JP2011050258A - Variant red light-emitting luciferase specialized for bioimaging - Google Patents

Variant red light-emitting luciferase specialized for bioimaging Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a genetic structure which is non-sensitive to pH in cells, emits red light capable of being specified with a filter or the like and having the maximum light wavelength of ≥620 nm, hardly or never damages the cells, and enable imaging in each cell for a long time, and to provide a transformed cell, especially a transformed human cell. <P>SOLUTION: There is provided the variant luciferase obtained by mutating wild type luciferase, emitting red light having wavelengths of ≥620 nm, and having a larger emission intensity than the wild type luciferase. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、生体情報のバイオアッセイ・バイオイメージングを目的とした細胞内での発現を安定化され、発光量が増幅された変異型赤色発光ルシフェラーゼの遺伝子構築体、その組み合わせ、該遺伝子構築体で形質転換された哺乳類細胞、細胞内における遺伝子発現の評価する方法や細胞イメージングに関する。   The present invention relates to a gene construct of a mutant red light-emitting luciferase whose expression in a cell is stabilized for the purpose of bioassay and bioimaging of biological information and whose luminescence level is amplified, a combination thereof, The present invention relates to transformed mammalian cells, methods for evaluating gene expression in cells, and cell imaging.

生命科学の分野では、細胞内カルシウム量の変動、細胞内タンパク質のリン酸化、エネルギーであるATPの分布或いは遺伝子の転写活性の測定など、細胞内に起きるさまざまな現象を解析することが大変重要であり、解析する手段として各種分子プローブが作成され、イメージングが行われている。とりわけ細胞内イメージングツールとして各種蛍光タンパク質が用いられている。蛍光タンパク質は細胞内での発現とほぼ同時期に、補因子を必要とせず、単独で蛍光活性を持つ。蛍光タンパク質は細胞内で蛍光活性を指標として蛋白質の局在等に関するモニター蛋白質として利用されているが、励起光を必要とし不均一な蛍光収率等のため定量化は難しく、また、細胞に励起光を当てるため細胞が損傷され、長時間の観察には適していない。   In the field of life science, it is very important to analyze various phenomena that occur in cells such as fluctuation of intracellular calcium, phosphorylation of intracellular protein, distribution of energy ATP or measurement of gene transcriptional activity. Yes, various molecular probes have been created as means for analysis and imaging has been performed. In particular, various fluorescent proteins are used as intracellular imaging tools. Fluorescent proteins do not require cofactors and have fluorescent activity alone at almost the same time as intracellular expression. Fluorescent protein is used as a monitor protein for protein localization in cells using fluorescence activity as an indicator, but it requires excitation light and is difficult to quantify due to non-uniform fluorescence yield. The cells are damaged by the light and are not suitable for long-term observation.

甲虫発光酵素ルシフェラーゼはレポーター遺伝子として、細胞に与える外来因子の影響の評価、細胞内情報伝達の伝播、或は個々のタンパク質群の発現解析等に用いられている。例えば、ホタルルシフェラーゼ遺伝子に転写活性領域を連結した遺伝子構築体を作製して細胞内に導入し、この細胞を一定時間、薬剤等で処理した後、細胞を集めて溶解し、発光基質を加えて、細胞内で合成されたルシフェラーゼ量を測定することで、転写活性を評価するシステムが挙げられる。ルシフェラーゼの発光量から転写活性を評価するので定量性に優れており、既に多くの会社から本システム関連製品が開発、市販化されている。   Beetle luminescent enzyme luciferase is used as a reporter gene for the evaluation of the influence of foreign factors on cells, propagation of intracellular signal transduction, or expression analysis of individual protein groups. For example, a gene construct in which a transcriptional active region is linked to a firefly luciferase gene is prepared and introduced into a cell. After the cell is treated with a drug for a certain period of time, the cell is collected and lysed, and a luminescent substrate is added. A system for evaluating transcriptional activity by measuring the amount of luciferase synthesized in a cell can be mentioned. Since transcription activity is evaluated from the amount of luminescence of luciferase, it is excellent in quantitativeness, and this system-related product has already been developed and marketed by many companies.

甲虫ルシフェラーゼにはpHに連動して発光色を変えるホタルルシフェラーゼ群と発光色を変えないヒカリコメツキムシや鉄道虫由来ルシフェラーゼ群の2種類がある。そのうちアメリカ産ホタル(Photinus pyralis)ルシフェラーゼについて、in vitroで半減期が2−25倍程度、熱安定性を向上させた変異体において、細胞内での発光シグナルの向上が見られ、細胞内のイメージングに適したルシフェラーゼであると報告された(非特許文献1)。しかしながら、発光色の多様性に目を向けたマルチ遺伝子発現(マルチ遺伝子転写活性測定システム:近江谷克裕、中島芳浩;特許文献1)のように発光色の識別を前提とした用途においては、ホタルルシフェラーゼは発光色を変えるためイメージングプローブとして識別は不可能である。   There are two types of beetle luciferases: a firefly luciferase group that changes the luminescent color in conjunction with pH, and a group of beetle beetles that do not change the luminescent color, and a group of luciferases derived from railroad insects. Among them, in the case of American firefly (Photinus pyralis) luciferase, in vitro, the half-life is about 2-25 times, and the mutant has improved thermostability. It was reported that it is a suitable luciferase (Non-patent Document 1). However, in applications that presume luminescent color discrimination, such as multi-gene expression (multi-gene transcriptional activity measurement system: Katsuhiro Omiya, Yoshihiro Nakajima; Patent Document 1) that focuses on the diversity of luminescent colors, Since luciferase changes the emission color, it cannot be identified as an imaging probe.

発光色を変えないイメージングに適した甲虫ルシフェラーゼとしてヒカリコメツキムシ由来の緑色発光ルシフェラーゼがある。ホタルルシフェラーゼ、例えばアメリカ産ホタル(Photinus pyralis)由来の野生型ルシフェラーゼに比べて細胞内での安定性が高く、発光強度が100倍以上向上している(特許文献2)。このルシフェラーゼを細胞内の種々のオルガネラに局在させた場合、発光シグナルを通じオルガネラの動態を数日間に渡って追跡することが可能である(非特許文献2)。また、イメージング用に作られたヒカリコメツキムシ由来緑色発光ルシフェラーゼを元に遺伝子改変した変異型ルシフェラーゼが作られ、発光強度が野生型の1%以下ではあるが、最大発光波長が619nmのものがある(特許文献3)。   As a beetle luciferase suitable for imaging that does not change the luminescent color, there is a green luminescence luciferase derived from the red beetle. Compared with firefly luciferase, for example, wild-type luciferase derived from American firefly (Photinus pyralis), the intracellular stability is high, and the luminescence intensity is improved 100 times or more (Patent Document 2). When this luciferase is localized in various organelles in a cell, the dynamics of the organelle can be traced over several days through a luminescence signal (Non-patent Document 2). In addition, a mutant luciferase that is genetically modified based on the green luciferase derived from red beetle, which is made for imaging, is produced, and the emission intensity is 1% or less of the wild type, but the maximum emission wavelength is 619 nm ( Patent Document 3).

色識別を前提とし、生きた細胞内で発光強度が強くイメージングに適した、pHに連動して発光色を変えず識別可能であるルシフェラーゼとして、ヒカリコメツキムシ由来の緑、橙、赤色発光ルシフェラーゼがあるが、変異体を含めて最大発光波長は619nm以下しかない。最大発光波長が長波長側にシフトするほどフィルターで色識別が容易になり高感度・高分解のイメージングが可能になる。また、in vivoイメージングにおいて体内での透過性が高くなり、高感度の測定が可能になる。   As a luciferase that is identifiable by color identification and has strong emission intensity in living cells and is suitable for imaging, and can be distinguished without changing the emission color in conjunction with pH, there are green, orange, and red emission luciferases derived from the red beetle However, the maximum emission wavelength including mutants is only 619 nm or less. The more the maximum emission wavelength is shifted to the longer wavelength side, the easier the color discrimination with the filter and the higher sensitivity and high resolution imaging becomes possible. Moreover, in vivo imaging increases the permeability in the body, enabling highly sensitive measurement.

因子が生体に与える影響を評価することは、薬剤を評価し新薬を開発する上で、或いは化学物質の毒性を評価する上でも大変に重要である。従来より、マウスなどの生物個体を用いた計測・評価から、細胞組織・集団を用いた計測・評価が、さらに一つの細胞レベルで細胞間、細胞内の情報変化より外来因子を評価することが行われつつある。よって光イメージングの用途は広い。この際、発光イメージングは蛍光イメージングを補う形で重要性を増しており、特にin vivoのイメージングではより近赤外光に近い赤色発光ルシフェラーゼは外部光もいらないことから有力な光となる。また、複数の細胞イメージングする上では2つの最大発光波長がより離れているものが効率的に色分割することから望ましい。   It is very important to evaluate the influence of a factor on a living body in evaluating a drug and developing a new drug, or in evaluating the toxicity of a chemical substance. Traditionally, measurement / evaluation using a cell tissue / group from measurement / evaluation using a living organism such as a mouse can evaluate a foreign factor based on changes in information between cells and within a cell. It is happening. Therefore, the application of optical imaging is wide. At this time, luminescence imaging is gaining importance by complementing fluorescence imaging. In particular, in vivo imaging, red luminescence luciferase that is closer to near-infrared light is a powerful light because it does not require external light. Further, when imaging a plurality of cells, it is desirable that the two maximum emission wavelengths are further apart from each other because the color is efficiently divided.

In vivo生体内、in vitro細胞内、細胞間イメージングツールとしてルシフェラーゼを確立するためには、哺乳類細胞内におけるルシフェラーゼの高い安定性と比較的長いタンパク質質の寿命が望まれる。従来、哺乳類細胞の転写活性測定に用いられてきたアメリカ産ホタル、日本産ホタル、イリオモテボタル、南米産鉄道虫、ジャマイカ産ヒカリコメツキムシでは、充分な発光量と安定性が見られなかった。特にアメリカ産ホタル、日本産ホタルルシフェラーゼは細胞内のpH環境等で発光スペクトルが変化するため、安定な測定が難しい。pH環境等で発光スペクトルが変化しないイメージング用ルシフェラーゼはヒカリコメツキムシ由来の緑色発光ルシフェラーゼのみである。但しルシフェラーゼでは緑色、橙色、赤色発光ルシフェラーゼはあるが、最大発光波長が620nm以上を越えるイメージングに適したものはない(特許文献2、非特許文献2)。   In order to establish luciferase as an in vivo in vivo, in vitro intracellular and intercellular imaging tool, high stability of luciferase and a relatively long protein life in mammalian cells are desired. Conventional American fireflies, Japanese fireflies, Iriomote fireflies, South American railway insects, and Jamaican red beetles, which have been used for measuring the transcriptional activity of mammalian cells, did not show sufficient luminescence and stability. In particular, American firefly and Japanese firefly luciferase are difficult to measure stably because the emission spectrum changes depending on intracellular pH environment. The only luciferase for imaging whose emission spectrum does not change in a pH environment or the like is only the green luminescence luciferase derived from the red beetle. However, although luciferases include green, orange, and red emission luciferases, none are suitable for imaging in which the maximum emission wavelength exceeds 620 nm or more (Patent Document 2 and Non-Patent Document 2).

WO2004/099421WO2004 / 099421 特開2007−159567号公報JP 2007-159567 A 特開2008−289475号公報JP 2008-289475 A 特開2006−55082号公報JP 2006-55082 A

BaggettB et al.: Thermostability of firefly luciferases affects efficiency of detection by in vivo bioluminescence. Mol Imaging. 2004 Oct;3(4):324-32.BaggettB et al .: Thermostability of firefly luciferases affects efficiency of detection by in vivo bioluminescence. Mol Imaging. 2004 Oct; 3 (4): 324-32. Viviani VR (2002) The origin, diversity and structure-function relationships of insect luciferases. Cell Mol Life Sci 59: 1833-1850.Viviani VR (2002) The origin, diversity and structure-function relationships of insect luciferases.Cell Mol Life Sci 59: 1833-1850.

本発明は、細胞内のpHに非感受性でフィルター等により色識別可能な最大発光波長620nm以上の赤色の発光であり、かつ、細胞のダメージがほとんどあるいは全くなく、個々の細胞内についての長時間のイメージングを可能にする遺伝子構築物および形質転換細胞、特に形質転換ヒト細胞を提供することを目的とする。   The present invention is a red light emission having a maximum light emission wavelength of 620 nm or more that is insensitive to intracellular pH and can be distinguished by a filter or the like, and has little or no damage to the cells. It is an object of the present invention to provide genetic constructs and transformed cells, particularly transformed human cells, that enable imaging of the above.

また、本発明は、発光酵素を分割して融合タンパク質として細胞内に導入し、発光酵素の各部分と融合した各蛋白質の相互作用をイメージングする方法、イメージング可能な形質転換細胞およびこのような融合タンパク質をコードする遺伝子構築物の組合せを提供することを目的とする。   The present invention also relates to a method for imaging the interaction of each protein fused with each part of the luminescent enzyme by dividing the luminescent enzyme and introducing it into the cell as a fusion protein, an imageable transformed cell, and such a fusion The object is to provide a combination of genetic constructs encoding proteins.

本発明者等は、赤色の光を発する変異型鉄道虫由来ルシフェラーゼを取得すべく種々検討した結果、野生型ルシフェラーゼ遺伝子に対して変異導入処理を施して変異型ルシフェラーゼ遺伝子を取得し、該遺伝子をベクターDNAに挿入した遺伝子構築体を含む細胞を培養すれば、野生型ルシフェラーゼの波長とほぼ同程度の赤色の発光波長を有し、哺乳類細胞内において強い発光強度有する変異型ルシフェラーゼを得られることを見出し、本発明を完成するに到った。   As a result of various studies to obtain a luciferase derived from a mutant railway worm that emits red light, the present inventors obtained a mutant luciferase gene by performing a mutation introduction treatment on the wild-type luciferase gene, By culturing cells containing the gene construct inserted into the vector DNA, it is possible to obtain a mutant luciferase having a red emission wavelength approximately the same as that of wild-type luciferase and having a strong emission intensity in mammalian cells. The headline and the present invention have been completed.

すなわち、本発明は、以下の変異型ルシフェラーゼ、変異型ルシフェラーゼをコードする遺伝子、それらの遺伝子を含む遺伝子構築体、遺伝子構築体を含む形質転換細胞、並びに形質転換細胞を用いたイメージング方法、遺伝子導入生物を用いたイメージング方法、及び転写活性測定方法を提供するものである。   That is, the present invention includes the following mutant luciferase, genes encoding the mutant luciferase, gene constructs containing these genes, transformed cells containing the gene constructs, imaging methods using the transformed cells, gene introduction An imaging method using a living organism and a method for measuring transcriptional activity are provided.

項1
鉄道虫由来赤色発光ルシフェラーゼであって、哺乳類細胞内での発光強度が野生型ルシフェラーゼと比較して、少なくとも3倍以上上昇した変異型ルシフェラーゼ。
Item 1
A red luciferase derived from a railroad worm, wherein the luminescence intensity in mammalian cells is increased by at least 3 times compared to wild-type luciferase.

項2 哺乳類細胞内におけるピーク強度の発光波長が、600〜635nmであることを特徴とする、項1に記載の変異型ルシフェラーゼ。   Item 2. The mutant luciferase according to Item 1, wherein the emission wavelength of the peak intensity in the mammalian cell is 600 to 635 nm.

項3 鉄道虫由来赤色発光ルシフェラーゼがPhrixothrix属由来ルシフェラーゼである項1または2に記載の変異型ルシフェラーゼ。   Item 3. The mutant luciferase according to Item 1 or 2, wherein the red luciferase derived from a railroad worm is a genus Phrixothrix.

項4 212位のイソロイシン及び/又は351位のアスパラギンが他のアミノ酸に置換された項3に記載の変異型ルシフェラーゼ。   Item 4 The mutant luciferase according to Item 3, wherein isoleucine at position 212 and / or asparagine at position 351 is substituted with another amino acid.

項5 212位のイソロイシンが置換される他のアミノ酸が、ロイシン、アスパラギン、スレオニン、セリン、メチオニン、アラニン、グリシン、バリン、チロシン、システイン、およびフェニルアラニンからなる群より選択されてなる項4に記載の変異型ルシフェラーゼ。   Item 5 The other amino acid to which isoleucine at position 212 is substituted is selected from the group consisting of leucine, asparagine, threonine, serine, methionine, alanine, glycine, valine, tyrosine, cysteine, and phenylalanine. Mutant luciferase.

項6 212位のイソロイシンが置換される他のアミノ酸が、ロイシンであることを特徴とする項5に記載の変異型ルシフェラーゼ。   Item 6 The mutant luciferase according to Item 5, wherein the other amino acid to which isoleucine at position 212 is substituted is leucine.

項7 351位のアスパラギンが置換される他のアミノ酸が、リシン、イソロイシン、スレオニン、セリン、メチオニン、アラニン、グリシン、バリン、チロシン、システイン、およびフェニルアラニンからなる群より選択されてなる項4〜6のいずれか1つに記載の変異型ルシフェラーゼ。   Item 7 The other amino acid in which asparagine at position 351 is substituted is selected from the group consisting of lysine, isoleucine, threonine, serine, methionine, alanine, glycine, valine, tyrosine, cysteine, and phenylalanine. The mutant luciferase according to any one of the above.

項8 351位のアスパラギンが置換される他のアミノ酸が、リシンであることを特徴とする項4〜7のいずれか1つに記載の変異型ルシフェラーゼ。   Item 8 The mutant luciferase according to any one of Items 4 to 7, wherein the other amino acid in which the asparagine at position 351 is substituted is lysine.

項9 配列番号3〜7のいずれか1つに記載の遺伝子配列によってコードされる、項1または2に記載の変異型ルシフェラーゼ。   Item 9 The mutant luciferase according to Item 1 or 2, encoded by the gene sequence according to any one of SEQ ID NOs: 3 to 7.

項10 項1〜9のいずれか1つに記載の変異型ルシフェラーゼをコードする遺伝子。   Item 10 A gene encoding the mutant luciferase according to any one of Items 1 to 9.

項11 項10に記載の遺伝子を含むベクター。   Item 11. A vector comprising the gene according to Item 10.

項12 項10に記載の遺伝子を用いて形質転換された形質転換細胞。   Item 12 A transformed cell transformed with the gene according to Item 10.

項13 前記細胞が哺乳類細胞である項12に記載の形質転換細胞。   Item 13 The transformed cell according to Item 12, wherein the cell is a mammalian cell.

項14 前記哺乳類細胞がヒト細胞である項13に記載の形質転換細胞。   Item 14. The transformed cell according to Item 13, wherein the mammalian cell is a human cell.

項15 細胞内のオルガネラのイメージングのための項12〜14のいずれか1つに記載の形質転換細胞を使用する方法。   Item 15 A method of using the transformed cell according to any one of Items 12 to 14 for imaging of intracellular organelles.

項16 転写活性測定のための項12〜14のいずれかに記載の形質転換細胞を使用する方法。   Item 16 A method of using the transformed cell according to any one of Items 12 to 14 for measuring transcription activity.

本発明によれば、野生型鉄道虫由来赤色ルシフェラーゼに近い発光色を保持し、かつ哺乳類細胞内での発光強度が増強された、イメージングに適した赤色発光プローブの供給が可能となった。これによって細胞内イメージングを多色化、マルチ化し行うことができる。また、生体透過性の高い赤色発光によるin vivoイメージングも可能となった。   According to the present invention, it is possible to supply a red luminescent probe suitable for imaging, which retains a luminescent color close to that of a wild-type railway insect-derived red luciferase and has enhanced luminescence intensity in mammalian cells. In this way, intracellular imaging can be multi-colored and multi-colored. In vivo imaging with red light emission, which is highly biopermeable, is also possible.

ウエスタンブロット法による細胞溶解液中の変異体量の比較(A)、及び発光活性の比較(B)Comparison of the amount of mutants in cell lysates by Western blotting (A) and comparison of luminescence activity (B) 野生型及び変異型赤色ルシフェラーゼの発光スペクトルEmission spectra of wild-type and mutant red luciferases 野生型及び変異型赤色ルシフェラーゼの哺乳類細胞における発光量の経時的な変化(A)及び24時間における発光量の積算値(B)Changes in light emission over time in mammalian cells of wild-type and mutant red luciferase (A) and integrated value of light emission over 24 hours (B) 野生型及び変異型赤色ルシフェラーゼ(SLR-N351K及びSLR-I212L/N351K)の哺乳類細胞におけるin vivo細胞発光イメージング画像の一例(A)及び細胞発光量の積算値(B)Example of in vivo cytoluminescence imaging image of mammalian cells of wild type and mutant red luciferase (SLR-N351K and SLR-I212L / N351K) (A) and integrated value of cell luminescence (B)

この発明におけるその他の用語や概念は、発明の実施形態の説明や実施例において詳しく規定する。また、この発明を実施するために使用する様々な技術は、特にその出典を明示した技術を除いては、公知の文献等に基づいて当業者であれば容易かつ確実に実施可能である。例えば、遺伝子工学および分子生物学的技術はSambrook and Maniatis,” Molecular Cloning A Laboratory Manual ”, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York, 2001; Ausubel, F. M. et al. ” Current Protocols in Molecular Biology ”, John Wiley & Sons, New York, N. Y, 2007等に記載されている。   Other terms and concepts in the present invention are defined in detail in the description of the embodiments and examples of the invention. Various techniques used for carrying out the present invention can be easily and surely implemented by those skilled in the art based on known literatures and the like, except for the technique that clearly shows the source. For example, genetic engineering and molecular biology techniques are described in Sambrook and Maniatis, “Molecular Cloning A Laboratory Manual”, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York, 2001; Ausubel, FM et al. “Current Protocols in Molecular Biology”, John Wiley. & Sons, New York, N. Y, 2007, etc.

本発明の変異型ルシフェラーゼ活性とは、ルシフェリンを基質とした酵素反応の活性を表し、基質のルシフェリンが酵素反応によって励起状態になったあと、基底状態に戻る際に発する光を検出することによって測定される。   The mutant luciferase activity of the present invention refers to the activity of an enzyme reaction using luciferin as a substrate, and is measured by detecting light emitted when the substrate luciferin returns to the ground state after being excited by the enzyme reaction. Is done.

本発明における鉄道虫由来赤色発光ルシフェラーゼとは、鉄道虫に由来する赤色発光ルシフェラーゼであって、具体例としては配列番号1に示すアミノ酸配列が挙げられる。また、これをコードする遺伝子配列の例として配列番号2に示すポリヌクレオチド配列 が挙げられる。   The railroad worm-derived red luminescent luciferase in the present invention is a red luminescent luciferase derived from a railroad worm, and a specific example thereof includes the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 1. An example of a gene sequence encoding this is the polynucleotide sequence shown in SEQ ID NO: 2.

本発明における赤色発光ルシフェラーゼとは、ルシフェリン存在下に600〜635nmの最大波長の発光をし得る酵素である。より好ましくは620〜635nmの最大波長である。   The red light emitting luciferase in the present invention is an enzyme that can emit light having a maximum wavelength of 600 to 635 nm in the presence of luciferin. More preferably, the maximum wavelength is 620 to 635 nm.

本発明の哺乳類とは、ヒト、ウシ、ウマ、ヒツジ、サル、ブタ、マウス、ラット、ハムスター、モルモット、ウサギ、イヌなどが挙げられる。好ましくはヒト、サル、マウス、ラット、ハムスターである。最も好ましくはマウスである。   Examples of the mammal of the present invention include humans, cows, horses, sheep, monkeys, pigs, mice, rats, hamsters, guinea pigs, rabbits and dogs. Preferred are human, monkey, mouse, rat and hamster. Most preferred is a mouse.

本発明における哺乳類細胞とは、上記哺乳類動物から得られる初代培養細胞であっても、不死化処理が施された株化細胞であっても良い。株化細胞の例としては、ヒト由来のHela細胞、アフリカミドリザル由来のCOS7細胞、マウス由来の3T3細胞、ハムスター由来のCHO細胞、ラット由来のPC12細胞などが挙げられる。   The mammalian cell in the present invention may be a primary cultured cell obtained from the above mammal or a cell line that has been immortalized. Examples of cell lines include human-derived Hela cells, African green monkey-derived COS7 cells, mouse-derived 3T3 cells, hamster-derived CHO cells, rat-derived PC12 cells, and the like.

本発明の変異型ルシフェラーゼは、野生型ルシフェラーゼと比較してほぼ同程度のルシフェリン存在下における最大発光波長を発光し得る。その最大発光波長の差は、20nm以下の範囲である。より好ましくは15nm以下、更に好ましくは10nm以下である。すなわち、上記の野生型ルシフェラーゼがルシフェリン存在下に発光させ得る赤色の範囲を逸脱しない範囲であればよい。   The mutant luciferase of the present invention can emit a maximum emission wavelength in the presence of approximately the same level of luciferin as compared to wild-type luciferase. The difference in the maximum emission wavelength is in the range of 20 nm or less. More preferably, it is 15 nm or less, More preferably, it is 10 nm or less. That is, the range may be any range that does not deviate from the red range in which the wild-type luciferase can emit light in the presence of luciferin.

本発明における212位のイソロイシンとは、上記の鉄道虫由来ルシフェラーゼの遺伝子配列において、配列番号8に記載の遺伝子配列とストリンジェントな条件下にてハイブリダイゼーションする部位に含まれ、配列番号8に記載の遺伝子配列中のcTC(太字部分)に対応する遺伝子がコードするアミノ酸であることを示す。具体例としては配列番号1に記載のアミノ酸配列中の212番目にあるイソロイシンがあげられる。   The isoleucine at position 212 in the present invention is included in the above-mentioned gene sequence of the worm-derived luciferase in a site that hybridizes with the gene sequence described in SEQ ID NO: 8 under stringent conditions. It shows that the gene corresponding to cTC (bold part) in the gene sequence is an encoded amino acid. A specific example is isoleucine at position 212 in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1.

本発明における212位のイソロイシンへの変異導入は、赤色発光ルシフェラーゼの哺乳類細胞内での発光強度を上昇させる目的を達成できるように、置換されるアミノ酸を選択すればよいものとする。具体的には、212位のイソロイシンが置換されるアミノ酸として、ロイシン、アスパラギン、スレオニン、セリン、メチオニン、アラニン、グリシン、バリン、チロシン、システイン、およびフェニルアラニンなどが挙げられる。好ましくは疎水性を調節する目的でバリン、ロイシンを選択することができる。更に好ましくはロイシンである。   In the introduction of mutation into isoleucine at position 212 in the present invention, the amino acid to be substituted may be selected so as to achieve the purpose of increasing the luminescence intensity of the red luminescent luciferase in mammalian cells. Specific examples of amino acids in which isoleucine at position 212 is substituted include leucine, asparagine, threonine, serine, methionine, alanine, glycine, valine, tyrosine, cysteine, and phenylalanine. Preferably, valine or leucine can be selected for the purpose of adjusting hydrophobicity. More preferred is leucine.

本発明における351位のアスパラギンとは、上記の鉄道虫由来ルシフェラーゼの遺伝子配列において、配列番号10に記載の遺伝子配列とストリンジェントな条件下にてハイブリダイゼーションする部位に含まれ、配列番号10に記載の塩基配列中のAAg(太字部分)に対応する遺伝子がコードするアミノ酸であることを示す。具体例としては、配列番号1に記載のアミノ酸配列中の351番目にあるアスパラギンがあげられる。   The asparagine at position 351 in the present invention is included in a site that hybridizes under stringent conditions with the gene sequence described in SEQ ID NO: 10 in the gene sequence of the above-mentioned rail worm-derived luciferase. It shows that it is an amino acid encoded by the gene corresponding to AAg (bold part) in the base sequence of. A specific example is asparagine at position 351 in the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 1.

本発明における351位のリシンへの変異導入は、赤色発光ルシフェラーゼの哺乳類細胞内での発光強度を上昇させる目的を達成できるように、置換されるアミノ酸を選択すればよいものとする。具体的には、351位のアスパラギンが置換されるアミノ酸としてリシン、イソロイシン、スレオニン、セリン、メチオニン、アラニン、グリシン、バリン、チロシン、システイン、またはフェニルアラニンなどが挙げられる。好ましくは正の電荷を有するリシン、アルギニンである。更に好ましくはリシンである。   In the present invention, mutation can be introduced into lysine at position 351 by selecting a substituted amino acid so as to achieve the purpose of increasing the luminescence intensity of red luminescent luciferase in mammalian cells. Specifically, lysine, isoleucine, threonine, serine, methionine, alanine, glycine, valine, tyrosine, cysteine, phenylalanine and the like are listed as amino acids in which asparagine at position 351 is substituted. Preferred is arginine, lysine having a positive charge. More preferred is lysine.

本発明の変異型ルシフェラーゼは、鉄道虫由来赤色ルシフェラーゼで、野生型に比べて哺乳類細胞で発現した際に発光強度を増した変異型ルシフェラーゼである。鉄道虫由来赤色変異型ルシフェラーゼの遺伝子としては、配列番号3〜7のいずれか1つの遺伝子が例示される。従って、配列番号1の遺伝子で規定される野生型ルシフェラーゼにおける212位のイソロイシン及び、或いは351位のアスパラギンが他のアミノ酸残基に置換された変異体が例示される。   The mutant luciferase of the present invention is a railroad worm-derived red luciferase, which is a mutant luciferase having an increased luminescence intensity when expressed in mammalian cells compared to the wild type. Examples of the gene for the red luciferase derived from a railroad worm include any one of SEQ ID NOs: 3 to 7. Accordingly, a mutant in which isoleucine at position 212 and / or asparagine at position 351 in the wild-type luciferase defined by the gene of SEQ ID NO: 1 is substituted with another amino acid residue is exemplified.

本発明におけるストリンジェントな条件とは、特異的なハイブリダイゼーションのみが生じ、非特異的なハイブリダイゼーションが生じないような条件を言う。このような条件は、「1×SSC(0.9M NaCl,0.09M クエン酸三ナトリウム)または6×SSPE(3M NaCl,0,2M NaHPO,20mM EDTA・2Na,pH7.4)中の42℃でハイブリダイズさせ、さらに42℃で0.5×SSCにより洗浄する」条件が、本発明のストリンジェントな条件の1例として挙げられるが、これに限定されるものではない。 The stringent condition in the present invention refers to a condition in which only specific hybridization occurs and non-specific hybridization does not occur. Such conditions are in “1 × SSC (0.9 M NaCl, 0.09 M trisodium citrate) or 6 × SSPE (3 M NaCl, 0,2 M NaH 2 PO 4 , 20 mM EDTA · 2Na, pH 7.4). The condition of “hybridizing at 42 ° C. and further washing with 0.5 × SSC at 42 ° C.” is one example of the stringent conditions of the present invention, but is not limited thereto.

本発明の変異型ルシフェラーゼ遺伝子を含むベクターには、必要に応じて変異型ルシフェラーゼ遺伝子を導入するためのマルチクローニングサイト、プロモータ配列、エンハンサー配列、ポリアデニレーション配列、インスレータ配列、選択マーカー遺伝子配列、複製起点を有していても良いものとする。ここで、哺乳類細胞を宿主細胞として本発明の変異型ルシフェラーゼを組換え体として発現させる場合は、さらに転写開始サイトとしてのKozak配列や、CMVプロモータのような強力なプロモータを有していることが望ましい。   The vector containing the mutant luciferase gene of the present invention includes a multiple cloning site for introducing the mutant luciferase gene, a promoter sequence, an enhancer sequence, a polyadenylation sequence, an insulator sequence, a selectable marker gene sequence, and a replication as necessary. It may have a starting point. Here, when expressing the mutant luciferase of the present invention as a recombinant using a mammalian cell as a host cell, it may further have a Kozak sequence as a transcription initiation site and a strong promoter such as a CMV promoter. desirable.

本発明の変異型ルシフェラーゼ遺伝子を含むベクターを哺乳類細胞内に導入する方法は、細胞導入後の用途に対して適当な公知の方法を選択して実施することができる。具体的な方法として、リポフェクション法、パーティクルガン法、エレクトロポレーション法、リン酸カルシウム法などが挙げられる。   The method for introducing a vector containing the mutant luciferase gene of the present invention into a mammalian cell can be carried out by selecting a known method suitable for the use after cell introduction. Specific methods include lipofection method, particle gun method, electroporation method, calcium phosphate method and the like.

本発明における哺乳類細胞内での発光強度は、上記方法によって変異型ルシフェラーゼ遺伝子が導入された形質転換細胞を、変異型ルシフェラーゼの基質となるルシフェリンを含有させた適当な培地にて培養することで形質転換細胞にルシフェリンを取り込ませた後に、形質転換細胞内で生じる酵素反応によって得られる発光を測定することが出来る。測定には公知の方法を用いることが可能で、フォトンカウンティング方式などによるルミノメータを用いた公知の方法にて測定することが出来る。   The luminescence intensity in the mammalian cells in the present invention is determined by culturing the transformed cells into which the mutant luciferase gene has been introduced by the above-described method in an appropriate medium containing luciferin as a substrate for the mutant luciferase. After luciferin is taken into the transformed cells, the luminescence obtained by the enzymatic reaction occurring in the transformed cells can be measured. A known method can be used for the measurement, and the measurement can be performed by a known method using a luminometer by a photon counting method or the like.

更にフォトンカウンティング装置を備えた顕微鏡を用いることによって、培養細胞レベル、培養細胞の1細胞単位、もしくは1細胞内のオルガネラのイメージングを行うことが出来る。そこで、顕微鏡の観察雰囲気内にインキュベーター機能を備えることによって細胞を生きた状態にした、長時間のリアルタイム測定や、in vivoイメージングを行うことも可能である。   Furthermore, by using a microscope equipped with a photon counting device, it is possible to image a cultured cell level, a cell unit of a cultured cell, or an organelle in a cell. Therefore, it is possible to perform long-time real-time measurement and in vivo imaging in which cells are made alive by providing an incubator function in the observation atmosphere of the microscope.

本発明の変異型赤色発光ルシフェラーゼ遺伝子を用いることによって、特許文献2に記載された用途に用いることが出来る。その具体例を以下に示す。   By using the mutant red luminescence luciferase gene of the present invention, it can be used for the uses described in Patent Document 2. Specific examples are shown below.

本発明の変異型遺伝子構築体で哺乳類細胞を形質転換した場合、該形質転換細胞は十分に高い発光量を得ることができる。異種タンパク質ないしタグを結合させると発光量が低下するため、何も結合させない場合であっても発光量が不十分である従来の遺伝子構築物では異種タンパク質ないしタグを結合させることは困難であった。一方、本発明では異種タンパク質ないしタグを結合させる発光酵素による発光量が非常に高いため、異種タンパク質ないしタグを結合させた状態で個々の哺乳類細胞のイメージングを行うことができる。     When a mammalian cell is transformed with the mutant gene construct of the present invention, the transformed cell can obtain a sufficiently high amount of luminescence. When a heterogeneous protein or tag is bound, the amount of luminescence is reduced, so even if nothing is bound, it is difficult to bind the heterologous protein or tag with a conventional gene construct that does not emit enough light. On the other hand, in the present invention, since the amount of light emitted by a luminescent enzyme that binds a heterologous protein or tag is very high, imaging of individual mammalian cells can be performed in a state where the heterologous protein or tag is bound.

本発明の発光酵素と融合される異種タンパク質としては、任意の異種タンパク質が挙げられ、本発明の発光酵素と融合されるタグとしてはPEST 配列又はユビキチン又はこれらの生物学的に活性な断片又はこれらの変異体若しくは誘導体をコードするヌクレオチド配列によりコードされる蛋白質不安定化シグナル、核局在化シグナル、膜局在化シグナル、細胞質局在化シグナル、ミトコンドリア局在化シグナル、ER局在化シグナルが挙げられる。上記のような本発明の発光酵素と融合した異種タンパク質若しくはタグを、発光色の異なるイメージング用緑色ルシフェラーゼなどと融合した他の異種タンパク質若しくはタグと同時に併用することで、細胞内の小器官を発光色の違いで識別することができる。   The heterologous protein fused with the luminescent enzyme of the present invention includes any heterologous protein, and the tag fused with the luminescent enzyme of the present invention includes a PEST sequence or ubiquitin, or a biologically active fragment thereof, or these. Protein destabilization signal, nuclear localization signal, membrane localization signal, cytoplasmic localization signal, mitochondrial localization signal, ER localization signal encoded by a nucleotide sequence encoding a variant or derivative of Can be mentioned. By using the heterologous protein or tag fused with the luminescent enzyme of the present invention as described above simultaneously with another heterologous protein or tag fused with imaging luciferase having a different luminescent color, the organelle in the cell is luminescent. Can be identified by the difference in color.

上記の不安定化因子は、発光酵素蛋白質を不安定化するPEST配列等を使用してもよく、ポリAシグナルを欠如させたり、c-fos、c-jun 、c-myc 、GM-CSF、 IL-3 、TNF-α、IL-2、IL-6、IL-8、IL-10、ウロキナーゼ、bcl-2、Cox-2、PAI-2等の種々の遺伝子由来の配列を発光酵素遺伝子に連結して発光酵素のmRNAを不安定化してもよい。     The destabilizing factor may use a PEST sequence or the like that destabilizes the luminescent enzyme protein. The destabilizing factor lacks poly A signal, c-fos, c-jun, c-myc, GM-CSF, The sequences derived from various genes such as IL-3, TNF-α, IL-2, IL-6, IL-8, IL-10, urokinase, bcl-2, Cox-2, and PAI-2 are used as luminescent enzyme genes. The mRNA of the luminescent enzyme may be destabilized by ligation.

発光酵素蛋白質又はそのmRNAを不安定化することで、ある刺激に対する発光酵素の発現量の変化をより正確に(タイムラグなく)観察することができる。これは、哺乳類細胞中での発現効率がホタルよりも高い本発明の遺伝子構築体により初めて実現されるものである。     By destabilizing the luminescent enzyme protein or its mRNA, changes in the expression level of the luminescent enzyme in response to a certain stimulus can be observed more accurately (without time lag). This is realized for the first time by the gene construct of the present invention whose expression efficiency in mammalian cells is higher than that of fireflies.

タグとして使用されるPEST配列は、オルニチンデカルボキシラーゼの3‘末端又はその変異体が好ましく、オルニチンデカルボキシラーゼの3‘末端又はその変異体は哺乳類由来のものが好ましく、一般的によく使用されるのはマウス由来のものである 。なお、PESTは、プロリン(P)、グルタミン酸(E)、セリン(S)及びスレオニン(T)の豊富なアミノ酸配列を指し、PEST 配列を含むタンパク質は半減期が短いことが知られている。     The PEST sequence used as a tag is preferably the 3 ′ end of ornithine decarboxylase or a variant thereof, and the 3 ′ end of ornithine decarboxylase or a variant thereof is preferably derived from a mammal, and is commonly used. Is derived from a mouse. PEST refers to an amino acid sequence rich in proline (P), glutamic acid (E), serine (S), and threonine (T), and it is known that a protein containing the PEST sequence has a short half-life.

本発明の1つの実施形態では、ルシフェラーゼスプリットアッセイであって、発光酵素を例えばN末端部分とC末端部分の2つに分け、各々をコードするDNAを異種タンパク質と連結し、これらの遺伝子構築体を1つの細胞で共発現させる。ここで、発光酵素のN末端部分と発光酵素のC末端部分は別々に発現されるが、これらが近接した位置に来ると、発光するように設計することができる。   In one embodiment of the present invention, a luciferase split assay, wherein the luminescent enzyme is divided into, for example, an N-terminal portion and a C-terminal portion, and the DNA encoding each is linked to a heterologous protein, and these gene constructs Are co-expressed in one cell. Here, the N-terminal part of the luminescent enzyme and the C-terminal part of the luminescent enzyme are expressed separately, but they can be designed to emit light when they are in close proximity.

本発明の変異型ルシフェラーゼの活性は、宿主の哺乳類細胞の細胞溶解液に含まれた状態で測定することも出来る。宿主細胞の溶解方法は、公知の方法を用いて行うことが出来る。具体的には、界面活性剤を含む生理的緩衝液によってホモジェナイズまたは超音波破砕することによって宿主細胞を溶解させる方法である。上記緩衝液には、タンパク質分解酵素の阻害剤が含まれていてもよいものとする。このような方法によって得られた変異型ルシフェラーゼを含む細胞溶解液を用いることで、ルシフェラーゼの活性を測定することが出来る。   The activity of the mutant luciferase of the present invention can also be measured in a state contained in a cell lysate of a mammalian cell of the host. The host cell can be lysed using a known method. Specifically, the host cells are lysed by homogenization or ultrasonic disruption with a physiological buffer containing a surfactant. The buffer solution may contain a protease inhibitor. By using a cell lysate containing a mutant luciferase obtained by such a method, the activity of luciferase can be measured.

本発明における変異型ルシフェラーゼの基質となるルシフェリンは、公知のものを用いることが出来る。具体的にはD−ホタルルシフェリン、L−ホタルルシフェリン、D−ホタルルシフェリン6’ベンジルエーテル(luciferin-6’-benzyl ether、D−ホタルルシフェリン6’メチルエーテル(luciferin-6’-methyl etherなどが挙げられる。   As the luciferin used as the substrate of the mutant luciferase in the present invention, a known luciferin can be used. Specifically, D-firefly luciferin, L-firefly luciferin, D-firefly luciferin 6 'benzyl ether (luciferin-6'-benzyl ether, D-firefly luciferin 6' methyl ether (luciferin-6'-methyl ether, etc.) It is done.

本発明の変異型ルシフェラーゼ活性測定は、変異型ルシフェラーゼを含む宿主細胞の細胞溶解液と混合させた後、フォトンカウンティング方式などによるルミノメータを用いた公知の方法にて測定することが出来る。また、発光スペクトルも同様に公知の方法にて測定することが可能である。ここで、基質となるルシフェリンは宿主細胞の溶解に用いる生理的緩衝液に含まれた形で存在し、細胞溶解操作と同時に変異型ルシフェラーゼと反応させても良いものとする。    The mutant luciferase activity of the present invention can be measured by a known method using a luminometer such as a photon counting method after mixing with a cell lysate of a host cell containing the mutant luciferase. Similarly, the emission spectrum can be measured by a known method. Here, luciferin serving as a substrate is present in a form contained in a physiological buffer used for lysis of host cells, and may be reacted with mutant luciferase simultaneously with the cell lysis operation.

本発明における変異型ルシフェラーゼの製造法は、細胞内において合成した後に、精製することによって得られる。具体的な例として、特許文献4に記載された野生型ルシフェラーゼの製造法と同様の方法を用いて実施することが出来る。   The method for producing a mutant luciferase in the present invention can be obtained by synthesizing in a cell and then purifying it. As a specific example, it can be carried out using a method similar to the method for producing wild-type luciferase described in Patent Document 4.

本発明の変異型ルシフェラーゼ遺伝子が導入された形質転換細胞を用いて、転写活性測定する方法は、公知の方法を参照することが可能であり、具体的な例としては特許文献2に記載された方法が挙げられる。   A known method can be referred to for a method for measuring transcriptional activity using a transformed cell into which the mutant luciferase gene of the present invention has been introduced. A specific example is described in Patent Document 2. A method is mentioned.

具体的には、本発明における変異型ルシフェラーゼ遺伝子上流に転写活性(プロモーター活性)を有するか、有する可能性のある被験配列を連結した遺伝子カセットを細胞へ導入するか、または相同性組換えなどによって、ある被験配列下に変異型ルシフェラーゼ遺伝子を有する遺伝子が組み込まれた形質転換細胞を作成する。その後、前記の被験配列の転写制御下で発現される変異型ルシフェラーゼの活性を指標にして、該被験制御配列の転写活性を測定することが出来る。細胞への導入方法および変異型ルシフェラーゼの活性測定方法は、上述の方法によって実施できる。   Specifically, a gene cassette having a transcriptional activity (promoter activity) upstream of the mutant luciferase gene in the present invention, or a test sequence that may possibly have been introduced, is introduced into cells, or by homologous recombination or the like. A transformed cell in which a gene having a mutant luciferase gene is incorporated under a certain test sequence is prepared. Thereafter, the transcriptional activity of the test control sequence can be measured using the activity of the mutant luciferase expressed under the transcriptional control of the test sequence as an index. The method for introduction into cells and the method for measuring the activity of mutant luciferase can be carried out by the methods described above.

なお、本発明の変異型ルシフェラーゼ遺伝子に対して、上述のそれぞれ機能の期待を減殺しない範囲であれば、変異、置換、欠失、挿入、タンデム化などの改変を加えることは当業者が容易に実施できるものである。    It should be noted that a person skilled in the art can easily modify the mutant luciferase gene of the present invention so long as it does not diminish the expectation of each function described above, such as mutation, substitution, deletion, insertion, and tandemization. It can be implemented.

以下、本発明を実施例に基づきより詳細に説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはいうまでもない。
実施例1
鉄道虫由来の赤色発光ルシフェラーゼ(Phrixothrix RED:PhRED)の野生型アミノ酸配列を保持し、コドンユーセージが哺乳類型に変更されたcDNA(配列番号2)をpCMVプロモータの下流に挿入したベクターを基本とした。本プラスミドを鋳型にルシフェラーゼの3つのアミノ酸残基を他の残基にすべくインバースPCR法による部位特的変異部位の導入を行った。変異導入は、部位特異的変異導入キットKOD-Plus-Mutagenesis Kit(東洋紡績)をキット付属の取扱説明書に従い実施し、得られたプラスミドを用いて、大腸菌コンピテントセルDH5α(東洋紡績)の形質転換を行った。すなわち、212番目のIleに対応するコドンの位置をCTCにして(表1の太字部位)、これをPrimer#1(配列番号8)とした。また、背中合わせの逆方向の相補鎖をPrimer#2(配列番号9)とした。これによって212番目のIleがLueに変更された変異体SLR-I212Lを構築した。351番目のAsnに対応するコドンの位置をAAGにして(表1の太字部位)、これをPrimer#3(配列番号10)とした。また、背中合わせの逆方向の相補鎖をPrimer#4(配列番号11)とした。これによって、351番目のAsnがLysに変更された変異体SLR-N351Kを構築した。463番目のSerに対応するコドンの位置をCGTにして(表1の太字部位)、これをPrimer#5(配列番号12)とした。また、背中合わせの逆方向の相補鎖をPrimer#6(配列番号13)とした。これによって、463番目のSerが、Argに変更されたSLR-S463Rを構築した。変異の配列の確認はシークエンサー(ABI3100; Applied Biosystems)で行った。1つのアミノ酸残基を変異させた部位特異的変異体を基本にさらに変異を加え、最終的に5種(SLR-I212L;配列番号3、SLR-N351K;配列番号4、SLR-S463R;配列番号5、SLR-I212L/N351K;配列番号6、SLR-I212L/S463R;配列番号7)作成した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these Examples.
Example 1
Based on a vector that contains the wild-type amino acid sequence of red light-emitting luciferase (Phrixothrix RED: PhRED) derived from a railroad worm and a cDNA (SEQ ID NO: 2) in which the codon usage has been changed to a mammalian type inserted downstream of the pCMV promoter. did. Using this plasmid as a template, site-specific mutation sites were introduced by the inverse PCR method so that the three amino acid residues of luciferase could be changed to other residues. Mutagenesis is carried out using the site-specific mutagenesis kit KOD-Plus-Mutagenesis Kit (Toyobo) according to the instruction manual supplied with the kit, and the resulting plasmid is used to characterize Escherichia coli competent cell DH5α (Toyobo). Made a conversion. That is, the position of the codon corresponding to the 212th Ile was set to CTC (the bold site in Table 1), and this was designated as Primer # 1 (SEQ ID NO: 8). Also, the complementary strand in the reverse direction of back-to-back was designated as Primer # 2 (SEQ ID NO: 9). As a result, a mutant SLR-I212L in which the 212th Ile was changed to Lue was constructed. The position of the codon corresponding to the 351st Asn was set to AAG (the bold portion in Table 1), and this was designated as Primer # 3 (SEQ ID NO: 10). Also, the complementary strand in the reverse direction of back to back was designated as Primer # 4 (SEQ ID NO: 11). Thus, a mutant SLR-N351K in which the 351st Asn was changed to Lys was constructed. The position of the codon corresponding to the 463rd Ser was set as CGT (the bold portion in Table 1), and this was designated as Primer # 5 (SEQ ID NO: 12). Also, the complementary strand in the reverse direction of back to back was designated as Primer # 6 (SEQ ID NO: 13). As a result, the 463rd Ser constructed SLR-S463R which was changed to Arg. The sequence of the mutation was confirmed with a sequencer (ABI3100; Applied Biosystems). Based on site-specific mutants in which one amino acid residue was mutated, mutations were further added, and finally 5 types (SLR-I212L; SEQ ID NO: 3, SLR-N351K; SEQ ID NO: 4, SLR-S463R; SEQ ID NO: 5, SLR-I212L / N351K; SEQ ID NO: 6, SLR-I212L / S463R; SEQ ID NO: 7).

Figure 2011050258
Figure 2011050258

実施例2
作成された変異が導入されたベクターはマウス由来のNIH3T3細胞に遺伝子導入した。細胞はDulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM; Sigma-Aldrich) 10% FBS培地にて5% CO2の37℃の条件で培養した。遺伝子導入する前日に35 mmディッシュあたりの細胞数を3×105cellsとした。遺伝子のプラスミド量を1000 ng/dishとしLipofectamine PLUS (インビトロジェン社)にて遺伝子導入を行った。遺伝子導入後、48時間後に細胞を回収、細胞をPBSで洗浄後、タカラバイオ製の細胞溶解剤(M-PER Mammalian Protein Extraction Reagent)150μlで溶かし、その一部の25μlに対してルシフェリン溶液((LARII; Promega)を50μl加え、直ちに20秒間の積算測定によって発光活性を測定した。測定にはATTO(AB-2250)を使用した。一方、細胞溶解液のタンパク質量をバイオラッド社のProtein Assay kitで測定、2μgのサンプルをSDS−PAGE電気泳動を行い、膜に転写、ウエスタンブロットを行った。一次抗体として精製赤色ルシフェラーゼをウサギに免疫して調製された抗血清を2500倍希釈して使用し、2次抗体としてhorseradish peroxidase-conjugated anti-rabbit IgG (Jackson ImmunoResearch)を用いた。ECL Western Blotting Detection Reagents (GEヘルスケアバイオサイエンス)で発光させ、LAS-4000miniPR(富士フィルム)で発光量をイメージング化した。(記載が不十分かと思い、少し補足させていただきましたので、ご確認お願いします)。 図1Aは、ウエスタンブロットした結果であり、タンパク質の発現は若干の差があるものの同程度であった。図1Bは個々の発光量をタンパク質の発現量でノーマライズしたものである。これによると野生型に比べて、SLR-I212L、SLR-I212L/N351K、SLR-I212L/S463Rの3種で発光量が8倍前後に増加した。
Example 2
The created vector into which the mutation was introduced was introduced into NIH3T3 cells derived from mice. The cells were cultured in Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM; Sigma-Aldrich) 10% FBS medium at 37 ° C. with 5% CO 2 . The day before gene introduction, the number of cells per 35 mm dish was 3 × 10 5 cells. The gene was introduced using Lipofectamine PLUS (Invitrogen) with a gene plasmid amount of 1000 ng / dish. 48 hours after gene introduction, the cells were collected, washed with PBS, dissolved in 150 μl of Takara Bio's cell lysing agent (M-PER Mammalian Protein Extraction Reagent), and luciferin solution ((( 50 μl of LARII (Promega) was added, and the luminescence activity was immediately measured by integrating for 20 seconds using ATTO (AB-2250), while the amount of protein in the cell lysate was measured using the BioRad Protein Assay kit. 2 μg of the sample was subjected to SDS-PAGE electrophoresis, transferred to a membrane and subjected to Western blotting.An antiserum prepared by immunizing a rabbit with purified red luciferase as a primary antibody was diluted 2500 times and used. As secondary antibody, horseradish peroxidase-conjugated anti-rabbit IgG (Jackson ImmunoResearch) was used, and luminescence was generated by ECL Western Blotting Detection Reagents (GE Healthcare Bioscience). The light emission was imaged with LAS-4000miniPR (Fuji Film) (I think that the description is not enough and I added a little, so please check it). The protein expression was the same, although there was a slight difference.Figure 1B shows the individual luminescence levels normalized by the protein expression level, which indicates that SLR-I212L, The amount of luminescence increased by about 8 times with three types of SLR-I212L / N351K and SLR-I212L / S463R.

実施例3
各種変異体の発光スペクトルを測定した。測定はアトー社製AB-1850Sを使用、細胞溶解液15 μlにルシフェリン溶液((LARII; Promega)を15μl加え測定した。変異体5種のうち、SLR-I212L、SLR-S463R、SLR-I212L/S463Rは野生型とほぼ同じであったが、SLR-N351K、SLR-I212L/N351Kは10nmほど全体に発光スペクトルがブルーシフトしたが、全ての変異体の最大発光波長は620nm以上であった(図2)。
Example 3
The emission spectra of various mutants were measured. AB-1850S manufactured by Atto Corporation was used, and 15 μl of luciferin solution ((LARII; Promega) was added to 15 μl of cell lysate. Among 5 mutants, SLR-I212L, SLR-S463R, SLR-I212L / S463R was almost the same as the wild type, but SLR-N351K and SLR-I212L / N351K blue-shifted the entire emission spectrum by about 10 nm, but the maximum emission wavelength of all mutants was 620 nm or more (Fig. 2).

実施例4
実施例1で作成した各種プラスミド1000 ng/dishを35mmディッシュに培養したマウス由来のNIH3T3細胞に遺伝子導入した。遺伝子導入20時間後、100 μM D-ルシフェリン(DMEM 培地に10% FBS, 20 mM Hepes/NaOH (pH 7.0))に置き換え、連続発光量測定装置アトー社AB-2500に入れ、5% CO2 20℃の環境下、20分間隔で1分間の発光量の積算を行いながら約30時間にわたり発光活性の変化を測定した。図3Aは野生型及び各種変異体の発光活性の変化を調べたものであり、繰り返し行い再現性を確認した。その結果、SLR-N351K及びSLR-I212L/N351Kで高い発光量示すことが明らかになった。この違いを定量的に検討するため、24時間の発光量を積算した。図3Bは積算量を表したものであるが、SLR-N351K及びSLR-I212L/N351K共に野生型に比べて5倍以上の発光量が向上していることを示していた。
Example 4
Genes were introduced into NIH3T3 cells derived from mice in which 1000 ng / dish of various plasmids prepared in Example 1 were cultured in 35 mm dishes. Twenty hours after gene introduction, 100 μM D-luciferin (10% FBS in DMEM medium, 20 mM Hepes / NaOH (pH 7.0)) was replaced, and placed in a continuous luminescence measuring device Ato AB-2500, 5% CO 2 20 In an environment of 0 ° C., the change in luminescence activity was measured over about 30 hours while integrating the amount of luminescence for 1 minute at 20 minute intervals. FIG. 3A shows the change in the luminescence activity of the wild type and various mutants, and repeated to confirm the reproducibility. As a result, it has been clarified that SLR-N351K and SLR-I212L / N351K show high light emission. In order to quantitatively examine this difference, the amount of luminescence for 24 hours was integrated. FIG. 3B shows the integrated amount, and both SLR-N351K and SLR-I212L / N351K showed that the amount of luminescence was improved 5 times or more compared to the wild type.

実施例5
生細胞において変異体において発光強度の向上が見られたことから、野生型及び発光値が上昇したSLR-N351K及びSLR-I212L/N351Kのin vivo細胞イメージングを行った。同量の遺伝子ベクターをマウス由来のNIH3T3細胞に遺伝子導入後、細胞発光イメージング装置アトー社製セルグラフAB-3000Bにて発光計測を行った。図4Aはin vivo細胞発光イメージング画像の一例であるが、繰り返し映像を集め確認した。SLR-N351Kにおいて特に発光強度の高い画像が得られた。この発光量の変化を明らかにするため、Metamorph (Universal Imaging, Brandywine)のソフトを用いて解析した結果が図4Bである。野生型に比べてSLR-N351Kで4倍以上のSLR-I212L/N351Kにおいて3.5倍以上の明るい画像が得られることが明らかとなった。
Example 5
Since the luminescence intensity was improved in the mutants in the living cells, in vivo cell imaging of SLR-N351K and SLR-I212L / N351K with increased wild type and luminescence values was performed. After introducing the same amount of gene vector into mouse-derived NIH3T3 cells, luminescence was measured with Cellgraph AB-3000B manufactured by Atto Corporation. FIG. 4A is an example of an in vivo cytoluminescence imaging image, and repeated images were collected and confirmed. Images with particularly high emission intensity were obtained with SLR-N351K. FIG. 4B shows the result of analysis using the software of Metamorph (Universal Imaging, Brandywine) in order to clarify the change in the light emission amount. It became clear that SLR-I212L / N351K, which is 4 times or more of SLR-N351K compared to the wild type, can obtain a bright image of 3.5 times or more.

これらの結果、野生型の赤色ルシフェラーゼが最も赤色の波長を含むルシフェラーゼであるが、620nm以上の最大発光波長をもつルシフェラーゼとして、哺乳類細胞内において安定且つ高強度赤色ルシフェラーゼとしてSLR-N351K及びSLR-I212L/N351K変異体が実用可能でること明らかとなった。   As a result, wild-type red luciferase is the luciferase containing the most red wavelength. It became clear that the / N351K mutant was practical.

本発明は、甲虫シフェラーゼとして620nm以上のピーク波長を有する生きた細胞において高強度の発光を示す変異型ルシフェラーゼを提供する。特に、野生型鉄道虫由来ルシフェラーゼ遺伝子より高強度発光量で、より安定な変異型赤色鉄道虫由来のルシフェラーゼを得ることが可能となる。これらの変異型赤色鉄道虫由来のルシフェラーゼは、細胞あるいは組織透過性に優れるため、in vivo発光イメージングに好適となる。また、ATP検出において、赤色等の有色溶液中の物質、例えば、血液中のATP含有量を測定するといった場合において、測定感度を向上させることが可能となる。さらに、野生型と変異型、あるいは、ピーク発光波長の異なる2種類の変異型ルシフェラーゼを用いて、2色のレポーター遺伝子を用いることが可能となり、例えば、複数の遺伝子の転写活性を同時に測定すること等に利用することができ、創薬・医療・食品検査などの産業界に寄与することが大いに期待できる。   The present invention provides a mutant luciferase that exhibits high intensity luminescence in living cells having a peak wavelength of 620 nm or more as a beetle luciferase. In particular, it is possible to obtain a more stable luciferase derived from a mutant red railway worm with a higher intensity of luminescence than a wild-type railway worm-derived luciferase gene. These mutant red railworm-derived luciferases are suitable for in vivo luminescence imaging because of their excellent cell or tissue permeability. In addition, in the ATP detection, it is possible to improve the measurement sensitivity when measuring the substance in a colored solution such as red, for example, the ATP content in blood. Furthermore, it is possible to use two color reporter genes using two types of mutant luciferases with wild type and mutant type, or different peak emission wavelengths. For example, the transcriptional activity of multiple genes can be measured simultaneously. It can be used for a wide variety of industries such as drug discovery, medical care, and food inspection.

Claims (16)

鉄道虫由来赤色発光ルシフェラーゼであって、哺乳類細胞内での発光強度が野生型ルシフェラーゼと比較して、少なくとも3倍以上上昇した変異型ルシフェラーゼ。 A red luciferase derived from a railroad worm, wherein the luminescence intensity in mammalian cells is increased by at least 3 times compared to wild-type luciferase. 哺乳類細胞内におけるピーク強度の発光波長が、600〜635nmであることを特徴とする、請求項1に記載の変異型ルシフェラーゼ。 The mutant luciferase according to claim 1, wherein the emission wavelength of the peak intensity in the mammalian cell is 600 to 635 nm. 鉄道虫由来赤色発光ルシフェラーゼがPhrixothrix属由来ルシフェラーゼである請求項1または2に記載の変異型ルシフェラーゼ。 The mutant luciferase according to claim 1 or 2, wherein the red luciferase derived from a railworm is a genus Phrixothrix. 212位のイソロイシン及び/又は351位のアスパラギンが他のアミノ酸に置換された請求項3に記載の変異型ルシフェラーゼ。 The mutant luciferase according to claim 3, wherein isoleucine at position 212 and / or asparagine at position 351 is substituted with another amino acid. 212位のイソロイシンが置換される他のアミノ酸が、ロイシン、アスパラギン、スレオニン、セリン、メチオニン、アラニン、グリシン、バリン、チロシン、システイン、およびフェニルアラニンからなる群より選択されてなる請求項4に記載の変異型ルシフェラーゼ。 The mutation according to claim 4, wherein the other amino acid substituted with isoleucine at position 212 is selected from the group consisting of leucine, asparagine, threonine, serine, methionine, alanine, glycine, valine, tyrosine, cysteine, and phenylalanine. Type luciferase. 212位のイソロイシンが置換される他のアミノ酸が、ロイシンであることを特徴とする請求項5に記載の変異型ルシフェラーゼ。 6. The mutant luciferase according to claim 5, wherein the other amino acid to which isoleucine at position 212 is substituted is leucine. 351位のアスパラギンが置換される他のアミノ酸が、リシン、イソロイシン、スレオニン、セリン、メチオニン、アラニン、グリシン、バリン、チロシン、システイン、およびフェニルアラニンからなる群より選択されてなる請求項4〜6のいずれか1つに記載の変異型ルシフェラーゼ。 The other amino acid in which asparagine at position 351 is substituted is selected from the group consisting of lysine, isoleucine, threonine, serine, methionine, alanine, glycine, valine, tyrosine, cysteine, and phenylalanine. The mutant luciferase according to any one of the above. 351位のアスパラギンが置換される他のアミノ酸が、リシンであることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1つに記載の変異型ルシフェラーゼ。 The mutant luciferase according to any one of claims 4 to 7, wherein the other amino acid in which asparagine at position 351 is substituted is lysine. 配列番号3〜7のいずれか1つに記載の遺伝子配列によってコードされる、請求項1または2に記載の変異型ルシフェラーゼ。 The mutant luciferase according to claim 1 or 2, which is encoded by the gene sequence according to any one of SEQ ID NOs: 3 to 7. 請求項1〜9のいずれか1つに記載の変異型ルシフェラーゼをコードする遺伝子。 A gene encoding the mutant luciferase according to any one of claims 1 to 9. 請求項10に記載の遺伝子を含むベクター。 A vector comprising the gene according to claim 10. 請求項10に記載の遺伝子を用いて形質転換された形質転換細胞。 A transformed cell transformed with the gene according to claim 10. 前記細胞が哺乳類細胞である請求項12に記載の形質転換細胞。 The transformed cell according to claim 12, wherein the cell is a mammalian cell. 前記細胞がヒト細胞である請求項13に記載の形質転換細胞。 The transformed cell according to claim 13, wherein the cell is a human cell. 細胞内のオルガネラのイメージングのための請求項12〜14のいずれか1つに記載の形質転換細胞を使用する方法。 15. A method of using transformed cells according to any one of claims 12 to 14 for imaging of intracellular organelles. 転写活性測定のための請求項12〜14のいずれかに記載の形質転換細胞を使用する方法。 The method using the transformed cell in any one of Claims 12-14 for a transcriptional activity measurement.
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