JP4188229B2 - 細胞内に存在するタンパク質又は当該タンパク質と相互作用する物質を分析する方法 - Google Patents

Description

［技術分野］
本発明は、生物の細胞内に存在するタンパク質と相互作用する物質を評価、同定、及び構造解析する方法、並びに、生物の細胞内における特定のタンパク質と相互作用する物質を用いることにより、当該タンパク質の存在を判定する方法に関する。
［技術背景］
細胞表層又は細胞内（本明細書では、両者を併せて単に「細胞内」ということもある）には、レセプター（本明細書では「受容体」ということもある）としての役割や、イオンチャンネルとしての役割、トランスポーターとしての役割、抗体としての役割、酵素としての役割、細胞内シグナル伝達に係る役割など、生体内において種々の役割を果たす、各種のタンパク質が存在していることが知られている。そして、これらのタンパク質と相互作用をすることによって、当該タンパク質の機能を活性化したり阻害したりする物質や、抗体の抗原となる物質、あるいは酵素の基質となる物質が数多く存在することも知られている。
しかしながら、こうした生物の細胞内に存在するタンパク質や、当該タンパク質と相互作用する物質は、全容が解明された訳ではなく、現在においても、新たなタンパク質や、各種の細胞内タンパク質と相互作用する物質の探索が世界中の研究者によって精力的に行われている。
従来、特定のタンパク質と相互作用する新規生理活性物質を天然界から探索する場合には、活性が既知のタンパク質を用いたバイオアッセイ法が一般的であるが、バイオアッセイ法には少なくとも２つの問題点が含まれていた。第一に、生理活性物質の精製段階において物質が消費されてしまうために、構造決定するために十分な量の物質の確保には、大量の出発成分及び成分を抽出するための天然物（生物を含む）が必要とされる。第二に、利用可能なバイオアッセイ法が限られており、標準的バイオアッセイ法では多くの新規生理活性物質が未検出のままとなる可能性がある。
最近、マトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間型質量分析法（ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳ）が、切断組織の小片からまたは単離単一細胞からのペプチドプロファイルの直接分析に強力な手段となってきている（Ｇａｒｄｅｎら，１９９６；Ｄｅ Ｗｉｔｈら，１９９７；Ｇａｒｄｅｎら，１９９８；Ｒｅｄｅｋｅｒら，１９９８）。これらの実験において、試料の非常に微小な領域を分析することが可能であり、そして生じたペプチドフィンガープリンティングは、生物活性を持つペプチドの生合成および発現を示す。
一方、質量分析的検出を用いたオンラインキャピラリー逆相高性能液体クロマトグラフィー（キャピラリーＨＰＬＣ／ＭＳおよびキャピラリーＨＰＬＣ／ＭＳ／ＭＳ）が現代の生物分析に利用可能である。本手段は、サンプル中のペプチドの分子量に対し優れた情報を提供し、そしてＭＳ／ＭＳ方式は、ペプチドを断片化し、開裂イオンを生じ、そのアミノ酸配列を演繹するのを可能にする。
従来のバイオアッセイ法によらない、細胞内に存在するタンパク質と相互作用する物質をスクリーニングする新たな方法、及び細胞内における特定のタンパク質と相互作用する物質を用いて当該タンパク質の存在を判定する新たな方法の開発が望まれていた。しかも、これらの方法としては操作が簡単で、正確かつ速やかに判定が可能な方法が望まれていた。
［発明の開示］
本発明者らは、既に、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳを用いた、生物の組織又は細胞に存在する物質の化学構造を直接同定するための方法を開発し、特願２０００−０６０７５４号として出願した。本発明は、上記出願の応用範囲を拡大すべく鋭意研究を続けた結果完成されたものである。本発明は、細胞膜又は細胞内に存在するタンパク質と、このタンパク質に対して相互作用する物質とを用いることにより、このタンパク質の存在又はこのタンパク質に相互作用する物質の存在を判定する方法を開発することに成功した。
［発明の実施の態様］
本発明の方法の第１の態様は、細胞膜又は細胞内に既知のタンパク質が存在する場合、その細胞と未知の被験物質とを接触させて被験物質を細胞に吸着、結合、会合等の何らかの形態で相互作用させる。この状態で細胞又は細胞の切片（例えば、細胞膜等）を精製し、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳを用いて被験物質の存在量を確認することによって既知のタンパク質と相互作用をするか否かを判定できる。
本発明の方法の第２の態様は、第１の態様とは逆に既知の物質、例えば、特定のレセプターに対するリガンド等を用い、細胞膜又は細胞内に存在する未知のタンパク質の存在を判定する方法である。この場合、未知のタンパク質を有する細胞と既知の物質とを接触させて既知物質が細胞に吸着、結合、会合等の何らかの形態で相互作用した場合、その既知の物質が作用するタンパク質が細胞膜又は細胞内に存在することが判定できる。
さらに、存在が確認されたタンパク質について本発明の方法によって、そのアミノ酸配列を決定することもできる。
本発明では、例えば、細胞膜のみならず、核膜、ミトコンドリア膜上などに発現している各種のレセプターに作用するリガンド類は、膜に吸着した状態で精製し、リガンドの結合した細胞膜をレーザービーム照射することにより、リガンドのみを直接イオン化させ、質量分析法でリガンドを解析することができる。
レセプターとしては、所謂ペプチドホルモンレセプター、イオンチャンネル、トランスポーター、さらには、リンパ球、マクロファージなどに発現している抗体類等が挙られる。一方、リガンドは、ペプチド、アミノ酸、アミン、ステロイド等の各種天然生理活性物質の他に、リガンドとして働く合成化合物も含まれる。したがって、この方法はこのようなレセプターに相互作用する未知のリガンドを検索する手段として有効であり、また、細胞膜上の機能未知のレセプターの検索にも用いることができる。
解析システムに用いる質量分析法は、例えば、細胞であれば細胞数１０^４〜１０^５個分の細胞膜画分、組織切片であれば２ｍｍ×２ｍｍ厚さ０．１ｍｍの超微量試料で解析可能であり、且つ短時間で分子量、分子の種類別（ペプチド・タンパク類、ステロイド類、リグナン類、カテキン類、糖類などの種類別、以下「化学種」という）、及び分子の構造などの分子の情報を同時に得ることができる。即ち、質量分析計としてＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ型を用いれば、リガンドの分子量が測定される。その上、その分子関連イオンを前駆イオンとしてμ−ｃｏｌｕｍｎ ＬＣ−ＥＳＩ−ＱＴＯＦ−ＭＳ／ＭＳ分析計を駆使すれば、吸着分子の化学種、及び構造までを解析することが可能である。
これらの方法を組み合わせることにより、新規な生理活性物質、あるいは、組織由来の培養細胞に発現するレセプターの存在を予測することも可能である。特にオーファンレセプターとそのリガンドの発見に寄与できるばかりでなく、新たな医薬品のスクリーニング手段、疾病マーカー探索としても有用である。
また、本発明ではレセプターとリガンドとの組み合わせばかりでなく、タンパク質と何らかの形態で相互作用する物質であれば、広く本発明方法を適用できる。これらの相互作用とは、タンパク質がイオンチャンネル、トランスポーター、抗体、酵素等の場合について、これらに対する作用が挙られる。このような作用をもつ物質としては、抗体に対する抗原、酵素に対する基質あるいは活性化又は阻害物質がある。
既知のレセプターを発現する細胞に対するリガンドを検出、同定する態様を例にとって、本発明を説明する。
既知のレセプターを発現する既知の細胞を培養してレセプターを発現させる。この培養細胞をサンプル細胞とし、以下の通り処理する。比較用には、レセプターを発現させていない同種の細胞を用いた。本発明では、このような既知のレセプターを発現する培養細胞の他に、臓器組織からの組織細胞、リンパ球、腹腔内単球などの単離細胞も利用できる。
サンプル細胞を適当な数、例えば１０^３〜１０^５個、好ましくは１０^４〜１０^５個に蒸留水を適量、例えば１００〜８００μｌを加え、室温で３〜３０分、好ましくは、５〜２０分間インキュベートすることにより細胞を破砕し、遠心分離によって細胞膜を沈殿させるか又はろ過によって細胞膜を分離し、蒸留水で洗浄して再度遠心分離又はろ過して、細胞質を除去してレセプター発現細胞膜画分を得る。
得られた膜画分に膜画分の非特異的吸着部分をコートするに十分な物質の非特異的吸着を妨げる効果のある物質、例えば、１ｐｍｏｌ／μｌのアルブミン（ＢＳＡ）溶液を２００〜５００μｌ加えて分散させ、室温で３〜３０分、好ましくは、５〜２０分間インキュベートして、膜画分の非特異的吸着部分をアルブミンでコートする。膜画分を遠心分離又はろ過によって集め、蒸留水で洗浄して過剰のアルブミンを除去する。
この洗浄アルブミンコート膜画分に、レセプターに結合するのに十分な量のリガンド、例えば、１０ｐｍｏｌ／μｌリガンド溶液を１００μｌ加え、室温で３〜３０分、好ましくは、５〜２０分間インキュベートする。その後、蒸留水で洗浄し、遠心分離（又はろ過）する洗浄処理を２回以上、好ましくは４〜５回繰り返し、過剰のリガンドの未吸着画分を除去する。
得られたリガンド吸着細胞膜に蒸留水を適量、例えば５〜２０μｌを加え、ｖｏｌｔｅｘで懸濁させる。懸濁液０．５〜３μｌをＭＡＬＤＩ用プレートに分取し風乾させる。α−シアノ−４−ヒドロキシ桂皮酸（αＣＨＣＡ）マトリックス溶液を添加し、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳを測定する。この測定を比較用のレセプターを発現していない細胞膜についても同様に行って比較することにより、既知のレセプターに結合しているリガンドを分子量を指標に特定することができる。
本発明では、質量分析のために使用した、レーザーによってイオン化された分子関連イオンを前駆イオンとしてμ−ｃｏｌｕｍｎ ＬＣ−ＥＳＩ−ＱＴＯＦ−ＭＳ／ＭＳ分析計を駆使すれば、吸着分子の化学種、構造までを解析することが可能である。
本発明によれば、細胞表層もしくは細胞内に存在するタンパク質又は当該タンパク質と相互作用する物質を下記の工程により、検出、同定あるいは解析することができる。
（１）細胞と、当該細胞の表層もしくは細胞内のタンパク質と相互作用する物質とを接触させ、細胞に物質を相互作用させる工程、
（２）細胞と物質とが相互作用した状態のままで細胞を精製する工程、
（３）物質が相互作用した状態のままで精製された細胞にレーザーを照射して当該物質を直接イオン化させる工程、及び
（４）イオン化した物質を質量分析法で分析する工程、
からなる方法により、上記目的を達成できる。
また、本発明は、下記工程からなる方法により、細胞表層又は細胞内に存在する活性が既知のタンパク質に対し、当該既知タンパク質と相互作用する物質をスクリーニングすることができる。
（１）既知のタンパク質の存在が知られている細胞に、被験物質を接触させて相互作用させる工程、
（２）被験物質と相互作用した細胞又はその画分を精製する工程、
（３）精製した細胞又はその画分にレーザーを照射して、細胞と相互作用した物質を直接イオン化させる工程、及び
（４）イオン化した物質を質量分析法で分析する工程、
により得られたマススペクトルと、当該タンパク質が存在していないことが明らかな細胞を用いて（１）ないし（４）の工程を実施して得られたマススペクトルとを比較することにより、前者の方が被験物質の量が増加している場合に、当該被験物質は当該タンパク質と相互作用をする物質であると判定できる。そして、当該物質を同定することにより、細胞表層又は細胞内に存在する既知タンパク質と相互作用する物質をスクリーニングし、同定することができる。
更に本発明では、下記の方法により、例えば、既知のリガンドと相互作用するレセプターの発現細胞又は発現組織をスクリーニングすることができる。
（１）既知のリガンドを、当該リガンドに対するレセプターの有無を確認しようとする組織又は細胞と接触させ相互作用させる工程、
（２）リガンドを接触させた組織又は細胞を精製する工程、
（３）精製した組織又は細胞にレーザーを照射して存在するリガンドを直接イオン化させる工程、及び
（４）イオン化したリガンドを質量分析法で分析する工程、
により得られたマススペクトルと、（１）のリガンドとの接触を行わないで、（２）以降の工程のみを行ったマススペクトルとを比較して、前者の方がリガンドの量が増加している場合に、当該組織又は細胞には当該リガンドと相互作用をするレセプターが存在すると判定する方法である。
以下に実施例により本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］ヒト心房性ナトリウム利尿ペプチド（以下「ｈＡＮＰ」という）と、ｈＡＮＰ受容体ＧＣ−Ａとの結合実験
培養細胞はレセプター発現細胞としてＣＨＯ／ＧＣ−Ａすなわち、ｈＡＮＰ受容体ＧＣ−Ａを発現させたＣＨＯ細胞（ｃｈｉｎｅｓｅ ｈａｍｓｔｅｒ ｏｖａｒｙ ｃｅｌｌ）、ブランク用としてＣＨＯホスト細胞を用い、以下同様の方法でＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ測定サンプルまで調製を行った。
ステップ１． 膜画分の調製
７．５×１０^５個の培養細胞（ＧＣ−Ａ発現およびブランク用細胞）に蒸留水５００μｌを加え、室温で１０分間インキュベートした。この懸濁液を遠心分離しペレットを得た。このペレットにさらに蒸留水５００μｌを加え、ふたたび遠心分離、上清を除去し膜画分を得た。
ステップ２． アルブミン被覆
得られた膜画分に１ｐｍｏｌ／μｌのアルブミン水溶液５００μｌを加え、室温で１０分間インキュベートした。この懸濁液を遠心分離し、得られたペレットにさらに蒸留水５００μｌを加えふたたび遠心分離しアルブミン被覆膜画分を得た。
ステップ３． リガンド（ｈＡＮＰ）との結合
得られたアルブミン膜画分に１０ｐｍｏｌ／μｌのｈＡＮＰ水溶液１００μｌを加え、室温で１０分間インキュベーションした。その懸濁液を遠心分離し、得られたペレットをさらに蒸留水５００μｌで洗浄、ふたたび遠心分離しリガンド（ｈＡＮＰ）結合膜画分を得た。
ステップ４． ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ測定
得られたリガンド結合膜画分に蒸留水１０μｌを加え懸濁させた。その懸濁液１μｌを分析用プレートに分取し風乾させた。次にα−シアノ−４−ヒドロキシ桂皮酸（α−ＣＨＣＡ）飽和溶液（メタノール：水＝１：１、０．１％トリフルオロ酢酸）１μｌを添加し、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ（Ｖｏｙａｇｅｒ Ｅｌｉｔｅ）を測定した。
その結果、図１、図２に示すようにＧＣ−Ａ発現細胞（図１）の方がブランク細胞（図２）に対して約３倍多くｈＡＮＰが検出された。このことから、ｈＡＮＰがＧＣ−Ａレセプターと相互作用していると判断できる。
［実施例２］ 選択性実験
ステップ１． 膜画分の調製およびステップ２．アルブミン被覆
実施例１のステップ１．およびステップ２．と同様の方法でアルブミン被覆膜画分（ＣＨＯ／ＧＣ−ＡおよびＣＨＯホスト細胞）を得た。
ステップ３．リガンド（ペプチド混合物）との結合
得られたアルブミン膜画分に、ペプチド混合液、すなわち１０ｐｍｏｌ／μｌのｈＡＮＰ、１０ｐｍｏｌ／μｌのアンジオテンシンＩ、１０ｐｍｏｌ／μｌのサブスタンスＰ（ＳＰ）および１０ｐｍｏｌ／μｌのメラニン細胞刺激ホルモン（α−ＭＳＨ）混合水溶液１００μｌを加え、室温で１０分間インキュベートした。その懸濁液を遠心分離し、得られたペレットをさらに蒸留水５００μｌで洗浄、ふたたび遠心分離しリガンド結合膜画分を得た。
ステップ４． ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ測定
実験１．のステップ４．と同様にしてＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ測定を行った。結果を図３（ＧＣ−Ａレセプターが発現したもの）及び図４（ＧＣ−Ａレセプターが発現していないブランクのもの）に示した。また、比較のためペプチド混合液（１０ｐｍｏｌ／μｌのｈＡＮＰ、１０ｐｍｏｌ／μｌのアンジオテンシンＩ、１０ｐｍｏｌ／μｌのＳＰ、１０ｐｍｏｌ／μｌのα−ＭＳＨ）１μｌのみについてＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ測定を行った（図５）。
その結果ｈＡＮＰは他の３種のペプチドに比べ５倍以上選択的にＧＣ−Ａレセプター発現細胞膜画分に結合していることが判明した。このことから、ＧＣ−ＡレセプターにはｈＡＮＰのみが相互作用し、他のアンジオテンシンＩ、サブスタンスＰ、α−ＭＳＨは相互作用しないことが判定できる。
［産業上の利用可能性］
本発明の方法は、細胞膜又は細胞内に既知のタンパク質が存在する場合、その細胞と未知の被験物質とを接触させて被験物質を細胞に吸着、結合、会合等の何らかの形態で相互作用させる。この状態で細胞又は細胞の切片（例えば、細胞膜等）を精製し、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳを用いて被験物質の存在量を確認することによって既知のタンパク質と相互作用をするか否かを判定できる。
本発明の方法の別の態様では、上記の場合とは逆に既知の物質、例えば、特定のレセプターに対するリガンド等を用い、細胞膜又は細胞内に存在する未知のタンパク質の存在を判定する方法である。この場合、未知のタンパク質を有する細胞と既知の物質とを接触させて既知物質が細胞に吸着、結合、会合等の何らかの形態で相互作用した場合、その既知の物質が作用するタンパク質が細胞膜又は細胞内に存在することが判定できる。さらに、存在が確認されたタンパク質について本発明の方法によって、そのアミノ酸配列を決定することもできる。
これらの方法は操作が簡単で、正確かつ速やかに判定が可能であり、広い応用範囲が期待できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、実施例１において、ｈＡＮＰの受容体であるＧＣ−Ａ発現細胞を使用して調製したリガンド（ｈＡＮＰ）結合膜画分についてのＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ測定結果を示すチャートである。
図２は、実施例１において、ＧＣ−Ａの発現がないブランク細胞を使用して調製したリガンド（ｈＡＮＰ）結合膜画分についてのＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ測定結果を示すチャートである。
図３は、実施例２において、リガンド（ｈＡＮＰを含む４種のペプチドからなるペプチド混合液）と、ＧＣ−Ａ発現細胞とを使用して調製したリガンド結合膜画分についてのＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ測定結果を示すチャートである。
図４は、実施例２において、リガンド（ｈＡＮＰを含む４種のペプチドからなるペプチド混合液）と、ブランク細胞とを使用して調製したリガンド結合膜画分についてのＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ測定結果を示すチャートである。
図５は、実施例２で使用したペプチド混合液のみについてのＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ−ＭＳ測定結果を示すチャートである。

Claims (16)

1. 細胞膜に存在するタンパク質又は当該タンパク質と相互作用する物質を同定あるいは解析するための方法であって、
   （１）タンパク質を有する細胞から得られた細胞膜画分と、当該タンパク質と相互作用する物質とを接触させ、細胞膜画分に物質を相互作用させる工程、
   （２）細胞膜画分と物質とが相互作用した状態のままで細胞膜画分を精製する工程、
   （３）物質が相互作用した状態のままで精製された細胞膜画分にレーザーを照射して物質を直接イオン化させる工程、及び
   （４）イオン化した物質を質量分析方法で分析する工程、
   からなる方法。
2. 細胞膜に存在するタンパク質が、レセプター、イオンチャンネル、トランスポーター、抗体、酵素などとしての生理活性を示すタンパク質である請求項１に記載の方法。
3. タンパク質と相互作用する物質が、当該タンパク質のリガンド、抗原又は基質である請求項１又は２に記載の方法。
4. タンパク質と相互作用する物質が、生体内物質である、請求項１又は２に記載の方法。
5. 生体内物質が分子量５００から３０００程度である、請求項４に記載の方法。
6. タンパク質と相互作用する物質が、非生体内物質である、請求項１又は２に記載の方法。
7. 質量分析法が、マトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間型質量分析法（ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳ）である、請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
8. 質量分析法が、マトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間型質量分析装置（ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ ＭＳ）及びマイクロカラム液体クロマトグラフィーエレクトロスプレーイオン化四重極飛行時間タンデム型質量分析装置（μ−ｃｏｌｕｍｎ ＬＣ−ＥＳＩ−ＱＴＯＦ−ＭＳ／ＭＳ）を用いた方法である、請求項７に記載の方法。
9. 細胞膜に存在する活性既知のタンパク質と相互作用する物質をスクリーニングする方法であって、
   （１）当該タンパク質の存在が知られている細胞から得られた細胞膜画分に、被験物質を接触させて相互作用させる工程、
   （２）被験物質と相互作用した状態で細胞膜画分を精製する工程、
   （３）精製された細胞にレーザーを照射して細胞膜画分と相互作用する物質を直接イオン化させる工程、及び
   （４）イオン化した物質を質量分析法で分析する工程、
   により得られたマススペクトルと、当該タンパク質が存在していないことが明らかな細胞を用いて（１）ないし（４）の工程を実施して得られたマススペクトルとを比較することにより、当該タンパク質と相互作用をする物質の存在を判定する方法。
10. 既知のタンパク質が、レセプタータンパク質（受容体タンパク質）である、請求項９に記載の方法。
11. レセプターの発現細胞が、分離確立された細胞株を用いる方法である、請求項１０に記載の方法。
12. レセプターの発現細胞が、当該レセプターを人為的に強制発現させた細胞を用いる方法である、請求項１０に記載の方法。
13. レセプターの発現細胞が、オーファンレセプター発現細胞を用いる方法である、請求項１０に記載の方法。
14. 活性既知の物質と相互作用するタンパク質の発現細胞をスクリーニングする方法であって、
    （１）当該物質を、タンパク質の有無を確認しようとする細胞から得られた細胞膜画分と接触させて相互作用させる工程、
    （２）物質を接触させた細胞膜画分を精製する工程、
    （３）精製した細胞膜画分にレーザーを照射して存在する物質を直接イオン化させる工程、及び
    （４）イオン化した物質を質量分析法で分析する工程、
    により得られたマススペクトルと、（１）の物質との接触を行わないで、（２）ないし（４）の工程のみを実施して得られたマススペクトルとを比較することにより、当該物質と相互作用をするタンパク質の存在を判定する方法。
15. 前記物質がリガンドである、請求項１４に記載の方法。
16. タンパク質がレセプタータンパク質である、請求項１４又は１５に記載の方法。

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