JP2017035063A - Method for selecting (poly) peptide/protein tag capable of covalently bonding to any target substance and (poly) peptide/protein tag selected and obtained - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for obtaining at high speed a (poly) peptide/protein tag for protein-labeling, which is covalently bonded to a target substance.SOLUTION: The present invention provides a method for selecting a peptide or a protein, which is capable of covalently bonding to any target substance. The method comprises the steps of: (a) preparing an RNA library by transcribing a DNA library; (b) preparing a library of RNA-linker-nucleic acid derivatives; (c) performing a s peptide or protein synthesis in a cell-free translation system to produce an mRNA display peptide/protein library; (d) reverse-transcribing an mRNA part to DNA to prepare a cDNA display peptide/protein library; (e) contacting the cDNA display peptide/protein library with an immobilized target substance; and (f) selecting a conjugate in which a peptide portion or a protein portion of the cDNA display peptide/protein library is covalently bonded to the target substance.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、任意の標的物質と共有結合可能な(ポリ)ペプチド/タンパク質タグの選択方法、(ポリ)ペプチド/タンパク質タグ、核酸ディスプレイペプチド、核酸ディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリー、及び標的物質と共有結合可能なペプチド/タンパク質をコードする核酸の取得方法に関する。   The present invention relates to a method for selecting a (poly) peptide / protein tag capable of covalently binding to any target substance, (poly) peptide / protein tag, nucleic acid display peptide, nucleic acid display peptide / protein library, and covalent binding to a target substance The present invention relates to a method for obtaining a nucleic acid encoding a possible peptide / protein.

近年、進化分子工学が発達し、ディスプレイ技術が実用化されている。例えば、ファージディスプレイでは、ファージの殻タンパク質に外来タンパク質を融合タンパク質として発現させ、標的物質と結合する目的のタンパク質を選択し、目的タンパク質をコードしている遺伝子を解析する。   In recent years, evolutionary molecular engineering has been developed and display technology has been put into practical use. For example, in phage display, a foreign protein is expressed as a fusion protein in a phage shell protein, a target protein that binds to a target substance is selected, and a gene encoding the target protein is analyzed.

このようなディスプレイ技術によって得られる標的物質と結合するタンパク質を、標的タンパク質に連結して、目印(タグ)として利用する(ポリ)ペプチド/タンパク質タグは、細胞内の特定の標的タンパク質を蛍光分子等により標識して可視化することや、細胞内の特定の標的タンパク質の活性や相互作用を制御することに応用が可能なため、生物学・医学的研究等において有用である。   A protein that binds to a target substance obtained by such display technology is linked to the target protein and used as a mark (tag). (Poly) peptide / protein tag uses a specific target protein in a cell as a fluorescent molecule, etc. This method is useful in biological and medical research because it can be used for labeling and visualizing by the labeling and for controlling the activity and interaction of specific target proteins in cells.

(ポリ)ペプチド/タンパク質タグは、既に市販化されており、例えば、NEB社の「SNAP Tag」、Promega社の「Halo Tag」、Active motif社の「eDHFR Tag」、Invitrogen社の「Cys4 Tag」等が挙げられる。 (Poly) peptide / protein tags are already commercially available, for example, NEB “SNAP Tag”, Promega “Halo Tag”, Active motif “eDHFR Tag”, Invitrogen “Cys4 Tag” Etc.

しかし、前記「SNAP Tag」、「Halo Tag」、「eDHFR Tag」は、タグサイズ(分子量)が大きいため、(ポリ)ペプチド/タンパク質タグが付加された標的タンパク質と他の生体分子との相互作用や細胞内局在を阻害しやすい。また、前記「Cys4 Tag」は、(ポリ)ペプチド/タンパク質タグと結合する標的物質中にヒ素原子が含まれる。従って、毒性があり、かつ、(ポリ)ペプチド/タンパク質タグと標的物質の結合の選択性が比較的低いという問題があった。   However, since the “SNAP Tag”, “Halo Tag”, and “eDHFR Tag” have a large tag size (molecular weight), the interaction between the target protein to which the (poly) peptide / protein tag is added and other biomolecules It tends to inhibit the intracellular localization. The “Cys4 Tag” includes an arsenic atom in a target substance that binds to a (poly) peptide / protein tag. Therefore, there is a problem that it is toxic and the selectivity of the binding between the (poly) peptide / protein tag and the target substance is relatively low.

また、前記ファージディスプレイのように細胞を利用する(ポリ)ペプチド/タンパク質タグの選択方法の場合、細胞を使用することに由来する欠点があった。例えば、細胞を用いることによる検出空間の狭さや、膜透過性、宿主細胞によるバイアス、宿主細胞の個体数によるライブラリーの制限等の問題である。また、ディスプレイされたペプチドとそれをコードする遺伝子が共有結合を介して連結されてはいないので、変性剤を利用した洗浄による(ポリ)ペプチド/タンパク質タグの選択に用いることはできない。そこで、細胞を用いない無細胞翻訳系の手法、例えば、リボソームディスプレイ、mRNAディスプレイ等が開発された。   In addition, in the case of the (poly) peptide / protein tag selection method using cells as in the phage display, there is a drawback derived from the use of cells. For example, there are problems such as narrow detection space due to the use of cells, membrane permeability, bias by host cells, and limitation of libraries due to the number of host cells. Further, since the displayed peptide and the gene encoding it are not linked via a covalent bond, it cannot be used for selecting a (poly) peptide / protein tag by washing using a denaturant. Therefore, cell-free translation systems that do not use cells, such as ribosome display and mRNA display, have been developed.

例えば、特許文献1には、無細胞タンパク質合成系において、核酸とタンパク質とを結合させ、遺伝子型と表現型が対応づけられた分子を作製する技術が開示されている。
遺伝子型と表現型が対応づけられていれば、標的物質と未知の該表現型のタンパク質とが相互作用することを見出した場合に、該遺伝子型の核酸部分を増幅させることにより、当該未知のタンパク質を同定することができる。
For example, Patent Document 1 discloses a technique for producing a molecule in which a genotype and a phenotype are associated by binding a nucleic acid and a protein in a cell-free protein synthesis system.
If the genotype and the phenotype are associated with each other, when the target substance and the unknown protein of the phenotype are found to interact, the nucleic acid part of the genotype is amplified, thereby the unknown Proteins can be identified.

具体的には、mRNAの3’末端側にスペーサーを介してピューロマイシンが連結され、この連結体を無細胞タンパク質合成系で翻訳してタンパク質を合成する。該タンパク質の合成において、mRNAの3’末端側にあるピューロマイシンがリボソームのAサイトに取り込まれ、ペプチジルトランスフェラーゼの作用により、合成されたタンパク質のC末端に取り込まれる。その結果、mRNAとそれに対応する合成されたタンパク質がピューロマイシンを介してつながった、遺伝子型と表現型の対応付け分子を得ることができる。   Specifically, puromycin is linked to the 3 'end of mRNA via a spacer, and this ligated product is translated in a cell-free protein synthesis system to synthesize a protein. In the synthesis of the protein, puromycin on the 3 'end side of the mRNA is incorporated into the A site of the ribosome and is incorporated into the C terminus of the synthesized protein by the action of peptidyl transferase. As a result, it is possible to obtain a genotype-phenotype-corresponding molecule in which mRNA and a corresponding synthesized protein are linked via puromycin.

しかし、ディスプレイされたペプチド(表現型)とそれをコードするDNA(遺伝子型)が共有結合を介して連結されてはいないので、変性剤を利用した洗浄による(ポリ)ペプチド/タンパク質タグの選択を用いることはできない。また、転写、mRNA精製、ピューロマイシン修飾、ピューロマイシン修飾mRNAの精製、翻訳、mRNAディスプレイペプチドの精製などの多段階の各ステップを個別に行わなければならないため、非常に時間のかかる選択方法であるという問題があった。   However, since the displayed peptide (phenotype) and its encoding DNA (genotype) are not linked via a covalent bond, selection of (poly) peptide / protein tag by washing with a denaturant Cannot be used. In addition, it is a very time-consuming selection method because each of the multiple steps such as transcription, mRNA purification, puromycin modification, puromycin modification mRNA purification, translation, and mRNA display peptide purification must be performed individually. There was a problem.

特許第3683282号公報Japanese Patent No.3683282

本技術は、任意の標的物質と共有結合する、タンパク質標識用の(ポリ)ペプチド/タンパク質タグを、高速で得る方法を提供することを主目的とする。   The main object of the present technology is to provide a method for obtaining at a high speed a (poly) peptide / protein tag for protein labeling that is covalently bound to an arbitrary target substance.

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、(ポリ)ペプチド/タンパク質タグのアミノ酸配列を、標的物質と共有結合可能となるように構成することを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the amino acid sequence of the (poly) peptide / protein tag is configured to be capable of covalently binding to a target substance, and the present invention is It came to be completed.

すなわち、本技術は、以下の工程:
(a) DNAライブラリーを転写してRNAライブラリーを作製する工程、
(b) RNAライブラリーのRNAの3’末端側に、リンカーを介して核酸誘導体を連結し、RNA−リンカー−核酸誘導体のライブラリーを作製する工程、
(c) RNA−リンカー−核酸誘導体のライブラリーのRNA部をmRNAとして、無細胞翻訳系でペプチド又はタンパク質合成を行い、mRNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーを作製する工程、
(d) mRNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーのmRNA部をDNAに逆転写して、cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーを作製する工程、
(e) cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーに、固定化された標的物質を接触させる工程、及び
(f) cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーのペプチド部又はタンパク質部と標的物質とが共有結合した結合体を選択する工程、
を含む、標的物質と共有結合可能なペプチド又はタンパク質の選択方法を提供する。
That is, the present technology includes the following steps:
(a) a step of transcribing a DNA library to prepare an RNA library;
(b) a step of linking a nucleic acid derivative via a linker to the 3 ′ end of RNA in an RNA library to produce an RNA-linker-nucleic acid derivative library;
(c) RNA-linker-nucleic acid derivative library, using the RNA portion of the library as mRNA, peptide or protein synthesis in a cell-free translation system to produce an mRNA display peptide / protein library,
(d) a step of reverse-trancribing the mRNA portion of the mRNA display peptide / protein library to DNA to produce a cDNA display peptide / protein library;
(e) contacting the immobilized target substance with a cDNA display peptide / protein library; and
(f) selecting a conjugate in which the peptide part or protein part of the cDNA display peptide / protein library is covalently bound to the target substance;
And a method for selecting a peptide or protein that can be covalently bound to a target substance.

また、本技術は、前記選択方法で選択された、標的物質と共有結合可能なペプチド又はタンパク質を含有するペプチド/タンパク質タグを提供する。   The present technology also provides a peptide / protein tag containing a peptide or protein that can be covalently bound to a target substance, selected by the selection method.

更に、本技術は、前記選択方法で選択された標的物質と共有結合可能なペプチド又はタンパク質と、該ペプチド又はタンパク質をコードする核酸とが連結された、核酸ディスプレイペプチド/タンパク質を提供する。   Furthermore, the present technology provides a nucleic acid display peptide / protein in which a peptide or protein capable of covalently binding to a target substance selected by the selection method and a nucleic acid encoding the peptide or protein are linked.

また、本技術は、前記核酸ディスプレイペプチド/タンパク質であって異なる核酸配列を有する複数の核酸ディスプレイペプチド/タンパク質からなるライブラリーを提供する。   In addition, the present technology provides a library composed of a plurality of nucleic acid display peptides / proteins having different nucleic acid sequences.

更に、本技術は、以下の工程:
(a) DNAライブラリーを転写してRNAライブラリーを作製する工程、
(b) RNAライブラリーのRNAの3’末端側に、リンカーを介して核酸誘導体を連結し、RNA−リンカー−核酸誘導体のライブラリーを作製する工程、
(c) RNA−リンカー−核酸誘導体のライブラリーのRNA部をmRNAとして、無細胞翻訳系でペプチド又はタンパク質合成を行い、mRNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーを作製する工程、
(d) mRNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーのmRNA部をDNAに逆転写して、cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーを作製する工程、
(e) cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーに、固定化された標的物質を接触させる工程、
(f) cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーのペプチド部又はタンパク質部と標的物質とが共有結合した結合体を選択する工程、及び
(g) 選択された結合体のcDNAを増幅する工程
を含む、標的物質と共有結合可能なペプチド又はタンパク質をコードする核酸の取得方法を提供する。
Furthermore, the present technology includes the following steps:
(a) a step of transcribing a DNA library to prepare an RNA library;
(b) a step of linking a nucleic acid derivative via a linker to the 3 ′ end of RNA in an RNA library to produce an RNA-linker-nucleic acid derivative library;
(c) RNA-linker-nucleic acid derivative library, using the RNA portion of the library as mRNA, peptide or protein synthesis in a cell-free translation system to produce an mRNA display peptide / protein library,
(d) a step of reverse-trancribing the mRNA portion of the mRNA display peptide / protein library to DNA to produce a cDNA display peptide / protein library;
(e) contacting the immobilized target substance with a cDNA display peptide / protein library;
(f) selecting a conjugate in which the peptide part or protein part of the cDNA display peptide / protein library and the target substance are covalently bound, and
(g) A method for obtaining a nucleic acid encoding a peptide or protein capable of covalently binding to a target substance, comprising the step of amplifying cDNA of a selected conjugate.

ここで、例えば、「RNA−リンカー−核酸誘導体」という表現は、「RNA」に「リンカー」が連結し、更に「リンカー」に「核酸誘導体」が連結していることを意味する。特にことわりが無い限り、同様の他の表現も同様に解釈される。
また、例えば、「mRNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリー」という表現は、「mRNAディスプレイペプチドライブラリー」又は「mRNAディスプレイタンパク質ライブラリー」を意味する。特にことわりが無い限り、同様の他の表現も同様に解釈される。
また、例えば、「(ポリ)ペプチド/タンパク質」という表現は、数個のアミノ酸からなるもの、約十個から数十個程度のアミノ酸からなるもの、約百個から数百個以上のアミノ酸からなるものをも含むことを意味する。
更に、例えば「mRNAディスプレイペプチド」という表現は、mRNAの断片と、その断片から翻訳されたペプチドとが、リンカーや核酸誘導体を介して対応付けられた分子を意味する。特にことわりが無い限り、同様の他の表現も同様に解釈される。
Here, for example, the expression “RNA-linker-nucleic acid derivative” means that “linker” is linked to “RNA”, and further, “nucleic acid derivative” is linked to “linker”. Unless otherwise noted, other similar expressions are interpreted similarly.
For example, the expression “mRNA display peptide / protein library” means “mRNA display peptide library” or “mRNA display protein library”. Unless otherwise noted, other similar expressions are interpreted similarly.
For example, the expression “(poly) peptide / protein” consists of several amino acids, about 10 to several tens of amino acids, about 100 to several hundreds of amino acids. It means to include things.
Furthermore, for example, the expression “mRNA display peptide” means a molecule in which an mRNA fragment and a peptide translated from the fragment are associated with each other via a linker or a nucleic acid derivative. Unless otherwise noted, other similar expressions are interpreted similarly.

本発明によれば、cDNAと(ポリ)ペプチド/タンパク質タグとが共有結合によって不可逆的で安定的に結合した、DNAディスプレイペプチド/タンパク質を提供することができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
The present invention can provide a DNA display peptide / protein in which cDNA and a (poly) peptide / protein tag are irreversibly and stably bound by a covalent bond.
Note that the effects described here are not necessarily limited, and may be any of the effects described in the present specification.

本発明の標的物質と共有結合可能な(ポリ)ペプチド/タンパク質の選択方法の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the selection method of the (poly) peptide / protein which can be covalently bonded with the target substance of this invention. 本発明の実施態様に係るポリペプチドの選択方法の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the selection method of polypeptide which concerns on embodiment of this invention. 本発明で用いる無細胞系転写/翻訳カップリングシステムのcDNAディスプレイペプチドライブラリーの調製方法の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the preparation method of the cDNA display peptide library of the cell-free transcription / translation coupling system used by this invention. 調製した全cDNAに対する回収されたcDNA量の割合を選択ラウンドごとに算出したグラフである。It is the graph which computed the ratio of the amount of collect | recovered cDNA with respect to all the prepared cDNA for every selection round. フルオレセイン修飾pClBz−CRPタグ−DHFR分子の形成を示す図である。It is a figure which shows formation of a fluorescein modification pClBz-CRP tag-DHFR molecule | numerator. CRP−DHFRタグ融合体のSDS-PAGE電気泳動像の図面代用写真である。2 is a drawing-substituting photograph of an SDS-PAGE electrophoresis image of a CRP-DHFR tag fusion. DHFR−CRPタグ−フルオレセイン修飾pClBz分子の形成を示す図である。FIG. 6 shows formation of DHFR-CRP tag-fluorescein modified pClBz molecules. DHFR−CRPタグ融合体のSDS-PAGE電気泳動像の図面代用写真である。2 is a drawing-substituting photograph of an SDS-PAGE electrophoresis image of a DHFR-CRP tag fusion. フルオレセイン修飾pClBz−CRPタグ−タンパク質分子の形成を示す図である。FIG. 5 shows formation of fluorescein modified pClBz-CRP tag-protein molecules. CRPタグ−タンパク質融合体のSDS-PAGE電気泳動像の図面代用写真である。FIG. 5 is a drawing-substituting photograph of an SDS-PAGE electrophoresis image of a CRP tag-protein fusion. 蛍光標識分子修飾pClBz−ポリペプチドタグ−DHFR分子の形成を示す図である。It is a figure which shows formation of a fluorescence label molecule modification pClBz-polypeptide tag-DHFR molecule. CRPタグ−DHFR融合体のSDS-PAGE電気泳動像の図面代用写真である。FIG. 6 is a drawing-substituting photograph of an SDS-PAGE electrophoresis image of a CRP tag-DHFR fusion. フルオレセイン修飾pClBz−CRP断片タグ−DHFR分子の形成を示す図である。FIG. 5 shows formation of a fluorescein modified pClBz-CRP fragment tag-DHFR molecule. CRP断片タグ−DHFR融合体のSDS-PAGE電気泳動像の図面代用写真である。FIG. 6 is a drawing-substituting photograph of an SDS-PAGE electrophoresis image of a CRP fragment tag-DHFR fusion. 調製した全cDNAに対する回収されたcDNA量の割合を選択ラウンドごとに算出したグラフである。It is the graph which computed the ratio of the amount of collect | recovered cDNA with respect to all the prepared cDNA for every selection round. CRPタグ−DHFR融合体のSDS-PAGE電気泳動像の図面代用写真である。FIG. 6 is a drawing-substituting photograph of an SDS-PAGE electrophoresis image of a CRP tag-DHFR fusion. フルオレセイン修飾ポリペプチドタグ−DHFR分子の形成を示す図である。FIG. 5 shows formation of a fluorescein modified polypeptide tag-DHFR molecule. フルオレセイン修飾ポリペプチドタグ−DHFR分子のSDS-PAGE電気泳動像の図面代用写真である。FIG. 5 is a drawing-substituting photograph of an SDS-PAGE electrophoresis image of a fluorescein-modified polypeptide tag-DHFR molecule. NLS−GFP−CRPタグ−標識分子修飾pClBz分子の形成を示す図である。It is a figure which shows formation of a NLS-GFP-CRP tag-label molecule modified pClBz molecule. 蛍光標識ポリペプチドタグ融合タンパク質を発現する細胞の顕微鏡像の図面代用写真である。It is a drawing-substituting photograph of a microscopic image of a cell expressing a fluorescently labeled polypeptide tag fusion protein.

本技術の標的物質と共有結合可能な(ポリ)ペプチド又はタンパク質の選択方法は、次の工程(a)〜(f)を含み、更に、工程(g)を含めてもよい。
(a) DNAライブラリーを転写してRNAライブラリーを作製する工程、
(b) RNAライブラリーのRNAの3’末端側に、リンカーを介して核酸誘導体を連結し、RNA−リンカー−核酸誘導体のライブラリーを作製する工程、
(c) RNA−リンカー−核酸誘導体のライブラリーのRNA部をmRNAとして、無細胞翻訳系でペプチド又はタンパク質合成を行い、mRNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーを作製する工程、
(d) mRNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーのmRNA部をDNAに逆転写して、cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーを作製する工程、
(e) cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーに、固定化された標的物質を接触させる工程、
(f) cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーのペプチド部又はタンパク質部と標的物質とが共有結合した結合体を選択する工程、及び
(g) 選択された結合体のcDNAを増幅する工程。
The method for selecting a (poly) peptide or protein capable of covalently binding to a target substance of the present technology includes the following steps (a) to (f), and may further include a step (g).
(a) a step of transcribing a DNA library to prepare an RNA library;
(b) a step of linking a nucleic acid derivative via a linker to the 3 ′ end of RNA in an RNA library to produce an RNA-linker-nucleic acid derivative library;
(c) RNA-linker-nucleic acid derivative library, using the RNA portion of the library as mRNA, peptide or protein synthesis in a cell-free translation system to produce an mRNA display peptide / protein library,
(d) a step of reverse-trancribing the mRNA portion of the mRNA display peptide / protein library to DNA to produce a cDNA display peptide / protein library;
(e) contacting the immobilized target substance with a cDNA display peptide / protein library;
(f) selecting a conjugate in which the peptide part or protein part of the cDNA display peptide / protein library and the target substance are covalently bound, and
(g) Amplifying the cDNA of the selected conjugate.

前記工程は、工程(a)〜(g)の順で行う。工程(a)〜(c)は連続的に自動進行する。また、工程(e)までは精製を介すること無く、ワンポットで進めることができる。更に、工程(a)〜(g)を繰り返し行うことにより、標的物質と相互作用する目的(ポリ)ペプチド又は目的タンパク質(取得したい(ポリ)ペプチド/タンパク質タグ)を高速で濃縮することができる。   The steps are performed in the order of steps (a) to (g). Steps (a) to (c) automatically proceed continuously. Further, the process up to step (e) can be carried out in one pot without going through purification. Furthermore, by repeating the steps (a) to (g), the target (poly) peptide or target protein that interacts with the target substance (the (poly) peptide / protein tag to be obtained) can be concentrated at high speed.

工程(g)で増幅された大量のcDNAは、新たなDNAライブラリーとみなして、次の工程(a)で転写してRNAライブラリーを作製し、工程(b)以降の工程を行えば、迅速に標的物質と相互作用する目的(ポリ)ペプチド又は目的タンパク質(取得したい(ポリ)ペプチド/タンパク質タグ)をコードするDNAを選択することができる。例えば、本技術の最初の工程(a)で用いるイニシャルのDNAライブラリーが約1015種類のポリペプチドを含むものであっても、高速でスクリーニングすることができる。 The large amount of cDNA amplified in step (g) is regarded as a new DNA library, transcribed in the next step (a) to prepare an RNA library, and the steps after step (b) are performed. A DNA encoding a target (poly) peptide or target protein (a (poly) peptide / protein tag to be obtained) that rapidly interacts with a target substance can be selected. For example, even if the initial DNA library used in the first step (a) of the present technology contains about 10 15 kinds of polypeptides, it can be screened at high speed.

本技術によれば、突然変異導入を用いた選択方法、個別スクリーニングによる選択方法(〜約105種類のポリペプチドがスクリーニング可能)、ファージディスプレイ法や酵母ディスプレイ法(〜約109種類のポリペプチドがスクリーニング可能)等と比較して、非常に大規模な(約1015種類)ライブラリーから高速に(ポリ)ペプチド/タンパク質タグを選択することができる。 According to this technology, a selection method using mutagenesis, a selection method by individual screening (up to about 10 5 types of polypeptides can be screened), a phage display method or a yeast display method (up to about 10 9 types of polypeptides) (Poly) peptide / protein tags can be selected at a high speed from a very large (about 10 15 kinds) library.

また、前記工程(a)〜(g)の後に、工程(h):増幅されたcDNAの配列を決定する工程を行うことができる。この工程により、標的物質と相互作用する目的ペプチド又は目的タンパク質(取得したい(ポリ)ペプチド/タンパク質タグ)を同定することができる。工程(a)〜(g)及び(h)の流れを図1に示す。   Further, after the steps (a) to (g), a step (h): a step of determining the sequence of the amplified cDNA can be performed. By this step, the target peptide or target protein ((poly) peptide / protein tag to be obtained) that interacts with the target substance can be identified. The flow of steps (a) to (g) and (h) is shown in FIG.

前記工程(a)〜(h)で行う、ライブラリーの作製、転写、無細胞系での翻訳、逆転写、増幅等の遺伝子操作技術は、すべて公知の方法で行うことができる。例えば、Sambrook et al. (1989) Molecular Cloning, 2nd Edition, Cold Spring Harbor Laboratory Pressに記載された方法に準じて行うことができる。 The gene manipulation techniques such as library preparation, transcription, cell-free translation, reverse transcription, and amplification performed in the steps (a) to (h) can be performed by known methods. For example, Sambrook et al. (1989) Molecular Cloning, 2 nd Edition, can be carried out according to the method described in Cold Spring Harbor Laboratory Press.

工程(a)でDNAライブラリーから転写によりRNAライブラリーを作製した後、工程(b)に移る。工程(b)で用いるリンカーは、RNAの3’末端に連結可能な、例えば、天然又は合成の核酸鎖断片、多糖類、ポリエチレングリコール、DNA鎖とポリエチレングリコールのキメラ体等の高分子が挙げられる。リンカーの長さは、例えば約100〜1000Åであるが、本発明の効果を妨げない範囲であれば限定されない。   In step (a), an RNA library is prepared from the DNA library by transcription, and then the process proceeds to step (b). Examples of the linker used in step (b) include polymers that can be linked to the 3 ′ end of RNA, such as natural or synthetic nucleic acid chain fragments, polysaccharides, polyethylene glycol, and DNA chain / polyethylene glycol chimeras. . The length of the linker is, for example, about 100 to 1000 mm, but is not limited as long as the effect of the present invention is not hindered.

リンカーの一方の端にはRNAの3’末端を、もう一方の端には核酸誘導体を連結する。核酸誘導体は、ヌクレオシド又はヌクレオシドに類似した化学構造骨格を有する物質である。
核酸誘導体は、例えば、ピューロマイシンや、3’−N−アミノアシルピューロマイシンアミノヌクレオシド(PANS−アミノ酸)であってアミノ酸部がグリシンのPANS−Gly、バリンのPANS−Val、アラニンのPANS−Ala等の、全アミノ酸に対応するPANS−全アミノ酸、あるいは3’−N−アミノアシルアデノシンアミノヌクレオシド(AANS−アミノ酸)であってアミノ酸部がグリシンのAANS−Gly、バリンのAANS−Val、アラニンのAANS−Ala等の、全アミノ酸に対応するAANS−全アミノ酸が挙げられる。
The 3 'end of RNA is linked to one end of the linker, and the nucleic acid derivative is linked to the other end. A nucleic acid derivative is a substance having a chemical structure skeleton similar to a nucleoside or nucleoside.
Nucleic acid derivatives include, for example, puromycin, 3'-N-aminoacylpuromycin aminonucleoside (PANS-amino acid), the amino acid part of which is glycine PANS-Gly, valine PANS-Val, alanine PANS-Ala, etc. , PANS-all amino acids corresponding to all amino acids, or 3'-N-aminoacyl adenosine aminonucleoside (AANS-amino acid), the amino acid part of which is glycine AANS-Gly, valine AANS-Val, alanine AANS-Ala, etc. AANS-all amino acids corresponding to all amino acids.

次に、工程(b)で作製されたRNA−リンカー−核酸誘導体のライブラリーのRNA部をmRNAとして、無細胞翻訳系で(ポリ)ペプチド又はタンパク質合成を行う(工程(c))。
RNA−リンカー−核酸誘導体の核酸誘導体部分はリボソームに取り込まれ、ペプチド転移反応の基質として、翻訳された(ポリ)ペプチド又はタンパク質のC末端に取り込まれる。その結果、mRNAの3’末端は、リンカー−核酸誘導体を介して、(ポリ)ペプチド又はタンパク質と連結し、mRNA−リンカー−核酸誘導体−(ポリ)ペプチド/タンパク質の連結体、すなわちmRNAディスプレイペプチド/タンパク質が形成される。
Next, (poly) peptide or protein synthesis is performed in a cell-free translation system using the RNA portion of the RNA-linker-nucleic acid derivative library prepared in step (b) as mRNA (step (c)).
The nucleic acid derivative portion of the RNA-linker-nucleic acid derivative is incorporated into the ribosome and incorporated into the C-terminus of the translated (poly) peptide or protein as a substrate for the peptide transfer reaction. As a result, the 3 ′ end of mRNA is linked to (poly) peptide or protein via a linker-nucleic acid derivative, and mRNA-linker-nucleic acid derivative- (poly) peptide / protein conjugate, ie, mRNA display peptide / Protein is formed.

次に、工程(c)で作製されたmRNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーのmRNA部をcDNAに逆転写する工程(d)を行う。これにより、cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーが形成される。   Next, the step (d) of reversely transcribing the mRNA portion of the mRNA display peptide / protein library prepared in the step (c) to cDNA is performed. This forms a cDNA display peptide / protein library.

次に、工程(e)を行う前に、標的物質をあらかじめ固相に固定化しておく。固相には、例えば、磁気ビーズ、アフィニティービーズ等の固相担体として一般的に用いられるものであれば特に限定されない。
固定化の方法は既知の技術を用いればよい。また、標的物質を固定化した後、標的物質以外のものが固相担体に結合しないように固相表面を処理することが好ましい。
そして、工程(e)で、cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーに、固定化された標的物質を接触させる。
Next, before the step (e) is performed, the target substance is immobilized on a solid phase in advance. The solid phase is not particularly limited as long as it is generally used as a solid phase carrier such as magnetic beads or affinity beads.
A known technique may be used as the immobilization method. In addition, after immobilizing the target substance, it is preferable to treat the solid phase surface so that substances other than the target substance do not bind to the solid phase carrier.
In step (e), the immobilized target substance is brought into contact with the cDNA display peptide / protein library.

cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーと固定化された標的物質を接触させると、標的物質が特異的にペプチド部又はタンパク質部に結合する。標的物質が非特異的にcDNAディスプレイペプチド/タンパク質に結合したものや、弱い結合の(共有結合ではない)もの、固相担体に結合したものは、強い条件下で洗浄すると、除去できる。   When the cDNA display peptide / protein library is brought into contact with the immobilized target substance, the target substance specifically binds to the peptide part or the protein part. The target substance bound non-specifically to the cDNA display peptide / protein, weakly bound (not covalently bound), or bound to the solid support can be removed by washing under strong conditions.

強い洗浄条件とは、例えば、DMSO、SDS等の有機溶媒、変性剤等での洗浄であり、cDNAの増幅機能だけにはできるだけ影響を与えないものが好ましい。
具体的には、有機溶媒、変性剤を用いた洗浄、PCR条件にも使われる95℃までの加熱条件下での洗浄などであれば、特に問題はない。
The strong washing condition is, for example, washing with an organic solvent such as DMSO or SDS, a denaturing agent, etc., and those that do not affect the amplification function of cDNA as much as possible are preferable.
Specifically, there is no particular problem if it is washed with an organic solvent, a denaturant, or washed under heating conditions up to 95 ° C., which is also used for PCR conditions.

当該洗浄により、cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーのペプチド部又はタンパク質部と標的物質とが共有結合した結合体が選択される(工程(f))。   By the washing, a conjugate in which the peptide part or protein part of the cDNA display peptide / protein library is covalently bound to the target substance is selected (step (f)).

共有結合で結合した標的物質−cDNAディスプレイペプチド/タンパク質は、強い洗浄条件下で残るので、そのcDNA部分を増幅する(工程(g))。増幅産物は、そのまま精製することなく、DNAライブラリーとして工程(a)に適用し、次の選択ラウンドに入り、工程(b)〜(g)を行う。この繰り返しによって、標的物質と結合する(ポリ)ペプチドタグ又はタンパク質タグを淘汰する。   Since the covalently bound target substance-cDNA display peptide / protein remains under strong washing conditions, its cDNA portion is amplified (step (g)). The amplification product is applied to step (a) as a DNA library without purification as it is, enters the next selection round, and steps (b) to (g) are performed. By repeating this, a (poly) peptide tag or protein tag that binds to the target substance is selected.

標的物質と結合する(ポリ)ペプチド/タンパク質タグを持つcDNAディスプレイペプチド/タンパク質のcDNA部分を工程(g)で増幅後、cDNAの配列を決定する(工程(h))。これにより、標的物質と相互作用する(ポリ)ペプチド/タンパク質を分析することができる。同定した(ポリ)ペプチド又はタンパク質は、(ポリ)ペプチドタグ又はタンパク質タグとして用いることだけでなく、薬物等との相互作用の研究や医薬の開発等に用いることができる。   After amplifying the cDNA portion of the cDNA display peptide / protein having a (poly) peptide / protein tag that binds to the target substance in step (g), the sequence of the cDNA is determined (step (h)). Thereby, (poly) peptide / protein interacting with the target substance can be analyzed. The identified (poly) peptide or protein can be used not only as a (poly) peptide tag or protein tag, but also for research of interaction with drugs, development of pharmaceuticals, and the like.

<実施形態1>
本実施形態では、p-(クロロメチル)ベンズアミド(pClBz)を標的物質の小分子(標的小分子)の例にして説明する。
pClBzは、分子式C9H10ClNOで表され、生細胞の細胞質内に導入することができるサイズの小分子である。
<Embodiment 1>
In this embodiment, p- (chloromethyl) benzamide (pClBz) is described as an example of a small molecule (target small molecule) of a target substance.
pClBz is a small molecule of the size represented by the molecular formula C 9 H 10 ClNO and can be introduced into the cytoplasm of living cells.

pClBzと反応する(ポリ)ペプチド/タンパク質タグを得るため、DNAライブラリーを作製し、該DNAライブラリーから転写、翻訳を経て、ペプチドタグライブラリーを作製する。該ペプチドタグライブラリーは、N末端のホルミルメチオニンとC末端のGly5-Serスペーサー間に8〜15個のランダムなアミノ酸からなるアミノ酸配列が入るように設計する。 In order to obtain a (poly) peptide / protein tag that reacts with pClBz, a DNA library is prepared, and a peptide tag library is prepared through transcription and translation from the DNA library. The peptide tag library is designed so that an amino acid sequence consisting of 8 to 15 random amino acids is inserted between the N-terminal formylmethionine and the C-terminal Gly 5 -Ser spacer.

具体的には、DNAライブラリーから転写されたmRNAライブラリーを無細胞翻訳系に適用する。このとき、リンカーにDNA鎖を用い、ピューロマイシンで修飾し、翻訳を行うと、mRNA−DNAリンカー−ピューロマイシン−ペプチドの構成を有する、mRNAディスプレイペプチドが形成される。   Specifically, an mRNA library transcribed from a DNA library is applied to a cell-free translation system. At this time, when a DNA chain is used as a linker, it is modified with puromycin and translated, an mRNA display peptide having the structure of mRNA-DNA linker-puromycin-peptide is formed.

次に、mRNAディスプレイペプチドのmRNA部を逆転写すると、cDNAディスプレイペプチドライブラリーが得られる。ここで、該cDNAディスプレイペプチドライブラリーを精製する工程は必要ない。   Next, reverse transcription of the mRNA portion of the mRNA display peptide yields a cDNA display peptide library. Here, the step of purifying the cDNA display peptide library is not necessary.

続いて、磁気ビーズに固定化された前記標的小分子のpClBzと、未精製のcDNAディスプレイペプチドライブラリーとを混合する。標的小分子のpClBzの分子式C9H10ClNOのCl部分は、cDNAディスプレイペプチドのペプチド部に、例えばシステイン残基が含まれていれば、そのチオール基と反応する。これにより、pClBzと反応するペプチドが選択される。この操作では、全てのチオール基をフリーにするため、還元剤のトリス(2-カルボキシエチル)ホスフィン(TCEP)の存在下で、pH7.6、37℃、60分の条件で選択を行う。 Subsequently, the target small molecule pClBz immobilized on the magnetic beads is mixed with an unpurified cDNA display peptide library. The Cl portion of the molecular formula C 9 H 10 ClNO of the target small molecule pClBz reacts with its thiol group if the peptide portion of the cDNA display peptide contains, for example, a cysteine residue. This selects peptides that react with pClBz. In this operation, in order to make all thiol groups free, selection is performed under the conditions of pH 7.6, 37 ° C., 60 minutes in the presence of the reducing agent tris (2-carboxyethyl) phosphine (TCEP).

磁気ビーズに固定化されたpClBzに結合しなかった(ポリ)ペプチド/タンパク質タグを除去するため、ビーズを洗浄し、選択された(ポリ)ペプチド/タンパク質に対応するcDNAをPCRで増幅し、増幅産物を次の(ポリ)ペプチド/タンパク質を選択するためのライブラリーとして使用する。
ここまでで、第1回目の(ポリ)ペプチド/タンパク質の選択ラウンドが終了する。
本実施態様の標的小分子pClBzを用いた前記一連の工程を図2に示す。
To remove (poly) peptide / protein tags that did not bind to the pClBz immobilized on the magnetic beads, the beads were washed, and the cDNA corresponding to the selected (poly) peptide / protein was amplified by PCR and amplified. The product is used as a library to select the next (poly) peptide / protein.
Thus, the first (poly) peptide / protein selection round is completed.
The series of steps using the target small molecule pClBz of this embodiment is shown in FIG.

続いて、第2回目の(ポリ)ペプチド/タンパク質の選択ラウンドにおいて、前記増幅産物であるcDNAライブラリーを、無細胞系転写/翻訳カップリングシステムに供する。このとき、前述のように、cDNAディスプレイのためのピューロマイシン−DNAリンカーを添加する。ここで、転写によりmRNAディスプレイペプチドライブラリーが形成され、次の翻訳によりcDNAディスプレイペプチドライブラリーが形成される。
前記無細胞系転写/翻訳カップリングシステムのcDNAディスプレイペプチドライブラリーを調製する方法の概略を図3に示す。
Subsequently, in the second round of (poly) peptide / protein selection, the amplification product cDNA library is subjected to a cell-free transcription / translation coupling system. At this time, puromycin-DNA linker for cDNA display is added as described above. Here, an mRNA display peptide library is formed by transcription, and a cDNA display peptide library is formed by subsequent translation.
An outline of a method for preparing a cDNA display peptide library of the cell-free transcription / translation coupling system is shown in FIG.

なお、未精製のcDNAディスプレイペプチドライブラリーについて、ビーズに非特異的に結合する(ポリ)ペプチド/タンパク質を除去するため、pClBzが結合していない磁気ビーズを用いて、複数の選択ラウンドにわたってクリアランスすることが好ましい。   For unpurified cDNA display peptide libraries, clearance is performed over multiple selection rounds using magnetic beads that are not bound to pClBz to remove (poly) peptides / proteins that bind non-specifically to the beads. It is preferable.

更に、pClBzを固定化した磁気ビーズとcDNAディスプレイペプチドとを反応させた後、pClBzに共有結合した(ポリ)ペプチド/タンパク質タグを選択しつつpClBzと磁気ビーズとが非共有結合した(ポリ)ペプチド/タンパク質タグを除去するため、変性試薬(尿素及びSDS)と有機溶媒(DMSO)で洗浄する。本技術では、標的小分子と(ポリ)ペプチド/タンパク質タグとが共有結合で強固に結合するので、強い条件下で洗浄できる。
また、pClBz分子と磁気ビーズ部分の両方を認識する(ポリ)ペプチド/タンパク質タグを除去するため、pClBzを固定化する磁気ビーズとして、複数の選択ラウンドにおいて交互に2種類の磁気ビーズを用いることが好ましい。
Furthermore, after reacting the pClBz-immobilized magnetic beads with the cDNA display peptide, the (poly) peptide in which pClBz and magnetic beads are non-covalently bonded while selecting the (poly) peptide / protein tag covalently bonded to pClBz. / Wash with denaturing reagents (urea and SDS) and organic solvent (DMSO) to remove protein tags. In the present technology, the target small molecule and the (poly) peptide / protein tag are strongly bonded by a covalent bond, and thus can be washed under strong conditions.
Also, in order to remove (poly) peptide / protein tags that recognize both the pClBz molecule and the magnetic bead portion, two types of magnetic beads can be used alternately in multiple selection rounds as magnetic beads to immobilize pClBz. preferable.

選択ラウンドによって回収されたcDNAの量について、定量PCRを用いて調製した全cDNA量に対する割合を算出する。その一例を図4のグラフに示す。ラウンド経過に伴い、反応時間を60分から3分へと短くすることや、pClBzを固定化した磁気ビーズの量を少なくすると、選択圧が高まる。
また、例えば、図4のラウンド11〜13で回収されたcDNAを、エラープローンPCR増幅に供しランダム突然変異誘発を行い、(ポリ)ペプチド/タンパク質タグの反応性を増強することができる。
For the amount of cDNA recovered in the selection round, the ratio to the total amount of cDNA prepared using quantitative PCR is calculated. An example is shown in the graph of FIG. As the round progresses, reducing the reaction time from 60 minutes to 3 minutes or reducing the amount of magnetic beads with immobilized pClBz increases the selection pressure.
Further, for example, the cDNA collected in rounds 11 to 13 in FIG. 4 can be subjected to error-prone PCR amplification to carry out random mutagenesis to enhance the reactivity of the (poly) peptide / protein tag.

本実施態様における、標的小分子pClBzと反応する(ポリ)ペプチド/タンパク質タグは、以下の2つが選択される。
ポリペプチドタグCRP1:THWFWCPYWGWLRS(配列番号1)
ポリペプチドタグCRP2:WFWCPYWRTYIWY(配列番号2)
CRP1では、6番目のアミノ酸がシステインであり、CRP2では、4番目のアミノ酸がシステインである。
これらのポリペプチドタグは、共通のモチーフWFWCPYW(配列番号3)を有する。
In this embodiment, the following two (poly) peptide / protein tags that react with the target small molecule pClBz are selected.
Polypeptide tag CRP1: THWFWCPYWGWLRS (SEQ ID NO: 1)
Polypeptide tag CRP2: WFWCPYWRTYIWY (SEQ ID NO: 2)
In CRP1, the sixth amino acid is cysteine, and in CRP2, the fourth amino acid is cysteine.
These polypeptide tags have a common motif WFWCPYW (SEQ ID NO: 3).

前記2種類ポリペプチドタグCRP1及びCRP2を、DNAリンカー−ピューロマイシンの非存在下で、無細胞系転写/翻訳カップリングシステムを用いて発現させる。次に、p-(クロロメチル)-N-(2-ヒドロキシエチル)ベンズアミドと、37℃で30分間、インキュベーションする。
これを、MALDI-TOF-MS分析すると、当該2種類のポリペプチドタグは、p-(クロロメチル)-N-(2-ヒドロキシエチル)ベンズアミドと共有結合することがわかる。
また、前記ポリペプチドタグのC末端にシステイン残基が追加されるようにポリペプチドタグを発現させ、p-(クロロメチル)-N-(2-ヒドロキシエチル)ベンズアミドで処理すると、p-(クロロメチル)-N-(2-ヒドロキシエチル)ベンズアミド一つと反応したものは検出されるが、二つ以上反応したものは検出されない。
更に、前記ポリペプチドタグのC末端のシステイン残基をセリン残基にして、p-(クロロメチル)-N-(2-ヒドロキシエチル)ベンズアミドで処理すると、該ポリペプチドタグは何も反応しない。
つまり、前記2種類のポリペプチドタグは、部位特異的に、システイン残基を介して、p-(クロロメチル)-N-(2-ヒドロキシエチル)ベンズアミドで標識される。
The two polypeptide tags CRP1 and CRP2 are expressed using a cell-free transcription / translation coupling system in the absence of DNA linker-puromycin. It is then incubated with p- (chloromethyl) -N- (2-hydroxyethyl) benzamide for 30 minutes at 37 ° C.
When this is analyzed by MALDI-TOF-MS, it can be seen that the two kinds of polypeptide tags are covalently bonded to p- (chloromethyl) -N- (2-hydroxyethyl) benzamide.
When the polypeptide tag is expressed so that a cysteine residue is added to the C-terminus of the polypeptide tag and treated with p- (chloromethyl) -N- (2-hydroxyethyl) benzamide, p- (chloro Those that react with one methyl) -N- (2-hydroxyethyl) benzamide are detected, but those that react with two or more are not detected.
Furthermore, when the cysteine residue at the C-terminal of the polypeptide tag is changed to a serine residue and treated with p- (chloromethyl) -N- (2-hydroxyethyl) benzamide, the polypeptide tag does not react at all.
That is, the two kinds of polypeptide tags are labeled with p- (chloromethyl) -N- (2-hydroxyethyl) benzamide via a cysteine residue in a site-specific manner.

前記2種類のポリペプチドタグCRP1及びCRP2の標識特異性を調べるには、該ポリペプチドタグとDHFR(dihydrofolate reductase、ジヒドロ葉酸レダクターゼ)との融合体(DHFR−CRPタグ)をin vitroで発現させ、フルオレセイン修飾pClBzを用いて、37℃で30分間処理する。すると、図5に示す構造の分子(フルオレセイン修飾pClBz−CRP− DHFRタグ)が形成される。   In order to investigate the labeling specificity of the two types of polypeptide tags CRP1 and CRP2, a fusion of the polypeptide tag and DHFR (dihydrofolate reductase) is expressed in vitro (DHFR-CRP tag), Treat with fluorescein modified pClBz for 30 minutes at 37 ° C. Then, a molecule having a structure shown in FIG. 5 (fluorescein modified pClBz-CRP-DHFR tag) is formed.

形成物をSDS-PAGE電気泳動すると、図6のように示される(左:クマシーブリリアンドブルー、右:in-gel fluorescence)。レーン1は、DHFRのみで前記ポリペプチドタグは含まないネガティブコントロールである。レーン2は、前記実施形態1で述べたCRP1−DHFRの融合体、レーン3はCRP2−DHFRの融合体である。
この図より、ポリペプチドタグ−DHFRの融合体は、フルオレセイン修飾pClBzで特異的に標識される。これは、ポリペプチドタグに含まれるシステイン残基のチオール基にフルオレセイン修飾pClBzが結合することを示す。
When the formed product is subjected to SDS-PAGE electrophoresis, it is shown in FIG. 6 (left: Coomassie Brilliand Blue, right: in-gel fluorescence). Lane 1 is a negative control containing only DHFR and no polypeptide tag. Lane 2 is the CRP1-DHFR fusion described in Embodiment 1, and lane 3 is the CRP2-DHFR fusion.
From this figure, the polypeptide tag-DHFR fusion is specifically labeled with fluorescein-modified pClBz. This indicates that fluorescein-modified pClBz binds to the thiol group of the cysteine residue contained in the polypeptide tag.

また、DHFRのC末端にCRP1又はCRP2を融合した融合体(DHFR−CRPタグ、図7)を、フルオレセイン修飾pClBzで同様に処理しても、特異的に修飾できる(図8)。   In addition, a fusion (DHFR-CRP tag, FIG. 7) in which CRP1 or CRP2 is fused to the C terminus of DHFR can be specifically modified by treating it similarly with fluorescein-modified pClBz (FIG. 8).

更に、DHFRの代わりに他のタンパク質、例えばTNF(Tumor Necrosis Factor、腫瘍壊死因子)又はPPIA(peptidylprolyl isomerase A、ペプチジルプロピルイソメラーゼA)と前記CRP1又はCRP2との融合体(図9)についても、フルオレセイン修飾pClBzで特異的に標識できる(図10)。   Furthermore, other proteins such as TNF (Tumor Necrosis Factor) or PPIA (peptidylprolyl isomerase A, peptidylpropyl isomerase A) and the aforementioned CRP1 or CRP2 in place of DHFR (FIG. 9) are also fluorescein. It can be specifically labeled with modified pClBz (Figure 10).

あるいは、フルオレセインの代わりに他の標識物、例えばクマリン、Alexa Fluoro 488(AF488)又はテトラメチルローダミン(TMR)で修飾したpClBzを調製し、同様に処理しても(図11)、CRP1又はCRP2に標識することができる(図12)。   Alternatively, instead of fluorescein, pClBz modified with another label such as coumarin, Alexa Fluoro 488 (AF488) or tetramethylrhodamine (TMR) can be prepared and treated in the same way (FIG. 11). It can be labeled (Figure 12).

効率よく標識するために好ましい(ポリ)ペプチドタグの長さは、CRP1又はCRP2を切断した様々な長さの(ポリ)ペプチドタグを、DHFRに融合して融合体を発現し、前記と同様の条件下で、フルオレセイン修飾pClBzで標識してみることによって、調べることができる。
例えば、前記CRP1(配列番号1)とCRP2(配列番号2)の共通モチーフであるWFWCPYW(配列番号3)を含むが長さの異なる(ポリ)ペプチドタグを作製する(図13、図14))。
これを、SDS-PAGEで分析すると、CRP1及びCRP2を短くしたものよりも完全長に近いCRP1、CRP2が効率的に標識されることが示される(図14の電気泳動像)。
The preferred length of the (poly) peptide tag for efficient labeling is that the (poly) peptide tag of various lengths obtained by cleaving CRP1 or CRP2 is fused to DHFR to express the fusion, and the same as described above. It can be examined by labeling with fluorescein modified pClBz under conditions.
For example, a (poly) peptide tag containing WFWCPYW (SEQ ID NO: 3), which is a common motif of CRP1 (SEQ ID NO: 1) and CRP2 (SEQ ID NO: 2), but having a different length is prepared (FIGS. 13 and 14)) .
When this is analyzed by SDS-PAGE, it is shown that CRP1 and CRP2 closer to the full length than those obtained by shortening CRP1 and CRP2 are efficiently labeled (electrophoresis image in FIG. 14).

次に、更に反応性の高い(ポリ)ペプチド/タンパク質タグの取得について検討する。
(ポリ)ペプチド/タンパク質タグライブラリーのN末端のfMet-Ser-Gly2(配列番号4)と共通のモチーフであるWFWCPYW(配列番号3)との間に5つのランダムアミノ酸を有し、また、共通のモチーフとC末端のGly5−Ser(配列番号5)スペーサーとの間に5つのランダムアミノ酸を有するように、(ポリ)ペプチド/タンパク質タグライブラリーを作製する。
該(ポリ)ペプチド/タンパク質タグライブラリーについて、前述の選択ラウンドを10回繰り返した後、配列決定を行うと、N末端側の5つのランダムアミノ酸は収束しないが、C末端側の5つのランダムアミノ酸は、主としてCCWVPの配列(配列番号6)に収束する(図15)。
これを、ポリペプチドタグCRP3(WFWCPYWCCWVP、配列番号7)とし、前述と同様にして、CRP3とDHFRとを融合してフルオレセインで標識する際の効率は、前記CRP1と同程度である(図16)。
Next, the acquisition of (poly) peptide / protein tags with higher reactivity will be examined.
There are 5 random amino acids between the N-terminal fMet-Ser-Gly 2 (SEQ ID NO: 4) of the (poly) peptide / protein tag library and the common motif WFWCPYW (SEQ ID NO: 3), and A (poly) peptide / protein tag library is created with 5 random amino acids between the common motif and the C-terminal Gly 5 -Ser (SEQ ID NO: 5) spacer.
For the (poly) peptide / protein tag library, after repeating the above selection round 10 times, when sequencing, 5 random amino acids on the N-terminal side do not converge, but 5 random amino acids on the C-terminal side Converges mainly to the CCWVP sequence (SEQ ID NO: 6) (FIG. 15).
This is the polypeptide tag CRP3 (WFWCPYWCCWVP, SEQ ID NO: 7), and in the same manner as described above, the efficiency when CRP3 and DHFR are fused and labeled with fluorescein is comparable to that of CRP1 (FIG. 16). .

次に、共有結合による標識の不可逆性について検討する。
例えば、フルオレセイン標識ポリペプチドタグ(CRP)融合DHFRと、Invitrogen社より市販されている赤色二ヒ素(biarsenical) 色素(ReAsH)と結合するテトラシステインペプチドタグ(Cys4、配列番号8)融合DHFR(図17)とを、95℃で5分間、2-メルカプトエタノール(BME)で処理する。
処理物をSDS-PAGEで分析すると、赤色二ヒ素(biarsenical) 色素結合テトラシステインペプチドタグ融合DHFRのフルオレセイン(FlAsH)強度は、2-メルカプトエタノール処理後、減少する。一方、フルオレセイン標識ポリペプチドタグ(CRP)融合DHFRのフルオレセイン強度は処理後であっても一定である(図18)。すなわち、システインを含むポリペプチドタグ(CRP)の標識の不可逆性を示す。このことは、例えば、細胞内タンパク質を標識して洗浄を行う際、強い洗浄条件下でも有利であると考えられる。
Next, the irreversibility of the label due to the covalent bond is examined.
For example, a fluorescein-labeled polypeptide tag (CRP) -fused DHFR and a tetracysteine peptide tag (Cys 4 , SEQ ID NO: 8) -fused DHFR that binds to the red biarsenical dye (ReAsH) commercially available from Invitrogen 17) is treated with 2-mercaptoethanol (BME) at 95 ° C. for 5 minutes.
When the treated product is analyzed by SDS-PAGE, the fluorescein (FlAsH) intensity of red biarsenical dye-bound tetracysteine peptide tag fusion DHFR decreases after 2-mercaptoethanol treatment. On the other hand, the fluorescein intensity of fluorescein-labeled polypeptide tag (CRP) -fused DHFR is constant even after treatment (FIG. 18). That is, it shows the irreversibility of labeling of a polypeptide tag (CRP) containing cysteine. This is considered to be advantageous even under strong washing conditions, for example, when intracellular proteins are labeled and washed.

生細胞において、細胞内部で(ポリ)ペプチド/タンパク質タグ融合タンパク質が標識されるかを確認するには、核局在配列(NLS)にGFPを連結し、更にGFPのN末端にCRP1〜2をそれぞれ融合したものを設計する(図19)。ここで、核局在配列(NLS)は(DPKKKRKV)3である(配列番号9)。
設計したNLS−GFP−ポリペプチドタグ(CRP1〜2)の融合体を、ヒト胎児由来腎臓(HEK)細胞で発現させる。一方、CRP1〜2の代わりにテトラシステインペプチドタグとの融合体も発現させる。
次に、例えば、0.1μMの膜浸透性TMR(テトラメチルローダミン)修飾pClBz(TMR−pClBz)又はReAsHを、37℃で30分間インキュベートして標識する。
トランスフェクトされた細胞(GFPで識別)では、核はTMRで標識され、一方、トランスフェクトされなかった細胞は、標識されない。CRP1〜2では、コントロールのReAsHで標識されたCysタグと同様に、標識される。
顕微鏡像をみると、図20の左カラムでは、NLS−GFP−ポリペプチドタグ(CRP1〜2)が緑色に発光して、トランスフェクトされた細胞が存在すること示す。図20の中央カラムでは、TMR−pClBzがペプチドタグCRP1〜2と結合して、又はReASHがテトラシステインペプチドと結合して、赤色に発光していることを示す。図20の右カラムでは、緑色蛍光画像と微分干渉顕微鏡像の合成画像を示す。
To check whether the (poly) peptide / protein tag fusion protein is labeled inside the living cell, connect GFP to the nuclear localization sequence (NLS) and add CRP1-2 to the N-terminus of GFP. Design each fusion (Figure 19). Here, the nuclear localization sequence (NLS) is (DPKKKRKV) 3 (SEQ ID NO: 9).
The designed NLS-GFP-polypeptide tag (CRP1-2) fusion is expressed in human embryonic kidney (HEK) cells. On the other hand, instead of CRP1-2, a fusion with a tetracysteine peptide tag is also expressed.
Next, for example, 0.1 μM membrane-permeable TMR (tetramethylrhodamine) modified pClBz (TMR-pClBz) or ReAsH is labeled by incubating at 37 ° C. for 30 minutes.
In transfected cells (identified with GFP), nuclei are labeled with TMR, whereas untransfected cells are not labeled. CRP1-2 is labeled in the same manner as the Cys 4 tag labeled with control ReAsH.
Looking at the microscopic image, in the left column of FIG. 20, the NLS-GFP-polypeptide tag (CRP1-2) emits green light, indicating the presence of transfected cells. In the center column of FIG. 20, TMR-pClBz binds to peptide tags CRP1-2, or ReASH binds to a tetracysteine peptide, indicating that it emits red light. The right column of FIG. 20 shows a composite image of the green fluorescence image and the differential interference microscope image.

以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。なお、以下に説明する実施例は、本発明の代表的な実施例の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。
なお、本実施例で用いたプライマー、(ポリ)ペプチド/タンパク質をコードするDNA、試薬等の詳細は、本実施例の後に述べる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. In addition, the Example demonstrated below shows an example of the typical Example of this invention, and, thereby, the range of this invention is not interpreted narrowly.
The details of the primers, DNA encoding (poly) peptide / protein, reagents, etc. used in this example will be described after this example.

[1.pClBz(標的物質)と反応する(ポリ)ペプチド/タンパク質タグの選択]
ランダム(ポリ)ペプチド/タンパク質をコードするDNAテンプレートを調製するために、SD8M2-NNK8-15-G5.F60オリゴDNA(配列番号10)及びG5S-4an21.R41オリゴDNA(配列番号11)をアニーリングし、KOD-plus-neo DNAポリメラーゼ(TOYOBO)でプライマー伸長をし、次に、得られた二重鎖DNAを、T7SD8M2.F44プライマー(配列番号12)及びG5S-4an21.R41プライマー(配列番号13)を用いて、Taq DNAポリメラーゼ(Genscript)で増幅した。増幅したDNAは、フェノール/クロロホルム及びエタノール沈殿で抽出することにより精製した。このようにして調製したランダムDNAテンプレートを、T7 RNAポリメラーゼ(TOYOBO)を用いて、ラン・オフin vitro転写で転写し、ランダムmRNAをイソプロパノール沈殿で精製した。mRNAライブラリーは、8〜15の繰り返しNNK配列を含むランダムmRNAを混合して調製した。mRNAディスプレイペプチドのライブラリーを、release factor-free翻訳システム(PURExpress Δ RF123 Kit、New England Biolabs)で翻訳して調製した。このとき、2.5μMの mRNAライブラリーと2.5μMのピューロマイシンリンカー(BEX)とを含む300μLのスケールで、37℃、25分の条件下で行った。次に、EDTAを、mRNAディスプレイペプチドライブラリーの溶液に添加し、リボソームを解離させた。mRNAディスプレイペプチドライブラリーの逆転写を、選択の操作を行う前に、RNase H-inactivated逆転写酵素(ReverTraAce、TOYOBO)及びG5S-4.R20プライマー(配列番号14)を用いて、42℃で30分間行った。
[1. Selection of (poly) peptide / protein tag that reacts with pClBz (target substance)]
SD8M2-NNK8-15-G5.F60 oligo DNA (SEQ ID NO: 10) and G5S-4an21.R41 oligo DNA (SEQ ID NO: 11) are annealed to prepare a random (poly) peptide / protein-encoding DNA template. , Primer extension with KOD-plus-neo DNA polymerase (TOYOBO), and then the obtained double-stranded DNA was converted into T7SD8M2.F44 primer (SEQ ID NO: 12) and G5S-4an21.R41 primer (SEQ ID NO: 13). Was amplified with Taq DNA polymerase (Genscript). The amplified DNA was purified by extraction with phenol / chloroform and ethanol precipitation. The random DNA template thus prepared was transcribed by run-off in vitro transcription using T7 RNA polymerase (TOYOBO), and the random mRNA was purified by isopropanol precipitation. The mRNA library was prepared by mixing random mRNA containing 8 to 15 repetitive NNK sequences. A library of mRNA display peptides was prepared by translating with a release factor-free translation system (PURExpress ΔRF123 Kit, New England Biolabs). At this time, the measurement was performed at 37 ° C. for 25 minutes on a 300 μL scale containing 2.5 μM mRNA library and 2.5 μM puromycin linker (BEX). EDTA was then added to the mRNA display peptide library solution to dissociate the ribosome. Reverse transcription of mRNA display peptide library using RNase H-inactivated reverse transcriptase (ReverTraAce, TOYOBO) and G5S-4.R20 primer (SEQ ID NO: 14) at 42 ° C before performing the selection procedure. Went for a minute.

逆転写反応をEDTAでクエンチング後、HEPES溶液で中和し、トリス(2-カルボキシエチル)ホスフィン(TCEP)ですべてのメルカプト基を還元し、磁気ビーズに固定化されたp-(クロロメチル)ベンズアミド(pClBz)(Dynabeads、Life Technologies)を、前記ペプチドライブラリーの溶液に、37℃、60分の条件下で混合した。上清を除去後、磁気ビーズをHBS-T (50 mM HEPES-K pH 7.5、300 mM NaCl、0.05 % tween 20)で3回洗浄し、pClBz固定化ビーズに結合したcDNAをコードする(ポリ)ペプチド/タンパク質を、PCR pre-mixture溶液(10 mM Tris-HCl pH 8.4、50 mM KCl、0.1%(v/v) Triton X-100、2 mM MgCl2、0.25 mMの各dNTP、0.25 μM T7SD8M2.F44(配列番号12)、0.25 μM G5S-4an21.R41(配列番号11)で希釈し、磁気ビーズに結合した選択されたcDNAを95℃、5分間の条件下で溶出した。溶出されたcDNAの量を、T7SD8M2.F44(配列番号12)及びG5S-4an21.R41(配列番号11)をプライマーとして、SYBRを用いた定量的PCR (StepOnePlus、Applied Biosystems)で定量した。また、溶出されたcDNAを、Taq DNAポリメラーゼ(Genscript)を用いてPCR増幅して、次回の選択ラウンドに供した。 The reverse transcription reaction is quenched with EDTA, neutralized with HEPES solution, all mercapto groups are reduced with tris (2-carboxyethyl) phosphine (TCEP), and p- (chloromethyl) immobilized on magnetic beads Benzamide (pClBz) (Dynabeads, Life Technologies) was mixed with the peptide library solution at 37 ° C. for 60 minutes. After removing the supernatant, the magnetic beads are washed three times with HBS-T (50 mM HEPES-K pH 7.5, 300 mM NaCl, 0.05% tween 20) to encode the cDNA bound to the pClBz-immobilized beads (poly) Peptides / proteins were added to the PCR pre-mixture solution (10 mM Tris-HCl pH 8.4, 50 mM KCl, 0.1% (v / v) Triton X-100, 2 mM MgCl 2 , 0.25 mM each dNTP, 0.25 μM T7SD8M2. Diluted with F44 (SEQ ID NO: 12), 0.25 μM G5S-4an21.R41 (SEQ ID NO: 11), the selected cDNA bound to the magnetic beads was eluted at 95 ° C. for 5 minutes. The amount was quantified by quantitative PCR (StepOnePlus, Applied Biosystems) using SYBR, using T7SD8M2.F44 (SEQ ID NO: 12) and G5S-4an21.R41 (SEQ ID NO: 11) as primers. PCR amplification using Taq DNA polymerase (Genscript) was performed for the next selection round.

二回目のラウンドから、ピューロマイシンリンカー(BEX)と前の工程で得られたcDNAライブラリーを含む未精製のPCR混合物を含むrelease factor-free transcription/translation-coupling システム(PURExpress ΔRF123 Kit、New England Biolabs)で転写と翻訳を行い、mRNAディスプレイペプチドライブラリーを調製した。調製された非共有結合のmRNAディスプレイペプチドライブラリーを、ReverTraAceを用いて42℃、30分の条件下で逆転写し、共有結合したcDNAディスプレイペプチドライブラリーを得た。逆転写反応をEDTAでクエンチング後、HEPES溶液で中和し、すべてのメルカプト基をTCEPで還元し、該cDNAディスプレイペプチドライブラリーを、pClBz無しの磁気ビーズ(Dynabeads、Life Technologies)と、25℃又は37℃、5分の条件下で、ネガティブセレクション用にインキュベートした。該ネガティブセレクションを5回行い、磁気ビーズに結合する(ポリ)ペプチド/タンパク質を除去した。続いて、その上清を、pClBz固定化ビーズ(Dynabeads、Life Technologies又はFG beads、Tamagawa seiki)と、37℃でポジティブセレクション用に混合し、DMSO、SDS含有かつpClBz含有のHBS-Tで、37℃で5回洗浄した。ビーズに結合した選択されたcDNAを、T7SD8M2.F44(配列番号12)及びG5S-4an21.R41(配列番号11)をプライマーとして、SYBRを用いた定量的PCR (StepOnePlus、Applied Biosystems)で定量し、次の選択ラウンドのためにPCR Taq DNAポリメラーゼで増幅した。   From the second round, a release factor-free transcription / translation-coupling system (PURExpress ΔRF123 Kit, New England Biolabs) containing an unpurified PCR mixture containing puromycin linker (BEX) and the cDNA library from the previous step. ) Was transcribed and translated to prepare an mRNA display peptide library. The prepared non-covalent mRNA display peptide library was reverse transcribed using ReverTraAce at 42 ° C. for 30 minutes to obtain a covalently bound cDNA display peptide library. The reverse transcription reaction was quenched with EDTA, neutralized with HEPES solution, all mercapto groups were reduced with TCEP, and the cDNA display peptide library was combined with magnetic beads without pClBz (Dynabeads, Life Technologies) at 25 ° C. Alternatively, it was incubated for negative selection at 37 ° C. for 5 minutes. The negative selection was performed 5 times to remove (poly) peptide / protein bound to the magnetic beads. Subsequently, the supernatant was mixed with pClBz-immobilized beads (Dynabeads, Life Technologies or FG beads, Tamagawa seiki) at 37 ° C. for positive selection, and DMSO, SDS-containing and pClBz-containing HBS-T, 37 Washed 5 times at ° C. The selected cDNA bound to the beads is quantified by quantitative PCR (StepOnePlus, Applied Biosystems) using SYBR, using T7SD8M2.F44 (SEQ ID NO: 12) and G5S-4an21.R41 (SEQ ID NO: 11) as primers. Amplified with PCR Taq DNA polymerase for the next round of selection.

[2.無細胞翻訳系によるin vitro発現CRP融合ポリペプチド及びDHFRのpClBz修飾小分子での標識]
CRP融合ポリペプチド及びDHFRを、対応するPCR増幅DNAテンプレートを含むtranscription/translation-coupling システム(PURExpress、New England Biolabs)を用いて、 37℃、60分の条件下でin vitro転写及び翻訳を行って調製した。CRP融合ポリペプチド及びDHFRを10μMのp-(クロロメチル)-N-(2-ヒドロキシエチル)ベンズアミド又はフルオレセイン-pClBzを用いて、1mMのTCEPの存在下で37℃、30分の条件下で標識した。サンプルをC18-tip (C-TIP、Nikkyo Technos)を用いて脱塩し、α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸(CHCA)で飽和した0.5%酢酸及び80%アセトニトリルで溶出し、MALDI-TOF-MS(AXIMA-CFR、SHIMADZU)分析をリニアポジティブモードで行った。SDS-PAGE分析のため、サンプルを10%SDS-PAGEで泳動し、クマシーブリリアントブルー染色とin-gel fluorescence(ImageQuant 400、GE Healthcare)で可視化した。
[2. Labeling of in vitro expressed CRP fusion polypeptide and DHFR with pClBz-modified small molecule by cell-free translation system]
CRP fusion polypeptide and DHFR can be transcribed and translated in vitro at 37 ° C for 60 minutes using a transcription / translation-coupling system (PURExpress, New England Biolabs) containing the corresponding PCR amplified DNA template. Prepared. Label CRP fusion polypeptide and DHFR with 10 μM p- (chloromethyl) -N- (2-hydroxyethyl) benzamide or fluorescein-pClBz in the presence of 1 mM TCEP at 37 ° C. for 30 minutes did. The sample was desalted using C18-tip (C-TIP, Nikkyo Technos) and eluted with 0.5% acetic acid and 80% acetonitrile saturated with α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA). MALDI-TOF -MS (AXIMA-CFR, SHIMADZU) analysis was performed in linear positive mode. For SDS-PAGE analysis, samples were run on 10% SDS-PAGE and visualized with Coomassie brilliant blue staining and in-gel fluorescence (ImageQuant 400, GE Healthcare).

[3.生細胞におけるTMR-pClBzによるCRP融合タンパク質の標識]
ヒト胎児由来腎臓(HEK)細胞を、コラーゲンタイプIコートチャンバーカバーグラス(IWAKI)を用いて培養し、リポフェクタミン2000(Life Technologies)を用いて核局在性ポリペプチドタグ融合GFP(CRP-GFP-NLS又はCys4-GFP-NLS)でトランスフェクトした。次に、細胞を5%CO2下37℃で、培地中で36時間培養した。過剰なTMR-pClBz又はReAsHを洗浄するため、細胞を培地で3回リンスして、37℃で6時間インキュベートした。細胞をDPBSで洗浄した後、該細胞を生きたまま落射蛍光顕微鏡で観察した(IX71、Olympus)。
[3. Labeling of CRP fusion protein with TMR-pClBz in living cells]
Human embryonic kidney (HEK) cells are cultured using collagen type I-coated chamber cover glass (IWAKI) and nuclear-localized polypeptide tag-fused GFP (CRP-GFP-NLS) using Lipofectamine 2000 (Life Technologies) Or Cys4-GFP-NLS). The cells were then cultured for 36 hours in medium at 37 ° C. with 5% CO 2 . To wash away excess TMR-pClBz or ReAsH, cells were rinsed 3 times with media and incubated at 37 ° C. for 6 hours. After washing the cells with DPBS, the cells were observed alive with an epifluorescence microscope (IX71, Olympus).

〔プライマー、(ポリ)ペプチド/タンパク質をコードするDNA、試薬等の詳細〕
(1.p-(クロロメチル)安息香酸シアノメチルエステルの化学合成)
p-(クロロメチル)安息香酸シアノメチルエステルを、文献:Kawakami, T., Ishizawa, T. & Murakami, H. Extensive reprogramming of the genetic code for genetically encoded synthesis of highly N-alkylated polycyclic peptidomimetics. Journal of the American Chemical Society 135, 12297-12304 (2013)の記載に従って合成した。
[Details of primers, (poly) peptide / protein-encoding DNA, reagents, etc.]
(1. Chemical synthesis of p- (chloromethyl) benzoic acid cyanomethyl ester)
p- (Chloromethyl) benzoic acid cyanomethyl ester is described in Kawakami, T., Ishizawa, T. & Murakami, H. Extensive reprogramming of the genetic code for genetically encoded synthesis of highly N-alkylated polycyclic peptidomimetics. Journal of the Synthesized as described in American Chemical Society 135, 12297-12304 (2013).

(2.p-(クロロメチル)ベンゾイル-tRNAfmet(CAU)の調製)
大腸菌イニシエーターtRNAfMet(CAU)を、前記Kawakamiらの文献に記載されたように、T7 RNAポリメラーゼを用いたラン・オフin vitro転写で調製した。P-(クロロメチル)ベンゾイル-tRNAfmet(CAU)も、前記Kawakamiらの文献の手順に従って調製した。
(2. Preparation of p- (chloromethyl) benzoyl-tRNA fme t (CAU))
E. coli initiator tRNA fMet (CAU) was prepared by run-off in vitro transcription using T7 RNA polymerase as described in Kawakami et al. P- (chloromethyl) benzoyl-tRNAfmet (CAU) was also prepared according to the procedure of Kawakami et al.

(3.ペプチドをコードするDNAの調製)
テンプレートDNAを調製するのに使用したプライマーを下記表に示す。ペプチドをコードするDNAは、適宜、プライマー伸長に適切なフォワードプライマー及びリバースプライマーと、PCR増幅に適切なフォワードプライマー及びリバースプライマーを用いて、Taq DNAポリメラーゼ(Genscript)で調製した。
(3. Preparation of DNA encoding peptide)
The primers used to prepare the template DNA are shown in the table below. DNA encoding the peptide was appropriately prepared with Taq DNA polymerase (Genscript) using a forward primer and a reverse primer suitable for primer extension and a forward primer and a reverse primer suitable for PCR amplification.

(4.CRP融合(ポリ)ペプチド/タンパク質をコードするDNAの調製)
前記表1のプライマーを用いて、in vitro翻訳するための、CRP融合(ポリ)ペプチド/タンパク質をコードする直鎖DNAを、PCR増幅に適切なフォワードプライマー及びリバースプライマーを用いて、KOD-plus-neo DNAポリメラーゼ(TOYOBO)で調製した。DHFR遺伝子のPCR増幅において、PURExpress DHFRコントロールテンプレート(New England Biolabs)をテンプレートDNAとして用いた。腫瘍壊死因子-α(TNF)及びペプチジル-プロピルシス-トランスイソメラーゼ(PPIA)遺伝子のPCR増幅において、ヒトcDNAクローンをテンプレートDNAとして用いた。トランスフェクション用プラスミドDNAを調製するため、粘着末端に、CRPをコードする相補的オリゴDNAをアニーリングすることによりポリペプチドタグCRPを導入した。アニーリングした挿入物は、適切な制限酵素で処理したプラスミドDNAに導入した。
(4. Preparation of DNA encoding CRP fusion (poly) peptide / protein)
A linear DNA encoding a CRP fusion (poly) peptide / protein for in vitro translation using the primers shown in Table 1 above, and KOD-plus- using a forward primer and a reverse primer suitable for PCR amplification. Prepared with neo DNA polymerase (TOYOBO). In PCR amplification of DHFR gene, PURExpress DHFR control template (New England Biolabs) was used as template DNA. Human cDNA clones were used as template DNA in PCR amplification of tumor necrosis factor-α (TNF) and peptidyl-propyl cis-trans isomerase (PPIA) genes. In order to prepare plasmid DNA for transfection, the polypeptide tag CRP was introduced into the sticky end by annealing a complementary oligo DNA encoding CRP. The annealed insert was introduced into plasmid DNA that had been treated with the appropriate restriction enzymes.

(5.p-(クロロメチル)ベンズアミド固定化ビーズの調製)
アミン磁気ビーズ(Dynabeads、Life Technologies又はFG beads、Tamagawa seiki)を、273 mMジイソプロピルエチレンアミン(DIEA)のジメチルホルムアミド(DMF)溶液で2回洗浄し、273 mM DIEAのDMF溶液の存在下で60分間、p-(クロロメチル)ベンゾイルクロリドと反応させた。10 mM DIEAのDMF溶液でビーズを3回洗浄し、16.6%DMF含有の10 mM Tris/HCl(pH 6.8)で3回洗浄した。
(5. Preparation of p- (chloromethyl) benzamide-immobilized beads)
Amine magnetic beads (Dynabeads, Life Technologies or FG beads, Tamagawa seiki) were washed twice with 273 mM diisopropylethyleneamine (DIEA) in dimethylformamide (DMF), and in the presence of 273 mM DIEA in DMF for 60 minutes. , P- (chloromethyl) benzoyl chloride. The beads were washed 3 times with 10 mM DIEA in DMF and washed 3 times with 10 mM Tris / HCl (pH 6.8) containing 16.6% DMF.

(6.細胞培養とトランスフェクション)
HEK細胞を、ウシ胎児血清(FBS、GIBCO)10% (v/v)を含むDMEM(Wako)を用いて、5%CO2下、37℃で培養した。リポフェクタミン2000を用いて70%までのコンフルエント細胞にトランスフェクトした。
(6. Cell culture and transfection)
HEK cells were cultured at 37 ° C. under 5% CO 2 using DMEM (Wako) containing 10% (v / v) fetal bovine serum (FBS, GIBCO). Lipofectamine 2000 was used to transfect up to 70% confluent cells.

(7.無細胞翻訳系におけるin vitro発現CRP融合(ポリ)ペプチド/タンパク質及びDHFRのpClBz修飾小分子での標識)
CRP融合(ポリ)ペプチド/タンパク質を、対応するPCR増幅DNAテンプレートを含むtranscription/translation-coupling システム (PURExpress、New England Biolabs)を用いて、 37℃、60分の条件下でin vitro転写及び翻訳を行って調製した。CRP融合ペプチド及びタンパク質を10μMのp-(クロロメチル)-N-(2-ヒドロキシエチル)ベンズアミド、フルオレセイン-pClBz、クマリン-pClBz、AF488-pClBz又はTMR-pClBzを用いて、1mMのTCEPの存在下で37℃、30分の条件下で標識した。サンプルをC18-tip (C-TIP、Nikkyo Technos)を用いて脱塩し、α-シアノ-4-ヒドロキシケイ皮酸(CHCA)で飽和した0.5%酢酸及び80%アセトニトリルで溶出し、MALDI-TOF-MS(AXIMA-CFR、SHIMADZU)分析をリニアポジティブモードで行った。SDS-PAGE分析のため、サンプルを10%SDS-PAGEで変性し、クマシーブリリアントブルー染色とin-gel fluorescence(ImageQuant 400、GE Healthcare)で可視化した。Cys4融合DHFRの標識も、フルオレセイン-pClBzの代わりにFlAsHを用いて、同様にして行った。
(7. Labeling with in vitro expressed CRP fusion (poly) peptide / protein and DHFR with pClBz-modified small molecule in cell-free translation system)
CRP fusion (poly) peptide / protein can be transcribed and translated in vitro at 37 ° C for 60 minutes using a transcription / translation-coupling system (PURExpress, New England Biolabs) containing the corresponding PCR amplified DNA template. Prepared to go. CRP fusion peptides and proteins were used in the presence of 1 mM TCEP using 10 μM p- (chloromethyl) -N- (2-hydroxyethyl) benzamide, fluorescein-pClBz, coumarin-pClBz, AF488-pClBz or TMR-pClBz And labeling at 37 ° C. for 30 minutes. The sample was desalted using C18-tip (C-TIP, Nikkyo Technos) and eluted with 0.5% acetic acid and 80% acetonitrile saturated with α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (CHCA). MALDI-TOF -MS (AXIMA-CFR, SHIMADZU) analysis was performed in linear positive mode. For SDS-PAGE analysis, samples were denatured with 10% SDS-PAGE and visualized with Coomassie brilliant blue staining and in-gel fluorescence (ImageQuant 400, GE Healthcare). Cys4 fusion DHFR was labeled in the same manner using FlAsH instead of fluorescein-pClBz.

(8.DIVERSEシステムに基づくpClBz反応性(ポリ)ペプチド/タンパク質タグの配列最適化)
DNAライブラリーを調製するため、MSG2-NNK5-WFWCPYW-NNK5-G5S.F87 オリゴDNA(配列番号17)及びnewG5S.an21.R41オリゴDNA(配列番号18)をアニーリングし、KOD-plus-neo DNAポリメラーゼ(TOYOBO)でプライマー伸長し、次に、得られた二重鎖DNAを、T7SD8M2-Sgcc2.F53プライマー(配列番号19)及びnewG5S.an21.R41プライマー(配列番号18)を用いて、Taq DNAポリメラーゼ(Genscript)で増幅した。増幅したDNAをフェノール/クロロホルム及びエタノール沈殿で抽出した。調製したDNAライブラリーを、T7 RNAポリメラーゼ(TOYOBO)を用いてラン・オフin vitro転写で転写し、mRNAライブラリーをイソプロパノール沈殿で精製した。mRNAディスプレイペプチドのライブラリーを、release factor-free translation システム(PURExpress ΔRF123 Kit、 New England Biolabs)を用いて、2.5 μM mRNAライブラリーと2.5μMピューロマイシンリンカー(BEX)を含む250μLのスケールで、37℃、25分の条件下で翻訳することにより調製した。次に、mRNAディスプレイペプチドライブラリーにEDTAを添加してリボソームを解離させた。mRNAディスプレイペプチドライブラリーの逆転写を、選択ラウンドの前に、RNase H-inactivated逆転写酵素(ReverTraAce、TOYOBO)及びnewG5S.R20プライマー(配列番号20)を用いて、42℃、30分の条件下で行った。
(8. pClBz-reactive (poly) peptide / protein tag sequence optimization based on the DIVERSE system)
To prepare the DNA library, MSG2-NNK5-WFWCPYW-NNK5-G5S.F87 oligo DNA (SEQ ID NO: 17) and newG5S.an21.R41 oligo DNA (SEQ ID NO: 18) were annealed and KOD-plus-neo DNA polymerase (TOYOBO) primer extension, and then the resulting double-stranded DNA was subjected to Taq DNA polymerase using T7SD8M2-Sgcc2.F53 primer (SEQ ID NO: 19) and newG5S.an21.R41 primer (SEQ ID NO: 18). Amplified with (Genscript). The amplified DNA was extracted with phenol / chloroform and ethanol precipitation. The prepared DNA library was transcribed by run-off in vitro transcription using T7 RNA polymerase (TOYOBO), and the mRNA library was purified by isopropanol precipitation. The library of mRNA display peptides was released at 37 ° C on a 250 μL scale containing 2.5 μM mRNA library and 2.5 μM puromycin linker (BEX) using the release factor-free translation system (PURExpress ΔRF123 Kit, New England Biolabs). And by translating under 25 min conditions. Next, EDTA was added to the mRNA display peptide library to dissociate the ribosome. Reverse transcription of mRNA display peptide library using RNase H-inactivated reverse transcriptase (ReverTraAce, TOYOBO) and newG5S.R20 primer (SEQ ID NO: 20) under the condition of 42 ° C. for 30 minutes before the selection round I went there.

EDTAで逆転写反応をクエンチング後、HEPESで溶液を中和し、すべてのチオール基をトリス(2-カルボキシエチル)ホスフィン(TCEP)で還元し、磁気ビーズ(Dynabeads、 Life Technologies)に固定化したp-(クロロメチル)ベンズアミド(pClBz)を、該ペプチドライブラリーの溶液に、37℃で10分間混合した。上清を除去した後、ビーズをHBS-T(50 mM HEPES-K pH 7.5、300 mM NaCl、0.05 % tween 20)で3回洗浄し、pClBz固定化ビーズに結合した、ペプチドをコードするcDNAを、PCR pre-mixture溶液(10 mM Tris-HCl pH 8.4、50 mM KCl、0.1% Triton X-100、2 mM MgCl2、各0.25 mM dNTP、 0.25μM T7SD8M2-Sgcc2.F53(配列番号19)、0.25μM G5S-4an21.R41(配列番号11))で希釈し、ビーズ上の選択されたcDNAを、95℃、5分間で溶出した。溶出したcDNAの量を、SYBR greenを用いた定量的PCR(StepOnePlus、Applied Biosystems)で、T7SD8M2-Sgcc2.F53(配列番号19)及びG5S-4an21.R41(配列番号11)をプライマーとして用いて定量した。溶出したcDNAは、Taq DNAポリメラーゼ(Genscript)でPCR増幅して、次の選択ラウンドに供した。 After quenching the reverse transcription reaction with EDTA, the solution was neutralized with HEPES, all thiol groups were reduced with tris (2-carboxyethyl) phosphine (TCEP), and immobilized on magnetic beads (Dynabeads, Life Technologies) p- (Chloromethyl) benzamide (pClBz) was mixed with the peptide library solution at 37 ° C. for 10 minutes. After removing the supernatant, the beads were washed 3 times with HBS-T (50 mM HEPES-K pH 7.5, 300 mM NaCl, 0.05% tween 20), and the peptide-encoding cDNA bound to the pClBz-immobilized beads was removed. , PCR pre-mixture solution (10 mM Tris-HCl pH 8.4, 50 mM KCl, 0.1% Triton X-100, 2 mM MgCl 2 , each 0.25 mM dNTP, 0.25 μM T7SD8M2-Sgcc2.F53 (SEQ ID NO: 19), 0.25 Diluted with μM G5S-4an21.R41 (SEQ ID NO: 11)), the selected cDNA on the beads was eluted at 95 ° C. for 5 minutes. The amount of cDNA eluted was quantified using SYBR green quantitative PCR (StepOnePlus, Applied Biosystems) using T7SD8M2-Sgcc2.F53 (SEQ ID NO: 19) and G5S-4an21.R41 (SEQ ID NO: 11) as primers. did. The eluted cDNA was PCR amplified with Taq DNA polymerase (Genscript) and subjected to the next selection round.

二回目のラウンドから、ピューロマイシンリンカー(BEX)と前の工程で得られたcDNAライブラリーを含む未精製のPCR混合物を含むrelease factor-free transcription/translation-coupling システム(PURExpress ΔRF123 Kit、New England Biolabs)で転写と翻訳を行い、mRNAディスプレイペプチドライブラリーを調製した。調製された非共有結合のmRNAディスプレイペプチドライブラリーを、ReverTraAceを用いて42℃、30分の条件下で逆転写し、共有結合したcDNAディスプレイペプチドライブラリーを得た。逆転写反応をEDTAでクエンチング後、HEPES溶液で中和し、すべてのチオール基をTCEPで還元し、該cDNAディスプレイペプチドライブラリーを、pClBz無しの磁気ビーズ(Dynabeads、Life Technologies)と、25℃又は37℃、5分の条件下で、ネガティブセレクション用にインキュベートした。該ネガティブセレクションを5回行い、磁気ビーズに結合するペプチドを除去した。続いて、その上清を、pClBz固定化ビーズ(Dynabeads、Life Technologies又はFG beads、Tamagawa seiki)と、37℃でポジティブセレクション用に混合し、DMSO、SDSを含有し且つpClBz含有のHBS-Tで、37℃で5回洗浄した。ビーズ上の選択されたcDNAを、T7SD8M2-Sgcc2.F53(配列番号19)及びG5S-4an21.R41(配列番号11)をプライマーとして、SYBRを用いた定量的PCR (StepOnePlus、Applied Biosystems)で定量し、次の選択ラウンドのためにPCR Taq DNAポリメラーゼで増幅した。   From the second round, a release factor-free transcription / translation-coupling system (PURExpress ΔRF123 Kit, New England Biolabs) containing an unpurified PCR mixture containing puromycin linker (BEX) and the cDNA library from the previous step. ) Was transcribed and translated to prepare an mRNA display peptide library. The prepared non-covalent mRNA display peptide library was reverse transcribed using ReverTraAce at 42 ° C. for 30 minutes to obtain a covalently bound cDNA display peptide library. The reverse transcription reaction was quenched with EDTA, neutralized with HEPES solution, all thiol groups were reduced with TCEP, and the cDNA display peptide library was added to pClBz-free magnetic beads (Dynabeads, Life Technologies) at 25 ° C. Alternatively, it was incubated for negative selection at 37 ° C. for 5 minutes. The negative selection was performed 5 times to remove peptides that bound to the magnetic beads. Subsequently, the supernatant was mixed with pClBz-immobilized beads (Dynabeads, Life Technologies or FG beads, Tamagawa seiki) at 37 ° C. for positive selection, and DMSO, SDS-containing HBS-T containing pClBz-containing HBS-T. Washed 5 times at 37 ° C. The selected cDNA on the beads is quantified by quantitative PCR (StepOnePlus, Applied Biosystems) using SYBR using T7SD8M2-Sgcc2.F53 (SEQ ID NO: 19) and G5S-4an21.R41 (SEQ ID NO: 11) as primers. Amplified with PCR Taq DNA polymerase for the next round of selection.

本発明では、非常に多様な大きいライブラリーから特異的にタンパク質を標識するための(ポリ)ペプチド/タンパク質タグを迅速に同定できるシステム(Directed In Vitro Evolution of Reactive peptide-tags via Sequential Enrichment, 略してDIVERSシステム)を提供する。
本システムでは、ディスプレイされた(ポリ)ペプチド/タンパク質(表現型)とそれをコードするDNA(遺伝子型)が共有結合を介して連結されているので、変性剤などを利用した洗浄により、共有結合した(ポリ)ペプチド/タンパク質タグのみを選択することができる。また、転写、ピューロマイシン修飾、翻訳の工程が一溶液内で連続的に進行し、かつ、逆転写の工程まで精製なしのワンポットで進めることができるため、非常に短時間で大規模な(約1015種類)ライブラリーから(ポリ)ペプチド/タンパク質タグを同定することができる。
In the present invention, a system can be identified quickly (poly) peptide / protein tag for labeling the specifically proteins from highly diverse large libraries (D irected I n V itro E volution of R eactive peptide-tags via S equential E nrichment, to provide a DIVERS system) for short.
In this system, the displayed (poly) peptide / protein (phenotype) and its encoding DNA (genotype) are linked via a covalent bond. Only (poly) peptide / protein tags can be selected. In addition, the transcription, puromycin modification, and translation processes proceed continuously in one solution, and the reverse transcription process can be performed in a single pot without purification, so it can be performed on a large scale (about approx. ( 15 )) (poly) peptide / protein tags can be identified from the library.

また本発明によって得られる(ポリ)ペプチド/タンパク質タグはサイズが小さいため、(ポリ)ペプチド/タンパク質タグを融合した標的タンパク質の機能を阻害せず、任意の人工分子で標識も可能である。また、本発明は、複数の異なるタンパク質、複数の異なる標識物質(蛍光色素など)に適用することができる。
更には、本発明による(ポリ)ペプチド/タンパク質タグは、細胞内タンパク質の活性や相互作用を制御するのにも応用することができる。
Further, since the (poly) peptide / protein tag obtained by the present invention is small in size, it can be labeled with any artificial molecule without inhibiting the function of the target protein fused with the (poly) peptide / protein tag. The present invention can also be applied to a plurality of different proteins and a plurality of different labeling substances (fluorescent dyes and the like).
Furthermore, the (poly) peptide / protein tag according to the present invention can also be applied to control the activity and interaction of intracellular proteins.

Claims (11)

以下の工程:
(a) DNAライブラリーを転写してRNAライブラリーを作製する工程、
(b) RNAライブラリーのRNAの3’末端側に、リンカーを介して核酸誘導体を連結し、RNA−リンカー−核酸誘導体のライブラリーを作製する工程、
(c) RNA−リンカー−核酸誘導体のライブラリーのRNA部をmRNAとして、無細胞翻訳系でペプチド又はタンパク質合成を行い、mRNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーを作製する工程、
(d) mRNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーのmRNA部をDNAに逆転写して、cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーを作製する工程、
(e) cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーに、固定化された標的物質を接触させる工程、及び
(f) cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーのペプチド部又はタンパク質部と標的物質とが共有結合した結合体を選択する工程、
を含む、標的物質と共有結合可能なペプチド又はタンパク質の選択方法。
The following steps:
(a) a step of transcribing a DNA library to prepare an RNA library;
(b) a step of linking a nucleic acid derivative via a linker to the 3 ′ end of RNA in an RNA library to produce an RNA-linker-nucleic acid derivative library;
(c) RNA-linker-nucleic acid derivative library, using the RNA portion of the library as mRNA, peptide or protein synthesis in a cell-free translation system to produce an mRNA display peptide / protein library,
(d) a step of reverse-trancribing the mRNA portion of the mRNA display peptide / protein library to DNA to produce a cDNA display peptide / protein library;
(e) contacting the immobilized target substance with a cDNA display peptide / protein library; and
(f) selecting a conjugate in which the peptide part or protein part of the cDNA display peptide / protein library is covalently bound to the target substance;
A method for selecting a peptide or protein that can be covalently bound to a target substance.
前記工程(f)は、前記結合体を有機溶媒及び/又は変性剤で洗浄することを含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein step (f) comprises washing the conjugate with an organic solvent and / or a denaturing agent. 以下の工程:
(g) 選択された結合体のcDNAを増幅する工程
を更に含む、請求項1又は2に記載の方法。
The following steps:
3. The method of claim 1 or 2, further comprising (g) amplifying the cDNA of the selected conjugate.
前記工程(a)〜(g)を繰り返し行う、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the steps (a) to (g) are repeated. 以下の工程:
(h) 増幅されたcDNAの配列を決定する工程
を更に含む、請求項3又は4に記載の方法。
The following steps:
5. The method according to claim 3 or 4, further comprising the step of (h) determining the sequence of the amplified cDNA.
前記核酸誘導体はピューロマイシンである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。   6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the nucleic acid derivative is puromycin. 請求項1〜6のいずれかの方法で選択された、標的物質と共有結合可能なペプチド又はタンパク質を含有するペプチド/タンパク質タグ。   A peptide / protein tag containing a peptide or protein that can be covalently bound to a target substance, selected by the method according to any one of claims 1 to 6. 前記標的物質と共有結合可能なペプチド又はタンパク質は、少なくとも1つのシステイン残基を含む、請求項7に記載のペプチド/タンパク質タグ。   8. The peptide / protein tag according to claim 7, wherein the peptide or protein capable of covalently binding to the target substance contains at least one cysteine residue. 請求項1〜6のいずれかの方法で選択された標的物質と共有結合可能なペプチド又はタンパク質と、該ペプチド又はタンパク質をコードする核酸とが連結された、核酸ディスプレイペプチド/タンパク質。   A nucleic acid display peptide / protein in which a peptide or protein capable of covalently binding to a target substance selected by the method according to any one of claims 1 to 6 and a nucleic acid encoding the peptide or protein are linked. 請求項9に記載の核酸ディスプレイペプチド/タンパク質であって異なる核酸配列を有する複数の核酸ディスプレイペプチド/タンパク質からなるライブラリー。   10. A library comprising a plurality of nucleic acid display peptides / proteins according to claim 9, wherein the nucleic acid display peptides / proteins have different nucleic acid sequences. 以下の工程:
(a) DNAライブラリーを転写してRNAライブラリーを作製する工程、
(b) RNAライブラリーのRNAの3’末端側に、リンカーを介して核酸誘導体を連結し、RNA−リンカー−核酸誘導体のライブラリーを作製する工程、
(c) RNA−リンカー−核酸誘導体のライブラリーのRNAをmRNAとして、無細胞翻訳系でペプチド又はタンパク質合成を行い、mRNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーを作製する工程、
(d) mRNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーのmRNA部をDNAに逆転写して、cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーを作製する工程、
(e) cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーに、固定化された標的物質を接触させる工程、
(f) cDNAディスプレイペプチド/タンパク質ライブラリーのペプチド部又はタンパク質部と標的物質とが共有結合した結合体を選択する工程、及び
(g) 選択された結合体のcDNAを増幅する工程
を含む、標的物質と共有結合可能なペプチド又はタンパク質をコードする核酸の取得方法。
The following steps:
(a) a step of transcribing a DNA library to prepare an RNA library;
(b) a step of linking a nucleic acid derivative via a linker to the 3 ′ end of RNA in an RNA library to produce an RNA-linker-nucleic acid derivative library;
(c) RNA-linker-nucleic acid derivative library RNA is used as mRNA to synthesize peptides or proteins in a cell-free translation system to produce an mRNA display peptide / protein library,
(d) a step of reverse-trancribing the mRNA portion of the mRNA display peptide / protein library to DNA to produce a cDNA display peptide / protein library;
(e) contacting the immobilized target substance with a cDNA display peptide / protein library;
(f) selecting a conjugate in which the peptide part or protein part of the cDNA display peptide / protein library and the target substance are covalently bound, and
(g) A method for obtaining a nucleic acid encoding a peptide or protein capable of covalently binding to a target substance, which comprises amplifying cDNA of a selected conjugate.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022102791A1 (en) * 2020-11-16 2022-05-19 国立大学法人埼玉大学 Novel linker for antigen detection and antigen detection method using same

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