JP5544659B2 - Modified photoreceptor channel-type rhodopsin protein - Google Patents
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Description
本発明は、改変された光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質、該タンパク質をコードするポリヌクレオチド、該ポリヌクレオチドを含む発現ベクター、及び該タンパク質を発現する細胞に関する。 The present invention relates to a modified photoreceptor channel-type rhodopsin protein, a polynucleotide encoding the protein, an expression vector containing the polynucleotide, and a cell expressing the protein.
淡水池沼に普通に生息しているクラミドモナスは、葉緑体を持ち、光合成をする単細胞真核生物である緑藻類に属している。クラミドモナスは、眼点と呼ばれる特殊な膜領域で光を受容し、鞭毛運動を制御することにより、光に集まる習性(すなわち走光性)を有している。
クラミドモナスの一種Chlamydomonas reinhardtiiの眼点に分布している原核生物型ロドプシンファミリータンパク質の遺伝子配列が解明され、公開されている(GenBank登録番号AF461397)。このタンパク質は、可視光に応答してイオンを透過させ、膜電位を制御しているので、生物界における光受容体チャネルの事例である(非特許文献1、2)。
クラミドモナスにおいては、2種類の原核生物型ロドプシンタンパク質、チャネルオプシン1とチャネルオプシン2がある。これらは、光受容体チャネルの一種であり、単一の分子で、光感受性とイオンチャネルの機能をあわせ持っている。チャネルオプシン1は、カエル(ゼノパス)の卵母細胞に発現させると、光に応答してH+を透過させる性質をもっている(非特許文献1)。チャネルオプシン2は、Na+などの陽イオン透過性もあわせもち、培養哺乳類細胞(HEK293、BHK)に発現させることで、400〜500nmの青色光に応答した脱分極が引き起こされることが報告されている(非特許文献2)。
上記のような光受容体チャネルは、医療、福祉・介護、情報通信を含む様々な分野に利用されることが見込まれている。
例えば、特許文献1は、遺伝子工学的方法を用いて、チャネルオプシン2を神経細胞に導入・発現することにより、光感受性を新たに付与した神経細胞が創出されることを開示している。また、この技術をイン・ビボおよびイン・ビトロの系に応用することにより、光照射により神経細胞ネットワークを働かせることが試みられている(非特許文献3〜6)。
さらに、さまざまな原因により網膜の光受容体細胞が変性した動物を用いて、神経節細胞や双極細胞などにチャネルオプシン2を導入・発現することにより、視力を回復させることが行われている(非特許文献7、8)。
The gene sequence of a prokaryotic rhodopsin family protein distributed in the eyes of Chlamydomonas reinhardtii, a Chlamydomonas species, has been elucidated and published (GenBank accession number AF461397). This protein is an example of a photoreceptor channel in the biological world because it transmits ions in response to visible light and controls the membrane potential (Non-Patent Documents 1 and 2).
In Chlamydomonas, there are two types of prokaryotic rhodopsin proteins, channel opsin 1 and channel opsin 2. These are a type of photoreceptor channel, which is a single molecule that has both photosensitivity and ion channel functions. Channel opsin 1 has the property of transmitting H + in response to light when expressed in frog (Xenopus) oocytes (Non-patent Document 1). It has been reported that channel opsin 2 has a cation permeability such as Na + and is expressed in cultured mammalian cells (HEK293, BHK) to cause depolarization in response to blue light of 400 to 500 nm. (Non-Patent Document 2).
Photoreceptor channels as described above are expected to be used in various fields including medical care, welfare / care, and information communication.
For example, Patent Document 1 discloses that a nerve cell newly imparted with photosensitivity is created by introducing and expressing channel opsin 2 in a nerve cell using a genetic engineering method. In addition, by applying this technique to in vivo and in vitro systems, attempts have been made to activate a neural cell network by light irradiation (Non-Patent Documents 3 to 6).
Furthermore, it is possible to restore vision by introducing and expressing channel opsin 2 in ganglion cells, bipolar cells and the like using animals in which retinal photoreceptor cells have been degenerated due to various causes ( Non-Patent Documents 7 and 8).
上記のような試みは、光受容体チャネルを哺乳類細胞などの真核生物細胞に導入・発現させ、これを光照射により惹起される脱分極などの機能制御に用いるというコンセプトを基礎とする。このような光受容体チャネルの応用において、光受容体チャネルは、概して、光電流の不活化が弱い、コンダクタンスが大きい、周波数応答特性が高いといった機能を有することが望まれるが、これらを充足する光受容体チャネルは現在までに見出されていない。
また、例えば、光受容体チャネルを網膜の神経細胞に導入・発現させることにより失明患者の視覚を回復させる試みにおいては、さらに、微弱な光を感知できること、波長選択性が低く白色光に応答すること等の機能を有することが望ましい。
したがって、機能制御のための使用に望ましい機能を有し、目的とする用途に応じて更なる機能特性が付与された光受容体チャネルを提供することは非常に有用である。
そこで、本発明は、様々な機能特性が改善又は付与された光受容体チャネル型タンパク質を提供することを目的とする。
本発明者らは、緑藻類クラミドモナス由来の2種類の光受容体チャネル型タンパク質、チャネルオプシン1及びチャネルオプシン2の構造−機能連関を解析する過程で、これらのチャネルオプシン間で含膜貫通構造ドメインを組換えた様々なハイブリッドアポタンパク質を作製したところ、これらの中に、野生型と異なる機能特性を保持するハイブリッドアポタンパク質が存在することを見出した。また、これに伴い、チャネルオプシン1及びチャネルオプシン2の様々な機能特性に関与する含膜貫通構造ドメインを同定することができ、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明は以下の特徴を包含する。
(1) 複数の含膜貫通構造ドメインを有する改変された光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質であって、含膜貫通構造ドメインの少なくとも1つはこれに相当するChlamydomonas reinhardtiiのチャネルオプシン1に由来する含膜貫通構造ドメイン又はその変異体である、及び/又は、含膜貫通構造ドメインの少なくとも1つはこれに相当するChlamydomonas reinhardtiiのチャネルオプシン2に由来する含膜貫通構造ドメイン又はその変異体である、前記タンパク質。
(2) 含膜貫通構造ドメインの少なくとも1つはこれに相当するChlamydomonas reinhardtiiのチャネルオプシン1に由来する含膜貫通構造ドメイン又はその変異体であり、かつ含膜貫通構造ドメインの少なくとも1つはこれに相当するChlamydomonas reinhardtiiのチャネルオプシン2に由来する含膜貫通構造ドメイン又はその変異体である、上記(1)記載のタンパク質。
(3) 光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質はチャネルオプシン1であり、含膜貫通構造ドメインの少なくとも1つはこれに相当するChlamydomonas reinhardtiiのチャネルオプシン2に由来する含膜貫通構造ドメイン又はその変異体である、上記(1)記載のタンパク質。
(4) 前記光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質はChlamydomonas reinhardtii由来のチャネルオプシン1である、上記(3)記載のタンパク質。
(5) 光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質はチャネルオプシン2であり、含膜貫通構造ドメインの少なくとも1つはこれに相当するChlamydomonas reinhardtiiのチャネルオプシン1に由来する含膜貫通構造ドメイン又はその変異体である、上記(1)記載のタンパク質。
(6) 前記光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質はChlamydomonas reinhardtii由来のチャネルオプシン2である、上記(5)記載のタンパク質。
(7) 以下の(a)〜(l)のいずれかに示すポリペプチド又はその変異体を含む、上記(1)〜(6)のいずれか記載のタンパク質。
(a) 配列番号2のアミノ酸1〜117と配列番号4のアミノ酸79〜315とからなるポリペプチド
(b) 配列番号2のアミノ酸1〜164と配列番号4のアミノ酸126〜315とからなるポリペプチド
(c) 配列番号2のアミノ酸1〜184と配列番号4のアミノ酸146〜315とからなるポリペプチド
(d) 配列番号2のアミノ酸1〜212と配列番号4のアミノ酸174〜315とからなるポリペプチド
(e) 配列番号2のアミノ酸1〜242と配列番号4のアミノ酸204〜315とからなるポリペプチド
(f) 配列番号2のアミノ酸1〜276と配列番号4のアミノ酸238〜315とからなるポリペプチド
(g) 配列番号2のアミノ酸118〜345と配列番号4のアミノ酸1〜78とからなるポリペプチド
(h) 配列番号2のアミノ酸165〜345と配列番号4のアミノ酸1〜125とからなるポリペプチド
(i) 配列番号2のアミノ酸185〜345と配列番号4のアミノ酸1〜145とからなるポリペプチド
(j) 配列番号2のアミノ酸213〜345と配列番号4のアミノ酸1〜173とからなるポリペプチド
(k) 配列番号2のアミノ酸243〜345と配列番号4のアミノ酸1〜203とからなるポリペプチド
(l) 配列番号2のアミノ酸277〜345と配列番号4のアミノ酸1〜237とからなるポリペプチド
(8) 配列番号2のアミノ酸1〜164と配列番号4のアミノ酸126〜315とからなるポリペプチド又はその変異体を含む、上記(7)記載のタンパク質。
(9) 配列番号2のアミノ酸1〜242と配列番号4のアミノ酸204〜315とからなるポリペプチド又はその変異体を含む、上記(7)記載のタンパク質。
(10) 上記(1)〜(9)のいずれか記載のタンパク質をコードするポリヌクレオチド。
(11) プロモーターと機能的に連結された上記(10)記載のポリヌクレオチドを含む発現ベクター。
(12) 上記(1)〜(9)のいずれか記載のタンパク質を発現する細胞。
(13) 神経細胞である上記(12)記載の細胞。
本明細書は本願の優先権の基礎である日本国特許出願2008−076538号の明細書および/または図面に記載される内容を包含する。The above attempts are based on the concept that a photoreceptor channel is introduced and expressed in a eukaryotic cell such as a mammalian cell and used for functional control such as depolarization caused by light irradiation. In such photoreceptor channel applications, the photoreceptor channel is generally desired to have functions such as weak photocurrent inactivation, high conductance, and high frequency response characteristics. Photoreceptor channels have not been found to date.
Also, for example, in an attempt to restore vision of a blind patient by introducing and expressing photoreceptor channels in retinal neurons, it is possible to detect faint light and to respond to white light with low wavelength selectivity. It is desirable to have such functions.
Therefore, it is very useful to provide a photoreceptor channel that has a function that is desirable for use in function control and that is given additional functional properties depending on the intended application.
Then, an object of this invention is to provide the photoreceptor channel type | mold protein by which various functional characteristics were improved or provided.
In the process of analyzing the structure-function relationship of two types of photoreceptor channel-type proteins, channel opsin 1 and channel opsin 2, derived from the green alga Chlamydomonas, the present inventors have established a transmembrane domain between these channel opsin. When various recombinant hybrid apoproteins were produced, it was found that hybrid apoproteins having functional characteristics different from the wild type exist among them. Further, along with this, it was possible to identify transmembrane-containing structural domains involved in various functional characteristics of channel opsin 1 and channel opsin 2, and the present invention was completed.
That is, the present invention includes the following features.
(1) A modified photoreceptor channel-type rhodopsin protein having a plurality of transmembrane domains, wherein at least one of the transmembrane domains is derived from the corresponding channel opsin 1 of Chlamydomonas reinhardtii A transmembrane domain or a variant thereof and / or at least one of the transmembrane domains is a transmembrane domain or variant thereof derived from the corresponding Chlamydomonas reinhardtii channel opsin 2; Said protein.
(2) At least one transmembrane domain is a transmembrane domain derived from Chlamydomonas reinhardtii channel opsin 1 or a variant thereof, and at least one transmembrane domain is The protein according to (1), which is a transmembrane domain derived from channel opsin 2 of Chlamydomonas reinhardtii corresponding to or a variant thereof.
(3) The photoreceptor channel-type rhodopsin protein is channel opsin 1, and at least one transmembrane domain is a transmembrane domain derived from channel opsin 2 of Chlamydomonas reinhardtii or a variant thereof. The protein according to (1) above.
(4) The protein according to (3) above, wherein the photoreceptor channel-type rhodopsin protein is channel opsin 1 derived from Chlamydomonas reinhardtii.
(5) The photoreceptor channel-type rhodopsin protein is channel opsin 2, and at least one transmembrane domain is a transmembrane domain derived from channel opsin 1 of Chlamydomonas reinhardtii or a variant thereof. The protein according to (1) above.
(6) The protein according to (5) above, wherein the photoreceptor channel-type rhodopsin protein is channel opsin 2 derived from Chlamydomonas reinhardtii.
(7) The protein according to any one of (1) to (6) above, comprising the polypeptide shown in any of the following (a) to (l) or a variant thereof.
(A) Polypeptide consisting of amino acids 1-117 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 79-315 of SEQ ID NO: 4 (b) Polypeptide consisting of amino acids 1-164 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 126-315 of SEQ ID NO: 4 (C) a polypeptide consisting of amino acids 1-184 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 146-315 of SEQ ID NO: 4 (d) a polypeptide consisting of amino acids 1-212 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 174-315 of SEQ ID NO: 4 (E) a polypeptide consisting of amino acids 1 to 242 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 204 to 315 of SEQ ID NO: 4 (f) a polypeptide consisting of amino acids 1 to 276 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 238 to 315 of SEQ ID NO: 4 (G) a polypeptide consisting of amino acids 118 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 78 of SEQ ID NO: 4 (h) Polypeptide consisting of amino acids 165 to 345 of column number 2 and amino acids 1 to 125 of SEQ ID NO: 4 (i) Polypeptide consisting of amino acids 185 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 145 of SEQ ID NO: 4 (j) A polypeptide consisting of amino acids 213 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 173 of SEQ ID NO: 4 (k) A polypeptide consisting of amino acids 243 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 203 of SEQ ID NO: 4 (l) A polypeptide consisting of amino acids 277 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 237 of SEQ ID NO: 4 (8) A polypeptide consisting of amino acids 1 to 164 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 126 to 315 of SEQ ID NO: 4 or a mutation thereof The protein according to (7) above, comprising a body.
(9) The protein according to (7) above, comprising a polypeptide comprising amino acids 1 to 242 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 204 to 315 of SEQ ID NO: 4 or a variant thereof.
(10) A polynucleotide encoding the protein according to any one of (1) to (9) above.
(11) An expression vector comprising the polynucleotide according to (10) operably linked to a promoter.
(12) A cell that expresses the protein according to any one of (1) to (9) above.
(13) The cell according to (12), which is a nerve cell.
This specification includes the contents described in the specification and / or drawings of Japanese Patent Application No. 2008-076538, which is the basis of the priority of the present application.
図1は、(A)Chop1及びChop2のアミノ酸一次構造アライメント、及び(B)チャネルオプシン遺伝子のC末端をVenusに置き換えた改変型ロドプシンタンパク質の含膜貫通構造ドメイン構造を示す。
図2は、実施例で作製したハイブリッドアポタンパク質の含膜貫通構造ドメイン構造を示す。
図3は、実施例で使用した実験装置の概略図を示す。
図4は、実施例で使用したブースター回路の回路図を示す。
図5は、(A)ハイブリッドAbcdefgを発現したHEK293細胞及び(B)ハイブリッドABcdefgを発現したHEK293細胞の共焦点画像を示す。
図6Aは、ハイブリッドAbcdefgを発現させたHEK293細胞の光電流(上段:青色光、下段:緑色光)及びハイブリッドABcdefgを発現させたHEK293細胞の光電流(上段:青色光、下段:緑色光)を示す。図6Bは、青色光応答と緑色光応答のG/B比(Green/Blue ratio)によるハイブリッドアポタンパク質の吸収波長応答特性の比較を示す。
図7Aは、ハイブリッドAbcdefg光電流のI−V関係(黒:細胞外Na+濃度142mM、赤:細胞外Na+濃度が20mM)を示す。図7Bは、ハイブリッドAbcdefg光電流のI−V関係(黒:細胞外Na+濃度が142mM、赤:細胞外Na+濃度が20mM)を示す。図7Cは、それぞれのハイブリッドアポタンパク質に関する、光電流反転電位のシフトの比較を示す。
図8は、それぞれのハイブリッドアポタンパク質の光受容チャネルの単位膜容量あたりのホールセルコンダクタンスを示す。
図9Aは、照射パルス光の相対的な大きさを示す。図9B及びCは、それぞれハイブリッドAbcdefg及びABcdefgの光電流に関する、光の強さに対する電流応答の比較を示す。
図10Aは、野生型Chop2(1−315)abcdefgの光電流(黒)とハイブリッドABcdefgの光電流(赤)との比較を示す。図10Bは、それぞれのハイブリッドアポタンパク質について、不活性化の強さを定常光電流と最大光電流の比(plateau/peakratio)で定量化した結果を示す。
図11Aは、ハイブリッドAbcdefg(黒)とハイブリッドABcdefg(赤)における、光電流の立ち上がりの比較を示す。図11Bは、ハイブリッドAbcdefg(黒)とハイブリッドABcdefg(赤)における、光電流終了の比較を示す。図11Cは、光電流のON速度常数及びOFF速度常数の、ハイブリッドアポタンパク質及び野生型アポタンパク質間での比較を示す。
図12は、チャネルオプシン・ワイドレシーバー(chopWR)の含膜貫通構造ドメイン構造およびアミノ酸1次構造を示す。
図13は、チャネルオプシン・ファストレシーバー(chopFR)の含膜貫通構造ドメイン構造およびアミノ酸1次構造を示す。FIG. 1 shows (A) amino acid primary structure alignment of Chop1 and Chop2, and (B) transmembrane domain structure of a modified rhodopsin protein in which the C-terminus of the channel opsin gene is replaced with Venus.
FIG. 2 shows the transmembrane domain structure of the hybrid apoprotein produced in the example.
FIG. 3 shows a schematic diagram of the experimental apparatus used in the examples.
FIG. 4 shows a circuit diagram of the booster circuit used in the embodiment.
FIG. 5 shows confocal images of (A) HEK293 cells expressing hybrid Abcdefg and (B) HEK293 cells expressing hybrid Abcdefg .
6A is a HEK293 cells expressing hybrid Abcdefg photocurrent (upper: blue, lower: green light) and the light current of HEK293 cells expressing the hybrid ABCDEFG (upper: blue, lower: green light) the Show. FIG. 6B shows a comparison of the absorption wavelength response characteristics of the hybrid apoprotein according to the G / B ratio (Green / Blue ratio) of the blue light response and the green light response.
FIG. 7A shows the IV relationship of the hybrid Abcdefg photocurrent (black: extracellular Na + concentration 142 mM, red: extracellular Na + concentration 20 mM). FIG. 7B shows the IV relationship of the hybrid Abcdefg photocurrent (black: extracellular Na + concentration 142 mM, red: extracellular Na + concentration 20 mM). FIG. 7C shows a comparison of the photocurrent reversal potential shift for each hybrid apoprotein.
FIG. 8 shows the whole cell conductance per unit membrane capacity of the photoreceptor channel of each hybrid apoprotein.
FIG. 9A shows the relative size of the irradiation pulse light. FIGS. 9B and C show a comparison of current response to light intensity for hybrid Abcdefg and ABCddefg photocurrents , respectively.
FIG. 10A shows a comparison between the wild-type Chop2 (1-315) abcdefg photocurrent (black) and the hybrid ABCddefg photocurrent (red). FIG. 10B shows the results of quantifying the inactivation strength for each hybrid apoprotein by the ratio of the steady photocurrent to the maximum photocurrent (plateau / peakratio).
FIG. 11A shows a comparison of the rise of photocurrent in hybrid Abcdefg (black) and hybrid ABCddefg (red). FIG. 11B shows a comparison of photocurrent termination for hybrid Abcdefg (black) and hybrid ABcdefg (red). FIG. 11C shows a comparison of the photocurrent ON rate constant and OFF rate constant between the hybrid apoprotein and the wild type apoprotein.
FIG. 12 shows the transmembrane domain structure and primary amino acid structure of the channel opsin wide receiver (chopWR).
FIG. 13 shows the transmembrane domain structure and the primary amino acid structure of channel opsin fast receiver (chopFR).
本発明は、改変された光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質(以下、「改変型ロドプシンタンパク質」又は「ハイブリッドアポタンパク質」とも称する)に関する。具体的には、光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質が有する複数の含膜貫通構造ドメインのうちの少なくとも1つが、これに相当する、Chlamydomonas reinhardtiiのチャネルオプシン1(以下、「Chop1」とも称する)に由来する含膜貫通構造ドメイン又はその変異体である、及び/又は、これに相当する、Chlamydomonas reinhardtiiのチャネルオプシン2(以下、「Chop2」とも称する)に由来する含膜貫通構造ドメイン又はその変異体である、光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質に関する。
本明細書で使用する「含膜貫通構造ドメイン」とは、光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質において、バクテリオロドプシンとの相同性から推定される膜貫通構造を含む領域を指す。
1.改変型ロドプシンタンパク質
本発明の改変型ロドプシンタンパク質は、光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質中の含膜貫通構造ドメインの少なくとも1つが、これに相当する、Chop1に由来する含膜貫通構造ドメイン又はその変異体である、及び/又は、これに相当する、Chop2に由来する含膜貫通構造ドメイン又はその変異体であることを特徴とする。
すなわち、本発明の改変型ロドプシンタンパク質は、光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質が、Chop1において見出された好ましい機能特性を示す含膜貫通構造ドメイン、及び/又は、Chop2において見出された好ましい機能特性を示す含膜貫通構造ドメインを、これに相当する含膜貫通構造ドメイン領域で含んでいる結果、好ましい機能特性を保持する。
Chop1及びChop2は、異なる機能特性を有するため、本発明の改変型ロドプシンタンパク質は双方の好ましい機能特性を有することが好ましい。したがって、本発明において、光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質は、好ましくは、Chop1において見出された好ましい機能特性を示す含膜貫通構造ドメインと、Chop2において見出された好ましい機能特性を示す含膜貫通構造ドメインとを、これらに相当する含膜貫通構造ドメイン領域で含む。
1.1 光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質
本明細書で使用する光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質とは、光受容機能及びチャネル機能の両方(以下、「光受容チャネル機能」とも称する)を有する古細菌型ロドプシンファミリータンパク質を指す。古細菌型ロドプシンファミリータンパク質に属する構造的に近縁のタンパク質として、現在までに、Chop1及びChop2、好塩菌由来のバクテリオロドプシン、ハロロドプシン、センサリーロドプシン、プロテオロドプシン、緑藻類のオプシンタンパク質、菌類に見出されている機能不明のオプシンタンパク質などが知られており、いずれも本発明において使用することができる。
本発明において好ましい光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質は、Chop1又はChop2、或いはそれらの相同体又は変異体である。なお、Chop1及びChop2の遺伝子配列及びアミノ酸配列は公知である(Chop1:GenBank登録番号AF385748、Chop2:GenBank登録番号AF461397)。Chop1の遺伝子配列及びアミノ酸配列を配列番号1及び2に、Chop2の遺伝子配列及びアミノ酸配列を配列番号3及び4にそれぞれ示す。
ここで、「相同体」とは、異なる生物由来の同一機能をもつタンパク質(又は核酸)を指す。相同体タンパク質及びそれをコードする核酸の配列は、NCBI、EMBLなどの著名なデータベースにアクセスすることによって、例えばBLAST、FASTAなどのアルゴリズムを利用して検索することができる。またかかる相同体核酸又は遺伝子は定法に従って単離することができる。例えば、塩基配列情報を格納したデータベースを用いて特定した遺伝子を特異的に増幅するためのプライマーを設計、化学合成し、対象の生物から抽出したゲノムDNAを鋳型とする前記プライマーを用いたPCRによって、目的とするchop1又はchop2遺伝子の相同体を増幅、単離することができる。
本発明で使用するChop1(又はChop2)の変異体という用語には、Chop1(又はChop2)のアミノ酸配列において、1個〜数個のアミノ酸の置換、付加、挿入又は欠失を有し、かつChop1(又はChop2)と同等の機能特性を有するポリペプチド、並びにChop1(又はChop2)のアミノ酸配列と少なくとも90%、好ましくは少なくとも95%、より好ましくは少なくとも96%、97%、98%又は99%の配列相同性の配列相同性を有し、かつChop1(又はChop2)と同等の機能特性を有するポリペプチドが含まれる。
本明細書において使用する「数個」とは、10以下の整数、例えば2〜9、2〜7、2〜5の整数である。また、本明細書において、配列相同性の値は、複数(2つ)のアミノ酸配列間の相同性を演算するソフトウェア(例えば、FASTA、DNASYS、BLASTなど)をデフォルトの設定で使用して算出した値をいう。
本明細書において、Chop1又はChop2の関連で使用する「同等の機能特性」とは、例えばChop1又はChop2のコンダクタンス、光吸収波長特性、不活性化特性、周波数応答特性といった機能特性の少なくとも1つが実質的に同一であることを指す。
上記Chop1(又はChop2)の変異体は、天然に生じたものであってもよいし、人為的に変異を導入したものであってもよい。人為的な変異の導入は、例えば部位特異的変異導入法や、PCRを利用した変異導入法などを用いて、chop1(又はchop2)遺伝子に変異を導入することによって行うことができる(Proc Natl Acad Sci USA.,1984 81:5662;Sambrookら.,Molecular Cloning A Laboratory Manual(1989)Second edition,Cold Spring Harbor Laboratory Press;Ausubelら,Current Protocols in Molecular Biology 1995 John Wiley & Sons)。
上記Chop1(又はChop2)の相同体又は変異体が、Chop1(又はChop2)と同等の機能特性を有するか否かは、例えば、電気生理学的手法を用いた膜電位記録や膜電流記録や蛍光プローブを用いた細胞内イオン濃度変化を調べることによってアッセイすることができる。
本発明において、Chop1又はChop2は、必ずしもその全長である必要はなく、光受容チャネル活性を有するChop1又はChop2の断片であってもよい。Chop1又はChop2はそれぞれ膜貫通構造を含むN末端側領域(Chop1:1−345(配列番号5);Chop2:1−315(配列番号6))に光受容活性があることが報告されており、上記断片としてこれらの領域を含むポリペプチドを使用することが好ましい。
1.2 含膜貫通構造ドメイン
Chop1及びChop2は、バクテリオロドプシンとの類似性から、それぞれ7つの膜貫通構造を有していると仮定される(図1参照)。また、上記の通り、それぞれの仮定膜貫通構造を含むN末側領域(Chop1:1−345、Chop2:1−315)に光受容チャネル活性があることが報告されている。そこで、Chop1の各仮定膜貫通構造それぞれを含む含膜貫通構造ドメインとしてA、B、C、D、E、F、Gを定義し、Chop1のA〜Gを保持する光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質又はその断片をABCDEFGと表記する。同様に、Chop2の仮定膜貫通構造それぞれを含む含膜貫通構造ドメインとしてa、b、c、d、e、f、gを定義し、Chop2の含膜貫通構造ドメインa〜gを保持する光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質又はその断片をabcdefgと表記する。例えば、A〜DがChop1由来で、e〜gがChop2由来の光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質又はその断片は、ABCDefgと表記する。
Chop1の含膜貫通構造ドメインA〜Gは以下に示すアミノ酸領域である。
ドメインA:配列番号2に示すアミノ酸配列のアミノ酸1〜117
ドメインB:配列番号2に示すアミノ酸配列のアミノ酸118〜164
ドメインC:配列番号2に示すアミノ酸配列のアミノ酸165〜184
ドメインD:配列番号2に示すアミノ酸配列のアミノ酸185〜212
ドメインE:配列番号2に示すアミノ酸配列のアミノ酸213〜242
ドメインF:配列番号2に示すアミノ酸配列のアミノ酸243〜276
ドメインG:配列番号2に示すアミノ酸配列のアミノ酸277〜345
またChop2の含膜貫通構造ドメインa〜gは以下に示すアミノ酸領域である。
ドメインa:配列番号4に示すアミノ酸配列のアミノ酸1〜78
ドメインb:配列番号4に示すアミノ酸配列のアミノ酸79〜125
ドメインc:配列番号4に示すアミノ酸配列のアミノ酸126〜145
ドメインd:配列番号4に示すアミノ酸配列のアミノ酸146〜173
ドメインe:配列番号4に示すアミノ酸配列のアミノ酸174〜203
ドメインf:配列番号4に示すアミノ酸配列のアミノ酸204〜237
ドメインg:配列番号4に示すアミノ酸配列のアミノ酸238〜315
本発明において、Chop1(又はChop2)の含膜貫通構造ドメインの変異体(以下、「変異型含膜貫通構造ドメイン」ともいう)は、含膜貫通構造ドメインのアミノ酸領域において1個〜数個のアミノ酸の置換、付加、挿入又は欠失を有し、かつ未改変の含膜貫通構造ドメインと同等の機能特性を有するポリペプチド、並びに含膜貫通構造ドメインのアミノ酸配列に対して、少なくとも90%、好ましくは少なくとも95%、より好ましくは少なくとも96%、97%、98%又は99%の配列相同性を有し、かつ未改変の含膜貫通構造ドメインと同等の機能特性を有するポリペプチドを含む。なお、「数個」及び配列相同性の値は、上に定義されている。
変異型含膜貫通構造ドメインの関連で使用する「同等の機能特性」とは、変異型含膜貫通ドメインがもつ機能特性の種類(コンダクタンス、光吸収波長特性、不活性化特性、周波数応答特性など)が未改変の含膜貫通ドメインと実質的に同一であること、及び変異型含膜貫通ドメインがもつ機能特性の性質(コンダクタンスの強度、光吸収波長域、光電流の不活化の程度、周波数応答性の程度など)が未改変の含膜貫通ドメインと実質的に同一であることを含む。
上記変異型含膜貫通構造ドメインは、天然に生じたものであってもよいし、人為的に変異を導入したものであってもよい。人為的な変異の導入は、例えば部位特異的変異導入法や、PCRを利用した変異導入法などを用いて、含膜貫通構造ドメインをコードするポリヌクレオチドに変異を導入することによって行うことができる(Proc Natl Acad Sci USA.,1984 81:5662;Sambrookら.,前述;Ausubelら,前述)。
1.3 改変型ロドプシンタンパク質の構築
本発明の改変型ロドプシンタンパク質は、光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質中の含膜貫通構造ドメインの少なくとも1つが、これに相当する、Chop1由来の含膜貫通構造ドメイン又はその変異体である、及び/又は、これに相当する、Chop2由来の含膜貫通構造ドメイン又はその変異体であることを特徴とする。言い換えれば、本発明の改変型ロドプシンタンパク質は、光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質中の含膜貫通構造ドメインの少なくとも1つが、これに相当するChop1由来の含膜貫通構造ドメイン又はその変異体で置換されている、及び/又は、これに相当するChop2由来の含膜貫通構造ドメイン又はその変異体で置換されているものともいえる。これにより、Chop1又はChop2の好ましい機能特性が付与された改変型ロドプシンタンパク質を提供することができる。「これに相当する含膜貫通構造ドメイン」とは、置換される含膜貫通構造ドメインと、機能特性の種類(コンダクタンス、光吸収波長特性、不活性化特性、周波数応答特性など)において同一であるが、機能特性の性質(コンダクタンスの強度、光吸収波長域、光電流の不活化の程度、周波数応答性の程度など)において同一であるか又は異なる含膜貫通構造ドメインを指す。例えば、上記Chop1のドメインAに相当するChop2の含膜貫通構造ドメインは、上記ドメインaである。
また、上記Chop1の含膜貫通構造ドメイン、及びChop2の含膜貫通構造ドメインは、それぞれ異なる機能特性を有するため、Chop1の含膜貫通構造ドメイン及びChop2の含膜貫通構造ドメインの両方を種々の組合せで保持させることにより、様々な機能特性を有する光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質のラインナップを提供することができる。
例えば、Chop1の含膜貫通構造ドメインA〜G及びChop2の含膜貫通構造ドメインa〜gの機能特性に基づき、本発明の改変型ロドプシンタンパク質は、増大したコンダクタンス、長波長の光応答性の増大、弱い不活性化、高い周波数応答性といった機能特性の少なくとも1つを有することができる。
コンダクタンスの増大は、微弱光に対しても、大きな膜電位応答、膜電流応答を生ずるという点で好ましい機能特性である。
長波長の光応答性の増大は、活性化に試用できる光の波長帯域が拡大する、白色光に対する応答が増大するという点で好ましい機能特性である。
弱い不活性化は、光入力パターンをより正確に膜電位・膜電流に反映する、繰り返し刺激で応答が減衰しないという点で好ましい機能特性である。
高い周波数応答性は、高周波で変動する光情報に対する応答が減衰しないという点で好ましい機能特性である。
光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質がChop1である場合には、本発明の改変型ロドプシンタンパク質は、Chop1の含膜貫通構造ドメインの少なくとも1つ(例えばドメインA)に代えて、Chop2の含膜貫通構造ドメイン(例えばドメインa)を保持させることにより創出することができる。
また、光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質がChop2である場合には、本発明の改変型ロドプシンタンパク質は、Chop2の含膜貫通構造ドメインの少なくとも1つ(例えばドメインa)に代えて、Chop1の含膜貫通構造ドメイン(例えばドメインA)を保持させることにより創出することができる。
このようなChop1とChop2との間で創出される改変型ロドプシンタンパク質として、以下に例示するポリペプチド又はその変異体を含むタンパク質が挙げられる。
(Abcdefg) 配列番号2のアミノ酸1〜117と配列番号4のアミノ酸79〜315とからなるポリペプチド
(ABcdefg) 配列番号2のアミノ酸1〜164と配列番号4のアミノ酸126〜315とからなるポリペプチド
(ABCdefg) 配列番号2のアミノ酸1〜184と配列番号4のアミノ酸146〜315とからなるポリペプチド
(ABCDefg) 配列番号2のアミノ酸1〜212と配列番号4のアミノ酸174〜315とからなるポリペプチド
(ABCDEfg) 配列番号2のアミノ酸1〜242と配列番号4のアミノ酸204〜315とからなるポリペプチド
(ABCDEFg) 配列番号2のアミノ酸1〜276と配列番号4のアミノ酸238〜315とからなるポリペプチド
(aBCDEFG) 配列番号2のアミノ酸118〜345と配列番号4のアミノ酸1〜78とからなるポリペプチド
(abCDEFG) 配列番号2のアミノ酸165〜345と配列番号4のアミノ酸1〜125とからなるポリペプチド
(abcDEFG) 配列番号2のアミノ酸185〜345と配列番号4のアミノ酸1〜145とからなるポリペプチド
(abcdEFG) 配列番号2のアミノ酸213〜345と配列番号4のアミノ酸1〜173とからなるポリペプチド
(abcdeFG) 配列番号2のアミノ酸243〜345と配列番号4のアミノ酸1〜203とからなるポリペプチド
(abcdefG) 配列番号2のアミノ酸277〜345と配列番号4のアミノ酸1〜237とからなるポリペプチド
上記ポリペプチドの各変異体には、上記ポリペプチドの各アミノ酸配列において1個〜数個のアミノ酸の置換、付加、挿入又は欠失を有し、かつ上記ポリペプチドと同等の機能特性を有するポリペプチド、並びに上記ポリペプチドのアミノ酸配列に対して、少なくとも90%、好ましくは少なくとも95%、より好ましくは少なくとも96%、97%、98%又は99%の配列相同性を有し、かつ上記ポリペプチドと同等の機能特性を有するポリペプチドを含む。なお、「数個」、配列相同性の値及び「同等の機能特性」については、上に定義されている。
上記変異体は、天然に生じたものであってもよいし、人為的に変異を導入したものであってもよい。人為的な変異の導入は、例えば部位特異的変異導入法や、PCRを利用した変異導入法などによる積極的な変異の導入(Proc Natl Acad Sci USA.,1984 81:5662;Sambrookら.,前述;Ausubelら,前述)の他、上記ポリペプチドの発現効率を高める操作等、製造の便宜的側面から生じたものであってもよい。
Chop1とChop2との間で創出される上記改変型ロドプシンタンパク質の中でも、ABCDEfg(以下、「チャネルオプシン・ワイドレシーバー(chop WR)」とも称する)が、コンダクタンス、長波長の光吸収の大きさ、不活性化の弱さなどが顕著に優れている。また、Na+イオンに対する選択性も高い。チャネルオプシン・ワイドレシーバーは、微弱光の受容に優れており、例えば組織の深部にある細胞に導入する用途において優れた改変型ロドプシンタンパク質である。
また上記改変型ロドプシンタンパク質の中で、ABcdefg(以下、「チャネルオプシン・ファストレシーバー(chop FR)」とも称する)が、周波数応答特性において、顕著に優れている。また、コンダクタンス、不活性化の弱さ、Na+イオンに対する選択性においても優れている。チャネルオプシン・ファストレシーバーは、高周波で変動する光情報の受容に優れており、例えば光で情報入力できる神経細胞ネットワークモジュールの素材として優れた改変型ロドプシンタンパク質である。
1.4 改変型ロドプシンタンパク質の作製
本発明の改変型ロドプシンタンパク質は、光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質遺伝子、及びchop1遺伝子及びchop2遺伝子の配列情報に基づき、遺伝子工学的手法により製造することができる。
具体的には、まず本発明の改変型ロドプシンタンパク質をコードするポリヌクレオチド(以下、「改変型ロドプシン遺伝子」ともいう)を調製する。改変型ロドプシン遺伝子は、当業者に公知の手法によって調製することができる。例えば、光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質をコードする遺伝子の配列情報と、chop1遺伝子及びchop2遺伝子の配列情報に基づき、所望の改変型ロドプシンタンパク質をコードするポリヌクレオチドを化学合成することができる。或いは、上記配列情報に基づいて、光受容体チャネル型ロドプシン遺伝子の所望領域を増幅するPCRプライマーと、chop1遺伝子及び/又はchop2遺伝子の所望ドメインを増幅するPCRプライマーとを設計・化学合成し、対象の生物から抽出したゲノムDNAを鋳型とする前記PCRによって、改変型ロドプシン遺伝子を構成する光受容体チャネル型ロドプシン遺伝子領域と、Chop1及び/又はChop2ドメイン領域をコードするポリヌクレオチドとをそれぞれ増幅し、これらを連結することによって調製してもよい。
次に、プロモーターと機能的に連結された、本発明の改変型ロドプシン遺伝子を、宿主菌体内で複製維持が可能であり、このタンパク質を安定に発現させることができ、該遺伝子を安定に保持できる発現ベクターに組み込み、得られた組換え発現ベクターを用いて宿主を形質転換し、宿主において本発明の改変型ロドプシンタンパク質を生産させることができる。組換え技術については、Sambrook ら(上記)、Ausubel ら(上記)を参照することができる。
発現ベクターとしては、これに限定されるものではないが、大腸菌(Escherichia coli)由来のプラスミド(例えばpET28、pGEX4T、pUC118、pUC119、pUC18、pUC19、及び他のプラスミドDNA)、枯草菌(Bacillus subtilis)由来のプラスミド(例えばpUB110、pTP5、及び他のプラスミドDNA)、酵母由来のプラスミド(例えばYEp13、YEp24、YCp50、及び他のプラスミドDNA)、λファージ(λgt11、λZAP等)、哺乳動物用プラスミド(pCMV、pSV40)、ウイルスベクター(アデノウイルスベクター、アデノ随伴ウイルスベクター、レトロウイルスベクター、レンチウイルスベクター、ワクシニアウイルスベクターなどの動物ウイルスベクター、バキュロウイルスベクターなどの昆虫ウイルスベクター等)、植物用ベクター(バイナリベクターpBI系等)、コスミドベクターなどを用いることができる。
本明細書で使用する「機能的に連結された」とは、プロモーター配列が目的のポリヌクレオチド配列の転写を開始することができるような、プロモーター配列と目的のポリヌクレオチド配列との間の機能的な結合をいう。
プロモーターは特に制限されず、宿主に応じて適するプロモーターを選択すればよく、また当該技術分野で公知の構成的プロモーター、誘導性プロモーターのいずれを用いてもよい。本発明においては、特に構成的プロモーターを用いることが好ましい。例えば本発明において使用することができるプロモーターとして、CMVプロモーター、SV40プロモーター、CAGプロモーター、シナプシンプロモーター、ロドプシンプロモーター、CaMVプロモーター、解糖系酵素プロモーター、lacプロモーター、trpプロモーター、tacプロモーター、GAPDHプロモーター、GAL1プロモーター、PH05プロモーター、PGKプロモーター、thy1プロモーターなどを挙げることができる。
改変型ロドプシン遺伝子の発現ベクターへの挿入は、例えば、改変型ロドプシン遺伝子にフランキングする制限酵素部位を作製又は連結し、適当なベクターDNAの制限酵素部位又はマルチクローニングサイトに挿入することにより行う。発現ベクターは、プロモーター及び改変型ロドプシン遺伝子の他、必要に応じてエンハンサー及び他のシスエレメント、スプライシングシグナル、ポリA付加シグナル、選択マーカー(アンピシリン耐性マーカー、テトラサイクリン耐性マーカーなどの薬剤耐性遺伝子マーカー、LEU1、TRP1、URA3などの栄養要求性相補遺伝子マーカー、APH、DHFR、TKなどの優性選択マーカーなど)、リボソーム結合部位(RBS)などを含んでもよい。
宿主を形質転換するには、プロトプラスト法、スフェロプラスト法、コンピテントセル法、ウイルス法、リン酸カルシウム法、リポフェクション法、マイクロインジェクション法、ジーンボンバートメント法、アグロバクテリウム法、エレクトロポレーション等を用いて行うことができる。
得られた形質転換体は、資化しうる炭素源、窒素源、金属塩、ビタミン等を含む培地を用いて適当な条件で培養する。形質転換体の培養は、通常、振盪培養又は通気攪拌培養などの好気的条件下、25〜37℃で3〜6時間行う。培養期間中、pHは中性付近に保持する。pHの調整は、無機又は有機酸、アルカリ溶液等を用いて行う。培養中は、必要に応じて、組換え発現ベクターに挿入した選択マーカーに応じて、アンピシリンやテトラサイクリン等の抗生物質を培地に添加してもよい。また形質転換に使用する宿主は、本発明の改変型ロドプシンタンパク質を発現できるものであれば特に制限されるものではなく、細菌(大腸菌、枯草菌等)、酵母(Saccharomyces cerevisiae等)、動物細胞(COS細胞、チャイニーズハムスター卵巣(CHO)細胞、3T3細胞、BHK細胞、HEK293細胞等)、昆虫細胞が挙げられる。
本発明の改変型ロドプシンタンパク質は、形質転換体の培養により得られた培養物(培養上清、培養細胞、培養菌体、細胞若しくは菌体のホモジェネートなど)から一般的な方法によって分取や精製を行い、限外濾過濃縮、凍結乾燥、噴霧乾燥、結晶化等によって、その活性を保持するかたちで得ることができる。或いは、本発明の改変型ロドプシンタンパク質は、単離・精製を行うことなく、該タンパク質を発現する細胞の形態で提供してもよい。この場合、形質転換に使用する宿主細胞は、その後の用途に適した宿主細胞、例えば神経細胞、好ましくヒト神経細胞である。
また、本発明の改変型ロドプシンタンパク質を医療用途に使用する場合には、該タンパク質発現用ベクターの形態で提供してもよい。この場合には、細胞への導入効率、該細胞内での複製維持、安定性、発現効率等に優れた発現ベクターを用いることが好ましい。このようなベクターとして、これに限定されるものではないが、例えばアデノ随伴ウイルスベクター、レトロウイルスベクター、レンチウイルスベクターなどのウイルスベクター、(自立複製可能な)プラスミド、トランスポゾンなどを挙げることができる。
2.用途
光受容体チャネル型ロドプシンの1つであるバクテリオロドプシンは、その機能が明らかになって以降、視覚回復(例えば特開2002−363107)や基礎研究のリサーチツール(例えば特表2004−521604)としての用途だけでなく、光電変換素子(例えば特開2002−271265、特開2000−67939)や光学情報記憶物質(例えば特表2006−515683)、または神経モデル素子(例えば特開平6−295350)への用途が考えられてきた物質である。しかしながら、バクテリオロドプシンの特徴である1個のフォトンあたり1個の電子が移動するという点から、上記の用途に用いることについては解決すべき課題が残されている。
これに対し、チャネルロドプシンの場合、1個のフォトンを吸収してイオンチャネルが開口するので、移動する電子数がはるかに多く、その結果、効率の高い光電変換が期待される。一方で、野生型チャネルロドプシンにおいては脱感作の影響を考慮する必要があるなどの問題もある。
本発明によれば、機能特性において、野生型の光受容体チャネル型ロドプシンタンパク質と大きく異なる改変型ロドプシンタンパク質の様々なラインナップが得られる。したがって、用途に応じて改変型ロドプシンタンパク質を選び出して使用することができる。
2.1 視覚回復及び治療への利用可能性
ヒトの眼球においては、網膜にある受容体細胞で光が感知され、双極細胞を経て、神経節細胞に活動が伝えられる。神経節細胞の軸索突起が視神経として脳に神経を送っている。網膜色素変性症や加齢にともなう黄斑変性症などにおいては、受容体細胞が変性することにより視力を失う。前者は、遺伝的な背景のあるもので、比較的若い時に失明するが、世界中に150万人の患者がいるといわれる。後者は、65歳以上における失明の最大要因である。このような患者では、網膜の神経節細胞は健常である。そこで、網膜の双極細胞や神経節細胞は、本来光感受性を有しないが、野生型のChop2(1−315)abcdefgを遺伝子工学的方法を介して網膜の神経細胞に導入・発現させることにより、視覚を回復する研究が行われている。
このような目的には、ロドプシンタンパク質に以下のような特性が必要とされる:(i)微弱な光を感知できること;(ii)波長選択性が低く、白色光に応答すること;(iii)光電流の不活性化が弱いこと。野生型のChop2(1−315)abcdefgは、青色光に対する選択性が高く、光電流が強い不活性化を有しているので、これらの性質において優れているとはいえない。
これに対し、例えばチャネルオプシン・ワイドレシーバーは、コンダクタンスが大きいこと、青から緑の広い波長域に応答すること、光電流の不活性化がほとんど認められないこと、などの優れた特性を有しているため、組織の深部にある細胞に高い光感受性を付与することが期待される。
したがって、網膜光受容体細胞の変性に伴う視覚障害者において、まったく非侵襲的に高い解像度の視覚を回復し、その生活能力を向上させる素材として、最適であることが期待される。
具体的には、本発明の改変型ロドプシンタンパク質(例えばチャネルオプシン・ワイドレシーバー)、該タンパク質をコードするポリヌクレオチドを含む発現ベクター、又は該タンパク質を発現する真核細胞(例えば視神経細胞)を有効成分とする視機能回復用の医薬組成物として使用することができる。
2.2 聴覚系の神経細胞への導入
聴覚系の神経細胞などは、数百Hzの高頻度の活動をすることが知られている。光照射により、これらの神経細胞に高頻度の活動を引き起こすに当たり、光電流の不活性化が弱いこと、および、周波数応答特性の高いことが必要になる。したがって、例えばチャネルオプシン・ファストレシーバー(chopFR)を用いることにより、これらの神経細胞に高頻度の活動を引き起こすことが期待される。
2.3 基礎研究におけるリサーチツールとしての利用可能性
マウス、ラット、サルなどの哺乳類以外に、ゼブラフィッシュ、昆虫、アメフラシ、線虫など、さまざまな種類の動物を用いて、神経細胞や神経細胞が作るネットワークの機能が研究されている。遺伝子によりコードされるタンパク質が生体でどのような機能を担っているかを研究するにあたり、神経細胞の機能やシナプスの機能を研究することが必要不可欠である。また、神経系に作用する薬品を開発するにあたり、それらの化学物質が、神経細胞の機能やシナプスの機能をどのように修飾するかをアッセイすることが必要である。これらの研究は、in vivoあるいはin vitroの神経系において、神経細胞を刺激し、それにより引き起こされる動物の行動やシナプスの活動を計測することにより実施される。神経細胞の刺激は、一般に単極または双極の刺激電極を近づけ、短い電気パルスを通電することにより行われる。しかし、刺激される神経細胞の数、位置、種類などを特定することは困難である。
一方、光受容体チャネルを神経細胞に遺伝子導入して発現させることにより、神経細胞に光感受性を獲得させることができることから、光パルスにより神経細胞を刺激することが試みられている。しかし、野生型チャネルロドプシン(例えばChop2)の光電流は、速やかに脱感作し、脱感作からの回復に数十秒を要する。したがって、高い頻度で繰り返し刺激することが困難である。
本発明の改変型ロドプシンタンパク質、例えばチャネルオプシン・ワイドレシーバーやチャネルオプシン・ファストレシーバーを発現したときに得られる光電流は、コンダクタンスが大きく、不活性化が弱いので、高頻度で繰り返し刺激する目的に適している。チャネルオプシン・ワイドレシーバーは、長波長側における吸収が大きいので、ブロードバンドの光を用いることによりさらに大きな光電流を惹起することができる。したがって、光パルスにより神経細胞に活動電位閾値を越える大きな脱分極を確実に引き起こすことができ、高い信頼性が期待される。またチャネルオプシン・ファストレシーバーは、追随周波数が大きいので、神経細胞を高頻度で活動させる目的に適している。
これら改変ロドプシンタンパク質を用いることにより、神経細胞や神経細胞が作るネットワークの機能研究や、これらの機能をアッセイ系に用いる薬品の開発を促進することが期待される。さらに、これら改変型ロドプシンタンパク質遺伝子を組み込んだ組換えウイルスベクターや、マウス、ラット、ゼブラフィッシュ、ショウジョウバエ、線虫などの遺伝子組換え動物が作製され、研究・開発に広く応用されることが期待される。
2.4 ブレイン・マシン・インターフェース(BMI)、ブレイン・コンピューター・インターフェース(BCI)への応用
脳情報を解読し、それを機械の制御やコンピューターへの入力情報に利用するとともに、脳に情報をインプットする技術は、ブレイン・マシン・インターフェース(BMI)、ブレイン・コンピューター・インターフェース(BCI)と呼ばれている。これらは、脳を介した新たなコミュニケーションを可能とする技術であり、その実現のためには、低侵襲で長期安定型の脳情報双方向活用技術の発展が不可欠である。時間・空間的に高密度、高解像度の情報入出力を実現するにあたり、光を双方向的情報媒体として用いることが理想的である。また、光を用いることにより、脳に対する機械的な侵襲を最小限にとどめることができる。
本発明の改変型ロドプシンタンパク質、例えばチャネルオプシン・ワイドレシーバーやチャネルオプシン・ファストレシーバーは、光を用いた脳への情報入力媒体として最適であることが期待される。
2.5 神経細胞ネットワークを利用したコンピューター素子の開発
コンピューターは、情報を早く、正確に処理する能力に優れている。また、ネットワークにより、リアルタイムで世界中のコンピューターと交信することができる。これに対して、脳は、エラーを積極的に作り出し、多くの選択肢の中から環境や状況に最適の解答を引き出す能力に優れている。この能力がインスピレーションや感情などの源になっている。そこで、ニューロンネットワークを人工的なハードウェアと組み合わせることにより、より脳に近い情報処理のできるコンピューターを作製することが試みられている。具体的な方法として、シリコン基板やガラス板を加工して刺激および測定用の電極をマトリックス上に配置し、これに培養ニューロンや脳スライスをセットしたものが用いられている。
また、生きている動物の脳そのものをコンピューターの情報処理に用いる試みもなされている。ニューロンを刺激する方法として、金属や半導体電極による電気刺激法やグルタミン酸投与法が用いられてきた。従来の方法は、空間解像度が低いという問題があり、さらに、生きている動物を用いる場合、多電極刺激装置などを脳に埋め込む必要があるため侵襲的であり、長期間の安全な使用が難しかった。
一方、光受容体チャネルを神経細胞に遺伝子導入して発現させることにより、神経細胞に光感受性を獲得させることができる。培養ニューロンの場合、レーザーなどを用いることにより、個々のニューロン、さらには、その一部を多点同時刺激することが可能になり、複雑なパターンの情報をニューロンネットワークに送り込むことができる。これにより、単純な培養ニューロンネットワークであっても、脳が行っている試行錯誤的な情報処理を再現することが可能になる。生きている動物の大脳皮質を用いる場合は、脳表面からの光照射により、高い解像度をもって、多点同時のパターン刺激が実現される。光刺激を用いる場合、電気的なアーチファクトが生じないので、同時に個々のニューロンの活動をリアルタイムで計測し、コンピューターにフィードバックすることが容易になる。これにより、従来のコンピューターの能力に、パターン認識、自己組織化など脳の優れた能力をあわせもつコンピューターが作られることが期待される。
本発明の改変型ロドプシンタンパク質、例えばチャネルオプシン・ワイドレシーバーやチャネルオプシン・ファストレシーバーは、光を用いた神経細胞ネットワークへの情報入力媒体として最適であることが期待される。また、これら改変型ロドプシンタンパク質の光吸収特性の違いを利用して、マルチチャネルの情報を神経細胞ネットワークに入力することのできる展望がある。例えば、チャネルオプシン・ワイドレシーバーとチャネルオプシン・ファストレシーバーの光電流波長依存性の差を利用したマルチチャネル入力が可能になると考えられる。
2.6 筋肉の力を利用するマイクロマシン(MEMS)の開発
筋肉の最小単位である筋線維(筋細胞)は、微小ではあるが、強い力を生み出すことができる。また、きわめて高いエネルギー効率を有している。これらの利点ゆえに、マイクロマシンの動力に生物由来の収縮メカニズムを利用する試みがなされている(Soong et al.,2000;Bachand and Montemagno,2000;Hess et al.,2004;Shu et al.,2003;Xi et al.,2005)。しかし、マイクロマシンを操作するにあたり、収縮メカニズムをどのように時間・空間的に制御して駆動させるかという難問がある。筋肉では、脊髄の運動神経が筋線維にほぼ一対一のシナプスを形成している。運動神経が興奮することにより、シナプスを介して、筋線維のシナプス部位に活動電位が発生し、これが筋線維形質膜を伝導し、T−小管を脱分極させることにより、筋収縮が引き起こされる。したがって、神経細胞のレベルで、それぞれの筋線維の収縮を制御することにより、微妙な運動の制御がなされている。しかし、人工のマイクロマシンに神経を支配させ、その活動を制御することはきわめて困難である。個々の筋細胞を直接刺激することが理想的だが、従来の電気刺激法では、時間・空間的な制御に限界があった。
遺伝子工学的に光感受性を組み込んだ筋細胞やマイオブラストクローンを作製し、光で直接筋収縮を制御するにあたり、本発明の改変型ロドプシンタンパク質、例えばチャネルオプシン・ワイドレシーバーやチャネルオプシン・ファストレシーバーは、光を用いた筋収縮媒体として最適であることが期待される。さらに、このような光操作型マイクロマシンを顕微鏡下で自在に操作できるシステムの構築が期待される。例えば顕微鏡下に対象を切断するマイクロシザーズ、対象をつかむマイクログラバー、対象を運搬するマイクロコンベアー、液体中を泳ぐマイクロワームなどが考えられる。これらは、顕微鏡下の精密な微小手術、たとえば、組織の血管や神経を保護しながらがん細胞を除去するような手術に用いられることが期待される。
以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。The present invention relates to a modified photoreceptor channel-type rhodopsin protein (hereinafter also referred to as “modified rhodopsin protein” or “hybrid apoprotein”). Specifically, at least one of a plurality of transmembrane domains having a photoreceptor channel-type rhodopsin protein is derived from a corresponding channel opsin 1 of Chlamydomonas reinhardtii (hereinafter also referred to as “Chop1”). A transmembrane domain or a variant thereof derived from Chlamydomonas reinhardtii channel opsin 2 (hereinafter also referred to as “Chop2”) and / or a variant thereof. It relates to a photoreceptor channel-type rhodopsin protein.
As used herein, “transmembrane-containing domain” refers to a region including a transmembrane structure deduced from homology with bacteriorhodopsin in a photoreceptor channel-type rhodopsin protein.
1. Modified rhodopsin protein
The modified rhodopsin protein of the present invention is a transmembrane domain derived from Chop1, or a variant thereof, corresponding to at least one of the transmembrane domain in the photoreceptor channel rhodopsin protein, and It is characterized by being a transmembrane structure domain derived from Chop2 or a variant thereof corresponding to this.
That is, the modified rhodopsin protein of the present invention is a transmembrane structure domain in which the photoreceptor channel-type rhodopsin protein exhibits preferred functional properties found in Chop1 and / or preferred functional properties found in Chop2. As a result of including a transmembrane-containing domain having a transmembrane structure domain corresponding to this, preferable functional characteristics are maintained.
Since Chop1 and Chop2 have different functional properties, the modified rhodopsin protein of the present invention preferably has both preferred functional properties. Therefore, in the present invention, the photoreceptor channel-type rhodopsin protein preferably has a transmembrane domain having a preferable functional property found in Chop1 and a transmembrane membrane having a preferable functional property found in Chop2. The structural domain is included in the transmembrane structure domain region corresponding to these.
1.1 Photoreceptor channel type rhodopsin protein
As used herein, a photoreceptor channel-type rhodopsin protein refers to an archaeal rhodopsin family protein having both a photoreceptor function and a channel function (hereinafter also referred to as “photoreceptor channel function”). As structurally closely related proteins belonging to archaeal rhodopsin family proteins, Chop1 and Chop2, bacteriorhodopsin derived from halophilic bacteria, halorhodopsin, sensory rhodopsin, proteorhodopsin, opsin protein of green algae, fungi Known opsin proteins with unknown functions are known, and any of them can be used in the present invention.
The preferred photoreceptor channel rhodopsin protein in the present invention is Chop1 or Chop2, or a homologue or variant thereof. The gene sequences and amino acid sequences of Chop1 and Chop2 are known (Chop1: GenBank accession number AF385748, Chop2: GenBank accession number AF461397). The gene sequence and amino acid sequence of Chop1 are shown in SEQ ID NOs: 1 and 2, and the gene sequence and amino acid sequence of Chop2 are shown in SEQ ID NOs: 3 and 4, respectively.
Here, the “homolog” refers to a protein (or nucleic acid) having the same function from different organisms. The homologous protein and the sequence of the nucleic acid encoding it can be searched using algorithms such as BLAST and FASTA by accessing well-known databases such as NCBI and EMBL. Such homologous nucleic acid or gene can be isolated according to a conventional method. For example, a primer for specifically amplifying a gene identified using a database storing base sequence information is designed, chemically synthesized, and by PCR using the primer using genomic DNA extracted from the target organism as a template. The homologue of the desired chop1 or chop2 gene can be amplified and isolated.
The term Chop1 (or Chop2) variant used in the present invention has one to several amino acid substitutions, additions, insertions or deletions in the amino acid sequence of Chop1 (or Chop2), and Chop1 A polypeptide having functional properties equivalent to (or Chop2), and at least 90%, preferably at least 95%, more preferably at least 96%, 97%, 98% or 99% of the amino acid sequence of Chop1 (or Chop2) Polypeptides having sequence homology and functional properties equivalent to Chop1 (or Chop2) are included.
The “several” used in the present specification is an integer of 10 or less, for example, an integer of 2-9, 2-7, 2-5. Further, in the present specification, the value of sequence homology was calculated using software (for example, FASTA, DNASYS, BLAST, etc.) that calculates homology between a plurality (two) of amino acid sequences with default settings. Value.
In this specification, “equivalent functional characteristics” used in relation to Chop1 or Chop2 means that at least one of functional characteristics such as conductance, light absorption wavelength characteristics, inactivation characteristics, and frequency response characteristics of Chop1 or Chop2 is substantially. Are identical.
The mutant of Chop1 (or Chop2) may be naturally occurring or artificially introduced with a mutation. Artificial mutations can be introduced by introducing mutations into the chop1 (or chop2) gene using, for example, site-specific mutagenesis or PCR-based mutagenesis (Proc Natl Acad). Sci USA., 1984 81: 5662; Sambrook et al., Molecular Cloning A Laboratory Manual (1989) Second edition, Cold Spring Harbor Biopress, 95%;
Whether or not the above-mentioned Chop1 (or Chop2) homologue or variant has the same functional characteristics as Chop1 (or Chop2) is determined by, for example, membrane potential recording, membrane current recording, or fluorescent probe using electrophysiological techniques. Can be assayed by examining changes in intracellular ion concentration.
In the present invention, Chop1 or Chop2 is not necessarily the full length, and may be a Chop1 or Chop2 fragment having photoreceptor channel activity. Chop1 or Chop2 has been reported to have photoreceptive activity in the N-terminal region (Chop1: 1-345 (SEQ ID NO: 5); Chop2: 1-315 (SEQ ID NO: 6)) each containing a transmembrane structure, It is preferable to use a polypeptide containing these regions as the fragment.
1.2 Transmembrane domain
Chop1 and Chop2 are each assumed to have seven transmembrane structures because of their similarity to bacteriorhodopsin (see FIG. 1). Further, as described above, it has been reported that the N-terminal region (Chop 1: 1-345, Chop 2: 1-315) including each hypothetical transmembrane structure has photoreceptive channel activity. Thus, a photoreceptor channel-type rhodopsin protein that defines A, B, C, D, E, F, and G as the transmembrane-containing domain including each hypothetical transmembrane structure of Chop1, and holds A to G of Chop1 Or a fragment of it ABCDEFG Is written. Similarly, photoreception that defines a, b, c, d, e, f, and g as transmembrane-containing domain including each of the hypothetical transmembrane structures of Chop2 and holds Chop2-transmembrane domain ag Body channel rhodopsin protein or fragment thereof abcdefg Is written. For example, a photoreceptor channel type rhodopsin protein or fragment thereof in which A to D are derived from Chop1 and e to g are derived from Chop2 ABCDefg Is written.
Chop1 transmembrane domains A to G are the amino acid regions shown below.
Domain A: amino acids 1-117 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2
Domain B: amino acids 118 to 164 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2
Domain C: amino acids 165 to 184 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2
Domain D: amino acids 185 to 212 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2
Domain E: amino acids 213 to 242 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2
Domain F: Amino acids 243 to 276 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2
Domain G: amino acids 277 to 345 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 2
In addition, Chop2 transmembrane domains ag are amino acid regions shown below.
Domain a: amino acids 1 to 78 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4
Domain b: amino acids 79 to 125 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4
Domain c: amino acids 126 to 145 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4
Domain d: amino acids 146 to 173 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4
Domain e: Amino acids 174 to 203 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4
Domain f: amino acids 204 to 237 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4
Domain g: amino acids 238 to 315 of the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4
In the present invention, a variant of the transmembrane domain of Chop1 (or Chop2) (hereinafter also referred to as “mutant transmembrane domain”) is one to several amino acid regions in the transmembrane domain. A polypeptide having amino acid substitutions, additions, insertions or deletions and having functional properties equivalent to an unmodified transmembrane domain, and at least 90% of the amino acid sequence of the transmembrane domain, Preferably, it comprises a polypeptide having at least 95%, more preferably at least 96%, 97%, 98% or 99% sequence homology and functional properties equivalent to an unmodified transmembrane domain. Note that “several” and sequence homology values are defined above.
"Equivalent functional characteristics" used in the context of mutant transmembrane domains are the types of functional characteristics of the transmembrane domain (conductance, light absorption wavelength characteristics, inactivation characteristics, frequency response characteristics, etc.) ) Is substantially identical to the unmodified transmembrane domain, and the properties of the functional properties of the mutant transmembrane domain (conductance intensity, light absorption wavelength range, degree of photocurrent inactivation, frequency) The degree of responsiveness) is substantially the same as the unmodified transmembrane domain.
The mutant transmembrane-containing domain may be naturally occurring or artificially introduced with a mutation. Artificial mutations can be introduced by introducing mutations into a polynucleotide encoding a transmembrane structure domain using, for example, site-specific mutagenesis or PCR-based mutagenesis. (Proc Natl Acad Sci USA., 1984 81: 5662; Sambrook et al., Supra; Ausubel et al., Supra).
1.3 Construction of modified rhodopsin protein
The modified rhodopsin protein of the present invention is a transmembrane domain derived from Chop1, or a variant thereof, corresponding to at least one of the transmembrane domain in the photoreceptor channel rhodopsin protein, and / or Or it is the equivalent transmembrane domain derived from Chop2, or a variant thereof. In other words, in the modified rhodopsin protein of the present invention, at least one transmembrane domain in the photoreceptor channel rhodopsin protein is replaced with the equivalent transmembrane domain derived from Chop1 or a variant thereof. It can also be said that it has been replaced by a transmembrane-containing domain derived from Chop2 or a mutant thereof equivalent thereto. Thereby, the modified rhodopsin protein provided with the preferable functional characteristics of Chop1 or Chop2 can be provided. “The equivalent transmembrane structure domain” is the same as the substituted transmembrane structure domain in the types of functional characteristics (conductance, light absorption wavelength characteristics, inactivation characteristics, frequency response characteristics, etc.). Are the transmembrane structure domains having the same or different functional properties (conductance strength, light absorption wavelength range, degree of photocurrent inactivation, degree of frequency response, etc.). For example, the transmembrane-containing domain of Chop2 corresponding to the domain A of Chop1 is the domain a.
Further, since the Chop1 transmembrane structure domain of Chop1 and the Chop2 transmembrane structure domain have different functional characteristics, various combinations of both the Chop1 transmembrane structure domain and the Chop2 transmembrane structure domain are various combinations. Can be used to provide a lineup of photoreceptor channel-type rhodopsin proteins having various functional properties.
For example, based on the functional properties of Chop1 transmembrane domains A to G and Chop2 transmembrane domains ag, the modified rhodopsin protein of the present invention has increased conductance and increased long wavelength photoresponsiveness. , At least one of functional characteristics such as weak inactivation and high frequency responsiveness.
An increase in conductance is a preferable functional characteristic in that a large membrane potential response and membrane current response are generated even for weak light.
The increase in the long wavelength photoresponsiveness is a preferable functional characteristic in that the wavelength band of light that can be used for activation is expanded and the response to white light is increased.
Weak inactivation is a preferable functional characteristic in that the light input pattern is more accurately reflected in the membrane potential / membrane current and the response is not attenuated by repeated stimulation.
High frequency response is a preferable functional characteristic in that the response to optical information that fluctuates at a high frequency does not attenuate.
When the photoreceptor channel-type rhodopsin protein is Chop1, the modified rhodopsin protein of the present invention replaces at least one of the transmembrane-containing structure domains of Chop1 (for example, domain A), and transmembrane-containing structure of Chop2. It can be created by retaining a domain (eg domain a).
When the photoreceptor channel-type rhodopsin protein is Chop2, the modified rhodopsin protein of the present invention replaces at least one of the transmembrane-containing domains of Chop2 (for example, domain a) and contains the membrane of Chop1 It can be created by retaining a penetrating domain (eg domain A).
Examples of such modified rhodopsin protein created between Chop1 and Chop2 include proteins including the polypeptides exemplified below or variants thereof.
(Abcdefg) A polypeptide comprising amino acids 1 to 117 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 79 to 315 of SEQ ID NO: 4
(ABcdefg) A polypeptide comprising amino acids 1 to 164 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 126 to 315 of SEQ ID NO: 4
(ABCdefg) A polypeptide comprising amino acids 1 to 184 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 146 to 315 of SEQ ID NO: 4
(ABCDefg) A polypeptide comprising amino acids 1-212 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 174-315 of SEQ ID NO: 4
(ABCDEfg) A polypeptide comprising amino acids 1 to 242 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 204 to 315 of SEQ ID NO: 4
(ABCDEFg) A polypeptide comprising amino acids 1 to 276 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 238 to 315 of SEQ ID NO: 4
(ABCDEFG) A polypeptide comprising amino acids 118 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 78 of SEQ ID NO: 4
(AbCDEFG) A polypeptide comprising amino acids 165 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 125 of SEQ ID NO: 4
(AbcDEFG) A polypeptide comprising amino acids 185 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 145 of SEQ ID NO: 4
(AbcdEFG) A polypeptide comprising amino acids 213 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 173 of SEQ ID NO: 4
(AbcdeFG) A polypeptide comprising amino acids 243 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 203 of SEQ ID NO: 4
(AbcdefG) A polypeptide comprising amino acids 277 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 237 of SEQ ID NO: 4
Each variant of the polypeptide includes a polymorphism having one to several amino acid substitutions, additions, insertions or deletions in each amino acid sequence of the polypeptide, and having functional properties equivalent to those of the polypeptide. Peptides, and at least 90%, preferably at least 95%, more preferably at least 96%, 97%, 98% or 99% sequence homology to the amino acid sequence of the polypeptide and the polypeptide A polypeptide having functional properties equivalent to Note that “several”, sequence homology values, and “equivalent functional properties” are defined above.
The mutants may be naturally occurring or artificially introduced with mutations. Artificial mutations can be introduced by, for example, site-directed mutagenesis or PCR-based mutagenesis (Proc Natl Acad Sci USA., 1984 81: 5652; Sambrook et al., Supra). In addition to Ausubel et al., Supra), it may have arisen from a convenient aspect of production, such as an operation to increase the expression efficiency of the polypeptide.
Among the modified rhodopsin proteins created between Chop1 and Chop2, ABCDEfg (Hereinafter, also referred to as “channel opsin wide receiver (chop WR)”) is remarkably superior in conductance, long-wavelength light absorption, weak inactivation, and the like. Na + High selectivity to ions. The channel opsin / wide receiver is an excellent modified rhodopsin protein that is excellent in the reception of faint light and is excellent in use for introduction into cells deep in tissues, for example.
Among the modified rhodopsin proteins, ABcdefg (Hereinafter also referred to as “channel opsin fast receiver (chop FR)”) is remarkably excellent in frequency response characteristics. Conductance, weakness of inactivation, Na + Also excellent in selectivity to ions. The channel opsin fast receiver is an excellent modified rhodopsin protein that is excellent in receiving optical information that fluctuates at a high frequency. For example, it is an excellent modified rhodopsin protein as a material for a nerve cell network module that can input information by light.
1.4 Production of modified rhodopsin protein
The modified rhodopsin protein of the present invention can be produced by genetic engineering techniques based on the photoreceptor channel-type rhodopsin protein gene and the sequence information of the chop1 gene and the chop2 gene.
Specifically, first, a polynucleotide encoding the modified rhodopsin protein of the present invention (hereinafter also referred to as “modified rhodopsin gene”) is prepared. The modified rhodopsin gene can be prepared by techniques known to those skilled in the art. For example, a polynucleotide encoding a desired modified rhodopsin protein can be chemically synthesized based on the sequence information of the gene encoding the photoreceptor channel-type rhodopsin protein and the sequence information of the chop1 gene and the chop2 gene. Alternatively, based on the sequence information, a PCR primer that amplifies a desired region of the photoreceptor channel-type rhodopsin gene and a PCR primer that amplifies the desired domain of the chop1 gene and / or the chop2 gene are designed and chemically synthesized, and the target By the PCR using genomic DNA extracted from the organism of the above as a template, the photoreceptor channel type rhodopsin gene region constituting the modified rhodopsin gene and the polynucleotide encoding the Chop1 and / or Chop2 domain region are respectively amplified. You may prepare by connecting these.
Next, the modified rhodopsin gene of the present invention operably linked to a promoter can be maintained in a replica of the host cell, the protein can be stably expressed, and the gene can be stably maintained. The modified rhodopsin protein of the present invention can be produced in the host by transforming the host using the resulting recombinant expression vector incorporated into the expression vector. For recombination techniques, reference can be made to Sambrook et al. (Supra) and Ausubel et al. (Supra).
Expression vectors include, but are not limited to, plasmids derived from Escherichia coli (eg, pET28, pGEX4T, pUC118, pUC119, pUC18, pUC19, and other plasmid DNAs), Bacillus subtilis. Plasmids (eg, pUB110, pTP5, and other plasmid DNAs), yeast-derived plasmids (eg, YEp13, YEp24, YCp50, and other plasmid DNAs), λ phage (λgt11, λZAP, etc.), mammalian plasmids (pCMV) , PSV40), viral vectors (adenovirus vectors, adeno-associated virus vectors, retrovirus vectors, lentivirus vectors, vaccinia virus vectors, etc. Animal virus vectors, and insect virus vectors such as baculovirus vectors, etc.), plant vector (binary vector pBI system, etc.), etc. cosmid vector can be used.
As used herein, “operably linked” refers to a functional between a promoter sequence and a polynucleotide sequence of interest such that the promoter sequence can initiate transcription of the polynucleotide sequence of interest. This is a simple bond.
The promoter is not particularly limited, and a suitable promoter may be selected depending on the host, and any of a constitutive promoter and an inducible promoter known in the art may be used. In the present invention, it is particularly preferable to use a constitutive promoter. For example, promoters that can be used in the present invention include CMV promoter, SV40 promoter, CAG promoter, synapsin promoter, rhodopsin promoter, CaMV promoter, glycolytic enzyme promoter, lac promoter, trp promoter, tac promoter, GAPDH promoter, GAL1 Examples include promoters, PH05 promoters, PGK promoters, thy1 promoters, and the like.
The modified rhodopsin gene is inserted into the expression vector by, for example, preparing or linking a restriction enzyme site flanking the modified rhodopsin gene and inserting it into a restriction enzyme site or a multiple cloning site of an appropriate vector DNA. In addition to the promoter and the modified rhodopsin gene, the expression vector includes enhancers and other cis elements, splicing signals, poly A addition signals, selection markers (drug resistance gene markers such as ampicillin resistance marker, tetracycline resistance marker, LEU1 , An auxotrophic complementary gene marker such as TRP1 and URA3, a dominant selection marker such as APH, DHFR, and TK), a ribosome binding site (RBS), and the like.
To transform a host, use protoplast method, spheroplast method, competent cell method, virus method, calcium phosphate method, lipofection method, microinjection method, gene bombardment method, Agrobacterium method, electroporation, etc. Can be done.
The obtained transformant is cultured under suitable conditions using a medium containing an assimilated carbon source, nitrogen source, metal salt, vitamins and the like. The transformant is usually cultured at 25-37 ° C. for 3-6 hours under aerobic conditions such as shaking culture or aeration-agitation culture. During the culture period, the pH is kept near neutral. The pH is adjusted using an inorganic or organic acid, an alkaline solution, or the like. During the culture, an antibiotic such as ampicillin or tetracycline may be added to the medium according to the selection marker inserted into the recombinant expression vector, if necessary. The host used for transformation is not particularly limited as long as it can express the modified rhodopsin protein of the present invention. Bacteria (E. coli, Bacillus subtilis, etc.), yeast (Saccharomyces cerevisiae, etc.), animal cells ( COS cells, Chinese hamster ovary (CHO) cells, 3T3 cells, BHK cells, HEK293 cells, etc.) and insect cells.
The modified rhodopsin protein of the present invention is fractionated and purified by a general method from a culture obtained by culturing a transformant (culture supernatant, cultured cell, cultured cell, cell or cell homogenate, etc.). And maintaining the activity by ultrafiltration concentration, freeze drying, spray drying, crystallization and the like. Alternatively, the modified rhodopsin protein of the present invention may be provided in the form of cells that express the protein without isolation and purification. In this case, the host cell used for transformation is a host cell suitable for the subsequent use, for example, a nerve cell, preferably a human nerve cell.
Moreover, when using the modified rhodopsin protein of this invention for a medical use, you may provide in the form of this protein expression vector. In this case, it is preferable to use an expression vector excellent in efficiency of introduction into a cell, maintenance of replication in the cell, stability, expression efficiency, and the like. Examples of such vectors include, but are not limited to, viral vectors such as adeno-associated virus vectors, retrovirus vectors, and lentivirus vectors, plasmids that can replicate autonomously, and transposons.
2. Application
Bacteriorhodopsin, one of the photoreceptor channel-type rhodopsins, has been used as a visual recovery (for example, JP-A-2002-363107) and a research tool for basic research (for example, JP-T-2004-521604) since its function has been clarified. Not only for use, but also to photoelectric conversion elements (for example, JP-A-2002-271265, JP-A-2000-67939), optical information storage materials (for example, JP-T-2006-515683), or neural model elements (for example, JP-A-6-295350) It is a substance that has been considered for use. However, since one electron moves per one photon, which is a feature of bacteriorhodopsin, there remains a problem to be solved for use in the above applications.
On the other hand, in the case of channel rhodopsin, since one ion is absorbed and the ion channel is opened, the number of electrons moving is much larger, and as a result, highly efficient photoelectric conversion is expected. On the other hand, wild-type channel rhodopsin has a problem that it is necessary to consider the effect of desensitization.
According to the present invention, it is possible to obtain various lineups of modified rhodopsin proteins that are significantly different from wild-type photoreceptor channel rhodopsin proteins in functional characteristics. Therefore, a modified rhodopsin protein can be selected and used according to the application.
2.1 Visual recovery and therapeutic applicability
In the human eyeball, light is sensed by receptor cells in the retina, and the activity is transmitted to ganglion cells via bipolar cells. The neurites of ganglion cells send nerves to the brain as optic nerves. In retinitis pigmentosa and age-related macular degeneration, visual loss is lost due to degeneration of receptor cells. The former has a genetic background and is blinded at a relatively young age, but it is said that there are 1.5 million patients worldwide. The latter is the biggest cause of blindness in people over the age of 65. In such patients, retinal ganglion cells are healthy. Therefore, retinal bipolar cells and ganglion cells originally have no photosensitivity, but wild-type Chop2 (1-315). abcdefg Research has been carried out to restore vision by introducing and expressing the gene into retinal neurons through genetic engineering methods.
For such purposes, rhodopsin protein requires the following properties: (i) low light sensitivity; (ii) low wavelength selectivity and response to white light; (iii) Weak deactivation of photocurrent. Wild-type Chop2 (1-315) abcdefg Is not excellent in these properties because of its high selectivity to blue light and strong photocurrent inactivation.
In contrast, channel opsin wide receivers, for example, have excellent characteristics such as high conductance, response to a wide wavelength range from blue to green, and almost no photocurrent inactivation. Therefore, it is expected to impart high photosensitivity to cells deep in the tissue.
Therefore, it is expected to be optimal as a material that restores high-resolution vision completely non-invasively and improves the living ability of visually impaired persons accompanying degeneration of retinal photoreceptor cells.
Specifically, the modified rhodopsin protein of the present invention (for example, channel opsin wide receiver), an expression vector containing a polynucleotide encoding the protein, or a eukaryotic cell (for example, optic nerve cell) that expresses the protein is an active ingredient. It can be used as a pharmaceutical composition for restoring visual function.
2.2 Introduction to the nerve cells of the auditory system
It is known that nerve cells of the auditory system perform high frequency activities of several hundred Hz. In order to cause high frequency activity in these neurons by light irradiation, it is necessary that the inactivation of the photocurrent is weak and that the frequency response characteristic is high. Therefore, for example, by using a channel opsin fast receiver (chopFR), it is expected to cause high frequency activity in these nerve cells.
2.3 Availability as a research tool in basic research
In addition to mammals such as mice, rats, and monkeys, various types of animals such as zebrafish, insects, snails, and nematodes are used to study the functions of neurons and the networks they create. In order to study what functions a protein encoded by a gene plays in a living body, it is essential to study the functions of nerve cells and synapses. In developing drugs that affect the nervous system, it is necessary to assay how these chemicals modify the function of nerve cells and synapses. These studies are carried out by stimulating nerve cells in the in vivo or in vitro nervous system and measuring animal behavior and synaptic activity caused thereby. Stimulation of nerve cells is generally performed by bringing a monopolar or bipolar stimulation electrode close to each other and energizing a short electric pulse. However, it is difficult to specify the number, location, and type of nerve cells that are stimulated.
On the other hand, it is attempted to stimulate nerve cells with light pulses because the photoreceptor cells can acquire photosensitivity by introducing and expressing photoreceptor channels in neurons. However, the photocurrent of wild-type channel rhodopsin (eg, Chop2) quickly desensitizes and takes tens of seconds to recover from desensitization. Therefore, it is difficult to stimulate repeatedly at a high frequency.
The photocurrent obtained when expressing the modified rhodopsin protein of the present invention, such as channel opsin wide receiver or channel opsin fast receiver, has high conductance and weak inactivation. Is suitable. Since the channel opsin / wide receiver has a large absorption on the long wavelength side, a larger photocurrent can be induced by using broadband light. Therefore, a large depolarization exceeding the action potential threshold can be surely caused in the nerve cell by the light pulse, and high reliability is expected. Moreover, since the channel opsin fast receiver has a large following frequency, it is suitable for the purpose of causing nerve cells to be activated at a high frequency.
By using these modified rhodopsin proteins, it is expected to promote the study of the functions of nerve cells and networks made by nerve cells and the development of drugs that use these functions in assay systems. In addition, recombinant viral vectors incorporating these modified rhodopsin protein genes and transgenic animals such as mice, rats, zebrafish, Drosophila, nematodes, etc., are expected to be widely applied in research and development. The
2.4 Application to Brain Machine Interface (BMI) and Brain Computer Interface (BCI)
The technology that decodes brain information and uses it for machine control and computer input information, and to input information to the brain is called Brain Machine Interface (BMI) and Brain Computer Interface (BCI). It is. These are technologies that enable new communication through the brain, and in order to realize them, development of a minimally invasive and long-term stable interactive information technology for brain information is indispensable. It is ideal to use light as a bi-directional information medium for realizing high-resolution and high-resolution information input / output in time and space. Further, by using light, mechanical invasion to the brain can be minimized.
The modified rhodopsin protein of the present invention, such as channel opsin wide receiver and channel opsin fast receiver, is expected to be optimal as an information input medium to the brain using light.
2.5 Development of computer elements using neural cell networks
Computers excel at the ability to process information quickly and accurately. In addition, the network can communicate with computers all over the world in real time. The brain, on the other hand, excels in the ability to actively create errors and derive the best answer for the environment and situation from among many options. This ability is the source of inspiration and emotion. Therefore, an attempt has been made to produce a computer that can process information closer to the brain by combining a neuron network with artificial hardware. As a specific method, a silicon substrate or a glass plate is processed, stimulation and measurement electrodes are arranged on a matrix, and cultured neurons and brain slices are set thereon.
Attempts have also been made to use living animal brains for computer information processing. As a method for stimulating neurons, an electrical stimulation method using a metal or semiconductor electrode or a glutamate administration method has been used. The conventional method has a problem that the spatial resolution is low, and further, when a living animal is used, it is invasive because it is necessary to embed a multi-electrode stimulator etc. in the brain, and it is difficult to use it safely for a long time. It was.
On the other hand, photosensitivity can be acquired in a nerve cell by introducing a photoreceptor channel into the nerve cell and expressing it. In the case of a cultured neuron, by using a laser or the like, it becomes possible to simultaneously stimulate individual neurons or even a part of them, and information of a complicated pattern can be sent to a neuron network. This makes it possible to reproduce trial and error information processing performed by the brain even with a simple cultured neuron network. When the cerebral cortex of a living animal is used, multiple points of pattern stimulation are realized with high resolution by light irradiation from the brain surface. When light stimulation is used, no electrical artifacts occur, and it becomes easy to simultaneously measure the activity of individual neurons in real time and feed back to the computer. As a result, it is expected that a computer having excellent brain capabilities such as pattern recognition and self-organization will be created in addition to the capabilities of conventional computers.
The modified rhodopsin protein of the present invention, such as channel opsin wide receiver and channel opsin fast receiver, is expected to be optimal as an information input medium to a neuronal network using light. In addition, there is a prospect that multi-channel information can be input to a neuronal network by utilizing the difference in light absorption characteristics of these modified rhodopsin proteins. For example, it is considered that multi-channel input using a difference in photocurrent wavelength dependency between a channel opsin wide receiver and a channel opsin fast receiver becomes possible.
2.6 Development of micromachine (MEMS) using muscle power
Muscle fibers (muscle cells), which are the smallest unit of muscle, are very small but can generate strong force. It also has very high energy efficiency. Because of these advantages, attempts have been made to utilize biological contraction mechanisms to power micromachines (Song et al., 2000; Bachand and Montemagno, 2000; Hess et al., 2004; Shu et al., 2003; Xi et al., 2005). However, when operating the micromachine, there is a difficult problem of how to control and drive the contraction mechanism in time and space. In muscle, the motor nerves of the spinal cord form almost one-to-one synapses in muscle fibers. When the motor nerves are excited, action potentials are generated at the synaptic site of the muscle fiber through the synapse, which conducts the muscle fiber plasma membrane and depolarizes the T-tubule, thereby causing muscle contraction. Therefore, subtle movements are controlled by controlling the contraction of each muscle fiber at the level of nerve cells. However, it is very difficult to control the activity by letting an artificial micromachine control the nerve. Although it is ideal to stimulate individual muscle cells directly, conventional electrical stimulation methods have limited temporal and spatial controls.
In the production of muscle cells and myoblast clones that incorporate photosensitivity through genetic engineering, and directly controlling muscle contraction with light, the modified rhodopsin proteins of the present invention, such as channel opsin wide receiver and channel opsin fast receiver, It is expected to be optimal as a muscle contraction medium using light. Furthermore, the construction of a system that can freely operate such an optically operated micromachine under a microscope is expected. For example, a micro scissors that cuts an object under a microscope, a micro grabber that grabs the object, a micro conveyor that conveys the object, a micro worm that swims in a liquid, and the like can be considered. These are expected to be used for precision microsurgery under a microscope, for example, surgery that removes cancer cells while protecting blood vessels and nerves in tissues.
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to the following Example.
(1)ハイブリッド分子の作製
本実施例においては、まず、Chop1(1−345)ABCDEFG及びChop2(1−315)abcdefgから図2に示す12種類のハイブリッドアポタンパク質を作製した。
これらのハイブリッドアポタンパク質は、オーバーラップエクステンションPCR法により作製した。以下にその過程を具体的に説明する。
オーバーラップエクステンションPCR法は2つのステップからなっている。まず、最初のステップでは、作製したいハイブリッドアポタンパク質のN末側のアミノ酸残基配列をコードするcDNAフラグメントとC末側のアミノ酸残基配列をコードするcDNAフラグメントをそれぞれPCRによって作製する。この時、N末側フラグメントを作製する時に使用するリバースプライマーと、C末側フラグメントを作製する時に使用するフォワードプライマーのcDNA配列は相補的な関係になるように設計する。例えば、ハイブリッドAbcdefgを作製する場合、AドメインのcDNAフラグメントはchop1−345−EcoRI−F1とchop−chR1プライマーの組み合わせで、bcdefgドメインのcDNAフラグメントはchop−chF1とchop2−315−EcoRI−R1の組み合わせで、それぞれChop1(1−345)とChop2(1−315)を鋳型にして、KOD−Plus−DNAポリメラーゼ(東洋紡)を用いてPCRを行い、それぞれのフラグメントを作製した。2つめのステップでは、Aフラグメントとbcdefgフラグメントを混合し、KOD−Plus−DNAポリメラーゼを用いてPCRを行う。この時、Aフラグメントとbcdefgフラグメントの片端には互いに相補的な配列が含まれているので、Aフラグメントのセンス鎖とbcedfgフラグメントのアンチセンス鎖の間でcDNAの伸長が起こり、Abcdefgというキメラ分子が作製される。以下、同様にして、ハイブリッドABcdefgの作製では、chop1−345−EcoRI−F1とchop−chR2の組み合わせでABフラグメントを、chop−chF2とchop2−315−BamHI−R1の組み合わせでcdefgフラグメントを作製し、2回目のPCRでABcdefgフラグメントを作製した。表1にハイブリッドアポタンパク質作製に使用したプライマーの名称とその配列、表2にそれぞれのハイブリッドアポタンパク質の作製に使用したプライマーの組み合わせと鋳型に用いたcDNAをまとめた。
(2)HEK293細胞の培養
ヒト胎児腎臓細胞由来のHEK293細胞は60mmプラスチックディッシュ上(BD Falcon PRIMARIA dish)で培養し維持した。培養液には90%D−MEM、10%ウシ胎仔血清を用いた。コラーゲンコート処理を施した4穴プレート(NUNC)に継代して30−50%コンフルエントになった時点で、遺伝子導入処理を行った。遺伝子導入の翌日にトリプシン処理により細胞を分散し、コラーゲンコート処理を施した12mm丸形カバーガラス上に細胞を播き直し、その翌日に機能検定を行った。機能検定には1個の単離した細胞を用いた。
(3)遺伝子導入
HEK293細胞へのロドプシンアポタンパク質遺伝子の導入にはQiagen社のEffectene(登録商標)Transfection Reagentを用いて、メーカー指定の方法にて遺伝子導入を行った。遺伝子導入には12mm丸形カバーガラス1枚辺り0.2〜0.4μgのロドプシンアポタンパク質発現プラスミドを用いた。
(4)実験装置
レチナールを結合したロドプシンアポタンパク質は400−550nmの光の波長に反応するので、細胞を顕微鏡下まで運ぶ際や、明視野で観察する際に青〜緑色光の含まれない環境を作った。実験室の照明には黄色の蛍光灯(パナソニックFL40S。Y−F)を用い、520nm以下の波長の光を遮断した。また、CRTモニターの背景色を黄色にした。以下の装置はすべて、エアーテーブル上に設置し、振動の影響を除去した。また、暗幕内に設置し、室内光の影響を除去した。主要な装置の概略を図3に示す。
(i) 正立型落射蛍光顕微鏡(オリンパスBH2−RFC):細胞観察時の透過光はGIFフィルターを介し、波長490nm以下の光を遮断した。Venusの励起・観察には、キセノンランプ光源を用い、光のON−OFFは、電磁シャッターにより制御した。フィルターおよびダイクロイックミラーの組み合わせにより、励起光波長450−490nm、蛍光波長>515nmによりChop2−Venusを発現している細胞を同定した。対物レンズには、60倍水浸レンズ(オリンパスLUMplanPl/IR60x)を用いた。
(ii) 青色光(477±10nm)と緑色光(532±10nm)の切り替え:落射光源には、キセノンランプを用いた。電気刺激装置(日本光電SEN−7203)により作成した矩形波パルス電流により電磁シャッターを駆動し、光のON−OFFを制御した。光路の途中においたチョッパー(オリンパスOSP−EXCH)により、青色光バンドパスフィルター(477±10nm)と緑色光バンドパスフィルター(532±10nm)切り替えた。光は、ダイクロイックミラーを介して、顕微鏡対物レンズに導入した。
(iii) 青色発光ダイオード(LXHL−NB98;Lumileds Lighting Inc.):パッチクランプ制御ソフトウェア(アキソンp−Clamp 9.1)により、パルスを作製し、ディジタル−アナログ変換装置(アキソンDIGIDATA1200)および電気刺激装置(日本光電SEN−7203)により作成した矩形波パルス電流を、ブースター回路に(図4)により電流増幅し、点灯した。ダイオード光はダイクロイックミラーを介して、顕微鏡対物レンズに導入した。
(iv) モノクロメーター(日本分光CAM−230):キセノンランプ光を分光し、10nm幅の任意の波長を取り出した。取り出された光は、光ファイバーにより、落射蛍光顕微鏡に導入した。光のオン・オフは内蔵の電磁シャッターにより制御した。
(v) 顕微鏡用XY駆動装置(メディカル・エイジェントOXY−1):後述の3次元マイクロマニピュレーターを固定部に設置し、前述の正立型落射蛍光顕微鏡を駆動部に設置した。マイクロメーターにより、X−Y2軸方向の駆動をそれぞれ微細に制御した。
(vi) 3次元マイクロマニピュレーター(ナリシゲMX−1R):後述のパッチ電極のホルダーをX−Y−Zの三軸方向に駆動した。それぞれの駆動軸には、粗動と微動の両様式を併用した。
(vii) 測定用チェンバー:透明アクリル板を加工し、低部にカバーグラスを貼り付けた。ペリスタポンプにより、チェンバーにタイロード液(下記表3参照)を循環させた。チェンバー内に培養細胞を付着させたカバーグラスを置いた。
(viii) フォトダイオード(シャープBS500B):顕微鏡対物レンズの手前で散乱光を受光し、微小電極用増幅器により増幅した。
HEK293細胞の膜電位と膜電流を同時計測した。また、照射光の強さをフォトダイオード電流として同時計測した。これらは、アナログ−ディジタル変換し、コンピューターに記録した。計測には以下の装置を用いた。
(i) パッチクランプ増幅器(アキソンAXOPATCH200A):パッチ電極を介して、フィードバックにより膜電位を一定に維持したときの膜電流を計測した(電位固定実験)。
(ii) 微小電極用増幅器(日本光電MEZ−8201):フォトダイオードに20nAの逆電流を通電しながら、光電流を計測した。計測値は、青色発光ダイオードの最大出力に対する相対値で表した。
(iii) アナログ−ディジタル変換装置(アキソンDIGIDATA1200):パッチクランプ増幅器の電流出力および電圧出力、微小電極用増幅器の電圧出力をアナログ−ディジタル変換し、コンピューターに出力した。また、コンピューターにより作成した矩形波パルスを外部出力した。
(iv) コンピューター(デルOptiplex GXi):パッチクランプ制御ソフトウェア(アキソンp−Clamp 9.1)を用いてデータを取得した。また、矩形波パルスを作成した。データの解析には、Clamp−fit Ver.9.2(アキソン)とMicrosoft Excelを用いた。
(6)ホールセルパッチクランプ法
野生型Chop1及び2、並びにハイブリッドアポタンパク質の特性をホールセルパッチクランプ法により確認した。すなわち、直径1.5mmのガラス管(ハーバード・アパラータスGC150)をパッチピペットプラー(ナリシゲPC−10)を用いて加熱牽引し、先端径3−4μmのガラス管ピペット(パッチピペット)を作製し、先端をマイクロフォージ(ナリシゲMF−830)にて加熱研磨した。パッチピペットの先端までパッチピペット内液(表3)を満たしパッチ電極を作製した。パッチ電極は、パッチ電極ホルダーに固定した。正立落射蛍光顕微鏡下にVenusの蛍光によりロドプシンアポタンパク質を発現している細胞を同定した。パッチ電極に陽圧をかけながら、細胞に接近させ、細胞表面に押し当ててディンプル(くぼみ)をつくり、陰圧に切り替えて細胞膜をガラス管に付着させ、さらに強い陰圧をかけてガラス管に付着した部位の膜を破り、細胞内部とガラス管内部を電気的に導通させた(ホールセルモード)。ホールセルモードで以下の電位固定実験をおこなった。
(7)光応答特性を制御している含膜貫通構造ドメインの同定
これらのハイブリッドアポタンパク質にマーカーとして、オワンクラゲ由来の緑色蛍光タンパク質GFPの改変体の一つVenusをC末に配位したコンストラクトcDNAを作製した。これらをHEK293細胞に導入・発現させたところ、12種類のハイブリッドアポタンパク質全てにおいて、形質膜に高い発現が認められた(図5)。すなわち、膜タンパク質としての構造が保たれていることが示唆された。Venusの蛍光を手がかりに発現細胞を同定し、ホールセルパッチ電位固定下に光電流を計測した。
野生型Chop2(1−315)abcdefgの光電流の大きさは、照射光の波長に依存し、460nmで最大になる。これは、光エネルギーの吸収効率に波長依存性があることにより説明されている。ハイブリッド光電流の吸収光波長応答特性を比較する目的で、青色光(477±10nm)と緑色光(532±10nm)により惹起される光電流を計測した。図6Aは、それぞれの光電流をハイブリッドAbcdefgとABcdefgで比較したものである。ハイブリッドABcdefgの緑色光に対する応答が増大している。青色光応答と緑色光応答のG/B比(Green/Blue ratio)を用いて、吸収波長応答特性を定量化し、ハイブリッドアポタンパク質と野生型アポタンパク質の間でこれを比較したものを図6Bに掲載する。すなわち、ハイブリッドAbcdefgは、野生型のチャネルオプシン2(1−315)abcdefgとほぼ同様の吸収波長応答特性を示した。これに対し、ハイブリッドABcdefg、ABCdefg、ABCDefgでは、長波長側における吸収が増加していた。ハイブリッドABCDEfgでは、長波長側における吸収がさらに増加し、野生型のチャネルオプシン1、ABCDEFGとほぼ等しかった。すなわち、含膜貫通構造ドメインB/bおよびE/eに吸収波長特性を制御している構造があり、これらがbやeのときに、長波長側にシフトすることが示唆される。
(8)イオン透過性を制御している含膜貫通構造ドメインの同定
野生型Chop1(1−345)ABCDEFGを発現したゼノパス卵母細胞に発現した光受容チャネルは、高いH+透過性を有するが、Na+に対する透過性がほとんどないと報告されている(Nagel et al.,2002;Hegemann et al.,2005)。これに対し、野生型Chop2(1−315)abcdefgは、高いNa+透過性を有することが報告されている(Nagel et al.,2003;Ishizuka et al.,2006)。Na+透過性を制御している構造を同定する目的で、ホールセルパッチ内液をNa+−glutamate(Na+、100mM)とし、細胞外液のNa+が142mMと20mM(N−methyl−D−glucamineイオン置換)のときの保持電位と光電流のI−V関係を調べた。
図7Aは、ハイブリッドAbcdefgのI−V関係である。外液Na+142mMでは、約10mVにおいて極性が反転したが、外液Na+20mMのとき、反転電位は約−10mVだった。すなわち、約20mVマイナス側へシフトした。この変化は、野生型Chop2(1−315)abcdefgに比べ有意に小さい。図7Bは、ハイブリッドABcdefgのI−V関係である。反転電位は30mV以上シフトした。図7Cは、それぞれのハイブリッドアポタンパク質について、光電流の反転電位のシフトを比較したものである。ハイブリッドABCdefgとABCDefgにおいても、反転電位のシフトが有意に小さかった。したがって、これらのハイブリッドオプシンタンパク質では、透過イオンのNa+選択性が低下している可能性がある。これに対し、ハイブリッドABcdefg、ABCDEfg、ABCDEFg、ABCDEFGのI−V関係においては、反転電位のシフトが外液Na+により強く依存しており、野生型Chop2(1−315)abcdefgとの間に有意差は認められなかった。すなわち、透過イオンの選択性が複数の含膜貫通構造ドメインによる制御を受けており、含膜貫通構造ドメインA/a、B/b、C/cに重要な機能があることが示唆される。
また、ハイブリッドABCDEFgや野生型Chop1(1−345)ABCDEFGの光電流は、他に比べ非常に微弱である傾向が認められた。そこで、図8においては、単位膜容量あたりのホールセルコンダクタンスを比較した。単位膜容量あたりのホールセルコンダクタンスは、光受容チャネルの単一チャネルコンダクタンスとその発現密度に比例する。単位膜容量あたりのホールセルコンダクタンスは、ハイブリッドABCDEfgにおいて、最大を示した。
(9)キネティクス特性を制御している含膜貫通構造ドメインの同定
図9Aは、青色LED照射光(470±25nm)の相対的な強さを示している。ハイブリッドAbcdefgを発現したHEK293細胞において、照射光の強さに依存した光電流が計測された(図9B)。光電流は、数ミリ秒でピークに達するが、速やかに不活性化することが認められた。この光応答特性は、野生型Chop2(1−315)abcdefgに類似している。これに対し、ハイブリッドABcdefgの光電流は、ほとんど不活性化しない(図9C)。図10Aは、最大照度の青色LED光を1秒間照射したときの光電流を最大光電流の大きさをあわせて比較したものである。野生型Chop2(1−315)abcdefgに対し、ハイブリッドABcdefgの光電流は、定常光電流と最大光電流の比が大きいことが示されている。そこで、この比(plateau/peakratio)でもって、不活性化の強さを定量化した。ハイブリッドアポタンパク質と野生型アポタンパク質の間でこれを比較したものを図10Bに掲載する。すなわち、ハイブリッドAbcdefgは、野生型Chop2(1−315)abcdefgに比べ、不活性化が弱いが、ハイブリッドABcdefgに比較すると、不活性化が強いことがわかった。ハイブリッドABCDEfgではさらに不活性化が弱くなる。すなわち、含膜貫通構造ドメインA/a、B/b、E/eに不活性化を制御している構造があり、これらがa、b、eのときに、強い不活性化が引き起こされることが示唆される。
図11Aは、ハイブリッドAbcdefgとハイブリッドABcdefgについて、光電流の活性化(ON)の速さを比較したものである。また、図11Bは、光電流の脱活性化(OFF)の速さを比較したものである。光電流のON、OFFともに、ハイブリッドABcdefgにおいて速くなることが認められた。光電流のON速度常数とOFF速度常数を、ハイブリッドアポタンパク質と野生型アポタンパク質の間で比較したものを図11Cに掲載する。含膜貫通構造ドメインB/bがBのときに、ON、OFF共に速くなり、含膜貫通構造ドメインE/eがEになると、ON、OFF共に遅くなることが示唆される。
(10)ハイブリッドロドプシンタンパク質の特徴付け
1.コンダクタンスが増大した改変型ロドプシンタンパク質
上記の実施例により、含膜貫通構造ドメインF/fにコンダクタンスを制御している構造の存在が示唆される。したがって、この含膜貫通構造ドメインの構造をfにすることにより、コンダクタンスを増大した新規ロドプシンタンパク質が創出される。現在までに調べたハイブリッドロドプシンタンパク質の中では、ABCDEfgを用いることにより、単位膜容量あたり最大のコンダクタンスが得られる。
2.長波長側における吸収が増加した改変型ロドプシンタンパク質
上記の実施例により、含膜貫通構造ドメインB/b、E/e、F/f、G/gに吸収波長特性を制御している構造の存在が示唆される。現在までに調べたハイブリッドロドプシンタンパク質の中では、ABCDEFgにおいて最も長波長側における吸収が増加しているが、コンダクタンスの大きさを考慮に入れると、ABCDEfgが実用に優れている。
3.不活性化の弱い改変型ロドプシンタンパク質
神経細胞などを光刺激する手段として、野生型Chop2(1−315)abcdefgが用いられてきたが、光電流において強い不活性化が存在するので、短い間隔で繰り返し光刺激をおこなうと、光電流が減少するという欠点があった。同じ大きさの光電流を得るためには、10秒以上の間隔をあける必要があった。上記の実施例により、含膜貫通構造ドメインA/a、B/b、E/eに不活性化を制御している構造があり、これらがA、B、Eのときに、不活性化が弱くなることが示唆された。現在までに調べたハイブリッドロドプシンタンパク質の中では、ABCDEfgを用いることにより、最も不活性化の弱い光電流が得られる。
4.周波数応答特性の高い改変型ロドプシンタンパク質
神経細胞などを繰り返し光刺激する場合、どれぐらいの周波数の光の点滅に追随した光電流を引き起こすことができるかが重要になる。この追随周波数の大きさは、光電流のON速度常数に等しい。ON速度常数の大きさは、含膜貫通構造ドメインB/b、E/eに依存しており、B−E、b−eの組み合わせでは小さく、B−eの組み合わせで大きくなる。現在までに調べたハイブリッドロドプシンタンパク質の中では、ABcdefg、ABCdefg、ABCDefgなどを用いることにより、周波数応答特性の高い光電流が得られる。ON速度常数およびNa+に対する選択性を考慮に入れると、ABcdefgが最も優れている。
5.実用性に優れた改変型ロドプシンタンパク質
上記実施例において作製した改変型ロドプシンタンパク質の中で、ABCDEfg(chop WR)が、コンダクタンス、長波長側における吸収の大きさ、不活性化の弱さなどにおいて、顕著に優れている。また、Na+イオンに対する選択性も高い。したがって、チャネルオプシン・ワイドレシーバーは、微弱光の受容を目的とする用途に優れている。
また、上記実施例において作製した改変型ロドプシンタンパク質の中で、ABcdefg(chop FR)が、周波数応答特性において、顕著に優れている。また、コンダクタンス、不活性化の弱さ、Na+イオンに対する選択性においても優れている。したがって、チャネルオプシン・ファストレシーバーは、高周波で変動する光情報の受容を目的とする用途に優れている。(1) Production of Hybrid Molecules In this example, first, 12 types of hybrid apoproteins shown in FIG. 2 were produced from Chop1 (1-345) ABCDEFG and Chop2 (1-315) abcdefg .
These hybrid apoproteins were produced by the overlap extension PCR method. The process will be specifically described below.
The overlap extension PCR method consists of two steps. First, in the first step, a cDNA fragment encoding the N-terminal amino acid residue sequence and a cDNA fragment encoding the C-terminal amino acid residue sequence of the hybrid apoprotein to be prepared are respectively prepared by PCR. At this time, the reverse primer used when preparing the N-terminal fragment and the forward primer used when preparing the C-terminal fragment are designed to have a complementary relationship. For example, when preparing a hybrid Abcdefg, the cDNA fragment of the A domain is a combination of chop1-345-EcoRI-F1 and chop-chR1 primer, and the cDNA fragment of the bcdefg domain is a combination of chop-chF1 and chop2-315-EcoRI-R1. Then, PCR was performed using KOD-Plus-DNA polymerase (Toyobo) using Chop1 (1-345) and Chop2 (1-315) as templates, respectively, and each fragment was prepared. In the second step, the A fragment and the bcdefg fragment are mixed and PCR is performed using KOD-Plus-DNA polymerase. At this time, since one end of the A fragment and the bcdefg fragment contains sequences complementary to each other, the extension of the cDNA occurs between the sense strand of the A fragment and the antisense strand of the bcdefg fragment, and a chimeric molecule called Abcdefg Produced. Hereinafter, similarly, in the production of hybrid ABcdefg, an AB fragment is produced by a combination of chop1-345-EcoRI-F1 and chop-chR2, and a cdefg fragment is produced by a combination of chop-chF2 and chop2-315-BamHI-R1, The ABcdefg fragment was generated by the second PCR. Table 1 summarizes the names and sequences of the primers used for hybrid apoprotein production, and Table 2 summarizes the primer combinations used for the production of each hybrid apoprotein and the cDNA used as the template.
(2) Culture of HEK293 cells HEK293 cells derived from human fetal kidney cells were cultured and maintained on a 60 mm plastic dish (BD Falcon PRIMARIA dish). 90% D-MEM and 10% fetal calf serum were used for the culture solution. Gene transfer treatment was performed when the cells were subcultured to a 4-well plate (NUNC) subjected to collagen coating treatment and became 30-50% confluent. The cells were dispersed by trypsin treatment on the next day after gene introduction, the cells were reseeded on a 12 mm round cover glass that had been subjected to collagen coating treatment, and the function test was performed the next day. One isolated cell was used for the functional assay.
(3) Gene transfer For introduction of the rhodopsin apoprotein gene into HEK293 cells, gene transfer was carried out by the method specified by the manufacturer using Effectene (registered trademark) Transfection Reagent of Qiagen. For gene introduction, 0.2-0.4 μg of rhodopsin apoprotein expression plasmid was used per 12 mm round cover glass.
(4) Experimental apparatus Since rhodopsin apoprotein bound with retinal reacts to the wavelength of light of 400-550 nm, it does not contain blue to green light when cells are transported under a microscope or observed in a bright field. made. A yellow fluorescent lamp (Panasonic FL40S. Y-F) was used for illumination in the laboratory, and light with a wavelength of 520 nm or less was blocked. The background color of the CRT monitor was yellow. The following devices were all installed on an air table to eliminate the effects of vibration. In addition, it was installed in a dark screen to eliminate the effects of room light. An outline of the main apparatus is shown in FIG.
(I) Upright-type epifluorescence microscope (Olympus BH2-RFC): Transmitted light during cell observation blocked light with a wavelength of 490 nm or less through a GIF filter. For the excitation and observation of Venus, a xenon lamp light source was used, and ON / OFF of the light was controlled by an electromagnetic shutter. By combining a filter and a dichroic mirror, cells expressing Chop2-Venus with an excitation light wavelength of 450-490 nm and a fluorescence wavelength of> 515 nm were identified. A 60 × water immersion lens (Olympus LUMplanPl / IR60x) was used as the objective lens.
(Ii) Switching between blue light (477 ± 10 nm) and green light (532 ± 10 nm): A xenon lamp was used as the incident light source. The electromagnetic shutter was driven by a rectangular wave pulse current created by an electrical stimulator (Nihon Kohden SEN-7203) to control light ON-OFF. The blue light bandpass filter (477 ± 10 nm) and the green light bandpass filter (532 ± 10 nm) were switched by a chopper (Olympus OSP-EXCH) placed in the middle of the optical path. The light was introduced into the microscope objective through a dichroic mirror.
(Iii) Blue light emitting diode (LXHL-NB98; Lumileds Lighting Inc.): Pulse-clamped by patch clamp control software (Axon p-Clamp 9.1), digital-to-analog converter (Axon DIGIDATA 1200) and electrical stimulator A rectangular wave pulse current created by (Nippon Kohden SEN-7203) was amplified in a booster circuit (FIG. 4) and turned on. The diode light was introduced into the microscope objective lens via a dichroic mirror.
(Iv) Monochromator (JASCO CAM-230): A xenon lamp light was dispersed and an arbitrary wavelength having a width of 10 nm was taken out. The extracted light was introduced into an epifluorescence microscope through an optical fiber. Light on / off was controlled by a built-in electromagnetic shutter.
(V) Microscope XY drive device (Medical Agent OXY-1): A three-dimensional micromanipulator described later was installed in the fixed part, and the above-mentioned upright epifluorescence microscope was installed in the drive part. The driving in the X-Y2 axis directions was finely controlled by a micrometer.
(Vi) Three-dimensional micromanipulator (Narishige MX-1R): A patch electrode holder, which will be described later, was driven in the three-axis directions of XYZ. Each drive shaft used both coarse and fine movement modes.
(Vii) Measuring chamber: A transparent acrylic plate was processed, and a cover glass was attached to the lower part. Tyrode liquid (see Table 3 below) was circulated through the chamber by a peristaltic pump. A cover glass with cultured cells attached was placed in the chamber.
(Viii) Photodiode (Sharp BS500B): Scattered light was received in front of the microscope objective lens and amplified by a microelectrode amplifier.
(I) Patch clamp amplifier (Axon AXOPATCH200A): The membrane current was measured when the membrane potential was kept constant by feedback through the patch electrode (potential fixation experiment).
(Ii) Microelectrode amplifier (Nihon Kohden MEZ-8201): The photocurrent was measured while applying a reverse current of 20 nA to the photodiode. The measured value was expressed as a relative value with respect to the maximum output of the blue light emitting diode.
(Iii) Analog-to-digital converter (Axon DIGIDATA 1200): The current output and voltage output of the patch clamp amplifier and the voltage output of the microelectrode amplifier were converted from analog to digital and output to a computer. A rectangular wave pulse created by a computer was output externally.
(Iv) Computer (Dell Optiplex GXi): Data were acquired using patch clamp control software (Axon p-Clamp 9.1). A square wave pulse was also created. For analysis of the data, Clamp-fit Ver. 9.2 (Axon) and Microsoft Excel were used.
(6) Whole cell patch clamp method The characteristics of wild-type Chop1 and 2, and hybrid apoprotein were confirmed by the whole cell patch clamp method. That is, a glass tube (patch pipette) having a tip diameter of 3 to 4 μm was prepared by heating and pulling a glass tube having a diameter of 1.5 mm (Harvard Appalatas GC150) using a patch pipette puller (Narishige PC-10). Was polished with a microforge (Narishige MF-830). The patch pipette was filled up to the tip of the patch pipette (Table 3) to prepare a patch electrode. The patch electrode was fixed to a patch electrode holder. Cells expressing rhodopsin apoprotein were identified by Venus fluorescence under an upright epifluorescence microscope. While applying positive pressure to the patch electrode, approach the cell, press against the cell surface to create dimples, switch to negative pressure to attach the cell membrane to the glass tube, and apply stronger negative pressure to the glass tube. The film of the attached site was broken, and the inside of the cell and the inside of the glass tube were electrically connected (hole cell mode). The following potential fixation experiment was conducted in the whole cell mode.
(7) Identification of transmembrane domain that controls photoresponse characteristics As a marker for these hybrid apoproteins, a construct cDNA in which Venus, one of the modified green fluorescent protein GFP derived from Aequorea jellyfish, is coordinated to the C-terminal. Was made. When these were introduced and expressed in HEK293 cells, high expression was observed in the plasma membrane in all 12 types of hybrid apoproteins (FIG. 5). That is, it was suggested that the structure as a membrane protein was maintained. Expression cells were identified using the Venus fluorescence as a clue, and the photocurrent was measured with the whole cell patch potential fixed.
The magnitude of the photocurrent of wild-type Chop2 (1-315) abcdefg is maximum at 460 nm depending on the wavelength of the irradiation light. This is explained by the fact that the absorption efficiency of light energy has wavelength dependency. For the purpose of comparing the absorption light wavelength response characteristics of the hybrid photocurrent, the photocurrent induced by blue light (477 ± 10 nm) and green light (532 ± 10 nm) was measured. FIG. 6A shows a comparison of the respective photocurrents between hybrids Abcdefg and ABCdefg . The response of hybrid ABCddefg to green light is increasing. FIG. 6B shows a comparison between the hybrid apoprotein and the wild-type apoprotein by quantifying the absorption wavelength response characteristics using the G / B ratio (Green / Blue ratio) of the blue light response and the green light response. Post. That is, the hybrid Abcdefg showed absorption wavelength response characteristics almost the same as the wild-type channel opsin 2 (1-315) abcdefg . In contrast, in the hybrid ABCcdefg , ABCdefg , ABCDefg , the absorption on the long wavelength side increased. Hybrid ABCDEfg further increased the absorption on the long wavelength side and was almost equal to wild-type channel opsin 1 and ABCDEFG . That is, there is a structure in which the absorption wavelength characteristics are controlled in the transmembrane-containing structure domains B / b and E / e, and it is suggested that when these are b and e, they shift to the longer wavelength side.
(8) Identification of transmembrane domain that controls ion permeability Wild type Chop1 (1-345) Photoreceptive channel expressed in Xenopus oocytes expressing ABCDEFG has high H + permeability , Na + has been reported to have little permeability to Na + (Nagel et al., 2002; Hegemann et al., 2005). In contrast, wild-type Chop2 (1-315) abcdefg has been reported to have high Na + permeability (Nagel et al., 2003; Ishizuka et al., 2006). For the purpose of identifying the structure controlling Na + permeability, the whole cell patch solution is Na + -glutamate (Na + , 100 mM), and the extracellular solution Na + is 142 mM and 20 mM (N-methyl-D). The IV relation between the holding potential and the photocurrent in the case of -glucamine ion substitution) was examined.
FIG. 7A shows the IV relationship of hybrid Abcdefg . With the external solution Na + 142 mM, the polarity was reversed at about 10 mV, but when the external solution Na + was 20 mM, the reversal potential was about −10 mV. That is, it shifted to about 20 mV minus side. This change is significantly less than wild-type Chop2 (1-315) abcdefg . FIG. 7B shows the IV relationship of hybrid ABCddefg . The inversion potential was shifted by 30 mV or more. FIG. 7C compares the shift of the reversal potential of the photocurrent for each hybrid apoprotein. Also in the hybrid ABCdefg and ABCDefg , the inversion potential shift was significantly small. Therefore, in these hybrid opsin proteins, there is a possibility that the Na + selectivity of permeated ions is reduced. On the other hand, in the IV relation of hybrid ABCdefg , ABCDEFfg , ABCDEFg , ABCDEFG , the inversion potential shift is more strongly dependent on the external solution Na + , and is significantly different from wild-type Chop2 (1-315) abcdefg. There was no difference. That is, the permeation ion selectivity is controlled by a plurality of transmembrane-containing domains, which suggests that the transmembrane-containing domains A / a, B / b, and C / c have important functions.
Further, the photocurrents of hybrid ABCDEFg and wild-type Chop1 (1-345) ABCDEFG tended to be very weak compared to the others. Therefore, in FIG. 8, the whole cell conductance per unit film capacity was compared. The whole cell conductance per unit membrane capacity is proportional to the single channel conductance of the photoreceptor channel and its expression density. The whole cell conductance per unit membrane capacity showed the maximum in the hybrid ABCDEfg .
(9) Identification of transmembrane structure domain controlling kinetic characteristics FIG. 9A shows the relative intensity of blue LED irradiation light (470 ± 25 nm). In HEK293 cells expressing hybrid Abcdefg , photocurrent depending on the intensity of irradiation light was measured (FIG. 9B). The photocurrent peaked in a few milliseconds but was found to deactivate quickly. This photoresponsive property is similar to wild-type Chop2 (1-315) abcdefg . On the other hand, the photocurrent of hybrid ABcdefg is hardly inactivated (FIG. 9C). FIG. 10A is a comparison of the photocurrent when the blue LED light with the maximum illuminance is irradiated for 1 second, together with the magnitude of the maximum photocurrent. It has been shown that the photocurrent of hybrid ABcdefg has a large ratio of stationary photocurrent and maximum photocurrent relative to wild-type Chop2 (1-315) abcdefg . Therefore, the strength of inactivation was quantified using this ratio (plateau / peakratio). A comparison of this between the hybrid apoprotein and the wild type apoprotein is shown in FIG. 10B. That is, hybrid Abcdefg was weakly inactivated as compared to wild-type Chop2 (1-315) abcdefg , but was found to be more inactivated than hybrid ABCddefg . Hybrid ABCDEfg further weakens inactivation. That is, there is a structure that controls inactivation in the transmembrane structure domains A / a, B / b, and E / e, and when these are a, b, and e, strong inactivation is caused. Is suggested.
FIG. 11A compares the speed of photocurrent activation (ON) for hybrid Abcdefg and hybrid ABCddefg . FIG. 11B compares the speed of photocurrent deactivation (OFF). It was confirmed that both the photocurrent ON and OFF were faster in the hybrid ABcdefg . FIG. 11C shows a comparison of the constant of constant ON and OFF of photocurrent between the hybrid apoprotein and the wild type apoprotein. It is suggested that when the transmembrane structure domain B / b is B, ON and OFF are both faster, and when the transmembrane structure domain E / e is E, both ON and OFF are slower.
(10) Characterization of hybrid rhodopsin protein Modified Rhodopsin Protein with Increased Conductance The above example suggests the presence of a structure controlling conductance in the transmembrane domain F / f. Therefore, a novel rhodopsin protein with increased conductance is created by setting the structure of this transmembrane-containing structure domain to f. Among the hybrid rhodopsin proteins investigated to date, the maximum conductance per unit membrane capacity can be obtained by using ABCDEfg .
2. Modified Rhodopsin Protein with Increased Absorption on the Long Wavelength Side According to the above example, existence of a structure controlling absorption wavelength characteristics in transmembrane-containing domain B / b, E / e, F / f, G / g Is suggested. Among the hybrid rhodopsin proteins investigated to date, ABCDEFg has the highest absorption on the long wavelength side, but ABCDEfg is excellent in practical use when the conductance is taken into consideration.
3. Wild-type Chop2 (1-315) abcdefg has been used as a means to photostimulate nerve cells and the like, although weak inactivation has been used. Repeated photostimulation has the disadvantage that the photocurrent decreases. In order to obtain the same amount of photocurrent, it was necessary to provide an interval of 10 seconds or more. According to the above embodiment, there is a structure that controls the inactivation in the transmembrane-containing structure domains A / a, B / b, and E / e, and when these are A, B, and E, the inactivation is It was suggested that it became weak. Among the hybrid rhodopsin proteins examined so far, the use of ABCDEfg provides the photocurrent with the weakest inactivation.
4). Modified rhodopsin protein with high frequency response characteristics When nerve cells are repeatedly photostimulated, it becomes important how much frequency the photocurrent that can follow the blinking of light can be caused. The magnitude of the following frequency is equal to the ON speed constant of the photocurrent. The magnitude of the ON speed constant depends on the transmembrane structure domains B / b and E / e, and is small in the combination of BE and be, and large in the combination of Be. Among the hybrid rhodopsin proteins examined so far, a photocurrent with high frequency response characteristics can be obtained by using ABCdefg , ABCdefg , ABCDefg or the like. Taking into account the ON speed constant and selectivity for Na + , ABCdefg is the best.
5. Modified rhodopsin protein excellent in practicality Among the modified rhodopsin proteins produced in the above examples, ABCDEfg (chop WR) has a conductance, a large absorption on the long wavelength side, a weak inactivation, etc. Remarkably superior. Moreover, the selectivity with respect to Na <+> ion is also high. Therefore, the channel opsin wide receiver is excellent in applications intended to receive faint light.
Among the modified rhodopsin proteins prepared in the above examples, ABCdeg (chop FR) is remarkably excellent in frequency response characteristics. It is also excellent in conductance, weak inactivation, and selectivity for Na + ions. Therefore, the channel opsin fast receiver is excellent in applications intended to accept optical information that fluctuates at a high frequency.
本発明によれば、様々な機能が改善又は付与された光受容体チャネル型タンパク質を提供することができる。
また、チャネルオプシン1の含膜貫通構造ドメインとチャネルオプシン2の含膜貫通構造ドメインとを様々な組合せで含ませることにより、特定の機能に特化した光受容体チャネル型タンパク質を提供することができる。
本発明の改変型ロドプシンタンパク質を応用する用途は、光を介するので、網膜、神経、脳などの組織に対しまったく非侵襲的である。また、本発明による新規光受容チャネル型ロドプシンタンパク質は、時間および空間解像度において従来のチャネルロドプシンタンパク質よりも優れたものとして構築できる。したがって、医療、福祉・介護、情報通信を含む分野において極めて有用な素材である。
本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。
[配列表]
According to the present invention, it is possible to provide a photoreceptor channel type protein with various functions improved or imparted.
In addition, by including the transmembrane domain of channel opsin 1 and the transmembrane domain of channel opsin 2 in various combinations, a photoreceptor channel-type protein specialized for a specific function can be provided. it can.
Since the use of the modified rhodopsin protein of the present invention is via light, it is completely non-invasive to tissues such as retina, nerve, and brain. Moreover, the novel photoreceptor channel-type rhodopsin protein by this invention can be constructed | assembled as what is superior to the conventional channel rhodopsin protein in temporal and spatial resolution. Therefore, it is a very useful material in fields including medical care, welfare / nursing care, and information communication.
All publications, patents and patent applications cited herein are incorporated herein by reference in their entirety.
[Sequence Listing]
Claims (10)
Chlamydomonas reinhardtii由来のチャネルオプシン2あるいはその相同体又は変異体における含膜貫通構造ドメインの少なくとも1つがこれに相当するChlamydomonas reinhardtiiのチャネルオプシン1に由来する含膜貫通構造ドメイン又は該含膜貫通構造ドメインのアミノ酸領域において1個〜10個のアミノ酸の置換、付加、挿入若しくは欠失を有し、かつ未改変の該含膜貫通構造ドメインと同等の機能特性を有するポリペプチド、又は該含膜貫通構造ドメインのアミノ酸配列に対して、少なくとも90%の配列相同性を有し、かつ未改変の該含膜貫通構造ドメインと同等の機能特性を有するポリペプチドで置換されているか、或いは、
Chlamydomonas reinhardtii由来のチャネルオプシン1あるいはその相同体又は変異体における含膜貫通構造ドメインの少なくとも1つがこれに相当するChlamydomonas reinhardtiiのチャネルオプシン2に由来する含膜貫通構造ドメイン又は該含膜貫通構造ドメインのアミノ酸領域において1個〜10個のアミノ酸の置換、付加、挿入若しくは欠失を有し、かつ未改変の該含膜貫通構造ドメインと同等の機能特性を有するポリペプチド、又は該含膜貫通構造ドメインのアミノ酸配列に対して、少なくとも90%の配列相同性を有し、かつ未改変の該含膜貫通構造ドメインと同等の機能特性を有するポリペプチドで置換されてなり、
かつ、Chlamydomonas reinhardtiiの野生型チャネルオプシン1又はチャネルオプシン2に比較して、弱い不活性化及び高い周波数応答性のいずれかの機能特性を少なくとも有し、前記相同体又は変異体が、Chlamydomonas reinhardtii由来のチャネルオプシン1又はチャネルオプシン2のアミノ酸領域において1個〜10個のアミノ酸の置換、付加、挿入若しくは欠失を有し、かつ未改変のChlamydomonas reinhardtii由来のチャネルオプシン1又はチャネルオプシン2と同等の機能特性を有するポリペプチド、又はChlamydomonas reinhardtii由来のチャネルオプシン1又はチャネルオプシン2のアミノ酸領域のアミノ酸配列に対して、少なくとも90%の配列相同性を有し、かつ未改変の該Chlamydomonas reinhardtii由来のチャネルオプシン1又はチャネルオプシン2と同等の機能特性を有するポリペプチドである、前記タンパク質。 A modified photoreceptor channel-type rhodopsin protein having a plurality of transmembrane domains, wherein the modified photoreceptor channel-type rhodopsin protein comprises:
Chlamydomonas reinhardtii at least one含膜transmembrane structural domain or the hydrated transmembrane structural domains derived from the channel opsin 1 of Chlamydomonas reinhardtii The equivalent of含膜through structural domains in the channel opsin 2 or a homologue or variant from A polypeptide having 1-10 amino acid substitutions, additions, insertions or deletions in the amino acid region and having functional properties equivalent to the unmodified transmembrane domain, or the transmembrane structure the amino acid sequence of domains, at least 90% sequence homology, and if it were replaced with a polypeptide having the hydrated transmembrane structural domain equivalent functional properties of unmodified, or,
Chlamydomonas reinhardtii at least one含膜transmembrane structural domain or the hydrated transmembrane structural domains derived from the channel opsin 2 of the corresponding Chlamydomonas reinhardtii thereto含膜through structural domains in the channel opsin 1 or a homologue or variant from A polypeptide having 1-10 amino acid substitutions, additions, insertions or deletions in the amino acid region and having functional properties equivalent to the unmodified transmembrane domain, or the transmembrane structure Substituted with a polypeptide having at least 90% sequence homology to the amino acid sequence of the domain and having functional properties equivalent to the unmodified transmembrane domain,
And, compared to the wild-type channel opsin 1 or channel opsin 2 of Chlamydomonas reinhardtii, at least it has the one of the functional properties of a weak inactivation and high frequency response, the homolog or variant, from Chlamydomonas reinhardtii Having 1 to 10 amino acid substitutions, additions, insertions or deletions in the amino acid region of channel opsin 1 or channel opsin 2, and equivalent to channel opsin 1 or channel opsin 2 from unmodified Chlamydomonas reinhardtii A polypeptide having functional properties or an amino acid sequence of an amino acid region of channel opsin 1 or channel opsin 2 derived from Chlamydomonas reinhardtii, The above protein, which is a polypeptide having at least 90% sequence homology and having functional properties equivalent to channel opsin 1 or channel opsin 2 derived from unmodified Chlamydomonas reinhardtii .
(a)配列番号2のアミノ酸1〜117と配列番号4のアミノ酸79〜315とからなるポリペプチド
(b)配列番号2のアミノ酸1〜164と配列番号4のアミノ酸126〜315とからなるポリペプチド
(c)配列番号2のアミノ酸1〜184と配列番号4のアミノ酸146〜315とからなるポリペプチド
(d)配列番号2のアミノ酸1〜212と配列番号4のアミノ酸174〜315とからなるポリペプチド
(e)配列番号2のアミノ酸1〜242と配列番号4のアミノ酸204〜315とからなるポリペプチド
(f)配列番号2のアミノ酸1〜276と配列番号4のアミノ酸238〜315とからなるポリペプチド
(g)配列番号2のアミノ酸118〜345と配列番号4のアミノ酸1〜78とからなるポリペプチド
(h)配列番号2のアミノ酸165〜345と配列番号4のアミノ酸1〜125とからなるポリペプチド
(i)配列番号2のアミノ酸185〜345と配列番号4のアミノ酸1〜145とからなるポリペプチド
(j)配列番号2のアミノ酸213〜345と配列番号4のアミノ酸1〜173とからなるポリペプチド
(k)配列番号2のアミノ酸243〜345と配列番号4のアミノ酸1〜203とからなるポリペプチド
(l)配列番号2のアミノ酸277〜345と配列番号4のアミノ酸1〜237とからなるポリペプチド A polypeptide having any one of the following (a) to (l) or an amino acid region of the polypeptide having 1 to 10 amino acid substitutions, additions, insertions or deletions, and equivalent to the polypeptide polypeptide having the functional characteristics of, or to the amino acid sequence of the polypeptide has at least 90% sequence homology, and comprises a polypeptide having the polypeptide equivalent functional properties claim 1 Symbol The listed protein.
(A) a polypeptide consisting of amino acids 1-117 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 79-315 of SEQ ID NO: 4 (b) a polypeptide consisting of amino acids 1-164 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 126-315 of SEQ ID NO: 4 (C) Polypeptide consisting of amino acids 1-184 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 146-315 of SEQ ID NO: 4 (d) Polypeptide consisting of amino acids 1-212 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 174-315 of SEQ ID NO: 4 (E) a polypeptide consisting of amino acids 1 to 242 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 204 to 315 of SEQ ID NO: 4 (f) a polypeptide consisting of amino acids 1 to 276 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 238 to 315 of SEQ ID NO: 4 (G) a polypeptide comprising amino acids 118 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 78 of SEQ ID NO: 4 (h) SEQ ID NO: A polypeptide consisting of amino acids 165 to 345 of 2 and amino acids 1 to 125 of SEQ ID NO: 4 (i) a polypeptide consisting of amino acids 185 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 145 of SEQ ID NO: 4 (j) SEQ ID NO: Polypeptide consisting of amino acids 213 to 345 of 2 and amino acids 1 to 173 of SEQ ID NO: 4 (k) polypeptide consisting of amino acids 243 to 345 of SEQ ID NO: 2 and amino acids 1 to 203 of SEQ ID NO: 4 (l) SEQ ID NO: 2. A polypeptide comprising amino acids 277 to 345 of 2 and amino acids 1 to 237 of SEQ ID NO: 4
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