KR101029765B1

KR101029765B1 - 페리틴 유전자를 포함하는 렌티바이러스 벡터 및 그의 용도

Info

Publication number: KR101029765B1
Application number: KR1020080055386A
Authority: KR
Inventors: 김회숙; 문우경
Original assignee: 서울대학교병원
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2011-04-19
Also published as: KR20090129234A; WO2009151172A1

Abstract

본 발명은 페리틴 유전자를 포함하는 렌티바이러스 벡터에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 페리틴 단백질 및 형광 단백질을 코딩하는 핵산 분자를 포함하여 MRI 분석 및 형광 이미지 검출이 동시에 가능한 렌티바이러스 벡터에 관한 것이다.

렌티바이러스 벡터, 페리틴 단백질, GFP, 자기공명영상(MRI)

Description

페리틴 유전자를 포함하는 렌티바이러스 벡터 및 그의 용도 {Lentiviral vectors comprising ferritin gene and use thereof}

페리틴 단백질은 철(iron)이 세포에 독성을 나타내지 않고 필요할 때 효과적으로 이용될 수 있도록 철을 저장하는 역할을 하는 단백질로서, 생명 유지에 필수적이며, 대부분의 동물과 식물 조직은 물론 곰팡이류(fungi)와 세균(bacteria)에도 존재하는 것으로 알려져 있다(Ragland, M. et al., J. Biol. Chem ., 1990 , 265, 18339-18344; Grossman, M. J. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 1992 , 89, 2419-242). 페리틴은 진핵 세포 뿐만 아니라 원핵 세포에서도 염기서열상의 상당한 유사성이 있으며, 각각의 구조 및 기능도 활발히 연구되고 있다. 1분자의 페리틴은 중쇄(Heavy Chain, 21kD) 및 경쇄(light chain, 19 kD)로 구성된 24개의 소단위 체(subunit)로 구성되는데, H-사슬과 L-사슬의 혼합구성비가 항상 일정하지 않아서 구조와 크기가 다양하다. 1분자의 페리틴은 약 4500개의 철 분자를 보유할 수 있으며, 이는 0.25 M의 철 농도에 해당되는 것으로서 헤모글로빈 약 1200 분자를 생산할 수 있는 양에 해당하는데 L-사슬이 H-사슬에 비해 철분결합 능력이 우수한 것으로 보고된바 있다(Levi, S. et al., Bioc hem. J. , 1992 , 288, 591-596).

최근 페리틴 단백질을 MRI 리포터 유전자로 이용하기 위한 시도들이 진행되고 있다(Gossuin Y. et al., NMR Biomed. 2007 Dec;20(8):749-56). 페리틴 단백질이 생체 내에서 발현되면 세포 내의 철을 흡수하여 철을 다량 함유할 수 있으므로 이러한 철을 MRI 조영제로 이용할 수 있으므로, 페리틴 단백질에 목적 유전자를 연결시켜 세포 내에서 목적 유전자의 발현양상을 MRI로 검사하는데 이용할 수 있게 된다. 세포 자체의 철은 일반적인 MRI 조영제들이 투과할 수 없는 혈관 장벽이나 세포외 체액으로도 쉽게 이동할 수 있으므로, 좀더 정확한 세포의 상태를 촬영할 수 있다는 장점을 가지게 된다.

한편, 렌티바이러스는 레트로바이러스의 일종으로 핵공(nucleopore)이나 완전한 핵막으로의 능동 도입을 가능하게 하는 사전-통합 복합체(바이러스 "쉘(shell)")의 친핵성으로 인해 분열 세포 뿐만 아니라 미분열 세포도 감염시킬 수 있는 특징이 있다. 일반적인 레트로바이러스는 세포가 분열할 때 세포의 핵막을 파괴하며 핵으로 진입하기 때문에, 분열하는 세포에만 감염이 가능지만, 렌티바이러스는 렌티 바이러스의 캡시드가 핵공을 통해 세포의 핵으로 진입하기 때문에 분 열하지 않는 세포에도 감염이 가능하므로 증식하지 않는 다수의 인간세포를 감염시킬 수 있는 장점을 가진다. 이러한 특징으로 최근에는 렌티바이러스 벡터를 인체 내 유전자 이상에 의해 발생하는 유전병이나 암을 치료하기 위해 생체 내로 유전자를 도입하기 위한 전달체로서 이용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 보고에 따르면, 인간 면역결핍 바이러스 타입 1(HIV-1)으로부터 유래되는 렌티바이러스 벡터는 시험관내 및 생체내 비유사분열 세포 내로의 트랜스 유전자의 유효한 전달, 통합 및 장기간 발현을 매개할 수 있다고 한다(Naldini et al . , 1996a; Naldini et al . , 1996b; Blomer et al . , 1997).

지금까지 렌티바이러스 벡터를 이용하여 MRI 및 형광 이미지 촬영을 동시에 얻을 수 있는 분자적 영상 기술에 관한 보고는 없었다. 이에, 본 발명자는 MRI 조영제로서 페리틴 단백질을 이용함으로써 생체내에서의 MRI 분석이 용이하게 하고, 동시에 형광 검출이 가능하도록 하는 시스템을 개발하기 위해, 인간 페리틴 중쇄 단백질 및 녹색 형광 단백질을 발현하는 렌티바이러스 벡터를 제작하고, 이를 세포 내에 형질도입시킴으로써 시험관내 및 생체내 시스템 모두에서 세포의 MRI 및 형광 영상을 동시에 얻을 수 있는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 페리틴 단백질 및 형광 단백질을 코딩하는 핵산 분자를 포함하는 MRI 조영을 위한 렌티바이러스 벡터를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 렌티바이러스 벡터가 형질도입된 세포를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 (a) 상기 렌티바이러스 벡터로 세포 또는 조직을 형질도입시키는 단계; (b) 세포 또는 조직 내에서 페리틴 단백질이 발현되는 단계; 및 (c) 페리틴 단백질에 의한 철 축적을 통해 MRI 검출이 용이하게 하는 단계를 포함하는 MRI 검사 방법을 제공하는 것이다.

하나의 양태로서, 본 발명은 페리틴 단백질 및 형광 단백질을 코딩하는 핵산 분자를 포함하는 MRI 분석을 위한 렌티바이러스 벡터에 관한 것이다.

본 발명에서 용어 "렌티바이러스 벡터"는 관심 유전자를 발현하도록 변형시킨 레트로바이러스를 지칭한다. 레트로바이러스 벡터를 사용하여 바이러스 감염 과정을 활용함으로써 유전자를 숙주 세포에 효율적으로 전달할 수 있다. 레트로바이러스 게놈으로 클로닝된 외래 또는 이종 유전자는 레트로바이러스에 의한 감염에 감수성이 있는 숙주 세포에 효율적으로 전달될 수 있다. 공지된 유전자 조작을 통해, 레트로바이러스 게놈의 복제 능력을 파괴할 수 있다. 생성된 복제-결핍 벡터를 사용하여 새로운 유전 물질을 세포에 도입할 수 있으나 이들은 복제될 수는 없다. 헬퍼 바이러스 또는 패키징 세포주를 사용하여 벡터 입자 조립 및 세포로부터의 방출이 가능해 질수 있다. 본 발명의 레트로바이러스 벡터는 비-분열된 세포들 내로 융합될 수 있는 렌티비리다에 패밀리(Lentiviridae family, 예를 들어, 인간 면역결핍 바이러스(HIV), 원숭이 면역결핍 바이러스, 말 감염성 빈혈 바이러스, 및 염소의 관절염-뇌염 바이러스)에 의해 유래된 레트로바이러스성 벡터를 의미한다.

본 발명에서 용어 "MRI 조영을 위한"은 MRI(magnetic resonance imaging, 자기공명영상) 촬영시 세포나 조직의 대비도를 증가시켜 촬영을 용이하게 하기 위한 것이라는 의미로서, 본 발명의 벡터를 세포 내에서 발현시켜 MRI 조영제로서 이용할 수 있다는 것을 뜻한다.

이하, 본 발명의 렌티바이러스 벡터의 구성을 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 렌티바이러스 벡터에 포함되는 페리틴 단백질은 철을 저장하는 단백질로서 세포 내에서 철을 흡수한다. 이러한 단백질을 세포에서 발현시키면 페리틴 단백질에 흡수된 철 분자가 자성을 띠게 되므로 MRI 조영제로서 별도의 화합물을 첨가하지 않더라도 세포 자체적으로 MRI 조영을 위한 물질을 생산할 수 있게 되어 혈관 장벽 제한 없이 MRI 촬영을 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 상기 페리틴 단백질은 경쇄 및 중쇄를 모두 가지는 완전한 페리틴 단백질이거나 페리틴 중쇄 단백질을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 페리틴 중쇄 단백질(ferritin heavy chain, 이하, "FTH"로 기재함)이다. 페리틴 중쇄는 페리틴 단백질 내에서 철의 결합을 촉진시키는 역할을 하는 부분으로 중쇄 단백질만으로도 철을 흡수시키는 능력을 가질 수 있으므로, 좀 더 작은 분자량으로 페리틴 단백질의 철 저장능을 보유할 수 있다.

본 발명의 페리틴 단백질은 인간을 포함하는 동물이나 식물, 세균, 곰팡이 등에서 유래할 수 있으며, 바람직하게는 인간 유래이며, 더욱 바람직하게는 인간 페리틴 중쇄 단백질(Genebank, BC073750) 유래이고, 서열번호 1로 기재되는 핵산서열을 가질 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 페리틴 단백질은 철 저장능을 저해하지 않는 범위 내에서 태그로 표지화할 수 있는데, 이를 위해 바람직하게는 본 발명의 페리틴 단백질을 코딩하는 핵산 분자의 C 말단 또는 N 말단 쪽에 태그 서열을 추가로 포함시킬 수 있다. 본 발명에서 용어 "태그" 또는 "태그 서열"은 또 다른 서열을 추가하였을 때 그 서열의 감지 또는 분리에 유용한 추가 용도 또는 성질을 부여하는 뉴클레오티드, 올리고뉴클레오티드, 폴리뉴클레오티드 또는 아미노산, 펩티드 또는 단백질의 화학적 모이어티 또는 다른 화학물질을 말한다. 단백질 태그의 경우, 히스티딘 잔기를 단백질의 아미노 또는 카르복시 말단에 추가하여 감지, 선별 또는 분리할 수 있다. 또는, 특정 항체와 반응성이 있는 에피토프 또는 결합 결정부위를 나타내는 아미노산 서열, 펩티드s, 단백질 또는 융합 파트너 또는 다른 분자, 예를 들면, 인플루엔자 A 바이러스 헤마글루티닌 단백질, 단백질 A, 셀룰로오즈 결합 도 메인, 칼모둘린 결합 단백질, 말토즈 결합 단백질, 치틴결합 도메인, 글루타티온 S-트란스퍼라제 및 이의 유사체 flag 에피토프, c-myc 에피토프, 막통과 에피토프를 단백질에 첨가시켜 친화성 또는 면역친화력 크로마토그래피, 면역조직화학법을 이용하여 단백질 분리, 정치(localization), 확인 등을 실행할 수 있다.

본 발명에서는 myc-태그, 헤마글루티닌 A, 베타-갈락토시다제, 티미딘 키나제, 트랜스페린, (His)6-태그, FLAG, 및 클로람페니콜 아세틸 트란스퍼라제 유전자를 페리틴 유전자에 추가로 포함시켜 페리틴 단백질을 태그로 표지화 할 수 있으며, myc-태크를 사용하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 태그 단백질은 페리틴 단백질과 함께 발현되며, 태그의 발현을 감지할 수 있는 항체를 이용하여 페리틴 단백질의 발현여부를 확인할 수 있다.

한편, 본 발명의 렌티바이러스 벡터에 포함되는 형광 단백질은 상기 벡터로 형질도입된 세포의 형광 이미지를 바로 검출할 수 있도록 하기 위한 것으로, 세포나 조직에서 발현되었을 때, 형광을 낼 수 있는 단백질이면, 특별히 한정하지 않으나, 녹색 형광 단백질(GFP), 변형된 녹색 형광 단백질(modified green fluorescent protein), 증강된 녹색 형광 단백질(enhanced green fluorescent protein; EGFP), 적색 형광 단백질(RFP), 증강된 적색 형광 단백질(ERFP), 청색 형광 단백질(BFP), 증강된 청색 형광 단백질(EBFP), 황색 형광 단백질(YFP), 증강된 황색 형광 단백질(EYFP), 남색 형광 단백질(CFP), 및 증강된 남색 형광 단백질(ECFP)을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 녹색 형광 단백질(GFP)을 사용한다.

한편, 본 발명의 렌티바이러스 벡터는 상기 페리틴 단백질을 코딩하는 핵산 분자를 제1프로모터에 작동 가능하게 연결되고, 형광 단백질은 제2프로모터에 작동가능하게 연결되며, 상기 제1프로모터 및 제2프로모터는 반대 전사 배향으로 존재하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 용어 "작동 가능하게 연결된"은 발현이 필요한 유전자와 이의 조절 서열이 서로 결합되어 유전자 발현을 가능케 하는 방식으로 연결되는 것을 말함, 용어 "프로모터"는 특정 서열과 연결된 경우 특정 뉴클레오티드 서열이 mRNA로 전사되는 것을 조절할 수 있는 DNA 서열을 의미한다. 통상적으로, 프로모터는 모든 경우에 적용되는 것은 아니나 mRNA로 전사될 목적하는 뉴클레오티드 서열의 5' (즉, 상류)에 존재하고 RNA 폴리머라제 및 기타 전사 개시를 위한 전사 인자가 특이적으로 결합하는 부위를 제공한다. 본 발명의 프로모터는 구성적이거나 조절가능한 프로모터를 이용할 수 있으며, 바람직하게는 구성적 프로모터이다. 프로모터와 관련하여 사용되는 용어 "구성적"은 프로모터가 자극 (예, 열 쇼크, 화학물질 등) 없이도 작동가능하게 연결된 핵산 서열의 전사를 지시할 수 있다는 것을 의미한다. 반면, "조절가능한" 프로모터는 자극 (예, 열 쇼크, 화학물질 등)이 존재하는 경우 작동가능하게 연결된 핵산 서열의 전사 수준을 자극 없는 경우와 구별되게 지시할 수 있는 프로모터를 의미한다.

본 발명의 "제1프로모터"는 페리틴 단백질의 유전자와 작동 가능하게 연결되어 페리틴 단백질을 전사시키기 위한 것이며, IRES에 연결된 양성 선별마커 유전자 도 함께 전사시키게 된다. 또한 본 발명의 "제2프로모터"는 형광 단백질 유전자와 작동 가능하게 연결되어 형광 단백질을 전사시키기 위한 것으로, 제1프로모터와는 완전하게 독립적으로 작동한다. 본 발명의 프로모터는 CMV(cytomegalovirus) 프로모터, EF1 프로모터 또는 CAG(β-actin promoter with cytomegalovirus immediate-early enhancer) 프로모터 및 PGK(phosphoglycerate kinase) 등을 이용할 수 있는데, 바람직하게는 제1프로모터로는 CMV 프로모터, 제2프로모터로는 PGK 프로모터이지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 제1프로모터-페리틴 단백질-IRES-양성선별마커로 연결되는 구조 및 제2프로모터-형광 단백질로 연결되는 구조는 제1프로모터와 제2프로모터가 듀얼-프로모터로 따로 작동하기 용이하도록, 각각의 구조가 반대의 전사방향으로 벡터 내에 삽입되어 존재하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 렌티바이러스 벡터는 페리틴 단백질을 코딩하는 핵산 분자의 3' 말단 쪽으로 내부 리보솜 개시부위(internal ribosome entry site, IRES) 및 양성 선별마커를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에서 용어 "내부 리보솜 개시 부위"는 단백질 합성을 개시하기 위한 리보솜 복합체의 형성부위 또는 진입부위를 의미하는 것으로, IRES 요소는 독립적으로 유전자의 5'말단 메틸구아노시늄 캡(CAP 구조) 업스트림의 해독 개시를 기능적으로 활성화시키고 동물 세포에서는 단일 전사체로부터 2개의 시스트론(개방 판독 프레임)을 해독하는 서열을 포함한다. IRES 요소는 바로 다운스트림에 위치하는 개방 판독 프레임의 해독을 위한 독립적인 리보솜 진입 부위를 제공하는 것으로 알려져 있다.

또한, 본 발명에서 용어 "선별마커(selection marker)"란 세포로 유전자 타겟팅 벡터로 형질전환된 세포를 선별하기 위한 것으로, 약물 내성, 영양 요구성, 세포 독성제에 대한 내성 또는 표면 단백질의 발현과 같은 선택가능 표현형을 부여하는 마커들이 사용될 수 있다. 양성 선별마커는 선택제 (selective agent)가 처리된 환경에서 선택 마커를 발현하는 세포만 생존하도록 하여 양성 선택을 가능하게 하는 마커로, 퓨로마이신 (puromycin), 네오마이신 (Neomycin: Neo), 하이그로마이신 (hygromycin: Hyg), 히스티디놀 디하이드로게나제(histidinol dehydrogenase gene: hisD) 및 구아닌 포스포리보실트랜스퍼라제 (guanine phosphosribosyltransferase: Gpt) 등이 있으며, 바람직하게는 퓨로마이신 마커이지만, 이들로 제한되지 않는다.

본 발명의 페리틴 단백질 유전자 영역 및 양성 선별마커 유전자는 렌티바이러스 벡터 내에서 하나의 mRNA로 발현되지만, 양성 선별마커 유전자는 IRES로 결합되는 리보좀에 의해 독립적인 단백질로 발현될 수 있다.

본 발명의 구체적 실시예에서는 CMV 프로모터-인간 페리틴 중쇄 단백질 유전자-IRES-퓨로마이신으로 연결되는 구조 및 PGK 프로모터-GFP 단백질 유전자로 연결되는 구조를 각각 반대 전사 배향으로 위치시켜 렌티바이러스 벡터 내로 삽입시켰으며, 구체적으로는 도 1에 도시된 pLentiM1.41-mychFTH 벡터의 구조를 가진다.

또한, 본 발명의 렌티바이러스 벡터 내의 페리틴 유전자는 생체 내에서의 특 정 유전자 발현양상을 MRI로 분석하기 위한 리포터 유전자로 이용될 수 있다. 구체적으로, 페리틴 유전자 상단에 보고자 하는 특정 유전자의 조절자 등을 삽입시키면 특정 유전자 발현에 따라 페리틴 단백질의 발현 양이 조절되므로, 페리틴 단백질 발현에 따른 철 축적 정도의 양을 MRI로 분석함으로써 생체 내의 특정 유전자 발현양상을 손쉽게 관찰할 수 있게 된다.

또 다른 양태로서 본 발명은 상기 렌티바이러스 벡터가 형질도입된 세포에 관한 것이다.

본 발명에서 용어 "형질도입(transduction)"은 감염(infection)을 수단으로 하여 레트로바이러스 벡터 입자를 사용하는 유전자 전달을 의미하며, 구체적으로 렌티바이러스 또는 벡터 감염 및 프로바이러스 통합을 통해 벡터 상의 유전자를 세포로 도입시키는 과정을 뜻하는 것이다. 본 발명의 효율적 형질도입을 위해, 상기 렌티바이러스 벡터를 세포 내로 바이러스 입자 상태로 감염시키기 위한 헬퍼 구조물(예를 들어, 플라스미드 또는 단리된 핵산)을 제공할 수 있다. 이러한 구조물은 기능성 렌티바이러스 형질도입 벡터를 적합성 숙주 세포에서 제조하고, 발현가능한 이종 서열을 패키징하는데 유용한 요소를 함유한다. 상기 요소로는 구조 단백질 (예를 들어, gag 전구체), 프로세싱 단백질 (예를 들어, pol 전구체), 예를 들어 프로테아제, 외피 단백질, 및 숙주 세포에서 단백질을 제조하고 기능성 바이러스 입자를 집합하는데 필요한 발현 및 조절 신호를 들 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 gag-pol 발현벡터 및 VSV-G 발현벡터를 본 발명의 렌티바이러스 벡터 의 헬퍼 구조물로 이용하였다.

본 발명의 렌티바이러스 벡터로 형질도입된 세포는 세포 내에서 페리틴 단백질 및 형광 단백질을 동시에 발현할 수 있다. 이는 페리틴 단백질 발현을 통해 세포 내의 철 이온을 흡수하여 MRI 조영제로서 이용이 가능할 뿐만 아니라, 동시에 형광 단백질을 발현을 통해 형광을 띠므로, 형광 현미경 하에서 유전자 발현여부를 육안으로 관찰할 수 있다.

또 다른 양태로서, 본 발명은 (a) 상기 렌티바이러스 벡터로 세포 또는 조직을 형질도입시키는 단계; (b) 세포 또는 조직 내에서 페리틴 단백질이 발현되는 단계; 및 (c) 페리틴 단백질에 의한 철 축적을 통해 MRI 검출이 용이하게 하는 단계를 포함하는 MRI 검사 방법에 관한 것이다.

상기 단계 (a)는 렌티바이러스 벡터를 세포나 조직 내로 형질도입시켜 벡터 내에 포함된 외래의 유용 유전자들이 세포 내에서 발현되도록 하기 위한 단계이다. 렌티바이러스 벡터의 세포 내로의 형질도입은 당업계에 공지된 바이러스 입자 감염(infection) 방법을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 전달되어야 하는 유전자를 포함하는 상기 렌티바이러스 벡터 외에 바이러스 패키징 헬퍼 플라스미드를 함께 이용하여 형질전환이 용이한 적정 세포에서 바이러스 입자를 생성시키고, 여기서 만들어진 바이러스 입자를 세포에 감염시키는 과정을 통해 목적 세포로 렌티바이러스 벡터를 형질도입할 수 있다.

본 발명의 구체적 실시예에서는 렌티바이러스 및 바이러스 패키징 헬퍼 플라스미드(VSV-G 발현 벡터 및 gag-pol 발현 벡터)를 이용하여 293T 세포에 함께 형질전환(co-transfection)시켜 바이러스 입자를 생산하고, 이를 통해 생산된 바이러스 입자를 목적하는 세포에 감염(infection)시킴으로써, 목적하는 세포에 렌티바이러스 벡터 내의 유용 유전자들을 형질도입시켰다.

상기 단계 (b)는 세포 또는 조직 내에서 페리틴 단백질이 발현되는 단계로서, 상기 단계 (a)를 통해 형질도입된 렌티바이러스 내의 유용 유전자들이 목적 세포 내에서 발현되며, 페리틴 단백질이 발현되어 세포 내에 존재하는 철을 흡수하게 된다.

상기 단계 (c)는 페리틴 단백질에 의한 철 축적을 통해 MRI 검출이 용이하게 하는 단계로서, 상기 단계 (b)를 통해 발현된 페리틴 단백질이 철을 축적하게 되면, 세포가 철을 다량 함유할 수 있게 된다. 이때 이러한 철을 MRI 조영제로 이용하면, 외부에서 MRI 촬영을 위한 조영제를 별도로 첨가하지 않더라도 MRI 검사를 실시할 수 있다.

본 발명의 구체적 실시예에서는 hMSC(인간 중간엽줄기세포), F98(쥐의 신경교종 세포) 및 HeLa 세포(인간 자궁 경부암 세포)는 350 ml 의 Lenti-mychFTH로 형질도입시키고, 이들 세포들이 GFP 발현정도를 형광현미경으로 확인하였고(도 3a), Lenti-mychFTH 벡터에 의해 형질도입된 HeLa 세포 및 hMSC 에서의 myc-tagged FTH 발현은 웨스턴블롯 및 면역염색을 사용하여 확인함으로써(3b 및 3c) 본 발명의 렌 티바이러스 벡터가 GFP 단백질 및 페리틴 단백질을 안정적으로 발현하는 것을 확인하였다.

또한, mychFTH 벡터로 형질도입된 F98 세포가 철 보충 배지에서 증식할 때, 철 축적을 증가시키는지 관찰한 결과, F98 세포 내에 증가된 철 축적이 관찰되는 것을 확인했다(도 5).

또한, FTH를 발현하는 세포 또는 조직의 MRI 검사를 수행한 결과, 본 발명의 렌티바이러스 벡터가 형질도입된 세포나 조직이 Mock 벡터(페리틴 유전자 및 GFP 유전자를 포함하지 않음)로 형질도입된 세포에 비해 MRI 측정결과 실질적으로 약 1.4배 증가된 1/T₂ 값을 나타냈으며(도 6), 1.5T MR 스캐너에서의 T₂ 강조 영상은 저음영 신호를 나타냈다(도 7). 또한, FTH를 발현하는 세포를 마우스 선조체로 이식한 후, 세포 및 조직 내에서 GFP 형광 영상이 검출되었다(도 7).

또 다른 양태로서, 본 발명은 상기 렌티바이러스 벡터 또는 렌티바이러스 벡터로 형질도입된 세포를 포함하는 MRI 조영제 조성물에 관한 것이다.

렌티바이러스 벡터 또는 렌티바이러스 벡터로 형질도입된 세포를 포함하는 MRI 조영제 조성물은 약학적 조성물의 형태로 개체에게 투여되어 MRI 검사시에 필요한 조영제로서 이용될 수 있다. 본 발명의 MRI 조영제 조성물은 통상의 약학 제제 보조제, 예컨대 습윤제, 완충제, 붕해제, 결합제, 충전제, 향미제 및 액체 담체 배지, 예컨대 멸균수, 물/에탄올 등을 추가로 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 MIR 조영제 조성물은 임의의 식용/음용 배지 중 통상의 약학적으로 투여가능한 형태, 예컨대 정제, 캡슐, 분말, 용액, 분산액, 시럽 등으로 제형화할 수 있다.

본 발명의 렌티바이러스 벡터는 세포 내로 형질도입되어 페리틴 단백질 및 형광 단백질을 동시에 발현할 수 있어 페리틴 단백질의 철 흡수능을 통해 세포의 MRI 조영이 가능할 뿐만 아니라, 동시에 형광 이미지 검출이 가능한 우수한 효과를 가진다. 본 발명의 벡터를 MRI조영제 및 MRI 리포터 유전자로서 이용하여 세포나 조직의 정확한 MRI 분석을 수행할 수 있고, 형광 발현 분석을 통해 간편하게 유전자 발현정보를 획득할 수 있다.

이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 좀더 구체적으로 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 실시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. hFTH 및 GFP를 전달하는 듀얼-프로모터 렌티바이러스 벡터의 구축

재조합 렌티바이러스 벡터(LentiM1.41)는 인제대 김연수 박사님 연구실에서 제작되었다. 간단하게, FTH 유전자 절편은 PCR 증폭을 통해 pOBT7-humanFTH에서 얻어냈다. FTH를 발현하는 렌티바이러스 벡터의 구축을 위해, PCR 생산물을 BamHI/EcoRI 으로 절단하고 렌티바이러스 벡터 내로 삽입시켰다. 이를 통해 mychFTH를 발현하는 렌티바이러스 벡터 Lenti-mychFTH를 구축했다. GFP 및 hFTH 가 없는 렌티바이러스 벡터 Mock 을 대조군 벡터로서 사용했다. mychFTH를 발현하는 렌티바이러스 벡터를 상기와 같이 제조하였으며, 도 1에 Lenti-mychFTH vector를 도시하였다.

상기 벡터는 듀얼 프로모터 렌티바이러스 벡터이다. PGK 프로모터는 렌티바이러스 CMV 프로모터의 조절을 받는 관심 유전자를 삽입할 수 있는 BamH-EcoRV 제한효소 자리를 가지는 벡터 내의 GFP의 바로위쪽에 삽입되었다. 간단하게, FTH 유전자 절편은 pOBT7-human FTH (BC073750)으로부터 PCR 증폭을 통해 얻었으며, BamHI/ EcoRI로 절단하고, CMV 프로모터의 하부 쪽 같은 제한효소 자리에 삽입했다. 이때, PCR 증폭을 위한 프라이머는 하기와 같다.

Forward primer(서열번호 2) : BamHI-5'-CGGGATCCGCCACCATGGAACAAAAACTC ATCTCAGAAGAGGATCTGATGACGACCGCGTCCACC-3',

Reverse primer(서열번호 3) : EcoRI-5'-CGGAATTCTTAGCTTTCATTATCACT-3'

재조합 myc-hFTH을 제조하기 위해 hFTH의 N 말단 쪽에 마우스 c-myc 유전자로 태그화했다. 클로닝된 cDNA의 동정은 시퀀싱을 통해 확인했다(도 2). Lenti-mychFTH 벡터는 IRES 시스템에 의해 삽입된 cDNA 및 퓨로마이신 저항성 유전자를 발현하기 위한 CMV(cyomegalovirus immediate-early)을 포함한다.

실시예 2. hFTH 발현 세포주의 개발

2-1. 렌티바이러스 벡터를 이용한 바이러스 입자 생산

재조합 렌티바이러스 벡터는 Macrogen LentiVector Institute(KOREA)에 의해 생산되었다. 간단하게 말하면, 세 가지 플라스미드, 전이 벡터, VSV-G 발현 벡터, gal-pol 발현 벡터를 293T 세포에 1:1:1 몰 비율로 함께 형질전환시켰다. 형질전환 후, 48시간 후에 바이러스 벡터 입자를 포함하는 배양액 상등액을 모아 0.45㎛ 막필터로 정제하고 -70℃ 냉동고에 저장했다. 타이터는 p24 ELISA 또는 HeLa 세포로의 감염을 측정을 통해 측정되었다. 형질도입된 세포의 GFP 발현은 형광 현미경 아래에서 일반적 방법으로 관찰되고 촬영되었으며, 타이터는 추가적인 농축이 없을 경우 약 10⁶~10⁷ TU/ml 였다.

2-2. 렌티바이러스 입자의 형질감염을 통한 렌티바이러스 벡터의 형질도입

상기 2-1에서 얻은 렌티바이러스 입자가 함유된 상등액을 타겟 세포(hMSC, F98 세포, HeLa 세포 및 MCF-7 세포)에 첨가하여 4-8㎍/㎎ 폴리브렌 존재 하에서 1 내지 5번 감염시켰다. 형질감염된 세포주는 5×10⁴/ml 정도 농도로 분주하고, 형질감염 후 48-72 시간 후에 분석하였다. hFTH 유전자 서열은 지속적인 발현이 가능하도록 조절성 철-반응 요소(5‘ 및 3’비번역 부분에 위치)를 배제시켰다. 전이유전자 구조체는 안정하게 F98 세포(신경교종 세포주), MCF-7(유방암 세포주), hMSC(인간 중간엽줄기세포) 및 HeLa(자궁경부암 세포주)로 형질도입되었다.

2-3. hMSC, F98 세포 및 HeLa 세포 내의 myc hFTH 발현 확인

hMSC(인간 중간엽줄기세포), F98(쥐의 신경교종 세포) 및 HeLa 세포는 350 ml 의 Lenti-mychFTH로 10시간 동안 형질도입시키고, 추가적으로 60시간 더 배양했다. 형질도입된 세포는 퓨로마이신(2.5mg/mL) 저항성에 의해 선택되었다.

형질도입된 세포들은 그린필터(Nikon)를 사용하여 형광 현미경으로 분석했다. 미시적 형상은 SPOT 디지털 카메라(Diagnostic Instruments, Sterling Heights,M)를 사용하여 촬영했다. 형질도입 효율은 3가지 세포 종류 모두 90%이상이었다. GFP 발현은 형광현미경(NIKONT E2000U)으로 관찰하고 사진 촬영했다(도 3a). 또한, Lenti-mychFTH 벡터에 의해 형질도입된 HeLa 세포 및 hMSC 에서의 myc-tagged FTH 발현은 웨스턴블롯 및 면역염색을 사용하여 확인했다(도 3b 및 3c).

또한, hTFH mRNA 발현 정도는 RT-PCR로 분석했다. mRNA는 10cm 배양용기에 컨플루언트하게 있는 세포로부터 TRIzol 시약(Invitrogen)을 사용하여 분리하고, Superscrips III One Step RT-PCR kit(Invitrogen)을 사용하여 제품설명서에 따라 RT-PCR을 수행했다.

FTH 단백질 수준은 웨스턴 블롯 분석으로 평가했다. 세포는 차가운 PBS로 세척하고, 단백질 저해제를 포함하는 NP-40 용해버퍼로 용해시켰다. 용해액의 단백질 농도는 BCA(bicichoninic acid) 방법(Pierece Biotechnology)으로 평가하고, 폴리아크릴아미드 변성 겔 상의 레인마다 단백질 20㎍을 로딩시켜 전기영동하였다. 단 백질은 블로팅을 위한 니트로셀룰로오스 막에 옮켰다. 항체는 페리틴에 대한 래빗 콜리클로날 항체(SC25617, 1:1000, Santacruz), myc-태크된 hFTH를 위한 myc에 대한 마우스 모노클로날 항체(1:1000, Santacruz) 및 로딩 대조군을 위한 β-액틴에 대한 마우스 모노클로날 항체를 사용하였다. 1차 항체는 HRP가 컨주게이트된 고트 안티-마우스 또는 안티-래빗 IgG(1:2500, Santacruz)로 검출했다. 전체 페리틴 단백질 수준은 ImageJ Software(NIH)를 사용하여 베타-액틴과 비교하여 덴시토메트리로 측정하였다.

실시예 3. 세포의 hFTH 과발현에 따른 세포 독성 평가

페리틴 전이유전자 발현이 세포의 생존력 및 증식 능력에 해로울 수 있는지를 시험했다. 이를 위해, 세포를 96웰 플레이트 상에 웰당 10⁴개를 초기에 분주했다. Lenti-mycgFTH 벡터로 형질도입시킨 후의 세포 생존력은 정형화된 MTT 에세이를 이용하여 평가했다. Lenti-mychFTH 벡터 또는 Mock 벡터로 형질도입된 F98 세포는 퓨로마이신 (10 μg/mL)을 함유하는 보충 배지에서 선택되었다. Lenti-mychFTH 벡터 또는 Mock 벡터로 형질도입된 세포 및 형질도입되지 않은 세포의 생존력 및 증식 정도를 비교한 결과, 형질도입되지 않은 세포와 비교했을 때 Lenti-mychFTH 벡터 또는 Mock 벡터로 형질도입한 후에도 세포의 생존력은 감소하지 않은 것으로 관찰되었다(도 4a).

또한, Lenti-mychFTH 벡터 또는 Mock 벡터로 형질도입된 세포 및 형질도입되 지 않은 세포의 증식 능력은 트리판 블루 색소 배제법을 사용하여 증가된 세포 양을 평가하였다. Lenti-mychFTH 벡터나 Mock 벡터로 형질도입된 세포 및 형질도입되지 않은 세포들 사이에 세포 개수의 큰 차이는 없는 것으로 나타났다(도 4b).

실시예 4. hFTH를 발현하는 세포 내의 증가된 철 축척 평가

mychFTH 벡터로 형질도입된 F98 세포가 철 보충 배지에서 증식할 때, 철 축적을 증가시키는지 관찰하였다. 형질도입된 세포를 전이유전자의 지속적 발현을 확인하기 위해 퓨로마이신 선택배지에 주기적으로 키웠다. 철 로딩을 위해 세포주를 FAC(ferric ammonium citrate) 10μM 내지 5mM을 포함하는 영양보충배지에서 48~72시간 동안 키웠다. 철 축적을 위한 평가는 펄스 프루시안 블루 염색(Perl's Prussian blue staining)을 사용했다. 세포는 8-웰 챔버 슬라이드 상에서 FAC 존재 및 부존재하에서 48~72시간 동안 키웠다. 세포는 PBS를 흘려 세척하고, 염색 전에 10분 동안 4% 파라포름알데히드로 고정했다. 커버슬립을 염색 용액(1% 포타슘 페로시아나이드 및 5% HCl) 내에 30분동안 담그고, PBS로 두 번 세척한 후, 패스트 레드로 대비염색하고, 수용성 마운팅액(Gel/Mount; Biomeda Corp.)으로 슬라이드를 마운팅했다.

도 5에서 보듯이, 1 ~ 5 mM의 FAC(ferric ammounium citrate)를 포함하는 철 충분 보충 배지에서 72시간 동안 키운 후, 철에 대한 펄스 프루시안 블루 염색(Prussian blue staining)을 한 결과, mychFTH 벡터로 형질도입된 F98 세포 내에 증가된 철 축적이 관찰되었다.

실시예 5. hFTH를 발현하는 세포 또는 조직의 MRI 분석

5-1. 시험관내 MRI 분석

시험관내에서 MR 상을 준비하기 위해 1×10⁷개의 형질도입된 세포 및 형질도입되지 않은 세포를 1% 아가로즈 겔에 현탁시키고 마이크로튜브에 옮겼다. T₂측정을 위한 12 배의 TEs를 가진 일반적인 CPMG 시퀀스는 3T MR scanner의 Mayo BC 10 코일 또는 2인치의 1.5T의 wrist 코일이나 헤더코일로 수행된다. T₂ 완화시간들은 레벤버그 마르콰아드트(Levenberg-Marquardt) 알고리즘의 비선형 최소 정방형을 이용하여 신호세기를 증가하는 TEs 또는 TIs를 지수함수 또는 (수식삽입)에 맞춤으로써 계산되어진다.

형질도입된 hMSC를 포함하는 아가로즈 상 위의 T₂ 강조 MRI를 수행함으로써, 검출가능한 영상 조영과 관련된 페리틴 전이유전자 발현에 의한 1/T₂ 변화를 확인할 수 있었다(도 6). FAC(1~5mM)을 포함한 배지에서 48-96시간 동안 배양한 mychFTH 형질도입된 세포의 조영은 쉽게 식별이 가능했지만 낮은 철 환경에서 배양된 세포는 그렇지 못했다. 철 보충액(FAC) 에서 배양한 세포들은 Mock 세포에 비교하여 mychFTH 형질도입된 세포가 실질적으로 약 1.4배 증가된 1/T₂ 값을 나타냈다.

5-2. 생체내 또는 생체외 MRI 분석

생체내에서 종양의 T₂ 강조 MR 영상들은 이식 전 또는 이식 후 다른 시간에 걸쳐 3T MRI 스캐너 또는 1.5T의 Mayo surface coil, wrist coil의 빠른 스핀에코 시퀀스를 통해 획득했다. 측정 파라미터는 다음과 같다. TR=3400 ms, TE=100ms, FOV=60*60mm²m , ETL = 16, matrix =256*256, slice thickness gap = 2.0 mm/0mm, NEX=2.0.

종양의 생체외 MR 영상을 위해, 종양을 모아 10%의 포르말린에 고정했다. 또한 그것을 3%(wt/vol)의 젤라틴 성분으로 채워진 스티로폼 박스에 고정했다. 종양의 생체외 T₂ 강조 MR 영상은 1.5T 또는 3T MR 스캐너를 통해 획득했다.

생체내에서 이러한 전이유전자 영상의 정확한 전위를 평가하기 위해 피하 이식된 mychFTH 세포 내에서 MRI 리포터 발현을 가시화했다. mychFTH 단백질을 발현하는 MCF-7 세포(1x10⁷) 를 매트리겔(matrigel)에 현탁하고, 누드 마우스 선조체의 피부내로 이식하고, 이식 후 2일, 10일 및 20일째에 마우스의 영상을 촬영했다. mychFTH 세포내의 GFP 형광 영상이 검출되었으며, mock 세포는 검출되지 않았다(도 7a). 20일 후, mychFTH 형질도입 세포는 생체내의 형광 이미지 시스템(Kdak, 2000(Kdak, 2000M IS) 상에서 GFP 형광을 보였으며(도 7b), 반대편 부분(mock 종양)과 비교했을 때, 1,5T MR 스캐너에서의 T₂ 강조 영상은 저음영 신호를 나타냈다(도 7c).

또한, 이식 후 20일째에 mychFTH 종양내에서 축적된 철을 검출하기 위해 면역조직화학 분석을 수행했다. 항-myc 항체를 이용하여 mychFTH 종양의 myc-tagged FTH 단백질에 대한 조직학적 분석을 수행하고, mychFTH 종양내의 myc-염색된 세포를 관찰했다(데이타로 보이지 않음). mychFTH 종양내의 철 축적은 철에 대한 펄스 프루시안 블루 염색(Perls' Prussian blue staining)을 통해 검출했다(도 7d).

본 발명의 렌티바이러스 벡터는 페리틴 단백질 및 형광 단백질을 코딩하는 핵산 분자를 포함하여 MRI 조영 및 형광 이미지 검출이 동시에 가능하므로, 세포 내나 조직 내의 유전자 발현 정보를 정확하게 얻기 위한 MRI 분석 및 형광 영상 분석에 유용하게 활용될 수 있다.

도 1은 myc-hFTH 및 GFP를 운반하는 렌티바이러스 벡터 pLentiM1.41-mychFTH 의 제작 과정을 도시한 것이다.

도 2는 mychFTH 유전자의 서열분석 결과를 나타낸 것이다. 인간의 페리틴 중쇄 (hFTH) 유전자는 Lenti-mychFTH 벡터의 4837-5389 서열 부분으로 삽입되었다.

도 3은 Lenti-mychFTH 벡터로 형질전환된 hMSC(인간 중간엽줄기세포), F98(쥐의 신경교종 세포) 및 HeLa 세포의 mychFTH 발현을 분석한 결과이다.

(a) 각각의 세포의 GFP 발현을 형광 현미경으로 사진 촬영한 결과이다.

(b) HeLa 세포의 myc-tagged FTH 발현을 myc 항체를 이용하여 웨스턴블롯을 수행한 결과이다.

(c) hMSC 세포의 myc-tagged FTH 발현에 대한 면역염색 결과이다.

도 4는 Lenti-mychFTH 벡터 및 Mock 벡터로 형질도입된 F98 세포의 생존력 및 증식력에 대한 실험 결과를 나타낸 것이다.

(a) 세포의 생존력은 MTT 에세이(n=4)를 통해 분석한 결과이다.

(b) 세포의 증식력은 트리판 블루 색소 배제법(n=4)을 이용하여 분석한 결과이다.

도 5는 mychFTH 벡터로 형질도입된 F98 세포의 철 축적 정도를 분석한 결과이다. 철 보충배지(FAC 1 ~ 5 mM)에서 48시간 내지 72시간 배양에 따라, 철에 대한 펄스 프루시안 블루 염색(Prussian blue staining)하고 패스트레드로 카운터염색을 한 결과, F98 세포의 증가된 철 축적이 나타났다.

도 6은 시험관내에서 mychFTH가 형질도입된 hMSC를 포함하는 아가로즈 상 위의 T₂ 강조 MR 영상 내의 1/T₂ 값을 나타낸 것이다.

(a) 3T MR 스캐너 상의 T₂ 강조 MR 영상 결과이다.

(b) Lenti-mychFTH로 형질도입된 hMSC 도는 mock으로 형질도입 후, 철 보충배지(FAC, 20 μM) 를 포함하거나 그렇지 않은 배지에서 키운 후, T₂ 이완 시간을 측정한 결과이다.

도 7은 피하 이식된 mychFTH를 발현하는 MCF-7 세포의 MRI 및 형광 영상의 분석 결과이다.

(a) MCF-7 세포 덩어리의 형광 영상을 나타낸 것이다.

(b) 마우스 종양 내 mychFTH의 형광 영상을 나타낸 것이다.

(c) MCF-7 세포를 피하로 이식한지 22일 째의 T₂ 강조 종양 영상을 통한 생체내의 MRI 분석 결과이다.

(d) 철에 대한 펄스 프루시안 블루 염색을 통한 mychFTH 종양내의 철 축적 정도를 나타낸 결과이다.

<110> Seoul National University Hospital <120> Lentiviral vectors comprising ferritin gene and use thereof <130> PA080197 <160> 3 <170> KopatentIn 1.71 <210> 1 <211> 585 <212> DNA <213> Homo sapiens <220> <221> gene <222> (1)..(585) <223> Nucleotide sequence of mychFTH <400> 1 atggaacaaa aactcatctc agaagaggat ctgatgacga ccgcgtccac ctcgcaggtg 60 cgccagaact accaccagga ctcagaggcc gccatcaacc gccagatcaa cctggagctc 120 tacgcctcct acgtttacct gtccatgtct tactactttg accgcgatga tgtggctttg 180 aagaactttg ccaaatactt tcttcaccaa tctcatgagg agagggaaca tgctgagaaa 240 ctgatgaagc tgcagaacca acgaggtggc cgaatcttcc ttcaggatat caagaaacca 300 gactgtgatg actgggagag cgggctgaat gcaatggagt gtgcattaca tttggaaaaa 360 aatgtgaatc agtcactact ggaactgcac aaactggcca ctgacaaaaa tgacccccat 420 ttgtgtgact tcattgagac acattacctg aatgagcagg tgaaagccat caaagaattg 480 ggtgaccacg tgaccaactt gcgcaagatg ggagcgcccg aatctggctt ggcggaatat 540 ctctttgaca agcacaccct gggagacagt gataatgaaa gctaa 585 <210> 2 <211> 65 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward primer for amplifying hFTH gene <400> 2 cgggatccgc caccatggaa caaaaactca tctcagaaga ggatctgatg acgaccgcgt 60 ccacc 65 <210> 3 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> Reverse primer for amplifying hFTH gene <400> 3 cggaattctt agctttcatt atcact 26

Claims

페리틴 단백질 및 형광 단백질을 코딩하는 핵산 분자를 포함하는 렌티바이러스 벡터 또는 상기 렌티바이러스 벡터로 형질도입된 세포를 포함하는 MRI 조영제 조성물.
제1항에 있어서, 상기 페리틴 단백질을 코딩하는 핵산 분자는 제1프로모터에 작동 가능하게 연결되고, 형광 단백질은 제2프로모터에 작동가능하게 연결되며, 상기 제1프로모터 및 제2프로모터는 반대 전사 배향으로 존재하는 것을 특징으로 하는 조성물.
제2항에 있어서, 상기 벡터는 페리틴 단백질을 코딩하는 핵산 분자의 3' 말단 쪽으로 내부 리보솜 개시부위(IRES) 및 양성 선별마커를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조성물.
제2항에 있어서, 제1 프로모터는 CMV(cytomegalovirus) 프로모터이고, 제2 프로모터는 PGK(phosphoglycerate kinase) 프로모터인 조성물.
제1항에 있어서, 상기 페리틴 단백질은 페리틴 중쇄(ferritin heavy chain, FTH) 단백질인 조성물.
제5항에 있어서, 상기 페리틴 중쇄 단백질을 코딩하는 핵산 서열은 서열번호 1로 구성되는 것을 특징으로 하는 조성물.
제1항에 있어서, 상기 페리틴 단백질은 인간 유래인 조성물.
제1항에 있어서, 상기 형광 단백질은 녹색 형광 단백질(GFP)인 조성물.
제3항에 있어서, 상기 양성 선별마커는 퓨로마이신인 조성물.
제1항에 있어서, 상기 페리틴 단백질은 myc-태그, 헤마글루티닌 A, 베타-갈락토시다제, 티미딘 키나제, 트랜스페린, (His)6-태그, FLAG, 또는 클로람페니콜 아세틸 트란스퍼라제로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 태그로 표지화되는 것을 특징으로 하는 조성물.
제1항에 있어서, 벡터는 도 1에 도시된 pLentiM1.41-mychFTH 벡터인 조성물.
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(a) 페리틴 단백질 및 형광 단백질을 코딩하는 핵산 분자를 포함하는 렌티바이러스 벡터로 세포 또는 조직을 형질도입시키는 단계;

(b) 세포 또는 조직 내에서 페리틴 단백질이 발현되는 단계; 및

(c) 페리틴 단백질에 의한 철 축적을 통해 MRI 검출이 용이하게 하는 단계를 포함하는 MRI 검사 방법.