KR20020067108A - 수송 도메인, 수송 도메인-화물분자 복합체 및 그 용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수송 도메인, 수송 도메인-화물분자 복합체 및 그 용도에 관한 것이다. 좀더 자세히는 본 발명은 세포 또는 세포핵에 비침투성이거나 침투가 용이하지 않은 생물학적 활성을 지닌 화물 분자와 공유결합하여 화물 분자를 세포 또는 세포핵 내로 침투 가능하도록 하는 HIV-1 Tat 서열번호 48-57의 수송 도메인으로 알려진 부분 중 일부 아미노산을 삭제시킨 수송 도메인 HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-55), Tat(50-56), 또는 Tat(50-57)에 대하여 녹색형광 단백질을 화물 분자로 하여 세포 침투실험을 한 결과 이들 변이체 수송 도메인들도 세포 침투능을 가지고 있는 것으로 확인되었고, 상기 수송 도메인들 또는 이들의 발현벡터 등을 치료 또는 예방 목적의 약제 조성물 또는 화장료 조성물로 이용할 수 있을 것으로 예상된다.
Description
본 발명은 수송 도메인, 수송 도메인-화물분자 복합체 및 그 용도에 관한 것이다.
본 명세서의 "수송 도메인"은 고분자 유기화합물, 예컨대 올리고뉴클레오타이드, 폴리뉴클레오타이드, 펩타이드, 단백질, 올리고당 또는 다당류 등과 공유결합을 이루어 별도의 수용체나 운반체, 에너지를 필요로 하지 않고 상기 유기화합물들을 세포 내로 도입시킬 수 있는 수개 내지 십수개의 아미노산 잔기로 구성된 것을 말한다. 특히, 본 발명에서는 HIV-1 Tat (48-57)을 출발 물질로 하여 N-, C- 양 말단의 아미노산 잔기를 수개 결여시킨 변이체 수송 도메인들을 포함하여 일컫는 의미로 사용하였다.
본 명세서의 "화물 단백질"은 상기 수송 도메인과 공유결합을 이루어 세포 내로 도입되어 활성을 나타내는 치료 분자, 예방 분자 및 진단 분자 등을 의미한다.
최근에는 다양한 인체의 질환이 세포 단백질의 비정상적 활성에 기인한다는 사실이 알려짐에 따라 이들 단백질의 활성을 조절함으로써 치명적인 인체질환을 치료할 수 있는 약제의 개발이 전세계적으로 관심의 대상이 되고 있다. 또한 생체질환의 치료제 개발은 세포내 특정 생리활성을 매우 특이적으로 조절할 수 있는 효소 및 단백질-단백질 상호작용의 구조에 기초하여 펩타이드성 혹은 단백질 형태의 조절 물질이 빠르게 개발되고 있다. 그러나 펩타이드 및 단백질은 다른 화합물에 비하여 특정 생리작용에 대한 선택성 및 효능성이 탁월함에도 불구하고 그 크기나 여러 생화학적 성질로 인하여 세포막을 통과하기가 매우 힘들어 세포 내부로 직접 전달될 수 없는 약점 때문에 효과적인 치료제 및 기초 연구 수단으로서의 실용화가 현실적으로 어려운 실정이다. 일반적으로 분자량 600 이상의 물질은 세포막을 통과하기가 거의 불가능한 것으로 알려져 있다(Schwartze et al., 1999; Van de Waterbeemd et al., 1998).
단백질 및 펩타이드를 세포 내로 전달하기 위하여 많은 방법이 시도되어 왔다. 이들 방법에는 다음과 같은 방법이 포함된다. 물리적인 처리 방법 (마이크로인젝션(microinjection), scrape loading, electroporation과 biolistics), 화학적이나 생물학적으로 세포에 포어(pore)를 형성시키는 방법 (디지토닌(digitonin), 포어 형성 단백질(pore-forming proteins)과 ATP 처리), 변형된 단백질이나 단백질 운반체(carriers)를 이용한 방법(lipidated proteins과 immunotoxins/related bioconjugates) 그리고 입자 흡입이나 융합 방법(리포조옴(liposomes), 세포-세포 융합(cell-cell fusion), virus mimics와 induced pinocytosis) 등이 포함된다(Fernandez and Bayley, 1998). 위에서 언급한 방법들은 다음의 문제점들이 있다. 예를 들어 마이크로인젝션(microinjection)은 하나의 세포나 소수의 세포를 연구할 때에만 효율적이고, 이뮤노톡신(immunotoxins)은 보통 단백질을 높은 농도로 세포에 전달하지 못할 뿐만 아니라, 치명적인 활성을 가진 단백질이 이용될 때 목표세포를 죽이기도 한다. 또한 이 방법들은 단백질의 세포내 전달 효율, 세포의 손상 여부, 목표 단백질의 도달 여부, 재현성의 여부 등의 문제점을 안고 있다.
근래에 인체 면역결핍 바이러스 (Hunan Immunodeficiency Virus type-1)가 발현하는 단백질의 하나인 Tat(transactivator of transcription) 단백질이 효율적으로 세포막을 통과하여 세포질 및 세포핵 내로 쉽게 이동한다는 것이 밝혀졌다 (Frankel and Pabo, 1988; Green and Loewenstein, 1988). 최근 오브알부민(ovalbumin), β-갈락토시다아제(galactosidase), 양고추냉이 퍼옥시다아제(horseradish peroxidase) 같은 이종단백질을 HIV-1 Tat 단백질과 융합시켜 투여하였을 때 생체 각 조직 및 배양된 세포 내로 직접 운반된다는 것을 보여주었다 (Fawell et al., 1994; Schwartze et al., 1999). 이러한 기능은 Tat 단백질의 중간부위에 위치하는 염기성 영역에 의하여 이루어지는 것으로 밝혀졌고 단백질 세포전달 영역(Protein Transduction Domain)으로 알려졌다(Nagahara et al., 1998; Vives et al, 1997). HIV-1 Tat 이외에도 안테나피디아 호메오도메인 (Anntennapedia Homeodomain)에서 유래된 펩타이드 등도 단백질을 세포 내로 전달시킬 수 있다고 보고되었다(Derossi et al., 1996). 이들에 의한 단백질 세포전달 기전은 정확히 알려지지 않았지만 단백질의 세포막 투과에는 특정 수용체나 운반체가 관여하지 않는 것으로 보이며 단백질 세포전달 부위가 직접 세포막의 지질 층과 작용함으로써 일어나는 것으로 이해하고 있다.
따라서, 본 발명은 HIV-1 Tat의 단백질 수송 부분(prtein transduction domain)으로 알려져 있는 48-57의 10개의 아미노산 잔기 중 일부를 결여(deletion)시켰을 때의 수송 도메인의 세포내 화물분자 투과 능력을 시험함으로써 최소의 아미노산 잔기로 화물분자를 세포 내로 도입할 수 있도록 하려는 것이다.
또한, 본 발명은 HIV-1 Tat의 단백질 수송 부분(prtein transduction domain)으로 알려져 있는 48-57의 10개의 아미노산 잔기 중 어느 잔기가 화물 분자의 수송에 중요한 역할을 하는지 또는 수송 도메인의 수송 메카니즘을 밝혀 내려는 것이다.
뿐만 아니라, 본 발명은 HIV-1 Tat의 단백질 수송 부분(prtein transduction domain)으로 알려져 있는 48-57의 10개의 아미노산 잔기 중 일부를 결여시킴으로써 수송 도메인을 최소화하여 면역화 등의 부작용을 최소화한 수송 도메인 및 이를 응용한 약제 조성물, 화장품 조성물 등을 제공하려는 것이다.
도 1a는 Tat-GFP 발현벡터의 개략도이다. GFP 발현벡터 pGFP는 GFP의 코딩서열을 pET15b에 삽입하여 구성되었다. 또한, 대조군 GFP-융합 단백질은 HIV-Tat 서열을 빼고 제조되었다.
도 1b는 정제된 수송도메인-GFP 융합단백질을 12% SDS-PAGE로 분리한 후 쿠마시 블루로 염색한 것이다.
레인 1: GFP, 레인 2: Tat(51-57)-GFP,
레인 3: Tat(52-57)-GFP, 레인 4: Tat(50-53)-GFP,
레인 5: Tat(50-54)-GFP, 레인 6: Tat(50-55)-GFP,
레인 7: Tat(50-56)-GFP, 레인 8: Tat(50-57)-GFP,
레인 9: Tat(49-57)-GFP, 레인 10: Tat(48-57)-GFP
도 2a는 변성된 Tat(48-57)-GFP 융합단백질의 세포 내 도입 분석결과로서, 다양한 농도의 Tat(48-57)-GFP 융합단백질을 1시간동안 HeLa 세포 내로 도입시켰을 때 세포 내의 도입된 단백질을 웨스턴 블랏으로 분석한 것이다.
도 2b는 세포 내로 도입된 Tat(48-57)-GFP 융합단백질을 형광 마이크로스코피로 가시화한 것이다. 각 섹션 a,b,c,d는 각각 다음과 같다.
a: 500nM 대조군 GFP b: 100nM Tat(48-57)-GFP
c: 500nM Tat(48-57)-GFP d: 1uM Tat(48-57)-GFP
도 3a는 각기 다른 수송 도메인에 GFP를 융합시킨 GFP-융합 단백질을 0.5 μM HeLa 세포에 가하여 웨스턴블랏 분석한 것이다.
레인 1, GFP; 레인 2, Tat(51-57)-GFP;
레인 3, Tat(52-57)-GFP; 레인 4, Tat(50-53)-GFP;
레인 5, Tat(50-54)-GFP; 레인 6, Tat(50-55)-GFP;
레인 7, Tat(50-56)-GFP; 레인 8, Tat(50-57)-GFP;
레인 9, Tat(49-57)-GFP; 레인 10, Tat(48-57)-GFP.
도 3b는 상기 3a의 밴드 강도를 측정한 것을 그래프로 나타내었다.
도 3c는 3a와 같은 조건으로 처리된 HeLa 세포를 형광 마이크로스코피 분석한 것이다.
레인 1, GFP; 레인 2, Tat(51-57)-GFP;
레인 3, Tat(52-57)-GFP; 레인 4, Tat(50-53)-GFP;
레인 5, Tat(50-54)-GFP; 레인 6, Tat(50-55)-GFP;
레인 7, Tat(50-56)-GFP, 레인 8, Tat(50-57)-GFP;
레인 9, Tat(49-57)-GFP; 레인 10, Tat(48-57)-GFP.
본 발명은 세포 또는 세포핵에 비침투성이거나 침투가 용이하지 않은 생물학적 활성을 지닌 화물 분자와 공유결합하여 화물 분자를 세포 또는 세포핵 내로 침투 가능하도록 하는 HIV-1 Tat 서열번호 48-57의 수송 도메인으로 알려진 부분 중 일부 아미노산을 삭제시킨 수송 도메인 HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-55), Tat(50-56), 또는 Tat(50-57)에 대하여 녹색형광 단백질을 화물 분자로 하여 세포 침투실험을 한 결과 이들 변이체 수송 도메인들도 세포 침투능을 가지고 있는 것으로 확인되었고, 상기 수송 도메인들 또는 이들의 발현벡터 등을 치료 또는 예방 목적의 약제 조성물 또는 화장료 조성물로 이용할 수 있을 것으로 예상된다.
본 발명자들은 기능을 가진 단백질, 펩타이드 등의 화물 분자를 세포 내로 침투시키는 기술을 개발하기 위하여 세포 내로 화물 분자를 전달할 수 있는 수송 도메인-화물 분자 복합체 발현벡터를 제조하였다. 본 발명에서는 수송 도메인-화물 분자 복합체의 일종으로서 수송도메인 융합단백질을 선택하여 실험하였다. 신규 제조된 수송도메인 융합단백질 발현벡터는 아미노 말단부터 6개의 히스티딘, 수송 도메인의 아미노산 잔기와 목표단백질(화물 분자)을 융합 단백질 형태로 발현시킬 수 있도록 고안되었다. 수송 도메인의 아미노산 잔기가 단백질을 세포 내로 전달할 수 있는 능력을 용이하게 분석할 수 있도록 하기 위하여 GFP를 목표단백질로 선택하여 GFP의 염기서열에 해당하는 DNA 절편을 벡터에 삽입시켜 수송도메인-GFP 융합 단백질을 발현할 수 있는 벡터를 제조하였다.
본 발명자들은 세포 내의 투과능력을 알아 보기 위하여 변성상태(denaturing condition)에서 수송 도메인-GFP 융합단백질을 각각 정제하였다. 세포를 6M 우레아가 함유된 용액에서 초음파 처리하고 6개 히스티딘 잔기를 이용하여 Ni-니트릴로삼아세트산 세파로즈(nitrilotriactic acid sepharose) 컬럼으로 간단히 정제하였으며, 염분을 제거하였다.
위 정제된 수송도메인-GFP 융합단백질의 세포 내 전달효과를 알아 보기 위하여 정제된 수송도메인-GFP 융합 단백질을 세포배양액 내에 처리하여 보았다. 그 결과, 수송 도메인 Lys-GFP 융합 단백질은 대조군 GFP가 거의 세포 내로 전달되지 않는데 비하여 단백질 수송능력이 있다고 알려진 HIV-1 Tat 48-57 10개의 아미노산 잔기 중 일부를 결여(deletion)시킨 수송 도메인 HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-55),Tat(50-56), 또는 Tat(50-57)과 결합된 GFP 융합단백질이 높은 효율로 세포 내로 전달되는 것을 웨스턴 블랏을 통해 관찰할 수 있었다.
또한, 본 발명자들은 목표세포 내로 투과된 융합단백질이 그 고유한 활성을 유지하고 있는지를 분석하였다. 수송도메인-GFP 융합 단백질을 처리한 HeLa 세포에서 GFP가 나타내는 형광도를 형광현미경으로 관찰하였다. 그 결과 수송 도메인 HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-55), Tat(50-56), 또는 Tat(50-57)과 융합된 GFP 융합 단백질은 HeLa 세포 내로 투과되었고 HeLa 세포 투과 이후 세포질 내에서 GFP 단백질 활성이 회복됨을 관찰하였다.
상기 수송 도메인 HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-55), Tat(50-56), 또는 Tat(50-57)과 융합된 수송 도메인 융합 단백질을 유효성분으로 함유하는 약제학적 조성물은 약제학적 분야에서 통상적으로 허용되는 담체와 함께 배합하여 통상적인 방법에 의해 경구 또는 주사형태로 제형할 수 있다. 경구용 조성물로는, 예를 들면 정제 및 젤라틴 캡슐이 있으며, 이들은 활성 성분 이외에도 희석제(예: 락토스, 텍스트로스, 수크로스, 만니톨, 솔비톨, 셀룰로즈 및/또는 글리신), 활탁제(예: 실리카, 탤크, 스테아르산 및 그의 마그네슘 또는 칼슘염 및/또는 폴리에틸렌 글리콜)를 함유하고, 정제는 또한 결합제(예: 마그네슘 알루미늄 실리케이트, 전분 페이스트, 젤라틴, 메틸셀루로스, 나트륨 카복시메틸셀룰로스 및/또는 폴리비닐피롤리돈)를 함유하며, 경우에 따라서 붕해제(예: 전분, 한천, 알긴산 또는 그의 나트륨 염) 또는 비등 혼합물 및/또는 흡수제, 착색제, 항미제 및 감미제를 함유하는 것이 바람직하다. 주사용 조성물은 등장성 수용액 또는 현탁액이 바람직하고, 언급한 조성물은 멸균되고/되거나 보조제(예: 방부제, 안정화제, 습윤제 또는 유화제 용액 촉진제, 삼투압 조절을 위한 염/또는 완충제)를 함유한다. 또한, 이들은 기타 치료적으로 유용한 물질을 함유할 수 있다.
이와 같이 제조된 약제학적 제제는 목적하는 바에 따라 경구로 투여하거나, 비경구 방식 즉, 정맥내, 피하, 복강내 투여 또는 국소적용할 수 있으며, 용량은 일일 투여량이 0.0001~100 ㎎/㎏의 양을 1 내지 수회에 나누어 투여할 수 있다. 특정 환자에 대한 투여용량 수준은 환자의 체중, 연령, 성별, 건강상태, 투여시간, 투여방법, 배설율, 질환의 중증도 등에 따라 변화될 수 있다.
또한, 본 발명의 수송도메인 융합 단백질을 비롯하여 수송도메인-화물분자 복합체를 주요성분으로 하는 화장료 조성물은 크림, 연고, 젤, 로션, 화장수 등으로 제형화되어 사용될 수 있으며, 어떤 제형으로 제조하여 사용하는가는 본 발명의 속하는 기술분야의 당업자에 의해 극히 용이하게 결정될 수 있다.
또한, 본 발명의 수송도메인 융합 단백질을 비롯하여 수송도메인-화물분자 복합체를 유효성분으로 하는 로션, 젤, 에센스, 크림, 화장수 등은 각각 통상적인 제조방법에 따라 어떤 형태로든 용이하게 제조할 수 있으며, 기초 화장품 등에 편리하게 첨가하여 피부노화방지, 개선제 등의 용도로서 사용될 수 있다.
일례로서 크림을 제조함에 있어서는 일반적인 수중유형(O/W) 또는 유중수형(W/O)의 크림 베이스에 본 발명의 수송도메인 융합 단백질을 비롯하여 수송도메인-화물분자 복합체를 함유시키고 여기에 향료, 킬레이트제, 색소, 산화방지제, 방부제 등을 사용하는 한편, 물성개선을 목적으로 단백질, 미네랄, 비타민 등합성 또는 천연소재를 병용할 수 있다.
본 발명자들은 수송도메인 융합 단백질 또는 수송도메인-화물분자 복합체의 일례로서 HIV-1 Tat(50-57)-SOD 융합 단백질을 랫트의 피부에 침투실험한 결과 표피, 진피, 피하지방층까지 원활하게 침투하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 수송도메인-화물분자 복합체 또는 수송 도메인 융합 단백질을 약제 조성물 및/또는 화장료 조성물의 주요성분으로 이용할 수 있음을 밝혔다.
본 발명은 세포 또는 세포핵에 비침투성이거나 침투가 용이하지 않은 생물학적 활성을 지닌 화물 분자와 공유결합되어 화물 분자를 세포 또는 세포핵 내로 침투 가능하도록 하는 HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-56), Tat(50-57) 또는 Tat(48-57) 중의 하나인 것을 특징으로 하는 수송 도메인에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 화물 분자가 올리고뉴클레오타이드, 폴리뉴클레오타이드, 펩타이드, 단백질, 올리고당 또는 다당류인 것을 특징으로 하는 수송 도메인에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-56), Tat(50-57) 또는 Tat(48-57) 중의 하나로 구성된 수송 도메인과 화물 분자가 공유결합되어 세포 또는 세포 핵 내로 침투 가능하고 세포 또는 세포핵 내에서 활성을 나타내는 수송 도메인-화물분자 복합체에 관한 것이다.
나아가, 본 발명은 상기 화물 분자가 올리고뉴클레오타이드, 폴리뉴클레오타이드, 펩타이드, 단백질, 올리고당 또는 다당류인 것을 특징으로 하는 수송도메인-화물분자 복합체에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 아미노 말단 측의 HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-56), Tat(50-57) 또는 Tat(50-55) 중의 하나로 구성된 수송 도메인과 카르복시 말단 측의 화물 단백질이 공유결합되어 세포 내로 침투 가능하고 세포 내에서 활성을 나타내는 수송 도메인 융합단백질에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 화물 단백질이 녹색형광단백질(GFP)인 것을 특징으로 하는 수송 도메인 융합단백질에 관한 것이다.
뿐만 아니라, 본 발명은 상기 화물 단백질은 치료 분자, 예방 분자 및 진단 분자로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수송 도메인 융합단백질에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 상기 수송 도메인-화물분자 복합체의 약학적으로 유효한 양을 포함하고 약학적으로 허용되는 담체를 포함하는 것을 특징으로 하는 약학 조성물에 관한 것이다.
나아가, 본 발명은 상기 수송 도메인 융합단백질의 약학적으로 유효한 양을 포함하고 약학적으로 허용되는 담체를 포함하는 것을 특징으로 하는 약학 조성물에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-56), Tat(50-57) 또는 Tat(50-55) 중의 하나를 발현할 수 있는 염기서열을 가진 올리고뉴클레오타이드를 삽입하여 상기 수송 도메인-화물분자 복합체 또는 상기 수송 도메인 융합단백질을 생산할 수 있는 수송 도메인 벡터에 관한 것이다.
나아가, 본 발명은 상기 올리고뉴클레오타이드가 서열번호 7, 서열번호 9, 서열번호 17, 서열번호 19 또는 이들의 어닐링 산물인 것을 특징으로 하는 수송 도메인 벡터에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 수송 도메인-화물분자 복합체 또는 상기 수송 도메인 융합단백질을 발현시키기 위하여 상기 수송 도메인 벡터에 화물분자 cDNA를 삽입하여 화물 분자의 일측 말단에 수송 도메인이 융합된 수송 도메인-화물분자 복합체를 생산하는 발현벡터에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 화물분자가 치료 분자, 예방 분자 및 진단 분자로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수송 도메인-화물분자 복합체를 생산하는 발현벡터에 관한 것이다.
나아가, 본 발명은 상기 화물 분자가 GFP인 것을 특징으로 하는 수송 도메인-화물분자 복합체를 생산하는 발현벡터에 관한 것이다.
뿐만 아니라, 본 발명은 상기 발현벡터가 도 1a에 도시된 것임을 특징으로 하는 수송 도메인-화물분자 복합체를 생산하는 발현벡터에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 발현벡터를 미생물에서 발현시키는 단계; 발현된 수송 도메인-화물분자 복합체를 정제하는 단계; 정제된 수송 도메인-화물분자 복합체를 세포 또는 세포핵에 가하는 단계;로 구성되는 수송 도메인-화물분자 복합체를 세포 또는 세포핵 내로 도입시키는 방법에 관한 것이다.
나아가, 본 발명은 상기 정제 단계가 4∼6M 우레아 등을 이용하여 수송 도메인-화물분자 복합체를 변성상태로 정제하는 것을 특징으로 하는 수송 도메인-화물분자 복합체를 세포 또는 세포핵 내로 도입시키는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 수송 도메인-화물분자 복합체 또는 상기 수송 도메인 융합단백질을 세포 또는 세포핵 내로 도입하여 질환을 예방 또는 치료하는 방법에 관한 것이다.
뿐만 아니라, 본 발명은 상기 발현벡터를 이용하여 상기 수송 도메인-화물분자 복합체 또는 상기 수송 도메인 융합단백질을 세포 또는 세포핵 내로 도입하여 질환을 예방 또는 치료하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 수송 도메인-화물분자 복합체 또는 상기 수송 도메인 융합단백질을 유효성분으로 하는 화장료 조성물에 관한 것이다.
나아가, 본 발명은 상기 수송 도메인-화물분자 복합체가 수송 도메인-SOD 융합 단백질이며, 활성산소종을 제거하는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 화장료 조성물에 관한 것이다.
뿐만 아니라, 본 발명은 상기 화장료 조성물이 화장수, 젤, 수용성 리퀴드, 수중유(O/W)형 및 유중수(W/O)형인 것을 특징으로 하는 화장료 조성물에 관한 것이다.
<실시예 1> 수송도메인 융합단백질 발현 벡터의 제조
기능을 가진 단백질 또는 펩타이드를 세포 내로 침투시키는 기술을 개발하기 위하여 세포 내로 목표단백질을 전달할 수 있는 융합 단백질 발현벡터를 제조하였다.
수송 도메인이 단백질을 세포 내로 전달하는 능력을 용이하게 분석하기 위하여 녹색형광 단백질(Green Fluorescence Protein; 본 명세서에서 "GFP"라 약칭함)을 목표단백질로 선택하였다. GFP의 염기서열에 해당하는 DNA 절편을 플라스미드 pEGFP-C2(클론텍)를 이용하여PfuDNA 중합효소로 중합효소 연쇄반응시켜 GFP의 완전한 서열을 증폭하였다. 정방향 개시체(sense primer)는 5'-CTCGAGGTGAGCAAGGGCGAGGAGCTG-3'이고, 역방향 개시체(antisense primer)의 서열은 5'-GGATCCTTACTTGTACAGCTCGTCCATGCCGAG-3'이다. PCR산물은XhoI-BamHI으로 잘리며, pET15b(Invitrogen, Carlsbad, CA)의XhoI-BamHI 자리에 서브클론되어 HIV-1 Tat의 염기성 도메인이 없는 GFP 융합단백질을 발현시키는 pGFP를 제조하였다. 약 0.7kb의 삽입체를 가진 클론은XhoI-BamHI 제한효소 분석으로 선택되고 서열결정을 통하여 분석되었다.
GFP와 융합된 HIV-1 Tat의 염기성 도메인(아미노산 48-57)을 발현시키는 pTat-GFP는 다음의 방법으로 제조되었다. 첫째, 두개의 올리고뉴클레오타이드가 제조되어 HIV-1 Tat의 염기성 도메인의 아홉개 아미노산을 코딩하는 이중사슬 올리고뉴클레오타이드로 어닐되었다. HIV-1 Tat의 염기성 도메인의 아홉개 아미노산을 코딩하는 서열은 위쪽 사슬(top strand) 5'-TAGGAAGAAGCGGAGACAGCGACGAAGAC-3'과 아래쪽 사슬(bottom strand) 5'-TCGAGTCTTCGTCGCTGTCTCCGCTTCTTCC-3'이다. 이중사슬 올리고뉴클레오타이드는 직접 pGFP의NdeI-XhoI으로 소화된 부위에 연결된다. 그리하여 인프레임으로(in frame) 6개의 히스티딘 오픈리딩프레임과 연결된 Tat-GFP 발현 플라스미드인 pTat-GFP가 제조되었다.
또한, GFP와 HIV-1 Tat의 염기성 도메인(아미노산 48-57)이 융합되어 코딩된 이 플라스미드는 변형되어 pGFP의 히스티딘 태그 부분과 GFP 유전자 사이에 수송 도메인의 다양한 변이형태 즉, 48-57 아미노산 잔기 중 양 말단으로부터 수개의 아미노산이 결여된 형태에 해당하는 올리고뉴클레오타이드가 어닐되어 삽입되었다.
플라스미드에 클론된 올리고뉴클레오타이드의 서열은 형광 자동 서열분석기 (fluorescence-based automated sequencer)(모델 373A, Applied Biosystems, Inc.)로 확인하였다. 일련의 수송 도메인 변이형태를 가진 플라스미드의 제조에 사용된 올리고뉴클레오타이드들, 해당 아미노산 및 그 결과 얻어진 GFP 융합 단백질은 표 1에 요약하였다.
<실시예 2> 수송도메인-GFP 융합단백질의 발현 및 정제
pGFP 및 pTat-GFP 등으로 형질전환된E. coliBL21(파마시아)를 선택한 다음, 콜로니를 100㎍/㎖의 앰피실린이 함유된 LB 배지에 접종하고 37℃에서 밤새 배양하였다. 밤새 배양한 배양액은 신선한 LB 배지에서 10배 희석하여 250rpm으로 교반하여 배양하였다. 배양액 내의 박테리아 농도가 O.D600= 1.0을 나타낼 때 IPTG를 배지 내에 첨가하여 최종농도가 0.5mM 되게 한 다음 4시간을 더 배양하였다.
변성된 수송도메인-GFP 융합단백질을 얻기 위하여 배양된 세포에 6M 우레아와 프로테아제 억제제(20mg/ml 소이빈 트립신 억제제, 2mg/ml 아프로티닌, 5mg/ml 류펩틴, 100mg/ml PMSF)가 포함된 결합완충용액(binding buffer; 5mM 이미다졸,0.5M NaCl, 20mM Tris-HCl, pH 7.9)를 넣고 초음파처리(sonication)하여 수확하고 용균하였다. 완충액 A(buffer A; 6M 우레아, 20mM HEPES, pH 8.0, 100mM NaCl)에 넣고 초음파처리하여 세포를 파쇄시킨 다음 원심분리를 2회(16,500rpm×30min, 40,000rpm×30 min, 4℃) 연속 수행하여 불용성의 세포 파편(cell debris)을 제거하였다. 그 후 용균액(lysate)을 Ni+++-IDA 컬럼을 통해 정제하였다. 컬럼은 먼저 6M 우레아가 없는 결합완충용액으로 세척한 후 세척완충액(80mM 이미다졸, 0.5M NaCl, 20mM Tris-HCl, pH 7.9)으로 세척하였다. 단백질은 용출 완충액(1mM 이미다졸, 0.5M NaCl, 20mM Tris-HCl, pH 7.9)로 용출한 후 PD-10 컬럼 크로마토그래피(Amersham)를 이용하여 단백질에 포함된 염분을 제거하였다.
변성되지 않은 자연상태의 수송 도메인-GFP 융합 단백질은 상기 언급된 변성제 없이 동일한 과정으로 얻어졌다. 각 분획의 단백질 농도는 SDS-PAGE로 분리한 후 밀도측정분석방법으로 우태혈청 알부민(BSA)을 스탠다드로 하여 정량하였다(도 1b). 단백질 농도는 브래드포드 단백질 어세이(Biorad)로 결정하였다. 정제된 수송도메인-GFP 융합 단백질은 20% 글리세롤이 포함된 PBS에 용해되었고 -80℃에 저장되었다.
<실시예 3> 세포 배양과 융합단백질의 세포 내 전달 실험
HeLa 세포는 37℃에서 20mM HEPES/NaOH (pH 7.4), 5mM NaHCO3, 10% 우태혈청(fetal bovine serum; FBS) 및 항생제(100 ㎍/ml 스트렙토마이신, 100U/ml페니실린)가 포함된 DMEM(Dulbecco's Modified Eagle's Medium)에서 배양하였다.
10개의 아미노산(48-57)으로 이루어진 HIV-1 Tat 단백질 수송 부분을 출발물질(starting reference)로 하여 양 말단의 아미노산 잔기들을 수개씩 결여시켜 제조한 변이체 수송 도메인에 대한 화물 분자 세포 투과능을 관찰하고, 세포 투과에 필수적인 최소의 펩타이드 길이를 결정하기 위하여 다음과 같이 실험하였다. 즉, 변이체 수송도메인-GFP 융합 단백질의 세포내 투과를 관찰하기 위하여, HeLa 세포를 6-웰 플레이트에서 4∼6시간 동안 키운 뒤 10% FBS가 포함된 신선한 DMEM 배양액으로 교체하고 여러 농도의 GFP 융합 단백질을 배양액 내에 처리하였다. 37℃에서 1시간동안 배양한 뒤, 세포를 인산 완충액 생리식염수(phosphate buffered saline;PBS)로 충분히 세척하고, 10분동안 트립신-EDTA(Gibco BRL)로 처리하였다. 세포를 분쇄한 다음 세포 내로 투과된 수송도메인-GFP 융합 단백질의 양을 다음 실시예와 같이 웨스턴 블랏 분석으로 측정하였다.
<실시예 4> 웨스턴 블랏 분석
세포를 용균하여 얻어진 세포 용균액을 용균 완충액(125 mM Tris-HCl pH 6.8, 2% SDS, 10% v/v 글리세롤)이 있는 6-웰 플레이트에 넣었다. 전체세포 용균액 각 15㎍씩을 SDS-12% 폴리아크릴아미드 젤 상에서 전기이동시켰다.
전기이동으로 분리된 단백질을 니트로셀룰로스 멤브레인(nitrocellulose membrane; Amersham, UK)으로 이동시켰다. 단백질이 이동된 니트로셀룰로스 멤브레인을 10% 분유(dry milk)가 들어 있는 PBS로 블로킹하였다. 이어 멤브레인은 래빗항-GFP 폴리클론 항체(polyclonal antibody; Clontech, USA, 1:1,000)로 처리하였다. 그 후 호스래디쉬 퍼옥시다아제-결합된 고우트 항-래빗 (goat anti-rabbit) IgG 항체(Sigma, 1:10,000 희석)와 반응시켰다. 결합된 항체들은 화학발광으로 확인할 수 있었다(ECL; Amersham)(결과는 도 3a).
<실시예 5> 형광 분석(fluorescence microscopy)에 의한 세포 도입 분석
목표세포에 융합 단백질을 전달하고자 할 때 전달되는 세포의 비율이 얼마나 되는지가 중요하다. 또한 세포 내로 투과된 융합단백질이 그 고유한 활성을 유지해야만 이러한 단백질 전달 기술이 응용될 수 있다. 따라서 본 실험에서 GFP 융합 단백질이 전달되는 세포의 비율이나 전달된 융합단백질의 활성 유무를 분석하였다. 변성된 GFP 융합 단백질을 처리한 HeLa 세포에서 GFP가 나타내는 형광도를 형광현미경으로 관찰하였다.
커버 슬립 상에서 50-70%의 컨플루언시(confluency)가 되도록 다양한 양의 GFP-융합 단백질로 처리한 HeLa 세포를 배양하였다. 1시간동안 배양한 후 세포들은 PBS로 두번 세척한 후 트립신처리되고, 실온에서 5분동안 포름알데히드가 함유된 PBS로 고정되었다. 세포들은 다시 PBS로 세척한 다음 마운팅 용액(mounting solution; 90% 글리세롤, 0.1% 페닐렌디아민이 포함된 인산완충액 식염수(PBS))을 처리하고 커버 글래스를 덮어 올림푸스 형광 현미경(Olypus epifluorescence microscope)을 이용하여 488nm 형광필터로 세포 내 형광 유무를 관찰, 단백질의 세포 내 분포를 분석하였다(Eric et al., 1997)(결과는 도 3b, 3c).
그 결과 HIV-1 Tat(49-57)의 세포도입 활성은 HIV-1 Tat(48-57)과 거의 유사하였으며, Tat(50-57)-GFP 융합단백질 및 Tat(51-57)-GFP 융합단백질은 Tat(48-57)-GFP 융합단백질에 비하여 조금 낮아졌다. 이 결과는 HIV-1 Tat(48-57) 중 48번째 글리신 잔기의 결여가 세포도입 활성에 크게 영향을 미치지 않는 것임을 암시한다. 나아가, 50번째 라이신 잔기의 결여는 세포도입 활성이 약간 감소되는 결과를 나타내는 반면, 51번째 라이신 잔기의 결여는 세포활성을 크게 감소시키는 것으로 나타났다. 유사한 방법으로 카르복시 말단의 아미노산 잔기들을 결여시킨 결과 57번째 아르기닌 잔기, 56번째 아르기닌 잔기, 55번째 아르기닌 잔기, 54번째 글리신 잔기를 차례로 결여시킬수록 세포활성이 점차 감소하는 것으로 나타났다. 형광마이크로스코피에 의한 이 결과(도 3b)는 웨스턴 블랏분석의 결과(도 3c)와 일치하였다.
<실시예 6> 수송도메인-SOD 융합 단백질의 동물 피부세포 투과
실험동물로서 체중 200g 내외의 수컷 SD 랫트를 사용하였다. 실험동물은 대조군(SOD 도포) 10마리와 실험군(아미노산 잔기가 N- 및/또는 C- 말단으로부터 수개 결여된 변이체 수송도메인-SOD 도포) 15마리를 각각 사용하였다.
각 실험동물을 24시간 절식시킨 후, 질소와 산소가 7:3으로 혼합된 개스에 3% 이소플루란(isoflurane)으로 전신마취를 유도한 후에 동일한 개스에 2.5% 이소플루란으로 마취를 유지하면서 복부 피부에 SOD 및 수송도메인-SOD를 각각 0.3mg씩 도포하였다.
정상군과 각 실험군은 도포 2시간 후 케타민(ketamine)(30 mg/㎏)을 복강내 주사하여 전신마취시킨 후 도살하여 도포부위의 피부를 절취한 후 통상적인 방법으로 10 ㎛ 냉동조직절편을 제작하였다.
제작된 조직절편은 4% 파라포름알데히드(paraformaldehyde)로 10분간 고정한 후 0.1M 인산완충용액 식염수(phosphate buffered saline:PBS, pH 7.4)로 10분동안 3회 수세하여 조직 내에 있던 고정액을 제거하였다. 그 후 비특이적 면역반응 (nonspecific immunoreactivity)을 방지하기 위하여 0.1M PBS(pH 7.4)에 0.3% Triton X-100, 10% normal goat serum이 희석된 용액으로 실온에서 1 시간 동안 반응시켰다. 이후 1차항체인 래빗 항-히스티딘 Ig(9rabbit anti-histindine IgG)를 1:500으로 희석하여 실온에서 24시간 반응시켰다. 이후 0.1M PBS로 10분간 3회 세척하여 조직절편 속의 1차항체를 제거한 후 2차항체인 바이오타이닐레이션된 고우트 항-래빗 IgG(biotinylated goat anti-rabbit IgG)(Vector Laboratories, USA)를 0.1M PBS로 1:200으로 희석시켜 실온에서 1시간동안 반응시켰다. 반응이 끝난 조직을 0.1M PBS로 10분씩 3회 세척한 후 퍼옥시다아제-결합된 스트렙타비딘(peroxydase-conjugated streptavidin)(Vector Laboratories, USA)을 1:300 (in 0.1M PBS)으로 희석하여 실온에서 1시간 반응시켰다.
면역반응이 끝난 조직절편은 기질액(40㎎ 다이아미노벤지딘(diaminobenzidine)/0.045% H2O2in 100 ㎖ PBS)으로 3분간 발색시켰다. 과도한 발색을 피하기 위하여 광학현미경 하에서 발색 정도를 지속적으로 확인하였다. 발색을 마친 조직 절편을 슬라이드에 부착시킨 다음 증류수와 0.1M PB로 여러 차례 세척하였으며, 통상적인 방법으로 탈수를 거쳐 영구표본으로 작성하였다.
실시예 결과 대조군 SOD 도포군의 경우 히스티딘 면역반응은 거의 관찰되지 않았으나(도 10의 A와 C), 본 발명의 변이체 수송 도메인 즉, HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-56), Tat(50-57) 및 Tat(50-55)와 결합된 SOD 융합단백질 도포군의 경우 표피층, 진피층 및 피하조직 전층에 걸쳐 강한 히스티딘 면역반응이 관찰되었다(결과는 게시하지 않음). 이들 히스티딘 면역반응은 표피세포, 섬유모세포 및 모낭 및 그 주위의 세포 등에서 고루 관찰되었다.
위 결과로부터 변이체 수송 도메인 중 HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-56), Tat(50-57) 및 Tat(50-55)는 화물분자를 세포 내로 도입시키는 활성을 어느 정도 가지고 있는 것으로 나타나 수송 도메인으로 기능할 수 있을 것으로 사료된다.
Claims (23)
- 세포 또는 세포핵에 비침투성이거나 침투가 용이하지 않은 생물학적 활성을 지닌 화물 분자와 공유결합되어 화물 분자를 세포 또는 세포핵 내로 침투 가능하도록 하는 HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-56), Tat(50-57) 또는 Tat(50-55) 중의 하나인 것을 특징으로 하는 수송 도메인.
- 제1항에 있어서, 화물 분자는 올리고뉴클레오타이드, 폴리뉴클레오타이드, 펩타이드, 단백질, 올리고당 또는 다당류인 것을 특징으로 하는 수송 도메인.
- HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-56), Tat(50-57) 또는 Tat(50-55) 중의 하나로 구성된 수송 도메인과 화물 분자가 공유결합되어 세포 또는 세포 핵 내로 침투 가능하고 세포 또는 세포핵 내에서 활성을 나타내는 수송 도메인-화물분자 복합체.
- 제3항에 있어서, 화물 분자는 올리고뉴클레오타이드, 폴리뉴클레오타이드, 펩타이드, 단백질, 올리고당 또는 다당류인 것을 특징으로 하는 수송 도메인-화물분자 복합체.
- 아미노 말단 측의 HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-56), Tat(50-57) 또는 Tat(50-55) 중의 하나로 구성된 수송 도메인과 카르복시 말단 측의 화물 단백질이 공유결합되어 세포 내로 침투 가능하고 세포 내에서 활성을 나타내는 수송 도메인 융합단백질.
- 제5항에 있어서, 화물 단백질은 녹색형광단백질(GFP) 또는 슈퍼옥사이드 디스뮤테이즈(SOD)인 것을 특징으로 하는 수송 도메인 융합단백질.
- 제5항 또는 제6항에 있어서, 화물 단백질은 치료 분자, 예방 분자 및 진단 분자로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수송 도메인 융합단백질.
- 제3항 또는 제4항에 따른 수송 도메인-화물분자 복합체의 약학적으로 유효한 양을 포함하고 약학적으로 허용되는 담체를 포함하는 것을 특징으로 하는 약학 조성물.
- 제5항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 따른 수송 도메인 융합단백질의 약학적으로 유효한 양을 포함하고 약학적으로 허용되는 담체를 포함하는 것을 특징으로 하는 약학 조성물.
- HIV-1 Tat(51-57), Tat(50-56), Tat(50-57) 또는 Tat(50-55) 중의 하나를 발현할 수 있는 염기서열을 가진 올리고뉴클레오타이드를 삽입하여 상기 수송 도메인-화물분자 복합체 또는 상기 수송 도메인 융합단백질을 생산할 수 있는 수송도메인 벡터.
- 제10항에 있어서, 올리고뉴클레오타이드는 서열번호 7, 서열번호 9, 서열번호 17, 서열번호 19 또는 이들의 어닐링 산물인 것을 특징으로 하는 수송 도메인 벡터.
- 상기 수송 도메인-화물분자 복합체 또는 상기 수송 도메인 융합단백질을 발현시키기 위하여 상기 제10항 또는 제11항의 수송 도메인 벡터에 화물분자 cDNA를 삽입하여 화물 분자의 일측 말단에 수송 도메인이 융합된 수송 도메인-화물분자 복합체를 생산하는 발현벡터.
- 제12항에 있어서, 상기 화물분자는 치료 분자, 예방 분자 및 진단 분자로 구성되는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수송 도메인-화물분자 복합체를 생산하는 발현벡터.
- 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 화물 분자는 GFP 또는 SOD인 것을 특징으로 하는 수송 도메인-화물분자 복합체를 생산하는 발현벡터.
- 제12항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 발현벡터는 도 1a에 도시된 것임을 특징으로 하는 수송 도메인-화물분자 복합체를 생산하는 발현벡터.
- 상기 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항의 발현벡터를 미생물에서 발현시키는 단계;발현된 수송 도메인-화물분자 복합체를 정제하는 단계;정제된 수송 도메인-화물분자 복합체를 세포 또는 세포핵에 가하는 단계;로 구성되는 수송 도메인-화물분자 복합체를 세포 또는 세포핵 내로 도입시키는 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 정제 단계는 수송 도메인-화물분자 복합체를 변성상태로 정제하는 것을 특징으로 하는 수송 도메인-화물분자 복합체를 세포 또는 세포핵 내로 도입시키는 방법.
- 제17항에 있어서, 4∼6M 우레아를 이용하여 변성상태로 되게 하는 것을 특징으로 하는 수송 도메인-화물분자 복합체를 세포 또는 세포핵 내로 도입시키는 방법.
- 상기 수송 도메인-화물분자 복합체 또는 상기 수송 도메인 융합단백질을 세포 또는 세포핵 내로 도입하여 질환을 예방 또는 치료하는 방법.
- 제19항에 있어서, 상기 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항의 발현벡터를 이용하여 상기 수송 도메인-화물분자 복합체 또는 상기 수송 도메인 융합단백질을 세포 또는 세포핵 내로 도입하여 질환을 예방 또는 치료하는 방법.
- 상기 수송 도메인-화물분자 복합체 또는 상기 수송 도메인 융합단백질을 유효성분으로 하는 화장료 조성물.
- 제21항에 있어서, 상기 수송 도메인-화물분자 복합체는 수송 도메인-SOD 융합 단백질이며, 활성산소종을 제거하는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 화장료 조성물.
- 제22항에 있어서, 상기 화장료 조성물은 화장수, 젤, 수용성 리퀴드, 수중유(O/W)형 및 유중수(W/O)형인 것을 특징으로 하는 화장료 조성물.
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