JPH0977796A - 新規なatp感受性のカリウムチャネル蛋白質とその遺伝子 - Google Patents

新規なatp感受性のカリウムチャネル蛋白質とその遺伝子

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JPH0977796A
JPH0977796A JP7264943A JP26494395A JPH0977796A JP H0977796 A JPH0977796 A JP H0977796A JP 7264943 A JP7264943 A JP 7264943A JP 26494395 A JP26494395 A JP 26494395A JP H0977796 A JPH0977796 A JP H0977796A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 新規なATP感受性のカリウムチャネル蛋白
質とその遺伝子とその遺伝子を提供する。 【構成】 ヒトおよびラット由来の新規なカリウムチャ
ネル蛋白質のアミノ酸配列とその遺伝子。ヒト由来のア
ミノ酸配列は次のとおり。 【効果】 本発明のカリウムチャネル蛋白質はその遺伝
子を用いて遺伝子工学の手法により量産することがで
き、その蛋白質は糖尿病等のカリウムチャネル疾患の診
断や治療に用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヒト及びマウス由
来の膵β細胞やインスリン分泌細胞ラインに発現する新
規の ATP感受性カリウムチャネル(βIR)の蛋白質及びそ
れをコードする遺伝子に関し、糖尿病等の診断薬、治療
剤及びそれらの開発に有用である。
【0002】
【従来の技術】糖尿病の病因の多くは、膵β細胞のイン
スリン分泌障害に起因することが知られている。従っ
て、インスリン分泌の分子機構の解明は、糖尿病の原因
究明やその治療薬の開発に重要な役割を果たすと期待さ
れるが、その詳細は未だ明らかにされていない。
【0003】種々の組織の細胞膜に存在する ATP感受性
カリウムチャネル( KATP チャネル)は、細胞内の代謝
状態と膜電位を共役させることで、分泌や筋肉収縮など
の細胞機能の主要な作用を示すことが明らかにされてい
る。例えば、心筋細胞[Noma,A.,Nature,305:147,(198
3) ]、膵β細胞〔Cook,D.L., Nature, 311: 271,(198
4), Misler,S.,et al., Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 8
3: 7119,(1986) 〕、下垂体[Bernadi,H.,et al., Pro
c.Natl.Acad.Sci. U.S.A., 90:1340,(1993)]、骨格筋
[Spruce,A.E.,et al., Nature 316: 736,(1985)]など
で KATP チャネルが確認されている。
【0004】特に膵β細胞において、グルコースの代謝
と産生された ATPが KATP チャネルを閉鎖して脱分極す
ることにより、カルシウムチャネルからのイオン流入を
引き起こし、インスリンを分泌する。この様に、 KATP
チャネルは、インスリン分泌の調節に主要な役割を果た
している。
【0005】KATP チャネルは電気生理学的に内向き整
流を示すカリウムチャネルに属すし、それらのアミノ酸
の同一性をもとに、5 種類のサブファミリーに分類され
ている(ROMK1,IRK1,GIRK1, cKATP-1, uKATP-1)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、膵β細胞にお
ける KATP チャネルの分子基盤は明らかにされていな
い。著者らの発見した種々の組織に遍在的に発現する u
KATP-1 [Inagaki,N., etal., J.Biol.Chem. 270: 569
1,(1995)]は、膵β細胞を含む正常な組織で発現されて
いるが、インスリン分泌細胞ラインでは発現されていな
い。
【0007】そこで、膵β細胞やインスリン分泌細胞ラ
インに特異的に発現されるカリウムチャネルを探索し
た。
【0008】膵β細胞に特異的に発現する新規のカリウ
ムチャネルの詳細な蛋白質構造は未だ明かでなく、組織
遍在性の新規のカリウムチャネル( uKATP-1)やスルホ
ニールウレア剤結合タンパク質などとの複合体形成の有
無に関す情報も、まだ開示されてない。
【0009】
【課題を解決するための手段】新規の KATP チャネルを
単離・同定、機能解析を行うためには、分子生物学的、
細胞生物学的技術、電気生理学的技術などの高度の技術
を要する。発明者らは、これらの技術を駆使して、ヒト
及びマウスの膵β細胞やインスリン分泌細胞系に特異的
に発現するイソ型の新規の KATPチャネル(βIR)をコ
ードするヒト及びマウスのゲノム遺伝子やcDNAを単離
し、DNA配列とアミノ酸配列を決定した(図1、図2、
図3、図4)。このβIRチャネル蛋白質をアフリカツメ
ガエル卵母細胞の系と哺乳動物細胞の系で発現させた。
電気生理学的解析の結果、βIRチャネルは内向き整流性
を示すATP感受性カリウムチャネル蛋白質であることが
証明された。
【0010】本発明の蛋白質は、哺乳動物の膵β細胞及
びインスリン分泌細胞に特異的に発現される新規の ATP
感受性カリウムチャネル(βIR)で、それらは種々の組
織に遍在して発現される新規のATP 感受性カリウムチャ
ネル uKATP-1 のイソ型である。本発明は、これらの蛋
白質のアミノ酸配列及びコードする DNA 配列の同定や
これらの配列を組み込んだプラスミド、さらに、このプ
ラスミドを組み込んだ組換え体細胞(形質変換体)を包
含する。
【0011】加えて、βIRの単離された遺伝子や蛋白質
やその組換え体蛋白質、それらに対するアゴニストやア
ンタゴニストなどの物質及び診断薬、遺伝子治療薬を含
めた薬剤設計を含むものである。
【0012】膵β細胞に特異的なヒト由来のhβIRとマ
ウス由来のmβIRは390アミノ酸残基〔(開始コドン
ATG)Metを含む〕で、分子量はそれぞれ43,5
12ダルトンと43,559ダルトンであり、アミノ酸
配列で96%の同一性を示す。さらに、ヒト及びマウス
のβIRのアミノ酸はラットの uKATP-1 と約71%の同
一性を示し、他のカリウムチャネルの IRK1 、ROMK1 、
GIRK1 、cKATP-1, とそれぞれ46%、41%、42
%、44%の同一性であり、βIRが uKATP-1 と同じサ
ブファミリーでイソ型であることを示した。
【0013】また、今日同定されている内向き整流カリ
ウムチャネルの孔部分(H5領域)に保存されている Gly-T
yr-Gly モチーフ(アミノ酸 132-134)が、本発明のβIR
と uKATP-1 では共通して Gly-Phe-Gly モチーフである
ことが確認された。
【0014】加えて、第二番目の膜透過の部位に、内向
き整流カリウムチャネルの重要な決定因子であるアスパ
ラギン(Asn) が、 uKATP-1 ではAsn-163 でβIRでは As
n-153である。βIRは uKATP-1 と高いホモロジーを示す
が、細胞内のアミノ末端及びカルボキシル末端の領域と
孔形成部分(H5)に類似性はない。ヒト由来及びマウス由
来のβIRの細胞内領域に潜在的な二つのcAMP依存性のプ
ロテインキナーゼリン酸化部位(Thr-224とSer-372)、五
つのプロテインキナーゼC依存のリン酸化部位(Ser-3、S
er-37、Thr-336、Thr-345とSer-363)があり、かつ潜在
的に三つのカゼインキナーゼII依存性のリン酸化部位(T
hr-62、Thr-224とSer-354)がある。細胞外領域にいかな
るN-結合のグリコシル化部位は存在しない。
【0015】RNAブロッチング研究でβIRのmRNAが膵β
細胞やインスリン分泌細胞系で高頻度に発現されること
が認められ、心臓や骨格筋や脳などの組織では低レベル
の発現である。さらに、βIRチャネルの機能的な性質を
特徴化するために、アフリカツメガエル卵母細胞でのh
βIRとmβIRの発現を試みた。ヒトとマウスでの in vit
ro合成のcRNAの発現は内向き整流カリウムチャネルの流
入を、コントロールの水注入に比較して、重要に増加し
た。
【0016】この様に、βIRは uKATP-1と高いホモロー
ジーがあり、そのmRNAは膵β細胞やインスリン分泌細胞
系に顕著に発現されるため、βIRが膵β細胞の主要なAT
P感受性カリウムチャネルの可能性がある。本発明にお
ける研究で、糖尿病の治療薬として汎用されているスル
ホニールウレア剤でβIRが阻害されることが見いださ
れ、膵β細胞におけるβIRの重要さが確認されてい
る。
【0017】具体的にβIRとスルホニール受容体をCOS-
1細胞に共発現させた時、このチャネル(βIR)のATP感受
性やスルホニール剤による活性阻害が証明された。従っ
て、βIRとスルホニール受容体はin vivoで複合体を形
成して機能していることが示唆される。
【0018】本発明の新規なhβIRとmβIRのDNAは、cDN
Aライブラリーとゲノムライブラリーから得られた。 h
βIRとmβIRのゲノム遺伝子はイントロンを含まないこ
とを特徴とし、染色体 11p15.1に局在している。hβIR
やmβIRのゲノムDNAは、それらのcDNA及びそれらのフラ
グメントを用いてゲノムライブラリーをプローブするこ
とによっても得ることできる。
【0019】単離したhβIRのDNAを、ヌクレオチドの欠
失、挿入、置換によって変異体を作製することは公知技
術を用いて容易である。例えば、βIRの孔の部分の特徴
的なモチーフを欠失するか、他のアミノ酸で置換するこ
とで、βIRの類似体を作製できる。モチーフ欠失の類似
体は、スルホニールウレア剤と結合できてもチャネルの
機能を有しない。スルホニールウレア剤過剰摂取の糖尿
病患者にβIRの類似体を中和剤として投与できる可能性
がある。また、βIRのモチーフ部位の置換で、より内向
き整流の強力なカリウムチャネルを作製可能である。
【0020】βIRのアミノ酸配列が明らかにされたこと
で、より効果的で毒性のないβIR阻害剤の開発が容易に
なっている。本発明は、βIRに関する変異体やこれらに
対するアゴニストやアンタゴニストの作製を含むもので
ある。さらに、hβIRのDNAおよびそのDNA変異体のアミ
ノ末端やカルボキシル末端に相当する側に、他の蛋白質
や合成ポリペプチドをコードするヌクレオチド配列を結
合して融合蛋白質、即ちβIRの誘導体を作製することも
公知技術により容易である。例えば、融合蛋白質が前駆
体蛋白質として作製され、in vivo及びin vitroで開裂
して機能する。融合蛋白質に本来の機能に加えて標的組
織性や膜指向性をもたせることも可能である。この場
合、融合蛋白質に糖結合性アミノ酸を含有させることで
新たな糖鎖を形成させて、組織・膜指向性を腑活させる
ことも含まれる。本発明に、βIRを含有する融合蛋白質
の作製も含まれる。
【0021】βIRの変異体やその誘導体を作製すること
は、部位特異的突然変異技術を用いることでよくしられ
ている技術である[Adelman et al., DNA, 2: 183, (1
983)]。hβIRやmβIR、それらの変異体、それらの誘導
体を大量生産するのに周知技術を用い、これらのDNAを
コードしている複製可能な組換え体プラスミドを作り、
さらに、この様なプラスミドで形質転換細胞を作製し、
これらの宿種細胞を培養して物質を生産する。宿種細胞
は細菌、酵母及び動物細胞を含む。細菌などの原核生物
がデオキシリボヌクレオチドのクローニングに適してい
る。例えば、E.coliに由来するpBR322のプラスミドはア
ンピシリンやテトラサイクリン抵抗性の遺伝子を含有
し、変換細胞を同定する容易な手段を与える。さらに、
細菌のプラスミドは、それ自体の蛋白質の発現に用いら
れるプロモーターを含有する。原核生物に加えて、酵母
などの真核生物も役立つ。
【0022】特に、酵母菌 sacchraomyces での発現に
はプラスミド YRp7が共通に用いられる[Stinchomb et
al., Nature, 289:39,(1979)]。動物細胞も宿主として
利用される。特に、脊椎動物細胞の培養が利用され易く
常套手段になっている[krause and Paterson, Tissue
Culture, Acadenic Press,(1973)]。細胞系として AtT
-20、Hela Cells、Chinese Hamster Ovary(CHO)、COSM
6、COS-7などがある。また、細胞系の発現プラスミドの
制御機能としてもちいられるのが、ウイルスのPolyom
a、Adenovirus2、Cytomagalovirus、Simian virus 40な
どのプロモーターである。動物細胞で利用性の高いプラ
スミドはpCMVである[Thomsen et al., Pro.Natl.Acad.
Sci. U.S.A., 81: 659,(1984)]。
【0023】本発明のチャネル蛋白質やhβIRやmβIRの
DNA配列は開始コドンATG で始まる。組換え体細胞を用
いチェネル蛋白質を合成する場合、所望のDNAにATG を
附加する必要もなく、取扱いが容易である。従って、大
腸菌を用いた形質転換の原核生物で、βIRを発現させる
と、一般的にアミノ酸配列がMet で始まる蛋白質が生合
成される。この蛋白質のN-末のMet は用途目的に応じて
除去されてもよい。同様に、動物細胞の組換え体細胞で
βIRを合成する場合にも、N-末にMet を含むβIR(1−
390)またはMetが除去されたβIR(2−390)
の蛋白質が生合成される。共に、用途目的に応じて有用
である。hβIR及びそれらのフラグメントを動物に免疫
して抗体を得る。加えて、動物に免疫することで、所望
の抗体を分泌する細胞からモノクローナル抗体を調製で
きる。hβIRを大量に調製することが容易になり、それ
の分子的レベルでよりよく理解されてきた。それ故、h
βIRやそれの変異体や類似体を開発することで、主に糖
尿病疾患に関連する、研究試薬、診断薬や治療薬を開発
できる。
【0024】特に、βIR蛋白質は、診断薬や治療薬に適
した物質である、即ちβIRにアゴニスト的及びアンタゴ
ニスト的に作用する物質の探索方法に用いることができ
る。例えば、動物細胞にβIR を発現させ、その活性の
促進または阻害物質を分析・試験できる[Kayano、T. e
t al., J.Biol.Chem.,265:13276, (1990)、実施例
4]。
【0025】さらに、βIRのDNA配列の情報が得られた
ことで、部分配列のデオキシリボヌクレオチドの調製が
容易になった。これらの相対的に短いDNA配列は、選択
されるべき遺伝子にハイブリダイズする能力を持つため
に、核酸のプローブとして利用される。ハイブリダイゼ
ーションを調べるためのラベルには放射性物質や酵素を
用いた発色法など公知技術として適切な指標手段があ
る。種々の組織の相補的DNA配列の検出に、プローブが
有効である。
【0026】従って、βIRで作製したプローブで、種々
の生物やそれらの組織細胞からハイブリダイズする核酸
を得ることができる。得られた核酸は、βIRと同じかイ
ソ型か類似体である。作製されたプローブは、患者の遺
伝子診断に利用できる。プローブでハイブリダイズした
患者のヌクレオチド配列を調べることで、疾患遺伝子の
検出が可能である。
【0027】これまでに、カリウムチャネルのブロッカ
ー剤(sulfonylurea)が、糖尿病の治療薬として使用され
ている。 hβIRやその変異体、誘導体、モノクローナル
抗体、それらに関するアゴニストやアンタゴニストなど
を製剤化することで、糖尿病の治療薬になり、またhβI
R自体に機能不全がある場合、補充 療法で機能を補う
ことができる。
【0028】hβIRの遺伝子をベクターや幹細胞に組み
込み、人体投与するこで遺伝子治療薬として用いること
も期待される。
【0029】
【実施例】
実施例1. ヒト由来βIR-1のcDNAと遺伝子のクローニング 内向き整流カリウムチャネルをコードしている遺伝子は
イントロンを欠損していることが知られているので、λ
FIXIIヒトゲノムライブラリーの7x105 プラークをスク
リーンした。標準的なハイブリダイゼーションの条件下
でプローブとして 32Pラベルしたラットの uKATP-1
長のcDNAを用いた。転写膜を42℃の 2xssc/0.1% SDSで
30分間洗浄処理した。また、ヒト由来hβIRの32Pラベル
したDNAフラグメントをプローブとして用いて、マウス
のインスリン分泌細胞系のMIN6 cDNAライブラリーの 7x
105のプラークを標準的なハイブリダイゼーションの条
件下でスクリーンした。転写膜の洗浄処理を50℃、0.1x
SSC/0.1% SDSで、1時間行った。ヒト及びマウス由来の
二つのDNA鎖の配列は、適切な長さのDNA断片をM13mp1
8、mp19、pGEM3Zにサブクローニングした後に、ジデオ
キシヌクレオチド鎖のターミネーション法で決められ
た。
【0030】実施例2. RNAブロッティング分析 種々の組織及び細胞株から抽出したRNAの20 ugを、下垂
体と甲状腺から抽出した RNAの10μgを、ホルムアルデ
ヒドで変性して 1%アガロースゲル上で電気泳動し、ナ
イロン膜に転写した。 32Pでラベルした hβIRのDNAを
プローブに用い、ハイブリダイゼーションを行った。β
IRのmRNAが膵β細胞とインスリン分泌細胞系であるMIN6
及びHITT-15に極めて高いレベルで発現した(図 5)。
【0031】実施例3. PCR-SSCPとDNA配列 日本人の20人の正常人から採取したゲノムDNAのPCR-SSC
P分析を行った。六対のCy5-ラベルのオリゴヌクレオチ
ドを、ヒト由来のhβIR-1遺伝子の蛋白質コード領域を
増加させるのに用いた(図-6)。PCR反応は10 ulの溶液で
行われ、0.1ugのゲノムDNA、10 pmolのセンス、アンチ
センス プライマー、10 mmol/1 KCl、20 mmol/1 Tris-H
Cl(pH 8.8)、2.0 mmol/MgCl2、6 mmol/1(NH4)2SO4、0.1
% Triton X-100、0.01%牛血清アルブミン、200 umol/1
of each dNTPや 0.25UのPfuDNAポリメラーゼを含む。最
初の変性処理 94℃、3分間の後に、試料はGene Amp 960
0 PCR系で40サイクルの増殖した。 94℃で15秒間の変
性、65℃または60℃で15秒のアニーリング、72℃で30秒
の伸長。反応液の試料を94℃、3分間で熱処理し、5%
のポリアクリルアミドゲル電気泳動で分離し、自動シー
ケンサーでDNA配列を決定した。
【0032】実施例4. 電気生理学的解析 βIRとスルホニール受容体と COS-1細胞に共発現させ、
電気生理学的解析を行った。 ATP濃度依存性にカリウム
チャネル活性の抑制が認められた(図-7)。さらに、ス
ルホニールウレア剤であるグリベンクラミド(glibencl
amide)によってもカリウムチャネル活性の阻害が認めら
れた(図-8)。
【0033】
【発明の効果】本発明によれば、膵β細胞に特異的に存
在するATP感受性カリウムチャネルであるhβIRとmβIR
のDNAおよびそれぞれによってコードされる蛋白質が提
供され、それらを用いて公知の遺伝子工学技術により該
蛋白質を量産することができ、研究試薬や糖尿病等の疾
病の診断、治療に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図2のデオキシリボヌクレオチド配列に対応
するアミノ配列を示す。
【図2】 実施例3で得られたヒト由来のβIRのデオキ
シリボヌクレオチド配列を示す。
【図3】 図4のデオキシリボヌクレオチド配列に対応
するアミノ酸配列を示す。
【図4】 マウス由来のmβIRのデオキシリボヌクレオ
チ配列を示す。
【図5】 実施例2におけるラットの種々の組織でのβ
IR mRNAのRNAのブロット分析
【図6】 実施例3においてヒト由来βIR遺伝子の亜領
域を増幅するのに用いたPCRプライマーの配列。 全て
のプライマー配列は5'から3'の方向に示される。
【図7】 実施例4におけるβIRチャネルのATP感受性
を示す。
【図8】 実施例4におけるスルホニール剤(グリベン
クラミド)によるβIRチャネル活性の阻害を示す。
───────────────────────────────────────────────────── 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 技術表示箇所 C12N 15/09 ZNA G01N 33/53 N C12P 21/08 33/566 C12Q 1/68 33/577 B G01N 33/53 C12P 21/02 C A61K 37/02 ADD 33/566 ADP 33/577 C12N 5/00 B // C12P 21/02 9162−4B 15/00 ZNAA (C12N 5/10 C12R 1:91) (C12P 21/02 C12R 1:91)

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記のアミノ酸配列を有するヒト由来の
    新規なATP感受性カリウムチャネル蛋白質。 【図1】
  2. 【請求項2】 請求項1のアミノ酸配列をコードする塩
    基配列を有するデオキシリボヌクレオチド。
  3. 【請求項3】 塩基配列が下記の式で表される請求項2
    記載のデオキシリボヌクレオチド。 【図2】
  4. 【請求項4】 請求項1のアミノ酸配列にその生物学的
    活性を失わない範囲においてアミノ酸残基の部分的な置
    換、挿入または欠失を施したアミノ酸配列を有する蛋白
    質。
  5. 【請求項5】 請求項4のアミノ酸配列を有する蛋白質
    をコードするデオキシリボヌクレオチド。
  6. 【請求項6】 塩基配列の5'側末端及び3'側末端部に他
    の蛋白質またはポリペプチドをコードする塩基配列が結
    合され、カリウムチャネルの生物学的活性を有する蛋白
    質をコードする請求項2、または3記載のデオキシリボ
    ヌクレオチド。
  7. 【請求項7】 下記のアミノ酸配列を有するマウス由来
    の新規なATP感受性カリウムチャネル蛋白質。 【図3】
  8. 【請求項8】 請求項7のアミノ酸配列をコードする塩
    基配列を有するデオキシリボヌクレオチド。
  9. 【請求項9】 塩基配列が下記の式で表される請求項6
    記載のデオキシリボヌクレオチド。 【図4】
  10. 【請求項10】 ヒト及びマウスのATP感受性カリウムチ
    ャネルと同じファミリーに属している他の動物由来のAT
    P感受性カリウムチャネル蛋白質とそれをコードしてい
    るデオキシリボヌクレオチド。
  11. 【請求項11】 請求項2、3、5、6、8または9記載
    のデオキシリボヌクレオチドをそれぞれプロモーターの
    下流に置いた発現プラスミド。
  12. 【請求項12】 請求項11に記載のプラスミドで形質転換
    された生物細胞。
  13. 【請求項13】 請求項1、4または7に記載されたATP
    感受性カリウムチャネル蛋白質と相互作用する抗体。
  14. 【請求項14】 抗体がモノクローナル抗体である請求項
    13記載の抗体。
  15. 【請求項15】 請求項1、4または7に記載の ATP 感
    受性カリウムチャネル蛋白質又はそれらの変異体蛋白質
    を用いてそれと相互作用する物質を分析・試験する方
    法。
  16. 【請求項16】 相互作用が、インビトロでの直接的な物
    質間の結合よりなる請求項15記載の方法。
  17. 【請求項17】 相互作用が、アゴニスト的又はアンタゴ
    ニスト的作用よりなる請求項15記載の方法。
  18. 【請求項18】 請求項2.3又は5のデオキシリボヌク
    レオチド配列の部分配列を合成して作製した種々の長さ
    のプローブ。
  19. 【請求項19】 請求項8、9又は10記載のデオキシリ
    ボヌクレオチド配列の部分配列を合成して作製した種々
    の長さのプローブ。
  20. 【請求項20】 請求項18に記載のプローブと相互作用
    するヒト組織・細胞由来のゲノムライブラリー及びcDNA
    ライブラリーのデオキシリボヌクレオチド。
  21. 【請求項21】 請求項18又は19記載のプローブを利
    用して得られたデオキシリボヌクレオチドを分析・試験
    する方法。
  22. 【請求項22】 請求項 19で述べられた種々のプロー
    ブと相互作用するヒト及び他の動物の組織・細胞由来の
    ゲノムライブラリー及びcDNAライブラリーのデオキシリ
    ボヌクレオチド。
  23. 【請求項23】 請求項18又は21で述べられたプロー
    ブを利用して得られるデオキシリボヌクレオチドを試験
    ・分析する方法。
  24. 【請求項24】 請求項1の蛋白質を有効成分とするカリ
    ウムチャネル疾患の診断又は治療剤。
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