JPWO2012111772A1 - Polypeptide, isolated nucleic acid, recombinant vector, gene transfer kit, transformant, and method for regulating intracellular calcium signal - Google Patents

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Abstract

カルシウムシグナルの空間的な制御および操作が容易な、カルシウムシグナルを光制御するポリペプチドを提供すること。配列番号1または配列番号1と80%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列からなるLOV2領域と、配列番号2、配列番号3、またはLOV2−Jαの光スイッチとしての機能を維持し、かつ配列番号2もしくは3のアミノ酸配列において、所定の変異を有するアミノ酸配列からなるJα領域と、配列番号4、またはカルシウムチャネルOrai1を活性化でき、かつ、配列番号4のアミノ酸配列において、所定の変異を有するCAD領域と、を含むアミノ酸配列からなるポリペプチドであって、LOV2領域、Jα領域およびCAD領域は、N末端からC末端に向かって、LOV2領域、Jα領域およびCAD領域の順で配置され、Jα領域のC末端とCAD領域のN末端との間にアミノ酸配列が介在していないポリペプチドを使用する。To provide a polypeptide that optically regulates calcium signals, which facilitates spatial control and manipulation of calcium signals. Maintaining the function as an optical switch of SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 1 and an amino acid sequence having 80% or more sequence identity and SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 3, or LOV2-Jα, and SEQ ID NO: A CAD region that can activate the Jα region consisting of an amino acid sequence having a predetermined mutation in the amino acid sequence of 2 or 3, and SEQ ID NO: 4 or calcium channel Orai1, and has the predetermined mutation in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4. A LOV2 region, a Jα region and a CAD region are arranged in the order of LOV2 region, Jα region and CAD region from the N-terminus toward the C-terminus, A polypeptide in which an amino acid sequence is not interposed between the C-terminus of and the N-terminus of the CAD region is used.

Description

本発明は、カルシウムシグナルを光制御するポリペプチド、単離された核酸、組み換えベクター、遺伝子導入キット、形質転換体、および細胞内カルシウムシグナルの調節方法に関する。   The present invention relates to polypeptides that optically control calcium signals, isolated nucleic acids, recombinant vectors, gene transfer kits, transformants, and methods for regulating intracellular calcium signals.

近年、基礎医学研究において、細胞内シグナルの機能等の解明のために、光刺激によって細胞内シグナルを制御するシステムが使用されてきている(非特許文献1;非特許文献2)。例えば、神経機能研究の分野においては、このようなシステムとして、光刺激によって神経細胞の膜電位を変化させることができるチャネルロドプシン2(バクテリア由来の光受容イオンチャネル)が使用されている。   In recent years, in basic medical research, in order to elucidate the function of intracellular signals and the like, systems that control intracellular signals by light stimulation have been used (Non-Patent Document 1; Non-Patent Document 2). For example, in the field of nerve function research, channel rhodopsin 2 (bacterial-derived photoreceptive ion channel) that can change the membrane potential of nerve cells by light stimulation is used as such a system.

また、光刺激によって細胞内シグナルを制御するシステムとして、目的の細胞シグナルタンパク質の機能ドメインと、植物等に由来するタンパク質に含まれる光感受性領域とを融合することによって作製されたポリペプチドも使用される。このようなポリペプチドの具体的な例として、オートムギの光受容体タンパク質であるフォトトロピン1由来の光感受性領域LOV2−Jαと、動物の細胞骨格制御タンパク質Rac1との融合タンパク質が挙げられる。当該融合タンパク質は、光の照射によって局所的に細胞の形態を変化させることができる(非特許文献3)。   In addition, as a system for controlling intracellular signals by light stimulation, polypeptides produced by fusing a functional domain of a target cell signal protein and a photosensitive region contained in a protein derived from a plant or the like are also used. The A specific example of such a polypeptide is a fusion protein of a photosensitivity region LOV2-Jα derived from phototropin 1, which is a photoreceptor protein of oats, and an animal cytoskeleton control protein Rac1. The said fusion protein can change the form of a cell locally by irradiation of light (nonpatent literature 3).

細胞内シグナルの中でも、カルシウムシグナルは、カルシウムチャネルを介して、受精、細胞増殖、発生、学習と記憶、筋収縮および分泌等の様々な細胞機能において重要な作用を有することが知られており、生体内のほぼ全ての細胞において重要な機能を有する(非特許文献4)。そのため、カルシウムシグナルを光刺激によって制御できるシステムの確立が熱望されており(非特許文献5)、このようなシステムの確立のために様々な試みがなされてきた。   Among intracellular signals, calcium signals are known to have important actions in various cellular functions such as fertilization, cell proliferation, development, learning and memory, muscle contraction and secretion via calcium channels, It has important functions in almost all cells in the living body (Non-patent Document 4). Therefore, establishment of a system that can control the calcium signal by light stimulation is eagerly desired (Non-Patent Document 5), and various attempts have been made to establish such a system.

光刺激によってカルシウムシグナルを制御する従来のシステムとしては、ケージドカルシウムを使用したシステムが挙げられる(非特許文献1;非特許文献2)。ケージドカルシウム等のケージド化合物は、光刺激によって分解される有機合成分子である。   Examples of conventional systems that control calcium signals by light stimulation include systems using caged calcium (Non-Patent Document 1; Non-Patent Document 2). Caged compounds such as caged calcium are organic synthetic molecules that are degraded by light stimulation.

Kramer,R.H.,Fortin,D.L.&Trauner,D. New photochemical tools for controlling neuronal activity.Curr.Opin.Neurobiol.19,544−552(2009)Kramer, R.A. H. Fortin, D .; L. & Trauner, D.A. New photochemical tools for controlling neuronal activity. Curr. Opin. Neurobiol. 19, 544-552 (2009) Rana,A.&Dolmetsch,R.E.Using light to control signaling cascades in live neurons.Curr.Opin.Neurobiol.20,617−622(2010)Rana, A .; & Dolmetsch, R.A. E. Use light to control signaling cascades in live neuros. Curr. Opin. Neurobiol. 20, 617-622 (2010) Wu,Y.I.ら A genetically encoded photoactivatable Rac controls the motility of living cells.Nature 461,104−108(2009)Wu, Y .; I. Et al., A genetically encoded photoactive Rac controls the mobility of living cells. Nature 461, 104-108 (2009) Berridge,M.J.,Lipp,P.&Bootman,M.D.The versatility and universality of calcium signalling.Nat.Rev.Mol.CellBiol.1,11−21(2000)Berridge, M.M. J. et al. Lipp, P .; & Bootman, M .; D. The versatility and universality of calcium signaling. Nat. Rev. Mol. CellBiol. 1,11-21 (2000) Liu,X.&Tonegawa,S. Optogenetics 3.0. Cell 141,22−24(2010)Liu, X .; & Tonegawa, S .; Optogenetics 3.0. Cell 141, 22-24 (2010)

ケージドカルシウムを使用したシステムによれば、カルシウムシグナルを迅速に活性化させることができるものの、ケージドカルシウムは低分子であるために拡散しやすく、カルシウムシグナルの空間的な制御が容易ではない。また、ケージドカルシウムを使用したシステムにおける、ケージドカルシウムを細胞外から導入する工程は操作が難しく、特に動物等への応用において限界があった。   According to the system using caged calcium, the calcium signal can be activated rapidly. However, caged calcium is a small molecule, so that it easily diffuses, and the spatial control of the calcium signal is not easy. In addition, in a system using caged calcium, the process of introducing caged calcium from the outside of the cell is difficult to operate, and there is a limit in application to animals and the like.

本発明は、上記現状に鑑み、カルシウムシグナルを容易に光制御できるポリペプチド、単離された核酸、組み換えベクター、遺伝子導入キット、形質転換体、および細胞内カルシウムシグナルの調節方法の提供を目的とする。   In view of the above situation, the present invention aims to provide a polypeptide capable of easily photocontrolling a calcium signal, an isolated nucleic acid, a recombinant vector, a gene transfer kit, a transformant, and a method for regulating an intracellular calcium signal. To do.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、オートムギ由来の光感受性タンパク質であるフォトトロピンのLOV2−Jα領域のアミノ酸配列の所定部分と、カルシウムチャネルOrai1の制御タンパク質であるSTIM1のCAD領域のアミノ酸配列の所定部分とを組み合わせたポリペプチドにより、上記課題を解決できることを見出した。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that a predetermined portion of the amino acid sequence of the LOV2-Jα region of phototropin, which is a light-sensitive protein derived from oats, and STIM1, which is a regulatory protein of calcium channel Orai1 It has been found that the above problems can be solved by a polypeptide that combines a predetermined portion of the amino acid sequence of the CAD region.

すなわち、本発明は、
配列番号1または配列番号1と80%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列からなるLOV2領域と、
配列番号2、配列番号3、またはLOV2−Jαの光スイッチとしての機能を維持し、かつ配列番号2もしくは3のアミノ酸配列において1もしくは複数のアミノ酸が置換されたアミノ酸配列からなるJα領域と、
配列番号4からなるCAD領域と、またはカルシウムチャネルOrai1を活性化でき、かつ配列番号4のアミノ酸配列において、1もしくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加されたアミノ酸配列からなるCAD領域と、を含むアミノ酸配列からなるポリペプチドであって、
上記LOV2領域、上記Jα領域および上記CAD領域は、N末端からC末端に向かって、上記LOV2領域、上記Jα領域および上記CAD領域の順で配置され、
上記Jα領域のC末端と上記CAD領域のN末端との間にアミノ酸配列が介在していないポリペプチド(BACCS)を提供する。
That is, the present invention
LOV2 region consisting of SEQ ID NO: 1 or an amino acid sequence having 80% or more sequence identity with SEQ ID NO: 1,
A Jα region consisting of an amino acid sequence that maintains the function as an optical switch of SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 3, or LOV2-Jα, and in which one or more amino acids are substituted in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 3;
A CAD region consisting of SEQ ID NO: 4 or a CAD region consisting of an amino acid sequence capable of activating calcium channel Orai1 and having one or more amino acids deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4. A polypeptide comprising an amino acid sequence comprising:
The LOV2 region, the Jα region and the CAD region are arranged in the order of the LOV2 region, the Jα region and the CAD region from the N-terminus toward the C-terminus,
Provided is a polypeptide (BACCS) in which no amino acid sequence is interposed between the C-terminus of the Jα region and the N-terminus of the CAD region.

また、本発明者らは、カルシウムチャネルOrai1のアミノ酸配列と、BACCSとを組み合わせたポリペプチドによっても上記課題を解決できることを見出した。   The present inventors have also found that the above problem can be solved by a polypeptide combining the amino acid sequence of the calcium channel Orai1 and BACCS.

すなわち、本発明は、
配列番号5、またはカルシウムチャネルとして機能でき、かつ、配列番号5のアミノ酸配列において1もしくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加されたアミノ酸配列からなるOrai1領域と、
第1のBACCS領域と、
第2のBACCS領域と、を含むアミノ酸配列からなるポリペプチドであって、
上記Orai1領域、上記第1のBACCS領域および上記第2のBACCS領域は、N末端からC末端に向かって、上記Orai1領域、上記第1のBACCS領域および上記第2のBACCS領域の順で配置されるポリペプチド(Orai1−BACCS)も提供する。
That is, the present invention
The Orai1 region that can function as SEQ ID NO: 5 or an amino acid sequence that can function as a calcium channel and in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 5.
A first BACCS region;
A polypeptide comprising an amino acid sequence comprising a second BACCS region,
The Orai1 region, the first BACCS region, and the second BACCS region are arranged in the order of the Orai1 region, the first BACCS region, and the second BACCS region from the N-terminus toward the C-terminus. A polypeptide (Orai1-BACCS) is also provided.

Orai1−BACCSにおける上記Orai1領域のC末端と上記第1のBACCS領域のN末端の間には第1のリンカーが介在してもよい。   A first linker may be interposed between the C-terminus of the Orai1 region and the N-terminus of the first BACCS region in Orai1-BACCS.

Orai1−BACCSにおける上記第1のBACCS領域のC末端と上記第2のBACCS領域のN末端の間には第2のリンカーが介在してもよい。   A second linker may be interposed between the C-terminal of the first BACCS region and the N-terminal of the second BACCS region in Orai1-BACCS.

また、本発明者らは、BACCSをタンデムに2つつなげたポリペプチドによっても上記課題を解決できることを見出した。   The present inventors have also found that the above problem can be solved by a polypeptide in which BACCS is connected in tandem.

すなわち、本発明は、
第1のBACCS領域と、
第2のBACCS領域と、を含み、かつ、
配列番号5またはカルシウムチャネルとして機能でき、かつ、配列番号5のアミノ酸配列において1もしくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加されたアミノ酸配列からなるOrai1領域を含まないアミノ酸配列からなるポリペプチド(BACCS×2)も提供する。
That is, the present invention
A first BACCS region;
A second BACCS region, and
A polypeptide (BACCS) that functions as SEQ ID NO: 5 or a calcium channel and that comprises an amino acid sequence that does not include the Orai1 region consisting of an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: X2) is also provided.

BACCS×2における上記第1のBACCS領域のC末端と上記第2のBACCS領域のN末端の間にはリンカーが介在してもよい。   A linker may be interposed between the C terminus of the first BACCS region and the N terminus of the second BACCS region in BACCS × 2.

本発明はまた、本発明のポリペプチドをコードする単離された核酸も提供する。   The present invention also provides an isolated nucleic acid encoding a polypeptide of the present invention.

本発明はまた、上記核酸を含む組み換えベクターも提供する。   The present invention also provides a recombinant vector containing the nucleic acid.

本発明はまた、上記組み換えベクターを含む遺伝子導入キットも提供する。   The present invention also provides a gene transfer kit containing the above recombinant vector.

本発明はまた、上記組み換えベクターを含み、単離された細胞または非ヒト動物である形質転換体も提供する。   The present invention also provides a transformant comprising the above recombinant vector and being an isolated cell or non-human animal.

本発明はまた、上記形質転換体に照射する光の強度を操作することによって、上記形質転換体の細胞内カルシウムシグナルを調節する細胞内カルシウムシグナルの調節方法も提供する。   The present invention also provides a method for regulating the intracellular calcium signal, which regulates the intracellular calcium signal of the transformant by manipulating the intensity of light applied to the transformant.

本発明はまた、上記ポリペプチドが、BACCSであり、かつ、上記細胞がOrai1を発現している細胞内カルシウムシグナルの調節方法も提供する。   The present invention also provides a method for regulating an intracellular calcium signal in which the polypeptide is BACCS and the cells express Orai1.

本発明はまた、上記ポリペプチドがOrai1−BACCSである細胞内カルシウムシグナルの調節方法も提供する。   The present invention also provides a method for modulating an intracellular calcium signal, wherein the polypeptide is Orai1-BACCS.

本発明によれば、カルシウムシグナルを容易に光制御できるポリペプチドが提供される。   According to the present invention, a polypeptide capable of easily photocontrolling a calcium signal is provided.

(A)は、「BACCS」の模式図を示し、(B)は、「Orai1−BACCS」の模式図を示す。(A) shows a schematic diagram of “BACCS”, and (B) shows a schematic diagram of “Orai1-BACCS”. 様々な動物種におけるOrai1、Orai2およびOrai3のアミノ酸配列の比較を示す。A comparison of the amino acid sequences of Orai1, Orai2 and Orai3 in various animal species is shown. 様々な動物種におけるSTIM1のCAD領域のアミノ酸配列の比較を示す。A comparison of the amino acid sequences of the CAD region of STIM1 in various animal species is shown. 様々な植物種におけるLOV2−JαにおけるJα領域のアミノ酸配列の比較を示す。A comparison of the amino acid sequences of the Jα region in LOV2-Jα in various plant species is shown. (A)は、LOV2−Jαの明変異体にCAD領域を融合したタンパク質(LOV lit−CAD)の模式図を示す。(B)は、黄色蛍光タンパク質を組み込まれたOrai1(Orai1−YFP)のHEK293細胞中の局在のイメージング(左図)、赤色蛍光タンパク質を組み込まれたLOV lit−CAD(tdTomato−LOV−CAD)のHEK293細胞中の局在のイメージング(中央図)、およびこれらの2つの結果をマージした結果(右図)を示す。(C)は、CAD領域のN末端側を様々に欠損させたことによる、LOV lit−CADの細胞膜への移行の有無についての結果を示す。(A) shows a schematic diagram of a protein (LOV lit-CAD) in which a CAD region is fused to a light mutant of LOV2-Jα. (B) Imaging of localization of Orai1 (Orai1-YFP) incorporating yellow fluorescent protein in HEK293 cells (left figure), LOV lit-CAD (tdTomato-LOV-CAD) incorporating red fluorescent protein Imaging of localization in HEK293 cells (middle panel) and the result of merging these two results (right panel). (C) shows the results of the presence or absence of transfer of LOV lit-CAD to the cell membrane due to various deletions of the N-terminal side of the CAD region. (A)は、LOV2−Jαの暗変異体にCAD領域を融合したタンパク質(LOV dark−CAD)の模式図を示す。(B)は、黄色蛍光タンパク質を組み込まれたOrai1(Orai1−YFP)のHEK293細胞中の局在のイメージング(左図)、赤色蛍光タンパク質を組み込まれたLOV dark−CAD(tdTomato−LOV dark−CAD)のHEK293細胞中の局在のイメージング(中央図)、およびこれらの2つの結果をマージした結果(右図)を示す。(C)は、LOV2−Jαの暗変異体によるCAD領域の機能の阻害を妨げない(すなわち、LOV dark−CADを細胞膜へ局在させない)Jα領域のアミノ酸配列についての4つの候補(膜への局在化が「なし」であるもの)の同定結果を示す。(A) shows a schematic diagram of a protein (LOV dark-CAD) in which a CAD region is fused to a dark variant of LOV2-Jα. (B) shows imaging of the localization of Orai1 (Orai1-YFP) incorporating yellow fluorescent protein in HEK293 cells (left), LOV dark-CAD (tdTomato-LOV dark-CAD) incorporating red fluorescent protein. ) Shows the imaging of the localization in HEK293 cells (middle figure) and the result of merging these two results (right figure). (C) does not prevent inhibition of the function of the CAD region by the dark variant of LOV2-Jα (ie, does not localize LOV dark-CAD to the cell membrane). Four candidates for the amino acid sequence of the Jα region (to the membrane) The identification results of “none” for localization are shown. (A)は、ポリペプチド(tdTomato−LOV(404−538)−CAD(347−448))、Orai1およびNFAT−GFPを共発現させたHEK293細胞中における、光を遮断した場合のポリペプチドの局在のイメージング(上図)、および470nmの光(青色光)を20分照射した場合のポリペプチドの局在のイメージング(下図)を示す。(B)は、LOV2領域のアミノ酸配列、様々なJα領域のアミノ酸配列、およびCAD領域のアミノ酸配列を結合させたポリペプチド(LOV−CAD)による、NFAT転写因子の核移行の有無、およびLOV−CADの細胞膜への移行の有無の結果を示す。(A) shows the position of the polypeptide when light is blocked in HEK293 cells co-expressed with the polypeptide (tdTomato-LOV (404-538) -CAD (347-448)), Orai1 and NFAT-GFP. The present imaging (upper figure) and the imaging of polypeptide localization (lower figure) when irradiated with light of 470 nm (blue light) for 20 minutes are shown. (B) shows the presence or absence of nuclear transfer of the NFAT transcription factor by the amino acid sequence of the LOV2 region, the amino acid sequence of various Jα regions, and the polypeptide (LOV-CAD) combined with the amino acid sequence of the CAD region, and LOV− The result of the presence or absence of transfer to the cell membrane of CAD is shown. (A)は、赤色蛍光タンパク質、BACCS、2AペプチドおよびOrai1を順にN末端からC末端へ融合させたポリペプチド(mCherry−BACCS−2A−Orai1)をHEK293細胞中で発現させ、470nmの光(青色光)を試験期間中継続して照射した後の、カルシウム蛍光プローブであるFluo−4を使用したカルシウムイメージング結果を示す。左図はmCherryの蛍光による、ポリペプチド発現細胞の同定結果を示す。中央図および右図は、それぞれ、光刺激前および光刺激後のカルシウムイメージング結果を示す。(B)は、8つの細胞におけるカルシウム濃度の経時変化を示す。(A) expresses a polypeptide (mCherry-BACCS-2A-Orai1) in which red fluorescent protein, BACCS, 2A peptide and Orai1 are fused in this order from N-terminal to C-terminal in HEK293 cells, and light at 470 nm (blue) The results of calcium imaging using Fluo-4, a calcium fluorescent probe, after continuous irradiation of light) during the test period. The left figure shows the result of identification of the polypeptide-expressing cell by mCherry fluorescence. The center and right diagrams show calcium imaging results before and after light stimulation, respectively. (B) shows the time course of calcium concentration in 8 cells. (A)は、赤色蛍光タンパク質を組み込まれたOrai1−BACCS(Orai1−mCherry−BACCS×2)をHEK293細胞中で発現させ、470nmの光(青色光)を試験期間中継続して照射した後の、カルシウム蛍光プローブであるFluo−4を使用したカルシウムイメージング結果を示す。左図はmCherryの蛍光による、ポリペプチド発現細胞の同定結果を示す。中央図および右図は、それぞれ、光刺激前および光刺激後のカルシウムイメージング結果を示す。(B)は、HAタグおよび/または蛍光物質を組み込まれたOrai1−BACCSを発現したHEK293細胞におけるカルシウム濃度の経時変化を示す。(C)は、HAタグおよび蛍光物質を組み込まれたOrai1−BACCS(Orai1−HA−BACCS×2−IRES−YFP)をHEK293細胞に発現させ、光の照射および光の遮断を3回行った際の、赤色蛍光カルシウムセンサーであるRhod−3を用いたカルシウムイメージングによって観察された細胞内カルシウム濃度の経時変化を示す。(A) expresses Orai1-BACCS (Orai1-mCherry-BACCS × 2) incorporating a red fluorescent protein in HEK293 cells, and after irradiating 470 nm light (blue light) continuously during the test period. The calcium imaging result using Fluo-4 which is a calcium fluorescent probe is shown. The left figure shows the result of identification of the polypeptide-expressing cell by mCherry fluorescence. The center and right diagrams show calcium imaging results before and after light stimulation, respectively. (B) shows the time course of calcium concentration in HEK293 cells expressing Orai1-BACCS incorporating an HA tag and / or a fluorescent substance. (C) shows that Orai1-BACCS (Orai1-HA-BACCS × 2-IRES-YFP) incorporating an HA tag and a fluorescent substance is expressed in HEK293 cells, and light irradiation and light blocking are performed three times. The time-dependent change of the intracellular calcium concentration observed by the calcium imaging using Rhod-3 which is a red fluorescent calcium sensor is shown. (A)は、Orai1にBACCSを1つだけ融合させ、赤色蛍光タンパク質を組み込んだポリペプチド(Orai1−tdTomato−BACCS×1)および転写因子NFATに黄色蛍光タンパク質を組み込んだポリペプチド(NFAT−YFP)をHEK293細胞中で共発現させ、470nmの光(青色光)を20分間照射した後の結果を示す。(B)は、対照実験として、BACCSを2つタンデムにつなげ、赤色蛍光タンパク質を組み込んだOrai1−tdTomato−BACCS×2、NFAT−GFPをHEK293細胞中で共発現させ、470nmの光(青色光)を20分間照射した後の結果を示す。(A) is a polypeptide in which only one BACCS is fused to Orai1 and incorporates a red fluorescent protein (Orai1-tdTomato-BACCS × 1) and a polypeptide in which a yellow fluorescent protein is incorporated into the transcription factor NFAT (NFAT-YFP) Shows the result after co-expressing in HEK293 cells and irradiating with 470 nm light (blue light) for 20 minutes. (B) As a control experiment, two BACCSs were connected in tandem, and Orai1-tdTomato-BACCS × 2, NFAT-GFP incorporating a red fluorescent protein was coexpressed in HEK293 cells, and light at 470 nm (blue light) Shows the result after irradiation for 20 minutes. (A)は、Orai1−BACCSに、Orai1の変異(Orai1(L273D))を組み込んだOrai1(L273D)−BACCS×2の模式図を示す。(B)は、HAタグおよび蛍光物質を組み込まれたOrai1(L273D)−BACCS(Orai1(L273D)−HA−BACCS×2−igY)を発現するHEK293細胞に、470nmの光(青色光)を照射する前、および10分間照射した後の、赤色蛍光カルシウムセンサーであるRhod−3を使用したカルシウムイメージングを示す。(A) shows a schematic diagram of Orai1 (L273D) -BACCS × 2 in which Orai1 mutation (Orai1 (L273D)) is incorporated into Orai1-BACCS. (B) irradiates HEK293 cells expressing Orai1 (L273D) -BACCS (Orai1 (L273D) -HA-BACCS × 2-igY) incorporating a HA tag and a fluorescent substance with light of 470 nm (blue light). Figure 5 shows calcium imaging using Rhod-3, a red fluorescent calcium sensor, before and after irradiation for 10 minutes. (A)は、STIM1のCDI(Calcium dependent inactivation)領域を含むようにCAD領域のC末端を伸長したポリペプチド(Orai1−BACCS(347−630)×2)の模式図を示す(斜線部がCDI領域を示す)。(B)は、HAタグおよび蛍光物質を組み込まれたOrai1−BACCS(Orai1−HA−BACCS×2−igY)およびOrai1−BACCS(347−630)(Orai1−HA−BACCS(347−630)×2−igY)を発現した細胞について、赤色蛍光カルシウムセンサーであるRhod−3を使用したカルシウムイメージング結果を示す。(A) shows a schematic diagram of a polypeptide (Orai1-BACCS (347-630) × 2) in which the C-terminal of the CAD region is extended so as to include the STIM1 CDI (Calcium dependent inactivation) region (the hatched portion is CDI). Area). (B) is Orai1-BACCS (Orai1-HA-BACCS × 2-igY) and Orai1-BACCS (347-630) (Orai1-HA-BACCS (347-630) × 2) incorporating an HA tag and a fluorescent substance. -IgY) shows calcium imaging results using Rhod-3, a red fluorescent calcium sensor, for cells expressing. (A)は、「BACCS×2」の模式図を示す。(B)は、BACCS×2−igY(B×2)およびOrai1−HA−BACCS×2−igY(OB×2)を発現した細胞それぞれについてのカルシウムイメージング結果を示す。(A) shows a schematic diagram of “BACCS × 2”. (B) shows calcium imaging results for cells expressing BACCS × 2-igY (B × 2) and Orai1-HA-BACCS × 2-igY (OB × 2). BACCS×2−igY(B×2)およびYFP−BACCS×2(YB×2)を発現した細胞についてのカルシウムイメージング結果を示す。The calcium imaging result about the cell which expressed BACCSx2-igY (Bx2) and YFP-BACCSx2 (YBx2) is shown.

(BACCS)
本発明は、オートムギの光受容体タンパク質であるフォトトロピン1の光感受性領域であるLOV2−Jα領域のアミノ酸配列と、カルシウムチャネルOrai1の制御タンパク質であるSTIM1のCAD領域のアミノ酸配列と、を含むポリペプチド(Blue light−activated Calcium Channel Switch、以下「BACCS」と呼ぶ)を提供する。BACCSを発現させた細胞においては、細胞中の内在性のOrai1、または細胞に遺伝子導入することによってBACCSと共に発現させたOrai1を、青色光の照射によって開くことができる。青色光の照射によって活性化されたOrai1は、青色光を遮断することで不活性の状態に戻る。また、BACCSは、本発明の属する技術分野において公知の遺伝子組み換え技術によって容易に細胞特異的に発現させることができるため、Orai1の活性を局所的に制御できる。従って、BACCSによれば、カルシウムシグナルの空間的な制御を容易に行うことができる。また、BACCSは、照射する光の強度の操作のみによってその機能を制御できるため、容易な操作によってカルシウムシグナルを制御することができる。
(BACCS)
The present invention relates to a polymorph containing an amino acid sequence of LOV2-Jα region, which is a light-sensitive region of phototropin 1, which is a photoreceptor protein of oats, and an amino acid sequence of a CAD region of STIM1, which is a regulatory protein of calcium channel Orai1. A peptide (Blue light-activated Calcium Channel Switch, hereinafter referred to as “BACCS”) is provided. In cells in which BACCS is expressed, endogenous Orai1 in the cells, or Orai1 expressed together with BACCS by gene transfer into the cells can be opened by irradiation with blue light. Orai1 activated by the irradiation of blue light returns to an inactive state by blocking the blue light. Moreover, since BACCS can be easily expressed in a cell-specific manner by a gene recombination technique known in the technical field to which the present invention belongs, the activity of Orai1 can be locally controlled. Therefore, according to BACCS, the spatial control of the calcium signal can be easily performed. Moreover, since the function of BACCS can be controlled only by the operation of the intensity of light to be irradiated, the calcium signal can be controlled by an easy operation.

(LOV2−Jα)
オートムギ由来のフォトトロピン1の光感受性は、フォトトロピン1中のアミノ酸404−543位の領域に依存しており、当該領域はLOV2−Jαと呼ばれる(Harperら、2003)。LOV2−Jαは、青色領域である447nmの吸収極大波長を有するため(Salomonら、2000)、青色光の照射によって構造が変化する。具体的には、光が遮断されている状態では、LOV2領域およびJα領域が疎水結合によって結合している。一方、光が照射されている状態では、LOV2領域およびJα領域の疎水結合が外れる。これを「明状態」と呼ぶ。LOV2−Jαにシグナルタンパク質が融合した状態では、光が遮断されている状態において、LOV2−Jαがシグナルタンパク質の立体障害として機能する。一方、光が照射されている状態では、LOV2−Jαの構造が変化し、シグナルタンパク質の立体障害が解消される。その結果、所望の細胞内シグナルを生じさせることができる。
(LOV2-Jα)
The photosensitivity of oat-derived phototropin 1 depends on the region of amino acids 404-543 in phototropin 1, which is called LOV2-Jα (Harper et al., 2003). Since LOV2-Jα has an absorption maximum wavelength of 447 nm that is a blue region (Salomon et al., 2000), the structure is changed by irradiation with blue light. Specifically, in a state where light is blocked, the LOV2 region and the Jα region are bonded by a hydrophobic bond. On the other hand, when light is irradiated, the hydrophobic bonds of the LOV2 region and the Jα region are removed. This is called “bright state”. When the signal protein is fused to LOV2-Jα, LOV2-Jα functions as a steric hindrance of the signal protein in a state where light is blocked. On the other hand, in the state irradiated with light, the structure of LOV2-Jα changes, and the steric hindrance of the signal protein is eliminated. As a result, a desired intracellular signal can be generated.

LOV2−Jαを明状態にするための光は、青色領域の波長(510nm以下)であればよい。例えば、市販の青色LEDを使用することによってLOV2−Jαの構造を容易に変化させることができる。また、光の照射時間は特に限定されないが、ミリ秒単位の照射によって、LOV2−Jαを効率よく明状態にすることができる(Nakasoneら、2008)。   The light for setting LOV2-Jα to the bright state may be a wavelength in the blue region (510 nm or less). For example, the structure of LOV2-Jα can be easily changed by using a commercially available blue LED. In addition, although the irradiation time of light is not particularly limited, LOV2-Jα can be efficiently brightened by irradiation in milliseconds (Nakasone et al., 2008).

また、LOV2−Jαの明状態を解除するためには、照射する光の波長を510nmよりも長波長にするか、光を遮断すればよい。   In addition, in order to cancel the bright state of LOV2-Jα, the wavelength of light to be irradiated may be longer than 510 nm or light may be blocked.

[LOV2領域]
本発明のポリペプチドを構成するLOV2−Jαのうち、LOV2領域は、オートムギ由来のフォトトロピンのアミノ酸配列の404−522位に対応する。
[LOV2 area]
Among LOV2-Jαs constituting the polypeptide of the present invention, the LOV2 region corresponds to positions 404 to 522 in the amino acid sequence of oat-derived phototropin.

LOV2領域は、多くの植物間で保存されており、例えば、オートムギのLOV2領域のアミノ酸配列との相同性は、アジアイネのフォトトロピン1;81%、シロイヌナズナのフォトトロピン1;87%、シロイヌナズナのフォトトロピン2;83%、エンドウマメのフォトトロピン1;87%、ソラマメのフォトトロピン1;トウモロコシのフォトトロピン1;95%、トマトのフォトトロピン1;87%である。   The LOV2 region is conserved among many plants. For example, homology with the amino acid sequence of the oat LOV2 region is as follows: Asian rice phototropin 1; 81%, Arabidopsis phototropin 1; 87%, Arabidopsis photo Tropine 2; 83%, pea phototropin 1; 87%, broad bean phototropin 1; corn phototropin 1; 95%, tomato phototropin 1; 87%.

LOV2領域が機能的である植物種のLOV2領域は、オートムギのアミノ酸配列と80%以上の配列同一性を有している。このようなアミノ酸配列を用いることによって、BACCSが光感受性作用を発揮できると考えられる。アミノ酸配列にLOV2領域の機能に関わる領域が含まれているかどうかは、例えば、得られるポリペプチドに対して青色光を照射または遮断し、円偏光二色性スペクトルを観察することによって特定できる。従って、オートムギのLOV2領域を様々な植物種由来の配列または合成配列に置き換えることも可能である。例えば、本発明のポリペプチドを構成するLOV2領域に相当するアミノ酸配列として、オートムギ由来のフォトトロピンのアミノ酸配列の404−522位と、80%以上、85%以上、90%以上、または95%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を使用することができる。   The LOV2 region of plant species in which the LOV2 region is functional has at least 80% sequence identity with the oat amino acid sequence. By using such an amino acid sequence, it is considered that BACCS can exert a light-sensitive action. Whether or not a region related to the function of the LOV2 region is included in the amino acid sequence can be identified, for example, by irradiating or blocking blue light on the obtained polypeptide and observing a circular dichroism spectrum. It is therefore possible to replace the oat LOV2 region with sequences from various plant species or synthetic sequences. For example, as an amino acid sequence corresponding to the LOV2 region constituting the polypeptide of the present invention, positions 404 to 522 of the oat-derived phototropin amino acid sequence, 80% or more, 85% or more, 90% or more, or 95% or more An amino acid sequence having the following sequence identity can be used.

[Jα領域]
本発明のポリペプチドを構成するLOV2−Jαのうち、Jα領域は、オートムギ由来のフォトトロピンのアミノ酸配列の523−535位または523−538位に対応する。
[Jα region]
Among LOV2-Jαs constituting the polypeptide of the present invention, the Jα region corresponds to positions 523-535 or 523-538 of the amino acid sequence of oat-derived phototropin.

Jα領域は、BACCSが、光の照射によってOrai1を開き、光の遮断によってOrai1を閉じるという所望の反応(以下、このような反応を「光スイッチ」と呼ぶ)をするために重要な領域である。なぜならば、BACCSにおけるJα領域のアミノ酸配列は、Orai1の制御タンパク質であるCAD領域のアミノ酸配列との間にアミノ酸配列を介在させずに直接結合しているため、この結合部位の構造によっては、光の遮断状態においてシグナルタンパク質であるCAD領域の立体障害が解消されてしまう。その結果、光の遮断状態においてもCAD領域がOrai1に結合し、Orai1が活性化されることになり、Orai1の制御タンパク質としてのCAD領域の機能が阻害されないからである。例えば、これまで、LOV2−Jαの404−546位(Wuら、2009)および404−543位(Sticklandら、2008)を使用した光感受性ポリペプチドが作製されてきたものの、光を遮断した際にも光スイッチが完全には切れず、シグナルが遮断されない等の問題があった。これは、LOV2領域の存在によって生じる、シグナルタンパク質のシグナル機能部位における立体障害が不十分であることによるものと考えられる。   The Jα region is an important region for the BACCS to perform a desired reaction (hereinafter referred to as “optical switch”) that opens Orai1 by light irradiation and closes Orai1 by blocking light. . This is because the amino acid sequence of the Jα region in BACCS is directly bound to the amino acid sequence of the CAD region, which is a regulatory protein of Orai1, without intervening the amino acid sequence. In the blocked state, the steric hindrance of the CAD region, which is a signal protein, is eliminated. As a result, even in the light-blocked state, the CAD region binds to Orai1, and Orai1 is activated, and the function of the CAD region as a control protein of Orai1 is not inhibited. For example, to date, a light-sensitive polypeptide using positions 404-546 (Wu et al., 2009) and 404-543 (Stickland et al., 2008) of LOV2-Jα has been produced, but when light is blocked. However, there was a problem that the optical switch was not completely cut off and the signal was not blocked. This is thought to be due to insufficient steric hindrance at the signal functional site of the signal protein caused by the presence of the LOV2 region.

Jα領域としてフォトトロピンのアミノ酸配列523−535位または523−538位を有するBACCSは、光に対する所望の反応を示す。これらの配列を有するBACCSは、細胞において、青色光の照射によって、カルシウムシグナルを調節することができるため好ましい。Jα領域としてフォトトロピンのアミノ酸配列523−538位を有するBACCSは、光に応答してカルシウムシグナルを強く調節できるため特に好ましい。Jα領域としてフォトトロピンのアミノ酸配列523−535位を有するBACCSも、光を遮断した状態でカルシウムシグナルを誘導してしまうものの、光の照射によってシグナルの強さを調節することができる。   BACCS having the phototropin amino acid sequence 523-535 or 523-538 as the Jα region shows the desired response to light. BACCS having these sequences is preferable because calcium signals can be regulated by blue light irradiation in cells. BACCS having the phototropin amino acid sequence 523-538 as the Jα region is particularly preferable because it can strongly regulate the calcium signal in response to light. BACCS having the phototropin amino acid sequence 523-535 as the Jα region can induce a calcium signal in a blocked state, but the intensity of the signal can be adjusted by light irradiation.

また、LOV2−Jαが機能するためにはJα領域のI532、A536、I539のアミノ酸が疎水性である必要があることが報告されている(Harperら、2004)。そのため、BACCSを作製する際には、Jα領域におけるこれらの部位が疎水性アミノ酸になるようにする必要がある。例えば、BACCSを構成するアミノ酸配列においては、LOV2−Jα(404−538)とCAD領域のつなぎ目に位置する、疎水性アミノ酸である「L(ロイシン)」が、LOV2−Jαの光スイッチとしての機能に重要な役割を果たしている。つまり「L」はCAD領域に由来するが、同時に、LOV2−Jαの539番目のアミノ酸としても機能している。この「L」は、Jα領域と直接結合しているCAD領域がOrai1を活性化させる場合においても重要である。このため、光を遮断した状態においては、Jα領域のこの「L」は、LOV2領域との疎水結合に利用され、その結果、CAD領域がOrai1と相互作用することが阻害されることになる。   It has also been reported that in order for LOV2-Jα to function, the amino acids of I532, A536, and I539 in the Jα region must be hydrophobic (Harper et al., 2004). Therefore, when preparing BACCS, it is necessary to make these sites in the Jα region become hydrophobic amino acids. For example, in the amino acid sequence that constitutes BACCS, the hydrophobic amino acid “L (leucine)” located at the junction of LOV2-Jα (404-538) and the CAD region functions as an optical switch for LOV2-Jα. Plays an important role. That is, “L” is derived from the CAD region, but also functions as the 539th amino acid of LOV2-Jα. This “L” is important even when the CAD region directly bound to the Jα region activates Orai1. For this reason, in a state where light is blocked, this “L” in the Jα region is used for hydrophobic binding to the LOV2 region, and as a result, the CAD region is inhibited from interacting with Orai1.

本発明者らが鋭意検討した結果、フォトトロピンのアミノ酸配列の523−535位または523−538位に対応するJα領域を有するBACCSであれば、照射する光の強度の操作に応じてOrai1の活性化を制御できることを見出した。ただし、上記Jα領域のアミノ酸配列において1もしくは複数のアミノ酸が置換されたアミノ酸配列であって、LOV2−Jαの光スイッチとしての機能を維持するアミノ酸配列を有するBACCSについても、照射する光の強度の操作に応じてCAD領域の機能を発揮させ、または阻害することで、同様に所望の反応を生じさせることができるため、本発明の範囲に含まれる。ここで、「1もしくは複数のアミノ酸配列が置換されたアミノ酸配列」とは、本発明のポリペプチドを構成するJα領域である、オートムギ由来のフォトトロピンのアミノ酸配列の523−535位または523−538位と、80%以上、85%以上、90%以上、または95%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を指す。アミノ酸配列にLOV2−Jαの光スイッチとしての機能を維持するアミノ酸配列が含まれているかどうかは、例えば、得られるポリペプチドについて、円偏光二色性スペクトル等を観察することによって特定できる。   As a result of intensive studies by the present inventors, if BACCS has a Jα region corresponding to positions 523-535 or 523-538 of the amino acid sequence of phototropin, the activity of Orai1 depends on the operation of the intensity of the irradiated light. We found that control can be controlled. However, BACCS having an amino acid sequence in which one or a plurality of amino acids are substituted in the amino acid sequence of the Jα region and maintaining the function as an optical switch of LOV2-Jα also has the intensity of irradiation light. Since a desired reaction can be caused similarly by exerting or inhibiting the function of the CAD region according to the operation, it is included in the scope of the present invention. Here, the “amino acid sequence in which one or a plurality of amino acid sequences are substituted” refers to positions 523-535 or 523-538 of the amino acid sequence of phototropin derived from oats, which is a Jα region constituting the polypeptide of the present invention. Refers to an amino acid sequence having a sequence identity of 80% or more, 85% or more, 90% or more, or 95% or more. Whether the amino acid sequence contains an amino acid sequence that maintains the function as an optical switch of LOV2-Jα can be identified by, for example, observing a circular dichroism spectrum of the obtained polypeptide.

(CAD領域)
本発明のポリペプチドを構成するCAD領域は、ヒトSTIM1のCAD領域のアミノ酸配列の347−448位に対応する。当該CAD領域は、単独でカルシウムチャネルOrai1の活性を制御できる。BACCS中のLOV2−Jαが光の照射によって明状態になると、CAD領域が活性化し、Orai1と結合し、その結果Orai1を活性化させる。
(CAD area)
The CAD region constituting the polypeptide of the present invention corresponds to positions 347 to 448 of the amino acid sequence of the CAD region of human STIM1. The CAD region alone can control the activity of the calcium channel Orai1. When LOV2-Jα in BACCS becomes a bright state by irradiation with light, the CAD region is activated and binds to Orai1 and, as a result, activates Orai1.

ただし、カルシウムチャネルOrai1を活性化でき、かつ上記CAD領域のアミノ酸配列において、1もしくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加されたアミノ酸配列を有するBACCSについても、カルシウムチャネルOrai1の活性を制御できるため、本発明の範囲に含まれる。ここで、「1もしくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加されたアミノ酸配列」とは、本発明のポリペプチドを構成するCAD領域である、ヒトSTIM1のCAD領域のアミノ酸配列の347−448位と、80%以上、85%以上、90%以上、または95%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列のことをいう。アミノ酸配列にカルシウムチャネルOrai1を活性化するアミノ酸配列が含まれているかどうかは、例えば、当該アミノ酸配列をOrai1領域と共発現させ、カルシウムイオンの流入があるかどうかを、NFATの局在を観察することによって特定できる。   However, since the calcium channel Orai1 can be activated and the activity of the calcium channel Orai1 can also be controlled for BACCS having an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of the CAD region. And within the scope of the present invention. Here, the “amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added” means positions 347 to 448 of the amino acid sequence of the CAD region of human STIM1, which is the CAD region constituting the polypeptide of the present invention. An amino acid sequence having a sequence identity of 80% or more, 85% or more, 90% or more, or 95% or more. Whether the amino acid sequence includes an amino acid sequence that activates the calcium channel Orai1, for example, the amino acid sequence is co-expressed with the Orai1 region, and whether or not there is an influx of calcium ions, the localization of NFAT is observed. Can be identified.

(Orai1−BACCS)
また、本発明は、BACCSを、カルシウムチャネルOrai1のアミノ酸配列のC末端にタンデムに2つつなげたタンパク質(以下、「Orai1−BACCS」と呼ぶ)も提供する。
(Orai1-BACCS)
The present invention also provides a protein (hereinafter referred to as “Orai1-BACCS”) in which BACCS is connected in tandem with the C-terminal of the amino acid sequence of calcium channel Orai1.

BACCSは、内在性のOrai1が発現した場合、または細胞内でOrai1遺伝子と共発現した場合等に、カルシウムイオンチャネルであるOrai1を光依存的に開閉することができる。そのため、Orai1とBACCSを結合させ、単一のポリペプチドとして発現させることによって、Orai1とBACCSとの空間的距離を近づけることができ、BACCSのみからなるポリペプチドと比較して、さらに効率の良い光活性化カルシウムチャネルとして機能する。   BACCS can open and close Orai1 which is a calcium ion channel in a light-dependent manner when endogenous Orai1 is expressed or coexpressed with the Orai1 gene in cells. Therefore, by combining Orai1 and BACCS and expressing them as a single polypeptide, the spatial distance between Orai1 and BACCS can be reduced, and more efficient light compared to a polypeptide consisting only of BACCS. Functions as an activated calcium channel.

Orai1とCAD領域が1:2の比で存在する場合に、Orai1を効率的に活性化させることができ、さらに、Orai1のC末端にCAD領域をタンデムに2つつなげた場合にOrai1が構成的に活性化されることが報告されている(Liら、2010)。そこで、本発明者らは、Orai1のC末端にBACCSをタンデムに2つつなげた構造を有するOrai1−BACCSを作製した。   Orai1 can be efficiently activated when Orai1 and CAD regions are present in a ratio of 1: 2, and Orai1 is constitutive when two CAD regions are connected in tandem to the C-terminus of Orai1. Is reported to be activated (Li et al., 2010). Therefore, the present inventors produced Orai1-BACCS having a structure in which BACCS is connected in tandem to the C-terminus of Orai1.

(Orai1)
カルシウムチャネルOrai1は、細胞膜上に局在し、ストア作動性カルシウム流入に関与するストア作動性カルシウムチャネルである。Orai1の活性は、小胞体に局在する小胞体タンパク質STIM1のCAD領域によって制御される(Hoganら、2010)。Orai1は特に免疫細胞において重要な作用を有する。
(Orai1)
Calcium channel Orai1 is a store-operated calcium channel that is localized on the cell membrane and is involved in store-operated calcium influx. Orai1 activity is controlled by the CAD region of the endoplasmic reticulum protein STIM1, which is localized in the endoplasmic reticulum (Hogan et al., 2010). Orai1 has an important effect particularly in immune cells.

Orai1を活性化するヒトSTIM1内の領域として、CAD(アミノ酸342−448位;Parkら、2009)、SOAR(アミノ酸344−442位;Yuanら、2009)、OASF(アミノ酸233−450位または474位;Muikら、2009)、CCB9(アミノ酸339−444位;Kawasakiら、2009)が同定されている。なお、ヒトSTIM1内のアミノ酸342−440位の領域は、Orai1を活性化することができない(Parkら、2009)。   Regions within human STIM1 that activate Orai1 include CAD (amino acids 342-448; Park et al., 2009), SOAR (amino acids 344-442; Yuan et al., 2009), OASF (amino acids 233-450 or 474) Muik et al., 2009), CCB9 (amino acids 339-444; Kawasaki et al., 2009) have been identified. Note that the region at amino acid positions 342 to 440 in human STIM1 cannot activate Orai1 (Park et al., 2009).

本発明のポリペプチドを構成するOrai1は、ヒトOrai1のアミノ酸配列の1−301位に対応する。   Orai1 constituting the polypeptide of the present invention corresponds to position 1-301 of the amino acid sequence of human Orai1.

Orai1は、Orai2およびOrai3との配列類似性が高いだけでなく、線虫、ヒト等の様々な種間で保存されている(Hoganら、2010)。そのため、Orai1−BACCSを構成するOrai1の配列は、ヒト由来のものだけではなく、様々な種のホモログであっても、カルシウムチャネルとして機能する可能性が極めて高い。従って、本発明のポリペプチドを構成するOrai1としてこれらのホモログを代用できる。また、ヒトOrai1がカルシウムチャネルとして機能するための領域が保存されているのであれば、ヒトOrai1のアミノ酸配列の1−301位において1もしくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加されていても、本発明のポリペプチドを構成するOrai1として使用することができる。ここで、「1もしくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加」とは、本発明のポリペプチドを構成するOrai1である、ヒトOrai1のアミノ酸配列の1−301位と、80%以上、85%以上、90%以上、または95%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列を指す。アミノ酸配列にOrai1がカルシウムチャネルとして機能するための領域が含まれているかどうかは、例えば、当該アミノ酸配列をCAD領域と共発現させ、カルシウムイオンの流入があるかどうかを、NFATの局在を観察することによって特定できる。   Orai1 not only has high sequence similarity to Orai2 and Orai3, but is conserved among various species such as nematodes and humans (Hogan et al., 2010). For this reason, the sequence of Orai1 constituting Orai1-BACCS is very likely to function as a calcium channel, not only from humans but also from various species of homologues. Therefore, these homologues can be substituted as Orai1 constituting the polypeptide of the present invention. Moreover, if a region for human Orai1 to function as a calcium channel is conserved, even if one or more amino acids are deleted, substituted, or added at position 1-301 of the amino acid sequence of human Orai1, It can be used as Orai1 constituting the polypeptide of the present invention. Here, “one or more amino acids are deleted, substituted, or added” means that Orai1 constituting the polypeptide of the present invention, position 1-301 of the amino acid sequence of human Orai1, 80% or more, 85% An amino acid sequence having a sequence identity of 90% or more, or 95% or more. Whether or not the region for Orai1 to function as a calcium channel is included in the amino acid sequence, for example, the amino acid sequence is coexpressed with the CAD region, and whether or not there is an influx of calcium ions, the localization of NFAT is observed Can be identified.

(リンカー)
Orai1−BACCSを構成する、Orai1のC末端と第1のBACCSのN末端との間、および第1のBACCSのC末端と第2のBACCSのN末端との間にはそれぞれ、アミノ酸配列の小断片(以下、「リンカー」と呼ぶ)が介在してもよい。当該リンカーは、蛍光タンパク質(mCherry、YFP等)等であってもよい。Orai1−BACCSにこのようなリンカーが含まれることにより、細胞内のOrai1−BACCSの発現を容易に検出することができる。
(Linker)
A small amino acid sequence between the C-terminus of Orai1 and the N-terminus of the first BACCS and between the C-terminus of the first BACCS and the N-terminus of the second BACCS, which constitutes the Orai1-BACCS Fragments (hereinafter referred to as “linkers”) may intervene. The linker may be a fluorescent protein (mCherry, YFP, etc.) and the like. By including such a linker in Orai1-BACCS, the expression of Orai1-BACCS in cells can be easily detected.

Orai1のC末端と第1のBACCSのN末端との間に介在するリンカーは、立体障害を回避する観点から、20残基以上のアミノ酸配列からなるリンカーであってもよい。   The linker interposed between the C-terminal of Orai1 and the N-terminal of the first BACCS may be a linker consisting of an amino acid sequence of 20 residues or more from the viewpoint of avoiding steric hindrance.

第1のBACCSのC末端と第2のBACCSのN末端との間に介在するリンカーは、立体障害を回避する観点から、25残基以上のアミノ酸配列からなるリンカーであってもよい。   The linker interposed between the C-terminal of the first BACCS and the N-terminal of the second BACCS may be a linker consisting of an amino acid sequence of 25 residues or more from the viewpoint of avoiding steric hindrance.

(BACCS×2)
また、本発明は、BACCSをタンデムに2つつなげたタンパク質(以下、「BACCS×2」と呼ぶ)も提供する。
(BACCS × 2)
The present invention also provides a protein in which BACCS is connected in two in tandem (hereinafter referred to as “BACCS × 2”).

CADは2量体の形態で1つのOrai1と相互作用し、Orai1を効率的に活性化させることができることが報告されている(Liら、2010)。そのため、タンデムに2つつながれたBACCS(すなわち、BACCS×2)によれば、効率よくCADを2量体様の構造にすることができるため、内因性Orai1を効率的に活性化できる。   It has been reported that CAD can interact with one Orai1 in the form of a dimer and efficiently activate Orai1 (Li et al., 2010). Therefore, according to BACCS (that is, BACCS × 2) connected in tandem, CAD can be efficiently made into a dimer-like structure, so that endogenous Orai1 can be activated efficiently.

BACCS×2を構成する、第1のBACCS領域のC末端と、第2のBACCS領域のN末端との間には、リンカーが介在してもよい。BACCS×2において、リンカーは、第1のBACCS領域のN末端や、第2のBACCS領域のC末端に付加されてもよい。例えば、第1のBACCS領域のN末端のリンカーとしては蛍光タンパク質(mCherry、YFP等)等が挙げられる。第2のBACCS領域のC末端のリンカーとしては2Aペプチド等が挙げられる。BACCS×2にこのようなリンカーが含まれることにより、細胞内のBACCS×2の発現を容易に検出することができる。   A linker may be interposed between the C terminus of the first BACCS region and the N terminus of the second BACCS region constituting the BACCS × 2. In BACCS × 2, the linker may be added to the N-terminus of the first BACCS region or the C-terminus of the second BACCS region. For example, examples of the N-terminal linker of the first BACCS region include fluorescent proteins (mCherry, YFP, etc.). Examples of the C-terminal linker of the second BACCS region include 2A peptide. By including such a linker in BACCS × 2, the expression of BACCS × 2 in cells can be easily detected.

BACCS×2に含まれるリンカーは、立体障害を回避する観点から、25残基以上のアミノ酸配列からなるリンカーであってもよい。   The linker included in BACCS × 2 may be a linker consisting of an amino acid sequence of 25 residues or more from the viewpoint of avoiding steric hindrance.

(製法)
本発明のポリペプチドは、本発明の属する技術分野において公知の遺伝子組み換え技術によって作製できる。例えば、本発明のポリペプチドをコードする核酸をベクターに組み込み、当該ベクターを大腸菌や細胞(ヒト腎臓由来のHEK293細胞等)等に導入することによって、ポリペプチドとして大量に発現させることができる。
(Manufacturing method)
The polypeptide of the present invention can be produced by a gene recombination technique known in the technical field to which the present invention belongs. For example, by incorporating a nucleic acid encoding the polypeptide of the present invention into a vector and introducing the vector into Escherichia coli or cells (such as HEK293 cells derived from human kidney), the polypeptide can be expressed in large quantities.

(核酸)
本発明のポリペプチドをコードする単離された核酸は、本発明の属する技術分野において公知の遺伝子組み換え技術によって作製できる。例えば、アミノ酸配列情報からプライマーを作成し、PCR等によってクローニングしたLOV2−Jα領域をコードする核酸や、CAD領域をコードする核酸を、ライゲーション反応等によってつなげることにより本発明のポリペプチドをコードする核酸を単離することができる。
(Nucleic acid)
An isolated nucleic acid encoding the polypeptide of the present invention can be prepared by a genetic recombination technique known in the technical field to which the present invention belongs. For example, a nucleic acid encoding a polypeptide of the present invention by ligating a nucleic acid encoding a LOV2-Jα region cloned by PCR or the like, or a nucleic acid encoding a CAD region by creating a primer from amino acid sequence information Can be isolated.

本願明細書で使用される用語「核酸」には、DNA、RNA等が含まれる。   As used herein, the term “nucleic acid” includes DNA, RNA, and the like.

(組み換えベクター)
本発明のポリペプチドをコードする単離された核酸を含む組み換えベクターは、本発明の属する技術分野において公知の遺伝子組み換え技術によって作製できる。例えば、任意のプラスミドを、任意の制限酵素(BglII、SalI等)で切断し、その切断部位に、本発明のポリペプチドをコードする単離された核酸をリガーゼで結合させることによって作製できる。
(Recombinant vector)
A recombinant vector containing an isolated nucleic acid encoding the polypeptide of the present invention can be prepared by a gene recombination technique known in the technical field to which the present invention belongs. For example, it can be prepared by cleaving any plasmid with any restriction enzyme (BglII, SalI, etc.) and ligating an isolated nucleic acid encoding the polypeptide of the present invention to the cleavage site.

本願明細書で使用される用語「組み換えベクター」は、組み換えDNA実験等において異種DNAの運搬に使用されるDNAを指す。本発明の組み換えベクターとしては、例えば、本発明のポリペプチドを発現するDNA断片、任意の制限酵素認識部位、任意の複製開始点等を有するクローニングベクターや、本発明のポリペプチドを発現するDNA断片、転写開始点等を有する発現ベクター等が挙げられる。   As used herein, the term “recombinant vector” refers to DNA used to transport heterologous DNA in recombinant DNA experiments and the like. Examples of the recombinant vector of the present invention include, for example, a DNA fragment expressing the polypeptide of the present invention, a cloning vector having an arbitrary restriction enzyme recognition site, an arbitrary replication origin, etc., and a DNA fragment expressing the polypeptide of the present invention. And an expression vector having a transcription initiation point and the like.

また、本発明の範囲には、このような組み換えベクターを含む遺伝子導入キットも含まれる。当該キットを使用して遺伝子導入を行うことで、本発明のポリペプチドを容易に発現させることができる。当該キットには、例えば、本発明の組み換えベクター、形質転換用試薬、取扱説明書等が含まれるが、これに限定されない。   The scope of the present invention also includes a gene introduction kit containing such a recombinant vector. By performing gene transfer using the kit, the polypeptide of the present invention can be easily expressed. The kit includes, for example, the recombinant vector of the present invention, a reagent for transformation, an instruction manual, and the like, but is not limited thereto.

(形質転換体)
上記の組み換えベクターを含む形質転換体は、本発明の属する技術分野において公知の遺伝子組み換え技術によって作製できる。本願明細書で使用される用語「形質転換体」は、単離された細胞または非ヒト動物である。細胞としては特に限定されず、任意の細胞株(例えば、ヒト腎臓由来のHEK293細胞、HEK293T細胞等)を使用できる。また、非ヒト動物としては特に限定されず、大腸菌、哺乳類(マウス、ラット等)、モデル動物等を使用できる。
(Transformant)
A transformant containing the above recombinant vector can be prepared by a gene recombination technique known in the technical field to which the present invention belongs. The term “transformant” as used herein is an isolated cell or non-human animal. The cells are not particularly limited, and any cell line (for example, HEK293 cells derived from human kidney, HEK293T cells, etc.) can be used. Moreover, it does not specifically limit as a non-human animal, Escherichia coli, mammals (a mouse | mouth, a rat, etc.), a model animal, etc. can be used.

本発明の形質転換体は、例えば、単離された細胞に、エレクトロポレーション法、リポフェクション法、ウイルス等によって組み換えベクターを導入することによって、単離された細胞の形質転換体が得られる。また、非ヒト動物の受精卵前核中へDNA顕微注入、ES細胞への相同組み換え、組み換えウイルスによる感染等を行うことによって非ヒト動物の形質転換体が得られる。本発明のポリペプチドは、上記のような公知の技術によって容易に細胞特異的に発現させることができるだけでなく、追加の薬剤等を使用することなく、照射する光の強度の操作のみによってその機能を発揮させることができるため、特に、非ヒト動物に対して容易かつ安全に応用できる。   The transformant of the present invention can be obtained by introducing a recombinant vector into an isolated cell by electroporation method, lipofection method, virus or the like, for example. A transformant of a non-human animal can be obtained by performing DNA microinjection into the pronucleus of a fertilized egg of a non-human animal, homologous recombination into an ES cell, infection with a recombinant virus, or the like. The polypeptide of the present invention can be easily expressed in a cell-specific manner by the known techniques as described above, and its function can be achieved only by manipulating the intensity of irradiated light without using an additional drug. In particular, it can be easily and safely applied to non-human animals.

(本発明のポリペプチドを使用した応用)
さらに、本発明によれば、上記形質転換体に照射する光の強度を操作することによって、上記形質転換体の細胞内カルシウムシグナルを調節することができる。光の強度の操作とは、上記形質転換体に照射される光の波長、光の照射時間、および光の照射量等の調節を指す。例えば、上記形質転換体に対する青色領域の波長の光の照射によって細胞内カルシウムシグナルを活性化することができる。また、上記形質転換体に対する510nm以下の波長の光の遮断によって細胞内カルシウムシグナルを不活性化することができる。
(Application using the polypeptide of the present invention)
Furthermore, according to the present invention, the intracellular calcium signal of the transformant can be regulated by manipulating the intensity of light applied to the transformant. The manipulation of light intensity refers to adjustment of the wavelength of light irradiated to the transformant, the light irradiation time, the light irradiation amount, and the like. For example, an intracellular calcium signal can be activated by irradiating the transformant with light having a wavelength in a blue region. In addition, intracellular calcium signals can be inactivated by blocking light having a wavelength of 510 nm or less from the transformant.

例えば、BACCSを使用すれば、Orai1を発現している細胞における細胞内カルシウムシグナルを調節できる。また、Orai1−BACCSを使用すれば、Orai1を発現している細胞だけではなく、Orai1を発現していない細胞における細胞内カルシウムシグナルを調節できる。   For example, the use of BACCS can regulate intracellular calcium signals in cells expressing Orai1. Moreover, if Orai1-BACCS is used, the intracellular calcium signal not only in the cells expressing Orai1 but also in cells not expressing Orai1 can be regulated.

Orai1とCAD領域が1:2の比で存在する場合に、Orai1を効率的に活性化させることができ、細胞内カルシウムシグナルの応答性が上昇することが知られている(Liら、2010)。これを踏まえると、Orai1に対するBACCSの発現量比がOrai1:BACCS=1:2以下となると、細胞内カルシウムシグナルの応答性が低下すると考えられる。Orai1を発現している細胞においては、内因性Orai1に対するBACCSの割合がOrai1:BACCS=1:2以下となりにくくするために、内因性Orai1の量に応じて、BACCS×2(BACCSのみをタンデムに2つ発現させたもの)、BACCS×2−2A−Orai1(Orai1:BACCS=1:2)やBACCS×2−IRES−Orai1(Orai1:BACCS=1:4〜1:10)等を好適に使用できる。なお、IRES(internal ribosome entry site)とは、メッセンジャーRNAの途中から翻訳を開始させることができる配列である。IRES依存的な翻訳は、多くの場合、5’キャップ依存的な翻訳の20〜50%の効率であることが報告されている(Mizoguchiら、2000)。つまり、例えばBACCS×2−IRES−Orai1においては、IRES依存的なOrai1の翻訳は、5’キャップ依存的なBACCSの翻訳に対して20〜50%の効率であると予測されるため、IRESを含む組み換え体によれば、Orai1とBACCSとの発現量比を効率的に調整できる。一方、Orai1を発現していない細胞においては、内因性Orai1が存在しないため、Orai1とBACCS×2の融合蛋白(Orai1−BACCS×2)を好適に使用できる。   It is known that when Orai1 and CAD regions are present in a ratio of 1: 2, Orai1 can be efficiently activated and the responsiveness of intracellular calcium signals is increased (Li et al., 2010). . Based on this, when the ratio of the expression level of BACCS to Orai1 is Orai1: BACCS = 1: 2 or less, it is considered that the responsiveness of intracellular calcium signals decreases. In cells expressing Orai1, in order to make the ratio of BACCS to endogenous Orai1 less likely to be less than or equal to Orai1: BACCS = 1: 2, depending on the amount of endogenous Orai1, BACCS × 2 (only BACCS in tandem) BACCS × 2-2A-Orai1 (Orai1: BACCS = 1: 2), BACCS × 2-IRES-Orai1 (Orai1: BACCS = 1: 4 to 1:10), etc. are preferably used. it can. In addition, IRES (internal ribosome entry site) is a sequence which can start translation from the middle of messenger RNA. IRES-dependent translation has often been reported to be 20-50% more efficient than 5 'cap-dependent translation (Mizoguchi et al., 2000). In other words, for example, in BACCS × 2-IRES-Orai1, IRES-dependent Orai1 translation is predicted to be 20-50% more efficient than 5 ′ cap-dependent BACCS translation. According to the recombinant containing, the expression level ratio of Orai1 and BACCS can be adjusted efficiently. On the other hand, in cells not expressing Orai1, since endogenous Orai1 does not exist, a fusion protein of Orai1 and BACCS × 2 (Orai1-BACCS × 2) can be preferably used.

このように、本発明によれば、照射する光の強度を操作することによって形質転換体の細胞内のカルシウムチャネルの活性化を制御することにより、細胞内カルシウムイオンの流入の調節ができるため、細胞内カルシウムイオン濃度やカルシウムイオンによって活性化される細胞内の生理現象(例えば、筋収縮、シナプス伝達、分泌、細胞分化等)を調節できる。   Thus, according to the present invention, by controlling the activation of the intracellular calcium channel of the transformant by manipulating the intensity of the irradiated light, the influx of intracellular calcium ions can be regulated, Intracellular calcium ion concentration and intracellular physiological phenomena activated by calcium ions (for example, muscle contraction, synaptic transmission, secretion, cell differentiation, etc.) can be regulated.

本発明のポリペプチドは、カルシウムシグナルに関連する基礎医学または生命科学分野の研究や医薬品の開発において有利に使用することができる。本発明のポリペプチドを使用する基礎医学または生命科学の分野としては特に限定されず、筋収縮の制御、神経伝達シグナル、免疫応答、発生、および分泌制御等の分野の研究において使用できる。また、研究手法としては、in vitro、in situ、またはin vivo等の系において使用できる。   The polypeptide of the present invention can be advantageously used in basic medicine or life science research related to calcium signals or in the development of pharmaceuticals. The field of basic medicine or life science using the polypeptide of the present invention is not particularly limited, and can be used in research in fields such as control of muscle contraction, neurotransmission signal, immune response, development, and secretion control. Moreover, as a research technique, it can be used in systems such as in vitro, in situ, or in vivo.

本発明のポリペプチドは、医薬品の開発においても使用でき、例えば、糖尿病、高血圧等の疾病における創薬ターゲットの評価、新薬候補化合物のスクリーニング等に使用できる。   The polypeptide of the present invention can also be used in the development of pharmaceuticals. For example, it can be used for evaluation of drug discovery targets in diseases such as diabetes and hypertension, screening for new drug candidate compounds, and the like.

以下の実施例に基づき、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、本実施例においては、オートムギのフォトトロピン1のLOV2−Jα領域、ヒトのOrai1、およびヒトのSTIM1のCAD領域を使用した。   The present invention will be described in detail based on the following examples, but the present invention is not limited only to these examples. In this example, the LOV2-Jα region of oat phototropin 1, the human Orai1, and the human STIM1 CAD region were used.

(実施例1:LOV2−JαとCADの結合部位の最適化に関する検討)
LOV2−JαとCADの結合部位の配列に関して最適な組み合わせを特定するため、LOV2−Jαと、CADとを結合させたポリペプチド(以下、「LOV−CAD」と呼ぶ)を作製し、光刺激によってOrai1を活性化できるLOV−CADをスクリーニングした。なお、LOV2−Jαの構造は、Jα領域のC末端側に結合する領域を制御すると考えられるため、ポリペプチドの作製時には、LOV2−Jαの塩基配列のC末端側と、CADの塩基配列N末端側とを結合させる必要がある。
(Example 1: Study on optimization of binding site between LOV2-Jα and CAD)
In order to identify the optimal combination of LOV2-Jα and CAD binding site sequences, a polypeptide in which LOV2-Jα and CAD are bound (hereinafter referred to as “LOV-CAD”) is prepared and subjected to light stimulation. LOV-CAD capable of activating Orai1 was screened. Since the structure of LOV2-Jα is thought to control the region that binds to the C-terminal side of the Jα region, at the time of polypeptide production, the C-terminal side of the base sequence of LOV2-Jα and the base sequence N-terminal of CAD It is necessary to join the side.

(1)LOV−CADを発現する組み換えベクターの作製
以下に、LOV2−Jα(404−538)およびCAD(347−448)の塩基配列を組み込んだプラスミドの作製例を示す。他のポリペプチドを発現するプラスミドも同様にして作製した。なお、フォトトロピン1 LOV2−Jα(ID 22024,PA−Rac1)、Orai1−YFP(ID 19756)、STIM1−CFP(ID 19755)およびNFAT−GFP(ID 11107)のプラスミドは、Addgene社より購入した。
LOV−CADを、制限酵素(BglII)認識配列が組み込まれたLOV2のPCR断片と、制限酵素(SalI)認識配列が組み込まれたCAD領域のPCR断片との、リコンビナントPCRによる融合遺伝子として得て、これをPCRサーマルサイクラーによって増幅した。使用したプライマーと鋳型を以下に示す。
(1) Preparation of Recombinant Vector Expressing LOV-CAD An example of preparing a plasmid incorporating the nucleotide sequences of LOV2-Jα (404-538) and CAD (347-448) is shown below. Plasmids expressing other polypeptides were prepared in the same manner. In addition, plasmids of Phototropin 1 LOV2-Jα (ID 22024, PA-Rac1), Orai1-YFP (ID 19756), STIM1-CFP (ID 19755) and NFAT-GFP (ID 11107) were purchased from Addgene.
LOV-CAD was obtained as a fusion gene by recombinant PCR of a PCR fragment of LOV2 incorporating a restriction enzyme (BglII) recognition sequence and a PCR fragment of a CAD region incorporating a restriction enzyme (SalI) recognition sequence, This was amplified by a PCR thermal cycler. The primers and templates used are shown below.

得られたPCR産物を、BglIIとSalIを使用して制限酵素処理した。次いで、制限酵素処理されたPCR産物を、赤色蛍光タンパク質レポーターベクターであるptdTomato−C1ベクターのBglII−SalIサイトにライゲーションし、ポリペプチドtdTomato−LOV(404−538)−CAD(347−448)の組み換えベクター(以下、「ptdTomato−BACCS」と呼ぶ)を作製した。なお、ptdTomato−C1ベクターは、pEGFP−C1(クロンテック社製)のGFP配列をtdTomatoで置換したものである。さらに、当該組み換えベクターから転写されるmRNAの安定性を高め、導入遺伝子の発現を増強することができる、ウッドチャック肝炎ウイルス由来の転写後制御エレメントWPREを3’非翻訳領域に挿入した組み換えベクター(以下、「ptdTomato−BACCS−WPRE」と呼ぶ)を作製した。   The obtained PCR product was treated with restriction enzymes using BglII and SalI. Next, the restriction endonuclease-treated PCR product was ligated to the BglII-SalI site of the ptdTomato-C1 vector, which is a red fluorescent protein reporter vector, to recombine the polypeptide tdTomato-LOV (404-538) -CAD (347-448). A vector (hereinafter referred to as “ptdTomato-BACCS”) was prepared. The ptdTomato-C1 vector is obtained by replacing the GFP sequence of pEGFP-C1 (manufactured by Clontech) with tdTomato. Furthermore, a recombinant vector in which a post-transcriptional control element WPRE derived from Woodchuck hepatitis virus, which can enhance the stability of mRNA transcribed from the recombinant vector and enhance the expression of the transgene, is inserted into the 3 ′ untranslated region ( Hereinafter, “ptdTomato-BACCS-WPRE” was prepared.

(2)CAD領域のN末端配列に関する検討
LOV2−Jαの塩基配列に結合するCAD領域の塩基配列のN末端配列について、Orai1の活性化に必要な最小領域を検討した。
検討のために、LOV2領域の光照射条件下における構造を模倣した変異体(以下、「明変異体」と呼ぶ)およびLOV2領域の光遮断条件下における構造を模倣した変異体(以下、「暗変異体」と呼ぶ)を作製した。例えば、Jα領域のアミノ酸配列は、I532E、A536E、I539E、D540Rの変異によって明変異体になることが知られている(Harperら、2004)。本実施例では、明変異体として、Jα領域に、リコンビナントPCRによりI539E変異(I539E)を導入した。また、暗変異体として、LOV2領域に、リコンビナントPCRによってC450A変異(C450A)を導入した。以下、当該明変異体であるLOV2−Jαを、「LOV lit」、当該暗変異体であるLOV2−Jαを「LOV dark」と呼ぶ。LOV litおよびLOV darkは、それぞれ、光の照射の有無に関わらず、光が照射された状態の構造、および光が遮断された状態の構造を有している。
まず、LOV lit(404−546)に、N末端を様々に欠損させたCAD領域(342−448から350−448)を融合したタンパク質(以下、「LOV lit−CAD」と呼ぶ)を作製した(図4A)。LOV lit−CADを、Orai1と共にHEK293細胞中で共発現させ、以下の手順でLOV lit−CADの細胞内局在を観察した。
赤色蛍光タンパク質であるtdTomatoを、LOV lit−CADのN末端側に融合したポリペプチドとして発現するように、組み換えベクター「ptdTomato−LOV lit−CAD−WPRE」を作製した。また、同様に、黄色蛍光タンパク質をC末端側に組み込んだOrai1を発現するように、組み換えベクター「Orai1−YFP」も作製した。ptdTomato−LOV lit−CAD−WPREおよびOrai1−YFPを、Lipofectamine 2000(インビトロジェン社製)を使用して、HEK293細胞に遺伝子導入し、当該細胞を10% 仔ウシ血清(Gibco社製)入りMEM(ナカライテスク株式会社製)(以下、「MEM+10%FBS」と呼ぶ)培地中で培養した。遺伝子導入の24〜48時間後に、暗室において、細胞を4% パラホルムアルデヒドで固定し、tdTomatoの蛍光の局在をコンフォーカル顕微鏡(商品名;Zeiss LSM510、カールツァイス社製)で観察した。
Orai1は細胞膜上に発現するため、Orai1と結合したLOV lit−CADは、細胞膜に局在する(図4B)。なお、Jα領域の546番目のアミノ酸とCAD領域の347番目のアミノ酸はともに「L」であるため、LOV lit(404−546)−CAD(348−448)はLOV lit(404−545)−CAD(347−448)とも解釈できる点に注意されたい。Orai1を活性化する領域としては、CAD(347−448)がN末端に関して最小領域であることが分かった。(図4C)。
(2) Examination on N-terminal sequence of CAD region The minimum region necessary for the activation of Orai1 was examined for the N-terminal sequence of the base sequence of the CAD region that binds to the base sequence of LOV2-Jα.
For the study, a mutant that mimics the structure of the LOV2 region under light irradiation conditions (hereinafter referred to as “light mutant”) and a mutant that mimics the structure of the LOV2 region under light-blocking conditions (hereinafter referred to as “dark”). Called "mutants"). For example, it is known that the amino acid sequence of the Jα region becomes a light mutant by mutation of I532E, A536E, I539E, D540R (Harper et al., 2004). In this example, the I539E mutation (I539E) was introduced into the Jα region as a light mutant by recombinant PCR. As a dark mutant, a C450A mutation (C450A) was introduced into the LOV2 region by recombinant PCR. Hereinafter, the light variant LOV2-Jα is referred to as “LOV lit”, and the dark variant LOV2-Jα is referred to as “LOV dark”. Each of the LOV lit and the LOV dark has a structure in which light is irradiated and a structure in which light is blocked regardless of whether light is irradiated.
First, a protein (hereinafter referred to as “LOV lit-CAD”) in which a CAD region (342-448 to 350-448) lacking various N-terminals was fused to LOV lit (404-546) (hereinafter referred to as “LOV lit-CAD”) was prepared ( FIG. 4A). LOV lit-CAD was co-expressed in HEK293 cells together with Orai1 and the intracellular localization of LOV lit-CAD was observed by the following procedure.
A recombinant vector “ptdTomato-LOV lit-CAD-WPRE” was prepared so as to express tdTomato, which is a red fluorescent protein, as a polypeptide fused to the N-terminal side of LOV lit-CAD. Similarly, a recombinant vector “Orai1-YFP” was also prepared so as to express Orai1 in which a yellow fluorescent protein was incorporated on the C-terminal side. ptdTomato-LOV lit-CAD-WPRE and Orai1-YFP were transfected into HEK293 cells using Lipofectamine 2000 (Invitrogen), and the cells were transferred to MEM (Nacalai) containing 10% calf serum (Gibco). Tesque Co., Ltd.) (hereinafter referred to as “MEM + 10% FBS”) was cultured in a medium. 24-48 hours after gene introduction, cells were fixed with 4% paraformaldehyde in the dark, and the localization of tdTomato fluorescence was observed with a confocal microscope (trade name; Zeiss LSM510, Carl Zeiss).
Since Orai1 is expressed on the cell membrane, LOV lit-CAD bound to Orai1 is localized on the cell membrane (FIG. 4B). Since the 546th amino acid in the Jα region and the 347th amino acid in the CAD region are both “L”, LOV lit (404-546) -CAD (348-448) is LOV lit (404-545) -CAD. Note that it can also be interpreted as (347-448). As a region for activating Orai1, CAD (347-448) was found to be the minimum region with respect to the N-terminus. (FIG. 4C).

(3)LOV2−JαのC末端配列に関する検討
CAD領域(347−448)を含むように、LOV darkのC末端の長さを様々に変えてポリペプチド(以下、「LOV dark−CAD」と呼ぶ)を作製した(図5A)。LOV dark−CADは、Orai1を活性化させるのに十分なCAD領域を含むため、LOV darkのタンパク質構造による立体障害がない場合は、Orai1と結合できる。本項では、LOV darkが立体障害となりOrai1と結合できないポリペプチドを探索する。Orai1と結合できないLOV dark−CADは、細胞質に分布するポリペプチドとして認められた(図5B)。
LOV2−JαのC末端側の、CAD領域とのつなぎ目に関しては、上記「(2)CAD領域のN末端配列に関する検討」で説明した重要な疎水性アミノ酸(I532,A536,I539)の配列を変化させないようにアミノ酸配列のつなげ方を工夫した。当該疎水性アミノ酸配列を変化させる場合においても、LOV2−Jα領域に結合したCAD領域の配列によってLOV2−Jα領域のアミノ酸の特性が変化しないように(すなわち、Jα領域中の532番目、536番目、539番目のアミノ酸が疎水性アミノ酸になるように)アミノ酸配列のつなげ方を工夫した。
図5Cに示す15種類のポリペプチドおよびOrai1を、HEK293細胞中で共発現させたところ、LOV dark(404−542)、LOV dark(404−539)、LOV dark(404−538)、およびLOV dark(404−535)は、細胞膜への局在化が阻害された。
(3) Study on C-terminal sequence of LOV2-Jα Polypeptide (hereinafter referred to as “LOV dark-CAD”) by varying the length of the C-terminal of LOV dark so as to include the CAD region (347-448) ) Was produced (FIG. 5A). Since LOV dark-CAD contains sufficient CAD region to activate Orai1, it can bind to Orai1 if there is no steric hindrance due to the protein structure of LOV dark. In this section, we will search for polypeptides that cannot bind to Orai1 due to steric hindrance of LOV dark. LOV dark-CAD that cannot bind to Orai1 was recognized as a polypeptide distributed in the cytoplasm (FIG. 5B).
Regarding the connection to the CAD region on the C-terminal side of LOV2-Jα, the sequence of important hydrophobic amino acids (I532, A536, I539) described in “(2) Examination of the N-terminal sequence of the CAD region” was changed. We devised how to connect amino acid sequences so as not to let them. Even when the hydrophobic amino acid sequence is changed, the amino acid characteristics of the LOV2-Jα region are not changed by the sequence of the CAD region bound to the LOV2-Jα region (that is, the 532nd, 536th, The amino acid sequence was devised so that the 539th amino acid became a hydrophobic amino acid.
The 15 polypeptides shown in FIG. 5C and Orai1 were co-expressed in HEK293 cells, and LOV dark (404-542), LOV dark (404-539), LOV dark (404-538), and LOV dark (404-535) was inhibited from localization to the cell membrane.

(4)光によるOrail1の活性化についてのNFATを使用した検証
本発明のポリペプチドが、光の照射によってOrail1を活性化できるかどうかについて、カルシウムシグナルにより核に移行することが知られる転写因子NFATを使用して検証した。
まず、4つの候補の野生型LOV(404−542、404−539、404−538、404−535)にCAD(347−448)を融合したタンパク質を、Orai1、および核移行シグナルを検出するためのレポーター遺伝子NFAT−GFPと共にHEK293細胞中で共発現させた。
具体的には、3つのプラスミド、ptdTomato−LOV−CAD−WPRE、Orai1(Orai1−YFP(Addgene社製)からYFPを除去して作製した)およびNFAT−GFPを、HEK293細胞に遺伝子導入し、当該細胞をMEM+10%FBS培地中で培養した。遺伝子導入から24〜48時間後、暗室にて、4% パラホルムアルデヒドで細胞を固定した。これを暗条件における試料とし、図6に「暗」として示した。また、遺伝子導入から24〜48時間後、培地をMEM+10%FBS培地からLeibovitz’s培地に変え、470nmの光を20分照射した後に4% パラホルムアルデヒドで細胞を固定した。これを明条件における試料とし、図6に「明」として示した。
それぞれのサンプルについて、光を遮断した場合と、470nmの光を照射した場合におけるNFATの局在を観察した。NFATの細胞内局在をコンフォーカル顕微鏡(商品名;Zeiss LSM510、カールツァイス社製)で観察した結果を図6Aに示す。
LOV(404−542)−CAD(347−448)およびLOV(404−539)−CAD(347−448)を導入した細胞においては、光を照射してもNFATの核への局在化の効率が悪かった。また、LOV(404−535)−CAD(347−448)を導入した細胞においては、光の照射によってNFATが効率よく核へ局在化したものの、光を遮断した状態においてもNFATの核への局在化が見られた(図6B)。
一方、LOV(404−538)−CAD(347−448)を導入した細胞においては、光を遮断した状態ではNFATが細胞質中で認められ、光を照射した状態では、NFATが核で認められた(図6AおよびB)。
(4) Verification using NFAT for the activation of Oral1 by light Whether the polypeptide of the present invention can activate Oral1 by light irradiation is a transcription factor NFAT known to be transferred to the nucleus by a calcium signal Verified using.
First, a protein in which CAD (347-448) is fused to four candidate wild type LOVs (404-542, 404-539, 404-538, 404-535), Orai1, and a nuclear translocation signal are detected. Co-expressed in HEK293 cells with the reporter gene NFAT-GFP.
Specifically, three plasmids, ptdTomato-LOV-CAD-WPRE, Orai1 (produced by removing YFP from Orai1-YFP (manufactured by Addgene)) and NFAT-GFP were transfected into HEK293 cells, Cells were cultured in MEM + 10% FBS medium. 24-48 hours after gene transfer, cells were fixed with 4% paraformaldehyde in the dark. This was used as a sample under dark conditions, and shown as “dark” in FIG. In addition, 24-48 hours after gene introduction, the medium was changed from MEM + 10% FBS medium to Leibovitz's medium, irradiated with light at 470 nm for 20 minutes, and then fixed with 4% paraformaldehyde. This was used as a sample under bright conditions, and shown as “bright” in FIG.
For each sample, the localization of NFAT was observed when light was blocked and when light of 470 nm was irradiated. FIG. 6A shows the results of NFAT intracellular localization observed with a confocal microscope (trade name: Zeiss LSM510, manufactured by Carl Zeiss).
In cells transfected with LOV (404-542) -CAD (347-448) and LOV (404-539) -CAD (347-448), the efficiency of localization of NFAT to the nucleus even when irradiated with light Was bad. Moreover, in cells into which LOV (404-535) -CAD (347-448) was introduced, although NFAT was efficiently localized to the nucleus by irradiation with light, the NFAT was also introduced into the nucleus even when light was blocked. Localization was seen (Figure 6B).
On the other hand, in cells into which LOV (404-538) -CAD (347-448) was introduced, NFAT was observed in the cytoplasm when light was blocked, and NFAT was observed in the nucleus when irradiated with light. (FIGS. 6A and B).

以上の結果を踏まえ、LOV(404−538)−CAD(347−448)を、Orai1を光制御できるポリペプチドの候補とした。当該ポリペプチドを以下、BACCS(Blue light−activated Calcium Channel Switch)と呼ぶ。BACCSのアミノ酸配列では、LOV2−JαとCAD領域のつなぎ目に位置する「L」が重要な役割を果たしていると思われる。LOV2−Jαが光スイッチとして機能するためにはこの部位のアミノ酸が疎水性である必要がある(Harperら、2004)。つまり、この「L」が、光を遮断した状態において、LOV2領域およびJα領域の構造を安定化させていると考えられている。一方、この「L」は、CAD領域がOrai1を活性化させる場合においても重要であるため、光照射によりJα領域がLOV2領域から離れて「L」が融合タンパク質の表面に露出したときにのみOrai1を活性化することができると推測される。   Based on the above results, LOV (404-538) -CAD (347-448) was selected as a polypeptide candidate capable of optically controlling Orai1. The polypeptide is hereinafter referred to as BACCS (Blue light-activated Calcium Channel Switch). In the amino acid sequence of BACCS, “L” located at the junction of LOV2-Jα and the CAD region seems to play an important role. In order for LOV2-Jα to function as an optical switch, the amino acid at this site needs to be hydrophobic (Harper et al., 2004). That is, it is considered that this “L” stabilizes the structure of the LOV2 region and the Jα region in a state where light is blocked. On the other hand, this “L” is also important when the CAD region activates Orai1. Therefore, only when the Jα region is separated from the LOV2 region by exposure to light and “L” is exposed on the surface of the fusion protein, Orai1. It is speculated that can be activated.

(5)カルシウムイメージングによる検証
BACCSによって活性化された細胞内カルシウムシグナルを直接的に観察するために、カルシウムセンサーを使用して以下の手順でカルシウムイメージングを行った。
蛍光タンパク質を組み込まれたBACCSの組み換えベクター(ptdTomato−BACCS−WPREまたはpmCherry−BACCS−WPRE)、およびBACCSと共にOrai1を同時に発現させる組み換えベクター(ptdTomato−BACCS−2A−Orai1−WPRE)を作製した。ptdTomato−BACCS−2A−Orai1−WPREは、Thosea asigna virus由来の2Aペプチド(Felipeら、2006)の22アミノ酸およびOrai1をtdTomato−BACCSのC末端に融合させた構成となっている。タンパク質への翻訳の際に、2Aペプチド配列が存在していると、その2Aペプチドを挟む前後のポリペプチドがつながらずに、2つのポリペプチドとして発現する。すなわち、ptdTomato−BACCS−2A−Orai1−WPREは1回の翻訳によって、2つの分離したポリペプチド(tdTomato−BACCSおよびOrai1)として発現する。
このように、BACCSと共にOrai1を同時に発現できる組み換えベクターによれば、2つのタンパク質の発現を同時に制御できるため、タンパク質発現細胞において発現するBACCSおよびOrai1の比を一定にすることができる。
まず、Orai1−YFPプラスミドから、組み換えベクターOrai1−stop codon−SalI(以下、「pOrai1−SalI」と呼ぶ)を作製した。
実施例1で作製したptdTomato−BACCS−WPRE中の、制限酵素認識部位であるBspEI−SalIサイトで挟まれたBACCSを、pOrai1−SalIを制限酵素(BspEIおよびSalI)で処理した断片と置き換えて、ptdTomato−BspEI−Orai1−WPREを作製した。
ptdTomato−BspEI−Orai1−WPRE中のBspEIサイトに、BACCSおよび2Aペプチドを融合させたBspEI−LOV(404−538)−CAD(347−448)−2A−BspEIを挿入し、ptdTomato−BACCS−2A−Orai1−WPREを作製した。このプラスミド中のtdTomatoを制限酵素(AgeIおよびBglII)で処理して得られた断片を、赤色蛍光タンパク質レポーターベクターであるpmCherry−C1ベクターを制限酵素(AgeIおよびBglII)処理した断片と置き換えることで、組み換えベクターpCherry−BACCS−2A−Orai1−WPREを作製した。
(5) Verification by calcium imaging In order to directly observe the intracellular calcium signal activated by BACCS, calcium imaging was performed by the following procedure using a calcium sensor.
A recombinant vector of BACCS incorporating a fluorescent protein (ptdTomato-BACCS-WPRE or pmCherry-BACCS-WPRE) and a recombinant vector (ptdTomato-BACCS-2A-Orai1-WPRE) for simultaneously expressing Orai1 with BACCS were prepared. The ptdTomato-BACCS-2A-Orai1-WPRE has a structure in which 22 amino acids of the 2A peptide (Felipe et al., 2006) derived from Thesea assigna virus and Orai1 are fused to the C-terminus of tdTomato-BACCS. When a 2A peptide sequence is present during translation into a protein, the polypeptides before and after the 2A peptide are not connected and are expressed as two polypeptides. That is, ptdTomato-BACCS-2A-Orai1-WPRE is expressed as two separate polypeptides (tdTomato-BACCS and Orai1) by one translation.
Thus, according to the recombinant vector capable of simultaneously expressing Orai1 together with BACCS, the expression of two proteins can be controlled simultaneously, so that the ratio of BACCS and Orai1 expressed in protein-expressing cells can be made constant.
First, a recombinant vector Orai1-stop codon-SalI (hereinafter referred to as “pOrai1-SalI”) was prepared from the Orai1-YFP plasmid.
In the ptdTomato-BACCS-WPRE prepared in Example 1, the BACCS sandwiched between the BspEI-SalI sites, which are restriction enzyme recognition sites, was replaced with a fragment obtained by treating pOrai1-SalI with restriction enzymes (BspEI and SalI). ptdTomato-BspEI-Orai1-WPRE was produced.
BspEI-LOV (404-538) -CAD (347-448) -2A-BspEI fused with BACCS and 2A peptide was inserted into the BspEI site in ptdTomato-BspEI-Orai1-WPRE, and ptdTomato-BACCS-2A- Orai1-WPRE was produced. By replacing the fragment obtained by treating tdTomato in this plasmid with restriction enzymes (AgeI and BglII) with a fragment obtained by treating the red fluorescent protein reporter vector pmCherry-C1 vector with restriction enzymes (AgeI and BglII), A recombinant vector pCherry-BACCS-2A-Orai1-WPRE was prepared.

当該組み換えベクターをHEK293細胞に遺伝子導入し、MEM+10%FBS培地中でBACCSとOrai1を同時発現させた。遺伝子導入から24〜36時間後に、青色光(470nm)で発現細胞を刺激し、カルシウムイオン蛍光インジケーターであるFluo−4またはRhod−3(インビトロジェン社製)を添加し、カルシウム濃度の変化を観察した(図7A)。観察は5秒間毎のタイムラプスで、コンフォーカル顕微鏡(商品名;BioRad MRC1024、バイオ・ラッド ラボラトリーズ株式会社製)で行った。それぞれの細胞について、ΔF(蛍光変化量)/F0(光刺激前の蛍光強度)を算出し、観察終了時点の値が1になるようにΔFを基準化し、縦軸にプロットし、横軸に時間(秒)を示した結果を図7Bに示す。図7Bに示される通り、BACCS−2A−Orai1発現細胞において、光の照射によるカルシウム濃度の上昇が認められた。
各組み換えベクターを作製するために使用したプライマーおよび鋳型を以下に示す。
The recombinant vector was introduced into HEK293 cells, and BACCS and Orai1 were coexpressed in MEM + 10% FBS medium. 24 to 36 hours after gene introduction, the expressed cells were stimulated with blue light (470 nm), and a calcium ion fluorescent indicator Fluo-4 or Rhod-3 (manufactured by Invitrogen) was added to observe changes in calcium concentration. (FIG. 7A). Observation was performed with a confocal microscope (trade name; BioRad MRC1024, manufactured by Bio-Rad Laboratories Co., Ltd.) at a time lapse every 5 seconds. For each cell, ΔF (amount of fluorescence change) / F0 (fluorescence intensity before light stimulation) is calculated, ΔF is normalized so that the value at the end of observation is 1, plotted on the vertical axis, and plotted on the horizontal axis The result showing time (seconds) is shown in FIG. 7B. As shown in FIG. 7B, in the BACCS-2A-Orai1 expressing cells, an increase in calcium concentration due to light irradiation was observed.
The primers and templates used for preparing each recombinant vector are shown below.

(実施例2:Orai1とBACCSとのポリペプチドの作製)
BACCSは、内在性のOrai1が発現した場合、またはOrai1遺伝子と共発現した場合等に、カルシウムイオンチャネルOrai1を光依存的に開閉することができる。そこで、Orai1とBACCSを結合させ、単一のポリペプチドとして発現させることによって、カルシウム流入を制御できるポリペプチドを作製した。Orai1とCADは1:2の比で存在する場合に最も効率よくOrai1を活性化させることができ、Orai1のC末端にCADをタンデムに2つつなげた場合にOrai1が構成的に活性化されることが報告されている(Liら、2010)。そこで、Orai1のC末端にBACCSを2つタンデムにつなげた組み換えベクターを以下の手順で作製した。
(Example 2: Production of polypeptide of Orai1 and BACCS)
BACCS can open and close the calcium ion channel Orai1 in a light-dependent manner when endogenous Orai1 is expressed or co-expressed with the Orai1 gene. Thus, a polypeptide capable of controlling calcium influx was prepared by combining Orai1 and BACCS and expressing it as a single polypeptide. Orai1 and CAD can be activated most efficiently when they are present in a ratio of 1: 2, and Orai1 is constitutively activated when 2 are connected in tandem to the C-terminus of Orai1. Has been reported (Li et al., 2010). Therefore, a recombinant vector in which two BACCSs were connected in tandem to the C-terminus of Orai1 was prepared by the following procedure.

(1)pOrai1−tdTomato−BACCS×2−WPREの作製
翻訳効率を上げるためにOrai1−YFPの開始コドンの5’末端側にkozak様配列(CCACC)を挿入した。具体的には、当該プラスミド中のOrai1−YFP中の制限酵素認識部位であるBglII−BspEIサイトに、制限酵素(XhoI)認識部位およびKozak配列(以下、「KZK」と略す)を有する下記のリンカーを挿入した。
(1) Preparation of pOrai1-tdTomato-BACCS × 2-WPRE A kozak-like sequence (CCACC) was inserted into the 5 ′ end of the start codon of Orai1-YFP in order to increase translation efficiency. Specifically, the following linker having a restriction enzyme (XhoI) recognition site and a Kozak sequence (hereinafter abbreviated as “KZK”) at the BglII-BspEI site, which is a restriction enzyme recognition site in Orai1-YFP in the plasmid. Inserted.

また、並行して、実施例1と同様に、組み換えベクターptdTomato−BACCS−WPREを作製し、その制限酵素認識部位であるNheI−AgeIサイトに、制限酵素(XhoI)認識部位を有する下記のリンカーを挿入し、組み換えベクター(pXhoI−AgeI−tdTomato−BACCS−WPRE)を作製した。   In parallel, as in Example 1, a recombinant vector ptdTomato-BACCS-WPRE was prepared, and the following linker having a restriction enzyme (XhoI) recognition site was added to the restriction enzyme recognition site NheI-AgeI site. The recombinant vector (pXhoI-AgeI-tdTomato-BACCS-WPRE) was prepared by insertion.

pKZK−Orai1−YFPを制限酵素(XhoIおよびAgeI)によって処理し、得られたDNA断片を、pXhoI−AgeI−tdTomato−BACCS−WPRE中のXhoI−AgeIサイトに挿入し、組み換えベクター(pKZK−Orai1−tdTomato−BACCS−WPRE)を作製した。
当該組み換えベクター中のOrai1とtdTomatoとの間には、Orai1−YFPに由来する、制限酵素認識部位であるEcoRI−AgeIサイトを有するリンカーが含まれるが、当該制限酵素認識部位を除去する目的で、このEcoRI−AgeIサイトを下記の配列に置き換えた。得られた組み換えベクター(pKZK−Orai1−linker2−tdTomato−BACCS−WPRE)のアミノ酸配列は変化していない。
pKZK-Orai1-YFP was treated with restriction enzymes (XhoI and AgeI), and the resulting DNA fragment was inserted into the XhoI-AgeI site in pXhoI-AgeI-tdTomato-BACCS-WPRE, and the recombinant vector (pKKK-Orai1- tdTomato-BACCS-WPRE) was produced.
Between Orai1 and tdTomato in the recombinant vector, a linker having an EcoRI-AgeI site, which is a restriction enzyme recognition site, derived from Orai1-YFP is included. For the purpose of removing the restriction enzyme recognition site, The EcoRI-AgeI site was replaced with the following sequence. The amino acid sequence of the obtained recombinant vector (pKZZ-Orai1-linker2-tdTomato-BACCS-WPRE) is not changed.

下記のプライマーおよび鋳型を使用して、PCRサーマルサイクラーによって増幅した。得られたPCR産物(BglII−BamHI断片)を、pKZK−Orai1−linker2−tdTomato−BACCS−WPRE中のtdTomatoとBACCSの間の制限酵素認識部位であるBglIIサイトに挿入し、組み換えベクター(pKZK−Orai1−linker2−tdTomato−BACCS−L1−BACCS−WPRE、以下「pOrai1−tdTomato−BACCS×2−WPRE」と呼ぶ)を作製した。「L1」はLiら(2010)が作製したOrai1−L2−CAD(336−485)−L1−CAD(336−485)中の「L1」のアミノ酸配列を参考にした。   Amplification by PCR thermal cycler using the following primers and template. The obtained PCR product (BglII-BamHI fragment) was inserted into the BglII site, which is a restriction enzyme recognition site between tdTomato and BACCS in pKKK-Orai1-linker2-tdTomato-BACCS-WPRE, and a recombinant vector (pKKK-Orai1) was obtained. -Linker2-tdTomato-BACCS-L1-BACCS-WPRE, hereinafter referred to as “pOrai1-tdTomato-BACCS × 2-WPRE”). “L1” was referred to the amino acid sequence of “L1” in Orai1-L2-CAD (336-485) -L1-CAD (336-485) prepared by Li et al. (2010).

(2)pOrai1−Cherry−BACCS×2−WPRE、pOrai1−YFP−BACCS×2−WPREおよびpOrai1−BACCS×2−WPREの作製
pOrai1−tdTomato−BACCS×2−WPREを制限酵素(AgeIおよびBglII)で処理して得られたtdTomato部分を、蛍光タンパク質融合発現ベクターpmCherry−C1を制限酵素(AgeIおよびBglII)で処理して得られた断片と置き換えて、組み換えベクター(pOrai1−Cherry−BACCS×2−WPRE)を作製した。また、pOrai1−tdTomato−BACCS×2−WPRE中のtdTomato(AgeI−BglII断片)を、黄色蛍光タンパク質発現ベクターpEYFP−C1のAgeI−BglIIと置き換えて、組み換えベクター(pOrai1−YFP−BACCS×2−WPRE)を作製した。また、pOrai1−tdTomato−BACCS×2−WPRE中のtdTomato(AgeI−BglII断片)を、下記リンカーと置き換えて、組み換えベクター(pOrai1−BACCS×2−WPRE)を作製した。
(2) Preparation of pOrai1-Cherry-BACCS × 2-WPRE, pOrai1-YFP-BACCS × 2-WPRE and pOrai1-BACCS × 2-WPRE pOrai1-tdTomato-BACCS × 2-WPRE with restriction enzymes (AgeI and BglII) The tdTomato part obtained by the treatment was replaced with a fragment obtained by treating the fluorescent protein fusion expression vector pmCherry-C1 with restriction enzymes (AgeI and BglII), and the recombinant vector (pOrai1-Cherry-BACCS × 2-WPRE) was replaced. ) Was produced. Also, the tdTomato (AgeI-BglII fragment) in pOrai1-tdTomato-BACCS × 2-WPRE was replaced with the AgeI-BglII of the yellow fluorescent protein expression vector pEYFP-C1 to obtain a recombinant vector (pOrai1-YFP-BACCS × 2-WPRE). ) Was produced. Also, a recombinant vector (pOrai1-BACCS × 2-WPRE) was prepared by replacing tdTomato (AgeI-BglII fragment) in pOrai1-tdTomato-BACCS × 2-WPRE with the following linker.

(3)pOrai1−HA−BACCS×2−WPREの作製
下記のプライマーおよび鋳型を使用して、PCRサーマルサイクラーによって増幅した。得られたPCR産物(3xHAタグ配列)を、pOrai1−BACCS×2−WPRE中の制限酵素認識部位であるAgeIサイトに挿入し、組み換えベクター(pOrai1−HA−BACCS×2−WPRE)を作製した。
(3) Preparation of pOrai1-HA-BACCS × 2-WPRE Amplified by a PCR thermal cycler using the following primers and template. The obtained PCR product (3 × HA tag sequence) was inserted into the AgeI site, which is a restriction enzyme recognition site in pOrai1-BACCS × 2-WPRE, to prepare a recombinant vector (pOrai1-HA-BACCS × 2-WPRE).

(4)pOrai1−HA−BACCS×2−igY−WPRE、およびpOrai1−HA−BACCS×2−imTm−WPREの作製
pOrai1−HA−BACCS×2−WPRE発現細胞を蛍光により可視化するために、IRES−gapYFP(Imaiら、2006;以下、「igY」と略す)またはIRES−membrane−tdTomato−myc(Muzumdarら、2007;以下、「imTm」と略す)を、pOrai1−HA−BACCS×2−WPREの3’非翻訳領域の制限酵素認識部位であるSalIサイトに挿入し、組み換えベクター(それぞれ、pOrai1−HA−BACCS×2−igY−WPRE、pOrai1−HA−BACCS×2−imTm−WPRE)を作製した。なお、IRES(internal ribosome entry site)配列は、メッセンジャーRNAの途中から翻訳を開始させることができる配列である。例えば、Orai1−HA−BACCS×2−igYのメッセンジャーRNAからは、Orai1−HA−BACCS×2とgapYFPという、2つのポリペプチドが翻訳される。
上記組み換えベクターによる発現産物は、Orai1とBACCSの間に、21アミノ酸リンカー(Orai1−BACCS×2)、57アミノ酸リンカー(Orai1−HA−BACCS×2)、258アミノ酸リンカー(Orai1−mCherry−BACCS2)、498アミノ酸リンカー(Orai1−tdTomato−BACCS×2)、261アミノ酸リンカー(Orai1−YFP−BACCS×2)のいずれかが挿入されたコンストラクトとなる。
いずれにおいても、470nmの光(青色光)の照射によって、効率よくカルシウム濃度が上昇した(図8B、略記はそれぞれ、Che;Orai1−mCherry−BACCS×2、T;Orai1−tdTomato−BACCS×2、HA;Orai1−HA−BACCS×2−imTm、を示す)。なお、カルシウム濃度の変化は実施例1と同様に算出した。また、Orai1−mCherry−BACCS×2をHEK293細胞中で発現させ、470nmの光(青色光)を試験期間中継続して照射した後の、カルシウム蛍光プローブであるFluo−4を使用したカルシウムイメージング結果を図8Aに示す。
Orai1とBACCSの間のリンカーの長さに関して、本実験により、最短で21アミノ酸で機能することが確認された。さらに、光の照射および遮断を繰り返すことで、カルシウムチャネルの開閉を制御できることを確認した(図8C)。
(4) Preparation of pOrai1-HA-BACCS × 2-igY-WPRE and pOrai1-HA-BACCS × 2-imTm-WPRE In order to visualize pOrai1-HA-BACCS × 2-WPRE-expressing cells with IRES- gapYFP (Imai et al., 2006; hereinafter abbreviated as “igY”) or IRES-membrane-tdTomato-myc (Muzumdar et al., 2007; hereinafter abbreviated as “imTm”) is replaced with pOrai1-HA-BACSS × 2-WPRE 3 'Recombinant vectors (pOrai1-HA-BACCS × 2-igY-WPRE and pOrai1-HA-BACCS × 2-imTm-WPRE, respectively) were prepared by inserting them into the SalI site, which is a restriction enzyme recognition site in the untranslated region. The IRES (internal ribosome entry site) sequence is a sequence that can start translation from the middle of the messenger RNA. For example, from Orai1-HA-BACCS × 2-igY messenger RNA, two polypeptides, Orai1-HA-BACCS × 2 and gapYFP, are translated.
The expression product by the above recombinant vector includes a 21 amino acid linker (Orai1-BACCS × 2), a 57 amino acid linker (Orai1-HA-BACCS × 2), a 258 amino acid linker (Orai1-mCherry-BACCS2), between Orai1 and BACCS, This is a construct in which either a 498 amino acid linker (Orai1-tdTomato-BACCS × 2) or a 261 amino acid linker (Orai1-YFP-BACCS × 2) is inserted.
In any case, the calcium concentration was efficiently increased by irradiation with light (blue light) at 470 nm (FIG. 8B, abbreviations are Che; Orai1-mCherry-BACCS × 2, T; Orai1-tdTomato-BACCS × 2, HA; Orai1-HA-BACCS × 2-imTm is shown). The change in calcium concentration was calculated in the same manner as in Example 1. In addition, calcium imaging results using Fluo-4, a calcium fluorescent probe, after expressing Orai1-mCherry-BACCS × 2 in HEK293 cells and continuously irradiating 470 nm light (blue light) during the test period Is shown in FIG. 8A.
With regard to the length of the linker between Orai1 and BACCS, this experiment confirmed that it works with a minimum of 21 amino acids. Furthermore, it was confirmed that the opening and closing of the calcium channel can be controlled by repeating the irradiation and blocking of light (FIG. 8C).

(実施例3:Orai1に結合させるBACCSの数の検討)
Orai1とCADは1:2の比で存在する場合にOrai1を効率よく活性化させることができるという報告がある(Liら、2010)。そこで、Orai1とCADの比がOrai1−BACCSの作用に与える影響を検証すべく、Orai1にBACCSを1つだけ結合したポリペプチドを作製し、実施例1(4)同様に、NFATを使用した核移行アッセイを行った。
実施例2(1)の中で作製したpKZK−Orai1−tdTomato−BACCS×1−WPREを、Orai1にBACCSを1つだけ結合したポリペプチド(Orai1−tdTomato−BACCS×1)として使用した。
核移行シグナルを検出するためのレポーター遺伝子NFAT−GFPから、制限酵素(AgeIおよびSacI)でNFATを切り出し、これを蛍光タンパク質発現ベクターpEYFP−N1の制限酵素認識部位であるAgeI−SacIサイトに挿入し、組み換えベクター(NFAT−YFP)を作製した。
Orai1−tdTomato−BACCS×1およびNFAT−YFPを、HEK293細胞中で共発現させ、470nmの光(青色光)を20分間照射した。その結果、NFAT−YFPの蛍光(図9A中「NFAT−YFP」)は細胞質中にのみ認められ、核において観察されず、NFATの核移行が認められなかった。つまり、Orai1にBACCSを1つしか結合していないポリペプチドによるOrai1の活性化は困難であることが示された。
対照実験として、Orai1−tdTomato−BACCS×2、NFAT−GFPをHEK293細胞中で共発現させた。470nmの光を20分間照射することでNFATは核に移行した(図9B中「NFAT−GFP」)。
(Example 3: Examination of the number of BACCS to be bound to Orai1)
There are reports that Orai1 and CAD can be efficiently activated when present in a 1: 2 ratio (Li et al., 2010). Therefore, in order to verify the influence of the ratio of Orai1 and CAD on the action of Orai1-BACCS, a polypeptide in which only one BACCS was bound to Orai1 was prepared, and as in Example 1 (4), a nucleus using NFAT A migration assay was performed.
PKZZ-Orai1-tdTomato-BACCS × 1-WPRE prepared in Example 2 (1) was used as a polypeptide (Orai1-tdTomato-BACCS × 1) in which only one BACCS was bound to Orai1.
From the reporter gene NFAT-GFP for detecting the nuclear translocation signal, NFAT was excised with restriction enzymes (AgeI and SacI) and inserted into the AgeI-SacI site, which is the restriction enzyme recognition site of the fluorescent protein expression vector pEYFP-N1. A recombinant vector (NFAT-YFP) was prepared.
Orai1-tdTomato-BACCS × 1 and NFAT-YFP were co-expressed in HEK293 cells and irradiated with 470 nm light (blue light) for 20 minutes. As a result, the fluorescence of NFAT-YFP (“NFAT-YFP” in FIG. 9A) was observed only in the cytoplasm, not observed in the nucleus, and no nuclear transfer of NFAT was observed. That is, it was shown that it is difficult to activate Orai1 with a polypeptide that binds only one BACCS to Orai1.
As a control experiment, Orai1-tdTomato-BACCS × 2, NFAT-GFP was co-expressed in HEK293 cells. NFAT was transferred to the nucleus by irradiation with light at 470 nm for 20 minutes (“NFAT-GFP” in FIG. 9B).

(実施例4:Orai1の変異体を使用したBACCSの光応答の検討)
CAD領域によるOrai1の活性化が抑制されるOrai1の変異(Orai1(L273D))を、Orai1−CAD−CAD(Orai1のC末端にCADをタンデムに2つつなげたコンストラクトによって構成的に活性化されている)に導入すると、構成的なカルシウムの流入は観察されない(Liら、2010)。
そこで、Orai1に不活性型変異L273DをリコンビナントPCRによって導入し、さらにHAタグおよび蛍光物質を組んだ組み換えベクター(Orai1(L273D)−HA−BACCS×2−igY)を作製した(図10A)。これをHEK293細胞に導入してカルシウムシグナルを観察した。
Orai1(L273D)−HA−BACCS×2に470nmの光(青色光)を照射する前、および10分間照射した後の、赤色蛍光カルシウムセンサーであるRhod−3によるカルシウムイメージング結果を、図10Bに示す。図10Bに示される通り、光の照射の前後で細胞内カルシウム濃度に変化は認められなかった。
また、BACCSのLOV2−Jαを暗変異体にしたポリペプチド(Orai1−HA−BACCS(dark)×2)を作製した。Orai1−HA−BACCS(dark)×2を発現するHEK293細胞に470nmの光(青色光)を照射しても、細胞内のカルシウム濃度の上昇は認められなかった(データは示していない)。
以上から、BACCSが光に応答してOrai1に作用し、Orai1を活性化させることが示された。
(Example 4: Examination of photoresponse of BACCS using Orai1 mutant)
The mutation of Orai1 (Orai1 (L273D)) that suppresses the activation of Orai1 by the CAD region is constitutively activated by a construct in which CAD1 is connected in tandem to the C-terminus of Orai1-CAD-CAD. The constitutive calcium influx is not observed (Li et al., 2010).
Therefore, an inactive mutation L273D was introduced into Orai1 by recombinant PCR, and a recombinant vector (Orai1 (L273D) -HA-BACCS × 2-igY) in which an HA tag and a fluorescent substance were combined was prepared (FIG. 10A). This was introduced into HEK293 cells and the calcium signal was observed.
FIG. 10B shows calcium imaging results with Rhod-3, which is a red fluorescent calcium sensor, before irradiating Orai1 (L273D) -HA-BACCS × 2 with 470 nm light (blue light) and after irradiating for 10 minutes. . As shown in FIG. 10B, there was no change in the intracellular calcium concentration before and after the light irradiation.
In addition, a polypeptide (Orai1-HA-BACCS (dark) × 2) in which BACCS LOV2-Jα was a dark mutant was prepared. Even when HEK293 cells expressing Orai1-HA-BACCS (dark) × 2 were irradiated with light (blue light) at 470 nm, no increase in intracellular calcium concentration was observed (data not shown).
From the above, it was shown that BACCS acts on Orai1 in response to light and activates Orai1.

(実施例5:CDI領域を含むOrai1−BACCSについての検討)
STIM1のCDI(Calcium dependent inactivation)(アミノ酸470−491位)領域は、Orai1を素早く不活性化するのに必要な領域を含む(Mullinsら、2009)。そのため、Orai1−BACCSにCDI領域を組み込むことによって、一旦活性化されたOrai1をすぐに不活性化できるカルシウムチャネルが得られる可能性がある。
そこで、CDI領域を含むようにOrai1−BACCSにおけるCAD領域のC末端を伸長し(伸長されたCAD領域を「CAD(347−630)」と示す)、これにHAタグおよび蛍光物質が組み込まれた組み換えベクター(Orai1−HA−BACCS(347−630)×2−igY;図11A)を作製した。CAD(347−630)のDNA断片は、プラスミドSTIM1−CFPからPCRによって増幅し、上記実施例1と同様の手順でBACCS(347−630)を作製した。
これらの組み換えベクターをHEK293細胞中で発現させ、当該細胞に470nmの光(青色光)を照射し、赤色蛍光カルシウムセンサーであるRhod−3を使用したカルシウムイメージングを行った。測定開始50秒後から10分間470nmの光(青色光)を照射し、その後15分間、暗条件で観察した。
その結果、Orai1−HA−BACCS(347−630)×2−igYにおいては光の照射によって細胞内カルシウムの濃度が上昇した。しかし、その後、予想に反してカルシウムの濃度の減少(すなわち、Orai1の不活性化)がすぐに認められることはなく、光を遮断しても、細胞内カルシウム濃度が低下しなかった(図11B、略記はそれぞれ、WT;CDI領域を含まないOrai1−BACCS、CDI;CDI領域を含むOrai1−BACCS、を示す)。なお、カルシウム濃度の変化は実施例1と同様に算出した。この結果は、Orai1−BACCSにCDI領域を導入することは適切ではなく、また、Orai1−BACCSを構成するCAD領域のC末端側の配列の長さがOrai1−BACCSの作用において重要であることを示唆している。
(Example 5: Study on Orai1-BACCS including CDI region)
The STIM1 CDI (Calcium dependent inactivation) region (amino acids 470-491) contains the region necessary for rapid inactivation of Orai1 (Mullins et al., 2009). Therefore, by incorporating a CDI region into Orai1-BACCS, a calcium channel that can immediately inactivate Orai1 once activated may be obtained.
Therefore, the C-terminal of the CAD region in Orai1-BACCS is extended to include the CDI region (the extended CAD region is indicated as “CAD (347-630)”), and an HA tag and a fluorescent substance are incorporated therein. A recombinant vector (Orai1-HA-BACCS (347-630) × 2-igY; FIG. 11A) was prepared. The DNA fragment of CAD (347-630) was amplified from the plasmid STIM1-CFP by PCR, and BACCS (347-630) was prepared by the same procedure as in Example 1 above.
These recombinant vectors were expressed in HEK293 cells, the cells were irradiated with light of 470 nm (blue light), and calcium imaging using Rhod-3, a red fluorescent calcium sensor, was performed. After 50 seconds from the start of measurement, light of 470 nm (blue light) was irradiated for 10 minutes, and then observed under dark conditions for 15 minutes.
As a result, in Orai1-HA-BACCS (347-630) × 2-igY, the concentration of intracellular calcium increased by light irradiation. However, a decrease in calcium concentration (that is, inactivation of Orai1) was not immediately observed unexpectedly, and intracellular calcium concentration did not decrease even when light was blocked (FIG. 11B). , Abbreviations respectively indicate WT; Orai1-BACCS without CDI region, CDI; Orai1-BACCS with CDI region). The change in calcium concentration was calculated in the same manner as in Example 1. This result shows that it is not appropriate to introduce a CDI region into Orai1-BACCS, and that the length of the C-terminal sequence of the CAD region constituting Orai1-BACCS is important in the action of Orai1-BACCS. Suggests.

LOV2−Jα内のG528A変異およびN538E変異の2重変異(GVMLIKKTAENからAVMLIKKTAEE)によって、LOV2の光スイッチとしてのダイナミックレンジが大きくなることが報告されている(Stricklandら、2010)。このような2重変異をNFATアッセイに使用した4つの野生型LOV(404−542、404−539、404−538、404−535)に導入し、470nmの光を照射した。その結果、いずれのコンストラクトにおいてもNFATが核へ移行せず、光スイッチがオンにならなかった(データは示していない)。   It has been reported that a double mutation of G528A mutation and N538E mutation in LOV2-Jα (GVMLIKKTAEN to AVMLIKKTAEE) increases the dynamic range of LOV2 as an optical switch (Strickland et al., 2010). Such double mutations were introduced into the four wild type LOVs (404-542, 404-539, 404-538, 404-535) used in the NFAT assay and irradiated with light at 470 nm. As a result, NFAT was not transferred to the nucleus in any of the constructs, and the optical switch was not turned on (data not shown).

(実施例6:BACCS×2の作製)
Orai1発現ベクターを使用せずに、BACCS×2が単独でどの程度Orai1を活性化できるかを調べるために、BACCSを2つタンデムにつなげた組み換えベクターを以下の手順で作製した。本例では、HEK293Tで発現している内在性のOrai1に対してBACCS×2が及ぼす影響を検討した。
(Example 6: Production of BACCS × 2)
In order to examine how much BACCS × 2 can activate Orai1 alone without using the Orai1 expression vector, a recombinant vector in which two BACCSs were connected in tandem was prepared by the following procedure. In this example, the effect of BACCS × 2 on endogenous Orai1 expressed in HEK293T was examined.

(1)pBACCS×2−WPREの作製
下記のプライマーおよび鋳型を使用して、PCRサーマルサイクラーによって増幅した。得られたPCR産物(AgeI−BamHI断片とBamHI−SalI断片)を、pOrai1−HA−BACCS×2−WPRE改変ベクター(インサートの開始コドン近傍の配列を、下記リンカーでNheI−XhoI−KZK−開始コドン−AgeIに改変したもの)のAgeI−SalI断片を除いたベクターに挿入し、組み換えベクター(pBACCS×2−WPRE)を作製した(図12A)。
上記組み換えベクターによる発現産物は、実施例2におけるpOrai1−HA−BACCS×2−WPRE発現産物中のBACCS×2の領域と同一のアミノ酸配列を有し、かつ、N末端に10アミノ酸(MGPVGGSGGS)、C末端に9アミノ酸(GGSGGSGLV)が付加されている。これらは融合タンパク質を作製する際にリンカーとして利用できるように付加したものである。
(1) Preparation of pBACCS × 2-WPRE Amplified by a PCR thermal cycler using the following primers and template. The obtained PCR product (AgeI-BamHI fragment and BamHI-SalI fragment) was converted into pOrai1-HA-BACCS × 2-WPRE modified vector (sequence near the start codon of the insert, NheI-XhoI-KZZK-start codon) -AgeI modified) was inserted into the vector excluding the AgeI-SalI fragment to prepare a recombinant vector (pBACCS × 2-WPRE) (FIG. 12A).
The expression product by the above recombinant vector has the same amino acid sequence as the BACCS × 2 region in the pOrai1-HA-BACCS × 2-WPRE expression product in Example 2, and has 10 amino acids (MGPVGGSGGS) at the N-terminus, 9 amino acids (GGSGGSLV) are added to the C-terminus. These are added so that they can be used as a linker when preparing a fusion protein.

(2)pBACCS×2−igY−WPREの作製
上記で得られたpBACCS×2−WPRE発現細胞を蛍光により可視化するために、実施例2と同様に、igYを、pBACCS×2−WPREの3’非翻訳領域の制限酵素認識部位であるSalIサイトに挿入し、組み換えベクター(pBACCS×2−igY−WPRE)を作製した。
BACCS×2−igYを発現するHEK293T細胞に対してカルシウムイメージングを行った。カルシウム蛍光プローブとしてRhod−3(赤色蛍光カルシウムセンサー)を用いた。観察開始50秒後から、コンフォーカル顕微鏡の442nmの波長のレーザーを5秒毎に照射して細胞を刺激した後、それぞれの細胞について、蛍光強度変化を検討した。各時点での蛍光強度として、ΔF(蛍光変化量)/F0(光刺激前の蛍光強度)を算出した。ΔF/F0の値を縦軸にプロットし、横軸に時間(秒)を示した結果を図12Bに示す。比較試験としてOrai1−HA−BACCS×2−igYを発現するHEK293T細胞で同様にカルシウムイメージングを行った。なお、図中のB×2はBACCS×2−igY(解析細胞数n=45)を、OB×2はOrai1−HA−BACCS×2−igY(解析細胞数n=35)を示す。各時点のΔF/F0は、各細胞についての平均値として標準誤差と共に示した。青色光照射開始時に認められる、わずかな蛍光強度の上昇は、測定機器によるノイズである。
図12Bに示される通り、BACCS×2はOrai1発現ベクターを使用しなくとも内在性のOrai1を活性化でき、Orai1−HA−BACCS×2よりも効率よくカルシウム濃度を上昇させることが認められた。
(2) Preparation of pBACCS × 2-igY-WPRE In order to visualize the pBACCS × 2-WPRE-expressing cells obtained above with fluorescence, as in Example 2, IgY was converted to pBACCS × 2-WPRE 3 ′. The recombinant vector (pBACCS × 2-igY-WPRE) was prepared by inserting it into the SalI site, which is a restriction enzyme recognition site in the untranslated region.
Calcium imaging was performed on HEK293T cells expressing BACCS × 2-igY. Rhod-3 (red fluorescent calcium sensor) was used as the calcium fluorescent probe. After 50 seconds from the start of observation, a laser with a wavelength of 442 nm of a confocal microscope was irradiated every 5 seconds to stimulate the cells, and the change in fluorescence intensity was examined for each cell. As fluorescence intensity at each time point, ΔF (fluorescence change amount) / F0 (fluorescence intensity before light stimulation) was calculated. FIG. 12B shows the result of plotting the value of ΔF / F0 on the vertical axis and time (seconds) on the horizontal axis. As a comparative test, calcium imaging was similarly performed on HEK293T cells expressing Orai1-HA-BACCS × 2-igY. In the figure, B × 2 indicates BACCS × 2-igY (analyzed cell number n = 45), and OB × 2 indicates Orai1-HA-BACCS × 2-igY (analyzed cell number n = 35). ΔF / F0 at each time point is shown as an average value for each cell together with a standard error. The slight increase in fluorescence intensity observed at the start of blue light irradiation is noise from the measuring instrument.
As shown in FIG. 12B, BACCS × 2 was able to activate endogenous Orai1 without using the Orai1 expression vector, and was found to increase the calcium concentration more efficiently than Orai1-HA-BACCS × 2.

(3)pYFP−BACCS×2−WPREの作製
BACCS×2のN末端に蛍光タンパク質を融合できることを確認するために、下記のプライマーおよび鋳型を使用して、PCRサーマルサイクラーによって増幅した。得られたPCR産物(NheI−AgeI断片)をpBACCS×2−WPREのNheI−AgeIサイトに挿入し、組み換えベクター(pYFP−BACCS×2−WPRE)を作製した。YFP−BACCS×2を発現するHEK293T細胞に対してカルシウムイメージングを行った。併せて、BACCS×2−igYを発現するHEK293T細胞に対してもカルシウムイメージングを行った。カルシウム蛍光プローブとしてRhod−3(赤色蛍光カルシウムセンサー)を用いた。観察開始50秒後から、470nm波長のLEDランプを継続的に照射して細胞を刺激した。それぞれの細胞について、上記同様にΔF/F0を算出して縦軸にプロットし、横軸に時間(秒)を示した結果を図13に示す。なお、図中のB×2はBACCS×2−igY(解析細胞数n=5)を、YB×2はYFP−BACCS×2(解析細胞数n=5)を示す。各時点のΔF/F0は、各細胞についての平均値として標準誤差と共に示した。
図13に示される通り、N末端へタンパク質を融合しても、BACCS×2は内在性のOrai1を活性化でき、効率よくカルシウム濃度を上昇できることが認められた。
(3) Preparation of pYFP-BACCS × 2-WPRE In order to confirm that a fluorescent protein could be fused to the N-terminus of BACCS × 2, amplification was performed by a PCR thermal cycler using the following primers and template. The obtained PCR product (NheI-AgeI fragment) was inserted into the NheI-AgeI site of pBACCS × 2-WPRE to prepare a recombinant vector (pYFP-BACCS × 2-WPRE). Calcium imaging was performed on HEK293T cells expressing YFP-BACCS × 2. In addition, calcium imaging was also performed on HEK293T cells expressing BACCS × 2-igY. Rhod-3 (red fluorescent calcium sensor) was used as the calcium fluorescent probe. 50 seconds after the start of observation, the cells were stimulated by continuously irradiating an LED lamp having a wavelength of 470 nm. For each cell, ΔF / F0 was calculated in the same manner as described above, plotted on the vertical axis, and the results showing time (seconds) on the horizontal axis are shown in FIG. In the figure, B × 2 indicates BACCS × 2-igY (analyzed cell number n = 5), and YB × 2 indicates YFP-BACCS × 2 (analyzed cell number n = 5). ΔF / F0 at each time point is shown as an average value for each cell together with a standard error.
As shown in FIG. 13, it was confirmed that even when a protein was fused to the N-terminus, BACCS × 2 could activate endogenous Orai1 and efficiently increase the calcium concentration.

STIM1はSTIM2との配列類似性が高く、線虫、ヒト等の様々な種間で保存されている(図2B;Yuanら、2009より改変)。図2Bの略記はそれぞれ、H.sap;ヒト、B.tau;ウシ、P.tro;チンパンジー、E.cab;ウマ、G.gal;ニワトリ、M.mus;マウス、R.nor;ラット、S.scr;ブタ、X.lae;アフリカツメガエル、D.rer;ゼブラフィッシュ、D.mel;ショウジョウバエ、A.gam;蚊、N.vit;宝石バチ、C.ele;線虫、を示す。   STIM1 has high sequence similarity to STIM2, and is conserved among various species such as nematodes and humans (FIG. 2B; modified from Yuan et al., 2009). Each abbreviation in FIG. sap; human; tau; cattle, P. a. tro; chimpanzee, E.I. cab; horse, G. et al. gal; mus; mouse, R.M. nor; rat, S. p. scr; pig, X. lae; Xenopus laevis, D. rer; zebrafish, D.R. mel; Drosophila, A. gam; mosquito, N. vit; jewel bee, C.I. ele; a nematode.

同様に、Orai1はOrai2およびOrai3との配列類似性が高く、線虫、ヒト等の様々な種間で保存されている(図2A)。図2Aの略記はそれぞれ、h;ヒト、m;マウス、z;ゼブラフィッシュ、x;アフリカツメガエル、d;ショウジョウバエ、ce;線虫、を示す。   Similarly, Orai1 has high sequence similarity to Orai2 and Orai3, and is conserved among various species such as nematodes and humans (FIG. 2A). The abbreviations in FIG. 2A show h; human, m; mouse, z; zebrafish, x; Xenopus, d; Drosophila, ce;

また、Jα領域も、様々な植物種で高度に保存されている(図3)。図3の略記はそれぞれ、Os;イネ フォトトロピン1、Zm;トウモロコシ フォトトロピン1、At;シロイヌナズナ フォトトロピン1およびフォトトロピン2、Ps;エンドウマメ フォトトロピン1、Vf;ソラマメ フォトトロピン1、Ac;ホウライシダ フィトクロム3、As;オートムギ フォトトロピン1、を示す(Harperら、2004より引用)。   The Jα region is also highly conserved among various plant species (FIG. 3). The abbreviations in FIG. 3 are Os; rice phototropin 1, Zm; corn phototropin 1, At; Arabidopsis phototropin 1 and phototropin 2, Ps; peas phototropin 1, Vf; broad bean phototropin 1, Ac; Phytochrome 3, As; oat phototropin 1 is shown (cited from Harper et al., 2004).

さらに、LOV2領域も、前述のように多くの植物間で保存されており、例えば、オートムギのLOV2領域のアミノ酸配列との相同性は、アジアイネのフォトトロピン1;81%、シロイヌナズナのフォトトロピン1;87%、シロイヌナズナのフォトトロピン2;83%、エンドウマメのフォトトロピン1;87%、ソラマメのフォトトロピン1;トウモロコシのフォトトロピン1;95%、トマトのフォトトロピン1;87%である。   Furthermore, the LOV2 region is also conserved among many plants as described above. For example, the homology with the amino acid sequence of the oat LOV2 region is as follows: phototropin 1 of Asian rice; 81%, phototropin 1 of Arabidopsis; 87%, Arabidopsis phototropin 2; 83%, pea phototropin 1; 87%, broad bean phototropin 1; corn phototropin 1; 95%, tomato phototropin 1; 87%.

これらのことから、各領域は、様々な種のホモログで代用できる可能性がある。   From these facts, there is a possibility that each region can be substituted with various kinds of homologs.

以下に、本実施例で使用したプラスミドのコンストラクトを示す。   The plasmid constructs used in this example are shown below.

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Claims (13)

配列番号1または配列番号1と80%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列からなるLOV2領域と、
配列番号2、配列番号3、またはLOV2−Jαの光スイッチとしての機能を維持し、かつ配列番号2もしくは3のアミノ酸配列において1もしくは複数のアミノ酸が置換されたアミノ酸配列からなるJα領域と、
配列番号4、またはカルシウムチャネルOrai1を活性化でき、かつ配列番号4のアミノ酸配列において、1もしくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加されたアミノ酸配列からなるCAD領域と、を含むアミノ酸配列からなるポリペプチドであって、
前記LOV2領域、前記Jα領域および前記CAD領域は、N末端からC末端に向かって、前記LOV2領域、前記Jα領域および前記CAD領域の順で配置され、
前記Jα領域のC末端と前記CAD領域のN末端との間にアミノ酸配列が介在していないポリペプチド。
LOV2 region consisting of SEQ ID NO: 1 or an amino acid sequence having 80% or more sequence identity with SEQ ID NO: 1,
A Jα region consisting of an amino acid sequence that maintains the function as an optical switch of SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 3, or LOV2-Jα, and in which one or more amino acids are substituted in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 or 3;
It consists of an amino acid sequence that can activate SEQ ID NO: 4 or the calcium channel Orai1 and a CAD region consisting of an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4. A polypeptide comprising:
The LOV2 region, the Jα region and the CAD region are arranged in the order of the LOV2 region, the Jα region and the CAD region from the N-terminus toward the C-terminus,
A polypeptide having no amino acid sequence interposed between the C-terminus of the Jα region and the N-terminus of the CAD region.
配列番号5またはカルシウムチャネルとして機能でき、かつ、配列番号5のアミノ酸配列において1もしくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加されたアミノ酸配列からなるOrai1領域と、
請求項1記載のポリペプチドからなる第1のBACCS領域と、
請求項1記載のポリペプチドからなる第2のBACCS領域と、を含むアミノ酸配列からなるポリペプチドであって、
前記Orai1領域、前記第1のBACCS領域および前記第2のBACCS領域は、N末端からC末端に向かって、前記Orai1領域、前記第1のBACCS領域および前記第2のBACCS領域の順で配置されるポリペプチド。
An Orai1 region that can function as SEQ ID NO: 5 or a calcium channel, and that consists of an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted, or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 5,
A first BACCS region comprising the polypeptide of claim 1;
A polypeptide comprising an amino acid sequence comprising a second BACCS region comprising the polypeptide of claim 1,
The Orai1 region, the first BACCS region, and the second BACCS region are arranged in the order of the Orai1 region, the first BACCS region, and the second BACCS region from the N-terminus toward the C-terminus. Polypeptide.
前記Orai1領域のC末端と前記第1のBACCS領域のN末端の間に第1のリンカーが介在する請求項2記載のポリペプチド。   The polypeptide according to claim 2, wherein a first linker is interposed between the C-terminus of the Orai1 region and the N-terminus of the first BACCS region. 前記第1のBACCS領域のC末端と前記第2のBACCS領域のN末端の間に第2のリンカーが介在する請求項2または3に記載のポリペプチド。   The polypeptide according to claim 2 or 3, wherein a second linker is interposed between the C-terminus of the first BACCS region and the N-terminus of the second BACCS region. 請求項1記載のポリペプチドからなる第1のBACCS領域と、
請求項1記載のポリペプチドからなる第2のBACCS領域と、を含み、かつ、
配列番号5またはカルシウムチャネルとして機能でき、かつ、配列番号5のアミノ酸配列において1もしくは複数のアミノ酸が欠失、置換、付加されたアミノ酸配列からなるOrai1領域を含まないアミノ酸配列からなるポリペプチド。
A first BACCS region comprising the polypeptide of claim 1;
A second BACCS region consisting of the polypeptide of claim 1, and
A polypeptide comprising an amino acid sequence which can function as SEQ ID NO: 5 or a calcium channel and which does not include an Orai1 region consisting of an amino acid sequence in which one or more amino acids are deleted, substituted or added in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 5.
前記第1のBACCS領域のC末端と前記第2のBACCS領域のN末端の間にリンカーが介在する請求項5に記載のポリペプチド。   The polypeptide according to claim 5, wherein a linker is interposed between the C-terminus of the first BACCS region and the N-terminus of the second BACCS region. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のポリペプチドをコードする単離された核酸。   An isolated nucleic acid encoding the polypeptide of any one of claims 1-6. 請求項7に記載の核酸を含む組み換えベクター。   A recombinant vector comprising the nucleic acid according to claim 7. 請求項8に記載の組み換えベクターを含む遺伝子導入キット。   A gene transfer kit comprising the recombinant vector according to claim 8. 請求項8に記載の組み換えベクターを含み、単離された細胞または非ヒト動物である形質転換体。   A transformant comprising the recombinant vector according to claim 8 and being an isolated cell or a non-human animal. 請求項10記載の形質転換体に照射する光の強度を操作することによって、前記形質転換体の細胞内カルシウムシグナルを調節する細胞内カルシウムシグナルの調節方法。   A method for regulating an intracellular calcium signal, wherein the intracellular calcium signal of the transformant is regulated by manipulating the intensity of light applied to the transformant according to claim 10. 前記ポリペプチドは、請求項1、5または6のいずれか1項に記載のポリペプチドであり、かつ、前記細胞はOrai1を発現している請求項11に記載の細胞内カルシウムシグナルの調節方法。   The method for regulating an intracellular calcium signal according to claim 11, wherein the polypeptide is the polypeptide according to any one of claims 1, 5 and 6, and the cell expresses Orai1. 前記ポリペプチドは、請求項2〜4のいずれか1項に記載のポリペプチドである請求項9に記載の細胞内カルシウムシグナルの調節方法。   The method for regulating an intracellular calcium signal according to claim 9, wherein the polypeptide is the polypeptide according to any one of claims 2 to 4.
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