のホムジナイズ緩衝液に再懸濁し、不連続グラジエント (ホモジナイズ緩衝液中13%と5% Ficoll)に層状化した。グラジエントを40分間43,000xgでSW40.1ローター を備えたBeckman L7 超遠心分離機で遠心分離した。シナプトソームを5%-13%界面から集めた。
反応性酸素種(ROS)産生の分析
EGFPとフェリチンを発現するシンドビスウイルスで感染された培養皮質ニューロンを収穫し、シナプトソームフラクションを調製した。本発明者はフェリチン過剰発現ニューロンからのシナプトソームがSDS-PAGEにおいてEGFPを発現するシンドビスウイルスで感染されたニューロンからのコントロールシナプトソームと同一のタンパク質パターンを有することを確認した。該シナプトソームフラクションはオキシブロット キット(Intergen, USA)により分析された。タンパク質側鎖のカルボニル基は2, 4-フェニルヒドラジン(DNPH)
との反応により2, 4-ジニトロフェニルヒドラゾン(DNP-ヒドラゾン) に誘導体化された。該DNP-誘導体化 タンパク質はSDS-PAGE、さらに該タンパク質のDNP部分に特異的な一次抗体を用いるウェスタンブロッティングにより分離された。該シグナルはTSA ビオチンシステム(Perkin Elmer, USA)及びECL Plus システム (Amersham Bioscience, UK)により増強された。化学発光シグナルはLAS-1000 (Fujifilm, Japan)及びImage Gauge (Fujifilm, Japan)により検出及び分析された。
(結果)
樹状突起におけるフェリチンの局所翻訳の観察
仮説を試験するために、本発明者は免疫組織化学実験を行い、グルタミン酸刺激 (100 μM, 1 h)後のフェリチンタンパク質レベルの変化を観察した。フェリチンシグナルのわ
ずかな増加が樹状突起において観察されたが、(図3)、本発明者はこれがフェリチン翻訳レベルのアップレギュレーションのみによると結論付けるのには不十分であると考えた。何故なら予め存在したフェリチンのレベルが未知であるからである。培養ニューロンの樹状突起におけるフェリチン翻訳を直接確認するために、本発明者は新規観察システムを開発した。該システムにおいて、フェリチンの5'と3'のUTRs (Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR, 図4a)間のd2EGFP (Clontech, USA)の配列を含有するプラスミドが構築され、ニューロン
にトランスフェクトされた。転写物の樹状突起へのトランスロケーションは、本発明者の既報告(Ishimoto et al., 2000)に示されるように、ラット海馬からの10日間培養ニュー
ロンを用いてin situ ハイブリダイゼーションにより確認された(図4b)。トランスフェクトされたニューロンは翻訳の阻害剤であるサイクロヘキシミドを含む第1培地中で2時間インキュベートされた。 次いで、トランスフェクトされたニューロンを、転写阻害
剤であるアクチノマイシン Dとサイクロヘキシミドを含む第2培地に移した。30分間インキュベーション後, トランスフェクトされたニューロンをアクチノマイシンDを含有する
第3培地に移した。第1培地において、mRNAを翻訳抑制下に転写した。アクチノマイシン
Dを用いた第3培地において、d2EGFPの蛍光を局所フェリチン翻訳の指標として測定した。第3条件において転写作用はなかったので、第3条件において, 翻訳有効性はこのシステムにより正確に評価し得る(図4c)。このプロセスの後、本発明者は、ニューロンがグ
ルタミン酸適用に応答して細胞内カルシウムを増加させることを確認した。これは、ニューロンが該プロセスにおける生存度を維持していることを意味する。
Hereinafter, a nerve cell will be described as an example of a cell into which a gene is introduced.
(Materials and methods)
Cell culture
SD rat hippocampus or cortical neurons (E18) were disaggregated in Ca 2+ , Mg 2+ -free phosphate buffered saline (PBS-). Tissue from embryos was treated with 0.125% trypsin in the same medium for 20 minutes at 37 ° C. After rinsing with DMEM, these tissues were dissociated by gentle dissociation using a disposable plastic pipette. Dissociated neurons on a glass-based dish (Matsunami, Japan) coated with polyethyleneimine with DMEM supplemented with 10% FCS, glucose (10 mM), glutamine (2 mM) and insulin (2 μg / ml) Plated. Neurons were cultured for 10-13 days at 37 ° C. in 5% CO 2/95% air and saturated humidity. Cultures were used for experiments.
Immunohistochemistry Hippocampal neurons grown in glass-based dishes (Matsunami, Japan) were fixed in 4% paraformaldehyde and TBS for 15 minutes at room temperature. The neurons are incubated with anti-rat ferritin polyclonal antibody and then HRP-conjugated anti-rabbit IgG (Panafarm, Japan)
And incubated in PBS. The signal was then visualized by incubation with 3,3'-diaminobenzidine (DAB) and H2O2.
In situ hybridization with cultured hippocampal neurons Cultured neurons were fixed with 4% formaldehyde, treated with 0.2 M HCl for 10 min, 0.25% acetic anhydride in 0.1 M triethanolamine (pH 8.0) for 10 min, ethanol And dehydrated. Hybridization to 50% formamide, 10 mM Tris (pH 7.6), 200 μg / ml tRNA,
This was carried out at 50 ° C. for 18 hours with a solution containing 1 × Denhardt's solution, 10% dextran sulfate, 600 mM NaCl, 0.25% SDS, 1 mM EDTA and DIG-labeled RNA probe. The 200 bps ferritin heavy chain 3 ′ region was amplified by PCR, subcloned into the pGEM-T vector (PROMEGA, USA), and the probe was synthesized with the DIG RNA labeling kit (Boehringer, Germany). Samples hybridized on slides were washed with 50% formamide in 2x SSC, 2x SSC, 0.2x SSC at 50 ° C. Samples were alkaline phosphatase conjugated anti-DIG Fab fragment (Boehringer,
Germany) and visualized by incubation with nitroblue tetrazolium and 5-bromo-4-chloro-3-indolyl phosphate.
Plasmid Construction for Translation Analysis A plasmid containing the 5 ′ and 3 ′ UTR sequences of ferritin heavy chain mRNA (Ft5′UTR-d2EGFP-Ft3′UTR) was prepared using pd2EGFP-N1 (Clontech, USA). The 5 ′ UTR of the ferritin H chain was inserted into the NheI and AgeI sites of the plasmid, and the 3′UTR of the ferritin H chain mRNA was inserted into the NotI and BsmI sites. Each insert has the following primers:
NheI, AgeI: 5'-TTGGGGCTAGCCAGACGTTCTCGCCCAGAG3 '(SEQ ID NO: 1), 5'-GGTTACCGGTGATGGCGGCTGGGCAGGG-3' (SEQ ID NO: 2),
NotI, BsmI: Amplified by PCR using 5′-CCTTTGCGGCCGCGCTGACGTCCCCAAGGCCAT-3 ′ (SEQ ID NO: 3), TTTCCGAATGCAGGGTACCAAAATTCTTTATTTGAAG-3 ′ (SEQ ID NO: 4). The plasmid was purified using the QIAprep Spin Mini prep Kit (QIAGEN, Germany) for transfection. Iron Responsive Element (IRE) deficient plasmid (Ft5'UTR (without IRE) -d2EGFP-Ft3'UTR), primers (5'-CCAGACGTTCTCGCCCAGAGGTGCTCGACC-3 '(SEQ ID NO: 5), 5'-CGTCCTTGAAGAAGATGGTGCG -3 ′ (SEQ ID NO: 6)) and purified using the primers (5′-TTGGGGCTAGCCAGACGTTCTCGCCCAGAG-3 ′ (SEQ ID NO: 7), 5′-GGTTACCGGTGATGGCGGCTGGGCAGGG-3 ′ (SEQ ID NO: 8)) Amplified. The PCR product was inserted into the NheI and AgeI sites of the pd2EGFP-N1 plasmid. While observing local translation, maintain the culture dish at 37 ° C and use Tyrode solution (124 mM NaCl, 5 mM KCl, 25 mM Hepes, 1 mM MgCl2, 2 mM CaCl2, 30 mM glucose, pH 7.4) Was continuously poured into the dish at 2 ml / min. As shown in FIG. 5, glutamate (final concentration 100 μM) or xanthine (final concentration 50 μM) and xanthine oxidase (final concentration 0.05 U / ml) after dissociation of the target dendrites in the proximal position using a glass pipette ( Nacalai, Japan) bath-application
To the culture dish. In FIG. 6, glutamic acid (1 mM) was puffed to the target using a glass micropipette (Matsunami, Japan, tip diameter; 1 μm) connected to a pico pump (WPI, USA). Site-directed puff was limited to a 10 μm (radius) region in a control experiment using FITC. After puffing, the pipette was immediately removed to prevent excessive irritation from spilled glutamic acid. The obtained images were analyzed using MetaMorph (Universal Imaging, USA).
Electroporation Electroporation for translation analysis was performed using Square Electroporator CUY21 (BEX, Japan). The culture medium of hippocampal dissociated neurons (10 DIV) was removed by aspiration. Plasmid solution (40 μg / 40 μl PBS-) was added to the neurons and 10 square pulses (300 V, 10 msec) were applied to them. The interval between each pulse was 900 msec.
A Sindbis virus bicistronic vector plasmid (pSinEGdsp) was provided by Dr. Kawamura (Niigata University). The plasmid is derived from pSinRep5 (Invitrogen, USA) and has two subgenomic promoters followed by any gene insertion and a multiple cloning site for EGFP ORF, so the virus can contain any protein in infected cells. EGFP can be produced independently (Kawamura et al., 2003). Ferritin H chain cDNA amplified by RT-PCR using specific primers (5'-TCTAGACGACAGTGCTTGAACGGAACC-3 '(SEQ ID NO: 9), 5'-AGGCCTGGGTACCAAAATTCTTTATTTGAAG-3' (SEQ ID NO: 10)) is Xba1 of the plasmid. Therefore, it was inserted into Stu1 site. The plasmid was cut with Pac1 and mRNA was synthesized in vitro using the mMESSAGE mMACHINE kit (Ambion, USA). Next, Baby Hamster Kidney (BHK) cells were transfected with mRNA and 26S helper mRNA (Invitrogen, USA) by electroporation (1250 V / cm, 50 μF, single pulse) using Gene Pulser2 (BioRad, USA). I did it. Cells were incubated with DMEM supplemented with 10% FCS for 24 hours at 37 ° C., and supernatants were collected as pseudovirion containing solutions.
Cell survival / death assay Neuronal al cell survival was measured by MTT assay according to the original method (Monsmann, 1983; Hansen et al., 1989). Briefly, the tetrazolium salt MTT (3- (4,5-dimethyl-2-thiazolyl) -2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide) was added to the culture at a final concentration of 1 mg / ml. After 2 hours incubation at 37 ° C., the assay was stopped by adding 80% by volume lysis buffer (10% SDS in 50% N, N-dimethylformamide, pH 4.7). The absorbance was then measured spectrophotometrically at 570 nm and incubated for 24 hours at 37 ° C. The percentage of viable cells was defined by the following formula:
(A (experiment blank) / A (control blank)) x 100
(Blank values were obtained from wells without cells). Cells undergoing apoptosis were identified by the terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP-biotin nick end labeling (TUNEL) method according to previous literature (Gavrieli et al., 1992).
Synaptosome preparation Synaptosomes were prepared according to Verity's method (Verity, 1972) with minor modifications. First, day 10 cortical neuron cultures were homogenized with a loose fitted Potter homogenizer (5 ml) in homogenization buffer (0.35 M sucrose, 1 mM MgCl2, 1 mM EDTA, 10 mM Hepes pH 7.4). The homogenate was centrifuged at 2,000 xg for 1 minute and the pellet was discarded.
The supernatant was then centrifuged at 23,000 xg for 5 minutes. 2 ml of the crude mitochondrial pellet obtained
And restratified in a discontinuous gradient (13% and 5% Ficoll in homogenization buffer). The gradient was centrifuged for 40 minutes at 43,000 xg in a Beckman L7 ultracentrifuge equipped with a SW40.1 rotor. Synaptosomes were collected from the 5% -13% interface.
Analysis of reactive oxygen species (ROS) production
Cultured cortical neurons infected with Sindbis virus expressing EGFP and ferritin were harvested and synaptosomal fractions were prepared. The inventor has confirmed that the synaptosomes from ferritin overexpressing neurons have the same protein pattern as the control synaptosomes from neurons infected with Sindbis virus expressing EGFP on SDS-PAGE. The synaptosome fraction was analyzed with an oxyblot kit (Intergen, USA). The carbonyl group of the protein side chain is 2, 4-phenylhydrazine (DNPH)
And derivatized to 2,4-dinitrophenylhydrazone (DNP-hydrazone). The DNP-derivatized protein was separated by SDS-PAGE and Western blotting using a primary antibody specific for the DNP portion of the protein. The signal was enhanced by the TSA biotin system (Perkin Elmer, USA) and the ECL Plus system (Amersham Bioscience, UK). The chemiluminescent signal was detected and analyzed by LAS-1000 (Fujifilm, Japan) and Image Gauge (Fujifilm, Japan).
(result)
Observation of local translation of ferritin in dendrites To test the hypothesis, the present inventor performed immunohistochemical experiments to observe changes in ferritin protein levels after glutamate stimulation (100 μM, 1 h). Although a slight increase in ferritin signal was observed in the dendrites (FIG. 3), the inventor considered that this was insufficient to conclude that this was solely due to upregulation of ferritin translation levels. This is because the pre-existing ferritin level is unknown. In order to directly confirm ferritin translation in dendrites of cultured neurons, the present inventor has developed a new observation system. In the system, a plasmid containing the sequence of d2EGFP (Clontech, USA) between the 5 ′ and 3 ′ UTRs of ferritin (Ft5′UTR-d2EGFP-Ft3′UTR, FIG. 4a) was constructed and transfected into neurons. It was. Translocation of transcripts to dendrites was confirmed by in situ hybridization using 10-day cultured neurons from rat hippocampus, as shown in our previous report (Ishimoto et al., 2000). (FIG. 4b). Transfected neurons were incubated for 2 hours in the first medium containing cycloheximide, an inhibitor of translation. The transfected neurons were then transferred to a second medium containing the transcription inhibitors actinomycin D and cycloheximide. After incubation for 30 minutes, the transfected neurons were transferred to a third medium containing actinomycin D. In the first medium, the mRNA was transcribed under translational suppression. Actinomycin
In the third medium using D, the fluorescence of d2EGFP was measured as an index for local ferritin translation. Since there was no transcription effect in the third condition, translation effectiveness can be accurately assessed by this system in the third condition (FIG. 4c). After this process, the inventors have confirmed that neurons increase intracellular calcium in response to glutamate application. This means that the neuron maintains viability in the process.

コントロール実験において、本発明者はアクチノマイシンDとサイクロヘキシミドがmRNAとタンパク質合成を阻害するのか否かを試験した。エレクトロポレーションの1時間後
に阻害剤のない培地中でインキュベートされた該ニューロンは、明らかにd2EGFP 蛍光を
発することが観察された(図4d,4e). アクチノマイシンD またはサイクロヘキシミドとインキュベートされた該ニューロンは、6時間後でさえ蛍光を示さなかった(図4f,
4g,4h,4i). これと比較して、第1培地で2時間, 第2培地で30分間、第3培地で30分間インキュベートされたニューロンは、有意なd2EGFPの蛍光シグナルを示した(図4
j,4k)。これらのシグナルはアクチノマイシン D存在下におけるd2EGFPタンパク質の
翻訳と見なされ、このシステムは、適切に働くことが確認された。このシステムを使用して、本発明者はグルタミン酸適用が樹状突起のフェリチン翻訳を誘導したか否かを試験した。蛍光は適用後20分以内に部位-特異的に樹状突起において有意に増加し、該増加は
少なくとも40分間維持された(図5a)。この翻訳応答はサブ細胞性フラクションと培養ニューロンにおいてグルタミン酸受容体-介在タンパク質合成と類似していたが、(Weiler., et al 1993; Scheetz., et al 2000; Job., et al 2001) BDNF 誘導したCaMK2翻訳よ
りも速かった(Aakalu., et al 2001). フェリチンUTR のないmRNAを用いるコントロール
実験において、蛍光強度における有意な増加はいかなる部位でも観察されなかった(図5
b,5d). この実験において、樹状突起は近位ポイントで切断されてグルタミン酸適用
前に体性合成されたd2EGFP の影響を避けた。Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTRトランスフェクト
された樹状突起における全蛍光強度は有意に増加した(115% ± 7.7 S. D., n = 7)、一方、サイクロヘキシミドの存在下においてFt5'UTR(without IRE)-d2EGFP-Ft3'UTR (96.6%
± 13.1 S. D., n = 6), d2EGFP (97.5% ± 6.8 S. D., n = 4) およびFt5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTRを用いた3タイプのコントロール実験は増加を示さなかった(97.5% ± 3.4 S. D.,
n = 4)(図5e)。
局所ニューロン活性により誘導した局所フェリチン翻訳
局所シナプス活性に応答した限定された位置での局所翻訳のより直接的な証拠を得るために、図5に示す実験におけるように阻害剤で処理された培養海馬ニューロンの樹状突起をガラスマイクロピペットを用いてグルタミン酸(1 mM)をパフした。蛍光強度はグルタミン酸パフ部位での適用後20分以内に 増加を開始した(図6)。このような強度の局所増
加は試験されたニューロンの3.7% (5/136)において観察された。
In a control experiment, the present inventors tested whether actinomycin D and cycloheximide inhibit mRNA and protein synthesis. The neurons incubated in the medium without inhibitor 1 hour after electroporation were clearly observed to emit d2EGFP fluorescence (FIGS. 4d, 4e). Incubated with actinomycin D or cycloheximide. The neurons showed no fluorescence even after 6 hours (FIG. 4f,
4g, 4h, 4i). In comparison, neurons incubated for 2 hours in the first medium, 30 minutes in the second medium, and 30 minutes in the third medium showed a significant d2EGFP fluorescence signal (FIG. 4). 4
j, 4k). These signals were considered translation of the d2EGFP protein in the presence of actinomycin D, confirming that this system works properly. Using this system, the inventor tested whether glutamate application induced dendritic ferritin translation. Fluorescence increased significantly in dendrites site-specifically within 20 minutes after application, and the increase was maintained for at least 40 minutes (FIG. 5a). This translational response was similar to glutamate receptor-mediated protein synthesis in subcellular fractions and cultured neurons, but (Weiler., Et al 1993; Scheetz., Et al 2000; Job., Et al 2001) BDNF induction (Aakalu., Et al 2001). In control experiments with mRNA without ferritin UTR, no significant increase in fluorescence intensity was observed at any site (FIG. 5).
b, 5d). In this experiment, the dendrites were cleaved at the proximal point to avoid the effect of d2EGFP synthesized somatically prior to glutamate application. Total fluorescence intensity in Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR transfected dendrites was significantly increased (115% ± 7.7 SD, n = 7), while Ft5'UTR in the presence of cycloheximide (without IRE) -d2EGFP-Ft3'UTR (96.6%
Three types of control experiments with ± 13.1 SD, n = 6), d2EGFP (97.5% ± 6.8 SD, n = 4) and Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR showed no increase (97.5% ± 3.4 SD,
n = 4) (FIG. 5e).
Local ferritin translation induced by local neuronal activity To obtain more direct evidence of local translation at a limited location in response to local synaptic activity, cultured hippocampus treated with inhibitors as in the experiment shown in FIG. Neuronal dendrites were puffed with glutamic acid (1 mM) using a glass micropipette. The fluorescence intensity started to increase within 20 minutes after application at the glutamate puff site (FIG. 6). Such a local increase in intensity was observed in 3.7% (5/136) of the neurons tested.

スーパーオキシドによる局所フェリチン翻訳の直接誘導
反応性酸素種(ROS)は、ニューロン内への過剰なカルシウム流入後に発生し(Atlante et
al., 2001) そして ROSはフェリチンの発現を誘発するので (Cairo et al., 1996; Cairo et al., 1998; Orino et al., 2001) 、該結果は、グルタミン酸シナプス部位におけ
るグルタミン酸適用はROSカスケードによりフェリチンを誘導することを示唆する。次に
、本発明者は、ROSがスーパーオキシドを産生することが知られているキサンチン/キサンチンオキシダーゼを用いてフェリチン 翻訳を直接誘導するか否かを試験した。キサンチ
ン/キサンチンオキシダーゼ適用の40分後、t5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR発現ニューロンはその樹状突起において蛍光のわずかな増加を示した。一方、他のコントロール樹状突起は蛍光の減少を示した。蛍光の減少はスーパーオキシドによるd2EGFPの破壊により生ずるかもしれない。
ニューロンに対するフェリチン過剰発現の効果
局所フェリチン翻訳の生物学的意味を検討するために、本発明者は以下の実験を計画した。本発明者はEGFPとフェリチンを発現するための2つのサブゲノムプロモーターを有するシンドビスウイルスを用いて培養ラット海馬ニューロンの興奮毒性に対する過剰発現フェリチンタンパク質の効果を試験した。感染細胞は同時にフェリチンとEGFPを発現するので、フェリチン発現ニューロンはd2EGFP発現ニューロンとして蛍光顕微鏡により特定した
。約65%のニューロンはこのウイルスベクターにより感染した。フェリチン発現ニューロ
ンはニューロン生存、細胞生存度およびアポトーシス細胞死の試験の4タイプにおいてグルタミン酸毒性に対しより高い耐性を示した(図8)。各実験において、過剰発現フェリチンは興奮毒性を有意に減少した。過剰発現フェリチンのこのニューロン保護効果は、ヒドロキシルラジカルを生じるフェントン反応の抑制により生じると考えられ、本発明者はフェリチン過剰発現がシナプスにおける酸化されたタンパク質を減少するか否かを試験した。本発明者は、フェリチン発現細胞(図9a)とEGFPのみを発現する細胞(図9b)の間に感染率の差はないことを見出した。オキシブロット キットを用いて、本発明者は フェリチン−過剰発現ニューロンのシナプトソームにおいて酸化されたタンパク質の量の有意な減少を確認した(図9c)。
(考察)
樹状突起におけるフェリチン翻訳のIRE-依存性迅速誘導はニューロン活性により開始される。
Direct induction of local ferritin translation by superoxide Reactive oxygen species (ROS) occur after excessive calcium influx into neurons (Atlante et al.
al., 2001) and ROS induces the expression of ferritin (Cairo et al., 1996; Cairo et al., 1998; Orino et al., 2001), indicating that glutamate application at the glutamate synapse site is ROS It suggests that ferritin is induced by cascade. Next, the inventor tested whether ROS directly induced ferritin translation using xanthine / xanthine oxidase, which is known to produce superoxide. Forty minutes after xanthine / xanthine oxidase application, t5′UTR-d2EGFP-Ft3′UTR expressing neurons showed a slight increase in fluorescence in their dendrites. On the other hand, other control dendrites showed a decrease in fluorescence. The decrease in fluorescence may be caused by the destruction of d2EGFP by superoxide.
Effect of Ferritin Overexpression on Neurons To study the biological implications of local ferritin translation, the present inventor designed the following experiment. We tested the effect of overexpressed ferritin protein on excitotoxicity of cultured rat hippocampal neurons using Sindbis virus with two subgenomic promoters for expressing EGFP and ferritin. Since the infected cells simultaneously expressed ferritin and EGFP, the ferritin-expressing neurons were identified by fluorescence microscopy as d2EGFP-expressing neurons. About 65% of neurons were infected with this viral vector. Ferritin expressing neurons were more resistant to glutamate toxicity in four types of studies of neuronal survival, cell viability and apoptotic cell death (FIG. 8). In each experiment, overexpressed ferritin significantly reduced excitotoxicity. This neuroprotective effect of overexpressed ferritin is thought to be caused by suppression of the Fenton reaction that produces hydroxyl radicals, and the present inventors tested whether ferritin overexpression reduces oxidized protein at the synapse. The present inventor has found that there is no difference in infection rate between ferritin-expressing cells (FIG. 9a) and cells expressing only EGFP (FIG. 9b). Using the oxyblot kit, the inventors confirmed a significant decrease in the amount of protein oxidized in the synaptosomes of ferritin-overexpressing neurons (FIG. 9c).
(Discussion)
IRE-dependent rapid induction of ferritin translation in dendrites is initiated by neuronal activity.

本発明者は樹状突起において翻訳されたフェリチンはシナプス活性に対する応答で鉄イオンを捕捉することによりヒドロキシルラジカル産生を抑制するという仮説をたてた。この仮説を試験するために、本発明者は抗体を用いてグルタミン酸 刺激後の増加したレベ
ルのフェリチンタンパク質を確認した。この結果は仮説と一致しているが、更なる証拠が最終的な結論のために必要とされた。次のステップにおいて、本発明者は局所フェリチン翻訳が海馬ニューロンの一次培養におけるグルタミン酸刺激により誘導されるか否かの観察を試みた。Aakaluらは樹状突起における翻訳を観察する方法を開発した。彼らはBDNF適用が海馬一次培養においてCaMK2 翻訳を誘導することを見出した(Akalu et al., 2001)。本発明者は、エレクトロポレーション、サイクロヘキシミドおよびアクチノマイシンDを
用いる彼らの方法を改良し予め存在するd2EGFPの影響と転写効率の変化を最小にした。
本発明者の観察システムにおいて、d2EGFP蛍光はFt5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR 発現ニューロ
ンにおけるグルタミン酸刺激後に増加した。Ft5'UTR(IREを含まない)-d2EGFP-Ft3'UTR、d2EGFPを発現するコントロールニューロンは蛍光の増加を示さなかった。さらに、Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTRでトランスフェクトされ、 サイクロヘキシミドと培養されたニューロンはいかなる増加も示さなかった。
The inventor has hypothesized that ferritin translated in dendrites inhibits hydroxyl radical production by capturing iron ions in response to synaptic activity. To test this hypothesis, the present inventors used antibodies to identify increased levels of ferritin protein after glutamate stimulation. Although this result is consistent with the hypothesis, further evidence was needed for the final conclusion. In the next step, the inventor attempted to observe whether local ferritin translation was induced by glutamate stimulation in primary cultures of hippocampal neurons. Aakalu et al. Developed a method to observe translation in dendrites. They found that BDNF application induced CaMK2 translation in hippocampal primary culture (Akalu et al., 2001). The inventors have improved their method using electroporation, cycloheximide and actinomycin D to minimize the effects of pre-existing d2EGFP and changes in transcription efficiency.
In our observation system, d2EGFP fluorescence increased after glutamate stimulation in Ft5′UTR-d2EGFP-Ft3′UTR expressing neurons. Control neurons expressing Ft5′UTR (without IRE) -d2EGFP-Ft3′UTR, d2EGFP showed no increase in fluorescence. Furthermore, neurons transfected with Ft5′UTR-d2EGFP-Ft3′UTR and cultured with cycloheximide did not show any increase.

フェリチン翻訳がIRE-IRP相互作用により制御されることは十分に確立されているので
、蛍光の増加は局所フェリチン翻訳に依存する活性と見なされる。Weilerらは、シナプトニューロソーム中のmRNAは刺激に応答してリボソームに速やかに結合してポリソームになることを報告した(Weiler and Greenough, 1993). Scheetzらは、NMDA-R活性化が数分以
内にCaMK2タンパク質翻訳を誘発することを実証した(Scheetz et al., 2000)。同様な速
やかな局所翻訳が(RS)-3,5-ジヒドロキシフェニルグリシン・0.5 H2O (DHPG)刺激された
樹状突起で見出された(Job et al., 2001; Eberwine et al., 2001)。本発明者の結果は
フェリチン翻訳が20分以内に誘導されることを示したので、これらの比較的速やかな反応は神経伝達物質で誘導された局所翻訳に共通の特徴であり得、この局所翻訳は、シナプスが環境条件の変化に応答してその成分分子を速やかに変化させることを可能にする。本発明者は図5に示されるように樹状突起における蛍光は一様な増加ではないことを見出した。幾つかの限定部位は他と比較して相当大きな増加を示した。同様な現象が報告され(Akalu et al., 2001; Job et al., 2001; Eberwine et al., 2001)、ここで該部位はリボ
ソーム分布と相関するホットスポットと名付けられた。フェリチンの場合において、本発明者はmRNAが樹状突起に一様に輸送されないことを見出したので(Ishimoto et al., 2000)、蛍光の一様でない増加はリボソームの一様でない分布とフェリチンmRNAの両方により
説明され得る。図6において、本発明者は局所刺激が局所フェリチン翻訳を誘導したことを明らかに実証した。蛍光増加は20分以内に観察されたが、翻訳に必要とされる実際の時間は20分よりも短いかもしれない。なぜなら、GFPはそのフォールディング後に蛍光を
発光するからである。局所的にパフされたグルタミン酸による翻訳誘導の低い成功率の一
部はホットスポットの外側での刺激によるかもしれない。
ニューロン興奮後に産生されたスーパーオキシドはフェリチン翻訳の直接的なインデューサーである。
Since it is well established that ferritin translation is controlled by IRE-IRP interactions, an increase in fluorescence is considered an activity dependent on local ferritin translation. Weiler et al. Reported that mRNA in synaptoneurosomes rapidly binds to ribosomes in response to stimuli to become polysomes (Weiler and Greenough, 1993). Scheetz et al. It was demonstrated to induce CaMK2 protein translation within minutes (Scheetz et al., 2000). Similar rapid local translation was found in dendrites stimulated by (RS) -3,5-dihydroxyphenylglycine 0.5H2O (DHPG) (Job et al., 2001; Eberwine et al., 2001) . Our results have shown that ferritin translation is induced within 20 minutes, so these relatively rapid responses may be a common feature of neurotransmitter-induced local translation, and this local translation Allows synapses to rapidly change their constituent molecules in response to changes in environmental conditions. The inventor has found that the fluorescence in the dendrites is not a uniform increase as shown in FIG. Some restricted sites showed a significant increase compared to others. Similar phenomena have been reported (Akalu et al., 2001; Job et al., 2001; Eberwine et al., 2001), where the site was named a hot spot that correlates with ribosome distribution. In the case of ferritin, the present inventors have found that mRNA is not transported uniformly to dendrites (Ishimoto et al., 2000), so the uneven increase in fluorescence is due to the uneven distribution of ribosomes and ferritin mRNA. Can be explained by both. In FIG. 6, we clearly demonstrated that local stimulation induced local ferritin translation. Although an increase in fluorescence was observed within 20 minutes, the actual time required for translation may be shorter than 20 minutes. This is because GFP emits fluorescence after its folding. Some of the low success rates of translation induction by locally puffed glutamate may be due to stimulation outside the hot spot.
Superoxide produced after neuronal excitation is a direct inducer of ferritin translation.

ROSはニューロン興奮により産生され(Atlante et al., 2001)、スーパーオキシドと過
酸化水素はIREからIRPを放出する(Cairo et al., 1996; Cairo et al., 1998; Orino et al., 2001)。本発明者はスーパーオキシドの発生系としてのキサンチンとキサンチンオキシダーゼの適用が樹状突起における蛍光をわずかに増加させたことを観察したが、一方他のコントロール実験は蛍光の減少を示した。この結果はキサンチンとキサンチンオキシダーゼにより生成されたスーパーオキシドと過酸化水素が翻訳を誘導したことを示唆する。蛍光減少はROSにより引き起こされたd2EGFP分解のためであるかもしれない。
ヒドロキシルラジカルの攻撃からニューロンを保護するための局所フェリチン翻訳機能
フェリチンの過剰発現は明らかにグルタミン酸毒性を減少した。保護効果はグルタミン酸毒性のイニシエーターと考えられるカルシウム流入後のヒドロキシルラジカル産生抑制により引き起こされた。フェリチン過剰発現皮質培養物からのシナプトソームフラクションは酸化性タンパク質の量の有意な減少を示す。これらの結果は、フェリチンH鎖欠損マ
ウスが脳における増加した酸化タンパク質を示すとの報告と一致する(Thompson et al., 2003)。
ROS is produced by neuronal excitation (Atlante et al., 2001) and superoxide and hydrogen peroxide release IRPs from IRE (Cairo et al., 1996; Cairo et al., 1998; Orino et al., 2001) ). The inventor observed that application of xanthine and xanthine oxidase as a superoxide generation system slightly increased the fluorescence in the dendrites, while other control experiments showed a decrease in fluorescence. This result suggests that superoxide and hydrogen peroxide produced by xanthine and xanthine oxidase induced translation. The fluorescence decrease may be due to d2EGFP degradation caused by ROS.
Local ferritin translational function to protect neurons from hydroxyl radical attack Overexpression of ferritin apparently reduced glutamate toxicity. The protective effect was caused by inhibition of hydroxyl radical production after calcium influx, which is considered to be an initiator of glutamate toxicity. The synaptosome fraction from ferritin overexpressing cortical cultures shows a significant decrease in the amount of oxidative protein. These results are consistent with the report that ferritin heavy chain deficient mice show increased oxidized protein in the brain (Thompson et al., 2003).

脳は大量の酸素を消費するので、ROSを生成しやすい。その産生を抑制するために、ス
ーパーオキシドジスムターゼ(SOD)、グルタチオンなどを含むスカベンジャーシステムが
存在する。しかしながら、ニューロンにおけるこれら分子の構成的な高発現はニューロンまたはシナプスの細胞生存度もしくはLTPの誘導性について悪影響を生じる(Thiels et al., 2000; Jaarsma et al., 2000)。フェリチンの場合、構成的な高発現は非ニューロン
細胞増殖の遅延をもたらすことが報告された(Guo et al., 1998; Cozzi et al., 2000)。野生型よりもフェリチンを大量に発現するIRP2欠損マウスは運動障害と神経変性を示した(La Vaute et al., 2001)。細胞鉄レベルとパーキンゾン疾患及びアルツハイマー疾患の
関係が示唆されている(Thompson et al., 2001)。フェリチン局所翻訳がパーキンゾン疾
患もしくはアルツハイマー疾患の患者の脳に影響するのかは興味深い。それは該疾患の原因と治療法の発見を導くかもしれない。細胞性刺激に応答するフェリチンの局所活性依存性と一時的発現は、おそらくシナプスの正常な機能を維持するための目的にかなったメカニズムであろう。
(References)
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Since the brain consumes a large amount of oxygen, it tends to generate ROS. There are scavenger systems that contain superoxide dismutase (SOD), glutathione, etc. to suppress their production. However, constitutive high expression of these molecules in neurons adversely affects neuronal or synaptic cell viability or LTP inducibility (Thiels et al., 2000; Jaarsma et al., 2000). In the case of ferritin, constitutive high expression was reported to result in a delay in non-neuronal cell growth (Guo et al., 1998; Cozzi et al., 2000). IRP2-deficient mice that express ferritin in higher amounts than wild type showed motor impairment and neurodegeneration (La Vaute et al., 2001). A relationship between cellular iron levels and Parkinson's disease and Alzheimer's disease has been suggested (Thompson et al., 2001). It is interesting whether local ferritin translation affects the brains of patients with Parkinson's disease or Alzheimer's disease. It may lead to the discovery of the cause and treatment of the disease. The local activity dependence and transient expression of ferritin in response to cellular stimuli is probably a sensible mechanism for maintaining normal synaptic function.
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本発明のエレクトロポレーション装置に使用する電極の1例を示す。An example of the electrode used for the electroporation apparatus of this invention is shown. 本発明のエレクトロポレーション装置により細胞内に遺伝子を導入するときの模式図を示す。The schematic diagram when a gene is introduce | transduced in a cell with the electroporation apparatus of this invention is shown. グルタミン酸刺激後の培養海馬ニューロンの免疫染色。 グルタミン酸刺激(100μM, 1 h)、ニューロン(a)及びコントロールニューロン(b)は固定され、抗フェリチン抗体を用いて免疫染色された。バーは10μmを示す。Immunostaining of cultured hippocampal neurons after stimulation with glutamate. Glutamate stimulation (100 μM, 1 h), neurons (a) and control neurons (b) were fixed and immunostained with anti-ferritin antibody. Bar indicates 10 μm. 樹状突起における局所タンパク質合成用の検出システム。(a) 該システム用に使用されるmRNA。d2EGFP ORFはフェリチン H 鎖の5',3' UTR によりフランキングされる。(b) 培養海馬ニューロン(10 DIV)におけるトランスジェニックmRNA(Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR)用のIn situ ハイブリダイゼーション。 矢頭はmRNAのシグナルを示す。(c) 局所トランスフェクション用の観察スキーム。トランスフェクション後、ニューロンはサイクロヘキシミドと120分間インキュベートされた。アクチノマイシンD存在下でのトランスフェクションの180分後に蛍光d2EGFPの観察を開始した。(d)コントロール実験。細胞はトランスフェクション後FCS含有DMEMと1時間インキュベートした。(e)Dの明視野画像。(f)コントロール実験。細胞はトランスフェクション後6時間サイクロヘキシミド-含有培地とインキュベートした。(g)Fの明視野画像。(h)コントロール実験。細胞はトランスフェクション後アクチノマイシン D-含有培地と6時間インキュベートされた。(i)hの明視野画像。(j)Cのスキームにより処理されたニューロン。細胞はサイクロヘキシミド-含有培地と2時間、次いでサイクロヘキシミドとアクチノマイシンD含有培地と30分間、そして最後にアクチノマイシンD含有培地と1時間インキュベートされた。(k)Jの明視野画像。全てのバーは10μmの長さを示す。Detection system for local protein synthesis in dendrites. (a) mRNA used for the system. The d2EGFP ORF is flanked by the 5 ', 3' UTR of the ferritin heavy chain. (b) In situ hybridization for transgenic mRNA (Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR) in cultured hippocampal neurons (10 DIV). Arrowheads indicate mRNA signals. (c) Observation scheme for local transfection. After transfection, neurons were incubated with cycloheximide for 120 minutes. Observation of fluorescent d2EGFP was started 180 minutes after transfection in the presence of actinomycin D. (d) Control experiment. Cells were incubated with FCS-containing DMEM for 1 hour after transfection. (e) D bright field image. (f) Control experiment. Cells were incubated with cycloheximide-containing medium for 6 hours after transfection. (g) F bright field image. (h) Control experiment. Cells were incubated with actinomycin D-containing medium for 6 hours after transfection. (i) Bright field image of h. (j) Neurons processed by C scheme. Cells were incubated with cycloheximide-containing medium for 2 hours, then with cycloheximide and actinomycin D-containing medium for 30 minutes, and finally with actinomycin D-containing medium for 1 hour. (k) J bright field image. All bars show a length of 10 μm. グルタミン酸の浴適用(bath-application)により誘導される局所フェリチントランスフェクション。(a) Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTRトランスフェクション ニューロンの偽-着色蛍光画像。ニューロンは図4cに示されるように処理された。 近位位置における樹状突起の解離(dissection)後、グルタミン酸が100μMの最終濃度で適用された。画像は適用後0分,20分, 40分に撮影された。バーは10μmを示す。(b) d2EGFPを用いるコントロール実験。(c) 樹状突起の各部で0分の蛍光シグナルに対するグルタミン酸適用後40分の蛍光シグナルの比。シグナル比は樹状突起において一様でなく増加する。(d) d2EGFPを用いたコントロール実験における蛍光比。(e) グルタミン酸適用後の蛍光変化の平均プロフィール(±S.D.)。 Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTRトランスフェクトされた樹状突起は蛍光 (n=7)において顕著な増加を示し、一方Ft5'UTR(IREを含まない)-d2EGFP-Ft3'UTR (n = 6), d2EGFP (n = 4)及びサイクロヘキシミドとともにFt5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR(n = 4)を用いたコントロール実験は有意な増加を示さなかった。*P < 0.05, (スチューデントのt-検定).Local ferritin transfection induced by a bath-application of glutamate. (a) Ft5′UTR-d2EGFP-Ft3′UTR-transfected neurons pseudo-colored fluorescence image. Neurons were processed as shown in Figure 4c. After the dendrite dissection at the proximal location, glutamate was applied at a final concentration of 100 μM. Images were taken at 0, 20, and 40 minutes after application. Bar indicates 10 μm. (b) Control experiment using d2EGFP. (c) Ratio of fluorescence signal at 40 minutes after glutamate application to 0 minute fluorescence signal at each part of the dendrite. Signal ratio increases non-uniformly in dendrites. (d) Fluorescence ratio in a control experiment using d2EGFP. (e) Average profile (± S.D.) of fluorescence change after glutamic acid application. Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR transfected dendrites show a significant increase in fluorescence (n = 7), while Ft5'UTR (without IRE) -d2EGFP-Ft3'UTR (n = 6 ), d2EGFP (n = 4) and cycloheximide together with Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR (n = 4) showed no significant increase. * P <0.05, (Student t-test). 限定領域でグルタミン酸適用により誘導された局所トランスフェクション。Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTRトランスフェクトニューロンの蛍光画像。ニューロンは図4cに示されるように処理された。顕微鏡下に,矢印により示された部位にグルタミン酸パフにより樹状突起を刺激した。画像は刺激後0分, 10分、20分及び40分に撮影した。画像は偽-着色されていた。バーは10μmを示す。Local transfection induced by glutamate application in a limited area. Fluorescence image of Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR transfected neurons. Neurons were processed as shown in Figure 4c. Under the microscope, the dendrites were stimulated by glutamate puff at the site indicated by the arrow. Images were taken at 0, 10, 20, and 40 minutes after stimulation. The image was fake-colored. Bar indicates 10 μm. スーパーオキサイドにより誘導された局所フェリチントランスフェクション。フェリチン局所トランスフェクションに対するスーパーオキサイドの影響が調べられた。キサンチン(50μM)及びキサンチンオキシダーゼ(0.05 u/ml)がスーパーオキサイドを産生するために添加された。(a) Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTRトランスフェクトニューロンの偽-着色蛍光画像。ニューロンは図4cに示されるように処理された。画像は適用後0分,20分, 40分に撮影された。バーは10μmを示す。(b) d2EGFPを用いるコントロール実験。(c) 樹状突起の各部で0分の蛍光シグナルに対するグルタミン酸適用後40分の蛍光シグナルの比。(d)d2EGFPを用いたコントロール実験における蛍光比。(e) キサンチン及びキサンチンオキシダーゼ適用後の蛍光変化の平均プロフィール(±S.D.)。 Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTRトランスフェクトされた樹状突起は蛍光 (n=9)においてわずかな増加を示し、一方Ft5'UTR(IREを含まない)-d2EGFP-Ft3'UTR(n=5), d2EGFP (n=4)及びサイクロヘキシミドとともにFt5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR(n=5)を用いたコントロール実験は有意な増加を示さなかった。*P < 0.05, (スチューデントのt-検定).Local ferritin transfection induced by superoxide. The effect of superoxide on ferritin local transfection was investigated. Xanthine (50 μM) and xanthine oxidase (0.05 u / ml) were added to produce superoxide. (a) Pseudo-colored fluorescence image of Ft5′UTR-d2EGFP-Ft3′UTR transfected neurons. Neurons were processed as shown in Figure 4c. Images were taken at 0, 20, and 40 minutes after application. Bar indicates 10 μm. (b) Control experiment using d2EGFP. (c) Ratio of fluorescence signal at 40 minutes after glutamate application to 0 minute fluorescence signal at each part of the dendrite. (d) Fluorescence ratio in a control experiment using d2EGFP. (e) Average profile of fluorescence change after application of xanthine and xanthine oxidase (± S.D.). Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR transfected dendrites show a slight increase in fluorescence (n = 9), while Ft5'UTR (without IRE) -d2EGFP-Ft3'UTR (n = 5 ), d2EGFP (n = 4) and cycloheximide together with Ft5'UTR-d2EGFP-Ft3'UTR (n = 5) showed no significant increase. * P <0.05, (Student t-test). グルタミン酸毒性に対するフェリチンの保護効果。グルタミン酸毒性は4つの方法によりアッセイされた。E18ラット由来の海馬ニューロンは7日間培養され、EGFPのみ或いはEGFPとフェリチンの両方を発現するシンドビスウイルスで感染された。感染後、グルタミン酸(100 μM、1時間)を該ニューロンに適用した。該アッセイは適用後1時間行った。各パネルにおいて、バーは非処理培養物のパーセントとしてグルタミン酸処理された培養物の値を示す。(a) グルタミン酸適用後の神経細胞死がMAP2陽性細胞をカウントすることにより測定された。(b) グルタミン酸適用後の神経細胞死がEGFP陽性細胞をカウントすることにより測定された。(c)MTT-減少活性がグルタミン酸刺激後に測定された。(d) TUNEL-陽性細胞がアポトーシス細胞の指数としてカウントされた。縦軸はグルタミン酸刺激を与えられていないコントロール実験のパーセントを示す。Protective effect of ferritin against glutamate toxicity. Glutamate toxicity was assayed by four methods. Hippocampal neurons from E18 rats were cultured for 7 days and infected with EGFP alone or Sindbis virus expressing both EGFP and ferritin. After infection, glutamate (100 μM, 1 hour) was applied to the neurons. The assay was performed for 1 hour after application. In each panel, the bar indicates the value of the glutamate-treated culture as a percentage of the untreated culture. (a) Neuronal cell death after glutamate application was measured by counting MAP2-positive cells. (b) Neuronal cell death after glutamate application was measured by counting EGFP positive cells. (c) MTT-reducing activity was measured after glutamate stimulation. (d) TUNEL-positive cells were counted as an index of apoptotic cells. The vertical axis shows the percentage of control experiments that were not given glutamate stimulation. フェリチン発現により減少されたシナプス部位での酸化タンパク質レベル。(a) EGFPとフェリチンH鎖を発現するシンドビスウイルス感染細胞。(b) EGFPを発現するシンドビスウイルス感染細胞。バーは10μmを示す。(c) ウイルス感染培養皮質ニューロンから調製されたシナプトソーム画分はオキシブロット キットを用いてウェスタンブロッティングにより分析する。縦軸は酸化されたタンパク質(±S.D.)の相対量を示す。Oxidized protein levels at synaptic sites reduced by ferritin expression. (a) Sindbis virus-infected cells expressing EGFP and ferritin heavy chain. (b) Sindbis virus-infected cells that express EGFP. Bar indicates 10 μm. (c) Synaptosome fractions prepared from virus-infected cultured cortical neurons are analyzed by Western blotting using an oxyblot kit. The vertical axis represents the relative amount of oxidized protein (± S.D.).

符号の説明Explanation of symbols

1 第1電極
1a 第1電極の先端
2 第2電極
2a 第2電極の円形部分
3 絶縁材
4 細胞
5 空間
6 容器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st electrode 1a 1st electrode tip 2 2nd electrode 2a Circular part 3 of 2nd electrode 3 Insulating material 4 Cell 5 Space 6 Container

Claims (6)

細胞の培養培地を除去した後に細胞に遺伝子を含む溶液を適用し、エレクトロポレーションを行うことを特徴とする遺伝子を細胞に導入する方法。 A method for introducing a gene into cells by applying a solution containing the gene to the cells after removing the cell culture medium and performing electroporation. 細胞に導入される遺伝子が、20〜100μlの溶液として細胞に適用される請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the gene introduced into the cell is applied to the cell as a 20 to 100 μl solution. 電気パルスの長さが10〜20msecであり、電気パルスの印加回数が5〜20である請求項1または2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein the length of the electric pulse is 10 to 20 msec and the number of application times of the electric pulse is 5 to 20. 培地量は、細胞を含む容器1cm2当たり200〜300μlである請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the amount of the medium is 200 to 300 µl per 1 cm 2 of the container containing cells. 少なくとも2つの電極を有するエレクトロポレーション装置であって、第1電極が囲む面内に第2電極の一部を固定し、第1電極と前記第2電極の一部の間に流れる電流が遺伝子を導入される細胞に通電されることを特徴とする装置。 An electroporation apparatus having at least two electrodes, wherein a part of a second electrode is fixed in a plane surrounded by the first electrode, and a current flowing between the first electrode and a part of the second electrode is a gene. A device characterized by being energized to a cell into which is introduced. 第1電極が円形の電極であり、第2電極の先端が第1電極が囲む円の中心付近に存在する請求項5に記載の装置。 The apparatus according to claim 5, wherein the first electrode is a circular electrode, and the tip of the second electrode exists near the center of a circle surrounded by the first electrode.
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