JP4290352B2

JP4290352B2 - 細胞シグナル応答型遺伝子転写制御系

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Publication number: JP4290352B2
Application number: JP2001202064A
Authority: JP
Inventors: 佳樹片山
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-05-17
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2021-07-03
Also published as: JP2003033178A; US7892834B2; CA2447538C; WO2002095043A1; CA2447538A1; US20040152098A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、細胞内シグナル応答の酵素の基質となるアミノ酸配列及びカチオン性を与える塩基性アミノ酸を含有するペプチドを有する水溶性高分子からなる遺伝子複合体形成材料、遺伝子導入剤、及び当該遺伝子複合体材料と遺伝子とからなる遺伝子複合体、並びにこれを用いた遺伝子導入方法に関する。
本発明は、ペプチドのカチオン性部分と強固なイオンコンプレックスを形成して安定な遺伝子複合体となり、細胞のシグナル応答に応じてペプチドのカチオン性部分の正電荷が中和又は消失されることにより当該遺伝子複合体が細胞内において崩壊し遺伝子が開放され、特定の細胞において導入された遺伝子の活性化をはかることができる新規な材料及び方法を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
真核細胞の遺伝子は、塩基性蛋白質であるヒストンコアに規則正しく収納されている。ヒストンコアは、Ｈ２Ａ、Ｈ２Ｂ、Ｈ３、及びＨ４と呼ばれる４種の蛋白質から形成されており、ひとつのヒストンコアに約２００ｂｐの遺伝子がコイル状に巻かれて収納されている。そして、ヒストンコアに巻かれた遺伝子が連続して繋がってクロマチン線維（ヌクレオソーム構造）を形成している。ヒストンコアと遺伝子とは、ヒストンコアの塩基性蛋白質のカチオン性部分と遺伝子のアニオン性部分とによる、ポリイオンコンプレックスに基づく相互作用により規則正しく巻き付けられている。
このようなヌクレオソーム構造となっている遺伝子はヒストンコアと安定な複合体を形成して転写が抑制されているが、転写因子の結合に伴ってヒストンアセチル化酵素（ＨＡＴ）がリクルートされ、ヒストンコアを形成している塩基性蛋白質のリジンのアミノ基がアセチル化されることにより塩基性蛋白質の正電荷が中和され、クロマチンのヌクレオソーム構造が緩和され崩壊する。ヒストンコアから開放された遺伝子は転写が活性化される。このようなクロマチン線維の構造は、正電荷を持つヒストンコアの蛋白質と負電荷を持つ遺伝子とが静電的に安定な複合体を形成して遺伝子を収納している。そして、転写が必要となった場合には、ヒストンコアの塩基性蛋白質をアセチル化することにより塩基性蛋白質の正電荷を中和し、ヒストンコアと遺伝子との静電的な複合体の形成を崩壊させて転写の活性化を行っている。
【０００３】
ところで、近年アンチセンス法や遺伝子導入法などの遺伝子治療が種々開発されている。遺伝子を細胞に導入する方法としてはウイルスなどの利用が効率のよさから採用されているが、アメリカで死者が出るなど安全面での問題が指摘されてきている。この方法に代えて、負荷電を有する遺伝子に正荷電を有する脂質や高分子を静電的に相互作用させて複合体を形成させ、これを細胞に導入する各種の方法が開発されている。
しかしながら、これらの方法では細胞導入効率を上げるために、複合体をより安定にする必要がある一方、複合体のままでは遺伝子の転写が抑制されることから、細胞内に導入された遺伝子の発現効率を上げるには細胞内に導入された複合体は速やかに崩壊し、転写可能な遺伝子の状態になる必要があるという、相矛盾する条件を満たさねばならず、既存の方法での遺伝子導入効率はきわめて低い。
このように、通常の状態においては安定な複合体を形成して遺伝子を安定に保持しているが、遺伝子の活性化が必要となった状態においては速やかに当該複合体が崩壊して遺伝子が遊離される複合体の開発が求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、通常の状態においては安定な複合体を形成して遺伝子を安定に保持しているが、遺伝子の活性化が必要となった状態においては速やかに当該複合体が崩壊して遺伝子が遊離される複合体、及び当該複合体のための材料を提供することを目的としている。
また、本発明は、特定の酵素の作用により特異的に崩壊し得る遺伝子複合体、及び当該複合体のための材料を提供することを目的としている。
さらに、本発明は、遺伝子治療における遺伝子導入剤を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
天然の遺伝子のヌクレオソーム構造は、塩基性アミノ酸のアセチル化により、遺伝子の転写を活性化しており、これをモデルにして、本発明者らは細胞の細胞内シグナル応答を応用した遺伝子の活性化を検討した。即ち、カチオン性高分子と遺伝子とが荷電相互作用により強固なポリイオンコンプレックスを形成するが、当該カチオン性高分子にアニオン基を導入する、あるいはカチオン部を切断するなどして高分子鎖の正電荷を中和、あるいは除去することによりカチオン性高分子と遺伝子との荷電相互作用を減弱化して、遺伝子の転写活性を生じさせることを検討した。
そして、本発明者らは、カチオン性高分子にアニオン基を導入する方法、あるいはカチオン部分を除去する方法として、細胞内シグナル応答の利用を検討した。
【０００６】
即ち、本発明は、細胞内シグナル応答の酵素の基質となるアミノ酸配列及びカチオン性を与える塩基性アミノ酸を含有するペプチドを有する水溶性高分子からなる遺伝子複合体形成材料、遺伝子導入剤、及び当該遺伝子複合体材料と遺伝子とからなる遺伝子複合体、並びにこれを用いた遺伝子導入方法に関する。
【０００７】
本発明のシステムは、細胞内の異常シグナルを感知して遺伝子の転写・発現を活性化するという、これまでに全く無い概念を提案するものである。すなわち、細胞導入に必要な安定な複合体を形成させておいても、細胞内である種のシグナルを発している細胞でだけ、そのシグナルに応答して積極的に細胞内で複合体を崩壊させることができ、標的とする異常シグナルを発している細胞でだけ、導入した遺伝子の発現を可能にするものである。
この概念を用いれば、これまで不可能であった、真に細胞選択的な遺伝子治療が可能となる。すなわち、組織内の異常細胞でだけ治療のための遺伝子を働かせることができる。これまで、このように細胞内のシグナルを感知・応答して導入遺伝子の発現をコントロールする考え方は、存在しない。
【０００８】
本発明で利用する細胞内シグナル応答は、細胞のシグナル伝達系におけるタンパクリン酸化シグナルとプロテアーゼシグナルなどである。
以下の説明においては、本発明の細胞内シグナル応答の例として、プロテアーゼシグナルの１種である細胞死のシグナル伝達で重要なカスパーゼ（酵素）シグナルのうち、カスパーゼ−３シグナルを用いて具体的に説明する。プロテアーゼシグナルは、タンパクを分解する細胞内シグナルで、種々の細胞内情報伝達で重要な役割をはたすものである。
カスパーゼ−３（Ｃａｓｐａｓｅ−３）は、−ＤＥＶＤ−（−Ａｓｐ−Ｇｌｕ−Ｖａｌ−Ａｓｐ−）のアミノ酸配列をその基質とするものである。このアミノ酸配列にカチオン性を与える塩基性アミノ酸としてリジンを用いた。リン酸化シグナル応答の酵素の基質となるアミノ酸配列及びカチオン性を与える塩基性アミノ酸を含有するペプチドとして、
−ＡＧＤＥＶＤＧＫＫＫＫＫＫ−
（−Ａｌａ−Ｇｌｙ−−Ａｓｐ−Ｇｌｕ−Ｖａｌ−Ａｓｐ−Ｇｌｙ−Ｌｙｓ−Ｌｙｓ−Ｌｙｓ−Ｌｙｓ−Ｌｙｓ−）
のアミノ酸配列を有するペプチドを調製した。
【０００９】
また、水溶性高分子の高分子骨格としてはアクリル酸−メタクリル酸共重合体を用いた。即ち、前記のペプチドのＮ末端でメタクリル酸をアミド化し、Ｎ−ペプチド化メタクリル酸としたものと、アクリル酸アミドとを共重合して、本発明の遺伝子複合体形成材料を調製した。この合成法の概要を次の合成法Ｉで示される化学式で示す。
【００１０】
【化１】

【００１１】
得られた本発明の遺伝子複合体形成材料の模式図を図１に示す。
アクリル酸−メタクリル酸共重合体からなる水溶性高分子の骨格に、本発明の前記したプロテアーゼの基質となるアミノ酸配列及びカチオン性を与える塩基性アミノ酸を含有するペプチド（図１では黒丸印が付された線で示されている。）がぶら下がっている。そして、当該ペプチドのアミノ酸配列は、カスパーゼ−３の基質となる部分（図１の下側の四角で囲った左側。）、及びカチオン性を与える塩基性アミノ酸（図１の下側の四角で囲った右側。）を有している。図１において四角の枠で囲われていないアラニンやグリシンは前記した部分を結合させるために使用されるリンカーの役割を果たしている。
【００１２】
図１に示される、カスパーゼ−３シグナル応答カチオン性高分子（以下、ｐＡＣ高分子（ｐＡＣｐｏｌｙｍｅｒ）という。）の機能の概要を図２に示す。遺伝子（図２ではリボン状の２本鎖で示されている。）とｐＡＣ高分子とが複合体を形成した状態が図２の上段に示されている。この状態では、ｐＡＣ高分子と遺伝子とが荷電相互作用により強固なポリイオンコンプレックスを形成しており、この状態のときにＲＮＡポリメラーゼが接近してきても、ＲＮＡポリメラーゼは遺伝子の上に乗ることができず、転写することはできない。
この状態のときに、シグナル伝達系を介してカスパーゼ−３が活性化されると、カスパーゼ−３がｐＡＣ高分子の中の基質部分を認識して、この部分で選択的にペプチドを切断する。その結果、ｐＡＣ高分子のカチオン性の部分が失われて、遺伝子との荷電相互作用を維持することができなくなり、遺伝子とｐＡＣ高分子との複合体が崩壊する。その結果、遺伝子は開放されＲＮＡポリメラーゼによる転写が開始できるようになる。
【００１３】
次に、この高分子と遺伝子との相互作用を検討した。
遺伝子として、緑色蛍光を発するＧＦＰ（ＧｒｅｅｎＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔＰｒｏｔｅｉｎ）をコードするプラスミドＤＮＡ（ｐＱＢＩ６３）を用いた。前記ペプチド０．９ｍｏｌ％を含有するｐＡＣ高分子とプラスミドＤＮＡ（ｐＱＢＩ６３）を混合して、種々のカチオンとアニオンの比（ｃａｔｉｏｎ／ａｎｉｏｎ）でゲル電気泳動を行った。結果を図３に図面に代わる写真で示す。図３の１番左側のレーンは１ｋｂＤＮＡマーカーであり、その右のレーンはプラスミドＤＮＡ（ｐＱＢＩ６３）であり（カチオン：アニオン比＝０）、その右レーンは順次カチオン：アニオン比が、それぞれ０．５（左側から３番目のレーン）、１．０（左側から４番目のレーン）、１．５（左側から５番目のレーン）、２．０（左側から６番目のレーン）、３．０（左側から７番目のレーン）となっており、一つおいて右のレーンが１０．０（左側から９番目のレーン）である。ゲル電気泳動の条件は、１００ｍＭＴＢＥ緩衝液（ｐＨ７．４）中のアガロース（０．１ｇ／１０ｍｌ）を用いて、１００Ｖで５０分であった。
図３の左側から２番目のレーン（遺伝子のみ）では、２本の遺伝子のバンドがはっきりと観察できるが、カチオンの比が高くなる（ｐＡＣ高分子の量が多くなる）に従って遺伝子のバンドが薄くなり、カチオン：アニオン比が１０．０になると遺伝子のバンドは完全に消失することがわかった。これは、遺伝子がｐＡＣ高分子との荷電相互作用により強固な複合体を形成してゲル上で移動できなくなったことを表している。
【００１４】
次にカスパーゼ−３による作用を検討した。
種々のカチオンとアニオンの比（ｃａｔｉｏｎ／ａｎｉｏｎ）において、カスパーゼ−３による処理の前後においてゲル電気泳動を行った。結果を図４に図面に代わる写真で示す。図４の上段はカスパーゼ−３による処理前のものであり、下段はカズパーゼ−３の処理後のものである。図４のレーン１は１ｋｂＤＮＡマーカーであり、レーン２はプラスミドＤＮＡ（ｐＱＢＩ６３）であり（カチオン：アニオン比＝０）、レーン３〜８は順次カチオン：アニオン比が、それぞれ０．５（レーン３）、１．０（レーン４）、２．０（レーン５）、３．０（レーン６）、５．０（レーン７）、１０．０（レーン８）である。ゲル電気泳動の条件は、１００ｍＭＴＢＥ緩衝液（ｐＨ７．４）中のアガロース（０．１ｇ／１０ｍｌ）を用いて、１００Ｖで４０分であった。
図４の上段の処理前では、前記した図３の場合と同様にレーン６〜８において遺伝子のバンドが観察できなくなっているが、下段のカスパーゼ−３による処理（０．１２Ｕ／μｌ）後では遺伝子のバンドが観察できるようになってきている。これは、遺伝子がｐＡＣ高分子との荷電相互作用により強固な複合体を形成してゲル上で移動できなくなったが、カスパーゼ−３による処理が行われることにより、複合体が崩壊して遺伝子が開放されたことを示している。
【００１５】
この例では、プロテアーゼシグナルを利用した方法を示してきた。この例で使用された高分子は、正荷電を有するペプチド（ＡＧＤＥＶＤＧＫＫＫＫＫＫ）を担持したポリアクリルアミドを基本構造とする水溶性の高分子であり、導入したペプチドの正荷電部と高分子主鎖の間に、カスパーゼ−３で選択的に切断されるペプチド配列を組み込んである。この高分子を遺伝子と混合すると、静電相互作用で複合体を形成し、遺伝子転写は抑制される。しかし、カスパーゼ−３により、複合体内の高分子のペプチドが切断されると、高分子鎖から正荷電部が除去され、しかも残りの高分子部分には不荷電が残るように設計されているため、複合体は逆に負荷電同士の反発となり崩壊して遺伝子が開放される。
なお、この例ではプロテアーゼシグナルとしてカスパーゼ−３が使用されているが、これに限定されるものではなく用いるペプチド配列を標的とするプロテアーゼの基質配列とすることで、原理的にどんなプロテアーゼにも応用可能である。また、この例では水溶性高分子としてアクリル酸−メタクリル酸共重合体が使用されているが、使用できる高分子としては水溶性の高分子であれば、基本的にどんなものでも利用できる。プロテアーゼシグナルの異常も、肝炎や種々の炎症性疾患、アルツハイマーを初めとする多くの神経変性疾患でみられ、このシグナルを捕らえて、導入遺伝子を活性化できるシステムは極めて利用価値が高い。
【００１６】
次に、リン酸化シグナル応答システムを利用した例を示す。
リン酸化シグナルは、各種細胞内キナーゼ（酵素）の活性化に基づくもので、標的タンパクをリン酸化することで、そのタンパクの活性を変化させて細胞内のシグナルを伝達するシステムである。細胞内情報伝達系では、最も基本的かつ多用されるシグナルである。ここでは、その例として基本的で重要なキナーゼであるプロテインキナーゼＡのシグナルに応答するシステムを例示するが、他のキナーゼに対する基質配列を利用することで、全く同じシステムを他のキナーゼにも応用でき、本システムがプロテインキナーゼＡに限定されるものではない。
具体的には、正荷電を有し、プロテインキナーゼＡで選択的にリン酸化される基質ペプチド（ＡＬＲＲＡＳＬＧ−ＮＨ_２）を担持したポリアクリルアミドを基本骨格とする水溶性高分子を開発した。この高分子は、分子内に正荷電を多数有しているため、遺伝子と混合すると静電的に相互作用して複合体を形成する。その結果、遺伝子の転写に必要なタンパクが接近できず、遺伝子の転写発現が抑制される。しかし、プロテインキナーゼＡでこの複合体内の基質ペプチドがリン酸化されると、高分子内にリン酸アニオンが導入されていくため、遺伝子と高分子の静電的相互作用が減弱して、遺伝子が複合体から開放され、遺伝子の転写が可能となり、活性化するというものである。高分子鎖としては、ここではポリアクリルアミドを基本骨格としたが、原理的には、水溶性の中性高分子であれば、どんなものでも利用可能である。リン酸化シグナルを形成するキナーゼの活性異常は、種々のガンや心臓疾患などで知られており、これらの異常シグナルを感知して遺伝子発現制御ができると、全く新しい薬物概念を創製することが可能である。
【００１７】
アミノ酸配列にカチオン性を与える塩基性アミノ酸としてアルギニンを用い、リン酸化酵素の基質となるアミノ酸配列及びカチオン性を与える塩基性アミノ酸を含有するペプチドとして、
−ＡＬＲＲＡＳＬＧ−ＮＨ_２
（−Ａｌａ−Ｌｅｕ−−Ａｒｇ−Ａｒｇ−Ａｌａ−Ｓｅｒ−Ｌｅｕ−Ｇｌｙ−ＮＨ_２）
のアミノ酸配列を有するペプチドを調製した。
【００１８】
また、水溶性高分子の高分子骨格としては前記と同様にアクリル酸−メタクリル酸共重合体を用いた。即ち、前記のペプチドのＮ末端でメタクリル酸をアミド化し、Ｎ−ペプチド化メタクリル酸としたものと、アクリル酸アミドとを共重合して、本発明の遺伝子複合体形成材料を調製した。この合成法の概要を次の合成法IIで示す化学式で示す。
【００１９】
【化２】

【００２０】
プロテインキナーゼＡシグナル応答性カチオン性高分子（以下、ｐＡＫ高分子（pAK polymer）という。）の機能の概要を図５に示す。遺伝子（図５ではリボン状の２本鎖で示されている。）とｐＡＫ高分子とが複合体を形成した状態が図５の左側に示されている。この状態では、ｐＡＫ高分子と遺伝子とが荷電相互作用により強固なポリイオンコンプレックスを形成しており、この状態のときにＲＮＡポリメラーゼが接近してきても、ＲＮＡポリメラーゼは遺伝子の上に乗ることができず、転写することはできない。
この状態のときに、シグナル伝達系を介してプロテインキナーゼＡが活性化されると、プロテインキナーゼＡがｐＡＫ高分子の中の基質部分を認識して、リン酸化する。その結果、ｐＡＫ高分子のカチオン性の部分が失われて、遺伝子との荷電相互作用を維持することができなくなり、遺伝子とｐＡＫ高分子との複合体が崩壊する。その結果、遺伝子は開放されＲＮＡポリメラーゼによる転写が開始できるようになる。
【００２１】
次に、この高分子と遺伝子との相互作用を検討した。
遺伝子としては前記と同様に、緑色蛍光を発するＧＦＰ（ＧｒｅｅｎＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔＰｒｏｔｅｉｎ）をコードするプラスミドＤＮＡ（ｐＥＴ１６ｂ）を用いた。前記ペプチド０．９ｍｏｌ％を含有するｐＡＫ高分子とプラスミドＤＮＡ（ｐＥＴ１６ｂ）を混合して、種々のカチオンとアニオンの比（ｃａｔｉｏｎ／ａｎｉｏｎ）でゲル電気泳動を行った。結果を図６に図面に代わる写真で示す。図６の１番左側のレーンはプラスミドＤＮＡ（ｐＥＴ１６ｂ）であり（カチオン：アニオン比＝０）、その右レーンは順次カチオン：アニオン比が、それぞれ０．１６（左側から２番目のレーン）、０．３２（左側から３番目のレーン）、０．５（左側から４番目のレーン）、０．６５（左側から５番目のレーン）、０．９７（左側から６番目のレーン）となっており、一つおいて右のレーンが３．２５（左側から８番目のレーン）である。ゲル電気泳動の条件は、１００ｍＭＴＢＥ緩衝液（ｐＨ７．４）中のアガロース（０．１ｇ／１０ｍｌ）を用いて、１００Ｖで５０分であった。
図６の左側から１番目のレーン（遺伝子のみ）では、２本の遺伝子のバンドがはっきりと観察できるが、カチオンの比が高くなる（ｐＡＫ高分子の量が多くなる）に従って遺伝子のバンドが薄くなり、カチオン：アニオン比が３．２５になると遺伝子のバンドは完全に消失することがわかった。これは、遺伝子がｐＡＫ高分子との荷電相互作用により強固な複合体を形成してゲル上で移動できなくなったことを表している。
【００２２】
次にプロテインキナーゼＡによる作用を検討した。
カチオンとアニオンの比（ｃａｔｉｏｎ／ａｎｉｏｎ）が３．２の場合について、プロテインキナーゼＡによる処理の前後においてゲル電気泳動を行った。結果を図７に図面に代わる写真で示す。図７のレーン１は１ｋｂＤＮＡマーカーであり、レーン２はプラスミドＤＮＡ（ｐＥＴ１６ｂ）であり、レーン３はプラスミドＤＮＡ（ｐＥＴ１６ｂ）とｐＡＫ高分子との複合体であり、レーン４はレーン３の複合体をプロテインキナーゼＡで処理した後のものである。ゲル電気泳動の条件は、１００ｍＭＴＢＥ緩衝液（ｐＨ７．４）中のアガロース（０．１ｇ／１０ｍｌ）を用いて、１００Ｖで４０分であった。
図７のレーン２（遺伝子のみ）では２本の遺伝子のバンドが見られるが、これにｐＡＫ高分子を加えて複合体にすると遺伝子のバンドは消失する（レーン３）、これをプロテインキナーゼＡでリン酸化処理すると再び遺伝子のバンドが観察できるようになる（レーン４）。
これは、遺伝子がｐＡＫ高分子との荷電相互作用により強固な複合体を形成してゲル上で移動できなくなったが、プロテインキナーゼＡによる処理が行われることにより、複合体が崩壊して遺伝子が開放されたことを示している。
【００２３】
次に、複合体を用いたプロテインキナーゼＡシグナルによる転写活性化実験を行った。
遺伝子（ｐＱＢＩ６３）から発現させたＧＨＰの蛍光を、遺伝子−ｐＡＫ蛋白質複合体、及び当該複合体に活性型プロテインキナーゼＡを加えてリン酸化した溶液のそれぞれについてＧＦＰを発現させ、その蛍光を測定した。結果を図８に示す。図８の縦軸は蛍光強度を示し、横軸は波長（ｎｍ）を示す。図８中の実線は遺伝子（ｐＱＢＩ６３）から発現させたＧＦＰの蛍光を示し、黒丸印（●）を付した線は遺伝子−ｐＡＫ蛋白質複合体から発現させたＧＦＰの蛍光を示し、黒三角印（▲）を付した線は当該複合体をリン酸化処理したものから発現させたＧＦＰの蛍光を示す。
図８の結果から明らかなように、遺伝子（ｐＱＢＩ６３）から発現するＧＦＰは約５０５ｎｍ付近に強度の蛍光強度を示すが、本発明のｐＡＫ高分子との複合体を形成した場合（図８の黒丸印（●）を付した線）にはこの特徴的な蛍光が消失することがわかる。そして、この複合体をプロテインキナーゼＡで処理してペプチド部分をリン酸化した場合（図８の黒三角印（▲）を付した線）には、元の遺伝子から得られるＧＦＰとほぼ同じ位置にほぼ同じ強度の蛍光を観察することができ、リン酸化により遺伝子が複合体から開放され、転写が活性化されることがわかった。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以上のように、本発明は細胞内の異常シグナルを感知して遺伝子の転写・発現を活性化するという、これまでに全く無い概念に基づくものであり、例えば細胞への遺伝子の導入に際して細胞導入に必要な安定な複合体を形成させておいても、細胞内である種のシグナルを発している細胞でだけ、そのシグナルに応答して積極的に細胞内で複合体を崩壊させることができ、標的とする異常シグナルを発している細胞に選択的に導入した遺伝子の発現を可能にするものである。
本発明は、細胞内シグナル応答の酵素の基質となるアミノ酸配列及びカチオン性を与える塩基性アミノ酸を含有するペプチドを有する水溶性高分子からなる遺伝子複合体形成材料、遺伝子導入剤、及び当該遺伝子複合体材料と遺伝子とからなる遺伝子複合体、並びにこれを用いた遺伝子導入方法を提供するものである。
【００２５】
本発明で利用する酵素は、細胞におけるシグナル伝達系、シグナル応答系に関与している酵素であればよく、タンパクリン酸化シグナルとプロテアーゼシグナルなどに関連している酵素である。好ましくは、細胞の種類、例えば腫瘍細胞などに特異的に作用しているシグナル応答に関与する酵素がよい。前記した例では、プロテアーゼシグナルの例としてカスパーゼ−３を用い、リン酸化シグナルの例としてプロテインキナーゼＡを用いたものを示してきたが、本発明の酵素としては、用いるペプチド配列を標的とする酵素の基質配列とすることで、原理的にどのような酵素にも応用可能であり、前記で例示した酵素に限定されるものではない。
【００２６】
本発明のペプチドは、細胞内シグナル応答の酵素の基質となるアミノ酸配列及びカチオン性を与える塩基性アミノ酸を含有するものであり、このほかにリン酸化シグナル応答の酵素の基質となるアミノ酸配列、及びカチオン性を与える塩基性アミノ酸からなる部分を結合させるリンカーとなるアミノ酸配列や、水溶性高分子の骨格に結合するためのリンカーとなる配列を有してもよい。本発明のペプチドの長さは特に制限は無く、かなり長いものであってもよいが、製造の容易さなどを考慮すれば１０〜５０アミノ酸、１０〜３０アミノ酸、又は１０〜２０アミノ酸程度が好ましい。
本発明のペプチドの細胞内シグナル応答の酵素の基質となるアミノ酸配列としては、標的とする酵素により選択的に認識されるものであり、認識箇所又はその近傍においてリン酸化されたり、または切断されるものが好ましい。標的とする酵素の作用により、ペプチドにカチオン性を与えている部分のカチオン性が中和されたり、又は当該箇所が切断により分離されることにより、カチオン性のペプチドのカチオン性が失われることになればよい。
また、本発明のペプチドのカチオン性を与える塩基性アミノ酸を含有する部分としては、リジン、アルギニン、ヒスチジンなどの塩基性のアミノ酸を少なくとも１個以上、好ましくは２個以上含有ものであればよい。相互作用をさせたい遺伝子に応じて本発明のペプチドのカチオン性を調整することができる。
【００２７】
本発明の高分子の骨格としては、水溶性の高分子であれば特に制限はなく、生体内において格別の生理活性を持っていないものが好ましいが、生体親和性を有するものがよい。また、この高分子の骨格に前記した本発明のペプチドを結合させて使用するのであるから、ペプチドを結合することができる官能基を有するものが好ましい。前記した例ではアクリル酸、メタクリル酸系の高分子が例示されているが、これに限定されるものではない。
本発明の高分子の大きさ、分子量についても特に制限は無く、使用される遺伝子の長さ、細胞への親和性などを考慮して適宜決めることができる。また、本発明の高分子は、共重合体でもホモポリマーでも、ブロック重合体のいずれのものでもよく、特に制限はない。
本発明の高分子は、水溶性で生体親和性があればよく、不溶性の物質にペプチドが担持されている場合には、水溶性の高分子を形成できるモノマーを使用することにより、重合体として水溶性の高分子にすることもできる。
【００２８】
本発明の遺伝子複合体形成材料は、前記した本発明のペプチドを結合した水溶性の高分子からなるものであり、その製造方法としては、公知の方法を採用することができる。前記の製造例では、メタクリル酸モノマーにペプチドを結合させて得られたモノマーを重合させることにより製造する例を示してきたが、この方法に制限されるものではない。ペプチド部分を別途製造してモノマーを修飾して重合させてもよいし、別途製造されたペプチドを用いて水溶性の高分子を修飾してもよい。
【００２９】
本発明の遺伝子としては、アニオン性のものであればよく、ＤＮＡでもＲＮＡでもよいが通常はＤＮＡが好ましい。遺伝子の長さは極端に長かったり短いものでなければ、任意のものでよいが、通常は１０〜５０００塩基、２０〜２０００塩基程度のものがよい。使用される遺伝子の長さに応じて高分子の大きさを調整することもできる。また、使用する遺伝子の電荷に応じて本発明の遺伝子複合体形成材料の使用量や、本発明の遺伝子複合体形成材料のカチオン性の電荷量を調整することができる。
【００３０】
本発明の遺伝子複合体形成材料は、カチオン性のペプチド部分を有し遺伝子と強固なイオンコンプレックスを形成して、安定な遺伝子複合体として使用することができる。この遺伝子複合体は細胞において特定のシグナル応答に対応した酵素の作用により特異的にカチオン性を喪失して崩壊し、遺伝子を開放することができる。したがって、本発明の遺伝子複合体形成材料を生体への遺伝子導入剤として使用することができ、本発明は遺伝子複合体形成材料と遺伝子からなる遺伝子複合体を用いた遺伝子導入方法を提供するものである。
導入される遺伝子は、アンチセンスでもよく、また特定の蛋白質を発現する遺伝子であってもよい。本発明の方法によれば、細胞に非特異的に遺伝子複合体が導入されても、シグナル応答が有る細胞のみに特異的に遺伝子複合体から遺伝子が開放されることになり、結果として細胞特異的に遺伝子を導入する方法を提供するものである。
【００３１】
本発明は細胞のシグナル応答に応じて特異的に反応させることができるために、シグナル応答に起因する各種の疾患の治療や予防に利用することができる。
例えば、プロテアーゼシグナルの異常は、肝炎や種々の炎症性疾患、アルツハイマーを初めとする多くの神経変性疾患でみられ、このシグナルを捕らえて、導入遺伝子を活性化できるシステムは極めて利用価値が高い。また、リン酸化シグナルを形成するキナーゼの活性の異常は、種々のガンや心臓疾患などで知られており、これらの異常シグナルを感知して遺伝子発現制御ができると、全く新しい薬物概念を創製することが可能である。
【００３２】
【実施例】
次に実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３３】
実施例１（プロテアーゼシグナル応答性高分子の合成）
前記した合成法Ｉに示される方法により製造した。即ち、まず、基質ペプチド型モノマーを合成し、これとアクリルアミドをラジカル共重合して目的物を得る。基質ペプチド型モノマーは、Ｎ-メタクリロイルアラニンを合成し、これと他のＦｍｏｃアミノ酸を用いて、固相合成により自動ペプチド合成装置で合成した。
【００３４】
（１）Ｎ−メタクリロイルアラニンの合成
水酸化ナトリウム（１．２４ｇ）、Ｌ−アラニン（２．７６ｇ）を純水に溶解し、氷冷下、メタクリロイルクロリド（３ｍｌ）をＴＨＦ（１５ｍｌ）に溶解した溶液と水酸化ナトリウム（１．２１ｇ）を含む水溶液（１７ｍｌ）を同時に滴下した。その後、室温で４時間撹拌し、２Ｍ塩酸で酸性にして酢酸エチルで抽出した。有機相を乾燥後、減圧濃縮し、エーテルで洗浄して、減圧乾燥して目的物を得た。収量１．７６ｇ（３６％）。
【００３５】
（２）ペプチド型モノマーの合成
各Ｆｍｏｃ−アミノ酸（０．８ｍｍｏｌ）を反応容器に秤取り、自動合成装置によりペプチドを合成した。反応終了後、ペプチド樹脂をトリフルオロ酢酸（９．５ｍｌ）、純水（０．２５ｍｌ）、トリイソプロピルシラン（０．２５ｍｌ）の混合溶液に加え、２時間放置して吸引ろ過した。樹脂をトリフルオロ酢酸で洗浄し、洗浄液とろ液をあわせ、その１０倍量のエーテルを加えて、析出したペプチドをろ取し、減圧乾燥した。粗ペプチドは、逆相ＨＰＬＣにより精製した。（０．１％ＴＦＡ水溶液／０．１％ＴＦＡ−アセトニトリル＝１５％→５０％（１５分)。これにより３６ｍｇのペプチド型モノマーを得た。
【００３６】
（３）高分子の合成
アクリルアミド１４ｍｇ及び前記（２）で得たペプチド型モノマー２５ｍｇを純水２ｍｌに溶解し、２分間窒素バブリングした。これに、過硫酸アンモニウム２．９ｍＭ、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン５．８ｍＭを加えて重合した。１時間後、溶液を分画分子量２５０００の透析膜バッグに入れ、純水に対して１日透析した。その後、溶液を凍結乾燥して目的高分子を得た。
【００３７】
実施例２（ＤＮＡとの複合体の合成）
ＤＮＡとしてｐＱＢＩ６３（０．１μｇ，アニオン荷電として０．４６ｎｍｏｌ／μｌ）に対し、実施例１で合成した高分子を荷電比で０，０．５，１．０，１．５，２．０，３．０，５．０，１０．０となるように加え、ＰＢＳで全量を１０μｌとして３０分間室温で放置して、目的の遺伝子複合体を得た。
これらをそれぞれゲル電気泳動で分析した。結果を図３に示す。
【００３８】
実施例３（カスパーゼ−３シグナルによる複合体の崩壊とＤＮＡの開放実験）ＤＮＡとしてｐＱＢＩ６３（０．１μｇ，アニオン荷電として０．４６ｎｍｏｌ／μｌ）に対し、実施例１で合成した高分子を荷電比で０，０．５，１．０，１．５，２．０，３．０，５．０，１０．０となるように加え、アッセイバッファー（５０ｍＭＨｅｐｅｓ，１００ｍＭＮａＣｌ，０．１％ＣＨＡＰＳ，１ｍＭＥＤＴＡ，１０％ｇｌｙｃｅｒｏｌ，１０ｍＭＤＴＴ）を２．０μｌ加え、滅菌水で全量を１０μｌとした。３０分後、カスパーゼ−３（２Ｕ，４μｌ）を添加して３０分間インキュベートし、ゲル電気泳動で分析した。
結果を図４に示す。
【００３９】
実施例４（リン酸化シグナル応答性高分子の製造）
前記した合成法IIにしたがって製造した。即ち、まず、基質ペプチド型モノマーを合成し、これとアクリルアミドをラジカル共重合して目的物を得る。基質ペプチド型モノマーは、Ｎ-メタクリロイルアラニンを合成し、これと他のＦｍｏｃアミノ酸を用いて、固相合成により自動ペプチド合成装置で合成した。
（１）Ｎ−メタクリロイルアラニンの合成
水酸化ナトリウム（１．２４ｇ）、Ｌ−アラニン（２．７６ｇ）を純粋に溶解し、氷冷下、メタクリロイルクロリド（３ｍｌ）をＴＨＦ（１５ｍｌ）に溶解した溶液と水酸化ナトリウム（１．２１ｇ）を含む水溶液（１７ｍｌ）を同時に滴下した。その後、室温で４時間撹拌し、２Ｍ塩酸で酸性にして酢酸エチルで抽出した。有機相を乾燥後、減圧濃縮し、エーテルで洗浄して、減圧乾燥して目的物を得た。収量１．７６ｇ（３６％）。
【００４０】
（２）ペプチド型モノマーの合成
反応容器に各Ｆｍｏｃアミノ酸（０．７８ｍｍｏｌ）づつとり、自動合成装置によりペプチドを合成した。反応終了後、ペプチド樹脂をトリフルオロ酢酸（９．５ｍｌ）、純水（０．２５ｍｌ）、トリイソプロピルシラン（０．２５ｍｌ）の混合溶液に加え、２時間放置して吸引ろ過した。樹脂をトリフルオロ酢酸で洗浄し、洗浄液とろ液をあわせ、その１０倍量のエーテルを加えて、析出したペプチドをろ取し、減圧乾燥した。粗ペプチドは、逆相ＨＰＬＣにより精製した。（０．１％ＴＦＡ水溶液／０．１％ＴＦＡ−アセトニトリル＝１５％→５０％（１５分)。これにより３４．４ｍｇのペプチド型モノマーを得た。
【００４１】
（３）正電荷高分子の合成
アクリルアミド２０ｍｇ（０．２８ｍｍｏｌ）を純水２ｍｌに溶解し、２分間窒素バブリングした。これに、過硫酸アンモニウム（１．３２ｍｇ，５．７８μｍｏｌ）、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン（１．７７μｌ）を加えて重合した。１時間後、溶液を分画分子量２５０００の透析膜バッグに入れ、純水に対して１日透析した。その後、溶液を凍結乾燥して目的高分子を得た。
【００４２】
実施例５（高分子と遺伝子の複合体形成）
ＤＮＡとしては、緑色蛍光タンパクをコードしたプラスミド型遺伝子ｐＱＢＩ６３を用いた。ＤＮＡ（０．１μｇ，アニオン荷電量として０．４６ｎｍｏｌ／μｌ)に正電荷がＤＮＡの負電荷に対して０、０．５５，１．１０，１．６５，２．２０，３．３，５．５，１１倍となるように加え、転写用緩衝液２．０μｌ４００ｍＭＨｅｐｅｓ（ｐＨ７．５），１６０ｍＭ塩化マグネシウム, １０ｍＭスペルミジン，２００ｍＭＤＴＴ）を加え、滅菌水で全量を１０μｌとして、目的の遺伝子複合体を得た。それぞれの溶液から少量を取り、ゲル電気泳動により複合体形成を評価した。結果を図６に示す。
【００４３】
実施例６（複合体中の高分子のプロテインキナーゼＡによるリン酸化）
上述の複合体溶液にＡＴＰ水溶液（１８ｍＭ，２．３μｌ）、ＰＫＡサブユニット（２５Ｕ／μｌ）を加え、２時間室温で放置した。各々の溶液を少量取り、ゲル電気泳動により複合体の崩壊とＤＮＡの開放を評価した。結果を図７に示す。
【００４４】
実施例６（複合体を用いたプロテインキナーゼＡシグナルによる転写活性化）ＤＮＡ（ｐＱＢＩ６３，ＧＦＰをコード；１５０μｇ／ｍｌ）水溶液６．５μｌ（ＤＮＡ，１μｇ）にアミノ酸混合液２．５μｌ、Ｓ３０Ｐｒｅｍｉｘｗｉｔｈｏｕｔａｍｉｎｏａｃｉｄｓ溶液（１０μｌ），Ｔ７Ｓ３０Ｅｘｔｒａｃｔ７．５μｌを加え、ＰＢＳ緩衝液で全量を３０．２μｌとしたものをコントロールとした。また、この溶液にＤＮＡの代わりに合成した高分子を電荷比が１０となるように加えて作成した複合体を用いた溶液、およびこの複合体にあらかじめＡＴＰ水溶液（４５．４ｍＭ，１．３μｌ），、塩化マグネシウム水溶液（４５．４ｍＭ，１．５μｌ）、活性型プロテインキナーゼＡ（２５Ｕ／ｍｌ，１．０μｌ）を加えた溶液を添加して、リン酸化した溶液をそれぞれ、Ｓ３０ｐｒｅｍｉｘ，Ｔ７ＥｘｔｒａｃｔｆｏｒＣｉｒｃｕｌａｒＳｙｓｔｅｍ，ＡｍｉｎｏＡｃｉｄｓｍｉｘｔｕｒｅを添加して３７℃で２時間インキュベートし、氷水に５分間浸した。それぞれの溶液を滅菌水で２５０μｌに希釈して蛍光を測定した。結果を図８に示す。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は、遺伝子と強固なイオンコンプレックスを形成して遺伝子複合体を提供するものであり、本発明の遺伝子複合体は細胞のシグナル応答に対して特異的に反応して遺伝子を開放することができる。このために本発明の遺伝子複合体形成材料は、シグナル応答の特定の酵素に選択的に認識され得るアミノ酸配列及び遺伝子とイオンコンプレックスを形成し得るカチオン性の部分のアミノ酸配列を有するペプチドが結合した水溶性高分子からなることを特徴としている。
本発明の遺伝子複合体を使用することにより、導入時は安定な遺伝子複合体として生体内に効率よく導入することができ、標的とする特定の細胞において特異的に当該遺伝子複合体を崩壊させて遺伝子を開放し、効率よく、滑選択的に生体内に遺伝子を導入することができる。
本発明の方法によれば、プロテアーゼシグナルの異常も、肝炎や種々の炎症性疾患、アルツハイマーを初めとする多くの神経変性疾患でみられ、また、リン酸化シグナルを形成するキナーゼの活性異常は、種々のガンや心臓疾患などで知られており、このシグナルを捕らえて、これらの異常細胞に効率よく、簡便に、かつ選択的に遺伝子を導入させることができ、当該細胞において導入遺伝子を活性化することができる。本発明はこのような全く新しい薬物概念の創製を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の遺伝子複合体形成材料におけるカスパーゼ−３シグナルによる相互作用の概要を模式的に示したものである。
【図２】図２は、本発明の遺伝子複合体形成材料におけるカスパーゼ−３シグナルによる相互作用及びＲＮＡポリメラーゼの概要を模式的に示したものである。
【図３】図３は、本発明のｐＡＣ高分子とプラスミドＤＮＡ（ｐＱＢＩ６３）を混合して、種々のカチオンとアニオンの比（ｃａｔｉｏｎ／ａｎｉｏｎ）でゲル電気泳動を行った結果を示す図面に代わる写真である。図３の１番左側のレーンは１ｋｂＤＮＡマーカーであり、その右のレーンはプラスミドＤＮＡ（ｐＱＢＩ６３）であり（カチオン：アニオン比＝０）、その右レーンは順次カチオン：アニオン比が、それぞれ０．５（左側から３番目のレーン）、１．０（左側から４番目のレーン）、１．５（左側から５番目のレーン）、２．０（左側から６番目のレーン）、３．０（左側から７番目のレーン）となっており、一つおいて右のレーンが１０．０（左側から９番目のレーン）である。
【図４】図４は、本発明のｐＡＣ高分子とプラスミドＤＮＡ（ｐＱＢＩ６３）を種々のカチオンとアニオンの比（ｃａｔｉｏｎ／ａｎｉｏｎ）において、カスパーゼ−３による処理の前後においてゲル電気泳動を行った結果を示す図面に代わる写真である。図４の上段はカスパーゼ−３による処理前のものであり、下段はカズパーゼ−３の処理後のものである。図４のレーン１は１ｋｂＤＮＡマーカーであり、レーン２はプラスミドＤＮＡ（ｐＱＢＩ６３）であり（カチオン：アニオン比＝０）、レーン３〜８は順次カチオン：アニオン比が、それぞれ０．５（レーン３）、１．０（レーン４）、２．０（レーン５）、３．０（レーン６）、５．０（レーン７）、１０．０（レーン８）である。
【図５】図５は、本発明のリン酸化シグナルによる相互作用の概要を模式的に示したものである。
【図６】図６は、本発明のｐＡＫ高分子とプラスミドＤＮＡ（ｐＥＴ１６ｂ）を混合して、種々のカチオンとアニオンの比（ｃａｔｉｏｎ／ａｎｉｏｎ）でゲル電気泳動を行った結果を示す図面に代わる写真である。図６の１番左側のレーンはプラスミドＤＮＡ（ｐＥＴ１６ｂ）であり（カチオン：アニオン比＝０）、その右レーンは順次カチオン：アニオン比が、それぞれ０．１６（左側から２番目のレーン）、０．３２（左側から３番目のレーン）、０．５（左側から４番目のレーン）、０．６５（左側から５番目のレーン）、０．９７（左側から６番目のレーン）となっており、一つおいて右のレーンが３．２５（左側から８番目のレーン）である。
【図７】図７は、カチオンとアニオンの比（ｃａｔｉｏｎ／ａｎｉｏｎ）が３．２の場合について、プロテインキナーゼＡによる処理の前後においてゲル電気泳動を行った結果を示す図面に代わる写真である。図７のレーン１は１ｋｂＤＮＡマーカーであり、レーン２はプラスミドＤＮＡ（ｐＥＴ１６ｂ）であり、レーン３はプラスミドＤＮＡ（ｐＥＴ１６ｂ）とｐＡＫ高分子との複合体であり、レーン４はレーン３の複合体をプロテインキナーゼＡで処理した後のものである。
【図８】図８は、遺伝子（ｐＱＢＩ６３）、遺伝子−ｐＡＫ蛋白質複合体、及び当該複合体に活性型プロテインキナーゼＡを加えて処理した溶液を添加してリン酸化した溶液のそれぞれについてＧＦＰを発現させ、その蛍光を測定した結果を示す。図８の縦軸は蛍光強度を示し、横軸は波長（ｎｍ）を示す。図８中の実線は遺伝子（ｐＱＢＩ６３）から発現させたＧＦＰの蛍光を示し、黒丸印（●）を付した線は遺伝子−ｐＡＫ蛋白質複合体から発現させたＧＦＰの蛍光を示し、黒三角印（▲）を付した線は当該複合体をリン酸化処理したものから発現させたＧＦＰの蛍光を示す。

Claims

細胞内シグナル応答の酵素の基質となるアミノ酸配列及びカチオン性を与える塩基性アミノ酸を含有するペプチドを有する水溶性高分子からなる遺伝子複合体形成材料からなる遺伝子導入剤であって、
（ｉ）カチオン性を与える塩基性アミノ酸が、リジン及び／又はアルギニンであり、
カチオン性を与える塩基性アミノ酸が、細胞内シグナル応答の酵素の作用により切断されて分離されることにより、正電荷を消失するものであり、
細胞内シグナル応答の酵素が、プロテアーゼシグナルに関与する酵素であり、
ペプチドのアミノ酸配列が、アミノ酸の１文字表記でＸ１Ｘ２ＤＥＶＤＸ３（Ｋ）ｎ（Ｘ１−３は任意のアミノ酸、ｎは、３以上）で表され、
水溶性高分子が、アクリル酸及び／又はメタクリル酸又はそれらの誘導体からなる高分子である、遺伝子導入剤、
又は、
（ｉｉ）カチオン性を与える塩基性アミノ酸が、リジン及び／又はアルギニンであり、
ペプチド中の塩基性アミノ酸が有する正荷電が、細胞内シグナル応答の酵素の作用によりリン酸化されて正電荷が中和されるものであり、
細胞内シグナル応答の酵素が、タンパクリン酸化シグナルに関与する酵素であり、
ペプチドのアミノ酸配列が、アミノ酸の１文字表記でＸ１ＬＲＲＸ２ＳＬＸ３（Ｘ１−３は任意のアミノ酸）で表され、
水溶性高分子が、アクリル酸及び／又はメタクリル酸又はそれらの誘導体からなる高分子である、遺伝子導入剤。
（ｉ）カチオン性を与える塩基性アミノ酸が、リジン及び／又はアルギニンであり、
カチオン性を与える塩基性アミノ酸が、細胞内シグナル応答の酵素の作用により切断されて分離されることにより、正電荷を消失するものであり、
細胞内シグナル応答の酵素が、プロテアーゼシグナルに関与する酵素であり、
ペプチドのアミノ酸配列が、アミノ酸の１文字表記でＸ１Ｘ２ＤＥＶＤＸ３（Ｋ）ｎ（Ｘ１−３は任意のアミノ酸、ｎは、３以上）で表され、
水溶性高分子が、アクリル酸及び／又はメタクリル酸又はそれらの誘導体からなる高分子である、請求項１に記載の遺伝子導入剤。
（ｉｉ）カチオン性を与える塩基性アミノ酸が、リジン及び／又はアルギニンであり、
ペプチド中の塩基性アミノ酸が有する正荷電が、細胞内シグナル応答の酵素の作用によりリン酸化されて正電荷が中和されるものであり、
細胞内シグナル応答の酵素が、タンパクリン酸化シグナルに関与する酵素であり、
ペプチドのアミノ酸配列が、アミノ酸の１文字表記でＸ１ＬＲＲＸ２ＳＬＸ３（Ｘ１−３は任意のアミノ酸）で表され、
水溶性高分子が、アクリル酸及び／又はメタクリル酸又はそれらの誘導体からなる高分子である、請求項１に記載の遺伝子導入剤。
遺伝子が、ＤＮＡである請求項１〜３の何れかに記載の遺伝子導入剤。
請求項１〜４のいずれかに記載の遺伝子導入剤、及び遺伝子からなる遺伝子複合体。
遺伝子が、ＤＮＡである請求項５に記載の遺伝子複合体。
請求項１〜４のいずれかに記載の遺伝子導入剤及び遺伝子からなる遺伝子複合体を用いて、遺伝子を生体内（ヒトを除く）に導入する方法。