KR101762135B1

KR101762135B1 - 세포성점균을 이용한 인간 페닐알라닌 수산화효소의 활성분석 방법

Info

Publication number: KR101762135B1
Application number: KR1020150014176A
Authority: KR
Inventors: 박영식
Original assignee: 인제대학교 산학협력단
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2017-07-27
Also published as: KR20160093325A; WO2016122058A1

Abstract

본 발명은 세포성점균을 이용한 인간 돌연변이 페닐알라닌 수산화효소(PAH)의 활성분석 방법에 관한 것으로, 구체적으로 페닐케톤뇨증 관련 돌연변이를 포함하는 PAH 유전자를 세포성점균에 형질전환 시키고, 티로신이 결핍된 최소영양배지에서 배양시킨 후, 세포성점균의 생장 속도를 측정함으로써 인간 돌연변이 PAH 활성을 분석하는 방법에 관한 것이다.

Description

세포성점균을 이용한 인간 페닐알라닌 수산화효소의 활성분석 방법 {Analysis method of activity for human phenylalanine hydroxylase using Dictyostelium discoideum}

본 발명은 세포성점균을 이용한 인간 페닐알라닌 수산화효소(PAH)의 활성분석 방법에 관한 것으로, 구체적으로 페닐케톤뇨증 관련 돌연변이를 포함하는 PAH 유전자를 세포성점균에 형질전환 시키고, 티로신이 결핍된 최소영양배지에서 배양시킨 후, 세포성점균의 생장 속도를 측정함으로써 인간 돌연변이 PAH 활성을 분석하는 방법에 관한 것이다.

페닐알라닌 수산화효소(phenylalanine hydroxylase, PAH; EC 1.14.16.1)는 철이온(Fe²⁺)을 함유하는 효소로서 조효소인 테트라히드로비오테린(6R-L-erythro-tetrahydrobiopterin, BH4)과 분자산소(O₂) 존재 하에서 L-페닐알라닌을 L-티로신으로 전환시키는 반응을 촉매한다. 인체에서 PAH는 간과 뇌 조직에 많이 존재하며, 간에서는 음식물로 섭취되는 페닐알라닌 대사에 주로 관여하며, 뇌에서는 도파민과 같은 신경전달물질의 합성에 중요하다 (Fitzpatrick PF. 2012 Arch Biochem Biophys 519, 194201).

PAH 유전자 돌연변이의 결과로 발생하는 효소활성의 결핍이나 유전자 발현의 저해로 인하여 열성유전질환인 페닐케톤뇨증 (phenylketonuria, PKU)이 야기된다. PKU는 간에서 페닐알라닌 대사가 원활히 이루어지지 않아 혈중 페닐케톤 화합물의 농도가 증가하여 생기는 질환으로 다양한 표현형으로 나타난다. PKU 환자들은 혈중 페닐알라닌 농도 600 μM을 기준으로 이보다 낮으면 고페닐알라닌증 (hyperphenylalaninemia, HPA), 높으면 PKU 그룹으로 구분된다. HPA는 다시 360 μM을 기준으로 치료가 필요 없는 그룹과 치료가 필요할 수도 있는 그룹으로 구분된다. PKU는 다시 mild PKU (600-900 μM), moderate PKU (900-1200 μM), classic PKU (>1200 μM)로 구분되며, 모두 강제적인 치료가 요구되고 있다 (Heintz C, et al. 2013 Hum Mutat 34, 927-936).

치료는 출생 초기부터 시작되며 그렇지 않을 경우 발달지체, 간질, 행동적인 문제, 우울증, 불안과 같은 신경정신 장애는 물론 심각한 지능저하가 발생한다. PKU 질환은 신생아 초기 단계에서 식이요법을 통해 혈중 페닐알라닌을 낮은 수준으로 유지하는 방법을 통해 증상을 완화시킬 수 있으나 평생 지속되어야 하는 것으로 알려져 있다. 그렇지만 식이요법에 대한 거부감이나 사회생활 때문에 엄격하게 지킬 수 없는 어려움이 따른다. 이와 같은 PKU 환자에게 PAH의 조효소인 BH4를 경구투여 함으로써 혈중 페닐알라닌을 낮출 수 있다는 것이 보고된 이 후, BH4는 PKU 환자를 위한 처방약으로 미국 FDA 승인을 받게 되었다 (Pey AL, et al. 2004 Hum Mutat 24, 388-399). BH4의 약리적 작용기작은 BH4가 L-Phe에 의한 효소의 활성화를 저해하기 때문이라고 알려져 있다 (‘pharmacological chaperone’이라 불림). 그러나 BH4는 모든 PKU 환자에서 효과적으로 작용하지 않기 때문에 BH4처럼 PAH 안정성을 증가시키는 pharmacological chaperone을 찾는 연구가 진행되고 있으며, 환자맞춤형 치료도 제안되고 있다 (Underhaug J, et al. 2012 Curr Top Med Chem 12, 2534-2545).

PKU의 원인이 PAH 결핍에서 비롯된다는 사실은 1953년에 처음으로 보고되었다. 이어서 PAH의 유전자와 cDNA 서열이 확인되면서 PKU 환자들의 돌연변이 유전자 분석은 진단과 치료 차원에서 필수적으로 이루어지고 있다. 지금까지 확인된 PAH 유전자 돌연변이는 852종류로서 (BioPKU.org), 그 중 2/3 정도가 아미노산이 바뀐 미스센스(missense) 돌연변이에 해당된다. 이들 돌연변이의 표현형에 대한 연구는 단백질 차원에서 꾸준히 연구되어 왔다. 현재 다양한 돌연변이 PAH의 발현을 통해 연구된 결과는 PAHdb (http://www.pahdb.mcgill.ca/)에 정리되어 있다. in vitro 에서의 단백질 분석은 주로 대장균, 효모, 포유동물 세포주, 또는 TNT-T7 망상적혈구 용해물(reticulocyte lysate)을 이용한 세포외 발현시스템을 이용하여 이루어졌다. 이러한 연구를 통해 PKU가 주로 단백질 접힘의 이상에서 생기는 질환(protein misfolding disease)임이 밝혀졌다 (Heintz C, et al. 2013 Hum Mutat 34, 927-936). 이는 미스센스 돌연변이 PAH의 경우, 단백질 접힘에 문제가 발생하여 단백질의 안정성이 감소하고 그로 인하여 단백질 분해가 촉진된다는 것이다. 이러한 원리에 입각하여 돌연변이가 PAH의 자연 상태의 안정성에 미치는 에너지 충격을 컴퓨터를 통해 분석하는 연구가 이루어지고 있다 (Shi Z1, et al. 2012 Proteins 80, 61-70). 그러나 이러한 노력에도 불구하고 유사한 PAH 유전형에 대한 in vivo와 in vitro 표현형 간에는 심각한 괴리가 발견되기도 한다 (Kayaalp E, et al. 1997 Am J Hum Genet 61, 1309-1317). 이는 부분적으로는 in vitro 발현시스템의 문제일 수도 있다. 이에, PKU를 유발하는 인간 PAH 유전자의 돌연변이를 정량적으로 단백질 수준에서 용이하게 분석할 수 있는 안정적인 시스템이 요구되는 실정이다.

따라서 본 발명의 목적은 세포수준의 분석 시스템으로서 페닐케톤뇨증 관련 돌연변이를 포함하는 PAH 유전자로 형질전환된 세포성점균의 생장 속도를 측정함으로써 인간 돌연변이 PAH 활성을 분석할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 상기 형질전환된 세포성점균을 이용한 페닐케톤뇨증 치료제의 스크리닝 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 본 발명은,

a) 서열번호 1의 아미노산 서열로 표시되는 인간 PAH(phenylalanine hydroxylase)를 코딩하는 유전자에서 페닐케톤뇨증(phenylketonuria)을 야기시키는 돌연변이를 포함하는, 돌연변이 PAH 유전자를 세포성점균에 형질전환 시키는 단계;

b) 상기 돌연변이 PAH 유전자로 치환된 세포성점균을 티로신(tyrosine)이 결핍된 최소영양배지에서 배양시키는 단계; 및

c) 상기 배양되는 세포성점균의 생장 속도를 측정하는 단계를 포함하는 세포성점균을 이용한 인간 돌연변이 PAH 활성분석 방법을 제공한다.

본 발명에서는, 기존 대장균, 효모세포, 포유동물 세포주 및 인간세포를 비롯한 다양한 발현시스템을 이용한 PAH 활성 분석 시스템이 단백질의 안정성, in vivo와 in vitro 표현형 간의 심각한 차이 등으로 인해 분석과정에서의 신뢰성과 용이성의 개선점이 요구되는 점을 파악하고 이를 개선하기 위해, 세포성점균을 이용하여 인간 PAH 유전자 돌연변이의 표현형을 세포수준에서 분석할 수 있는 발현시스템을 개발하고자 하였다. 이를 위해 야생형을 비롯하여 페닐케톤뇨증을 야기시키는 것으로 알려진 다양한 돌연변이 각각을 가지는 인간 PAH cDNA를 발현벡터에 삽입하여 PAH 유전자가 치환된 세포성점균의 형질전환체에서 발현시키고 최소배지 (FM medium)에서 생장속도, PAH 효소활성, PAH 단백질량을 분석하였으며, 그 결과 서로 간에 밀접한 상관관계가 있음을 확인하였다. 따라서 본 발명의 결과는 세포성점균에서 PAH 효소 활성과 단백질 안정성을 반영하는 세포증식 속도의 차이를 통해 인간 PAH 유전자 돌연변이의 표현형을 용이하게 분석할 수 있음을 제안한다.

한편, 상기 세포성점균은 인간세포에 비해 매우 높은 수준의 L-erythro-tetrahydrobiopterin (BH4)와 그 이성질체인 D-threo-BH4 (DH4)를 생산한다 (두 가지를 합쳐서 테트라히드로테린이라 부름). 이들은 PAH의 조효소이자 단백질 안정성에 기여하는 소위 pharmacological chaperone으로 작용한다. 따라서 세포성점균은 세포외에서 이들을 첨가하지 않고도 이들에 의한 pharmacological chaperone 효과를 발휘한다. 이를 검증하기 위하여 테트라히드로테린 생합성에 관여하는 세피아테린 환원효소(sepiapterin reductase) 유전자가 치환된 돌연변이 세포성점균 (spr ^-)에서도 돌연변이 PAH를 발현시켰다. 그 결과 PAH 유전자에 결함을 가진 페닐케톤뇨증 환자들 중에서 BH4 약물에 반응하는 돌연변이로 알려진 F39L, K42I, I65T의 경우 PAH 단백질량의 감소를 확인하였다. 이는 세포성점균을 통해 BH4의 pharmacological chaperone 효과를 검증할 수 있음을 보여주는 동시에 다른 pharmacological chaperone의 개발에도 이용할 수 있음을 제시한다. 그 가능성을 타진하기 위하여, 형질전환된 세포성점균을 최소배지 대신에 천연성분들의 집합체인 효모추출물(yeast extract)이 포함된 영양배지(HL5 medium)에서 배양하였다. 그 결과 8가지 돌연변이 PAH 중에서 S349L과 R408W의 경우에만 단백질량의 증가와 더불어 활성증가도 관찰되었다. 아직 영양배지의 어떤 성분이 효과를 발휘하는지는 확인되지 않았다. 그러나 이 연구결과의 중요성은, 본 발명의 분석시스템을 이용하여 S349L과 R408W와 같이 단백질구조에 심각한 영향을 주는 돌연변이에 대한 연구가 가능하다는 것이다.

지금까지 세포성점균을 인간 돌연변이 PAH 발현에 사용한 연구 보고는 없다. 따라서 본 발명을 통해 얻어진 결과를 다양한 발현시스템을 통해 이미 발표된 연구 결과들과 비교분석 하였다. 그 결과 L255V를 제외한 나머지 7가지 돌연변이 단백질들의 단백질 안정성과 효소 활성에 대한 분석결과가 매우 유사함을 보여주었다. 이는 세포성점균이 인간 PAH와 관련된 연구에 적합하다는 것을 증명하는 것이다.

본 발명에서, 상기 ‘세포성점균(cellular slime mold)’은 균류로서 진핵균아계 세포점균문의 한 강에 속하며, 단핵인 아메바상 세포가 모여서 접합변형체를 만들며 나중에 누적자실체를 형성한다. 모인 세포의 하나하나가 전생활사를 통하여 완전히 독립되어 존재하며, 곰팡이류보다 오히려 원생동물인 아메바에 가까운 것으로 여겨진다. 세포성점균에 속하는 것 중 딕티오스텔륨 디스코이뎀(Dictyiostelium discoidem)은 그 생활사가 잘 밝혀진 종이다. 또한 상기 세포성점균은 생의학 분야의 연구에 중요하게 사용되는 연구모델 생물체로서 진핵생물의 단백질 발현에 유용한 것으로 알려져 있다 (Arya R, et al. 2008 FASEB J 22, 4055-4066). 상기 세포성점균의 PAH는, 인간 PAH와 매우 유사한 구조와 아미노산 서열을 가진다. 인간 PAH와 마찬가지로 동형사량체 효소로서 각각의 단위체는 3개의 도메인(아미노 말단의 조절 도메인; 기질과 조효소가 결합하는 촉매 도메인; 및 카르복시 말단의 다량체 도메인)으로 구분된다. 흥미롭게도 세포성점균은 BH4 외에도 그 이성질체인 D-threo-isomer (DH4)를 다량 생산하며 (Kim HL, et al. 2012 FEBS Lett 586, 3596-3600), 이들은 (테트라히드로테린이 불림) 모두 인간과 세포성점균의 PAH에 조효소로 작용한다 (Siltberg-Liberles J, et al. 2008 Gene 427, 8692).

본 발명의 PAH 활성분석 방법에 있어서, 상기 인간 PAH를 코딩하는 유전자는 인간 페닐알라닌 수산화효소(hPAH) 단백질을 암호화는 어떠한 염기서열을 가질 수 있으나, 바람직하게는 서열번호 1의 아미노산 서열을 코딩하는 염기서열이며, 더욱 바람직하게는 서열번호 2의 염기서열을 갖는 hPAH cDNA(ORF)일 수 있다.

본 발명의 PAH 활성분석 방법에 있어서, 상기 “페닐케톤뇨증을 야기시키는 돌연변이”는 PAH 단백질을 코딩하는 유전자에서 염기의 치환, 삭제, 삽입 등 뉴클레오티드의 변화에 따른 효소 활성의 결핍이나 유전자 발현 저해로 인해 페닐케톤뇨증을 유발하는 모든 돌연변이를 포함한다. 본 발명은 이러한 돌연변이 PAH의 활성을 분석하는데 세포성점균을 이용한다는 점에 기술적 특징이 있으므로, 세포성점균의 형질전환에 이용되는 돌연변이 PAH는 특별히 제한될 이유가 없다. 지금까지 확인된 PAH 유전자 돌연변이는 852종류로서 (BioPKU.org), 그 중 2/3 정도가 아미노산이 바뀐 미스센스(missense) 돌연변이에 해당되며, 현재 다양한 돌연변이 PAH의 발현을 통해 연구된 결과는 PAHdb (http://www.pahdb.mcgill.ca/)에 정리되어 있다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 돌연변이는 서열번호 1로 표시되는 인간 PAH의 아미노산 서열에서 아미노산 위치 F39L, K42I, L48S, I65T, R252Q, L255V, T278I, S349L 및 R408W로 구성된 군에서 선택되는 미스센스 돌연변이(missense mutation)이다.

본 발명에서 용어 ‘미스센스 돌연변이’는 DNA의 염기 서열 중 한 개의 염기가 다른 염기로 치환되어 아미노산의 코돈이 다른 코돈으로 바뀌는 결과를 초래하는 돌연변이의 종류로서, ‘자리지정 돌연변이 또는 점 돌연변이(site-directed mutagenesis)’를 통해 이루어질 수 있다.

본 발명에서, 인간 PAH 단백질을 코딩하는 유전자 서열은 본 발명에서 선택된 돌연변이 생성을 위한 시작점으로 이용된다. 당업자라면 상기 열거된 아미노산 위치들의 돌연변이 생성을 위하여 다양한 공지의 표준적인 점 돌연변이 유발(site-directed mutagenesis) 방법을 임의로 사용할 수 있다 (Sambrook, J. et al. (1989), supra). 흔히 사용되는 방법의 하나는 합성 올리고뉴클레오티드 혼합물을 사용한 PCR을 이용하여 돌연변이들을 도입시키는 것이다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 미스센스 돌연변이는 서열번호 3 내지 18로 표시되는 프라이머를 이용하여 해당 코돈의 염기를 치환함으로써 수행될 수 있다.

이러한 돌연변이가 유발된 PAH 유전자는 적절한 발현 벡터에 삽입되어 숙주세포인 세포성점균에 형질전환될 수 있다.

본 발명에서 용어, ‘벡터’는 연결되어 있는 다른 핵산을 운반할 수 있는 핵산 분자를 의미하며, 벡터의 하나의 유형인 ‘플라스미드’는 그 안에 추가적으로 DNA 조각을 연결시킬 수 있는 환형의 이중 가닥 DNA 루프를 의미한다.

본 발명에서 용어, ‘발현벡터’는 적당한 숙주세포에서 목적 단백질을 발현할 수 있는 재조합 벡터로서, 작동 가능하도록 연결된 목적 단백질을 코딩하는 유전자의 발현을 지시하는 벡터를 의미한다. 상기 발현벡터는 이에 제한되지는 않으나 플라스미드 벡터, 코즈미드 벡터, 박테리오파지 벡터 및 아데노바이러스 벡터, 레트로바이러스 벡터와 같은 바이러스 벡터 등을 포함하며, 재조합 DNA 기술의 사용에 있어서 바람직하게는 플라스미드 벡터일 수 있다.

본 발명에서 용어, ‘형질전환’은 DNA를 숙주로 도입하여 DNA가 염색체의 인자로서 또는 염색체 통합 완성에 의해 복제 가능하게 되는 것으로 외부의 DNA를 세포 내로 도입하여 인위적으로 유전적인 변화를 일으키는 현상을 의미한다. 본 발명의 숙주세포는 세포성점균이며, 본 발명의 일실시예에서는 딕티오스텔리움 디스코이데움(Dictyostelium discoideum)을 세포성점균의 대표적인 예로 사용하였다.

본 발명의 형질전환 방법은 임의의 형질전환 방법이 사용될 수 있으며, 당업계의 통상적인 방법에 따라 용이하게 수행할 수 있다. 일반적으로 형질전환 방법에는 CaCl₂ 침전법, CaCl₂ 방법에 DMSO(dimethyl sulfoxide)라는 환원물질을 사용함으로써 효율을 높인 Hanahan 방법, 전기천공법(electroporation), 인산칼슘 침전법, 원형질융합법, 실리콘 카바이드 섬유를 이용한 교반법, 아그로박테리아 매개된 형질전환법, PEG를 이용한 형질전환법, 덱스트란 설페이트, 리포펙타민 매개된 형질전환 방법 등이 있다. 따라서, 본 발명에서 상기 형질전환 방법을 제한 없이 이용하여 본 발명의 돌연변이 PAH 유전자를 포함하는 발현벡터를 세포성점균으로 도입함으로써, 형질전환체를 획득할 수 있다.

본 발명의 PAH 활성분석 방법에 있어서, 상기 세포성점균의 생장 속도는 PAH 활성과 선형상관관계에 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 구현예에서, PAH 유전자가 치환된 돌연변이 세포성점균(pah ^-), 야생형 세포성점균(WT) 및 본 발명의 돌연변이 인간 PAH 유전자 각각이 삽입된 발현벡터를 넣은 형질전환체를 이용하여 생장속도와 PAH 활성 간의 상관관계를 확인한 결과, 도 1의 A에 나타난 바와 같이, 형질전환체 마다 생장속도와 PAH 활성의 수준은 상관관계를 나타내었다. 이러한 세포성 점균의 생장속도와 PAH 활성 간에 밀접한 상관관계가 있음을 확인하기 위해 선형회귀분석을 실시한 결과, 도 1의 B에 나타난 바와 같이, 통계적으로 유의성이 있는 선형상관관계를 확인하였다. 이러한 결과는 본 발명의 세포성점균을 이용한 PAH 활성분석 방법으로부터 pah ^-에서 상보적 발현을 통해 그 생장속도로서 미스센스 돌연변이를 가진 인간 PAH를 정량적으로 평가할 수 있음을 의미한다. 생장속도는 PAH 활성보다 측정하기가 용이하다는 점에서 본 발명은 이용가치가 매우 높은 기술로 판단된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은,

1) 서열번호 1의 아미노산 서열로 표시되는 인간 PAH(phenylalanine hydroxylase)에서 F39L, K42I, L48S, I65T, R252Q, L255V, T278I, S349L 및 R408W로 구성된 군에서 선택된 아미노산이 치환된 돌연변이 hPAH를 코딩하는 폴리뉴클레오티드가 도입된 재조합벡터로 형질전환된 세포성점균을 제조하는 단계;

2) 상기 형질전환체된 세포성점균을 PAH에 대한 약리학적 샤프론(pharmacological chaperone) 후보물질이 첨가된 티로신-결핍 최소배양배지에서 배양하는 단계; 및

3) 상기 배양 후 세포성점균의 생장 속도가 후보물질 비처리군과 비교하여 증가된 경우, 상기 후보물질을 PAH에 대한 약리학적 샤프론으로 판단하는 단계하기 단계를 포함하는, 세포성점균을 이용한 페닐케톤뇨증(phenylketonuria) 치료제의 스크리닝 방법을 제공한다.

본 발명의 스크리닝 방법에 있어서, 상기 1) 단계에서 재조합벡터는 돌연변이 hPAH 유전자가 pDXA-3H 벡터에 삽입된 재조합벡터로서, 도 5에 개시된 개열지도를 갖는 재조합벡터이다.

본 발명에서, 상기 “약리학적 샤프론(pharmacological chaperone)”은 페닐케톤뇨증(PKU)이 주로 단백질 접힘의 이상에서 생기는 질환(protein misfolding disease)으로 밝혀져 있고 (Heintz C, et al. 2013 Hum Mutat 34, 927-936), 특히 미스센스 돌연변이 PAH의 경우, 단백질 접힘에 문제가 발생하여 단백질의 안정성이 감소하고 그로 인하여 단백질 분해가 촉진되기 때문에, 단백질 접힘을 도와주는 역할을 하거나 잘못 접힌(misfolded) 단백질들을 수정하고 기능을 회복하는데 도움을 주는 물질 또는 소분자를 의미하는 것으로 해석된다. 예들 들어, 대한민국 공개특허 제10-2007-0005550호에서는, PKU의 치료를 위해 BH4와 같은 물질을 투여하는 방법에 대해 개시하고 있다. 그러나 BH4는 모든 PKU 환자에서 효과적으로 작용하지 않기 때문에 BH4처럼 PAH 안정성을 증가시키는 약리학적 샤프론을 찾는 연구가 진행되고 있으며, 환자맞춤형 치료도 제안되고 있다.

본 발명의 스크리닝 방법에 있어서, 상기 2) 단계에서 약리학적 샤프론 후보물질은 천연화합물, 합성화합물, 효소, 단백질 또는 핵산일 수 있다. 상기 후보물질이 첨가된 배지에서 배양되는 세포성점균의 생장 속도를 측정하여 상기 후보물질이 돌연변이 PAH의 활성에 어떠한 영향을 미치는지 관찰함으로써, 상기 후보물질을 PAH에 대한 약리학적 샤프론으로 판단할 수 있다. 다시 말해서, 상기 첨가된 후보물질에 의해 PAH 단백질량 또는 PAH 활성이 회복된다면, 상기 후보물질은 돌연변이 PAH에 대한 약학적 샤프론과 유사한 역할을 하는 것으로 기대할 수 있다. 그러한 경우 상기 후보물질은 돌연변이 PAH의 단백질 안정성을 향상시키는 것으로 기대할 수 있다.

본 발명은 다음과 같은 효과 및 이점을 가진다.

1. 돌연변이 PAH 연구시스템으로서의 세포성점균의 적합성 검증: 8가지 돌연변이 단백질들의 활성과 단백질량 분석을 통해 인간세포를 비롯한 다양한 발현시스템에서 연구된 결과와 유사한 결과 도출.

2. 세포수준의 대량분석 시스템: 생장속도를 이용한 정량적 분석이 가능하며, 특히 구조적으로 불안정한 돌연변이 PAH에 대한 연구 가능.

3. 단백질 수준의 분석 시스템: 정제과정 없이도 돌연변이 PAH에 대한 연구 가능.

4. 경제적이고 안정적인 발현시스템: 개개의 PKU 돌연변이 단백질에 대한 심화 연구 가능. 세포성점균은 대장균과 유사한 배지를 사용하므로 포유동물세포 배양에 비해 저렴.

5. 환자 맞춤 치료에 이용: PKU 환자의 돌연변이 유전형에 집중된 연구 가능.

도 1은 돌연변이 hPAH cDNA로 형질전환된 pah ^- 균주의 생장속도 및 PAH 활성의 비교 분석 결과이다. (A) 생장속도 및 PAH 활성. 생장속도는 야생형(WT)의 퍼센트로 나타내었다. (B) PAH 활성과 생장속도 사이의 정량적 상관관계. 시그마 플롯(sigma plot)이 데이터 분석에 사용되었다. 상관계수(r2)는 95% 신뢰구간으로 제공된다 (dotted lines).
도 2는 hPAH에 대한 세포내 테트라히드로테린(tetrahydropteridine) 수준 및 영양배지에 대한 효과를 나타낸 결과이다. (A) 화학발광 반응으로 분석한 웨스턴 블롯의 결과: I, FM 배지에서 배양된 pah ^- 세포; II, FM 배지에서 배양된 spr ^- 세포; III, HL5 배지에서 배양된 pah ^- 세포. 총 단백질 50 μg과 동량의 조추출물이 12.5% SDS-PAGE 및 웨스턴 블로팅으로 분석되었다. (B) pah ^- 및 spr ^- 세포에서 PAH 잔류 단백질의 양. (C) FM 및 HL5 배지에서 배양된 pah ^- 세포에서 잔류 PAH 단백질의 양. (D) FM 및 HL5 배지에서 배양된 pah ^- 세포로부터 측정된 PAH 활성. 모든 데이터는 야생형(WT)의 퍼센트로 나타내었다.
도 3은 pah ^- 균주에서 발현된 hPAHs의 PAH 활성 및 단백질 수준 사이의 관계를 나타낸 것이다. 도 1의 B와 도 2에 있는 평균값 데이터가 야생형의 퍼센트로 표시되었다.
도 4는 S349L 균주를 효모추출물이 첨가된 FM 배지에서 키운 후 웨스턴 블롯으로 분석한 결과이다.
도 5는 본 발명에 따른 돌연변이 hPAH 유전자가 도입된 재조합벡터의 개열지도를 나타낸 것이다.
도 6은 인간 PAH의 아미노산 서열 및 치환될 아미노산 위치를 표시한 것이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1. 균주 배양

야생형 세포성점균(Dictyostelium discoideum Ax2: Dictybase (http://dictybase.org/) Stock center에서 구입)은 HL5 배지 (리터당 10 g glucose, 5 g yeast extract, 10 g protease peptone, 0.35 g KH₂PO₄, 0.35g Na₂HPO₄·12H₂O, pH6.4)에 100 μg/ml의 스트렙토마이신(streptomycin sulfate)과 100 U/ml의 페니실린(benzylpenicillin potassium)을 첨가하여 배양하였다 (Watts DJ et al. 1970 Biochem J 119, 171174). 이전 연구(Kim HL, et al. 2012, FEBS Lett. 586: 3596-3600)를 통해 보유하고 있던 PAH 녹아웃 돌연변이체(pah ^-)와 세피아테린 환원효소 넉아웃 돌연변이체 (spr ^-)는 HL5 배지에 10 μg/ml의 Blasticidine S를 첨가하여 배양하였다. 인간 PAH cDNA로 형질전환시킨 돌연변이체들은 10 μg/ml의 Blasticidine S와 G418 각각이 첨가된 배지에서 유지되었다. 상기 pah ^-와 pr ^-에는 Blasticidine S에 대한 내성유전자가 재조합을 통해 염색체에 삽입되어 있고, hPAH-pDXA-3H 발현벡터에는 G418에 대한 내성유전자가 삽입되어 있다. 돌연변이체들은 FM 최소배양배지(ForMedium^TM, UK)에서도 배양되었다.

실시예 2. 자리지정 돌연변이

서열번호 1로 표시되는 인간 PAH의 아미노산 서열상으로 39, 42, 48, 65, 252, 255, 349, 408에 위치한 아미노산 잔기를 대체하기 위하여 overlap extension PCR 방법을 사용하였다 (Heckman KL et al., 2007 Nat Protocols 2, 924-932). 각각에 해당하는 치환시킬 염기서열을 포함하는 상보적인 두 개의 PCR 프라이머를 하기 표 1과 같이 제조하였다.

돌연변이 위치	프라이머 서열	서열번호
F39L	5’-CCATATCACTGATCTT G TCACTCAAAGAAGAA-3’	3
	5’-TTCTTCTTTGAGTGA C AAGATCAGTGATATGG-3’	4
K42I	5’-CTGATCTTCTCACTCA T AGAAGAAGTTGGTGC-3’	5
	5’-GCACCAACTTCTTCT A TGAGTGAGAAGATCAG-3’	6
L48S	5’-GAAGTTGGTGCAT C GGCCAAAGTATT-3’	7
	5’-AATACTTTGGCC G ATGCACCAACTTC-3’	8
I65T	5’-GTAAACCTGACCCACA C TGAATCTAGACCTTC-3’	9
	5’-GAAGGTCTAGATTCA G TGTGGGTCAGGTTTAC-3’	10
R252Q	5’-TGCTTTCCTCTC A GGATTTCTTGGGTG-3’	11
	5’-CACCCAAGAAATCC T GAGAGGAAAGCA-3’	12
L255V	5’-CTCGGGATTTC G TGGGTGGCCTG-3’	13
	5’-CAGGCCACCCA C GAAATCCCGAG-3’	14
S349L	5’-CTGGGCTCCTGT T ATCCTTTGGTGAATT-3’	15
	5’-AATTCACCAAAGGAT A ACAGGAGCCCAG-3’	16
R408W	5’-GCCACAATACCT T GGCCCTTCTCAG-3’	17
	5’-CTGAGAAGGGCC A AGGTATTGTGGC-3’	18

* 밑줄친 서열은 바꿔치기될 부분을 가리킨다.

전체 서열을 증폭하기 위한 프라이머로는 5’-GGTACCATGTCCACTGCGGTCCTGGAAAAC-3’(서열번호 19)과 5’-ATGCATTTACTTTATTTTCTGGAGGGCACTGCAAA-3’(서열번호 20)을 사용하였다. 주형으로 사용된 인간 PAH cDNA는 pMAL vector에 클로닝된 것으로 Prof. Aurora Martinez (University of Bergen, Norway)로부터 분양받은 것이다 (Martinez A, et al. 1995 Biochem J 306, 589597).

PCR 반응은 1X 반응 완충용액 (10 mM Tris-HCl, pH 9.0, 50 mM KCl, 0.1% Triton X-100), 1.5 mM MgCl₂, 0.2 mMd NTPs, 0.5 pmole 프라이머, 적당량의 주형 DNA, 2 unit의 pfu DNA 중합효소를 첨가하여 최종 50 μl로 맞추었다. 처음 95℃에서 5분간 DNA를 변성시킨 후 95℃에서 1분, 62℃에서 1분, 72℃에서 1분씩 30회 반복하여 증폭시켰다. 마지막으로 72℃에서 10분간 연장시간을 주어 PCR 반응을 종결시켰다. 0.7% 아가로스 겔에 전기영동하여 증폭된 DNA를 확인하였다.

실시예 3. 발현벡터의 형질전환

돌연변이 hPAH 유전자는 KpnI/NsiI 제한효소를 처리하여 분리하고 pDXA-3H 벡터(Manstein DJ, et al. 1995 Gene 162, 129134)에 삽입시켰다. 미리 배양한 세포성점균을 4℃에서 350xg로 3분간 원심분리하여 세포를 회수하였다. 회수된 세포는 차가운 전기천공(electroporation) 완충용액 (20 mM HEPES, 50 mM KCl, 10 mM NaCl, 1 mM MgSO₄, 5mM NaHCO₃, 1 mM NaH₂PO₄, pH7.0)으로 2회 씻어주어 배지를 제거한 후 전기천공 완충용액에 5×10⁶ 세포의 농도로 부유시켰다. 100 μl의 세포부유액에 10 μg의 형질전환용 DNA를 잘 섞어준 후 0.85 Kv로 2번 전기충격을 하고 얼음에 5분간 방치한 후 20 ml의 HL5가 들어있는 플레이트로 옮겨 22℃에서 배양하였다. 24시간 후 G418을 10 μg/ml의 농도로 첨가하였다. 배지와 항생제를 매일 교환하면서 광학현미경으로 형질전환 콜로니가 생성되는 것을 관찰하였다.

실시예 4. 생장속도 측정 및 PAH 활성 분석

형질전환된 세포들을 우선 HL5 배지에서 2×10⁶ 세포/ml 수준까지 배양한 후 FM 배지로 씻어주고 다시 FM 배지에 1×10⁶ 세포/ml의 농도로 접종하였다. 22℃, 150 rpm의 진탕배양기(shaking incubator)에서 2일간 배양 후 세포계수기(hemacytometer)를 사용하여 세포수를 측정하고 8,000 rpm에서 5분간 원심분리하여 세포를 회수하였다.

회수한 세포는 100 μl의 용해 버퍼(50 mM Tris-HCl pH 7.5, 1 mM DTT, 1 mM PMSF)에 부유하였다. 액체질소를 이용하여 얼림과 녹임을 3회 반복하여 세포를 파쇄한 후 4℃, 15,000 rpm에서 20분간 원심 분리하여 상등액(조효소추출물)을 회수하였다. 회수한 조효소추출물을 세파덱스 G-25 스핀 칼럼을 사용하여 단백질을 회수하였다. 단백질의 농도 측정은 Bradford 방법을 이용하였고, 표준 단백질로는 BSA(bovine serum albumin)을 사용하였다.

PAH 활성 분석은 50 μl의 반응액에 100 mM Tris-HCl (pH 7.5), 2 mM L-페닐알라닌, 100 유닛 카탈라아제, 5mM DTT, 0.4 mM BH4, 10 μg의 조효소추출물을 첨가하여 37℃에서 10분간 반응을 실시한 후 동량의 5%(v/v) 트리클로로아세트산(Trichloroacetic Acid) 용액으로 반응을 중단시켰다 (Kim HL, et al, 2012 FEBS Lett 586, 3596-3600). 13,000 rpm에서 10분간 원심분리하여 상등액에 존재하는 L-티로신의 양을 HPLC를 사용하여 정량분석하였다. HPLC에는 Gilson 321 Pump에 Rheodyne loop를 장착하여 사용하였으며, 역상의 Inertsil ODS-3 C18 (5 μm, 4.6x150 mm, GL sciences Ins.)을 사용하였다. 유동상으로는 30 mM 소듐 아세테이트(pH3.5)을 사용하여 1 ml/분의 속도로 흘려주었다. 티로신 피크(tyrosine peak)의 형광분석은 형광검출기(Fluorescence detector; RF-10A XL, Shimadzu)를 사용하여 290 nm/340 nm (excitation/emission) 파장과 Sens 1/Gain 2에서 검출하였다.

실시예 5. 웨스턴 블롯 분석

조효소추출물(50 μg)을 5X 샘플 버퍼 (250 mM Tris-HCl pH 6.8, 10% SDS, 30% glycerol, 5% β-mercapitalethanol, 0.02% bromophenol blue)와 섞은 후 SDS-PAGE와 웨스턴 블로팅을 실시하였다. SDS-PAGE 후, 트랜스퍼 버퍼 (25 mM Tris, 192 mM glycine, pH 8.3, 10% Methanol)를 사용하여 45 volt에서 2시간 전기영동하여 단백질을 니트로셀룰로오스 멤브레인에 이동시켰다. 트랜스퍼가 끝난 멤브레인을 10 ml의 TTBS (1X TBS-10 mM Tris, 150 mM NaCl, pH 7.5에 500 μl의 Tween-20을 첨가) 용액으로 씻어주고, 10 ml의 블로킹 (10 ml의 TTBS 용액에 5% BSA를 첨가) 용액으로 1시간 동안 가볍게 흔들면서 반응시켰다. 10 ml의 TTBS 용액으로 씻어준 후 10 ml의 TTBS 용액에 5 μl의 1차 항체(인간 PAH 항체; Abcam)를 첨가하여 가볍게 흔들면서 하룻밤 방치하였다가 10 ml의 TTBS 용액으로 5분간 두 번 씻어주었다. 다시 10 ml의 TTBS 용액에 2.5 μl의 2차 항체(horseradish peroxidase-conjugated secondary antibodies)를 첨가하여 1시간 동안 반응시킨 후 10 ml의 TTBS 용액으로 5분간 세 번 씻어주었다. 멤브레인을 OHP 필름 위에 놓고 2 ml의 ECL 용액을 멤브레인에 올려 3분간 반응 후 용액을 휴지에 흡수시켜 제거하였다. 멤브레인 위에 다시 OHP 필름을 겹친 후 멤브레인과 필름 사이의 기포를 제거하고 이미징 장비인 Fusion-SL4 Spectra (Vilber, Germany)를 이용해 밴드를 검출하였다.

실험결과 1. 생장속도와 PAH 활성 간의 상관관계

PAH 유전자가 치환된 돌연변이 세포성점균(pah ^-)에 야생형을 비롯하여 돌연변이 인간 PAH 유전자 각각이 삽입된 발현벡터를 넣은 형질전환체 9가지를 만들었다. 이 형질전환체들을 FM 배지에서 48시간 키운 후 생장속도를 비교하였다 (도 1의 A).

도 1의 A에 나타난 바와 같이, pah ^- 균주는 FM 배지에서 전혀 생장할 수 없는 것과 달리, 야생형 균주(WT) 뿐만 아니라 돌연변이 형질전환체들은 정도의 차이는 있지만 모두 생장하였다. 특히 심각한 PKU를 야기시키는 돌연변이로 알려진 S349L의 형질전환체는 가장 낮은 생장을 보여주었으며, PAH 활성도 간신히 측정되는 수준이었다. 전체적으로 형질전환체 마다 생장속도와 PAH 활성의 수준은 상관관계를 나타내었으며, 그 수준은 PKU 증상의 심각성과 관련이 있음을 시사하였다. 이는 생장속도와 PAH 활성 간에 밀접한 상관관계가 있음을 보여주는 것으로 이를 확인하기 위해 선형회귀분석을 실시하였다.

도 1의 B에서, 선형상관관계는 통계적으로 유의성이 있음을 보여줌으로써 생장속도가 PAH 활성에 의존함을 지지하였다. 이러한 결과는 pah ^-에서 상보적 발현을 통해 그 생장속도로서 미스센스 돌연변이를 가진 인간 PAH를 정량적으로 평가할 수 있음을 제시한다. 생장속도는 PAH 활성보다 측정하기가 용이하다는 장점이 있다.

실험결과 2. 세포내 테트라히드로테린 농도가 단백질 잔존량에 미치는 영향

pah ^-에서 발현된 돌연변이 PAH 단백질량을 측정하기 위하여 조효소추출물을 가지고 웨스턴 블롯 분석을 실시하였다.

도 2의 A I에서와 같이, 예상대로 돌연변이에 따라 단백질량에 차이를 보였다. K42I, L48S, S349L, R408W의 경우는 야생형의 10% 미만이었으며, 다른 돌연변이들은 50% 이상으로 나타났다. 돌연변이에 따라 단백질량에서의 차이가 있다는 것은 세포성점균에서 사람 PAH가 외부유래 단백질로서 무작위적인 분해를 당하는 것이 아니라, 인간세포에서와 유사한 단백질 접힘에서의 문제와 대면하고 있음을 의미한다.

pah ^-는 야생형과 동일하게 많은 양의 테트라히드로테린을 생성하기 때문에 돌연변이 PAH 단백질들은 이들에 의한 pharmacological chaperone 효과를 받고 있다고 추정된다. 이러한 효과를 검증하기 위하여 돌연변이 PAH 단백질들을 세피아테린 환원효소가 결핍된 돌연변이 균주(spr ^-)에 발현시켰다. 이 균주에는 세포성점균의 PAH가 그대로 남아있기 때문에 인간 PAH의 단백질량만을 분석하였다.

도 2의 A II에서와 같이, F39L, K42I, I65T의 경우는 단백질량이 현저하게 감소하였다. 흥미롭게도 이 돌연변이들은 BH4-반응성이 있다고 알려진 것들이다 (ZurflMR, et al. 2008 Hum Mutat 29, 167-175). 심각하지는 않지만, R252Q와 L255V도 절반 수준으로 단백질량이 감소하였다. 예상 밖으로 S349L은 비교적 높게 단백질량이 증가하였다. 이러한 결과는 돌연변이 인간 PAH의 BH4에 대한 반응성을 세포성점균을 이용하여 세포 수준에서 연구할 수 있음을 의미한다.

실시결과 3. 영양배지가 단백질 잔존량에 미치는 영향

상기 결과는 테트라히드로테린과 유사한 효과를 발휘하는 화합물을 세포성점균을 이용하여 스크리닝할 수 있음을 제시하였다. 그 가능성을 타진하기 위하여 pah ^-를 영양배지인 HL5 배지에서 배양하고 단백질량을 분석하였다 (도 2의 A III). HL5 배지에 포함되는 효모추출물에는 천연성분이 풍부하게 존재하고 있다.

도 2의 C에서, 단백질량의 증가를 보여주는 돌연변이는 L48S, S349L, R408W였으며, 이들 중에서 S349L은 야생형 수준으로 회복되었다. 또한 단백질량의 증가가 효소활성과 연결되는지 알아본 결과, 도 2의 D와 같이, S349L과 R408W에서 유의한 활성 증가가 관찰되었다. S349L의 경우 단백질량에 비례하는 활성증가를 보여주지 않았지만 FM 배지에서와 비교하여 5배 수준으로 증가하였다. 이는 아마도 S349L 돌연변이가 단백질 촉매활성에 심각한 영향을 미치기 때문으로 사료되며, 이전의 연구결과 (GA, et al. 2000 J Biol Chem 275, 29737-29742)도 이를 지지하고 있다. R408W의 경우는 단백질량과 효소활성 모두 유사한 (2배) 수준으로 증가하였다. 효모추출물 내에 어떤 성분이 S349L과 R408W의 단백질 안정성에 영향을 미쳤는지는 확인되지 않았으나, 이 결과는 세포성점균을 이용하여 일부 돌연변이에 특이적인 천연화합물 또는 약물 샤프론을 찾아내는데 이용할 수 있음을 보여준다.

추가적으로, HL5 배지에서 배양한 S349L 균주에서 PAH 단백질량이 회복되는 것이 HL5 배지에 포함된 효모추출물에 의한 것인지 확인하기 위하여, S349L 균주를 효모추출물이 첨가된 FM 배지에서 키운 후 웨스턴 블롯 분석을 수행하였다. 도 4는 웨스턴 블롯 결과로서, 상단의 사진은 웨스턴 블롯의 결과이고 하단의 그래프는 정량값을 나타낸다. 효모추출물 1X의 농도는 리터당 5 g이었다. 도 4에 나타난 결과에 따르면, 효모추출물에 S349L에 약리학적 샤프론과 같이 단백질 안정성을 증가시키는 성분이 존재함이 확인되었다.

결과 분석

PKU와 관련된 돌연변이 PAH를 세포성점균에서 발현시킨 것은 본 발명이 처음이다. 따라서 세포성점균을 이용한 발현시스템이 인간 PAH 연구에 적합한지를 검증하기 위하여, 본 발명을 통해 얻어진 결과를 인간세포를 비롯한 다른 발현시스템에서 연구된 결과와 비교하였다. 연구 결과를 설명하는데 편의를 도모하기 위해 효소 활성과 단백질량 간의 관계를 보여주는 그래프를 준비하였다 (도 3).

도 3은 돌연변이가 단백질 안정성과 촉매활성에 미치는 영향을 보여준다. 궁극적으로 개개의 돌연변이 인간 PAH의 표현형을 결정하는데 관여하는 세포내 PAH 활성은 단백질량과 그 촉매활성에 의해 결정된다. 도 3에서 원점으로부터 WT을 지나는 선을 그렸다. 이것은 야생형 인간 PAH의 진정한 특이활성을 보여주는 것으로 WT line이라 명명하였다. 오로지 단백질 안정성에만 영향을 미치는 돌연변이를 가정한다면 이것은 WT line을 따라서 움직일 것이다. 만약 돌연변이가 단백질 안정성과 촉매활성 둘 다에 영향을 준다면 이 돌연변이는 WT line 아래에 나타날 것이다. 두 가지 각각에 미치는 돌연변이의 영향력에 따라 위치가 변할 것이며, 심각한 돌연변이일수록 원점에 가까워질 것이다.

도 3에서, R252Q, S349L, R408W는 WT line 아래에 위치하고 있으며 이는 이전에 보고된 연구결과에 부합한다. K42I는 WT line에 붙어있지만 조절 도메인 돌연변이에 속하는 다른 것들과 유사하기 때문에 아래에서 함께 논의되었다. 도 3에서, R252는 전형적으로 촉매활성에 문제를 야기시키는 돌연변이로 보이며 다른 발현시스템에서 연구된 결과도 이를 지지한다.

R252는 촉매 도메인에 위치하고 있으며 이 아미노산이 바뀌면 도메인에서 안정적인 상호작용을 파괴시킬 것으로 추정되고 있다 (Erlandsen H, et al. 2003 Pediatrics 112, 1557-1565). 대장균과 in vitro 발현시스템에서 얻어진 R252Q 재조합 단백질은 야생형의 3~11.4% 활성을 나타내었다 (Bjørgo E, et al. 1998 Eur J Biochem 257, 1-10).

S349L은 단백질 안정성과 촉매활성 둘 다를 심각하게 손상시킨다고 알려져 있으며 (GA, et al. 2000 J Biol Chem 275, 29737-29742), 도 2의 C와 D에서 보여준 결과와도 일치한다.

COS 세포에서 발현된 R408W에 대한 연구결과는 이 돌연변이가 주로 단백질안정성에 문제가 있음을 보여주었다 (Pey AL, et al. 2003 Hum Mutat 21, 370-378). 도 3에서, 단백질량에 비해 낮은 활성을 가지는 것으로 나타났으나, FM과 HL5 배지에서의 결과를 비교한 도 2의 C와 D에서는 단백질량의 증가와 더불어 효소 활성도 비례하여 증가함을 보여준다.

반면에 F39L, L48S, I65T, L255V는 WT line 위에서 발견되고 있다. K42I는 WT line 상에 위치하지만 같은 특성을 가지는 돌연변이에 해당된다. 이 그룹은 야생형보다 단백질 안정성은 낮지만 촉매활성은 높다는 것을 의미한다. 이런 경우는 일반적이지 않지만 L255V를 제외하고 나머지는 조절 도메인에 위치하고 있다. 불활성 상태의 인간 PAH에서 조절 도메인은 활성자리를 덮고 있는 상태로 억제기능을 수행한다고 알려져 있다 (Fitzpatrick PF, 2012 Arch Biochem Biophys 519, 194201). 따라서 조절 도메인에서의 돌연변이는 촉매활성을 오히려 증가시키는 효과를 발휘할 수 있다.

in vitro 발현 결과에 따르면 (Waters PJ, et al. 2000 Mol Genet Metab 69, 101-110), 대장균에서 발현된 F39L, K42I, L48S, I65T 효소들은 각각 야생형의 114%, 133%, 84%, 92% 활성을 보여주었다. 더군다나 TNT-T7 rabbit reticulocyte system에서 이들의 단백질 분해속도는 L48S, K42I, F39L, I65T, WT 순으로 나타났으며, 이 결과는 인간 신장세포에서도 확인되었다. 이러한 결과는 단백질량들을 분석한 결과 (도 2의 A와 B)와도 일치한다. 다만 L255V는 이전의 다른 발현시스템에서 연구된 결과 (Bjørgo E, et al. 1998 Eur J Biochem 257, 1-10) 보다 높은 단백질 안정성과 촉매활성을 보여주었는데, 이러한 차이는 세포성점균의 배양이 22℃에서 이루어지기 때문인 것으로 보인다. 따라서 전체적으로 본 발명의 결과가 다른 발현시스템에서 얻어진 결과에 잘 부합됨이 확인되었다.

결론적으로, 본 발명에 따르면 다른 발현시스템을 대체하여 세포성점균이 인간 PAH에서 미스센스 돌연변이를 단백질과 세포 수준에서 분석할 수 있는 유용한 발현시스템임을 보여주었다. 따라서 인간 PAH의 미스센스 돌연변이는 세포성점균에서의 발현을 통해 그 생장속도로서 정량적으로 평가될 수 있으며, 좀더 in vivo에 가까운 조건에서 단백질 안정성과 촉매 활성을 돌연변이 단백질들의 특성을 연구할 수 있게 해준다. 무엇보다도 세포수준의 분석(cell-based assay)이 가능함으로써 구조적으로 불안정한 돌연변이 단백질에 대한 연구를 가능하게 해준다. 세포성점균은 경제적인 연구모델인 동시에 안정적으로 유지되는 발현 시스템으로서 돌연변이 단백질들에 대한 상세한 연구를 가능케할 것으로 생각되며, 더군다나 테트라히드로테린과 다른 후보분자들의 pharmacological chaperone 효과를 분석할 수 있는 기회를 제공할 것이다. 또는 페닐케톤뇨증 환자에게 영향을 줄 수 있는 약물이나 음식물 성분의 분석에도 이용될 것으로 기대된다. 이를 통해 돌연변이 유형에 특이적인 환자맞춤형 치료에 접근할 수 있는 유용한 연구시스템으로서도 중요한 의미를 가진다. 더나아가서는 단백질 접힘과 관련된 많은 질환에도 응용이 가능할 것으로 기대된다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

<110> inje university industry-academic cooperation foundation <120> Analysis method of activity for human phenylalanine hydroxylase using Dictyostelium discoideum <130> NP14-1354 <160> 20 <170> KopatentIn 2.0 <210> 1 <211> 452 <212> PRT <213> homo sapiens <400> 1 Met Ser Thr Ala Val Leu Glu Asn Pro Gly Leu Gly Arg Lys Leu Ser 1 5 10 15 Asp Phe Gly Gln Glu Thr Ser Tyr Ile Glu Asp Asn Cys Asn Gln Asn 20 25 30 Gly Ala Ile Ser Leu Ile Phe Ser Leu Lys Glu Glu Val Gly Ala Leu 35 40 45 Ala Lys Val Leu Arg Leu Phe Glu Glu Asn Asp Val Asn Leu Thr His 50 55 60 Ile Glu Ser Arg Pro Ser Arg Leu Lys Lys Asp Glu Tyr Glu Phe Phe 65 70 75 80 Thr His Leu Asp Lys Arg Ser Leu Pro Ala Leu Thr Asn Ile Ile Lys 85 90 95 Ile Leu Arg His Asp Ile Gly Ala Thr Val His Glu Leu Ser Arg Asp 100 105 110 Lys Lys Lys Asp Thr Val Pro Trp Phe Pro Arg Thr Ile Gln Glu Leu 115 120 125 Asp Arg Phe Ala Asn Gln Ile Leu Ser Tyr Gly Ala Glu Leu Asp Ala 130 135 140 Asp His Pro Gly Phe Lys Asp Pro Val Tyr Arg Ala Arg Arg Lys Gln 145 150 155 160 Phe Ala Asp Ile Ala Tyr Asn Tyr Arg His Gly Gln Pro Ile Pro Arg 165 170 175 Val Glu Tyr Met Glu Glu Glu Lys Lys Thr Trp Gly Thr Val Phe Lys 180 185 190 Thr Leu Lys Ser Leu Tyr Lys Thr His Ala Cys Tyr Glu Tyr Asn His 195 200 205 Ile Phe Pro Leu Leu Glu Lys Tyr Cys Gly Phe His Glu Asp Asn Ile 210 215 220 Pro Gln Leu Glu Asp Val Ser Gln Phe Leu Gln Thr Cys Thr Gly Phe 225 230 235 240 Arg Leu Arg Pro Val Ala Gly Leu Leu Ser Ser Arg Asp Phe Leu Gly 245 250 255 Gly Leu Ala Phe Arg Val Phe His Cys Thr Gln Tyr Ile Arg His Gly 260 265 270 Ser Lys Pro Met Tyr Thr Pro Gln Pro Asp Ile Cys His Glu Leu Leu 275 280 285 Gly His Val Pro Leu Phe Ser Asp Arg Ser Phe Ala Gln Phe Ser Gln 290 295 300 Glu Ile Gly Leu Ala Ser Leu Gly Ala Pro Asp Glu Tyr Ile Glu Lys 305 310 315 320 Leu Ala Thr Ile Tyr Trp Phe Thr Val Glu Phe Gly Leu Cys Lys Gln 325 330 335 Gly Asp Ser Ile Lys Ala Tyr Gly Ala Gly Leu Leu Ser Ser Phe Gly 340 345 350 Glu Leu Gln Tyr Cys Leu Ser Glu Lys Pro Lys Leu Leu Pro Leu Glu 355 360 365 Leu Glu Lys Thr Ala Ile Gln Asn Tyr Thr Val Thr Glu Phe Gln Pro 370 375 380 Leu Tyr Tyr Val Ala Glu Ser Phe Asn Asp Ala Lys Glu Lys Val Arg 385 390 395 400 Asn Phe Ala Ala Thr Ile Pro Arg Pro Phe Ser Val Arg Tyr Asp Pro 405 410 415 Tyr Thr Gln Arg Ile Glu Val Leu Asp Asn Thr Gln Gln Leu Lys Ile 420 425 430 Leu Ala Asp Ser Ile Asn Ser Glu Ile Gly Ile Leu Cys Ser Ala Leu 435 440 445 Gln Lys Ile Lys 450 <210> 2 <211> 1359 <212> DNA <213> homo sapiens <400> 2 atgtccactg cggtcctgga aaacccaggc ttgggcagga aactctctga ctttggacag 60 gaaacaagct atattgaaga caactgcaat caaaatggtg ccatatcact gatcttctca 120 ctcaaagaag aagttggtgc attggccaaa gtattgcgct tatttgagga gaatgatgta 180 aacctgaccc acattgaatc tagaccttct cgtttaaaga aagatgagta tgaatttttc 240 acccatttgg ataaacgtag cctgcctgct ctgacaaaca tcatcaagat cttgaggcat 300 gacattggtg ccactgtcca tgagctttca cgagataaga agaaagacac agtgccctgg 360 ttcccaagaa ccattcaaga gctggacaga tttgccaatc agattctcag ctatggagcg 420 gaactggatg ctgaccaccc tggttttaaa gatcctgtgt accgtgcaag acggaagcag 480 tttgctgaca ttgcctacaa ctaccgccat gggcagccca tccctcgagt ggaatacatg 540 gaggaagaaa agaaaacatg gggcacagtg ttcaagactc tgaagtcctt gtataaaacc 600 catgcttgct atgagtacaa tcacattttt ccacttcttg aaaagtactg tggcttccat 660 gaagataaca ttccccagct ggaagacgtt tctcaattcc tgcagacttg cactggtttc 720 cgcctccgac ctgtggctgg cctgctttcc tctcgggatt tcttgggtgg cctggccttc 780 cgagtcttcc actgcacaca gtacatcaga catggatcca agcccatgta tacccccgaa 840 cctgacatct gccatgagct gttgggacat gtgcccttgt tttcagatcg cagctttgcc 900 cagttttccc aggaaattgg ccttgcctct ctgggtgcac ctgatgaata cattgaaaag 960 ctcgccacaa tttactggtt tactgtggag tttgggctct gcaaacaagg agactccata 1020 aaggcatatg gtgctgggct cctgtcatcc tttggtgaat tacagtactg cttatcagag 1080 aagccaaagc ttctccccct ggagctggag aagacagcca tccaaaatta cactgtcacg 1140 gagttccagc ccctgtatta cgtggcagag agttttaatg atgccaagga gaaagtaagg 1200 aactttgctg ccacaatacc tcggcccttc tcagttcgct acgacccata cacccaaagg 1260 attgaggtct tggacaatac ccagcagctt aagattttgg ctgattccat taacagtgaa 1320 attggaatcc tttgcagtgc cctccagaaa ataaagtaa 1359 <210> 3 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward PCR primer for F39L <400> 3 ccatatcact gatcttgtca ctcaaagaag aa 32 <210> 4 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse PCR primer for F39L <400> 4 ttcttctttg agtgacaaga tcagtgatat gg 32 <210> 5 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward PCR primer for K42I <400> 5 ctgatcttct cactcataga agaagttggt gc 32 <210> 6 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse PCR primer for K42I <400> 6 gcaccaactt cttctatgag tgagaagatc ag 32 <210> 7 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward PCR primer for L48S <400> 7 gaagttggtg catcggccaa agtatt 26 <210> 8 <211> 26 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse PCR primer for L48S <400> 8 aatactttgg ccgatgcacc aacttc 26 <210> 9 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward PCR primer for I65T <400> 9 gtaaacctga cccacactga atctagacct tc 32 <210> 10 <211> 32 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse PCR primer for I65T <400> 10 gaaggtctag attcagtgtg ggtcaggttt ac 32 <210> 11 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward PCR primer for R252Q <400> 11 tgctttcctc tcaggatttc ttgggtg 27 <210> 12 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse PCR primer for R252Q <400> 12 cacccaagaa atcctgagag gaaagca 27 <210> 13 <211> 23 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward PCR primer for L255V <400> 13 ctcgggattt cgtgggtggc ctg 23 <210> 14 <211> 23 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse PCR primer for L255V <400> 14 caggccaccc acgaaatccc gag 23 <210> 15 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward PCR primer for S349L <400> 15 ctgggctcct gttatccttt ggtgaatt 28 <210> 16 <211> 28 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse PCR primer for S349L <400> 16 aattcaccaa aggataacag gagcccag 28 <210> 17 <211> 25 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward PCR primer for R408W <400> 17 gccacaatac cttggccctt ctcag 25 <210> 18 <211> 25 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse PCR primer for R408W <400> 18 ctgagaaggg ccaaggtatt gtggc 25 <210> 19 <211> 30 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> forward PCR primer for hPAH cDNA <400> 19 ggtaccatgt ccactgcggt cctggaaaac 30 <210> 20 <211> 35 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> reverse PCR primer for hPAH cDNA <400> 20 atgcatttac tttattttct ggagggcact gcaaa 35

Claims

a) 서열번호 1의 아미노산 서열로 표시되는 인간 PAH(phenylalanine hydroxylase)를 코딩하는 유전자에서 페닐케톤뇨증(phenylketonuria)을 야기시키는 돌연변이를 포함하는, 돌연변이 PAH 유전자를 세포성점균에 형질전환 시키는 단계;
b) 상기 돌연변이 PAH 유전자로 치환된 세포성점균을 티로신(tyrosine)이 결핍된 최소영양배지에서 배양시키는 단계; 및
c) 상기 배양되는 세포성점균의 생장 속도를 측정하는 단계를 포함하는 세포성점균을 이용한 인간 돌연변이 PAH 활성분석 방법.
제 1항에 있어서, 상기 인간 PAH를 코딩하는 유전자는 서열번호 2의 염기서열을 갖는 hPAH cDNA인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 페닐케톤뇨증을 야기시키는 돌연변이는 서열번호 1로 표시되는 인간 PAH의 아미노산 서열에서 F39L, K42I, L48S, I65T, R252Q, L255V, S349L 및 R408W로 구성된 군에서 선택되는 미스센스 돌연변이(missense mutation)인 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 미스센스 돌연변이는 서열번호 3 내지 18로 표시되는 프라이머를 이용하여 해당 코돈의 염기가 치환된 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 세포성점균은 딕티오스텔리움 디스코이데움(Dictyostelium discoideum)인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 세포성점균의 생장 속도는 PAH 활성과 선형상관관계에 있는 것을 특징으로 하는 방법.
1) 서열번호 1의 아미노산 서열로 표시되는 인간 PAH(phenylalanine hydroxylase)에서 F39L, K42I, L48S,I65T, R252Q, L255V, S349L 및 R408W로 구성된 군에서 선택된 아미노산이 치환된 돌연변이 hPAH를 코딩하는 폴리뉴클레오티드가 도입된 재조합벡터로 형질전환된 세포성점균을 제조하는 단계;
2) 상기 형질전환된 세포성점균을 PAH에 대한 약리학적 샤프론(pharmacological chaperone) 후보물질이 첨가 된 티로신-결핍 최소배양배지에서 배양하는 단계; 및3) 상기 배양 후 세포성점균의 생장 속도가 후보물질 비처리군과 비교하여 증가된 경우, 상기 후보물질을 PAH에대한 약리학적 샤프론으로 판단하는 단계하기 단계를 포함하는, 세포성점균을 이용한 페닐케톤뇨증(phenylketonuria) 치료제의 스크리닝 방법.
제 7항에 있어서, 상기 1) 단계에서 재조합벡터는 돌연변이 hPAH 유전자가 pDXA-3H 벡터에 삽입된, 도 5에 개시된 재조합벡터인 것을 특징으로 하는, 세포성점균을 이용한 페닐케톤뇨증 치료제의 스크리닝 방법.
제 7항에 있어서, 상기 2) 단계에서 약리학적 샤프론 후보물질은 천연화합물, 합성화합물, 효소, 단백질 또는 핵산인 것을 특징으로 하는, 세포성점균을 이용한 페닐케톤뇨증 치료제의 스크리닝 방법.
삭제
서열번호 1의 아미노산 서열로 표시되는 인간 PAH(phenylalanine hydroxylase)에서 F39L, K42I, L48S, I65T, R252Q, L255V, S349L 및 R408W로 구성된 군에서 선택된 아미노산이 치환된 돌연변이 hPAH를 코딩하는 폴리뉴클레오티드가 도입된, 도 5에 개시되어 있는 재조합벡터 pDXA-hPAHs로 형질전환된 딕티오스텔리움 디스코이데움(Dictyostelium discoideum) 균주.