JP2006096713A - 極小部品材料とその構造制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】互いに会合する複数の会合ユニットと該会合ユニットに結合する複数の構造制御因子を含む極小部品材料。
【選択図】図1
Description
1.互いに会合する複数の会合ユニットと該会合ユニットに結合する複数の構造制御因子を含む極小部品材料。
2.互いに会合する複数の会合ユニットと該会合ユニットの各々に結合する複数の構造制御因子を含むことを特徴とする1.に記載の極小部品材料。
3.該構造制御因子が繰り返し構造を有するペプチドであり、該結合が融合であることを特徴とする2.に記載の極小部品材料。
4.該会合ユニットがウイルスのキャプシド蛋白質若しくは互いに会合可能なアミノ酸配列を有するその変異蛋白質であることを特徴とする3.に記載の極小部品材料。
5.該会合ユニットを構成するアミノ酸配列のN末端残基またはC末端残基に該構造制御因子を結合していることを特徴とする4.に記載の極小部品材料。
6.該キャプシド蛋白質がヘパドナウイルス科ウイルスのキャプシド蛋白質であることを特徴とする4.に記載の極小部品材料。
7.該ヘパドナウイルス科ウイルスがB型肝炎ウイルスであることを特徴とする6.に記載の極小部品材料。
8.該極小部品材料が量子ドットの材料であることを特徴とする1.〜7.のいずれかに記載の極小部品材料。
9.1.〜8.のいずれかに記載の極小部品材料の構造制御方法であって、該構造制御因子を選択する又は/および該会合ユニットと該構造制御因子の配合比を選択することによって制御することを特徴とする極小部品材料の構造制御方法。
本発明で用いられる用語「会合」とは、複数の物体が互いに結合することを意味する。
本発明で用いられる用語「会合ユニット」は、本発明の極小部品材料を構成するの基本単位の一種を意味し、有機高分子からなる物体をあらわす。
本発明で用いられる用語「融合」とは、両蛋白質間をペプチド結合で結合させることを意味する。通常、蛋白質をコードしたDNAの5’末端または3’末端に蛋白質もしくはペプチドをコードするDNAを挿入し、そのDNAを用いて融合蛋白質を作製するが、他の方法、たとえば、化学合成によっても融合蛋白質は得られる。
・ 極小部品材料の入手と製造方法)
本発明は、互いに会合する複数の会合ユニットと該会合ユニットの各々に結合する複数の構造制御因子を含むことを特徴とする極小部品材料である。構造制御因子の選択によって会合ユニット同士の結合で作られる角度の調節ができ、3次元構造の状態で表面に金属粒子と結合可能な官能基が等間隔に配置したナノサイズの有機高分子の物体である。会合ユニットが複数個会合し、金属粒子と結合可能な官能基を表面に配置した複数の立体構造をもつ物体として蛋白質が知られている。好ましくはキャプシド蛋白質の複合体であるキャプシドである。キャプシド蛋白質は、任意のウイルス由来であってよい。たとえば、微生物に感染するバクテリオファージ、動物ウイルス、植物ウイルス、無脊椎動物ウイルス、藻類ウイルス等、広い範囲のウイルスを会合ユニットとして用いることができる。また、会合体はキャプシド蛋白質に限定されるものではない。多くのキャプシド蛋白質は、そのアミノ酸およびそれをコードする核酸配列が既知で、かつ遺伝子工学的手法で作成可能である上、構造制御因子を内包しうるため、本発明の極小部品材料の作成には好都合である。また、キャプシド蛋白質を構成している遺伝子、すなわちアミノ酸配列をコードするDNAは、ウイルスに感染した患者、動物、細胞、微生物からPCR法により単離することができ、単離に必要なプライマーは各ウイルスの遺伝子の配列情報を使って設計することができる。ウイルスのDNAおよびアミノ酸配列情報は例えばNCBIのゲノムデータベースに登録されており、インターネット上で公開されている。キャプシド以外の蛋白質の極小部品材料も同様の方法で入手可能である。
・ 構造制御因子の入手と製造方法)
構造制御因子は、会合ユニット同士の会合により作られる角度を構造制御因子の選択により調節可能な物体であり、極小部品材料の立体構造を変化できる有機高分子の物体である。好ましくは、繰り返し構造を有する有機高分子の物体であり、繰り返し構造の繰り返し回数を変えることによって、極小部品材料の立体構造を変化できる有機高分子の物体である。より好ましくは蛋白質からなる物体である。構造制御因子が蛋白質である場合には極小部品材料の製造方法と同様にして構造制御因子はその遺伝子を用いて作製できる。
(4.該会合ユニットと構造制御因子との結合)
本発明の極小部品材料を得るためには、構造制御因子が会合ユニットと結合する性質を有している場合を除いて、会合ユニットと構造制御因子を何らかの方法で結合させる必要がある。会合ユニットと構造制御因子は、直接させてもよいし、間接的に結合させてもよい。また、構造制御因子を会合ユニットが共に蛋白質であれば、以下に述べる融合蛋白質を利用する方法、非共有結合性の分子間結合を利用する方法、分子間に共有結合を形成させる方法、およびこれらの方法の組み合わせを用いる。
(4−1.融合蛋白質を利用した結合方法)
会合ユニットと構造制御因子との結合は、会合ユニット、構造制御因子、それぞれを構成する蛋白質を融合させた融合蛋白質を慣用の遺伝子操作によって作成することで達成できる。構造制御因子と会合ユニット構成蛋白質に融合させる部位は、会合体の内側に露出しているアミノ酸のN末端残基またはC末端残基であることが好ましい。融合による結合は、遺伝子さえあれば容易に慣用の遺伝子操作によって構造制御因子を結合でき、遺伝子を組み込んだ発現ベクターは容易に増幅可能であり、何度でも再現性よく構造制御因子が同一部位に融合した蛋白質を作成できる。
(4−2.分子間に共有結合を形成させた結合)
会合ユニットと構造制御因子との結合は、両者を互いに共有結合させることで達成できる。分子間に共有結合を形成させる方法には様々な方法があるが、蛋白質の場合、例えば、蛋白質を構成している反応性の高い官能基(リジン側鎖のアミノ基(-NH2)、グルタミン酸側鎖およびアスパラギン酸側鎖のカルボキシル基(-COOH)、システインの側鎖チオール基(-SH)、アミノ末端のアミノ基(-NH2)、カルボキシ末端のカルボキシル基(-COOH))は共有結合させる部位として利用できる。例えば、フィコシアニンの会合体の内側にあるループ上の残基をシステイン残基に置換した変異体蛋白質は、構造制御因子に存在するチオール基(-SH)と共有結合させることができる。構造制御因子が繰り返しアミノ酸配列を有するペプチドで、構造制御因子にジスルフィド結合していないシステイン残基がある場合、例えば構造制御因子と会合ユニットを共発現させて、共有結合を介して両者を結合させることができる。構造制御因子にジスルフィド結合していないシステイン残基が無い場合でも、慣用の遺伝子操作によって構造制御因子の表面に露出していると予測されるアミノ酸をシステイン残基に置換することにより、会合ユニットと構造制御因子とを共有結合を介して結合させることができる。ただし、会合ユニット側、若しくは構造制御因子側、若しくは両側に共有結合させる部位が複数存在する場合は、結合部位の異なる複数種の複合体ができてしまう場合がある。
(4−3.構造制御因子の繰り返し配列を介した結合)
構造制御因子と会合ユニットとを結合させるときに、構造制御因子の繰り返し配列を介して、会合ユニットと構造制御因子とを結合させることは好ましい態様の一つである(図1)。構造制御因子の繰り返し配列と構造制御因子との結合、および構造制御因子の繰り返し配列と会合ユニットとの結合様式は、上述の蛋白質間の融合、共有結合、非共有結合等のいずれかもしくはその組み合わせであってもかまわない。
(4−3.(1)ペプチドを構造制御因子の繰り返し配列として利用)
構造制御因子の繰り返し配列として構造制御因子と結合する性質を有したペプチドを用いることができる。構造制御因子の繰り返し配列がペプチドである場合は、会合ユニットを融合して、融合蛋白質を作成することができる。また、会合ユニットと結合する性質を有したペプチドを構造制御因子の繰り返し配列として用いることもできる。構造制御因子の全体が蛋白質ならば、該繰り返し配列を有する蛋白質を利用できる。
(4−3.(2)核酸を構造制御因子の繰り返し配列として利用)
構造制御因子の繰り返し配列として、構造制御因子と結合する性質を有した核酸を用いることができる。特に、ウイルスのキャプシドはキャプシドの内側に核酸が結合する性質を有するものが多く、核酸を用いた結合に適している。
(5.融合蛋白質の配列設計)
会合ユニットと構造制御因子が共に蛋白質で、融合により結合させる場合には、融合蛋白質の作製で可能になるが、会合ユニットと構造制御因子を融合させた融合蛋白質を生産させるためのDNAの設計は慣用の遺伝子操作により以下の様に行うことができる。たとえば、会合ユニットにキャプシド蛋白質を用いた場合には、公知の遺伝子操作技術を用いてキャプシド遺伝子と部分的に相補的なDNAを合成することにより、キャプシド遺伝子の任意の部分に特定の制限酵素で切断される部分(制限酵素部位)を導入または消失させることおよび導入した制限酵素部位前後に任意の蛋白質をコードするDNAを導入することができる。また、会合体と構造制御因子を融合させた融合蛋白質を生産させるためのペプチド繰り返し配列部分のDNA設計は慣用の遺伝子操作により行うことができる。たとえば、公知の遺伝子操作技術を用いて、キャプシド蛋白質の遺伝子の5’末端に導入する場合は、構造制御因子の遺伝子の3’末端に数個のアミノ酸と適当な制限酵素部位をコードするDNAを結合させ、キャプシド蛋白質の遺伝子と連結させる。
会合ユニットと構造制御因子が共に蛋白質で、融合により結合させる場合には、融合蛋白質の作製で可能になるが、融合蛋白質の遺伝子、すなわちPCR産物もしくは化学合成DNAは精製後、適切な制限酵素を用いて切り出し、発現用ベクターに組み込むことができる。PCR法の場合はプライマーに、化学合成の場合は合成するDNA配列に予め特定の制限酵素で切断される配列を組み込んでおけば、発現用ベクターの作成はより容易になる。発現用ベクターは発現用ベクターを組み込ませる予定の宿主の種類に応じて、宿主に適した発現用ベクターを用いることが好ましい。
極小部品材料が蛋白質である場合は、慣用の蛋白質生産のための遺伝子組み換え体を用いて作製できる。例えば、会合ユニットの遺伝子を組み込んだ発現ベクターを大腸菌等の微生物、植物体あるいは植物細胞、動物細胞あるいはトランスジェニック動物、昆虫細胞あるいは昆虫等の宿主に感染またはリポソーム等と共に取り込ませて、形質転換して、蛋白質発現することが可能である。
以上のように作製された極小部品材料は、当然会合ユニットに比べ、大きくかつ高分子量である。この大きさおよび分子量の違いを利用して、例えば公知の精製法であるゲルクロマトグラフィー等の分子篩いや遠心操作などで会合体を形成しないものや不純物を取り除けば、極小部品材料である会合体を容易に精製することができる。
実施例1 HBcAgを会合ユニットとし、GFPと繰り返し構造を有するペプチドリンカーの融合蛋白質を構造制御因子とした場合の実施例
1.遺伝子の調製
HBcAgの遺伝子及びクラゲ由来緑色蛍光タンパク質GFP遺伝子及び発現ベクターを材料として、制限酵素及びDNAポリメラーゼを用いて、発現ベクターのマルチクローニングサイトの5’側にHBcAg遺伝子の1〜149番アミノ酸をコードする遺伝子1(配列番号1)を、さらに3’側にHBcAg遺伝子の1〜149番アミノ酸をコードする遺伝子2(配列番号3)を導入し、2つのHBcAg遺伝子を連結した遺伝子発現ベクターを構築した。さらにHBcAg遺伝子の5’側、3’側または連結した2つのHBcAg遺伝子の間にGFPを導入した。GFP遺伝子はClontech社製の遺伝子を用いた。HBcAg遺伝子は、慢性活動性B型肝炎患者の血清より作成したcDNAライブラリーを用いて、クローニングした遺伝子を用いた。発現ベクターはNovagen社製pET20b+を使用した。
HBcAg遺伝子とGFP遺伝子を連結する際は、HBcAg遺伝子の5’末端、3’末端または連結した2つのHBcAg遺伝子の間に導入することができる。HBcAg遺伝子の5’末端に導入の場合は、GFP遺伝子の3’末端にグリシン、セリン、セリンの3アミノ酸を1つ単位とし、その繰り返し数を2,4,6,8,10,12とするDNAを設計し結合させた(配列番号5〜10)。HBcAg遺伝子の3’末端に導入する場合はGFP遺伝子の5’末端にグリシン、セリン、セリンの3アミノ酸をコードするDNAを結合した(配列番号11)。最後に連結した2つのHBcAg遺伝子の間にGFP遺伝子を導入する場合は、GFP遺伝子の5’末端にグリシン、セリン、セリンの3アミノ酸からなる遺伝子を融合し、3’末端にグリシン、セリン、セリンの3アミノ酸の繰り返し数を2,4,6,8,10,12からなる遺伝子を融合した(配列番号12〜17)。
2.で得られた遺伝子を用いて、発現誘導、溶菌、遠心、硫安沈殿、透析、蔗糖密度勾配法およびゲル濾過クロマトグラフィーによる精製を行い、極小部品材料に適するように高純度に精製した会合体を得た。まず、連結した2つのHBcAg遺伝子の間にGFP遺伝子を導入した発現ベクターを大腸菌BL21に組み込み、16時間培養後、IPTG(ispporpyl-β-D-thiogalactopyranoside)を使って発現誘導した。さらに3時間培養後、15分間8,000rpmで遠心操作し集菌した。このように菌体内に高濃度の融合蛋白質を発現させることによって、融合蛋白質は強制的に会合体を形成した。形成された会合体を単離精製するため、さらに以下の操作を行った。PBSバッファーにて菌を懸濁し、超音波にて10秒間3回破砕した。さらに、20分間10,000rpmで遠心操作をして、細胞片を取り除いた。遠心操作後の上澄みに硫安((NH4)2SO4)を濃度20%になるように加え、連結した2つのHBcAg遺伝子の間にGFP遺伝子を導入した融合蛋白質を含んだ会合体粒子を沈殿させた。ペレット(沈殿物)をPBSバッファーに再溶解させ、蔗糖密度勾配法(60%〜5%)により、分取した。このとき、分取すべき会合体粒子を含んだ画分は、SDS-PAGEを使って確認した(図2、図3)。その結果、天然のHBcAg由来のキャプシド蛋白質は、T3型とT4型キャプシドを同等に形成するのに対して、GFPの3’末端にグリシン、セリン、セリンの3アミノ酸の繰り返し配列を6回又は8回融合させた遺伝子由来のキャプシド蛋白質は、ほぼ全部T3型会合体を形成し蔗糖濃度30〜35%中に、同3アミノ酸の繰り返し配列を10回融合させた遺伝子由来のキャプシド蛋白質は、ほぼ全部T4型会合体を形成し蔗糖濃度45〜50%中に回収されることが判明した。さらに、ゲル濾過クロマトグラフィー(ハイロードスーパーデックス300 HR26/60 、ファルマシア社)により精製し、5mM Tris-HCl, 150mM NaCl溶液を用いて透析した結果、高純度に精製されたT3型会合体とT4型会合体をそれぞれ得た。T3型とT4型に立体構造を制御した会合体を2種類の極小部品材料とした。
3.で得られた2種類の極小部品材料に金属粒子としてナノゴールドを規則的に結合させるため、極小部品材料の表面に出ているシステインの側鎖チオール基にイミド基を付加したナノゴールドを結合させた。更にゲル濾過クロマトグラフィー(ハイロードスーパーデックス300 HR26/60 、ファルマシア社)により精製し、5mM Tris-HCl, 150mM NaCl溶液を用いて透析し、規則的にナノゴールドを表面に配置した量子ドットを2種類調整した。電子顕微鏡で調整した2種類の量子ドットの表面を観察することによって、2種類の量子ドットはナノゴールドを規則的に結合していることを確認した。
B:サブユニットB
D:構造制御因子
L:構造制御因子の繰り返し配列
M:蛋白質分子量マーカー
1:サンプルフラクション1
2:サンプルフラクション2
3:サンプルフラクション3
4:サンプルフラクション4
5:サンプルフラクション5
6:サンプルフラクション6
7:サンプルフラクション7
8:サンプルフラクション8
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11:サンプルフラクション11
12:サンプルフラクション12
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14:サンプルフラクション14
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29:サンプルフラクション29
30:サンプルフラクション30
Claims (9)
- 互いに会合する複数の会合ユニットと該会合ユニットに結合する複数の構造制御因子を含む極小部品材料。
- 互いに会合する複数の会合ユニットと該会合ユニットの各々に結合する複数の構造制御因子を含むことを特徴とする請求項1に記載の極小部品材料。
- 該構造制御因子が繰り返し構造を有するペプチドであり、該結合が融合であることを特徴とする請求項2に記載の極小部品材料。
- 該会合ユニットがウイルスのキャプシド蛋白質若しくは互いに会合可能なアミノ酸配列を有するその変異蛋白質であることを特徴とする請求項3に記載の極小部品材料。
- 該会合ユニットを構成するアミノ酸配列のN末端残基またはC末端残基に該構造制御因子を結合していることを特徴とする請求項4に記載の極小部品材料。
- 該キャプシド蛋白質がヘパドナウイルス科ウイルスのキャプシド蛋白質であることを特徴とする請求項4に記載の極小部品材料。
- 該ヘパドナウイルス科ウイルスがB型肝炎ウイルスであることを特徴とする請求項6に記載の極小部品材料。
- 該極小部品材料が量子ドットの材料であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の極小部品材料。
- 請求項1〜8のいずれかに記載の極小部品材料の構造制御方法であって、該構造制御因子を選択する又は/および該会合ユニットと該構造制御因子の配合比を選択することによって制御することを特徴とする極小部品材料の構造制御方法。
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