JP2007155558A - Feeble light analysis method - Google Patents

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崇 杉山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an analysis method capable of performing desired cell analysis even in the case of a feeble light sample, and an analysis method capable of analyzing a clear image in a short exposure time and in real time when an objective lens satisfies a specific condition. <P>SOLUTION: In this method, a sample including a cell into which the first imperfect reporter gene expressibly connected to a promoter domain of a gene manifested by a specific cell and the second imperfect reporter gene expressively connected to a promoter domain of a gene whose manifestation is induced by stimulus generated by contact of some material with the cell are introduced is arranged within an imaging visual field, and stimulus is performed by bringing the material into contact with the sample. The method has an optical processing process wherein optical imaging of a detectable signal based on interaction between the first reporter gene and the second reporter gene manifested in the cell subjected to the stimulus is performed by an imaging means, to thereby determine quantitatively the amount of a signal generated by the reporter genes. An image enabling image analysis of the feeble light is generated in the optical processing process. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、細胞や組織等の生体試料中における生物学的活性をその活性を極力損なわないようにして長期間ないし連続的に検出する微弱光解析方法に関する。本発明は、その方法により実行される自動化装置と、該装置と連携するソフトウェアにも適用可能である。   The present invention relates to a weak light analysis method for detecting a biological activity in a biological sample such as a cell or tissue for a long period or continuously without losing the activity as much as possible. The present invention can also be applied to an automation apparatus executed by the method and software associated with the apparatus.

生物学分野や医学分野の研究において、細胞等の生体試料の生物学的活性をレポータアッセイにより検出する技術が広く利用されてきた。レポータアッセイを用いると、視覚的に調べることが不可能な様様な生物学的活性を可視化することができる。従来の臨床的な検査は、生体試料から調べたい生体関連物質(核酸、血液、ホルモン、タンパク質等)のみを種々の分離方法により単離して、その単離した生体関連物質の量や活性を試薬と反応させていた。しかし、生命体においては、多様な生体関連物質同士の相互作用こそが真の生物学的活性を示すものである。近年、医療用薬剤を研究または開発する場合、生きた生体試料中での生物学的活性に対して最も効果的に作用する薬剤が決定的条件となっている。生きた生体試料を対象としたレポータアッセイには、生体試料と調べたい生体関連物質とを画像化して、生体試料内外におぇる動的変化を経時的に観察する必要性が高まってきている。   In research in the fields of biology and medicine, techniques for detecting biological activity of biological samples such as cells by reporter assays have been widely used. Reporter assays can be used to visualize biological activities that cannot be visually examined. In conventional clinical tests, only biological substances (nucleic acid, blood, hormones, proteins, etc.) to be examined from biological samples are isolated by various separation methods, and the amount and activity of the isolated biological substances are determined as reagents. And reacted. However, in living organisms, the interaction between various biological materials shows true biological activity. In recent years, when researching or developing medical drugs, drugs that most effectively act on biological activity in living biological samples have become critical conditions. In reporter assays for living biological samples, there is a growing need to image biological samples and biological substances to be examined and observe dynamic changes in and out of biological samples over time. .

具体的には、レポーター物質としての発光(生物発光、化学発光)や蛍光を用いる観察を利用する研究分野では、試料内のタンパク質分子の動的な機能発現を捉えるためにタイムラプスや動画撮像が求められている。現状では、蛍光試料を対象として撮像した画像による動的変化の観察(例えば、蛍光を利用したタンパク質1分子の動画観察)が行われている。蛍光試料の撮像の場合、励起光を照射し続けることで蛍光試料から発せられる光量が時間の経過とともに減少するという性質があるため、定量的な評価に利用できる安定した画像を経時的に撮ることが困難であったが、しかし、鮮明な、つまり、空間分解能の高い画像を短い露出時間で撮ることができた。一方、発光試料を対象とした画像による動的変化の経時的観察においては、発光試料からの発光が極めて小さいので、発光試料の観察には、イメージ・インテンシファイアを装着したCCDカメラを用いて行われていた。発光試料の撮像の場合、励起光を照射する必要がないため、定量的な評価に利用できる安定した画像を経時的に撮ることができた。 Specifically, in research fields that utilize observation using luminescence (bioluminescence, chemiluminescence) or fluorescence as a reporter substance, time-lapse or video imaging is required to capture the dynamic functional expression of protein molecules in a sample. It has been. At present, dynamic changes are observed using an image picked up from a fluorescent sample (for example, observation of a moving image of one protein molecule using fluorescence). In the case of imaging a fluorescent sample, the amount of light emitted from the fluorescent sample decreases with the lapse of time by continuing to irradiate excitation light, so that a stable image that can be used for quantitative evaluation can be taken over time. However, it was possible to take a clear, high spatial resolution image with a short exposure time. On the other hand, in the time-dependent observation of dynamic changes by images for a luminescent sample, the luminescence from the luminescent sample is extremely small, so a CCD camera equipped with an image intensifier was used to observe the luminescent sample. It was done. In the case of imaging of a luminescent sample, it was not necessary to irradiate excitation light, so that stable images that could be used for quantitative evaluation could be taken over time.

これまで、発光試料の観察においては、発光試料からの発光量の測定が行われていた。例えば、ルシフェラーゼ遺伝子が導入された細胞の観察では、ルシフェラーゼ遺伝子の発現の強さ(具体的には発現量)を調べるために、ルシフェラーゼ活性に因る細胞からの発光量の測定が行われていた。そして、ルシフェラーゼ活性に因る細胞からの発光量の測定は、まず細胞を溶解した細胞溶解液とルシフェリンやATPやマグネシウムなどを含む基質溶液とを反応させ、ついで基質溶液と反応させた細胞溶解液からの発光量を光電子増倍管を用いたルミノメーターで定量する、という手順で行われていた。つまり、発光量は細胞を溶解した後に測定されていた。これにより、ある時点でのルシフェラーゼ遺伝子の発現量を細胞全体の平均値として測定することができた。ここで、ルシフェラーゼ遺伝子などの発光遺伝子をレポーター遺伝子として細胞に導入する方法には例えばリン酸カルシウム法やリポフェクチン法やエレクトロポーション法などがあり、各方法は目的や細胞の種類の違いに応じて使い分けられている。また、ルシフェラーゼ遺伝子がレポーター遺伝子として導入された細胞においてルシフェラーゼ遺伝子の発現の強さをルシフェラーゼ活性に因る細胞からの発光量を指標として調べる際、細胞に導入するルシフェラーゼ遺伝子の上流や下流に目的のDNA断片を繋ぐことで当該DNA断片がルシフェラーゼ遺伝子の転写に及ぼす影響を調べることができ、また、細胞に導入するルシフェラーゼ遺伝子の転写に影響を及ぼすと思われる転写因子などの遺伝子を発現ベクターに繋いでルシフェラーゼ遺伝子と共発現させることで当該遺伝子の遺伝子産物がルシフェラーゼ遺伝子の発現に及ぼす影響を調べることができる。 Until now, in the observation of a luminescent sample, the amount of luminescence from the luminescent sample has been measured. For example, in the observation of a cell into which a luciferase gene has been introduced, the amount of luminescence from the cell due to the luciferase activity was measured in order to investigate the intensity of the luciferase gene expression (specifically, the expression level). . The amount of luminescence from the cells due to luciferase activity is measured by first reacting a cell lysate in which cells are lysed with a substrate solution containing luciferin, ATP, magnesium, etc., and then reacting with the substrate solution. The amount of luminescence from was quantified with a luminometer using a photomultiplier tube. That is, the amount of luminescence was measured after cell lysis. Thereby, the expression level of the luciferase gene at a certain time point could be measured as an average value of the whole cell. Here, methods for introducing a luminescent gene such as a luciferase gene into a cell as a reporter gene include, for example, a calcium phosphate method, a lipofectin method, an electroporation method, and the like, and each method is properly used depending on the purpose and the type of cell. Yes. In addition, when investigating the intensity of luciferase gene expression in cells transfected with a luciferase gene as a reporter gene using the amount of luminescence from the cell due to luciferase activity as an indicator, the target luciferase gene is introduced upstream or downstream of the luciferase gene introduced into the cell. By linking DNA fragments, it is possible to examine the effect of the DNA fragment on the transcription of the luciferase gene. In addition, genes such as transcription factors that are thought to affect the transcription of the luciferase gene to be introduced into cells are linked to the expression vector. By co-expressing with the luciferase gene, the effect of the gene product of the gene on the expression of the luciferase gene can be examined.

また、時間経過に沿って発光遺伝子の発現量を捉えるには生きた細胞からの発光量を経時的に測定する必要がある。そして、生きた細胞からの発光量の経時的測定は、まず細胞を培養するインキュベーターにルミノメーターの機能を付け、ついで培養している全細胞集団からの発光量をルミノメーターで一定時間ごとに定量する、という手順で行われていた。これにより、一定の周期性をもった発現リズムなどを測定することができ、よって、細胞全体における発光遺伝子の発現量の経時的な変化を捉えることができた。一方、発光遺伝子の発現が一過性である場合には、個々の細胞での発現量に大きなばらつきがある。例えば、HeLa細胞などのクローン化した培養細胞であっても、細胞膜表面のレセプターを介した薬剤の応答が個々の細胞でばらつくことがある。すなわち、細胞全体としての応答は検出されなくとも数個の細胞は応答している場合がある。このことから、発光遺伝子の発現が一過性である場合には、細胞全体からではなく個々の細胞から発光量を経時的に測定することが重要である。そして、顕微鏡を用いた生きた個々の細胞からの発光量の経時的測定は、各細胞の発光が極めて弱いので、液体窒素温度レベルの冷却CCDカメラで長時間露光したり、イメージ・インテンシファイアを装着したCCDカメラとフォトンカウンティング装置とを用いたりして行われていた。これにより、生きた個々の細胞における発光遺伝子の発現量の経時的な変化を捉えることができた。 In addition, in order to capture the expression level of the luminescent gene over time, it is necessary to measure the amount of luminescence from living cells over time. In order to measure the amount of luminescence from living cells over time, first add the function of a luminometer to the incubator that cultivates the cells, and then quantitate the amount of luminescence from the whole cell population cultured at regular intervals with the luminometer. The procedure was to do. As a result, it was possible to measure an expression rhythm with a certain periodicity, and thus, it was possible to capture changes over time in the expression level of the luminescent gene in the entire cell. On the other hand, when the expression of the luminescent gene is transient, the expression level in individual cells varies greatly. For example, even in the case of cloned cultured cells such as HeLa cells, the response of drugs via receptors on the cell membrane surface may vary among individual cells. That is, several cells may be responding even if the response as a whole cell is not detected. For this reason, when the expression of the luminescent gene is transient, it is important to measure the amount of luminescence from individual cells over time rather than from the whole cell . The time-dependent measurement of the amount of light emitted from living individual cells using a microscope shows that the light emitted from each cell is extremely weak, so it can be exposed for a long time with a cooled CCD camera at a liquid nitrogen temperature level, or an image intensifier. Or a photon counting device. As a result, it was possible to capture changes over time in the expression level of the luminescent gene in individual living cells.

以上の説明において、例えば蛍光タンパク質をレポーター遺伝子として用いる遺伝子発現の解析方法および装置は特許文献1(特表2004−500576)に開示されている。また、ルミノメーターを用いて生物発光による遺伝子発現の解析方法およぼ装置は特許文献2(特開2005−118050)に開示されている。 In the above description, for example, a method and an apparatus for analyzing gene expression using a fluorescent protein as a reporter gene are disclosed in Patent Document 1 (Japanese Translation of PCT International Publication No. 2004-5000576). A method and apparatus for analyzing gene expression by bioluminescence using a luminometer is disclosed in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-1118050).

特表2004−500576Special table 2004-500576 特開2005−118050JP 2005-1118050 A

しかしながら、微弱な発光の発光試料を撮像する場合、発光試料からの発光量が極めて少ないため、どうしても肉眼では見ることが出来ず、CCDのような蓄積型の撮像手段を用いて光量を蓄積しなければ画像生成することができない、という制約が有る。しかも、単一の細胞ないし組織を構成する細胞群において、細胞1個当りから発生する微弱光は、あまりに弱過ぎるので、鮮明な画像を撮るのに必要な露出時間が長くなる、という問題点があった。即ち、撮像の時間間隔は単位時間あたりの光量に制約されるため、微弱な発光の発光試料を撮像する場合、鮮明な画像を長い時間間隔で、例えば60分間隔で、経時的に撮ることができても、10〜30分程度の短い露光時間、ひいては1〜5分の露光でリアルタイムに撮像することはできなかった、という問題点があった。特に生細胞を長時間(例えば、50分以上)露光すると、培養容器等の支持体上でさえ細胞自身が動いて鮮明な画像を形成できない場合がある。一般に、画像を用いた解析を行なうためには、正確な輪郭を認識できなければならない。従って、画像が不鮮明なときは解析結果が不正確である可能性が有る。 However, when imaging a weakly luminescent sample, the amount of light emitted from the luminescent sample is extremely small, so it cannot be viewed with the naked eye, and the amount of light must be accumulated using a storage-type imaging means such as a CCD. Therefore, there is a restriction that an image cannot be generated. Moreover, in the cell group constituting a single cell or tissue, the weak light generated from each cell is too weak, so that the exposure time required for taking a clear image becomes long. there were. That is , since the imaging time interval is limited by the amount of light per unit time, when imaging a luminescent sample with weak light emission, a clear image can be taken over time at a long time interval, for example, at an interval of 60 minutes. Even if it was possible, there was a problem that imaging could not be performed in real time with a short exposure time of about 10 to 30 minutes , and thus with an exposure of 1 to 5 minutes . In particular, when living cells are exposed for a long time (for example, 50 minutes or longer), the cells themselves may move even on a support such as a culture vessel and a clear image may not be formed. Generally, in order to perform an analysis using an image, it is necessary to recognize an accurate contour. Therefore, the analysis result may be inaccurate when the image is unclear.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、肉眼で見えないような微弱光を発生する微弱光試料でも、所望の細胞解析が可能な解析方法を提供することを目的とする。また、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮ることができる発光試料撮像方法を組合わせた解析方法を提供することも目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an analysis method capable of performing desired cell analysis even with a faint light sample that generates faint light that cannot be seen with the naked eye. . It is another object of the present invention to provide an analysis method combined with a luminescent sample imaging method capable of taking a clear image with a short exposure time and in real time.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる請求項1に記載の微弱光解析方法は、特定の細胞で発現する遺伝子のプロモーター領域に対して発現可能に連結された第1の不完全なレポーター遺伝子と、ある物質を細胞へ接触させる刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域に発現可能に連結された第2の不完全なレポーター遺伝子とを導入させた細胞を含む試料を、撮像手段の撮像視野内に配置する工程と、前記試料に前記物質を接触させて刺激を行なう工程と、刺激に行った細胞において発現した前記の第1のレポーター遺伝子および第2のレポーター遺伝子間の相互作用に基づく検出可能なシグナルを前記撮像手段により光学イメージングするとともに、前記レポーター遺伝子が生ずるシグナルの量を定量的に決定する光学的処理工程とを備え、前記光学的処理工程が微弱光を画像解析可能な画像を生成する工程をさらに有することを特徴とする。
ここで、前記の第1のレポーター遺伝子のプロモーター領域は、神経細胞において特異的に発現する遺伝子のプロモーター領域であるのが好ましい。また、前記のプロモーター領域は、最初期遺伝子のプロモーター領域であるのが好ましい。また、前記のレポーター遺伝子が発光タンパク質であることにより、一定量の基質溶液との混合状態において、遺伝子の発現量に対応する光量を長期間安定に発生するので好ましい。また、前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの強度を輝度値に変換することにより、正確な解析ができるので好ましい。また、前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの光学イメージング像と細胞の明視野像を重ね合わせすることにより、発光した細胞を正確に同定できる点で好ましい。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, the method for analyzing weak light according to claim 1 according to the present invention is a method in which expression is linked to a promoter region of a gene expressed in a specific cell. Including cells into which an incomplete reporter gene of 1 and a second incomplete reporter gene operably linked to the promoter region of a gene whose expression is induced by a stimulus that contacts a substance with the cell are included A step of placing a sample in an imaging field of an imaging means, a step of bringing the substance into contact with the sample to perform stimulation, and the first reporter gene and the second reporter expressed in the cells subjected to the stimulation Detectable signals based on gene interactions are optically imaged by the imaging means, and the amount of signal generated by the reporter gene is quantified And an optical processing step of determining the further characterized by having a step of the optical processing step to generate an image analyzable image weak light.
Here, the promoter region of the first reporter gene is preferably a promoter region of a gene that is specifically expressed in nerve cells. The promoter region is preferably a promoter region of an early gene. In addition, it is preferable that the reporter gene is a photoprotein because a light amount corresponding to the expression level of the gene is stably generated for a long period of time in a mixed state with a certain amount of substrate solution. Moreover, it is preferable because accurate analysis can be performed by converting the intensity of the signal generated by the reporter gene into a luminance value. Moreover, it is preferable at the point which can identify the light-emitted cell correctly by superimposing the optical imaging image of the signal which the said reporter gene produces, and the bright field image of a cell.

本発明において、発光試料を光学イメージングするには、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)2の値が0.01以上である対物レンズを用いることにより、発光だけの画像もイメージングできる点で好ましい。この光学条件によると、高価な極低温冷却型の撮像素子を使わずに撮像できる利点もある。   In the present invention, for optical imaging of a luminescent sample, by using an objective lens having a value of (NA ÷ β) 2 expressed by a numerical aperture (NA) and a projection magnification (β) of 0.01 or more, This is preferable in that an image of only light emission can be imaged. According to this optical condition, there is an advantage that imaging can be performed without using an expensive cryogenic cooling type imaging device.

とくに、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)2の値が0.039以上である対物レンズを用いることにより、従来よりも高速にイメージングを実行できる点で好ましい。   In particular, by using an objective lens whose numerical value (NA ÷ β) 2 expressed by numerical aperture (NA) and projection magnification (β) is 0.039 or more, imaging can be performed at a higher speed than in the past. preferable.

さらに、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)2の値が0.071以上である場合に1分〜5分という短時間で対物レンズを用いることにより、リアルタイムなイメージングを実行できる点で好ましい。   Furthermore, by using the objective lens in a short time of 1 to 5 minutes when the value of (NA ÷ β) 2 expressed by the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β) is 0.071 or more, This is preferable in that real-time imaging can be performed.

また、本発明は発光イメージングを高い開口数(NA)の対物レンズを用いて、短かい時間間隔の画像解析を行なうことが可能になるので、あらゆる刺激応答性を見逃さない。これにより、創薬や診断において優れた方法を提供する。また、発光量の少ない発光試料(例えば、発光タンパク質(例えば、導入された遺伝子(例えばルシフェラーゼ遺伝子)から発現された発光タンパク質)や、発光性の細胞または発光性の細胞の集合体や、発光性の組織試料や、発光性の個体(例えば動物や臓器など)など)でも、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムな解析が可能となる。   Further, the present invention makes it possible to perform image analysis at short time intervals using an objective lens having a high numerical aperture (NA) for luminescence imaging, so that all stimulus responsiveness is not missed. This provides an excellent method in drug discovery and diagnosis. In addition, a luminescent sample (eg, a luminescent protein (eg, a luminescent protein expressed from an introduced gene (eg, luciferase gene)), a luminescent cell or a collection of luminescent cells, Even a tissue sample or a luminescent individual (such as an animal or an organ) can be analyzed with a clear exposure time and in real time.

本発明の微弱光解析方法によれば、肉眼で見えないような微弱光を発生する微弱光試料でも、所望の細胞解析が可能な解析方法を提供できる。また、対物レンズが特定の条件を満たす場合に、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに解析できる解析方法を提供できる。 According to the feeble light analysis method of the present invention, it is possible to provide an analysis method capable of performing desired cell analysis even with a feeble light sample that generates faint light that cannot be seen with the naked eye. In addition, when the objective lens satisfies a specific condition, it is possible to provide an analysis method capable of analyzing a clear image with a short exposure time and in real time.

以下に、本発明にかかる微弱光解析方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Embodiments of a faint light analysis method according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

本発明にかかる方法を実施するための装置の構成について図1を参照して説明する。図1は、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置の構成の一例を示す図である。図1に示すように、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置は、撮像対象であるサンプル1を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮像するためのものであり、対物レンズ2と集光レンズ3とCCDカメラ4とモニタ5とで構成されている。なお、当該装置は図示の如くズームレンズ6をさらに備えてもよい。   A configuration of an apparatus for carrying out the method according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an apparatus for carrying out the luminescent sample imaging method according to the present invention. As shown in FIG. 1, an apparatus for carrying out a luminescent sample imaging method according to the present invention is for imaging a sample 1 to be imaged with a short exposure time, and in real time. The condenser lens 3, the CCD camera 4, and the monitor 5 are included. The apparatus may further include a zoom lens 6 as shown.

サンプル1は、発光試料であり、例えば、発光タンパク質(例えば導入された遺伝子(ルシフェラーゼ遺伝子など)から発現された発光タンパク質)や、発光性の細胞や、発光性の細胞の集合体や、発光性の組織試料や、発光性の臓器や、発光性の個体(動物など)などである。また、サンプル1は、具体的には、ルシフェラーゼ遺伝子を導入した発光細胞でもよい。対物レンズ2は、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)2の値が0.01以上のものである。集光レンズ3は、対物レンズ2を介して到達したサンプル1からの発光を集める。CCDカメラ4は、0℃程度の冷却CCDカメラであり、対物レンズ2や集光レンズ3を介してサンプル1を撮像する。モニタ5はCCDカメラ4で撮像した画像を出力する。   Sample 1 is a luminescent sample, for example, a luminescent protein (for example, a luminescent protein expressed from an introduced gene (such as a luciferase gene)), a luminescent cell, an aggregate of luminescent cells, or a luminescent property. Tissue samples, luminescent organs, and luminescent individuals (animals, etc.). Sample 1 may specifically be a luminescent cell into which a luciferase gene has been introduced. The objective lens 2 has a numerical value (NA ÷ β) 2 expressed by a numerical aperture (NA) and a projection magnification (β) of 0.01 or more. The condenser lens 3 collects light emitted from the sample 1 that has reached through the objective lens 2. The CCD camera 4 is a cooled CCD camera at about 0 ° C. and images the sample 1 through the objective lens 2 and the condenser lens 3. The monitor 5 outputs an image captured by the CCD camera 4.

そして、対物レンズ2や対物レンズ2の包装容器(パッケージ)には、(NA/β)2の値を表記する。従来の対物レンズにはレンズ種類(例えば“PlanApo”)、倍率/NA油侵(例えば“100×/1.40oil”)および無限遠/カバーガラス厚(例えば“∞/0.17”)が表記されていた。しかし、本発明の方法にかかる撮像手段の対物レンズ(対物レンズ2)には、レンズ種類(例えば“PlanApo”)、倍率/NA油侵(例えば“100×/1.40oil”)、無限遠/カバーガラス厚(例えば“∞/0.17”)の他に、さらに射出開口角(例えば、“(NA/β)2:0.05”)が表記されている。   The value of (NA / β) 2 is written in the objective lens 2 and the packaging container (package) of the objective lens 2. The conventional objective lens indicates the lens type (eg “PlanApo”), magnification / NA oil immersion (eg “100 × / 1.40 oil”) and infinity / cover glass thickness (eg “∞ / 0.17”). It had been. However, the objective lens (objective lens 2) of the imaging means according to the method of the present invention includes a lens type (for example, “PlanApo”), magnification / NA oil immersion (for example, “100 × / 1.40 oil”), infinity / In addition to the cover glass thickness (for example, “∞ / 0.17”), an injection opening angle (for example, “(NA / β) 2: 0.05”) is also described.

以上、説明したように、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置において、対物レンズ2は、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)2の値が0.01以上である。これにより、発光量の少ない発光試料(例えば、発光タンパク質(例えば、導入された遺伝子(例えばルシフェラーゼ遺伝子)から発現された発光タンパク質)や、発光性の細胞または発光性の細胞の集合体や、発光性の組織試料や、発光性の個体(例えば動物や臓器など)など)でも、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮ることができる。具体的には、ルシフェラーゼ遺伝子を導入した発光細胞を撮像対象として、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮ることができる。また、対物レンズ2は、従来の対物レンズと比較して、開口数が大きく且つ倍率が小さいので、対物レンズ2を用いれば広範囲を分解能よく撮像することができる。これにより、例えば動きのある発光試料や移動する発光試料や広い範囲に分布する発光試料を撮像対象とすることができる。また、対物レンズ2は、当該対物レンズ2および/または当該対物レンズ2を包装する包装容器(パッケージ)に、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)2の値(例えば0.01以上)を表記した。これにより、例えば発光画像観察を行う者は、表記された(NA÷β)2の値を確認すれば、発光試料を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮像するのに適した対物レンズを容易に選択することができる。   As described above, in the apparatus for carrying out the luminescent sample imaging method according to the present invention, the objective lens 2 is represented by (NA ÷ β) 2 represented by the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β). The value is 0.01 or more. As a result, a luminescent sample (for example, a luminescent protein (for example, a luminescent protein expressed from an introduced gene (for example, luciferase gene)), a luminescent cell, or a collection of luminescent cells, A clear image can be taken with a short exposure time and in real time even with a sex tissue sample or a luminescent individual (such as an animal or an organ). Specifically, a luminescent cell into which a luciferase gene has been introduced can be used as an imaging target, and a clear image can be taken with a short exposure time and in real time. In addition, since the objective lens 2 has a larger numerical aperture and a lower magnification as compared with a conventional objective lens, a wide range can be imaged with high resolution by using the objective lens 2. Thereby, for example, a moving luminescent sample, a moving luminescent sample, or a luminescent sample distributed over a wide range can be set as an imaging target. The objective lens 2 is expressed by the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β) (NA ÷ β) 2 on the objective lens 2 and / or a packaging container (package) that wraps the objective lens 2. Value (for example, 0.01 or more) was expressed. Thus, for example, a person who observes a luminescent image can easily find an objective lens suitable for imaging a luminescent sample with a short exposure time and in real time if the value of (NA ÷ β) 2 is confirmed. You can choose.

従来、ルシフェラーゼ遺伝子を用いたレポーターアッセイにおいては、細胞を溶解した後に発光量を測定するため、ある時点での発現量しか捉えることができず、しかも細胞全体の平均値としての計測になってしまう。また、培養しながらの計測においては、細胞コロニーの経時的な発現量の変化を捉えることはできるが、個々の細胞での発現量の変化を捉えることはできない。そして、個々の細胞の発光を顕微鏡で観察するためには、生きた細胞からの発光量が極めて弱いため、液体窒素温度レベルの冷却CCDカメラで長時間露光したり、イメージ・インテンシファイアを装着したCCDカメラでフォトンカウンティングをしたりしなければならない。そのため、発光検出のカメラは高価で大掛かりなものになってしまう。しかし、レポーター遺伝子産物としてのルシフェラーゼ活性を示す個々の細胞の発光を顕微鏡によって観察する際、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置を利用すれば、イメージ・インテンシファイアを装着することなく、0℃程度の冷却CCDカメラを用いて定量的な画像を取得することができる。すなわち、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置を利用すれば、生きた状態で個々の細胞の発光を0℃程度の冷却CCDカメラによって観察することができるので、イメージ・インテンシファイアやフォトンカウンティングのための装置が不要である。つまり、低コストで発光試料の撮像を行うことができる。また、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置を利用すれば、個々の生きた細胞の発光を、培養しながら経時的に観察することができ、さらにリアルタイムに観察することもできる。また、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置を利用すれば、同じ細胞について、異なった条件での薬剤や刺激の応答をモニタすることができる。   Conventional reporter assays using the luciferase gene measure the amount of luminescence after lysing the cells, so only the expression level at a certain point in time can be captured, and the average value of the entire cell is measured. . Further, in measurement while culturing, changes in the expression level of cell colonies over time can be caught, but changes in the expression level in individual cells cannot be caught. In order to observe the luminescence of individual cells with a microscope, the amount of luminescence from living cells is extremely weak, so it can be exposed for a long time with a cooled CCD camera at the liquid nitrogen temperature level, or an image intensifier is attached. You have to do photon counting with a CCD camera. Therefore, the camera for detecting light emission is expensive and large. However, when observing the luminescence of individual cells exhibiting luciferase activity as a reporter gene product with a microscope, an image intensifier is attached if the apparatus for carrying out the luminescent sample imaging method according to the present invention is used. The quantitative image can be acquired using a cooled CCD camera at about 0 ° C. That is, if the apparatus for carrying out the luminescent sample imaging method according to the present invention is used, the luminescence of individual cells can be observed with a cooled CCD camera at about 0 ° C. in an alive state. No fire or photon counting device is required. That is, the luminescent sample can be imaged at low cost. In addition, if the apparatus for performing the luminescent sample imaging method according to the present invention is used, the luminescence of individual living cells can be observed over time while being cultured, and can also be observed in real time. . Moreover, if the apparatus for performing the luminescent sample imaging method according to the present invention is used, it is possible to monitor the response of drugs and stimuli under different conditions for the same cell.

ここで、本発明にかかる発光試料撮像方法、発光細胞撮像方法および対物レンズの理解を容易にするために、従来の対物レンズおよびそれを用いた発光画像観察について簡単に説明する。
一般に、顕微鏡観察における空間分解能εは、下記数式1で表される。
ε=0.61×λ÷NA ・・・(数式1)
(数式1において、λは光の波長であり、NAは開口数である。)
また、観察範囲の直径dは、下記数式2で表される。
d=D÷M ・・・(数式2)
(数式2において、Dは視野数であり、Mは倍率である。なお、視野数は一般に22から26である。)
従来、顕微鏡用対物レンズの焦点距離は国際規格で45mmとされていた。そして、最近では、焦点距離を60mmとする対物レンズが使われはじめている。この焦点距離を前提にしてNAが大きい、つまり空間分解能が高いレンズを設計すると作動距離(WD)は一般には0.5mm程度であり、また長WD設計のものでも8mm程度であった。このような対物レンズを用いた場合、観察範囲は0.5mm径程度である。
Here, in order to facilitate understanding of the luminescent sample imaging method, the luminescent cell imaging method and the objective lens according to the present invention, a conventional objective lens and luminescent image observation using the objective lens will be briefly described.
In general, the spatial resolution ε in microscopic observation is expressed by the following mathematical formula 1.
ε = 0.61 × λ ÷ NA (Formula 1)
(In Equation 1, λ is the wavelength of light and NA is the numerical aperture.)
Further, the diameter d of the observation range is expressed by the following mathematical formula 2.
d = D ÷ M (Formula 2)
(In Equation 2, D is the number of fields of view and M is the magnification. The number of fields of view is generally 22 to 26.)
Conventionally, the focal length of an objective lens for a microscope has been set to 45 mm according to international standards. Recently, an objective lens having a focal length of 60 mm has been used. If a lens with a large NA, that is, a high spatial resolution is designed on the assumption of this focal length, the working distance (WD) is generally about 0.5 mm, and even a long WD design is about 8 mm. When such an objective lens is used, the observation range is about 0.5 mm in diameter.

しかし、ディッシュやガラズボトムディッシュに分散した細胞群や組織、個体の観察を行う場合、観察範囲が1から数cmに及ぶことがある。このような範囲を分解能よく観察したいときには、低倍率でありながらNAを大きい値で維持しなければならない。換言すると、NAはレンズ半径と焦点距離との比であるので、NAが大きいまま広い範囲を観察できる対物レンズは、低倍である必要がある。そして、結果的に、このような対物レンズは大口径となる。なお、大口径の対物レンズの製作では、一般的に光学材料の物性の均一性やコーティングの均一性において、また、レンズ形状においても高い精度が求められる。   However, when observing a cell group, tissue, or individual dispersed in a dish or glass bottom dish, the observation range may range from 1 to several centimeters. When it is desired to observe such a range with a high resolution, the NA must be maintained at a large value while the magnification is low. In other words, since NA is the ratio of the lens radius to the focal length, an objective lens that can observe a wide range with a large NA needs to be low magnification. As a result, such an objective lens has a large aperture. In manufacturing a large-diameter objective lens, generally high accuracy is required in terms of uniformity of physical properties and coating uniformity of an optical material and lens shape.

また、顕微鏡観察の場合、光学系の透過率や対物レンズの開口数やCCDカメラのチップ面での投影倍率やCCDカメラの性能などが像の明るさに大きく影響してくる。そして、像の明るさは、開口数(NA)を投影倍率(β)で割った値の2乗、すなわち(NA/β)2で評価される。ここで、対物レンズには、一般に、入射開口角NAと射出開口角NA'との間に下記数式3の関係があり、NA'2が観察者の目やCCDカメラなどに届く明るさを示す値である。
NA'=NA÷β ・・・(数式3)
(数式3において、NAは入射開口角(開口数)であり、NA'は射出開口角であり、βは投影倍率である。)
一般の対物レンズにおいて、NA'は高々0.04であり、NA'2は0.0016である。また、現在市販されている一般的な顕微鏡の対物レンズにおける像の明るさ(NA/β)2の値を調査したところ、0.0005から0.002の範囲であった。
In the case of microscopic observation, the light transmittance of the optical system, the numerical aperture of the objective lens, the projection magnification on the chip surface of the CCD camera, the performance of the CCD camera, etc. greatly affect the brightness of the image. The brightness of the image is evaluated by the square of the value obtained by dividing the numerical aperture (NA) by the projection magnification (β), that is, (NA / β) 2. Here, the objective lens generally has a relationship of the following Equation 3 between the incident aperture angle NA and the exit aperture angle NA ′, and NA ′ 2 indicates the brightness that reaches the observer's eyes, a CCD camera, or the like. Value.
NA ′ = NA ÷ β (Formula 3)
(In Equation 3, NA is the incident aperture angle (numerical aperture), NA ′ is the exit aperture angle, and β is the projection magnification.)
In a general objective lens, NA ′ is at most 0.04, and NA ′ 2 is 0.0016. Further, when the value of image brightness (NA / β) 2 in a general microscope objective lens currently on the market was examined, it was in the range of 0.0005 to 0.002.

ところが、上記のような現在市販されている対物レンズを装着した顕微鏡を用いて、例えば細胞内でルシフェラーゼ遺伝子を発現させ発光している細胞を観察しても、当該細胞からの発光を目視で観察することができないし、さらに0℃程度に冷却したCCDカメラを用いて撮像した発光画像を観察しても細胞からの発光を確認することができない。なお、発光試料を観察する場合には、蛍光観察に必要な励起光の投影は不要である。例えば、落射蛍光観察では、対物レンズは、励起光投影レンズと蛍光を集光して画像を形成するレンズとの両方の機能を満たしている。
そこで、光量の少ない発光を画像で観察するためには、大きなNAと小さいβの特性を有する対物レンズが必要である。そして、結果的に、当該対物レンズは大口径となる傾向がある。なお、このような対物レンズでは、励起光投影の機能を考慮することなく機能を単純化して設計、製造しやすくすることが求められる。
However, using a microscope equipped with a commercially available objective lens as described above, for example, even if a cell expressing a luciferase gene and emitting light is observed, the light emitted from the cell is visually observed. In addition, even if a light emission image taken using a CCD camera cooled to about 0 ° C. is observed, light emission from the cells cannot be confirmed. When observing a luminescent sample, it is not necessary to project excitation light necessary for fluorescence observation. For example, in epifluorescence observation, the objective lens satisfies both functions of an excitation light projection lens and a lens that collects fluorescence to form an image.
Therefore, in order to observe light emission with a small amount of light with an image, an objective lens having large NA and small β characteristics is required. As a result, the objective lens tends to have a large aperture. Note that such an objective lens is required to be easily designed and manufactured by simplifying the function without considering the function of projecting the excitation light.

また、発光や蛍光観察を利用する研究分野では、試料内のタンパク質分子の動的な機能発現を捉えるためにタイムラプスや動画撮像が求められている。最近では、蛍光を利用したタンパク質1分子の動画観察が行われている。これらの撮像では単位時間の撮像フレーム数が多いほど画像1フレームあたりの露出時間は短くなる。このような観察においては、明るい光学系、特に、明るい対物レンズが必要となる。しかし、蛍光に比べて発光タンパク質の光量は少ないので、1フレームの撮像に、例えば20分の露出時間を要することが多い。このような露出時間でタイムラプス観察を行うには動的な変化が非常に遅い試料に限られる。例えば、約1時間に一度分裂する細胞では、その周期内の変化を観察することはできない。従って、シグナル・ノイズ比を高く維持しながら少ない光量を効率よく画像化するために、光学系の明るさを向上することは重要である。 In the research field using luminescence and fluorescence observation, time-lapse and moving image capturing are required to capture the dynamic functional expression of protein molecules in a sample. Recently, video observation of one molecule of protein using fluorescence has been performed. In these imaging operations, the exposure time per image frame becomes shorter as the number of imaging frames per unit time increases. Such observation requires a bright optical system, particularly a bright objective lens. However, since the amount of photoprotein is less than that of fluorescence, it often takes an exposure time of, for example, 20 minutes to image one frame. In order to perform time- lapse observation with such an exposure time, a dynamic change is limited to a very slow sample. For example, in cells that divide once every hour, changes within that cycle cannot be observed. Therefore, it is important to improve the brightness of the optical system in order to efficiently image a small amount of light while maintaining a high signal-to-noise ratio.

以上の経緯を踏まえて製作された本発明の対物レンズは、上記の一般に市販されている対物レンズに比べて、大きなNAと小さいβの特性を有している。よって、本発明の対物レンズのNA'2は大きな値である。つまり、本発明の対物レンズは明るい対物レンズであると言うことができる。これにより、本発明の対物レンズのような明るい対物レンズを用いれば、光量の少ない発光試料からの発光を画像で観察することができる。また、より暗い像を観察するために、開口数の大きい本発明の対物レンズを実体顕微鏡に装着することで、イメージ・インテンシファイアを装着することなく、0℃程度に冷却したCCDカメラでも、細胞の発光を画像で観察することができる。また、液体窒素冷却を用いるCCDカメラで感度を上げる方法があるが、この場合CCDカメラが非常に高価に、大規模になる。しかし、本発明の対物レンズを用いれば、ペルチェ冷却によるCCDカメラでも、細胞の発光を画像で観察することができる。また、本発明の対物レンズは、数から10cm程度の大口径である。これにより、従来では撮像対象となり得なかった移動する発光試料や広い範囲に分布する発光試料などを撮像対象とすることができる。   The objective lens of the present invention manufactured based on the above circumstances has characteristics of a large NA and a small β as compared with the above-described objective lenses generally on the market. Therefore, NA′2 of the objective lens of the present invention is a large value. That is, it can be said that the objective lens of the present invention is a bright objective lens. Thereby, if a bright objective lens like the objective lens of this invention is used, the light emission from the light emission sample with little light quantity can be observed with an image. In order to observe a darker image, a CCD camera cooled to about 0 ° C. without mounting an image intensifier by mounting the objective lens of the present invention having a large numerical aperture on a stereomicroscope, Cell luminescence can be observed with images. In addition, there is a method of increasing the sensitivity with a CCD camera using liquid nitrogen cooling. In this case, the CCD camera becomes very expensive and large-scale. However, if the objective lens of the present invention is used, the light emission of the cells can be observed as an image even with a CCD camera using Peltier cooling. Moreover, the objective lens of the present invention has a large diameter of several to about 10 cm. Thereby, a moving luminescent sample that could not be an imaging target in the past or a luminescent sample distributed over a wide range can be set as an imaging target.

本発明の方法を実施するための測定原理、光学系の構成その他については、図1により既に説明したが、本出願人による出願(特願2005−267531号および特願2005−44737号)を参照してもよい。前記出願にも記載されるように、本出願人は、光学的実験を通じ、対物レンズの開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上の光学系で撮像することによって、単一の細胞から発生する発光だけで画像化できる証明データを取得した。さらに、本出願人は、検討を進め、同一シャーレ内で培養された複数の細胞において、遺伝子発現の変動パターンが異なることも発見した。驚くべきことに、上記の撮像条件は、本発明において実施される応用例で取り扱われる微弱な発光画像に対しても適用でき、短い時間(例えば1分〜20分)で生物発光のような微弱な発光成分による細胞画像を撮像できる。さらに、撮像装置の対物レンズを開口数(NA)/投影倍率(β)の2乗で表される光学的条件が0.071以上である場合に、1〜5分以内で画像化でき、画像解析も可能な細胞画像を提供できることも分かった。   The measurement principle for implementing the method of the present invention, the configuration of the optical system, and the like have already been described with reference to FIG. 1, but refer to the applications by the present applicant (Japanese Patent Application Nos. 2005-267531 and 2005-44737). May be. As described in the above-mentioned application, the applicant, through optical experiment, has a square value of (NA ÷ β) represented by a numerical aperture (NA) of the objective lens and a projection magnification (β) of 0. By taking an image with an optical system of 0.01 or more, proof data that can be imaged only by light emission generated from a single cell was obtained. Furthermore, the present applicant has proceeded with studies and found that the variation pattern of gene expression is different among a plurality of cells cultured in the same petri dish. Surprisingly, the above imaging conditions can also be applied to weak luminescent images handled in the application examples implemented in the present invention, and weak such as bioluminescence in a short time (for example, 1 to 20 minutes). Cell images can be captured with various luminescent components. Further, when the optical condition expressed by the square of the numerical aperture (NA) / projection magnification (β) is 0.071 or more, the objective lens of the imaging device can be imaged within 1 to 5 minutes. It was also found that cell images that can be analyzed can be provided.

上述した図1に示すように、本発明にかかる撮像方法を実施するための装置は、撮像対象であるサンプル1を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮像するためのものであり、従来採用されたことの無い高開口数(NA)の対物レンズ2とCCDカメラ4とモニタ5とで基本的に構成されている。これらの基本構成を備える装置を、本発明では発光顕微鏡と称することとする。発光顕微鏡は、暗視野での撮像を行うために、適宜、遮光用のフタまたはハウジングによって収容されているのが好ましい。また、適当な培養条件を維持できる培養装置を発光顕微鏡と一体に組合せることで、撮像を長期間に亘り、自動的に実行できる。なお、撮像を行う機構を有する構造であれば、顕微鏡の形態である必要はなく、マイクロプレートリーダーのような測定機器の形態であってもよい。   As shown in FIG. 1 described above, the apparatus for carrying out the imaging method according to the present invention is for imaging a sample 1 to be imaged with a short exposure time and in real time, and has been conventionally employed. A high numerical aperture (NA) objective lens 2, a CCD camera 4 and a monitor 5 are basically configured. In the present invention, an apparatus having these basic configurations is referred to as a light emission microscope. In order to perform imaging in a dark field, the light emission microscope is preferably accommodated by a light shielding lid or housing as appropriate. Moreover, imaging can be automatically performed over a long period of time by combining a culture apparatus capable of maintaining appropriate culture conditions integrally with a light emission microscope. In addition, if it is a structure which has an imaging mechanism, it does not need to be in the form of a microscope, and may be in the form of a measuring instrument such as a microplate reader.

次に、本発明で使用する発光顕微鏡の構成、形態とその作用を説明する。 発光顕微鏡の基本的な特徴は、顕微鏡視野中の細胞に発現させた発光タンパク質から発する光を、対物レンズ(NA0.75)および光学フィルタを通してデジタルカメラで画像化することで、短時間でモニタリング出来ることである。遺伝子の発現パターンを発光画像としてリアルタイムに取得できるため、細胞を用いた遺伝子発現アッセイ系の幅広い研究対象に応用できると期待されている技術である。基本的な測定系の構成は、培養装置部に隣接した光学系を試料観察部とし、そこでの発光を対物レンズ(NA0.75、好ましくはNA0.75以上)および光学フィルタを通してデジタルカメラで捉えた後、デジタル画像取り込み用のパソコンでデータの記録と解析を行うようになっている。培養装置部はヒートプレートおよびチャンバーにより保温、保湿することができる。培養装置部内の温度は25−37℃に設定して試料を観察する。好ましくは37℃に設定して試料を観察する。湿度は0〜100%に設定して観察する。好ましくは60〜100%に設定する。 さらに、発光の光学イメージングを行なったときと同視野において明視野による画像を取得し、画像解析ソフト等で発光画像と明視野画像を重ね合わせることによって、発光している細胞を同定することができる。
Next, the configuration, form, and operation of the light emission microscope used in the present invention will be described. The basic feature of the luminescence microscope is that light emitted from the photoprotein expressed in the cells in the microscope field can be monitored in a short time by imaging with a digital camera through the objective lens (NA0.75) and optical filter. That is. Since a gene expression pattern can be obtained in real time as a luminescence image, it is a technology that is expected to be applicable to a wide range of research subjects in gene expression assay systems using cells. The basic measurement system consists of a sample observation unit that is an optical system adjacent to the culture apparatus unit, and the light emitted from the optical system is captured by a digital camera through an objective lens (NA 0.75, preferably NA 0.75 or more) and an optical filter. Later, data recording and analysis are performed on a digital image capturing personal computer. The culture apparatus part can be kept warm and moisturized by a heat plate and a chamber. The temperature in the culture apparatus is set to 25-37 ° C and the sample is observed. The sample is preferably observed at 37 ° C. The humidity is set to 0 to 100% and observed. Preferably, it is set to 60 to 100%. Furthermore, by acquiring a bright-field image in the same field as when optical luminescence imaging was performed, and superimposing the light-emission image and the bright-field image with image analysis software or the like, it is possible to identify the cells that emit light. .

本発明の方法および装置は、以下に説明するような態様への応用が有用である。 The method and apparatus of the present invention are useful for application to the embodiments described below.

技術分野
この態様は、本発明において、特定細胞において遺伝子発現を解析する方法に関する。
TECHNICAL FIELD This aspect relates to a method for analyzing gene expression in specific cells in the present invention.

背景となる技術
従来のフ゜ロモーターアッセイ法では、個々の細胞によって外来の刺激に対する遺伝子発現量の変化が異なっていることを見ることが出来なかった。しかし、比較的均一な性質をもつ株化細胞を用いても刺激に対する個々の細胞の反応は異なっていることが知られているので、不均一な細胞集団では刺激に対する反応はより複雑であることが予想される。さらに、従来は均一な細胞が集まっている実験系を用いていたため、個々の細胞を同定する必要がなく、全細胞の平均値を観察していた。しかし、初代培養やスライス培養など不均一な細胞集団を用いた実験系では、従来のフ゜ロモーターアッセイ法を用いると対象とする細胞からのシク゛ナルが周辺の細胞のシク゛ナルと重なって正確に細胞を同定することができない。さらに、細胞外からの刺激により発現が誘導される最初期遺伝子(c-fosなど)は多くの細胞種において発現することが知られており、最初期遺伝子の発現量変化を観察することで薬物などに対する細胞の反応性をリアルタイムで観察することが可能である。しかし、複数種の細胞が混在する中では、発現の見られた細胞を同定することが困難である。そこで、特定の細胞においてのみ最初期遺伝子の発現量変化がリアルタイムで見られる実験系を構築する必要がある。
Background Art In the conventional phlomotor assay method, it was impossible to see that the change in gene expression level with respect to external stimuli was different for each cell. However, the response to stimuli is more complex in heterogeneous cell populations, as it is known that the response of individual cells to stimuli is different even when using cell lines with relatively uniform properties. Is expected. Furthermore, conventionally, since an experimental system in which uniform cells are gathered was used, it was not necessary to identify individual cells, and the average value of all cells was observed. However, in experimental systems using heterogeneous cell populations such as primary cultures and slice cultures, signals from the target cells overlap with those of surrounding cells using the conventional phlomotor assay, so that the cells are accurately identified. I can't. In addition, early genes (such as c-fos) whose expression is induced by stimulation from outside the cell are known to be expressed in many cell types. It is possible to observe the reactivity of cells to the real time. However, in the presence of multiple types of cells, it is difficult to identify cells that have been expressed. Therefore, it is necessary to construct an experimental system in which changes in the expression level of the initial gene can be seen in real time only in specific cells.

上記背景から生じる課題
従来の方法では、複数の細胞種からなる細胞群の中で特定の細胞においてのみ遺伝子発現を観察することについて考慮されておらず、ルシフェラーセ゛遺伝子が生ずる検出可能なシク゛ナルを特定の細胞からのみ光学イメーシ゛ンク゛するという点について対応することが出来なかった。本発明はこの点に着目し、特定の細胞においてのみルシフェラーセ゛遺伝子が生ずるシク゛ナルを発するようにしてそのシク゛ナルを発光顕微鏡で光学イメーシ゛ンク゛を行なう、特定細胞において遺伝子発現を解析する方法を提供することを課題とする。
Problems arising from the above background The conventional method does not consider observing gene expression only in specific cells among a group of cells consisting of a plurality of cell types, and does not specify a detectable signal in which a luciferase gene is generated. We could not cope with the point of optical imaging only from cells. The present invention pays attention to this point, and provides a method for analyzing gene expression in specific cells by emitting a signal in which a luciferase gene is generated only in a specific cell and optically imaging the signal with a light emission microscope. And

上記課題を解決する手段と作用効果について
MyoD遺伝子またはId遺伝子に融合したスフ゜リットルシフェラーセ゛の片方は細胞特異的フ゜ロモーター領域を用いて特定細胞のみに発現させ、さらにもう片方は発現量解析を行ないたい遺伝子(最初期遺伝子など)のフ゜ロモーター領域を用いて細胞に発現させる。この細胞試料を発光顕微鏡で観察することにより、両方の融合遺伝子が発現してルシフェラーセ゛の酵素活性が観察される特定の細胞を光学イメーシ゛ンク゛することが出来る。
Means and effects for solving the above problems
One of the Spherispheres fused to the MyoD gene or Id gene is expressed only in specific cells using the cell-specific promoter region, and the other uses the promoter region of the gene (such as the first-stage gene) whose expression level is to be analyzed. To express in cells. By observing this cell sample with a light emission microscope, it is possible to optically image specific cells in which both fusion genes are expressed and the luciferase enzyme activity is observed.

本態様においては、特許(U.S. Pat. No.5,670,356)および非特許論文(PNAS (2002) vol.99 No.24 pp3105-3110)に記載れるような、哺乳類ツーハイフ゛リット゛システムを応用した細胞内でのタンハ゜ク間の相互作用の検出法およびフ゜ロモーターアッセイ法を参照できる。これらの方法は、相互作用を引き起こすことが知られている遺伝子(MyoD遺伝子およびId遺伝子)と酵母のGAL4 DNA結合ト゛メインまたはヘルヘ゜スシンフ゜レックスウイルスのVP16活性化ト゛メインとの融合タンハ゜ク発現ヘ゛クター、およびGAL4結合領域を5つ含んだルシフェラーセ゛発現ヘ゛クターを細胞に導入する工程を含んでいる。ここにおいて、目的遺伝子同士(MyoD遺伝子とId遺伝子)が相互作用を起こすとルシフェラーセ゛の発現量が増加するという原理を利用してタンハ゜ク間の相互作用の検出およびフ゜ロモーターアッセイを行なうようにすることができる。   In this embodiment, in a cell using a mammalian two-hybrid system as described in a patent (US Pat. No. 5,670,356) and a non-patent paper (PNAS (2002) vol.99 No.24 pp3105-3110). Reference can be made to methods for detecting interactions between tanks and fluoromotor assays. These methods include fusion protein expression vectors of genes known to cause interactions (MyoD and Id genes) and yeast GAL4 DNA binding domain or VP16 activation domain of herpes simplex virus, and GAL4 binding region. A step of introducing a luciferase expression vector containing 5 into a cell. Here, using the principle that the expression level of luciferase increases when the target genes (MyoD gene and Id gene) interact with each other, the interaction between tanks can be detected and the fluoromotor assay can be performed. .

また、非特許論文(PNAS (2002) vol.99 No.24 pp15608-15613)において、スフ゜リットルシフェラーセ゛を用いた細胞内でのタンハ゜ク間の相互作用の検出法およびフ゜ロモーターアッセイ法を参照することもできる。この方法は、ルシフェラーセ゛遺伝子をN末側とC末側に分けて、それぞれ相互作用を引き起こすことが知られている遺伝子(MyoD遺伝子およびId遺伝子)との融合タンハ゜クをつくり細胞に発現させる工程を含んでいる。ここにおいて、ルシフェラーセ゛はN末側もしくはC末側のみの状態では酵素活性を持たないため発光は検出されないが、融合した遺伝子同士(MyoD遺伝子とId遺伝子)の結合があるとルシフェラーセ゛のN末側とC末側も結合して酵素活性をもつようになるという原理を利用してタンハ゜ク間の相互作用の検出およびフ゜ロモーターアッセイを行なうようにすることができる。以下の実施形態は、上記の方法を参照しながらも、本態様に適用可能なように適切に組み立てた例であり、本発明を限定するものではない。   In addition, in a non-patent paper (PNAS (2002) vol.99 No.24 pp15608-15613), it is also possible to refer to a method for detecting an interaction between tanks in a cell and a phlomotor assay method using a spheripher phase. This method includes the steps of dividing the luciferase gene into the N-terminal side and the C-terminal side, creating a fusion tank with genes (MyoD gene and Id gene) that are known to cause interaction and expressing them in cells. It is out. Here, luciferase has no enzyme activity in the state of N-terminal or C-terminal only, so no luminescence is detected. However, if there is a bond between fused genes (MyoD gene and Id gene), The interaction between tanks can be detected and the fluoromotor assay can be performed using the principle that the C-terminal side also binds to have enzyme activity. The following embodiment is an example that is appropriately assembled so as to be applicable to this aspect, with reference to the above method, and does not limit the present invention.

応用例に関しての実施の形態
A.語句の定義
<特定の細胞で発現する遺伝子のプロモーター領域>
本発明における特定の細胞で発現する遺伝子のプロモーター領域としては、例えば神経細胞特異的な遺伝子、あるいはグリア細胞特異的な遺伝子のプロモーターが挙げられる。
本発明で用いられる神経細胞特異的な遺伝子のプロモーターとしては、例えば、NSE(neuron-specific enolase)遺伝子のプロモーター領域が挙げられる。また、本発明で用いられるグリア細胞特異的な遺伝子のプロモーターとしては、例えば、GFAP(glial fibrillary acidic protein)遺伝子ののプロモーター領域が挙げられるまた、本発明で用いられるプロモーターとしては、前記プロモーターの任意の動物種の対応物も含まれる。
ここでプロモーター領域とは、プロモーター活性を有するために必要な最小の塩基配列を含む任意の領域を意味する。例えば、該遺伝子の転写部位に対して上流500から4000塩基の領域の一部または全部を用いることができる。
Application examples
A. Definition of phrase <Promoter region of a gene expressed in a specific cell>
The promoter region of a gene expressed in a specific cell in the present invention includes, for example, a neuron-specific gene or a glial cell-specific gene promoter.
Examples of the promoter of a neuron-specific gene used in the present invention include a promoter region of an NSE (neuron-specific enolase) gene. Examples of the glial cell-specific gene promoter used in the present invention include the promoter region of a GFAP (glial fibrillary acidic protein) gene. The promoter used in the present invention is any of the above promoters. The counterparts of these animal species are also included.
Here, the promoter region means an arbitrary region containing the minimum base sequence necessary for having promoter activity. For example, a part or all of the region of 500 to 4000 bases upstream from the transcription site of the gene can be used.

<刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域>
本発明における刺激により発現が誘導される遺伝子プロモーター領域としては、最初期遺伝子のプロモーターが挙げられる。
本発明で用いられる最初期遺伝子のプロモーターとしては、例えば、c-fosプロモーター領域が挙げられる。また、本発明で用いられるプロモーターとしては、前記プロモーターの任意の動物種の対応物も含まれる。
ここでプロモーター領域とは、プロモーター活性を有するために必要な最小の塩基配列を含む任意の領域を意味する。例えば、該遺伝子の転写部位に対して上流500から2000塩基の領域の一部または全部を用いることができる。
<Promoter region of a gene whose expression is induced by stimulation>
Examples of the gene promoter region whose expression is induced by stimulation in the present invention include a promoter of an early gene.
Examples of the promoter of the early gene used in the present invention include the c-fos promoter region. In addition, the promoter used in the present invention includes a counterpart of any animal species of the promoter.
Here, the promoter region means an arbitrary region containing the minimum base sequence necessary for having promoter activity. For example, a part or all of the region of 500 to 2000 bases upstream from the transcription site of the gene can be used.

<レポーター遺伝子>
本発明におけるレポーター遺伝子は、検出可能な蛍光を発するレポータータンパク質をコードする遺伝子を意味する。例えば、蛍もしくはウミシイタケなどに由来するルシフェラーゼを挙げることができる。さらには、例えば、βガラクトシダーゼをコードする遺伝子、アルカリホスファターゼをコードする遺伝子を挙げることができる。
<Reporter gene>
The reporter gene in the present invention means a gene encoding a reporter protein that emits detectable fluorescence. For example, luciferase derived from firefly or Renilla can be mentioned. Furthermore, the gene which codes (beta) galactosidase and the gene which codes alkaline phosphatase can be mentioned, for example.

<物質>
本発明に使用される物質とは、自然界に存在する天然の物質あるいは人工的に調製される任意の物質を意味する。
具体的には、例えば、化学的に合成された任意の化合物を挙げることができる。該化合物の種類および分子量などについては特に限定されない。
該物質がタンパク質、またはペプチドである場合には、生体組織や細胞から単離されるもの、および遺伝子組換えや化学的合成により調製されるものも含まれる。さらにまた、それらの化学修飾体も含まれる。
<Substance>
The substance used in the present invention means a natural substance existing in nature or any substance prepared artificially.
Specifically, for example, any compound synthesized chemically can be mentioned. The type and molecular weight of the compound are not particularly limited.
When the substance is a protein or peptide, those isolated from living tissues and cells and those prepared by genetic recombination or chemical synthesis are also included. Furthermore, those chemical modifications are also included.

<光学イメージング>
本発明における光学イメージングとは、レポーター遺伝子を導入した細胞において、レポーター遺伝子により発せられる検出可能なシグナルの存在、不在または強度をモニタリング、記録および分析するイメージング方法を意味する。光学イメージングを達成するためには、レポーター遺伝子により発せられるシグナルの強度が、シグナルを細胞の外部から分析することができるように、十分に高くなくてはならない。光学イメージングは自動化に容易に適用可能であることから、多数の遺伝子発現を同時にモニタリングするのに用いることができる。なお、イメージングした試料画像の任意の位置について、時系列に2次元または3次元に画像情報を処理する技術は、本出願人による特願2004−172156、特願2004−178254等を参照してもよい。蛍光観察と発光観察における時系列な画像取得の違いは、発光観察が励起光による光学的走査(レーザスキャン)を必要としない点で余計な光による影響が無い点にある。本発明で行うイメージング技術によれば、リアルタイムに発光画像を撮像できる。
<Optical imaging>
Optical imaging in the present invention means an imaging method for monitoring, recording and analyzing the presence, absence or intensity of a detectable signal emitted by a reporter gene in a cell into which the reporter gene has been introduced. In order to achieve optical imaging, the intensity of the signal emitted by the reporter gene must be high enough so that the signal can be analyzed from outside the cell. Since optical imaging is readily applicable to automation, it can be used to monitor multiple gene expressions simultaneously. Note that the technology for processing image information two-dimensionally or three-dimensionally at an arbitrary position of an imaged sample image can also be referred to Japanese Patent Application Nos. 2004-172156 and 2004-178254 by the present applicant. Good. The difference between time-series image acquisition in fluorescence observation and light emission observation is that there is no influence of extra light because light emission observation does not require optical scanning (laser scan) with excitation light. According to the imaging technique performed in the present invention, a luminescent image can be captured in real time.

B.遺伝子発現の光学イメージング方法
<遺伝子発現ベクターの作製>
動物細胞を用いる場合、発現ベクターは少なくともプロモーター、開始コドン、目的のタンパク質をコードするDNA、終止コドンを含んでいることが好ましい。また、シグナルペプチドをコードするDNA、エンハンサー配列、該タンパク質をコードする遺伝子の5'側および3'側の非翻訳領域、スプライシング接合部、ポリA付加シグナル、選択マーカー領域または複製可能単位などを含んでいてもよい。
B. Optical imaging method of gene expression <Production of gene expression vector>
When using animal cells, the expression vector preferably contains at least a promoter, a start codon, DNA encoding the protein of interest, and a stop codon. Also includes DNA encoding signal peptide, enhancer sequence, 5 'and 3' untranslated regions of gene encoding the protein, splicing junction, poly A addition signal, selectable marker region or replicable unit, etc. You may go out.

<細胞への遺伝子導入方法>
遺伝子を細胞へ導入する方法としては、塩化カルシウム法または塩化カルシウム/塩化ルビジウム法、リポフェクション法、エレクトロポレーション法などが挙げられる。本発明で使用される遺伝子導入した細胞には一過性発現細胞あるいは安定発現細胞のいずれもが含まれる。
<Gene transfer method into cells>
Examples of methods for introducing genes into cells include calcium chloride method or calcium chloride / rubidium chloride method, lipofection method, electroporation method and the like. The gene-introduced cells used in the present invention include both transiently expressing cells and stable expressing cells.

<刺激による遺伝子発現の光学イメージング>
本発明は例えば、下記のように実施することが出来る。
N末側ルシフェラーセ゛(NLuc)遺伝子(アミノ酸番号1−416)とマウスのId遺伝子(アミノ酸番号29−148)との融合遺伝子(NLuc-Id遺伝子)、およびC末側ルシフェラーセ゛(CLuc)遺伝子(アミノ酸番号398−550)とマウスのMyoD遺伝子(アミノ酸番号1−318)との融合遺伝子(MyoD-CLuc遺伝子)を作製する。図2に示すように、細胞内で発現したNLuc-Id遺伝子中のId遺伝子部位とMyoD-CLuc遺伝子中のMyoD遺伝子部位とが相互作用して結合すると、NLuc遺伝子とCLuc遺伝子とが結合し検出可能なシグナルを発する。
<Optical imaging of gene expression by stimulation>
The present invention can be implemented, for example, as follows.
N-terminal luciferase (NLuc) gene (amino acid number 1-416) and mouse Id gene (amino acid numbers 29-148) fusion gene (NLuc-Id gene), and C-terminal luciferase (CLuc) gene (amino acid number) 398-550) and a mouse MyoD gene (amino acid numbers 1-318) are prepared (MyoD-CLuc gene). As shown in FIG. 2, when the Id gene site in the NLuc-Id gene expressed in the cell interacts with the MyoD gene site in the MyoD-CLuc gene, the NLuc gene and the CLuc gene are bound and detected. Emits possible signals.

さらに、物質を細胞に接触させる刺激により発現が誘導される最初期遺伝子のフ゜ロモーター領域(例えば、c-fos遺伝子のフ゜ロモーター領域)に発現可能に連結されたNLuc-Id遺伝子とともに細胞特異的な発現をする遺伝子のフ゜ロモーター領域(例えば、神経細胞を観察したい場合には神経細胞特異的に発現するNSE(neuron-specific enolase)遺伝子のフ゜ロモーター領域を用い、ク゛リア細胞を観察したい場合にはク゛リア細胞特異的に発現するGFAP(glial fibrillary acidic protein)遺伝子のフ゜ロモーター領域を用いる)に発現可能に連結されたMyoD-CLuc遺伝子を従来の遺伝子導入方法を用いて混合培養した複数の細胞種からなる細胞群(例えば、神経細胞とク゛リア細胞との混合培養)に導入する。または、最初期遺伝子のフ゜ロモーター領域(例えば、c-fos遺伝子のフ゜ロモーター領域)に発現可能に連結されたMyoD-CLuc遺伝子とともに細胞特異的な発現をする遺伝子のフ゜ロモーター領域(例えば、神経細胞を観察したい場合には神経細胞特異的に発現するNSE(neuron-specific enolase)遺伝子のフ゜ロモーター領域を用い、ク゛リア細胞を観察したい場合にはク゛リア細胞特異的に発現するGFAP(glial fibrillary acidic protein)遺伝子のフ゜ロモーター領域を用いる)に発現可能に連結されたNLuc-Id遺伝子を従来の遺伝子導入方法を用いて混合培養した複数の細胞種からなる細胞群(例えば神経細胞とク゛リア細胞との混合培養)に導入する。   In addition, cell-specific expression is expressed together with the NLuc-Id gene operably linked to the promoter region of the early gene (for example, the promoter region of the c-fos gene) whose expression is induced by stimulation with the substance contacting the cell. If you want to observe neurons, use the promoter region of the NSE (neuron-specific enolase) gene, which is expressed specifically in nerve cells when you want to observe nerve cells. A cell group consisting of a plurality of cell types obtained by mixing and culturing a MyoD-CLuc gene operably linked to a GFAP (glial fibrillary acidic protein) gene expressed using a promoter region) Introduced into a mixed culture of neurons and glia cells). Alternatively, the promoter region of a gene that expresses cell-specifically together with the MyoD-CLuc gene operably linked to the promoter region of the initial gene (eg, the promoter region of the c-fos gene) In some cases, the NSE (neuron-specific enolase) gene promoter region expressed specifically in nerve cells is used. To observe glial cells, the GFAP (glial fibrillary acidic protein) gene promoter region expressed specifically in the glial cells The NLuc-Id gene operably linked to a cell group (for example, a mixed culture of nerve cells and glia cells) composed of a plurality of cell types mixed and cultured using a conventional gene transfer method.

遺伝子導入された細胞の定数(例えば、1〜1x109個、好ましくは1x103〜1x106個)は所望の細胞培養が可能な器具(例えば、シャーレ、多数のウェルを有するマルチプレートなど)を用いて所望の栄養培地(例えば、D-MEM培地など)中で培養する。この定数の細胞からなる試料を、あらかじめ細胞にとって最適な温度(例えば、25〜37℃、好ましくは35〜37℃)に保温し、試料の乾燥を防ぐため水を注入して保湿した発光顕微鏡の培養装置部に設置し、該発光顕微鏡の試料観察部にある対物レンズを通してデジタルカメラで発光イメージを記録する。前記の試料に、細胞に接触させて刺激を行なうための物質(例えば、化合物)を所望の濃度(例えば、1pM〜1M、好ましくは100nM〜1mM)で加えて、所望の時間間隔(例えば5分間〜5時間、好ましくは10分間〜1時間)で発光イメージを記録する。図3に示すように、NLuc-Id遺伝子(もしくはMyoD-CLuc遺伝子)が発現している特定の細胞Bにおいて、物質を細胞に接触させる刺激によりMyoD-CLuc遺伝子(もしくはNLuc-Id遺伝子)の発現が誘導されたときにルシフェラーセ゛の酵素活性が増強し検出可能なシク゛ナルを発するようになる。一方、該物質を細胞に接触させる刺激によりMyoD-CLuc遺伝子(もしくはNLuc-Id遺伝子)のみの発現が誘導された細胞Aでは検出可能なシク゛ナルを発しない。記録した画像は市販の画像解析ソフト(例えば、MetaMorph;ユニバーサルイメージング社製など)を用いて画像内の所望の領域における輝度値を取得する。さらに、発光イメージと同視野において明視野イメージを記録し、前記の画像解析ソフトを用いて発光イメージと明視野イメージを重ね合わせて、発光している細胞を同定する。 Use a device (for example, petri dish, multi-plate having many wells, etc.) capable of culturing a desired cell for the constant of the introduced cells (for example, 1 to 1 × 10 9 cells, preferably 1 × 10 3 to 1 × 10 6 cells) And cultured in a desired nutrient medium (eg, D-MEM medium). A sample of this constant number of cells is preliminarily kept at a temperature optimum for the cells (for example, 25 to 37 ° C., preferably 35 to 37 ° C.) and water is injected to prevent the sample from being dried. A luminescent image is recorded by a digital camera through an objective lens in a sample observation section of the luminescence microscope that is installed in the culture apparatus. A substance (for example, a compound) for stimulating by contacting cells is added to the sample at a desired concentration (for example, 1 pM to 1 M, preferably 100 nM to 1 mM), and a desired time interval (for example, 5 minutes) is added. -5 hours, preferably 10 minutes to 1 hour). As shown in FIG. 3, in a specific cell B in which the NLuc-Id gene (or MyoD-CLuc gene) is expressed, the expression of the MyoD-CLuc gene (or NLuc-Id gene) by stimulating the substance to contact the cell When induced, the enzyme activity of luciferase is enhanced and a detectable signal is emitted. On the other hand, no detectable signal is emitted in the cell A in which the expression of only the MyoD-CLuc gene (or NLuc-Id gene) is induced by the stimulation of contacting the substance with the cell. The recorded image uses a commercially available image analysis software (for example, MetaMorph; manufactured by Universal Imaging Co., Ltd.) to obtain a luminance value in a desired area in the image. Furthermore, a bright field image is recorded in the same field as the luminescent image, and the luminescent image and the bright field image are superimposed using the image analysis software described above to identify the luminescent cells.

以上の実施形態に記載された説明によれば、本発明は次に示すような各付記項に表現される発明であると理解できる。 According to the description described in the above embodiment, it can be understood that the present invention is an invention expressed in the following supplementary items.

付記項1
特定細胞において遺伝子発現を解析する方法であって、
特定の細胞で発現する遺伝子のプロモーター領域に発現可能に連結された不完全なレポーター遺伝子を細胞へ導入する工程と、
ある物質を細胞へ接触させる刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域に発現可能に連結された不完全なレポーター遺伝子を細胞へ導入する工程と、
細胞を生存し続けられる状態で維持する工程と、
細胞に前記の物質を接触させて刺激を行なう工程と、
刺激を行なった各細胞において発現した前記の不完全なレポーター遺伝子同士が結合することによって生ずる検出可能なシグナルを光学イメージングする工程と、
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの量を高いS/N比で、定量的に決定する工程と、
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルが検出された細胞を同定する工程
を含む、特定細胞において遺伝子発現を解析する方法。
付記項2
前記の特定の細胞で発現する遺伝子のプロモーター領域が神経細胞特異的に発現する遺伝子のプロモーター領域である付記項1に記載の方法。
付記項3
前記の神経細胞特異的に発現する遺伝子がNSE(neuron-specific enolase)遺伝子である付記項2に記載の方法。
付記項4
前記の特定の細胞で発現する遺伝子のプロモーター領域がグリア細胞特異的に発現する遺伝子のプロモーター領域である付記項1に記載の方法。
付記項5
前記のグリア細胞特異的に発現する遺伝子がGFAP(glial fibrillary acidic protein)遺伝子である付記項4に記載の方法。
付記項6
前記の刺激により発現が誘導されるプロモーター領域が最初期遺伝子のプロモーター領域である付記項1に記載の方法。
付記項7
前記の最初期遺伝子がヒト由来のc-fos遺伝子である付記項6に記載の方法。
付記項8
前記の不完全なレポーター遺伝子が発光タンパク質の遺伝子配列の一部を含む付記項1に記載の方法。
付記項9
前記の発光タンパク質が蛍由来のルシフェラーゼである付記項8に記載の方法。
付記項10
前記の発光タンパク質がウミシイタケ由来のルシフェラーゼである付記項8に記載の方法。
付記項11
前記のプロモーター領域に発現可能に連結された前記の不完全なレポーター遺伝子を細胞へ導入する付記項1に記載の方法
付記項12

前記の細胞へ接触させる物質がGタンパク質共役型受容体のリガンドである付記項1に記載の方法
付記項13
前記の細胞へ接触させる物質が血清である付記項1に記載の方法。
付記項14
前記の不完全なレポーター遺伝子同士が結合して生ずるシグナルを光学イメージングすることを特徴とする付記項1に記載の方法。
付記項15
前記の光学イメージングにおいて発光顕微鏡で撮像することを特徴とする付記項14に記載の方法。
付記項16
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの強度を輝度値に変換することを特徴とする付記項1に記載の方法。
付記項17
前記の細胞において発光顕微鏡で明視野像を撮像することを特徴とする付記項1に記載の方法。
付記項18
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの光学イメージング像と細胞の明視野像を重ね合わせてシグナルを生じている細胞を同定することを特徴とする付記項1に記載の方法。
Additional Item 1
A method for analyzing gene expression in specific cells,
Introducing into the cell an incomplete reporter gene operably linked to a promoter region of a gene expressed in a specific cell;
Introducing into the cell an incomplete reporter gene operably linked to the promoter region of the gene whose expression is induced by the stimulus of contacting a substance with the cell;
Maintaining the cells in a state where they can continue to survive;
A step of bringing the substance into contact with a cell for stimulation;
Optically imaging a detectable signal generated by binding of the incomplete reporter genes expressed in each stimulated cell;
Quantitatively determining the amount of signal generated by the reporter gene at a high S / N ratio;
A method for analyzing gene expression in a specific cell, comprising a step of identifying a cell in which a signal generated by the reporter gene is detected.
Additional Item 2
Item 2. The method according to Item 1, wherein the promoter region of a gene expressed in the specific cell is a promoter region of a gene expressed specifically in a nerve cell.
Additional Item 3
Item 3. The method according to Item 2, wherein the nerve cell-specific gene is an NSE (neuron-specific enolase) gene.
Additional Item 4
Item 2. The method according to Item 1, wherein the promoter region of a gene expressed in the specific cell is a promoter region of a gene expressed specifically in glial cells.
Additional Item 5
Item 5. The method according to item 4, wherein the glial cell-specific expression gene is a GFAP (glial fibrillary acidic protein) gene.
Additional Item 6
Item 2. The method according to Item 1, wherein the promoter region whose expression is induced by the stimulation is a promoter region of an early gene.
Additional Item 7
Item 7. The method according to Item 6, wherein the earliest gene is a human-derived c-fos gene.
Additional Item 8
Item 2. The method according to Item 1, wherein the incomplete reporter gene comprises a part of the gene sequence of the photoprotein.
Additional Item 9
Item 9. The method according to Item 8, wherein the photoprotein is firefly-derived luciferase.
Additional Item 10
Item 9. The method according to Item 8, wherein the photoprotein is Renilla luciferase.
Additional Item 11
Item 2. The method according to Item 1, wherein the incomplete reporter gene operably linked to the promoter region is introduced into a cell.
Additional Item 12

Item 2. The method according to Item 1, wherein the substance that contacts the cell is a ligand of a G protein-coupled receptor.
Additional Item 13
Item 2. The method according to Item 1, wherein the substance to be contacted with cells is serum.
Additional Item 14
Item 2. The method according to Item 1, wherein a signal generated by combining the incomplete reporter genes is optically imaged.
Additional Item 15
Item 15. The method according to Item 14, wherein imaging is performed with a light emission microscope in the optical imaging.
Additional Item 16
Item 2. The method according to Item 1, wherein the intensity of the signal generated by the reporter gene is converted into a luminance value.
Additional Item 17
Item 2. The method according to item 1, wherein a bright-field image is captured with a light emission microscope in the cell.
Additional Item 18
Item 2. The method according to Item 1, wherein a cell producing a signal is identified by superimposing an optical imaging image of a signal generated by the reporter gene and a bright field image of the cell.

本発明の方法および装置は、以下に説明するような別の態様への応用が有用である。 The method and apparatus of the present invention are useful for application to other embodiments as described below.

技術分野
この態様は、本発明において、リポーター遺伝子の発するシグナルを光学イメージングすることにより、単一細胞での遺伝子の発現量変化を解析する方法に関する。
TECHNICAL FIELD This aspect of the present invention relates to a method for analyzing a change in gene expression level in a single cell by optical imaging of a signal emitted by a reporter gene in the present invention.

背景となる技術
従来の光学イメージングによる遺伝子発現の解析方法としては、蛍光タンパク質をレポーター遺伝子として用いている(特表2004−500576)に示されているように、発現量を観察しようとする遺伝子のプロモーター領域の下流に緑色蛍光タンパク質(GFP)、あるいは青色蛍光タンパク質(BFP)、赤色蛍光タンパク質(RFP)の遺伝子を連結させた遺伝子発現ベクターを作製して細胞に導入し、それぞれの蛍光タンパク質に合った励起光を照射して得られる蛍光量を測定する。蛍光量は遺伝子の発現量に比例するため、目的の遺伝子の発現量を観察することが可能である。一方、生物発光を用いた遺伝子発現解析法として、特開2005−118050、特開2000−354500、特許第3643288に示されているように、Gタンパク質を介する刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域の下流にルシフェラーゼ遺伝子を連結させた遺伝子発現ベクターを作製して細胞に導入し、Gタンパク質を介する刺激を行なった後の細胞から発せられる光をルミノメーターにより検出する。発光量は遺伝子の発現量に比例するため、刺激により発現が誘導される遺伝子の発現量を観察することが可能である。
Background Art As a conventional method for analyzing gene expression by optical imaging, a fluorescent protein is used as a reporter gene (special table 2004-5000576). A gene expression vector in which green fluorescent protein (GFP), blue fluorescent protein (BFP), and red fluorescent protein (RFP) genes are linked downstream of the promoter region is prepared and introduced into cells. The amount of fluorescence obtained by irradiating the excited light is measured. Since the amount of fluorescence is proportional to the expression level of the gene, the expression level of the target gene can be observed. On the other hand, as a gene expression analysis method using bioluminescence, a promoter of a gene whose expression is induced by stimulation via G protein, as disclosed in JP-A-2005-111050, JP-A-2000-354500, and JP-A-36443288. A gene expression vector in which a luciferase gene is linked downstream of the region is prepared and introduced into a cell, and light emitted from the cell after stimulation via G protein is detected with a luminometer. Since the amount of luminescence is proportional to the expression level of the gene, it is possible to observe the expression level of the gene whose expression is induced by stimulation.

上記背景から生じる課題
蛍光タンパク質を用いた従来技術では、励起光照射による細胞への光毒性について考慮されておらず、細胞を生存し続けられる状態で維持するという点について対応することが出来ない。よって、この点に着目し、励起光を照射する必要が無いため細胞に傷害が少ない、生物発光を用いた単一細胞での遺伝子発現解析方法を提供することが課題となる。また、蛍光タンパク質を用いた従来技術では、励起光自身や細胞内物質の自家蛍光によるバックグラウンドについて考慮されておらず、レポーター遺伝子が生ずるシグナルの量を高いS/N比で、定量的に決定するという点について対応することが出来ない。よって、励起光が必要なく比較的バックグランドが少ない発光タンパクを利用する、生物発光を用いた単一細胞での遺伝子発現解析方法を提供することも課題となる。さらに、発光タンパク質を用いた従来技術では、レポーター遺伝子が生ずるシグナルを単一細胞において観察することについて考慮されておらず、レポーター遺伝子が生ずる検出可能なシグナルを光学イメージングするという点について対応することが出来ない。よって、この点に着目し、レポーター遺伝子が生ずるシグナルを発している細胞が同定出来るように発光顕微鏡で撮像する、生物発光を用いた単一細胞での遺伝子発現解析方法を提供することも課題となる。
Problems arising from the above background Conventional techniques using fluorescent proteins do not take into account phototoxicity to cells caused by irradiation with excitation light, and cannot cope with maintaining cells in a state where they can continue to survive. Therefore, paying attention to this point, it is an object to provide a method for analyzing gene expression in a single cell using bioluminescence, in which there is no need to irradiate excitation light, and thus there is little damage to cells. In addition, the conventional technology using fluorescent proteins does not consider the background of excitation light itself or autofluorescence of intracellular substances, and quantitatively determines the amount of signal generated by the reporter gene with a high S / N ratio. I cannot cope with the point of doing. Therefore, it is also an object to provide a method for analyzing gene expression in a single cell using bioluminescence, which uses a photoprotein that does not require excitation light and has a relatively low background. Furthermore, in the prior art using a photoprotein, it is not considered to observe a signal generated by a reporter gene in a single cell, and it is possible to cope with optical imaging of a detectable signal generated by a reporter gene. I can't. Therefore, focusing on this point, it is also an object to provide a method for analyzing gene expression in a single cell using bioluminescence, in which imaging is performed with a luminescence microscope so that cells emitting a signal generated by a reporter gene can be identified. Become.

上記課題を解決する手段と作用効果について
上記課題を解決するという目的を達成するために、後述するように、蛍(ほたる)またはウミシイタケなどのルシフェラーゼ遺伝子をレポーター遺伝子として用いることでシグナルの発生に励起光を照射する必要が無く、細胞への傷害を低減させ、なお且つ細胞内物質の自家蛍光などによるバックグランドを低減させた状態で光学イメージング出来ることを見出した。また、ルシフェラーゼ遺伝子をレポーター遺伝子として用いて細胞での遺伝子発現量の解析を行なう方法において、発光顕微鏡を用いて観察を行なった場合に、リガンド添加によりレポーター遺伝子の発現が単一細胞で光学イメージング出来ることを見出した。また、レポーター遺伝子の発現を制御するプロモーターとしてヒトc-fos遺伝子のプロモーター領域を用いることにより、ATPや血清をリガンドとして添加するとレポーター遺伝子産物の発現増加を単一細胞で光学イメージング出来ることを見出した。 さらに、発光イメージと同視野において細胞の明視野像を撮像して画像同士を重ね合わせ、発光イメージが得られた細胞を同定することで、単一細胞での遺伝子発現量の経時的変化を得ることが可能であることを見出し、発明を完成できた。
In order to achieve the purpose of solving the above-mentioned problems with respect to means and action effects to solve the above-mentioned problems, as described later, a luciferase gene such as firefly or Renilla is used as a reporter gene to excite the generation of a signal. The present inventors have found that optical imaging can be performed in a state where there is no need to irradiate light, damage to cells is reduced, and background due to autofluorescence of intracellular substances is reduced. In addition, in a method of analyzing gene expression level in cells using a luciferase gene as a reporter gene, when observation is performed using a luminescence microscope, expression of the reporter gene can be optically imaged in a single cell by adding a ligand. I found out. In addition, by using the promoter region of the human c-fos gene as a promoter to control the expression of the reporter gene, it was found that when ATP or serum was added as a ligand, increased expression of the reporter gene product could be optically imaged in a single cell. . Furthermore, by capturing bright-field images of cells in the same field of view as the luminescent image, overlaying the images, and identifying the cell from which the luminescent image was obtained, the change in gene expression over time in a single cell is obtained. We have found that this is possible and have completed the invention.

A.語句の定義
<刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域>
本発明におけるプロモーター領域としては、最初期遺伝子のプロモーターが挙げられる。本発明で用いられる最初期遺伝子のプロモーターとしては、例えば、c-fosプロモーター領域が挙げられる。また、本発明で用いられるプロモーターとしては、前記プロモーターの任意の動物種の対応物も含まれる。ここでプロモーター領域とは、プロモーター活性を有するために必要な最小の塩基配列を含む任意の領域を意味する。例えば、該遺伝子の転写部位に対して上流500から2000塩基の領域の一部または全部を用いることができる。
A. Definition of phrase <Promoter region of a gene whose expression is induced by stimulation>
Examples of the promoter region in the present invention include an early gene promoter. Examples of the promoter of the early gene used in the present invention include the c-fos promoter region. In addition, the promoter used in the present invention includes a counterpart of any animal species of the promoter. Here, the promoter region means an arbitrary region containing the minimum base sequence necessary for having promoter activity. For example, a part or all of the region of 500 to 2000 bases upstream from the transcription site of the gene can be used.

<レポーター遺伝子>
本発明におけるレポーター遺伝子は、検出可能な蛍光を発するレポータータンパク質をコードする遺伝子を意味する。例えば、蛍もしくはウミシイタケなどに由来するルシフェラーゼを挙げることができる。さらには、例えば、βガラクトシダーゼをコードする遺伝子、アルカリホスファターゼをコードする遺伝子を挙げることができる。
<Reporter gene>
The reporter gene in the present invention means a gene encoding a reporter protein that emits detectable fluorescence. For example, luciferase derived from firefly or Renilla can be mentioned. Furthermore, the gene which codes (beta) galactosidase and the gene which codes alkaline phosphatase can be mentioned, for example.

<物質>
下記に説明する発明において使用される「物質」とは、自然界に存在する天然の物質あるいは人工的に調製される任意の物質を意味する。具体的には、例えば、化学的に合成された任意の化合物を挙げることができる。該化合物の種類および分子量などについては特に限定されない。該物質がタンパク質、またはペプチドである場合には、生体組織や細胞から単離されるもの、および遺伝子組換えや化学的合成により調製されるものも含まれる。さらにまた、それらの化学修飾体も含まれる。
<Substance>
The “substance” used in the invention described below means a natural substance existing in nature or any substance prepared artificially. Specifically, for example, any compound synthesized chemically can be mentioned. The type and molecular weight of the compound are not particularly limited. When the substance is a protein or peptide, those isolated from living tissues and cells and those prepared by genetic recombination or chemical synthesis are also included. Furthermore, those chemical modifications are also included.

<リガンド>
本発明に使用されるGタンパク質共役型受容体のリガンドとは、Gタンパク質共役型受容体と相互作用する任意のアゴニストまたは該受容体の任意のアンタゴニストを意味する。
<Ligand>
The ligand of the G protein-coupled receptor used in the present invention means any agonist that interacts with the G protein-coupled receptor or any antagonist of the receptor.

<光学イメージング>
本発明における光学イメージングとは、レポーター遺伝子を導入した細胞において、レポーター遺伝子により発せられる検出可能なシグナルの存在、不在または強度をモニタリング、記録および分析するイメージング方法を意味する。光学イメージングを達成するためには、レポーター遺伝子により発せられるシグナルの強度が、シグナルを細胞の外部から分析することができるように、十分に高くなくてはならない。光学イメージングは自動化に容易に適用可能であることから、多数の遺伝子発現を同時にモニタリングするのに用いることができる。
<Optical imaging>
Optical imaging in the present invention means an imaging method for monitoring, recording and analyzing the presence, absence or intensity of a detectable signal emitted by a reporter gene in a cell into which the reporter gene has been introduced. In order to achieve optical imaging, the intensity of the signal emitted by the reporter gene must be high enough so that the signal can be analyzed from outside the cell. Since optical imaging is readily applicable to automation, it can be used to monitor multiple gene expressions simultaneously.

B.遺伝子発現の光学イメージング方法
<遺伝子発現ベクターの作製>
動物細胞を用いる場合、発現ベクターは少なくともプロモーター、開始コドン、目的のタンパク質をコードするDNA、終止コドンを含んでいることが好ましい。また、シグナルペプチドをコードするDNA、エンハンサー配列、該タンパク質をコードする遺伝子の5'側および3'側の非翻訳領域、スプライシング接合部、ポリA付加シグナル、選択マーカー領域または複製可能単位などを含んでいてもよい。
B. Optical imaging method of gene expression <Production of gene expression vector>
When using animal cells, the expression vector preferably contains at least a promoter, a start codon, DNA encoding the protein of interest, and a stop codon. Also includes DNA encoding signal peptide, enhancer sequence, 5 'and 3' untranslated regions of gene encoding the protein, splicing junction, poly A addition signal, selectable marker region or replicable unit, etc. You may go out.

<細胞への遺伝子導入方法>
遺伝子を細胞へ導入する方法としては、塩化カルシウム法または塩化カルシウム/塩化ルビジウム法、リポフェクション法、エレクトロポレーション法などが挙げられる。本発明で使用される遺伝子導入した細胞には一過性発現細胞あるいは安定発現細胞のいずれもが含まれる。
<Gene transfer method into cells>
Examples of methods for introducing genes into cells include calcium chloride method or calcium chloride / rubidium chloride method, lipofection method, electroporation method and the like. The gene-introduced cells used in the present invention include both transiently expressing cells and stable expressing cells.

<刺激による遺伝子発現の光学イメージング>
本発明は例えば、下記のように実施することが出来る。
細胞の定数(例えば、該物質を細胞に接触させる刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域(好ましくは、c-fos遺伝子のプロモーター領域)に発現可能に連結されたレポーター遺伝子(好ましくは蛍もしくはウミシイタケなどに由来するルシフェラーゼ)を前記の遺伝子導入方法を用いて細胞に導入する。得られた前記の遺伝子導入された細胞の定数(例えば、1〜1x109個、好ましくは1x103〜1x106個)を所望の細胞培養が可能な器具(例えば、シャーレ、多数のウェルを有するマルチプレートなど)を用いて所望の栄養培地(例えば、D-MEM培地など)中で培養する。この定数の細胞からなる試料を、あらかじめ細胞にとって最適な温度(例えば、25〜37℃、好ましくは35〜37℃)に保温し、試料の乾燥を防ぐため水を注入して保湿した発光顕微鏡の培養装置部に設置し、該発光顕微鏡の試料観察部にある対物レンズを通してデジタルカメラで発光イメージを記録する。前記の試料に、細胞に接触させて刺激を行なうための物質(例えば、化合物)を所望の濃度(例えば、1pM〜1M、好ましくは100nM〜1mM)で加えて、所望の時間間隔(例えば5分間〜5時間、好ましくは10分間〜1時間)で発光イメージを記録する。記録した画像を市販の画像解析ソフト(例えば、MetaMorph;ユニバーサルイメージング社製など)を用いて画像内の所望の領域における輝度値を取得する。さらに、発光イメージと同視野において明視野イメージを記録し、前記の画像解析ソフトを用いて発光イメージと明視野イメージを重ね合わせて、発光している細胞を同定する。
<Optical imaging of gene expression by stimulation>
The present invention can be implemented, for example, as follows.
A reporter gene (preferably a firefly or a reporter gene) operably linked to a cell constant (for example, a promoter region of a gene whose expression is induced by stimulation with which the substance is brought into contact with the cell (preferably, the promoter region of the c-fos gene)) A luciferase derived from Renilla, etc. is introduced into a cell using the above-described gene introduction method, and constants (for example, 1 to 1 × 10 9 cells, preferably 1 × 10 3 to 1 × 10 6 cells) of the obtained cells into which the gene has been introduced are obtained. ) Is cultured in a desired nutrient medium (eg, D-MEM medium) using an apparatus capable of culturing the desired cell (eg, petri dish, multi-plate having a large number of wells, etc.) In advance, keep the sample at a temperature optimal for the cells (for example, 25 to 37 ° C, preferably 35 to 37 ° C), and inject water to prevent the sample from drying. A luminescence image is recorded by a digital camera through an objective lens in a sample observation section of the luminescence microscope, and a substance for stimulating the sample by contacting the cell (for example, , Compound) at a desired concentration (eg, 1 pM to 1 M, preferably 100 nM to 1 mM), and recording a luminescent image at a desired time interval (eg, 5 minutes to 5 hours, preferably 10 minutes to 1 hour). The brightness value in the desired area in the image is acquired using commercially available image analysis software (for example, MetaMorph; manufactured by Universal Imaging Co., Ltd.), and the bright field image is recorded in the same field of view as the emission image. Then, the light emitting image and the bright field image are superimposed using the image analysis software to identify the light emitting cells.

実施例1
<c-fosプロモーター−ルシフェラーゼレポーター遺伝子の構築>
c-fosプロモーター−ルシフェラーゼレポーター遺伝子を以下のようにして構築した。ヒトゲノミックDNAを鋳型として、プライマーfos pro Fw(5'-AGCTCGAGAGCAGTTCCCGTCAATCCCT-3')およびプライマーfos pro Rv( 5'-CAAAGCTTTGCAGAAGTCCTAGAACAA-3')を用いてPCRを行ない、c-fos遺伝子のプロモーター領域(転写開始部位に対して-363〜+1,067)を増幅した。増幅されたDNA断片を制限酵素XhoIおよびHindIIIにて消化した。
発現ベクターpGL3-Basicベクター(Promega社)を制限酵素XhoIおよびHindIIIにて消化し、上記のDNA断片をpGL3-Basicベクターにクローン化した。(以下、レポーター遺伝子発現ベクター(pGL3−fos)と記載することもある。)
Example 1
<Construction of c-fos promoter-luciferase reporter gene>
A c-fos promoter-luciferase reporter gene was constructed as follows. Using human genomic DNA as a template, PCR was performed using primer fos pro Fw (5'-AGCTCGAGAGCAGTTCCCGTCAATCCCT-3 ') and primer fos pro Rv (5'-CAAAGCTTTGCAGAAGTCCTAGAACAA-3'), and the promoter region of the c-fos gene (transcription) -363 to +1,067) was amplified relative to the start site. The amplified DNA fragment was digested with restriction enzymes XhoI and HindIII.
The expression vector pGL3-Basic vector (Promega) was digested with restriction enzymes XhoI and HindIII, and the above DNA fragment was cloned into the pGL3-Basic vector. (Hereinafter, it may be described as a reporter gene expression vector (pGL3-fos).)

実施例2
<ATPをリガンドとして細胞を刺激したときのレポーター遺伝子の発現量変化>
ATPを細胞刺激のリガンドとして用いた時のレポーター遺伝子の発現量変化測定の例を以下に示す。
HeLa細胞をガラスボトムディッシュ(径35mm;IWAKI製)に1x105細胞/ディッシュとなるようにまいた。増殖培地には、10%の牛胎児血清を含むD-MEMを用いた。該細胞を37℃で1日培養後に、リポフェクトアミン2000試薬(インビトロゲン製)を用いて、メーカーの説明書に従いレポーター遺伝子発現ベクターを細胞へ導入した。約2時間後に遺伝子導入液を捨て、増殖培地を加えて37℃で16時間以上培養した。増殖培地を無血清培地(牛胎児血清を含まないD-MEM)に交換して37℃で16時間以上培養した。該細胞を培養している培養器を、あらかじめ35〜37℃に設定しておいた発光顕微鏡の培養装置部内に設置し、試料観察部を操作して該細胞にフォーカスを合わせた。ルシフェリンを終濃度1mMとなるように加えて1時間以上静置した後、ATPを終濃度100μMとなるように加えた。デジタルカメラ(DP30;オリンパス製)の操作用ソフト(DPコントローラ;オリンパス製)を用いて該細胞の明視野画像を取り込み、記録を行なった。発光イメージはデジタルカメラに1分間露光したものを5回加算することで得た。発光イメージは10分おきに取得したものをコンピューターで取り込み、記録を行なった。画像解析ソフト(Metamorph;ユニバーサルイメージング製)を用いて発光イメージの輝度値を求め、また発光イメージと明視野画像を重ね合わせて発光している細胞を同定した。
Example 2
<Change in expression level of reporter gene when cells are stimulated with ATP as a ligand>
An example of measuring the change in the expression level of a reporter gene when ATP is used as a ligand for cell stimulation is shown below.
HeLa cells were spread on a glass bottom dish (diameter 35 mm; manufactured by IWAKI) at 1 × 10 5 cells / dish. D-MEM containing 10% fetal bovine serum was used as the growth medium. After culturing the cells at 37 ° C. for 1 day, a reporter gene expression vector was introduced into the cells using Lipofectamine 2000 reagent (Invitrogen) according to the manufacturer's instructions. After about 2 hours, the gene transfer solution was discarded, and a growth medium was added, followed by culturing at 37 ° C. for 16 hours or more. The growth medium was replaced with a serum-free medium (D-MEM not containing fetal calf serum) and cultured at 37 ° C. for 16 hours or more. The incubator in which the cells were cultured was placed in a culture apparatus part of a luminescence microscope that had been set to 35 to 37 ° C. in advance, and the sample observation part was operated to focus the cells. Luciferin was added to a final concentration of 1 mM and allowed to stand for 1 hour or longer, and then ATP was added to a final concentration of 100 μM. Using a digital camera (DP30; Olympus) operation software (DP controller; Olympus), bright-field images of the cells were captured and recorded. The luminescence image was obtained by adding 5 times of exposure to a digital camera for 1 minute. Luminescent images obtained every 10 minutes were captured by a computer and recorded. The luminance value of the luminescent image was obtained using image analysis software (Metamorph; manufactured by Universal Imaging), and the luminescent image and the bright field image were superimposed to identify the luminescent cells.

図4に、この実施例2で同定を行なった際の重ね合わせ画像を示す。ここにおいて、細胞の明視野画像を図4−1、同視野で取得した発光イメージを図4−2、明視野画像と発光イメージを画像解析ソフト上で重ね合わせた画像を図4−3に示した。この重ね合わせ画像により、発光している細胞の位置や形態が確認出来た。 FIG. 4 shows a superimposed image when identification is performed in the second embodiment. Here, the bright field image of the cell is shown in FIG. 4-1, the emission image acquired in the same field is shown in FIG. 4-2, and the bright field image and the emission image superimposed on the image analysis software are shown in FIG. 4-3. It was. From this superimposed image, the position and form of the luminescent cells could be confirmed.

図5に示すように、レポーター遺伝子産物であるルシフェラーゼの活性はATPを接触させる刺激に応じて一過性に上昇する様子が単一細胞で観察出来た。しかし、刺激を行なってからルシフェラーゼの活性がピークに達するまでに要する時間や、ピーク時の活性量は細胞間でばらついていることが明らかに出来た。 As shown in FIG. 5, it was observed that the activity of luciferase, which is a reporter gene product, transiently increased in response to a stimulus that contacted ATP in a single cell. However, it was clarified that the time required for the luciferase activity to reach its peak after stimulation and the amount of activity at the peak varied between cells.

実施例3
<血清により細胞を刺激したときのレポーター遺伝子の発現量変化>
牛胎児血清を細胞刺激のリガンドとして用いた時のレポーター遺伝子の発現量変化測定の例を以下に示す。使用したリガンドが異なる以外、他の条件は実施例2と同様に行なった。牛胎児血清刺激は終濃度10%で行なった。
Example 3
<Change in expression level of reporter gene when cells are stimulated with serum>
An example of measurement of change in the expression level of a reporter gene when fetal bovine serum is used as a ligand for cell stimulation is shown below. Other conditions were the same as in Example 2 except that the ligand used was different. Fetal calf serum stimulation was performed at a final concentration of 10%.

図6に、この実施例3で同定を行なった際の重ね合わせ画像を示す。ここにおいて、細胞の明視野画像を図6−1、同視野で取得した発光イメージを図6−2、明視野画像と発光イメージを画像解析ソフト上で重ね合わせた画像を図6−3に示した。発光している細胞の位置や形態が確認出来た。 FIG. 6 shows a superimposed image when identification is performed in the third embodiment. Here, a bright field image of a cell is shown in FIG. 6-1, a luminescence image acquired in the same field is shown in FIG. 6-2, and an image obtained by superimposing the bright field image and the luminescence image on image analysis software is shown in FIG. It was. The position and form of the luminescent cells were confirmed.

図7に示すように、レポーター遺伝子産物であるルシフェラーゼの活性は牛胎児血清を接触させる刺激に応じて一過性に上昇する様子が単一細胞において観察できた。しかし、刺激を行なってからルシフェラーゼの活性がピークに達するまでに要する時間や、ピーク時の活性量は、実施例2のATPの刺激と同様、細胞間でばらついていることが明らかに出来た。 As shown in FIG. 7, it was observed in single cells that the activity of luciferase, which is a reporter gene product, increased transiently in response to stimulation with fetal calf serum. However, it was clarified that the time required for the luciferase activity to reach the peak after stimulation and the amount of activity at the peak varied among the cells as in the ATP stimulation of Example 2.

以上の実施例1〜3に記載された説明によれば、本発明は次に示すような各付記項に表現される発明であると理解できる。 According to the description described in the first to third embodiments, it can be understood that the present invention is an invention expressed in the following supplementary items.

付記項19
刺激に対する遺伝子の発現量変化を単一細胞において解析する方法であって、
ある物質を細胞へ接触させる刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域に発現可能に連結されたレポーター遺伝子を細胞へ導入する工程と、
細胞を生存し続けられる状態で維持する工程と、
細胞に前記の物質を接触させて刺激を行なう工程と、
刺激を行なった各細胞において発現した前記のレポーター遺伝子が生ずる検出可能なシグナルを光学イメージングする工程と、
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの量を高いS/N比で、定量的に決定する工程と、
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルが検出された細胞を同定する工程
を含む、遺伝子発現量変化を単一細胞において解析する方法。
付記項20
前記のプロモーター領域が最初期遺伝子のプロモーター領域である付記項19に記載の方法。
付記項21
前記の最初期遺伝子がヒト由来のc-fos遺伝子である付記項20に記載の方法。
付記項22
前記のレポーター遺伝子が発光タンパク質である付記項19に記載の方法。
付記項23
前記の発光タンパク質が蛍由来のルシフェラーゼである付記項22に記載の方法。
付記項24
前記の発光タンパク質がウミシイタケ由来のルシフェラーゼである付記項22に記載の方法。
付記項25
前記のプロモーター領域に発現可能に連結された前記のレポーター遺伝子を細胞へ導入する付記項19に記載の方法
付記項26
前記の細胞へ接触させる物質がGタンパク質共役型受容体のリガンドである付記項19に記載の方法
付記項27
前記のGタンパク質共役型受容体のリガンドが核酸である付記項26に記載の方法。
付記項28
前記の核酸がアデノシン三リン酸である付記項26に記載の方法。
付記項29
前記の細胞へ接触させる物質が血清である付記項19に記載の方法。
付記項30
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルを光学イメージングすることを特徴とする付記項19に記載の方法。
付記項31
前記の光学イメージングにおいて発光顕微鏡で撮像することを特徴とする付記項30に記載の方法。
付記項32
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの強度を輝度値に変換することを特徴とする付記項19に記載の方法。
付記項33
前記の細胞において発光顕微鏡で明視野像を撮像することを特徴とする付記項19に記載の方法。
付記項34
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの光学イメージング像と細胞の明視野像を重ね合わせてシグナルを生じている細胞を同定することを特徴とする付記項19に記載の方法。
Additional Item 19
A method for analyzing changes in gene expression level in response to a stimulus in a single cell,
Introducing into the cell a reporter gene operably linked to the promoter region of the gene whose expression is induced by the stimulus of contacting a substance with the cell;
Maintaining the cells in a state where they can continue to survive;
A step of stimulating cells by contacting the substance with the substance,
Optical imaging of a detectable signal produced by the reporter gene expressed in each stimulated cell;
Quantitatively determining the amount of signal generated by the reporter gene at a high S / N ratio;
A method for analyzing a change in gene expression level in a single cell, comprising a step of identifying a cell in which a signal generated by the reporter gene is detected.
Additional Item 20
Item 20. The method according to Item 19, wherein the promoter region is a promoter region of an early gene.
Additional Item 21
Item 20. The method according to Item 20, wherein the initial gene is a human-derived c-fos gene.
Additional Item 22
Item 201. The method according to Item 19, wherein the reporter gene is a photoprotein.
Additional Item 23
Item 22. The method according to Item 22, wherein the photoprotein is firefly-derived luciferase.
Additional Item 24
Item 22. The method according to Item 22, wherein the photoprotein is Renilla luciferase.
Additional Item 25
Item 20. The method according to Item 19, wherein the reporter gene operably linked to the promoter region is introduced into a cell.
Additional Item 26
Item 20. The method according to Item 19, wherein the substance brought into contact with the cell is a ligand of a G protein-coupled receptor.
Additional Item 27
Item 27. The method according to Item 26, wherein the ligand of the G protein-coupled receptor is a nucleic acid.
Additional Item 28
Item 27. The method according to Item 26, wherein the nucleic acid is adenosine triphosphate.
Addendum 29
Item 20. The method according to Item 19, wherein the substance that is brought into contact with the cell is serum.
Additional Item 30
Item 20. The method according to Item 19, wherein the signal generated by the reporter gene is optically imaged.
Additional Item 31
Item 31. The method according to Item 30, wherein imaging is performed with a light emission microscope in the optical imaging.
Additional Item 32
Item 201. The method according to Item 19 wherein the intensity of the signal generated by the reporter gene is converted into a luminance value.
Additional Item 33
Item 20. The method according to item 19, wherein a bright-field image is captured with a light emission microscope in the cell.
Additional Item 34
Item 20. The method according to Item 19, wherein a cell producing a signal is identified by superimposing an optical imaging image of a signal generated by the reporter gene and a bright field image of the cell.

本発明の解析方法を実施するための装置の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the apparatus for enforcing the analysis method of this invention. 本発明の態様において、細胞内で発現したNLuc-Id遺伝子中のId遺伝子部位とMyoD-CLuc遺伝子中のMyoD遺伝子部位との相互作用を示す図である。In the embodiment of the present invention, it is a diagram showing the interaction between the Id gene site in the NLuc-Id gene expressed in cells and the MyoD gene site in the MyoD-CLuc gene. NLuc-Id遺伝子(もしくはMyoD-CLuc遺伝子)が発現している細胞Bにおける刺激物質を用いた誘導を示す図である。It is a figure which shows the induction | guidance | derivation using the stimulating substance in the cell B in which NLuc-Id gene (or MyoD-CLuc gene) is expressing. 別の態様における実施例2で同定を行なった際の明視野画像を示す図である。It is a figure which shows the bright-field image at the time of identifying in Example 2 in another aspect. 実施例2で同定を行なった際の発光イメージを示す図である。It is a figure which shows the light emission image at the time of identifying in Example 2. FIG. 図2−1および図2−2の各画像を重ね合わせた画像を示す図である。It is a figure which shows the image which overlap | superposed each image of FIGS. 2-1 and 2-2. ATPによる刺激後の経過時間ごとにルシフェラーゼ活性を解析した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having analyzed the luciferase activity for every elapsed time after the stimulation by ATP. 実施例3で同定を行なった際の明視野画像を示す図である。6 is a diagram showing a bright field image when identification is performed in Example 3. FIG. 実施例3で同定を行なった際の発光イメージを示す図である。It is a figure which shows the light emission image at the time of identifying in Example 3. FIG. 図4−1および図4−2の各画像を重ね合わせた画像を示す図である。It is a figure which shows the image which overlap | superposed each image of FIGS. 4-1 and FIGS. 4-2. 血清による刺激後の経過時間ごとにルシフェラーゼ活性を解析した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having analyzed luciferase activity for every elapsed time after stimulation by serum.

符号の説明Explanation of symbols

1:サンプル
2:対物レンズ
3:集光レンズ
4:CCDカメラ
5:モニタ
6:ズームレンズ


1: Sample 2: Objective lens 3: Condensing lens 4: CCD camera 5: Monitor 6: Zoom lens


Claims (10)

特定の細胞で発現する遺伝子のプロモーター領域に対して発現可能に連結された第1の不完全なレポーター遺伝子と、ある物質を細胞へ接触させる刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域に発現可能に連結された第2の不完全なレポーター遺伝子とを導入させた細胞を含む試料を、撮像手段の撮像視野内に配置する工程と、
前記試料に前記物質を接触させて刺激を行なう工程と、
刺激に行った細胞において発現した前記の第1のレポーター遺伝子および第2のレポーター遺伝子間の相互作用に基づく検出可能なシグナルを前記撮像手段により光学イメージングするとともに、前記レポーター遺伝子が生ずるシグナルの量を定量的に決定する光学的処理工程とを備え、
前記光学的処理工程が微弱光を画像解析可能な画像を生成する工程をさらに有することを特徴とする微弱光解析方法。
Can be expressed in the first incomplete reporter gene operably linked to the promoter region of a gene expressed in a specific cell, and in the promoter region of a gene whose expression is induced by a stimulus that contacts a substance with the cell Placing a sample containing cells into which a second incomplete reporter gene linked to is within the imaging field of the imaging means;
Performing the stimulation by bringing the substance into contact with the sample;
The imaging means optically images a detectable signal based on the interaction between the first reporter gene and the second reporter gene expressed in the stimulated cell, and the amount of the signal generated by the reporter gene is determined. An optical processing step for quantitative determination,
The weak light analysis method, wherein the optical processing step further includes a step of generating an image capable of image analysis of weak light.
前記の第1のレポーター遺伝子のプロモーター領域は、神経細胞において特異的に発現する遺伝子のプロモーター領域であることを特徴とする請求項1に記載の微弱光解析方法。 The weak light analysis method according to claim 1, wherein the promoter region of the first reporter gene is a promoter region of a gene that is specifically expressed in a nerve cell. 前記の神経細胞において特異的に発現する遺伝子がNSE(neuton-specifec enolase)遺伝子であることを特徴とする請求項2に記載の微弱光解析方法。 The weak light analysis method according to claim 2, wherein the gene specifically expressed in the nerve cell is an NSE (neuton-specifec enolase) gene. 前記のレポーター遺伝子が発光タンパク質であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の微弱光解析方法。 The weak light analysis method according to any one of claims 1 to 3, wherein the reporter gene is a photoprotein. 前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの強度を輝度値に変換することを特徴とする請求項4に記載の微弱光解析方法。 The weak light analysis method according to claim 4, wherein the intensity of a signal generated by the reporter gene is converted into a luminance value. 前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの光学イメージング像と細胞の明視野像を重ね合わせすることを特徴とする請求項4に記載の微弱光解析方法。 The weak light analysis method according to claim 4, wherein an optical imaging image of a signal generated by the reporter gene and a bright field image of a cell are superimposed. 前記の撮像手段が、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上である対物レンズを用いることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の微弱光解析方法。 2. The objective lens according to claim 1, wherein the imaging means uses an objective lens having a square value of (NA ÷ β) expressed by a numerical aperture (NA) and a projection magnification (β) of 0.01 or more. The weak light analysis method in any one of -6. 前記の(NA÷β)の2乗の値が0.039以上であることを特徴とする請求項7に記載の微弱光解析方法。 The weak light analysis method according to claim 7, wherein the square of (NA ÷ β) is 0.039 or more. 前記の(NA÷β)の2乗の値が0.071以上であることを特徴とする請求項8に記載の微弱光解析方法。 The weak light analysis method according to claim 8, wherein the square of (NA ÷ β) is 0.071 or more. 前記の光学イメージングを、高い開口数(NA)の対物レンズを用いて、短かい時間間隔で実行することを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の微弱光解析方法。
The weak light analysis method according to claim 7, wherein the optical imaging is performed at a short time interval using an objective lens having a high numerical aperture (NA).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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