JP2011097930A - Photoactivatable physiological function sensor protein - Google Patents

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Kenji Nagai
健治 永井
Tomomi Matsuda
知己 松田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a protein observable for concentration change of a biological material such as Ca<SP>2+</SP>as fluorescent intensity change by FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) and a method for measuring concentration of the biological material. <P>SOLUTION: There is provided a chimera protein having a donor molecule of FRET and an acceptor molecule of FRET bonded to both terminals of a biological material-binding linker, wherein the donor molecule is a photoactivatable fluorescent protein, the acceptor molecule is a pigment protein or a weakly fluorescent protein, and the biological material binding linker can induce FRET by binding with the biological material. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、光活性化生理機能センサータンパク質に関する。このタンパク質は、生物学研究、薬学研究、医学研究、農学研究などの基礎研究用試薬として有用である。   The present invention relates to a photoactivated physiological function sensor protein. This protein is useful as a reagent for basic research such as biological research, pharmaceutical research, medical research, and agricultural research.

生体試料のCa2+イオン濃度の測定には、Ca2+感受性徴小電極、小分子性合成プローブそしてタンパク質性プローブが用いられてきた。 For measuring the Ca 2+ ion concentration in biological samples, a Ca 2+ sensitive small electrode, a small molecule synthetic probe, and a protein probe have been used.

Ca2+感受性徴小電極はCa2+選択性を有する薄膜間に生じるネルンスト電位をもとにCa2+濃度を計測する方法である。細胞外液のCa2+濃度の計測は容易であるが、細胞内部のイオン濃度を計測するには、徴小電極と細胞の形質膜の間を高抵抗性に絶縁する必要があることから細胞内部のCa2+濃度変化の計測には不適であるという問題があった。 The Ca 2+ sensitive small electrode is a method for measuring the Ca 2+ concentration based on the Nernst potential generated between thin films having Ca 2+ selectivity. Although it is easy to measure the Ca 2+ concentration in the extracellular fluid, in order to measure the ion concentration inside the cell, it is necessary to insulate the small electrode and the plasma membrane of the cell with high resistance. There was a problem that it was not suitable for measuring the internal Ca 2+ concentration change.

小分子性合成プローブならびにタンパク質性プローブはそれぞれ、Ca2+結合に伴うプローブの微小環境変化や立体構造変化に誘起される蛍光または発光特性の変化をもとにCa2+濃度を計測する方法である。細胞内部へ導入できるので細胞内部のCa2+イオンの計測が可能である。しかし小分子性合成プローブを生物個体内や組織内の特定の場所に出現させることは困難であった。タンパク質性プローブをコードする遺伝子を導入して発現させる場合には、その遺伝子を特定の場所での遺伝子発現を起こすことのできるプロモーターの制御下に置くことでそれを容易に実現することが可能である。 Small molecule synthetic probes and protein probes are methods that measure Ca 2+ concentration based on changes in fluorescence or luminescence properties induced by changes in the microenvironment and conformational changes of the probe due to Ca 2+ binding. is there. Since it can be introduced into the cell, it is possible to measure Ca 2+ ions inside the cell. However, it has been difficult for small molecule synthetic probes to appear at specific locations within an organism or tissue. When a gene encoding a proteinaceous probe is introduced and expressed, it can be easily realized by placing the gene under the control of a promoter capable of causing gene expression at a specific location. is there.

タンパク質性プローブとして、緑色蛍光タンパク質(GFP)変異体とCa2+結合タンパク質の融合遺伝子でコードされた蛍光プローブcameleonが既に報告されている(非特許文献1〜4)。 As a proteinaceous probe, a fluorescent probe cameleon encoded by a fusion gene of a green fluorescent protein (GFP) mutant and a Ca 2+ binding protein has already been reported (Non-Patent Documents 1 to 4).

タンパク質性プローブは細胞ならびに細胞内小器官への局在化が容易でかつ細胞毒性の少ない励起条件での計測が可能であるので、生細胞での非侵襲的Ca2+濃度計測に非常に適している。cameleonは、GFPの短波長変異体、カルモジュリン(CaM)、グリシルグリシンリンカー(Gly-Gly)、ミオシン軽鎖キナーゼのCaM結合ペプチド(M13)、およびGFPの長波長変異体から構成されるキメラタンパク質である。Ca2+がCaMに結合することにより、CaMとM13との間の分子間相互作用が開始し、これによりキメラタンパク質は、伸長した立体構造からより小型の立体構造へと変化し、短波長変異体GFPら長波長変異体GFPへのFRET〈蛍光共鳴移動〉の効率が増大する。 Proteinaceous probes are easy to localize in cells and organelles and can be measured under low excitation conditions, making them very suitable for noninvasive measurement of Ca 2+ concentration in living cells ing. cameleon is a chimeric protein consisting of a short-wave mutant of GFP, calmodulin (CaM), a glycylglycine linker (Gly-Gly), a CaM-binding peptide of myosin light chain kinase (M13), and a long-wave mutant of GFP. It is. Binding of Ca 2+ to CaM initiates an intermolecular interaction between CaM and M13, which changes the chimeric protein from an elongated conformation to a smaller conformation, resulting in a short wavelength mutation The efficiency of FRET <fluorescence resonance transfer> from the body GFP to the long wavelength mutant GFP increases.

また、ATP濃度を測定するタンパク質性プローブとしては、GFPの短波長変異体、F0F1-ATP合成酵素εサブユニット、およびGFPの長波長変異体から構成されるキメラタンパク質であるタンパク質性蛍光プローブが既に報告されている(特許文献1)。   In addition, proteinaceous fluorescent probes that are chimeric proteins composed of a short-wave mutant of GFP, a F0F1-ATP synthase ε subunit, and a long-wave mutant of GFP have already been used as proteinaceous probes for measuring ATP concentration. It has been reported (Patent Document 1).

しかしこれらタンパク質性プローブを用いても尚、観察したい場所の細胞での出現に適切な特異的なプロモーターが見つからない場合もあり、その自由度は制限されていた。   However, even when these proteinaceous probes are used, there are cases where a specific promoter suitable for appearance in the cell at the place to be observed cannot be found, and the degree of freedom is limited.

またその他の生体物質に関しても、生体試料、特に生物個体内や組織内の特定の場所における濃度を非侵襲的に高い自由度で測定できる技術は報告されていない。   Regarding other biological substances, no technique has been reported that can measure the concentration of a biological sample, in particular, a specific place in an individual or a living organism in a noninvasive manner with a high degree of freedom.

WO2008/117792号 国際公開パンフレットWO2008 / 117792 International publication pamphlet

Miyawaki A他、Nature 388,882-887,1997Miyawaki A et al., Nature 388,882-887,1997 Miyawaki A他 PNAS 96, 2135-2140,1999Miyawaki A and others PNAS 96, 2135-2140,1999 Nagai T他 Nature Biotechnol.20, 87-90, 2002Nagai T et al. Nature Biotechnol. 20, 87-90, 2002 Nagai T他 PNAS 101, 10554-10559, 2004Nagai T et al. PNAS 101, 10554-10559, 2004

本発明は、生物個体内、組織内、細胞内、細胞内小器官内および水溶液において光刺激により任意の位置でFRETによりCa2+濃度やATP濃度等など生体物質の濃度変化を蛍光強度変化として観測することのできるタンパク質、および生体物質濃度の測定法を提供する。 The present invention relates to changes in the concentration of biological substances such as Ca 2+ concentration and ATP concentration by FRET at an arbitrary position by light stimulation in an individual organism, tissue, cell, intracellular organelle, and aqueous solution as a change in fluorescence intensity. Provided are a protein that can be observed and a method for measuring a concentration of a biological substance.

本発明はFRETのドナー分子として光活性化蛍光タンパク質を、アクセプター分子として無蛍光性の色素タンパク質或いは弱蛍光タンパク質(蛍光量子収率が0.05以下の蛍光タンパク質)を用いて、キメラタンパク質プローブを光活性化型にしたことを特徴とする。   The present invention uses a photoactivated fluorescent protein as a donor molecule for FRET, and a non-fluorescent chromoprotein or weak fluorescent protein (a fluorescent protein having a fluorescence quantum yield of 0.05 or less) as an acceptor molecule. It is characterized in that it was made into a model.

これまでに光活性化蛍光タンパク質(例えばPA-GFP)をドナーとしたFRETペアの相手として、DsRed(Bevis BJ他、Nature Biotechnol.
20、83-87、2002)、mCherry、mOrange、tdTomato(Shaner NC他、Nature Biotechnol. 22、1567-72、2004)、mKO(Karasawa
S他、Biochem. J. 381、307-312、2004)、mKO2(Sakurai-Sawano A他、Cell 132、487-498、2008)といった蛍光タンパク質を用いて光活性化蛍光タンパク質プローブの作製を試みたが、いずれも細胞内で光活性化した後に蛍光測定を行うとCa2+濃度変化に伴う蛍光強度変化が観察されないか、或いは観察されてもノイズによる蛍光強度変化と区別するのが難しい小さな変化しか起こすことができなかった。これらに対して、無蛍光性の色素タンパク質或いは蛍光量子収率が0.05以下の蛍光タンパク質(弱蛍光タンパク質)を用いることにより大きな蛍光強度変化をおこすプローブの作製が可能となる。
項1. 生体物質結合性リンカーの両末端にFRETのドナー分子とFRETのアクセプター分子を結合したキメラタンパク質であって、前記ドナー分子が光活性化蛍光タンパク質であり、前記アクセプター分子が色素タンパク質或いは弱蛍光タンパク質であり、前記生体物質結合性リンカーは、生体物質と結合することでFRETを誘導することができる、キメラタンパク質。
項2. 前記ドナー分子が光活性化緑色蛍光タンパク質(PA-GFP)、光活性化赤色蛍光タンパク質(PA-mCherry)またはこれらの機能的等価改変体である、項1に記載のキメラタンパク質。
項3. 前記アクセプター分子がasCP、REACh、Venus-Y145W、Venus-Y145W/H148Vまたはこれらの機能的等価改変体である、項1または2に記載のキメラタンパク質。
項4. 前記生体物質がカルシウムイオンまたはATPである、項1〜3のいずれかに記載のキメラタンパク質。
項5. 前記生体物質結合性リンカーが、カルモジュリンとミオシン軽鎖キナーゼのCaM結合ペプチド(M13)とを必要に応じてペプチドを介して連結させた構造を有する、項1〜4のいずれかに記載のキメラタンパク質。
項6. 前記生体物質結合性リンカーが、F0F1-ATP合成酵素εサブユニットタンパク質、またはその機能的等価改変体である、項1〜4のいずれかに記載のキメラタンパク質。
項7. 項1〜6のいずれかに記載のキメラタンパク質をコードするDNA。
項8. 項7に記載のDNAを有する組み換えベクター。
項9. 項7に記載のDNAまたは項8に記載の組み換えベクターを有する形質転換体。
項10.項1〜6のいずれかに記載のキメラタンパク質と生体物質を共存させ、ドナー分子からの発光を検出することを特徴とする、生体物質濃度の測定法。
So far, DsRed (Bevis BJ et al., Nature Biotechnol.
20, 83-87, 2002), mCherry, mOrange, tdTomato (Shaner NC et al., Nature Biotechnol. 22, 1567-72, 2004), mKO (Karasawa
S. et al., Biochem. J. 381, 307-312, 2004), mKO2 (Sakurai-Sawano A et al., Cell 132, 487-498, 2008) However, when fluorescence measurement is performed after photoactivation in the cells, changes in fluorescence intensity due to changes in Ca 2+ concentration are not observed, or small changes that are difficult to distinguish from changes in fluorescence intensity due to noise. I could only get up. On the other hand, it is possible to produce a probe that causes a large change in fluorescence intensity by using a non-fluorescent chromoprotein or a fluorescent protein (weak fluorescent protein) having a fluorescence quantum yield of 0.05 or less.
Item 1. A chimeric protein in which a FRET donor molecule and a FRET acceptor molecule are bonded to both ends of a biological substance-binding linker, wherein the donor molecule is a photoactivated fluorescent protein, and the acceptor molecule is a chromoprotein or a weak fluorescent protein And the biological substance-binding linker is a chimeric protein capable of inducing FRET by binding to a biological substance.
Item 2. Item 2. The chimeric protein according to Item 1, wherein the donor molecule is photoactivated green fluorescent protein (PA-GFP), photoactivated red fluorescent protein (PA-mCherry), or a functional equivalent variant thereof.
Item 3. Item 3. The chimeric protein according to Item 1 or 2, wherein the acceptor molecule is asCP, REACh, Venus-Y145W, Venus-Y145W / H148V, or a functional equivalent variant thereof.
Item 4. Item 4. The chimeric protein according to any one of Items 1 to 3, wherein the biological substance is calcium ion or ATP.
Item 5. Item 5. The chimeric protein according to any one of Items 1 to 4, wherein the biological substance-binding linker has a structure in which calmodulin and a CaM-binding peptide (M13) of myosin light chain kinase are linked via a peptide as necessary. .
Item 6. Item 5. The chimeric protein according to any one of Items 1 to 4, wherein the biological substance-binding linker is F0F1-ATP synthase ε subunit protein or a functionally equivalent variant thereof.
Item 7. Item 7. A DNA encoding the chimeric protein according to any one of Items 1 to 6.
Item 8. Item 8. A recombinant vector having the DNA of Item 7.
Item 9. Item 9. A transformant having the DNA according to Item 7 or the recombinant vector according to Item 8.
Item 10. Item 7. A method for measuring the concentration of a biological material, wherein the chimeric protein according to any one of Items 1 to 6 and a biological material are allowed to coexist and luminescence from a donor molecule is detected.

本発明によれば、部位特異的な発現をさせるための遺伝子プロモーターによる発現制御を必要とせずに、生物固体、組織等の任意の細胞で光刺激により蛍光を発し、細胞内部の Ca2+イオン濃度やATP濃度等など生体物質の濃度を非侵襲的に測定することを可能にするタンパク質性の光活性化プローブを得ることができる。それらを用いることにより、複雑に入り組んだ神経細胞のネットワーク等の中で注目すべき細胞のみをハイライティングしてその内部のCa2+イオン濃度やATP濃度等など生体物質の濃度変化を観察することができる。 According to the present invention, without the need for expression control by a gene promoter for site-specific expression, fluorescence is generated by light stimulation in any cell such as a biological solid or tissue, and Ca 2+ ions inside the cell It is possible to obtain a proteinaceous photoactivated probe that enables noninvasive measurement of the concentration of a biological substance such as the concentration and ATP concentration. By using them, highlighting only remarkable cells in a complex network of neurons and observing changes in the concentration of biological substances such as Ca 2+ ion concentration and ATP concentration inside Can do.

また、CaM部分について改良を行うことにより測定できるCa2+イオン濃度のレンジを変更することやトロポニンのようなCaM以外のCa2+イオン結合タンパク質を用いてCa2+プローブを作製することも可能である。さらに、CaM部分を別の金属や基質に結合して構造変化を起こすタンパク質に変えることによりそれらに対する光活性化プローブを作製へと応用することができる(Miyawaki A他、Develop. Cell 4, 295-305, 2003)。 It is also possible to change the range of Ca 2+ ion concentration that can be measured by improving the CaM part, and to create a Ca 2+ probe using a Ca 2+ ion binding protein other than CaM such as troponin. It is. Furthermore, the CaM moiety can be applied to the production of a light-activated probe by changing it to a protein that causes structural changes by binding to another metal or substrate (Miyawaki A et al., Develop. Cell 4, 295- 305, 2003).

生体物質結合性リンカーとしてCaM-M13を用いた場合の本発明のキメラタンパク質の概念図である。1 is a conceptual diagram of a chimeric protein of the present invention when CaM-M13 is used as a biological material binding linker. FIG. Anemonia sulcata 由来の無蛍光性の色素タンパク質asCP572を用いた光活性化Ca2+プローブPA-GFP-asCPによる細胞内Ca2+イメージング (a) HeLa 細胞内で発現させたプローブの405nm 光刺激による活性化。(左)活性化前 (中央)3細胞を選択して活性化後 (右) さらに3細胞を選択して活性化後。(b)活性化後のプローブのhistamine 刺激後の細胞内Ca2+濃度変化に伴う蛍光強度変化。Intracellular Ca 2+ imaging using photo-activated Ca 2+ probe PA-GFP-asCP using non-fluorescent chromoprotein asCP572 derived from Anemonia sulcata (a) Activity of 405 nm light-stimulated probe expressed in HeLa cells Conversion. (Left) Before activation (center) After selecting and activating 3 cells (Right) After selecting and activating 3 cells. (b) Fluorescence intensity change accompanying intracellular Ca 2+ concentration change after histamine stimulation of the probe after activation. EYFPを改変した弱蛍光タンパク質REAChを用いた光活性化Ca2+プローブPA-GFP-cp173REAChによる細胞内Ca2+イメージング (a) HeLa 細胞内で発現させたプローブの405nm 光刺激による活性化。(左)活性化前 (右)活性化後。(b)活性化後のプローブのhistamine 刺激後の細胞内Ca2+濃度変化に伴う蛍光強度変化。Intracellular Ca 2+ imaging with the light-activated Ca 2+ probe PA-GFP-cp173REACh using the weakly fluorescent protein REACh modified with EYFP (a) Activation of the probe expressed in HeLa cells by 405 nm light stimulation. (Left) Before activation (Right) After activation. (b) Fluorescence intensity change accompanying intracellular Ca 2+ concentration change after histamine stimulation of the probe after activation. Venusを改変した色素タンパク質Venus-Y145W/H148Vを用いた光活性化Ca2+プローブcp173PA-GFP-(Venus-Y145W/H148V)による細胞内Ca2+イメージング (a) HeLa 細胞内で発現させたプローブの405nm 光刺激による活性化。(左)活性化前 (右)活性化後。(b)活性化後のプローブのhistamine 刺激後の細胞内Ca2+濃度変化に伴う蛍光強度変化。Intracellular Ca 2+ imaging with photoactivated Ca 2+ probe cp173PA-GFP- (Venus-Y145W / H148V) using Venus-modified chromoprotein Venus-Y145W / H148V (a) Probe expressed in HeLa cells Activation by light stimulation of 405nm. (Left) Before activation (Right) After activation. (b) Fluorescence intensity change accompanying intracellular Ca 2+ concentration change after histamine stimulation of the probe after activation. 無蛍光性の色素タンパク質asCP572を用いた光活性化ATPプローブPA-ATeamによる細胞内ATPイメージング (a) HeLa 細胞内で発現させたプローブの405nm 光刺激による活性化。(左)活性化前 (右)活性化後。(b)活性化後のプローブのデオキシグルコース刺激後の細胞内ATP濃度変化に伴う蛍光強度変化。Intracellular ATP imaging with photo-activated ATP probe PA-ATeam using non-fluorescent chromoprotein asCP572 (a) Activation of probe expressed in HeLa cells by light stimulation at 405 nm. (Left) Before activation (Right) After activation. (b) Fluorescence intensity change accompanying intracellular ATP concentration change after deoxyglucose stimulation of the probe after activation.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

(1)
生体物質結合性リンカー
本発明のキメラタンパク質に用いる生体物質結合性リンカーは、生体物質が結合することで3次元構造が変化し、FRETを促進ないし誘導することができるリンカーである。このリンカーは、カルモジュリン、トロポニンのようなカルシウム結合タンパク質を含んでいてもよく、F0F1-ATP合成酵素εサブユニットのようなATP結合タンパク質を含んでいてもよく、カルシウム以外の金属やATP以外の基質に結合して構造変化を起こすタンパク質であってもよい。結合する生体物質とその結合タンパク質の関係を以下に例示する。
(1)
Biological material-binding linker The biological material-binding linker used in the chimeric protein of the present invention is a linker that can promote or induce FRET by changing the three-dimensional structure when the biological material is bonded. This linker may contain calcium-binding proteins such as calmodulin and troponin, and may contain ATP-binding proteins such as the F0F1-ATP synthase ε subunit, metals other than calcium, and substrates other than ATP. It may be a protein that binds to and causes a structural change. The relationship between the biological substance to be bound and the binding protein is exemplified below.

好ましい生体物質結合性リンカーは、カルシウムイオンと結合することにより構造変化を起こす、カルシウムイオン結合性リンカーである。このようなカルシウムイオン結合性リンカーとしては、カルモジュリン(CaM)とミオシン軽鎖キナーゼのCaM結合ペプチド(M13)をペプチドで連結したタンパク質性リンカーが挙げられる。前記ペプチドは2〜12個、好ましくは3〜8個、より好ましくは3〜5個のアミノ酸から構成されるものである。この生体物質結合性リンカーは、CaMにCa2+が結合すると、生体物質結合性リンカーの構造が変化し、生体物質結合性リンカーの両末端(N末端とC末端)が近づくため、生体物質結合性リンカーの両末端にドナー分子とアクセプター分子を連結すると、ドナー分子からアクセプター分子への移動(FRET)が起こる。 A preferred biological material-binding linker is a calcium ion-binding linker that undergoes a structural change by binding to calcium ions. Examples of such a calcium ion-binding linker include a proteinaceous linker in which calmodulin (CaM) and a myosin light chain kinase CaM-binding peptide (M13) are connected by a peptide. The peptide is composed of 2 to 12, preferably 3 to 8, more preferably 3 to 5 amino acids. This biological material-binding linker changes the structure of the biological material-binding linker when Ca 2+ binds to CaM, so that both ends (N-terminal and C-terminal) of the biological material-binding linker are close together. When a donor molecule and an acceptor molecule are connected to both ends of the functional linker, transfer from the donor molecule to the acceptor molecule (FRET) occurs.

カルモジュリン(CaM)としては、Ca2+と結合でき、かつ、Ca2+結合型CaMがM13と結合できるものであれば天然のカルモジュリンおよびその変異体を広く用いることができる。 The calmodulin (CaM), can be combined with Ca 2+, and, Ca 2+ bound CaM can be widely used natural calmodulin and variants thereof as long as it can bind to M13.

M13は、26個のアミノ酸:KRRWKKNFIAVSAANRFKKISSSGALを有するペプチドである。   M13 is a peptide having 26 amino acids: KRRWKKNFIAVSAANRFKKISSSGAL.

CaMとM13は、ペプチドで連結される。従来、このリンカーペプチドとしてGlyGlyが使用されてきた。当該リンカーペプチドを構成するアミノ酸は任意であるが、好ましいアミノ酸は、Gly、Ala,Ser、Thr、Leu、Ile、Val、Pro、Cys、Met、Phe、Tyr、Trp、Asn、Gln、Asp、Glu、Lys、Arg、Hisなどが挙げられ、好ましくはGly、Ala,Ser、Thr、より好ましくはGly、Serが挙げられる。リンカーペプチドはGlyとSerが各々少なくとも1個含まれるのが好ましく、たとえばGlyGlySer、GlyGlyGlySer、GlyGlyGlyGlySerなどが好ましく例示される。   CaM and M13 are linked by a peptide. Conventionally, GlyGly has been used as this linker peptide. The amino acid constituting the linker peptide is arbitrary, but preferred amino acids are Gly, Ala, Ser, Thr, Leu, Ile, Val, Pro, Cys, Met, Phe, Tyr, Trp, Asn, Gln, Asp, Glu , Lys, Arg, His, etc., preferably Gly, Ala, Ser, Thr, more preferably Gly, Ser. The linker peptide preferably contains at least one of Gly and Ser, for example GlyGlySer, GlyGlyGlySer, GlyGlyGlyGlySer and the like.

別の好ましい生体物質結合性リンカーは、ATPと結合することにより構造変化を起こすATP結合性リンカーである。このようなATP結合性リンカーとしては、F0F1-ATP合成酵素εサブユニットタンパク質が挙げられる。本発明において使用されるεサブユニットタンパク質はいずれの生物種由来のものであってもよいが、例えばBacillus sp. PS3由来(GenBank accession No.AB044942)やBacillus subtilis由来(GenBank accession
No. Z28592)に示すεサブユニットタンパク質などを好適に使用することができる。
Another preferred biological substance-binding linker is an ATP-binding linker that undergoes a structural change by binding to ATP. Examples of such ATP-binding linkers include F0F1-ATP synthase ε subunit protein. The ε subunit protein used in the present invention may be derived from any species, but for example, derived from Bacillus sp. PS3 (GenBank accession No. AB044942) or derived from Bacillus subtilis (GenBank accession
The ε subunit protein shown in No. Z28592) can be preferably used.

本発明で用いる生体物質結合性リンカーはまた、上記生体物質結合性リンカーの機能的等価改変体であってもよい。「機能的等価改変体」とは、そのアミノ酸配列が、元となるタンパク質のアミノ酸配列において1以上(特には1または数個)のアミノ酸が欠失、置換、または付加されたアミノ酸配列であって、しかも、元となる融合タンパク質と実質的に同じ活性を示すタンパク質を意味する。前記アミノ酸の欠失、置換、または付加は、例えば10個であり、好ましくは1〜10個、より好ましくは1〜5個、更に好ましくは1〜2個である。   The biological material-binding linker used in the present invention may also be a functional equivalent variant of the biological material-binding linker. “Functional equivalent variant” is an amino acid sequence in which one or more (particularly one or several) amino acids are deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of the original protein. In addition, it means a protein that exhibits substantially the same activity as the original fusion protein. The number of amino acid deletions, substitutions or additions is, for example, 10, preferably 1 to 10, more preferably 1 to 5, and still more preferably 1 to 2.

(2)キメラタンパク質
本発明のキメラタンパク質は、生体物質結合性リンカーのN末端とC末端にドナー分子とアクセプター分子を直接またはリンカーペプチドを介して連結した構造をとる。
(2) Chimeric protein The chimeric protein of the present invention has a structure in which a donor molecule and an acceptor molecule are linked directly or via a linker peptide to the N-terminus and C-terminus of a biological substance-binding linker.

ドナー分子としては、蛍光タンパク質、特に光活性化蛍光タンパク質が挙げられる。アクセプター分子としては、色素タンパク質あるいは弱蛍光タンパク質が挙げられる。   Donor molecules include fluorescent proteins, particularly photoactivated fluorescent proteins. Acceptor molecules include chromoproteins or weakly fluorescent proteins.

蛍光タンパク質としては、CFP、YEP、GFP、RFP、BFP、DsRedなどが挙げられ、これらの変異体などを利用してもよい。変異体としては、ECFP、EYFP、EGFP、ERFP、EBFPなどが挙げられる。好ましい蛍光タンパク質は、光活性化蛍光タンパク質であり、例えば光活性化緑色蛍光タンパク質(PA-GFP) 、光活性化赤色蛍光タンパク質(PA-mCherry:Subach FV他、Nat.Methods, 6, 153-159, 2009)、およびこれらの変異体、特に円順列変異体などが挙げられる。   Examples of fluorescent proteins include CFP, YEP, GFP, RFP, BFP, DsRed, and the like, and mutants thereof may be used. Examples of the mutant include ECFP, EYFP, EGFP, ERFP, and EBFP. Preferred fluorescent proteins are photoactivated fluorescent proteins, such as photoactivated green fluorescent protein (PA-GFP), photoactivated red fluorescent protein (PA-mCherry: Subach FV et al., Nat. Methods, 6, 153-159 , 2009), and these mutants, especially circular permutations.

色素タンパク質としては、無蛍光性の色素タンパク質が好ましく、例えばasCP(Lukyanov KA他、J. Biol. Chem. 275, 25879-25882, 2000)、黄色蛍光タンパク質Venusの145位のチロシンをトリプトファンに置換した変異体である色素タンパク質Venus-Y145W、黄色蛍光タンパク質Venusの145位のチロシンをトリプトファンに、148位のヒスチジンをバリンに置換した変異体である色素タンパク質Venus-Y145W/H148V、およびこれらの変異体、特に円順列変異体などが挙げられる。asCPはイソギンチャクAnemonia sulcata由来の色素タンパク質で、アミノ酸配列情報はLukyanovらの文献(Lukyanov KA他、J.Biol.Chem. 275, 25879-25882, 2000)にwild-type asFP595として記載されている。   As the chromoprotein, a non-fluorescent chromoprotein is preferable. For example, asCP (Lukyanov KA et al., J. Biol. Chem. 275, 25879-25882, 2000), tyrosine at position 145 of the yellow fluorescent protein Venus is substituted with tryptophan. A chromoprotein Venus-Y145W which is a mutant, a chromoprotein Venus-Y145W / H148V which is a mutant obtained by substituting tyrosine at position 145 with tryptophan and histidine at position 148 with valine in yellow fluorescent protein Venus, and variants thereof, In particular, circular permutants and the like can be mentioned. asCP is a chromoprotein derived from the sea anemone Anemonia sulcata, and amino acid sequence information is described as wild-type asFP595 in the literature of Lukyanov et al. (Lukyanov KA et al., J. Biol. Chem. 275, 25879-25882, 2000).

弱蛍光タンパク質としては、REACh(Ganasan
S他、Proc.Natl.Acad.Sci. USA 103、4089-4094、2006)、およびこれらの変異体、特に円順列変異体などが挙げられる。REAChはオワンクラゲ由来のGFPの改変体EYFPに更に変異を導入して作製された弱蛍光タンパク質で、アミノ酸配列情報はGanasanらの文献(Ganasan S他、Proc.Natl.Acad.Sci. USA 103、4089-4094、2006)に記載されている。
As weak fluorescent protein, REACh (Ganasan
S, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 4089-4094, 2006), and mutants thereof, particularly circular permutants. REACh is a weak fluorescent protein produced by further introducing a mutation in EYFP, a modified GFP derived from Aequorea jellyfish. The amino acid sequence information is Ganasan et al. (Ganasan S et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 4089). -4094, 2006).

ドナー分子とアクセプター分子はまた、上記蛍光タンパク質、色素タンパク質、弱蛍光タンパク質の機能的等価改変体であっても良い。   The donor molecule and the acceptor molecule may also be a functional equivalent variant of the fluorescent protein, chromoprotein, or weak fluorescent protein.

ドナー分子とアクセプター分子は、どちらを生体物質結合性リンカーのN末端に連結してもよいが、ドナー分子をN末端に結合するのが好ましい。   Either the donor molecule or the acceptor molecule may be linked to the N-terminus of the biological material-binding linker, but it is preferable to bind the donor molecule to the N-terminus.

生体物質結合性リンカーとドナー分子またはアクセプター分子の連結は、直接であっても良く、リンカーペプチドを介しても良い。当該リンカーペプチドは、上述のCaMとM13を連結するリンカーペプチドと同様に、特に限定されるものではなく、通常2〜20アミノ酸程度の長さのペプチドリンカーを用いることができる。また、ペプチドリンカーに用いるアミノ酸も、限定されるものではないが、例えば、グリシン(G)、セリン(S)、及びスレオニン(T)などを用いることができ、具体的なリンカーペプチドとして、GlyGlySer、GlyGlyGlySer、GlyGlyGlyGlySerなどが好ましく例示される。   The biological substance-binding linker and the donor molecule or acceptor molecule can be linked directly or via a linker peptide. The linker peptide is not particularly limited, as is the case with the linker peptide connecting CaM and M13 described above, and a peptide linker having a length of about 2 to 20 amino acids can be used. In addition, the amino acid used for the peptide linker is not limited, but for example, glycine (G), serine (S), threonine (T) and the like can be used. As specific linker peptides, GlyGlySer, Preferred examples include GlyGlyGlySer and GlyGlyGlyGlySer.

本発明のキメラタンパク質は、ドナー分子(蛍光タンパク質)を光照射により励起すると、生体物質の濃度によりドナー分子からアクセプター分子へのエネルギー移動効率が変化し、それを検出することで、生体物質の濃度を測定するセンサーとして機能する。   In the chimeric protein of the present invention, when the donor molecule (fluorescent protein) is excited by light irradiation, the energy transfer efficiency from the donor molecule to the acceptor molecule changes depending on the concentration of the biological substance, and the concentration of the biological substance is detected by detecting it. It functions as a sensor for measuring.

本発明のキメラタンパク質の取得方法については特に制限はなく、化学合成により合成したタンパク質でもよいし、遺伝子組み換え技術により作製した組み換えタンパク質でもよい。   The method for obtaining the chimeric protein of the present invention is not particularly limited, and may be a protein synthesized by chemical synthesis or a recombinant protein produced by a gene recombination technique.

組み換えタンパク質を作製する場合には、先ずキメラタンパク質をコードするDNAを入手することが必要である。ドナー分子およびアクセプター分子として使用する各種のタンパク質のアミノ酸配列および塩基配列は当業者に公知で、これらをコードするDNAは市販品から入手することが可能であるか、またはPCR等の通常の遺伝子組み換え手法によりクローニングすることができる。このようにして入手したドナー分子およびアクセプター分子をコードするDNAを生体物質結合性リンカーをコードするDNAと遺伝子組み換え技術により連結することにより、本発明のキメラタンパク質をコードするDNAを構築することができる。このDNAを適当な発現系に導入することにより、本発明のキメラタンパク質を産生することができる。   When producing a recombinant protein, it is necessary to first obtain DNA encoding the chimeric protein. The amino acid sequences and base sequences of various proteins used as donor molecules and acceptor molecules are known to those skilled in the art, and DNAs encoding them can be obtained from commercial products, or can be obtained by ordinary genetic recombination such as PCR. Can be cloned by techniques. The DNA encoding the chimeric protein of the present invention can be constructed by linking the DNA encoding the donor molecule and the acceptor molecule thus obtained with the DNA encoding the biological material binding linker by genetic recombination technology. . By introducing this DNA into an appropriate expression system, the chimeric protein of the present invention can be produced.

(3)DNA
本発明によれば、本発明のキメラタンパク質をコードするDNAが提供される。
(3) DNA
According to the present invention, DNA encoding the chimeric protein of the present invention is provided.

GFP遺伝子は単離され配列も決定されている(Prasher,D.C.ら(1992),"Primary
structure of the Aequorea victoria
green fluorescent protein"、Gene 111:229−233)。その他の蛍光タンパク質またはその変異体のアミノ酸配列も多数報告されており、例えば、Roger Y.Tsien, Annu.Rev.Biochem.1998、67:509-44、並びにその引用文献に記載されている。GFP、YFPまたはそれらの変異体としては、例えば、オワンクラゲ(例えば、エクオレア・ビクトリア(Aequorea victoria))由来のものを使用できる。
The GFP gene has been isolated and sequenced (Prasher, DC. Et al. (1992), “Primary
structure of the Aequorea victoria
green fluorescent protein ", Gene 111: 229-233). Many other amino acid sequences of fluorescent proteins or variants thereof have also been reported. For example, Roger Y. Tsien, Annu. Rev. Biochem. 1998, 67: 509- 44, as well as the references cited therein, GFP, YFP or a variant thereof can be derived from, for example, Aequorea victoria (eg, Aequorea victoria).

本発明で用いる蛍光タンパク質をコードする遺伝子の塩基配列などは公知である。蛍光タンパク質をコードする遺伝子は市販のものを使用することもできる。例えば、クロンテック社から市販されている、EGFPベクター、EYFPベクター、ECFPベクター、EBFPベクターなどを用いることができる。   The base sequence of the gene encoding the fluorescent protein used in the present invention is known. A commercially available gene can be used as the gene encoding the fluorescent protein. For example, an EGFP vector, an EYFP vector, an ECFP vector, an EBFP vector, etc., commercially available from Clontech can be used.

本発明のDNAは、例えばホスホアミダイト法などにより合成することができるし、特異的プライマーを用いたポリメラーゼ連鎖反応(PCR)によって製造することもできる。   The DNA of the present invention can be synthesized by, for example, the phosphoramidite method or can be produced by polymerase chain reaction (PCR) using specific primers.

また、所定の核酸配列に所望の変異を導入する方法は当業者に公知である。例えば、部位特異的変異誘発法、縮重オリゴヌクレオチドを用いるPCR、核酸を含む細胞の変異誘発剤または放射線への露出等の公知の技術を適宜使用することによって、変異を有するDNAを構築することができる。このような公知の技術は、例えば、Molecular Cloning: A l aboratory Mannual、2nd Ed.、Cold Spring Harbor Laboratory、Cold Spring Harbor、N Y.,1989、並びにCurrent Protocols in Molecular Biology、Supplement 1〜38、John Wiley &amp; Sons (1987-1997)に記載されている。   A method for introducing a desired mutation into a predetermined nucleic acid sequence is known to those skilled in the art. For example, constructing DNA having mutations by appropriately using known techniques such as site-directed mutagenesis, PCR using degenerate oligonucleotides, exposure of cells containing nucleic acids to mutagens or radiation, etc. Can do. Such known techniques include, for example, Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd Ed., Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY, 1989, and Current Protocols in Molecular Biology, Supplements 1-38, John. Wiley &amp; Sons (1987-1997).

(4)組み換えベクター
本発明のDNAは適当なベクター中に挿入して使用することができる。本発明で用いるベクターの種類は特に限定されず、例えば、自律的に複製するベクター(例えばプラスミド等)でもよいし、あるいは、宿主細胞に導入された際に宿主細胞のゲノムに組み込まれ、組み込まれた染色体と共に複製されるものであってもよい。
(4) Recombinant vector The DNA of the present invention can be used by inserting it into an appropriate vector. The type of the vector used in the present invention is not particularly limited, and may be, for example, an autonomously replicating vector (for example, a plasmid), or it is integrated into the host cell genome when introduced into the host cell. It may be replicated together with other chromosomes.

好ましくは、本発明で用いるベクターは発現ベクターである。発現ベクターにおいて本発明のDNAは、転写に必要な要素(例えば、プロモータ等)が機能的に連結されている。プロモータは宿主細胞において転写活性を示すDNA配列であり、宿主の種類に応じて適宜選択することができる。   Preferably, the vector used in the present invention is an expression vector. In the expression vector, the DNA of the present invention is functionally linked to elements necessary for transcription (for example, a promoter and the like). A promoter is a DNA sequence that exhibits transcriptional activity in a host cell, and can be appropriately selected depending on the type of host.

細菌細胞で作動可能なプロモータとしては、バチルス・ステアロテルモフィルス・マルトジェニック・アミラーゼ遺伝子(Bacillusstearothermophilus maltogenic amylase gen e)、バチルス・リケニホルミスαアミラーゼ遺伝子(Bacillus licheniformis alpha-amylase
gene)、バチルス・アミロリケファチエンス・BANアミラーゼ遺伝子(Bacillus amyloliquefaciens
BAN amylase gene)、バチルス・サブチリス・アルカリプロテアーゼ遺伝子(Bacillus Subtilis alkaline protease gene)もしくはバチルス・プミルス・キシロシダーゼ遺伝子(Bacillus pumilus xylosldase gene)のプロモータ、またはファージ・ラムダのPR若しくはPLプロモータ、大腸菌の lac、trp若しくはtacプロモータなどが挙げられる。
Promoters that can operate in bacterial cells include the Bacillus stearothermophilus maltogenic amylase gene (Bacillus stearothermophilus maltogenic amylase gene), the Bacillus licheniformis alpha-amylase gene (Bacillus licheniformis alpha-amylase gene).
gene), Bacillus amyloliquefaciens BAN amylase gene (Bacillus amyloliquefaciens)
BAN amylase gene), Bacillus Subtilis alkaline protease gene or Bacillus pumilus xylosldase gene promoter, phage lambda PR or PL promoter, E. coli lac, trp Or a tac promoter etc. are mentioned.

哺乳動物細胞で作動可能なプロモータの例としては、SV40プロモータ、MT−1(メタロチオネイン遺伝子)プロモータ、またはアデノウイルス2主後期プロモータなどがある。昆虫細胞で作動可能なプロモータの例としては、ポリヘドリンプロモータ、P10プロモータ、オートグラファ・カリホルニカ・ポリヘドロシス塩基性蛋白プロモータ、バキュウロウイルス即時型初期遺伝子1プロモータ、またはバキュウロウイルス39K遅延型初期遺伝子プロモータ等がある。酵母宿主細胞で作動可能なプロモータの例としては、酵母解糖系遺伝子由来のプロモータ、アルコールデヒドロゲナーゼ遺伝子プロモータ、TPI1プロモータ、ADH2-4cプロモータなどが挙げられる。   Examples of promoters that can operate in mammalian cells include the SV40 promoter, the MT-1 (metallothionein gene) promoter, or the adenovirus 2 major late promoter. Examples of promoters operable in insect cells include polyhedrin promoter, P10 promoter, autographa calihornica polyhedrosic basic protein promoter, baculovirus immediate early gene 1 promoter, or baculovirus 39K delayed early gene. There are promoters. Examples of a promoter operable in a yeast host cell include a promoter derived from a yeast glycolytic gene, an alcohol dehydrogenase gene promoter, a TPI1 promoter, an ADH2-4c promoter, and the like.

また、本発明のDNAは必要に応じて、例えばヒト成長ホルモンターミネータまたは真菌宿主についてはTPI1ターミネータ若しくはADH3ターミネータのような適切なターミネータに機能的に結合されてもよい。本発明の組み換えベクターは更に、ポリアデニレーションシグナル(例えばSV40またはアデノウイルス5E1b領域由来のもの)、転写エンハンサ配列(例えばSV40エンハンサ)および翻訳エンハンサ配列(例えばアデノウイルスVA
RNA をコードするもの)のような要素を有していてもよい。
Moreover, the DNA of the present invention may be operably linked to an appropriate terminator such as human growth hormone terminator or TPI1 terminator or ADH3 terminator for fungal hosts, if necessary. The recombinant vectors of the present invention further comprise a polyadenylation signal (eg, from SV40 or the adenovirus 5E1b region), a transcription enhancer sequence (eg, SV40 enhancer) and a translation enhancer sequence (eg, adenovirus VA).
Such as those encoding RNA).

本発明の組み換えベクターは更に、該ベクターが宿主細胞内で複製することを可能にするDNA配列を具備してもよく、その一例としてはSV40複製起点(宿主細胞が哺乳類細胞のとき)が挙げられる。   The recombinant vector of the present invention may further comprise a DNA sequence that allows the vector to replicate in the host cell, an example of which is the SV40 origin of replication (when the host cell is a mammalian cell). .

本発明の組み換えベクターはさらに選択マーカーを含有してもよい。選択マーカーとしては、例えば、ジヒドロ葉酸レダクターゼ(DHFR)またはシゾサッカロマイセス・ポンベTPI遺伝子等のようなその補体が宿主細胞に欠けている遺伝子、または例えばアンピシリン、カナマイシン、テトラサイクリン、クロラムフェニコール、ネオマイシン若しくはヒグロマイシンのような薬剤耐性遺伝子を挙げることができる。   The recombinant vector of the present invention may further contain a selection marker. Selectable markers include, for example, genes that lack their complement in host cells such as dihydrofolate reductase (DHFR) or Schizosaccharomyces pombe TPI genes, or such as ampicillin, kanamycin, tetracycline, chloramphenicol, Mention may be made of drug resistance genes such as neomycin or hygromycin.

本発明のDNA、プロモータ、および所望によりターミネータおよび/または分泌シグナル配列をそれぞれ連結し、これらを適切なベクターに挿入する方法は当業者に周知である。   Methods for ligating the DNA of the present invention, promoter, and optionally terminator and / or secretory signal sequence, respectively, and inserting them into a suitable vector are well known to those skilled in the art.

(5)形質転換体
本発明のDNAまたは組み換えベクターを適当な宿主に導入することによって形質転換体を作製することができる。
(5) Transformant A transformant can be prepared by introducing the DNA or recombinant vector of the present invention into an appropriate host.

本発明のDNAまたは組み換えベクターを導入される宿主細胞は、本発明のDNA構築物を発現できれば任意の細胞でよく、細菌、酵母、真菌および高等真核細胞等が挙げられる。   The host cell into which the DNA or recombinant vector of the present invention is introduced may be any cell as long as it can express the DNA construct of the present invention, and examples thereof include bacteria, yeast, fungi, and higher eukaryotic cells.

細菌細胞の例としては、バチルスまたはストレプトマイセス等のグラム陽性菌または大腸菌等のグラム陰性菌が挙げられる。これら細菌の形質転換は、プロトプラスト法、または公知の方法でコンピテント細胞を用いることにより行えばよい。   Examples of bacterial cells include Gram positive bacteria such as Bacillus or Streptomyces or Gram negative bacteria such as E. coli. Transformation of these bacteria may be performed by using competent cells by a protoplast method or a known method.

哺乳類細胞の例としては、HEK293細胞、HeLa細胞、COS細胞、BHK細胞、CHL細胞またはCHO細胞等が挙げられる。哺乳類細胞を形質転換し、該細胞に導入されたDNA配列を発現させる方法も公知であり、例えば、エレクトロポーレーション法、リン酸カルシウム法、リポフェクション法等を用いることができる。   Examples of mammalian cells include HEK293 cells, HeLa cells, COS cells, BHK cells, CHL cells, or CHO cells. Methods for transforming mammalian cells and expressing DNA sequences introduced into the cells are also known, and for example, electroporation method, calcium phosphate method, lipofection method and the like can be used.

酵母細胞の例としては、サッカロマイセスまたはシゾサッカロマイセスに属する細胞が挙げられ、例えば、サッカロマイセス・セレビシエ(Saccharomyces cerevisiae)またはサッカロマイセス・クルイベリ(Saccharomyces
kluyveri)等が挙げられる。酵母宿主への組み換えベクターの導入方法としては、例えば、エレクトロポレーション法、スフェロブラスト法、酢酸リチウム法等を挙げることができる。
Examples of yeast cells include cells belonging to Saccharomyces or Schizosaccharomyces, for example, Saccharomyces cerevisiae or Saccharomyces kluybergi (Saccharomyces
kluyveri) and the like. Examples of the method for introducing a recombinant vector into a yeast host include an electroporation method, a spheroblast method, and a lithium acetate method.

他の真菌細胞の例は、糸状菌、例えばアスペルギルス、ニューロスポラ、フザリウム、またはトリコデルマに属する細胞である。宿主細胞として糸状菌を用いる場合、DNA構築物を宿主染色体に組み込んで組換え宿主細胞を得ることにより形質転換を行うことができる。DNA構築物の宿主染色体への組み込みは、公知の方法に従い、例えば相同組換えまたは異種組換えにより行うことができる。   Examples of other fungal cells are cells belonging to filamentous fungi such as Aspergillus, Neurospora, Fusarium, or Trichoderma. When filamentous fungi are used as host cells, transformation can be performed by integrating the DNA construct into the host chromosome to obtain a recombinant host cell. Integration of the DNA construct into the host chromosome can be performed according to known methods, for example, by homologous recombination or heterologous recombination.

上記の形質転換体は、導入されたDNA構築物の発現を可能にする条件下で適切な栄養培地中で培養する。形質転換体の培養物から、本発明のキメラタンパク質を単離精製するには、通常のタンパク質の単離、精製法を用いればよい。   The transformant is cultured in a suitable nutrient medium under conditions that allow expression of the introduced DNA construct. In order to isolate and purify the chimeric protein of the present invention from the culture of the transformant, ordinary protein isolation and purification methods may be used.

例えば、本発明のタンパク質が、細胞内に溶解状態で発現した場合には、培養終了後、細胞を遠心分離により回収し水系緩衝液に懸濁後、超音波破砕機等により細胞を破砕し、無細胞抽出液を得る。該無細胞抽出液を遠心分離することにより得られた上清から、通常のタンパク質の単離精製法、即ち、溶媒抽出法、硫安等による塩析法、脱塩法、有機溶媒による沈殿法、ジエチルアミノエチル(DEAE)セファロース等のレジンを用いた陰イオン交換クロマトグラフィー法、S-Sepharose FF(ファルマシア社製)等のレジンを用いた陽イオン交換クロマトグラフィー法、ブチルセファロース、フェニルセファロース等のレジンを用いた疎水性クロマトグラフィー法、分子篩を用いたゲルろ過法、アフィニティークロマトグラフィ一法、クロマトフォーカシング法、等電点電気泳動等の電気泳動法等の手法を単独あるいは組み合わせて用い、精製標品を得ることができる。   For example, when the protein of the present invention is expressed in a dissolved state in the cell, after the culture is completed, the cell is collected by centrifugation, suspended in an aqueous buffer, and then disrupted by an ultrasonic crusher or the like. A cell-free extract is obtained. From the supernatant obtained by centrifuging the cell-free extract, an ordinary protein isolation and purification method, that is, a solvent extraction method, a salting-out method using ammonium sulfate, a desalting method, a precipitation method using an organic solvent, Anion exchange chromatography using a resin such as diethylaminoethyl (DEAE) Sepharose, cation exchange chromatography using a resin such as S-Sepharose FF (Pharmacia), resin such as butyl sepharose and phenyl sepharose Use a hydrophobic chromatography method, gel filtration method using molecular sieve, affinity chromatography method, chromatofocusing method, electrophoresis method such as isoelectric focusing etc. alone or in combination to obtain a purified preparation be able to.

(5)生体物質濃度の測定法
本発明はさらに、上記キメラタンパク質と生体物質を共存させ、ドナー分子からの発光(蛍光)を検出することを特徴とする、生体物質濃度の測定法を提供する。
(5) Method for Measuring Concentration of Biological Substance The present invention further provides a method for measuring the concentration of biological substance, characterized in that the chimeric protein and the biological substance coexist to detect luminescence (fluorescence) from a donor molecule. .

測定対象は特に限定されるものではなく、金属又はプラスチックなどの固体表面、水溶液、又は有機溶媒などの液体、生物個体内、組織内、細胞内、細胞内小器官内、及び微生物内などを挙げることができるが、特に通常の測定法では温度の測定が困難な、生物個体内、組織内、細胞内、細胞内小器官内、及び微生物内の生体物質濃度の測定に好適に用いることができる。   The measurement target is not particularly limited, and examples thereof include solid surfaces such as metals or plastics, liquids such as aqueous solutions or organic solvents, individual organisms, tissues, cells, intracellular organelles, and microorganisms. However, it can be suitably used for measuring the concentration of biological substances in individual organisms, tissues, cells, intracellular organelles, and microorganisms, which are difficult to measure temperature, particularly with ordinary measurement methods. .

上記キメラタンパク質を生体物質と共存させるには、キメラタンパク質そのものを測定対象に導入しても良く、またキメラタンパク質をコードするDNA、当該DNAを有する組み換えベクターもしくは当該DNAやベクターを有する形質転換体を測定対象に導入し、対象内部でキメラタンパク質を発現させても良い。   In order for the chimeric protein to coexist with a biological substance, the chimeric protein itself may be introduced into the measurement target, and the DNA encoding the chimeric protein, the recombinant vector having the DNA, or the transformant having the DNA or vector may be used. It may be introduced into the measurement target and the chimeric protein may be expressed inside the target.

上記キメラタンパク質やDNA等の生物個体への導入方法としては、例えば、経口投与、静脈内投与、筋肉内投与、動脈内投与、腹腔内投与、膣内投与、嚢内投与、皮内投与、肺内投与、吸入、皮下投与、点眼投与、硝子体内投与、結膜下投与、結膜嚢内投与、又は経皮投与を挙げることができる。また、組織への導入方法としては、例えば、トランスフェクション、ジーンガン、ウイルスベクター、電気穿孔法、光穿孔法、又は注射による注入などを挙げることができる。細胞内、細胞内小器官内、及び微生物への導入方法としては、コンピテントセルの形質転換、電気穿孔法又はトランスフェクションなどを挙げることができる。   Examples of methods for introducing the chimeric protein and DNA into an individual organism include, for example, oral administration, intravenous administration, intramuscular administration, intraarterial administration, intraperitoneal administration, intravaginal administration, intracapsular administration, intradermal administration, intrapulmonary administration Administration, inhalation, subcutaneous administration, ophthalmic administration, intravitreal administration, subconjunctival administration, intraconjunctival sac administration, or transdermal administration may be mentioned. Examples of the method for introduction into a tissue include transfection, gene gun, viral vector, electroporation, photoporation, injection by injection, and the like. Examples of methods for introducing into cells, intracellular organelles, and microorganisms include transformation of competent cells, electroporation, or transfection.

生体物質濃度の測定は、上記キメラタンパク質と生体物質を共存させた後、ドナー分子からの発光を検出することで行う。初めにキメラタンパク質に特定の波長の光を照射して、ドナー分子である光活性化蛍光タンパク質が蛍光を発するよう、光活性化を行う。光活性化に用いる光の波長は用いる光活性化蛍光タンパク質により決まっており、例えばPA-GFPは380〜420nm、好適には405nmであり、 PA-mCherryは380〜420nm、好適には405nmである。   The biological material concentration is measured by detecting light emitted from the donor molecule after the chimeric protein and the biological material are allowed to coexist. First, the chimeric protein is irradiated with light of a specific wavelength, and photoactivation is performed so that the photoactivated fluorescent protein that is a donor molecule emits fluorescence. The wavelength of light used for photoactivation is determined by the photoactivated fluorescent protein used. For example, PA-GFP is 380 to 420 nm, preferably 405 nm, and PA-mCherry is 380 to 420 nm, preferably 405 nm. .

キメラタンパク質を光活性化した後に所定の波長の励起光を照射すると、ドナー分子の光活性化蛍光タンパク質が蛍光を発する。測定対象の生体物質濃度が低い場合、ドナー分子からの蛍光はアクセプター分子である色素タンパク質や弱蛍光タンパク質の影響を受けない。一方、測定対象の生体物質濃度が高くなると、キメラタンパク質の生体物質結合性リンカー部分に当該生体物質が結合してキメラタンパク質の立体構造が変化し、ドナー分子からの蛍光はFRETによりアクセプター分子に吸収されて、蛍光強度が低下する。ドナー分子としてPA-GFP、アクセプター分子としてasCP、生体物質結合性リンカーとしてCaM-M13を用いた場合の本発明の概念図を図1に示す。   When the chimeric protein is photoactivated and irradiated with excitation light having a predetermined wavelength, the photoactivated fluorescent protein of the donor molecule emits fluorescence. When the concentration of the biological substance to be measured is low, the fluorescence from the donor molecule is not affected by the chromoprotein or weak fluorescent protein that are acceptor molecules. On the other hand, when the concentration of the biological substance to be measured increases, the biological substance binds to the biological substance-binding linker moiety of the chimeric protein and the three-dimensional structure of the chimeric protein changes, and fluorescence from the donor molecule is absorbed by the acceptor molecule by FRET. As a result, the fluorescence intensity decreases. FIG. 1 shows a conceptual diagram of the present invention when PA-GFP is used as a donor molecule, asCP is used as an acceptor molecule, and CaM-M13 is used as a biological material binding linker.

本発明のキメラタンパク質は通常のFRETペアとは異なり、アクセプター分子は色素タンパク質や弱蛍光タンパク質であることから、アクセプター分子は蛍光を全く発しないか、あまり発しない。したがってキメラタンパク質のドナー分子が発する蛍光を測定し、その強度変化から生体物質の濃度を計算して決定することができる。具体的にはあらかじめ濃度がわかっている標準物質を用いた検量線を作成しておくことで、実際の測定対象が発した蛍光強度をかかる検量線から算出することができる。   Unlike the normal FRET pair, the acceptor molecule is a chromoprotein or weakly fluorescent protein, so that the acceptor molecule does not emit fluorescence at all or does not emit much. Therefore, the fluorescence emitted from the donor molecule of the chimeric protein can be measured, and the concentration of the biological substance can be calculated and determined from the intensity change. Specifically, by preparing a calibration curve using a standard substance whose concentration is known in advance, the fluorescence intensity emitted from the actual measurement object can be calculated from the calibration curve.

上記励起光は用いる光活性化蛍光タンパク質により決まっており、例えばPA-GFPは460〜490nm、好適には488nmであり、PA-mCherryは540〜580nm、好適には564nmである。   The excitation light is determined by the photoactivated fluorescent protein used, for example, PA-GFP is 460 to 490 nm, preferably 488 nm, and PA-mCherry is 540 to 580 nm, preferably 564 nm.

キメラタンパク質が発する蛍光の波長は用いる光活性化蛍光タンパク質により決まっているが、本発明の測定法では、特定の波長の蛍光強度を測定しても良く、一定の範囲の波長の蛍光スペクトル(波長の面積)を測定しても良い。例えば、例えばPA-GFPは517nmまたは505〜540nm、PA-mCherryは595nmまたは590〜650nmである。   The wavelength of the fluorescence emitted from the chimeric protein is determined by the photoactivated fluorescent protein used. However, in the measurement method of the present invention, the fluorescence intensity of a specific wavelength may be measured, and the fluorescence spectrum (wavelength of a certain range of wavelengths) May be measured. For example, for example, PA-GFP is 517 nm or 505 to 540 nm, and PA-mCherry is 595 nm or 590 to 650 nm.

以下、実施例を用いて本発明を更に詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail using an Example, the technical scope of this invention is not limited to these Examples.

[実施例1]Anemonia sulcata由来の無蛍光性の色素タンパク質asCP572を用いた光活性化Ca2+プローブPA-GFP-asCPによる細胞内Ca2+イメージング
カルシウムイオンセンサーcameleonYC3.60(GenBank,AB178712)をコードする遺伝子をプラスミドpcDNA3 (Invitrogen)のBamHIとEcoRIサイトの間に挿入したほ乳類細胞発現ベクターcameleonYC3.6/pcDNA3(Nagai
T他、Proc. Natl. Acad. Sci.
USA 101, 10554-10559, 2004)を元に、光活性化Ca2+センサータンパク質発現ベクターを作製した。FRETドナー分子として光活性化緑色蛍光タンパク質PA-GFPを用い、アクセプター分子としては無蛍光性の色素タンパク質asCPを用いた。
CameleonYC3.6/pcDNA3のFRETドナー分子であるBamHI、SphIサイト間のC末端11残基を欠失させたECFPをコードする遺伝子を、PA-GFPのC末端11残基を欠失させたものをコードする遺伝子に置換した。さらに、FRETアクセプター分子であるSacI、EcoRIサイト間のVenus円順列変異体cp173Venusをコードする遺伝子配列を、イソギンチャクAnemonia sulcata由来の無蛍光性の色素タンパク質asCP(Lukyanov KA他、J. Biol. Chem. 275, 25879-25882, 2000)をコードする遺伝子に置換した。
この発現ベクターを用いて形質転換させたHeLa細胞の安定発現株を1.5mL培地を含む35mmガラスボトムディッシュ上で培養し観察を行った。イメージングはUPLSAPO60x(NA1.35)オイル対物レンズ、観察用マルチアルゴンレーザー光源、光刺激用半導体レーザーを装着した共焦点倒立顕微鏡FV1000(Olympus)で行った。励起光波長として488nm、光活性化のための刺激光として405nmのレーザー光を用い、タイムラプス測定では3秒間隔で画像を取得した。
[Example 1] Intracellular Ca 2+ imaging with a photoactivated Ca 2+ probe PA-GFP-asCP using a non-fluorescent chromoprotein asCP572 derived from Anemonia sulcata Calcium ion sensor cameleonYC3.60 (GenBank, AB178712) Mammalian cell expression vector cameleonYC3.6 / pcDNA3 (Nagai) in which the encoding gene is inserted between the BamHI and EcoRI sites of plasmid pcDNA3 (Invitrogen)
T et al., Proc. Natl. Acad. Sci.
USA 101, 10554-10559, 2004), a photoactivated Ca 2+ sensor protein expression vector was prepared. Photoactivated green fluorescent protein PA-GFP was used as the FRET donor molecule, and non-fluorescent chromoprotein asCP was used as the acceptor molecule.
A gene encoding ECFP with deletion of the C-terminal 11 residues between BamHI and SphI sites, which are FRET donor molecules of CameleonYC3.6 / pcDNA3, and a deletion of the C-terminal 11 residues of PA-GFP. It was replaced with the encoding gene. Furthermore, the gene sequence encoding the Venus circular permutation cp173Venus between the SacI and EcoRI sites, which are FRET acceptor molecules, was categorized into a non-fluorescent chromoprotein asCP (Lukyanov KA et al., J. Biol. Chem. 275 , 25879-25882, 2000).
A stable expression strain of HeLa cells transformed with this expression vector was cultured on a 35 mm glass bottom dish containing 1.5 mL medium and observed. Imaging was performed with a confocal inverted microscope FV1000 (Olympus) equipped with a UPLSAPO60x (NA1.35) oil objective lens, a multi-argon laser light source for observation, and a semiconductor laser for light stimulation. Laser light of 488 nm was used as the excitation light wavelength and 405 nm was used as the stimulation light for photoactivation, and images were acquired at intervals of 3 seconds in the time lapse measurement.

顕微鏡観察下でディッシュ上の光刺激を行っていない6細胞を選び(図2-a 左)そのうちの3細胞について405nmの刺激光を照射したところ、照射を行った3細胞で選択的にFRETドナー分子PA-GFPの蛍光を出現させることができた (図2-a 中央)。さらに、残りの3細胞について刺激光の照射を行い6細胞の全てに関して蛍光を出現させることができた(図2-a 右)。
蛍光を発するこれら6細胞について、さらにhistamine刺激による細胞内Ca2+をタイムラプス観測した。測定開始から20フレーム取得後に0.5mM histamine溶液を観察する細胞付近に最終濃度が5μMとなるように滴下した。histamine 滴下前の20フレームの蛍光強度の平均値を各時間での蛍光強度で割った相対蛍光強度を時間に対してプロットしてやると、histamine刺激直後にCa2+濃度上昇に伴う相対蛍光強度の増大が観察された(図2-b)。また、添加後約5分からCa2+濃度振動に伴うスパイク状の相対蛍光強度の増大(約10%)が観察された。これらの挙動は既存のcameleonYC3.60を発現するHeLa細胞で見られるものと同様であった。なお予測される測定可能なCa2+濃度の範囲はcameleonYC3.60と同様に数百nM程度で、ダイナミックレンジは約10%である。
Under microscopic observation, 6 cells that were not light-stimulated on the dish were selected (Fig. 2-a left). When 3 cells were irradiated with stimulating light of 405nm, FRET donors were selectively used with the irradiated 3 cells. The fluorescence of the molecule PA-GFP was able to appear (Fig. 2-a center). Furthermore, the remaining 3 cells were irradiated with stimulating light, and fluorescence was able to appear in all 6 cells (FIG. 2-a right).
In these 6 cells emitting fluorescence, intracellular Ca 2+ by histamine stimulation was further time-lapse observed. After obtaining 20 frames from the start of measurement, 0.5 mM histamine solution was added dropwise in the vicinity of the cells to be observed so that the final concentration was 5 μM. When the relative fluorescence intensity obtained by dividing the average value of the fluorescence intensity of 20 frames before dropping histamine by the fluorescence intensity at each time is plotted against time, the increase in relative fluorescence intensity with increasing Ca 2+ concentration immediately after histamine stimulation Was observed (FIG. 2-b). Further, from about 5 minutes after the addition, an increase in spike-like relative fluorescence intensity (about 10%) accompanying the Ca 2+ concentration oscillation was observed. These behaviors were similar to those seen in existing HeLa cells expressing cameleon YC3.60. The measurable range of Ca 2+ concentration that can be predicted is about several hundreds nM as in cameleon YC3.60, and the dynamic range is about 10%.

[実施例2]EYFPを改変した弱蛍光タンパク質REAChを用いた光活性化Ca2+プローブPA-GFP- cp173REAChによる細胞内Ca2+イメージング
カルシウムイオンセンサーcameleonYC3.60(GenBank, AB178712)をコードする遺伝子をプラスミドpcDNA3(Invitrogen)のBamHIとEcoRIサイトの間に挿入したほ乳類細胞発現ベクターcameleonYC3.6/pcDNA3(Nagai
T他、Proc. Natl. Acad. Sci.
USA 101, 10554-10559, 2004) を元に、光活性化Ca2+センサータンパク質発現ベクターを作製した。FRETドナー分子としてPA-GFPを用い、アクセプター分子としては黄色蛍光タンパク質EYFPにY145W/H148V変異を導入した弱蛍光タンパク質 REACh2(Ganesan S 他、Proc. Natl.
Acad. Sci. USA 103, 4089-4094, 2006)の円順列変異体cp173REACh2を用いた。
Cameleon YC3.6/pcDNA3のBamHI、SphIサイト間のC末端11残基を欠失させたECFPをコードする遺伝子を、C末端11残基を欠失させたPA-GFPをコードする遺伝子に置換した。さらに、FRETアクセプター分子であるSacI、EcoRIサイト間のVenus円順列変異体cp173Venusをcp173REACh2をコードする遺伝子に置換した。作製した発現ベクターをSuperfect(QIAGEN)を用いて35mmガラスボトムディッシュ上で培養したHeLa細胞に形質導入して24-48時間後に観察を行った。
イメージングはUPLSAPO60x(NA1.35)オイル対物レンズ、観察用マルチアルゴンレーザー光源、光刺激用半導体レーザーを装着した共焦点倒立顕微鏡FV1000(Olympus)で行った。励起光波長として488nm、光活性化のための刺激光として405nmのレーザー光を用い、タイムラプス測定では3秒間隔で画像を取得した。
[Example 2] Intracellular Ca2 + imaging using the light-activated Ca2 + probe PA-GFP-cp173REACh using the weakly fluorescent protein REACh modified with EYFP The gene encoding the calcium ion sensor cameleonYC3.60 (GenBank, AB178712) Mammalian cell expression vector cameleonYC3.6 / pcDNA3 (Nagai) inserted between BamHI and EcoRI sites of Invitrogen
T et al., Proc. Natl. Acad. Sci.
USA 101, 10554-10559, 2004), a light-activated Ca 2+ sensor protein expression vector was prepared. Weakly fluorescent protein REACh2 (Ganesan S et al., Proc. Natl.) Using PA-GFP as a FRET donor molecule and a Y145W / H148V mutation introduced into EYFP as a yellow fluorescent protein
Acad. Sci. USA 103, 4089-4094, 2006), a circular permutation mutant cp173REACh2.
The gene encoding ECFP in which the C-terminal 11 residues between the BamHI and SphI sites of Cameleon YC3.6 / pcDNA3 were deleted was replaced with the gene encoding PA-GFP from which the C-terminal 11 residues were deleted. . Furthermore, the Venus circular permutation cp173Venus between SacI and EcoRI sites, which are FRET acceptor molecules, was replaced with a gene encoding cp173REACh2. The prepared expression vector was transduced into HeLa cells cultured on a 35 mm glass bottom dish using Superfect (QIAGEN), and observed 24-48 hours later.
Imaging was performed with a confocal inverted microscope FV1000 (Olympus) equipped with a UPLSAPO60x (NA1.35) oil objective lens, a multi-argon laser light source for observation, and a semiconductor laser for light stimulation. Laser light of 488 nm was used as the excitation light wavelength and 405 nm was used as the stimulation light for photoactivation, and images were acquired at intervals of 3 seconds in the time lapse measurement.

顕微鏡観察下でディッシュ上の光刺激を行っていない2細胞を選び(図3-a 左)405 nmの刺激光を照射したところ、照射を行った2細胞で選択的にFRETドナー分子のPA-GFPの蛍光を出現させることができた(図3-a 右)。
蛍光を発するこれら2細胞について、さらにhistamine刺激による細胞内Ca2+濃度変化タイムラプス観測した。測定開始から20フレーム取得後に0.5mM histamine溶液を観察する細胞付近に最終濃度が5μMとなるように滴下した。histamine滴下前の20フレームの蛍光強度の平均値で各時間での蛍光強度で割った相対蛍光強度を時間に対してプロットしてやると、histamine 刺激直後にCa2+濃度上昇に伴う蛍光強度の増大が観察された(図3-b)。また、添加後にもCa2+濃度振動に伴うスパイク状の相対蛍光強度の増大(刺激前の平均蛍光強度の約15%)が観察された。これらの挙動は既存のcameleonYC3.60を発現するHeLa細胞で見られるものと同様であった。なお予測される測定可能なCa2+濃度の範囲はcameleonYC3.60と同様に数百nM程度で、ダイナミックレンジは約10%である。
Under microscopic observation, two cells that were not light-stimulated on the dish were selected (Figure 3-a, left). When irradiated with 405 nm stimulation light, the FRET donor molecule PA- GFP fluorescence could appear (Fig. 3-a right).
With respect to these two cells emitting fluorescence, a time-lapse observation of changes in intracellular Ca 2+ concentration by histamine stimulation was further performed. After obtaining 20 frames from the start of measurement, 0.5 mM histamine solution was added dropwise in the vicinity of the cells to be observed so that the final concentration was 5 μM. Plotting the relative fluorescence intensity divided by the fluorescence intensity at each time with the average value of the fluorescence intensity of 20 frames before dropping histamine, the increase in fluorescence intensity with increasing Ca 2+ concentration immediately after histamine stimulation Observed (FIG. 3-b). In addition, a spike-like increase in relative fluorescence intensity (about 15% of the average fluorescence intensity before stimulation) accompanying the Ca 2+ concentration oscillation was observed after addition. These behaviors were similar to those seen in existing HeLa cells expressing cameleon YC3.60. The measurable range of Ca 2+ concentration that can be predicted is about several hundreds nM as in cameleon YC3.60, and the dynamic range is about 10%.

[実施例3]Venusを改変した色素タンパク質Venus-Y145W/H148Vを用いた光活性化Ca2+プローブcp173PA-GFP-(Venus-Y145W/H148V) による細胞内Ca2+イメージング
カルシウムイオンセンサーcameleonYC3.60(GenBank, AB178712)をコードする遺伝子をプラスミドpcDNA3(Invitrogen)のBamHIとEcoRIサイトの間に挿入したほ乳類細胞発現ベクターcameleonYC3.6/pcDNA3(Nagai
T他、Proc. Natl. Acad. Sci.
USA 101, 10554-10559, 2004)を元に光活性化Ca2+センサータンパク質発現ベクターを作製した。FRETドナー分子としてPA-GFPの円順列変異体cp173PA-GFPを用い、アクセプター分子としては黄色蛍光タンパク質VenusにY145W/H148V変異を導入して色素蛋白質化した変異体Venus-Y145W/H148Vを用いた。
CameleonYC3.6/pcDNA3のBamHI、SphIサイト間のC末端11残基を欠失させたECFPをコードする遺伝子を、C末端11残基を欠失させたVenus-Y145W/H148Vをコードする遺伝子に置換した。さらに、FRETアクセプター分子であるSacI、EcoRIサイト間のVenus円順列変異体cp173Venusを、PA-GFPの円順列変異体cp173PA-GFPをコードする遺伝子に置換した。作製した発現ベクターをSuperfect(QIAGEN)を用いて35mmガラスボトムディッシュ上で培養したHeLa細胞に形質導入して24-48時間後に観察を行った。
イメージングはUPLSAPO60x(NA1.35)オイル対物レンズ、観察用マルチアルゴンレーザー光源、光刺激用半導体レーザーを装着した共焦点倒立顕微鏡FV1000(Olympus)で行った。励起光波長として488nm、光活性化のための刺激光として405nmのレーザー光を用い、タイムラプス測定では3秒間隔で画像を取得した。
[Example 3] Intracellular Ca 2+ imaging with photoactivated Ca 2+ probe cp173PA-GFP- (Venus-Y145W / H148V) using chromoprotein Venus-Y145W / H148V modified with Venus Calcium ion sensor cameleonYC3.60 Mammalian cell expression vector cameleonYC3.6 / pcDNA3 (Nagai) in which the gene encoding (GenBank, AB178712) is inserted between the BamHI and EcoRI sites of plasmid pcDNA3 (Invitrogen)
T et al., Proc. Natl. Acad. Sci.
USA 101, 10554-10559, 2004), a photoactivated Ca 2+ sensor protein expression vector was prepared. The circular permutation cp173PA-GFP of PA-GFP was used as the FRET donor molecule, and the mutant Venus-Y145W / H148V in which the Y145W / H148V mutation was introduced into the yellow fluorescent protein Venus was used as the acceptor molecule.
Replacing the gene encoding ECFP with the C-terminal 11 residues deleted between the BamHI and SphI sites of CameleonYC3.6 / pcDNA3 with the gene encoding Venus-Y145W / H148V with the C-terminal 11 residues deleted did. Furthermore, the Venus circular permutation cp173Venus between the SacI and EcoRI sites, which are FRET acceptor molecules, was replaced with a gene encoding the PA-GFP circular permutation cp173PA-GFP. The prepared expression vector was transduced into HeLa cells cultured on a 35 mm glass bottom dish using Superfect (QIAGEN), and observed 24-48 hours later.
Imaging was performed with a confocal inverted microscope FV1000 (Olympus) equipped with a UPLSAPO60x (NA1.35) oil objective lens, a multi-argon laser light source for observation, and a semiconductor laser for light stimulation. Laser light of 488 nm was used as the excitation light wavelength and 405 nm was used as the stimulation light for photoactivation, and images were acquired at intervals of 3 seconds in the time lapse measurement.

顕微鏡観察下でディッシュ上の光刺激を行っていない2細胞を選び(図4-a 左)405 nmの刺激光を照射したところ、照射を行った2細胞で選択的にFRETドナー分子のPA-GFPの蛍光を出現させることができた(図4-a 右)。
蛍光を発するこれら2細胞について、さらにhistamine刺激による細胞内Ca2+濃度変化タイムラプス観測した。測定開始から20フレーム取得後に0.5mM histamine溶液を観察する細胞付近に最終濃度が5μMとなるように滴下した。histamine滴下前の20フレームの蛍光強度の平均値で各時間での蛍光強度で割った相対蛍光強度を時間に対してプロットしてやると、histamine刺激直後にCa2+濃度上昇に伴う蛍光強度の増大が観察された(図4-b)。また、添加後にもCa2+濃度振動に伴うスパイク状の相対蛍光強度の増大(刺激前の平均蛍光強度の約15%)が観察された。これらの挙動は既存のcameleonYC3.60を発現するHeLa細胞で見られるものと同様であった。なお予測される測定可能なCa2+濃度の範囲はcameleonYC3.60と同様に数百nM程度で、ダイナミックレンジは約10%である。
Under microscopic observation, 2 cells that were not light-stimulated on the dish were selected (Fig. 4-a left). When irradiated with 405 nm stimulating light, FRET donor molecule PA- GFP fluorescence could appear (Fig. 4-a right).
With respect to these two cells emitting fluorescence, a time-lapse observation of changes in intracellular Ca 2+ concentration by histamine stimulation was further performed. After obtaining 20 frames from the start of measurement, 0.5 mM histamine solution was added dropwise in the vicinity of the cells to be observed so that the final concentration was 5 μM. Plotting the relative fluorescence intensity divided by the fluorescence intensity at each time with the average value of the fluorescence intensity of 20 frames before dropping histamine, the increase in fluorescence intensity with increasing Ca 2+ concentration immediately after histamine stimulation Observed (FIG. 4-b). In addition, a spike-like increase in relative fluorescence intensity (about 15% of the average fluorescence intensity before stimulation) accompanying the Ca 2+ concentration oscillation was observed after addition. These behaviors were similar to those seen in existing HeLa cells expressing cameleon YC3.60. The measurable range of Ca 2+ concentration that can be predicted is about several hundreds nM as in cameleon YC3.60, and the dynamic range is about 10%.

[実施例4]無蛍光性の色素タンパク質asCP572を用いた光活性化ATPプローブによる細胞内ATPイメージング
ATPセンサーATeam(特許文献1)をコードする遺伝子をプラスミドpcDNA3.1(-)(Invitrogen)のXhoIとHindIIIサイトの間に挿入したほ乳類細胞発現ベクターpCDNA-AT1.03(Imamura H 他、Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 15651-15656, 2009)を元に光活性化ATPセンサータンパク質発現ベクターを作製した。FRETドナー分子としてPA-GFPを用い、アクセプター分子としては黄色蛍光タンパク質VenusにY145W変異を導入して色素蛋白質化した変異体Venus-Y145Wにさらに円順列変異を導入したcp173Venus-Y145W
を用いた。
pCDNA-AT1.03のXhoI、ClaIサイト間のC末端11残基を欠失させたECFPをコードする遺伝子を、C末端11残基を欠失させたPA-GFPをコードする遺伝子に置換した。さらに、FRETアクセプター分子であるSacI、EcoRI サイト間のVenus円順列変異体 cp173Venusを、Venus-Y145Wの円順列変異体cp173Venus-Y145Wをコードする遺伝子に置換した。作製した発現ベクターをSuperfect(QIAGEN)を用いて35mmガラスボトムディッシュ上で培養したHeLa細胞に形質導入して24-48時間後に観察を行った。
イメージングはUPLSAPO60x(NA1.35)オイル対物レンズ、観察用マルチアルゴンレーザー光源、光刺激用半導体レーザーを装着した共焦点倒立顕微鏡FV1000(Olympus)で行った。励起光波長として488nm、光活性化のための刺激光として405nmのレーザー光を用い、タイムラプス測定では1分間隔で画像を取得した。
[Example 4] Intracellular ATP imaging with a photoactivated ATP probe using non-fluorescent chromoprotein asCP572
Mammalian cell expression vector pCDNA-AT1.03 (Imamura H et al., Proc. Natl) in which the gene encoding ATP sensor ATeam (Patent Document 1) is inserted between XhoI and HindIII sites of plasmid pcDNA3.1 (-) (Invitrogen) Acad. Sci. USA 106, 15651-15656, 2009), a photoactivated ATP sensor protein expression vector was prepared. Cp173Venus-Y145W which used PA-GFP as a FRET donor molecule, and introduced a circular permutation into a chromoprotein mutant Venus-Y145W that was introduced into the yellow fluorescent protein Venus as a acceptor molecule.
Was used.
The gene encoding ECFP from which the C-terminal 11 residues between the XhoI and ClaI sites of pCDNA-AT1.03 were deleted was replaced with a gene encoding PA-GFP from which the C-terminal 11 residues were deleted. Furthermore, the Venus circular permutation cp173Venus between the SacI and EcoRI sites, which are FRET acceptor molecules, was replaced with the gene encoding the circular permutation cp173Venus-Y145W of Venus-Y145W. The prepared expression vector was transduced into HeLa cells cultured on a 35 mm glass bottom dish using Superfect (QIAGEN), and observed 24-48 hours later.
Imaging was performed with a confocal inverted microscope FV1000 (Olympus) equipped with a UPLSAPO60x (NA1.35) oil objective lens, a multi-argon laser light source for observation, and a semiconductor laser for light stimulation. Laser light of 488 nm was used as the excitation light wavelength and 405 nm was used as the stimulation light for photoactivation, and images were acquired at 1-minute intervals in the time lapse measurement.

顕微鏡観察下でディッシュ上の光刺激を行っていない2細胞を選び(図5-a 左)405 nmの刺激光を照射したところ、照射を行った2細胞で選択的にFRETドナー分子のPA-GFPの蛍光を出現させることができた(図5-a 右)。
蛍光を発するこれら2細胞について、さらに2-deoxyglucose刺激による細胞内ATP濃度変化タイムラプス観測した。測定開始から10フレーム取得後に1M 2-deoxyglucose
溶液を観察する細胞付近に最終濃度が10mMとなるように滴下した。2-deoxyglucose滴下前の10フレームの蛍光強度の平均値で各時間での蛍光強度で割った相対蛍光強度を時間に対してプロットしてやると、ATP濃度低下に伴う相対蛍光強度の減少が観察された(図5-b)。ダイナミックレンジは約30%である。
Under microscopic observation, two cells that were not light-stimulated on the dish were selected (Fig. 5-a left). When irradiated with 405 nm stimulating light, the FRET donor molecule PA- GFP fluorescence could appear (Fig. 5-a right).
These two cells emitting fluorescence were further observed with a time lapse of changes in intracellular ATP concentration by 2-deoxyglucose stimulation. 1M 2-deoxyglucose after 10 frames from the start of measurement
The solution was dropped in the vicinity of the cells to be observed so that the final concentration was 10 mM. When the relative fluorescence intensity divided by the fluorescence intensity at each time was plotted against the average value of the fluorescence intensity of 10 frames before 2-deoxyglucose was added, a decrease in the relative fluorescence intensity with a decrease in ATP concentration was observed. (Fig. 5-b). The dynamic range is about 30%.

Claims (10)

生体物質結合性リンカーの両末端にFRETのドナー分子とFRETのアクセプター分子を結合したキメラタンパク質であって、前記ドナー分子が光活性化蛍光タンパク質であり、前記アクセプター分子が色素タンパク質或いは弱蛍光タンパク質であり、前記生体物質結合性リンカーは、生体物質と結合することでFRETを誘導することができる、キメラタンパク質。 A chimeric protein in which a FRET donor molecule and a FRET acceptor molecule are bonded to both ends of a biological substance-binding linker, wherein the donor molecule is a photoactivated fluorescent protein, and the acceptor molecule is a chromoprotein or a weak fluorescent protein And the biological substance-binding linker is a chimeric protein capable of inducing FRET by binding to a biological substance. 前記ドナー分子が光活性化緑色蛍光タンパク質(PA-GFP)、光活性化赤色蛍光タンパク質(PA-mCherry)またはこれらの機能的等価改変体である、請求項1に記載のキメラタンパク質。 The chimeric protein according to claim 1, wherein the donor molecule is photoactivated green fluorescent protein (PA-GFP), photoactivated red fluorescent protein (PA-mCherry), or a functional equivalent variant thereof. 前記アクセプター分子がasCP、REACh、Venus-Y145W、Venus-Y145W/H148Vまたはこれらの機能的等価改変体である、請求項1または2に記載のキメラタンパク質。 The chimeric protein according to claim 1 or 2, wherein the acceptor molecule is asCP, REACh, Venus-Y145W, Venus-Y145W / H148V, or a functional equivalent variant thereof. 前記生体物質がカルシウムイオンまたはATPである、請求項1〜3のいずれかに記載のキメラタンパク質。 The chimeric protein according to claim 1, wherein the biological substance is calcium ion or ATP. 前記生体物質結合性リンカーが、カルモジュリンとミオシン軽鎖キナーゼのCaM結合ペプチド(M13)とを必要に応じてペプチドを介して連結させた構造を有する、請求項1〜4のいずれかに記載のキメラタンパク質。 The chimera according to any one of claims 1 to 4, wherein the biological substance-binding linker has a structure in which calmodulin and a CaM-binding peptide (M13) of myosin light chain kinase are linked via a peptide as necessary. protein. 前記生体物質結合性リンカーが、F0F1-ATP合成酵素εサブユニットタンパク質、またはその機能的等価改変体である、請求項1〜4のいずれかに記載のキメラタンパク質。 The chimeric protein according to any one of claims 1 to 4, wherein the biological substance-binding linker is F0F1-ATP synthase ε subunit protein or a functionally equivalent variant thereof. 請求項1〜6のいずれかに記載のキメラタンパク質をコードするDNA。 DNA encoding the chimeric protein according to any one of claims 1 to 6. 請求項7に記載のDNAを有する組み換えベクター。 A recombinant vector comprising the DNA according to claim 7. 請求項7に記載のDNAまたは請求項8に記載の組み換えベクターを有する形質転換体。 A transformant comprising the DNA according to claim 7 or the recombinant vector according to claim 8. 請求項1〜6のいずれかに記載のキメラタンパク質と生体物質を共存させ、ドナー分子からの発光を検出することを特徴とする、生体物質濃度の測定法。 A method for measuring a concentration of a biological material, wherein the chimeric protein according to any one of claims 1 to 6 and a biological material are allowed to coexist and light emission from a donor molecule is detected.
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