KR102121863B1 - Method for Analyzing Proteinase Activity using luciferase - Google Patents

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Abstract

본 발명은 루시퍼레이스를 사용하여 단백질분해효소의 활성을 측정하는 방법에 관한 것으로, 단백질분해효소가 활성을 갖는 경우 기질 펩티드가 분해되고, 루시퍼레이스가 해리되어 생물발광 신호가 감소하므로 단백질분해효소의 활성을 쉽게 측정할 수 있다.The present invention relates to a method for measuring the activity of a protease using a luciferase. When the protease has activity, the substrate peptide is decomposed, and the luciferase is dissociated to decrease the bioluminescence signal, so that the protease is Activity can be easily measured.

Description

루시퍼레이스를 이용한 단백질분해효소의 활성 분석 방법{Method for Analyzing Proteinase Activity using luciferase}Method for Analyzing Protease Activity Using Luciferase{Method for Analyzing Proteinase Activity using luciferase}

본 발명은 루시퍼레이스를 사용하여 단백질분해효소의 활성을 측정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring the activity of a protease using luciferase.

세포는 주로 소포체(endoplasmic reticulum)와 골지(Golgi)를 매개한 전달을 통해 주변 세포 외액(extracellular fluids)에 효소를 분비한다. 세포외기질 금속단백분해효소(mtrix metalloproteinase, MMP)는 암세포 및 기질 세포(stromal cell)에서 분비되는 단백질분해효소이며 세포 이동, 전이 및 조직 리모델링에 중요한 효소이다. 여러 조직 또는 세포에서 MMP 활성의 정량적 평가는 정상 및 비정상 발달을 구별하는 중요한 단서를 제공하며, 새로운 질병 치료 전략 개발의 기초를 제공한다. 지금까지 자이모그래픽 기술(zymographic technique)은 MMP 활성을 분석하기 위한 표준 방법으로 오랫동안 사용되어 왔으며, 이는 선호 기질의 분해 및 분자량에 따라 서로 다른 MMP의 활성을 쉽게 측정한다. 그러나 자이모그래픽 기술은 단백질 풀림(unfolding) 및 재접힘(refolding) 과정에서 시간이 오래 걸리고, 전기영동 과정 동안 SDS(sodium dodecyl sulfate)가 MMP로부터 TIMPs(tissue inhibitor of metalloproteinase)를 해리시키기 때문에 실제 시료에서는 얼마나 많은 MMP가 TIMPs와 복합체 형태로 존재하는지 확인할 수 없는 단점이 있다. MMP 활성의 신속하고 직접적인 측정을 위해 형광 색소(fluorescent dyes), 단백질 및 나노 물질을 사용하는 비색법(colorimetry), 전기화학적 측정법(electrochemical measurement) 또는 고민감성 형광 측정법이 개발되었다. 그러나 실제 시료에서 사용시 비색법 또는 전기화학적 측정법은 측정 신호가 방해 받고, 형광 신호는 생물학적 시료에서 빛의 흡수 또는 산란에 의해 방해 받을 수 있다. 이러한 문제를 피하기 위해, 장파장 방출(long wavelength emission)을 나타내는 형광단(fluorophores) 및 나노물질이 생체 내(in vivo) 이미징에 사용되었지만 복잡한 합성 과정, 고가의 비용 및 낮은 양자 수율(low quantum yield)로 인해 실제 사용에 여전히 장애가 되고 있다.Cells secrete enzymes into extracellular fluids, primarily through mediated endoplasmic reticulum and Golgi. Extracellular matrix metalloproteinase (MMP) is a protease secreted from cancer cells and stromal cells and is an important enzyme for cell migration, metastasis and tissue remodeling. Quantitative evaluation of MMP activity in multiple tissues or cells provides important clues to distinguish normal and abnormal development and provides the basis for developing new disease treatment strategies. So far, zymographic techniques have been used for a long time as a standard method for analyzing MMP activity, which easily measures the activity of different MMPs depending on the degradation and molecular weight of the preferred substrate. However, zymographic technology takes a long time in the process of protein unfolding and refolding, and SDS (sodium dodecyl sulfate) dissociates TIMPs (tissue inhibitor of metalloproteinase) from MMP during electrophoresis. There is a drawback in how many MMPs exist in complex form with TIMPs. For rapid and direct measurement of MMP activity, colorimetry, electrochemical measurement or highly sensitive fluorescence measurement using fluorescent dyes, proteins and nanomaterials has been developed. However, when used in real samples, colorimetric or electrochemical measurements can interfere with the measurement signal, and fluorescence signals can be disturbed by absorption or scattering of light in biological samples. To avoid this problem, fluorophores and nanomaterials exhibiting long wavelength emission have been used for in vivo imaging, but complicated synthesis process, expensive cost and low quantum yield Due to this, it is still a hindrance to actual use.

지난 수십 년 동안 루시퍼레이스(luciferase)를 사용하는 생물발광 (bioluminescence, BL) 측정법은 광범위한 방출 범위와 부수적인 여기(incident excitation) 필요성이 없어 대부분의 세포 및 조직 유형의 표적을 민감하고 선택적으로 검출하는 데 사용되었다.Bioluminescence (BL) measurements using luciferases over the past few decades have allowed sensitive and selective detection of targets of most cell and tissue types due to the lack of extensive emission range and the need for incidental excitation. Was used.

생물발광 기반 검출은 주로 세균 센서(bacterial sensor), 유전자 리포터 또는 단백질-단백질 상호 작용을 위한 생물발광 공명 에너지 전달(bioluminescence resonance energy transfer, BRET) 시스템과 같은 세포 내 센싱(intracellular sensing)에 사용된다. 그러나 루시퍼레이스의 다양한 응용 범위에도 불구하고, 실제 시료에서 생물발광 측정을 대용량 분석(throughput analysis) 방법으로 확장하기 위해서는 루시퍼레이스를 표면에 고정시킬 수 있어야 한다.Bioluminescence based detection is mainly used for intracellular sensing, such as a bacterial sensor, gene reporter or bioluminescence resonance energy transfer (BRET) system for protein-protein interaction. However, despite the wide range of applications of luciferace, in order to extend bioluminescence measurement in a real sample to a large-capacity analysis method, it must be possible to fix the luciferace to a surface.

본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해 루시퍼레이스, 단백질분해효소의 기질 및 바이오틴이 융합된 컨쥬게이트를 제작하였고, 상기 컨쥬게이트를 바이오틴-스트렙타비딘 결합을 통해 표면에 고정시켜 단백질분해효소의 활성을 측정할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.In order to solve the above problems, the present inventors produced a conjugate in which luciferase, a protease substrate and biotin were fused, and immobilized the conjugate on the surface through biotin-streptavidin binding to enhance the activity of protease. The present invention was completed by confirming that it can be measured.

1. Jeftinija, S., J Cell Mol Med., 2006, 10, 273-27911.Jeftinija, S., J Cell Mol Med., 2006, 10, 273-2791 2. Page-McCaw, A. et.al., Nat Rev Mol Cell Bio., 2007, 8, 221-2332.Page-McCaw, A. et.al., Nat Rev Mol Cell Bio., 2007, 8, 221-233 3. Snoek-van Beurden, P.A.M. et.al., Biotechniques., 2005, 38, 73-833. Snoek-van Beurden, P.A.M. et.al., Biotechniques., 2005, 38, 73-83 4. Kim, G.B. et.al., Biosens Bioelectron., 2013, 41, 833-8394. Kim, G.B. et.al., Biosens Bioelectron., 2013, 41, 833-839 5. Zhang, C.Q. et.al., Biochip J., 2016, 10, 198-2075. Zhang, C.Q. et.al., Biochip J., 2016, 10, 198-207 6. Fernandez, A. et.al., Chem Soc Rev., 2016, 45, 1182-11966. Fernandez, A. et.al., Chem Soc Rev., 2016, 45, 1182-1196 7. Yang, J. et.al., Bba-Mol Cell Res., 2007, 1773, 400-4077.Yang, J. et.al., Bba-Mol Cell Res., 2007, 1773, 400-407 8. Kim, Y.P. et.al., Anal Chem., 2008, 80, 4634-46418. Kim, Y.P. et.al., Anal Chem., 2008, 80, 4634-4641 9. Frangioni, J.V., Current opinionin chemical biology., 2003, 7, 626-6349.Frangioni, J.V., Current opinionin chemical biology., 2003, 7, 626-634 10. Paley, M.A. et.al., MedChemComm., 2014, 5, 255-26710. Paley, M.A. et.al., MedChemComm., 2014, 5, 255-267 11. Kim, Y.P. et.al., Chem Commun., 2010, 46, 76-7811.Kim, Y.P. et.al., Chem Commun., 2010, 46, 76-78 12. Dawson, P.E. et.al., Science., 1994, 266, 776-77912. Dawson, P.E. et.al., Science., 1994, 266, 776-779

본 발명의 일 목적은 하기 단계를 포함하는 단백질분해효소의 활성 측정 방법을 제공하는 것이다:One object of the present invention is to provide a method for measuring the activity of a protease comprising the following steps:

⒜ 루시퍼레이스(luciferase)와 단백질분해효소 기질 펩티드의 융합 단백질을 링커를 통해 표면에 고정시키는 단계;⒜ fixing the fusion protein of luciferase and protease substrate peptide to the surface through a linker;

⒝ 상기 고정된 융합 단백질에 루시페린을 접촉시키는 단계; 및⒝ contacting the fixed fusion protein with luciferin; And

⒞ 상기 ⒝의 결과물과 단백질분해효소의 활성을 검사하고자 하는 시료를 접촉시키는 단계.⒞ contacting the product of 결과 with a sample to be tested for protease activity.

본 발명의 다른 목적은 루시퍼레이스와 단백질분해효소 기질 펩티드의 융합 단백질 및 상기 융합 단백질을 표면에 고정시키는 링커를 포함하는, 단백질분해효소의 활성 측정용 키트를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a kit for measuring the activity of a protease, comprising a fusion protein of a luciferase and a protease substrate peptide and a linker that fixes the fusion protein to the surface.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은In order to achieve the above object, an aspect of the present invention

⒜ 루시퍼레이스와 단백질분해효소 기질 펩티드의 융합 단백질을 링커를 통해 표면에 고정시키는 단계;⒜ fixing the fusion protein of luciferase and protease substrate peptide to the surface through a linker;

⒝ 상기 고정된 융합 단백질에 루시페린을 접촉시키는 단계; 및⒝ contacting the fixed fusion protein with luciferin; And

⒞ 상기 ⒝의 결과물과 단백질분해효소의 활성을 검사하고자 하는 시료를 접촉시키는 단계를 포함하는, 단백질분해효소의 활성 측정 방법을 제공한다.It provides a method for measuring the activity of protease, comprising the step of contacting a sample to be tested for protease activity with the product of ⒝.

본 발명에서, 시료에 단백질분해효소가 존재하고, 활성을 갖는 경우 상기 단백질분해효소의 기질 펩티드가 분해되고, 루시퍼레이스가 표면으로부터 해리된다. 해리된 루시퍼레이스는 세척에 의하여 제거되므로 생물발광 신호가 감소하고, 이 신호 변화를 확인하여 단백질분해효소의 활성을 측정할 수 있다.In the present invention, when the protease is present in the sample and has activity, the substrate peptide of the protease is decomposed, and the luciferase dissociates from the surface. Since the dissociated luciferase is removed by washing, the bioluminescence signal is reduced, and the activity of the protease can be measured by confirming this signal change.

본 명세서에 사용된 용어, '루시퍼레이스(luciferase)'는 기질인 루시페린(luciferin)을 산화시켜 생물발광(bioluminescence)을 일으키는 산화효소를 말하며 포티너스 파이랄리스(Photinus Pyralis, 반딧불이), 레닐라 레니포미스 (Renilla reniformis, 바다 팬지), 가우시아 프린셉스(Gaussia Princeps), 오프로포러스 그라실리로트리스(Oplophorus gracilirostris, 바다 새우) 등에서 발견된다.As used herein, the term'luciferase' refers to an oxidase that causes bioluminescence by oxidizing the substrate luciferin and refers to Photinus Pyralis , fireflies, Renilla reniformis , sea pansy, Gaussia Princeps ), Oplophorus gracilirostris (sea shrimp).

본 발명의 일 구체예에서, 상기 ⒜의 루시퍼레이스는 레닐라 레니포미스 유래의 레닐라 루시퍼레이스(Renilla luciferase), 가우시아 프린셉스 유래의 가우시아 루시퍼레이스(Gaussia luciferase), 오프로퍼러스 그라실리로트리스 유래의 오프로포러스 루시퍼레이스(Oplophorus luciferase) 및 포티너스 파이랄리스 유래의 반딧불이 루시퍼레이스(firefly luciferase)로 이루어진 군에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment of the present invention, the luciferase of the mussel is Renilla luciferase from Renilla reniformis, Gaussia luciferase from Gaussian Princes, and Opus luciferase It can be selected from the group consisting of Optophorus luciferase and Firefly luciferase derived from Fortinus pyralis, but is not limited thereto.

본 명세서에 사용된 용어, '단백질분해효소(proteinase)'는 단백질의 펩티드 결합을 가수분해하여 아미노산이나 펩티드를 만드는 가수분해효소를 말한다. 동물과 식물의 조직 및 세포에 많이 포함되어 있으며, 분해 양상에 따라 엑소펩티데이스 (exopeptidase) 및 엔도펩티데이스(endopeptidase)로 분류된다.As used herein, the term'proteinase' refers to a hydrolase that hydrolyzes a peptide bond of a protein to make an amino acid or peptide. It is contained in a lot of animal and plant tissues and cells, and is classified into exopeptidase and endopeptidase according to the decomposition pattern.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 단백질분해효소는 세포외기질 금속단백분해효소(matrix metalloproteinase, MMP)일 수 있다. 세포외기질 금속단백분해효소는 세포외기질을 분해하는 엔도펩티데이스의 일종으로 활성 부위에 금속 원자를 포함하고 있다. 상기 세포외기질 금속단백분해효소는 MMP 1, MMP 2, MMP 3, MMP 7, MMP 8, MMP 9, MMP11, MMP 12, MMP 13, MMP 14, MMP15, MMP 16, MMP 17, MMP 24 및 MMP 25로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 MMP 7일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the protease may be an extracellular matrix metalloproteinase (MMP). The extracellular matrix metalloproteinase is a type of endopeptidase that breaks down the extracellular matrix and contains a metal atom at the active site. The extracellular matrix protease is MMP 1, MMP 2, MMP 3, MMP 7, MMP 8, MMP 9, MMP11, MMP 12, MMP 13, MMP 14, MMP15, MMP 16, MMP 17, MMP 24 and MMP It may be selected from the group consisting of 25, preferably MMP 7.

본 명세서에 사용된 용어, '단백질분해효소의 기질 펩티드'는 단백질분해효소가 인식하여 절단하는 펩티드로서, 분석하고자 하는 목적 단백질분해효소가 인식하여 절단할 수 있는 임의의 아미노산 서열을 포함할 수 있다.As used herein, the term'protease peptide of a protease' is a peptide recognized and cleaved by a protease, and may include any amino acid sequence recognized by the protease to be analyzed and cleaved. .

본 발명의 일 구체예에서, 상기 단백질분해효소의 기질 펩티드는 서열번호 6의 서열을 포함할 수 있다. 서열번호 6에 제시된 펩티드 서열(GGVPLSLTMGG)은 세포외기질 금속단백분해효소의 기질로 사용될 수 있으며, MMP-2 또는 MMP-9와 비교하여 MMP-7에 대해 10배 높은 kcat/K M 값을 가지므로 특히 MMP-7 활성 측정에 유용하게 활용될 수 있다.In one embodiment of the invention, the substrate peptide of the protease may include the sequence of SEQ ID NO: 6. The peptide sequence shown in SEQ ID NO: 6 (GGVPLSLTMGG) can be used as a substrate for an extracellular matrix protease, and has a k cat/ K M value that is 10 times higher for MMP-7 compared to MMP-2 or MMP-9. It is particularly useful for measuring MMP-7 activity.

본 명세서에 사용된 용어, '링커(linker)'는 융합 단백질을 표면에 고정시키기 위한 매개체로 링커의 한 쪽 끝은 단백질분해효소의 기질 펩티드와 연결된다. 다른 한 쪽 끝은 표면에 고정되어 있는 링커에 특이적으로 결합하는 물질과 공유결합, 수소결합 등에 의하여 연결되므로 결과적으로 컨쥬게이트가 표면에 고정된다. 상기 링커에는 1종 또는 2종 이상의 물질이 사용될 수 있으며, 바이오틴(biotin), 글루타치온(glutathione), 히스티딘(histidine), 렉틴(lectine) 또는 그 유도체로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 링커로 바이오틴이 사용되는 경우, 표면에는 스트렙타비딘이 고정되어 있을 수 있다.As used herein, the term'linker' is a medium for fixing a fusion protein to a surface, and one end of the linker is connected to a substrate peptide of a protease. The other end is connected by a material that specifically binds to a linker fixed to the surface by covalent bonding, hydrogen bonding, or the like, and as a result, the conjugate is fixed to the surface. One or two or more substances may be used as the linker, and may be selected from the group consisting of biotin, glutathione, histidine, lectine, or derivatives thereof, but is not limited thereto. no. For example, when biotin is used as a linker, streptavidin may be immobilized on the surface.

본 발명의 일 구체예예서, 상기 루시퍼레이스와 단백질분해효소 기질 펩티드의 융합 단백질은 링커와 상호 연결된 컨쥬게이트(conjugate) 형태일 수 있다. 예를 들어, 먼저 루시퍼레이스와 단백질분해효소 기질 펩티드의 융합 단백질 및 GyrA(인테인) 조합을 재조합 벡터를 사용하여 생산한다. 이후, 본 발명의 도 1에 개시된 바와 같이 GyrA와 바이오틴의 치환 반응을 수행함으로써 루시퍼레이스-단백질분해효소의 기질 펩티드-링커의 컨쥬게이트를 제작할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fusion protein of the luciferase and the protease substrate peptide may be in the form of a conjugate interconnected with a linker. For example, a fusion protein and GyrA (intein) combination of a luciferase and a protease substrate peptide is first produced using a recombinant vector. Thereafter, as shown in FIG. 1 of the present invention, a conjugate of luciferase-proteinase-substrate peptide-linker can be prepared by performing a substitution reaction of GyrA and biotin.

상기 인테인(intein)은 단백질이 완성된 형태의 모습으로 접히기(folding) 전에 단백질 스플라이싱(splicing) 과정에서 잘려져 나가는 영역으로, 일부 단백질에서는 번역 후 전구체 단백질이 자기촉매반응에 의해 그 일부가 잘려지고 나머지 부분이 재결합하여 성숙 단백질이 되는 것으로 알려져있다. 이때 잘려지는 영역을 인테인(intein), 성숙 단백질로 남는 영역을 엑스테인(extein)이라고 한다.The intein (intein) is a region in which the protein is cut in the process of protein splicing (folding) before folding (folding) in the form of a completed form. In some proteins, the precursor protein after translation is part of it by autocatalytic reaction. Is cut and the rest is recombined to become a mature protein. At this time, the region to be cut is called intein, and the region that remains as a mature protein is called extein.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 ⒝의 루시페린은 루시페린은 반딧불이 루시페린(firefly luciferin), 달팽이 루시페린(Latia neritoides luciferin), 박테리아 루시페린(Achromobacter fischerii luciferin) 및 코엘렌테라진 (coelenterazine)으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 코엘렌테라진-h가 사용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the luciferin of the murine is luciferin, firefly luciferin, snail luciferin ( Latia neritoides luciferin), the bacterial luciferin ( Achromobacter fischerii luciferin) and coelenterazine (coelenterazine), preferably coelenterazine- h may be used.

본 발명의 일 구체예에서, 상기 방법은 ⒞ 단계 이후 루시퍼레이스의 생물발광 신호의 변화를 검출하여 생물발광 신호가 감소하면 상기 시료 내에 단백질분해효소의 활성이 있고, 생물발광 신호가 유지되면 상기 시료 내에 단백질분해효소의 효소 활성이 없는 것으로 판별하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the method detects a change in the bioluminescence signal of the luciferase after the step ⒞, and when the bioluminescence signal decreases, there is protease activity in the sample, and when the bioluminescence signal is maintained, the sample It may further include the step of determining that there is no enzymatic activity of the protease.

본 발명에서, 상기 '시료'는 분석하고자 하는 단백질분해효소를 함유하거나 함유하고 있는 것으로 추정되어 분석이 행해질 조성물을 의미하며, 생물학적 시료일 수 있다. 상기 생물학적 시료는 조직, 세포, 전혈, 혈청, 혈장, 조직 부검 시료(뇌, 피부, 림프절, 척수 등), 세포 배양 상등액, 파열된 진핵세포 및 세균 발현계 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, the'sample' means a composition to be analyzed by containing or presumed to contain a protease to be analyzed, and may be a biological sample. The biological sample may be tissue, cells, whole blood, serum, plasma, tissue autopsy samples (brain, skin, lymph nodes, spinal cord, etc.), cell culture supernatant, ruptured eukaryotic cells, and bacterial expression systems, but is not limited thereto.

본 발명의 다른 양상은 루시퍼레이스와 단백질분해효소 기질 펩티드의 융합 단백질 및 상기 융합 단백질을 표면에 고정시키는 링커를 포함하는, 단백질분해효소의 활성 측정용 키트를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a kit for measuring the activity of a protease, comprising a fusion protein of a luciferase and a protease substrate peptide and a linker that fixes the fusion protein to the surface.

상기 키트는 루시퍼레이스의 생물발광을 위한 기질인 루시페린과 융합 단백질이 고정되는 마이크로플레이트를 추가로 포함할 수 있고, 상기 마이크로플레이트는 융합 단백질을 고정시킬 수 있도록 링커가 부착되어 있을 수 있다.The kit may further include a microplate in which luciferin and a fusion protein, which are substrates for bioluminescence of luciferase, are fixed, and the microplate may be attached with a linker to fix the fusion protein.

본 발명의 일 예에 따른 방법을 이용하면, 루시퍼레이스의 생물발광신호 변화를 측정하여 단백질분해효소의 활성을 쉽게 측정할 수 있다.Using the method according to an example of the present invention, it is possible to easily measure the activity of a protease by measuring a change in the bioluminescence signal of luciferase.

도 1의 A는 루시퍼레이스, 기질 펩티드 및 바이오틴이 연결된 융합 단백질(Rluc8-pep-Bio)을 제조하는 과정을 개략적으로 보여주고, 도 1의 B는 Rluc8-pep-Bio를 사용하여 단백질분해효소의 활성을 측정하는 방법을 개략적으로 나타낸다.
도 2의 A는 Rluc8-m7-GyrA에 각각 2-멀캅토에테인-술폰산(MESA) 단독 처리(레인 2), MESA와 CK-바이오틴 공동 처리(레인 3), 및 MESA와 L-시스테인을 공동 처리(레인 4)한 후 SDS-PAGE를 수행한 결과를 나타내며, 레인 5 및 6은 각각 정제한 Rluc8-m7-Bio 및 Rluc8-m7-C(C는 L-시스테인)을 SDS-PAGE로 분리한 결과를 나타낸다.
도 2의 B는 스트렙타비딘이 코팅된 마이크로플레이트 표면에 Rluc8-m7-Bio (바이오틴화된 융합 단백질) 또는 Rluc8-m7-C(비바이오틴화된 융합 단백질)을 로딩한 후 결합 두께(binding thickness)를 측정한 결과를 나타낸다.
도 3은 Rluc8-m7-Bio를 마이크로플레이트에 고정시켜 다양한 농도의 MMP-7과 반응시킨 결과(A), 반응시킨 후 생물발광 신호를 측정한 결과(B)및 생물발광 신호를 그래프로 표시한 결과(C)를 나타낸다.
도 4는 다양한 농도의 마우스 혈청(A), 세포 배양 배지(B) 및 세포 조직 추출물(C)에서 MMP-7의 활성을 측정한 결과를 나타낸다.
A of FIG. 1 schematically shows a process of preparing a fusion protein ( R luc8-pep-Bio) linked with luciferase, a substrate peptide, and biotin, and FIG. 1B shows proteolysis using R luc8-pep-Bio A method for measuring the activity of an enzyme is schematically shown.
2A, R luc8-m7-GyrA was treated with 2-mercaptoethane-sulfonic acid (MESA) alone (lane 2), MESA and CK-biotin co-treatment (lane 3), and MESA and L-cysteine, respectively. SDS-PAGE was performed after treatment (lane 4), and lanes 5 and 6 were purified R luc8-m7-Bio and R luc8-m7-C (C is L-cysteine) to SDS-PAGE, respectively. The result of separation is shown.
B of FIG. 2 shows the binding thickness after loading R luc8-m7-Bio (biotinylated fusion protein) or R luc8-m7-C (non-biotinylated fusion protein) on the streptavidin coated microplate surface. binding thickness).
Figure 3 shows the results of reacting with various concentrations of MMP-7 by fixing R luc8-m7-Bio to a microplate (A), and measuring the bioluminescence signal after reaction (B) and displaying the bioluminescence signal in a graph. One result (C) is shown.
Figure 4 shows the results of measuring the activity of MMP-7 in various concentrations of mouse serum (A), cell culture medium (B) and cell tissue extract (C).

이하 하나 이상의 구체예를 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 하나 이상의 구체예를 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, one or more specific examples will be described in more detail through examples. However, these examples are intended to illustrate one or more embodiments by way of example, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실험 방법Experiment method

시약reagent

활성화된 세포외기질 금속단백분해효소-7(matrix metalloproteinase-7; 이하, MMP-7로 기재함) 및 세포외기질 금속단백분해효소-2(이하, MMP-2로 기재함)는 Millipore Sigma (MA, USA)로부터 구입하였다. 코엘렌테라진-h(coelenterazine-h)는 Nanolight Technologies(AZ, USA)에서 구매하고, 니켈(Ⅱ)-니트릴로트리아세트산 (Ni(II)-nitrilotriacetic acid, Ni-NTA) 레진과 뉴트리아비딘이 코팅된(NeutrAvidin(NA)-coated) 흰색 96-웰 플레이트는 Thermo Fisher Scientific Inc.(USA)에서 구입하였다. L-아라비노스(L-arabinose), 2-멀캅토에테인-술폰산(2-mercaptoethane-sulfonic acid, MESA) 및 L-시스테인(L-Cysteine, L-Cys)은 Sigma-Aldrich(USA)에서 구매하였다. 또한, 시스테인-라이신-바이오틴(Cys-Lys-Biotin, CK-바이오틴)은 Peptron Inc.(대전, 대한민국)에서 합성하였고, RIPA 완충액 (radioimmunoprecipitation assay buffer)는 Cell Signaling Technology (MA, USA)에서 구입하였다.Activated extracellular matrix metalloproteinase-7 (hereinafter referred to as MMP-7) and extracellular matrix metalloproteinase-2 (hereinafter referred to as MMP-2) are Millipore Sigma ( MA, USA). Coelenterazine - h (coelenterazine- h) and is purchased from (AZ, USA) Nanolight Technologies, nickel (Ⅱ) - nitrilotriacetic acid (Ni (II) -nitrilotriacetic acid, Ni-NTA) resin and Nutri avidin-coated NeutrAvidin (NA)-coated white 96-well plates were purchased from Thermo Fisher Scientific Inc. (USA). L-arabinose, 2-mercaptoethane-sulfonic acid (MESA) and L-cysteine (L-Cys) were purchased from Sigma-Aldrich (USA). . In addition, cysteine-lysine-biotin (Cys-Lys-Biotin, CK-biotin) was synthesized from Peptron Inc. (Daejeon, Korea), and RIPA buffer (radioimmunoprecipitation assay buffer) was purchased from Cell Signaling Technology (MA, USA). .

RR Luc8Luc8 -pep--pep- GyrAGyrA 플라스미드 제작 Plasmid production

레닐라 레니포미스(Renilla reniformis; 바다 팬지) 유래의 루시퍼레이스 변이체 8(luciferase mutant 8)을 코딩하는 RLuc8 유전자와 마이코박테리움 제노피(Mycobacterium xenopi) 유래의 Mxe GyrA 인테인(intein)을 코딩하는 GyrA 유전자 사이에 MMP-7의 기질 서열(GGVPLSLTMGG, 서열번호 6; 이하, m7으로 기재함)을 삽입하기 위하여, pBAD-RLuc8-GyrA 플라스미드를 사용하여 m7pep-GyrA 유전자를 제작하였다. 제작 방법은 하기 5개의 프라이머를 이용한 연속 PCR(consecutive polymerase chain reaction)을 사용하였으며, 프라이머 서열은 하기와 같다.Renilla RenifomisRenilla reniformis; Sea pansy)-derived luciferase mutant 8RLuc8 gene and Mycobacterium genophy (Mycobacterium xenopi) To insert the substrate sequence of MMP-7 (GGVPLSLTMGG, SEQ ID NO: 6; hereinafter referred to as m7) between the GyrA gene encoding Mxe GyrA intein derived from pBAD-RThe m7pep-GyrA gene was constructed using the Luc8-GyrA plasmid. As a production method, continuous PCR (consecutive polymerase chain reaction) using the following five primers was used, and the primer sequence is as follows.

(서열번호 1) 1st F-primer: 5′-ACA ATG GGT GGT GAA TTC TGC ATC ACG-3′(SEQ ID NO: 1) 1st F-primer: 5′-ACA ATG GGT GGT GAA TTC TGC ATC ACG-3′

(서열번호 2) 2nd F-primer: 5′-TA CCT CTG TCA CTG ACA ATG GGT GGT G-3′(SEQ ID NO: 2) 2nd F-primer: 5′-TA CCT CTG TCA CTG ACA ATG GGT GGT G-3′

(서열번호 3) 3rd F-primer: 5′-C GAG GGA GGA GTA CCT CTG TCA CT-3′(SEQ ID NO: 3) 3rd F-primer: 5′-C GAG GGA GGA GTA CCT CTG TCA CT-3′

(서열번호 4) 4th F-primer: 5′-CCG CTC GAG GGA GGA GTA CCT-3′(SEQ ID NO: 4) 4th F-primer: 5′-CCG CTC GAG GGA GGA GTA CCT-3′

(서열번호 5) 공통 R-primer: 5′-ATGC GAA TTC ACC ACC GCT ACG CAG ACT TAC AAT ACC ACC CTG CTC GTT CTT CAG-3′(SEQ ID NO: 5) Common R-primer: 5′-ATGC GAA TTC ACC ACC GCT ACG CAG ACT TAC AAT ACC ACC CTG CTC GTT CTT CAG-3′

이후 PCR 산물을 XhoⅠ/HindⅢ 제한효소 조합으로 절단하고, 동일한 제한효소로 절단한 pBAD-RLuc8-GyrA 플라스미드와 라이게이션(ligation)하여 pBAD-RLuc8-m7-GyrA 플라스미드를 제작하였다.Subsequently, the PCR product was digested with a combination of XhoI/HindIII restriction enzyme, and ligated with the pBAD- R Luc8-GyrA plasmid digested with the same restriction enzyme to prepare a pBAD- R Luc8-m7-GyrA plasmid.

RR Luc8Luc8 -m7-Bio 및 -m7-Bio and RR luc8luc8 -pep-C 융합 단백질 제작-pep-C fusion protein production

C-말단에 His6-태그를 갖는 융합 단백질을 제작하기 위하여, 상기 pBAD-RLuc8-m7-GyrA 플라스미드를 E. coli TOP10 컴피턴트 세포(competent cell)에 형질전환시켰다. 형질전환된 세포는 암피실린(100 ㎍/㎖)을 포함하는 LB 액체배지 (Luria-Bertani broth) 0.5 L에서 200 rpm/분 속도로 교반하면서 37℃에서 16시간 동안 배양하였다. 이후, 배지의 흡광도가 0.7에 도달하면 단백질 발현을 유도하기 위해 0.2% 아라비노스를 첨가하고, 37℃에서 5시간 동안 추가로 배양하였다. 배양이 끝나면 원심분리로 대장균 세포를 회수하고, 용해 완충액[10 mM 이미다졸(imidazole), 300 mM 염화나트륨(NaCl) 및 1 ㎎/㎖ 라이소자임(lysozyme)을 포함하는 50 mM 인산염-완충 식염수(PBS), pH 8.0] 30 ㎖에 세포를 재현탁시켰다. 10초 온(on) 및 10초 오프(off) 사이클로 10분 동안 대장균 세포를 초음파분쇄(sonication)하고, 4℃에서 30분 동안 5,200xg로 원심분리하였다. 상등액(supernatant)만 회수하여 0.45 ㎛ 포어 사이즈의 주사기 필터(syringe filter; Minisart)로 필터링하였다. 필터링된 수용성 용해물(soluble lysate)은 용해 완충액으로 평형화된 50% Ni-NTA 아가로스 슬러리(Ni-NTA agarose slurry; Thermo Scientific) 1 ㎖과 혼합한 후 교반하면서 4℃에서 16시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 후, 하단 유출구가 캡(cap)으로 막혀 있는 5 ㎖ 컬럼(Thermo Scientific)에 대장균 용해물-Ni-NTA 혼합물을 로딩하고, 하단 유출구의 캡을 제거한 후 컬럼을 통과하여 유출되는 샘플(flow-through sample)을 회수하였다. 상기 컬럼을 세척 완충액(20 mM 이미다졸 및 300 mM 염화나트륨을 포함하는 50 mM PBS, pH 8.0)으로 4회 세척하고, 용출 완충액(500 mM 이미다졸 및 300 mM 염화나트륨을 포함하는 50 mM PBS, pH 8.0)을 사용하여 컬럼으로부터 단백질을 용출시켰다. 용출된 단백질 분획은 PD-10 탈염 컬럼(desalting column; GE Healthcare)으로 추가로 정제하고, 정제된 단백질은 마이크로콘(Microcon, YM-50; Millipore)으로 농축한 후 100 mM PBS (pH 7.4)에 재현탁시켰다. 단백질 농도는 280 ㎚에서 흡광도를 측정한 후 91,010 M-1-1의 흡광 계수(extinction coefficient)를 사용하여 산출하였다.To construct a fusion protein with His 6 -tag at the C-terminus, the pBAD- R Luc8-m7-GyrA plasmid was transformed into E. coli TOP10 competent cells. The transformed cells were cultured at 37° C. for 16 hours while stirring at 200 rpm/min in 0.5 L of LB liquid medium (Luria-Bertani broth) containing ampicillin (100 μg/ml). Then, when the absorbance of the medium reached 0.7, 0.2% arabinose was added to induce protein expression, and further cultured at 37° C. for 5 hours. After incubation, E. coli cells are recovered by centrifugation and 50 mM phosphate-buffered saline (PBS) containing lysis buffer [10 mM imidazole, 300 mM sodium chloride (NaCl) and 1 mg/mL lysozyme) , pH 8.0] The cells were resuspended in 30 ml. E. coli cells were sonicated for 10 minutes with 10 second on and 10 second off cycles, and centrifuged at 5,200x g for 30 minutes at 4°C. Only the supernatant was recovered and filtered with a syringe filter (Minisart) of 0.45 μm pore size. The filtered soluble lysate was mixed with 1 ml of a 50% Ni-NTA agarose slurry (thermo Scientific) equilibrated with lysis buffer and reacted at 4° C. for 16 hours with stirring. After the reaction is finished, the E. coli lysate-Ni-NTA mixture is loaded into a 5 ml column (Thermo Scientific) whose bottom outlet is blocked with a cap, and the sample flowing out through the column after removing the cap of the bottom outlet ( flow-through sample). The column was washed 4 times with washing buffer (50 mM PBS containing 20 mM imidazole and 300 mM sodium chloride, pH 8.0), and elution buffer (50 mM PBS containing 500 mM imidazole and 300 mM sodium chloride, pH 8.0 ) To elute the protein from the column. The eluted protein fraction is further purified with a PD-10 desalting column (GE Healthcare), and the purified protein is concentrated with Microcon (YM-50; Millipore) and then in 100 mM PBS (pH 7.4). Resuspension. The protein concentration was calculated using an extinction coefficient of 91,010 M -1 cm -1 after measuring absorbance at 280 nm.

Rluc8-m7-Bio(Rluc8-m7-바이오틴) 또는 비바이오틴화 형태인 Rluc8-m7-C (Rluc8-m7-시스테인)를 만들기 위하여, 아미노티올 유도체(aminothiol derivative)를 사용하여 RLuc8-m7-GyrA의 스플라이싱 과정을 수행하였다. 간략하게, MESA(40 ㎕ at 50 mM) 및 CK-바이오틴(20 ㎕ at 1 mM)과 정제된 Rluc8-m7-GyrA-His6 융합 단백질(40 ㎕ at 50 M)을 반응 완충액(0.1 mM PBS, pH 8.0)에서 혼합시켰다. 또한, Rluc8-m7-C 제작에는 CK-바이오틴 대신 L-Cys(20 ㎕ at 1 mM)를 사용하였다. 각각의 반응 혼합물은 어두운 곳에서, 가볍게 교반하면서 4℃에서 하룻밤 동안 반응시켰다. 절단 산물을 정제하기 위하여, 반응 혼합물 200 ㎕와 50% Ni-NTA 아가로스 슬러리 100 ㎕를 4℃에서 1시간 동안 교반하면서 혼합하였다. 상기 아가로스 혼합물을 원심분리한 후, 남아있는 MESA, CK-바이오틴 및 L-Cys를 제거하기 위하여 상등액의 단백질을 마이크로콘으로 추가로 정제하였다. 목적 산물(Rluc8-m7-Bio 또는 Rluc8-m7-C)은 SDS-PAGE로 확인하고, 280 ㎚에서 흡광도를 측정한 후 63,495 M- 1-1의 흡광 계수를 사용하여 농도를 확인하였다. R luc8-m7-Bio (R luc8 m7--biotin) or a non-biotinylated form of R luc8-m7-C (R luc8-m7- cysteine) to make, by using amino-thiol derivative (aminothiol derivative) R Luc8 Splicing of -m7-GyrA was performed. Briefly, MESA (40 μl at 50 mM) and CK-biotin (20 μl at 1 mM) and purified R luc8-m7-GyrA-His 6 fusion protein (40 μl at 50 M) were added to the reaction buffer (0.1 mM PBS). , pH 8.0). In addition, L-Cys (20 μl at 1 mM) was used instead of CK-biotin for R luc8-m7-C production. Each reaction mixture was reacted overnight at 4° C. in a dark place with light stirring. To purify the cleavage product, 200 μl of the reaction mixture and 100 μl of a 50% Ni-NTA agarose slurry were mixed with stirring at 4° C. for 1 hour. After centrifuging the agarose mixture, the supernatant protein was further purified with a microcone to remove the remaining MESA, CK-biotin and L-Cys. The desired product ( R luc8-m7-Bio or R luc8-m7-C) was confirmed by SDS-PAGE, the absorbance was measured at 280 nm, and the concentration was confirmed using an extinction coefficient of 63,495 M - 1 cm -1 .

샘플 준비sample preparation

HT-1080 (인간 섬유육종(fibrosarcoma) 세포, MMP-7 양성) 및 HT-29 (인간 결장 선암종(colorectal adenocarcinoma) 세포, MMP-7 음성) 세포는 T75 조직 배양 플라스크(SPL Life Science, Korea) 및 10% FBS를 포함하는 RPMI 1640 배지를 사용하여 37℃에서 배양하였다. 2일 후, 세포 배양 배지를 무혈청 배지로 교체하여 24시간 동안 배양하고, 멸균된 파이펫을 사용하여 배지를 15 ㎖ 튜브에 수거하였다. 수거한 배지는 원심분리(6,800xg, 10 분)한 후 센트리콘(centricon, Amicon Ultra-4 Centifugal Filters 10 K; Merck Millipore)으로 농축하였다. HT-1080 (human fibrosarcoma cells, MMP-7 positive) and HT-29 (human colon adenocarcinoma cells, MMP-7 negative) cells are T75 tissue culture flasks (SPL Life Science, Korea) and Cultured at 37°C using RPMI 1640 medium containing 10% FBS. After 2 days, the cell culture medium was replaced with serum-free medium and cultured for 24 hours, and the medium was collected in a 15 ml tube using a sterile pipette. The collected medium was centrifuged (6,800x g , 10 min) and then concentrated with centricon (Centron, Amicon Ultra-4 Centifugal Filters 10 K; Merck Millipore).

마우스 조직 추출물은 1% 트리톤-X-100 및 1%(v/v) 단백질분해효소 저해제를 포함하는 PBS에 마우스 조직을 담그고, 4℃에서 5초 동안 초음파분쇄하여 제작하였다. 분쇄 후 수용성 분획은 장기 보관을 위해 -80℃에 보관하였다.The mouse tissue extract was prepared by immersing the mouse tissue in PBS containing 1% Triton-X-100 and 1% (v/v) protease inhibitor, followed by sonication at 4°C for 5 seconds. After grinding, the water-soluble fraction was stored at -80°C for long-term storage.

배양 배지 또는 마우스 조직 추출물 내의 총 단백질 농도는 브래드포드 방법을 사용하여 제조사의 지시에 따라 확인하였다.The total protein concentration in the culture medium or mouse tissue extract was confirmed according to the manufacturer's instructions using the Bradford method.

융합 단백질의 Of fusion proteins 바이오틴화Biotinylation 여부 확인 Check whether

정제된 융합 단백질의 바이오틴화 여부를 확인하기 위하여, 바이오레이어 인터페로메트리(biolayer interferometry; BLItz instrument, Fortebio, USA)로 표면 분석을 수행하였다. 결합 측정 전에, 스트렙타비딘이 코팅된 광 프로브 (streptavidin-coated optical probe; #18-5019; Fortebio, USA)는 로딩 완충액(0.2 ㎎/㎖ BSA를 포함하는 PBS)에서 10분 동안 평형(equilibration)시켰다. 60초 동안 초기 베이스 라인을 측정한 후, 스트렙타비딘이 코팅된 센서 위에 Rluc8-m7-Bio (4 ㎕ at 1 μM in PBS)를 180초 동안 로딩하였다. 이후, 바이오센서에 PBS를 흘리면서 120초 동안 세척하고, 음성 대조군인 Rluc8-m7-C (4 ㎕ at 1 μM in PBS)으로 동일 과정을 반복하였다.To confirm the biotinylation of the purified fusion protein, surface analysis was performed with biolayer interferometry (BLItz instrument, Fortebio, USA). Before binding measurements, streptavidin-coated optical probes (#18-5019; Fortebio, USA) were equilibrated for 10 min in loading buffer (PBS with 0.2 mg/mL BSA). Ordered. After measuring the initial baseline for 60 seconds, R luc8-m7-Bio (4 μl at 1 μM in PBS) was loaded on the streptavidin coated sensor for 180 seconds. Thereafter, washing was performed for 120 seconds while flowing PBS to the biosensor, and the same process was repeated with a negative control R luc8-m7-C (4 μl at 1 μM in PBS).

MMPMMP 활성 측정 Active measurement

표면 패시베이션(surface passivation) 및 활성화(activation)를 위하여, NA가 코팅된 플레이트의 각 웰을 0.1% BSA 및 0.05% 트윈-20을 포함하는 TBS 완충액(pH 7.4)으로 전처리하였다. 반응 완충액(5 mM CaCl2 및 100 mM 염화나트륨을 포함하는 20 mM Tris, pH 7.6)에 분산된 RLuc8-m7-Bio (90 ㎕ at 70 ㎍/㎖, 1.94 μM에 상응)와 MMP 효소(반응 완충액에 각 농도별로 분산된 용액 10 ㎕)를 혼합하였다.For surface passivation and activation, each well of the NA coated plate was pretreated with TBS buffer (pH 7.4) containing 0.1% BSA and 0.05% Tween-20. R Luc8-m7-Bio (90 μl at 70 μg/mL, corresponding to 1.94 μM) and MMP enzyme (reaction buffer) dispersed in reaction buffer (20 mM Tris with 5 mM CaCl 2 and 100 mM sodium chloride, pH 7.6) To each solution, 10 μl of the dispersed solution was mixed.

실제 생물학적 샘플에서의 MMP 활성 측정을 위해서, 상기 반응 완충액에 분산된 RLuc8-m7-Bio(80 ㎕ at 70 ㎍/㎖)와 세포 배양 배지 또는 마우스 조직 용해물 20 ㎕ (단백질 농도는 50 ㎍/㎖)를 혼합하였다. 대조군으로는 동일 조건으로 반응 완충액에 분산된 RLuc8-m7-Bio를 BSA(bovine serum albumin) 20 ㎕(50 ㎍/㎖)와 혼합하였다.For measuring MMP activity in real biological samples, R Luc8-m7-Bio (80 μl at 70 μg/ml) dispersed in the reaction buffer and 20 μl of cell culture medium or mouse tissue lysate (protein concentration 50 μg/m) Ml). As a control, R Luc8-m7-Bio dispersed in the reaction buffer was mixed with 20 µl (50 µg/ml) of bovine serum albumin (BSA) under the same conditions.

RLuc8-m7-Bio와 MMP 효소, RLuc8-m7-Bio와 세포 배양 배지 또는 RLuc8-m7-Bio와 마우스 조직 용해물이 혼합된 용액 100 ㎕를 37℃에서 2시간 동안 동안 반응시키고, 이후 NA가 코팅된 플레이트의 각 웰에 상기 반응물 95 ㎕를 첨가하였다. 상기 플레이트를 실온에 1시간 동안 방치하여 바이오틴과 스트렙타비딘의 반응을 유도하고, 표면을 세척 완충액으로 3회 세척하였다. 플레이트의 각 웰에 PBS 100 ㎕를 첨가하고, 코엘렌테라진-h (100 ㎕ at 2 ㎍/㎖ in PBS)을 첨가하였다. 생물발광 스펙트럼 (bioluminescence spectrum)은 다중 모드 플레이트 판독기(multimode plate reader; Varioskan, Thermo Scientific, Inc., USA)로 400 내지 650 ㎚에서 측정하였다. 생물발광 이미지는 화학발광/생물발광 이미지 수집 시스템 (Fusion SL, Vilber Lourmat, Torcy, France)을 사용하여 수득하였다.100 μl of a solution of R Luc8-m7-Bio and MMP enzyme, R Luc8-m7-Bio and cell culture medium, or a mixture of R Luc8-m7-Bio and mouse tissue lysate was reacted for 2 hours at 37° C. To each well of the NA coated plate, 95 μl of the above reaction was added. The plate was left at room temperature for 1 hour to induce the reaction of biotin and streptavidin, and the surface was washed three times with washing buffer. 100 μl of PBS was added to each well of the plate, and coelenterazine- h (100 μl at 2 μg/ml in PBS) was added. The bioluminescence spectrum was measured at 400 to 650 nm with a multimode plate reader (Varioskan, Thermo Scientific, Inc., USA). Bioluminescence images were obtained using a chemiluminescence/bioluminescence image collection system (Fusion SL, Vilber Lourmat, Torcy, France).

실험 결과Experiment result

RR luc8luc8 -pep-Bio 융합 단백질 생산-pep-Bio fusion protein production

본 발명에 사용된 인테인 단백질인 GyrA는 합성 시스테인-라이신-바이오틴(CK-바이오틴)과 2-멀캅토에테인-술폰산(MESA)의 존재 하에 자가-스플라이싱(self-splicing) 과정을 거쳐 안정한 알파-티오에스터(α-thioester)를 생성한다. 결과적으로, Rluc8의 C-말단에 융합된 인테인으로 인하여 CK-바이오틴이 Rluc8의 C-말단으로 라이게이션된다. MESA는 인테인의 N-말단 절단을 촉진하기 위한 친핵성 화합물(nucleophilic compound)로 사용하였다.The intein protein GyrA used in the present invention is stable through a self-splicing process in the presence of synthetic cysteine-lysine-biotin (CK-biotin) and 2-malcaptoethane-sulfonic acid (MESA). Alpha-thioester is produced. As a result, due to the octane of the C- terminal fusion of the R luc8 it is ligated to the C- terminus of the CK- biotin R luc8. MESA was used as a nucleophilic compound to promote N-terminal cleavage of intein.

MMP의 펩티드 기질을 포함하는 Rluc8-pep-GyrA 재조합 벡터(pep는 펩티드 기질을 나타냄)를 대장균에서 발현시켰고, 인테인 매개 라이게이션 과정을 통해 바이오틴화된 형태의 Rluc8-pep-Bio를 생산하였다(도 1의 A). 정제된 Rluc8-pep-Bio는 MMP 활성을 모니터하기 위해 사용되며, 실제 샘플에서 MMP와 반응한 후에는 펩티드 기질이 절단되므로 NA가 코팅된 마이크로플레이트 표면에 바이오틴이 남게 된다(도 1의 B). 생물발광 신호는 루시퍼레이스 기질인 코엘렌테라진-h의 존재 하에 마이크로플레이트의 표면에서 생성될 수 있고, 상기 생물발광 신호는 샘플 내에 존재하는 MMP의 양에 반비례한다.The R luc8-pep-GyrA recombinant vector (pep represents a peptide substrate) containing the peptide substrate of MMP was expressed in E. coli, and biotinylated R luc8-pep-Bio was produced through an intein-mediated ligation process. (Fig. 1 A). Purified R luc8-pep-Bio is used to monitor MMP activity, and after reacting with MMP in the actual sample, the peptide substrate is cleaved, leaving biotin on the NA coated microplate surface (Fig. 1B). . The bioluminescent signal can be generated at the surface of the microplate in the presence of the luciferase substrate coelenterazine- h , which is inversely proportional to the amount of MMP present in the sample.

RR luc8luc8 -m7-Bio 융합 단백질의 -m7-Bio of fusion protein 인테인Intein -매개 -medium 바이오틴화Biotinylation 확인 Confirm

Rluc8-m7-GyrA 단백질에 서로 다른 조건으로 MESA 및/또는 바이오틴, 시스테인을 처리한 SDS-PAGE를 수행하였다. 그 결과, 도 2의 A에 나타난 바와 같이 Rluc8-m7-GyrA 단백질(레인 1)에 MESA 단독 처리(레인 2), MESA와 CK-바이오틴 처리(레인 3), 및 MESA와 L-시스테인(레인 4))을 같이 처리하였을 때, 원래의 단백질(레인 1)과 비교하여 두 개의 스플라이싱 단백질 단편(레인 2 내지 4)이 생긴 것을 확인하였다. 바이오틴 모이어티(moiety)를 갖지 않는 L-시스테인은 인테인과 시스테인 유도체(L-시스테인)에서 트랜스-티오에스터화(trans-thioesterification) 과정을 통한 바이오틴의 부착을 비교하기 위해 음성 대조군으로 사용하였다. 상기 결과는 Rluc8-m7-GyrA 단백질에서 MESA에 의하여 GyrA가 절단되고, CK-바이오틴 또는 L-시스테인으로 대체(레인 3 및 4)된 것을 의미한다. 레인 3 및 4의 반응 혼합물에서 His6가 태그된 GyrA 단백질을 제거하기 위해 Ni-NTA 아가로스 비드를 사용하여 산물을 정제하였다. 이후, 정제한 Rluc8-m7-Bio(레인 3 유래) 및 Rluc8-m7-C(레인 4 유래)를 SDS-PAGE로 분리한 결과 두 단백질의 젤 이동성에는 큰 차이가 없었다(도 2의 A에서 레인 5 및 6). 이는 두 단백질의 분자량이 거의 유사하기 때문일 것으로 추측된다. The R luc8-m7-GyrA protein was subjected to SDS-PAGE treated with MESA and/or biotin, cysteine under different conditions. As a result, as shown in FIG. 2A, R luc8-m7-GyrA protein (lane 1) was treated with MESA alone (lane 2), MESA and CK-biotin treatment (lane 3), and MESA and L-cysteine (lane When 4)) was treated together, it was confirmed that two splicing protein fragments (lanes 2 to 4) were formed compared to the original protein (lane 1). L-cysteine, which does not have a biotin moiety, was used as a negative control to compare the attachment of biotin through a trans-thioesterification process in intein and cysteine derivatives (L-cysteine). The results indicate that GyrA was cleaved by MESA in the R luc8-m7-GyrA protein and replaced with CK-biotin or L-cysteine (lanes 3 and 4). The product was purified using Ni-NTA agarose beads to remove His 6 tagged GyrA protein from the reaction mixture in lanes 3 and 4. Thereafter, as a result of separating the purified R luc8-m7-Bio (from lane 3) and R luc8-m7-C (from lane 4) by SDS-PAGE, there was no significant difference in gel mobility of the two proteins (A in FIG. 2) Lanes 5 and 6). This is presumed to be because the molecular weights of the two proteins are almost similar.

바이오레이어 인터페로메트리 분석을 위해, 바이오틴화(Rluc8-m7-Bio) 및 비바이오틴화(Rluc8-m7-C) 단백질을 스트렙타비딘이 코팅된 마이크로플레이트의 표면에 로딩하였을 때 결합 두께(binding thickness)는 포화 곡선과 함께 4분까지 증가하였다. 이는 마이크로플레이트의 표면에 Rluc8-m7-bio가 표면에 강하게 결합한 것을 의미한다(도 2의 B에서 실선). 대조적으로, Rluc8-m7-C를 로딩한 경우 유의미한 결합이 나타나지 않았다(도 2의 B에서 점선). 이 실험 결과는 바이오틴 그룹이 인테인-매개 스플라이싱 과정을 통해 Rluc8-m7-GyrA의 C-말단에 성공적으로 도입되어 Rluc8-m7-Bio를 형성하는 것을 의미한다.For biolayer interferometry analysis, the binding thickness when biotinylated ( R luc8-m7-Bio) and non-biotinylated ( R luc8-m7-C) proteins were loaded onto the surface of a streptavidin coated microplate ( binding thickness) increased with saturation curve up to 4 minutes. This means that Rluc8-m7-bio is strongly bound to the surface of the microplate (solid line in B of FIG. 2). In contrast, no significant binding was seen when Rluc8-m7-C was loaded (dotted line in FIG. 2B). These experimental results indicate that the biotin group was successfully introduced into the C-terminus of R luc8-m7-GyrA through an intein-mediated splicing process to form R luc8-m7-Bio.

MMPMMP -7 활성 측정-7 activity measurement

Rluc8-m7-Bio가 MMP-7의 활성을 측정할 수 있는지 확인하였다. 매트리리신 (matrilysin)으로도 알려진 MMP-7은 카제인, 젤라틴, 피브로넥틴 및 프로테오글리칸을 포함하는 세포외 매트릭스(extracellular matrix)의 다양한 기질에 대하여 넓은 특이성을 가지므로 모델 단백질분해효소로 선택하였다. 또한, MMP-7은 MMP-2 및 MMP-9가 관여하는 종양 침범(tumor invasion)을 촉진시키는 것으로 알려져 있다. It was confirmed that R luc8-m7-Bio was able to measure the activity of MMP-7. MMP-7, also known as matrilysin, was selected as a model protease because it has broad specificity for various substrates of extracellular matrix including casein, gelatin, fibronectin and proteoglycan. In addition, MMP-7 is known to promote tumor invasion involving MMP-2 and MMP-9.

NA가 코팅된 마이크로플레이트 위에 Rluc8-m7-Bio를 고정시킨 후 다양한 농도 범위(0, 1, 10, 100 및 1000 ng/㎖)의 활성 MMP-7과 반응시켰다. 그 결과, 생물발광 이미지의 신호 강도는 활성 MMP-7의 농도가 증가함에 따라 현저하게 감소하였으며(도 3의 A), 이 결과는 Rluc8-m7-Bio의 생물발광 스펙트럼의 신호 변화와 일치하였다(도 3의 B). 반면, MMP-2는 동일한 농도 범위에서 유의미한 신호 감소를 나타내지 않았다(도 3의 C). 실험 결과, MMP-7 활성의 검출 한계는 1 내지 10 ng/㎖ 농도 범위인 것을 알 수 있었으며, 이 범위는 이전에 보고된 결과들과 유사하거나 다소 증가된 수치이다. 사용된 펩티드 기질(GGVPLSLTMG)은 MMP-2 또는 MMP-9와 비교하여 MMP-7에 대해 10배 높은 kcat/K M 값을 갖는 것으로 알려져 있다. 이러한 결과는 Rluc8-m7-Bio가 높은 특이성 및 높은 민감도로 MMP-7 활성의 정량적 측정에 이용될 수 있음을 의미한다.NA coated microplate After fixing R luc8-m7-Bio, it was reacted with active MMP-7 in various concentration ranges (0, 1, 10, 100 and 1000 ng/ml). As a result, the signal intensity of the bioluminescence image significantly decreased as the concentration of the active MMP-7 increased (A in FIG. 3), and this result was consistent with the signal change of the bioluminescence spectrum of R luc8-m7-Bio. (Fig. 3B). On the other hand, MMP-2 did not show a significant signal reduction in the same concentration range (FIG. 3C ). As a result of the experiment, it was found that the detection limit of MMP-7 activity was in the range of 1 to 10 ng/ml concentration, which is similar to or slightly increased from the previously reported results. The peptide substrate used (GGVPLSLTMG) is known to have a k cat/ K M value that is 10 times higher for MMP-7 compared to MMP-2 or MMP-9. These results indicate that R luc8-m7-Bio can be used for quantitative measurement of MMP-7 activity with high specificity and high sensitivity.

Rluc8-m7-Bio가 실제 생물학적 샘플에서 작용하는지 확인하기 위하여, 활성 MMPs를 포함하지 않는 마우스 혈청을 Rluc8-m7-Bio와 혼합하여 반응시킨 후 생물발광 신호를 확인하였다. 그 결과, 혈청 농도에 따라 생물발광 신호가 약간 변하기는 하였으나 다양한 농도의 마우스 혈청에서 생물발광 신호의 유의미한 감소는 확인할 수 없었다(도 4의 A). 이 결과는 루시퍼레이스 프로브인 Rluc8-m7-Bio가 혈청에 대해 안정적이고, 마이크로플레이트 표면의 생물발광 신호 측정이 복합 물질의 모니터링에 유용하다는 것을 시사한다. In order to confirm that R luc8-m7-Bio acts on a real biological sample, a bioluminescence signal was confirmed after reacting mouse serum containing no active MMPs with R luc8-m7-Bio. As a result, although the bioluminescence signal was slightly changed according to the serum concentration, a significant decrease in the bioluminescence signal was not confirmed in mouse serum at various concentrations (A in FIG. 4 ). These results suggest that the luciferase probe, R luc8-m7-Bio, is stable for serum and that bioluminescence signal measurements on the microplate surface are useful for monitoring complex substances.

상기 방법으로 생물학적 샘플에서 MMP-7 활성을 검출할 수 있는지 추가로 조사하기 위해, HT-1080 세포(MMP-7 분비) 및 HT-29 세포(MMP-7 미분비)의 배양 배지(단백질 농도 50 ㎍/㎖)에서 동일한 실험을 진행하였다. 상대적 MMP 활성을 측정하기 위해, 상기 배양 배지의 단백질 농도와 동일한 농도의 BSA를 음성 대조군으로 사용하였다.Culture medium (protein concentration 50) of HT-1080 cells (MMP-7 secretion) and HT-29 cells (MMP-7 non-secreting) to further investigate whether MMP-7 activity can be detected in biological samples by the above method ㎍ / ㎖) was carried out the same experiment. To measure relative MMP activity, BSA at a concentration equal to the protein concentration in the culture medium was used as a negative control.

실험 결과, 대조군과 비교하여 HT-1080의 배양 배지에서 현저하게 감소된 생물발광 신호(높은 MMP-7 활성)가 나타났다. 대조적으로, HT-29의 배양 배지에서는 약간 감소된 신호(낮은 MMP-7 활성)를 확인할 수 있었다(도 4의 B). 또한, 뇌와 정소를 포함한 마우스 조직 추출물(총 단백질 농도는 50 ㎍/㎖)을 같은 방법으로 실험한 결과, HT-1080 배양 배지와 비교하여 MMP-7의 활성이 상대적으로 낮은 수준인 것을 알 수 있었다(도 4의 C).As a result of the experiment, a significantly reduced bioluminescence signal (high MMP-7 activity) was observed in the culture medium of HT-1080 compared to the control group. In contrast, a slightly reduced signal (low MMP-7 activity) was observed in the culture medium of HT-29 (FIG. 4B ). In addition, as a result of experimenting with the same method of extracting mouse tissues including brain and testis (total protein concentration of 50 μg/ml), it was found that the activity of MMP-7 was relatively low compared to HT-1080 culture medium. There was (Fig. 4C).

지금까지의 결과를 통하여 Rluc8-m7-Bio을 이용한 방법이 생물학적 시료에서 다양한 단백질분해효소의 활성을 고효율 및 다중 방식으로 모니터링하고 비교하는 데에 유용하게 사용될 수 있음을 확인하였다. 생물발광 기반의 방법은 다른 비색(colorimetric) 또는 형광 방법에 비해 많은 장점이 있다. 매우 안정적인 효소인 루시퍼레이스는 자가형광(autofluorescence)이나 다른 백그라운드 노이즈 없이 혈청 및 조직 추출물과 같은 복잡한 샘플에서 특정 효소의 활성을 검출할 수 있다. 또한, 바이오틴화된 루시퍼레이스는 생물발광 신호를 빠르게 판독할 수 있도록 표면 고정화 방법을 제공한다. 시간 소모적이고, 몇 종의 MMP로 제한된 젤 전기 영동에 기반한 고전적인 자이모그래피(zymography) 방법과는 다르게 펩티드 기질에 기반하는 본 발명의 방법은 광범위한 범위의 단백질분해효소의 활성을 간단하게 측정할 수 있다.Through the results thus far, it has been confirmed that the method using R luc8-m7-Bio can be usefully used to monitor and compare the activity of various proteases in biological samples in a high-efficiency and multiple manner. Bioluminescence based methods have many advantages over other colorimetric or fluorescence methods. Luciferase, a highly stable enzyme, can detect the activity of specific enzymes in complex samples, such as serum and tissue extracts, without autofluorescence or other background noise. In addition, biotinylated luciferase provides a surface immobilization method to quickly read bioluminescent signals. Unlike the conventional zymography method based on time-consuming, gel electrophoresis limited to several MMPs, the method of the present invention based on peptide substrates simply measures the activity of a wide range of proteases. Can be.

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.So far, the present invention has been focused on the preferred embodiments. Those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in terms of explanation, not limitation. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent range should be interpreted as being included in the present invention.

<110> Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University <120> Method for Analyzing Proteinase Activity using luciferase <130> P18U10C0591_P20180269KR <150> KR 10-2018-0026770 <151> 2018-03-07 <160> 6 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> 1st F-primer <400> 1 acaatgggtg gtgaattctg catcacg 27 <210> 2 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> 2nd F-primer <400> 2 tacctctgtc actgacaatg ggtggtg 27 <210> 3 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> 3rd F-primer <400> 3 cgagggagga gtacctctgt cact 24 <210> 4 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> 4th F-primer <400> 4 ccgctcgagg gaggagtacc t 21 <210> 5 <211> 55 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> common R-primer <400> 5 atgcgaattc accaccgcta cgcagactta caataccacc ctgctcgttc ttcag 55 <210> 6 <211> 11 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> substrate peptides of MMP-7 <400> 6 Gly Gly Val Pro Leu Ser Leu Thr Met Gly Gly 1 5 10 <110> Industry-University Cooperation Foundation Hanyang University <120> Method for Analyzing Proteinase Activity using luciferase <130> P18U10C0591_P20180269KR <150> KR 10-2018-0026770 <151> 2018-03-07 <160> 6 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> 1st F-primer <400> 1 acaatgggtg gtgaattctg catcacg 27 <210> 2 <211> 27 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> 2nd F-primer <400> 2 tacctctgtc actgacaatg ggtggtg 27 <210> 3 <211> 24 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> 3rd F-primer <400> 3 cgagggagga gtacctctgt cact 24 <210> 4 <211> 21 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> 4th F-primer <400> 4 ccgctcgagg gaggagtacc t 21 <210> 5 <211> 55 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> common R-primer <400> 5 atgcgaattc accaccgcta cgcagactta caataccacc ctgctcgttc ttcag 55 <210> 6 <211> 11 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> substrate peptides of MMP-7 <400> 6 Gly Gly Val Pro Leu Ser Leu Thr Met Gly Gly 1 5 10

Claims (9)

⒜ 세포외기질 금속단백분해효소(matrix metalloproteinase, MMP) 7의 기질 펩티드와 루시퍼레이스(luciferase)의 융합 단백질을 링커를 통해 표면에 고정시키는 단계;
⒝ 상기 고정된 융합 단백질에 루시페린을 접촉시키는 단계; 및
⒞ 상기 ⒝의 결과물과 세포외기질 금속단백분해효소 7의 활성을 검사하고자 하는 시료를 접촉시키는 단계를 포함하고,
상기 기질 펩티드는 서열번호 6의 펩티드 서열을 포함하는 것인, 세포외기질 금속단백분해효소 7의 활성 측정 방법.
⒜ fixing the fusion protein of the matrix peptide of extracellular matrix metalloproteinase (MMP) 7 and luciferase to the surface through a linker;
⒝ contacting the fixed fusion protein with luciferin; And
⒞ contacting the result of ⒝ with a sample to test the activity of the extracellular matrix metalloproteinase 7,
The substrate peptide comprises the peptide sequence of SEQ ID NO: 6, extracellular matrix metalloproteinase 7 activity measurement method.
제1항에 있어서, 상기 방법은 ⒞ 단계 이후 루시퍼레이스의 생물발광 신호의 변화를 검출하여 생물발광 신호가 감소하면 상기 시료 내에 세포외기질 금속단백분해효소 7의 활성이 있고, 생물발광 신호가 유지되면 상기 시료 내에 세포외기질 금속단백분해효소 7의 효소 활성이 없는 것으로 판별하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 세포외기질 금속단백분해효소 7의 활성 측정 방법.
The method of claim 1, wherein the method detects a change in the bioluminescence signal of the luciferase after the step ⒞, and when the bioluminescence signal decreases, there is activity of the extracellular matrix metalloproteinase 7 in the sample, and the bioluminescence signal is maintained. When the sample is further comprising the step of determining that there is no enzyme activity of the extracellular matrix metalloproteinase 7, the method for measuring the activity of the extracellular matrix metalloproteinase 7.
제1항에 있어서, 상기 ⒜의 루시퍼레이스는 레닐라 루시퍼레이스(Renilla luciferase), 가우시아 루시퍼레이스(Gaussia luciferase), 오프로포러스 루시퍼레이스(Oplophorus luciferase) 및 반딧불이 루시퍼레이스(firefly luciferase)로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 세포외기질 금속단백분해효소 7의 활성 측정 방법.
The group of claim 1, wherein the luciferase of the genus is composed of Renilla luciferase, Gaussia luciferase, Oplophorus luciferase and firefly luciferase. Is selected from, extracellular matrix metalloproteinase 7 activity measurement method.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 ⒜의 링커는 바이오틴(biotin), 글루타치온(glutathione), 히스티딘(histidine) 및 렉틴(lectin)으로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 세포외기질 금속단백분해효소 7의 활성 측정 방법.
According to claim 1, wherein the linker of ⒜ is selected from the group consisting of biotin (biotin), glutathione (glutathione), histidine (histidine) and lectin (lectin), activity measurement of extracellular matrix metalloproteinase 7 Way.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 루시페린은 반딧불이 루시페린(firefly luciferin), 달팽이 루시페린(Latia neritoides luciferin), 박테리아 루시페린(Achromobacter fischerii luciferin) 및 코엘렌테라진(coelenterazine)으로 이루어진 군에서 선택되는 것인, 세포외기질 금속단백분해효소 7의 활성 측정 방법.
According to claim 1, The luciferin is selected from the group consisting of firefly luciferin (firefly luciferin), snail luciferin ( Latia neritoides luciferin), bacterial luciferin ( Achromobacter fischerii luciferin) and coelenterazine (coelenterazine). Method for measuring the activity of matrix metalloproteinase 7.
세포외기질 금속단백분해효소 7의 기질 펩티드와 루시퍼레이스의 융합 단백질 및 상기 융합 단백질을 표면에 고정시키는 링커를 포함하고, 상기 기질 펩티드는 서열번호 6의 펩티드 서열을 포함하는 것인, 세포외기질 금속단백분해효소 7의활성 측정용 키트.The substrate peptide of the extracellular matrix metalloproteinase 7 and the fusion protein of luciferase and a linker that fixes the fusion protein to the surface, wherein the substrate peptide comprises the peptide sequence of SEQ ID NO: 6, extracellular matrix Kit for measuring activity of metalloproteinase 7.
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