JP5893241B2 - Calcium analysis method - Google Patents

Calcium analysis method Download PDF

Info

Publication number
JP5893241B2
JP5893241B2 JP2010194309A JP2010194309A JP5893241B2 JP 5893241 B2 JP5893241 B2 JP 5893241B2 JP 2010194309 A JP2010194309 A JP 2010194309A JP 2010194309 A JP2010194309 A JP 2010194309A JP 5893241 B2 JP5893241 B2 JP 5893241B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
calcium
terminal fragment
cell
luminescent
cam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2010194309A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2012051824A (en
Inventor
杉山 崇
崇 杉山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Corp filed Critical Olympus Corp
Priority to JP2010194309A priority Critical patent/JP5893241B2/en
Publication of JP2012051824A publication Critical patent/JP2012051824A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5893241B2 publication Critical patent/JP5893241B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、カルシウム解析方法および当該方法に使用されるタンパク質に関する。   The present invention relates to a calcium analysis method and a protein used in the method.

多くのホルモンや神経伝達物質はGタンパク質共役型受容体と相互作用し、細胞内セカンドメッセンジャーを介して様々な細胞活動を引き起こしている。また、細胞活動の多様性は、細胞内のセカンドメッセンジャーの時間的および空間的な濃度分布によって制御されている。したがって、特定の細胞活動に関する細胞内情報伝達を解析するにあたって、セカンドメッセンジャーの時空間的な変化をリアルタイムに捉えることが必要である。   Many hormones and neurotransmitters interact with G protein-coupled receptors and cause various cellular activities through intracellular second messengers. In addition, the diversity of cellular activities is controlled by the temporal and spatial concentration distribution of second messengers within the cell. Therefore, it is necessary to capture the temporal and spatial changes of the second messenger in real time when analyzing intracellular information transmission related to specific cellular activities.

細胞内セカンドメッセンジャーの1つであるカルシウムは、生体内において、各種生化学反応過程のシグナル伝達分子として作用している。これまでに、筋細胞の弛緩、網膜における光受容−伝達、骨の成長、ニューロンの活性化、神経伝達物質やホルモンの受容体からの細胞内情報伝達等の様々な生理的プロセスがカルシウムによって制御されていることが明らかになっている。したがって、生細胞中でのカルシウム局在がリアルタイムにわかれば、細胞および組織レベルでの循環器系、消化器系、網膜、嗅覚、中枢神経等の作用機構が解明されるだけでなく、細胞内のカルシウム濃度を調節する薬剤に関する知見を得ることが期待される。   Calcium, which is one of intracellular second messengers, acts as a signal transduction molecule for various biochemical reaction processes in vivo. To date, calcium regulates various physiological processes such as muscle cell relaxation, photoreception-transmission in the retina, bone growth, neuronal activation, and intracellular signaling from neurotransmitters and hormone receptors. It has become clear that Therefore, if calcium localization in living cells is known in real time, not only the mechanisms of action such as the circulatory system, digestive system, retina, olfaction, and central nerves at the cellular and tissue levels are elucidated, but also intracellular It is expected to obtain knowledge about drugs that regulate calcium concentration in the body.

生細胞内でのカルシウム濃度をリアルタイムで観察するためには、カルシウムを分子イメージングすることが最も効果的であり、従来から、カルシウムに対する多くの分析技術が提案および開発されている。   In order to observe the calcium concentration in a living cell in real time, molecular imaging of calcium is the most effective, and many analytical techniques for calcium have been proposed and developed.

例えば、非特許文献1には、カルシウム結合タンパク質であるカルモジュリンおよびカルシウムイオンと結合したカルモジュリンと結合するM13ペプチドに対し、シアン色蛍光タンパク質(ECFP)および黄色蛍光タンパク質(EYFP)を融合させた融合タンパク質を使用する、シアン色蛍光タンパク質(ECFP)と黄色蛍光タンパク質(EYFP)との蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)に基づくカルシウム解析方法が開示されている。この方法で使用する融合タンパク質は、中央にカルモジュリンおよびM13ペプチドが、両端にYFPおよびCFPが配置されている。カルシウムが存在しない状態では、YFPとCFPとが離れておりFRETが生じないため、CFPを励起してもYFPの蛍光は観察されない。このとき細胞内のカルシウムが増加すると、カルモジュリンがカルシウムと結合し、さらにそれらに対してM13が結合することで、融合タンパク質の立体構造が変化する。この状態においてCFPを励起すると、FRETが生じるため、アクセプターであるYFPの蛍光が観察される。このFRETシグナルを観察することで、カルシウムの濃度変化を観察できることが明らかにされている。   For example, Non-Patent Document 1 discloses a fusion protein in which cyan fluorescent protein (ECFP) and yellow fluorescent protein (EYFP) are fused to calmodulin that is a calcium binding protein and M13 peptide that binds to calmodulin bound to calcium ions. Calcium analysis method based on fluorescence resonance energy transfer (FRET) between cyan fluorescent protein (ECFP) and yellow fluorescent protein (EYFP) is disclosed. The fusion protein used in this method has calmodulin and M13 peptide at the center and YFP and CFP at both ends. In the absence of calcium, YFP and CFP are separated from each other and FRET does not occur. Therefore, even when CFP is excited, YFP fluorescence is not observed. At this time, when intracellular calcium increases, calmodulin binds to calcium, and M13 binds to them to change the three-dimensional structure of the fusion protein. When CFP is excited in this state, FRET is generated, and fluorescence of YFP as an acceptor is observed. It has been clarified that the change in calcium concentration can be observed by observing the FRET signal.

特許文献1には、カルシウム感受性発光タンパク質およびカルシウム非応答性レニラルシフェラーゼを利用して、細胞内のカルシウム濃度および遺伝子発現量を定量解析する方法が開示されている。この方法では、カルシウム感受性発光タンパク質であるイクオリンおよびカルシウム非応答性レニラルシフェラーゼ由来のレポーターを細胞内に発現させる。
細胞内のカルシウムが増加すると、イクオリンまたはカルシウム感受性発光タンパク質により検出でき、その後に新たな基質を添加することなくレポーターアッセイ法により遺伝子発現の増減を測定できることが明らかにされている。
Patent Document 1 discloses a method for quantitatively analyzing intracellular calcium concentration and gene expression level using calcium-sensitive photoprotein and calcium non-responsive Renilla luciferase. In this method, reporters derived from aequorin and calcium non-responsive Renilla luciferase, which are calcium-sensitive photoproteins, are expressed in cells.
It has been shown that increase in intracellular calcium can be detected by aequorin or calcium-sensitive photoprotein, and then the increase or decrease in gene expression can be measured by a reporter assay without the addition of a new substrate.

非特許文献2には、カルモジュリン、M13ペプチド、および分割したレニラルシフェラーゼから成る融合タンパク質を利用して観察する方法が開示されている。この方法で使用する融合タンパク質は、中央にカルモジュリンおよびM13ペプチドが、両端にレニラルシフェラーゼの分割した断片が配置されている。カルシウムが存在しない状態では、レニラルシフェラーゼの分割した断片同士が離れており発光活性を有さないため発光を観察することができない。このとき細胞内のカルシウムが増加すると、カルモジュリンがカルシウムと結合し、さらにそれらに対してM13が結合することで、融合タンパク質の立体構造が変化する。この状態では、分割されたレニラルシフェラーゼが再構成されて発光活性が回復し、発光を観察することができる。この発光シグナルを観察することで、カルシウムの濃度変化を観察できることが明らかにされている。   Non-Patent Document 2 discloses a method of observation using a fusion protein composed of calmodulin, M13 peptide, and split Renilla luciferase. In the fusion protein used in this method, calmodulin and M13 peptide are arranged at the center, and a fragment obtained by dividing Renilla luciferase is arranged at both ends. In the absence of calcium, luminescence cannot be observed because the fragments of Renilla luciferase are separated from each other and have no luminescence activity. At this time, when intracellular calcium increases, calmodulin binds to calcium, and M13 binds to them to change the three-dimensional structure of the fusion protein. In this state, the divided Renilla luciferase is reconstituted to recover the luminescence activity, and the luminescence can be observed. It has been clarified that the change in calcium concentration can be observed by observing this luminescent signal.

特許文献2には、カルモジュリン、任意にM13ペプチド、および分割したガウシアルシフェラーゼから成る融合タンパク質を利用して観察する方法が開示されている。この方法で使用する融合タンパク質は、中央にカルモジュリンおよび任意にM13ペプチドが、両端にガウシアルシフェラーゼの分割した断片が配置されており、細胞内のカルシウムの増加に伴い、カルモジュリンおよび任意にM13ペプチドがカルシウム依存的に結合して立体構造が変化する。この変化によって、分割されたガウシアルシフェラーゼが解離または再構成されて発光の消失または増強を観察することができる。この発光シグナルを観察することで、カルシウムの濃度変化を観察できることが明らかにされている。   Patent Document 2 discloses a method of observation using a fusion protein composed of calmodulin, optionally M13 peptide, and split Gaussia luciferase. The fusion protein used in this method has calmodulin and optionally M13 peptide at the center and a fragment of Gaussia luciferase at both ends. As the intracellular calcium increases, calmodulin and optionally M13 peptide The three-dimensional structure changes by binding in a calcium-dependent manner. This change allows the resolved Gaussia luciferase to dissociate or reconstitute and observe the disappearance or enhancement of luminescence. It has been clarified that the change in calcium concentration can be observed by observing this luminescent signal.

特許文献3には、カルモジュリンと分割したホタルルシフェラーゼとから成る融合タンパク質を利用した細胞内カルシウム濃度の定量解析する方法が開示されている。この方法で使用する融合タンパク質では、分割したホタルルシフェラーゼの断片は、本来のホタルルシフェラーゼにおける配置に対して円順列置換されている。この融合タンパク質を細胞内に発現させ、ルシフェラーゼの基質となるルシフェリンを添加すると細胞からの発光を計測できる。このとき細胞内のカルシウムが増加すると、カルモジュリンの立体構造が変化してルシフェラーゼの発光が消失または増強する。この発光シグナルを検出することで、カルシウムの濃度変化を検出できることが明らかにされている。   Patent Document 3 discloses a method for quantitative analysis of intracellular calcium concentration using a fusion protein composed of calmodulin and divided firefly luciferase. In the fusion protein used in this method, the divided firefly luciferase fragments are circularly permuted with respect to the arrangement in the original firefly luciferase. When this fusion protein is expressed in cells and luciferin serving as a luciferase substrate is added, luminescence from the cells can be measured. At this time, when intracellular calcium increases, the three-dimensional structure of calmodulin changes, and the luminescence of luciferase disappears or is enhanced. It has been clarified that a change in calcium concentration can be detected by detecting this luminescent signal.

国際公開第2007/139080号International Publication No. 2007/139080 特開2009−153399号公報JP 2009-153399 A 特表2009−532063号公報JP 2009-532063 A

Miyawaki A,Llopis J,Heim R,McCaffery JM,Adams JA, Ikura M,Tsien RY. “Fluorescent indicators for Ca2+ based on green fluorescent proteins and calmodulin.” Nature, vol.388(6645), pp.882−887, 1997Miyawaki A, Llopis J, Heim R, McCaffery JM, Adams JA, Ikura M, Tsien RY. “Fluorescent indicators for Ca2 + based on green fluorescent proteins and calmodulin.” Nature, vol. 388 (6665), pp. 882-887, 1997 Kaihara A,Umezawa Y,Furukawa T. “Bioluminescent indicators for Ca2+ based on split renilla luciferase complementation in living cells.” Analytical Sciences, Vol.24, pp.1405−1408, 2008Kaihara A, Umezawa Y, Furukawa T .; “Bioluminous indicators for Ca2 + based on split renilla luciferase complementation in living cells.” Analytical Sciences, Vol. 24, pp. 1405-1408, 2008

しかしながら、蛍光タンパク質を用いる従来技術は、細胞が自己蛍光を発するためシグナル/ノイズ比が低いという問題、ダイナミックレンジが狭いため利用可能な測定対象の範囲が狭いという問題等を有している。   However, the conventional technique using a fluorescent protein has a problem that a signal / noise ratio is low because cells emit autofluorescence, a problem that a range of usable measurement objects is narrow because a dynamic range is narrow, and the like.

また、従来のカルシウム感受性発光タンパク質を用いる従来技術は、ルミノメーターまたはフォトンカウンティングでのみ測定を行っているため、一細胞での測定に最適化されておらず、さらに、発光した後速やかに変性および分解されてしまうため、長時間の測定や多数回の刺激に応じた発光を観察することが困難であり、利用可能な測定方法の範囲が狭いという問題を有していた。   In addition, the conventional technique using the conventional calcium-sensitive photoprotein is measured only with a luminometer or photon counting, so it is not optimized for single cell measurement. Since it is decomposed, it is difficult to observe light emission corresponding to a long-time measurement or many times of stimulation, and there is a problem that the range of available measurement methods is narrow.

また、従来の分割されたレニラルシフェラーゼまたはガウシアルシフェラーゼ、カルシウム結合タンパク質であるカルモジュリンおよびカルシウムイオンと結合したカルモジュリンと結合するM13ペプチドを用いた従来技術は、ルミノメーターまたはフォトンカウンティングでのみ測定を行っているため、一細胞での測定に最適化されておらず、さらに、再構成したルシフェラーゼが解離しづらいため、発光シグナルとカルシウム濃度との相関が悪いという問題を有していた。   In addition, the conventional technology using conventional split Renilla luciferase or Gaussia luciferase, calcium-binding protein calmodulin and calmodulin bound to calcium ion is measured only by luminometer or photon counting. Therefore, it has not been optimized for measurement in one cell, and furthermore, since the reconstituted luciferase is difficult to dissociate, there is a problem that the correlation between the luminescence signal and the calcium concentration is poor.

また、従来の円順列置換ルシフェラーゼとカルシウム結合タンパク質であるカルモジュリン遺伝子との融合タンパク質を用いる技術は、ルミノメーターまたはフォトンカウンティングでのみ測定を行っているため、一細胞での測定に最適化されておらず、利用可能な測定方法の範囲が狭いという問題を有していた。   In addition, the conventional technique using a fusion protein of a circular permutation luciferase and the calcium-binding protein calmodulin gene is measured only with a luminometer or photon counting, so it is not optimized for single cell measurement. However, there is a problem that the range of available measurement methods is narrow.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、細胞内の情報伝達に影響を及ぼすことなく各細胞からの正確な定量的結果を得ることができ、その結果、個々の細胞においてカルシウム濃度の変化を再現性良く経時的に観察することができるカルシウム解析方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and can obtain an accurate quantitative result from each cell without affecting intracellular information transmission. As a result, calcium in each cell can be obtained. It is an object of the present invention to provide a calcium analysis method capable of observing changes in concentration over time with good reproducibility.

本発明の実施形態によれば、発光酵素のN末端側断片、前記発光酵素のC末端側断片、カルシウム結合領域および前記カルシウム結合領域と可逆的に結合または解離できる相互作用領域を含むカルシウムセンサータンパク質であって、前記カルシウム結合領域および前記相互作用領域は前記C末端側断片と前記N末端側断片との間に配置されたカルシウムセンサータンパク質を含む細胞を作製する細胞作製工程と、前記細胞作製工程で作製した前記細胞に当該細胞外から所定の発光基質を添加する添加工程と、前記添加工程で前記所定の発光基質が与えられた前記細胞の発光画像を撮像する撮像工程と、前記撮像工程で撮像した前記発光画像に基づいて、前記細胞内における前記カルシウムの濃度を解析する解析工程とを含む細胞内カルシウム解析方法が提供される。   According to an embodiment of the present invention, a calcium sensor protein comprising an N-terminal fragment of a luminescent enzyme, a C-terminal fragment of the luminescent enzyme, a calcium binding region, and an interaction region capable of reversibly binding to or dissociating from the calcium binding region. A cell production step for producing a cell containing a calcium sensor protein in which the calcium binding region and the interaction region are arranged between the C-terminal fragment and the N-terminal fragment; and the cell production step An addition step of adding a predetermined luminescent substrate from outside the cell to the cells prepared in Step 1, an imaging step of capturing a luminescence image of the cell to which the predetermined luminescent substrate is given in the addition step, and the imaging step An intracellular calculus comprising an analysis step of analyzing the concentration of the calcium in the cell based on the captured luminescence image Analysis method is provided.

また、本発明の実施形態によれば、発光酵素のN末端側断片、前記発光酵素のC末端側断片、カルシウム結合領域および前記カルシウム結合領域と可逆的に結合または解離できる相互作用領域を含むカルシウムセンサータンパク質であって、前記カルシウム結合領域および前記相互作用領域は前記C末端側断片と前記N末端側断片との間に配置され、前記N末端断片および前記C末端断片は前記発酵酵素における本来の配置に対して円順列置換されているカルシウムセンサータンパク質が提供される。   In addition, according to an embodiment of the present invention, calcium containing an N-terminal fragment of a luminescent enzyme, a C-terminal fragment of the luminescent enzyme, a calcium binding region, and an interaction region capable of reversibly binding to or dissociating from the calcium binding region A sensor protein, wherein the calcium-binding region and the interaction region are disposed between the C-terminal fragment and the N-terminal fragment, and the N-terminal fragment and the C-terminal fragment are inherent in the fermentation enzyme. Calcium sensor proteins are provided that are circularly permuted to configuration.

本発明の実施形態によれば、細胞内のカルシウムに関する個々の細胞からの正確な定量的結果を得ることができ、その結果、個々の細胞において細胞内のカルシウム濃度を再現性良く観察することができるという効果が得られる。   According to the embodiments of the present invention, it is possible to obtain accurate quantitative results from individual cells regarding intracellular calcium, and as a result, it is possible to observe the intracellular calcium concentration in individual cells with good reproducibility. The effect that it can be obtained.

また、本発明のカルシウム結合領域がカルモジュリン由来である実施形態によれば、カルシウム特異的に結合するという効果が得られる。   Moreover, according to the embodiment in which the calcium binding region of the present invention is derived from calmodulin, an effect of binding specifically to calcium can be obtained.

また、本発明の相互作用領域がM13ペプチドである実施形態によれば、カルシウム依存的にカルモジュリンに結合するという効果が得られる。   Moreover, according to the embodiment in which the interaction region of the present invention is the M13 peptide, an effect of binding to calmodulin in a calcium-dependent manner is obtained.

また、本発明の発光酵素がホタルルシフェラーゼであり、N末端側断片がホタルルシフェラーゼのアミノ酸番号1番目から416番目のアミノ酸配列を含み、C末端側断片がホタルルシフェラーゼのアミノ酸番号399番目から550番目のアミノ酸配列を含む実施形態によれば、発光酵素のN末端側断片とC末端側断片とが再構成した時にだけ発光するため、シグナル/ノイズ比が大きいという効果が得られる。   Moreover, the luminescent enzyme of the present invention is firefly luciferase, the N-terminal fragment contains the amino acid sequence of amino acid numbers 1 to 416 of firefly luciferase, and the C-terminal fragment is amino acid numbers 399 to 550 of firefly luciferase. According to the embodiment including the amino acid sequence, light is emitted only when the N-terminal fragment and the C-terminal fragment of the luminescent enzyme are reconstituted, so that an effect that the signal / noise ratio is large is obtained.

また、本発明の発光酵素がレニラルシフェラーゼであり、N末端側断片がレニラルシフェラーゼのアミノ酸番号1番目から91番目のアミノ酸配列を含み、C末端側断片がレニラルシフェラーゼのアミノ酸番号92番目から311番目のアミノ酸配列を含む実施形態によれば、発光酵素のN末端側断片とC末端側断片とが再構成した時にだけ発光するので、シグナル/ノイズ比が大きいという効果が得られる。   Further, the luminescent enzyme of the present invention is Renilla luciferase, the N-terminal fragment contains the amino acid sequence from amino acid number 1 to 91 of Renilla luciferase, and the C-terminal fragment from amino acid number 92 of Renilla luciferase. According to the embodiment including the 311th amino acid sequence, light is emitted only when the N-terminal fragment and the C-terminal fragment of the luminescent enzyme are reconstituted, so that an effect that the signal / noise ratio is large is obtained.

また、本発明のN末端断片およびC末端断片は、発酵酵素における本来の配置に対して円順列置換されている実施形態によれば、解離したときのバックグランドノイズが低いため、シグナル/ノイズ比が大きいという効果が得られる。   In addition, according to the embodiment in which the N-terminal fragment and the C-terminal fragment of the present invention are circularly permuted with respect to the original arrangement in the fermentation enzyme, since the background noise when dissociated is low, the signal / noise ratio The effect is large.

また、本発明の撮像工程が発光画像を繰り返し撮像することを含む実施形態によれば、撮像工程において、発光画像を繰り返し撮像するので、同一細胞における時空間的な測定ができるという効果が得られる。   Further, according to the embodiment in which the imaging step of the present invention includes repeatedly capturing a luminescent image, the luminescent image is repeatedly captured in the imaging step, so that an effect of being able to perform spatiotemporal measurement in the same cell is obtained. .

また、本発明の撮像工程が複数の異なる細胞に対して同時に行われ、解析工程が細胞ごとに行われる実施形態によれば、撮像工程において、複数の異なる細胞について同時に実行し、解析工程において、複数の発光画像を細胞ごとに照合するため、個々の細胞におけるカルシウム濃度変化を時空間的に解析できるという効果が得られる。   Further, according to the embodiment in which the imaging process of the present invention is performed simultaneously on a plurality of different cells and the analysis process is performed for each cell, the imaging process is performed simultaneously on a plurality of different cells, Since a plurality of luminescent images are collated for each cell, an effect that the change in calcium concentration in each cell can be analyzed in time and space can be obtained.

発光観察システム100の全体構成の一例を示す図である。1 is a diagram illustrating an example of an overall configuration of a light emission observation system 100. FIG. 発光観察システム100の発光画像撮像ユニット106の構成の一例を示す図である。2 is a diagram illustrating an example of a configuration of a light emission image capturing unit 106 of the light emission observation system 100. FIG. 発光観察システム100の発光画像撮像ユニット106の構成の一例を示す図である。2 is a diagram illustrating an example of a configuration of a light emission image capturing unit 106 of the light emission observation system 100. FIG. 発光観察システム100の画像解析装置110の構成の一例を示すブロック図である。2 is a block diagram illustrating an example of a configuration of an image analysis device 110 of the light emission observation system 100. FIG. スプリットルシフェラーゼアッセイ法を用いたカルシウムの検出原理を示す図である。It is a figure which shows the detection principle of calcium using the split luciferase assay method. 5HT2A受容体およびcpGL4_C_CaM−M13_Nを導入したHEK293細胞において、5HT刺激前の発光画像を示す図である。It is a figure which shows the luminescence image before 5HT stimulation in HEK293 cell which introduce | transduced 5HT2A receptor and cpGL4_C_CaM-M13_N. 5HT2A受容体およびcpGL4_C_CaM−M13_Nを導入したHEK293細胞において、5HT刺激後の発光画像を示す図である。It is a figure which shows the luminescence image after 5HT stimulation in HEK293 cell which introduce | transduced 5HT2A receptor and cpGL4_C_CaM-M13_N. 選択した細胞での5HT刺激によるcpGL4_C_CaM−M13_Nの発光強度の経時変化を示した図である。It is the figure which showed the time-dependent change of the luminescence intensity of cpGL4_C_CaM-M13_N by 5HT stimulation in the selected cell. 5HT2A受容体およびcphRL_C_CaM−M13_Nを導入したHEK293細胞において、5HT刺激前の発光画像を示す図である。It is a figure which shows the luminescence image before 5HT stimulation in HEK293 cell which introduce | transduced 5HT2A receptor and cphRL_C_CaM-M13_N. 5HT2A受容体およびcphRL_C_CaM−M13_Nを導入したHEK293細胞において、5HT刺激後の発光画像を示す図である。It is a figure which shows the luminescent image after 5HT stimulation in HEK293 cell which introduce | transduced 5HT2A receptor and cphRL_C_CaM-M13_N. 選択した細胞での5HT刺激によるcphRL_C_CaM−M13_Nの発光強度の経時変化を示した図である。It is the figure which showed the time-dependent change of the emitted light intensity of cphRL_C_CaM-M13_N by 5HT stimulation in the selected cell.

[方法]
以下に、本発明に係る方法について説明する。
本発明は、発光酵素のN末端側断片、前記発光酵素のC末端側断片、カルシウム結合領域および前記カルシウム結合領域と可逆的に結合または解離できる相互作用領域を含むカルシウムセンサータンパク質であって、前記カルシウム結合領域および前記相互作用領域は前記C末端側断片と前記N末端側断片との間に配置されたカルシウムセンサータンパク質を含む細胞を作製する細胞作製工程と、前記細胞作製工程で作製した前記細胞に当該細胞外から所定の発光基質を添加する添加工程と、前記添加工程で前記所定の発光基質が与えられた前記細胞の発光画像を撮像する撮像工程と、前記撮像工程で撮像した前記発光画像に基づいて、前記細胞内における前記カルシウムの濃度を解析する解析工程とを含む細胞内カルシウム解析方法に関する。
[Method]
The method according to the present invention will be described below.
The present invention is a calcium sensor protein comprising an N-terminal fragment of a luminescent enzyme, a C-terminal fragment of the luminescent enzyme, a calcium binding region, and an interaction region capable of reversibly binding to or dissociating from the calcium binding region, A cell preparation step for preparing a cell containing a calcium sensor protein arranged between the C-terminal fragment and the N-terminal fragment for the calcium binding region and the interaction region; and the cell prepared in the cell preparation step An addition step of adding a predetermined luminescent substrate from the outside of the cell, an imaging step of capturing a luminescent image of the cell to which the predetermined luminescent substrate is given in the addition step, and the luminescent image captured in the imaging step And an analysis step of analyzing the concentration of the calcium in the cell based on the method .

簡潔には、本発明は、対象とする細胞にカルシウムセンサータンパク質を導入し、発光基質を与えて発光を誘導し、その様子を撮像し、撮像した画像に基づいてカルシウム濃度を特定等する方法に関する。   Briefly, the present invention relates to a method of introducing a calcium sensor protein into a target cell, inducing luminescence by giving a luminescent substrate, imaging the state, and specifying a calcium concentration based on the captured image. .

本発明によれば、細胞内のカルシウムの状態を解析することができる。特に、細胞内のカルシウム濃度を定量的に測定することが可能である。また、測定はイメージングによって行うことができるため、細胞ごとに測定が可能であり、さらには細胞内の細胞小器官等の構造に絞って測定することもできる。さらに、一定間隔で同一の測定領域を測定することで、カルシウム濃度の刺激に対する変化および時間的変化を解析することができる。細胞ごとに測定することで、細胞間の差異を解析することもできる。   According to the present invention, the state of intracellular calcium can be analyzed. In particular, the intracellular calcium concentration can be quantitatively measured. In addition, since measurement can be performed by imaging, measurement can be performed for each cell, and further, measurement can be performed by focusing on the structure of an organelle in a cell. Furthermore, by measuring the same measurement region at regular intervals, it is possible to analyze changes in calcium concentration with respect to stimulation and temporal changes. Differences between cells can be analyzed by measuring each cell.

細胞作製工程では、カルシウムセンサータンパク質を含む細胞が作製される。カルシウムセンサータンパク質とは、発光酵素の2つのポリペプチド断片と、カルシウムに結合できるポリペプチド断片(カルシウム結合領域)と、カルシウム結合領域と可逆的に結合または解離できるポリペプチド断片(相互作用領域)と、任意にその他のポリペプチド断片とが融合したタンパク質であって、カルシウムの存在に応じて当該発光酵素の活性が消失または回復するタンパク質である。カルシウムセンサータンパク質の詳細については後述する。対象となる細胞の種類に限定はなく、細菌細胞、酵母細胞、植物細胞および動物細胞等を使用できる。動物細胞が使用される場合、特に哺乳細胞が使用され、例えばマウスの細胞、サルの細胞およびヒトの細胞が使用される。細胞は、生体組織の一部として培養された細胞集合体であってもよいし、生体組織が属している臓器等や生命個体の形態でもよい。細胞に対してカルシウムセンサータンパク質を導入する方法に特別な限定はなく、既知の導入方法が使用できる。1つの方法は、当該タンパク質をコードする塩基配列を含む核酸を細胞に導入し、その後細胞内で当該タンパク質を発現させる方法である。例えば、当該核酸を含む発現ベクターを、リン酸カルシウム法、リポフェクション法またはエレクトロポレーション法等によって細胞内に導入し、発現ベクターから当該タンパク質を発現させることができる。ベクターから発現させるのではなく、当該核酸がゲノムに組み込まれた細胞を作製した後、ゲノムから当該タンパク質を発現させることもできる。別の方法は、細胞外で精製した当該タンパク質を細胞内に直接導入する方法である。例えば、マイクロインジェクション法によって当該タンパク質を細胞内に直接注入することができる。または、当該タンパク質を含む培養液にて細胞をインキュベートさせて、エンドサイトーシスによって当該タンパク質を細胞に取り込ませることができる。   In the cell production process, cells containing the calcium sensor protein are produced. The calcium sensor protein includes two polypeptide fragments of a luminescent enzyme, a polypeptide fragment that can bind to calcium (calcium binding region), and a polypeptide fragment that can reversibly bind to or dissociate from the calcium binding region (interaction region). A protein that is optionally fused with other polypeptide fragments, wherein the activity of the luminescent enzyme disappears or recovers depending on the presence of calcium. Details of the calcium sensor protein will be described later. There are no limitations on the types of cells to be used, and bacterial cells, yeast cells, plant cells, animal cells, and the like can be used. When animal cells are used, particularly mammalian cells are used, for example mouse cells, monkey cells and human cells. The cell may be a cell aggregate cultured as a part of the living tissue, or may be in the form of an organ or the like to which the living tissue belongs or a living individual. There is no particular limitation on the method for introducing the calcium sensor protein into the cell, and a known introduction method can be used. One method is a method in which a nucleic acid containing a base sequence encoding the protein is introduced into a cell, and then the protein is expressed in the cell. For example, an expression vector containing the nucleic acid can be introduced into cells by the calcium phosphate method, lipofection method, electroporation method, or the like, and the protein can be expressed from the expression vector. Instead of expressing from a vector, the protein can also be expressed from the genome after preparing a cell in which the nucleic acid is integrated into the genome. Another method is to introduce the protein purified outside the cell directly into the cell. For example, the protein can be directly injected into cells by a microinjection method. Alternatively, cells can be incubated in a culture solution containing the protein, and the protein can be taken into the cell by endocytosis.

添加工程では、細胞作製工程にて作製された細胞に対し発光基質が添加される。本発明に係る方法は発光酵素による発光反応を利用するが、この発光反応を生じさせるためには発光基質が必要となる。発光基質は使用する発光酵素に応じて選択される。発光基質の詳細は後述する。発光基質を添加する方法に特別限定はなく、適宜選択できる。例えば、培養液に添加することで、培養液を介して細胞に発光基質を取り込ませることが出来る。また、マイクロインジェクション法によって、発光基質を細胞内に直接注入することもできる。発光基質の添加のタイミングも適宜選択できる。例えば、細胞へのカルシウムセンサータンパク質の導入の前に、それと同時に、またはその後に発光基質を添加することができる。例えば、一連の操作を通して、細胞を取り扱うための培養液中に発光基質を含めておくことができる。または、マイクロインジェクションにて当該タンパク質および発光基質を同時に細胞に注入することができる。好ましくは、発光基質は測定の直前に添加される。発光基質の添加量に特別な限定はないが、好ましくは、発光酵素が発光反応を生じるために十分な量で添加される。   In the addition step, a luminescent substrate is added to the cells produced in the cell production step. The method according to the present invention uses a luminescent reaction by a luminescent enzyme, but a luminescent substrate is required to cause this luminescent reaction. The luminescent substrate is selected according to the luminescent enzyme used. Details of the luminescent substrate will be described later. There is no special limitation in the method of adding a luminescent substrate, It can select suitably. For example, by adding to the culture solution, the luminescent substrate can be taken into the cell via the culture solution. Alternatively, the luminescent substrate can be directly injected into the cell by the microinjection method. The timing of addition of the luminescent substrate can also be selected as appropriate. For example, a luminescent substrate can be added before, simultaneously with, or after introduction of the calcium sensor protein into the cell. For example, a luminescent substrate can be included in a culture solution for handling cells through a series of operations. Alternatively, the protein and the luminescent substrate can be simultaneously injected into cells by microinjection. Preferably, the luminescent substrate is added immediately before the measurement. There is no particular limitation on the amount of the luminescent substrate to be added, but preferably the luminescent enzyme is added in an amount sufficient to cause a luminescent reaction.

撮像工程では、発光反応が生じている細胞の画像が取得される。撮像は任意のタイミングで行うことができるが、好ましくは、基質添加から一定時間後に行われる。特に複数の測定を繰り返す場合、測定結果のばらつきを抑えるために、複数の測定を通じて同一のタイミングで撮像することが好ましい。撮像時間は条件に応じて最良の時間が適宜選択される。発光強度が小さい場合、撮像時間(顕微鏡を使用する場合、露出時間)は長くされ、逆に発光強度が大きすぎる場合、撮像時間は短くされる。例えば、5から10秒間の露出時間とすることができる。撮像は、発光反応に係る波長の光のみを取得して行うこともできるが、それと同時に明視野画像または別の波長の光による画像を取得してもよい。例えば、細胞にカルシウムセンサータンパク質と同時にプローブ(例えば蛍光または発光タンパク質)を融合した特定のタンパク質を導入し、カルシウムセンサータンパク質に由来する光と同時に、当該特定のタンパク質からの光を検出してもよい。なお、撮像に使用される装置については後述する。   In the imaging step, an image of a cell in which a luminescent reaction has occurred is acquired. Imaging can be performed at an arbitrary timing, but is preferably performed after a certain time from the addition of the substrate. In particular, when a plurality of measurements are repeated, it is preferable to capture images at the same timing through a plurality of measurements in order to suppress variations in measurement results. The best imaging time is appropriately selected according to the conditions. When the emission intensity is low, the imaging time (exposure time when using a microscope) is lengthened, and conversely, when the emission intensity is too high, the imaging time is shortened. For example, the exposure time can be 5 to 10 seconds. Imaging can be performed by acquiring only light having a wavelength related to the luminescence reaction, but at the same time, a bright field image or an image using light having another wavelength may be acquired. For example, a specific protein in which a probe (for example, a fluorescent or luminescent protein) is fused simultaneously with a calcium sensor protein may be introduced into a cell, and light from the specific protein may be detected simultaneously with light derived from the calcium sensor protein. . An apparatus used for imaging will be described later.

解析工程では、取得された画像に基づいて、細胞内のカルシウム濃度等の解析が行われる。解析は、コンピュータにて機能するソフトウェアを使用して、発光量を数値に変換してもよい。当該数値を利用して、スタンダードとの比の算出、試料間の比較等が適宜行われる。このような処理によって、細胞内のカルシウム濃度が特定される。また、濃度の特定とは、詳細な数値の特定でなくとも、カルシウムが試料中に存在するか否かの特定、または設定した濃度範囲にあるかどうか等の大まかな特定であってもよい。なお、解析に使用される装置については後述する。   In the analysis step, the intracellular calcium concentration and the like are analyzed based on the acquired image. In the analysis, the amount of light emission may be converted into a numerical value by using software that functions on a computer. By using the numerical value, calculation of the ratio with the standard, comparison between samples, and the like are appropriately performed. By such treatment, the intracellular calcium concentration is specified. Further, the specification of the concentration may be a rough specification such as whether or not calcium is present in the sample or whether or not it is within a set concentration range, without specifying a detailed numerical value. An apparatus used for analysis will be described later.

また、本発明は、撮像工程が発光画像を繰り返し撮像することを含む上記の細胞内カルシウム解析方法に関する。当該方法では、一定の間隔で撮像を繰り返し、または特定の時間に撮像が行われる。このように経時的に撮像されることで、タイムラプスによる観察または動画による観察が可能となる。撮像の都度、発光基質を添加してもよい。当該方法によって、同一細胞における時空間的な測定ができる。すなわち、時間に応じた又は刺激に応じたカルシウム濃度の変化を測定することができる。また、明視野画像を同時に取得することで、カルシウムの濃度変化と細胞の形態変化等との関係を知ることが出来る。また、プローブを付したタンパク質を発現させ、当該プローブの様子を同時に観察することで、当該タンパク質とカルシウムとの関連性を知ることができる。   The present invention also relates to the above-described intracellular calcium analysis method, wherein the imaging step includes repeatedly capturing a luminescent image. In this method, imaging is repeated at regular intervals, or imaging is performed at a specific time. By taking images over time in this way, observation by time lapse or observation by moving images becomes possible. A luminescent substrate may be added for each imaging. By this method, the spatiotemporal measurement in the same cell can be performed. That is, it is possible to measure a change in calcium concentration according to time or according to stimulation. Further, by acquiring a bright field image at the same time, it is possible to know the relationship between a change in calcium concentration and a change in cell morphology. Moreover, the relationship between the protein and calcium can be known by expressing the protein with the probe and observing the state of the probe at the same time.

また、本発明は、撮像工程が複数の異なる細胞に対して同時に行われ、且つ解析工程が細胞ごとに行われる細胞内カルシウム解析方法に関する。当該方法では、一度の撮像において、複数の異なる細胞の画像が取得される。さらに、その後の解析が各々の細胞に対して行われる。撮像した1つの画像に含まれる複数の細胞について細胞ごとの解析を行うことが可能であり、または、撮像した複数の画像にそれぞれ含まれる複数の細胞について細胞ごとの解析を行うことが可能である。また、撮像を上述のような経時的な撮像にすることもできる。これらのような方法によって、個々の細胞におけるカルシウム濃度変化を時空間的に解析できる。例えば、同一条件下におかれた細胞同士のカルシウム濃度の比較に使用することができる。   The present invention also relates to an intracellular calcium analysis method in which an imaging step is simultaneously performed on a plurality of different cells, and an analysis step is performed for each cell. In this method, images of a plurality of different cells are acquired in one imaging. Further analysis is then performed on each cell. Analysis for each cell can be performed for a plurality of cells included in one captured image, or analysis for each cell can be performed for a plurality of cells included in each of the plurality of captured images. . Further, the imaging can be performed over time as described above. By such methods, changes in calcium concentration in individual cells can be analyzed spatiotemporally. For example, it can be used to compare calcium concentrations between cells placed under the same conditions.

[カルシウムセンサータンパク質]
次に、本発明に係るカルシウムセンサータンパク質について説明する。本発明は、カルシウムセンサータンパク質を利用する上記方法に関し、またカルシウムセンサータンパク質自体に関する。
[Calcium sensor protein]
Next, the calcium sensor protein according to the present invention will be described. The present invention relates to the above method utilizing a calcium sensor protein and also relates to the calcium sensor protein itself.

本発明に係るカルシウムセンサータンパク質は、発光酵素のN末端側断片、発光酵素のC末端側断片、カルシウム結合領域およびカルシウム結合領域と可逆的に結合または解離できる相互作用領域を含み、且つ、カルシウム結合領域および相互作用領域はN末端側断片とC末端側断片との間に配置されている。当該タンパク質は、カルシウムの存在に応じて当該発光酵素の活性が消失または回復する。   The calcium sensor protein according to the present invention comprises an N-terminal fragment of a luminescent enzyme, a C-terminal fragment of a luminescent enzyme, a calcium binding region and an interaction region capable of reversibly binding to or dissociating from the calcium binding region, and calcium binding The region and the interaction region are located between the N-terminal fragment and the C-terminal fragment. The protein loses or recovers the activity of the luminescent enzyme depending on the presence of calcium.

カルシウム結合領域とは、細胞内にてカルシウムイオンと可逆的に結合および解離できるペプチドを意味する。カルシウム結合領域の具体例は、例えばカルモジュリン(CaM)またはその断片である。一方、相互作用領域とは、カルシウム結合領域と相互作用することができるペプチドを意味する。特に、相互作用領域は、カルシウムイオンと結合したカルシウム結合領域と結合することができ、カルシウムイオンが解離したカルシウム結合領域から解離することができる。相互作用領域の具体例は、例えばM13ペプチドである。   The calcium binding region means a peptide that can reversibly bind and dissociate with calcium ions in cells. A specific example of the calcium binding region is, for example, calmodulin (CaM) or a fragment thereof. On the other hand, the interaction region means a peptide capable of interacting with the calcium binding region. In particular, the interaction region can bind to the calcium binding region bound to the calcium ion, and can dissociate from the calcium binding region from which the calcium ion is dissociated. A specific example of the interaction region is, for example, M13 peptide.

カルシウム結合領域および相互作用領域として、カルシウム結合タンパク質であるカルモジュリン(CaM)およびカルシウムイオンと結合したカルモジュリンと結合するM13とが一連に繋がったペプチドを使用することができる(非特許文献1)。非特許文献1では、この一連に繋がった連結化ペプチドを用いて、CaMおよびM13が2種の蛍光タンパク質に挟まれた構造を有するカルシウムセンサータンパク質を作製しており、この蛍光センサータンパクを「カメレオンタンパク(以下、カメレオンと称す)」と呼んでいる。特に、カルシウム結合領域および相互作用領域として、カメレオンの230番目から406番目のアミノ酸配列に対応するペプチド、230番目から396番目に対応するペプチド、230番目から401番目に対応するペプチド、230番目から411番目に対応するペプチドまたは230番目から416番目に対応するペプチドを使用することができる。これらの具体的な配列が示されたペプチドは、それらの機能を失わない限り、例えば感度の改良のための変異を含んだものであっても、本発明に係るカルシウムセンサータンパク質に使用することができる。   As the calcium-binding region and interaction region, a peptide in which calmodulin (CaM), which is a calcium-binding protein, and M13, which binds to calmodulin bound to calcium ions, are connected in series can be used (Non-patent Document 1). In Non-Patent Document 1, a calcium sensor protein having a structure in which CaM and M13 are sandwiched between two types of fluorescent proteins is prepared using a linked peptide connected in this series, and this fluorescent sensor protein is referred to as “chameleon”. It is called "Protein (hereinafter referred to as Chameleon)". In particular, as a calcium binding region and an interaction region, a peptide corresponding to the amino acid sequence from chameleon 230 to 406, a peptide corresponding to 230 to 396, a peptide corresponding to 230 to 401, 230 to 411 The peptide corresponding to the th or the peptide corresponding to the 230 th to 416 th can be used. Peptides with these specific sequences can be used for the calcium sensor protein according to the present invention as long as they do not lose their functions, for example, even those containing mutations for improving sensitivity. it can.

発光酵素とは発光を伴う反応を触媒する酵素を意味する。発光酵素は、カルシウムセンサータンパク質において、N末端側断片およびC末端側断片として含まれている。「N末端側断片」とは、C末端から複数のアミノ酸が欠失した発光酵素の断片であって、発光酵素活性を失った断片を意味する。「C末端側断片」とは、N末端から複数のアミノ酸が欠失した発光酵素の断片であって、発光酵素活性を失った断片を意味する。   A luminescent enzyme means an enzyme that catalyzes a reaction involving luminescence. The luminescent enzyme is contained as an N-terminal fragment and a C-terminal fragment in the calcium sensor protein. The “N-terminal fragment” means a fragment of a luminescent enzyme from which a plurality of amino acids have been deleted from the C-terminus, and has lost the luminescent enzyme activity. The “C-terminal fragment” means a fragment of a luminescent enzyme from which a plurality of amino acids have been deleted from the N-terminus, and has lost the luminescent enzyme activity.

発光酵素としては、例えばルシフェラーゼを使用できる。ルシフェラーゼには、ホタル由来のもの、ウミシイタケ由来のものおよびバクテリア由来のもの等が存在するが、特にホタル由来ルシフェラーゼまたはウミシイタケ(レニラ)由来ルシフェラーゼを使用することが好ましい。また、発光基質は発光酵素に応じて選択されるが、ホタルルシフェラーゼを発光酵素として使用する場合、発光基質としてはルシフェリンを使用することができる。また、レニラルシフェラーゼ発光酵素として使用する場合、発光基質としてはセレンテラジンを使用することができる。特に、N末端側断片としてホタルルシフェラーゼの1番目から416番目のアミノ酸配列に対応するペプチド断片を使用し、C末端側断片としてホタルルシフェラーゼの399番目から550番目のアミノ酸配列に対応するペプチド断片を使用することができる。あるいは、N末端側断片としてレニラルシフェラーゼの1番目から91番目のアミノ酸配列に対応するペプチド断片を使用し、C末端側断片としてレニラルシフェラーゼの92番目から311番目のアミノ酸配列に対応するペプチド断片を使用することができる。これらの具体的な配列が示されたペプチドは、それらの機能を失わない限り、例えば活性の改良のための変異を含んだものであっても、本発明に係るカルシウムセンサータンパク質に使用することができる。   For example, luciferase can be used as the luminescent enzyme. Luciferases include firefly-derived, Renilla-derived, and bacteria-derived luciferases, and it is particularly preferable to use firefly-derived luciferase or Renilla-derived luciferase. The luminescent substrate is selected according to the luminescent enzyme. When firefly luciferase is used as the luminescent enzyme, luciferin can be used as the luminescent substrate. Moreover, when using as a Renilla luciferase luminescent enzyme, coelenterazine can be used as a luminescent substrate. In particular, a peptide fragment corresponding to the 1st to 416th amino acid sequences of firefly luciferase is used as an N-terminal fragment, and a peptide fragment corresponding to the 399th to 550th amino acid sequences of firefly luciferase is used as a C-terminal fragment. can do. Alternatively, a peptide fragment corresponding to the first to 91st amino acid sequence of Renilla luciferase is used as the N-terminal fragment, and a peptide fragment corresponding to the 92nd to 311th amino acid sequence of Renilla luciferase is used as the C-terminal fragment. Can be used. Peptides with these specific sequences can be used for the calcium sensor protein according to the present invention as long as they do not lose their functions, for example, even if they contain mutations for improving activity. it can.

カルシウムセンサータンパク質において、カルシウム結合領域および相互作用領域は、C末端側断片とN末端側断片との間に配置される。カルシウム結合領域および相互作用領域のどちらがカルシウムセンサータンパク質のN末端側に位置してもよいが、上述のカメレオンタンパク質由来のCaM−M13を使用する場合、カルシウムセンサータンパク質のN末端側にカルシウム結合領域であるCaMが位置し、C末端側に相互作用領域であるM13が位置する。一方、発光酵素のC末端側断片およびN末端側断片も、どちらがカルシウムセンサータンパク質のN末端側に位置してもよい。例えば、カルシウムセンサータンパク質のN末端側に発光酵素のN末端側断片を配置し、カルシウムセンサータンパク質のC末端側に発光酵素のC末端側断片を配置してもよい。これに対し、N末端断片およびC末端断片を、発酵酵素における本来の配置に対して円順列置換させてもよい。すなわち、カルシウムセンサータンパク質のN末端側に発光酵素のC末端側断片を配置し、カルシウムセンサータンパク質のC末端側に発光酵素のN末端側断片を配置してもよい。   In the calcium sensor protein, the calcium binding region and the interaction region are arranged between the C-terminal fragment and the N-terminal fragment. Either the calcium binding region or the interaction region may be located on the N-terminal side of the calcium sensor protein, but when using the above-mentioned chameleon protein-derived CaM-M13, the calcium binding region is located on the N-terminal side of the calcium sensor protein. A certain CaM is located, and M13 which is an interaction region is located on the C-terminal side. On the other hand, either the C-terminal fragment or the N-terminal fragment of the luminescent enzyme may be located on the N-terminal side of the calcium sensor protein. For example, the N-terminal fragment of the luminescent enzyme may be disposed on the N-terminal side of the calcium sensor protein, and the C-terminal fragment of the luminescent enzyme may be disposed on the C-terminal side of the calcium sensor protein. In contrast, the N-terminal fragment and the C-terminal fragment may be circularly permuted with respect to the original arrangement in the fermentation enzyme. That is, the C-terminal fragment of the luminescent enzyme may be arranged on the N-terminal side of the calcium sensor protein, and the N-terminal fragment of the luminescent enzyme may be arranged on the C-terminal side of the calcium sensor protein.

したがって、カルシウムセンタータンパク質は、例えば、そのN末端側から、発光酵素のC末端側断片、カルシウム結合領域、相互作用領域および発光酵素のN末端側断片が順に並んだ構造を有する。この具体例として、カルシウムセンサータンパク質は配列番号21に示されるアミノ酸配列を有してよい。このタンパク質は、そのN末端側から、ホタルルシフェラーゼのC末端側断片(399番目から550番目)、カメレオンタンパク質のCaM−M13断片(230番目から406番目)およびホタルルシフェラーゼのN末端側断片(1番目から416番目)が配置された構造を有し、本願では「cpGL4_C_CaM−M13_N」と称される(図5a参照)。また、カルシウムセンサータンパク質は、配列番号22に示されるアミノ酸配列を有してよい。このタンパク質は、そのN末端側から、レニラルシフェラーゼのC末端側断片(92番目から311番目)、カメレオンタンパク質のCaM−M13断片(230番目から406番目)およびレニラルシフェラーゼのN末端側断片(1番目から91番目)が配置された構造を有し、本願では「cphRL_C_CaM−M13_N」と称される(図5b参照)。   Accordingly, the calcium center protein has, for example, a structure in which the C-terminal fragment of the luminescent enzyme, the calcium binding region, the interaction region, and the N-terminal fragment of the luminescent enzyme are arranged in this order from the N-terminal side. As a specific example of this, the calcium sensor protein may have the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 21. From the N-terminal side, this protein consists of a C-terminal fragment of firefly luciferase (399th to 550th), a CaM-M13 fragment of chameleon protein (230th to 406th) and an N-terminal fragment of firefly luciferase (first) 416th from the top) and is referred to as “cpGL4_C_CaM-M13_N” in this application (see FIG. 5a). The calcium sensor protein may have the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 22. From the N-terminal side of this protein, the C-terminal fragment of Renilla luciferase (92nd to 311th), the CaM-M13 fragment of Chameleon protein (230th to 406th) and the N-terminal fragment of Renilla luciferase ( 1 to 91), which is referred to as “cphRL_C_CaM-M13_N” in the present application (see FIG. 5b).

カルシウムセンサータンパク質は、カルシウムの存在に応じて、発光酵素としての活性を取得または喪失することができる。カルシウムセンサータンパク質に含まれる発光酵素のC末端側断片およびN末端側断片は、それぞれ発光酵素としての活性を失っているものの、カルシウムセンサータンパク質の構造に応じてC末端側断片とN末端側断片とが接近して結合することで、発光活性を回復することができる。カルシウムセンサータンパク質の構造は、カルシウム結合領域と相互作用領域とによって調節される。例えば、図5aに示されるように、cpGL4_C_CaM−M13_Nでは、カルシウムイオンが存在していない場合、C末端側断片とN末端側断片とは適度に接近して結合し発光酵素としての活性を示すが、カルシウムイオンが存在すると、CaMにカルシウムイオンが結合し、さらにそこへM13が結合することで、センサータンパク質全体としての構造が変化し、発光酵素としての活性を失う。一方、図5bに示されるcphRL_C_CaM−M13_Nでは、カルシウムイオンが存在していない場合には、C末端側断片とN末端側断片とが結合できず発光酵素としての活性を示さないが、カルシウムイオンが存在するとCaMおよびM13との作用によりセンサータンパク質の構造が変化し、C末端側断片とN末端側断片とが適度に接近して結合するため発光酵素としての活性を示す。このような機構に基づいて、カルシウムセンサータンパク質を用いることで、カルシウムイオンの存在または非存在を、発光酵素による発光の有無として検出することができる。   The calcium sensor protein can acquire or lose activity as a luminescent enzyme depending on the presence of calcium. Although the C-terminal side fragment and the N-terminal side fragment of the luminescent enzyme contained in the calcium sensor protein have lost the activity as the luminescent enzyme, respectively, the C-terminal side fragment and the N-terminal side fragment depending on the structure of the calcium sensor protein The luminescent activity can be recovered by the close binding of. The structure of the calcium sensor protein is regulated by the calcium binding region and the interaction region. For example, as shown in FIG. 5a, in the case of cpGL4_C_CaM-M13_N, when no calcium ion is present, the C-terminal fragment and the N-terminal fragment are bound close to each other and show activity as a luminescent enzyme. When calcium ions are present, calcium ions bind to CaM, and further M13 binds thereto, thereby changing the structure of the entire sensor protein and losing the activity as a luminescent enzyme. On the other hand, in the case of cphRL_C_CaM-M13_N shown in FIG. 5b, when no calcium ion is present, the C-terminal fragment and the N-terminal fragment cannot bind to each other and do not exhibit activity as a luminescent enzyme. When present, the structure of the sensor protein is changed by the action of CaM and M13, and the C-terminal side fragment and the N-terminal side fragment bind to each other in a moderately close manner, thus showing activity as a luminescent enzyme. Based on such a mechanism, the presence or absence of calcium ions can be detected as the presence or absence of luminescence by a luminescent enzyme by using a calcium sensor protein.

なお、発光酵素のC末端側断片とN末端側断片との間の「結合」の態様に特別な限定はなく、共有結合または非共有結合等の化学的結合であってもよい。特に、N末端側断片とC末端側断片とが発光酵素の本来の機能を果たしうる程度に「接近」または「接触」している状態であることが好ましい。あるいは、N末端側断片とC末端側断片とが「会合」する状態であってもよい。すなわち、当該表現において使用される「結合」という用語は、「接近」、「接触」または「会合」という意味を含む。   In addition, there is no particular limitation on the mode of “bonding” between the C-terminal fragment and the N-terminal fragment of the luminescent enzyme, and chemical bonds such as covalent bonds or non-covalent bonds may be used. In particular, it is preferable that the N-terminal side fragment and the C-terminal side fragment are in “close” or “contact” to such an extent that the original function of the luminescent enzyme can be achieved. Alternatively, the N-terminal fragment and the C-terminal fragment may be “associated”. That is, the term “binding” used in the expression includes the meaning of “approach”, “contact”, or “meeting”.

上述のとおり、本発明に係るカルシウムセンサータンパク質は、カルシウムの存在に応じて、発光酵素の活性が消失または回復する。また、本発明に係る方法は、当該タンパク質のこのような特徴を利用する。従来の分子間のエネルギー共鳴(FRET、BRET等)を利用する技術では、エネルギー共鳴の効率の低さに起因してダイナミックレンジが狭く、また、検出される波長の違いによってカルシウムの存在/非存在が解析される。これに対し、本発明では、ルシフェラーゼといった発光酵素による単純な反応を利用するためダイナミックレンジが広く、イメージングも可能となり、また、カルシウムの存在/非存在は発光の発生/非発生に対応するため、シグナル/ノイズ比の高い検出結果が得られる。   As described above, the calcium sensor protein according to the present invention loses or recovers the activity of the luminescent enzyme depending on the presence of calcium. In addition, the method according to the present invention utilizes such characteristics of the protein. Conventional technologies using intermolecular energy resonance (FRET, BRET, etc.) have a narrow dynamic range due to the low efficiency of energy resonance, and the presence / absence of calcium depending on the difference in the detected wavelength. Is analyzed. On the other hand, in the present invention, since a simple reaction by a luminescent enzyme such as luciferase is used, the dynamic range is wide, imaging is possible, and the presence / absence of calcium corresponds to the occurrence / non-occurrence of luminescence. A detection result with a high signal / noise ratio can be obtained.

[核酸]
次に、本発明に係るカルシウムセンサータンパク質をコードする遺伝子を含む核酸に関して説明する。
[Nucleic acid]
Next, a nucleic acid containing a gene encoding the calcium sensor protein according to the present invention will be described.

当該核酸は、本発明に係るカルシウムセンサータンパク質をコードする遺伝子を含む。特に、そのような遺伝子のORF領域を含む。この遺伝子のコドンは、対象とする細胞における発現に最適化されていてよい。また、Kozak配列等、発現量を上昇させるための配列を含んでよく、または付与されていてよい。   The nucleic acid includes a gene encoding the calcium sensor protein according to the present invention. In particular, it includes the ORF region of such genes. The codon for this gene may be optimized for expression in the cell of interest. In addition, a sequence for increasing the expression level, such as a Kozak sequence, may be included or added.

また、本発明は上記核酸を含むベクターに関する。当該ベクターは、対象とする細胞における発現のための発現ベクターであってよい。発現ベクターである場合、カルシウムセンサータンパク質をコードする遺伝子の配列のほかに、発現を制御するための配列、マーカー遺伝子の配列等、一般的な発現ベクターに含まれる配列を含んでよい。本発明に係る細胞内カルシウム解析方法の細胞作製工程において、当該発現ベクターを使用することができる。すなわち、当該発現ベクターを細胞に導入し、カルシウムセンサータンパク質を発現させて、カルシウムの検出に使用できる。   The present invention also relates to a vector containing the nucleic acid. The vector may be an expression vector for expression in a target cell. In the case of an expression vector, in addition to the sequence of a gene encoding a calcium sensor protein, a sequence included in a general expression vector such as a sequence for controlling expression, a sequence of a marker gene, and the like may be included. The expression vector can be used in the cell preparation step of the intracellular calcium analysis method according to the present invention. That is, the expression vector can be introduced into a cell to express a calcium sensor protein and used for detection of calcium.

[装置]
次に、本発明に係るカルシウム解析方法(特に撮像工程および解析工程)にて使用される発光観察システム100について、図1から3を用いて説明する。図1は、発光観察システム100の全体構成の一例を示す図である。図2は、発光観察システム100の発光画像撮像ユニット106の構成の一例を示す図である。図3は、発光観察システム100の発光画像撮像ユニット106の構成の一例を示す図である。
[apparatus]
Next, the luminescence observation system 100 used in the calcium analysis method (particularly the imaging process and the analysis process) according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the overall configuration of the light emission observation system 100. FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the light emission image capturing unit 106 of the light emission observation system 100. FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the configuration of the light emission image capturing unit 106 of the light emission observation system 100.

まず、図1に示すように、発光観察システム100は、細胞102を収納した容器103(具体的にはシャーレ、スライドガラス、マイクロプレート、ゲル支持体、微粒子担体など)と、容器103を配置するステージ104と、発光画像撮像ユニット106と、画像解析装置110と、で構成されている。微弱な発光を測定するための発光画像撮像ユニット106をステージ104の下側に配置してもよい。これにより、カバー開閉によるサンプル上方からの外乱光を完全に遮断できて発光画像のシグナル/ノイズ比を増すことができる。発光画像撮像ユニット106は、レーザー走査式の光学系であってもよい。   First, as shown in FIG. 1, the luminescence observation system 100 arranges a container 103 (specifically, a petri dish, a slide glass, a microplate, a gel support, a fine particle carrier, etc.) containing the cells 102 and the container 103. The stage 104, the light emission image capturing unit 106, and the image analysis device 110 are configured. A light emission image capturing unit 106 for measuring weak light emission may be disposed below the stage 104. Thereby, disturbance light from above the sample due to opening and closing of the cover can be completely blocked, and the signal / noise ratio of the luminescent image can be increased. The light emission image capturing unit 106 may be a laser scanning optical system.

ここで、細胞102は、例えば、カルシウム濃度に依存して発光するよう発光標識された生きた細胞である。また、カルシウム濃度に依存して発光するタンパク質として、発光酵素のC末端側断片とN末端側断片との間にカルシウム結合領域(カルモジュリン)およびカルシウム結合領域と可逆的に結合または解離できる相互作用領域(M13)を挿入した融合タンパク質の他に、例えば、特許文献2または特許文献3に開示されている融合タンパク質を用いてもよい。また、ここで、細胞102に、上記融合タンパク質が発現されるよう構成した、当該融合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を導入することにより、融合タンパク質が細胞102内で発現されるよう構成してもよい。なお、細胞102には、添加工程において、当該細胞外から所定の発光基質(例えばルシフェリンなど)および所定の刺激(例えば薬物刺激など)が与えられる。   Here, the cell 102 is, for example, a living cell that is luminescently labeled so as to emit light depending on the calcium concentration. In addition, as a protein that emits light depending on the calcium concentration, a calcium binding region (calmodulin) and an interaction region that can reversibly bind to or dissociate from the calcium binding region between the C-terminal fragment and the N-terminal fragment of the luminescent enzyme In addition to the fusion protein into which (M13) is inserted, for example, a fusion protein disclosed in Patent Document 2 or Patent Document 3 may be used. Also, here, the expression of the fusion protein is expressed in the cell 102 by introducing into the cell 102 an expression vector containing the polynucleotide encoding the fusion protein, which is configured to express the fusion protein. May be. In the addition step, the cell 102 is given a predetermined luminescent substrate (for example, luciferin) and a predetermined stimulus (for example, drug stimulus) from the outside of the cell.

また、発光画像撮像ユニット106は、具体的には、正立型の発光顕微鏡であり、細胞102の発光画像を撮像する。発光画像撮像ユニット106は、図示の如く、対物レンズ106aと、ダイクロイックミラー106bと、CCDカメラ106cと、結像レンズ106fと、で構成されている。対物レンズ106aは、具体的には、(開口数/倍率)の値が0.01以上のものである。ダイクロイックミラー106bは、細胞102から発せられた発光を色別に分離し、2色の発光を用いて発光量や発光強度を色別に測定する場合に用いる。CCDカメラ106cは、対物レンズ106a、ダイクロイックミラー106bおよび結像レンズ106fを介して当該CCDカメラ106cのチップ面に投影された細胞102の発光画像および明視野画像を撮る。また、CCDカメラ106cは、画像解析装置110と有線または無線で通信可能に接続される。ここで、細胞102が撮像範囲中に複数存在する場合、CCDカメラ106cは、当該撮像範囲中に含まれる複数の細胞102の発光画像および明視野画像を撮像してもよい。結像レンズ106fは、対物レンズ106aおよびダイクロイックミラー106bを介して当該結像レンズ106fに入射した像(具体的には細胞102を含む像)を結像する。なお、図1では、ダイクロイックミラー106bで分離した2つの発光に対応する発光画像を2台のCCDカメラ106cで別々に撮像する場合の一例を示しており、1つの発光を用いる場合には、発光画像撮像ユニット106は、対物レンズ106a、1台のCCDカメラ106cおよび結像レンズ106fで構成されてもよい。 Further, the luminescent image capturing unit 106 is specifically an upright luminescent microscope, and captures a luminescent image of the cell 102. As shown in the figure, the luminescent image capturing unit 106 includes an objective lens 106a, a dichroic mirror 106b, a CCD camera 106c, and an imaging lens 106f. Specifically, the objective lens 106a has a value of (numerical aperture / magnification) 2 of 0.01 or more. The dichroic mirror 106b is used when the light emitted from the cell 102 is separated by color and the light emission amount and light emission intensity are measured by color using two colors of light emission. The CCD camera 106c takes a light emission image and a bright field image of the cell 102 projected onto the chip surface of the CCD camera 106c via the objective lens 106a, the dichroic mirror 106b, and the imaging lens 106f. The CCD camera 106c is connected to the image analysis device 110 so as to be able to communicate with each other by wire or wirelessly. Here, when there are a plurality of cells 102 in the imaging range, the CCD camera 106c may capture a light-emitting image and a bright-field image of the plurality of cells 102 included in the imaging range. The imaging lens 106f forms an image (specifically, an image including the cell 102) incident on the imaging lens 106f via the objective lens 106a and the dichroic mirror 106b. Note that FIG. 1 shows an example in which a light emission image corresponding to two light emissions separated by the dichroic mirror 106b is separately captured by the two CCD cameras 106c. The image capturing unit 106 may include an objective lens 106a, a single CCD camera 106c, and an imaging lens 106f.

ここで、2色の発光を用いて発光量や発光強度を色別に測定する場合、発光画像撮像ユニット106は、図2に示すように、対物レンズ106aと、CCDカメラ106cと、スプリットイメージユニット106dと、結像レンズ106fと、で構成されてもよい。そして、CCDカメラ106cは、スプリットイメージユニット106dおよび結像レンズ106fを介して当該CCDカメラ106cのチップ面に投影された細胞102の発光画像(スプリットイメージ)および明視野画像を撮像してもよい。スプリットイメージユニット106dは、細胞102から発せられた発光を色別に分離し、ダイクロイックミラー106bと同様、2色の発光を用いて発光量や発光強度を色別に測定する場合に用いる。   Here, when measuring the light emission amount and the light emission intensity for each color using the light emission of two colors, as shown in FIG. 2, the light emission image pickup unit 106 includes an objective lens 106a, a CCD camera 106c, and a split image unit 106d. And the imaging lens 106f. The CCD camera 106c may capture a light emission image (split image) and a bright field image of the cell 102 projected onto the chip surface of the CCD camera 106c via the split image unit 106d and the imaging lens 106f. The split image unit 106d separates the light emitted from the cell 102 by color, and is used when measuring the light emission amount and light emission intensity by color using two colors of light, similar to the dichroic mirror 106b.

また、複数色の発光を用いて発光量や発光強度を色別に測定する場合(つまり、多色の発光を用いる場合)、発光画像撮像ユニット106は、図3に示すように、対物レンズ106aと、CCDカメラ106cと、フィルターホイール106eと、結像レンズ106fと、で構成されてもよい。そして、CCDカメラ106cは、フィルターホイール106eおよび結像レンズ106fを介して当該CCDカメラ106cのチップ面に投影された細胞102の発光画像および明視野画像を撮像してもよい。フィルターホイール106eは、細胞102から発せられた発光をフィルタ交換によって色別に分離し、複数色の発光を用いて発光量や発光強度を色別に測定する場合に用いる。   Further, when measuring the emission amount and emission intensity for each color using light emission of a plurality of colors (that is, when using multicolor light emission), the light emission image pickup unit 106 includes an objective lens 106a and an objective lens 106a as shown in FIG. The CCD camera 106c, the filter wheel 106e, and the imaging lens 106f may be used. Then, the CCD camera 106c may capture a light emission image and a bright field image of the cell 102 projected onto the chip surface of the CCD camera 106c via the filter wheel 106e and the imaging lens 106f. The filter wheel 106e is used when light emitted from the cells 102 is separated by color by exchanging filters, and a light emission amount and light emission intensity are measured for each color using light emission of a plurality of colors.

図1に戻り、画像解析装置110は、具体的にはパーソナルコンピュータである。そして、画像解析装置110は、図4に示すように、大別して、制御部112と、システムの時刻を計時するクロック発生部114と、記憶部116と、通信インターフェース部118と、入出力インターフェース部120と、入力装置122と、出力装置124と、で構成されており、これら各部はバスを介して接続されている。   Returning to FIG. 1, the image analysis apparatus 110 is specifically a personal computer. As shown in FIG. 4, the image analysis device 110 is roughly divided into a control unit 112, a clock generation unit 114 that measures the system time, a storage unit 116, a communication interface unit 118, and an input / output interface unit. 120, an input device 122, and an output device 124. These units are connected via a bus.

記憶部116は、ストレージ手段であり、具体的には、RAMやROM等のメモリ装置、ハードディスクのような固定ディスク装置、フレキシブルディスク、光ディスク等を用いることができる。そして、記憶部116は制御部112の各部の処理により得られたデータなどを記憶する。通信インターフェース部118は、画像解析装置110と、CCDカメラ106cと、の間における通信を媒介する。すなわち、通信インターフェース部118は他の端末と有線または無線の通信回線を介してデータを通信する機能を有する。入出力インターフェース部120は、入力装置122や出力装置124に接続する。ここで、出力装置124には、モニタ(家庭用テレビを含む)の他、スピーカやプリンタを用いることができる(なお、以下で、出力装置124をモニターとして記載する場合がある)。また、入力装置122には、キーボードやマウスやマイクの他、マウスと協働してポインティングデバイス機能を実現するモニターを用いることができる。   The storage unit 116 is a storage unit. Specifically, a memory device such as a RAM or a ROM, a fixed disk device such as a hard disk, a flexible disk, an optical disk, or the like can be used. And the memory | storage part 116 memorize | stores the data etc. which were obtained by the process of each part of the control part 112. FIG. The communication interface unit 118 mediates communication between the image analysis device 110 and the CCD camera 106c. That is, the communication interface unit 118 has a function of communicating data with other terminals via a wired or wireless communication line. The input / output interface unit 120 is connected to the input device 122 and the output device 124. Here, in addition to a monitor (including a home television), a speaker or a printer can be used as the output device 124 (hereinafter, the output device 124 may be described as a monitor). In addition to the keyboard, mouse, and microphone, the input device 122 can be a monitor that realizes a pointing device function in cooperation with the mouse.

また、制御部112は、OS(Operating System)等の制御プログラムや各種の処理手順等を規定したプログラムや所要データを格納するための内部メモリを有し、これらのプログラムに基づいて種々の処理を実行する。そして、制御部112は、大別して、発光画像撮像指示部112aと、発光画像取得部112bと、画像解析部112cと、解析結果出力部112dと、で構成されている。   The control unit 112 has an internal memory for storing control programs such as an OS (Operating System), programs that define various processing procedures, and necessary data, and performs various processes based on these programs. Run. The control unit 112 is roughly composed of a light emission image capturing instruction unit 112a, a light emission image acquisition unit 112b, an image analysis unit 112c, and an analysis result output unit 112d.

また、発光画像撮像指示部112aは、通信インターフェース部118を介して、CCDカメラ106cへ発光画像および明視野画像の撮像を指示する。発光画像取得部112bは、CCDカメラ106cで撮像した発光画像および明視野画像を、通信インターフェース部118を介して取得する。ここで、発光画像撮像指示部112aは、発光画像および明視野画像を繰り返し撮像する指示を行ってもよく、複数の異なる細胞102について同時に撮像を実行してもよい。なお、発光画像取得部112bは、撮像した発光画像および明視野画像を、クロック発生部114による時間情報とともに記憶部116に格納してもよい。   The light emission image capturing instruction unit 112a instructs the CCD camera 106c to capture a light emitting image and a bright field image via the communication interface unit 118. The luminescent image acquisition unit 112b acquires the luminescent image and bright field image captured by the CCD camera 106c via the communication interface unit 118. Here, the light emission image capturing instruction unit 112a may instruct to repeatedly capture the light emitting image and the bright field image, or may simultaneously perform image capturing for a plurality of different cells 102. Note that the luminescent image acquisition unit 112b may store the captured luminescent image and bright field image in the storage unit 116 together with the time information from the clock generation unit 114.

また、画像解析部112cは、発光画像取得部112bで取得した発光画像に基づいて、細胞102から発せられる発光の発光強度に基づいてカルシウムの濃度を解析する。ここで、画像解析部112cは、発光画像取得部112bにより繰り返し撮像された複数の発光画像に基づいて、経時的なカルシウム濃度の変動を測定してもよく、複数の異なる細胞102について同時に発光画像が撮像された場合に、複数の発光画像を細胞102ごとに照合してカルシウムの濃度を解析してもよい。   Further, the image analysis unit 112c analyzes the concentration of calcium based on the emission intensity of the luminescence emitted from the cell 102 based on the luminescence image acquired by the luminescence image acquisition unit 112b. Here, the image analysis unit 112c may measure a variation in calcium concentration over time based on a plurality of light emission images repeatedly captured by the light emission image acquisition unit 112b, and the light emission images for a plurality of different cells 102 simultaneously. May be analyzed by comparing a plurality of luminescent images for each cell 102.

解析結果出力部112dは、画像解析部112cでの解析結果を出力装置124に出力する。より具体的には、解析結果出力部112dは、画像解析部112cで得られた、細胞102から発せられる発光の発光強度に基づくカルシウム濃度の時系列データを、グラフ化して出力装置124に表示する。   The analysis result output unit 112d outputs the analysis result from the image analysis unit 112c to the output device 124. More specifically, the analysis result output unit 112d graphs the time series data of the calcium concentration based on the emission intensity of the luminescence emitted from the cell 102 obtained by the image analysis unit 112c and displays the graph on the output device 124. .

ホタルルシフェラーゼを用いたカルシウムセンサータンパク質を作製し、その機能を調べた。   A calcium sensor protein using firefly luciferase was prepared and its function was examined.

[前準備1]
前準備として、ホタルルシフェラーゼのN末端側断片遺伝子およびC末端側断片遺伝子のクローニング、CaMおよびM13遺伝子のクローニング並びにカルシウムセンサータンパク質発現プラスミドの作製を行った。
[Preparation 1]
As preparations, the N-terminal fragment gene and the C-terminal fragment gene of firefly luciferase were cloned, the CaM and M13 genes were cloned, and a calcium sensor protein expression plasmid was prepared.

(手順1)
ホタルルシフェラーゼの各断片のクローニングのための、PCR(polymerase chain reaction)に用いる合成オリゴDNA(deoxyribonucleic acid)を以下に示す配列で調製した。調製したオリゴDNAは、本来の順序でセンサータンパク質内に配置するためのN末側断片(NLuc)遺伝子およびC末側断片(CLuc)遺伝子、並びに円順列置換してセンサータンパク質内に配置するためのN末側断片(cpNLuc)遺伝子およびC末側断片(cpCLuc)遺伝子である。
[NLuc遺伝子作製用合成オリゴDNA配列]
NLuc_Fw(配列番号1):5’−TGTGGATCCAGCCACCATGGAAGATGCCAA−3’
NLuc_Rv(配列番号2):5’−CAGCTCGAGGTCCTTGTCGATGAGAGCGTT−3’
[CLuc遺伝子作製用合成オリゴDNA配列]
CLuc_Fw(配列番号3):5’−ATCAGATCTGGCTACGTTAACAACCCCGAG−3’
CLuc_Rv(配列番号4):5’−CTAGAATTCTTACACGGCGATCTTGCCGCC−3’
[cpNLuc遺伝子作製用合成オリゴDNA配列]
cpNLuc_Fw(配列番号5):5’−ATCAGATCTGAAGATGCCAAAAACATTAAG−3’
cpNLuc_Rv(配列番号6):5’−CTAGAATTCTTAGTCCTTGTCGATGAGAGC−3’
[cpCLuc遺伝子作製用合成オリゴDNA配列]
cpCLuc_Fw(配列番号7):5’−TGTGGATCCAGCCACCATGAGCGGCTACGTTAACAACCCC−3’
cpCLuc_Rv(配列番号8):5’−CAGCTCGAGCACGGCGATCTTGCCGCCCTT−3’
(Procedure 1)
Synthetic oligo DNA (deoxyribonucleic acid) used for PCR (polymerase chain reaction) for cloning each fragment of firefly luciferase was prepared with the sequence shown below. The prepared oligo DNA has an N-terminal fragment (NLuc) gene and a C-terminal fragment (CLuc) gene for placement in the sensor protein in the original order, and a circular permutation for placement in the sensor protein. N-terminal fragment (cpNLuc) gene and C-terminal fragment (cpCLuc) gene.
[Synthetic oligo DNA sequence for NLuc gene preparation]
NLuc_Fw (SEQ ID NO: 1): 5'-TGTGGATCCCAGCCACCCATGAGATAGGCCAA-3 '
NLuc_Rv (SEQ ID NO: 2): 5′-CAGCTCGAGGTCCTTGTCGATGAGAGCGTT-3 ′
[Synthetic oligo DNA sequence for CLuc gene preparation]
CLuc_Fw (SEQ ID NO: 3): 5′-ATCAGATCTGGCTACGTTAACAACCCCGAG-3 ′
CLuc_Rv (SEQ ID NO: 4): 5′-CTAGAATTCTTACACCGGCGATCTGGCCGCC-3 ′
[Synthetic oligo DNA sequence for cpNLuc gene preparation]
cpNLuc_Fw (SEQ ID NO: 5): 5′-ATCAGATCTGAAGATCGCAAAAAACATTAAG-3 ′
cpNLuc_Rv (SEQ ID NO: 6): 5′-CTAGAATTCTTAGTCTCTGTCGATGGAGAGC-3 ′
[Synthetic oligo DNA sequence for cpCLuc gene preparation]
cpCLuc_Fw (SEQ ID NO: 7): 5′-TGTGGATCCCCACCCACATGAGCGGCTACGTTAACAAACCCC-3 ′
cpCLuc_Rv (SEQ ID NO: 8): 5'-CAGCTCCGAGCACGGCGATCTTGCCGCCCTTT-3 '

また、カルモジュリンおよびM13のクローニングのための、PCRに用いる合成オリゴDNAを以下に示す配列で調製した。
[CaM−M13遺伝子作製用合成オリゴDNA配列]
CaM−M13_Fw(配列番号9):5’−GCCCTCGAGCATGACCAACTGACAGAAGAG−3’
CaM−M13_Rv(配列番号10):5’−CATGGATCCCAGTGCCCCGGAGCTGGAGAT−3’
CaM−M13d10_Rv(配列番号11):5’−CATGGATCCCCGGTTGGCAGCGCTGACGGC −3’
CaM−M13d05_Rv(配列番号12):5’−CATGGATCCGGAGATCTTCTTGAACCGGTT −3’
CaM−M13a05_Rv(配列番号13):5’−CATGGATCCGCTCACCATGAGCTCCAGTGC −3’
CaM−M13a10_Rv(配列番号14):5’−CATGGATCCCAGCTCCTCGCCCTTGCTCAC −3’
In addition, synthetic oligo DNA used for PCR for cloning of calmodulin and M13 was prepared with the sequences shown below.
[Synthetic oligo DNA sequence for preparing CaM-M13 gene]
CaM-M13_Fw (SEQ ID NO: 9): 5′-GCCCTCGAGCATGACCAACTGACAGAAGAG-3 ′
CaM-M13_Rv (SEQ ID NO: 10): 5'-CATGGATCCCCAGTGCCCCGAGCTGGAGAT-3 '
CaM-M13d10_Rv (SEQ ID NO: 11): 5′-CATGGATCCCCGGTTGGCAGCCGCTGACGGC-3 ′
CaM-M13d05_Rv (SEQ ID NO: 12): 5′-CATGGATCCGAGATCTTCTTTGAACCGGTT-3 ′
CaM-M13a05_Rv (SEQ ID NO: 13): 5′-CATGGATCCGCTCCATCATAGCTCCAGTG-3 ′
CaM-M13a10_Rv (SEQ ID NO: 14): 5′-CATGGATCCCCAGCTCCCTCCCCCTGCTCAC-3 ′

(手順2)
上記のオリゴDNAを用いて、ホタルルシフェラーゼの各断片をPCRによりクローニングした。鋳型としてpGL4.10(プロメガ(株)製)を用いた。配列番号1および2のオリゴDNAをプライマーとして用いてN末端側断片遺伝子(NLuc:GL4.10遺伝子の1番目から416番目のアミノ酸を含む)を増幅し、配列番号3および4のオリゴDNAを用いてC末端側断片遺伝子(CLuc:GL4.10遺伝子の399番目から550番目のアミノ酸を含む)を増幅し、配列番号5および6のオリゴDNAを用いて円順列置換センサータンパク質用のN末端側断片遺伝子(cpNLuc:GL4.10遺伝子の1番目から416番目のアミノ酸を含む)を増幅し、配列番号7および8のオリゴDNAを用いて円順列置換センサータンパク質用のC末端側断片遺伝子(cpCLuc:GL4.10遺伝子の399番目から550番目のアミノ酸を含む)を増幅した。
(Procedure 2)
Each fragment of firefly luciferase was cloned by PCR using the above oligo DNA. PGL4.10 (manufactured by Promega Corporation) was used as a template. Using the oligo DNAs of SEQ ID NOs: 1 and 2 as primers, the N-terminal fragment gene (NLuc: including amino acids 1 to 416 of GL 4.10 gene) is amplified, and the oligo DNAs of SEQ ID NOs: 3 and 4 are used. C-terminal fragment gene (CLuc: 399th to 550th amino acids of GL4.10 gene) are amplified, and N-terminal fragment for circular permutation sensor protein using oligo DNAs of SEQ ID NOs: 5 and 6 A gene (including the 1st to 416th amino acids of cpNLuc: GL4.10 gene) is amplified, and the C-terminal fragment gene for circular permutation sensor protein (cpCLuc: GL4) is used with the oligo DNAs of SEQ ID NOs: 7 and 8 .10 genes (including amino acids 399 to 550) were amplified.

(手順3)
上記のオリゴDNAを用いて、CaMおよびM13をPCRによりクローニングした。鋳型としてカメレオン遺伝子(YC2.1)のcDNAを用いた(非特許文献1)。配列番号9および10のオリゴDNAをプライマーとして用いてCaM−M13遺伝子(カメレオン遺伝子の230番目から406番目のアミノ酸配列に対応する領域を含む)、配列番号9および11のオリゴDNAをプライマーとして用いてCaM−M13d10遺伝子(カメレオン遺伝子の230番目から396番目のアミノ酸配列に対応する領域を含む)、配列番号9および12のオリゴDNAをプライマーとして用いてCaM−M13d05遺伝子(カメレオン遺伝子の230番目から401番目のアミノ酸配列に対応する領域を含む)、配列番号9および13のオリゴDNAをプライマーとして用いてCaM−M13a05遺伝子(カメレオン遺伝子の230番目から411番目のアミノ酸配列に対応する領域を含む)並びに配列番号9および14のオリゴDNAをプライマーとして用いてCaM−M13a10遺伝子(カメレオン遺伝子の230番目から416番目のアミノ酸配列に対応する領域を含む)をそれぞれ増幅した。
(Procedure 3)
CaM and M13 were cloned by PCR using the above oligo DNA. The chameleon gene (YC2.1) cDNA was used as a template (Non-patent Document 1). Using the oligo DNAs of SEQ ID NOs: 9 and 10 as primers, the CaM-M13 gene (including the region corresponding to the 230th to 406th amino acid sequences of the chameleon gene), and the oligo DNAs of SEQ ID NOs: 9 and 11 as primers The CaM-M13d10 gene (including the region corresponding to the 230th to 396th amino acid sequence of the chameleon gene) and the oligo DNA of SEQ ID NOs: 9 and 12 were used as primers, and the CaM-M13d05 gene (230th to 401th of the chameleon gene). A region corresponding to the amino acid sequence of No. 9), CaM-M13a05 gene (including a region corresponding to the 230th to 411st amino acid sequences of the chameleon gene) and sequences using the oligo DNAs of SEQ ID NOs: 9 and 13 as primers Issue 9 and 14 of the CaM-M13a10 gene using the oligo DNA as a primer (containing the region corresponding to the 416 amino acid sequence from 230 th chameleon gene) were amplified respectively.

(手順4)
上記の通り増幅した各遺伝子を発現用プラスミドに挿入することで、カルシウムセンサータンパク質発現用プラスミドを作製した。具体的には、動物細胞発現用プラスミドであるpcDNA3.1(インビトロジェン社製)のBamHI部位とEcoRI部位の間に、発光酵素の断片としてNLuc遺伝子およびCLuc遺伝子を、カルシウム結合領域および相互作用領域としてCaM−M13遺伝子、CaM−M13d10遺伝子、CaM−M13d05遺伝子、CaM−M13a05遺伝子またはCaM−M13a10遺伝子をそれぞれ挿入し、プラスミドpcDNA/GL4_N_CaM−M13_C、pcDNA/GL4_N_CaM−M13d10_C、pcDNA/GL4_N_CaM−M13d05_C、pcDNA/GL4_N_CaM−M13a05_CおよびpcDNA/GL4_N_CaM−M13a10_Cを作製した。また、pcDNA3.1(インビトロジェン社製)のBamHI部位とEcoRI部位の間に、発光酵素の断片としてcpNLuc遺伝子およびcpCLuc遺伝子を、カルシウム結合領域および相互作用領域としてCaM−M13遺伝子、CaM−M13d10遺伝子、CaM−M13d05遺伝子、CaM−M13a05遺伝子またはCaM−M13a10遺伝子をそれぞれ挿入し、プラスミドpcDNA/cpGL4_C_CaM−M13_N、pcDNA/cpGL4_C_CaM−M13d10_N、pcDNA/cpGL4_C_CaM−M13d05_N、pcDNA/cpGL4_C_CaM−M13a05_NおよびpcDNA/cpGL4_C_CaM−M13a10_Nを作製した。
(Procedure 4)
Each gene amplified as described above was inserted into an expression plasmid to prepare a calcium sensor protein expression plasmid. Specifically, an NLuc gene and a CLuc gene are used as a luminescent enzyme fragment between a BamHI site and an EcoRI site of pcDNA3.1 (manufactured by Invitrogen), which is a plasmid for animal cell expression, as a calcium binding region and an interaction region. CaM-M13 gene, CaM-M13d10 gene, CaM-M13d05 gene, CaM-M13a05 gene or CaM-M13a10 gene are inserted, respectively, and plasmid pcDNA / GL4_N_CaM-M13_C, pcDNA / GL4_N_CaM-M13d10_C, pcDNA / GL4_N_CaC, GL4_N_CaM-M13a05_C and pcDNA / GL4_N_CaM-M13a10_C were prepared. Further, between the BamHI site and EcoRI site of pcDNA3.1 (manufactured by Invitrogen), cpNLuc gene and cpCLuc gene are used as luminescent enzyme fragments, CaM-M13 gene, CaM-M13d10 gene are used as calcium binding region and interaction region, CaM-M13d05 gene, CaM-M13a05 gene or CaM-M13a10 gene is inserted, respectively, and plasmids pcDNA / cpGL4_C_CaM-M13_N, pcDNA / cpGL4_C_CaM-M13d10_N, pcDNA / cpGL4_C_CaM-M13d05_N, pcDNA / Mc_c13 Produced.

[前準備2]
カルシウムセンサータンパク質の機能の測定のために、細胞をセロトニン刺激することでカルシウムイオンを流入させる実験系を使用する。そのためにセロトニン受容体である5HT2A受容体(配列番号23)の遺伝子をクローニングした。
[Preparation 2]
In order to measure the function of the calcium sensor protein, an experimental system in which calcium ions are allowed to flow by stimulating cells with serotonin is used. Therefore, the gene of 5HT2A receptor (SEQ ID NO: 23), which is a serotonin receptor, was cloned.

(手順1)
PCRに用いる合成オリゴDNAを以下に示す配列で調製した。
[ヒト5HT2A受容体遺伝子作製用合成オリゴDNA配列]
HU_5HT2AR_Fw(配列番号15):5’−GCCACCATGGATATTCTTTGTGAAGAAAAT−3’
HU_5HT2AR_Rv(配列番号16):5’−TCACACACAGCTCACCTTTTCATTCACTCC−3’
(Procedure 1)
Synthetic oligo DNA used for PCR was prepared with the sequence shown below.
[Synthetic oligo DNA sequence for preparing human 5HT2A receptor gene]
HU — 5HT2AR_Fw (SEQ ID NO: 15): 5′-GCCACATGGGAATTTCTTGTGAAGAAAAAT-3 ′
HU — 5HT2AR_Rv (SEQ ID NO: 16): 5′-TCACACACAGCTCACCTTTTCATTCACTCC-3 ′

(手順2)
プライマーとして上記オリゴDNAを用い、鋳型としてヒト脳cDNAライブラリ(タカラバイオ(株)製)を用いて、5HT2A受容体遺伝子(ヒトの5HT2A受容体遺伝子の全長に対応する領域を含む)をPCRにより増幅した。
(Procedure 2)
Using the above oligo DNA as a primer and a human brain cDNA library (manufactured by Takara Bio Inc.) as a template, 5HT2A receptor gene (including a region corresponding to the full length of human 5HT2A receptor gene) is amplified by PCR. did.

(手順3)
PCRで増幅させた5HT2A受容体遺伝子をpBluescriptIIベクターにサブクローニングした後、作製したDNAの配列をDNAシーケンシングにより確認した。
(Procedure 3)
After subcloning the 5HT2A receptor gene amplified by PCR into the pBluescript II vector, the sequence of the prepared DNA was confirmed by DNA sequencing.

(手順4)
手順2の通り増幅した5HT2A受容体遺伝子を、哺乳類細胞の発現ベクターpcDNA3.1(+)(インビトロジェン(株)製)に挿入し、ヒト5HT2A受容体発現用プラスミドpcDNA/5HT2ARを作製した。
(Procedure 4)
The 5HT2A receptor gene amplified as described in Procedure 2 was inserted into a mammalian cell expression vector pcDNA3.1 (+) (manufactured by Invitrogen Corp.) to prepare a human 5HT2A receptor expression plasmid pcDNA / 5HT2AR.

[実験]
上記の通り作製したカルシウムセンサータンパク質発現用プラスミドおよびヒト5HT2A受容体発現用プラスミドを用いて、HEK293細胞におけるカルシウム濃度変動の発光イメージングを行った。
[Experiment]
Using the calcium sensor protein expression plasmid and the human 5HT2A receptor expression plasmid prepared as described above, luminescence imaging of calcium concentration fluctuations in HEK293 cells was performed.

(手順1)
ATCC社より入手したHEK293細胞を、5%COインキュベーター内にて、10% Fetal Bovine Serumおよび1×Nonessential amino acidsを添加したEarle’s MEM/培地(GIBCO社製)中で培養した。
(Procedure 1)
HEK293 cells obtained from ATCC were cultured in Earle's MEM / medium (GIBCO) supplemented with 10% Fetal Bovine Serum and 1 × Nonesential amino acids in a 5% CO 2 incubator.

(手順2)
次の通り、細胞に各発現用プラスミドを導入した。細胞を、直径35mmガラスボトムディッシュに2x10/dishの細胞密度で播種し、5%COインキュベーター内で一晩培養した後、ヒト5HT2A受容体発現用プラスミドpcDNA/5HT2ARおよびカルシウムセンサータンパク質発現用プラスミドpcDNA/GL4_N_CaM−M13_C、pcDNA/GL4_N_CaM−M13d10_C、pcDNA/GL4_N_CaM−M13d05_C、pcDNA/GL4_N_CaM−M13a05_C、pcDNA/cpGL4_C_CaM−M13_N、pcDNA/cpGL4_C_CaM−M13d10_N、pcDNA/cpGL4_C_CaM−M13d05_NまたはpcDNA/cpGL4_C_CaM−M13a05_Nを、FuGENE HD(ロシュ社製)を用いてトランスフェクションを行い、5%COインキュベーター内で一晩培養した。
(Procedure 2)
Each expression plasmid was introduced into the cells as follows. Cells were seeded in a 35 mm diameter glass bottom dish at a cell density of 2 × 10 5 / dish and cultured overnight in a 5% CO 2 incubator, and then a plasmid pcDNA / 5HT2AR for expressing human 5HT2A receptor and a plasmid for expressing calcium sensor protein pcDNA / GL4_N_CaM-M13_C, pcDNA / GL4_N_CaM-M13d10_C, pcDNA / GL4_N_CaM-M13d05_C, pcDNA / GL4_N_CaM-M13a05_C, pcDNA / cpGL4_C_CaM-M13_N, pcDNA / cpGL4_C_CaM-M13d10_N, the pcDNA / cpGL4_C_CaM-M13d05_N or pcDNA / cpGL4_C_CaM-M13a05_N, FuGENE H Transfection was performed using D (Roche) and the cells were cultured overnight in a 5% CO 2 incubator.

(手順3)
次の通り、発光画像の撮像を行った。培地中にルシフェリン2mM(プロメガ社製)を加えて1時間静置し、発光顕微鏡LV(LUMINOVIEW)−200(オリンパス社製)にセットし、12秒間隔で発光画像のタイムラプス撮影を行った。発光観察の条件として、対物レンズの倍率を40倍、露出時間を5〜10秒間、ビニングを1x1とし、EM−CCDカメラiXon(アンドール社製)を用いて、画像解析装置110として構成したパーソナルコンピュータに取り込んだ。
(Procedure 3)
The emission image was taken as follows. 2 mM luciferin (manufactured by Promega) was added to the medium and allowed to stand for 1 hour, set in a light emission microscope LV (LUMINOWVIEW) -200 (manufactured by Olympus), and time-lapse photography of the luminescence images was performed at 12-second intervals. The personal computer configured as the image analysis apparatus 110 using the EM-CCD camera iXon (manufactured by Andor) with the magnification of the objective lens being 40 times, the exposure time being 5 to 10 seconds, the binning being 1 × 1, as the conditions for the light emission observation Incorporated.

(手順4)
タイムラプス撮影開始から2分後、セロトニン5HT(最終濃度10μM)で刺激を行い、引き続き発光画像のタイムラプス撮影を行った。この刺激によって、細胞内にカルシウムイオンが流入する。
(Procedure 4)
Two minutes after the start of time-lapse photography, stimulation was performed with serotonin 5HT (final concentration 10 μM), and then time-lapse photography of the luminescence image was performed. This stimulation causes calcium ions to flow into the cell.

(手順5)
手順3で撮影した各々の発光画像に対して複数のROI(Region of Interest:関心領域)を指定し(図6)、手順4で撮影した各々の発光画像に対して複数のROIを指定した(図7)。さらに、指定した各ROIの発光強度を各々の発光画像に基づいて測定し、その発光強度の経時変化をグラフで表示した(図8)。なお、図6から8は、細胞内にcpGL4_C_CaM−M13d10_Nを発現させた場合の結果を示す。発光画像の解析は、画像解析部112cとして機能するMetaMorphソフトウェア(ユニバーサルイメージング社製)を用いて行った。
(Procedure 5)
A plurality of ROIs (Region of Interest) are designated for each light emission image taken in step 3 (FIG. 6), and a plurality of ROIs are designated for each light emission image taken in step 4 ( FIG. 7). Furthermore, the emission intensity of each designated ROI was measured based on each emission image, and the change over time in the emission intensity was displayed in a graph (FIG. 8). 6 to 8 show the results when cpGL4_C_CaM-M13d10_N is expressed in cells. The analysis of the luminescence image was performed using MetaMorph software (manufactured by Universal Imaging) that functions as the image analysis unit 112c.

[結果]
図6−8に示されるように、円順列置換型のホタルルシフェラーゼ遺伝子を用いたカルシウムセンサータンパク質cpGL4_C_CaM−M13_N(配列番号21)を用いた場合、セロトニン5HT刺激の前後で発光強度の変化を検出することができた。すなわち、刺激前において観察された発光強度(図6)は、刺激後において低下した(図7)。グラフを見ると、5HT刺激直後(横軸2−3分)に蛍光強度が大きく下がることがわかる(図8)。なお、5分後以降、発光強度が上下する様子が観察されたが、これは細胞によるカルシウム濃度の調節を反映していると考えられる。このように、cpGL4_C_CaM−M13_Nを用いることによって、刺激に対するカルシウム応答を発光強度の減少としてシングルセル(単一細胞)レベルで検出できることがわかった。
[result]
As shown in FIG. 6-8, when the calcium sensor protein cpGL4_C_CaM-M13_N (SEQ ID NO: 21) using a circular permutation type firefly luciferase gene is used, a change in luminescence intensity is detected before and after the serotonin 5HT stimulation. I was able to. That is, the luminescence intensity observed before stimulation (FIG. 6) decreased after stimulation (FIG. 7). From the graph, it can be seen that the fluorescence intensity greatly decreases immediately after 5HT stimulation (2-3 minutes on the horizontal axis) (FIG. 8). In addition, after 5 minutes, it was observed that the emission intensity increased and decreased, which is considered to reflect the regulation of the calcium concentration by the cells. Thus, it was found that by using cpGL4_C_CaM-M13_N, the calcium response to the stimulus can be detected at a single cell (single cell) level as a decrease in luminescence intensity.

一方、pcDNA/GL4_N_CaM−M13_C、pcDNA/GL4_N_CaM−M13d10_C、pcDNA/GL4_N_CaM−M13d05_CまたはpcDNA/GL4_N_CaM−M13a05_Cを用いた場合は、5HTで細胞を刺激したときに発光強度に変化が見られず、pcDNA/cpGL4_C_CaM−M13d10_N、pcDNA/cpGL4_C_CaM−M13d05_N、pcDNA/cpGL4_C_CaM−M13a05_Nを用いた場合は、発光が弱く画像取得ができなかった。   On the other hand, when pcDNA / GL4_N_CaM-M13_C, pcDNA / GL4_N_CaM-M13d10_C, pcDNA / GL4_N_CaM-M13d05_C or pcDNA / GL4_N_CaM-M13a05_C was used, there was no change in the luminescence intensity when the cells were stimulated with 5HT, and p was not observed. When cpGL4_C_CaM-M13d10_N, pcDNA / cpGL4_C_CaM-M13d05_N, and pcDNA / cpGL4_C_CaM-M13a05_N were used, the emission was weak and image acquisition was not possible.

また、個々の細胞における発光強度の変化を見ると、5HT刺激において細胞間の応答に大きなばらつきのあることがわかった(図8)。これまでのカルシウムを介する細胞内情報伝達機構の研究から、カルシウム濃度変化の細胞内分布あるいは時間経過が異なると、シグナルの意味が異なることが明らかにされている。従来のルミノメーターを用いた発光量変化の解析では、細胞集団全体の観測に留まり、個々の細胞の応答までは解析できなかった。しかし、本発明に係るカルシウムセンサータンパク質を用いた方法の場合、生体内の変化を1細胞毎にリアルタイムに観察することができ、細胞内シグナルの働きを詳細に研究できることがわかった。   Moreover, when the change of the emitted light intensity in each cell was seen, it turned out that there is big dispersion | variation in the response between cells in 5HT stimulation (FIG. 8). Previous studies on intracellular signal transduction mechanisms via calcium have revealed that the meaning of the signal differs depending on the intracellular distribution or time course of changes in calcium concentration. In the analysis of changes in the amount of luminescence using a conventional luminometer, it was not possible to analyze the response of individual cells, but only to observe the entire cell population. However, in the case of the method using the calcium sensor protein according to the present invention, it was found that changes in the living body can be observed in real time for each cell, and the function of intracellular signals can be studied in detail.

レニラルシフェラーゼを用いたカルシウムセンサータンパク質を作製し、その機能を調べた。   A calcium sensor protein using Renilla luciferase was prepared and its function was examined.

[前準備1]
前準備として、レニラルシフェラーゼのN末端側断片遺伝子およびC末端側断片遺伝子のクローニング、CaMおよびM13遺伝子のクローニング並びにカルシウムセンサータンパク質発現プラスミドの作製を行った。
[Preparation 1]
As preparations, cloning of the N-terminal fragment gene and C-terminal fragment gene of Renilla luciferase, cloning of the CaM and M13 genes, and preparation of a calcium sensor protein expression plasmid were performed.

(手順1)
円順列置換されたレニラルシフェラーゼのN末側断片(cpRNLuc)遺伝子およびC末側断片(cpRCLuc)遺伝子の作製のための、PCRに用いる合成オリゴDNAを以下に示す配列で調製した。
[cpRNLuc遺伝子作製用合成オリゴDNA配列]
cpRNLuc_Fw(配列番号17):5’−ATCAGATCTGCTTCCAAGGTGTACGACCCC−3’
cpRNLuc_Rv(配列番号18):5’−CTAGAATTCTTATGAGCCATTCCCGCTCTT−3’
[cpRCLuc遺伝子作製用合成オリゴDNA配列]
cpRCLuc_Fw(配列番号19):5’−TGTGGATCCAGCCACCATGTATCGCCTCCTGGATCACTAC−3’
cpRCLuc_Rv(配列番号20):5’−CAGCTCGAGCTGCTCGTTCTTCAGCACGCG−3’
(Procedure 1)
Synthetic oligo DNAs used for PCR for the preparation of circularly permuted Renilla luciferase N-terminal fragment (cpRNLuc) gene and C-terminal fragment (cpRCLuc) gene were prepared with the sequences shown below.
[Synthetic oligo DNA sequence for cpRNLuc gene preparation]
cpRNLuc_Fw (SEQ ID NO: 17): 5′-ATCAGATCTGCTTCCAAGGTGTACACCCC-3 ′
cpRNLuc_Rv (SEQ ID NO: 18): 5′-CTAGAATTCTTATGAGCCATTCCCGCTCTT-3 ′
[Synthetic oligo DNA sequence for preparing cpRCluc gene]
cpRCLUc_Fw (SEQ ID NO: 19): 5′-TGTGGATCCCAGCCACCATGTATCGCCTCTCTGGATCACTAC-3 ′
cpRCLUc_Rv (SEQ ID NO: 20): 5′-CAGCTCGAGCTGCTCGTTCTTCAGCACGCG-3 ′

なお、CaMおよびM13遺伝子のクローニングには、実施例1と同様のオリゴDNA(配列番号9−14)を用いる。   For cloning of the CaM and M13 genes, the same oligo DNA (SEQ ID NOs: 9-14) as in Example 1 is used.

(手順2)
上記のオリゴDNAを用いて、レニラルシフェラーゼの各断片をPCRによりクローニングした。鋳型としてhRluc(プロメガ(株)製)を用いた。プライマーとして
配列番号17および18のオリゴDNAを用いて、円順列置換センサータンパク質用のN末端側断片遺伝子(cpRNLuc:hRluc遺伝子の1番目から91番目のアミノ酸を含む)を増幅し、配列番号19および20のオリゴDNAを用いて、末端側断片遺伝子(cpRCLuc:hRluc遺伝子の92番目から311番目のアミノ酸を含む)を増幅した。
(Procedure 2)
Each fragment of Renilla luciferase was cloned by PCR using the above oligo DNA. HRluc (manufactured by Promega Corp.) was used as a template. Using the oligo DNAs of SEQ ID NOs: 17 and 18 as primers, the N-terminal fragment gene for circular permutation sensor protein (cpRNLuc: including amino acids 1 to 91 of hRluc gene) was amplified, and SEQ ID NO: 19 and Twenty oligo DNAs were used to amplify a terminal fragment gene (cpRCLUc: containing amino acids 92 to 311 of the hRluc gene).

また、CaMおよびM13を、実施例1と同様に、カメレオン遺伝子(YC2.1)からクローニングすることで、CaM−M13遺伝子、CaM−M13d10遺伝子、CaM−M13d05遺伝子、CaM−M13a05遺伝子およびCaM−M13a10遺伝子を増幅した。   In addition, CaM and M13 are cloned from the chameleon gene (YC2.1) in the same manner as in Example 1, so that the CaM-M13 gene, CaM-M13d10 gene, CaM-M13d05 gene, CaM-M13a05 gene and CaM-M13a10 gene can be obtained. The gene was amplified.

(手順3)
上記の通り増幅した各遺伝子を発現用プラスミドに挿入することで、カルシウムセンサータンパク質発現用プラスミドを作製した。具体的には、動物細胞発現用プラスミドであるpcDNA3.1(インビトロジェン社製)のBamHI部位とEcoRI部位の間に、発光酵素の断片としてcpRNLuc遺伝子およびcpRCLuc遺伝子を、カルシウム結合領域および相互作用領域としてCaM−M13遺伝子、CaM−M13d10遺伝子、CaM−M13d05遺伝子、CaM−M13a05遺伝子またはCaM−M13a10遺伝子をそれぞれ挿入し、プラスミドpcDNA/cphRL_C_CaM−M13_N、pcDNA/cphRL_C_CaM−M13d10_N、pcDNA/cphRL_C_CaM−M13d05_N、pcDNA/cphRL_C_CaM−M13a05_NおよびpcDNA/cphRL_C_CaM−M13a10_Nを作製した。
(Procedure 3)
Each gene amplified as described above was inserted into an expression plasmid to prepare a calcium sensor protein expression plasmid. Specifically, between the BamHI site and EcoRI site of pcDNA3.1 (manufactured by Invitrogen), which is a plasmid for animal cell expression, the cpRNLuc gene and the cpRCLUc gene are used as a luminescent enzyme fragment as a calcium binding region and an interaction region. CaM-M13 gene, CaM-M13d10 gene, CaM-M13d05 gene, CaM-M13a05 gene or CaM-M13a10 gene are inserted, and plasmid pcDNA / cphRL_C_CaM-M13_N, pcDNA / cphRL_C_CaM-M13d10_N, pcDNA / cphRLpC_05, cphRL_C_CaM-M13a05_N and pcDNA / cphRL_C_CaM-M13a10_N It was manufactured.

[前準備2]
カルシウムセンサータンパク質の機能の測定のために、細胞をセロトニン刺激することでカルシウムイオンを流入させる実験系を使用する。そのためにセロトニン受容体である5HT2A受容体の遺伝子を、実施例1と同様にクローニングした。
[Preparation 2]
In order to measure the function of the calcium sensor protein, an experimental system in which calcium ions are allowed to flow by stimulating cells with serotonin is used. Therefore, the gene of 5HT2A receptor, which is a serotonin receptor, was cloned in the same manner as in Example 1.

[実験]
上記の通り作製したカルシウムセンサータンパク質発現用プラスミドおよびヒト5HT2A受容体発現用プラスミドを用いて、HEK293細胞におけるカルシウム濃度変動の発光イメージングを行った。
[Experiment]
Using the calcium sensor protein expression plasmid and the human 5HT2A receptor expression plasmid prepared as described above, luminescence imaging of calcium concentration fluctuations in HEK293 cells was performed.

(手順1)
ATCC社より入手したHEK293細胞を、5%COインキュベーター内にて、10% Fetal Bovine Serumおよび1×Nonessential amino acidsを添加したEarle’s MEM/培地(GIBCO社製)中で培養した。
(Procedure 1)
HEK293 cells obtained from ATCC were cultured in Earle's MEM / medium (GIBCO) supplemented with 10% Fetal Bovine Serum and 1 × Nonesential amino acids in a 5% CO 2 incubator.

(手順2)
次の通り、細胞に各発現用プラスミドを導入した。細胞を、直径35mmガラスボトムディッシュに2x10/dishの細胞密度で播種し、5%COインキュベーター内で一晩培養した後、ヒト5HT2A受容体発現用プラスミドpcDNA/5HT2ARおよびカルシウムセンサータンパク質発現用プラスミドpcDNA/cphRL_C_CaM−M13_N、pcDNA/cphRL_C_CaM−M13d10_N、pcDNA/cphRL_C_CaM−M13d05_N、pcDNA/cphRL_C_CaM−M13a05_NおよびpcDNA/cphRL_C_CaM−M13a10_Nを、FuGENE HD(ロシュ社製)を用いてトランスフェクションを行い、5%COインキュベーター内で一晩培養した。
(Procedure 2)
Each expression plasmid was introduced into the cells as follows. Cells were seeded in a 35 mm diameter glass bottom dish at a cell density of 2 × 10 5 / dish and cultured overnight in a 5% CO 2 incubator, and then a plasmid pcDNA / 5HT2AR for expressing human 5HT2A receptor and a plasmid for expressing calcium sensor protein pcDNA / cphRL_C_CaM-M13_N, pcDNA / cphRL_C_CaM-M13d10_N, pcDNA / cphRL_C_CaM-M13d05_N, the pcDNA / cphRL_C_CaM-M13a05_N and pcDNA / cphRL_C_CaM-M13a10_N, perform transfection using FuGENE HD (Roche), 5% CO 2 Cultured overnight in incubator.

(手順3)
次の通り、発光画像の撮像を行った。培地中にセレンテラジン50μM(プロメガ社製)を加えて1時間静置し、発光顕微鏡LV(LUMINOVIEW)−200(オリンパス社製)にセットし、5秒間隔で発光画像のタイムラプス撮影を行った。発光観察の条件として、対物レンズの倍率を40倍、露出時間を5〜10秒間、ビニングを1x1とし、EM−CCDカメラiXon(アンドール社製)を用いて、画像解析装置110として構成したパーソナルコンピュータに取り込んだ。
(Procedure 3)
The emission image was taken as follows. Coelenterazine 50 μM (manufactured by Promega) was added to the medium and allowed to stand for 1 hour, and set in a light emission microscope LV (LUMINOVIEW) -200 (manufactured by Olympus), and time-lapse photography of luminescence images was performed at intervals of 5 seconds. The personal computer configured as the image analysis apparatus 110 using the EM-CCD camera iXon (manufactured by Andor) with the magnification of the objective lens being 40 times, the exposure time being 5 to 10 seconds, the binning being 1 × 1, as the conditions for the light emission observation Incorporated.

(手順4)
タイムラプス撮影開始から2分後、セロトニン5HT(最終濃度10μM)で刺激を行い、引き続き発光画像のタイムラプス撮影を行った。この刺激によって、細胞内にカルシウムイオンが流入する。
(Procedure 4)
Two minutes after the start of time-lapse photography, stimulation was performed with serotonin 5HT (final concentration 10 μM), and then time-lapse photography of the luminescence image was performed. This stimulation causes calcium ions to flow into the cell.

(手順5)
手順3で撮影した各々の発光画像に対して複数のROI(Region of Interest:関心領域)を指定し(図9)、手順4で撮影した各々の発光画像に対して複数のROIを指定した(図10)。さらに、指定した各ROIの発光強度を各々の発光画像に基づいて測定し、その発光強度の経時変化をグラフで表示した(図11)。なお、図9から11は、細胞内にcphRL_C_CaM−M13_Nを発現させた場合の結果を示す。発光画像の解析は、画像解析部112cとして機能するMetamorphソフトウェア(ユニバーサルイメージング社製)を用いて行った。
(Procedure 5)
A plurality of ROIs (Region of Interest) are designated for each light emission image photographed in step 3 (FIG. 9), and a plurality of ROIs are designated for each light emission image photographed in step 4 ( FIG. 10). Furthermore, the emission intensity of each designated ROI was measured based on each emission image, and the change over time in the emission intensity was displayed in a graph (FIG. 11). 9 to 11 show the results when cphRL_C_CaM-M13_N is expressed in cells. The analysis of the luminescence image was performed using Metamorph software (made by Universal Imaging) that functions as the image analysis unit 112c.

[結果]
図9−11に示されるように、円順列置換型のレニラルシフェラーゼ遺伝子を用いたカルシウムセンサータンパク質cphRL_C_CaM−M13_N(配列番号22)を用いた場合、セロトニン5HT刺激の前後で発光強度の変化を検出することができた。すなわち、刺激前において観察された発光強度(図9)は、刺激後において増大した(図10)。グラフを見ると、5HT刺激直後(横軸2−3分および17−18分)に発光強度が大きく上がることがわかる(図11)。このように、cphRL_C_CaM−M13_Nを用いることによって、刺激に対するカルシウム応答を発光強度の増強としてシングルセル(単一細胞)レベルで検出できることがわかった。
[result]
As shown in FIGS. 9-11, when the calcium sensor protein cphRL_C_CaM-M13_N (SEQ ID NO: 22) using the circular permutation type Renilla luciferase gene is used, a change in luminescence intensity is detected before and after the serotonin 5HT stimulation. We were able to. That is, the luminescence intensity observed before stimulation (FIG. 9) increased after stimulation (FIG. 10). From the graph, it can be seen that the emission intensity greatly increases immediately after 5HT stimulation (horizontal axis 2-3 minutes and 17-18 minutes) (FIG. 11). Thus, it was found that by using cphRL_C_CaM-M13_N, the calcium response to stimulation can be detected at the single cell (single cell) level as an increase in luminescence intensity.

一方、pcDNA/cphRL_C_CaM−M13d10_N、pcDNA/cphRL_C_CaM−M13d05_N、pcDNA/cphRL_C_CaM−M13a05_NおよびpcDNA/cphRL_C_CaM−M13a10_Nを用いた場合は、発光強度が弱く発光画像を取得できなかった。   On the other hand, when pcDNA / cphRL_C_CaM-M13d10_N, pcDNA / cphRL_C_CaM-M13d05_N, pcDNA / cphRL_C_CaM-M13a05_N and pcDNA / cphRL_C_CaM-M13a10_N were used, the luminescence image was weak and the luminescence image could not be obtained.

また、個々の細胞における発光強度の変化を見ると、5HT刺激において細胞間の応答に大きなばらつきのあることがわかった(図11)。これまでのカルシウムを介する細胞内情報伝達機構の研究から、カルシウム濃度変化の細胞内分布あるいは時間経過が異なると、シグナルの意味が異なることが明らかにされている。従来のルミノメーターを用いた発光量変化の解析では、細胞集団全体の観測に留まり、個々の細胞の応答までは解析できなかった。ところが、本発明に係るカルシウムセンサータンパク質を用いた方法の場合、生体内の変化を1細胞毎にリアルタイムに観察することができ、細胞内シグナルの働きを詳細に研究できることがわかった。   Moreover, when the change of the emitted light intensity in each cell was seen, it turned out that there is big dispersion | variation in the response between cells in 5HT stimulation (FIG. 11). Previous studies on intracellular signal transduction mechanisms via calcium have revealed that the meaning of the signal differs depending on the intracellular distribution or time course of changes in calcium concentration. In the analysis of changes in the amount of luminescence using a conventional luminometer, it was not possible to analyze the response of individual cells, but only to observe the entire cell population. However, in the case of the method using the calcium sensor protein according to the present invention, it was found that changes in the living body can be observed in real time for each cell, and the function of intracellular signals can be studied in detail.

以上、実施例1および2の実験によれば、本発明に係るカルシウムセンサータンパク質を用いた方法によって、細胞内の情報伝達に影響を及ぼすことなく、各細胞からの正確な定量的結果を得ることができ、その結果、個々の細胞においてカルシウム濃度の変化を再現性良く経時的に観察できることがわかる。   As described above, according to the experiments of Examples 1 and 2, accurate quantitative results from each cell can be obtained by the method using the calcium sensor protein according to the present invention without affecting the intracellular information transmission. As a result, it can be seen that changes in calcium concentration in individual cells can be observed over time with good reproducibility.

[その他の実施形態]
本発明は、上述した実施形態以外にも、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内において種々の異なる実施の形態にて実施されてもよい。
[Other Embodiments]
The present invention may be implemented in various different embodiments other than the above-described embodiments within the scope of the technical idea described in the claims.

例えば、上述した実施形態においては、主に、互いに結合することにより発光酵素活性が回復するよう分割させた発光酵素のN末端側断片およびC末端側断片、カルシウム結合タンパク質であるカルモジュリン並びにカルシウム依存的にカルモジュリンと結合するペプチド(M13)からなる融合タンパク質をカルシウムセンサータンパク質として説明を行ったが、本発明はこれに限らず、発光酵素のN末端側断片およびC末端側断片、カルシウム結合タンパク質であるカルモジュリン並びにカルシウム依存的にカルモジュリンと結合するペプチド(M13)からなる融合タンパク質に替えて、特許文献2、特許文献3、非特許文献2等に開示されているカルシウムセンサータンパク質を用いてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the N-terminal fragment and the C-terminal fragment of the luminescent enzyme that are divided so that the luminescent enzyme activity is recovered by binding to each other, calmodulin that is a calcium-binding protein, and calcium-dependent protein. Although a fusion protein comprising a peptide (M13) that binds to calmodulin is described as a calcium sensor protein, the present invention is not limited to this, but is an N-terminal fragment and a C-terminal fragment of a luminescent enzyme, and a calcium-binding protein. Instead of a fusion protein comprising calmodulin and a peptide (M13) that binds to calmodulin in a calcium-dependent manner, calcium sensor proteins disclosed in Patent Document 2, Patent Document 3, Non-Patent Document 2, and the like may be used.

また、上述した記載によれば、次の要旨に表現されるポリペプチドの態様も本発明に包含される。
[ポリペプチド態様1](機能:スプリットルシフェラーゼの相互作用)
前記発光酵素のN末端側断片およびC末端側断片、カルシウム結合タンパク質であるカルモジュリン並びにカルシウム依存的にカルモジュリンと結合するペプチド(M13)のアミノ酸配列を含むポリペプチドであって、前記発光酵素のN末端側断片およびC末端側断片は非共有結合的に相互作用し、前記非共有結合的相互作用は調整可能であることを特徴とするポリペプチド。
[ポリペプチド態様2](機能:CaM−M13の作用)
前記カルシウム結合タンパク質であるカルモジュリンおよびカルシウム依存的にカルモジュリンと結合するペプチド(M13)が、前記非共有結合的相互作用を検出可能に変化させることを特徴とする前記態様1に記載のポリペプチド。
[ポリペプチド態様3](機能:外因性因子の作用)
前記非共有結合的相互作用は外因性因子の存在下で強化されることを特徴とする前記態様1に記載のポリペプチド。
[ポリペプチド態様4](機能:カルシウムの作用)
前記外因性因子はカルシウムであることを特徴とする前記態様2に記載のポリペプチド。
[ポリペプチド態様5](機能:発光)
前記態様3に記載のポリペプチドであって、前記非共有的相互作用により発光することを特徴とするポリペプチド。
Moreover, according to the above-mentioned description, the aspect of polypeptide represented by the following summary is also included by this invention.
[Polypeptide Aspect 1] (Function: Interaction of split luciferase)
A polypeptide comprising an amino acid sequence of an N-terminal fragment and a C-terminal fragment of the luminescent enzyme, calmodulin that is a calcium-binding protein, and a peptide (M13) that binds to calmodulin in a calcium-dependent manner, the N-terminal of the luminescent enzyme A polypeptide characterized in that the side fragment and the C-terminal fragment interact non-covalently, and the non-covalent interaction is adjustable.
[Polypeptide Aspect 2] (Function: Action of CaM-M13)
The polypeptide according to aspect 1, wherein the calcium-binding protein calmodulin and a peptide (M13) that binds to calcium in a calcium-dependent manner detectably change the non-covalent interaction.
[Polypeptide Aspect 3] (Function: Action of exogenous factor)
The polypeptide according to aspect 1, wherein the non-covalent interaction is enhanced in the presence of an exogenous factor.
[Polypeptide Aspect 4] (Function: Action of calcium)
The polypeptide according to Aspect 2, wherein the exogenous factor is calcium.
[Polypeptide Aspect 5] (Function: Luminescence)
4. The polypeptide according to aspect 3, which emits light by the non-covalent interaction.

以上詳述に説明したように、本発明にかかるカルシウム解析方法は、バイオ、製薬、医療など様々な分野で好適に用いることができる。
[付記]以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[項1] 発光酵素のN末端側断片、前記発光酵素のC末端側断片、カルシウム結合領域および前記カルシウム結合領域と可逆的に結合または解離できる相互作用領域を含むカルシウムセンサータンパク質であって、前記カルシウム結合領域および前記相互作用領域は前記C末端側断片と前記N末端側断片との間に配置されたカルシウムセンサータンパク質を含む細胞を作製する細胞作製工程と、
前記細胞作製工程で作製した前記細胞に当該細胞外から所定の発光基質を添加する添加工程と、
前記添加工程で前記所定の発光基質が与えられた前記細胞の発光画像を撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像した前記発光画像に基づいて、前記細胞内における前記カルシウムの濃度を解析する解析工程と
を含む細胞内カルシウム解析方法。
[項2] 前記カルシウム結合領域がカルモジュリン由来である項1に記載の細胞内カルシウム解析方法。
[項3] 前記相互作用領域がM13ペプチドである項1または2に記載の細胞内カルシウム解析方法。
[項4] 前記発光酵素がホタルルシフェラーゼであり、
前記N末端側断片がホタルルシフェラーゼのアミノ酸番号1番目から416番目のアミノ酸配列を含み、
前記C末端側断片がホタルルシフェラーゼのアミノ酸番号399番目から550番目のアミノ酸配列を含む
項1から3の何れか1項に記載の細胞内カルシウム解析方法。
[項5] 前記発光酵素がレニラルシフェラーゼであり、
前記N末端側断片がレニラルシフェラーゼのアミノ酸番号1番目から91番目のアミノ酸配列を含み、
前記C末端側断片がレニラルシフェラーゼのアミノ酸番号92番目から311番目のアミノ酸配列を含む
項1から3の何れか1項に記載の細胞内カルシウム解析方法。
[項6] 前記N末端断片および前記C末端断片は、前記発酵酵素における本来の配置に対して円順列置換されている項1から5の何れか1項に記載の細胞内カルシウム解析方法。
[項7] 前記撮像工程が前記発光画像を繰り返し撮像することを含む項1から6の何れか1項に記載の細胞内カルシウム解析方法。
[項8] 前記撮像工程が複数の異なる細胞に対して同時に行われ、
前記解析工程が前記細胞ごとに行われる、
項1から7の何れか1項に記載の細胞内カルシウム解析方法。
[項9] 前記カルシウムセンサータンパク質が配列番号21または22に示されるアミノ酸配列を有する項1から8の何れか1項に記載の細胞内カルシウム解析方法。
[項10] 発光酵素のN末端側断片、前記発光酵素のC末端側断片、カルシウム結合領域および前記カルシウム結合領域と可逆的に結合または解離できる相互作用領域を含むカルシウムセンサータンパク質であって、前記カルシウム結合領域および前記相互作用領域は前記C末端側断片と前記N末端側断片との間に配置され、前記N末端断片および前記C末端断片は前記発酵酵素における本来の配置に対して円順列置換されているカルシウムセンサータンパク質。
[項11] 前記前記カルシウム結合領域がカルモジュリン由来である項10に記載のカルシウムセンサータンパク質。
[項12] 前記相互作用領域がM13ペプチドである項10または11に記載のカルシウムセンサータンパク質。
[項13] 前記発光酵素がホタルルシフェラーゼであり、
前記N末端側断片がホタルルシフェラーゼのアミノ酸番号1番目から416番目のアミノ酸配列を含み、
前記C末端側断片がホタルルシフェラーゼのアミノ酸番号399番目から550番目のアミノ酸配列を含む
項10から12の何れか1項に記載のカルシウムセンサータンパク質。
[項14] 前記発光酵素がレニラルシフェラーゼであり、
前記N末端側断片がレニラルシフェラーゼのアミノ酸番号1番目から91番目のアミノ酸配列を含み、
前記C末端側断片がレニラルシフェラーゼのアミノ酸番号92番目から311番目のアミノ酸配列を含む
項10から12の何れか1項に記載のカルシウムセンサータンパク質。
[項15] 配列番号21または22に示されるアミノ酸配列を有する項10から14の何れか1項に記載のカルシウムセンサータンパク質。
As described above in detail, the calcium analysis method according to the present invention can be suitably used in various fields such as biotechnology, pharmaceuticals, and medicine.
[Appendix] The invention described in the claims at the beginning of the application will be added below.
[Item 1] A calcium sensor protein comprising an N-terminal fragment of a luminescent enzyme, a C-terminal fragment of the luminescent enzyme, a calcium binding region, and an interaction region capable of reversibly binding to or dissociating from the calcium binding region, A cell production step for producing a cell containing a calcium sensor protein, wherein the calcium binding region and the interaction region are arranged between the C-terminal fragment and the N-terminal fragment;
An addition step of adding a predetermined luminescent substrate from the outside of the cell prepared in the cell preparation step;
An imaging step of capturing a luminescence image of the cell provided with the predetermined luminescent substrate in the adding step;
An analysis step of analyzing the concentration of the calcium in the cell based on the luminescent image taken in the imaging step;
A method for analyzing intracellular calcium.
[Item 2] The intracellular calcium analysis method according to Item 1, wherein the calcium-binding region is derived from calmodulin.
[Item 3] The method for analyzing intracellular calcium according to Item 1 or 2, wherein the interaction region is an M13 peptide.
[Item 4] The luminescent enzyme is firefly luciferase,
The N-terminal fragment comprises the amino acid sequence of amino acid numbers 1 to 416 of firefly luciferase,
The C-terminal fragment contains the amino acid sequence of amino acid numbers 399 to 550 of firefly luciferase
Item 4. The method for analyzing intracellular calcium according to any one of Items 1 to 3.
[Item 5] The luminescent enzyme is Renilla luciferase,
The N-terminal fragment comprises the amino acid sequence of amino acid numbers 1 to 91 of Renilla luciferase;
The C-terminal fragment contains the amino acid sequence of amino acid numbers 92 to 311 of Renilla luciferase
Item 4. The method for analyzing intracellular calcium according to any one of Items 1 to 3.
[Item 6] The intracellular calcium analysis method according to any one of Items 1 to 5, wherein the N-terminal fragment and the C-terminal fragment are circularly permuted with respect to the original arrangement of the fermentation enzyme.
[Item 7] The intracellular calcium analysis method according to any one of Items 1 to 6, wherein the imaging step includes repeatedly capturing the luminescent image.
[Item 8] The imaging step is simultaneously performed on a plurality of different cells,
The analysis step is performed for each cell;
Item 8. The intracellular calcium analysis method according to any one of Items 1 to 7.
[Item 9] The intracellular calcium analysis method according to any one of Items 1 to 8, wherein the calcium sensor protein has an amino acid sequence represented by SEQ ID NO: 21 or 22.
[Item 10] A calcium sensor protein comprising an N-terminal fragment of a luminescent enzyme, a C-terminal fragment of the luminescent enzyme, a calcium binding region, and an interaction region capable of reversibly binding to or dissociating from the calcium binding region, The calcium binding region and the interaction region are disposed between the C-terminal fragment and the N-terminal fragment, and the N-terminal fragment and the C-terminal fragment are circularly permuted with respect to the original position in the fermentation enzyme. Calcium sensor protein.
[Item 11] The calcium sensor protein according to Item 10, wherein the calcium-binding region is derived from calmodulin.
[Item 12] The calcium sensor protein according to Item 10 or 11, wherein the interaction region is an M13 peptide.
[Item 13] The luminescent enzyme is firefly luciferase,
The N-terminal fragment comprises the amino acid sequence of amino acid numbers 1 to 416 of firefly luciferase,
The C-terminal fragment contains the amino acid sequence of amino acid numbers 399 to 550 of firefly luciferase
Item 13. The calcium sensor protein according to any one of Items 10 to 12.
[Item 14] The luminescent enzyme is Renilla luciferase,
The N-terminal fragment comprises the amino acid sequence of amino acid numbers 1 to 91 of Renilla luciferase;
The C-terminal fragment contains the amino acid sequence of amino acid numbers 92 to 311 of Renilla luciferase
Item 13. The calcium sensor protein according to any one of Items 10 to 12.
CLAIM | ITEM 15 Calcium sensor protein of any one of claim | item 10 thru | or 14 which has an amino acid sequence shown by sequence number 21 or 22.

100 発光観察システム
102 細胞
103 容器(シャーレ)
104 ステージ
106 発光画像撮像ユニット
106a 対物レンズ(発光観察用)
106b ダイクロイックミラー
106c CCDカメラ
106d スプリットイメージユニット
106e フィルターホイール
106f 結像レンズ
110 画像解析装置
112 制御部
112a 発光画像撮像指示部
112b 発光画像取得部
112c 画像解析部
112d 解析結果出力部
114 クロック発生部
116 記憶部
118 通信インターフェース部
120 入出力インターフェース部
122 入力装置
124 出力装置
100 Luminescence observation system
102 cells
103 container (petri dish)
104 stages
106 Luminous image pickup unit
106a Objective lens (for light emission observation)
106b Dichroic mirror
106c CCD camera
106d Split image unit
106e Filter wheel
106f Imaging lens
110 Image analyzer
112 Control unit
112a Luminous image capturing instruction unit
112b Luminescent image acquisition unit
112c Image analysis unit
112d Analysis result output part
114 Clock generator
116 storage unit
118 Communication interface
120 I / O interface section
122 Input device
124 Output device

Claims (4)

発光酵素のN末端側断片、前記発光酵素のC末端側断片、カルシウム結合領域および前記カルシウム結合領域と可逆的に結合または解離できる相互作用領域を含むカルシウムセンサータンパク質であって、前記カルシウム結合領域および前記相互作用領域は前記C末端側断片と前記N末端側断片との間に配置されたカルシウムセンサータンパク質を含む細胞を作製する細胞作製工程と、
前記細胞作製工程で作製した前記細胞に当該細胞外から所定の発光基質を添加する添加工程と、
前記添加工程で前記所定の発光基質が与えられた前記細胞の発光画像を撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像した前記発光画像に基づいて、前記細胞内における前記カルシウムの濃度を解析する解析工程と
を含み、
前記カルシウムセンサータンパク質が配列番号21または22に示されるアミノ酸配列を有する
細胞内カルシウム解析方法。
A calcium sensor protein comprising an N-terminal fragment of a luminescent enzyme, a C-terminal fragment of the luminescent enzyme, a calcium binding region, and an interaction region capable of reversibly binding or dissociating with the calcium binding region, wherein the calcium binding region and A cell production step of producing a cell containing a calcium sensor protein disposed between the C-terminal fragment and the N-terminal fragment of the interaction region;
An addition step of adding a predetermined luminescent substrate from the outside of the cell prepared in the cell preparation step;
An imaging step of capturing a luminescence image of the cell provided with the predetermined luminescent substrate in the adding step;
An analysis step of analyzing the concentration of the calcium in the cell based on the luminescent image imaged in the imaging step,
The calcium sensor protein has the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 21 or 22 .
Intracellular calcium analysis method.
前記撮像工程が前記発光画像を繰り返し撮像することを含む請求項1に記載の細胞内カルシウム解析方法。 The intracellular calcium analysis method according to claim 1, wherein the imaging step includes repeatedly capturing the luminescent image. 前記撮像工程が複数の異なる細胞に対して同時に行われ、
前記解析工程が前記細胞ごとに行われる、請求項1または2に記載の細胞内カルシウム解析方法。
The imaging step is performed simultaneously on a plurality of different cells;
The intracellular calcium analysis method according to claim 1 or 2 , wherein the analysis step is performed for each cell.
発光酵素のN末端側断片、前記発光酵素のC末端側断片、カルシウム結合領域および前記カルシウム結合領域と可逆的に結合または解離できる相互作用領域を含むカルシウムセンサータンパク質であって、前記カルシウム結合領域および前記相互作用領域は前記C末端側断片と前記N末端側断片との間に配置され、前記N末端断片および前記C末端断片は前記発酵素における本来の配置に対して円順列置換されているカルシウムセンサータンパク質であって、
前記発光酵素がホタルルシフェラーゼ及びレニラルシフェラーゼから選択される発光酵素であり、
前記カルシウム結合領域がカルモジュリン由来であり、
相互作用領域がM13ペプチドであり、
配列番号21または22に示されるアミノ酸配列を有するカルシウムセンサータンパク質。
A calcium sensor protein comprising an N-terminal fragment of a luminescent enzyme, a C-terminal fragment of the luminescent enzyme, a calcium binding region, and an interaction region capable of reversibly binding or dissociating with the calcium binding region, wherein the calcium binding region and said interaction region is disposed between the N-terminal fragment and the C-terminal fragment, the N-terminal fragment and the C-terminal fragment is circularly permutated substituted for the original arrangement in the light - emitting enzyme A calcium sensor protein,
The luminescent enzyme is a luminescent enzyme selected from firefly luciferase and Renilla luciferase,
The calcium binding region is derived from calmodulin;
The interaction region is M13 peptide ;
A calcium sensor protein having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 21 or 22 .
JP2010194309A 2010-08-31 2010-08-31 Calcium analysis method Expired - Fee Related JP5893241B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010194309A JP5893241B2 (en) 2010-08-31 2010-08-31 Calcium analysis method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010194309A JP5893241B2 (en) 2010-08-31 2010-08-31 Calcium analysis method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012051824A JP2012051824A (en) 2012-03-15
JP5893241B2 true JP5893241B2 (en) 2016-03-23

Family

ID=45905603

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010194309A Expired - Fee Related JP5893241B2 (en) 2010-08-31 2010-08-31 Calcium analysis method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5893241B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016038750A1 (en) * 2014-09-10 2016-03-17 オリンパス株式会社 Split-type recombinant luciferase, and analysis method using same

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007508014A (en) * 2003-10-10 2007-04-05 プロメガ コーポレイション Luciferase biosensor
WO2006023972A2 (en) * 2004-08-23 2006-03-02 The Johns Hopkins University cAMP REPORTERS
US9359635B2 (en) * 2006-04-03 2016-06-07 Promega Corporation Permuted and nonpermuted luciferase biosensors
JP2009153399A (en) * 2007-12-25 2009-07-16 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Single molecule-format real-time bioluminescence imaging probe

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012051824A (en) 2012-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ohkura et al. An improved genetically encoded red fluorescent Ca2+ indicator for detecting optically evoked action potentials
De et al. Noninvasive imaging of protein‐protein interactions from live cells and living subjects using bioluminescence resonance energy transfer
CN109553687B (en) Fluorescent probe constructed based on G protein coupled receptor
JP5313149B2 (en) Detection system and use thereof
JP5953293B2 (en) Long-term monitoring and analysis methods using photoproteins
US9664697B2 (en) Green-to-red photo-convertible fluorescent calcium indicator
JP6986054B2 (en) Human cell model with biosensor
CN104350383B (en) Analysis
Petazzi et al. Fluorescence microscopy methods for the study of protein oligomerization
JP5893241B2 (en) Calcium analysis method
JP6032862B2 (en) Cyclic GMP analysis method
Lin et al. Functional imaging-guided cell selection for evolving genetically encoded fluorescent indicators
Ratnayake et al. Measurement of GPCR-G protein activity in living cells
JP5875773B2 (en) Ultraviolet light measurement method
JP5420198B2 (en) Protein interaction analysis method, polynucleotide, and composition
JP2014176363A (en) Method for analyzing photoresponse of photoreceptors
US20210247384A1 (en) Biosensors for detecting arrestin signaling
US20200400567A1 (en) Fusion polypeptide
JP5060931B2 (en) Calcium measurement method
JP5586285B2 (en) Receptor interaction detection method and cyclic AMP sensor protein
JP6525199B2 (en) Insulin detection method and insulin detection kit
JP5596931B2 (en) Receptor expression level analysis method
US20220365071A1 (en) GENETICALLY ENCODED CALCIUM INDICATORS (GECIs) AND METHODS OF MAKING AND USING
JP2014161321A (en) Method for correcting light emission amount
US11860166B2 (en) Red fluorescent protein-based biosensor for measuring activity of dopamine receptor D1

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130808

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20141118

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150119

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20150707

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20151007

A911 Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20151222

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20160202

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20160224

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5893241

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees