JPH08509381A - Posttranscriptional regulation of genes by trace minerals - Google Patents

Posttranscriptional regulation of genes by trace minerals

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JPH08509381A JP7500723A JP50072395A JPH08509381A JP H08509381 A JPH08509381 A JP H08509381A JP 7500723 A JP7500723 A JP 7500723A JP 50072395 A JP50072395 A JP 50072395A JP H08509381 A JPH08509381 A JP H08509381A
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Abstract

(57)【要約】 異種ポリペプチドをエンコードする第1核酸、ここで前記第1核酸から転写されたmRNAの少なくとも1つのコドンはコドンUGAで置換されている、および前記第1配列に操作可能に連鎖された第2核酸、前記第2核酸はセレノシステインとして前記UGAコドンの翻訳を指令することができる、を含有する細胞を準備することを包含する、異種タンパク質のin vivoおよびin vitroの発現を調節する方法を記載する。   (57) [Summary] A first nucleic acid encoding a heterologous polypeptide, wherein at least one codon of the mRNA transcribed from said first nucleic acid has been replaced with codon UGA, and a second nucleic acid operably linked to said first sequence , Wherein the second nucleic acid is capable of directing translation of the UGA codon as selenocysteine, comprising the step of regulating the expression of a heterologous protein in vivo and in vitro. ..

Description

【発明の詳細な説明】 微量無機質による転写後の遺伝子の調節 発明の背景 本発明は、異種遺伝子の発現の転写後の制御に関する。 バイオテクノロジーの主要な目標の1つは、医学的および商業的に価値がある タンパク質をエンコードする遺伝子を、トランスフェクションされた遺伝子の発 現の制御を可能とする条件下に、細胞および動物の系の中に安定にトランスフェ クションすることである。今日まで、最も広く使用されている方法は、誘導性プ ロモーターの制御下に問題の遺伝子を配置することによって、転写レベルにおけ る遺伝子の発現を制御することを包含する。しかしながら、現在入手できる誘導 性プロモーターの大部分は非誘導条件下に有意なバックグラウンドのレベルの遺 伝子の生成を可能とし、こうしてこれらの方法の有用性を低いレベルのトランス フェクションされた遺伝子生成物が細胞に有意な作用をもたない応用にのみ制限 する。さらに、最も誘導性のプロモーターは誘導条件下に遺伝子の発現を制限さ れた増加(通常約3倍)のみを生成することができる。 さらに、現在の方法は遺伝子生成物を欠如する細胞の中に問題の遺伝子をトラ ンスフェクションすることを通常必要とする。なぜなら、天然の遺伝子生成物の 存在は評価が困難であるSN比をしばしば生じ、そしてトランスフェクションさ れた遺伝子生成物を検査する機能的アッセイの使用を妨害するからである。ある 場合において、遺伝子生成物を欠如する細胞が入手可能でないとき、トランスフ ェクションされた遺伝子から誘導されたタンパク質は、「エピトープの標識」ま たは「ペプチドのフラッグ」と呼ぶ、小さいアミノ酸 配列の付加により天然の細胞から示差的に同定することができる。しかしながら 、このアプローチは機能的タンパク質を必要としない応用にしばしば制限される 。なぜなら、付加されたペプチドの配列は、タンパク質の機能的活性のために必 須である、タンパク質のフォルディング、および転写後のプロセシングを包含す る、ある数のプロセスを妨害することがあるからである。 発明の要約 われわれは、ポリペプチドの中の1または2以上のアミノ酸の新規なアミノ酸 、セレノシステイン(SeCys)による置換を生ずるポリヌクレオチド配列の 変更が、翻訳のレベルにおける遺伝子の発現を制御する方法を提供すること発見 した。したがって、1つの面において、本発明は、(a)異種ポリペプチドをエ ンコードする第1核酸、ここで第1核酸から転写されたmRNAの少なくとも1 つのコドンはコドンUGAで置換されている、および第1配列に操作可能に連鎖 された第2核酸、第2核酸はセレノシステインとしてUGAコドンの翻訳を指令 することができる、を含有する細胞を準備し;、そして(b)異種ポリペプチド の生産が細胞に対して利用可能なセレンのレベルにより制御される条件下に、細 胞を増殖させる、ステップを包含する、真核細胞の中の異種ポリペプチドの生産 を制御する方法に関する。 本発明の方法は、細胞培養において維持することができる任意のタイプの真核 細胞においてin vitroで実施できる。好ましくは、細胞は真核細胞、例 えば、哺乳動物の組織培養細胞(例えば、COS−1、HL−60、CV−1、 C−6、LLC/PK−1、3T3L1またはCHO細胞)または酵母細胞、例 えば、サッカロミセス・セレビシアエ(Saccharomyces cere visiae )である。1つの好ましい態様において、使用する細胞は組換えポ リペプチドに対して実質的に相同性である天然のタンパク質を含有しない。しか しながら、このような細胞が入手可能でないか、あるいは相同性の天然のタンパ ク質を含有する細胞に比較して実質的に欠点を有する場合において、組換えポリ ペプチドは、セレノシステイン残基の存在による親核試薬に対する組換えポリペ プチドの反応性の増加によるか、あるいは放射性同位元素75Seを使用する放射 性標識化により、天然のタンパク質と区別することができる。 記第1核酸および第2核酸は、細胞の中で自律的に複製することができる組換 えベクターの中に細胞において導入しそして維持することができるか、あるいは 標準の技術に従い細胞のゲノムの中に安定に組込むことができる。異種ポリペプ チドの生成は、細胞を培養する培地の中の微量の無機質、セレンの量により制御 される。ポリペプチドの発現を阻害することが望ましい場合、利用可能なセレン を実質的に欠如する、すなわち、培地の中のセレンの濃度が1ng/mlより低 い、好ましくは0.1ng/mlより低い培地の中で細胞は維持される。異種ポ リペプチドの発現を誘導するためには、細胞培地は典型的には1〜50ng/m l、好ましくは2〜40ng/ml、最も好ましくは5〜25ng/mlを含有 する。 あるいは、本発明の方法は、第1核酸および第2核酸を非ヒト哺乳動物から誘 導された胚細胞のゲノムの中に安定に組込み、そして非ヒト哺乳動物のトランス ジェニック子孫を得ることによって、in vivoで実施することができる。 「トランスジェニック」は、ここにおいて使用するとき、人工的に細胞の中に挿 入され、そしてその細胞から発育する動物のゲノムの一部分となるDNA配列を 含む哺乳動物を意味する。このようなトランスジーンはトランスジ ェニック動物に対して部分的にまたは完全に異種であることができる。トランス ジェニック技術により生産できる非ヒト哺乳動物は本発明に包含される;好まし い哺乳動物は、マウスに加えて、ラット、雌牛、ブタ、ヒツジ、ヤギ、ウサギ、 モルモット、ハムスター、およびウマを包含する。「胚細胞」は、ここにおいて 使用するとき、胚の幹(ES)細胞および受精した卵母細胞を包含する。受精し た卵母細胞の場合において、トランスジェニック誘導の好ましい方法はマイクロ インジェクションによるが、ES細胞について、好ましい方法はエレクトロポレ ーションである。しかしながら、ウイルスの送り出し系、例えば、レトロウイル スの感染、またはリポソームの融合を包含する他の方法を使用することができる 。胚細胞の中へのトランスジーンの導入後、細胞を偽妊娠の雌の中に導入し、そ してトランスジーンについてヘテロ接合である子孫を得る。次いで、ヘテロ接合 の動物の安定な系統はもとの動物系統への適当な戻し交雑により維持することが できるか、あるいはヘテロ接合の子孫を交配させてホモ接合の動物を得ることが できる。異種ポリペプチドの発現を阻害しようとするとき、トランスジェニック 動物を0.02mg/kgの食物より少なくを含有する食事で維持し、そして発 現の誘導は0.1mg/kgまたはそれより高い濃度にセレンを食事に補充する ことによって開始される。 第1核酸によりエンコードされるポリペプチドは、ヌクレオチド配列が知られ ている任意の所望のポリペプチドであることができる。ポリペプチドを修飾して セレノシステインのアミノ酸残基を組込む方法はよく知られており、そしてここ に記載する。好ましくは、セレノシステイン残基は、天然に見出されるタンパク 質の通常の生物学的活性を壊滅しないポリペプチドの中の位置におけるアミノ酸 、例えば、非必須アミノ酸と置換される。このようなアミノ酸は当 業者によく知られている手段により同定することができ、そしてタンパク質の触 媒または結合の活性に関係しない位置(例えば、突然変異の分析により決定する )、あるいはポリペプチドの構造的完全性のために重要であると考えられる位置 (例えば、コンピューターの分析または結晶学により予測される)において通常 存在するであろう。最も頻繁には、セレノシステインは通常システイン残基を有 するポリペプチドの中の位置に挿入されるであろう。 好ましい態様において、第2核酸はそれから転写されたmRNAの中でステム −ループ二次構造を形成することができるヌクレオチドの隣接する配列を含み、 ここでmRNAにより形成されたステム−ループはセレノシステインとして前記 UGAの翻訳を指令することができる。1つの好ましい態様において、第2核酸 は天然に見出される哺乳動物のセレノシステインをエンコードする遺伝子の3’ −非翻訳領域からほぼ90の隣接するヌクレオチドから誘導される。例えば、第 2核酸は、第8図に示すヒトセレノシステイン、グルタチオンペルオキシダーゼ のヌクレオチド654−740に対して実質的に相同性のヌクレオチド配列を含 む。他の好ましい態様において、第2核酸は合成的に誘導され、そしてステム− ループの先端においてループの中に配列5’−NAAAUNNUAAAN−3’ を含有するステム−ループを形成することができ、そしてステムはバブルを形成 する少なくとも12、好ましくは少なくとも14の非相補的ヌクレオチドを含有 し、ここでバブルはその各半分に対して対称的に対向する配列5’−NUAGU N−3’を含有する;好ましくは、ステム−ループはほぼ80のヌクレオチドを 含有し、バブルはステムの塩基からほぼ17ヌクレオチドに配置されており、そ してループはステム−ループ構造の先端においてバブルからほぼ11ヌクレオチ ドに配置されている。 したがって、本発明は、また、ステム−ループ二次構造を形成できるヌクレオ チドの隣接する伸張を含んでなる一本鎖核酸に関し、ステム−ループのループは 配列5’−NAAAUNNUAAAN−3’を含み、そしてステムはバブルを形 成する少なくとも12、好ましくは少なくとも14の非相補的ヌクレオチドを含 み、ここでバブルはその各半分に対して対称的に対向する配列5’−NUAGU N−3’を含有する。核酸はUGAコドンを含有するmRNA分子に操作的に連 鎖されているとき、セレノシステインとしてコドン、UGAの翻訳を指令するこ とができる。好ましくは、ステム−ループの核酸はほぼ90のヌクレオチドを含 有し、バブルはステムの塩基からほぼ17ヌクレオチドに位置し、そしてループ はステム−ループ構造の先端においてバブルからほぼ11ヌクレオチドに位置す る。また、好ましくは、バブルの各半分はほぼ7ヌクレオチドであり、そしてル ープはほぼ12ヌクレオチドを含有する。 また、本発明は本発明の一本鎖核酸をエンコードするDNAを含有する二本鎖 核酸に関する。 「異種」核酸とは、それを導入する細胞または動物に対して部分的または完全 に外来である核酸を意味するか、あるいは異種タンパク質が少なくとも1つのア ミノ酸において置換されたセレノシステインを含有する以外、細胞または動物の 内因性遺伝子に対して相同性である核酸を意味する。 用語「操作的に連鎖された」は、ここにおいて使用するとき、ステム−ループ 二次構造を形成するヌクレオチドの隣接する伸張がタンパク質をエンコードする 核酸と十分に近位に存在して、セレノシステインとして翻訳されるべきタンパク 質の中のUGAコドンの翻訳を可能とすることを意味する。好ましくは、ステム −ループはポリペプチドをエンコードするmRNA分子の3’−非翻訳領域の中 に;好ましくはUGAコドンの2000ヌクレオチド内に、より好ましくは40 0〜1500ヌクレオチド内に、最も好ましくは500〜1200ヌクレオチド 内に挿入される。 「機能的に活性」は、天然に見出されるタンパク質の特徴を示す、任意のin vivoまたはin vitroの活性のプロセシングを意味する。 「相同性」とは、ここにおいて使用するとき、2つのポリペプチド分子または 2つの核酸分子の間の配列の類似性を意味する。2つの比較した配列の両方の中 の位置が同一のヌクレオチド塩基またはアミノ酸のサブユニットにより占有され ているとき、分子はその位置として相同性である。こうして、「実質的に相同性 」とは、完全にではないが、ほとんど相同性であるヌクレオチドまたはアミノ酸 の配列を意味する。 「異種」核酸とは、それがトランスフェクションされる動物に対して部分的ま たは完全に外来である核酸を意味するか、あるいはトランスジェニック動物の内 因性遺伝子に対して相同性であるが、天然の遺伝子のそれと異なる位置において 動物のゲノムの中に挿入される核酸を意味する。 特記しない限り、ここにおいて使用するすべての技術用語および科学用語は、 本発明が属する当業者の1人により普通に理解されるとの同一の意味を有する。 ここに記載するものに類似するか、あるいはそれらに等しい方法および物質を本 発明の実施および試験において使用できるが、好ましい方法および物質をここで 記載する。後述するすべての刊行物はここに引用によって加える。さらに、物質 、方法および実施例は例示のみでありそして限定的であることを意図しない。 本発明の方法は、遺伝子の発現の現在使用されている方法を越え たいくつかの利点を提供する。第1に、ポリペプチド配列の中へのSeCysの 置換は絶対的にセレンの供給に依存し、こうして翻訳のレベルにおいてトランス フェクションされた遺伝子生成物の量の事実上絶対的制御を可能とする。第2に 、SeCysはアミノ酸残基Cysの生物学的性質のすべてを有し、こうしてC ysとのSeCysの置換は、トランスフェクションされた遺伝子生成物の通常 の生物学的活性を有意に変更しない。第3に、SeCysを含有するトランスフ ェクションされた遺伝子生成物は、その親核試薬に向かう増強された反応性によ るか、あるいは75Seの取り込みにより、天然の細胞タンパク質と容易に区別す ることができる。 本発明の他の特徴および利点は、次の詳細な説明および請求の範囲から明らか であろう。 詳細な説明 図面を最初に簡単に説明する。図面 第1A図は、ヒト細胞のグルタチオンペルオキシダーゼcDNA構成体の略線 図である。オープンリーディングフレーム(ORF)および3’UTRは幅広の バーにより示されている;プラスミドおよび5’UTRはフランキング線により 示されている。ヌクレオチドの番号はオープンリーディングフレームの開始にお いて出発する;ATG開始コドンはnt1−3に存在し、TGAセレノシステイ ンコドンはnt142−144に存在し、そしてTAG終止コドンはnt607 −609に存在する。矢印は制限エンドヌクレアーゼ部位の位置を示す。線図の 下の線は示した欠失の位置を表す。線図の下のハッチングを施したバーは、エピ トープの標識化配列が挿入された位置、および置換されたcDNAの領域を示す 。 第1B図は、ヒトGpx mRNAのコーディング領域におけるUGA142セ レノシステインコドンの直ぐ下流の潜在的二次構造の略線図であり、そして欠失 ORF−D1、ORF−D2、ORF−D3、およびORF−D4の位置を図解 する。 第1C図は、ヒトGpx mRNAのコーディング領域における別の潜在的二 次構造の略線図であり、ここでUGA142セレノシステインコドンはヘアピン構 造内に存在する。欠失ORF−D5が、また、示されている。 第2A図は、pCMV4(レーン1)、天然のGPx(レーン2)、または欠 失突然変異体ORF−D1〜ORF−D4(それぞれ、レーン3〜6)を使用す るトランスフェクション後の、免疫沈澱した75Se標識化COS−1細胞抽出物 のSDS−ポリアクリルアミドゲルのオートラジオグラフである。 第2B図は、pCMV4ベクター(レーン1)、天然のGPx(レーン2)、 または欠失突然変異体ORF−D5(レーン3)を使用するトランスフェクショ ン後の、免疫沈澱した75Se標識化COS−1細胞抽出物のSDS−ポリアクリ ルアミドゲルのオートラジオグラフである。 第3図は、pCMV4ベクター(レーン1)、エピトープ標識化GPx(レー ン2)、または欠失突然変異体UTR−D1〜UTR−D3(それぞれ、レーン 3〜5)を使用するトランスフェクション後の、免疫沈澱した75Se標識化CO S−1細胞抽出物のSDS−ポリアクリルアミドゲルのオートラジオグラフであ る。 第4図は、pCMV4ベクター(レーン1)、エピトープ標識化GPx(レー ン2)、欠失突然変異体UTR−D4(レーン3)、または欠失突然変異体UT R−D5(レーン4)を使用するトランスフェクション後の、免疫沈澱した75S e標識化COS−1細胞抽 出物のSDS−ポリアクリルアミドゲルのオートラジオグラフである。 第5図は、ヒトGpx mRNAの3’UTRの潜在的二次構造の略線図であ る。 第6図は、標識化リボプローブを使用するRNアーゼ保護アッセイの生成物の ポリアクリルアミドゲルのオートラジオグラフである。レーン1、未消化のプロ ーブ;レーン2、未トランスフェクションのCOS−1細胞からのRNAとハイ ブリダイゼーションしたプローブ;レーン3、エピトープ標識化GPx COS −1トランスフェクション体とハイブリダイゼーションしたプローブ;レーン4 、UTR−D4 COS−1トランスフェクション体とハイブリダイゼーション したプローブ;レーン5、UTR−D5 COS−1トランスフェクション体と ハイブリダイゼーションしたプローブ。 第7図は、rab5bオパール突然変異体および融合構成体でトランスフェク ションした免疫沈澱した35S標識化(レーン1〜4)および75Se標識化(レー ン5〜8)COS−1細胞のSDS−ポリアクリルアミドゲルのオートラジオグ ラフである。レーン1および5、pCMV4ベクター;レーン2および6、ra b5b(オパール)GPx3’UTR;レーン3および7、rab5b(オパー ル);レーン4および8、rab5b(wt)GPx5’UTR。 第8図は、3’UTRを含むヒトグルタチオンペルオキシダーゼのヌクレオチ ド配列を描写する。 第9図は、「最適化」セレノシステイン挿入配列(SECIS)の配列および 二次構造を描写する。セレノシステイン 細菌のホルメートデヒドロゲナーゼ、哺乳動物グルタチオンペルオキシダーゼ (GPx)ファミリー(Mullenbachら、N ucleic Acids Res.15:5484、1987;Chambu sら、EMBO J.:1221、1986;Esworthyら、Arch .Biochem.Biophys.286:330、1991;Takaha siら、Blood 68:640、1986)、I型ヨードチロニン5’脱ヨ ード酵素(Berryら(1991)Nature 349:438−440) 、およびセレノタンパク質P(Readら(1990)J.Biol.Chem .265、17899−17905)を包含する、小さい数の真核性および原核 性タンパク質は、異常なセレノシステインを含有する独特な群のポリペプチドに 属する。セレノタンパク質の生産は、外因性セレンのレベルにより厳格に調節さ れることが報告された。例えば、Knightら(J.Nutr.117:73 2、1987)は、グルタチオンペルオキシダーゼの活性はセレンが欠如する食 事(≦0.02ppm、0.016mg/kg)を与えたラットにおいて検出不 可能なレベルに減少することを報告した。Chanoineら(Endocri nology 131:1787、1992)は、また、セレンを欠如する食事 を6週間を与えたラットがI型およびII型の両方の5’−脱ヨード酵素のレベ ルの有意な減少を有する(≦20%の正常)ことを報告した。Speierら( J.Biol.Chem.260:8951、1985)は、in vitro において、グルタチオンペルオキシダーゼ活性は1ng/mlより大きい培地セ レン濃度に依存し、最適な活性は5ng/mlのセレン酸ナトリウム(2.6× 10-8M)において観察されたが、Seを補充しない培地の中で増殖した細胞は グルタチオンペルオキシダーゼに欠如するようになり、Se補充細胞の活性のわ ずかに1〜3%をもつことを証明した。Chadaら(Blood 74:25 35、1989)およびChuら(Nu cleic Acids Res.18:1531、1990)は、また、セレ ン欠如細胞とセレン充満細胞との間のグルタチオンペルオキシダーゼ活性の30 〜50倍の差を報告した。 外因性セレンによるセレノタンパク質の生産の制御は、UGAコドンにおける 反翻訳的なセレノシステインの取り込みによる転写後 ds Biochem.Sci.16、463−467)、このUGAコドンは 通常適当なUCAアンチコドンを含有する独特なセレノシステイン供給tRNA の利用を通して、転写停止コドンとして作用する(Hawkesら(1982) Biochim.Biophys.Acta 699、183−191;Lee ら(1989)J.Biol.Chem.264、9724−9727)。こう して、セレノタンパク質の調節は、mRNA UGAコドンにおける翻訳プロセ スの制御により進行する可能性が最も強い。セレノシステイル−tRNAの中に 取り込まれたセレンは翻訳の読み過ごしを可能とするであろうが、セレンの不存 在下には、セレノシステインtRNAはアシル化されないままであり、次いでU GAコドンは翻訳を停止する機能をするであろう。 セレノシステインの取り込みのためのUGAコドンの使用の最初の同定以来、 この「延長された遺伝暗号」の解釈における重要問題は、リボソーム翻訳集合が 他のmRNA種における終止UGAコドンからのセレノシステインmRNAのオ ープンリーディングフレームにおける特別のUGAコドンをどのように識別する かである。 セレノシステインとしてUGAの翻訳をシグナルするために必要かつ十分な要 素のすべてを同定するために、われわれはヒトセレノシステイン、グルタチオン ペルオキシダーゼをエンコードする遺伝子のオープンリーディングフレームおよ び3’−非翻訳領域(3’ UTR)の両方からの配列の機能的重要性を、グルタチオンペルオキシダーゼお よび無関係の非セレノタンパク質の両方におけるセレノシステインの取り込みに ついて分析した。GPxおよびrab5bサブクローンの構成 ベクターpBluescript KS(ストラタジーン[Stratage ne])におけるGPxサブクローンGPxRを、すべてのGPx欠失サブクロ ーンを構成するための共通の鋳型として使用した。それは同一ベクターの中のG PX1 cDNA(Chuら(1990)Nucleic Acids Res .18、1531−1539)の向きの逆転により誘導された。このクローンの DNAの配列決定(「シクエナーゼ(Sequenase)」キット[US B iochemical]を使用する標準のジデオキシ配列決定技術による)は、 従来報告されたコドン11(GCC)(Mullenbach(1987)Nu cleic AcidsRes.15、5484;Chadaら(1990)G enomics 、268−271)、およびわれわれが報告したコドン92 CTG(Chadaら(1990)Genomics 、268−271) の直ぐ上流に、Mullenbachらが観察したCAG(Mullenbac h(1987)Nucleic Acids Res.15、5484)(遺伝 子バンク受け入れ番号Y00369およびM21304)の代わりに、1つの追 加のGCGコドンを示した。後者の挿入は、われわれが他の通常のGPX1配列 において観察した多形性である。 特記しない限り、GPx欠失サブクローンは標準の方法(Hoら(1989) Gene 77、51−59)に従いオーバーラップ延長ポリメラーゼ連鎖反応 (PCR)により、パーキン−エルマー・セツス(Perkin−Elmer Cetus)サーマル・サ イクラー(thermal cycler)および試薬を使用して構成した。こ のPCR法は、最終生成物の大きさを定める2つのフランキングプライマーおよ び標的配列の中の所望の突然変異を指令する2つの相互に相補性のプライマーを 必要とした。フランキングプライマーおよび相補性の突然変異誘発プライマーの 各対の1つの配列を表1に列挙する。最終のPCR生成物をpBluescri pt KSの中に挿入し戻し、そして配列を標準の方法により確証した。次いで 、各突然変異GPx配列を真核性発現ベクターpCMV4(Andersonら (1989)J.Biol.Chem.264、8222−8229)の中に、 後述するようにCOS−1細胞の中へのトランスフェクションのために、サブク ローニングした。 GPxの「エピトープの標識化」は、GPxのオープンリーディングフレーム の最初の12ヌクレオチド(nt)をATG開始コドンをエンコードする30n t配列および引き続くヒトインフルエンザ血球凝集素タンパク質の9アミノ酸の エピトープをエンコードする27塩基(Chadaら(1989)Blood 74、2535−2541)と置換することによって実施した(第1図に図解す るように)。表1に列挙する2つのオリゴヌクレオチドをアニーリングし、次い で生ずる短い二本鎖の断片をGPx野生型またはpBluescript KS および/またはpCMV4の中の突然変異サブクローンの中にClaIおよびN heI制限部位を介して挿入した。この方法において、GPxのアミノ酸2〜4 が欠失され、野生型GPxより6アミノ酸残基の正味の増加を有するエピトープ 標識化「GPxEPI」を生成した。このエピトープに対するウサギ抗血清は入 手可能であったが、標識化GPx分子へのその結合はGPxペプチド配列に対す る抗血清よりも非常に低かったので、後者を標識化GPx分子の検出のためにな お使用した。 3’UTR配列が部分的または完全に欠失されたGPxサブクローンを普通の DNA組換え技術により構成した。簡単に述べると、pBluescript KSの中のエピトープ標識化GPxサブクローンGPxEPIからの250nt のAvrII−SpeI断片の除去および引き続く残りの大きい断片の再結合に より、全体のGPx3’UTRが欠失された、サブクローンUTR−D3を構成 した。AvrII−XhoI断片の除去および引き続く、プラスミドXhoI部 位が排除されたGPxEPI含有pBluescript KSからのGPx3 ’UTRの中の残りの大きい断片の再結合により、サブクローンUTR−D2を 構成した。pBluescript KSの中の構成体GPxEPIから除去し た、粘着Cl aIおよび末端充填XhoIの末端をもつGPxEPI含有断片を、ClaIお よびSmaIポリリンカー制限部位を介して発現ベクターpCMV4の中に挿入 することによって、サブクローンUTR−D1を得た。 オーバーラップ伸長PCR法を、また、使用してRas関係GTPアーゼ上科 の1構成員をエンコードする、rab5b遺伝子の突然変異および融合サブクロ ーンを構成した(Wilsonら(1992)J.Clin.Invest. 、996−1005)。1.6Kbのrab5b cDNAクローンを有する プラスミドpMT2をD.B.Wilson(ハーバード医学学校(Herva rd Medical School)、マサチュセッツ州ボストン)から入手 した。構成体rab5b(オパール)GPx3’UTRは、GPx3’UTR配 列と融合した、コドン63におけるオパール(UGA)突然変異をもつrab5 bコーディング領域の融合生成物を含有した。フランキングおよび突然変異誘発 プライマーのオリゴヌクレオチド配列を表1に列挙する。3’PCRフランキン グプライマーは、天然のrab5bTGA終止コドンの除去、およびそのTAG 停止コドンを含む、GPxオープンリーディングフレームの少なくとも3コドン の置換を生じた。pBluescript KSの中の天然のGPxRクローン のClaI−AvrII二重消化から誘導された全体のGPx3’UTRを含有 するpBluescript KS構成体の中に、生ずるrab5b(オパール )突然変異体を挿入した。次いで、遺伝子融合生成物を前述したようにpCMV 4の中にサブクローニングした。また、同一の戦略を使用してrab5b(WT )GPx3’UTR構成したが、ただし、この場合において、フランキングプラ イマーのみを使用して普通のPCRを適用し、そして融合生成物(WT、すなわ ち、オパール 突然変異を含まない野生型)をpCMV4の中に挿入した。GPx3’UTRが AvrII−EcoRI断片として欠失した、rab5b(オパール)GPx3 ’UTRサブクローンとrab5b3’UTR配列のほぼ900ntのNheI −EcoRI断片を融合することによって、天然のrab5b3’UTRを除い てコーディング領域のオパール突然変異を含有する構成体rab5b(オパール )を構成した。次いで、生ずるrab5b(オパール)配列を上のようにしてp CMV4の中に挿入した。COS−1細胞のトランスフェクション、標識化、および溶解 変更されたリン酸カルシウム仲介またはエレクトロポレーション法(Mani atisら(1990)Molecular Cloning:A Labor atory Manual、ColdSpring Harbor Labor atory、コールド・スプリング・ハーバー)により、GPxまたはrab5 b構成体の一時的発現のためにCOS−1細胞をトランスフェクションし、次い で10%の胎仔ウシ血清、5ng/mlのセレン酸ナトリウム、25mMのHE PES pH7.4、および1×ペニシリン−ストレプトマイシン−ファンジゾ ーン(Gibco−BRL)を補充したDMEM培地の中で培養した。すべての 実験は2〜4回実施した。 トランスフェクションの効率のための対照として、COS−1細胞をニコルス ・インスチチュート(Nichols Institute)により供給される ヒト成長ホルモンの一時的発現アッセイ系の中に含めた2μgのプラスミドpX GH5と共トランスフェクションした。結晶マルチ検出器RIAシステム(ユナ イテッド・テックノロジーズ・パッカード[United Technolog ies Packard])を使用するラジオイムノアッセイによ り、培地の中に分泌されたヒト成長ホルモンを検出した。 75Seの標識化のために、750〜1000Ci/gのもとの比活性をもつ、 硝酸の中に希釈した亜セレン酸として10μCiの75Se(ミゾーリ研究リアク ター設備の大学[University of Missouri Resea rch ReactorFacility])を各プレートの中のトランスフェ クションされた細胞に添加し、そして細胞を37℃においてさらに3時間インキ ュベートした。 35Sの標識化のために、各プレートの中のトランスフェクションされた細胞を まず10%の透析した仔ウシ血清、1×グルタミン(ギブコ[Gibco])、 および25mMのHEPESを補充した、メチオニン不含およびグルタミン不含 DMEM培地(ギブコ[Gibco])の中で30分間インキュベートした。次 いで、メチオニンについて1140Ci/mmoleの比活性をもつ、250μ Ciのエクスプレス(Express)35Sタンパク質標識化混合物(NENデ ュポン[DuPont])をプレートに添加し、そして細胞を37℃においてさ らに2時間インキュベートした。 75Seまたは35Sの標識化後、5または1μl(それぞれ)のジイソプロピル フルオロホスフェートをCOS−1細胞のプレートの中の氷冷標識化混合物に添 加した。5分後、この混合物を吸引しそして1.5mlのCOS細胞溶解緩衝液 (50mMのHEPESpH7.8、1%のトリトンX−100、10mMのE DTA、1mMの塩化フェニルメチルスルホニル)を各プレートに添加した。4 ℃において20分間震盪した後、溶解した細胞の懸濁液をマイクロフージ(mi crfuge)管に移し、そして14,000×gで10分間遠心して細胞の破 片を除去した。ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)を上澄み液に0.5%の最終 濃度に添加し、5分間沸 騰水の中で加熱し、次いで氷上で冷却した。免疫沈澱およびタンパク質の電気泳動 GPxポリペプチド鎖からの合成ぺプチド配列、残基26−46からの一方、 および残基174−残基192からの他方に対してレイズされた2つのウサギ抗 血清(バーケレイ・アンチボディ・カンパニー[Berkeley Antib ody Co.]カリフォルニア州リッチモンド)を免疫沈澱において使用した 。15μlの各抗血清、+20μlのプロテインA−セファローズ(Sepha rose)CL−4Bビーズ(シグマ[Sigma])を各プレートに添加し、 そしてこの混合物を4℃において一定にタンブリングしながら一夜インキュベー トした。引き続いてビーズを沈降させ、洗浄緩衝液(50mMのHEPES p H7.8、150mMのNaCl、1%のトリトンX−100、0.5%のデオ キシコレート、0.1%のSDS)で2回洗浄し、そして50mMのHEPES pH7.8で1回洗浄し、30μlのSDS−ゲル負荷緩衝液(50mMのT ris−HCl、pH6.8、100mMのジチオスレイトール、2%のSDS 、0.1%のブロモフェノールブルー、10%のグリセロール)と混合し、沸騰 水の中で3分間加熱し、次いでマイクロフージの中で沈降させた。次いで、上澄 み液をSDS−ポリアクリルアミドゲルの電気泳動(SDS−PAGE)のため に集めた。 rab5b構成体でトランスフェクションされたCOS−1細胞について、手 順は上と同一であったが、ただし細胞の溶解のために0.2%のSDSを使用し そしてrab5bの超可変性ドメインからの合成ペプチドに対してレイズされた 、8μlのアフィニティー精製ウサギ抗体(D.B.Wilsonから入手した )を添加した。 タンパク質の電気泳動は標準の技術(Maniatisら(1990)Mol ecular Cloning:A Laboratory Manual、C old Spring HarborLaboratory、コールド・スプリ ング・ハーバー)により12%のSDS−ポリアクリルアミドゲル上で実施した 。RNアーゼ保護アッセイ 全体の細胞のRNAをグアニジン−HCl法(Ginsburgら(1985 )Science 228、1401−1406)により単離した。T7プロモ ーターからRNA転写キット(ストラタジーン[Stratagene])を使 用して、GPxEPI転写体の5’−非翻訳領域のClaI部位において出発す る179ntのセグメントに対して相補性の224ntの32P標識化RNA転写 体を合成することによって、リボプローブを発生させた。鋳型はGPxEPIの 末端充填SpeI−RsrIIの大きい断片の再循環により形成された構成体の ClaI断片であった。3μgの全体の細胞RNA、10μgの酵母tRNA、 および6μlのリボプローブ(400,000TCA−沈澱性cpm/μl)の ハイブリダイゼーション混合物のRNアーゼ保護アッセイを、標準の技術(Ma niatisら(1990)Molecular Cloning:A Lab oratory Manual、Cold Spring Harbor La boratory、コールド・スプリング・ハーバー)により実施した。UGAコドンの回りのヌクレオチド配列の役割 われわれは、まず、GPx mRNAのオープンリーディングフレーム内のヌ クレオチド配列がセレノシステインの挿入のためのシグナルとして働く可能性を 探査した。GPx MRNAの配列の分析は、原核性および真核性の両方のセレ ノシステインmRNAと共 通である保存された配列を明らかにしなかったが、UGA142コドンの回りの2 つの可能なループ構造を予測した。(UGA142はGPxのcDNA配列のヌク レオチド142において出発するコドンを呼ぶ;GPxのためのすべてのヌクレ オチドの番号は、第1A図に示すように、オープンリーディングフレームの第1 塩基において開始する)。UGA142の直ぐ下流の、1つの推定上のステム−ル ープ構造は、大腸菌(E.coli)ホルメートデヒドロゲナーゼのmRNAお よび関係する原核性セレノ酵素遺伝子の中に見出されるものに類似するステム− ループ構造(第1図、パネルBに示す)をつくる(Zinoniら(1990) Proc.Natl.Acad.Sci.USA 87、4660−4664) 。「ヘアピン」の先端にUGA142コドンを取り込む他のもの(第1C図に示す )は、いくつかの哺乳動物のGPx mRNA、ならびに大腸菌(E.coli )ホルメートデヒドロゲナーゼmRNA配列の間に保存される(Chadaら( 1988)Oxy−Radicalsin Molecular Biolog y and Pathology(Cerutti、P.、Fridovich 、I.、およびMcCord、J.、編)pp.273−288、AlanR. 、Liss Inc.、ニューヨーク)。セレノシステインの取り込みの方向に おいてこれらの潜在的二次構造の各々の役割を試験するために、われわれはGP xのオープンリーディングフレームの中に1系列の5つの順次の欠失を構成し、 第1図に示すORF−D1〜ORF−D5を設計した。 最初の4つの欠失のサブクローンは、UGA142コドンの直ぐ下流の推定上の ステム−ループ領域内に位置する。ORF−D1はコドン49〜コドン53から の配列を欠如する;ORF−D2はコドン65〜69を欠如する;ORF−D3 はコドン54〜63を欠如 する;そしてORF−D4はコドン71〜74を欠如する。ORF−D1、OR F−D2、およびORF−D3から欠失された配列は、それぞれ、ステムの5’ 部分、ステムの3’部分、およびGpx mRNAのオープンリーディングフレ ーム領域における推定上のステム−ループ構造(Zinoniら(1990)P roc.Natl.Acad.Sci.USA 87、4660−4664)の ループの大部分(31ntのうちの29)に相当する。ORF−D4は、大腸菌 (E.coli)ホルメートデヒドロゲナーゼにおけるセレノシステイン翻訳に 対して重要であると報告された配列に相当する、推定上のステム−ループ構造の 直ぐ下流の12ntの配列を表す(Zinoniら(1990)Proc.Na tl.Acad.Sci.USA 87、4660−4664)。GPxサブク ローンORF−D5は、別の推定上のヘアピンループ構造のステムの一部分を形 成する、GPx mRNAのUGA142コドンの直ぐ上流に位置する、コドン4 7の欠失を含有する(Chadaら(1988)Oxy−Radicals i n MolecularBiology and Pathology(Cer utti、P.、Fridovich、I.、およびMcCord、J.、編) pp.273−288、Alan R.、Liss Inc.、ニューヨーク) 。これらの欠失サブクローンは、真核性発現ベクターpCMV4により支持され 、COS−1細胞の中に個々にトランスフェクションされ、そしてGPXの発現 を75Se標識化、免疫沈澱、SDS−ポリアクリルアミドゲルの電気泳動、およ びオートラジオグラフィーにより検出した。 第2図のパネルAに示すように、ベクター単独(レーン1)によりトランスフ ェクションされたCOS−1細胞は、ヒトGPxのそれに類似する23kDの大 きさをもつ75Se含有ポリペプチド(天 然のサル細胞GPxに最も似る)の低いバックグラウンドのレベルを証明する。 天然のヒトGPx cDNAおよび欠失ORF−D1〜ORF−D4の一時的発 現(それぞれ、レーン2およびレーン3〜6)のすべては、GPxタンパク質の 中への高いレベルの75Seの組込みを示す。これらの欠失はわずかであるが、実 質的ではない、GPxの発現の減少を示すように思われる。反復した実験(エピ トープ標識化構成体の同定の欠失の発生を含む)は、また、わずかに減少した発 現を示した。同様に、第2B図に示すように、欠失ORF−D5はGPxの中へ のセレノシステインの挿入のわずの減少を生成するか、あるいは生成しない。こ うして、Gpx mRNAのオープンリーディングフレームの中の推定上のルー プ構造は、GPxの発現をわずかに変調し、いずれもヒトGPxにおけるセレノ システインとしてUGA142コドンの翻訳のために絶対的に必要ではない。3’UTRの役割 セレノシステインの挿入における3’UTRの役割を試験するために、われわ れは前述したようにその領域の中に種々の長さの欠失を含有するGPxサブクロ ーンを構成した。COS−1バックグラウンドからの一時的に発現されたヒトG Px生成物の分離度を改良するために、エピトープの標識(Chadaら(19 89)Blood 74、2535−2541)をこれらのサブクローンの中に 組込んだ。第1A図に図解するように、われわれはヒトインフルエンザ血球凝集 素タンパク質(Chadaら(1989)Blood 74、2535−254 1)のATG開始コドンおよび9アミノ酸のエピトープをエンコードする30n tの配列と最初の4コドンを置換した。一時的発現された、エピトープ標識化G Pxの明瞭な識別は可能であった。なぜなら、標識化GPxは、そのバンドが非 標識化GPxのバンドより検出可能に高い位置において分離するために十分にゆ っくり移動したからである。この移動度の差は、前述のコーディング領域欠失構 成体の評価のために必要な実質的に過度の発現を必要としないで、トランスフェ クションされた構成体の一時的発現の評価を可能とした。また、エピトープの配 列を野生型GpxサブクローンGPxRの中に挿入して、新しいGPxサブクロ ーンGPxEPIを生成し、これはGPx3’UTR欠失構成体の一時的発現の ための陽性の対照として働いた。これらの欠失は、また、第1A図に示されてい る。 トランスフェクションされたCOS−1細胞におけるGPxの中への[75Se ]−セレノシステインの取り込みに対する3’UTRの3つの大きい欠失の作用 は、第3図に示されている。レーン1は、ベクター単独でトランスフェクション された細胞におけるバックグラウンドのGPxシグナルを証明する。わずかによ り大きいエピトープ標識化GPxは、その3’UTRが無傷であるGPxEPI 構成体により発現され(レーン2)、そして内因性COS−1のバックグラウン ドと容易に区別される。遠位の100ntの3’UTRの欠失(UTR−D1、 レーン3)は、トランスフェクションされたGPxの発現を減少しなかった。し かしながら、近位の129nt(構成体UTR−D2、レーン4)または全体の 3’UTR(構成体UTR−D3、レーン5)はGPxの中への検出可能な75S eの取り込みを完全に排除した。遠位のかつ全体の3’UTRの欠失は3’UT RをもたないGpx mRNAを生じなかった。なぜなら、ヒト成長ホルモンの 遺伝子の3’UTR配列は、挿入された配列に融合するために、pCMV4ベク ターの中に構築されるからである(他のGPx構成体におけるように、転写停止 部位により分離されなかった場合)。 ウィスコンシン・コンピューター・グループ・ソフトウェア大学(Unive rsity of Wisconsin Computer、Group so ftware)のFOLDプログラムを使用する全体のGpx mRNAまたは その3’UTR配列のコンピューター分析(Devereuxら(1984)N ucleic Acids Res.12、387−395)は、ラットおよび ヒト5’脱ヨード酵素およびラットGPx遺伝子の3’UTRにおいて見出され るもの(Berryら(1991)Nature 353、273−276)に 類似する、2つの小さいループをもつ長いステムから成る潜在的二次構造を明ら かにした。そのうえ、ループ内の2つの4−ntの配列(第1におけるUAAA および第2におけるUGAU;第4図に示す)は、5’脱ヨード酵素遺伝子の報 告された「セレノシステイン挿入配列」のモチーフ(Berryら(1991) Nature 353、273−276)内の同一位置におけるものと同一であ った。 これらの2つの短い配列がGPxの中へのセレノシステインの挿入のために必 要であるかを試験するために、われわれはこれらの配列の各々を特別に排除した 、2つの小さい欠失突然変異体、UTR−D4およびUTR−D5を構成した。 第5図に示す結果は、これらの短い欠失(レーン3および4)のいずれもトラン スフェクションされたCOS−1細胞の中のエピトープ標識化GPxの中への検 出可能なセレノシステインの取り込みを完全に壊滅したことを証明する。 欠失突然変異体がGPx転写体のレベルに影響を与える可能性を除外するため に、われわれはトランスフェクションされたCOS−1細胞におけるGpx m RNAのレベルをRNアーゼ保護アッセイにより測定した.第6図に示すように 、未トランスフェクション のCOS−1細胞(レーン2)はエピトープ標識化GPx転写体に対して特異的 なリボプローブにより検出可能なmRNAをを含有せず、そしてエピトープ標識 化野生型GPxでトランスフェクションされたCOS−1細胞(レーン3)はU TR−D4およびUTR−D5欠失体でトランスフェクションされたもの(レー ン4および5)と同一量の転写体を含有する。また、オープンリーディングフレ ームにおける欠失(ORF−D1、−D2、および−D3)は、GPx転写体の レベルの検出可能な変化を生成しなかった(データは示されていない)。トラン スフェクション効率は、ヒト成長ホルモンをエンコードするベクターとの共トラ ンスフェクションによりアッセイして、また、これらの実験においてグループ毎 に類似した(データは示されていない)。GPx3’UTRはセレノシステインの挿入のために十分である GPx mRNAの3’UTRの中の配列がセレノシステインの翻訳挿入のた めに必要であることが証明されたので、われわれは次にこの3’UTRが無関係 のコーディング配列の中のUGAコドンに同一プロセスを向けるために十分であ るかどうかを研究した。選択した標的遺伝子のrab5bは、Ras関係GTP アーゼ上科の構成員である25kDのGTP結合タンパク質をエンコードする( Wilsonら(1992)J.Clin.Invest.89、996−10 05)。この遺伝子を3つの構成体のために使用した:rab5b(オパール) は、天然のrab5b3’UTRをもつ、UGA(オパール)突然変異体に変更 されたコドン63UGU(システイン)を有した;rab5b(オパール)Gp x3’UTR は、その停止コドン(UAG)、および全体のGPx3’UTRを 含む、GPxコーディング領域の最後の3コドンを取り込んだGPx cDNA の3’部分に融合したrab5b(オパール)コーデ ィング配列から成っていた;およびrab5b(wt)Gpx3’UTRは、ま た、rab5b−GPx融合生成物であったが、オパール突然変異よりむしろ野 生型コドン63を有した。融合構成体は、UGU(システイン)またはUGA( 潜在的セレノシステイン)コドンを、天然のGPx転写体におけるのとGPx3 ’UTRから同一の数のnt上流に配置した。 第7図は、COS−1細胞におけるこれらの構成体の代表的な一時的発現の実 験の結果を表す。rab5bの発現は、35S(レーン1〜4)または75Se(レ ーン5〜8)の放射性同位元素の標識化後、合成ペプチドの配列に対するアフィ ニティー精製したウサギ抗体により検出された。ベクター単独でトランスフェク ションされたCOS−1細胞(レーン1および5)は、rab5bのために適当 な25kDの分子質量において検出可能な免疫反応性タンパク質を示さなかった 。すべての3つの構成体は、検出可能であるが、広く異なるレベルにおいて、ほ ぼ25kDの35S標識化ポリペプチドの合成を指示するが、rab5b(オパー ル)GPx3’UTR、すなわち、オパール突然変異とのrab5bの融合生成 物のみは、75Seを取り込んだGPx3’UTRと結合した(レーン6)。ra b5b(オパール)トランスフェクション体は非常に低いレベルの35S標識化タ ンパク質を発現し、多分COS−1細胞の中の別のオパールナンセンス抑制機構 の存在を反映する(Hatfield、D.(1985)Trends Bio chem.Sci.10、201−204)。75Seは非常に長い暴露後でさえ 検出可能ではなく、rab5b3’UTRの存在下にUGAコドンにおいてセレ ノシステインの挿入は起こらなかったことを示す。切形ポリペプチドは35S標識 化免疫沈澱物上で検出不可能であり、短いポリペプチドの生成物が不安定である か、あるいは抗血清と免疫反応性でない ことを示唆した。rab5b(wt)GPx3’UTR融合構成体を使用するト ランスフェクションは、野生型rab5bコーディング領域について期待される ように、検出可能な75Seの取り込みをもたない免疫反応性タンパク質の発現を 生じた。これらの実験について、ヒト成長ホルモンをエンコードするベクターと の共トランスフェクションおよび分泌された成長ホルモンの測定により、トラン スフェクション効率は再び確証された。 UGAコドンとセレノシステイン挿人配列との間の距離の重要性は未知のまま である。誘導されたセレノシステインの取り込みについてのわれわれの標的であ るrab5bはアミノ酸数がGPxに類似し、そしてUGAに突然変異したコド ンはGPxにおけるUGA142と3’UTRからの距離(550nt)が類似す る。しかしながら、5’脱ヨード酵素において、スパンはほぼ1200ntであ るので、セレノシステインの取り込みのために必要なこれらの要素の間の正確な 距離は多分臨界的でない。 これらのデータが証明するように、ヒトGPx遺伝子の3’UTRの小さいセ グメント、詳しくは潜在的ステム−ループ構造内の保存されたAAAおよびUG AU配列は、ヒトGPxにおけるセレノシステインの翻訳のために必須であるが 、コーディング領域における潜在的ステム−ループまたはヘアピン構造は必須で はない。そのうえ、これらのデータは、また、証明するように、GPx3’UT R単独は、無関係の非セレノシステイン、rab5b、のオープンリーディング フレームにおけるオパール突然変異(UGA)の、セレノシステインとしての、 翻訳をシグナルするために十分である。「最適化」セレノシステイン挿入配列の合成 種々の既知の哺乳動物セレノシステインをエンコードする遺伝子の検査は、3 ’UTRが一次的配列の類似性をほとんどもたず、同 様な潜在的ステム−ループ構造を有することを示す(Hillら、J.Biol .Chem.266:10050、1991;Zinoniら、Proc.Na tl.Acad.Sci.87:4660、1990;Hoら、Nucleic Acids Res.16:5207、1988;Berryら、Natur e 353:273、1991)。これらの遺伝子の3’UTRの間の相同性の 欠如は、推定上のステム−ループ構造の2つの3〜4ヌクレオチドの伸張がセレ ノシステインの取り込みのために必須であることを証明した、ヒトグルタチオン ペルオキシダーゼの3’UTRのわれわれの分析と組み合わせると、必須要素を 含有しかつ向きに独立であるステム−ループ構造を形成できる合成ヌクレオチド 配列の設計を可能とした。この「最適化」合成配列は、ステム−ループの塩基か ら17ヌクレオチドに「バブル」および引き続く構造の上部における12のヌク レオチドのループ、またはバルーンをもつ追加の11ヌクレオチドのステムを含 有する。「最適化」ステムループを向き非特異的とするために、必須の3〜4ヌ クレオチドのターゲティング要素を鏡像で人工的ステム−ループの適当なバブル およびバルーン領域の上に位置決めする。この最適化要素の構造を第9図に示す 。この図面において、MRSは適当なクローニングベクターの中への要素の挿入 を容易とするための多重制限部位を意味し、そしてNは任意のヌクレオチドを示 す;Nxは任意の配列の2またはそれ以上のヌクレオチドの伸張を意味する;N :Nは相補的塩基対を意味する。 この最適化ステム−ループを含有するヌクレオチド配列は、分子生物学の当業 者に知られている標準の技術により構成することができる。例えば、われわれは アプライド・バイオシステムス(Applied Biosystems)DN A合成装置を使用してルー プ−バブル−バルーンを含む92マーのオリゴヌクレオチドを合成した。ゲル精 製後、この一本鎖オリゴヌクレオチドは12および/または6ヌクレオチドのオ ーバーラッピング配列を含有する22マーのセンスおよびアンチセンスPCRプ ライマーを使用してPCR増幅のための鋳型として働いた: 1)鋳型オリゴヌクレオチド: 2)PCRプライマー: PCR反応は、標準の方法に従い0.1μg/μlの鋳型オリゴヌクレオチド、 50pmole/μlの各PCRプライマーを使用して、95℃において1分間 、50℃において1分間、そして70℃において1分間の10サイクルの間実施 した。 次いで、二本鎖PCR生成物をpCRIIベクター(インビトロゲン[InV itrogen]、カリフォルニア州サンディエゴ)の中にTAクローニング系 (インビトロゲン[InVitrogen])を使用して結合し、そしてINV αF’細胞の中に形質転換した。構成体の配列は、プロメガ(Promega) (ウイスコンシン州マディソン)からのfmol PCR配列決定を使用するヌ クレオチドの配列決定により確証された。ポリペプチドを含有する組換えセレノシステインの構成 そのDNA配列が既知である任意の所望のポリペプチドを、本発明の方法にお いて、ポリペプチドの自然の活性に必須でない任意のアミノ酸をエンコードする コドンの置換により使用することができ る。これらの「TGA」突然変異体の製造に対するアプローチは、一般に、部位 特異的突然変異誘発またはオリゴヌクレオチドに基づく突然変異誘発技術により 、例えば、商業的に入手可能なキット(プロメガ[Promega])を使用し て、達成することができる。例えば、ヒト甲状腺ホルモンのレセプター−β1を エンコードするcDNAをベクター−p−アルター(alter)(プロメガ[ Promega])の多重クローニング部位の中にクローニングし、そして最初 のシステインコドンをオリゴヌクレオチドに基づく突然変異誘発によりTGAに 突然変異させた。次いで、cDNAを標準の実験室の手法によりレスキューし、 そして突然変異をヌクレオチドの配列決定により確証した。セレノポリペプチドの発現 本発明によるポリペプチドは、任意の適当な発現系を使用して、セレノシステ インの翻訳のために要求されるステム−ループ構造を含有する組換え核酸に連鎖 されたポリペプチドをエンコードする配列を有する組換え核酸からの発現により 、製造することができる:例えば、適当な発現ベヒクル、例えば、前述のものの 中の組換え核酸を使用する適当な真核宿主細胞の形質転換。分子生物学の当業者 は理解するように、任意の広範な種類の発現系を使用して、本発明の組換えタン パク質を含有するセレノシステインを提供することができる。使用する正確な宿 主細胞は本発明に対して臨界的でなく、そしてサッカロミセス・セレビシアエ(Saccharomyces cerevisiae)または哺乳動物の細胞( 例えば、COS−1、HL−60、CV−1、LLC/PK−1、C−6、3T 3L1、およびCHO細胞)を包含する。このような細胞は広い範囲の源(例え ば、アメリカン・タイプ・カルチャー・コレクション[American Ty pe Culture Collect ion]、マリイランド州ロックビレ)から入手可能である。形質転換またはト ランスフェクションの方法、および発現ベヒクルの選択は、発現すべきポリペプ チドの特質および選択した宿主系に依存するであろう。形質転換およびトランス フェクションの方法は、例えば、Ausebelら(Current Prot ocols in Molecular Biology、John Wiel y & Sons、ニューヨーク、1989)に記載されている;発現ベヒクル はこの分野においてよく知られているもの、例えば、Clonig Vecto rs:A Laboratory Manual(P.H.Pouwelsら、 1985、Suppl.1987)の中のものから選択することができる。 例えば、所望のポリペプチドをエンコードするcDNAは、発現を可能とする ように設計された向きにセレノシステイン発現系のために親ベクターとして殊に 好ましい、真核性発現ベクターpcDNAl/neoおよびpRC/CMV(イ ンビトロゲン[InVitrogen])の中に挿入する。 あるいは、本発明によるポリペプチドを含有するセレノシステインは、安定に トランスフェクションされた哺乳動物細胞系により生産することができる。哺乳 動物細胞の安定なトランスフェクションに適当なある数のベクターは普通に入手 可能である、参照、例えば、Pouwelsら、前掲;このような細胞系を構成 する方法は、また、普通の入手可能である、例えば、Ausebelら、前掲。 いったん所望のセレノポリペプチドが宿主系の中に安定にトランスフェクショ ンされると、ポリペプチドの生産は培地の中のセレンの含量により調節すること ができる。セレンを欠如する細胞培養系は記載されてきている(Speirer ら、前掲;Chadaら、前掲)。通常、セレノシステインタンパク質の生産は 0.1ng/ ml培地より下の濃度において阻害され、そして1ng/ml以上の濃度におい て誘発されるであろう。セレノポリペプチドの生産の最適な誘発はほぼ5〜25 ng/ml培地において起こり、50以上〜100ng/mlの濃度は、使用す る細胞の型に依存して、細胞障害性である。 いったん組換えポリペプチドが発現されると、それはこの分野においてよく知 られている方法に従い単離することができ、そして機能的活性は特定のポリペプ チドのために適当なアッセイ、例えば、酵素活性または結合の親和性により決定 することができる。所望のセレノポリペプチドが同一の機能的活性をもつ天然の タンパク質を含有する細胞の中で発現される場合、セレノポリペプチドは、記載 されるようにセレノシステインのための親核因子とのより高い反応性をもつこと によって(Leonardら、Biochim.Biophys.Acta 87 :122、1984)、あるいは、ここに記載するように、75Seを使用す る放射性標識化により、天然のタンパク質と区別される。セレノポリペプチドのin vivoの発現 セレノシステインのアミノ酸残基をエンコードするようにここに記載する方法 に従い修飾された任意の所望のポリペプチドのための遺伝子は、ポリペプチドの 生産が動物の食事の中のセレン含量により調節されるトランスジェニック動物を 生産するために使用することができる。トランスジェニック動物を生産する方法 はよく知られている(例えば、参照、Hoganら、Manipulating the Mouse Embryo:A Laboratory manua l、CSH Press、コールド・スプリング・ハーバー、ニューヨーク、1 986;Lederら、米国特許第4,736,866号)。典型的には、0. 016mg/kgより少な いセレンを含有する食事をトランスジェニック動物に与えるとき、この動物にお けるセレノポリペプチドの発現は阻止されるが、0.1mg/kgまたはそれ以 上のセレン(例えば、Na2SeO3、シグマ[Sigma])を含有する動物に 与えると、タンパク質は高いレベルで生産されるであろう。他の態様 本発明の方法は、また、任意の商業的に入手可能なセレノポリペプチドを高い レベルで生産するために使用することができる。上に論じたように、有効なセレ ンの存在はセレンが欠如する条件下に生産されるレベルを越えてセレノポリペプ チドの発現の30〜50倍の増加を生成する。このレベルは、例えば、セレンが 存在するとき、適当な条件下にtRNAの過度の発現を可能とする発現ベヒクル の中で、セレノシステインtRNAをエンコードする遺伝子で細胞を共トランス フェクションすることによって、さらに増加することができる。例えば、これは tRNAをエンコードする遺伝子を誘導性プロモーターの制御下に置き、次いで 培地にセレンを供給すると同時に、あるいはその前に、遺伝子の誘導に要求され る因子を供給することによって、達成することができる。Detailed Description of the Invention Posttranscriptional regulation of genes by trace minerals BACKGROUND OF THE INVENTION   The present invention relates to post-transcriptional regulation of expression of heterologous genes.   One of the key goals of biotechnology is medically and commercially valuable The gene encoding the protein is expressed in the transfected gene. Stable transfection into cell and animal systems under current controllable conditions It is to operate. To date, the most widely used method is inductive By placing the gene of interest under the control of the Romano, it is possible to Controlling the expression of the gene. However, currently available induction Most of the sex promoters have significant background levels under non-inducing conditions. It allows the generation of genes, thus making the utility of these methods low-level transformers. Limited to applications where the transfected gene product has no significant effect on cells To do. Furthermore, most inducible promoters limit the expression of genes under inducing conditions. Only the increased gain (usually about 3 times) can be produced.   In addition, current methods transfer the gene of interest into cells that lack the gene product. It usually requires transfection. Because of the natural gene product Presence often results in signal-to-noise ratios that are difficult to assess and This interferes with the use of functional assays to test the generated gene product. is there In some cases, when cells lacking the gene product are not available, the transfer The protein derived from the transfected gene is a “epitope tag”. Or a small amino acid called "peptide flag" The addition of the sequence allows it to be differentially identified from natural cells. However , This approach is often limited to applications that do not require functional proteins . The sequence of the added peptide is essential for the functional activity of the protein. Includes protein folding and post-transcriptional processing It can interfere with a certain number of processes. SUMMARY OF THE INVENTION   We are novel amino acids of one or more amino acids in a polypeptide , Of the polynucleotide sequence resulting in the substitution by selenocysteine (SeCys). Discovered that alterations provide a way to control expression of genes at the level of translation did. Accordingly, in one aspect, the invention provides (a) heterologous polypeptides. Encoding the first nucleic acid, wherein at least one of the mRNAs transcribed from the first nucleic acid One codon is replaced by the codon UGA, and is operably linked to the first sequence The second nucleic acid, which has been generated, directs the translation of the UGA codon as selenocysteine. Is prepared, and (b) the heterologous polypeptide. Under conditions where the production of selenium is controlled by the level of selenium available to the cells Production of a heterologous polypeptide in a eukaryotic cell, including the step of growing the cell On how to control.   The method of the invention can be applied to any type of eukaryotic cell that can be maintained in cell culture. It can be performed in vitro on cells. Preferably the cell is a eukaryotic cell, eg For example, mammalian tissue culture cells (eg, COS-1, HL-60, CV-1, C-6, LLC / PK-1, 3T3L1 or CHO cells) or yeast cells, eg For example, Saccharomyces cerevisiae (Saccharomyces  cere visiae ). In one preferred embodiment, the cells used are recombinant cells. It does not contain naturally occurring proteins that are substantially homologous to the peptides. Only However, such cells are either not available or are homologous natural proteins. In the presence of substantial deficiencies as compared to cells containing cytoplasm. The peptide is a recombinant polypeptide for the nucleophile due to the presence of a selenocysteine residue. Due to increased reactivity of the peptide or radioisotope75Radiation using Se Sex labeling can distinguish it from the native protein.   The first nucleic acid and the second nucleic acid are recombinant capable of autonomously replicating in a cell. Can be introduced and maintained in cells in a vector, or It can be stably integrated into the genome of cells according to standard techniques. Heterogeneous Polypep Tide production is controlled by the amount of selenium, a trace amount of minerals in the medium in which cells are cultured. To be done. Available selenium is available when it is desired to inhibit expression of the polypeptide. Is substantially absent, that is, the concentration of selenium in the medium is lower than 1 ng / ml. Cells are preferably maintained in medium below 0.1 ng / ml. Different type For inducing expression of the polypeptide, the cell culture medium is typically 1-50 ng / m 1, preferably 2-40 ng / ml, most preferably 5-25 ng / ml To do.   Alternatively, the method of the invention comprises deriving the first nucleic acid and the second nucleic acid from a non-human mammal. Stable integration into the derived germ cell genome and transfection of non-human mammals It can be carried out in vivo by obtaining transgenic offspring. "Transgenic", as used herein, artificially inserts into a cell. A DNA sequence that has been incorporated and is part of the genome of the animal that develops from the cell. It means a mammal including. Such a transgene is transgene It can be partially or completely heterologous to the animal. Trance Non-human mammals that can be produced by genetic techniques are included in the present invention; preferred In addition to mice, other mammals include rats, cows, pigs, sheep, goats, rabbits, Includes guinea pigs, hamsters, and horses. "Embryonic cell" is here When used, it includes embryonic stem (ES) cells and fertilized oocytes. Fertilized In the case of isolated oocytes, the preferred method of transgenic induction is micro For ES cells, the preferred method is electroporation. It is an option. However, virus delivery systems such as retroviruses Other methods, including transfection of liposomes, or fusion of liposomes can be used . After introduction of the transgene into the germ cells, the cells are introduced into pseudopregnant females and To obtain progeny that are heterozygous for the transgene. Then heterozygous Stable strains of animals of this species can be maintained by appropriate backcrossing to the original animal strain. Or heterozygous offspring can be bred to obtain homozygous animals. it can. Transgenic when trying to inhibit expression of a heterologous polypeptide Animals are maintained on a diet containing less than 0.02 mg / kg food and Current induction supplements the diet with selenium at concentrations of 0.1 mg / kg or higher Be started by.   The polypeptide encoded by the first nucleic acid has a known nucleotide sequence. Can be any desired polypeptide. Modify the polypeptide Methods for incorporating amino acid residues in selenocysteine are well known, and here Described in. Preferably, the selenocysteine residue is a protein found in nature. Amino acids at positions in the polypeptide that do not destroy normal biological activity of quality. , For example, is replaced with a nonessential amino acid. Such amino acids are It can be identified by means well known to those skilled in the Positions not related to the activity of the medium or binding (eg determined by mutation analysis ), Or a position considered important for the structural integrity of the polypeptide Usually (for example, as predicted by computer analysis or crystallography) Will exist. Most often, selenocysteine usually has cysteine residues. Will be inserted at a position in the polypeptide.   In a preferred embodiment, the second nucleic acid has a stem in the mRNA transcribed therefrom. -Comprising flanking sequences of nucleotides capable of forming loop secondary structure, Here, the stem-loop formed by mRNA is the above-mentioned selenocysteine. UGA translations can be commanded. In one preferred embodiment, the second nucleic acid Is 3'of the gene encoding naturally-occurring mammalian selenocysteine -Derived from approximately 90 contiguous nucleotides from the untranslated region. For example, 2 nucleic acids are human selenocysteine and glutathione peroxidase shown in FIG. Containing nucleotide sequences substantially homologous to nucleotides 654-740 of Mu. In another preferred embodiment, the second nucleic acid is synthetically derived and the stem- The sequence 5'-NAAAUNNUAAAN-3 'in the loop at the tip of the loop Can form a stem-loop, and the stem forms a bubble Contains at least 12, preferably at least 14 non-complementary nucleotides Where the bubbles are symmetrically opposed to each half of the array 5'-NUAGU. N-3 '; preferably the stem-loop contains approximately 80 nucleotides. Contains, the bubble is located approximately 17 nucleotides from the base of the stem, Then, the loop is almost 11 nucleotiated from the bubble at the tip of the stem-loop structure. It is located in the city.   Therefore, the present invention also provides a nucleoside capable of forming a stem-loop secondary structure. For single-stranded nucleic acids comprising flanking stretches of tide, the stem-loop loop is Contains the sequence 5'-NAAAUNNUAAAN-3 ', and the stem forms a bubble. Containing at least 12, preferably at least 14 non-complementary nucleotides , Where the bubbles are symmetrically opposed to each half of the array 5'-NUAGU. It contains N-3 '. Nucleic acid is operably linked to mRNA molecules containing UGA codons. When chained, it can direct the translation of the codon, UGA, as selenocysteine. You can Preferably, the stem-loop nucleic acid comprises approximately 90 nucleotides. Has a bubble located approximately 17 nucleotides from the base of the stem, and a loop Is located approximately 11 nucleotides from the bubble at the tip of the stem-loop structure It Also preferably, each half of the bubble is approximately 7 nucleotides, and The loop contains approximately 12 nucleotides.   The present invention also provides a double-stranded DNA containing DNA encoding the single-stranded nucleic acid of the present invention. Regarding nucleic acids.   A "heterologous" nucleic acid is a part or whole of the cell or animal into which it is introduced. Nucleic acid that is foreign to the Other than containing selenocysteine substituted in the mino acid, By a nucleic acid that is homologous to an endogenous gene.   The term "operably linked," as used herein, includes a stem-loop Adjacent stretches of nucleotides that form secondary structures encode proteins A protein that is sufficiently close to the nucleic acid to be translated as selenocysteine It is meant to allow translation of UGA codons in quality. Preferably the stem -The loop is in the 3'-untranslated region of the mRNA molecule that encodes the polypeptide. Preferably within 2000 nucleotides of the UGA codon, more preferably 40 Within 0 to 1500 nucleotides, most preferably 500 to 1200 nucleotides Inserted inside.   "Functionally active" is any in-character characteristic of a protein found in nature.   Refers to the processing of activity in vivo or in vitro.   "Homology", as used herein, refers to two polypeptide molecules or It refers to sequence similarity between two nucleic acid molecules. In both of the two compared sequences Are occupied by identical nucleotide bases or amino acid subunits , The molecules are homologous in their position. Thus, "substantially homologous "Is a nucleotide or amino acid that is, if not completely, homologous to Means an array of.   A "heterologous" nucleic acid is partial or partial to the animal into which it is transfected. Or a completely foreign nucleic acid, or within a transgenic animal. Homologous to the causative gene but at a position different from that of the natural gene By a nucleic acid that is inserted into the genome of an animal.   Unless otherwise noted, all technical and scientific terms used herein are It has the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Book methods and materials similar or equivalent to those described herein. Although preferred in practice and testing of the invention, preferred methods and materials are described herein. Enter. All publications mentioned below are incorporated herein by reference. Furthermore, the substance The methods and examples are illustrative only and not intended to be limiting.   The method of the present invention goes beyond currently used methods of gene expression. It offers several advantages. First, the SeCys The substitution absolutely depends on the supply of selenium and thus at the level of translation trans It allows virtually absolute control of the amount of gene product that has been transfected. Secondly , SeCys has all of the biological properties of amino acid residue Cys, thus C The replacement of SeCys with ys is usually done in the transfected gene product. Does not significantly alter the biological activity of. Third, a transfer containing SeCys The processed gene product has increased reactivity towards its nucleophile. Or75Easily distinguished from native cellular proteins by Se incorporation Can be   Other features and advantages of the invention will be apparent from the following detailed description and claims. Will. Detailed description   The drawings are first briefly described.Drawing   FIG. 1A is a schematic of human cell glutathione peroxidase cDNA constructs. It is a figure. Open reading frame (ORF) and 3'UTR are wide Indicated by bars; plasmid and 5'UTR by flanking line It is shown. The nucleotide number is at the beginning of the open reading frame. The ATG start codon is present in nt1-3 and the TGA selenocystis Is present at nt 142-144, and the TAG stop codon is nt 607. -609. The arrow indicates the position of the restriction endonuclease site. Line diagram The lower line represents the position of the indicated deletion. The hatched bar below the diagram shows the epi Shows the position where the taupe labeling sequence is inserted and the region of the replaced cDNA .   FIG. 1B shows UGA in the coding region of human Gpx mRNA.142SE Schematic and potential deletion of potential secondary structure immediately downstream of the lenocysteine codon Illustrates the locations of ORF-D1, ORF-D2, ORF-D3, and ORF-D4 To do.   FIG. 1C shows another potential mutation in the coding region of human Gpx mRNA. It is a schematic diagram of the next structure, where UGA142The selenocysteine codon has a hairpin structure Exist in the building. The deletion ORF-D5 is also indicated.   Figure 2A shows pCMV4 (lane 1), native GPx (lane 2), or lacking. Using the mutants ORF-D1 to ORF-D4 (lanes 3 to 6 respectively) Immunoprecipitated after transfection75Se-labeled COS-1 cell extract 2 is an autoradiograph of the SDS-polyacrylamide gel.   FIG. 2B shows pCMV4 vector (lane 1), native GPx (lane 2), Or transfection using the deletion mutant ORF-D5 (lane 3) Immunoprecipitation after75SDS-polyacryle of Se-labeled COS-1 cell extract It is an autoradiograph of a luamide gel.   FIG. 3 shows pCMV4 vector (lane 1), epitope-tagged GPx (ray). 2) or deletion mutants UTR-D1 to UTR-D3 (lanes, respectively) Immunoprecipitated after transfection using 3-5)75Se labeled CO Fig. 2 is an autoradiograph of SDS-polyacrylamide gel of S-1 cell extract. It   FIG. 4 shows pCMV4 vector (lane 1), epitope-tagged GPx (ray). 2), deletion mutant UTR-D4 (lane 3), or deletion mutant UT Immunoprecipitated after transfection using R-D5 (lane 4)75S e-labeled COS-1 cell extract It is an autoradiograph of the SDS-polyacrylamide gel of a product.   FIG. 5 is a schematic diagram of the potential secondary structure of the 3'UTR of human Gpx mRNA. It   FIG. 6 shows the product of an RNase protection assay using labeled riboprobes. It is an autoradiograph of a polyacrylamide gel. Lane 1, undigested pro Lane; lane 2, RNA from untransfected COS-1 cells and high Hybridized probe; lane 3, epitope-tagged GPx COS -1 probe hybridized with transfectant; lane 4 , UTR-D4 COS-1 transfectants and hybridization Probe; lane 5, UTR-D5 COS-1 transfectants Hybridized probe.   FIG. 7. Transfection with rab5b opal mutant and fusion construct. Immunoprecipitated35S-labeling (lanes 1-4) and75Se labeling (ray 5-8) Autoradiography of SDS-polyacrylamide gel of COS-1 cells It's rough. Lanes 1 and 5, pCMV4 vector; lanes 2 and 6, ra. b5b (opal) GPx3'UTR; lanes 3 and 7, rab5b (opal) ); Lanes 4 and 8, rab5b (wt) GPx5'UTR.   FIG. 8 shows nucleotidies of human glutathione peroxidase containing 3'UTR. Draw the array.   FIG. 9 shows the sequence of the “optimized” selenocysteine insertion sequence (SECIS) and Depict secondary structure.Selenocysteine   Bacterial formate dehydrogenase, mammalian glutathione peroxidase (GPx) family (Mullenbach et al., N ucleic Acids Res.15: 5484, 1987; Chambu. s et al., EMBO J .;5: 1221, 1986; Esworthy et al., Arch. . Biochem. Biophys.286: 330, 1991; Takaha si et al. Blood68: 640, 1986), type I iodothyronine 5'-de-yoyo Enzyme (Berry et al. (1991) Nature349: 438-440) , And selenoprotein P (Read et al. (1990) J. Biol. Chem. .26517899-17905), including small numbers of eukaryotic and prokaryotic Sex proteins are a unique group of polypeptides containing unusual selenocysteine Belong to Selenoprotein production is tightly regulated by the level of exogenous selenium. Was reported. For example, Knight et al. (J. Nutr.117: 73 2, 1987) show that the activity of glutathione peroxidase is a diet lacking selenium. Was not detected in the rats fed with the subject (≦ 0.02 ppm, 0.016 mg / kg) It was reported to be reduced to a possible level. Chanoine et al. (Endocri noology131: 1787, 1992) is also a diet lacking selenium. Rats fed 6 weeks of treatment received levels of both type I and type II 5'-deiodinase. Reported to have a significant reduction (≦ 20% normal). Speier et al. J. Biol. Chem.260: 8951, 1985) is in vitro. , Glutathione peroxidase activity was greater than 1 ng / ml in medium cells. The optimum activity depends on the concentration of ren and the optimal activity is 5 ng / ml sodium selenate (2.6 × 10-8M), but cells grown in medium not supplemented with Se It becomes deficient in glutathione peroxidase, and the activity of Se supplemented cells It proved to have 1 to 3%. Chada et al. (Blood74: 25 35, 1989) and Chu et al. (Nu cleic Acids Res.18: 1531, 1990) Of glutathione peroxidase activity between deficient cells and selenium-filled cells Reported ~ 50-fold difference.   Regulation of selenoprotein production by exogenous selenium is regulated at the UGA codon. Post-transcriptional by antitranslational uptake of selenocysteine ds Biochem. Sci.16, 463-467), and this UGA codon Unique selenocysteine-supplying tRNAs that usually contain the appropriate UCA anticodon Acts as a transcription termination codon (Hawkes et al. (1982) Biochim. Biophys. Acta699, 183-191; Lee Et al. (1989) J. Am. Biol. Chem.264, 9724-9727). like this Thus, regulation of selenoproteins is driven by the translational process at the mRNA UGA codon. It is most likely to proceed by controlling the space. In selenocysteyl-tRNA Incorporated selenium will allow the translation to be read through, but the absence of selenium Underneath, the selenocysteine tRNA remains unacylated and then U The GA codon will function to stop translation.   Since the initial identification of UGA codon usage for selenocysteine incorporation, A key issue in the interpretation of this "extended genetic code" is that ribosome translation assembly The presence of selenocysteine mRNA from the terminating UGA codon in other mRNA species. How to identify special UGA codons in the open reading frame It is.   Necessary and sufficient for signaling UGA translation as selenocysteine In order to identify all of the elements, we use human selenocysteine, glutathione The open reading frame of the gene encoding peroxidase and And 3'-untranslated region (3 ' The functional importance of sequences from both the UTR) and glutathione peroxidase Uptake of selenocysteine in both and unrelated non-selenoproteins I analyzed it.Construction of GPx and rab5b subclones   Vector pBluescript KS (Stratagene [Stratage ne]), the GPx subclone GPxR is replaced with all GPx deletion subclones. It was used as a common template to construct the lane. G in the same vector PX1 cDNA (Chu et al. (1990) Nucleic Acids Res .18, 1531-1539). Of this clone DNA sequencing ("Sequenase" kit [US B standard dideoxy sequencing techniques using iochemicals) Previously reported codon 11 (GCC) (Mullenbach (1987) Nu cleic Acids Res.15, 5484; Chada et al. (1990) G. enomics6, 268-271), and the codon 92 we reported.   CTG (Chada et al. (1990) Genomics6, 268-271) Immediately upstream of, the CAG (Mullenbac) observed by Mullenbach et al. h (1987) Nucleic Acids Res.15, 5484) (inheritance Instead of the child bank acceptance numbers Y00369 and M21304), add one Additional GCG codons are indicated. The latter insert allows us to use other normal GPX1 sequences. The polymorphism observed in.   Unless otherwise stated, GPx deletion subclones were prepared using standard methods (Ho et al. (1989). Gene7751-59), overlap extension polymerase chain reaction (PCR), Perkin-Elmer Setsu (Perkin-Elmer) Cetus) Thermal Service It was constructed using a thermal cycler and reagents. This PCR method uses two flanking primers and two flanking primers that determine the size of the final product. And two mutually complementary primers that direct the desired mutations in the target sequence. Needed. Flanking and complementary mutagenic primers One sequence for each pair is listed in Table 1. The final PCR product was pBluescript It was inserted back into pt KS and the sequence was verified by standard methods. Then , Each mutated GPx sequence with the eukaryotic expression vector pCMV4 (Anderson et al. (1989) J. Biol. Chem.264, 8222-8229), Subsequent transfections into COS-1 cells as described below. I've roasted.   “Epitope labeling” of GPx is the open reading frame of GPx. 30n encoding the first 12 nucleotides (nt) of the ATG start codon t-sequence and subsequent 9 amino acids of human influenza hemagglutinin protein 27 bases encoding an epitope (Chada et al. (1989) Blood 74, 2535-2541) (illustrated in FIG. 1). Like). The two oligonucleotides listed in Table 1 were annealed and then Generated in GPx wild type or pBluescript KS And / or ClaI and N in the mutant subclone in pCMV4 Inserted through the heI restriction site. In this method, amino acids 2-4 of GPx Deleted and having a net increase of 6 amino acid residues over wild type GPx Labeled "GPxEPI" was generated. Rabbit antiserum against this epitope is It was possible, but its binding to the labeled GPx molecule was related to the GPx peptide sequence. Since it was much lower than that of the antisera, the latter was used for the detection of labeled GPx molecules. I used it.   GPx subclones in which the 3'UTR sequence was partially or completely deleted were It was constructed by DNA recombination technology. Briefly, pBluescript 250nt from epitope-tagged GPx subclone GPxEPI in KS Removal of the AvrII-SpeI fragment and subsequent religation of the remaining large fragment. Construct a subclone UTR-D3 in which the entire GPx3'UTR has been deleted did. Removal of the AvrII-XhoI fragment and subsequent plasmid XhoI part GPx3 from pBluescript KS containing position-excluded GPxEPI The subclone UTR-D2 was recombined by recombination of the remaining large fragments in the'UTR. Configured. removed from the construct GPxEPI in pBluescript KS Adhesive Cl The GPxEPI-containing fragment with the ends of aI and end-filled XhoI was cloned into ClaI and And inserted into the expression vector pCMV4 via SmaI polylinker restriction sites By doing so, a subclone UTR-D1 was obtained.   The overlap extension PCR method was also used to use Ras-related GTPases Mutations in the rab5b gene and fusion subclones encoding one member of (Wilson et al. (1992) J. Clin. Invest.8 9 , 996-1005). Has a 1.6 Kb rab5b cDNA clone Plasmid pMT2 was transformed into D. B. Wilson (Harvard School of Medicine (Herva rd Medical School, Boston, MA) did. Construct rab5b (opal) GPx3'UTR is a GPx3'UTR Rab5 with opal (UGA) mutation at codon 63 fused to a row It contained the fusion product of the b coding region. Flanking and mutagenesis The oligonucleotide sequences of the primers are listed in Table 1. 3'PCR Frankin Guprimer removes the native rab5b TGA stop codon, and its TAG At least 3 codons in the GPx open reading frame, including the stop codon Resulted in the substitution of Natural GPxR clone in pBluescript KS Contains the entire GPx3'UTR derived from the ClaI-AvrII double digestion of The resulting rab5b (opal) in the pBluescript KS construct ) The mutant was inserted. The gene fusion product was then transformed into pCMV as described above. 4 was subcloned into Also, using the same strategy, rab5b (WT ) GPx3'UTR configured, but in this case, flanking Normal PCR was applied using only the immers and the fusion products (WT, Chi, opal The wild type without mutation) was inserted into pCMV4. GPx3'UTR Rab5b (opal) GPx3 deleted as an AvrII-EcoRI fragment 'UTR subclone and Rab5b3' UTR sequence of approximately 900 nt NheI By removing the native rab5b3'UTR by fusing the EcoRI fragment Construct containing the opal mutation in the coding region rab5b (opal ) Was configured. The resulting rab5b (opal) sequence is then p It was inserted into CMV4.Transfection, labeling and lysis of COS-1 cells   Modified calcium phosphate mediated or electroporation method (Mani atis et al. (1990) Molecular Cloning: A Labor. atory Manual, ColdSpring Harbor Labor by Atory, Cold Spring Harbor), GPx or rab5 transfect COS-1 cells for transient expression of the b construct, then 10% fetal bovine serum, 5 ng / ml sodium selenate, 25 mM HE PES pH 7.4, and 1X penicillin-streptomycin-fundizo The cells were cultured in DMEM medium supplemented with Gibco-BRL. All The experiment was performed 2 to 4 times.   As a control for transfection efficiency, COS-1 cells were treated with Nichols -Supplied by the Nichols Institute 2 μg of plasmid pX included in the human growth hormone transient expression assay system Co-transfected with GH5. Crystal multi-detector RIA system (Yuna Ited Technologies Packard [United Technology] by using a radio-immunoassay using Then, human growth hormone secreted into the medium was detected.   75Has an original specific activity of 750 to 1000 Ci / g for the labeling of Se, 10 μCi as selenious acid diluted in nitric acid75Se (Misori Research Reac University of University [University of Missouri Research rch ReactorFacility]) in each plate Added to the extruded cells, and incubate the cells at 37 ° C for an additional 3 hours. Was added.   35For the labeling of S, the transfected cells in each plate were First, 10% dialyzed calf serum, 1 x glutamine (Gibco), Methionine-free and Glutamine-free, supplemented with and 25 mM HEPES Incubated for 30 minutes in DMEM medium (Gibco). Next And has a specific activity of 1140 Ci / mmole for methionine, 250 μm Ci Express35S-protein labeling mixture (NEN Dupont)) was added to the plate and the cells were incubated at 37 ° C. And incubated for 2 hours.   75Se or355 or 1 μl (respectively) of diisopropyl after S labeling Add fluorophosphate to the ice-cold labeling mixture in a plate of COS-1 cells. Added After 5 minutes, aspirate this mixture and 1.5 ml of COS cell lysis buffer. (50 mM HEPES pH 7.8, 1% Triton X-100, 10 mM E DTA, 1 mM phenylmethylsulfonyl chloride) was added to each plate. 4 After shaking for 20 minutes at 0 ° C, the lysed cell suspension was added to a microfuge (mi cell fuge tube and centrifuge at 14,000 xg for 10 minutes to disrupt cells. The piece was removed. Sodium dodecyl sulfate (SDS) was added to the supernatant to a final concentration of 0.5%. Add to concentration and boil for 5 minutes Heat in boiling water, then cool on ice.Immunoprecipitation and protein electrophoresis   A synthetic peptide sequence from the GPx polypeptide chain, one from residues 26-46, And two rabbit antibodies raised against the other from residues 174-192. Serum (Berkeley Antibody Company [Berkeley Antib ody Co. ] Richmond, CA) was used in immunoprecipitation . 15 μl of each antiserum, +20 μl of protein A-Sepharose (Sepha rose) CL-4B beads (Sigma [Sigma]) were added to each plate, The mixture was then incubated overnight at 4 ° C with constant tumbling. I got it. The beads are subsequently allowed to settle and washed buffer (50 mM HEPES p H7.8, 150 mM NaCl, 1% Triton X-100, 0.5% deo Xycolate, 0.1% SDS), washed twice, and 50 mM HEPES   Washed once with pH 7.8, 30 μl SDS-gel loading buffer (50 mM T ris-HCl, pH 6.8, 100 mM dithiothreitol, 2% SDS , 0.1% bromophenol blue, 10% glycerol) and boil Heat in water for 3 minutes, then settle in a microfuge. Then the supernatant Sample solution for SDS-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) Collected in.   For COS-1 cells transfected with the rab5b construct, The order was the same as above, except that 0.2% SDS was used for cell lysis. And was raised against a synthetic peptide from the hypervariable domain of rab5b , 8 μl of affinity purified rabbit antibody (obtained from DB Wilson ) Was added.   Electrophoresis of proteins is performed using standard techniques (Maniatis et al. (1990) Mol. Equal Cloning: A Laboratory Manual, C old Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harvard) on a 12% SDS-polyacrylamide gel. .RNase protection assay   RNA of whole cells was analyzed by the guanidine-HCl method (Ginsburg et al. (1985) ) Science228, 1401-1406). T7 Promo RNA transcription kit (Stratagene) Starting at the ClaI site of the 5'-untranslated region of the GPxEPI transcript. 224 nt complementary to the 179 nt segment32P-labeled RNA transcription Riboprobes were generated by synthesizing the body. The template is GPxEPI Of the construct formed by recycling of the large fragment of end-filled SpeI-RsrII It was a ClaI fragment. 3 μg total cellular RNA, 10 μg yeast tRNA, And 6 μl of riboprobe (400,000 TCA-precipitating cpm / μl) The RNase protection assay of the hybridization mixture was performed using standard techniques (Ma niatis et al. (1990) Molecular Cloning: A Lab. Oratory Manual, Cold Spring Harbor La laboratory, Cold Spring Harbor).Role of the nucleotide sequence around the UGA codon   We first determined the number in the open reading frame of GPx mRNA. The possibility that the cleotide sequence may serve as a signal for the insertion of selenocysteine Explored. Sequence analysis of GPx MRNA has been performed on both prokaryotic and eukaryotic cells. Together with nocysteine mRNA Did not reveal conserved sequences that are common, but UGA1422 around codon One possible loop structure was predicted. (UGA142Is the GPx cDNA sequence Call the starting codon in Leotide 142; all nucleotides for GPx As shown in Figure 1A, the number of Ochid is the first number of the open reading frame. Start at the base). UGA142One putative stem just downstream of The structure of E. coli formate dehydrogenase mRNA and E. coli And stems similar to those found in related prokaryotic selenoenzyme genes- Create a loop structure (shown in Figure 1, panel B) (Zinoni et al. (1990) Proc. Natl. Acad. Sci. USA87, 4660-4664) . UGA at the tip of the "hairpin"142Others that incorporate codons (shown in Figure 1C) ) Of several mammalian GPx mRNAs, as well as E. coli. ) Conserved between formate dehydrogenase mRNA sequences (Chada et al. 1988) Oxy-Radicalsin Molecular Biological y and Pathology (Cerutti, P., Fridovich , I. , And McCord, J. et al. , Ed.) Pp. 273-288, AlanR. , Liss Inc. ,New York). In the direction of uptake of selenocysteine To test the role of each of these potential secondary structures in construct a series of 5 sequential deletions in the open reading frame of x, ORF-D1 to ORF-D5 shown in FIG. 1 were designed.   The first four deletion subclones are UGA142Putative immediately downstream of the codon Located within the stem-loop region. ORF-D1 is from codon 49 to codon 53 ORF-D2 lacks codons 65-69; ORF-D3 Lacks codons 54-63 And ORF-D4 lacks codons 71-74. ORF-D1, OR The sequences deleted from F-D2 and ORF-D3 are 5'of the stem, respectively. Part, the 3'portion of the stem, and the open reading frame of Gpx mRNA. Putative stem-loop structure in the genome region (Zinoni et al. (1990) P roc. Natl. Acad. Sci. USA87, 4660-4664) It corresponds to most of the loop (29 of 31 nt). ORF-D4 is E. coli For translation of selenocysteine in (E. coli) formate dehydrogenase Of the putative stem-loop structure, which corresponds to sequences reported to be important for Represents the 12 nt sequence immediately downstream (Zinoni et al. (1990) Proc. Na tl. Acad. Sci. USA87, 4660-4664). GPx Sub Lawn ORF-D5 forms part of the stem of another putative hairpin loop structure. UGA of GPx mRNA142Codon 4 located immediately upstream of the codon 7 deletions (Chada et al. (1988) Oxy-Radicals i. n Molecular Biology and Pathology (Cer utti, p. , Fridovich, I .; , And McCord, J. et al. , Ed) pp. 273-288, Alan R. et al. , Liss Inc. ,New York) . These deletion subclones are supported by the eukaryotic expression vector pCMV4 , Individually transfected into COS-1 cells and expression of GPX To75Se labeling, immunoprecipitation, SDS-polyacrylamide gel electrophoresis, and And autoradiography.   As shown in FIG. 2, panel A, the vector alone (lane 1) was used for transfer. Transfected COS-1 cells have a large size of 23 kD similar to that of human GPx. Have a texture75Se-containing polypeptide (heaven Demonstrating a low background level (most similar to naive monkey cells GPx). Transient development of native human GPx cDNA and deleted ORF-D1 to ORF-D4 All (currently lanes 2 and 3-6, respectively) are of the GPx protein. High level of inside75Shows the incorporation of Se. These deletions are few but real. It appears to show a reduction in GPx expression, which is not qualitative. Repeated experiments (epi Including the occurrence of deletions in the identification of the tope-labeled constructs) was also slightly reduced. Showed the present. Similarly, as shown in Figure 2B, the deletion ORF-D5 was introduced into GPx. Produces or does not produce a reduction in the insertion of selenocysteine. This Thus, a putative loop in the open reading frame of Gpx mRNA. Structure slightly modulates the expression of GPx, both of which are selenotypes in human GPx. UGA as cysteine142It is not absolutely necessary for codon translation.Role of 3'UTR   To test the role of the 3'UTR in the insertion of selenocysteine, we have It contains GPx subclones containing deletions of various lengths in that region as described above. Configured Transiently expressed human G from COS-1 background In order to improve the resolution of Px products, epitope labeling (Chada et al. (19 89) Blood74, 2535-2541) among these subclones Incorporated. As illustrated in FIG. 1A, we have human influenza hemagglutination. Elementary protein (Chada et al. (1989) Blood74, 2535-254 30n encoding the ATG start codon of 1) and an epitope of 9 amino acids The sequence of t was replaced with the first 4 codons. Transiently expressed, epitope-tagged G Clear identification of Px was possible. Because the labeled GPx is Sufficient to separate at a position detectably higher than the band of labeled GPx. Because it moved completely. This difference in mobility is due to the coding region deletion structure described above. Transfection without the substantial overexpression required for adult assessment It was possible to evaluate the transient expression of the cloned constructs. In addition, The row was inserted into the wild-type GPx subclone GPxR to create a new GPx subclone. Of the transient expression of the GPx3'UTR deletion construct. Served as a positive control for. These deletions are also shown in Figure 1A. It   Into GPx in transfected COS-1 cells [75Se ] -Effect of three large deletions of the 3'UTR on selenocysteine uptake Is shown in FIG. Lane 1 transfected with vector alone Demonstrate the background GPx signal in the treated cells. Slightly The larger epitope-tagged GPx has a GPxEPI whose 3'UTR is intact. Background expressed by the construct (lane 2) and of endogenous COS-1 Easily distinguished from de. Distal 100 nt 3'UTR deletion (UTR-D1, Lane 3) did not reduce the expression of transfected GPx. Shi However, the proximal 129 nt (construct UTR-D2, lane 4) or the entire 3'UTR (construct UTR-D3, lane 5) is detectable into GPx75S The incorporation of e was completely eliminated. Distal and global 3'UTR deletions are 3'UT It did not yield Gpx mRNA without R. Because of human growth hormone The 3'UTR sequence of the gene was cloned into pCMV4 vector for fusion to the inserted sequence. Because it is built into the target (as in other GPx constructs, transcription termination If not separated by site).   University of Wisconsin Computer Group Software (University rity of Wisconsin Computer, Group so whole Gpx mRNA using the FOLD program of Computer analysis of its 3'UTR sequence (Devereux et al. (1984) N ucleic Acids Res.12387-395) is a rat and Found in human 5'deiodinase and 3'UTR of rat GPx gene Things (Berry et al. (1991) Nature353273-276) Reveals a potential secondary structure consisting of a long stem with two small loops that are similar I made it Moreover, two 4-nt sequences in the loop (UAAA in the first And UGAU in No. 2; shown in FIG. 4) is a report of the 5'deiodinase gene. The motif of the reported “selenocysteine insertion sequence” (Berry et al. (1991) Nature353273-276) at the same position. It was.   These two short sequences are necessary for the insertion of selenocysteine into GPx. We specifically excluded each of these sequences in order to test if they were important Two small deletion mutants, UTR-D4 and UTR-D5, were constructed. The results shown in FIG. 5 show that both of these short deletions (lanes 3 and 4) were transgenic. Detection into epitope-tagged GPx in transfected COS-1 cells Demonstrate complete destruction of available selenocysteine uptake.   To rule out the possibility that deletion mutants affect the level of GPx transcripts In addition, we found that Gpx m in transfected COS-1 cells RNA levels were measured by RNase protection assay. As shown in FIG. , Untransfected COS-1 cells (lane 2) are specific for epitope-tagged GPx transcripts Contains no detectable mRNA by simple riboprobe and epitope tag COS-1 cells transfected with modified wild-type GPx (lane 3) are U Those transfected with the TR-D4 and UTR-D5 deletions (rays 4 and 5). Also, open reading frames Deletions (ORF-D1, -D2, and -D3) in the genome It produced no detectable change in levels (data not shown). Trang Sfection efficiency depends on co-transfection with vectors encoding human growth hormone. Assayed by transfection and grouped in these experiments. Similar to (data not shown).GPx3'UTR is sufficient for insertion of selenocysteine   Sequences in the 3'UTR of GPx mRNA are responsible for translational insertion of selenocysteine. We have now proved that this 3'UTR is irrelevant Is sufficient to direct the same process to the UGA codon in the coding sequence of I studied whether or not. The selected target gene rab5b is Ras-related GTP Encodes a 25 kD GTP-binding protein that is a member of the ASE superfamily ( Wilson et al. (1992) J. Am. Clin. Invest.89, 996-10 05). This gene was used for three constructs:rab5b (opal) Changed to a UGA (opal) mutant with the native rab5b3'UTR Had the codon 63 UGU (cysteine) assigned;lab5b (opal) Gp x3'UTR Replaces its stop codon (UAG), and the entire GPx3'UTR GPx cDNA including the last 3 codons of the GPx coding region, including 5b (opal) outfit fused to the 3'part Ing sequence; andlab5b (wt) Gpx3'UTRHa It was also a rab5b-GPx fusion product, but not the opal mutation. It had a raw codon 63. The fusion construct can be UGU (cysteine) or UGA ( The potential selenocysteine) codons and GPx3 in the native GPx transcript. Placed the same number of nt upstream from the'UTR.   FIG. 7: Representative transient expression of these constructs in COS-1 cells. Represents the results of the test. The expression of rab5b is35S (lanes 1-4) or75Se (re After labeling with a radioisotope of sequence 5-8) It was detected by a nity-purified rabbit antibody. Transfection with vector alone COS-1 cells (lanes 1 and 5) were suitable for rab5b Showed no detectable immunoreactive protein at a unique 25 kD molecular mass . All three constructs are detectable, but at widely different levels 25kD35Directs the synthesis of S-tagged polypeptides, but does Le) GPx3'UTR, ie fusion production of rab5b with opal mutation. Only things75It was bound to a GPx3'UTR incorporating Se (lane 6). ra b5b (opal) transfectants had very low levels35S-labeled tag Another opal nonsense suppression mechanism that expresses protein and possibly in COS-1 cells (Hatfield, D. (1985) Trends Bio). chem. Sci.10, 201-204).75Se even after a very long exposure It is not detectable and is not detected at the UGA codon in the presence of the rab5b3'UTR. It indicates that no cysteine insertion occurred. The truncated polypeptide is35S sign Undetectable on derivatized immunoprecipitates, the product of short polypeptides is unstable Or not immunoreactive with antiserum I suggested that. rab5b (wt) GPx3'UTR fusion construct Transfection is expected for the wild type rab5b coding region As detectable75Expression of immunoreactive proteins without Se uptake occured. For these experiments, a vector encoding human growth hormone Transfection and measurement of secreted growth hormone Sfection efficiency was once again confirmed.   The importance of the distance between the UGA codon and the selenocysteine insert sequence remains unknown Is. Our target for induced selenocysteine uptake Rab5b has a similar number of amino acids to GPx and is mutated in UGA. Is UGA in GPx142And the distance from the 3'UTR (550nt) is similar It However, in the 5'deiodinase, the span is approximately 1200 nt. The precise sequence between these elements required for selenocysteine uptake The distance is probably not critical.   These data demonstrate that the human GPx gene has a small 3'UTR segment. And conserved AAA and UG within the potential stem-loop structure. Although the AU sequence is essential for translation of selenocysteine in human GPx, , A potential stem-loop or hairpin structure in the coding region is essential There is no. Moreover, these data also prove, as evidenced, by the GPx3'UT R alone is an open reading of an unrelated non-selenocysteine, rab5b Opal mutation (UGA) in frame as selenocysteine, Sufficient to signal the translation.Synthesis of "optimized" selenocysteine inserts   Testing of the genes encoding various known mammalian selenocysteines has been shown to be 3 'UTR has little primary sequence similarity and Have a potential stem-loop structure (Hill et al., J. Biol. . Chem.266: 10050, 1991; Zinoni et al., Proc. Na tl. Acad. Sci.87: 4660, 1990; Ho et al., Nucleic.   Acids Res.16: 5207, 1988; Berry et al., Nature. e353: 273, 1991). Of homology between the 3'UTRs of these genes The lack is due to the extension of the two 3-4 nucleotides of the putative stem-loop structure. Human glutathione proved essential for uptake of nocysteine Combined with our analysis of the peroxidase 3'UTR, Synthetic nucleotides containing and capable of forming orientation-independent stem-loop structures Allowed the design of the array. Is this "optimized" synthetic sequence a stem-loop base? 12 nucleotides at the top of the "bubble" and subsequent structure to 17 nucleotides Contains an additional 11 nucleotide stem with a loop of leotide or balloon Have. In order to make the “optimized” stem loops non-specific, 3-4 A mirror image of the targeting element of cleotide, a suitable bubble of artificial stem-loop And position over the balloon area. The structure of this optimization element is shown in FIG. . In this figure, MRS is the insertion of the element into the appropriate cloning vector. Means multiple restriction sites to facilitate and N represents any nucleotide. S; NxMeans an extension of 2 or more nucleotides of any sequence; N : N means complementary base pairs.   Nucleotide sequences containing this optimized stem-loop have been used in molecular biology Can be constructed by standard techniques known to those skilled in the art. For example, we Applied Biosystems DN Use A synthesizer A 92-mer oligonucleotide containing a bubble-balloon was synthesized. Gel spirit After manufacture, this single-stranded oligonucleotide has 12 and / or 6 nucleotides. 22-mer sense and antisense PCR primers containing The Limer was used to serve as a template for PCR amplification:   1) Template oligonucleotide:   2) PCR primers: The PCR reaction was carried out according to standard methods with 0.1 μg / μl template oligonucleotide, 50 pmole / μl of each PCR primer for 1 min at 95 ° C 10 cycles at 50 ° C for 1 minute and 70 ° C for 1 minute did.   The double-stranded PCR product was then added to the pCRII vector (Invitrogen [InV (ITROGEN], San Diego, CA). (InVitrogen) and combined with INV Transformed into αF 'cells. The sequence of the construct is Promega Using fmol PCR sequencing from (Madison, WI) Confirmed by sequencing the cleotide.Construction of recombinant selenocysteine containing polypeptide   Any desired polypeptide whose DNA sequence is known may be used in the method of the invention. And encode any amino acid that is not essential for the natural activity of the polypeptide. Can be used by codon substitution It Approaches to the production of these “TGA” mutants generally involve site By specific mutagenesis or oligonucleotide-based mutagenesis techniques , For example using a commercially available kit (Promega) Can be achieved. For example, human thyroid hormone receptor-β1To The cDNA encoding the vector-p-alter (Promega [ Promega]) multiple cloning sites and Cysteine codons to TGA by oligonucleotide-based mutagenesis Mutated The cDNA is then rescued by standard laboratory procedures, And the mutation was confirmed by nucleotide sequencing.Expression of selenopolypeptide   Polypeptides according to the present invention can be used to select selenocysts using any suitable expression system. Linked to a recombinant nucleic acid containing a stem-loop structure required for translation of the in Expression from a recombinant nucleic acid having a sequence encoding the encoded polypeptide , Suitable expression vehicles, such as those described above. Transformation of a suitable eukaryotic host cell with the recombinant nucleic acid therein. Those skilled in molecular biology As will be appreciated, any of a wide variety of expression systems can be used to A selenocysteine containing protein can be provided. The exact inn to use The host cells are not critical to the present invention, and Saccharomyces cerevisiae (Saccharomyces   cerevisiae) Or mammalian cells ( For example, COS-1, HL-60, CV-1, LLC / PK-1, C-6, 3T 3L1 and CHO cells). Such cells have a wide range of sources (eg For example, American Type Culture Collection [American Ty pe Culture Collect Ion], Rockville, Maryland). Transformation or The method of transfection and the choice of expression vehicle depends on the polypeptide to be expressed. It will depend on the nature of the tide and the host system chosen. Transformation and trans For example, the method of the infection is described in Ausebel et al. (Current Prot. ocols in Molecular Biology, John Wiel y & Sons, New York, 1989); expression vehicles. Are well known in the art, such as Clonig Vector rs: A Laboratory Manual (PH Pouwels et al., 1985, Suppl. 1987).   For example, a cDNA encoding a desired polypeptide allows for expression Especially as a parental vector for selenocysteine expression systems in a designed orientation Preferred eukaryotic expression vectors pcDNA1 / neo and pRC / CMV (I In Vitrogen).   Alternatively, the selenocysteine containing polypeptide according to the invention is stable It can be produced by a transfected mammalian cell line. Feeding A number of vectors suitable for stable transfection of animal cells are commonly available Possible references, eg Pouwels et al., Supra; constructing such cell lines. Methods for doing so are also commonly available, eg, Ausebel et al., Supra.   Once the desired selenopolypeptide is stably transfected into the host system. Production, the production of the polypeptide should be regulated by the content of selenium in the medium. Can be. Cell culture systems lacking selenium have been described (Spairer. Et al., Supra; Chada et al., Supra). Normally, the production of selenocysteine protein is 0.1 ng / Inhibited at concentrations below ml medium and smells above 1 ng / ml Will be triggered. Optimal induction of selenopolypeptide production is approximately 5-25 occurs in ng / ml medium and concentrations above 50-100 ng / ml are It is cytotoxic, depending on the cell type.   Once the recombinant polypeptide is expressed, it is well known in the art. Can be isolated according to known methods, and the functional activity can be Assay suitable for tide, eg determined by enzymatic activity or affinity of binding can do. The desired selenopolypeptides with the same functional activity When expressed in cells containing the protein, the selenopolypeptide is described To have higher reactivity with nucleophiles for selenocysteine as described (Leonard et al., Biochim. Biophys. Acta.7 87 : 122, 1984), or as described herein,75Use Se It is distinguished from the native protein by its radiolabelling.Expression of selenopolypeptides in vivo   Methods described herein to encode amino acid residues in selenocysteine A gene for any desired polypeptide modified according to Transgenic animals whose production is regulated by the selenium content of the animal's diet Can be used to produce. Method for producing transgenic animals Are well known (see, eg, Hogan et al., Manipulating).   the Mouse Embryo: A Laboratory manual 1, CSH Press, Cold Spring Harbor, New York, 1 986; Leder et al., U.S. Pat. No. 4,736,866). Typically, 0. Less than 016mg / kg When a diet containing dietary selenium is given to a transgenic animal, Expression of selenopolypeptide is blocked, but 0.1 mg / kg or more Selenium above (eg Na2SeO3, Sigma [Sigma]) containing animals When given, the protein will be produced at high levels.Other aspects   The method of the present invention also enhances any commercially available selenopolypeptide. Can be used to produce on a level. As discussed above, a valid selection The presence of selenium exceeds the levels produced under conditions of selenium selenopolypep It produces a 30-50 fold increase in the expression of tide. This level is, for example, selenium An expression vehicle that, when present, allows overexpression of tRNA under suitable conditions Cells cotransfected with a gene encoding selenocysteine tRNA It can be further increased by performing a function. For example, this The gene encoding the tRNA is placed under the control of an inducible promoter, then At the same time as or before supplying selenium to the medium, it is required for gene induction. Can be achieved by supplying a factor that

【手続補正書】 【提出日】1995年12月14日 【補正内容】 請求の範囲 1.真核細胞の中の異種ポリペプチドの生産を制御する方法であって、異種ポ リペプチドをエンコードする第1核酸、ここで前記第1核酸から転写されたmRNA の少なくとも1つのコドンはコドンUGAで置換されている、および前記第1配列 に操作可能に連鎖された第2核酸、前記第2核酸はその細胞が増殖する培地から セレンを得ることができるときにだけ、セレノシステインとして前記UGAコドン の翻訳を指令することができる、を含有する細胞を準備し、そして 前記ポリペプチドの生産が前記細胞に対して利用可能なセレンのレベルにより 制御される条件下に、前記細胞を増殖させる、 ことを含んでなる方法。 2.前記細胞をin vitroで増殖させる請求の範囲1の方法。 3.前記細胞が哺乳動物細胞である請求の範囲2の方法。 4.前記細胞が酵母細胞である請求の範囲1の方法。 5.前記第1核酸および第2核酸を前記細胞の中で自律的に複製することがで きる組換えべクターの中に前記細胞において維持する請求の範囲1の方法。 6.前記第1核酸および第2核酸が前記細胞のゲノムの中に安定に組込まれて いる請求の範囲1の方法。 7.前記細胞が非ヒト哺乳動物から誘導された胚細胞であり、そして前記方法 がゲノムの中に安定に組込まれた前記第1核酸および第2核酸を含有する前記非 ヒト哺乳動物のトランスジェニック子孫を得るステップをさらに含む請求の範囲 1の方法。 8.前記第2核酸が天然に見出される哺乳動物のセレノタンパク質をエンコー ドする遺伝子の3′−非翻訳領域からのほぼ90の隣接するヌクレオチドから誘導 される請求の範囲1の方法。 9.前記哺乳動物セレノタンパク質がヒトグルタチオンペルオキシダーゼであ り、そして前記第2核酸がヌクレオチド:TGTCTCGG GGGGGTTTTC ATCTATGAGG GTG TTTCCTC TAAACCTACG AGGGAGGAAC ACCTGATCTT ACAGAAAATA CCACCTCGA に実質的に 相同性のヌクレオチド配列を含む請求の範囲8の方法。 10.セレンの濃度が増殖培地1mlにつき1〜25ngであるとき、前記ポリペプチ ドが前記細胞により生産される請求の範囲1の方法。 11.前記トランスジェニック子孫の毎日の摂取が1kgのセレン当り0.1mgを上 廻るものを含有するとき、前記ポリペプチドが前記トランスジェニック子孫の中 で生産される請求の範囲7の方法。 12.前記細胞が前記組換えポリペプチドに実質的に類似する天然のタンパク質 を含まない請求の範囲1の方法。 13.前記細胞が前記組換えポリペプチドに実質的に同一な天然のタンパク質を 含有し、そして前記組換えポリペプチドが親核試薬に対する前記組換えポリペプ チドの反応性の増加により前記天然のタンパク質と区別される請求の範囲1の本 発明。 14.前記細胞が前記組換えポリペプチドに実質的に同一な天然のタンパク質を 含有し、そして前記組換えポリペプチドが放射性同位元素75Seを組込む、前記天 然のタンパク質ではなく、前記組換えポリペプチドの能力により前記天然のタン パク質と区別される請求の範囲1の方法。 15.放射性標識化組換えポリペプチドを生産する方法であって前記異種ポリぺ プチドをエンコードする第1核酸を準備し、ここで前記第1核酸から転写された mRNAの少なくとも1つのコドンはコドンUGAで置換されており、 前記第1配列に操作可能に連鎖された第2核酸を準備し、前記第2核酸はそれ から転写されたmRNAの中のステム−ループ二次構造を形成できるヌクレオチドの 隣接する配列を含み、前記ステム−ループはその細胞が増殖する培地からセレン を得ることができるときにだけセレノシステインとして前記UGAコドンの翻訳を 指令することができ、 前記第1核酸および第2核酸を細胞の中に導入し、 前記第1核酸および第2核酸から翻訳された組換えポリペプチドに上記アイソ トープの取り込みを可能とするのに十分な条件下に放射性セレン・アイソトープ の存在中前記細胞を増殖させる、 ことからなる方法。 16.ステム−ループ2次構造を形成することができ、かつ、ヌクレオチド:TG TCTCGG GGGGGTTTTC ATCTATGAGG GTGTTTCCTC TAAACCTACG AGGGAGGAAC ACCTGATCTT ACAGAAAATA CCACCTCGA に実質的に同一なヌクレオチド配列から成る単離一本鎖 核酸。 17.請求の範囲16の一本鎖核酸をエンコードするDNAを含んでなる二本鎖核酸 。 【図8】 【図8】 [Procedure amendment] [Submission date] December 14, 1995 [Amendment content] Claims 1. A method of controlling the production of a heterologous polypeptide in a eukaryotic cell, wherein a first nucleic acid encoding the heterologous polypeptide, wherein at least one codon of the mRNA transcribed from said first nucleic acid is replaced with codon UGA A second nucleic acid operably linked to the first sequence, the second nucleic acid is a translation of the UGA codon as selenocysteine only when selenium can be obtained from the medium in which the cells are grown. Is prepared, and the cells are grown under conditions in which the production of the polypeptide is controlled by the level of selenium available to the cell. How to be. 2. The method of claim 1, wherein the cells are grown in vitro. 3. The method of claim 2 wherein said cells are mammalian cells. 4. The method of claim 1, wherein the cells are yeast cells. 5. The method of claim 1 wherein said first and second nucleic acids are maintained in said cell in a recombinant vector capable of autonomously replicating in said cell. 6. The method of claim 1 wherein said first and second nucleic acids are stably integrated into the genome of said cell. 7. The cells are embryonic cells derived from a non-human mammal, and the method comprises the transgenic offspring of the non-human mammal containing the first nucleic acid and the second nucleic acid stably integrated into the genome. The method of claim 1 further comprising the step of obtaining. 8. 2. The method of claim 1 wherein said second nucleic acid is derived from approximately 90 contiguous nucleotides from the 3'-untranslated region of the naturally occurring mammalian selenoprotein-encoding gene. 9. 9. The method of claim 8 wherein the mammalian selenoprotein is human glutathione peroxidase and the second nucleic acid comprises a nucleotide sequence substantially homologous to the nucleotides: TGTCTCGG GGGGGTTTTC ATCTATGAGG GTG TTTCCTC TAAACCTACG AGGGAGGAAC ACCTGATCTT ACAGAAAATA CCACCTCGA. Ten. The method of claim 1 wherein said polypeptide is produced by said cells when the concentration of selenium is 1-25 ng / ml growth medium. 11. 8. The method of claim 7, wherein said polypeptide is produced in said transgenic progeny when the daily intake of said transgenic progeny contains more than 0.1 mg / kg selenium. 12. 2. The method of claim 1, wherein the cells are free of native proteins that are substantially similar to the recombinant polypeptide. 13. The cell contains a native protein that is substantially identical to the recombinant polypeptide, and the recombinant polypeptide is distinguished from the native protein by an increase in the reactivity of the recombinant polypeptide to a nucleophile. The present invention according to claim 1. 14. The ability of the recombinant polypeptide to contain the native protein substantially identical to the recombinant polypeptide, and wherein the recombinant polypeptide incorporates the radioactive isotope 75 Se, rather than the native protein. The method of claim 1 wherein the method is distinguished from the native protein by. 15. A method of producing a radiolabeled recombinant polypeptide, comprising preparing a first nucleic acid encoding said heterologous polypeptide, wherein at least one codon of mRNA transcribed from said first nucleic acid is replaced with codon UGA. A second nucleic acid operably linked to the first sequence, the second nucleic acid comprising a contiguous sequence of nucleotides capable of forming a stem-loop secondary structure in the mRNA transcribed therefrom. The stem-loop can direct translation of the UGA codon as selenocysteine only when selenium can be obtained from the medium in which the cell is grown, and the first nucleic acid and the second nucleic acid are present in the cell. And is radioactive under conditions sufficient to allow incorporation of the isotope into the recombinant polypeptide translated from the first and second nucleic acids. Growing presence in said cells of Len isotope, a method which consists in. 16. An isolated single-stranded nucleic acid capable of forming a stem-loop secondary structure and consisting of a nucleotide sequence substantially identical to the nucleotides: TG TCTCGG GGGGGTTTTC ATCTATGAGG GTGTTTCCTC TAAACCTACG AGGGAGGAAC ACCTGATCTT ACAGAAAATA CCACCTCGA. 17. A double-stranded nucleic acid comprising DNA encoding the single-stranded nucleic acid according to claim 16. [Figure 8] [Figure 8]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI C12N 9/08 9452−4B C12P 21/02 C C12P 21/02 9281−4B C12N 5/00 B //(C12N 9/08 C12R 1:91) (C12P 21/02 C12R 1:865) (C12P 21/02 C12R 1:91) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI C12N 9/08 9452-4B C12P 21/02 C C12P 21/02 9281-4B C12N 5/00 B // (C12N 9/08 C12R 1:91) (C12P 21/02 C12R 1: 865) (C12P 21/02 C12R 1:91)

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1.異種ポリペプチドをエンコードする第1核酸、ここで前記第1核酸から転 写されたmRNAの少なくとも1つのコドンはコドンUGAで置換されている、 および前記第1配列に操作可能に連鎖された第2核酸、前記第2核酸はセレノシ ステインとして前記UGAコドンの翻訳を指令することができる、を含有する細 胞を準備し、そして 前記ポリペプチドの生産が前記細胞に対して利用可能なセレンのレベルにより 制御される条件下に、前記細胞を増殖させる、 ことからなる、真核細胞の中の異種ポリペプチドの生産を制御する方法。 2.前記細胞をin vitroで増殖させる請求の範囲1の方法。 3.前記細胞が哺乳動物細胞である請求の範囲2の方法。 4.前記細胞が酵母細胞である請求の範囲1の方法。 5.前記第1核酸および第2核酸を前記細胞の中で自律的に複製することがで きる組換えベクターの中に前記細胞において維持する請求の範囲1の方法。 6.前記第1核酸および第2核酸が前記細胞のゲノムの中に安定に組込まれて いる請求の範囲1の方法。 7.前記細胞が非ヒト哺乳動物から誘導された胚細胞であり、そして前記方法 がゲノムの中に安定に組込まれた前記第1核酸および第2核酸を含有する前記非 ヒト哺乳動物のトランスジェニック子孫を得るステップをさらに含む請求の範囲 1の方法。 8.前記第2核酸がそれから転写されたmRNAの中のステム−ループ二次構 造を形成できるヌクレオチドの隣接する配列を含む請 求の範囲1の方法。 9.前記第2核酸が天然に見出される哺乳動物のセレノタンパク質をエンコー ドする遺伝子の3’−非翻訳領域領域からのほぼ90の隣接するヌクレオチドか ら誘導される請求の範囲8の方法。 10.前記哺乳動物セレノタンパク質がヒトグルタチオンペルオキシダーゼであ り、そして前記第2核酸が第8図のヌクレオチド654〜740に対して実質的 に相同性のヌクレオチド配列を含む請求の範囲9の方法。 11.前記第2核酸が合成的に誘導され、そして前記ステム−ループのループが 配列5’−NAAAUNNUAAAN−3’を含み、そして前記ステム−ループ のステムがバブルを形成する少なくとも12の非相補的ヌクレオチドを含み、前 記バブルがその各半分に対して対称的に対向する配列5’−NUAGUN−3’ を含有し、ここで各Nがアデニン、グアニン、シトシンおよびウラシルから成る 群より独立に選択される請求の範囲8の方法。 12.セレンの濃度が増殖培地1mlにつき1〜25ngであるとき、前記ポリ ペプチドが前記細胞により生産される請求の範囲2の方法。 13.前記トランスジェニック子孫の毎日の摂取が1kgのセレン当り0.1m gを上廻るものを含有するとき、前記ポリペプチドが前記トランスジェニック子 孫の中で生産される請求の範囲7の方法。 14.前記細胞が前記組換えポリペプチドに実質的に類似する天然のタンパク質 を含まない請求の範囲1の方法。 15.前記細胞が前記組換えポリペプチドに実質的に類似する天然のタンパク質 を含有し、そして前記組換えポリペプチドが親核試薬に対する前記組換えポリペ プチドの反応性の増加により前記天然の タンパク質と区別される請求の範囲1の方法。 16.前記細胞が前記組換えポリペプチドに実質的に類似する天然のタンパク質 を含有し、そして前記組換えポリペプチドが放射性同位元素75Seを組込む、前 記天然のタンパク質ではなく、前記組換えポリペプチドの能力により前記天然の タンパク質と区別される請求の範囲1の方法。 17.前記異種ポリペプチドをエンコードする第1核酸を準備し、ここで前記第 1核酸から転写されたmRNAの少なくとも1つのコドンはコドンUGAで置換 されており、 前記第1配列に操作可能に連鎖された第2核酸を準備し、前記第2核酸はそれ から転写されたmRNAの中のステム−ループ二次構造を形成できるヌクレオチ ドの隣接する配列を含み、前記ステム−ループはセレノシステインとして前記U GAコドンの翻訳を指令することができ、 前記第1核酸および第2核酸を細胞の中に導入し、 前記細胞を75Seの存在下に前記ポリペプチドの中への75Seの取り込みを可 能とするために十分な条件下に増殖させる、 ことからなる、放射性標識化組換えポリペプチドを生産する方法。 18.ステム−ループ二次構造を形成できるヌクレオチドの隣接する伸張を含ん でなる一本鎖核酸であって、前記ステム−ループのループは配列5’−NAAA UNNUAAAN−3’を含み、そして前記ステム−ループのステムはバブルを 形成するほぼ14の非相補的ヌクレオチドを含み、前記バブルはその各半分に対 して対称的に対向する配列5’−NUAGUN−3’を含有し、各Nはアデニン 、グアニン、シトシンおよびウラシルから成る群より独立に選択され、そして前 記核酸はそれが前記コドンを含むmRNAに操作的に連鎖されているとき、セレ ノシステインとして、コドン、UGAの 翻訳を指令することができる、一本鎖核酸。 19.前記ステム−ループがほぼ90のヌクレオチドを含有し、前記バブルが前 記ステムの塩基からほぼ17ヌクレオチドに位置し、そして前記ループが前記バ ブルからほぼ11ヌクレオチドに位置する請求の範囲18の核酸。 20.前記バブルの各半分がほぼ7ヌクレオチドである請求の範囲18の核酸。 21.前記ループがほぼ12ヌクレオチドを含有する請求の範囲18の核酸。 22.請求の範囲18の一本鎖核酸をエンコードするDNAを含んでなる二本鎖 核酸。[Claims] 1. A first nucleic acid encoding a heterologous polypeptide, wherein at least one codon of the mRNA transcribed from said first nucleic acid has been replaced by the codon UGA, and a second nucleic acid operably linked to said first sequence , The second nucleic acid is capable of directing translation of the UGA codon as selenocysteine, and the production of the polypeptide is controlled by the level of selenium available to the cell. Proliferating said cells under certain conditions comprising controlling the production of the heterologous polypeptide in a eukaryotic cell. 2. The method of claim 1, wherein the cells are grown in vitro. 3. The method of claim 2 wherein said cells are mammalian cells. 4. The method of claim 1, wherein the cells are yeast cells. 5. The method of claim 1 wherein said first and second nucleic acids are maintained in said cell in a recombinant vector capable of autonomously replicating in said cell. 6. The method of claim 1 wherein said first and second nucleic acids are stably integrated into the genome of said cell. 7. The cells are embryonic cells derived from a non-human mammal, and the method comprises the transgenic offspring of the non-human mammal containing the first nucleic acid and the second nucleic acid stably integrated into the genome. The method of claim 1 further comprising the step of obtaining. 8. The method of claim 1 wherein said second nucleic acid comprises a flanking sequence of nucleotides capable of forming a stem-loop secondary structure in the mRNA transcribed therefrom. 9. 9. The method of claim 8 wherein said second nucleic acid is derived from approximately 90 contiguous nucleotides from the 3'-untranslated region region of the naturally-occurring mammalian selenoprotein-encoding gene. Ten. 10. The method of claim 9 wherein said mammalian selenoprotein is human glutathione peroxidase and said second nucleic acid comprises a nucleotide sequence substantially homologous to nucleotides 654-740 of FIG. 11. The second nucleic acid is synthetically derived, and the stem-loop loop comprises the sequence 5'-NAAAUNNUAAAN-3 ', and the stem-loop stem comprises at least 12 non-complementary nucleotides forming a bubble. The bubble comprises a symmetrically opposed sequence 5'-NUAGUN-3 'for each half thereof, wherein each N is independently selected from the group consisting of adenine, guanine, cytosine and uracil. Method of range 8. 12. The method of claim 2 wherein said polypeptide is produced by said cells when the concentration of selenium is 1-25 ng / ml growth medium. 13. 8. The method of claim 7, wherein said polypeptide is produced in said transgenic progeny when the daily intake of said transgenic progeny contains more than 0.1 mg / kg selenium. 14. 2. The method of claim 1, wherein the cells are free of native proteins that are substantially similar to the recombinant polypeptide. 15. The cell contains a native protein that is substantially similar to the recombinant polypeptide, and the recombinant polypeptide is distinguished from the native protein by an increase in the reactivity of the recombinant polypeptide to a nucleophile. The method according to claim 1. 16. The ability of said recombinant polypeptide, rather than said native protein, wherein said cell contains a native protein substantially similar to said recombinant polypeptide, and said recombinant polypeptide incorporates the radioactive isotope 75 Se. The method of claim 1 wherein the method is distinguished from the native protein by. 17. A first nucleic acid encoding the heterologous polypeptide is provided, wherein at least one codon of the mRNA transcribed from the first nucleic acid is replaced with the codon UGA and is operably linked to the first sequence. A second nucleic acid is provided, said second nucleic acid comprising a contiguous sequence of nucleotides capable of forming a stem-loop secondary structure in the mRNA transcribed therefrom, said stem-loop comprising as a selenocysteine of said UGA codon. that can direct translation, the first nucleic acid and second nucleic acid is introduced into a cell, in order to enable 75 Se incorporation into the polypeptide of the cells in the presence of 75 Se Growing under sufficient conditions, which comprises producing a radiolabeled recombinant polypeptide. 18. A single-stranded nucleic acid comprising a contiguous stretch of nucleotides capable of forming a stem-loop secondary structure, the loop of the stem-loop comprising the sequence 5'-NAAA UNNUAAAN-3 ', and the stem-loop Stem contains approximately 14 non-complementary nucleotides forming a bubble, said bubble containing a symmetrically opposed sequence 5'-NUAGUN-3 'for each half thereof, each N being adenine, guanine, Independently selected from the group consisting of cytosine and uracil, and said nucleic acid is capable of directing the translation of the codon, UGA, as selenocysteine when it is operably linked to the mRNA containing said codon, Single-stranded nucleic acid. 19. 19. The nucleic acid of claim 18, wherein the stem-loop contains approximately 90 nucleotides, the bubble is located approximately 17 nucleotides from the base of the stem, and the loop is located approximately 11 nucleotides from the bubble. 20. 19. The nucleic acid of claim 18, wherein each half of said bubble is approximately 7 nucleotides. twenty one. 19. The nucleic acid of claim 18, wherein said loop contains approximately 12 nucleotides. twenty two. A double-stranded nucleic acid comprising DNA encoding the single-stranded nucleic acid according to claim 18.
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