JP6593595B2 - Atp可視化動物およびその用途 - Google Patents
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Description
(1)ATP合成酵素のεサブユニットのアミノ末端側およびカルボキシ末端側に、蛍光共鳴エネルギー移動におけるドナー及びアクセプターとなりうる2種類の蛍光タンパク質をそれぞれ結合させてなる融合タンパク質を発現する非ヒト哺乳動物。
(2)ATP合成酵素のεタンパク質サブユニットが配列番号1または2に記載のアミノ酸配列を含む、(1)に記載の非ヒト哺乳動物。
(3)ドナー及びアクセプターとなりうる蛍光タンパク質の組み合わせが、シアンフルオレセントプロテイン(CFP)、イエローフルオレセントプロテイン(YFP)、ブルーフルオレセントプロテイン(BFP)、グリーンフルオレセントプロテイン(GFP)、レッドフルオレセントプロテイン(RFP)及びクサビラオレンジプロテイン(KO)などFRETを生じることのできる組み合わせである、(1)または(2)の非ヒト哺乳動物。
(4)前記融合タンパク質をコードするDNAが染色体上のROSA26遺伝子座に挿入された、(1)〜(3)のいずれかに記載の非ヒト哺乳動物。
(5)前記融合タンパク質をコードするDNAはlox系配列を有し、Cre recombinaseがlox系配列で挟まれた領域を除去することにより、前記融合タンパク質が発現する、(1)〜(4)のいずれかに記載の非ヒト哺乳動物。
(6)前記融合タンパク質をコードするDNAはCAGプロモーターの制御下におかれた、(1)〜(5)のいずれかに記載の非ヒト哺乳動物。
(7)(1)〜(6)のいずれかに記載の非ヒト哺乳動物と、疾患モデル動物との掛け合わせによって得られる、非ヒト哺乳動物。
(8)疾患モデル動物が、自閉症モデル動物または心疾患モデル動物である、(7)に記載の非ヒト哺乳動物。
(9)マウスである、(1)〜(8)のいずれかに記載の非ヒト哺乳動物。
(10)(1)〜(9)のいずれかに記載の非ヒト哺乳動物又は該非ヒト哺乳動物から得られる細胞、組織もしくは器官に被験物質を投与し、蛍光強度に基づいてATP濃度を測定することを特徴とする、ATPの測定方法。
(11)(10)に記載の方法によってATPを測定し、該測定結果に基づいて被験物質の薬効を評価することを特徴とする、薬剤のスクリーニングまたは薬効評価方法。
本発明の非ヒト哺乳動物は、例えば、マウス、ラット、ウサギ、ヤギ、ブタ、イヌ、ネコ、モルモット、ハムスター、ヒツジ、ウシ、マーモセットなどの任意の非ヒト哺乳動物であり得る。
εサブユニットは、上記ATP特異的に構造変化を生じうる部位を構成するアミノ酸配列を含むのであれば、天然型サブユニットであってもよいし、該天然型εサブユニットのアミノ酸配列において、1または数個、例えば、1〜5個のアミノ酸が、置換、欠失、挿入又は付加されていてもよい。例えば、εサブユニットとATPとの反応によるεタンパク質の構造変化を阻害しうる物質がεサブユニットに結合するのを防ぐために、アミノ酸の配列を一部置換してもよい。例えば、εサブユニットにおいて、他のサブユニットであるγサブユニットとの相互作用に必要な疎水的なアミノ酸残基(配列番号1ではVal20/Val42/Phe67/Leu78、配列番号2ではVal42/Phe67/Leu78)を、親水的なアミノ酸残基に置換することができる。また、配列番号3で示すように、野生型においてR122K/R126Kの変異を導入してもよい。
結合される2種類の蛍光タンパク質は、FRETにおけるドナー及びアクセプターとなりうる組み合わせからなる蛍光タンパク質であればよく、特に限定されない。ここにFRETとは、ドナーとアクセプターと呼ばれる2種類の蛍光物質が一定の距離以内に近づいた時に、ドナーが吸収した光エネルギーがアクセプターに移動することをいう。FRETの検出は、通常ドナーの励起波長を照射し、ドナー又はアクセプターの蛍光強度を測定することにより行う。ドナーの蛍光強度を測定する場合、2種類の蛍光タンパク質が近い位置にあるとアクセプターに光が吸収されるためにドナーの蛍光強度は低くなり、距離が離れると蛍光強度が高くなる。アクセプターの蛍光強度を測定する場合はその逆で、距離が近いと蛍光強度が強くなり、離れると強度が低くなる。
蛍光タンパク質は、一般的に使用されているものを用いることができる。具体的には、オワンクラゲ由来の緑色蛍光タンパク質に代表されるグリーンフルオレセントプロテイン(GFP)、GFPに種々の変異を導入し、蛍光の色を変化させたイエローフルオレセントプロテイン(YFP)やシアンフルオレセントプロテイン(CFP)、ブルーフルオレセントプロテイン(BFP)、あるいは珊瑚由来の赤色蛍光タンパク質であるレッドフルオレセントプロテイン(RFP)、クサビラオレンジプロテイン(KO)等が挙げられる。他にも、Nature Methods vol. 9, No. 10, 1005-1012 (2012)のTable 1に記載された蛍光タンパク質も使用できる。
蛍光タンパク質がFRETの機能を発揮するために、ドナー及びアクセプターの組み合わせとして、例えば、CFP及びYFP、BFP及びGFP、あるいはGFP及びRFPにより使用することができる。いずれがεサブユニットのアミノ末端側、カルボキシ末端側でもよい。これらの蛍光タンパク質は、市販のものを使用することができる。例えば、CFPとしてはInvitrogen社のCFPが、YFPとしてはInvitrogen社のYFPの他にEvrogen社のPhi-Yellowが、GFPとしてはClontech社のEGFPの他にEvrogen社のTag-GFPが、RFPとしてはClontech社のDsRed2-monomer、Evrogen社のHcRed-Tandemが使用可能である。
前記蛍光融合タンパク質をコードするDNAは非ヒト哺乳動物の細胞で機能し得るプロモーターの制御下で発現されることが好ましい。プロモーターとしては、β-アクチンプロモーター、CMVプロモーター、CAG(CAGGS)プロモーター等が例示されるが、発現効率の点ではCAG(CAGGS)プロモーターが特に好ましい。なお、プロモーターは時期特異的プロモーターや、組織特異的プロモーターであってもよい。
(a)蛍光融合タンパク質をコードするDNA構築物を含むターゲッティングベクターを非ヒト哺乳動物の胚性幹(ES)細胞に導入する工程
(b)蛍光融合タンパク質をコードするDNAが挿入された染色体を有するES細胞を選択する工程
(c)選択したES細胞を受精卵に導入する工程
(d)該受精卵を偽妊娠雌性非ヒト哺乳動物の卵管あるいは子宮に移植する工程
(e)該非ヒト哺乳動物を飼育し、産まれた仔から、生殖系列キメラを選択する工程
(f)該生殖系列キメラを交配させ、産まれた仔から、蛍光融合タンパク質をコードするDNAが挿入された染色体を有する個体を選択する工程
(g)(f)で得られた個体同士を交配させ、産まれた仔から、両方の相同染色体において、蛍光融合タンパク質をコードするDNAが挿入されたホモ接合体を選択する工程
ES細胞は、適切な条件下において、インビトロで移植前の胚を培養することによって得られる(Nature 292:154-156(1981);Nature 309:255-258(1984);Proc.Natl.Acad.Sci.USA 83:9065-9069(1986);およびNature 322:445-448(1986))。
また、db/dbマウスなどの糖尿病モデル動物や、p53/k-ras変異マウスなどの癌モデル動物や感染症モデル動物が例示されるが、これらには限定されない。
また、筋肉の細胞や組織を用いて運動からの回復能を調べることができるので、筋疾患への応用だけでなく、運動・スポーツ器機開発や食品・筋肉増強剤開発などにも利用可能である。
測定条件として、以下が考えられる。被験物質としては、ATPを含むものであれば良く、例えばATPを含む溶液、細胞などの生体試料、生体試料からATPを抽出したものなどが挙げられる。溶解緩衝液としては特に限定されないが、例えば蛍光物質の蛍光を最適な条件で発しうるpHのものを選択することができる。具体的には、YFPを蛍光物質として用いる場合は、YFPの蛍光は酸性側では減少するため、pH7以上の緩衝液を用いることが好ましい。反応温度は、蛍光タンパク質プローブが構造変化を起こしうる温度であればよく、例えば37±1℃や、25±1℃において測定することができる。反応時間についても適宜決定することができるが、好ましくは1分以上であり、タンパク質が失活しない程度の時間反応させることができる。反応には、適宜添加物を加えることができる。例えば0.05%の界面活性剤(TritonX100)もしくは1mg/mLウシ血清アルブミン(BSA)などを安定化の目的で加えることができる。被験試料に混在するマグネシウムの影響を避けるためには、例えばEDTAやEGTAなどのキレート剤を添加してもよい。
マウスROSA26 5' arm 1080bp (Ch6 113076036-113077116)にSplice acceptor, bgh pAの後にCAGGS, LoxP, pA, Neo (逆方向), MC1 (逆方向), STOP配列( SV40pA含む), LoxP, bgh pAを結合し、その後にROSA26 3' arm 4267bp (ch6 114900586-114904926)を結合し、その後にPGK promoter, DT-A, bgh pAをつなげた配列を持つpBlueScript(星野克明博士より供与)を利用した(以下ROSA26-CAG-STOPベクター)。
IiMOG-GA_pBS-APSベクターをNheI-XbaIで消化し、XbaIサイトはT4 DNA polymerase処理を行った。
これらを結合し、GO-ATeam1_ IiMOG-GAおよびGO-ATeam2_ IiMOG-GAを得た。
このGO-ATeam1_ IiMOG-GAおよびGO-ATeam2_ IiMOG-GAをSwaI消化した後、cDNAを含む断片を得て、AscI-NruI消化した後に、T4 DNA polymerase処理を行ったROSA26-CAG-STOPベクターとGeneArt(Invitrogen社)にて結合させてターゲティングベクターを得た。
Ateam (Adenosine 5'-Triphosphate indicator based on Epsilon subunit for Analytical Measurement)
GO-Ateam (GFP- and OFP-based ATeam)
GO-Ateam 1: Bacillus subtilis F0F1-ATP synthaseのεサブユニット(配列番号2)のN末側にGFP (cp173-mEGFP)を、C末側にOFP (mKOκ)を挿入したコンストラクト:シグナルを有さないので細胞質で発現する。
GO-Ateam 2: GO-Ateam 1のεsubunitにおいてR122K/R126Kとしたmutant(配列番号3):
シグナルを有さないので細胞質で発現する。
参考文献
Imamura et al., Pro N.A.S. 2009, 106, 15651-15656
Nakano et al., ACS Chem. Biol. 2011, 6, 709-715
Waldeck-Weiermair et al., PLoS ONE 7(9): e45917 2012
WO2008/117792
上記ターゲティングベクターをAsiSIで直線化した後、定法によりES細胞(C57/BL6×129hybrid)へ導入した後、遺伝子組換えが正確に起こったES細胞だけをネオマイシン耐性遺伝子, PCR法、Southern Blotting法により選択して、Creが発現した細胞のみでGO-ATeamが発現するようにしたES細胞を得た。常時GO-ATeamが発現するES細胞は上記ES細胞へCMV-Creベクターを導入することにより得た。
以上により、GO-ATeam1, GO-ATeam2が細胞質で発現するマウスを作出した。
上記で得られたGO-ATeam1及びGO-ATeam2可視化マウスの胎生13日胚からMEF細胞を取得し、培養した。
継代4代目を用いてglass coat dishへ播種した。MEF細胞をPermilization buffer (140mM KCl, 6mM NaCl, 0.1mM EGTA, 10mM HEPES pH7.4)でwashした後、α-Hemolycin(Sigma cat#H9395)をPermilization bufferで希釈して終濃度50μg/mlの中で37℃ 30分処理を行った。その後、MgATPを0mMから30mMの間で希釈したCalibration buffer (140mM KCl, 6mMNaCl, 0.5mM MgCl2, 10mM HEPES pH7.4)に馴染ませて、各ATP濃度時のGO-ATeam1及びGO-ATeam2が発する蛍光画像を共焦点顕微鏡にて取得した。共焦点顕微鏡は488nmのレーザーをexcitation DMとしてDM405/488を使用し、ダイクロイックミラーLM01-552で分光した後にBA505-540とBA575-675のフィルターにてGFP蛍光とKusabiraOrange蛍光を得た。得られた蛍光画像はMetamorphにてFRET Ratio値を計算することでFRET ratio値を得た。各ATP濃度と、その時に取るFRET ratio値をプロットすることでグラフを作成した。結果を図2に示す。
GO-ATeam1及びGO-ATeam2可視化マウス(メス)と野生型マウスを交配して受精卵を得た。受精卵はDMEM(Sigma)/10%FCS内にて回収し、受精後3日目まではM2 medium (sigma)内で37℃ 5%CO2にて培養した。観察は共焦点顕微鏡にてM2 medium (フェノールレッドなし)内で37℃ 5%CO2の条件下で上記と同じ方法にて画像を取得した。受精後4日目以降はM2 mediumの代わりにDMEM(sigma)/rat serum 50%を使用した。FRET ratio値も上記と同様に得た。
結果を図3〜6に示す。
各時期でのATP量を計測できた。またcytosol内でATP濃度分布に違いが見られた。1細胞期において核周囲でのATP量は他の部位と比較して低い。4細胞期においては、割球の接合部付近でのATP量は他の部位と比較して低い。また、5.5日胚と比較して、6.5日胚から胚性外胚葉でのATP量が上昇している事が分かる。また、7.5日胚ではnodeにおけるATP量が亢進している。
マウス胚で計測したATP量とルシフェラーゼ法を用いて計測したATP量に相関性があった。
マウス新生児・成体を気化麻酔下で開胸し、蛍光写真を得た。マウス脳は脱頭後に急性スライスを用いて約200nmのスライスを作成後に蛍光写真を得た。撮影は実体蛍光顕微鏡(ライカ社 M165 FC)を用いて、フィルターGFP3(励起波長ST470/40nm, 吸収波長 ET525/50nm), GFP/OFP(励起波長ET470/40, 吸収波長ET585/40)を利用して蛍光写真を得た。得られた蛍光画像はMetamorphにてFRET Ratio値を計算することでFRET ratio値を得た。結果を図7,8に示す。マウス成体内の臓器でATP量を測定するとルシフェラーゼ法での測定でATP量が高いと報告されている筋肉や心臓でATP値が高い事が分かった。
さらに、マウス成体(12ヶ月)脳の蛍光写真も得た(図9)。マウス脳内のATP量の計測を質量イメージングとGO-Ateam knock-in mouseとで比較したところ、GO-Ateam knock-in mouseを用いた方法は質量イメージング法よりも高解像度に経時的な変化を観察可能であることがわかった。
以上より、各臓器や脳の各部位でのATP量を計測できた。これまでLuciferase法やイメージ質量分析法で測定された値に近い値が得られた。また解像度は数百個の細胞毎で観察・計測されていたものが1細胞・subcelluarレベルでの解析が可能となった。
図13の低酸素処理(人工呼吸器にて呼吸させている時に人工呼吸器を停める事により実施)時には通常と比較して心房でのATP量の増減が消失する。また心室では増減が低下することがわかった。
図14の心筋梗塞(冠状動脈を結紮した後、5日後)を起こした心臓では梗塞部位の心室でのATPの低下が観察される。同時に梗塞部位以外での心室ではATP量が亢進している部位、通常より低下している部位が観察される。
また、図19では、1秒間に1回から3回までの異なる電気刺激(1pps(pulse/second), 2pps, 3pps)をかける事により筋収縮運動を起こした時の単離心筋細胞の面積(点線)とATP量(実線)の変化を示す。1pps, 2ppsでは電気パルスに併せて変化するが、3ppsでは電気パルスについていけずにいる。このように、パルスの強さによって単離心筋細胞の面積とATP量は異なった変化を示し、単離心筋細胞を用いてATP動態を測定することで心エネルギーに対するドラッグスクリーニングなどにも応用可能であることがわかった。
Claims (17)
- 融合タンパク質を発現する非ヒトトランスジェニック哺乳動物であって、
前記融合タンパク質が、ATP合成酵素のεサブユニットと、蛍光共鳴エネルギー移動のためのドナーおよびアクセプターとして2種類の蛍光タンパク質の組合せとを含み、
前記非ヒトトランスジェニック哺乳動物が、前記非ヒトトランスジェニック哺乳動物の染色体上のROSA26遺伝子座に挿入されている、前記融合タンパク質をコードするDNAを含み、
前記DNAがCAGプロモーター配列と作動可能に連結されている、前記非ヒトトランスジェニック哺乳動物。 - 前記εサブユニットが、配列番号1、2または3に記載のアミノ酸配列を含む、あるいは、配列番号1、2または3に記載のアミノ酸配列において1〜5個のアミノ酸置換、挿入または欠失を含むバリアント配列を含む、請求項1に記載の非ヒトトランスジェニック哺乳動物。
- 前記2種類の蛍光タンパク質の一方が前記εサブユニットのアミノ末端側に結合され、他方が前記εサブユニットのカルボキシ末端側に結合されている、請求項1または2に記載の非ヒトトランスジェニック哺乳動物。
- 前記2種類の蛍光タンパク質が、シアンフルオレセントプロテイン(CFP)、イエローフルオレセントプロテイン(YFP)、ブルーフルオレセントプロテイン(BFP)、グリーンフルオレセントプロテイン(GFP)、レッドフルオレセントプロテイン(RFP)およびオレンジフルオレセントプロテイン(OFP)からなる群より選択される2種類の組合せである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の非ヒトトランスジェニック哺乳動物。
- マウス、ラット、ウサギ、ヤギ、ブタ、イヌ、ネコ、モルモット、ハムスター、ヒツジ、ウシまたはマーモセットである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の非ヒトトランスジェニック哺乳動物。
- マウスである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の非ヒトトランスジェニック哺乳動物。
- 前記DNAが、Stop配列および少なくとも2つの標的配列を含み、
前記Stop配列は前記標的配列で挟まれるように配置され、
前記DNAにコードされた融合タンパク質は、前記標的配列を認識するリコンビナーゼにより前記Stop配列が除去された場合に発現する、請求項1〜6のいずれか一項に記載の非ヒトトランスジェニック哺乳動物。 - 前記標的配列が、loxP、lox71、lox66、lox511、lox2272、Vlox(VCre)、Slox(SCre)またはFRT配列である、請求項7に記載の非ヒトトランスジェニック哺乳動物。
- 前記Stop配列がSV40pA配列を含む、請求項7または8に記載の非ヒトトランスジェニック哺乳動物。
- 疾患モデル動物である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の非ヒトトランスジェニック哺乳動物。
- 前記疾患モデル動物が、自閉症モデル動物、糖尿病モデル動物、癌モデル動物、感染症モデル動物または心疾患モデル動物である、請求項10に記載の非ヒトトランスジェニック哺乳動物。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載の非ヒトトランスジェニック哺乳動物と疾患モデル動物とを交配させる工程を含む、非ヒトトランスジェニック哺乳動物の作出方法。
- 被験物質のATPレベルを改変する能力を評価する方法であって、
請求項1〜11のいずれか一項に記載の融合タンパク質を発現する非ヒトトランスジェニック哺乳動物または前記非ヒトトランスジェニック哺乳動物の細胞、組織もしくは器官と、被検物質とを接触させる工程;
前記融合タンパク質に由来する蛍光を測定する工程;および
測定した蛍光に基づいて、前記被験物質のATPレベルを改変する能力を評価する工程を含む、方法。 - 前記測定工程が、接触工程の前および後に蛍光を測定することを含み;および
前記評価工程が、前記接触工程前に測定した蛍光と、前記接触工程後に測定した蛍光とを比較することを含む、請求項13に記載の方法。 - ATPレベルの変化を測定する方法であって、
請求項1〜11のいずれか一項に記載の融合タンパク質を発現する非ヒトトランスジェニック哺乳動物またはその器官、組織、細胞もしくは細胞小器官における前記融合タンパク質に由来する蛍光を少なくとも1回測定する工程を含む、方法。 - 前記ATPレベルの変化が運動によって生じ、
測定した蛍光に基づいて、ATPレベルの変化からエネルギー代謝を評価する工程をさらに含む、請求項15に記載の方法。 - 前記ATPレベルの変化がATPレベルを改変し得る被験物質によって生じ、
測定した蛍光に基づいて、ATPレベルの変化から前記被検物質のATPレベルを改変する能力を評価する工程をさらに含む、請求項15に記載の方法。
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