KR102176415B1 - 원핵세포 투과성 재조합 단백질 및 이의 용도 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원핵생물의 세포막 투과성을 갖는 세포 투과 펩티드를 포함하는 원핵세포 투과성 재조합 단백질, 폴리뉴클레오티드, 발현벡터 및 재조합 미생물, 상기 재조합 단백질을 이용한 원핵세포 내 유전자의 제거 방법에 관한 것으로, 메가뉴클레아제 I-SceI와 세포 투과 펩티드가 결합된 재조합 단백질은 세포 투과성 펩티드에 의해 원핵생물의 세포막에 대한 투과성이 부여된 것으로, 이러한 재조합 단백질을 이용하여 I-SceI 효소가 인식하는 서열을 포함하는 원핵생물의 유전자를 제거할 수 있으므로 유전공학 분야에서 원핵생물을 이용한 유전자 조작 방법에 활용될 수 있다.

Description

원핵세포 투과성 재조합 단백질 및 이의 용도{Recombinant Protein for Penetrating within Prokaryotic Cell and The Uses Thereof}

본 발명은 핵산분해효소 및 원핵생물의 세포막 투과성을 갖는 세포 투과 펩티드를 포함하는 원핵세포 투과성 재조합 단백질, 폴리뉴클레오티드, 발현벡터 및 재조합 미생물, 상기 재조합 단백질을 이용한 원핵세포 내 유전자의 제거 방법에 관한 것이다.

생명공학 분야에서 이질적인 유전자(heterogeneous gene)는 플라스미드(plasmid)를 통해 도입되지만, 숙주 세포를 재설계(re-engineering)하기 위해 그 플라스미드를 제거하는 것도 필요하다. 기존 방식 중 하나는 온도에 민감한 복제 원점(replication origin)을 가진 돌연변이 플라스미드를 사용하는 것이다 (Briggs and Tatum, 2005; Silo-Suh et al., 2009). 그러나, 복제 원점의 종류가 많기 때문에 각각에 대한 돌연변이를 개발하는 것은 번거롭다. 또한, 플라스미드 내에 유도 가능한 제한효소 유전자를 주입하는 것도 가능하지만 (de Moraes and Teplitski, 2015), 각각의 활용에 대한 꼬인(tailoring) 플라스미드가 필요하기 때문에 부담된다. 이러한 제한점들은 대장균(Escherichia coli) 뿐만 아니라 다른 박테리아 종에도 사용 가능한 세포 투과 펩티드(cell penetrating peptide; CPP)를 기반으로 하여, 종에 비의존적이며 제한효소 유전자를 사용하지 않는 방법을 개발하는 동기가 되었다.

CPP는 일반적으로 아미노산 5 내지 30개로 이루어진 짧은 펩티드 서열이다. CPP는 내포작용(endocytosis)을 통해 진핵세포 내로 직접 다양한 카고(cargo)를 전달하는 능력 덕분에 유망한 생명공학 도구로 부상하였다 (Bechara and Sagan, 2013; Ivanova et al., 2008). 그러나, 원핵생물에서 CPP의 이용에 대한 연구는 거의 없었다 (Abushahba et al., 2016; Rodriguez Plaza et al., 2014). 수십 년 전, HIV 1의 trans-activator of transcription(TAT) 단백질 및 초파리(Drosophila melanogaster) 안테나페디아(antennapedia) 단백질의 호메오도메인(homeodomain)은 진핵 세포막을 통해 카고를 이동시킬 수 있다는 것이 처음으로 밝혀졌다 (Derossi et al., 1994; Frankel and Pabo, 1988; Green and Loewenstein, 1988). 이 발견은 세포 투과성을 갖는 새로운 펩티드 서열을 동정하기 위해 광범위한 영역의 연구를 자극하였다. 이러한 서열은 현재 약 2,000개의 CPP 서열을 포함하는 데이터베이스 CPPsite (Agrawal et al., 2016; Futaki et al., 2001; Oehlke et al., 1998; Park et al., 2002)에 수집되었고, 그 서열의 수는 계속 늘어나고 있다.

CPP는 동물에서 항균제, 항염증제, 신경보호제를 포함하는 다양한 치료제의 전달 (Cao et al., 2002; Delfin et al., 2011; El Zaoui et al., 2014; Guidotti et al., 2017; Meyer-Losic et al., 2008; Peterson et al., 2011; Yang et al., 2013) 뿐만 아니라 유전공학의 도구로도 널리 이용되었다 (Del'Guidice et al., 2018; Liu et al., 2014; Ramakrishna et al., 2014; Ru et al., 2013). 현재까지 CPP는 전통적인 화학요법에 비해 낮은 세포독성, 다기능성(versatility), 높은 효율성의 이점을 제공하기 때문에 (P. C. Chen et al., 2012; Y. J. Chen et al., 2012; Guidotti et al., 2017; Nakase et al., 2017) 포유동물 세포에 치료제, 약과 같이 다양한 화학물질을 전달하는데 주로 사용되어 왔다. 예를 들면, Cao et al.은 단백질 도입 도메인(protein transduction domain; PTD)의 TAT_47-57 펩티드 (YGRKKRRQRRR)와 항아폽토시스 단백질 Bcl-X_L를 융합시킨 PTD-HA-Bcl-X_L 융합 단백질로 이루어진 CPP-융합 신경보호 약물을 개발하였다 (Cao et al., 2002). 이 연구자들은 TAT_47-57-융합 Bcl-X_L 융합 단백질이 뇌경색을 갖는 쥐의 아폽토시스를 감소시키는 것을 확인하였다. 질환 치료를 위한 다른 CPP-융합 치료제도 보고된 바 있었다 (Crombez et al., 2009; Huang et al., 2011; Michiue et al., 2009; Ramsey and Flynn, 2015; Zhang et al., 2009).

최근에는 Cre 재조합효소, 징크-핑거 뉴클레아제(zinc finger nuclease), TALEN(transcription activator-like effector nuclease), CRISPR/Cas9 시스템을 포함한 다양한 효소를 직접 전달하기 위해 진핵생물에서 CPP가 성공적으로 활용되고 있다 (Kang et al., 2018; Liu et al., 2014; Rαdis-Baptista et al., 2017; Ramakrishna et al., 2014). 예를 들면, CPP-융합 TALEN 및 Cas9/sgRNA 전달 시스템은 사람 세포주에서 감소된 비표적(off-target) 효과로 게놈 변형(genome modification)의 효율을 향상시키는데 이용되었다 (Liu et al., 2014; Ramakrishna et al., 2014). 그러나, 이러한 CPP 활용의 다기능성 및 효율성에도 불구하고, 두꺼운 박테리아 세포벽 때문에 박테리아에서의 CPP 사용이 제한되어 왔다. 원핵생물에서 CPP의 사용에 대한 보고된 바가 적기 때문에 (Abushahba et al., 2016; Gong and Karlsson, 2017; Ma et al., 2014), 새로운 CPP 서열 및 새로운 전달 방법을 개발할 필요성이 요구되고 있다.

메가뉴클레아제(meganuclease) I-SceI는 18개의 염기쌍 (bp) 서열인 TAGGGATAACAGGGTAAT를 인식하여 절단하는, 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)의 미토콘드리아 DNA에 의해 암호화된 핵산내부가수분해효소(endonuclease)이다 (Stoddard, 2005). I-SceI의 인식 서열은 사람, 쥐, 박테리아 게놈에서 드물게 발생하기 때문에 (빈도

4¹⁸ bp 당 1개) I-SceI 효소는 흔적없는 유전자 편집(scarless gene editing)에 사용되어 왔다 (Kim et al., 2014; Kolisnychenko et al., 2002; Yang et al., 2014). 예를 들면, Kolisnychenko et al.은 게놈 서열을 양쪽 끝에 I-SceI 인식 서열이 존재하는 선택 가능한 마커를 포함하는 유전자로 대체하고서 I-SceI 절단(cleavage)과 RecA-매개 재조합을 사용하여 삽입된 마커 유전자를 삭제하였다. 이후 다양한 원핵세포의 마커 제거 효율을 높이기 위해 유사한 유전공학 방법이 개발되었다 (Fernαndez-Mart

nez and Bibb, 2014; Kim et al., 2014; Lu et al., 2010). 이러한 방법은 I-SceI 유전자를 포함하는 플라스미드의 도입과 I-SceI 의 발현 유도를 필요로 하였다.

이에 따라, 본 발명자들은 CPPsite에서 CPP 서열을 선택하여 핵산분해효소와 융합시킴으로써 원핵세포 내 도입된 플라스미드 제거하는데 최적화된 CPP를 이용한 단백질 전달 시스템을 개발하였다. 여기서 사용된 CPP는 CRNGRGPDC 및 CGNKRTR으로, CPP를 포함하지 않은 경우에 비해 카고 I-SceI 효소의 전달 효율이 우수하며, 이러한 CPP와 융합된 CPP-I-SceI 재조합 단백질은 E. coli 내 I-SceI 인식 부위를 포함하는 플라스미드를 제거하는데 이용될 수 있다.

본 발명의 일 양상은 핵산분해효소; 및 서열번호 2 또는 3으로 표시되는 세포 투과 펩티드를 포함하는 원핵세포 투과성 재조합 단백질을 제공하는 것을 목적으로 한다.

여기서, 핵산분해효소는 사카로마이세스 세레비지에 유래의 서열번호 1로 표시되는 메가뉴클레아제 I-SceI일 수 있다.

상기 세포 투과 펩티드는 소수성 값이 5 미만일 수 있다.

상기 재조합 단백질은 메가뉴클레아제 I-SceI의 N 말단과 세포 투과 펩티드의 C 말단이 직접 또는 간접적으로 연결된 것일 수 있다.

상기 재조합 단백질은 원핵생물 내 I-SceI 인식 부위를 포함하는 유전자를 제거하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 양상은 상기 재조합 단백질을 암호화하는 폴리뉴클레오티드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

여기서, 폴리뉴클레오티드는 서열번호 4 또는 5로 표시되는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 양상은 상기 폴리뉴클레오티드를 포함하는 발현벡터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 양상은 상기 재조합 발현벡터를 포함하는 재조합 미생물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

여기서, 상기 재조합 미생물은 대장균일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 양상은 a) I-SceI 인식 부위를 포함하는 원핵세포에 상기 재조합 단백질을 접촉시키는 단계; b) 상기 원핵세포에 전기 충격을 가하는 단계; 및 c) I-SceI 인식 부위를 포함하는 유전자가 제거된 원핵세포를 수득하는 단계를 포함하는 원핵세포 내 유전자의 제거 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

여기서, 상기 a) 단계의 원핵세포는 대장균일 수 있다.

상기 b) 단계의 전기 충격은 충격 시간 3.0 내지 3.6 ms, 충격 세기 1 내지 10 kV/cm으로 1 내지 5회 반복 수행하는 것일 수 있다.

상기 c) 단계의 유전자는 플라스미드 단편 또는 전체일 수 있다.

<원핵세포 투과성 재조합 단백질, 폴리뉴클레오티드, 발현벡터, 재조합 미생물>

본 발명의 일 구체예에 따르면, 본 발명은 핵산분해효소; 및 서열번호 2 또는 3으로 표시되는 세포 투과 펩티드를 포함하는 원핵세포 투과성 재조합 단백질을 제공한다.

본 발명의 "세포 투과 펩티드"는 생체 외(in vitro) 또는 생체 내(in vivo) 상에서 운반 대상인 카고를 세포 내로 전달할 수 있는 능력을 가진 펩티드를 의미한다.

본 발명의 "카고"는 세포 투과 펩티드에 결합되어 세포 내로 전달됨으로써 생체 내의 모든 생리 현상을 조절하는 생물학적 활성을 갖는 기능조절 물질로서, 본래 세포 내로 도입될 수 없는 벡터, 폴리뉴클레오티드, 폴리펩티드, 지방, 탄수화물, 세포의 기능을 조절 가능한 화합물 등의 물질을 의미한다.

본 발명의 "재조합 단백질"은 세포 투과 펩티드 및 한 개 이상의 카고가 유전적 융합 또는 화학적 결합에 의해 재조합되어 형성된 융합체 또는 복합체를 의미한다. 이때, 세포 투과 펩티드와 카고의 결합은 직접적으로 연결되거나, 또는 다른 단백질들에 의해 연결될 수 있다.

상기 핵산분해효소(nuclease)는 목적 또는 표적하는 게놈 상의 핵산(DNA 또는 RNA)의 특정 위치를 인식하여 절단할 수 있는 표적 특이적 핵산분해효소일 수 있다. 이러한 핵산분해효소는 당업계에서 통상적으로 사용되는 효소를 제한 없이 사용 가능하며, 게놈 상의 특정 표적 서열를 인식하는 도메인과 절단하는 도메인이 융합된 형태일 수 있다. 바람직하게는, 메가뉴클레아제, 게놈 상의 특정 표적 서열을 인식하는 도메인으로 식물 병원성 유전자에서 유래한 TAL 작동자(transcription activator-like effector) 도메인과 절단 도메인이 융합된 융합 단백질, 징크-핑거 뉴클레아제 등일 수 있다. 가장 바람직하게는, 메가뉴클레아제일 수 있다.

메가뉴클레아제 I-SceI는 서열번호 1로 표시되는 아미노산 서열을 가지며, 사카로마이세스 세레비지에의 미토콘드리아 DNA에서 유래된 핵산내부가수분해효소이다. I-SceI 효소는 특정 서열을 인식하여 그 부위를 절단하는데, 그 서열은 사람 또는 쥐 게놈에서 흔하게 발생되지 않는다. 이러한 I-SceI 효소의 특성을 이용하여 유전자 편집 기술에 활용할 수 있다. 본 발명에서는 외부 유전자가 도입되어 형질전환된 원핵생물 또는 원핵세포에서 해당 유전자를 제거하는 방법으로 I-SceI 효소를 이용할 수 있다. 이때, 외부 유전자는 I-SceI 효소의 인식 부위 (TAGGGATAACAGGGTAAT)도 포함한다.

상기 세포 투과 펩티드는 서열번호 2 또는 3으로 표시되는 아미노산 서열을 갖는 펩티드로서, 두 개의 아르기닌을 포함하며 소수성 값이 5 미만인 것을 특징으로 한다. 이러한 세포 투과 펩티드는 진핵세포에 대해 세포 투과능이 있는 것으로 알려져 있지만, 진핵세포와 세포막 구조가 다른 원핵생물 또는 원핵세포에 대해서는 연구가 진행된 바 없었다. 그러나, 본 발명에서는 I-SceI 효소와 같은 카고 단백질을 서열번호 2 또는 3으로 표시되는 세포 투과 펩티드와 융합시킴으로써 세포 투과 펩티드에 의해 카고 단백질이 원핵생물의 세포막을 효과적으로 투과할 수 있다는 것을 여러 실험을 통해 확인하였다.

상기 재조합 단백질은 I-SceI 효소 및 세포 투과 펩티드를 포함하며, I-SceI 효소의 N 말단 또는 C 말단에 직접 또는 간접적으로 세포 투과 펩티드가 결합된 구조일 수 있다. 바람직하게는, I-SceI 효소의 N 말단과 세포 투과 펩티드의 C 말단이 직접 또는 간접적으로 결합된 구조일 수 있다. 이러한 재조합 단백질에서, I-SceI 효소는 세포 투과 펩티드에 의해 원핵생물 또는 원핵세포에 대한 세포 투과성이 부여된 것으로, 원핵세포 내에서 I-SceI 인식 부위와 결합하여 이를 제거할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 구체예에 따르면, 본 발명은 상기 재조합 단백질을 암호화하는 폴리뉴클레오티드(polynucleotide)를 제공한다.

본 발명의 "폴리뉴클레오티드"는 염기, 당, 인산의 세 가지 요소로 구성된 화학적 단량체인 뉴클레오티드가 다수의 인산에스테르 결합을 매개로 사슬 형태로 이어진 고분자 화합물로, 단일가닥 또는 이중가닥 형태로 존재하는 디옥시리보뉴클레오티드 또는 리보뉴클레오티드의 중합체이다.

상기 폴리뉴클레오티드는 RNA 게놈 서열, DNA(gDNA 또는 cDNA) 및 이로부터 전사되는 RNA 서열 등일 수 있으며, 상기 재조합 단백질의 아미노산 서열을 암호화하는 뉴클레오티드 서열뿐만 아니라 서열에 상보적인(complementary) 서열도 포함한다. 바람직하게는, 서열번호 7 또는 8로 표시되는 염기서열일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 구체예에 따르면, 본 발명은 상기 폴리뉴클레오티드를 포함하는 발현벡터(expression vector)를 제공한다.

본 발명의 "발현벡터"는 숙주 세포에서 I-SceI 효소 및 세포 투과 펩티드를 포함하는 재조합 단백질을 발현할 수 있는 벡터로서, 유전자 삽입물이 발현되도록 작동가능하게 연결된 필수적인 조절 요소를 포함하는 유전자 제작물을 의미한다. 상기 "작동가능하게 연결된(operably linked)"이란, 일반적 기능을 수행하도록 핵산 발현조절 서열과 목적하는 단백질을 코딩하는 핵산 서열이 기능적으로 연결(functional linkage)되어 있는 것을 말한다. 이러한 발현벡터는 당업계에서 잘 알려진 유전자 재조합 기술을 이용하여 제조될 수 있으며, 부위-특이적 DNA 절단 및 연결하는데 당업계에서 통상적으로 사용되는 효소 등을 사용될 수 있다.

상기 발현벡터는 프로모터, 오퍼레이터, 개시코돈, 종결코돈, 폴리아데닐화 시그널, 인핸서(enhancer)와 같은 발현 조절 요소 외에도 막 표적화 또는 분비를 위한 신호 서열 또는 리더 서열을 포함하며, 목적에 따라 다양하게 제조될 수 있다. 또한, 발현벡터는 발현벡터를 포함하는 숙주 세포를 선택하기 위한 선별 마커를 포함하고, 복제 가능한 발현벡터인 경우에는 복제 원점을 포함하여 자가 복제하거나, 또는 숙주 DNA에 통합될 수 있다. 상기 선별 마커로는 항생제 저항성 유전자를 이용할 수 있으며, 일례로 가나마이신(kanamycin), 스펙티노마이신(spectinomycin), 스트렙토마이신(streptomycin), 블레오마이신(bleomycin), 에리트로마이신(erythromycin), 폴리마이신 B(polymyxin B), 테트라사이클린(tetracycline), 클로람페니콜(chloramphenicol) 등에 대한 저항성 유전자일 수 있다.

상기 발현벡터는 당업계에서 통상적으로 외부 유전자 발현에 사용 가능한 벡터를 제한없이 사용할 수 있으며, 일례로 플라스미드 벡터, 코즈미드 벡터, 바이러스 벡터 등일 수 있다. 플라스미드 벡터는 박테리아 균주에서 유래된 환상 DNA 분자로서 복제수(copy number)가 1 ~ 수백 개에 이르기까지 다양한 수로 존재하며, 플라스미드 복제에 필요한 하나 이상의 복제 원점을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 플라스미드 벡터에 제한효소 NdeI 및 XhoI를 사용하여 I-SceI 효소 및 세포 투과 펩티드를 포함하는 재조합 단백질을 암호화하는 폴리뉴클레오티드를 도입함으로써 발현벡터를 제조하였다.

또한, 본 발명의 다른 일 구체예에 따르면, 본 발명은 상기 재조합 발현벡터를 포함하는 재조합 미생물을 제공한다.

본 발명의 "재조합 미생물"은 당업계에서 통상적으로 사용 가능한 발현벡터의 도입을 위한 미생물 숙주 세포를 제한없이 사용할 수 있으며, 일례로 그람음성균, 그람양성균, 방선균, 효모, 곰팡이 등일 수 있다. 바람직하게는, 숙주 세포로 대장균을 사용한 재조합 미생물일 수 있다. 발현벡터의 도입은 당업계에서 통상적으로 사용 가능한 형질전환(transformation) 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 "형질전환"이란, 외부 DNA를 숙주 세포 내로 도입함으로써 DNA가 숙주 세포 내 염색체의 인자로서 또는 염색체 통합 완성에 의해 복제가 가능하도록 인위적으로 유전적인 변화를 일으키는 현상이다. 상기 형질전환 방법은 CaCl₂ 침전법, CaCl₂ 방법에 DMSO(dimethyl sulfoxide)라는 환원물질을 사용함으로써 효율을 높인 Hanahan 방법, 전기천공법(electroporation), 인산칼슘 침전법, 원형질 융합법, 실리콘 카바이드 섬유를 이용한 교반법, 아그로박테리아 매개된 형질전환법, PEG를 이용한 형질전환법, 덱스트란 설페이트, 리포펙타민 및 건조/억제 매개된 형질전환 방법 등일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 발현벡터를 전기천공법을 이용하여 대장균에 형질전환시킨 후 테트라사이클린 함유 LB 평판 배지에서 배양하였다.

<원핵세포 내 유전자의 제거 방법>

또한, 본 발명의 다른 일 구체예에 따르면, 본 발명은 상기 재조합 단백질을 이용하여 원핵세포 내 유전자의 제거 방법을 제공한다. 구체적으로, 원핵세포 내 유전자의 제거 방법은 a) I-SceI 인식 부위를 포함하는 원핵세포에 상기 재조합 단백질을 접촉시키는 단계; b) 상기 원핵세포에 전기 충격을 가하는 단계; 및 c) I-SceI 인식 부위를 포함하는 유전자가 제거된 원핵세포를 수득하는 단계를 포함한다.

본 발명의 "접촉"은 카고 또는 재조합 단백질이 원핵세포와 접하는 것을 의미하며, 이러한 접촉에 의해 카고 또는 재조합 단백질이 원핵세포 내로 전달된다.

상기 a) 단계는 원핵세포와 재조합 단백질 또는 이를 포함하는 조성물을 접촉시키는 과정이다. 접촉 과정은 시험관 내의 세포에 재조합 단백질이 포함된 배지를 처리하여 세포를 배양시키는 과정에 의해 접촉이 이루어진다. 이러한 접촉 과정을 통해, 일부 재조합 단백질은 원핵세포 내로 도입된다. 상기 원핵세포는 당업계에서 통상적으로 사용되는 원핵세포일 수 있으며, 일례로 대장균일 수 있다. 이때, 원핵세포는 플라스미드 DNA 내 I-SceI 인식 부위를 포함하는 유전자를 갖는다.

상기 b) 단계는 재조합 단백질의 원핵세포 내 도입을 촉진하기 위해 전기 충격(heat shock)을 주는 과정이다. 전기 충격 과정은 전기 자극을 이용하여 세포막에 일시적으로 구멍을 만들어 DNA 또는 다른 극성을 가진 물질을 통과시킨다. 전기 충격을 이용한 도입은 충격 시간, 충격 세기, 횟수 등의 조건을 조절함으로써 재조합 단백질의 도입 효율을 높일 수 있다. 이때, 전기 충격은 충격 시간 3.0 내지 3.6 ms, 충격 세기 1 내지 10 kV/cm으로 1 내지 5회 반복하여 수행할 수 있다.

상기 c) 단계는 재조합 단백질의 도입에 의해 원핵세포 내 I-SceI 인식 부위를 포함하는 유전자를 제거하고, I-SceI 인식 부위가 절단되어 플라스미스 DNA가 제거된 원핵세포를 선별하여 수득하는 과정이다. I-SceI 인식 부위의 제거는 I-SceI 효소 또는 이를 포함하는 재조합 단백질이 원핵세포 내 I-SceI 인식 부위에 결합함으로써 I-SceI 인식 부위 및 이를 포함하는 유전자를 절단한다. 이때, I-SceI 인식 부위는 원핵세포의 플라스미드 DNA에 위치하며, I-SceI 효소에 의해 플라스미드 단편 또는 전체가 제거될 수 있다. I-SceI 인식 부위를 포함하는 플라스미드는 복제 원점에 따라 세포 내 복제수가 다르며, 복제수에 따라 플라스미드 제거의 효율이 다르게 나타날 수 있다. I-SceI 인식 부위가 제거된 원핵세포의 선별은 선별 마커인 원핵세포 내 항생제 저항성 유전자의 포함 여부에 따라 수행될 수 있다. 예를 들면, 선별 마커로 사용되는 테트라사이클린 저항성 유전자 (tetA)는 세포 내 Ni²⁺를 축적시키며, tetA를 포함하는 세포는 정상 세포에 비해 NiCl₂ 독성의 민감도가 높다. 이러한 선별 마커의 특성을 이용하여 I-SceI 인식 부위와 함께 tetA가 제거된 세포를 선별할 경우에는 NiCl₂ 함유 배지에서 배양하여 tetA 미포함 세포만을 수득할 수 있다.

본 발명에 따른 메가뉴클레아제 I-SceI와 세포 투과 펩티드가 결합된 재조합 단백질은 세포 투과성 펩티드에 의해 원핵생물의 세포막에 대한 투과성이 부여된 것으로, 이러한 재조합 단백질을 이용하여 I-SceI 효소가 인식하는 서열을 포함하는 원핵생물의 유전자를 제거할 수 있으므로 유전공학 분야에서 원핵생물을 이용한 유전자 조작 방법에 활용될 수 있다.

도 1은 pET21a 플라스미드 내 CPP-융합 유전자 서열의 구조로, 대표적으로 pET21a-KFF₃-GFP 플라스미드의 서열을 나타냈다. KFF₃-linker (BamHI)-GFP에 대한 뉴클레오티드 서열은 pET21a 플라스미드의 제한효소 NdeI 및 XhoI 부위가 절단되어 삽입되었다. 다른 CPP 서열은 PCR 프라이머를 이용하여 pET21a 플라스미드의 제한효소 NdeI 및 XhoI 부위에 클로닝되었다. 이러한 클로닝 방법은 GFP 유전자의 N 말단에 CPP를, C 말단에 6xHis를 도입시켰다.
도 2는 E. coli 내 CPP-융합 GFP 단백질의 전달 효율에서 CPP 서열, 전기천공법, 버퍼 조성의 효과에 대한 그래프이다. (a)는 다양한 CPP 처리 및 버퍼 조성에서의 평균 GFP 강도이며, (b)는 다양한 CPP 처리 및 전기청공법 이후 회복 조건에 의한 E. coli의 평균 GFP 강도를 나타냈다. E. coli 10,000 개에 대한 GFP 형광은 유세포 분석기를 이용하여 측정되었다. 결과는 3 ~ 4회 독립적인 실험 중 대표적인 결과이다.
도 3은 GFP 전달 효율에서 CPP 농도 및 배양 시간의 효과에 대한 그래프이다. CPP 2018 및 2803에 대한 GFP 전달 효율은 (a) CPP 농도 및 (b) 전기천공 후 배양 시간이 증가함에 따라 향상되었다. E. coli 10,000 개에 대한 GFP 형광은 유세포 분석기를 이용하여 측정되었다. 결과는 3 ~ 4회 독립적인 실험의 평균±표준오차 (error bar)로 나타냈다.
도 4는 수용성 CPP-융합 I-SceI 단백질의 발현에 대한 사진이다. (a) 37℃에서 IPTG에 의한 유도는 봉입체를 형성한 I-SceI 단백질을 발현하였다. (b) 반면, 저온 (20℃)에서의 유도는 용해성을 향상시켰다. SDS-PAGE (12% 겔) 분석시 발현된 2018-I-SceI 및 2803-I-SceI 단백질은 약 28 kD 이였다. M은 단백질 마커, 빨간색 화살표는 2018-I-SceI 또는 2803-I-SceI 단백질, P는 펠렛, S는 상층액이다.
도 5는 정제된 2018-I-SceI 및 2803-I-SceI 단백질 활성의 생체 외 분석에 대한 사진이다. 정제된 2018-I-SceI 또는 2803-I-SceI 단백질 0.2 ~ 0.01 ㎍을 처리하여 I-SceI 인식 부위를 포함하는 선형 pGPS2 플라스미드를 절단하였다. 제한효소 NotI에 의해 선형화된 pGPS2 플라스미드 (500 ng)는 1시간 동안 2018-I-SceI 0.2 ㎍ 또는 2803-I-SceI 0.1 ㎍에 의해 완전히 분해되었다. 상업적으로 판매되는 I-SceI (NEB)는 양성 대조군으로 사용되었다.
도 6은 E. coli 내 CPP-융합 메가뉴클레아제 I-SceI 단백질을 이용한 플라스미드 제거 방법을 나타낸 개략도이다. 도입된 플라스미드는 전기천공법으로 E. coli에 CPP-융합 I-SceI 단백질이 전달됨으로써 제거될 수 있다. 전기천공 직후 CPP-융합 I-SceI 단백질이 처리된 E. coli를 Tris-HCl (pH 7.5) 버퍼에서 3시간 동안 배양하고, 1X CutSmart 버퍼에서 2시간 동안 더 배양한 후 NiCl₂ 1.9 mM 함유 LB 평판 배지에 도말하였다. 테트라사이클린 저항성 유전자 (tetA)를 포함하는 세포는 정상 세포에 비해 NiCl₂에 대한 민감도가 높기 때문에 tetA가 제거된 세포만이 NiCl₂ 배지에서 생존할 수 있다. NiCl₂ 배지에 형성된 콜로니는 플라스미드 제거를 확인하기 위해 테트라사이클린 15 ㎍/mL 함유 또는 미함유 LB 평판 배지로 이동시켰다.

이하, 첨부된 도면을 참조하며 원핵세포 투과성 재조합 단백질 및 이의 용도를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 설명은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 제시된 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이러한 예시적인 설명에 의하여 제한되는 것은 아니다.

1. 재료 및 방법

1-1. 균주 및 배양 조건

E. coli DH5α (New England Biolabs, USA)는 DNA 클로닝, 플라스미드 제거 실험에 이용되었다. E. coli BL21 (DE3)는 CPP-융합 단백질(CPP-conjugated protein)의 발현을 위한 숙주 세포로 사용되었다. LB (Luria-Bertani) 배지는 리터(L) 당 트립톤 10 g, 효모 추출물 5 g, NaCl 10 g를 함유하며, E. coli 균주를 배양하는데 사용되었다. E. coli 균주의 형질전환 방법으로, 열처리(heat-shock)를 통해 E. coli 균주에 플라스미드를 도입시킨 후 37℃에서 60분 동안 LB 배지에서 회복시키고, 형질전환된 균주를 선택 항생제 (암피실린 100 ㎍/mL, 테트라사이클린 15 ㎍/mL 또는 클로람페니콜 25 ㎍/mL) 함유 LB 평판 배지에서 배양하였다.

CPP-융합 단백질의 발현을 위해, 단일 콜로니를 LB 배지에 접종하고 37℃에서 흔들어 (200 rpm) 밤새 배양하였다. 배양액의 1/100 희석액 (v/v)을 새로운 항생제 (암피실린 100 ㎍/mL) 함유 LB 배지에 접종하였다. 배양액의 흡광도 값 (OD₆₀₀)이 0.5 미만일 때, 이소프로필-β-D-1-티오갈락토피라노시드 (IPTG) 0.4 mM을 첨가하여 CPP-융합 단백질의 생산을 유도하였다. 5시간 후 숙주 세포를 4℃에서 10,000 rpm으로 10분 동안 원심분리하여 회수하였다.

1-2. 플라스미드 제조

본 실험에서 사용된 모든 플라스미드 및 균주는 하기 표 1과 같다. 플라스미드 제조에 사용된 모든 효소는 New England Biolabs(NEB)에서 구매되었다. 클로닝 전, CPP 5개의 DNA 서열 ((KFF)₃, CRNGRGPDC, CGNKRTR, TWLKYH 및 CTWLKY)은 E. coli BL21 (DE3)에서의 발현을 위해 코돈 최적화(codon-optimization)가 수행되었다.

플라스미드/균주	유전자형	참조
pWA-GFP	pWAS containing GFP	(Sung et al., 2016)
pBAD-I-SceI	pBAD containing I-SceI endonuclease	Addgene
pET21a	Used for expression of 6xHisMyc-tagged proteins, AmpR	Novagen
pET21a-no-CPP-GFP	gfp gene cloned into the NdeI and XhoI sites of pET21a, AmpR	-
pET21a-KFF3-GFP	KFF3-conjugated gfp gene cloned into the NdeI and XhoI sites of pET21a, AmpR	-
pET21a-2018-GFP	2018-conjugated gfp gene cloned into the NdeI and XhoI sites of pET21a, AmpR	-
pET21a-2803-GFP	2803-conjugated gfp gene cloned into the NdeI and XhoI sites of pET21a, AmpR	-
pET21a-2877-GFP	2877-conjugated gfp gene cloned into the NdeI and XhoI sites of pET21a, AmpR	-
pET21a-2878-GFP	2878-conjugated gfp gene cloned into the NdeI and XhoI sites of pET21a, AmpR	-
pET21a-KFF3-I-SceI	KFF3-conjugated I-SceI gene into the NdeI and XhoI sites of pET21a, AmpR	-
pET21a-2018-I-SceI	2018-conjugated I-SceI gene cloned into the NdeI and XhoI sites of pET21a, AmpR	-
pET21a-2803-I-SceI	2803-conjugated I-SceI gene cloned into the NdeI and XhoI sites of pET21a, AmpR	-
pET21a-2877-I-SceI	2877-conjugated I-SceI gene cloned into the NdeI and XhoI sites of pET21a, AmpR	-
pET21a-2878-I-SceI	2878-conjugated I-SceI gene cloned into the NdeI and XhoI sites of pET21a, AmpR	-
pSC101-I-SceI	pSC101 containing I-SceI recognition site, pSC101 ori, TcR	-
pCM184-I-SceI	pCM184 containing I-SceI recognition site, ColE1 ori, AmpR, CmR, TcR	-
pRSF1030-tetA-I-SceI	pRSF1030 containing I-SceI recognition site and tetA gene, RSF1030 ori, KanR, TcR	-
pUC-tetA-I-SceI	pUC containing I-SceI recognition site and tetA gene, pUC ori, AmpR, TcR	-
E. coli DH5α	F-,　ø80dlacZΔM15, Δ(lacZYA-argF)U169, deoR, recA1, endA1, hsdR17(r K - , m K + ), phoA, supE44, λ - , thi-1, gyrA96, relA1	(Hanahan, 1983)
E. coli BL21 (DE3)	fhuA2 [lon] ompT gal (λ DE3) [dcm] ΔhsdS λ DE3 = λ sBamHIo ΔEcoRI-B int::(lacI::PlacUV5::T7 gene 1) i21 Δnin5 T1 phage-resistant version of BL21(DE3)	NEB
E. coli DH5α pSC-I-SceI	DH5α strain carrying pSC101-I-SceI plasmid	-
E. coli DH5α pCM-I-SceI	DH5α strain carrying pCM184-I-SceI plasmid	-
E. coli DH5α pRSF-I-SceI	DH5α strain carrying pRSF1030-tetA-I-SceI plasmid	-
E. coli DH5α pUC-I-SceI	DH5α strain carrying pUC-tetA-I-SceI plasmid	-

CPP-융합 GFP 단백질을 발현하는 플라스미드의 제조를 위해, CPP로 (KFF)₃를 선택한 후 PCR을 이용하여 pWA-GFP 플라스미드 내 gfp 유전자의 N 말단에 융합시켰다 (Sung et al., 2016). (KFF)₃-융합 gfp 유전자를 제한효소 NdeI 및 XhoI으로 절단하고 pET21a 플라스미드에 클로닝하였다. 제조된 CPP-융합 GFP 플라스미드의 구조는 T7 프로모터-NdeI-(KFF)₃-BamHI-gfp 유전자-XhoI-6xHis 로, 도 1과 같다. 다른 CPP에 대해서는 PCR을 이용하여 CPP 서열의 각 말단에 제한효소 NdeI 및 BamHI를 포함하도록 합성하고, NdeI 및 BamHI로 절단한 후 제조된 pET21a-(KFF)₃-융합 gfp 플라스미드에 클로닝하였다.

CPP-융합 I-SceI 단백질을 발현하는 플라스미드의 제조를 위해, PCR을 이용하여 I-SceI 유전자를 pBAD-I-SceI 플라스미드 (Addgene, #60960)로부터 합성하고, 제한효소 BamHI 및 XhoI로 절단하고, 제조된 pET21a-CPP-융합 gfp 플라스미드에 클로닝하여 pET21a-CPP-융합 I-SceI 플라스미드를 제조하였다.

테트라사이클린 저항성 유전자 (tetA)를 포함하는 플라스미드의 제조를 위해, 복제수가 다른 플라스미드 pSC101, pCM184 (ColE1 유래), pRSF1030 및 pUC를 선택하고, inverse PCR를 이용하여 비기능 서열을 포함하는 플라스미드에 I-SceI 인식 서열을 삽입하였다. pRSF1030 및 pUC 플라스미드에 tetA 유전자를 삽입한 반면, pSC101 및 pCM184 플라스미드는 원래 tetA를 포함하고 있어 별로도 삽입하지 않았다.

1-3. 재조합 단백질의 정제

CPP-융합 단백질의 정제를 위해, 회수된 세포를 세포용해 버퍼 10 mL [Tris-HCl (pH 8.0) 50 mM, NaCl 100 mM, 이미다졸 5 mM, 페닐메탄술포닐 플루오리드 1 mM]로 재현탁하고, 초음파 처리로 파괴하였다 (얼음 위에서 냉각과 30초간 펄스 처리를 교대로 5회 수행). 10,000 rpm에서 20분 동안 원심분리 후 6xHis-표지 단백질을 포함하는 상층액을 4℃에서 1시간 동안 Ni-NTA 레진 1 mL와 부드럽게 혼합하였다 (200 rpm으로 회전). 혼합물에서 비특이적인 단백질을 제거하기 위해 버퍼 [Tris-HCl (pH 8.0) 50 mM, NaCl 300 mM, 이미다졸 15 mM]로 세척하였다. 6xHis-표지 단백질을 융출 버퍼 [Tris-HCl (pH 8.0) 50 mM, NaCl 50 mM, 이미다졸 300 mM]로 용출하였다. 셀룰로오스 에스테르 멤브레인 (컷오프 분자량 6 ~ 8 kDa) (Spectrum Laboratories)을 이용하여 희석된 CPP-융합 GFP 단백질을 1XPBS로 투석함으로써 이미다졸을 제거하고 버퍼를 교체하였다. I-SceI 저장 버퍼 [Tris-HCl (pH 7.4) 10 mM, NaCl 30 mM, DTT 1 mM, EDTA 0.1 mM, 글리세롤 10%]를 CPP-융합 I-SceI 단백질의 투석에 이용하였다.

1-4. CPP-융합 I-SceI 단백질의 생체 외 DNA 절단 분석

생체 외 DNA 절단 분석(in vitro DNA cleavage assay)을 위해, I-SceI 인식 서열을 포함하는 NotI-선형 pGPS2 (NEB)를 기질로 사용하였다. 간략하게는, 선형화된 플라스미드 DNA 500 ng을 I-SceI (NEB) 1 Unit 또는 정제된 CPP-I-SceI 단백질 0.01 ~ 0.2 ng과 혼합하고, 37℃에서 1시간 동안 1X CutSmart 버퍼 (NEB)에서 반응시켰다. 65℃에서 20분 동안 열처리하여 그 반응을 중단시켰다. EtBr-염색 아가로스 겔을 이용하여 절단 생성물을 시각화하였다.

1-5. 효율적인 CPP-융합 단백질 전달을 위한 전기천공

야생형 DH5α 균주 또는 복제 원점, tetA 및 I-SceI 인식 서열을 포함하는 플라스미드 DNA를 전달하는 형질전환체는 CPP-융합 단백질 전달을 위한 숙주 세포로 사용된다. 전기천공법을 수행하기 위해, 숙주 균주를 전기형질전환성 세포(electrocompetent cell)로 준비하였다. 간략하게는, 밤새 배양된 세포 10 mL과 SOB 250 mL [트립톤 2%, 효모 추출물 0.5%, NaCl 10 mM, KCl 2.5 mM, MgCl₂ 10 mM, MgSO₄ 10 mM]을 1L Erlenmeyer 플라스크에 넣고, 37℃에서 흔들어 (200 rpm) 배양하였다. 흡광도 값 (OD₆₀₀)이 0.5 ~ 0.7일 때 세포를 원심분리하여 회수하고, 차가운 10% 글리세롤 500 mL로 재현탁하고, 4℃에서 10분 동안 5,000 rpm으로 원심분리하였다. 재현탁/원심분리 단계를 반복 수행하여 세포를 다시 세척하고, 최종 펠렛을 10% 글리세롤의 1:100 부피로 재현탁하고, 100 ㎕씩 얼려서 전기천공하기 전까지 -80℃에서 보관하였다.

전기형질전환성 세포를 10% 글리세롤로 1:10 희석하고, 희석된 세포액 100 ㎕에 CPP-융합 단백질 또는 비-CPP-융합 단백질(non-CPP-conjugated protein) 0.18 ~ 3.6 μM를 넣고, 미리 냉각된 전기천공용 큐벳 (gap 0.2 cm)으로 옮겼다. 전기천공기 (MicroPulser; Bio-Rad)를 사용하여 2.0 kV의 전기적 쇼크를 가하여 수행하였다. 처리된 세포를 바로 버퍼 (LB 배지, Tris-HCl (pH 6.8, 7.5, 8.0) 20 mM 또는 증류수)에 넣어 회복시키고, 37℃에서 1 ~ 5 시간 동안 배양하였다. 회복 후 세포를 6,000 rpm에서 5분 동안 원심분리하고, 1X PBS [NaCl 137 mM, KCl 2.7 mM, Na₂HPO₄ 10 mM, KH₂PO₄ 1.8 mM 함유]로 2회 세척하였다. GFP 강도를 측정하기 위해, CPP-GFP 단백질이 처리된 세포를 1X PBS 1 mL로 재현탁하고, 유세포 분석기로 분석하였다. I-SceI 활성을 분석하기 위해, 세포를 동일한 양의 1X CutSmart 버퍼 (NEB)와 혼합하여 37℃에서 2시간을 더 배양하였다.

1-6. 유세포 분석

GFP 형광 (488 nm에서의 여기값, 523/30 nm 대역 필터를 이용하여 수집된 방출값)은 Guava EasyCyte 유세포 분석기 (Millipore, Billerica, MA, USA)를 이용하여 측정되었다. CPP-GFP 또는 비-CPP-GFP 단백질이 처리된 세포는 유세포 분석(flow cytometry)을 위해 PBS 1 mL에 재현탁되었다. 수집된 데이터는 InCyte v2.2 software (Millipore)으로 분석되었다.

1-7. NiCl ₂ 를 이용한 테트라사이클린 저항성 유전자에 의한 플라스미드가 제거된 콜로니 선택

NiCl₂에 대한 tetA 포함 E. coli의 민감도를 분석하기 위해, 야생형 DH5α 균주 및 tetA 포함 pCM184 (ColE1 유래) 플라스미드로 형질전환된 DH5α 균주를 농도가 다른 NiCl₂ (1 ~ 4 mM)와 배양한 후 세포 생존능을 측정하였다. tetA가 없는 세포를 선택하는데 최적의 농도로 NiCl₂ 1.90 mM인 것으로 확인되었다.

플라스미드 제거를 위해, 전기형질전환성 세포를 상기 1-5와 같은 방법으로 준비하고, 10% 글리세롤로 1:10 희석하였다. 농도가 다른 CPP-I-SceI 단백질로 전기천공한 후 세포를 3시간 동안 배양하고, 버퍼를 동일한 양의 1X CutSmart 버퍼 (NEB)로 교체하고, 37℃에서 2시간 동안 더 배양하였다. 세포를 NiCl₂ 1.90 mM 함유 LB 평판 배지에 도말하고, 다음날 콜로니 수를 계산하였다.

1-8. 결과 분석

최소 3회의 독립적인 실험에서 얻은 결과는 GraphPad Prism v7.0 (GraphPad Software, Inc.)을 이용하여 분석되었다. 반복 실험에 대한 결과 값은 평균 ± 표준오차(SEM)로 표시되었다.

2. 결과

2-1. E. coli BL21 (DE3) 균주로부터 CPP-융합 GFP 단백질의 발현 및 정제

카고 단백질을 효율적으로 원핵세포 내 전달 가능한 CPP를 선택하기 위해, 이전 문헌 (Good et al., 2001)과 CPP데이터베이스 CPPsite 2.0을 참고하여 (1) 상대적으로 짧은 길이 (아미노산 10개 이하), (2) 선형, (3) 비변형(unmodified) 조건에 적합한 CPP 후보를 선택하였다. 선택된 CPP는 KFFKFFKFFK (KFF₃) (Good et al., 2001), CRNGRGPDC (CPPsite ID: 2018), CGNKRTR (CPPsite ID: 2803), TWLKYH (CPPsite ID: 2877) 및 CTWLKY (CPPsite ID: 2878) (Agrawal et al., 2016) 이다. KFF₃는 양성 대조군으로, 박테리아 세포에 카고를 전달하는데 효과적인 것으로 알려진 바 있다 (Hatamoto et al., 2010; Patenge et al., 2013).

CPP-융합 GFP (CPP-GFP) 단백질은 pET21a에 CPP-GFP 유전자를 클로닝하여 도 1과 같은 T7 프로모터-CPP-BamHI(gly-ala linker)-gfp 유전자-6xHis 구조를 가지며, CPP-GFP 단백질을 정제하는데 His-tag를 이용하였다.

2-2. 전기천공을 이용한 CPP (CRNGRGPDC, CGNKRTR)의 향상된 전달 효율

CPP-GFP 단백질과 배양된 E. coli 세포에서 세포내 전달을 확인하기 위해, 5종의 버퍼를 사용하여 37℃에서 5시간 동안 배양한 후 유세포 분석기를 이용하여 형광 강도를 측정하였다. 증류수에서 배양된 CPP 2803 및 2878는 각각 첫번째, 두번째로 효율이 높았으며, 다른 버퍼에 비해 전달 효율이 높았다. 이러한 물에 의한 높은 효율은 물이 세포막 투과성을 증가시킨다는 사실에 의해 뒷받침된다 (Edashige, 2017). 한편, 이전 연구에서는 KFF₃가 E. coli의 효율적인 CPP로 확인되었으나 (Good et al., 2001), 본 실험에서는 다른 CPP 서열에 비해 세포막 투과가 거의 나타나지 않았다. 따라서, 보다 효율적인 CPP 펩타이드가 존재할 가능성이 있으며, 원핵생물에서 카고 전달을 위한 CPP 펩티드의 새로운 발견이 중요하다는 것을 시사한다.

CPP 펩티드는 원핵생물에서 카고 단백질을 운반할 수 있으나, 원핵생물에는 내포작용이 없기 때문에 효율이 매우 낮다. 효율을 향상시키기 위해, 일반적으로 플라스미드 DNA, 단백질 등을 전달하는데 사용되는 전기천공법을 적용하였다. 형질전환성 세포(competent cell)를 CPP-GFP 단백질과 혼합한 후 전기 충격을 가하고, 조성이 다른 버퍼에서 5시간 동안 배양하여 회복시켰다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 투과 효율은 전기천공법을 통해 현저하게 증가되었다. 예를 들면, Tris-HCl (pH 7.5)에서 CPP 2803의 효율은 전기천공법에 의해 1,615배가 증가되었다. CPP 2803 및 2018은 Tris-HCl (pH 7.5)에서 가장 높은 효율을 보였으며, CPP 없는 GFP에 비해 세포 투과성이 각각 32.6배, 9.5배 증가하였다.

CPP 5개 중 2018 및 2803는 각각 아미노산 서열에서 아르기닌 2개를 포함한다. 비록 CPP 매개 세포 투과의 작용기전(mechanism)이 명확하게 확인되지 않았으나, 아르기닌이 진핵세포 내 세포적 전달 효율에 중요한 역할을 하는 것으로 보고되었다 (Allolio et al., 2018; Brock, 2014; Hu et al., 2014; Nakase et al., 2017; Walrant et al., 2012, 2011). 예를 들면, Walrant A et al.는 아르기닌이 풍부한 CPP인 RL9 (RRLLRRLRR), RW9 (RRWWRRWRR) 및 R9 (RRRRRRRRR)가 CHO 세포에서 세포막과 상호작용하여 두 개의 경로 (내포작용, 에너지 비의존적 전달)를 통해 세포막을 통과하여 투과한다는 것을 보고하였다 (Walrant et al., 2011). 본 실험에서는 박테리아 세포벽이 포유동물 세포와 다른 구성을 가지더라도, 아르기닌을 포함하는 CPP 2018 및 2803가 높은 전달 활성을 갖는다는 것을 발견하였다.

세포 투과 효율을 더 확인하기 위해, CPP 특징을 분석하였다. 하기 표 2와 같이, 효율이 높았던 CPP 2018 및 2803는 상대적으로 낮은 소수성(hydrophobicity) 및 장애 경향(disorder propensity)에 따른 높은 유연성을 갖는 것으로 나타났다. 테코산(teichoic acid) 또는 지질다당류(LPS)에 의해 음전하를 띠는 원핵생물의 세포벽에 대해 CPP의 양전하가 세포 투과성을 개선하는데 도움을 준다는 점에서, 순전하(net charge)가 중요한 것으로 알려져 있다 (Morath et al., 2005; Zhang et al., 2013). 그러나, 본 실험에서는 CPP 2018가 pH 6.8 ~ 8.0 조건에서 순전하가 없는 것으로, 순전하가 세포 투과와 관련 있지 않다는 것을 발견하였다.

CPP	서열 (서열번호)	pI1	소수성2	순전하3			불안정 지수4	장애 경향5
				pH 6.8	pH 7.5	pH 8.0
2018	CRNGRGPDC (서열번호 2)	7.99	3.83	0	0	0	-11.91	0.39
2803	CGNKRTR (서열번호 3)	11.38	4.58	+2.9	+2.7	+2.5	76.84	0.48
2877	TWLKYH (서열번호 4)	9.8	27.12	+1.1	+1	+1	10.27	0.15
2878	CTWLKY (서열번호 5)	8.81	27.01	+0.9	+0.5	0	44.03	0.07
KFF3	KFFKFFKFFK (서열번호 6)	11.11	47.15	+4	+4	+4	-36.09	0.01
1,3:https://www.biosyn.com/peptidepropertycalculator/peptidepropertycalculator.aspx 2:https://www.thermofisher.com/kr/ko/home/life-science/protein-biology/peptides-proteins/custom-peptide-synthesis-services/peptide-analyzing-tool.html 4:https://web.expasy.org/cgi-bin/protparam/protparam 5:https://iupred2a.elte.hu/plot (Mιszαros et al., 2018)

CPP 2018 및 2803이 가장 높은 효율을 보였기 때문에, 이들을 이용하여 후속 실험을 진행하였다. 전달 효율에 대한 CPP 농도 및 배양 시간의 연관성을 확인하였다. 도 3의 a에 나타낸 바와 같이, 일정 배양 시간 동안 CPP-GFP 단백질 농도가 증가함에 따라 전달 효율이 증가하였고, CPP-GFP 단백질이 0.1 ~ 0.2 mg/mL일 때 포화되었다. 배양 시간과 전달 효율 간의 상관관계를 확인하기 위해, 전기천공하여 CPP-GFP 단백질이 투과된 세포를 다른 시간 동안 배양하였다. 도 3의 b에 나타낸 바와 같이, 배양 시간이 증가할수록 효율 또한 증가하였다. 특히 CPP-GFP 단백질의 전달은 전기천공 직후에 이루어지지 않는 대신 몇 시간이 소요되었는데, 이는 세포 투과능이 전기천공뿐만 아니라 CPP에 의해서도 부여됨을 시사한다. 종합적으로, 전기천공법은 농도 의존적, 시간 의존적으로 E. coli의 CPP-GFP 단백질의 전달 효율을 증가시킨다는 것을 알 수 있었다.

2-3. 박테리아 세포의 재설계를 위한 플라스미드 제거에 CPP 펩티드의 활용

대사공학(metabolic engineering)을 포함한 생명공학 분야의 활용에서 플라스미드를 통해 많은 유전자를 전달하는 것은 필요하며, 숙주 세포의 재설계를 위해 유전자 또는 플라스미드를 제거하는 것도 종종 요구된다. 플라스미드 제거에 대한 기존 방법으로는 돌연변이 복제수를 갖는 플라스미드를 이용한 방법 (Briggs and Tatum, 2005; Silo-Suh et al., 2009), 조절 가능한 제한효소 유전자 및 이의 인식 서열을 포함하는 플라스미드를 이용한 방법 (de Moraes and Teplitski, 2015)이 있다. 실제로, 돌연변이 복제수를 이용한 방법은 일부만 적용 가능하며, 제한효소 유전자를 포함하는 방법은 세포질(plasma)의 부담이 증가한다는 단점이 있다. 그러므로, 세포 내 유전자의 도입 및 발현, 추가적인 플라스미드 또는 돌연변이 플라스미드를 이용하지 않는 새로운 방법이 필요하다.

본 실험에서는 원핵세포에 직접적으로 메가뉴클레아제를 전달하여 I-SceI 인식 서열을 포함하는 표적 플라스미드를 제거함으로써 도입된 플라스미드를 제거하는 새로운 방법을 개발하였다. CPP와 메가뉴클레아제 I-SceI를 융합시키고, 표적 플라스미드 내 I-SceI 인식 서열을 삽입하였다. I-SceI 인식 서열은 길이가 18 nt이며, 원핵생물 게놈과 다른 플라스미드 내에서 거의 발견되지 않는다. 예를 들면, E. coli 게놈에는 I-SceI 부위가 없다.

이러한 방법은 플라스미드 내 제한효소 인식 서열을 삽입하고 CPP-융합 제한효소 단백질을 생산함으로써 플라스미드를 제거할 수 있으며, 모든 플라스미드 및 원핵세포에 적용할 수 있다.

2-3-1. 수용성 CPP-융합 I-SceI 단백질의 정제

2018-I-SceI 및 2803-I-SceI단백질을 발현하는 플라스미드를 제조하였다. 도 4에 나타낸 바와 같이, SDS-PAGE 분석을 통해 2018-I-SceI 및 2803-I-SceI 플라스미드는 IPTG 유도 후 37℃에서 5시간 동안 배양할 때 E. coli BL21 (DE3)에서 봉입체(inclusion bodies)를 형성하는 것으로 나타났다. CPP-I-SceI 단백질을 용해시키기 위해, IPTG 유도 후 2018-I-SceI 또는 2803-I-SceI 플라스미드를 포함하는 E. coli BL21 (DE3) 세포를 저온에서 배양함으로써 단백질의 용해도가 효과적으로 증가된 것을 확인하였다. 수용성 CPP-I-SceI 단백질을 정제하여 다음 실험에 사용하였다.

CPP 융합에 의한 단백질의 생활성(bioactivity) 변화 여부를 확인하기 위해, CPP-I-SceI 단백질의 생체 외 절단 활성을 분석하였다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 2018-I-SceI 0.2 ㎍를 1시간 동안 처리한 경우에는 I-SceI 인식 서열을 포함하는 NotI-linearized pGPS2 플라스미드 500 ng을 절단하였다. 2803-I-SceI 0.1 ㎍ 이상을 1시간 동안 처리한 경우에는 기질을 완전히 절단하는데 충분하였다. 이러한 결과로부터, 2018-I-SceI 및 2803-I-SceI 단백질은 서로 활성이 다르지만, 모두 생체 외에서 기능적으로 활성을 갖는다는 것을 알 수 있었다.

2-3-2. 플라스미드 제거를 쉽게 검출하기 위한 NiCl ₂ 이용 역선택 시스템

E. coli에서 플라스미드 제거를 확인하기 위한 역선택(counter selection) 시스템으로, tetA의 손실을 확인하기 위해 도 6과 같은 NiCl₂ 방법을 적용하였다. tetA는 숙주 세포에 테트라사이클린에 대한 저항성을 부여하지만, 정상 세포에 비해 두 배나 많은 Ni²⁺를 축적시킨다. 그러므로, tetA 포함 세포는 정상 세포에 비해 NiCl₂ 독성에 더 민감하다 (Podolsky et al., 1996; Stavropoulos and Strathdee, 2000). 플라스미드가 제거된 세포를 선택하기 위한 적절한 Ni²⁺ 농도를 확인하기 위해, 야생형 E. coli 및 tatA 유전자를 갖는 pCM184 플라스미드를 포함하는 테트라사이클린 저항성 세포를 NiCl₂ 1 ~ 4 mM 함유 LB 평판 배지에서 배양하였다. 하기 표 3과 같이, 37℃에서 24시간 동안 배양 후 야생형 E. coli는 최대 NiCl₂ 2.00 mM 함유 LB 평판 배지에서 생장이 가능한 것으로 확인되었다. 반면, 테트라사이클린 저항성 세포는 NiCl₂ 1.90 mM 함유 LB 평판 배지에서 생장하지 못하는 것으로 확인되었다. 그러므로, 역선택 농도로 NiCl₂ 1.90 mM을 선택하였다.

NiCl2 농도(mM)	콜로니 수
	야생형	pCM
1.75	2492 ± 94.27	10.67 ± 2.27
1.80	2065.33 ± 181.07	4 ± 1.15
1.85	1010.67 ± 121.71	0.34 ± 0.19
1.90	776 ± 73.11	0
1.95	29 ± 4.40	0
2.00	0.67 ± 0.19	0
> 2.05	0	0

2-3-3. 플라스미드 제거하기 위한 2018-I-SceI 및 2803-I-SceI 단백질의 활용

CPP-I-SceI 단백질의 최적 농도를 확인하기 위해, pCM184 (ColE1 유래; 복제수 20 ~ 40)를 포함하는 세포에 CPP-I-SceI 단백질을 농도가 다르게 (0.27-0.9 μM) 처리하였다. 표 4와 같이, CPP-I-SceI 단백질의 농도가 증가할수록 플라스미드 제거 효율이 감소되었다. 이러한 결과는 I-SceI 효소가 GPF와 달리, 알려지지 않은 세포 독성을 일으키는 것으로 볼 수도 있다. 종합적으로, CPP-I-SceI 단백질 0.27 μM을 다음 실험에서 플라스미드를 제거하는데 사용하였다.

단백질 농도 (μM)	콜로니 수
	I-SceI (대조군)	2018-I-SceI	2803-I-SceI
0.27	6 ± 0.58	282.67 ± 114.86	475.67 ± 163.36
0.54	6.33 ± 0.77	19 ± 1	25 ± 2.96
0.9	1 ± 0.33	4.67 ± 0.50	2.33 ± 0.51

플라스미드는 복제 원점에 따라 복제수가 다르다. E. coli 에서 2018-I-SceI 및 2803-I-SceI 단백질의 플라스미드 제거 효율을 평가하기 위해, I-SceI 인식 서열 및 tetA 를 포함하며 복제수가 다른 플라스미드를 이용하였다. NiCl₂ 함유 LB 평판 배지에 형성된 콜로니를 테트라사이클린 15 ㎍/mL 함유 또는 미함유 LB 평판 배지로 옮겨 플라스미드 제거를 확인하였다.

플라스미드	복제수	콜로니 수
		I-SceI (대조군)	2018-I-SceI	2803-I-SceI
pSC101	1~2	46 ± 13.45	176 ± 10.82	70.33 ± 8.23
ColE1	20~40	6 ± 0.58	282.67 ± 114.86	475.67 ± 163.36
RSF1030	>100	3.33 ± 1.35	5.67 ± 1.35	16.67 ± 8.18
pUC	500~700	0	0	0

표 5와 같이, 2018-I-SceI 및 2803-I-SceI 단백질은 플라스미드 pSC101, ColE1, RSF1030를 효율적으로 제거하며, ColE1 플라스미드를 제거하는데 최적화되었다. pSC101 플라스미드의 경우에는 복제수가 적기 때문에 야생형 I-SceI으로도 충분히 제거되는 것으로 나타났다. 반면, 많은 복제수를 갖는 pUC 플라스미드를 완전히 제거하는 것은 불가능하였다.

이러한 결과를 종합하면, CPP 2018 및 2803은 단백질을 효율적으로 전달하며, 화학물질 등 다른 카고를 전달하는 것도 가능할 것으로 예상된다. 특히, 이러한 시스템을 이용한 플라스미드 제거 효율은 이전에 확인된 CPP 펩티드 서열 (KFF3)에 비해 훨씬 더 우수한 것으로 나타났다.

<110> CHUNG ANG University industry Academic Cooperation Foundation <120> Recombinant Protein for Penetrating within Prokaryotic Cell and The Uses Thereof <130> PN190170 <160> 8 <170> KoPatentIn 3.0 <210> 1 <211> 237 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> I-SceI <400> 1 Met His Met Lys Asn Ile Lys Lys Asn Gln Val Met Asn Leu Gly Pro 1 5 10 15 Asn Ser Lys Leu Leu Lys Glu Tyr Lys Ser Gln Leu Ile Glu Leu Asn 20 25 30 Ile Glu Gln Phe Glu Ala Gly Ile Gly Leu Ile Leu Gly Asp Ala Tyr 35 40 45 Ile Arg Ser Arg Asp Glu Gly Lys Thr Tyr Cys Met Gln Phe Glu Trp 50 55 60 Lys Asn Lys Ala Tyr Met Asp His Val Cys Leu Leu Tyr Asp Gln Trp 65 70 75 80 Val Leu Ser Pro Pro His Lys Lys Glu Arg Val Asn His Leu Gly Asn 85 90 95 Leu Val Ile Thr Trp Gly Ala Gln Thr Phe Lys His Gln Ala Phe Asn 100 105 110 Lys Leu Ala Asn Leu Phe Ile Val Asn Asn Lys Lys Thr Ile Pro Asn 115 120 125 Asn Leu Val Glu Asn Tyr Leu Thr Pro Met Ser Leu Ala Tyr Trp Phe 130 135 140 Met Asp Asp Gly Gly Lys Trp Asp Tyr Asn Lys Asn Ser Thr Asn Lys 145 150 155 160 Ser Ile Val Leu Asn Thr Gln Ser Phe Thr Phe Glu Glu Val Glu Tyr 165 170 175 Leu Val Lys Gly Leu Arg Asn Lys Phe Gln Leu Asn Cys Tyr Val Lys 180 185 190 Ile Asn Lys Asn Lys Pro Ile Ile Tyr Ile Asp Ser Met Ser Tyr Leu 195 200 205 Ile Phe Tyr Asn Leu Ile Lys Pro Tyr Leu Ile Pro Gln Met Met Tyr 210 215 220 Lys Leu Pro Asn Thr Ile Ser Ser Glu Thr Phe Leu Lys 225 230 235 <210> 2 <211> 9 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> CPP 2018 <400> 2 Cys Arg Asn Gly Arg Gly Pro Asp Cys 1 5 <210> 3 <211> 7 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> CPP 2803 <400> 3 Cys Gly Asn Lys Arg Thr Arg 1 5 <210> 4 <211> 6 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> CPP 2877 <400> 4 Thr Trp Leu Lys Tyr His 1 5 <210> 5 <211> 6 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> CPP 2878 <400> 5 Cys Thr Trp Leu Lys Tyr 1 5 <210> 6 <211> 10 <212> PRT <213> Artificial Sequence <220> <223> CPP KFF3 <400> 6 Lys Phe Phe Lys Phe Phe Lys Phe Phe Lys 1 5 10 <210> 7 <211> 774 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> 2018-I-SceI recombinant protein <400> 7 atgtgccgaa atggtcgggg acccgactgc ggatccatgc atatgaaaaa catcaaaaaa 60 aaccaggtaa tgaacctggg tccgaactct aaactgctga aagaatacaa atcccagctg 120 atcgaactga acatcgaaca gttcgaagca ggtatcggtc tgatcctggg tgatgcttac 180 atccgttctc gtgatgaagg taaaacctac tgtatgcagt tcgagtggaa aaacaaagca 240 tacatggacc acgtatgtct gctgtacgat cagtgggtac tgtccccgcc gcacaaaaaa 300 gaacgtgtta accacctggg taacctggta atcacctggg gcgcccagac tttcaaacac 360 caagctttca acaaactggc taacctgttc atcgttaaca acaaaaaaac catcccgaac 420 aacctggttg aaaactacct gaccccgatg tctctggcat actggttcat ggatgatggt 480 ggtaaatggg attacaacaa aaactctacc aacaaatcga tcgtactgaa cacccagtct 540 ttcactttcg aagaagtaga atacctggtt aagggtctgc gtaacaaatt ccaactgaac 600 tgttacgtaa aaatcaacaa aaacaaaccg atcatctaca tcgattctat gtcttacctg 660 atcttctaca acctgatcaa accgtacctg atcccgcaga tgatgtacaa actgccgaac 720 actatctcct ccgaaacttt cctgaaactc gagcaccacc accaccacca ctga 774 <210> 8 <211> 768 <212> DNA <213> Artificial Sequence <220> <223> 2803-I-SceI recombinant protein <400> 8 atgtgcggga ataagcgaac tcggggatcc atgcatatga aaaacatcaa aaaaaaccag 60 gtaatgaacc tgggtccgaa ctctaaactg ctgaaagaat acaaatccca gctgatcgaa 120 ctgaacatcg aacagttcga agcaggtatc ggtctgatcc tgggtgatgc ttacatccgt 180 tctcgtgatg aaggtaaaac ctactgtatg cagttcgagt ggaaaaacaa agcatacatg 240 gaccacgtat gtctgctgta cgatcagtgg gtactgtccc cgccgcacaa aaaagaacgt 300 gttaaccacc tgggtaacct ggtaatcacc tggggcgccc agactttcaa acaccaagct 360 ttcaacaaac tggctaacct gttcatcgtt aacaacaaaa aaaccatccc gaacaacctg 420 gttgaaaact acctgacccc gatgtctctg gcatactggt tcatggatga tggtggtaaa 480 tgggattaca acaaaaactc taccaacaaa tcgatcgtac tgaacaccca gtctttcact 540 ttcgaagaag tagaatacct ggttaagggt ctgcgtaaca aattccaact gaactgttac 600 gtaaaaatca acaaaaacaa accgatcatc tacatcgatt ctatgtctta cctgatcttc 660 tacaacctga tcaaaccgta cctgatcccg cagatgatgt acaaactgcc gaacactatc 720 tcctccgaaa ctttcctgaa actcgagcac caccaccacc accactga 768

Claims (14)

1. 핵산분해효소; 및 서열번호 2 또는 3으로 표시되는 세포 투과 펩티드를 포함하며,
   상기 핵산분해효소는 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae) 유래의 서열번호 1로 표시되는 메가뉴클레아제 I-SceI인 것인, 원핵세포 투과성 재조합 단백질.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 세포 투과 펩티드는 소수성(hydrophobicity) 값이 5 미만인 재조합 단백질.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 재조합 단백질은 메가뉴클레아제 I-SceI의 N 말단과 세포 투과 펩티드의 C 말단이 직접 또는 간접적으로 연결된 것인 재조합 단백질.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 재조합 단백질은 원핵세포 내 I-SceI 인식 부위를 포함하는 유전자를 제거하는 것인 재조합 단백질.
   
6. 청구항 1의 재조합 단백질을 암호화하는 폴리뉴클레오티드.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 폴리뉴클레오티드는 서열번호 7 또는 8로 표시되는 것인 폴리뉴클레오티드.
   
8. 청구항 6의 폴리뉴클레오티드를 포함하는 발현벡터.
   
9. 청구항 8의 재조합 발현벡터를 포함하는 재조합 미생물.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 재조합 미생물은 대장균인 재조합 미생물.
    
11. a) I-SceI 인식 부위를 포함하는 원핵세포에 청구항 1의 재조합 단백질을 접촉시키는 단계;
    b) 상기 원핵세포에 전기 충격을 가하는 단계; 및
    c) I-SceI 인식 부위를 포함하는 유전자가 제거된 원핵세포를 수득하는 단계
    를 포함하는 원핵세포 내 유전자의 제거 방법.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 a) 단계의 원핵세포는 대장균인 방법.
    
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 b) 단계의 전기 충격은 충격 시간 3.0 내지 3.6 ms, 충격 세기 1 내지 10 kV/cm으로 1 내지 5회 반복 수행하는 것인 방법.
    
14. 청구항 11에 있어서,
    상기 c) 단계의 유전자는 플라스미드 단편 또는 전체인 방법.
    

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