JP6961494B2 - 匂い物質および芳香の受容体をスクリーニングするための細胞株 - Google Patents

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Description

本技術分野は、匂い物質および芳香の受容体、ならびに匂い物質および/もしくは芳香化合物またはそれらのモジュレーターの同定に使用することができるアッセイを対象とする。このアッセイはより具体的には、改善された匂い物質受容体活性を示す操作された細胞株を対象とする。
背景技術
匂いは、揮発性のフレーバーおよびフレグランス化合物と、嗅覚上皮組織の嗅覚受容体ニューロンの膜上に存在する匂い物質受容体(OR)タンパク質との間の相互作用を介して、末梢嗅覚系(すなわち鼻)において最初にコードされる。そのような相互作用は、匂いに特異的な組み合わせの様式で生じ、いずれかの単一のORが複数の匂い物質によって活性化されることができ、また反対に大半の匂い物質がいくつかの異なるORを活性化させることもできる。所与の匂い物質/芳香化合物または混合物について、これらの受容体相互作用は、脳内で神経生理学的シグナルを生成し、最終的に意識的な匂い知覚を生じさせる。ヒトゲノムにおけるおよそ400個のOR遺伝子は、数千またはそれを上回る匂い物質刺激によって活性化されることができ、我々が広範な嗅覚を知覚しうるのは、匂い物質と受容体との間の組み合わせの相互作用の固有の複雑さゆえである。これらの相互作用を解明することは、これらに限定されるわけではないが、例えば、不快な匂いの知覚を遮断する悪臭中和剤、非生分解性または有毒な化合物と置き換わる新たなフレーバーおよびフレグランス成分、ならびに天然源からの化合物の入手が困難であることへの我々の依存を制限することになる匂い増強体といった有益な生成物の発見につながる可能性がある。
ORコードを確実に解読するには、これに限定されるものではないが、例えば、細胞表面上にORを機能的に発現させうる新規の方法が必要である。OR活性の網羅的な特徴付けのための揮発性のフレーバーおよびフレグランス化合物のライブラリーを用いたハイスループットスクリーニングに適した非嗅覚系細胞(これに限定されるものではないが例えば、異種細胞株)においてORを機能的に発現させる方法が、さらに必要とされている。これによって、非常に望ましい悪臭中和剤、匂いモジュレーターおよび新規のフレーバーまたはフレグランス化合物の発見を著しく促進させることができよう。
嗅覚ニューロンに由来する特定のタンパク質は、非嗅覚系細胞株における匂い物質受容体の、細胞表面での局在を改善することができる。これらのタンパク質は、小胞体から細胞のゴルジ体および原形質膜への匂い物質受容体の輸送を助けることによって機能する。受容体輸送タンパク質1(RTP1)、受容体輸送タンパク質2(RTP2)および受容体発現促進タンパク質1(REEP1)は、匂い物質受容体の原形質膜での局在を改善し、したがって非嗅覚系細胞において機能することが報告されている。RTP1は、最も効果的な匂い物質受容体シャペロンであることが報告されている。このタンパク質は、部分的に、小胞体中の匂い物質受容体との相互作用によって作用することが示されている。したがって、匂い物質と匂い物質受容体との間の組み合わせの相互作用を網羅的に解明するには、ハイスループットスクリーニングに適しておりかつRTP1遺伝子を含む非嗅覚系細胞株が非常に望ましい。
内在性RTP1遺伝子座から遺伝子を安定的に発現させることにより、RTP1タンパク質(RTP1Sを含むがこれに限定されない)を一貫して生成する細胞株がさらに望ましい。しかし、内在性RTP1遺伝子を安定に発現する細胞株を開発するための現在の技術は、通常であれば遺伝子を発現しない培養細胞にDNAを挿入するための非効率的でかつ煩雑な分子生物学的アプローチを含む。したがって、安定した細胞株を開発するためのこのようなアプローチを回避し、かつ組換え方法を使用しなくても内在性RTP1の一貫した発現を可能にする技術を用いることが望ましい。
CRISPR/Cas9は、挿入および欠失のような正確なゲノム改変を生成するために使用される高効率のゲノム編集ツールである。例えば、CRISPR/Cas9の特定の使用によって、通常であれば細胞株においてサイレントでありうる遺伝子の発現が可能となる。遺伝子の上流に転写プロモーターを組み込むことによって、細胞株は、通常であれば不活性である内在性遺伝子を発現することができる。
発明の概要
細胞であって、前記細胞内に活性化された内在性RTP1遺伝子を含み、前記細胞はさらに、RTP1タンパク質を発現する細胞。
本明細書において、活性化された内在性RTP1遺伝子を含む、改善された匂い物質受容体機能を有する非嗅覚系細胞株が提供される。
本明細書において、細胞内に活性化された内在性RTP1遺伝子を含む非嗅覚系細胞株であって、さらに、RTP1タンパク質を発現する非嗅覚系細胞株が提供される。
さらに本明細書において、真核細胞において内在性RTP1遺伝子を活性化させるための方法であって、
a. 前記RTP1遺伝子の上流のゲノム標的部位に相補的なガイドRNAを導入すること、
b. 前記ガイドRNAとの複合体を作製するためにCasヌクレアーゼタンパク質を導入すること、および
c. 前記RTP1遺伝子のための遺伝子活性化エレメントを特異的に送達するために前記ガイドRNA/Cas9ゲノムターゲティング複合体を使用すること
を含む方法が提供される。
さらに本明細書において、非嗅覚系細胞において嗅覚受容体の活性を活性化、模倣、遮断、阻害、調節および/または増強する化合物を同定するための方法であって、前記細胞は、活性化された内在性RTP1遺伝子を含み、前記方法は、
a. 前記受容体またはそのキメラもしくは断片を、前記受容体を活性化、模倣、遮断、阻害、調節および/または増強する化合物と接触させること、ならびに
b. 前記化合物が前記受容体の活性に影響を及ぼすか否かを判断すること
をさらに含む方法が提供される。
図1に、内在性RTP1遺伝子座およびゲノム編集に使用される特定の標的部位の概略図を示す。 図2に、CMVプロモーター挿入プロセスの概略図を示す。 図3に、野生型および組換え型の対立遺伝子および対応する遺伝子型決定領域の概略図を示す。 図4に、操作された細胞株におけるCMVプロモーターの組み込みの特性解析を示す。 図5に、操作された細胞株におけるRTP1mRNA発現の特性解析を示す。 図6に、操作された細胞株におけるRTP1タンパク質発現の特性解析を示す。 図7に、増加する濃度のインドールの存在下でのマウス受容体Olfr741の用量反応曲線を示す。 図8に、増加する濃度のインドールの存在下でのマウス受容体Olfr742の用量反応曲線を示す。 図9に、増加する濃度のブルカノリドの存在下でのマウス受容体Olfr96の用量反応曲線を示す。 図10に、増加する濃度のブルカノリドの存在下でのヒト受容体OR11A1の用量反応曲線を示す。 図11に、増加する濃度のインドールの存在下でのマウス受容体Olfr740の用量反応曲線を示す。 図12に、増加する濃度のカルボン−(−)の存在下でのヒト受容体OR1A1の用量反応曲線を示す。
詳細な説明
本明細書中の説明および付属の特許請求の範囲に関して、「または」の使用は、他に記載がない限り「および/または」を意味する。同様に、「含む(comprise)」、「含む(comprises)」、「含む(comprising)」、「含む(include)」、「含む(includes)」および「含む(including)」は互換的であり、限定することを意図するものではない。
さらに、様々な実施形態の記載において「含む(comprising)」という用語が用いられる場合に、いくつかの特定の例においては、ある実施形態を、「実質的に〜からなる(consisting essentially of)」または「〜からなる(consisting of)」という言語を用いて代替的に記載しうることを当業者であれば理解するであろうということが理解されるべきである。
一実施形態において、匂い物質受容体をコードする核酸を含む細胞が提供される。
さらなる一実施形態において、Olfr741、Olfr742、Olfr96、Olfr740、OR1A1およびOR11A1からなる群から選択される匂い物質受容体をコードする核酸を含む細胞が提供される。
なおさらなる一実施形態において、内在性RTP1遺伝子座の上流に構成的プロモーターを含む細胞であって、それにより該プロモーターが該内在性RTP1遺伝子の発現を駆動する細胞が本明細書において提供される。
マウスの嗅覚ニューロンにおいて、RTP1転写物は、2つの択一的な翻訳開始部位を含み、これらは、長いバージョン(RTP1L)および短いバージョン(RTP1S)の2つの異なる形態のRTP1タンパク質をもたらしうる。しかし、マウスの嗅覚ニューロンで主に発現されるのは、RTP1Sタンパク質である。また、RTP1Sコード配列がRTP1L内に含まれていても、完全なRTP1コード配列を異種発現する非嗅覚系細胞(これに限定されるものではないが例えば、HEK293T)は、主にRTP1Lを発現する。しかし、RTP1Sは、細胞表面でのOR発現に関してRTP1Lよりも非常に優れていることが知られているため、非嗅覚系細胞における匂い物質受容体のスクリーニングにはRTP1Sが好ましい。我々は驚くべきことに、完全なRTP1遺伝子の内在的な活性化が、RTP1Sの発現を優先的にもたらすことを見出した。
さらなる一実施形態において、RTP1遺伝子の短いバージョンであるRTP1Sの発現を駆動する構成的プロモーターを内在性RTP1遺伝子座の上流に含む細胞が本明細書において提供される。
本明細書において、RTP1タンパク質の短いバージョンであるRTP1Sをさらに発現する、細胞内に活性化された内在性RTP1遺伝子を含む非嗅覚系細胞株が提供される。
なおさらなる一実施形態において、構成的プロモーターは、CMV、PGK、EF1aおよびSV40からなる群から選択される。
一実施形態において、プロモーターは、サイトメガロウイルスに由来するCMVである。
一実施形態において、本明細書において提供される細胞は、内在性RTP1遺伝子座の上流に誘導性プロモーターを含み、それによって、対応するオペレーターが存在する場合に、該プロモーターは、RTP1遺伝子の発現を駆動する。
さらなる一実施形態において、誘導性プロモーターは、テトラサイクリン(またはその類似体であるドキシサイクリン)の投与によって誘導可能なテトラサイクリン応答エレメント(TRE)プロモーターである。
一実施形態において、Casヌクレアーゼタンパク質は、Cas9タンパク質である。
さらなる一実施形態において、Cas9タンパク質は、Cas9、dCAs9(失活したCas9)およびCas9ニッカーゼからなる群から選択される。
一実施形態において、ガイドRNA(gRNA)配列は、従来技術による規則(Doench et al., Nat Biotech (2014))および効率的なゲノムターゲティングのための公開されているガイドRNA設計ツール(例えばwwws.blueheronbio.com/external/tools/gRNASrc.jsp)に基づいて設計されうる。Cas9により生成された特定の二本鎖DNA切断部の両側に800bpの長さで存在するホモロジーアームを使用することができる。内在性RTP1開始部位の前に望ましくない翻訳開始部位が存在することを避けるためには、CMVプロモーターの組み込み部位を慎重に検討することが有用である。
好ましくは、CRISPR/Cas9操作に使用される元の細胞株は、哺乳動物由来のものであり、かつRTP1遺伝子座を有するものであることが望ましい。そうした細胞株としては、これらに限定されるものではないが、例えば、HEK293、HEK293T、HeLa、CHO、OP6、HeLa−S3、HEKn、HEKa、PC−3、Calu1、HepG2、HeLaB、HeLaT4、COS、COS−1、COS−6、COS−M6A、BS−C−1サル腎臓上皮、BALB/3T3マウス胚線維芽細胞、3T3Swiss、3T3−L1、132−d5ヒト胎児線維芽細胞;10.1マウス線維芽細胞、293−T、3T3、BHK、BHK−21、BR293、BxPC3、C3H−10T1/2、C6/36、Cal−27、CHO−7、CHO−IR、CHO−K1、CHO−K2、CHO−T、CHO Dhfr−/−、COS−7、HL−60、LNCap、MCF−7、MCF−10A、MDCKII、SkBr3、ベロ細胞、不死化嗅覚細胞、不死化味覚細胞およびそれらのトランスジェニック変種が挙げられる。細胞株は、当業者に知られている様々な供給源より入手可能である(例えば、アメリカン・タイプ・カルチャー・コレクション(バージニア州マナサス)参照)。
したがっていくつかの実施形態において、安定な細胞株は、HEK293、HEK293T、HeLa、CHO、OP6、HeLa−S3、HEKn、HEKa、PC−3、Calu1、HepG2、HeLaB、HeLaT4、COS、COS−1、COS−6、COS−M6A、BS−C−1サル腎臓上皮、BALB/3T3マウス胚線維芽細胞、3T3Swiss、3T3−L1,132−d5ヒト胎児線維芽細胞;10.1マウス線維芽細胞、293−T、3T3、BHK、BHK−21、BR293、BxPC3、C3H−10T1/2、C6/36、Cal−27、CHO−7、CHO−IR、CHO−K1、CHO−K2、CHO−T、CHO Dhfr−/−、COS−7、HL−60、LNCap、MCF−7、MCF−10A、MDCKII、SkBr3、ベロ細胞、不死化嗅覚細胞、不死化味覚細胞およびそれらのトランスジェニック変種からなる群から選択される。
さらなる一実施形態において、ガイドRNA配列とCas9タンパク質との複合体によって、細胞に送達される該複合体に隣接する標的核酸配列を切断することができ、その際、前記方法は、CMVプロモーターを含むドナーDNAを細胞に導入することをさらに含む。
一実施形態において、ガイドRNA配列とCas9タンパク質との複合体によって、該ガイドRNA配列とCas9タンパク質との複合体に隣接する標的核酸配列を切断することができ、前記方法は、切断部位での細胞の相同組換え修復機構を通じてCMVプロモーターを含むドナーDNAを導入することをさらに含む。
さらなる一実施形態において、細胞株は、内在性RTP1遺伝子をCMVプロモーター下で安定に発現するように改変される。
さらなる一実施形態において、ドナーDNAはまた、抗生物質選択カセット(例えば、ピューロマイシン耐性遺伝子を含む)を含みうる。DNA送達後に抗生物質含有培地内での細胞の培養は、適切なDNAの組み込みを受けなかった細胞が排除されるため、有益であってよく、このようにして、耐性マーカー、したがってドナーDNA(例えば構成的プロモーターCMV)の望ましい組み込みを獲得した組換えクローン細胞集団を、効率的に選択することができる。そのような抗生物質耐性遺伝子はその後、フリッパーゼ酵素によって特異的に認識される隣接する「frt」部位を用いた該遺伝子の操作によって除去されうる。次いで、この酵素を細胞に送達することによってこのカセットが除去される。
一実施形態において、複合体は、ゲノム内の特定の位置を標的とし、DNAを切断する必要なくRTP1のような下流の内在性遺伝子を活性化させる転写因子をさらにリクルートすることによって機能する。これは、Cas9タンパク質を転写活性化ドメインに融合させて複合体を形成することによって行われ、その際この複合体は、標的核酸配列を切断することができない。この方法によって、ガイドRNAの指示によるCas9融合転写活性化ドメインのDNAターゲティングが(すなわちRTP1遺伝子の上流で)提供される。プロモーターの組み込みを可能にするためにDNAを切断する代わりに、これは、ゲノムを操作または改変する必要なく遺伝子を活性化させる転写因子を一時的に結合させてリクルートし、すなわちdという。このことは、例えばVP64、VPRおよびSAMなどの特定の転写因子のリクルートエレメントに融合されるdCas9と呼ばれる非活性化バージョンのCas9の使用によって行われることができ、また改変されたガイドRNA(例えば短縮型ガイドRNA)の使用によって行われることもできる。この融合タンパク質は、核酸を切断しない。
一実施形態において、本明細書において、嗅覚受容体をコードする核酸を細胞に導入することを含む方法が提供される。
さらなる一実施形態において、本明細書において、非嗅覚系細胞において嗅覚受容体の活性を活性化、模倣、遮断、阻害、調節および/または増強する化合物を同定するための方法であって、前記細胞は、活性化された内在性RTP1遺伝子を含み、前記方法は、
a. 前記受容体またはそのキメラもしくは断片を、前記受容体を活性化、模倣、遮断、阻害、調節および/または増強する化合物と接触させること、ならびに
b. 前記化合物が前記受容体の活性に影響を及ぼすか否かを判断すること
をさらに含む方法が提供される。
一実施形態において、嗅覚受容体は、ムスク受容体および悪臭受容体からなる群からのものである。
特定の一実施形態において、悪臭受容体は、スカトール受容体またはインドール受容体から選択される。
特定の一実施形態において、ムスク受容体は、多環状ムスク受容体およびニトロムスク受容体から選択される。
一実施形態において、匂い物質受容体をコードする核酸は、Golfタンパク質が実質的に存在しない状態で導入される。
一実施形態において、以下のステップが実行される。
1. (1)内在性RTP1ゲノム座の近傍に位置する所望のゲノムDNA組み込み部位に特異的な「ガイドRNA」をコードするDNA、および
(2)構成的に活性な転写プロモーターを含む、前記ゲノム座に組み込むべき「ドナーDNA」
を設計することを含むCRISPR/Cas9技術を用いて細胞株ゲノムを編集するステップ、
2. ステップ1で操作されたDNAを、哺乳動物の細胞株に導入するステップ、
3. 前記ドナーDNAが前記所望のゲノム座に組み込まれており、かつ前記内在性RTP1遺伝子の活性化によりRTP1 mRNAを生成する細胞株を選択するステップ、
4. 前記選択された細胞株に、匂い物質受容体DNA配列を導入するステップ、
5. 受容体またはキメラまたは断片を化合物と接触させ、該化合物が匂い物質受容体の活性に影響を及ぼすか否かのアッセイを行うステップ。
本明細書において提供される方法によって、細胞株を使用して、例えば化粧品用途および工業用途の匂い増強体および匂い遮断体(例えば、香料、香料増強体、フレーバー増強体、家庭用脱臭体および身体脱臭体)のような成分を見出すことが可能となる。新規な成分は、より好ましい香気性、毒性および生物分解性のプロフィールを提供することができ、かつ/またはより大きな効力を示すことができる。
したがって、本明細書に開示された方法のいずれか1つによって得られた非嗅覚系細胞において嗅覚受容体の活性を活性化、模倣、遮断、阻害、調節および/もしくは増強する化合物または化合物の混合物。
一実施形態において、通常のHEK293T細胞においてはサイレント(不活性)であるRTP1遺伝子を特異的かつ構成的に活性化させるためにCRISPR/Cas9を用いて、異種発現系における匂い物質受容体の増強された機能的発現が提供される。
定義
特に指定しない限り、以下の用語は、それらに与えられた意味を有する。
「内在性遺伝子」は、生物、組織または細胞内に由来する遺伝子を指す。
「機能的効果」という用語には、間接的または直接的に受容体の影響下にある任意のパラメーター、例えば機能的、物理的および化学的効果の判断が含まれる。これには、これらに限定されるものではないが例えば、リガンド結合、イオンフラックス、膜電位、電流、転写、Gタンパク質結合、GPCRリン酸化または脱リン酸化、シグナル伝達受容体−リガンド相互作用、セカンドメッセンジャー濃度(例えばcAMP、cGMP IP3または細胞内Ca2+)のインビトロ、インビボおよびエキソビボでの変化が含まれ、さらに、他の生理学的効果、例えば神経伝達物質またはホルモン放出の増加または減少も含まれる。
アッセイの文脈における「化合物が活性に影響を及ぼすか否かを判断する」という句は、間接的または直接的にORファミリーメンバーの影響下にあるパラメーター、例えば機能的、物理的および化学的な効果を増加または減少させる化合物についてのアッセイを指す。そのような機能的効果は、当業者に知られているいずれの手段によって測定することもでき、これらに限定されるものではないが、例えば、分光学的特性(例えば蛍光、吸光度、屈折率)、流体力学的特性(例えば形状)、クロマトグラフ特性または溶解特性の変化、パッチクランプ、電位感受性色素、全細胞電流、放射性同位体流出、誘導マーカー、卵母細胞OR遺伝子発現;組織培養細胞OR発現;OR遺伝子の転写活性化;リガンド結合アッセイ;電圧、膜電位およびコンダクタンスの変化;イオンフラックスアッセイ;細胞内セカンドメッセンジャー、例えばcAMP、cGMPおよびイノシトール三リン酸(IP3)の変化;細胞内カルシウムレベルの変化;神経伝達物質放出などによって測定することができる。
「発現ベクター」という用語は、本発明の核酸配列を、インビトロまたはインビボで、原核生物、酵母、真菌、植物、昆虫または哺乳動物の細胞を含むいずれかの細胞において構成的または誘導的に発現させる目的での、いずれの組換え発現系をも指す。この用語には、線状または環状の発現系が含まれる。この用語には、エピソームのままであるかまたは宿主細胞のゲノムに組み込まれた発現系が含まれる。この発現系は、自己複製能力を有することも有しないこともでき、すなわち、細胞内で一過性の発現のみを駆動することもできる。この用語には、組換え核酸の転写に必要な最低限の要素のみを含む組換え発現カセットが含まれる。
「宿主細胞」とは、発現ベクターを含み、かつ発現ベクターの複製または発現を支援する細胞を意味する。宿主細胞は、原核細胞、例えば大腸菌または真核細胞、例えば酵母、昆虫、両生類または哺乳動物の細胞、例えばCHO、HeLa、HEK−293など、例えば培養細胞、外植片および生体内細胞であることができる。
OR遺伝子またはタンパク質の「インヒビター」、「アクチベーター」、「カウンタラクタント」および「モジュレーター」は、嗅覚伝達についてインビボ、インビトロおよびインビボアッセイを用いて特定される阻害分子、活性化分子または調節分子を指すために互換的に用いられ、例えばリガンド、アゴニスト、アンタゴニスト、エンハンサー、並びにそれらのホモログおよび模倣物である。インヒビターとは、例えば、結合することによって刺激を部分的または完全に遮断し、活性化を減少、妨害、遅延させ、嗅覚伝達を不活化、脱感作または下方調節する化合物であり、例えばアンタゴニストである。アクチベーターとは、例えば、結合することによって活性化を刺激、増加、開放活性化、促進、増強させ、嗅覚伝達を感作または上方調節する化合物であり、例えばアゴニストである。モジュレーターには、例えば受容体と以下のものとの相互作用を変更する化合物が含まれる:アクチベーターまたはインヒビターに結合する細胞外タンパク質(例えば、匂い物質結合タンパク質および疎水性キャリアファミリーの他のメンバー);Gタンパク質;キナーゼ(例えば、受容体の不活性化および脱感作に関与するロドプシンキナーゼおよびβアドレナリン受容体キナーゼのホモログ);およびアレスチン(これもまた、受容体を不活性化および脱感作する)。モジュレーターには、ORファミリーメンバーの遺伝的に改変されたバージョン、例えば活性が改変されたバージョンならびに天然由来および合成のリガンド、アンタゴニスト、アゴニスト、低化学分子などが含まれうる。インヒビターおよびアクチベーターについてのそのようなアッセイには、例えば、細胞または細胞膜におけるORファミリーメンバーの発現、フレーバーもしくはフレグランス分子、例えばムスクもしくは悪臭の存在または不在下での推定モジュレーター化合物の適用、および次いで上記のような嗅覚伝達に対する機能的効果の判断が含まれる。潜在的なアクチベーター、インヒビターまたはモジュレーターを用いて処理されたORファミリーメンバーを含むサンプルまたはアッセイを、このインヒビター、アクチベーターまたはモジュレーターを含まない対照サンプルと比較することによって、調節の程度が調べられる。
「N末端ドメイン」領域は、N末端で始まり、最初の膜貫通領域の始点に近い領域まで延びる。7つの「膜貫通領域」を含む「膜貫通ドメイン」とは、原形質膜内に存在するORポリペプチドのドメインを指し、これには、対応する細胞質(細胞内)および細胞外のループも含まれうる。7つの膜貫通領域ならびに細胞外および細胞質のループは、Kyte & Doolittle, J. Mol. Biol., 157:105−32 (1982)またはStryerにおいて記載されているような標準的な方法を用いて特定することができる。膜貫通ドメインの一般的な二次および三次構造、特に嗅覚受容体のようなGタンパク質共役受容体の7つの膜貫通ドメインは、当技術分野で知られている。したがって、一次構造配列は、以下に詳細に説明するように、既知の膜貫通ドメイン配列に基づいて設計または予測されることができる。これらの膜貫通ドメインは、可溶性相および固相の双方でインビトロでのリガンド結合アッセイに有用である。
「核酸」または「核酸配列」という用語は、1本鎖または2本鎖のいずれかの形態のデオキシリボヌクレオチドまたはリボヌクレオチドオリゴヌクレオチドを指す。この用語には、天然のヌクレオチドの既知の類似体を含む核酸、すなわちオリゴヌクレオチドが包含される。またこの用語には、合成骨格を有する核酸様構造体も包含される。別段の記載がない限り、特定の核酸配列には、明示された配列以外に、その保存的に改変された変異体(例えば縮重コドン置換体)および相補的配列も暗に包含される。具体的には、縮重コドン置換体は、例えば1つもしくは複数の選択されたコドンの第3番目の位置が混合塩基および/またはデオキシイノシン残基で置換された配列の生成により達成されることができる。
匂い物質受容体、すなわち「OR」とは、嗅覚細胞において発現されるGタンパク質共役受容体のファミリーの1つまたは複数のメンバーを指す。嗅覚受容体細胞は、形態に基づいて、または嗅覚細胞において特異的に発現されるタンパク質の発現によっても同定されることができる。ORファミリーメンバーは、嗅覚伝達のための受容体として作用する能力を有しうる。
匂い物質受容体、すなわち「OR」の核酸は、「Gタンパク質共役受容体活性」を有する7つの膜貫通領域を有するGPCRのファミリーをコードし、例えば、それらは細胞外刺激に応答してGタンパク質に結合し、かつセカンドメッセンジャー、例えばIP3、cAMP、cGMPおよびCa2+の生成を、酵素、例えばホスホリパーゼCおよびアデニル酸シクラーゼの刺激を介して促進することができる。
「OR」のポリペプチドは、約1kbの長さの単一エクソンによりコードされる7回膜貫通型ドメインを有するGタンパク質共役型受容体スーパーファミリーに属し、特徴的な嗅覚受容体特異的アミノ酸モチーフを示すと考えられる。予測されるこれら7つのドメインは、「膜貫通型」または「TM」ドメインTM I〜TM VIIと呼ばれ、これらは、予測される3つの「細胞内ループ」すなわち「IC」ドメインIC I〜IC IIIおよび予測される3つの「細胞外ループ」すなわち「EC」ドメインEC I〜EC IIIにより連結される。これらのモチーフは、これらに限定されるものではないが、TM IIIおよびIC IIに重なるMAYDRYVAICモチーフ、IC IIIおよびTM VIに重なるFSTCSSHモチーフ、TM VIIにおけるPMLNPFIYモチーフ、ならびにEC IIにおける3つの保存されたC残基、ならびにTM Iにおける高度に保存されたGN残基の存在と定義される[Zhang and Firestein (2002), The Olfactory Receptor Gene Superfamily of the Mouse. Nature Neuroscience: 5(2):124−33; Malnic et al., The Human Olfactory Receptor Gene Family: PNAS: 101(8):2584−9]。
「ポリペプチド」、「ペプチド」および「タンパク質」という用語は、アミノ酸残基のポリマーを指すために本明細書において互換的に用いられる。これらの用語は、1つまたは複数のアミノ酸残基が対応する天然に存在するアミノ酸の人工的化学模倣体であるアミノ酸ポリマー、および天然に存在するアミノ酸ポリマー、および天然に存在しないアミノ酸ポリマーに適用される。「異種」という用語は、核酸の部分に関して使用する場合には、当該核酸が、自然では互いに同一の関係では見出されない2つ以上の部分配列を含むことを示す。例えば、核酸は典型的には組換えにより生成され、新たな機能的核酸を生成するために配置された無関係の遺伝子に由来する2つ以上の配列を有し、例えばある供給源からのプロモーターおよび他の供給源からのコード領域を有する。同様に、異種タンパク質とは、当該タンパク質が自然では互いに同一の関係では見出されない2つ以上の配列を含むこと(例えば、融合タンパク質)を示す。
「プロモーター」とは、核酸の転写を指示する核酸配列のアレイと定義される。本明細書で使用する場合、プロモーターには、転写の開始部位付近の必要な核酸配列が含まれ、ポリメラーゼII型プロモーターの場合にはTATAエレメントが含まれる。プロモーターには、必要に応じて、転写の開始部位から数千塩基対ほどの場所に位置しうる遠位のエンハンサーまたはリプレッサーエレメントも含まれる。「構成的」プロモーターとは、大半の環境および発生条件下で活性なプロモーターである。「誘導性」プロモーターとは、環境または発生の調節下で活性であるプロモーターである。
本明細書で使用する場合に、「組換え」とは、合成されたかもしくはさもなくばインビトロで操作されたポリヌクレオチド(例えば「組換えポリヌクレオチド」)、細胞もしくは他の生物学的系における遺伝子生成物の生成に組換えポリヌクレオチドを使用する方法、または組換えポリヌクレオチドによってコードされるポリペプチド(「組換えタンパク質」)を指す。「組換え手段」には、本発明のトランスロケーションドメインおよび本発明のプライマーを用いて増幅された核酸配列を含む融合タンパク質を発現させる、例えば誘導的または構成的に発現させるための発現カセットまたは発現ベクターへの、異なる供給源からの様々なコード領域またはドメインまたはプロモーター配列を有する核酸のライゲーションも含まれる。
本明細書において同定および/または使用される核酸およびアミノ酸配列を以下に列挙する。
Figure 0006961494
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実施例
以下の実施例は単なる例示であり、特許請求の範囲の限定も本明細書に記載の実施形態の限定も意図するものではない。
例1
HEK293T細胞において内在性RTP1遺伝子の構成的活性化を誘導するための、ゲノム編集戦略
異種発現系における匂い物質受容体の増強された機能的発現を生じさせるための戦略について説明する。CRISPR/Cas9と呼ばれる新たに利用可能となったゲノム編集の技術を利用して、通常のHEK293T細胞においてはサイレント(不活性)である内在性RTP1遺伝子を、そのコード配列の上流への構成的プロモーター(CMV)の導入によって特異的かつ構成的に活性化させる。図1)RTP1遺伝子は、3番染色体上に位置しており、その開始部位の周囲のDNA配列を示す。Cas9エンドヌクレアーゼは、標的に相同な20の塩基対(bp)のガイドRNA(gRNA)によって指示される。細胞への送達時に(GeneArt CRISPR Nuclease(CD4 enrichment)Vector Kit、製品番号A21175)、ガイドRNA分子およびCas9タンパク質は、コード配列の上流での所望の二本鎖DNA切断(DSB)を誘導する活性複合体を形成する。ボックスは、3番染色体上のRTP1遺伝子を示す(充填されたボックス、コード配列(CDS);開放したボックス、エクソン内の非翻訳領域(UTR))。RTP1遺伝子の上流の推定プロモーター領域は、HEK293T細胞において不活性である。それぞれ開始コドン(ATG)からの、位置−150と−131との間のガイドRNA標的配列(配列番号1)と、−153から−151までのProtospacer Adjacent Motif(PAM)とを示す。図1)三角形により示される、PAMモチーフから3bp離れたCas9ヌクレアーゼのためのDSB部位によって、ドナーDNA(配列番号2)の挿入が可能となる。図2)CMVプロモーター挿入プロセスの概略図を示す。上部の構成は、改変前のRTP1遺伝子座を示し、底部の概略図は、相同組換え修復(HDR)によりドナーDNAをDSB部位へと導いた後のRTP1座を示す。ドナーDNAは、5’ホモロジーアーム、FRT(フリッパーゼ認識標的)に隣接するピューロマイシン選択カセット、CMVプロモーターおよび3’ホモロジーアームから構成される。その後、真核細胞に固有の細胞HDR機構によって、RTP1遺伝子の上流へのCMVプロモーターの組み込みを得る。ピューロマイシン耐性選択カセット(Puro)およびCMV DNAに隣接する所望のエントリポイントのいずれかの側の配列に相同な2つのDNA配列を含むドナープラスミドを、HEK293T細胞に同時にトランスフェクトする。HDRの結果、RTP1コード配列の上流にPuroおよびCMVが導入される。その後、ピューロマイシン選択カセットを、フリッパーゼ酵素の使用により除去することができる。
例2
RTP1遺伝子を内在的に発現する改変された細胞株の選択
細胞株およびその完全性の改変の特性解析には、いくつかの制御ステップが役立つ。図3)に、野生型および組換え型の対立遺伝子の概略図を示す。灰色の線はそれぞれ、DNA遺伝子型決定に関するおよびRNA発現制御に関するPCRおよびRT−PCRの実験結果の相対的なアンプリコンの位置を示す(正確な縮尺ではない)。図4)ピューロマイシン耐性細胞株からゲノムDNAを抽出し、PCRを行って、組換えされていない野生型(WT)細胞株と改変型細胞株(Mod.)との判別を行う。PCR 1では、野生型HEK293T細胞のみにおいて2.0kbのバンドが増幅され、改変型細胞株においては増幅されない。この改変型株は、PCR 1により4.0kbのバンドを得るはずであったが、恐らくは長さおよびゲノム構造の複雑さゆえ、そうはならなかった。改変型細胞株についての遺伝子型決定の結果では、CMVプロモーターのホモ接合型の組み込みを示す2.0kbのバンドの生成に失敗した。示されているように、ドナーDNAの適切な組み込みを、PCR 2およびPCR 3を用いてさらに試験した。図5)mRNA抽出およびcDNA合成の後にRT−PCR実験を行うことにより、RTP1 mRNAが、改変型細胞株においては特異的に発現されるが、元のHEK293T細胞においては発現されないことが実証される。これによって、標的とされたゲノム座に組み込まれたCMVプロモーターが、RTP1遺伝子の発現を適切に駆動することが確認される。RT−PCRバンドの特異性を、増幅されたバンドの直接的な配列決定によって確認した。逆転写酵素陰性(RT−)およびGAPDH PCR条件はそれぞれ、汚染物であるゲノムDNAが存在していないことおよびいずれのサンプル中にもcDNAが存在することを示す。
例3
RTP1タンパク質発現の特性解析
選択された改変型細胞株におけるRTP1タンパク質発現を、RTP1特異的抗体を用いたウェスタンブロット分析によって調べた。長いタンパク質形態(RTP1L)および短いタンパク質形態(RTP1S)は、内在性RTP1遺伝子に由来することができる。本明細書に記載のゲノム改変戦略は、内在性コード配列のいかなる改変をも避けるために、RTP1L開始コドンの上流にCMVプロモーターを導入することを含んでおり、したがってRTP1Lが発現されることが予想された。しかし結果は、改変型細胞株が、RTP1Sの発現に大きく偏っていたことを示している。このことは、内在性RTP1遺伝子が、さらなるゲノム編集を行うことなく短いバージョンを優先的に表現することを示唆している。この短いバージョンは、匂い物質受容体の細胞表面発現をより良好に促進することが知られているため、好ましいバージョンである。図6)に、RTP1タンパク質のウェスタンブロットを示す。矢印は、RTP1Sの予想タンパク質サイズが25kDaであり、RTP1Lの予想タンパク質サイズが28kDaであり、対照タンパク質β−アクチンの予想タンパク質サイズが42kDaであることを示す。野生型HEK293T細胞株(WT)にはRTP1タンパク質が存在せず、改変型細胞株(Mod.)にはRTP1Sが存在することが示されている。驚くべきことに、RTP1Lに比べてRTP1Sについて、はるかに強いバンドを認めることができる。膜タンパク質の抽出物を、Mem−Per Plus膜タンパク質抽出キット(Pierce、製品番号89842)により調製した。サイズマーカーとして、Chameleon Duo Pre−stainedを使用した(LiCor、製品番号92860000)。以下の一次抗体を用いて標識を行った:ウサギ抗RTP1(Invitrogen、製品番号PA5−24028)およびマウス抗β−アクチン(Pierce、製品番号PIMA515739)。以下の二次抗体を用いて検出を行った:ヤギ抗ウサギ(LiCor、製品番号925−32211)およびヤギ抗マウス(LiCor、製品番号925−68070)。Odyssey CLx(LiCor)でイメージングを行った。
例4
改変型細胞株における複数の匂い物質受容体の機能的特性解析
改変型細胞株における匂い物質受容体の活性の機能的な増強のレベルを評価するために、機能的用量反応実験を行った。匂い物質受容体を、それらのN末端で、短いポリペプチド配列またはタグ[例えばFlag(配列番号15)、Rho(配列番号17;ウシロドプシン受容体の最初の20個のアミノ酸)またはLucy(配列番号19)]で修飾し、WT型HEK293T細胞または改変型HEK293T細胞において一過的に発現させ、匂い物質化合物で刺激して、各受容体の活性を判断した。図7および8)細胞ベースの匂い物質結合アッセイを用いて、インドールに対するOlfr741(配列番号4)およびOlfr742(配列番号6)の活性を、操作されたRTP1細胞株において試験し、RTP1タンパク質を発現しないHEK293Tと比較した。匂い物質受容体を、双方の細胞株にトランスフェクトし、増加する濃度のインドールに曝露した。HTRFベースのキット(CisBio、cAMP dynamic 2 kit、製品番号62AM4PEJ)を用いてサイトゾル内のcAMPの増加のレベルを測定することにより、匂い物質により誘発される活性を検出した。図9および10)同一の細胞ベースの匂い物質結合アッセイを用いて、ブルカノリドに対するOlfr96(配列番号8)およびOR11A1(配列番号10)の活性を、操作されたRTP1発現細胞株において試験し、RTP1タンパク質を発現しないHEK293Tと比較した。インドールに対するOlfr740(配列番号12)の活性についても、双方の細胞バックグラウンドにおいて試験した。受容体活性の用量依存的増加は、改変型RTP1細胞株においてはすべてのORについて記録されるが、RTP1を発現しない未改変型の対照細胞株においては記録されない。さらに、カルボン−(−)に対するOR1A1(配列番号14)の活性についても、双方の細胞バックグラウンドにおいて試験した。通常のHEK293TにおいてOR1A1が発現されうるにもかかわらず、RTP1を発現しない未改変型の対照細胞株と比較して、改変型RTP1細胞株において、受容体活性のより強力な用量依存的増加が記録される。

Claims (18)

  1. 内在性RTP1遺伝子座の上流のゲノム標的部位に導入されたドナーDNAを含む細胞であって、ドナーDNAがプロモーターを含み、プロモーターが、前記RTP1遺伝子の発現を駆動する、細胞。
  2. 非嗅覚系細胞である、請求項1記載の細胞。
  3. HEK293T細胞株に由来する、請求項2記載の細胞。
  4. 匂い物質受容体をコードする核酸をさらに含む、請求項1から3までのいずれか1項記載の細胞。
  5. 前記匂い物質受容体は、インドール匂い物質受容体、スカトール匂い物質受容体およびムスク匂い物質受容体からなる群から選択される、請求項4記載の細胞。
  6. 前記プロモーターは、CMVプロモーターである、請求項5記載の細胞。
  7. Casタンパク質を含む、請求項1から6までのいずれか1項記載の細胞。
  8. 真核細胞において内在性RTP1遺伝子を活性化させるための方法であって、
    a. 前記RTP1遺伝子の上流のゲノム標的部位に相補的なガイドRNAを導入すること、および
    b. 前記ガイドRNAとの複合体を作製して、ガイドRNA−Casタンパク質複合体を形成するために、Casヌクレアーゼタンパク質を導入すること
    を含み、プロモーターを含むドナーDNAを、内在性RTP1遺伝子座の上流のゲノム標的部位に導入することをさらに含み、ここで、前記プロモーターは、前記RTP1遺伝子の発現を駆動する、方法。
  9. 前記Casタンパク質は、Cas9タンパク質である、請求項8記載の方法。
  10. 前記Cas9タンパク質は、Cas9およびCas9ニッカーゼからなる群から選択される、請求項9記載の方法。
  11. 前記Casタンパク質は、Cas9である、請求項10記載の方法。
  12. 前記Casタンパク質は、Cas9ニッカーゼである、請求項10記載の方法。
  13. 前記ガイドRNA−Casタンパク質複合体によって、前記ガイドRNA配列に隣接する前記標的核酸配列を切断することをさらに含む、請求項8記載の方法。
  14. 匂い物質受容体をコードする核酸を前記細胞内に導入することをさらに含む、請求項8から13までのいずれか1項記載の方法。
  15. 非嗅覚系細胞において嗅覚受容体の活性を活性化、模倣、遮断、阻害、調節および/もしくは増強する化合物または化合物の混合物を同定するための方法であって、前記細胞は、内在性RTP1遺伝子座の上流のゲノム標的部位に導入されたドナーDNAを含み、ドナーDNAはプロモーターを含み、プロモーターは前記RTP1遺伝子の発現を駆動し、前記方法は、
    a. 前記受容体またはそのキメラもしくは断片を、前記受容体を活性化、模倣、遮断、阻害、調節および/もしくは増強する化合物または化合物の混合物とインビトロで接触させること、ならびに
    b. 前記化合物が前記受容体の活性に影響を及ぼすか否かを判断すること
    をさらに含む方法。
  16. 前記嗅覚受容体は、ムスク受容体および悪臭受容体からなる群からのものである、請求項15記載の方法。
  17. 前記悪臭受容体は、スカトール受容体またはインドール受容体から選択される、請求項16記載の方法。
  18. 前記ムスク受容体は、多環状ムスク受容体およびニトロムスク受容体から選択される、請求項16記載の方法。
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