JP4410563B2 - 酵母のレポーター遺伝子としてのエクオリン - Google Patents

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Description

本発明は、シグナル伝達経路の活性を検出するためのレポーター遺伝子としてエクオリンを含む改変酵母細胞、および、このような改変酵母細胞を用いる方法に関する。
エクオリンは、発光クラゲAequoria victoriaから単離された発光タンパク質である。
アポエクオリンは、セレンテラジンに結合すると、Ca2+存在下でフォトンを放出するプロトタンパク質(protoprotein)である。エクオリン複合体は、22,5
14MWのアポエクオリンタンパク質、分子状酸素、および、発光原子団のセレンテラジンを含む(Inouye等、1989年;JohnsonおよびShimomura、1978年;ShimomuraおよびJohnson、1978年)。この複合体に3個のCa2+イオンが結合すると、セレンテラジンはセレンテラミドに酸化され、その際に二酸化炭素と青い光とを放出する(最大放出量は〜466nm)(図7)。
このCa2+依存性の発光のために、エクオリン複合体は、細胞内Ca2+のインジケーターとして広く用いられてきた。
エクオリンは、細胞の機能または胚の発生を妨害しないといわれている(Miller等、1994年)。
この発光タンパク質は、哺乳動物細胞で容易に発現可能である,これは、サイトゾルの遊離カルシウム濃度をモニターするのに用いることができる(ThomasおよびDelaville、1991年)(Sheu等、1993年)(Stables等、2000年)。
エクオリンはまた、ミトコンドリアのような特定の細胞器官を容易に標的にすることができ(Brini等、1999年)(Rizzuto等、1992年)、カルシウム恒常性の様々な観点をモニターすることができる。
エクオリンの様々な特性が医薬産業で大いに利用されており、特にハイスループットスクリーニングにおいて利用されている(Detheux、2000年)。小胞体からカルシウムが即座に放出されるため、発光タンパク質であるエクオリンの存在下でホスホリパーゼC変換経路に結合した受容体の活性化を容易に検出することができる。Detheux等のWO0002045(EUROSCREEN S.A.)は、カルシウム結合受容体のアゴニストおよび/またはアンタゴニストのハイスループットスクリーニング診断および/または投与方法(哺乳動物細胞における)を説明しており、ここでエクオリンは受容体が刺激された場合の細胞内のカルシウム変化に関するマーカーとして用いられる。
これまでに、エクオリンを酵母で機能的に発現させて検出できることがわかっている。
Nakajima−Shimada等(Nakajima−Shimada等、1991b)は、アポエクオリンcDNA発現系を用いたSaccharomyces cerevisiaeでの細胞内カルシウムのモニタリングを説明している。ここで、エクオリンは、培地中のストレスまたはグルコース変動に関する細胞内のカルシウムのマーカーとして再度使用された。
哺乳動物のシグナル変換とは異なり、酵母細胞においては、Gタンパク質共役受容体(
GPCR)を活性化しても小胞体からの相当するCa2+の放出はみられない。細胞へα因子が追加されることにより(すなわちGPCRのSte2の刺激)、細胞中で[Ca2+]iが基底レベルの約100nMから数百ナノモル濃度に上昇し、同時にCa2+流入が誘導される。Ca2(+)欠乏媒体で細胞をα因子と共にインキュベートすると、Ca2+流入がかなり減少するが、[Ca2+]iの上昇は検出されない(Iida等、1990年)。このわずかな変異(slide variation)は、我々の実験においては、経路の活性の検出に干渉しない。
酵母Saccharomyces cerevisiaeでは限られた数のレポーター遺伝子しか用いることができず、常に適切とは限らない。スクリーニング目的では、レポーター産物は簡単に検出されなければならず、その理由において便利なレポーター分析が必要である。最も一般的に用いられているレポーター遺伝子はLacZであり、これは、極めて大きく安定な酵素β−ガラクトシダーゼをコードする。
エクオリンは、発光タンパク質であり、化学発光分析においてβ−ガラクトシダーゼと同様にして検出される。エクオリン(22514MW)はβ−ガラクトシダーゼ(116351MW)より5倍小さいため、より大量に蓄積することが可能で、分析に対してより高い感受性を示し、より優れた経路のアップレギュレートおよびダウンレギュレート(試験された化合物の効果を活性化または阻害すること)をレポートする。
加えて、酵母分析では細菌汚染が起こる場合があり、汚染菌のほとんどは生理的にβ−ガラクトシダーゼを発現する。汚染された培養物は、β−ガラクトシダーゼ基質の存在下で極めて強いシグナルを発生させる可能性がある。エクオリンの使用を使用すれば、汚染による誤った陽性の危険が排除される。
すなわち、エクオリンは、β−ガラクトシダーゼより適切である。エクオリンは、酵母S.cerevisiaeで機能的に発現可能である(Nakajima−Shimada等、1991a)。エクオリンは、発光分析でセレンテラジンおよびCa2+の存在下で容易に検出される。
これまで、エクオリンは、経路の活性のレポーター遺伝子としては用いられていなかった(このようなレポーター遺伝子は、酵母のフェロモン経路に結合した哺乳動物のGタンパク質共役受容体では、LacZおよびHIS3が報告されている(King等、1990年;HadcockおよびPausch、1999年)。
1990年に最初に報告されたのは、哺乳動物の受容体(β2−アドレナリン性)による酵母の交配のシグナル伝達の制御であった(King等、1990年)。米国特許第5,876,951号(A)では、フェロモンシステムのタンパク質代替物を生産するように加工された酵母細胞、および、それらの使用(pFUS1−lacZ−およびpFUS1−ルシフェラーゼ)が特許請求されている。
エクオリンは、伝達経路依存性レポーターとして用いられており、従って、エクオリンレポーター遺伝子は、対象の伝達経路が活性化された場合にのみ発現される。例えば、フェロモン応答経路の活性を測定するためには、レポーター遺伝子であるエクオリン発現はいくつかのフェロモン応答要素を含むプロモーターにより制御される。FUS1プロモーターが、最も一般的に使用されている。一倍体のSaccharomyces cerevisiae細胞において、GPCRは、交配プロセスを調節する。受容体Ste2により、反対の交配型の細胞の存在が検出され(ペプチド交配フェロモンの結合を介して)、細胞内ヘテロ三重体Gタンパク質が活性化され、それにより、交配プロセスが開始される。Gpa1(αサブユニット)がβγ(Ste4−Ste18)複合体から解離し、フェロモン応答経路の下流の要素(例えば、よく特徴付けられたマイトジェン活性化タンパク質キナーゼ(MAPキナーゼ)カスケードなど)を活性化する。次に、活性化された転写因子Ste12は、数種の交配因子誘導遺伝子(例えばFUS1)の転写を開始させることができる。
フェロモン依存性遺伝子プロモーターにより制御されると、酵母のフェロモン伝達経路の活性化に比例してエクオリンが発現する。エクオリンの検出シグナルは、経路の活性を定量化する。
フェロモン応答要素は、Saccharomyces cerevisiaeのFUS1遺伝子の基礎的かつフェロモン誘導性の転写に必要であり十分である(Hagen等、1991年)。
本発明は、交配因子誘導遺伝子プロモーター、FUS1プロモーターまたはそれらの部分(例えば4PRE)の制御下でのエクオリンをコードする配列を含む改変酵母細胞に関する。本発明の特定の実施形態において、エクオリンをコードする配列は、配列番号1である。本発明のその他の特定の実施形態において、改変酵母細胞は、その他の異種タンパク質、好ましくは調査しようとする異種タンパク質を発現する。このようなその他の異種タンパク質の例は、細胞表面タンパク質、例えばGタンパク質共役受容体またはキナーゼである。改変可能な酵母細胞は、例えば、Saccharomyces cerevisiae、Schizosaccharomyces pombe、および、Candida albicansである。
本発明はまた、例えば化合物をスクリーニングするための上記改変酵母細胞の使用に関する。
本発明は、異種細胞表面タンパク質が仲介するエクオリン発現を調節する化合物を同定する方法に関し、該方法は、
(a)交配因子誘導遺伝子のプロモーターの制御下でエクオリンをコードする配列を含む改変酵母細胞、
(b)該改変酵母細胞を化合物と共にインキュベートすること、
(c)エクオリン発現量を測定すること、
を含む。
我々の研究結果によれば、伝達経路依存性のレポーター分析において、エクオリンが、β−ガラクトシダーゼよりも優れていることが示されている。
実施例1:材料および方法
酵母株として、W303MATa、far::hisG、sst2::URA3FOA
fus1::HIS3を用いた。
酢酸リチウム法(Ito等、1983年)により酵母株を様々なプラスミドで形質転換した)。
実施例2:エクオリン発現ベクターの構築
完全長cDNAエクオリン遺伝子をPCRで増幅し、この際、テンプレートとしてキメラのミトコンドリアのエクオリンmtAEQ(この場合、短縮化したN末端はヒトチトクロームCターゲティングシグナルに融合される(Rizzuto等、1992年))を用いた。5’PCRプライマーは、エクオリンの野生型配列の初めの50個のヌクレオチド
と、EcoRI(以下、太字で示す)クローニング部位とを含む。3’プライマーは、クローニング部位を全く含まない。
Figure 0004410563
次に、完全長野生型エクオリンのコーディング配列(図1)を、フェロモン経路の活性依存性の発現ベクターp78−4PRE(TRP1、2μ)(図3)にクローニングした。
FUS1プロモーターの最小かつ十分な部分(Hagen等、1991年)を4PREと称し、これは、FUS1オープンリーディングフレーム上流のプロモーター領域の最後の261bpからなる。このプロモーターは、2つの以下のプライマーを用いて野生型酵母のゲノムDNAから増幅した:
Figure 0004410563
実施例3:β−ガラクトシダーゼ発現ベクターの構築
比較するために、LacZを、エクオリンと同じ方法で同じ発現ベクターにサブクローニングしたが、この際、いかなる内因性遺伝子の5’配列とも融合させなかった(発現レベルを高めるために行われることがある(King等、1990年))。
完全長Escherichia coliのβ−ガラクトシダーゼ遺伝子配列を、フェロモン経路の活性依存性の発現ベクターp78−4PRE(TRP1、2μ)(図4)にクローニングした。
実施例4:エクオリンの検出
細胞を分配するか、および/または、白色の96−ウェルプレートで100μl量で培養した。
測定時間の30分前に、5μMセレンテラジン(Molecular Probes)溶液10μlを各ウェルに分配し(最終濃度0.5μMになった)、細胞をローディング
した。
次に、プレートを残り30分間を30℃でインキュベートした。
注入システムを備えたルミノメーターでエクオリンを検出した(Luminoskan,Labsystem)。各ウェルにおいて、10mMのCaCl2溶液(Pierce社製のリシス緩衝液Y−PERで希釈した1MのCaCl2)を注入した直後に、15秒間発光シグナルを統合した。
ローディングの中間工程を省くために、分析の最初から培地にセレンテラジンを加えてもよく、その場合、セレンテラジンは濃度0.5μMで加えられる。
実施例5:β−ガラクトシダーゼの検出
細胞を分配するか、および/または、白色の96−ウェルプレートで100μl量で培養した。測定時間に、各ウェルにβ−ガラクトシダーゼ検出ミックス(Gal−screen,Tropix)100μlを加えた。
プレートを、1時間、28℃でインキュベートした。
β−ガラクトシダーゼシグナルをルミノメーターで読み取った;0.5秒間発光シグナ
ルを統合した。
実施例6:経路の活性の典型的なレポーター
この分析において、2種のレポーター遺伝子の発現は、フェロモン交配経路の活性に依存する(Leberer等、1997年)。FUS1プロモーター領域から増幅された最小プロモーター4PRE(Hagen等、1991年)は、交配シグナルの場合のみ活性化された。このシグナルは、フェロモン受容体Ste2がそのリガンドであるα因子で刺激されることにより惹起される。
p78−4PRE−AEQまたはp78 4PRE−LacZプラスミドのいずれかで形質転換された酵母株の3個のコロニーを、適切な培地(SCグルコース−Trp)で定常期に達するまで培養し、続いて、0;10-7;10-9;10-11Mのα因子(Sigm
a)を含む同培地(エクオリン株に対しては0.5μMセレンテラジンを含む)で希釈し
た。続いて、プレートを、30℃で、700r.p.m.で、3時間、6時間、および、24時間振盪した。
2種のレポーター間との比較、および、様々な刺激時間での比較を行うために、測定されたエクオリン(図5)およびβ−ガラクトシダーゼ(図6)の検出数を刺激/非刺激の比率で示す。
刺激してから3時間後、検出された比率は、すでに1nMまたは100nMのα因子で、β−ガラクトシダーゼよりエクオリンのほうが高かった(それぞれ、エクオリンでは8および24の比率、β−ガラクトシダーゼでは4および7の比率)。刺激してから6時間後、β−ガラクトシダーゼの比率は、同じレベルに留まったが(いずれのα因子濃度においても7の比率であった)、エクオリン検は、より高いレベルが検出された(α因子1nMでは11の比率であり、α因子100nMでは36の比率であった)。刺激してから24時間後、エクオリン数は、β−ガラクトシダーゼより高いレベルを維持した。
すなわち、この実験から、エクオリンが、β−ガラクトシダーゼよりも良好に様々なリガンド濃度でのSte2の刺激を長期間にわたり示すことがわかった。
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Claims (2)

  1. 交配因子誘導遺伝子のプロモーターの制御下で発現するエクオリンをコードする配列を含む改変酵母細胞であって、
    発現が細胞表面タンパク質により仲介され、そして
    プロモーターは配列番号2の配列を有するFUS1プロモーターの部分であり、この部分は配列番号5の配列を有するプライマーおよび配列番号6の配列を有するプライマーを用いて野生型酵母ゲノムDNAの該プロモーターを増幅することを含む方法により得ることができる、
    改変酵母細胞
  2. (a)交配因子誘導遺伝子のプロモーターの制御下でエクオリンをコードする配列を含む改変酵母細胞であって、
    プロモーターは配列番号2の配列を有するFUS1プロモーターの部分であり、この部分は配列番号5の配列を有するプライマーおよび配列番号6の配列を有するプライマーを用いて野生型酵母ゲノムDNAの該プロモーターを増幅することを含む方法により得ることができる、
    該改変酵母細胞を、
    化合物と共にインキュベートすること、および、
    )エクオリン発現量を測定すること、
    を含む、異種細胞表面タンパク質が仲介するエクオリン発現を調節する化合物を同定する方法。
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