JP3772188B2 - Screening method for therapeutic agents for neurodegenerative diseases or genetic brain diseases - Google Patents

Screening method for therapeutic agents for neurodegenerative diseases or genetic brain diseases Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抗痴呆薬や抗てんかん薬等の神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬のスクリーニング方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
神経伝達物質であるアセチルコリンがムスカリン受容体を活性化すると、交感神経節や中枢神経細胞では、緩徐興奮性シナプシス後興奮(以下sEPSPと称する。)と数秒から数分続く活動電位頻度の上昇が生じる。このsEPSPは、ムスカリン受容体が活性化されることによって、Mと呼ばれるカリウムイオンチャンネル(以下、KCNQと称する。)タンパク質のイオン透過性が減少し、M電流が抑制されて引き起こされる。この一連のシグナル伝達機構は、いくつか不明な点を残している。
【0003】
これまでに、アセチルコリンによるこの神経興奮の上昇におけるセカンドメッセンジャーとしての役割を担う物質の候補として、ホスホリパーゼCの生成物であるジアシルグリセロールやイノシトール三リン酸等のいくつかの化合物が挙がってはいたものの確定はされていない。また、脳神経での神経興奮の機構自体に幾つかの仮説が存在していた(例えば、非特許文献1参照)。
【0004】
ところで、脳神経系の障害による痴呆症であるアルツハイマー病は、コリン作動性神経の変性脱落により生じるために、脳内アセチルコリン濃度を高めるため、分解酵素(アセチルコリンエステラーゼ)の阻害剤が抗痴呆剤として臨床的に使用されている。また、近年、遺伝性脳疾患である良性家族性てんかんとKCNQタンパク質との関係が示されている(非特許文献2)。
【0005】
【非特許文献1】
N.V. Marrion, Control of M-current, Annu. Rev. Physiol. 59, 483-504 (1997)
【0006】
【非特許文献2】
T.J.Jentsch, Neuronal KCNQ potassium channels: physiology and role in didease. Nat. Rev. Neuurosci. 1, 21-30(2000)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
KCNQは、その遺伝子異常によって様々な疾患を引き起こすと考えられることから、注目が集まっているが、ムスカリン受容体からKCNQ抑制に至るシグナル伝達経路は依然として不明点を残していた。また、神経疾患の治療に関する研究が日々進められているものの、アルツハイマー病等の痴呆症状や、てんかん等に対する根本的な治療法や治療薬の開発には至っておらず、既存の手法とは異なる新しい治療法の開発が望まれていた。
【0008】
本発明はこのような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、従来とは異なる機構でカリウムイオンチャンネルタンパク質のイオン透過性を制御する抗痴呆薬及び抗てんかん薬を効率的に選抜することができる神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬のスクリーニング方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
ところで本発明者らは、アセチルコリンに起因する神経細胞興奮機構の解明をするために、長年にわたる検討を行った結果、最近ムスカリン受容体からKCNQに至るシグナル伝達機構に、AKAP及びこれに結合したプロテインキナーゼが関与することを初めて解明することに成功した。そして、この機構を新規薬剤の開発に応用できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【0010】
すなわち、本発明に係る神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬のスクリーニング方法は、ムスカリン受容体とAKAP150KCNQ2とが発現している細胞に、ムスカリン受容体アゴニストとプロテインキナーゼC阻害剤とを投与する工程と、上記細胞に生ずる電流強度を測定する工程とを有し、測定された上記電流強度を、上記細胞にムスカリン受容体とプロテインキナーゼC制御部位標的阻害剤を投与したときに当該細胞に生ずる電流強度と比較し、上記プロテインキナーゼC阻害剤が上記プロテインキナーゼC制御部位標的阻害剤に分類されるか否かを判別することを特徴とする。
【0011】
また、本発明に係る神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬のスクリーニング方法は、ムスカリン受容体とAKAP150KCNQ2とが発現している細胞に、ムスカリン受容体アゴニストと放射性標識リン酸とプロテインキナーゼC阻害剤とを投与する工程と、上記KCNQ2に結合した上記放射性標識リン酸の放射活性を測定する工程とを有し、測定された上記放射活性から、上記プロテインキナーゼC阻害剤がAKAP150結合型プロテインキナーゼCに特異的な阻害剤であるか否かを判別することを特徴とする。
【0012】
正常神経組織においては、ムスカリン受容体→ホスホリパーゼC→イノシトール−3リン酸/カルシウムイオン→A−キナーゼアンカータンパク質、プロテインキナーゼCの機序で活性化が生じカリウムイオンチャンネル(KCNQ)タンパク質がリン酸化され、その結果、細胞膜系にM電流抑制が起り、神経細胞膜の興奮上昇となることが明らかとなった。
【0013】
既に、KCNQイオンチャネルに直接作用し、KCNQのイオン透過性を抑制することによる抗痴呆薬や、逆にKCNQのイオン透過性を上昇させる抗てんかん薬が開発されている。
【0014】
これに対して本発明は、本来生体の持つムスカリン受容体からKCNQへ至るシグナル伝達機構に関与するプロテインキナーゼCをターゲットとし、プロテインキナーゼCの活性を阻害又は促進することによって、KCNQのイオン透過性を間接的に調節する物質をスクリーニングすることができる。最も特徴的なことは、細胞内に遊離して存在するプロテインキナーゼCの活性ではなく、A−キナーゼアンカータンパク質結合型のプロテインキナーゼCの活性のみを有効に測定できることである。
【0015】
また、本発明に係るA−キナーゼアンカータンパク質とプロテインキナーゼCとの複合体は、A−キナーゼアンカータンパク質を介してKCNQと結合しており、上記A−キナーゼアンカータンパク質と上記プロテインキナーゼCとの結合性を調節する化合物やペプチドによって上記プロテインキナーゼCを解離しうることを特徴とする。
【0016】
例えばカリウムイオンチャンネルタンパク質が発現している細胞内に、上記A−キナーゼアンカータンパク質と上記プロテインキナーゼCとの結合性を弱める化合物とともに存在させると、プロテインキナーゼCが遊離され、カリウムイオンチャンネルタンパク質をリン酸化してM電流を抑制し、slow EPSPを生じる。また、2回目以降のアセチルコリンに対する反応が失われる。すなわち、この複合体は、アセチルコリンがムスカリン受容体を活性化するときに絶対必要なものである。このため、複合体を細胞中に積極的に存在させかつ解離が弱い刺激でも生じる状態を作り出せれば抗痴呆作用を持ち、他方、複合体をなくすか解離が起こらないようにすると反応が停止し抗てんかん薬として利用することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬のスクリーニング方法について、詳細に説明する。
【0018】
本発明者らは、長年にわたる鋭意検討の結果、図1に示すような、神経伝達物質であるアセチルコリンがムスカリン受容体を活性化して、カリウムイオンチャンネル(以下、KCNQと称する。)タンパク質のイオン透過性を減少させるという神経細胞でのイオンチャンネル制御機構の全容を解明することに成功した。特に、図1中、A−キナーゼアンカータンパク質(以下、AKAPと称することがある。)に結合したプロテインキナーゼC(以下、PKCと称することがある。)が、カルシウムイオン濃度やイノシトール三リン酸の上昇等によりAKAPから解離され、この解離されたPKCがセカンドメッセンジャーとなってKCNQをリン酸化してイオン透過性を減少させるという機構を新たに解明した。すなわち、ムスカリン受容体→ホスホリパーゼC→イノシトール−3リン酸/カルシウムイオン→AKAP→PKCの機序での活性化によりKCNQタンパク質がリン酸化され、その結果、細胞膜系にM電流抑制が起り、sEPSPの上昇、神経細胞膜の興奮上昇を引き起こすことが明らかとなった。
【0019】
ところで、KCNQ遺伝子の異常は良性家族性てんかんや難聴に関与していることが知られている。また、KCNQのイオン透過性を制御することで、痴呆をともなうアルツハイマー病を含む神経変性疾患や、てんかん等の遺伝性脳疾患を制御可能であることが実験的に示されている。すなわち、KCNQに直接作用し、KCNQのイオン透過性を抑制することによる抗痴呆薬や、逆にKCNQのイオン透過性を上昇させることによる抗てんかん薬の開発の努力がされている。
【0020】
上述したように、本発明者らは、KCNQに結合したAKAPとPKCとの三重複合体(以下、単に複合体と称することがある)から解離したPKCが、KCNQのイオン透過性を制御するという、新たな知見を見出した。ここで重要なのは、細胞質内に広く存在するPKCではなく、KCNQと接している複合体から解離したPKCがすぐ近傍のKCNQに作用することを見出したという点である。このことから、複合体から解離したPKCの活性を阻害又は促進することによって、KCNQのイオン透過性を調節することが大事と考えられる。
【0021】
すなわち、複合体から解離したPKCを標的とした薬剤は上述したようなKCNQに直接作用するタイプの抗痴呆薬とは異なるメカニズムではあるが、KCNQに直接作用するタイプの抗痴呆薬と同様のKCNQのイオン透過性減少が可能であると考えられる。また同様に、複合体から解離したPKCを標的としたPKCの不活性剤は、上述したようなKCNQに直接作用するタイプの抗てんかん薬とは異なるメカニズムによってではあるが、KCNQに直接作用するタイプの抗てんかん薬と同様のKCNQのイオン透過性上昇が可能であると考えられる。
【0022】
そこで、本発明者らは、複合体からの解離そのものを調節したり、解離した後はそのPKCを標的とする制御物質をスクリーニングする方法を提案した。最初に、本発明に係る神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬のスクリーニング方法の第1の例について説明する。
【0023】
第1の例では、先ず、ムスカリン受容体とAKAPとKCNQとが発現している細胞の存在下で、ムスカリン受容体アゴニストと被検物質とを投与する。
【0024】
ムスカリン受容体としては、例えばムスカリンm1受容体等が挙げられるが、特に限定されない。
【0025】
AKAPは、本来プロテインキナーゼAのみと結合するタンパク質と機能的に定義される一群のタンパク質であるが、さらにカルモジュリン、PKC及びカルシニューリンの足場となるAKAPが存在する。神経細胞での後シナプス部位でこれら複数の酵素を統合するAKAPとしては、例えば配列番号1で示されるラット由来のAKAP150や、ヒトAKAP79等が挙げられる。
【0026】
KCNQタンパク質は、神経細胞におけるイオン透過性に関与するイオンチャンネルタンパク質である。具体的なKCNQタンパク質としては、配列番号2で示されるKCNQ2や、配列番号3で示されるKCNQ3等が挙げられる。
【0027】
ここで用いるムスカリン受容体と、AKAPと、KCNQタンパク質とが発現している細胞としては、例えばこれらのタンパク質を本来発現している上頚神経節細胞や中枢神経細胞等の神経細胞等を使用することができる。より具体的には、ラットのSCG(superior cervical ganglion)細胞を使用することができる。また、上述のAKAP、KCNQ等のタンパク質をコードする遺伝子を組み込んだ発現ベクターを構築し、この発現ベクターを導入して形質転換されたチャイニーズハムスター卵巣細胞等も使用することができる。
【0028】
ムスカリン受容体アゴニストとしては、例えばアセチルコリン、ムスカリン、オキソトレモリン−M等のムスカリン受容体を活性化できる化合物を使用できる。
【0029】
次に、例えば電気生理学的手法を用いて、M電流抑制の電流値を測定し、その強度変化を観察する。これにより、細胞膜でのKCNQの動作状況を観察することができる。
【0030】
そして、測定された細胞の電流強度と、対照である被検物質非投与時の細胞の電流強度とを比較する。
【0031】
ここで、AKAPとPKCとの相互作用について詳細に説明する。PKCは、図2aに示すように、触媒活性部位と制御部位との主に2つの部分から構成され、触媒活性部位においてAKAPのN末端近傍と結合することによって複合体を形成しているものと考えられる。また、AKAPは、そのN末端近傍において、KCNQと三重に複合していると考えられる。なお、複合体を形成した状態のPKCは、その酵素活性が隠(マスク)されていて、KCNQをリン酸化することがない。
【0032】
そして、ムスカリン受容体アゴニストがムスカリン受容体を活性化すると、例えばイノシトール三リン酸やカルシウムイオン等による解離促進作用によって、図2bに示すように、AKAPからPKCの触媒活性部位が解離する。複合体から解離することによって、このPKCの酵素活性は表に現れかつ、活性化の影響を受け活性化され、直近に存在するKCNQをリン酸化する。この結果、KCNQのイオン透過性を減少させ、M電流の抑制を引き起こす。
【0033】
ところでPKC阻害剤は、PKCの触媒活性部位又は制御部位のいずれに作用するかによって、活性部位標的阻害剤と制御部位標的阻害剤との2種類に大まかに分類される。そして、PKC阻害剤のうち、活性部位標的阻害剤はPKCに到達する前にリン酸化してしまうため受容体反応を阻害できない。一方、制御部位標的阻害剤は複合体形成時において、あらかじめ活性抑制の準備が整った状態であるため、受容体刺激でPKCが遊離されてもPKCの活性は抑制されているので、受容体反応が阻害される、つまり、PKCの制御部位標的阻害剤は、KCNQのリン酸化を阻害し、イオン透過性を変化させないので、M電流抑制を妨げると考えられる。このPKCの制御部位標的阻害剤は、KCNQのイオン透過性を低下させM電流抑制を妨げるという従来の抗痴呆薬と同様の作用を、細胞に対して引き起こす。
【0034】
このため、M電流抑制の程度を調べることによって、被検物質がPKCの制御部位阻害剤であるか否か、すなわち、被検物質がAKAP結合型PKCに特異的な阻害剤であるか否かを判別することができる。そして、AKAP結合型PKCに特異的な阻害剤を選抜することによって、神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬をスクリーニングすることができる。具体的には、M電流抑制を相対的に妨げた被検物質は、抗てんかん薬の候補化合物となる可能性があり、逆にM電流抑制を期待できる被検物質は、抗痴呆薬薬の候補化合物となる可能性がある。
【0035】
以上のように、本発明の第1の例のスクリーニング方法によれば、細胞内に自由に存在するPKCの活性ではなく、AKAP結合型から遊離する分だけのPKC活性を有効に測定できるので、KCNQのイオン透過性を間接的に調節する物質、すなわち新規な抗痴呆薬又は抗てんかん薬の候補化合物を効率的に選抜することができる。
【0036】
また、本発明に係る神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬のスクリーニング方法の第2の例について説明する。
【0037】
先ず、ムスカリン受容体とAKAPとKCNQタンパク質とが発現している細胞を用意し、この細胞に、ムスカリン受容体アゴニストと放射性標識リン酸と、被検物質とを投与し、所定の時間インキュベートする。
【0038】
ここで用いるムスカリン受容体と、AKAPと、KCNQタンパク質とが発現している細胞としては、例えばこれらのタンパク質を本来発現している上頚神経節細胞や中枢神経細胞等の神経細胞等を使用することができる。より具体的には、ラットのSCG(superior cervical ganglion)細胞を使用することができる。また、上述のAKAP、KCNQ等のタンパク質をコードする遺伝子を組み込んだ発現ベクターを構築し、この発現ベクターを導入して形質転換されたチャイニーズハムスター卵巣細胞等も使用することができる。
【0039】
また、ムスカリン受容体とAKAPとKCNQタンパク質としては、第1の例で列挙したものと同様のものを使用することができる。
【0040】
放射性標識リン酸としては、[32P]-H3PO4等の通常の放射性標識リン酸を使用することができる。
【0041】
次に、カリウムイオンチャンネルタンパク質に結合した放射性標識リン酸の放射活性を測定する。具体的には、細胞を可溶化し、免疫沈降及び電気泳動法によってKCNQを分離し、分離後の放射活性をオートラジオグラフィー等で測定する。これによってKCNQのリン酸化量が求められる。
【0042】
ところで、KCNQのリン酸化も、M電流抑制と同様に、複合体から解離したPKCによって引き起こされる現象である。
【0043】
したがって、KCNQのリン酸化の程度を調べることによって、被検物質がPKCの制御部位阻害剤であるか否か、すなわち、被検物質が複合体の解離の程度を変えるかもしくは、AKAP結合型PKCに特異的な阻害剤であるか否かを判別することができる。そして、AKAP結合型PKCに特異的な阻害剤を選抜することによって、神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬をスクリーニングすることができる。具体的には、リン酸化量を相対的に増加した被検物質は、抗痴呆薬の候補化合物となる可能性があり、逆にKCNQのリン酸化量が小さい被検物質は、抗てんかん薬の候補化合物となる可能性がある。
【0044】
以上のように、本発明の第2の例のスクリーニング方法によれば、細胞内に遊離して存在するPKCの活性ではなく、A−キナーゼアンカータンパク質結合型のPKCの活性のみを有効に測定できるので、KCNQのイオン透過性を間接的に調節する物質やペプチド、すなわち新規な抗痴呆薬又は抗てんかん薬の候補化合物を効率的に選抜することができる。
【0045】
また、本発明に係るA−キナーゼアンカータンパク質とプロテインキナーゼCとの複合体は、図2に示すように、KCNQとA−キナーゼアンカータンパク質とプロテインキナーゼCとが結合してなる複合体である。この複合体は、A−キナーゼアンカータンパク質と上記プロテインキナーゼCとの結合性を調節する化合物によって上記プロテインキナーゼCを解離しうる。A−キナーゼアンカータンパク質と上記プロテインキナーゼCとの結合性を調節する物質としては、イノシトール三リン酸やカルシウムイオン等が挙げられる。
【0046】
例えばカリウムイオンチャンネルタンパク質が発現している細胞内に、上記A−キナーゼアンカータンパク質と上記プロテインキナーゼCとの結合性を弱める化合物とともに存在させると、プロテインキナーゼCが遊離され、カリウムイオンチャンネルタンパク質をリン酸化してM電流を抑制し、slow EPSPを生じる。また、2回目以降のアセチルコリンに対する反応が失われる。すなわち、この複合体は、アセチルコリンがムスカリン受容体を活性化するときに絶対必要なものである。このため、複合体を細胞中に積極的に存在させかつ解離が弱い刺激でも生じる状態を作り出せれば抗痴呆作用を持ち、他方、複合体をなくすか解離が起こらないようにすると反応が停止し抗てんかん薬として利用することができる。
【0047】
【実施例】
次に、本発明の実施例について具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0048】
実験1.(KCNQ2及びAKAP150の発現プラスミドの作製)
KCNQ2及びAKAP150のcDNAは、LA−taq−DNA合成酵素(タカラ)を用いて、GenBankから得たそれぞれの遺伝子データ(それぞれ配列番号2,配列番号1)を基にプライマ−をデザインして、ラット脳RNAをテンプレートとした逆転写酵素反応とDNA合成酵素連鎖反応(RT−PCR)とにより作製した。また、組み換えDNA合成酵素連鎖反応により変異cDNAを作製した。KCNQ2のcDNAをプラスミドpZeoSVに挿入して発現ベクターとした。AKAPのcDNAをプラスミドpTracer−SV40に挿入して、AKAP150の発現ベクターとした。グルタチオン−S−転移酵素(GST)融合AKAP150タンパクは、その遺伝子DNAをpGEXベクターに組み込み調製した。
【0049】
実験2.(細胞培養、cDNAの導入及び形質転換)
神経細胞は2−3週齢のラットから単離し、既報(Delmas, P. et al., J Physiol 506, 319-329 (1998))に従い培養した。次に、前記のDNAを組み込んだプラスミドを100μg/mlとなるように稀釈し、SCG神経細胞の核中に空気圧注入した。形質転換した細胞は培養状態にして保存した。pTracer−SV40にコードしたGFP−Zeocin耐性遺伝子融合タンパクはパッチクランプ法のために、その蛍光で検出した。ヒト−ムスカリンサブタイプm1受容体発現チャイニーズハムスター卵巣細胞(以下、CHOhm1細胞と称することがある。)は、1%子牛血清を加えたα−イーグル培養液で培養した。細胞は、リポフェクタミンプラス導入剤(インビトロゲン社製)またはフュジーン6導入剤(ロッシ モレキュラー バイオケミカル社製)を用いて培養液に植付け、後1日目に形質転換した。実験に使用したプラスミドはAKAP150−DNAを挿入したpTrace、又は無処理pTracerを用いて重複形質転換した。形質転換後2日目に、転換した細胞を選択した。PKC阻害剤の効果を調べるために、細胞に酵素阻害剤を下記の濃度で加えて1晩培養した。具体的には、100nM ビスインドリルマレイミドI(カルバイオケム社製)処理SCG神経細胞、100nM カルフォスチンC(カルバイオケム社製)処理SCG神経細胞、1.2μM ケレリスリン(カルバイオケム社製)処理SCG神経細胞、又は10μM サフィゴール(シグマ)処理SCG神経細胞である。
【0050】
実験3(神経細胞膜の電気生理学的測定)
分離細胞でのsEPSPの測定はアクソパッチ200Bパッチクランプ増幅器(アクソンインストラメント社製)を用いて行った。細胞からのシグナルは2kHzで取り出し、1kHzでフィルターした。電流の解析と測定はピークランプソフトウエアで行った。膜穿孔式パッチ法を使用して、既報(Selyanko, A.A., Stansfeld, C.E. & Brown, D.A. , Proc R Soc Lond B Biol Sci 250, 119-125 (1992))にしたがって、SCG神経細胞からの微細電流を測定した。アムホテリシンB(0.1mg/ml〜0.2mg/ml)を次の細胞外溶液に溶かした。細胞外溶液は130mM 酢酸カリウム、15mM 塩化カリウム、3mM 塩化マグネシウム、6mM塩化ナトリウム、10mM HEPES緩衝液(pH7.3)を含んでいる。細胞内溶液をピペットに満たした時の抵抗値は2〜3MΩであった。内部溶液は120mM塩化ナトリウム、6mM塩化カリウム、1.5mM塩化マグネシウム、2.5mM塩化カルシウム、11mMグルコース、10mMHEPES緩衝液(pH7.4)を含んでいる。M電流強度は、−20mVの保持電流から−50mVまでの500ミリ秒間のテスト刺激で生じる不活化電流として測定した。
【0051】
CHOhm1細胞におけるM電流はパッチ固定法の全細胞膜電位固定様式で測定した。パッチピペット電極の内部抵抗は4〜8MΩで、次の溶液を満たした。すなわち、90mMクエン酸カリウム、20mM塩化カリウム、3mM塩化マグネシウム、1mM塩化カルシウム、3mM EGTA、40mM HEPES緩衝液(pH7.4)よりなる溶液である。外部溶液は140mM 塩化ナトリウム、5mM 塩化カリウム、2mM 塩化マグネシウム、1mM 塩化カルシウム、10mM HEPES緩衝液(pH7.4)である。また、接続抵抗(90〜95%)と全細胞容量補正を用いた。形質変換したCHOhm1細胞のほとんどはこの測定条件下では比較的小さな減衰を示した。
【0052】
実験4.(PKC阻害剤によるSCG神経細胞でのM電流抑制の濃度依存性)
先ず、各種の神経細胞を段階的に異なる濃度のムスカリン性アセチルコリン受容体刺激剤(アゴニスト)であるオキソトレモリンーM(以下、Oxo−Mと称する。)で還流して、M電流を測定した。その結果を標準化した後に、各実験値を平均し、その値の変化をOxo−M濃度を段階的増加した時の時間変化に対して図式化した。結果を図3aに示す。細胞標品は無処理SCG神経細胞(対照細胞標品)、AKAP(ΔA)(1−143)で形質転換したSCG神経細胞、100nM ビスインドリルマレイミドI(カルバイオケム)(以下bisと記す。)処理SCG神経細胞、100nM カルフォスチンC(カルバイオケム)(以下calと記す。)処理SCG神経細胞、1.2μM ケレリスリン(カルバイオケム)(以下cheと記す。)処理神経細胞、又は10μM サフィゴール(シグマ)(以下safと記す。)処理SCG神経細胞である。
【0053】
実験5.
それぞれの神経細胞標品で得られたM−電流値のOxo−Mの濃度依存阻害のHill−プロットの結果を図3bに示す。使用した細胞は、無処理SCG神経細胞(対照細胞標品)、AKAP(ΔA)(1−143)で形質転換したSCG神経細胞、100nM bis 処理SCG神経細胞、100nM cal処理SCG神経細胞、1.2μM che処理神経細胞、又は、10μM saf処理SCG神経細胞である。その結果、AKAP(ΔA)及びPKC−制御部位標的阻害剤である、Saf又はCal処理細胞では、PKC−活性部位標的阻害剤であるBis又はChe処理細胞及び無処理細胞の場合とはM−電流抑制のOxo−M投与依存カーブの形が変り、高濃度側にずれて50%阻害濃度が増大する(抑制されにくい)ことが明らかとなった。
【0054】
実験6.(Oxo−M処理細胞でのカリウムチャンネルKCNQ2タンパク質のPKCによるリン酸化反応に対する各種の市販PKC阻害剤の影響)
CHOhm1細胞をFLAG−標識化KCNQ2で形質転換して48時間後に、無リン酸溶液に0.5 Ci/mlの放射性リン酸塩[32P]−H3PO4(アマーシャム ファルマシア バイオテク社製)を加えて4時間放置した。そのいくつかには実験5で使用したPKC阻害剤を加えた。その後に、10μMのOxo−Mで3分間の処理を行った。次に細胞をかき取り、700μlの氷冷したTNE溶液に移した。TNE溶液は150mM塩化ナトリウム、2mM EDTA、1%ノニデットP−40(ナカライ社製)、50mM フッ化ナトリウム、1mM ヴァナジン酸ナトリウム、1mMジチオスレイトール、タンパク分解酵素阻害剤混合物よりなる。
【0055】
細胞の可溶化はTNE溶液中で20分間、4℃で緩やかに振盪して行った。可溶化細胞液を遠心分離して上清液を取り、30μlのProtein G セファローズ4 (アマーシャム ファルマシア バイオテク社製)に通して精製して使用した。上清液は2時間、4μgのM2−抗FLAG抗体と反応し、次にProtein G 結合ビーズを加えて4℃で1時間処理した。免疫反応した沈殿物は6回TNE緩衝液で洗浄した。6%SDS−ポリアクリルアミドゲル電気泳動を行った後に、[32P]−H3PO4で標識したKCNQ2を、富士フィルム社製のBAS1000を用いたリン酸イメージ法で検出した。一方、免疫沈降したタンパク質のうち、リン酸化されたタンパク質はKCNQ2タンパク質である事を抗FLAG抗体を用いたウエスターンブロット法により確認した(図4a)。
【0056】
実験7.(リン酸化KCNQ2タンパク質の32P−標識されたアミノ酸の分析)
【0057】
リン酸化アミノ酸の分析はSDS−ポリアクリルアミドゲル上の試料タンパクをPDVF膜にブロッティングして、タンパク質が結合した部分の膜を切り取り、6N−塩酸中で110℃で90分間処理して加水分解し、それをセルローズ(支持体の)薄層クロマト紙を用いて電気泳動して分離し、[32P]−リン酸で標識されたアミノ酸を検出した。その結果、[32P]標識アミノ酸の泳動位置からリン酸化セリンと同定された(図4b)。
【0058】
実験8.(KCNQ2タンパク質のリン酸化に対するOxo−Mの促進効果)CHOhm1細胞をFLAG−標識化KCNQ2タンパク質とAKAP150タンパク質又はAKAP(ΔA)タンパク質で同時に形質転換した。48時間後に無リン酸−溶液に0.5 Ci/mlの放射性リン酸塩[32P]−H3PO4(アマーシャム ファルマシア バイオテク社製)を加えて4時間放置した。その後に、10μMのOxo−Mで3分間の処理を行った。その後、KCNQ2タンパク質のリン酸化を実験6の方法で分析した。
【0059】
この結果、AKAP150タンパク質を発現した細胞ではムスカリン刺激でリン酸化されたが、AKAP(ΔA)変異タンパク質を発現した細胞ではOxo−Mによるリン酸化効果が抑制された。これはAKAP150タンパク質とPKCとの複合体の形成をAKAP(ΔA)変異タンパク質が阻止した結果、Oxo−Mのリン酸化の作用が抑えられたためである。(図4c)
【0060】
実験9.(KCNQ2タンパク質のOxo−Mによるリン酸化の促進に対するPKC阻害剤の効果)
FLAG−標識化KCNQ2タンパク質で形質転換したCHOhm1細胞を実験5で使用した各種の市販PKC阻害剤で処理した後、KCNQ2タンパク質のリン酸化を調べた。処理した細胞を破壊後、免疫沈降及び電気泳動法で分離したKCNQ2タンパク質のリン酸イメージ法で分析を行ってリン酸化量を求めた。結果を図4dに示す。図4dに示す様に、対照細胞標品にOxo−Mを加えるとリン酸化は1.5倍の増加を示す。これに対しBisとCheの存在下ではリン酸化量は僅かに下がるのみであるが、CalとSafではリン酸化促進に対して強い阻害効果を示す。先の実験5の結果とともに、4種の市販PKC阻害剤は2群に分けられること、すなわち、阻害剤の作用機構が異なったものであることを示している。制御部位標的阻害剤と言われるCal及びSafはAKAP結合状態ですでにPKCを阻害している状態にあり、したがって遊離されて酵素活性部位が露出してもPKCが作用せず、KCNQ2タンパク質のリン酸化が生じない一方、活性部位標的阻害剤とされるBis及びCheはOxo−Mの作用をわずかに抑制するに過ぎない。
【0061】
ここで、実験1〜実験9の結果について、以下に概要を述べる。先ず、KCNQ2、AKAP150、AKAPのKCNQ2結合領域のみの欠損タンパク質(AKAP(ΔA)(1−143))のcDNA、又はAKAP変異タンパクのcDNAを挿入した発現ベクターを構築し、次いでラットSCG細胞へ発現ベクターを注入して形質転換細胞を調製した。また、CHOhm1細胞にAKAP150−DNAを挿入したプラスミドを導入して形質転換した。
【0062】
次に、SCG細胞を用いた電気生理学的手法によって、ムスカリン受容体に対するOxo−Mの作用によるM電流の強度変化を測定して、神経細胞膜でのカリウムイオンチャンネルの動作状況を観察した。M電流はOxo−Mに濃度依存した変化を示す。また、AKAP(ΔA)(1−143)の遺伝子DNAで形質変換した細胞を用いた場合には、M電流のOxo−Mの濃度依存性を変化させる。PKC阻害剤をSCG神経細胞に添加後、Oxo−MのM電流抑制を測定したところ、AKAP様に作用するものと、AKAP(ΔA)(1−143)様に作用するものとの2種のグループに分けられた。前者はPKC活性部位標的阻害剤と言われる阻害剤であり、後者はPKC制御部位標的阻害剤と言われる阻害剤である。前者は、Oxo−M濃度に対するHillプロットでは低濃度のOxo−MでM電流の50%阻害が見られるが、後者では高濃度で50%阻害が認められ、これらの阻害剤は、PKCの阻害様式が異なることが示された。したがって、Oxo−M濃度に対するM電流抑制を測定することにより、薬剤の神経細胞の対する作用(結合型か否か)を判別することが可能である。
【0063】
ところで、CHOhm1細胞をKCNQ2で形質転換した細胞を反応系にしたとき、KCNQ2のリン酸化はOxo−Mにより促進する。また、m1受容体阻害剤であるピレンゼピンによりOxo−Mの効果は拮抗される。AKAP(ΔA)を同時に形質転換した細胞ではOxo−Mによる促進は相殺され、リン酸化反応にAKAPが関与していることを示している。KCNQ2のリン酸化されたアミノ酸を分析した結果、セリンのリン酸化が明らかになり、PKCの触媒作用によりリン酸化反応が進行したことを示唆している。
【0064】
また、KCNQ2で形質転換したCHOhm1細胞にPKC阻害剤を加えた後に、リン酸のKCNQ2への取り込み量はOxo−Mの添加効果により、対照では1.5倍増加するが、PKCの制御部位標的阻害剤ではリン酸の取り込みが減少する。一方、活性部位標的阻害剤ではOxo−Mの効果は変化していない。このことは、リン酸化反応に結合型のPKCのみが関与している事を示唆している。AKAP結合型のPKCによるKCNQ2のイオン透過性の抑制がまさにアセチルコリンの作用であり、神経活動を活発化(興奮)する。この阻害剤の結果に基づき、アセチルコリンの細胞内作用と同等の作用薬は抗痴呆薬として使え、PKCの制御部位標的活性化剤やリン酸化促進剤と位置付けられる。一方、PKCの制御部位標的阻害剤は抗てんかん剤とされ、本方法でスクリーニングが可能である。
【0065】
以上の実験結果から、M電流抑制効果の薬剤濃度又はKCNQ2タンパク質のリン酸化に対する薬剤の阻害又は促進作用を調べることにより、KCNQのイオン透過性を間接的に調節する物質をスクリーニングすることができる。神経細胞でのカリウムイオンチャンネルKCNQ2又はKCNQ3の働きを促進しカリウムイオンの透過量を上昇させる薬剤は抗てんかん薬となり、逆に透過量の低下に働く薬剤は抗痴呆薬となることが期待される。このようなPKC阻害薬剤の開発は、痴呆症状及びてんかんの新規な治療方法を開発するうえで極めて重要である。
【0066】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、これまでの抗痴呆薬や抗てんかん薬とは異なる機構でカリウムイオンチャンネルタンパク質のイオン透過性を制御可能な化合物を効率的に選抜できるので、新規な抗痴呆薬や抗てんかん薬の開発に貢献することができる。
【0067】
【配列表】

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【図面の簡単な説明】
【図1】ムスカリン受容体刺激によりKCNQタンパク質がリン酸化のため抑制されて、神経細胞膜興奮の上昇に至るまでのシグナル伝達機構を説明する模式図である。
【図2】KCNQとAKAPとPKCとの存在状態を説明するために、KCNQのC末端側を抜き出した模式図である。図2aは、KCNQに結合するAKAPがさらにPKCとが複合体を形成している状態であり、図2bは、そのAKAPからPKCが解離した状態である。
【図3】図3aは、Oxo−M濃度の段階的な増加に伴うM電流強度の標準化平均値の時間変化を示す図である。(白丸)はPKC阻害剤未添加のSCG神経細胞、(黒丸)はPKC阻害剤未添加のAKAP(ΔA)(1−143)で形質転換したSCG神経細胞、(菱形)は1.2μMケレリスリン添加SCG神経細胞、(黒四角)は100nMビスインドリルマレイミド添加SCG神経細胞、(白三角)は100nMカルフォスチンC添加SCG神経細胞、(黒逆三角)は10μMサフィゴール添加SCG神経細胞を示す。図3bは、PKC阻害剤添加又は未添加のSCG細胞における、M電流抑制に対するOxo−Mの阻害の濃度依存性を示す図である。
【図4】図4aは、Oxo−Mの添加又は非添加でのFLAG標識KCNQ2チャンネルのリン酸化を調べた実験結果である。図4bは、KCNQのセリン残基がリン酸化されることを示す実験結果である。図4c上は、KCNQへの放射性標識リン酸の取り込みをオートラジオグラフィーによって分析した結果であり、図4c下は、KCNQチャンネルのリン酸化は、ムスカリン阻害剤のピレンゼピンによってブロックされることを示す図である。図4c中、*は標準誤差を表し、P<0.05である。図4dは、Oxo−Mによるリン酸化の促進に対するPKC阻害剤の抑制効果を示す図である。*, **は標準誤差を表し、それぞれP<0.05 及びP<0.01である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a screening method for therapeutic agents for neurodegenerative diseases such as anti-dementia drugs and antiepileptic drugs, or therapeutic agents for inherited brain diseases.
[0002]
[Prior art]
When acetylcholine, a neurotransmitter, activates muscarinic receptors, slow excitatory post-synaptic excitation (hereinafter referred to as sEPSP) and an increase in action potential frequency lasting from several seconds to several minutes occur in sympathetic ganglia and central nerve cells. . This sEPSP is caused by activation of a muscarinic receptor, which decreases the ion permeability of a potassium ion channel (hereinafter referred to as KCNQ) protein called M and suppresses M current. This series of signal transduction mechanisms leaves some unclear points.
[0003]
So far, several compounds such as diacylglycerol and inositol triphosphate, which are products of phospholipase C, have been listed as candidates for substances that play a role as second messengers in this increase in nerve excitation by acetylcholine. It has not been confirmed. Moreover, some hypotheses existed in the mechanism itself of nerve excitation in the cranial nerve (see, for example, Non-Patent Document 1).
[0004]
By the way, Alzheimer's disease, which is a dementia caused by cranial nervous system disorders, is caused by degeneration of cholinergic nerves. Therefore, an inhibitor of degrading enzyme (acetylcholinesterase) is clinically used as an anti-dementia agent in order to increase the acetylcholine concentration in the brain. Has been used. In recent years, a relationship between benign familial epilepsy, which is a hereditary brain disease, and KCNQ protein has been shown (Non-patent Document 2).
[0005]
[Non-Patent Document 1]
NV Marrion, Control of M-current, Annu. Rev. Physiol. 59, 483-504 (1997)
[0006]
[Non-Patent Document 2]
TJJentsch, Neuronal KCNQ potassium channels: physiology and role in didease. Nat. Rev. Neuurosci. 1, 21-30 (2000)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
KCNQ is attracting attention because it is thought to cause various diseases by its genetic abnormality, but the signal transduction pathway from muscarinic receptor to KCNQ suppression still remains unclear. In addition, although research on neurological treatments is ongoing, the development of fundamental therapies and drugs for dementia symptoms such as Alzheimer's disease and epilepsy has not been achieved, and new methods that differ from existing methods Development of a treatment method has been desired.
[0008]
The present invention has been proposed in view of such conventional circumstances, and efficiently selects an anti-dementia drug and an antiepileptic drug that control the ion permeability of potassium ion channel protein by a mechanism different from the conventional one. It is an object of the present invention to provide a screening method for a therapeutic agent for neurodegenerative disease or a genetic brain disease.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
By the way, as a result of studies conducted over many years in order to elucidate the mechanism of neuronal excitability caused by acetylcholine, the present inventors have recently found that AKAP and proteins bound to AKAP have been introduced into the signal transduction mechanism from muscarinic receptor to KCNQ. We have succeeded in elucidating for the first time that a kinase is involved. The inventors have found that this mechanism can be applied to the development of new drugs, and have completed the present invention.
[0010]
That is, the screening method for a therapeutic agent for neurodegenerative disease or a genetic brain disease according to the present invention comprises a muscarinic receptor and AKAP150 When KCNQ2 And a cell expressing muscarinic receptor agonist Protein kinase C inhibitor And a step of measuring a current intensity generated in the cell; Have Measured current intensity Is compared with the current intensity generated in the cells when a muscarinic receptor and a protein kinase C control site target inhibitor are administered to the cells, and the protein kinase C inhibitor is classified as the protein kinase C control site target inhibitor. To determine whether or not It is characterized by.
[0011]
Further, the screening method for the therapeutic agent for neurodegenerative disease or the genetic brain disease according to the present invention comprises a muscarinic receptor and AKAP150 When KCNQ2 And cells expressing muscarinic receptor agonist, radiolabeled phosphate and Protein kinase C inhibitor And a step of administering KCNQ2 Measuring the radioactivity of the radiolabeled phosphate bound to Have Measured radioactivity above From the above, it is determined whether or not the protein kinase C inhibitor is a specific inhibitor for AKAP150-binding protein kinase C. It is characterized by that.
[0012]
In normal nervous tissue, activation occurs through the mechanism of muscarinic receptor → phospholipase C → inositol-3-phosphate / calcium ion → A-kinase anchor protein, protein kinase C, and potassium ion channel (KCNQ) protein is phosphorylated. As a result, it was clarified that M current suppression occurs in the cell membrane system and the excitement of the nerve cell membrane increases.
[0013]
Already, anti-dementia drugs that act directly on KCNQ ion channels and suppress KCNQ ion permeability, and conversely, antiepileptic drugs that increase KCNQ ion permeability have been developed.
[0014]
In contrast, the present invention targets protein kinase C, which is involved in the signal transduction mechanism from muscarinic receptor to KCNQ inherent in the living body, and inhibits or promotes the activity of protein kinase C, thereby allowing KCNQ ion permeability. It is possible to screen for substances that indirectly regulate. The most characteristic feature is that only the activity of protein kinase C of the A-kinase anchor protein-binding type can be effectively measured, not the activity of protein kinase C that is present free in the cell.
[0015]
The complex of A-kinase anchor protein and protein kinase C according to the present invention is bound to KCNQ via the A-kinase anchor protein, and the binding of the A-kinase anchor protein to the protein kinase C The protein kinase C can be dissociated by a compound or peptide that regulates sex.
[0016]
For example, when a potassium ion channel protein is expressed in a cell together with a compound that weakens the binding between the A-kinase anchor protein and the protein kinase C, the protein kinase C is released, and the potassium ion channel protein is phosphorylated. Oxidizes to suppress M current and produces slow EPSP. In addition, the second and subsequent reactions to acetylcholine are lost. That is, this complex is absolutely necessary when acetylcholine activates muscarinic receptors. For this reason, if the complex is actively present in the cell and a state that occurs even with a weak dissociation stimulus is created, it has an anti-dementia effect, while if the complex is eliminated or dissociation does not occur, the reaction stops. It can be used as an antiepileptic drug.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the screening method for the therapeutic agent for neurodegenerative disease or the genetic brain disease of the present invention will be described in detail.
[0018]
As a result of intensive studies over many years, the present inventors, as shown in FIG. 1, acetylcholine, which is a neurotransmitter, activates a muscarinic receptor and ion permeates a potassium ion channel (hereinafter referred to as KCNQ) protein. We succeeded in elucidating the whole mechanism of ion channel control in nerve cells to reduce sex. In particular, in FIG. 1, protein kinase C (hereinafter sometimes referred to as PKC) bound to an A-kinase anchor protein (hereinafter sometimes referred to as AKAP) has a calcium ion concentration or inositol triphosphate. The mechanism of dissociation from AKAP due to an increase or the like, and the dissociated PKC becomes a second messenger to phosphorylate KCNQ to decrease ion permeability was newly elucidated. That is, activation of the muscarinic receptor → phospholipase C → inositol-3-phosphate / calcium ion → AKAP → PKC leads to phosphorylation of KCNQ protein, resulting in suppression of M current in the cell membrane system, and sEPSP It became clear that it caused an increase in the excitement of the nerve cell membrane.
[0019]
By the way, it is known that abnormalities in the KCNQ gene are involved in benign familial epilepsy and hearing loss. Moreover, it has been experimentally shown that by controlling the ion permeability of KCNQ, it is possible to control neurodegenerative diseases including Alzheimer's disease accompanied by dementia and inherited brain diseases such as epilepsy. That is, efforts have been made to develop an anti-dementia drug that acts directly on KCNQ and suppresses KCNQ ion permeability, and conversely, an antiepileptic drug that increases KCNQ ion permeability.
[0020]
As described above, the present inventors say that PKC dissociated from a triple complex of AKAP and PKC bound to KCNQ (hereinafter sometimes simply referred to as a complex) controls the ion permeability of KCNQ. And found new findings. What is important here is that it was found that PKC dissociated from the complex in contact with KCNQ acts on nearby KCNQ, not PKC widely present in the cytoplasm. From this, it is considered important to regulate the ion permeability of KCNQ by inhibiting or promoting the activity of PKC dissociated from the complex.
[0021]
That is, a drug targeting PKC dissociated from the complex has a mechanism different from that of an anti-dementia drug that directly acts on KCNQ as described above, but the same KCNQ as an anti-dementia drug of a type that directly acts on KCNQ. It is thought that the ion permeability can be reduced. Similarly, a PKC inactive agent targeting PKC dissociated from the complex is a type that acts directly on KCNQ, although it is different from the antiepileptic drugs that act directly on KCNQ as described above. It is considered possible to increase the KCNQ ion permeability in the same manner as other antiepileptic drugs.
[0022]
Therefore, the present inventors have proposed a method of regulating the dissociation itself from the complex, or screening a regulatory substance targeting the PKC after the dissociation. First, a first example of a screening method for a therapeutic drug for neurodegenerative disease or a genetic brain disease according to the present invention will be described.
[0023]
In the first example, first, a muscarinic receptor agonist and a test substance are administered in the presence of cells expressing muscarinic receptors, AKAP, and KCNQ.
[0024]
Examples of muscarinic receptors include, but are not particularly limited to, muscarinic m1 receptors.
[0025]
AKAP is a group of proteins that are functionally defined as proteins that originally bind only to protein kinase A, but there is also AKAP that serves as a scaffold for calmodulin, PKC, and calcineurin. Examples of AKAP that integrates a plurality of enzymes at a post-synaptic site in a nerve cell include rat-derived AKAP150 represented by SEQ ID NO: 1 and human AKAP79.
[0026]
KCNQ protein is an ion channel protein involved in ion permeability in nerve cells. Specific examples of the KCNQ protein include KCNQ2 represented by SEQ ID NO: 2, KCNQ3 represented by SEQ ID NO: 3, and the like.
[0027]
As the cells expressing muscarinic receptor, AKAP, and KCNQ protein used here, for example, nerve cells such as upper cervical ganglion cells and central nerve cells that originally express these proteins are used. be able to. More specifically, rat SCG (superior cervical ganglion) cells can be used. Also, Chinese hamster ovary cells transformed by introducing an expression vector into which a gene encoding a protein such as AKAP or KCNQ described above has been introduced can be used.
[0028]
As a muscarinic receptor agonist, for example, a compound capable of activating a muscarinic receptor such as acetylcholine, muscarin, oxotremorine-M and the like can be used.
[0029]
Next, the current value of M current suppression is measured using, for example, an electrophysiological technique, and the intensity change is observed. Thereby, the operation | movement condition of KCNQ in a cell membrane can be observed.
[0030]
Then, the measured current intensity of the cell is compared with the current intensity of the cell when the test substance, which is a control, is not administered.
[0031]
Here, the interaction between AKAP and PKC will be described in detail. As shown in FIG. 2a, PKC is mainly composed of two parts, a catalytic active site and a control site, and forms a complex by binding to the vicinity of the N-terminus of AKAP at the catalytic active site. Conceivable. AKAP is considered to be triple-complexed with KCNQ in the vicinity of its N-terminus. Note that the PKC in a complex-formed state has its enzyme activity hidden (masked), and does not phosphorylate KCNQ.
[0032]
When the muscarinic receptor agonist activates the muscarinic receptor, the catalytically active site of PKC is dissociated from AKAP by, for example, dissociation promoting action by inositol triphosphate, calcium ion or the like, as shown in FIG. 2b. By dissociating from the complex, the enzyme activity of this PKC appears in the table and is activated under the influence of activation, and phosphorylates the most recent KCNQ. As a result, the ion permeability of KCNQ is reduced and M current is suppressed.
[0033]
By the way, PKC inhibitors are roughly classified into two types, active site target inhibitors and control site target inhibitors, depending on whether they act on the catalytic active site or control site of PKC. Of the PKC inhibitors, the active site target inhibitor is phosphorylated before reaching PKC, and thus cannot inhibit the receptor reaction. On the other hand, since the control site target inhibitor is in a state in which preparations for activity suppression are already prepared at the time of complex formation, the activity of PKC is suppressed even if PKC is released by receptor stimulation. In other words, the PKC regulatory site target inhibitor inhibits phosphorylation of KCNQ and does not change the ionic permeability, thus preventing M current suppression. This PKC control site target inhibitor causes the same effect on cells as a conventional anti-dementia drug, which decreases KCNQ ion permeability and prevents M current suppression.
[0034]
Therefore, by examining the degree of M current suppression, whether or not the test substance is a PKC control site inhibitor, that is, whether or not the test substance is an inhibitor specific for AKAP-binding PKC. Can be determined. Then, by selecting an inhibitor specific for AKAP-binding PKC, a therapeutic agent for neurodegenerative disease or a therapeutic agent for inherited brain disease can be screened. Specifically, a test substance that has relatively inhibited M-current suppression may be a candidate compound for antiepileptic drugs. Conversely, a test substance that can be expected to suppress M-current is an anti-dementia drug. Can be a candidate compound.
[0035]
As described above, according to the screening method of the first example of the present invention, it is possible to effectively measure not only the activity of PKC freely present in cells but the amount of PKC that is released from the AKAP binding type. A substance that indirectly regulates the ion permeability of KCNQ, that is, a novel anti-dementia drug or antiepileptic drug candidate compound can be efficiently selected.
[0036]
In addition, a second example of the screening method for a therapeutic drug for neurodegenerative disease or a genetic brain disease according to the present invention will be described.
[0037]
First, a cell in which a muscarinic receptor, AKAP, and KCNQ protein are expressed is prepared, and a muscarinic receptor agonist, a radiolabeled phosphate, and a test substance are administered to the cell and incubated for a predetermined time.
[0038]
As the cells expressing muscarinic receptor, AKAP, and KCNQ protein used here, for example, nerve cells such as upper cervical ganglion cells and central nerve cells that originally express these proteins are used. be able to. More specifically, rat SCG (superior cervical ganglion) cells can be used. Also, Chinese hamster ovary cells transformed by introducing an expression vector into which a gene encoding a protein such as AKAP or KCNQ described above has been introduced can be used.
[0039]
Moreover, as a muscarinic receptor, AKAP, and KCNQ protein, the thing similar to what was enumerated in the 1st example can be used.
[0040]
As radiolabeled phosphate, [ 32 P] -H Three PO Four Ordinary radiolabeled phosphoric acid such as can be used.
[0041]
Next, the radioactivity of the radiolabeled phosphate bound to the potassium ion channel protein is measured. Specifically, the cells are solubilized, KCNQ is separated by immunoprecipitation and electrophoresis, and the radioactivity after separation is measured by autoradiography or the like. Thereby, the phosphorylation amount of KCNQ is obtained.
[0042]
By the way, phosphorylation of KCNQ is a phenomenon caused by PKC dissociated from the complex as well as M current suppression.
[0043]
Therefore, by examining the degree of phosphorylation of KCNQ, whether or not the test substance is a PKC control site inhibitor, that is, whether the test substance changes the degree of dissociation of the complex, or AKAP-binding PKC It is possible to determine whether or not it is a specific inhibitor. Then, by selecting an inhibitor specific for AKAP-binding PKC, a therapeutic agent for neurodegenerative disease or a therapeutic agent for inherited brain disease can be screened. Specifically, a test substance having a relatively increased amount of phosphorylation may be a candidate compound for an anti-dementia drug, and conversely, a test substance having a low KCNQ phosphorylation level is an antiepileptic drug. Can be a candidate compound.
[0044]
As described above, according to the screening method of the second example of the present invention, it is possible to effectively measure only the activity of PKC of A-kinase anchor protein binding type, not the activity of PKC free to exist in cells. Therefore, a substance or peptide that indirectly regulates the ion permeability of KCNQ, that is, a novel anti-dementia drug or antiepileptic drug candidate compound can be efficiently selected.
[0045]
Further, the complex of A-kinase anchor protein and protein kinase C according to the present invention is a complex formed by binding KCNQ, A-kinase anchor protein and protein kinase C as shown in FIG. This complex can dissociate the protein kinase C by a compound that regulates the binding between the A-kinase anchor protein and the protein kinase C. Examples of the substance that regulates the binding property between the A-kinase anchor protein and the protein kinase C include inositol triphosphate and calcium ion.
[0046]
For example, when a potassium ion channel protein is expressed in a cell together with a compound that weakens the binding between the A-kinase anchor protein and the protein kinase C, the protein kinase C is released, and the potassium ion channel protein is phosphorylated. Oxidizes to suppress M current and produces slow EPSP. In addition, the second and subsequent reactions to acetylcholine are lost. That is, this complex is absolutely necessary when acetylcholine activates muscarinic receptors. For this reason, if the complex is actively present in the cell and a state that occurs even with a weak dissociation stimulus is created, it has an anti-dementia effect, while if the complex is eliminated or dissociation does not occur, the reaction stops. It can be used as an antiepileptic drug.
[0047]
【Example】
Next, examples of the present invention will be specifically described, but the present invention is not limited to these examples.
[0048]
Experiment 1. (Preparation of expression plasmids for KCNQ2 and AKAP150)
KCNQ2 and AKAP150 cDNAs were designed using LA-taq-DNA synthase (Takara) based on the respective gene data obtained from GenBank (SEQ ID NO: 2 and SEQ ID NO: 1), respectively. It was prepared by reverse transcriptase reaction using brain RNA as a template and DNA synthase chain reaction (RT-PCR). A mutant cDNA was prepared by a recombinant DNA synthase chain reaction. KCNQ2 cDNA was inserted into plasmid pZeoSV to prepare an expression vector. The AKAP cDNA was inserted into the plasmid pTracer-SV40 to obtain an expression vector for AKAP150. A glutathione-S-transferase (GST) fusion AKAP150 protein was prepared by incorporating the gene DNA into a pGEX vector.
[0049]
Experiment 2. (Cell culture, cDNA introduction and transformation)
Nerve cells were isolated from 2-3 week old rats and cultured according to a previous report (Delmas, P. et al., J Physiol 506, 319-329 (1998)). Next, the plasmid incorporating the above DNA was diluted to 100 μg / ml and pneumatically injected into the nucleus of SCG neurons. The transformed cells were stored in a cultured state. The GFP-Zeocin resistant gene fusion protein encoded by pTracer-SV40 was detected by its fluorescence for the patch clamp method. Human-muscarinic subtype m1 receptor-expressing Chinese hamster ovary cells (hereinafter sometimes referred to as CHOhm1 cells) were cultured in an α-Eagle culture medium supplemented with 1% calf serum. The cells were transplanted into the culture solution using a lipofectamine plus transducing agent (Invitrogen) or Fugene 6 transducing agent (Rossi Molecular Biochemical), and transformed on the first day. The plasmid used in the experiment was duplicate transformed with pTrace into which AKAP150-DNA was inserted or untreated pTracer. On the second day after transformation, transformed cells were selected. In order to examine the effect of the PKC inhibitor, an enzyme inhibitor was added to the cells at the following concentrations and cultured overnight. Specifically, 100 nM bis-indolylmaleimide I (Calbiochem) treated SCG neurons, 100 nM Calfostin C (Calbiochem) treated SCG neurons, 1.2 μM chelerythrine (Calbiochem) treated SCG neurons, or 10 μM Safgor (sigma) -treated SCG neurons.
[0050]
Experiment 3 (Electrophysiological measurement of nerve cell membrane)
The measurement of sEPSP in the separated cells was performed using an Axo Patch 200B patch clamp amplifier (Axon Instruments). The signal from the cells was removed at 2 kHz and filtered at 1 kHz. Current analysis and measurement was performed with peak lamp software. Fine currents from SCG neurons using the membrane perforated patch method according to previous reports (Selyanko, AA, Stansfeld, CE & Brown, DA, Proc R Soc Lond B Biol Sci 250, 119-125 (1992)) Was measured. Amphotericin B (0.1 mg / ml to 0.2 mg / ml) was dissolved in the following extracellular solution. The extracellular solution contains 130 mM potassium acetate, 15 mM potassium chloride, 3 mM magnesium chloride, 6 mM sodium chloride, 10 mM HEPES buffer (pH 7.3). When the intracellular solution was filled into a pipette, the resistance value was 2 to 3 MΩ. The internal solution contains 120 mM sodium chloride, 6 mM potassium chloride, 1.5 mM magnesium chloride, 2.5 mM calcium chloride, 11 mM glucose, 10 mM HEPES buffer (pH 7.4). The M current intensity was measured as an inactivation current generated by a test stimulus of 500 milliseconds from a holding current of −20 mV to −50 mV.
[0051]
The M current in CHOhm1 cells was measured in the whole cell membrane potential fixation mode of the patch fixation method. The internal resistance of the patch pipette electrode was 4-8 MΩ and filled with the following solution. That is, it is a solution consisting of 90 mM potassium citrate, 20 mM potassium chloride, 3 mM magnesium chloride, 1 mM calcium chloride, 3 mM EGTA, 40 mM HEPES buffer (pH 7.4). The external solution is 140 mM sodium chloride, 5 mM potassium chloride, 2 mM magnesium chloride, 1 mM calcium chloride, 10 mM HEPES buffer (pH 7.4). Also, connection resistance (90-95%) and total cell volume correction were used. Most of the transformed CHOhm1 cells showed a relatively small decay under these measurement conditions.
[0052]
Experiment 4. (Concentration dependence of M current suppression in SCG neurons by PKC inhibitor)
First, various nerve cells were refluxed with oxotremorine-M (hereinafter referred to as Oxo-M), which is a muscarinic acetylcholine receptor stimulant (agonist) at different concentrations in stages, and M current was measured. . After normalizing the results, each experimental value was averaged, and the change in the value was plotted against the time change when the Oxo-M concentration was increased stepwise. The result is shown in FIG. Cell preparations were untreated SCG neurons (control cell samples), SCG neurons transformed with AKAP (ΔA) (1-143), 100 nM bis-indolylmaleimide I (Calbiochem) (hereinafter referred to as bis) treatment. SCG neurons, 100 nM calfostin C (calbiochem) (hereinafter referred to as cal) treated SCG neurons, 1.2 μM chelerythrine (calbiochem) (hereinafter referred to as che), or 10 μM safigor (sigma) (hereinafter referred to as saf) Note.) Treated SCG neurons.
[0053]
Experiment 5.
The result of the Hill-plot of the concentration-dependent inhibition of Oxo-M of the M-current value obtained with each nerve cell preparation is shown in FIG. 3b. The cells used were untreated SCG neurons (control cell preparation), SCG neurons transformed with AKAP (ΔA) (1-143), 100 nM bis-treated SCG neurons, 100 nM cal-treated SCG neurons. 2 μM che-treated neurons or 10 μM saf-treated SCG neurons. As a result, in Saf or Cal-treated cells that are AKAP (ΔA) and PKC-regulated site target inhibitors, the PKC-active site targeted inhibitor Bis or Che-treated cells and untreated cells are M-currents. It turned out that the shape of the Oxo-M dose-dependent curve of inhibition changed and shifted to the high concentration side, and the inhibitory concentration increased by 50% (it was difficult to suppress).
[0054]
Experiment 6. (Effects of various commercially available PKC inhibitors on PKC phosphorylation of potassium channel KCNQ2 protein in Oxo-M treated cells)
48 hours after CHOhm1 cells were transformed with FLAG-labeled KCNQ2, 0.5 Ci / ml radioactive phosphate [ 32 P] -H Three PO Four (Amersham Pharmacia Biotech) was added and left for 4 hours. Some of them were added with the PKC inhibitor used in Experiment 5. Thereafter, treatment with 10 μM Oxo-M for 3 minutes was performed. Cells were then scraped and transferred to 700 μl of ice-cold TNE solution. The TNE solution is composed of 150 mM sodium chloride, 2 mM EDTA, 1% nonidet P-40 (manufactured by Nacalai), 50 mM sodium fluoride, 1 mM sodium vanadate, 1 mM dithiothreitol, and a protease inhibitor mixture.
[0055]
Cell solubilization was carried out in TNE solution for 20 minutes with gentle shaking at 4 ° C. The solubilized cell solution was centrifuged and the supernatant was collected and purified by passing through 30 μl Protein G Sepharose 4 (Amersham Pharmacia Biotech). The supernatant was reacted with 4 μg of M2-anti-FLAG antibody for 2 hours, and then protein G-bound beads were added and treated at 4 ° C. for 1 hour. The immunoreacted precipitate was washed 6 times with TNE buffer. After performing 6% SDS-polyacrylamide gel electrophoresis, 32 P] -H Three PO Four The KCNQ2 labeled with was detected by the phosphoric acid image method using BAS1000 manufactured by Fuji Film. On the other hand, among the immunoprecipitated proteins, the phosphorylated protein was confirmed to be KCNQ2 protein by Western blotting using an anti-FLAG antibody (FIG. 4a).
[0056]
Experiment 7. (Of phosphorylated KCNQ2 protein 32 Analysis of P-labeled amino acids)
[0057]
The analysis of phosphorylated amino acids was performed by blotting the sample protein on SDS-polyacrylamide gel on a PDVF membrane, cutting out the membrane of the protein-bound portion, hydrolyzing it by treating in 6N-hydrochloric acid at 110 ° C. for 90 minutes, It was separated by electrophoresis using cellulose (support) thin-layer chromatographic paper, 32 Amino acids labeled with P] -phosphate were detected. as a result,[ 32 From the migration position of the P] -labeled amino acid, it was identified as phosphorylated serine (FIG. 4b).
[0058]
Experiment 8. (Promoting effect of Oxo-M on phosphorylation of KCNQ2 protein) CHOhm1 cells were simultaneously transformed with FLAG-labeled KCNQ2 protein and AKAP150 protein or AKAP (ΔA) protein. After 48 hours, 0.5 Ci / ml radioactive phosphate in phosphoric acid-free solution [ 32 P] -H Three PO Four (Amersham Pharmacia Biotech) was added and left for 4 hours. Thereafter, treatment with 10 μM Oxo-M for 3 minutes was performed. Thereafter, phosphorylation of KCNQ2 protein was analyzed by the method of Experiment 6.
[0059]
As a result, in the cells expressing AKAP150 protein, phosphorylation was induced by muscarinic stimulation, whereas in the cells expressing AKAP (ΔA) mutant protein, the phosphorylation effect by Oxo-M was suppressed. This is because the action of phosphorylation of Oxo-M was suppressed as a result of blocking the formation of the complex between AKAP150 protein and PKC by the AKAP (ΔA) mutant protein. (Fig. 4c)
[0060]
Experiment 9 (Effect of PKC inhibitor on promotion of phosphorylation of KCNQ2 protein by Oxo-M)
CHOhm1 cells transformed with FLAG-labeled KCNQ2 protein were treated with various commercially available PKC inhibitors used in Experiment 5, and then phosphorylation of KCNQ2 protein was examined. After the treated cells were destroyed, the amount of phosphorylation was determined by analyzing the KCNQ2 protein separated by immunoprecipitation and electrophoresis using the phosphate image method. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 4d, phosphorylation increases 1.5-fold when Oxo-M is added to the control cell preparation. On the other hand, the amount of phosphorylation only slightly decreases in the presence of Bis and Che, but Cal and Saf show a strong inhibitory effect on phosphorylation promotion. Together with the results of the previous experiment 5, it is shown that the four commercially available PKC inhibitors are divided into two groups, that is, the action mechanism of the inhibitors is different. Cal and Saf, which are referred to as control site target inhibitors, are already in the state of inhibiting PKC in the AKAP binding state. Therefore, even when released and the enzyme active site is exposed, PKC does not act and phosphorylation of KCNQ2 protein While oxidation does not occur, Bis and Che, which are active site targeted inhibitors, only slightly suppress the action of Oxo-M.
[0061]
Here, an outline of the results of Experiments 1 to 9 will be described below. First, construct an expression vector into which cDNA of KCNQ2, AKAP150, AKAP's KCNQ2-binding domain-deficient protein (AKAP (ΔA) (1-143)) or AKAP mutant protein was inserted, and then expressed in rat SCG cells Vectors were injected to prepare transformed cells. Further, a plasmid in which AKAP150-DNA was inserted was introduced into CHOhm1 cells for transformation.
[0062]
Next, the change in the intensity of the M current due to the action of Oxo-M on the muscarinic receptor was measured by an electrophysiological technique using SCG cells, and the operating state of the potassium ion channel in the nerve cell membrane was observed. The M current shows a concentration-dependent change in Oxo-M. Further, when cells transformed with the gene DNA of AKAP (ΔA) (1-143) are used, the concentration dependence of M current on Oxo-M is changed. After the addition of a PKC inhibitor to SCG neurons, the M-current suppression of Oxo-M was measured. As a result, there were two types, one acting like AKAP and the other acting like AKAP (ΔA) (1-143). Divided into groups. The former is an inhibitor referred to as a PKC active site target inhibitor, and the latter is an inhibitor referred to as a PKC regulatory site target inhibitor. In the former, Hill plot against Oxo-M concentration shows 50% inhibition of M current at low concentration of Oxo-M, whereas in the latter, 50% inhibition was observed at high concentration, and these inhibitors inhibit PKC. It was shown that the style was different. Therefore, by measuring the M current suppression with respect to the Oxo-M concentration, it is possible to determine the action of the drug on nerve cells (whether it is a binding type or not).
[0063]
By the way, when a cell obtained by transforming CHOhm1 cells with KCNQ2 is used as a reaction system, phosphorylation of KCNQ2 is promoted by Oxo-M. Moreover, the effect of Oxo-M is antagonized by pirenzepine, which is an m1 receptor inhibitor. In cells transformed with AKAP (ΔA) at the same time, the promotion by Oxo-M was offset, indicating that AKAP is involved in the phosphorylation reaction. Analysis of the phosphorylated amino acid of KCNQ2 revealed serine phosphorylation, suggesting that phosphorylation proceeded by the catalytic action of PKC.
[0064]
In addition, after adding a PKC inhibitor to CHOhm1 cells transformed with KCNQ2, the amount of phosphate incorporated into KCNQ2 is increased by 1.5 times in the control due to the effect of addition of Oxo-M. Inhibitors reduce phosphate uptake. On the other hand, the effect of Oxo-M is not changed in the active site targeted inhibitor. This suggests that only bound PKC is involved in the phosphorylation reaction. Inhibition of the ion permeability of KCNQ2 by AKAP-binding PKC is exactly the action of acetylcholine, and activates (excites) neural activity. Based on the results of this inhibitor, an agent equivalent to the intracellular action of acetylcholine can be used as an anti-dementia drug and positioned as a PKC control site target activator or phosphorylation promoter. On the other hand, the PKC control site target inhibitor is an antiepileptic agent and can be screened by this method.
[0065]
From the above experimental results, by examining the drug concentration for inhibiting the M current or the inhibitory or promoting action of the drug on the phosphorylation of KCNQ2 protein, a substance that indirectly regulates the ion permeability of KCNQ can be screened. Drugs that promote the action of the potassium ion channel KCNQ2 or KCNQ3 in nerve cells and increase potassium ion permeability are expected to be antiepileptic drugs, whereas drugs that decrease permeability are expected to be anti-dementia drugs. . The development of such a PKC inhibitor is extremely important in developing a novel treatment method for dementia symptoms and epilepsy.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a compound capable of controlling the ion permeability of potassium ion channel protein can be efficiently selected by a mechanism different from conventional anti-dementia drugs and antiepileptic drugs. Can contribute to the development of anti-dementia drugs and antiepileptic drugs.
[0067]
[Sequence Listing]
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[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a signal transduction mechanism from the suppression of KCNQ protein due to phosphorylation by muscarinic receptor stimulation leading to an increase in neuronal membrane excitation.
FIG. 2 is a schematic diagram in which the C-terminal side of KCNQ is extracted in order to explain the existence state of KCNQ, AKAP, and PKC. FIG. 2a shows a state where AKAP binding to KCNQ further forms a complex with PKC, and FIG. 2b shows a state where PKC is dissociated from the AKAP.
FIG. 3a is a diagram showing a time change of a standardized average value of M current intensity with a gradual increase in Oxo-M concentration. (White circles) are SCG neurons without PKC inhibitor added, (black circles) are SCG neurons transformed with AKAP (ΔA) (1-143) without PKC inhibitors, (diamonds) are 1.2 μM chelerythrine added SCG neurons, (black squares) are SCG neurons added with 100 nM bisindolylmaleimide, (white triangles) are SCG neurons added with 100 nM calfostin C, and (black inverted triangles) are SCG neurons added with 10 μM safigor. FIG. 3b is a graph showing the concentration dependence of inhibition of Oxo-M with respect to M current suppression in SCG cells with or without a PKC inhibitor.
FIG. 4a shows the results of experiments examining phosphorylation of FLAG-labeled KCNQ2 channels with or without the addition of Oxo-M. FIG. 4b is an experimental result showing that the serine residue of KCNQ is phosphorylated. Fig. 4c shows the result of autoradiography analysis of the incorporation of radiolabeled phosphate into KCNQ, and Fig. 4c shows that KCNQ channel phosphorylation is blocked by the muscarinic inhibitor pirenzepine. It is. In FIG. 4c, * represents standard error and P <0.05. FIG. 4d is a diagram showing the inhibitory effect of a PKC inhibitor on the promotion of phosphorylation by Oxo-M. * And ** represent standard errors, P <0.05 and P <0.01, respectively.

Claims (6)

ムスカリン受容体とAKAP150KCNQ2とが発現している細胞に、ムスカリン受容体アゴニストとプロテインキナーゼC阻害剤とを投与する工程と、
上記細胞に生ずる電流強度を測定する工程とを有し、
測定された上記電流強度を、上記細胞にムスカリン受容体とプロテインキナーゼC制御部位標的阻害剤を投与したときに当該細胞に生ずる電流強度と比較し、上記プロテインキナーゼC阻害剤が上記プロテインキナーゼC制御部位標的阻害剤に分類されるか否かを判別することを特徴とする神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬のスクリーニング方法。
Administering a muscarinic receptor agonist and a protein kinase C inhibitor to a cell in which a muscarinic receptor, AKAP150 and KCNQ2 are expressed;
Measuring the current intensity generated in the cell ,
The measured current intensity is compared with the current intensity generated in the cell when a muscarinic receptor and a protein kinase C control site target inhibitor are administered to the cell, and the protein kinase C inhibitor is controlled by the protein kinase C control. A screening method for a therapeutic agent for a neurodegenerative disease or a hereditary brain disease, characterized by discriminating whether it is classified as a site-targeted inhibitor .
上記ムスカリン受容体アゴニストは、オキソトレモリン−Mであることを特徴とする請求項1記載の神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬のスクリーニング方法。  2. The screening method for a therapeutic agent for neurodegenerative disease or a genetic brain disease according to claim 1, wherein the muscarinic receptor agonist is oxotremorine-M. 上記細胞は、SCG細胞、又は配列番号1で示されるAKAP150遺伝子及び配列番号2で示されるKCNQ2遺伝子で形質転換されたチャイニーズハムスター卵巣細胞であることを特徴とする請求項1記載の神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬のスクリーニング方法。2. The neurodegenerative disease treatment according to claim 1, wherein the cell is an SCG cell or a Chinese hamster ovary cell transformed with the AKAP150 gene represented by SEQ ID NO: 1 and the KCNQ2 gene represented by SEQ ID NO: 2. A screening method for drugs or drugs for inherited brain diseases. ムスカリン受容体とAKAP150KCNQ2とが発現している細胞に、ムスカリン受容体アゴニストと放射性標識リン酸とプロテインキナーゼC阻害剤とを投与する工程と、
上記KCNQ2に結合した上記放射性標識リン酸の放射活性を測定する工程とを有し、
測定された上記放射活性から、上記プロテインキナーゼC阻害剤がAKAP150結合型プロテインキナーゼCに特異的な阻害剤であるか否かを判別することを特徴とする神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬のスクリーニング方法。
Administering a muscarinic receptor agonist, a radiolabeled phosphate and a protein kinase C inhibitor to a cell in which a muscarinic receptor, AKAP150 and KCNQ2 are expressed;
Measuring the radioactivity of the radiolabeled phosphate bound to the KCNQ2 .
A therapeutic agent for neurodegenerative disease or hereditary brain disease characterized by determining whether or not the protein kinase C inhibitor is a specific inhibitor for AKAP150-binding protein kinase C from the measured radioactivity A screening method for therapeutic drugs.
上記ムスカリン受容体アゴニストは、オキソトレモリン−Mであることを特徴とする請求項4記載の神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬のスクリーニング方法。  5. The screening method for a therapeutic agent for neurodegenerative disease or a genetic brain disease according to claim 4, wherein the muscarinic receptor agonist is oxotremorine-M. 上記細胞は、SCG細胞、又は配列番号1で示されるAKAP150遺伝子及び配列番号2で示されるKCNQ2遺伝子で形質転換されたチャイニーズハムスター卵巣細胞であることを特徴とする請求項4記載の神経変性疾患治療薬又は遺伝性脳疾患治療薬のスクリーニング方法。The neurodegenerative disease treatment according to claim 4, wherein the cells are SCG cells or Chinese hamster ovary cells transformed with the AKAP150 gene represented by SEQ ID NO: 1 and the KCNQ2 gene represented by SEQ ID NO: 2. A screening method for drugs or drugs for inherited brain diseases.
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