JP2010268793A - Method for detecting intermolecular interaction - Google Patents

Method for detecting intermolecular interaction Download PDF

Info

Publication number
JP2010268793A
JP2010268793A JP2010099460A JP2010099460A JP2010268793A JP 2010268793 A JP2010268793 A JP 2010268793A JP 2010099460 A JP2010099460 A JP 2010099460A JP 2010099460 A JP2010099460 A JP 2010099460A JP 2010268793 A JP2010268793 A JP 2010268793A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mutant
reaction
enzyme
molecules
zif12
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2010099460A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5754795B2 (en
Inventor
Hiroshi Ueda
上田  宏
Masaki Ihara
正喜 伊原
Yuki Matsuyama
有紀 松山
Toshihiro Mori
寿弘 森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Corp
University of Tokyo NUC
Original Assignee
Fujifilm Corp
University of Tokyo NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujifilm Corp, University of Tokyo NUC filed Critical Fujifilm Corp
Priority to JP2010099460A priority Critical patent/JP5754795B2/en
Publication of JP2010268793A publication Critical patent/JP2010268793A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5754795B2 publication Critical patent/JP5754795B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/66Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving luciferase

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Enzymes And Modification Thereof (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method which shows a high protein stability, a high reconstitution efficiency and a high specific activity and enables quick detection of an intermolecular interaction or approach, even in a case of using a minor amount of molecules. <P>SOLUTION: The method for detecting an intermolecular interaction or approach comprises: contacting a first molecule, in which a first variant, that is a variant of a reporter enzyme having a two-stage enzymatic reaction mechanism and the reaction in the first stage being the rate-determining step, is bonded to one of two kinds of molecules to be analyzed, with a second molecule, in which a second variant, that is a variant of the reporter enzyme having a two-stage enzymatic reaction mechanism and the reaction in the second stage being the rate-determining step, is bonded to the other of the two kinds of molecules to be analyzed; and detecting the presence or absence of the progress of the enzymatic reaction catalyzed by the reporter enzyme. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体を用いた分子間の相互作用又は接近の検出方法に関する。   The present invention relates to a method for detecting interaction or proximity between molecules using a mutant of a reporter enzyme having a two-step enzyme reaction mechanism.

多くの生体内プロセスは、非共有結合により形成される蛋白質複合体によって制御されていることから、生体内における蛋白質間の相互作用を解明することは重要である。蛋白質間の相互作用を解析する方法としては、(1)酵母ツーハイブリッド法、(2)蛋白質の再構成と共にレポーター蛋白の切断を介在させる方法、(3)プロテインスプライシングを利用した方法、(4)蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)、及び(5)PCA法(プロテイン・フラグメント・コンプリメンテーション・アッセイ)などが知られている。以下、これらの解析方法について説明する。   Since many in vivo processes are controlled by protein complexes formed by non-covalent bonds, it is important to elucidate interactions between proteins in vivo. Methods for analyzing protein-protein interactions include (1) yeast two-hybrid method, (2) method of mediating reporter protein cleavage along with protein reconstitution, (3) method using protein splicing, (4) Fluorescence resonance energy transfer (FRET) and (5) PCA method (protein fragment complementation assay) are known. Hereinafter, these analysis methods will be described.

(1)酵母ツーハイブリッド法
酵母Gal4は、N末端側のDNA結合ドメイン(DBD)とC末端側の転写活性化ドメイン(AD)からなる転写制御因子である。両ドメインは自律的に機能し、DBDは単独でDNAに結合できるが転写の活性化は起こせず、ADはDNAに結合できないが、転写を活性化できる。この性質を応用して開発されたのが酵母ツーハイブリッド法である。即ち、Gal4のDBDに目的の蛋白質を融合した蛋白質(ベイト)と、Gal4のADに別の蛋白質を融合した蛋白質(プレイ)を酵母細胞に導入した場合、ベイトとプレイとが核内で相互作用すれば、酵母細胞内で転写制御複合体が再構成され、Gal4結合部位依存的に転写が活性化されることになる。この活性をレポーター遺伝子を用いて検出することにより、ベイト及びプレイの間の相互作用を容易に評価できる。しかし、酵母ツーハイブリッド法は、核内での人工的な蛋白質会合を反映したものであり、現実の生命現象とは異なる場合もあることや、擬陽性が多い、リアルタイム計測が困難、細胞内でしか測定できないという欠点がある。
(1) Yeast two-hybrid method Yeast Gal4 is a transcriptional regulatory factor comprising an N-terminal DNA binding domain (DBD) and a C-terminal transcription activation domain (AD). Both domains function autonomously, DBD can bind to DNA alone but transcription does not occur, and AD cannot bind to DNA, but can activate transcription. The yeast two-hybrid method was developed by applying this property. That is, when a protein (bait) in which the target protein is fused to the Gal4 DBD and a protein (prey) in which another protein is fused to the Gal4 AD are introduced into yeast cells, the bait and prey interact in the nucleus. Then, the transcription control complex is reconstituted in the yeast cell, and transcription is activated depending on the Gal4 binding site. By detecting this activity using a reporter gene, the interaction between bait and prey can be easily evaluated. However, the yeast two-hybrid method reflects artificial protein association in the nucleus, and may differ from actual life phenomena, and there are many false positives, real-time measurement is difficult, and only in cells. There is a disadvantage that it cannot be measured.

(2)蛋白質の再構成と共にレポーター蛋白質の切断を介在させる方法
ユビキチンは76アミノ酸からなる小さな蛋白で、プロテアソームを介する不要蛋白質の分解に関係する。真核細胞では、ユビキチンが蛋白質に結合すると、ユビキチン結合蛋白質(UBP)により、迅速にユビキチン−蛋白質結合部位で切断される活性があるが、この際、ユビキチンが正確にフォールディングされている必要がある。そこで、ユビキチンをN末端(Nub)とC末端(Cub)に分割し、NubのC末端とNub のN末端にそれぞれ対象とする蛋白をリンカー介して結合し、さらにCubのC末端にはDHFRなどのレポーター蛋白を結合する。もし、対象の蛋白質間で相互作用がおこると、互いに接近するユビキチンが正しい折り畳みを起こし、UBPにより結合しているレポーター蛋白質が切断され、この切断を電気泳動などで確認することができる。ただし、切断前後でレポーター蛋白質の機能が変化するわけではないので、切断は電気泳動などでアッセイする必要があり、煩雑さが伴う。
(2) Method of mediating reporter protein cleavage along with protein reconstitution Ubiquitin is a small protein consisting of 76 amino acids and is involved in the degradation of unwanted proteins via the proteasome. In eukaryotic cells, when ubiquitin binds to a protein, the ubiquitin-binding protein (UBP) rapidly cleaves at the ubiquitin-protein binding site, but at this time, ubiquitin must be folded correctly. . Therefore, ubiquitin is divided into N-terminal (Nub) and C-terminal (Cub), and the target protein is linked to each of C-terminal of Nub and N-terminal of Nub via a linker. Binds the reporter protein. If an interaction occurs between the proteins of interest, the ubiquitins that approach each other cause correct folding, and the reporter protein bound by UBP is cleaved, and this cleavage can be confirmed by electrophoresis or the like. However, since the function of the reporter protein does not change before and after the cleavage, the cleavage needs to be assayed by electrophoresis or the like, which is complicated.

(3)プロテインスプライシングを利用した手法
これは、酵母の発生期の翻訳産物から内部の蛋白質(Intein)が正確に切り出され、その両側(外側の)2つの蛋白質断片(Extein)がライゲーションされる現象を利用した方法である。すなわち、このInteinを2つに分割し、それぞれにExteinを結合し、他方の末端にプレイとベイトを結合すると、それらが相互作用した場合、2つのIntein由来の断片が接近し、元の形にフォールディングされることにより、スプライシング活性が回復し、Exteinがライゲートされ切り出される。この Exteinにレポーター蛋白質の断片を用いると、これによりレポーター蛋白質が再構成され、その回復した酵素活性などの機能により蛋白質間相互作用が評価できる。ただし、実際に酵素活性が観察される時間が長く、またバックグラウンドが高いといった問題がある。
(3) A method using protein splicing This is a phenomenon in which the internal protein (Intein) is accurately cut out from the translation product in the nascent stage of yeast and the two protein fragments (Extein) on both sides (outer) are ligated. It is a method using. In other words, when this Intein is divided into two parts, Extein is bound to each, and Prey and Bait are bound to the other end, when they interact, the two Intein-derived fragments approach and return to their original form By being folded, the splicing activity is restored, and Extein is ligated and cut out. When a reporter protein fragment is used for this extein, the reporter protein is thereby reconstituted, and the interaction between the proteins can be evaluated by the function such as the recovered enzyme activity. However, there are problems that the enzyme activity is actually observed for a long time and the background is high.

(4)蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)
FRETは、蛍光分子から他の分子へ励起エネルギーが移動する現象であり、これを利用した分子センサーは広く利用されている。エネルギーを与える分子はドナー(供与体)、受け取る分子はアクセプタ(受容体)と呼ばれる。FRETが起こるためには、ドナーの蛍光スペクトルとアクセプタの吸収スペクトルに重なりがあることと、ドナーとアクセプタが接近して存在することが必要となる。FRETが起きた時、ドナーの蛍光は弱まり、アクセプタが蛍光分子であればその蛍光が観察される。そこでドナーを励起した時のドナーの蛍光強度とアクセプタの蛍光強度をモニターすることでFRETの測定が行える。FRETの測定としては、GFP(Green fluorescent protein)などの蛍光蛋白質を利用したFRET測定が広く行われている。蛍光蛋白質は特定の蛋白質と融合させて細胞に発現させることができるため、細胞内で起こる蛋白質間の相互作用を検出する有効な手段となっている。FRETは分子間の距離を測るだけでなく、分子の濃度や活性化状態を知るインジケータとしても使われている。FRETのイメージングは生きている細胞内で起こるさまざまな分子レベルの事象をリアルタイムで可視化することを可能にしている。しかし、ドナーとアクセプタの存在比が適切でなければならず、また蛍光分子も消光するために、測定可能な条件や時間が限られるといった問題がある。また、酵素などによるシグナル増幅効果がないために感度が悪い。
(4) Fluorescence resonance energy transfer (FRET)
FRET is a phenomenon in which excitation energy is transferred from a fluorescent molecule to another molecule, and molecular sensors using this are widely used. A molecule that gives energy is called a donor, and a molecule that receives energy is called an acceptor. In order for FRET to occur, it is necessary that there is an overlap between the fluorescence spectrum of the donor and the absorption spectrum of the acceptor, and that the donor and acceptor are close to each other. When FRET occurs, the donor fluorescence is weakened, and if the acceptor is a fluorescent molecule, the fluorescence is observed. Therefore, FRET can be measured by monitoring the fluorescence intensity of the donor and the fluorescence intensity of the acceptor when the donor is excited. As the measurement of FRET, FRET measurement using a fluorescent protein such as GFP (Green fluorescent protein) is widely performed. Since fluorescent proteins can be expressed in cells by being fused with specific proteins, they are an effective means for detecting interactions between proteins that occur in cells. In addition to measuring the distance between molecules, FRET is also used as an indicator to know the concentration and activation state of molecules. FRET imaging makes it possible to visualize various molecular-level events that occur in living cells in real time. However, the abundance ratio of the donor and acceptor must be appropriate, and the fluorescent molecules are also quenched, so that there are problems that the conditions and time that can be measured are limited. Moreover, since there is no signal amplification effect by an enzyme etc., a sensitivity is bad.

(5)PCA法(プロテイン・フラグメント・コンプリメンテーション・アッセイ)
PCA法では、一つの機能蛋白質A(酵素、転写因子など)を二つの断片A1及びA2に分割し、それぞれをベイト及びプレイと融合し、融合蛋白質A1−P及びA2−Qを作製する。ベイト及びプレイが結合すると、機能蛋白質Aの機能が回復し、その活性を検出することで、ベイト及びプレイの相互作用を判定することができる。機能蛋白質としては、例えばβ−ラクタマーゼ、DHFRやβ−ガラクトシダーゼ(β-Gal)、GFP、ルシフェラーゼを利用することができる。
(5) PCA method (protein fragment complementation assay)
In the PCA method, one functional protein A (enzyme, transcription factor, etc.) is divided into two fragments A1 and A2, and each is fused with bait and prey to produce fusion proteins A1-P and A2-Q. When the bait and prey are combined, the function of the functional protein A is restored, and the interaction between the bait and prey can be determined by detecting the activity. Examples of functional proteins that can be used include β-lactamase, DHFR, β-galactosidase (β-Gal), GFP, and luciferase.

ルシフェラーゼを用いる手法は、酵素の発光効率が高いことを特徴とし、もっとも高い感度を実現できる。これまでにFirefly、Renilla、Gaussia由来のルシフェラーゼを用いたPCAが報告されている。Firefly(ホタル)ルシフェラーゼは、2つのドメイン構造から成り立っており、ドメイン間には大きな溝が存在し、活性部位を形成している。PCAには、ドメイン境界付近の、420、437、445、455番目の間で切断した断片を用いることができる(Paulmurugan et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 15608-15613, (2002)、Paulmurugan et al., Anal. Chem. 77, 1295-1302(2005))。Renilla(ウミシイタケ)ルシフェラーゼでは、91、229番目で切断した断片を用いたPCAが報告されている(Paulmurugan et al., Anal. Chem. 75, 1584-1589 (2003)、Kaihara et al., Anal. Chem. 75, 4176-4181 (2003))。Gaussia(海洋性カイアシ類)ルシフェラーゼでは、93、94番目で断片が用いられた。(Remy et al., Nat. Methods 3, 977-979 (2006))   The method using luciferase is characterized by high luminous efficiency of the enzyme, and can achieve the highest sensitivity. So far, PCA using luciferase derived from Firefly, Renilla and Gaussia has been reported. Firefly luciferase is composed of two domain structures, and there is a large groove between the domains to form an active site. For PCA, a fragment cleaved between positions 420, 437, 445, and 455 near the domain boundary can be used (Paulmurugan et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 15608-15613, ( 2002), Paulmurugan et al., Anal. Chem. 77, 1295-1302 (2005)). In Renilla luciferase, PCA using fragments cleaved at positions 91 and 229 has been reported (Paulmurugan et al., Anal. Chem. 75, 1584-1589 (2003), Kaihara et al., Anal. Chem. 75, 4176-4181 (2003)). In Gaussia (marine copepod) luciferase, fragments were used at positions 93 and 94. (Remy et al., Nat. Methods 3, 977-979 (2006))

ルシフェラーゼによるPCAでは、高いバックグランドシグナルや、酵素活性の回復率が低いことが問題となっている。また、蛋白質の安定性等の問題により、ルシフェラーゼの細胞外PCAは主に細胞内での実施であり、細胞外としては、細胞ライセートを用いた例があるのみで(I. Remy and SW Michnick, Nat. Methods, 3, 977-979 (2006)、Paulmurugan et al., Cancer Res. 15, 7413-7420 (2005))、精製蛋白質では例がない。また、他の酵素断片を用いたPCAでも、試験管内で分子間相互作用を酵素活性として検出可能な系は極めて少ない。   In PCA using luciferase, there are problems that a high background signal and a low recovery rate of enzyme activity are present. In addition, due to problems such as protein stability, extracellular PCA of luciferase is mainly performed intracellularly, and there are only examples using extracellular cell lysate (I. Remy and SW Michnick, Nat. Methods, 3, 977-979 (2006), Paulmurugan et al., Cancer Res. 15, 7413-7420 (2005)), and purified protein has no examples. Even with PCA using other enzyme fragments, there are very few systems capable of detecting intermolecular interactions as enzyme activities in a test tube.

Paulmurugan et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 15608-15613, (2002)Paulmurugan et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 15608-15613, (2002) Paulmurugan et al., Anal. Chem. 77, 1295-1302(2005)Paulmurugan et al., Anal. Chem. 77, 1295-1302 (2005) Paulmurugan et al., Anal. Chem. 75, 1584-1589 (2003)Paulmurugan et al., Anal. Chem. 75, 1584-1589 (2003) Kaihara et al., Anal. Chem. 75, 4176-4181 (2003)Kaihara et al., Anal. Chem. 75, 4176-4181 (2003) Remy et al., Nat. Methods 3, 977-979 (2006)Remy et al., Nat.Methods 3, 977-979 (2006) I.Remy and SW Michnick, Nat. Methods, 3, 977-979 (2006)I. Remy and SW Michnick, Nat. Methods, 3, 977-979 (2006) Paulmurugan et al., Cancer Res. 15, 7413-7420 (2005)Paulmurugan et al., Cancer Res. 15, 7413-7420 (2005)

本発明は、上記した従来技術の問題点を解消することを解決すべき課題とした。すなわち、本発明は、蛋白質の安定性、再構成効率、及び比活性に優れ、微量の分子であっても迅速に分子間の相互作用又は接近を検出できる方法を提供することを解決すべき課題とした。   An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art. That is, the present invention is an object to be solved by providing a method that is excellent in protein stability, reconstitution efficiency, and specific activity, and that can quickly detect interaction or approach between molecules even with a very small amount of molecules. It was.

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって1段階目の反応が律速過程となる変異体を分析対象の2種類の分子の一方に連結した第一の分子と、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる変異体を上記の分析対象の2種類の分子の他方に連結した第二の分子とを接触させ、上記レポーター酵素が触媒する酵素反応の進行の有無を検出することによって、分子間の相互作用又は接近を検出できることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have analyzed a mutant of a reporter enzyme having a two-stage enzyme reaction mechanism in which the first-stage reaction is a rate-determining process. The first molecule linked to one of the two types of molecules and a variant of a reporter enzyme having a two-step enzyme reaction mechanism in which the second-step reaction is the rate-limiting process It was found that the interaction or approach between the molecules can be detected by contacting a second molecule linked to the other of the molecules and detecting the progress of the enzymatic reaction catalyzed by the reporter enzyme. It came to be completed.

即ち、本発明によれば、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって1段階目の反応が律速過程となる第一の変異体を分析対象の2種類の分子の一方に連結した第一の分子と、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる第二の変異体を上記の分析対象の2種類の分子の他方に連結した第二の分子とを接触させ、上記レポーター酵素が触媒する酵素反応の進行の有無を検出することを含む、分子間の相互作用又は接近を検出する方法が提供される。   That is, according to the present invention, a first variant of a reporter enzyme having a two-stage enzyme reaction mechanism, in which the first-stage reaction is a rate-determining process, is one of the two types of molecules to be analyzed. A linked first molecule and a second variant of a reporter enzyme having a two-stage enzyme reaction mechanism in which the second-stage reaction is the rate-determining process. There is provided a method for detecting the interaction or proximity between molecules, comprising contacting a second molecule linked to the other and detecting the progress of an enzymatic reaction catalyzed by the reporter enzyme.

好ましくは、レポーター酵素はルシフェラーゼである。
好ましくは、レポーター酵素はホタルルシフェラーゼである。
好ましくは、レポーター酵素の変異体は、H245,K529、及び/又はK443の何れかのアミノ酸残基において置換を有するホタルルシフェラーゼ変異体である。
Preferably, the reporter enzyme is luciferase.
Preferably, the reporter enzyme is firefly luciferase.
Preferably, the variant of the reporter enzyme is a firefly luciferase variant having a substitution at any amino acid residue of H245, K529, and / or K443.

好ましくは、レポーター酵素の変異体であって1段階目の反応が律速過程となる第一の変異体が、K529又はK443のアミノ酸残基において置換を有するホタルルシフェラーゼ変異体であり、レポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる第二の変異体が、H245残基においてアミノ酸置換を有するホタルルシフェラーゼ変異体である。   Preferably, the first mutant of the reporter enzyme in which the first-stage reaction is the rate-determining process is a firefly luciferase mutant having a substitution at the amino acid residue of K529 or K443, and the mutation of the reporter enzyme The second mutant in which the second-stage reaction is the rate-determining process is a firefly luciferase mutant having an amino acid substitution at the H245 residue.

好ましくは、レポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる第二の変異体が、
(i)K529及びH245においてアミノ酸置換を有するホタルルシフェラーゼ変異体、又は
(ii)K443及びH245においてアミノ酸置換を有するホタルルシフェラーゼ変異体である。
Preferably, a second mutant that is a mutant of the reporter enzyme and the second-stage reaction is a rate-limiting process,
(I) a firefly luciferase mutant having an amino acid substitution at K529 and H245, or (ii) a firefly luciferase mutant having an amino acid substitution at K443 and H245.

好ましくは、レポーター酵素の変異体のうちH245,K443,K529におけるアミノ酸置換がそれぞれH245D, K443A, K529Aである。
好ましくは、分析対象の2種類の分子が、タンパク質または核酸である。
Preferably, among the mutants of the reporter enzyme, the amino acid substitutions at H245, K443, and K529 are H245D, K443A, and K529A, respectively.
Preferably, the two types of molecules to be analyzed are proteins or nucleic acids.

さらに本発明によれば、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって1段階目の反応が律速過程となる変異体を分析対象の2種類の分子の一方に連結した第一の分子と、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる変異体を上記の分析対象の2種類の分子の他方に連結した第二の分子との組み合わせを含む、請求項1から5の何れかに記載の方法により分子間の相互作用又は接近を検出するための試薬キットが提供される。   Furthermore, according to the present invention, a first variant in which a mutant of a reporter enzyme having a two-stage enzyme reaction mechanism, in which a first-stage reaction is a rate-determining process, is linked to one of two molecules to be analyzed. And a second variant of a reporter enzyme variant having a two-stage enzyme reaction mechanism in which the second-stage reaction is a rate-limiting process linked to the other of the two molecules to be analyzed. A reagent kit for detecting an interaction or access between molecules is provided by the method according to any one of claims 1 to 5, comprising a combination with molecules.

本発明によれば、数個のアミノ酸変異を有する全長のルシフェラーゼを用いるために、安定性や活性は飛躍的に改善され、これまで実用が困難であった試験管内でのルシフェラーゼ発光を用いた蛋白質間の相互作用の測定が可能となる。本発明によれば、DNA結合蛋白質同士の相互作用のほか、同程度のサイズの二つの蛋白質同士、すなわち抗体可変領域VH/VL、2個の一本鎖抗体、抗原と一本鎖抗体、リガンドと受容体など広範な相互作用の検出が可能である。   According to the present invention, since a full-length luciferase having several amino acid mutations is used, the stability and activity are drastically improved, and a protein using luciferase luminescence in a test tube that has been difficult to put into practice so far. It is possible to measure the interaction between the two. According to the present invention, in addition to the interaction between DNA-binding proteins, two proteins of the same size, ie, antibody variable region VH / VL, two single-chain antibodies, antigen and single-chain antibody, ligand It is possible to detect a wide range of interactions such as the receptor.

また、本発明の方法は発光を用いた検出法であるため、数nM程度の試料100μl(pmol以下)と通常の基質ルシフェリンおよびATPおよび発光検出器があれば検出を行うことができ、簡易検出系への応用が容易である。また検出時間は1サンプルあたり数秒ですむ。また、サンプルの固定化及び洗浄を省略することも可能であり、更に短時間での測定が可能となる。試験管内で検出可能な均一系蛋白質間相互作用検出系としてはβガラクトシダーゼ変異体Δα/Δω相補性に基づく検出系や、蛍光標識蛋白間のエネルギー移動(FRET)を利用した方法が知られているが、それらと比較しても検出時間とS/B比において、本発明の方が優れている(Ueda et al., J. Immunol. Methods, 279, 209-218, 2003)。また、二種類の全長酵素を用いる蛋白質間相互作用検出系として知られているEnzyme Channeling Assayと比較した場合、Enzyme Channeling Assayでは測定に時間がかかるなどの問題が知られているが、本発明では数秒という短時間での検出が可能である。   In addition, since the method of the present invention is a detection method using luminescence, detection is possible with a sample of about several nM (100 μl or less) and normal substrate luciferin, ATP, and a luminescence detector. Application to the system is easy. The detection time is only a few seconds per sample. Further, it is possible to omit immobilization and washing of the sample, and measurement in a shorter time becomes possible. Known detection systems based on β-galactosidase mutant Δα / Δω complementarity and methods using energy transfer (FRET) between fluorescently labeled proteins are known as detection systems for homogeneous protein-protein interactions that can be detected in vitro. However, the present invention is superior in detection time and S / B ratio even when compared with them (Ueda et al., J. Immunol. Methods, 279, 209-218, 2003). In addition, when compared with the Enzyme Channeling Assay, which is known as a protein-protein interaction detection system using two full-length enzymes, the Enzyme Channeling Assay is known to take a long time for measurement. Detection in a short time of several seconds is possible.

さらに本発明の検出系は、原理的にありとあらゆる分子間相互作用検出に適用可能であり、特に診断マーカーや農薬、環境汚染物質などの簡易検出キットに応用できる。特に、サンドイッチELISA法の代替とすることも可能である。また、本発明で用いる検出系プローブ(レポーター酵素の変異体)は蛋白質であるため、GFP変異体を用いたプローブと同様これを細胞に発現させることで、高感度な細胞レベルや生体レベルの相互作用検出に基づく画像診断が可能である。   Furthermore, the detection system of the present invention can be applied to any kind of molecular interaction detection in principle, and can be applied particularly to simple detection kits for diagnostic markers, agricultural chemicals, environmental pollutants and the like. In particular, the sandwich ELISA method can be substituted. In addition, since the detection system probe (reporter enzyme mutant) used in the present invention is a protein, it can be expressed in cells in the same manner as a probe using a GFP mutant. Image diagnosis based on action detection is possible.

図1は、ホタルおよびヒカリコメツキルシフェラーゼの行う二段階の触媒反応(即ち、ルシフェリンLH2のアデニル化反応(LH2-AMP生成反応)、および中間体LH2-AMPの酸化的発光反応)を示す。FIG. 1 shows a two-step catalytic reaction (ie, luciferin LH 2 adenylation reaction (LH 2 -AMP formation reaction) and oxidative luminescence reaction of intermediate LH 2 -AMP) performed by firefly and light click luciferase. . 図2は、実施例の概要を示す。特定の二本鎖DNA配列を認識可能な亜鉛フィンガー蛋白質Zif12とルシフェラーゼ変異体の融合蛋白質を作製し、2つのZif12の認識配列が近接している場合は、2つの融合蛋白質が2本鎖DNA上で空間的に接近するため、変異体1から放出された中間体LH2-AMPが効率的に、変異体2へと受け渡され発光反応速度が増大する。FIG. 2 shows an overview of the embodiment. When a fusion protein of zinc finger protein Zif12 and luciferase mutant capable of recognizing a specific double-stranded DNA sequence is prepared, and the two recognition sequences of Zif12 are close to each other, the two fusion proteins are present on the double-stranded DNA. Therefore, the intermediate LH 2 -AMP released from the mutant 1 is efficiently transferred to the mutant 2 and the luminescence reaction rate is increased. 図3は、Zif12とルシフェラーゼ変異体の融合蛋白質にLH2溶液を添加し、1秒間の発光強度を測定した結果を示す。FIG. 3 shows the results of adding a LH 2 solution to a fusion protein of Zif12 and a luciferase mutant and measuring the luminescence intensity for 1 second. 図4は、固定化DNA結合時の二種類のZif12ルシフェラーゼ変異体の融合蛋白質単独ないし混合時(中央)の発光強度を測定した結果を示す。(A)N/Cドメイン混合時の発光活性、(B) K529A/H245D + K529A混合時の発光活性、及び(C) K443A/H245D + K443A混合時の発光活性を示す。FIG. 4 shows the results of measuring the luminescence intensity of two types of Zif12 luciferase mutant fusion proteins alone or mixed (center) when immobilized DNA was bound. (A) Luminescent activity when mixing N / C domain, (B) Luminous activity when mixing K529A / H245D + K529A, and (C) Luminous activity when mixing K443A / H245D + K443A. 図5は、変異体ペアK529A/H245DとK529Aについて混合比を変化させて発光強度を測定した結果を示す。FIG. 5 shows the results of measuring the luminescence intensity of the mutant pairs K529A / H245D and K529A by changing the mixing ratio. 図6は、変異体ペア(A)K529A/H245D + K529A及び(B) K443A/H245D + K443Aを発光反応液中にて単に混合し測定した時の発光活性を示す。FIG. 6 shows the luminescence activity when the mutant pair (A) K529A / H245D + K529A and (B) K443A / H245D + K443A are simply mixed and measured in a luminescence reaction solution. 図7は、変異体(単独あるいはペア)に基質を添加した場合の発光活性の0.1秒毎の時間変化を示す。IR DNAの添加の有無による活性への影響を示す。FIG. 7 shows the time change of the luminescence activity every 0.1 seconds when the substrate is added to the mutant (single or pair). The effect on the activity by the presence or absence of IR DNA is shown. 図8は、変異体ペアにthioredoxin認識抗体を添加した場合の基質添加から2分間の発光活性(積算値)を示す。FIG. 8 shows the luminescence activity (integrated value) for 2 minutes from the addition of the substrate when the thioredoxin recognition antibody was added to the mutant pair. 図9は、FKBP12の配列を示す。FIG. 9 shows the sequence of FKBP12. 図10は、FRBの配列を示す。FIG. 10 shows the FRB sequence. 図11は、変異体ペアにラパマイシンを添加した場合の発光活性の0.1秒ごとの時間変化を示す。実線はラパマイシン(50 nM)添加時を示し、点線はラパマイシン非添加時を示す。FIG. 11 shows the time change of the luminescence activity every 0.1 seconds when rapamycin is added to the mutant pair. The solid line indicates the time when rapamycin (50 nM) is added, and the dotted line indicates the time when rapamycin is not added.

以下、本発明の実施の形態についてさらに具体的に説明する。
細胞内での高感度蛋白質間相互作用検出系として、発光酵素ホタルルシフェラーゼのN末側(Nドメイン)とC末側(Cドメイン)を目的蛋白質と融合させることで、相互作用の強弱を発光量で検出できるProtein Fragment complementation (PCA)法が知られている。しかし、試験管内でのN/CドメインによるPCAは、断片化ルシフェラーゼの融合蛋白質が不安定であり、再構成効率が低いためこれまで殆ど報告がない。一方、ルシフェラーゼの触媒反応はルシフェリンLH2のアデニル化反応(LH2-AMP生成反応)、および中間体LH2-AMPの酸化的発光反応 (図1)の二段階で進行することが明らかとなっている。これまでに、中間体LH2-AMPを生成することができるが、二段階目の反応が極めて遅いためLH2-AMPを大量に酵素外に放出する変異体としてホタルルシフェラーゼの245番目のヒスチジンをアスパラギン酸に置換した変異体(H245D)が報告されている(Branchini et al., Biochemistry, 37, 15311-15319, 1998、Ayabe et al., FEBS Lett. 579, 4389-4394, 2005)。また、別のホタルルシフェラーゼ変異体として、529番目のリジンをアラニンに置換したK529Aは、第一段階のアデニル化反応はほとんど進行しないが、第二段階目のLH2-AMPの酸化的発光反応を効率よく行うことができることが知られている(Branchini et al., Biochemistry, 44, 1385-1393, 2005)。また,H245Dと同様、第二段階の酸化的発光反応が律速となる(Branchini et al., Biochemistry, 44, 1385-1393, 2005)とされながら、反応中間体アナログとの結晶構造(Nakatsu et al., Nature 440, 372-376, 2006)からはその結果が疑問視されている、443番目のリジンをアラニンに置換した変異体(K443A)も報告されている。そこで、本発明においては、これら変異体の様々な組み合わせの中から、片方の変異体から生成した中間体がもう片方の変異体に消費されて発光するという分子間二段階反応を効率的に行う組み合わせを見つけることを試みた。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described more specifically.
As a highly sensitive protein-protein interaction detection system in the cell, the N-terminal side (N domain) and C-terminal side (C domain) of the luminescent enzyme firefly luciferase are fused with the target protein, allowing the intensity of the interaction to be emitted. The Protein Fragment complementation (PCA) method that can be detected by the method is known. However, PCA with N / C domain in vitro has hardly been reported so far because the fusion protein of fragmented luciferase is unstable and the reconstitution efficiency is low. On the other hand, the luciferase catalyzed reaction proceeds in two steps: luciferin LH 2 adenylation reaction (LH 2 -AMP formation reaction) and intermediate LH 2 -AMP oxidative luminescence reaction (FIG. 1). ing. So far, the intermediate LH 2 -AMP can be generated, but the second stage reaction is extremely slow, so the 245th histidine of firefly luciferase is used as a mutant that releases a large amount of LH 2 -AMP out of the enzyme. A mutant (H245D) substituted with aspartic acid has been reported (Branchini et al., Biochemistry, 37, 15311-15319, 1998, Ayabe et al., FEBS Lett. 579, 4389-4394, 2005). As another firefly luciferase variant, K529A, in which 529th lysine is substituted with alanine, hardly undergoes the first stage adenylation reaction, but the second stage LH 2 -AMP oxidative luminescence reaction. It is known that it can be performed efficiently (Branchini et al., Biochemistry, 44, 1385-1393, 2005). Similarly to H245D, the second stage oxidative luminescence reaction is rate-limiting (Branchini et al., Biochemistry, 44, 1385-1393, 2005), while the crystal structure with the reaction intermediate analog (Nakatsu et al. , Nature 440, 372-376, 2006) have reported a mutant (K443A) in which the 443rd lysine is substituted with alanine, whose results have been questioned. Therefore, in the present invention, an intermolecular two-step reaction in which an intermediate produced from one mutant is consumed by the other mutant and emits light from various combinations of these mutants is efficiently performed. Tried to find a combination.

具体的には、本明細書の実施例においては、上記の変異体と二本鎖DNA配列を特異的に認識可能なZif12を用いて特異的DNA配列検出へ応用した。具体的には野生型、及び作用点のはっきりしないK443Aを含む、各変異体Fluc、N-domain (1-437 aa)、C-domain (394-550 aa)とZif12の融合蛋白質発現ベクターを作製し、大腸菌BL21(DE3, pLysS)で発現させ、融合蛋白質C末に付加したHisタグを利用した金属アフィニティ精製を行った。その後ELISAによるZinc fingerの結合能の確認、および各変異体の比活性が文献通り野生型の1%以下である事の確認を行った。ついで作製した変異体単独、およびその全ての組み合わせのペアで固定化DNAを用いた活性測定を行ったところ、Zif12が特異的に2個結合する配列であるIRを固定化した場合に殆どの組み合わせで二つの変異体の平均の活性が検出され、Zif12が1個のみ弱く結合する配列であるSSを固定化した場合には活性が検出されなかった。しかしすでに報告されているNドメインとCドメインおよびH245DとCドメインの融合蛋白質ペアについて、若干ではあるが平均値以上の活性が検出された。そこで、Cドメイン融合蛋白質に比べ高い発光活性を示すH245Dに更に変異を導入した二重変異体K529A/H245D(5H)およびK443A/H245D(4H)を作製し、バックグラウンド活性を下げることでより高い応答を示すペアが得られることをもくろみスクリーニングを行った。その結果、5Hあるいは4H、およびK529AあるいはK443Aの4つの変異体間ペアが有意に平均以上の発光活性を示すことが判明した。また、発光測定時間を3分から1秒に短くすることで、更に高い活性上昇率を得ることができた。これらの変異体ペアを溶液中で単に混合して反応させた場合にはこのような活性上昇は殆ど見られなかったことから、活性上昇はDNAとZif12を介して二つの変異体同士が近接したことを反映していると考えられた。すなわち、マイクロプレートに固定化した状態ではあるがDNAを介して二つのタンパク質を相互作用させたときに期待値の7倍程度の活性上昇が得られる相互作用検出系が取得できた。また得られた信号強度は従来のN/C相補系の約1000倍かつ野生型の1%以上の強いものであった。また活性上昇の見られた変異体の組み合わせとその反応の早さから、この活性上昇は分子シャペロンのない細胞外では起こりにくいドメイン再構成によるものでなく、H245D変異を持つ変異体が生成した中間体をもう片方の変異体が消費した結果と思われた。すなわち、酸化的発光反応が律速であるH245D変異を持つ変異体が放出する微量の中間体を、アデニル化反応が律速であるK529AないしK443Aが消費することで、発光強度が顕著に増大したと思われた。また、この際H245Dに二重変異を導入することで中間体の生成量が減少することで、中性pHで加水分解しやすい中間体が二重変異体近傍に局在し、近傍にある変異体酵素のみが活性化される条件が実現できたものと推測された。   Specifically, in the examples of the present specification, Zif12 capable of specifically recognizing the mutant and the double-stranded DNA sequence was applied to specific DNA sequence detection. Specifically, expression of fusion protein expression vector of each mutant Fluc, N-domain (1-437 aa), C-domain (394-550 aa) and Zif12, including wild type and K443A with unclear action point Then, it was expressed in Escherichia coli BL21 (DE3, pLysS), and metal affinity purification using a His tag added to the fusion protein C-terminal was performed. Thereafter, the binding ability of Zinc finger was confirmed by ELISA, and the specific activity of each mutant was confirmed to be 1% or less of the wild type as documented. Subsequently, when the activity was measured using the immobilized DNA with the mutants alone and all combinations of the mutants, most combinations were obtained when IR, which is a sequence that specifically binds two Zif12s, was immobilized. The average activity of the two mutants was detected, and no activity was detected when SS, which is a sequence to which only one Zif12 binds weakly, was immobilized. However, in the previously reported N-domain and C-domain and H245D-C domain fusion protein pairs, a slight but above average activity was detected. Therefore, double mutants K529A / H245D (5H) and K443A / H245D (4H), in which mutations were further introduced into H245D, which has higher luminescence activity than C domain fusion protein, were prepared and increased by lowering background activity. Screening was performed in consideration of obtaining a pair showing a response. As a result, it was found that 5H or 4H and four mutant pairs of K529A or K443A showed significantly higher than average luminescence activity. Moreover, by increasing the luminescence measurement time from 3 minutes to 1 second, it was possible to obtain a higher activity increase rate. When these mutant pairs were simply mixed and reacted in a solution, such an increase in activity was hardly observed, so the increase in activity was caused by the proximity of the two mutants via DNA and Zif12. It was thought to reflect that. That is, an interaction detection system was obtained in which the activity was increased by about 7 times the expected value when two proteins interacted with each other through DNA although they were immobilized on a microplate. The obtained signal intensity was about 1000 times that of the conventional N / C complementary system and 1% or more stronger than the wild type. In addition, due to the combination of mutants with increased activity and the rapid response, this increased activity is not due to domain reorganization that is unlikely to occur outside the cell without a molecular chaperone. The body was probably consumed by the other mutant. In other words, the luminescence intensity was significantly increased by the consumption of a small amount of intermediate released by the mutant having the H245D mutation whose rate of oxidative luminescence reaction is limited by K529A to K443A whose rate of adenylation reaction is limited. It was broken. In addition, by introducing double mutations in H245D at this time, the amount of intermediates produced is reduced, so that intermediates that are easily hydrolyzed at neutral pH are localized in the vicinity of the double mutants, and nearby mutations. It was speculated that the condition that only the body enzyme was activated could be realized.

本発明による分子間の相互作用又は接近を検出する方法は、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって1段階目の反応が律速過程となる第一の変異体を分析対象の2種類の分子の一方に連結した第一の分子と、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる第二の変異体を上記の分析対象の2種類の分子の他方に連結した第二の分子とを接触させ、上記レポーター酵素が触媒する酵素反応の進行の有無を検出することを特徴とする。   The method for detecting the interaction or approach between molecules according to the present invention is a variant of a reporter enzyme having a two-stage enzyme reaction mechanism, in which the first mutant whose rate-limiting process is the first-stage reaction is analyzed. A first molecule linked to one of the two types of molecules and a second variant of a reporter enzyme having a two-stage enzyme reaction mechanism, wherein the second-stage reaction is the rate-limiting process. A second molecule linked to the other of the two types of molecules to be analyzed is brought into contact with each other, and the presence or absence of the progress of an enzyme reaction catalyzed by the reporter enzyme is detected.

2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の種類は特に限定されないが、好ましくはホタルルシフェラーゼ、ヒカリコメツキルシフェラーゼ、アセチルCoA合成酵素、グラミシジン合成酵素等のアシルアデニル酸/チオエステル形成酵素スーパーファミリーに属する酵素を挙げることができる。なお、本発明においては生じる反応中間体が共通であれば、検出に用いる二種類の変異体が異なる酵素由来でも構わない。   The type of reporter enzyme having a two-step enzyme reaction mechanism is not particularly limited, but preferably an enzyme belonging to the acyl adenylate / thioester-forming enzyme superfamily such as firefly luciferase, light-worm luciferase, acetyl CoA synthase, and gramicidin synthase. Can be mentioned. In the present invention, as long as the generated reaction intermediate is common, the two types of mutants used for detection may be derived from different enzymes.

発光(ルミネッセンス)とは励起されたエミッター分子が引き起こす可視スペクトル範囲内の光子放射に与えられる用語である。蛍光とは対照的に、発光のエネルギーは短波長照射の形で外部から供給されるものではない。化学発光と生物発光とは明確に区別されている。化学発光は、励起分子を与える化学反応に与えられた用語であって、その励起分子自体では、励起水準にある電子が正常エネルギー水準に戻る時に光を放射する。生物発光は、この反応が酵素で触媒される時に使用される用語である。この反応に関与する酵素は、一般にルシフェラーゼと呼ばれる。   Luminescence is the term given to photon emission in the visible spectral range caused by excited emitter molecules. In contrast to fluorescence, the energy of light emission is not supplied externally in the form of short wavelength irradiation. There is a clear distinction between chemiluminescence and bioluminescence. Chemiluminescence is a term given to a chemical reaction that gives an excited molecule, and the excited molecule itself emits light when an electron at an excited level returns to a normal energy level. Bioluminescence is the term used when this reaction is catalyzed by an enzyme. The enzyme involved in this reaction is generally called luciferase.

ルシフェラーゼは、その起源またはその基質特異性(もしくは反応機構)に基づいても相互に区別できる。最重要な基質には、セレンテラジンおよびルシフェリン、およびこれら二化合物の誘導体が含まれる。   Luciferases can also be distinguished from each other based on their origin or their substrate specificity (or reaction mechanism). The most important substrates include coelenterazine and luciferin, and derivatives of these two compounds.

今回用いたアメリカホタル(Photinus pyralis)ルシフェラーゼのアミノ酸配列を以下に示す(配列番号17)。なお、異なる種族由来のルシフェラーゼにおいて対応する残基が異なる場合、以下の記述はその相同配列上、相当する残基に読み替え可能である。
1 MEDAKNIKKG PAPFYPLEDG TAGEQLHKAM KRYALVPGTI AFTDAHIEVN ITYAEYFEMS
61 VRLAEAMKRY GLNTNHRIVV CSENSLQFFM PVLGALFIGV AVAPANDIYN ERELLNSMNI
121 SQPTVVFVSK KGLQKILNVQ KKLPIIQKII IMDSKTDYQG FQSMYTFVTS HLPPGFNEYD
181 FVPESFDRDK TIALIMNSSG STGLPKGVAL PHRTACVRFS HARDPIFGNQ IIPDTAILSV
241 VPFHHGFGMF TTLGYLICGF RVVLMYRFEE ELFLRSLQDY KIQSALLVPT LFSFFAKSTL
301 IDKYDLSNLH EIASGGAPLS KEVGEAVAKR FHLPGIRQGY GLTETTSAIL ITPEGDDKPG
361 AVGKVVPFFE AKVVDLDTGK TLGVNQRGEL CVRGPMIMSG YVNNPEATNA LIDKDGWLHS
421 GDIAYWDEDE HFFIVDRLKS LIKYKGYQVA PAELESILLQ HPNIFDAGVA GLPDDDAGEL
481 PAAVVVLEHG KTMTEKEIVD YVASQVTTAK KLRGGVVFVD EVPKGLTGKL DARKIREILI
541 KAKKGGKSKL
下線:H245,K443,K529
The amino acid sequence of American firefly (Photinus pyralis) luciferase used this time is shown below (SEQ ID NO: 17). In addition, when the corresponding residues in luciferases derived from different species are different, the following description can be read as the corresponding residues in the homologous sequence.
1 MEDAKNIKKG PAPFYPLEDG TAGEQLHKAM KRYALVPGTI AFTDAHIEVN ITYAEYFEMS
61 VRLAEAMKRY GLNTNHRIVV CSENSLQFFM PVLGALFIGV AVAPANDIYN ERELLNSMNI
121 SQPTVVFVSK KGLQKILNVQ KKLPIIQKII IMDSKTDYQG FQSMYTFVTS HLPPGFNEYD
181 FVPESFDRDK TIALIMNSSG STGLPKGVAL PHRTACVRFS HARDPIFGNQ IIPDTAILSV
241 VPFH H GFGMF TTLGYLICGF RVVLMYRFEE ELFLRSLQDY KIQSALLVPT LFSFFAKSTL
301 IDKYDLSNLH EIASGGAPLS KEVGEAVAKR FHLPGIRQGY GLTETTSAIL ITPEGDDKPG
361 AVGKVVPFFE AKVVDLDTGK TLGVNQRGEL CVRGPMIMSG YVNNPEATNA LIDKDGWLHS
421 GDIAYWDEDE HFFIVDRLKS LI K YKGYQVA PAELESILLQ HPNIFDAGVA GLPDDDAGEL
481 PAAVVVLEHG KTMTEKEIVD YVASQVTTAK KLRGGVVFVD EVPKGLTG K L DARKIREILI
541 KAKKGGKSKL
Underline: H245, K443, K529

ホタル(Firefly)ルシフェラーゼ発光反応は、下図に示すように2段階で進行する。まず、ルシフェリン(LH2)のカルボキシル基がATPのα位のリン酸基を攻撃し、LH2-AMP中間体を酵素内でいったん生成したのち、ピロリン酸(PPi)が放出される。次いで、酵素がこの中間体と反応して、AMP,CO2とともに、励起状態のオキシルシフェリンを生成し、これが基底状態へと移動する。この際、差分のエネルギーが黄緑色の可視光(560nm)として放出される。このエネルギー変換の量子効率は極めて高く、ほぼ90%に達する。ホタル(Firefly)ルシフェラーゼはin vitro培養された動物、細菌、昆虫、植物、酵母やウイルス細胞の活性化を調べるために使用されている。ホタルルシフェラーゼアッセイは、他のレポーター遺伝子アッセイに比べ、極めて高感度、迅速、簡便かつ安全(Non-radioisotopic)である。ルシフェラーゼアッセイはラジオアイソトープを使用したCATアッセイに比べ100-1000倍も高感度で、測定可能範囲も広い。 Firefly luciferase luminescence reaction proceeds in two stages as shown in the figure below. First, the carboxyl group of luciferin (LH2) attacks the phosphate group at the α-position of ATP, and once the LH2-AMP intermediate is generated in the enzyme, pyrophosphate (PPi) is released. Then, the enzyme reacts with this intermediate, AMP, together with the CO 2, to produce oxyluciferin excited state, which is moved to the ground state. At this time, the difference energy is emitted as yellowish green visible light (560 nm). The quantum efficiency of this energy conversion is extremely high, reaching almost 90%. Firefly luciferase has been used to examine the activation of in vitro cultured animals, bacteria, insects, plants, yeast and viral cells. The firefly luciferase assay is extremely sensitive, rapid, convenient and safe (Non-radioisotopic) compared to other reporter gene assays. The luciferase assay is 100-1000 times more sensitive and has a wider measurable range than the CAT assay using radioisotopes.

Figure 2010268793
Figure 2010268793

他のルシフェラーゼとして、Renilla(ウミシイタケ)やGaussia(海洋性カイアシ類)ルシフェラーゼを挙げることができる。Renilla(ウミシイタケ)ルシフェラーゼは、ATP非要求性であり、基質であるセレンテラジンを用いて発光反応を触媒する(下図)。Gaussia(海洋性カイアシ類)ルシフェラーゼもまた、ATPを必要とせず、セレンテラジン酸化の触媒によって発光(470nm)する。GaussiaルシフェラーゼはFirefly、Renillaルシフェラーゼの1000倍以上のシグナル強度を持ち、安定性が非常に高いという特徴を有している。   Other luciferases include Renilla (Renilla) and Gaussia (marine copepod) luciferases. Renilla (Renilla) luciferase is non-ATP-requiring and catalyzes a luminescence reaction using coelenterazine as a substrate (lower figure). Gaussia (marine copepod) luciferase also does not require ATP and emits light (470 nm) by a catalyst for coelenterazine oxidation. Gaussia luciferase has a signal strength that is 1000 times higher than that of Firefly and Renilla luciferase, and is characterized by extremely high stability.

Figure 2010268793
Figure 2010268793

これまでにホタルルシフェラーゼ活性に関わるアミノ酸残基に関する研究が行われており、245番目のヒスチジン (Branchini et al., Biochemistry, 37, 15311-15319, 1998、Ayabe et al., FEBS Lett. 579, 4389-4394, 2005)、529番目のリジン(Branchini et al., Biochemistry, 39, 5433-5440, 2000))及び443番目のリジンの重要性が明らかとなっている。245番目のヒスチジンをアスパラギン酸に変換したH245D変異体では、反応中間体であるLH2-AMPを大量に生成・放出することが見出されており、二段階の反応(ルシフェリンLH2のアデニル化反応、および反応中間体LH2-AMPを用いた酸化的発光反応)のうち、第二段階目の酸化的発光反応が律速となっていた。よって、245番目のヒスチジンは、酸化的発光反応で重要な役割を果たしているといえる (Ayabe et al., FEBS Lett. 579, 4389-4394, 2005)。また、529番目のリジンをアラニンに変換したK529A変異体では、アデニル化反応速度が大きく低下していたが、反応中間体LH2-AMPを添加することで、すみやかに酸化的発光反応を起こすことから、529番目のリジンはアデニル化反応において特に重要な役割を担っていることが明らかとなった。同様に、443番目のリジンをアラニンに変換したK443A変異体においては、アデニル化反応速度にはほとんど影響がなく、酸化的発光反応速度が低下しており、酸化的発光反応での重要性が示唆されている(Branchini et al., Biochemistry, 44, 1385-1393, 2005)。しかし最近の構造解析の結果(Nakatsu et al., Nature 440, 372-376, 2006)から、この結果の評価はまだ定まっておらず、K443が発光反応にいかに関与しているかは検討の余地がある。これらの実験結果から上記の通り、本発明で用いるレポーター酵素の変異体としては、H245D およびK529A、(及び/又はK443A)の何れかのアミノ酸置換を有するホタルルシフェラーゼ変異体が好ましい。また、K529およびK443については、他のアミノ酸置換体も同様に好ましいと考えられる。   Studies on amino acid residues involved in firefly luciferase activity have been conducted so far, and the 245th histidine (Branchini et al., Biochemistry, 37, 15311-15319, 1998, Ayabe et al., FEBS Lett. 579, 4389 -4394, 2005), the importance of the 529th lysine (Branchini et al., Biochemistry, 39, 5433-5440, 2000)) and the 443rd lysine has been revealed. The H245D mutant, in which the 245th histidine is converted to aspartic acid, has been found to produce and release a large amount of the reaction intermediate LH2-AMP, a two-step reaction (the luciferin LH2 adenylation reaction, And oxidative luminescence reaction using the reaction intermediate LH2-AMP), the second stage oxidative luminescence reaction was rate-limiting. Therefore, it can be said that the 245th histidine plays an important role in the oxidative luminescence reaction (Ayabe et al., FEBS Lett. 579, 4389-4394, 2005). In addition, in the K529A mutant in which the 529th lysine was converted to alanine, the adenylation reaction rate was greatly reduced. However, the addition of the reaction intermediate LH2-AMP promptly causes an oxidative luminescence reaction. It became clear that the 529th lysine plays a particularly important role in the adenylation reaction. Similarly, the K443A mutant in which the 443rd lysine was converted to alanine had little effect on the adenylation reaction rate, and the oxidative luminescence reaction rate decreased, suggesting its importance in the oxidative luminescence reaction. (Branchini et al., Biochemistry, 44, 1385-1393, 2005). However, based on the results of recent structural analysis (Nakatsu et al., Nature 440, 372-376, 2006), the evaluation of this result has not yet been determined, and there is room for examination of how K443 is involved in the luminescence reaction. is there. As described above from these experimental results, the mutant of the reporter enzyme used in the present invention is preferably a firefly luciferase mutant having any amino acid substitution of H245D and K529A (and / or K443A). Further, for K529 and K443, other amino acid substitutions are considered to be preferable as well.

本発明において、相互作用を調べたい2種類の分子の種類は特に限定されないが、生体分子であることが好ましく、例えば、タンパク質または核酸などを挙げることができる。   In the present invention, the types of the two types of molecules whose interaction is to be investigated are not particularly limited, but are preferably biomolecules, such as proteins or nucleic acids.

本発明では先ず、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって1段階目の反応が律速過程となる第一の変異体を分析対象の2種類の分子の一方に連結した第一の分子と、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる第二の変異体を上記の分析対象の2種類の分子の他方に連結した第二の分子とを用意する。   In the present invention, first, a first variant of a reporter enzyme having a two-stage enzyme reaction mechanism in which a first-stage reaction is a rate-determining process is linked to one of two kinds of molecules to be analyzed. One molecule and a reporter enzyme mutant having a two-stage enzyme reaction mechanism, and a second mutant in which the second-stage reaction is the rate-determining process is linked to the other of the two molecules to be analyzed. Prepare a second molecule.

分析対象の2種類の分子がタンパク質である場合(第一のタンパク質及び第二のタンパク質と称する)には、通常の遺伝子組み換え技術に従って、第一のタンパク質をコードするDNAとレポーター酵素の第一の変異体をコードするDNAとを適当な発現ベクター中に連結した状態で組み込むことによって、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって1段階目の反応が律速過程となる第一の変異体を分析対象の2種類の分子の一方に連結した第一の分子を発現することができる第一の組み換え発現ベクターを構築することができる。同様に、第二のタンパク質をコードするDNAとレポーター酵素の第二の変異体をコードするDNAとを適当な発現ベクター中に連結した状態で組み込むことによって、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる第二の変異体を分析対象の2種類の分子の他方に連結した第一の分子を発現することができる第二の組み換え発現ベクターを構築することができる。   When the two molecules to be analyzed are proteins (referred to as the first protein and the second protein), the DNA encoding the first protein and the first of the reporter enzyme according to the usual genetic recombination technique. First, a mutant of a reporter enzyme having a two-stage enzyme reaction mechanism in which the DNA encoding the mutant is linked in an appropriate expression vector, and the first-stage reaction is the rate-limiting process. A first recombinant expression vector capable of expressing a first molecule in which the mutant is linked to one of two types of molecules to be analyzed can be constructed. Similarly, a reporter enzyme having a two-stage enzyme reaction mechanism by incorporating a DNA encoding the second protein and a DNA encoding the second variant of the reporter enzyme in a state of being linked in an appropriate expression vector. A second recombinant expression vector capable of expressing a first molecule in which a second mutant whose reaction at the second stage is a rate-limiting process is linked to the other of the two molecules to be analyzed Can be built.

次いで、上記のようにして構築した第一の組み換え発現ベクターと、第二の組み換え発現ベクターとをそれぞれ個別に適当な宿主に形質転換して、上記宿主を培養することによって、上記第一の分子及び第二の分子を発現させ、培養物から上記第一の分子及び第二の分子を個別に回収することができる。このようにして回収された第一の分子及び第二の分子を用いて、これらを、例えばインビトロで接触させることによって、レポーター酵素が触媒する酵素反応の進行の有無を検出することができる。   Then, the first recombinant expression vector constructed as described above and the second recombinant expression vector are individually transformed into an appropriate host, and the host is cultured to obtain the first molecule. And the second molecule can be expressed and the first and second molecules can be individually recovered from the culture. By using the first molecule and the second molecule collected in this manner and bringing them into contact with each other in vitro, for example, it is possible to detect the progress of the enzymatic reaction catalyzed by the reporter enzyme.

あるいは、上記した第一の組み換え発現ベクターと、第二の組み換え発現ベクターとを適当な同一の宿主に形質転換して、上記宿主を培養することによって、上記第一の分子及び第二の分子を発現させ、該宿主内でレポーター酵素が触媒する酵素反応の進行の有無を検出することもできる。   Alternatively, by transforming the first recombinant expression vector and the second recombinant expression vector into a suitable same host and culturing the host, the first molecule and the second molecule are transformed. It can also be expressed and the presence or absence of progress of an enzyme reaction catalyzed by a reporter enzyme in the host can also be detected.

上記した発現ベクター、及びそれに適した宿主の組み合わせは当業者には公知である。 発現ベクターとしては、宿主細胞において自立複製可能ないしは染色体中への組込みが可能で、上記目的とするDNAを転写できる位置にプロモーターを含有しているものが用いられる。宿主としては、例えば、細菌(例えば、エッシェリヒア属、セラチア属、コリネバクテリウム属、ブレビバクテリウム属、シュードモナス属、バチルス属、ミクロバクテリウム属等)、酵母(クルイベロミセス属、サッカロマイセス属、シゾサッカロマイセス属、トリコスポロン属、シワニオミセス属等)、動物細胞(ナマルバ細胞、COS1細胞、COS7細胞、CHO細胞等)、又は昆虫細胞(Sf9細胞、Sf21細胞等)等を挙げることができる。なお、組換え発現ベクターの宿主への導入方法も当業者には公知で、宿主の種類に応じて、例えば、リン酸カルシウム法、エレクトロポレーション法、プロトプラスト法、スフェロブラスト法、酢酸リチウム法、リポフェクション法などを用いることができる。   Combinations of the above expression vectors and suitable hosts are known to those skilled in the art. As the expression vector, a vector that can replicate autonomously in a host cell or can be integrated into a chromosome and contains a promoter at a position where the target DNA can be transcribed is used. Examples of the host include bacteria (eg, Escherichia, Serratia, Corynebacterium, Brevibacterium, Pseudomonas, Bacillus, Microbacterium, etc.), yeast (Kluyveromyces, Saccharomyces, Zosaccharomyces genus, Trichosporon genus, Siwaniomyces genus), animal cells (Namarva cells, COS1 cells, COS7 cells, CHO cells, etc.), insect cells (Sf9 cells, Sf21 cells, etc.) and the like. In addition, methods for introducing a recombinant expression vector into a host are also known to those skilled in the art, and depending on the type of host, for example, calcium phosphate method, electroporation method, protoplast method, spheroblast method, lithium acetate method, lipofection The method etc. can be used.

また、相互作用を調べたい2種類の分子が核酸である場合(第一の核酸及び第二の核酸と称する)には、第一の核酸に、レポーター酵素の変異体であって1段階目の反応が律速過程となる第一の変異体を連結し、第二の核酸に、レポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる第二の変異体を連結する。核酸と、レポーター酵素の変異体との連結方法としては、核酸結合蛋白質を介した方法、ビオチン標識とストレプトアビジンを用いた方法(Sano et al., Science 258, 120-122, 1992), Native chemical ligationを用いた方法(Takeda et al., Org. Biomol. Chem. 6, 2187-2194, 2008)などがある。   When the two types of molecules whose interaction is to be investigated are nucleic acids (referred to as the first nucleic acid and the second nucleic acid), the first nucleic acid is a variant of the reporter enzyme, A first mutant whose reaction is a rate-limiting process is linked, and a second mutant that is a mutant of a reporter enzyme and a second-stage reaction is a rate-limiting process is linked to the second nucleic acid. Nucleic acid and reporter enzyme mutants can be ligated using nucleic acid binding proteins, biotin labeling and streptavidin (Sano et al., Science 258, 120-122, 1992), Native chemical There are methods using ligation (Takeda et al., Org. Biomol. Chem. 6, 2187-2194, 2008).

本発明では、レポーター酵素の第一の変異体を分析対象の2種類の分子の一方に連結した第一の分子と、レポーター酵素の第二の変異体を上記の分析対象の2種類の分子の他方に連結した第二の分子とを接触させて、上記レポーター酵素が触媒する酵素反応の進行の有無を検出することによって、上記分子間の相互作用又は接近を検出する。本発明においては、2種類の分子の相互作用を、上記の通り分析することができる。更に本発明においては、上記の分析対象の2種類の分子が結合する別の標的分子を共存させることによって、該標的分子への上記2種類の分析対象の分子の結合を検出することもできる。即ち、レポーター酵素が触媒する酵素反応の進行が検出された場合には、上記標的分子に分析対象の2種類の分子が結合したことが示され、レポーター酵素が触媒する酵素反応の進行が検出されなかった場合には、上記標的分子に分析対象の2種類の分子が同時には結合していないことが示される。分析対象の2種類の分子が抗体である場合には、上記標的分子としては、該抗体に対する抗原を用いることができる。また、分析対象の2種類の分子が核酸である場合には、上記標的分子としては、上記核酸の塩基配列に対して相補的な塩基配列からなる核酸を用いることができる。   In the present invention, a first molecule in which the first mutant of the reporter enzyme is linked to one of the two types of molecules to be analyzed, and the second mutant of the reporter enzyme is used in the two types of molecules to be analyzed. The interaction or approach between the molecules is detected by contacting the second molecule linked to the other and detecting the progress of the enzymatic reaction catalyzed by the reporter enzyme. In the present invention, the interaction of two types of molecules can be analyzed as described above. Furthermore, in the present invention, the binding of the two kinds of molecules to be analyzed to the target molecule can be detected by making another target molecule to which the two kinds of molecules to be analyzed bind together. That is, when the progress of the enzyme reaction catalyzed by the reporter enzyme is detected, it indicates that the two target molecules are bound to the target molecule, and the progress of the enzyme reaction catalyzed by the reporter enzyme is detected. If not, it indicates that the two molecules to be analyzed are not bound to the target molecule at the same time. When the two types of molecules to be analyzed are antibodies, an antigen against the antibody can be used as the target molecule. When the two types of molecules to be analyzed are nucleic acids, a nucleic acid having a base sequence complementary to the base sequence of the nucleic acid can be used as the target molecule.

更に本発明によれば、上記した2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって1段階目の反応が律速過程となる変異体を分析対象の2種類の分子の一方に連結した第一の分子と、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる変異体を上記の分析対象の2種類の分子の他方に連結した第二の分子とを組み合わせることによって、分子間の相互作用又は接近を検出するための試薬キットを提供することができる。   Furthermore, according to the present invention, a mutant of a reporter enzyme having the above-described two-stage enzyme reaction mechanism, in which the first-stage reaction is a rate-determining process, is linked to one of the two types of molecules to be analyzed. A first molecule and a variant of a reporter enzyme having a two-step enzyme reaction mechanism, in which a second-step reaction is a rate-determining process, is linked to the other of the two types of molecules to be analyzed. By combining the two molecules, a reagent kit for detecting the interaction or proximity between the molecules can be provided.

以下の実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。   The following examples further illustrate the present invention, but the scope of the present invention is not limited to these examples.

実施例1:
本実施例では、特定の二本鎖DNA配列を認識可能な亜鉛フィンガー蛋白質、Zif12 (図2、Yoshitake et al., Biosens. Bioelectron., 23, 1266-1271, 2008) とルシフェラーゼ変異体の融合蛋白質をいくつか作製した。2つのZif12の認識配列が近接している場合、2つの融合蛋白質は2本鎖DNA上で空間的に接近するため、変異体1から放出された中間体LH2-AMPが効率的に、変異体2へと受け渡され発光反応速度が増大することを期待した(図2)。
Example 1:
In this example, a zinc finger protein that can recognize a specific double-stranded DNA sequence, Zif12 (FIG. 2, Yoshitake et al., Biosens. Bioelectron., 23, 1266-1271, 2008) and a luciferase mutant fusion protein Several were made. When two Zif12 recognition sequences are in close proximity, the two fusion proteins are spatially close together on the double-stranded DNA, so that the intermediate LH 2 -AMP released from mutant 1 is efficiently mutated. It was delivered to the body 2 and expected to increase the luminescence reaction rate (FIG. 2).

Zif12と融合するホタルルシフェラーゼ変異体として、H245D、K529A 、およびK443A、さらにK529AとH245Dのアミノ酸置換を組み合わせた変異体K529A/H245D(5H)、及びK443AとH245Dのアミノ酸置換を組み合わせた変異体K443A/H245D(4H)の合計5種類を選び、特異的DNA存在下での発光活性測定を行った。また、従来のPCA法との比較のための参照実験として、ルシフェラーゼのNドメイン(1-437番目)のみもしくはCドメイン(394-550番目)のみとZif12との融合蛋白質を作製、同様に発光活性を測定した。   Firefly luciferase mutants fused with Zif12 include H245D, K529A, and K443A, K529A / H245D (5H), which combines amino acid substitutions of K529A and H245D, and K443A /, which combines amino acid substitutions of K443A and H245D A total of five types of H245D (4H) were selected, and the luminescence activity was measured in the presence of specific DNA. In addition, as a reference experiment for comparison with the conventional PCA method, a fusion protein consisting only of the luciferase N domain (positions 1-437) or C domain (positions 394-550) and Zif12 was prepared. Was measured.

以下の実施例で使われる略語は以下の通りである。
LB:1%バクトトリプトン、0.5% イーストエクストラクト、0.5% NaClを含む液体培地
LBA:100 μg/mlアンピシリンを含むLB
LBAG:100 μg/mlアンピシリン及び 1% グルコースを含むLB
LBAC:100 μg/mlアンピシリン及び 33 μg/mlクロラムフェニコールを含むLB
LBAGプレート:100 μg/mlアンピシリン及び 1% グルコースを含むLB寒天培地
LBACプレート:100 μg/mlアンピシリン及び33 μg/mlクロラムフェニコールを含むLB寒天培地
SOC:2%バクトトリプトン、0.5% イーストエクストラクト、0.05% NaCl、2.5 mM KCl、20 mMグルコース、10 mM MgCl2を含む培地
IPTG:イソプロピル-β-チオガラクトピラノシド
PBS:137 mM NaClと2.7 mM KClを含む10 mM phosphate buffer(pH 7.2)
PBST:0.1% triton-X100を含むPBS
PBSB:1 % BSAを含むPBS
TAEバッファー:1 mM EDTAを含む40 mM Tris-acetate(pH 8.3)
Extraction buffer: 50 mM Na2HPO4-NaH2PO4, 300 mM NaCl (pH 7.0)
TALON溶出液:50 mM Na2HPO4-NaH2PO4, 300 mM NaCl, 250 mM imidazole (pH 7.0)
蛋白質保存用バッファー: 60 mM Tris-HCl, 150 mM NaCl, 0.8M 硫安, 90 mM KCl, 1 mM MgCl2, 90 μM ZnCl2
発光測定用バッファー:10 mM Tris-HCl, 90 mM KCl, 1mM MgCl2, 90 μM ZnCl2, 50 mM HEPES, 1 mM DTT, 1 % BSA, 2.5 % グリセロール(pH 7.5)
2x LH2溶液:200 mM MOPS, 20 mM MgSO4, 600 μM ルシフェリン(LH2), 20 mM ATP, 2 mg/ml BSA, (pH7.0)
Abbreviations used in the following examples are as follows.
LB: Liquid medium containing 1% bactotryptone, 0.5% yeast extract, 0.5% NaCl
LBA: LB containing 100 μg / ml ampicillin
LBAG: LB containing 100 μg / ml ampicillin and 1% glucose
LBAC: LB containing 100 μg / ml ampicillin and 33 μg / ml chloramphenicol
LBAG plate: LB agar containing 100 μg / ml ampicillin and 1% glucose
LBAC plate: LB agar medium containing 100 μg / ml ampicillin and 33 μg / ml chloramphenicol
SOC: Medium containing 2% bactotryptone, 0.5% yeast extract, 0.05% NaCl, 2.5 mM KCl, 20 mM glucose, 10 mM MgCl 2
IPTG: Isopropyl-β-thiogalactopyranoside
PBS: 10 mM phosphate buffer (pH 7.2) containing 137 mM NaCl and 2.7 mM KCl
PBST: PBS containing 0.1% triton-X100
PBSB: PBS containing 1% BSA
TAE buffer: 40 mM Tris-acetate (pH 8.3) containing 1 mM EDTA
Extraction buffer: 50 mM Na 2 HPO 4 -NaH 2 PO 4 , 300 mM NaCl (pH 7.0)
TALON eluent: 50 mM Na 2 HPO 4 -NaH 2 PO 4 , 300 mM NaCl, 250 mM imidazole (pH 7.0)
Protein storage buffer: 60 mM Tris-HCl, 150 mM NaCl, 0.8 M ammonium sulfate, 90 mM KCl, 1 mM MgCl 2 , 90 μM ZnCl 2
Buffer for luminescence measurement: 10 mM Tris-HCl, 90 mM KCl, 1 mM MgCl 2 , 90 μM ZnCl 2 , 50 mM HEPES, 1 mM DTT, 1% BSA, 2.5% glycerol (pH 7.5)
2x LH2 solution: 200 mM MOPS, 20 mM MgSO 4 , 600 μM luciferin (LH 2 ), 20 mM ATP, 2 mg / ml BSA, (pH 7.0)

すべての実験において、Milli-Q (Millipore Co., Billerica, MA)にて精製した水を用いた。以下、milliQ水と表記する。通常の試薬は特に表記のあるもの以外は、シグマ(St. Louis, MO)、ナカライテスク(京都)、和光純薬(大阪)、関東化学(東京)のものを使用した。オリゴDNAはテキサスジェノミクスジャパン(東京)、またはInvitrogen(東京)にて合成した。   In all experiments, water purified with Milli-Q (Millipore Co., Billerica, MA) was used. Hereinafter, it is expressed as milliQ water. Unless otherwise indicated, ordinary reagents used were those of Sigma (St. Louis, MO), Nacalai Tesque (Kyoto), Wako Pure Chemical (Osaka), Kanto Chemical (Tokyo). Oligo DNA was synthesized at Texas Genomics Japan (Tokyo) or Invitrogen (Tokyo).

Polymerase chain reaction (PCR)には、MJ mini personal thermal cycler (BIO-RAD Laboratories, Inc., Hercules, CA)を、DNA配列決定には、CEQTM 8000 Genetic Analysis System (Beckman Coulter, Fullerton, CA)を使用した。 MJ mini personal thermal cycler (BIO-RAD Laboratories, Inc., Hercules, CA) is used for Polymerase chain reaction (PCR), and CEQ TM 8000 Genetic Analysis System (Beckman Coulter, Fullerton, CA) is used for DNA sequencing. used.

本実験で使用した酵素(AscI、NotI、XhoI、EcoRI、DpnI)は、Takara Bio(大津)、Roche Applied Science(Basel, Switzerland)、New England BioLabs(Ipswich, MA)、Promega Co.(Madison, WI)製のいずれかを使用した。   Enzymes used in this experiment (AscI, NotI, XhoI, EcoRI, DpnI) are Takara Bio (Otsu), Roche Applied Science (Basel, Switzerland), New England BioLabs (Ipswich, MA), Promega Co. (Madison, WI). ) Was used.

本実験で用いた大腸菌株は以下の通りである。
DH5α: F-, Φ80dlacZΔM15, Δ(lacZYA-argF)U169, deoR, recA1, endA1, hsdR17(rK-, mK+), phoA, supE44, λ-, thi-1, gyrA96, relA1
BL21 (DE3, pLysS): F-, hsdSB(rB - mB -), gal dcm, lacY1, aphC, gor522::Tn10(Tetr), trxB::Kanr (DE3) pLysS(Cmr)
The E. coli strains used in this experiment are as follows.
DH5α: F-, Φ80dlacZΔM15, Δ (lacZYA-argF) U169, deoR, recA1, endA1, hsdR17 (rK-, mK +), phoA, supE44, λ-, thi-1, gyrA96, relA1
BL21 (DE3, pLysS): F -, hsdS B (r B - m B -), gal dcm, lacY1, aphC, gor522 :: Tn10 (Tet r), trxB :: Kan r (DE3) pLysS (Cm r)

本実験で用いたオリゴDNA配列は以下の通りである。
Full-1: 5’-ggcgcgcCTCGAGCTTTCCGCCCTTCTTGGCCT-3’(配列番号1)
Full-2: 5’-ggcgcgccGCGGCCGCCggtggtggtggtagcATGGAAGACGCCAAAAACATAAAG-3’(配列番号2)
Ndomain-1: 5’-ggcgcgcCTCGAGGCGGTCAACTATGAAGAAGTG-3’(配列番号3)
Ndomain-2: 5’-ggcgcgccGCGGCCGCCggtggtggtggtagcATGGAAGACGCCAAAAACATAAAG-3’(配列番号4)=Full-2
Cdomain-1: 5’-ggcgcgcCTCGAGCTTTCCGCCCTTCTTGGCCT-3’(配列番号5)=Full-1
Cdomain-2: 5’-ggcgcgccGCGGCCGCCggtggtggtggtagcGGACCTATGATTATGTCCGG-3’(配列番号6)
M13M3: 5'-gtaaaacgacggccagt-3'(配列番号7)
M13RV: 5'-caggaaacagctatgac-3'(配列番号8)
T7term: 5'-tagttattgctcagcggtgg-3'(配列番号9)
TrxFusBack: 5'-ttcctcgacgctaacctg-3'(配列番号10)
K529A-r: 5'-ctctctgatttttcttgcgtcgagAGCtccggtaagacctttcgg-3'(配列番号11)
K529A-f: 5'-ccgaaaggtcttaccggaGCTctcgacgcaagaaaaatcagagag-3'(配列番号12)
K443A-r: 5'-gccacctgatatcctttgtatGCaattaaagacttcaagcggtc-3'(配列番号13)
K443A-f: 5'-gaccgcttgaagtctttaattGCatacaaaggatatcaggtggc-3'(配列番号14)
The oligo DNA sequences used in this experiment are as follows.
Full-1: 5'-ggcgcgcCTCGAGCTTTCCGCCCTTCTTGGCCT-3 '(SEQ ID NO: 1)
Full-2: 5'-ggcgcgccGCGGCCGCCggtggtggtggtagcATGGAAGACGCCAAAAACATAAAG-3 '(SEQ ID NO: 2)
Ndomain-1: 5'-ggcgcgcCTCGAGGCGGTCAACTATGAAGAAGTG-3 '(SEQ ID NO: 3)
Ndomain-2: 5'-ggcgcgccGCGGCCGCCggtggtggtggtagcATGGAAGACGCCAAAAACATAAAG-3 '(SEQ ID NO: 4) = Full-2
Cdomain-1: 5'-ggcgcgcCTCGAGCTTTCCGCCCTTCTTGGCCT-3 '(SEQ ID NO: 5) = Full-1
Cdomain-2: 5'-ggcgcgccGCGGCCGCCggtggtggtggtagcGGACCTATGATTATGTCCGG-3 '(SEQ ID NO: 6)
M13M3: 5'-gtaaaacgacggccagt-3 '(SEQ ID NO: 7)
M13RV: 5'-caggaaacagctatgac-3 '(SEQ ID NO: 8)
T7term: 5'-tagttattgctcagcggtgg-3 '(SEQ ID NO: 9)
TrxFusBack: 5'-ttcctcgacgctaacctg-3 '(SEQ ID NO: 10)
K529A-r: 5'-ctctctgatttttcttgcgtcgagAGCtccggtaagacctttcgg-3 '(SEQ ID NO: 11)
K529A-f: 5'-ccgaaaggtcttaccggaGCTctcgacgcaagaaaaatcagagag-3 '(SEQ ID NO: 12)
K443A-r: 5'-gccacctgatatcctttgtatGCaattaaagacttcaagcggtc-3 '(SEQ ID NO: 13)
K443A-f: 5'-gaccgcttgaagtctttaattGCatacaaaggatatcaggtggc-3 '(SEQ ID NO: 14)

ターゲットDNAの配列は以下の通りである。配列は水溶液中でヘアピン構造をとり部分二重鎖を形成する(図2)。IRでは、ターゲット配列(Zif12認識配列)が2つ回文配列として存在しているが、SSではターゲット配列は一つのみである。
IR (inverted repeat DNA):
5'-Biotin-ggaTGGGCGCGCCCAgggttttcccTGGGCGCGCCCAtcc-3'(配列番号15)
SS (single site DNA):
5'-Biotin-ggaTGGGCGtatgctgggttttcccagcataCGCCCAtcc-3'(配列番号16)
大文字は、Zif12認識配列を示す。
The sequence of the target DNA is as follows. The sequence takes a hairpin structure in an aqueous solution and forms a partial duplex (FIG. 2). In IR, two target sequences (Zif12 recognition sequences) exist as palindrome arrays, but in SS there is only one target sequence.
IR (inverted repeat DNA):
5'-Biotin-ggaTGGGCGCGCGCCCAgggttttcccTGGGCGCGCCCAtcc-3 '(SEQ ID NO: 15)
SS (single site DNA):
5'-Biotin-ggaTGGGCGtatgctgggttttcccagcataCGCCCAtcc-3 '(SEQ ID NO: 16)
Uppercase letters indicate the Zif12 recognition sequence.

本実験で使用したプラスミドは以下の通りである。
pGEX-WT:野生型ホタルルシフェラーゼ遺伝子を含む(Zako et al., FEBS Lett. 579, 4389-4394, 2005)
pGEX-H245D:ホタルルシフェラーゼ変異体H245Dの遺伝子を含む(Ayabe et al., FEBS Lett. 579, 4389-4394,2005)
pNEB193:New England BioLabs社より購入
pET32-ZiF12-EYFP : Yoshitake et al., Biosensors and Bioelectronics, 23, 1266-1271, 2008.
pET32-ZiF12-LucWT:野生型ルシフェラーゼとZif12との融合蛋白質発現ベクター
pET32-ZiF12-LucH245D:H245DとZif12との融合蛋白質発現ベクター
pET32-ZiF12-LucK443A:K443AとZif12との融合蛋白質発現ベクター
pET32-ZiF12-LucK529A:K529AとZif12との融合蛋白質発現ベクター
pET32-ZiF12-LucH245D/K443A:H245D/K443AとZif12との融合蛋白質発現ベクター
pET32-ZiF12-LucH245D/K529A:H245D/K529AとZif12との融合蛋白質発現ベクター
pET32-ZiF12-LucN:ルシフェラーゼNドメインとZif12との融合蛋白質発現ベクター
pET32-ZiF12-LucC:ルシフェラーゼCドメインとZif12との融合蛋白質発現ベクター
The plasmids used in this experiment are as follows.
pGEX-WT: Contains wild-type firefly luciferase gene (Zako et al., FEBS Lett. 579, 4389-4394, 2005)
pGEX-H245D: Contains the gene for firefly luciferase mutant H245D (Ayabe et al., FEBS Lett. 579, 4389-4394, 2005)
pNEB193: Purchased from New England BioLabs
pET32-ZiF12-EYFP: Yoshitake et al., Biosensors and Bioelectronics, 23, 1266-1271, 2008.
pET32-ZiF12-LucWT: Fusion protein expression vector of wild-type luciferase and Zif12
pET32-ZiF12-LucH245D: Fusion protein expression vector of H245D and Zif12
pET32-ZiF12-LucK443A: K443A and Zif12 fusion protein expression vector
pET32-ZiF12-LucK529A: Fusion protein expression vector of K529A and Zif12
pET32-ZiF12-LucH245D / K443A: Fusion protein expression vector of H245D / K443A and Zif12
pET32-ZiF12-LucH245D / K529A: Fusion protein expression vector of H245D / K529A and Zif12
pET32-ZiF12-LucN: fusion protein expression vector of luciferase N domain and Zif12
pET32-ZiF12-LucC: fusion protein expression vector of luciferase C domain and Zif12

基本的な実験操作
ライゲーション
ライゲーション反応は、ベクターDNA及びインサートDNAを適量混合し、この混合液と等量の2×Ligation high (TOYOBO. CO., LTD., 大阪)を混合し、16℃で30分インキュベートすることにより行った。
トランスフォーメーション
トランスフォーメーションは塩化カルシウム法で行った。プラスミド(ライゲーション反応物など)と大腸菌を混合し、氷上に30分間静置、42℃で45秒間反応させ、氷上で3分間静置した後、大腸菌液の2倍量のSOC培地を加え、37℃で20分間培養した。培養後、適当な抗生物質を含むLBプレートに塗布し、37℃で一晩培養した。
アガロースゲル電気泳動
DNA断片の確認のための電気泳動は、Agarose S (NIPPON GENE CO., LTD., 富山)を終濃度1%となるようにTAEに溶解して作製したアガロースゲルに、泳動バッファーが終濃度1×となるようにDNA溶液を調整、アプライし泳動を行った。また、その断片を切り出し精製して使用する場合には、バンド周辺のゲルをナイフで切り出し、それをWizard SV Gel & PCR Clean-up System (Promega Co., Madison, WI)を用いて精製した。
Basic experimental operation
Ligation Ligation reaction is performed by mixing an appropriate amount of vector DNA and insert DNA, mixing this mixture with an equal volume of 2 × Ligation high (TOYOBO. CO., LTD., Osaka), and incubating at 16 ° C for 30 minutes. went.
Transformation transformation was performed by the calcium chloride method. Plasmid (ligation reaction product, etc.) and E. coli are mixed, left on ice for 30 minutes, reacted at 42 ° C for 45 seconds, left on ice for 3 minutes, then added 2 times the amount of SOC medium in E. coli solution, 37 Incubated for 20 minutes at ° C. After culturing, it was applied to an LB plate containing an appropriate antibiotic and cultured overnight at 37 ° C.
Agarose gel electrophoresis
Electrophoresis for DNA fragment confirmation was performed on an agarose gel prepared by dissolving Agarose S (NIPPON GENE CO., LTD., Toyama) in TAE to a final concentration of 1%. The DNA solution was prepared, applied, and electrophoresed so as to indicate x. In addition, when the fragment was cut out and purified, the gel around the band was cut out with a knife and purified using the Wizard SV Gel & PCR Clean-up System (Promega Co., Madison, Wis.).

(1)プラスミド構築の概要
野生型ルシフェラーゼもしくはH245D、Nドメイン、Cドメインの遺伝子をPCRによって増幅し、発現用プラスミドでありZif12遺伝子を有するpET32-ZiF12に組込み、Zif12との融合蛋白質発現ベクター(pET32-ZiF12-LucWT、pET32-ZiF12-LucH245D、pET32-ZiF12-LucN、pET32-ZiF12-LucC)を構築した。その後、pET32-ZiF12-LucWTもしくはpET32-ZiF12-LucH245Dにクイックチェンジ法により443番目、529番目のリジン残基をアラニンに変換することで、Zif12とK443A及びK529A、H245D/K443A及びH245D/K529Aとの融合蛋白質発現ベクター(pET32-ZiF12-LucK443A、pET32-ZiF12-LucK529A、pET32-ZiF12-LucH245D/K443A、pET32-ZiF12-LucH245D/K529A)を構築した。
(1) Outline of plasmid construction Genes of wild-type luciferase or H245D, N domain, and C domain are amplified by PCR and incorporated into pET32-ZiF12, which is a plasmid for expression and has a Zif12 gene, and a fusion protein expression vector with pif32 (pET32 -ZiF12-LucWT, pET32-ZiF12-LucH245D, pET32-ZiF12-LucN, pET32-ZiF12-LucC) were constructed. After that, by converting the 443rd and 529th lysine residues to alanine by quick change method to pET32-ZiF12-LucWT or pET32-ZiF12-LucH245D, Zif12 and K443A and K529A, H245D / K443A and H245D / K529A Fusion protein expression vectors (pET32-ZiF12-LucK443A, pET32-ZiF12-LucK529A, pET32-ZiF12-LucH245D / K443A, pET32-ZiF12-LucH245D / K529A) were constructed.

野生型ルシフェラーゼ及びH245D遺伝子をPCRによって以下の様に増幅した。
反応液組成
pGEX-WTもしくはpGEX-H245D 1 μl
プライマー Full-1 (100 nM) 0.5 μl
プライマー Full-2 (100 nM) 0.5 μl
10x ExTaq buffer (Mg2+ 20 mM) (Takara bio Inc., 大津) 10 μl
dNTP Mixture (2.5 mM each) (Takara bio Inc.) 8 μl
5 U/μl ExTaq DNA polymerase (Takara bio Inc.) 1 μl
milliQ 79 μl
Wild type luciferase and H245D gene were amplified by PCR as follows.
Reaction solution composition
pGEX-WT or pGEX-H245D 1 μl
Primer Full-1 (100 nM) 0.5 μl
Primer Full-2 (100 nM) 0.5 μl
10x ExTaq buffer (Mg2 + 20 mM) (Takara bio Inc., Otsu) 10 μl
dNTP Mixture (2.5 mM each) (Takara bio Inc.) 8 μl
5 U / μl ExTaq DNA polymerase (Takara bio Inc.) 1 μl
milliQ 79 μl

反応サイクル
1、94℃ 5 min
2、94℃ 30 sec
3、60℃ 1 min 30 sec
4、72℃ 2 min
(2から4を25サイクル)
5、72℃ 10 min
6、15℃で保持
Reaction cycle 1, 94 5 min
2, 94 ℃ 30 sec
3, 60 1 min 30 sec
4, 72 2 min
(2 to 4 25 cycles)
5, 72 ℃ 10 min
6. Hold at 15 ° C

ルシフェラーゼNドメインもしくはCドメインをコードする遺伝子を、PCRによって以下の様に増幅した。PCR反応では、プライマーとして、Nドメインの場合にはNdomain-1及びNdomain-2、Cドメインの場合にはCdomain-1及びCdomain-2、用いたほかは、上と同様の条件で行った。   The gene encoding luciferase N domain or C domain was amplified by PCR as follows. The PCR reaction was performed under the same conditions as above except that Ndomain-1 and Ndomain-2 were used as primers for N domain, and Cdomain-1 and Cdomain-2 were used for C domain.

増幅したPCR産物は、AscIで切断した後、Wizard SV Gel & PCR Clean-up System (Promega Co)を用いて精製した。また、pNEB193(New England BioLabs)についても、同じくAscIで切断しアガロースゲル電気泳動後、開環状pNEB193に相当するDNAバンドを切り取り、上記の通り精製した。AscI 処理し精製したPCR産物及び開環状pNEB193は、上記の通りライゲーション反応を行い、DH5αのトランスフォームに供し、LBAプレートで培養した。得られたコロニーは、プライマーM13RV、M13M3を用いたコロニーPCRとその後のアガロースゲル電気泳動によって解析した。   The amplified PCR product was cleaved with AscI and then purified using Wizard SV Gel & PCR Clean-up System (Promega Co). Further, pNEB193 (New England BioLabs) was similarly cut with AscI and subjected to agarose gel electrophoresis, and then a DNA band corresponding to open circular pNEB193 was cut out and purified as described above. The AscI-treated and purified PCR product and the open circular pNEB193 were subjected to a ligation reaction as described above, subjected to DH5α transformation, and cultured on an LBA plate. The obtained colonies were analyzed by colony PCR using primers M13RV and M13M3 followed by agarose gel electrophoresis.

コロニーPCR反応液組成
プライマー M13RV (5 nM) 1 μl
プライマー M13M3 (5 nM) 1 μl
2x GoTaq (Promega Co.) 5 μl
milliQ 3 μl
Colony PCR reaction solution primer M13RV (5 nM) 1 μl
Primer M13M3 (5 nM) 1 μl
2x GoTaq (Promega Co.) 5 μl
milliQ 3 μl

コロニーPCR反応サイクル
1、94℃ 5 min
2、94℃ 30 sec
3 55℃ 30 sec
4、72℃ 1 min
(2から4を25サイクル)
5、72℃ 2 min
6、15℃で保持
Colony PCR reaction cycle 1, 94 5 min
2, 94 ℃ 30 sec
3 55 30 sec
4, 72 1 min
(2 to 4 25 cycles)
5, 72 2 min
6. Hold at 15 ° C

コロニーPCRによって、ルシフェラーゼ野生型及びH245D遺伝子に相当するDNAバンドが得られたクローンについては、4 ml LBA液体培地で一晩培養し、回収した大腸菌ペレットからWizard Plus SV Minipreps DNA Purification System (Promega Co.)を用いてプラスミドを抽出し、その後配列を確認した。   For clones in which DNA bands corresponding to luciferase wild type and H245D gene were obtained by colony PCR, the clones were cultured overnight in 4 ml LBA liquid medium, and Wizard Plus SV Minipreps DNA Purification System (Promega Co. ) Was used to extract the plasmid, after which the sequence was confirmed.

ルシフェラーゼ野生型及びH245D、Nドメイン、Cドメイン遺伝子が挿入されたpNEB193を、NotI及びXhoI処理によって切断し、アガロースゲル電気泳動後、ルシフェラーゼ野生型及びH245D遺伝子をコードするDNA断片を上記の通り精製した。一方、pET32-ZiF12を同様にNotI及びXhoI処理を行い、上記と同様に開環状pET32-ZiF12を精製し、ルシフェラーゼ野生型及びH245D遺伝子断片とライゲーションし、トランスフォーム、及びLBAプレートで培養後、コロニーPCRを行った。コロニーPCRは、プライマーとして、T7 Term及びTrxFusBackを用いたほかは、上記のコロニーPCRと同様の条件で行った。コロニーPCR産物は、ルシフェラーゼ野生型及びH245D遺伝子内に存在するEcoRIで切断反応後、アガロースゲル電気泳動により解析した。うち正しい切断パターンを与えたクローンを4 mlのLBA液体培地に植菌し、プラスミドを抽出し、pET32-ZiF12-LucWT及びpET32-ZiF12-LucH245Dを得た。それぞれが設計通りのDNA配列を有することは、シーケンシングによって確認した。   PNEB193 into which luciferase wild type and H245D, N domain, and C domain genes were inserted was cleaved by NotI and XhoI treatment, and after agarose gel electrophoresis, the DNA fragment encoding luciferase wild type and H245D gene was purified as described above. . On the other hand, pET32-ZiF12 was similarly treated with NotI and XhoI, and the open circular pET32-ZiF12 was purified in the same manner as above, ligated with luciferase wild type and H245D gene fragment, transformed, and cultured on LBA plate, colony PCR was performed. Colony PCR was performed under the same conditions as the above colony PCR except that T7 Term and TrxFusBack were used as primers. The colony PCR product was analyzed by agarose gel electrophoresis after a cleavage reaction with EcoRI present in luciferase wild type and H245D gene. Among them, clones that gave the correct cleavage pattern were inoculated into 4 ml of LBA liquid medium, and plasmids were extracted to obtain pET32-ZiF12-LucWT and pET32-ZiF12-LucH245D. It was confirmed by sequencing that each had a DNA sequence as designed.

得られたpET32-ZiF12-LucWT及びpET32-ZiF12-LucH245Dをテンプレートとして用いたクイックチェンジ法により、変異体K443A、K529A、H245D/K443A、H245D/K529Aを得た。以下にプライマーと反応条件を示す。   Mutants K443A, K529A, H245D / K443A, and H245D / K529A were obtained by the quick change method using the obtained pET32-ZiF12-LucWT and pET32-ZiF12-LucH245D as templates. Primers and reaction conditions are shown below.

クイックチェンジ反応条件
pET32-ZiF12-LucWTもしくはpET32-ZiF12-LucH245D 1 μl
K443-fもしくはK529A-f (10μM) 1.5 μl
K443-rもしくはK529A-r (10μM) 1.5 μl
Pfu ULTRA Buffer (Stratagene, La Jolla, CA ) 5 μl
dNTP 4 μl
Pfu ULTRA (Stratagene) 1 μl
milliQ 36 μl
Quick change reaction conditions
pET32-ZiF12-LucWT or pET32-ZiF12-LucH245D 1 μl
K443-f or K529A-f (10μM) 1.5 μl
K443-r or K529A-r (10μM) 1.5 μl
Pfu ULTRA Buffer (Stratagene, La Jolla, CA) 5 μl
dNTP 4 μl
Pfu ULTRA (Stratagene) 1 μl
milliQ 36 μl

反応サイクル
1、95℃ 1 min
2、95℃ 30 s
3、55℃ 1 min
4、68℃ 8.5 min
(2から4を18サイクル)
5、16℃で保持
Reaction cycle 1, 95 ° C 1 min
2, 95 ℃ 30 s
3, 55 1 min
4. 68 ℃ 8.5 min
(2 to 4 18 cycles)
5. Hold at 16 ° C

得られたクイックチェンジ産物は、1 μl DpnIを加えて1.5時間、37℃で放置した後、数μlをDH5αコンピテントセルに加えて形質転換した。得られたコロニーから上記のようにプラスミド抽出を行い、pET32-ZiF12-LucK443A、pET32-ZiF12-LucK529A、pET32-ZiF12-LucH245D/K443A、及びpET32-ZiF12-LucH245D/K443Aを得た。得られたプラスミドが、設計通りのDNA配列を有することは、シーケンシングによって確認した。   The obtained quick change product was added with 1 μl DpnI and allowed to stand at 37 ° C. for 1.5 hours, and then several μl was added to DH5α competent cells for transformation. Plasmid extraction was performed as described above from the obtained colonies to obtain pET32-ZiF12-LucK443A, pET32-ZiF12-LucK529A, pET32-ZiF12-LucH245D / K443A, and pET32-ZiF12-LucH245D / K443A. It was confirmed by sequencing that the obtained plasmid had a DNA sequence as designed.

(2)蛋白質発現
得られた6種類のベクターによって、大腸菌BL21(DE3)(pLysS)の形質転換を行い、37℃でLBACプレートにて一晩培養し、得られたコロニーをLBAC培地4 mlに植菌し、37℃で一晩培養した。次にその培養液400 μlをLBAC液体培地100 mlに植菌し、37℃で、OD600が約0.5に達したときに、IPTG 1 mMを添加し、蛋白質発現を誘導し、16℃で一晩培養した。
(2) Protein expression E. coli BL21 (DE3) (pLysS) was transformed with the obtained 6 types of vectors and cultured overnight at 37 ° C on an LBAC plate. The resulting colonies were added to 4 ml of LBAC medium. Inoculated and cultured overnight at 37 ° C. Next, 400 μl of the culture solution was inoculated into 100 ml of LBAC liquid medium, and when OD 600 reached about 0.5 at 37 ° C., 1 mM IPTG was added to induce protein expression, and at 16 ° C. Cultured overnight.

(3)蛋白質精製
培養後、菌体を遠心分離操作によって回収し、10 mlのExtraction bufferに再懸濁し、氷上で超音波破砕した後、10000 x g、60 min、4℃で遠心分離し、上清(ライセート)を回収した。
今回発現させた蛋白質にはヒスチジンタグが融合されており、TALON affinity resin (Clontech Laboratories, Inc., Mountain View, CA)を用いて精製を行った。TALON affinity Resin 100 μlにライセート10 mlを添加し、室温で20 min穏やかに反転混合しながら蛋白質を結合させた。卓上遠心分離機によってresinを回収し、上清を廃棄した後、10 ml のExtraction bufferを加えて懸濁するという洗浄操作を3回繰り返した後、Elution Bufferを加えて蛋白質の溶出操作を数回行った。それぞれの溶出液はブラッドフォード法による蛋白濃度測定を行い、濃度が高いと思われるフラクションをNAP5カラム(GE Healthcare UK Ltd., Amersham Place, England)を用いて蛋白質保存用バッファーに置換し、分注して-80℃に保存した。
(3) Protein purification After culturing, the cells are collected by centrifugation, resuspended in 10 ml extraction buffer, sonicated on ice, centrifuged at 10000 xg, 60 min, 4 ° C, The lysate was recovered.
The protein expressed this time was fused with a histidine tag and purified using TALON affinity resin (Clontech Laboratories, Inc., Mountain View, CA). 10 ml of lysate was added to 100 μl of TALON affinity Resin, and proteins were allowed to bind while gently inversion for 20 min at room temperature. After collecting the resin with a tabletop centrifuge and discarding the supernatant, the washing operation of adding 10 ml of Extraction buffer and suspending was repeated three times, and then the Elution Buffer was added and the protein was eluted several times. went. Each eluate was measured for protein concentration by the Bradford method, and the fraction with high concentration was replaced with a protein storage buffer using a NAP5 column (GE Healthcare UK Ltd., Amersham Place, England). And stored at -80 ° C.

金属アフィニティ精製後サンプルのSDS-PAGEにより、野生型と他変異体 (M.W. 88.3 kDa)、Nドメイン (M.W. 76.7 kDa)、Cドメイン (M.W. 44.8 kDa)とZif12との融合蛋白質が設計したサイズの通り十分な純度で調製できたことを確認した。そこでブラッドフォード法による蛋白濃度測定(プロテインアッセイ,Bio-Rad)にて最終的に各蛋白質の定量を行った。   According to SDS-PAGE of the sample after metal affinity purification, the fusion protein of wild type and other mutants (MW 88.3 kDa), N domain (MW 76.7 kDa), C domain (MW 44.8 kDa) and Zif12 was designed. It was confirmed that it could be prepared with sufficient purity. Therefore, the protein concentration was finally measured by Bradford method (protein assay, Bio-Rad).

(4)比活性の評価
精製Zif12融合蛋白質を、終濃度10 nMになるように発光測定用バッファーで希釈し、Costar白色96穴プレート(CorningCostar Inc., Corning, NY)に50 μlずつ分注し、2x LH2溶液を50 μl添加し、1秒間の発光強度をAB-2350 ルミノメーターPHELIOS(Atto Co., 東京)を用いて測定した。それぞれの蛋白質終濃度10 nMで発光強度を測定した結果が図3である。これによりNドメイン、Cドメインおよび変異体の発光活性は、野生型の1 %以下であることを確認し、バックグラウンドとして十分に低いことがわかった。
(4) Evaluation of specific activity The purified Zif12 fusion protein was diluted with a buffer for luminescence measurement to a final concentration of 10 nM, and 50 μl was dispensed into a Costar white 96-well plate (CorningCostar Inc., Corning, NY). 50 μl of 2 × LH2 solution was added, and the luminescence intensity for 1 second was measured using AB-2350 luminometer PHELIOS (Atto Co., Tokyo). FIG. 3 shows the results of measuring the luminescence intensity at each protein final concentration of 10 nM. As a result, it was confirmed that the luminescence activity of the N domain, the C domain and the mutant was 1% or less of the wild type, and it was found that the background was sufficiently low.

(5)DNA結合活性測定
白色96穴プレートにPBS溶液で希釈したストレプトアビジン10 μg/ml を4°Cで一晩固定させた後、PBSBで2時間ブロッキングした後、PBSTで3回洗浄した。次いで10 nMのビオチン化ターゲットDNA(IR、SS)を含むPBSBを50 μlずつ分注し、1時間室温で静置した。PBSTで3回洗浄し、発光測定用バッファーで希釈した様々な濃度の精製Zif12融合野生型ルシフェラーゼを50 μlずつ分注し、1時間静置した。PBSTで3回洗浄し、発光測定用バッファーを50 μlずつ分注した後、2x LH2溶液を50 μl添加して発光強度を測定した。その結果、隣り合った2個のターゲット配列を持つIRを固定化した場合、加えた蛋白質濃度に比例して発光強度が増大したのに対し、ターゲット配列を1個のみ持つSSを固定化した場合シグナルも弱く有意な蛋白質濃度依存性が確認できなった。よって、融合蛋白質のIR特異的DNA結合能が確認できた。
(5) Measurement of DNA binding activity 10 μg / ml of streptavidin diluted with a PBS solution was fixed to a white 96-well plate overnight at 4 ° C., blocked with PBSB for 2 hours, and then washed 3 times with PBST. Subsequently, 50 μl of PBSB containing 10 nM biotinylated target DNA (IR, SS) was dispensed and allowed to stand at room temperature for 1 hour. After washing with PBST three times, 50 μl of purified Zif12-fused wild-type luciferase with various concentrations diluted with a luminescence measurement buffer was dispensed and allowed to stand for 1 hour. After washing 3 times with PBST and dispensing 50 μl of the luminescence measurement buffer, 50 μl of 2 × LH2 solution was added and the luminescence intensity was measured. As a result, when the IR with two adjacent target sequences was immobilized, the luminescence intensity increased in proportion to the added protein concentration, whereas the SS with only one target sequence was immobilized. The signal was weak and significant protein concentration dependency could not be confirmed. Therefore, the IR-specific DNA binding ability of the fusion protein was confirmed.

(6)2種の変異体混合による発光強度増強
白色96穴プレートにビオチン化IR DNAを上記のように固定し、発現精製して得られたZif12融合蛋白質のうち2つを選び、それぞれを単独で40 nM、あるいは終濃度20 nM(合計40 nM)になるように混合し分注し、上記のように洗浄後発光強度を測定した。発光測定は特に記さない場合基質添加後3秒後から1秒間行い、3サンプルの平均値を求めた。その結果、従来のPCA法であるNドメインとCドメインを組み合わせた場合、それぞれ単独の発光活性から予想される値(平均値)に対しわずか1.3倍の発光強度しか観測されなかった(図4、測定時間3分)。一方、残りの組み合わせのうち、K529A/H245D (5H)+ K529A、5H + K443A、K443A/H245D(4H) + K529A、および4H + K443Aにおいて混合した場合に期待値より顕著に高い活性が観察され、それらの発光強度は5H+K529Aで期待値の7.5倍、4H+K443Aで6.9倍に達した(図4)。また後者で得られた発光強度は、図4で得られたPCA法の場合の1000倍以上でかつ野生型酵素を用いた場合の1%を優に超える強度であった。また活性比率の最も高い変異体ペアである5HとK529Aについてその混合比を変化させて発光強度を測定したところ、図5に示すように混合比が1:1の時に活性が最も高くなった(反応時間3分)。このことから、活性上昇は二種類の変異体がIR-DNAにより単にプレート表面に濃縮されただけでなく、Zif12を介して二種類の変異体同士が1:1で近接したことに起因することが示唆された。さらに、5H と K529A、ならびに4H と K443Aを単に活性測定用バッファー中で1:1で混合(終濃度40 nM)して活性を測定した場合には、両者の平均の発光強度しか得られなかった(図6)。以上より、これらの変異体ペアを用いた場合、従来のPCA法では十分な活性回復が観測されない条件においても、ターゲットDNAと結合して、互いに接近することにより酵素活性が相補され、発光強度が顕著に増大したことが示された。また予想に反して、今回の実験系においてK443A変異体はK529A変異体とほぼ同等の機能を果たすことが明かとなった。
(6) Luminescence intensity enhancement by mixing two kinds of mutants Select two of Zif12 fusion proteins obtained by immobilizing biotinylated IR DNA in a white 96-well plate as described above, and purifying the expression. Were mixed and dispensed so that the final concentration was 20 nM or a final concentration of 20 nM (total 40 nM), and the luminescence intensity was measured after washing as described above. Luminescence measurement was performed for 1 second from 3 seconds after addition of the substrate unless otherwise specified, and the average value of 3 samples was obtained. As a result, when the N domain and C domain, which are conventional PCA methods, were combined, only 1.3 times the luminescence intensity was observed with respect to the value (average value) expected from each luminescence activity (Fig. 4, Measurement time 3 minutes). On the other hand, among the remaining combinations, when mixed in K529A / H245D (5H) + K529A, 5H + K443A, K443A / H245D (4H) + K529A, and 4H + K443A, significantly higher activity than expected was observed, Their emission intensity reached 7.5 times the expected value with 5H + K529A and 6.9 times with 4H + K443A (FIG. 4). Also, the luminescence intensity obtained in the latter was 1000 times or more that of the PCA method obtained in FIG. 4 and well over 1% when the wild type enzyme was used. Further, when the luminescence intensity was measured by changing the mixing ratio of the mutant pair 5H and K529A having the highest activity ratio, the activity was highest when the mixing ratio was 1: 1 as shown in FIG. Reaction time 3 minutes). From this, the increase in activity is due to the fact that the two mutants were not only concentrated on the plate surface by IR-DNA, but also the two mutants were close together at 1: 1 via Zif12. Was suggested. Furthermore, when the activity was measured by simply mixing 5H and K529A, and 4H and K443A in an activity measurement buffer at a 1: 1 concentration (final concentration 40 nM), only the average luminescence intensity of both was obtained. (FIG. 6). As described above, when these mutant pairs are used, enzyme activity is complemented by binding to the target DNA and approaching each other even under conditions where sufficient activity recovery is not observed by the conventional PCA method, and the luminescence intensity is increased. A significant increase was shown. Contrary to expectations, it was revealed that the K443A mutant performs almost the same function as the K529A mutant in this experimental system.

実施例2:
実施例1の実験は固定化したDNAに結合した変異体の活性を測定するものであったが、ホモジニアスな溶液中で抗原添加による活性変化が観察されるかどうか検討した。より高い活性変化を得るため、中間体LH2-AMPを多く産生すると考えられるK443A/H245D変異体に対し中間体生成量が高まると期待されるL530R変異(Fujii et al., Anal. Biochem. 366, 131-136, 2007)を、さらに全ての変異体に対して安定性向上が期待される変異E354Kを導入した。すなわち、実施例2で作製したプラスミドは以下の通りである。
pET32-ZiF12-LucK443A/H245D/L530R/E354K : LucK443A/H245D/L530R/E354KとZif12との融合蛋白質発現ベクター
pET32-ZiF12-LucK529A/E354K : LucK529A/E354KとZif12との融合蛋白質発現ベクター
Example 2:
Although the experiment of Example 1 was to measure the activity of the mutant bound to the immobilized DNA, it was examined whether an activity change due to the addition of the antigen was observed in a homogeneous solution. In order to obtain a higher activity change, the L530R mutation (Fujii et al., Anal. Biochem. 366), which is expected to increase the amount of intermediate production compared to the K443A / H245D mutant, which is thought to produce a lot of intermediate LH 2 -AMP , 131-136, 2007), and also introduced the mutation E354K, which is expected to improve stability for all mutants. That is, the plasmid prepared in Example 2 is as follows.
pET32-ZiF12-LucK443A / H245D / L530R / E354K: Fusion protein expression vector of LucK443A / H245D / L530R / E354K and Zif12
pET32-ZiF12-LucK529A / E354K: Fusion protein expression vector of LucK529A / E354K and Zif12

(1)変異体プラスミドの構築
pET32-ZiF12-LucK443A/H245Dにクイックチェンジ法を適用し、プライマー1及び2を用いてFlucの354番目のグルタミン酸をリジンに、さらにプライマー3及び4を用いて530番目のロイシン残基をアルギニンに変異させたpET32-ZiF12-LucK443A/H245D/L530R/E354Kを構築した。また同様にしてpET32-ZiF12-LucK529AのFlucの354番目のグルタミン酸をリジンに変異させることで、pET32-ZiF12-LucK529A/E354Kを構築した。プラスミド構築の実験操作は、pET32-ZiF12-LucH245D等と同様に行った。
(1) Construction of mutant plasmid
Applying the quick change method to pET32-ZiF12-LucK443A / H245D, using primers 1 and 2 to mutate the 354th glutamic acid of Fluc to lysine, and using primers 3 and 4 to mutate the 530th leucine residue to arginine PET32-ZiF12-LucK443A / H245D / L530R / E354K was constructed. Similarly, pET32-ZiF12-LucK529A / E354K was constructed by mutating 354rd glutamic acid of Fluc of pET32-ZiF12-LucK529A to lysine. The experimental procedure for plasmid construction was the same as for pET32-ZiF12-LucH245D and the like.

プライマー1:
5'-TTCTGATTACACCCAAGGGGGATGATAAA-3'(配列番号18)
プライマー2:
5'-TTTATCATCCCCCTTGGGTGTAATCAGAA-3'(配列番号19)
プライマー3:
5’- CCGAAAGGTCTTACCGGTAAACGCGACGCAAGAAAAATCA-3'(配列番号20)
プライマー4:
5’- TGATTTTTCTTGCGTCGCGTTTACCGGTAAGACCTTTCGG-3'(配列番号21)
Primer 1:
5'-TTCTGATTACACCCAAGGGGGATGATAAA-3 '(SEQ ID NO: 18)
Primer 2:
5'-TTTATCATCCCCCTTGGGTGTAATCAGAA-3 '(SEQ ID NO: 19)
Primer 3:
5′-CCGAAAGGTCTTACCGGTAAACGCGACGCAAGAAAAATCA-3 ′ (SEQ ID NO: 20)
Primer 4:
5'-TGATTTTTCTTGCGTCGCGTTTACCGGTAAGACCTTTCGG-3 '(SEQ ID NO: 21)

(2)蛋白質の発現精製
得られた2種類のベクターを用いて、pET32-ZiF12-LucH245D等と同様に行った。
(2) Protein expression purification The two types of vectors obtained were used in the same manner as pET32-ZiF12-LucH245D.

(3)2種の変異体へのDNA添加による発光強度増強
白色Half well 96穴プレート(Costar 3693, CorningCostar Inc., Corning, NY)に、発現精製して得られたZif融合LucK529A/E354KとZif融合LucK443A/H245D/L530R/E354Kをそれぞれ単独で5 nM、 あるいはそれぞれ5 nM (合計10 nM)になるように、100 mM Tricine, 1mg/ ml BSA, pH 8.0で希釈・混合して、50μlずつ分注した。それぞれの混合液に終濃度5 nMの非ビオチン化IR DNAを混合し、対照としてIR DNAを添加しない試料を用意した。ATTO AB-2350ルミノメーターのポンプで200 mM MOPS, 20 mM MgSO4, 2 mg/ml BSA, 75 μM LH2, 20 mM ATP, pH 7.0に調製した基質溶液を各50μl添加し、添加直後から0.1秒ずつ40秒間発光強度を測定し、3サンプルの平均値と標準偏差を求めた。まず、それぞれの変異体単独での測定を行ったところ、Zif融合LucK529A/E354KにIR DNAを混合した場合には、何も混合しなかった場合と比較して、基質添加4秒後に約1.05倍の発光強度が観察された。またZif融合LucK443A/H245D/L530R/E354KにIRを混合した場合には、何も混合しなかった場合と比較して、発光強度の上昇は見られなかった。これらに対し、Zif融合LucK529A/E354KとZif融合LucK443A/H245D/L530R/E354Kとの混合液にIRを混合した場合には、何も混合しなかった場合と比較して、基質添加4秒後に約1.19倍の発光強度が観察された (図7)。以上より、この変異体ペアを用いた場合、ターゲットDNA依存的に両者が接近することによって酵素活性が相補され、発光強度が顕著に増大したことが強く示唆された。
(3) Luminescence intensity enhancement by adding DNA to two mutants Zif fusion LucK529A / E354K and Zif obtained by expression purification in white Half well 96-well plates (Costar 3693, CorningCostar Inc., Corning, NY) Dilute and mix the fused LucK443A / H245D / L530R / E354K with 100 mM Tricine, 1 mg / ml BSA, pH 8.0 to make 5 nM each, or 5 nM each (total 10 nM). Noted. Each mixture was mixed with non-biotinylated IR DNA at a final concentration of 5 nM, and a sample to which no IR DNA was added was prepared as a control. Add 50 μl each of the substrate solution adjusted to 200 mM MOPS, 20 mM MgSO 4 , 2 mg / ml BSA, 75 μM LH 2 , 20 mM ATP, pH 7.0 with an ATTO AB-2350 luminometer pump. The luminescence intensity was measured every second for 40 seconds, and the average value and standard deviation of three samples were obtained. First, each mutant alone was measured. When IR DNA was mixed with Zif-fused LucK529A / E354K, it was about 1.05 times 4 seconds after addition of the substrate compared to when nothing was mixed. The emission intensity of was observed. In addition, when IR was mixed with Zif-fused LucK443A / H245D / L530R / E354K, no increase in luminescence intensity was observed compared to the case where nothing was mixed. On the other hand, when IR was mixed in the mixed solution of Zif-fused LucK529A / E354K and Zif-fused LucK443A / H245D / L530R / E354K, compared to the case where nothing was mixed, about 4 seconds after addition of the substrate. An emission intensity of 1.19 times was observed (Fig. 7). From the above, it was strongly suggested that when this mutant pair was used, the enzyme activity was complemented and the luminescence intensity was remarkably increased by approaching both in a target DNA-dependent manner.

(4)2種の変異体への抗体添加による発光強度増強
DNA添加以外の方法で溶液中で二つの融合タンパクを近接させることにより、同様の活性への効果が認められるかどうか検討した。Costar 3693プレートに、発現精製して得られたZif融合LucK529A/E354KとZif融合LucK443A/H245Dをそれぞれ10 nMになるように、100 mM Tricine, 1mg/ ml BSA, pH 8.0で希釈・混合して、50μlずつ分注した。それぞれの混合液にthioredoxin認識抗体 (Trx・TagTM Monoclonal Antibody, Novagen, Cat.No. 71542-3)を1/1000加えたものと、対照として抗体を加えないものを用意し、これらに200 mM MOPS, 20 mM MgSO4, 2 mg/ml BSA, 300 μM LH2, 20 mM ATPを含むpH 7.0に調製した溶液を各50μl添加し、添加直後から2分間の発光強度を測定し、3サンプルの平均値と標準偏差を求めた。thioredoxin認識抗体を混合した場合、混合しなかった場合と比較して基質添加から2分間の積算値で約1.18倍の発光強度が測定された(図8)。以上より、この変異体ペアを用いた場合、融合タンパク中のpET32がコードするthioredoxin部分が抗体と結合し、互いに接近することによって酵素活性が相補され、発光強度が顕著に増大したことが強く示唆された。
(4) Enhancement of luminescence intensity by adding antibody to two mutants
It was investigated whether the effect on the same activity was recognized by bringing two fusion proteins close to each other in a solution by a method other than the addition of DNA. On a Costar 3693 plate, dilute and mix Zif fusion LucK529A / E354K and Zif fusion LucK443A / H245D obtained by expression purification with 100 mM Tricine, 1 mg / ml BSA, pH 8.0 to 10 nM each. 50 μl aliquots were dispensed. Prepare thioredoxin-recognizing antibody (Trx • Tag Monoclonal Antibody, Novagen, Cat. No. 71542-3) in 1/1000 in each mixture and those without antibody as a control. Add 50 μl of each solution prepared to pH 7.0 containing MOPS, 20 mM MgSO 4 , 2 mg / ml BSA, 300 μM LH 2 , 20 mM ATP, measure the luminescence intensity for 2 minutes immediately after the addition, Average values and standard deviations were obtained. When the thioredoxin-recognizing antibody was mixed, the luminescence intensity was measured approximately 1.18 times as the integrated value for 2 minutes after the addition of the substrate compared to the case where the antibody was not mixed (FIG. 8). The above results strongly suggest that when this mutant pair is used, the thioredoxin part encoded by pET32 in the fusion protein binds to the antibody and is brought close to each other, thereby complementing the enzyme activity and significantly increasing the luminescence intensity. It was done.

実施例3:
実施例1、2では、DNA結合ドメインZif12を相互作用ドメインとして利用していたが、DNAによって、異なる変異体同士のヘテロダイマーのみならず、同一の変異体同士のホモダイマー形成も誘導されてしまうという問題があった。そこで、ヘテロダイマーを選択的に形成できる系としてFKBP12とFRBを選び、これらのラパマイシン依存的な二量体形成の発光活性への影響を評価した。
(1)FKBP12およびFRBを融合させた変異体プラスミドの構築
ラパマイシンと結合して二量体形成が誘導されることが知られるFK506結合蛋白質12 kd断片(FKBP12)と、とFKBP-ラパマイシン結合蛋白質FRB(Choi et al., Science 273, 239-242, 1996)を、Zif12のかわりに相互作用ドメインとして使用し、溶液中で相互作用依存的な発光強度増強が得られるかどうか検討した。人工合成したFKBP12ならびにFRB (Mr Gene GMBH, Regensburg, Germany)(図9(配列番号22及び23)、並びに図10(配列番号24及び25))をコードするプラスミドを、制限酵素Sfi IとNot Iで処理し、FKBP12およびFRBをコードする断片を単離した。これらを同じ制限酵素で処理してそれぞれZif12を除去したpET32-ZiF12-LucK443A/H245D/L530R/E354KとpET32-ZiF12- LucK529Q/E354Kに挿入し、pET-FKBP-LucK443A/H245D/L530R/E354KならびにpET-FRBP-LucK529Q/E354Kを得た。なおプラスミド構築の実験操作は、pET32-ZiF12-LucH245D等と同様に行った。
Example 3:
In Examples 1 and 2, the DNA-binding domain Zif12 was used as an interaction domain. However, DNA induces not only heterodimers of different mutants but also homodimers of the same mutants. There was a problem. Therefore, FKBP12 and FRB were selected as systems capable of selectively forming heterodimers, and the influence of these rapamycin-dependent dimer formation on luminescence activity was evaluated.
(1) Construction of mutant plasmid fused with FKBP12 and FRB FK506 binding protein 12 kd fragment (FKBP12) known to bind to rapamycin and induce dimer formation, and FKBP-rapamycin binding protein FRB (Choi et al., Science 273, 239-242, 1996) was used as an interaction domain instead of Zif12 to investigate whether interaction-dependent enhancement of luminescence intensity could be obtained in solution. Plasmids encoding artificially synthesized FKBP12 and FRB (Mr Gene GMBH, Regensburg, Germany) (FIG. 9 (SEQ ID NOs: 22 and 23) and FIG. 10 (SEQ ID NOs: 24 and 25)) were cloned into restriction enzymes Sfi I and Not I. And fragments encoding FKBP12 and FRB were isolated. Insert these into pET32-ZiF12-LucK443A / H245D / L530R / E354K and pET32-ZiF12- LucK529Q / E354K, which were treated with the same restriction enzymes to remove Zif12 respectively, and pET-FKBP-LucK443A / H245D / L530R / E354K and pET -FRBP-LucK529Q / E354K was obtained. The experimental procedure for plasmid construction was the same as for pET32-ZiF12-LucH245D.

(2)蛋白質の発現精製
得られた2種類のベクターを用いて、pET32-ZiF12-LucH245D等と同様に行った。
(2) Protein expression purification The two types of vectors obtained were used in the same manner as pET32-ZiF12-LucH245D.

(3)FKBP12あるいはFRBを融合させた2種の変異体へのラパマイシン添加による発光強度増強
ラパマイシン依存的なFKBP12、 FRBの会合により、FKBP12融合LucK443A/H245D/L530R/E354KとLucK529Q/E354Kの近接が誘導され、その結果活性が変化するかどうか検討した。Costar 3693プレートに、FKBP融合LucK443A/H245D/L530R/E354KとFRB融合LucK529Q/E354Kをそれぞれ250 nM (合計500 nM)になるよう、100 mM Tricine, 1 mg/ml BSA, pH 8.0で希釈・混合して、50μlずつ分注した。それぞれの混合液に終濃度1%メタノール中50 nMのラパマイシン溶液を混合し、対照として終濃度1%のメタノールのみを添加した試料を用意した。ルミノメーターのポンプで200 mM MOPS, 20 mM MgSO4, 2 mg/ml BSA, 75μM LH2, 20 mM ATP, pH 7.0に調製した基質溶液を各50μl添加し、添加直後から0.1秒ずつ10秒間発光強度を測定し、3サンプルの平均値と標準偏差を求めた。FKBP融合LucK443A/H245D/L530R/E354KとFRB融合LucK529Q/E354Kとの混合液にラパマイシンを混合しておいた場合に、ラパマイシンを混合しなかった場合と比較して、反応開始0.5秒後に約2.46倍の発光強度が観察された (図11)。以上より、この変異体ペアを用いた場合、ラパマイシンを介したFKBPとFRBの結合によって両者が接近することによって酵素活性が相補され、発光強度が顕著に増大したことが強く示唆された。この際、異なる変異体同士のヘテロダイマーのみが形成されることにより、より高い応答性が得られたものと考えられる。
(3) Increasing luminescence intensity by adding rapamycin to two mutants fused with FKBP12 or FRB The association of FKBP12-fused LucK443A / H245D / L530R / E354K and LucK529Q / E354K by the association of FKBP12 and FRB dependent on rapamycin It was examined whether activity was changed as a result. Dilute and mix FKBP fusion LucK443A / H245D / L530R / E354K and FRB fusion LucK529Q / E354K at 250 nM (total 500 nM) with 100 mM Tricine, 1 mg / ml BSA, pH 8.0. 50 μl was dispensed. Each mixture was mixed with a 50 nM rapamycin solution in 1% final methanol, and a sample was prepared by adding only 1% final methanol as a control. Add 50 μl each of the substrate solution adjusted to 200 mM MOPS, 20 mM MgSO4, 2 mg / ml BSA, 75 μM LH2, 20 mM ATP, pH 7.0 with a luminometer pump, and increase the luminescence intensity for 0.1 second for 10 seconds immediately after the addition. Measurements were made and the average and standard deviation of three samples were determined. When rapamycin is mixed in a mixture of FKBP-fused LucK443A / H245D / L530R / E354K and FRB-fused LucK529Q / E354K, it is approximately 2.46 times 0.5 seconds after the start of the reaction compared to the case where rapamycin is not mixed. Was observed (FIG. 11). From the above, it was strongly suggested that when this mutant pair was used, the enzymatic activity was complemented by the close proximity of FKBP and FRB via rapamycin, and the luminescence intensity was significantly increased. At this time, it is considered that higher responsiveness was obtained by forming only heterodimers of different mutants.

Claims (9)

2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって1段階目の反応が律速過程となる第一の変異体を分析対象の2種類の分子の一方に連結した第一の分子と、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる第二の変異体を上記の分析対象の2種類の分子の他方に連結した第二の分子とを接触させ、上記レポーター酵素が触媒する酵素反応の進行の有無を検出することを含む、分子間の相互作用又は接近を検出する方法。 A first molecule that is a variant of a reporter enzyme having a two-stage enzyme reaction mechanism, in which a first mutant whose first-stage reaction is a rate-determining process is linked to one of the two types of molecules to be analyzed; A second molecule, which is a variant of a reporter enzyme having a two-stage enzyme reaction mechanism, in which a second mutant whose rate-limiting process is a second-stage reaction is linked to the other of the two molecules to be analyzed And detecting the progress or progress of an enzyme reaction catalyzed by the reporter enzyme. レポーター酵素がルシフェラーゼである、請求項1に記載の方法。
The method of claim 1, wherein the reporter enzyme is luciferase.
レポーター酵素がホタルルシフェラーゼである、請求項1又は2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein the reporter enzyme is firefly luciferase. レポーター酵素の変異体が、H245,K529及び/又はK443の何れかのアミノ酸において置換を有するホタルルシフェラーゼ変異体である、請求項1から3の何れかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the reporter enzyme mutant is a firefly luciferase mutant having a substitution at any amino acid of H245, K529 and / or K443. レポーター酵素の変異体であって1段階目の反応が律速過程となる第一の変異体が、K529あるいはK443においてアミノ酸置換を有するホタルルシフェラーゼ変異体であり、レポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる第二の変異体が、H245においてアミノ酸置換を有するホタルルシフェラーゼ変異体である、請求項1から4の何れかに記載の方法。 The first mutant of the reporter enzyme, in which the reaction at the first stage is the rate-limiting process, is a firefly luciferase mutant having an amino acid substitution at K529 or K443, and is a mutant of the reporter enzyme in two stages. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the second mutant in which the eye reaction is a rate-limiting process is a firefly luciferase mutant having an amino acid substitution at H245. レポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる第二の変異体が、
(i)H245及びK529においてアミノ酸置換を有するホタルルシフェラーゼ変異体、又は
(ii)H245及びK443においてアミノ酸置換を有するホタルルシフェラーゼ変異体
である、請求項1から5の何れかに記載の方法。
A second variant of a reporter enzyme, in which the second stage reaction is the rate-limiting process,
The method according to any one of claims 1 to 5, which is (i) a firefly luciferase mutant having an amino acid substitution at H245 and K529, or (ii) a firefly luciferase mutant having an amino acid substitution at H245 and K443.
レポーター酵素の変異体のうちH245,K443,K529におけるアミノ酸置換がそれぞれH245D, K443A, K529Aである,請求項1-6の何れかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the amino acid substitutions in H245, K443 and K529 among the mutants of the reporter enzyme are H245D, K443A and K529A, respectively. 分析対象の2種類の分子が、タンパク質または核酸である、請求項1から7の何れかに記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the two types of molecules to be analyzed are proteins or nucleic acids. 2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって1段階目の反応が律速過程となる変異体を分析対象の2種類の分子の一方に連結した第一の分子と、2段階の酵素反応機構を有するレポーター酵素の変異体であって2段階目の反応が律速過程となる変異体を上記の分析対象の2種類の分子の他方に連結した第二の分子との組み合わせを含む、請求項1から7の何れかに記載の方法により分子間の相互作用又は接近を検出するための試薬キット。 A first molecule in which a mutant of a reporter enzyme having a two-stage enzyme reaction mechanism, in which the first-stage reaction is a rate-determining process, is linked to one of the two types of molecules to be analyzed; A combination of a second molecule in which a mutant of a reporter enzyme having an enzyme reaction mechanism, in which a second-stage reaction is a rate-determining process, is linked to the other of the two types of molecules to be analyzed; A reagent kit for detecting an interaction or approach between molecules by the method according to claim 1.
JP2010099460A 2009-04-23 2010-04-23 Method for detecting interactions between molecules Active JP5754795B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010099460A JP5754795B2 (en) 2009-04-23 2010-04-23 Method for detecting interactions between molecules

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009104629 2009-04-23
JP2009104629 2009-04-23
JP2010099460A JP5754795B2 (en) 2009-04-23 2010-04-23 Method for detecting interactions between molecules

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2010268793A true JP2010268793A (en) 2010-12-02
JP5754795B2 JP5754795B2 (en) 2015-07-29

Family

ID=43011210

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010099460A Active JP5754795B2 (en) 2009-04-23 2010-04-23 Method for detecting interactions between molecules

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5754795B2 (en)
WO (1) WO2010123096A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015211668A (en) * 2014-04-18 2015-11-26 国立大学法人東京工業大学 Luciferase variant and intermolecular interaction detection method using the same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6014027801; FEBS Lett.,2005,579(20),p.4389-94 *
JPN6014027802; Biosens.Bioelectron.,2008,23(8),p.1266-71 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015211668A (en) * 2014-04-18 2015-11-26 国立大学法人東京工業大学 Luciferase variant and intermolecular interaction detection method using the same

Also Published As

Publication number Publication date
WO2010123096A1 (en) 2010-10-28
JP5754795B2 (en) 2015-07-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Azad et al. Split-luciferase complementary assay: applications, recent developments, and future perspectives
US10077433B2 (en) Permuted and nonpermuted luciferase biosensors
JP6275635B2 (en) Luciferase biosensor for cAMP
JP2020097597A (en) Activation of bioluminescence by structural complementation
JP6704404B2 (en) Sensor, method and kit for detecting nicotinamide adenine dinucleotide
JP2011502509A (en) Hybrid fusion reporter and use thereof
US20170211126A1 (en) Bioluminescent assays utilising secreted luciferases
Hattori et al. Split luciferase complementation for analysis of intracellular signaling
JP5754795B2 (en) Method for detecting interactions between molecules
WO2000027872A1 (en) Sensor protein and utilization thereof
Ohmuro‐Matsuyama et al. Improving bioluminescence of a minimal luciferase by adding a charged oligopeptide: picALuc2. 0
CA2998112A1 (en) High-throughput split aptamer screening assay
WO2022245922A1 (en) Poly-adp ribose (par) tracker optimized split-protein reassembly par detection reagents
Kato et al. Bioluminescence assay for detecting cell surface membrane protein expression
Ohmuro-Matsuyama et al. Improving the stability of protein–protein interaction assay FlimPIA using a thermostabilized firefly luciferase
Ohmuro-Matsuyama et al. Ultrasensitive firefly luminescent intermediate-based protein-protein interaction assay (FlimPIA) based on the functional complementation of mutant firefly luciferases
Ast et al. Matryoshka: Ratiometric biosensors from a nested cassette of green-and orange-emitting fluorescent proteins
Debnath et al. Reporter gene
CN112912728A (en) Method for screening ubiquitin ligase agonists
Shen Development of split-protein systems for interrogating biomacromolecules
van der Ploeg et al. Chapter In vivo bacterial morphogenetic protein interactions
Zhao Development of split-protein-based platforms for applications in chemical biology
JP2007325546A (en) Divided luciferase
Chaudhry et al. Development of in vitro Sensitive FRET Technology to Dissect Reaction Dynamics and Intermediates in NEDD8 Conjugation Cascade

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130215

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20130215

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140701

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140901

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150106

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150217

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150512

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150522

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5754795

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250