KR20040087358A - Screening method for ubiquitin and ubiquitin-like protein specific proteases using cI gene of lamda phage - Google Patents

Screening method for ubiquitin and ubiquitin-like protein specific proteases using cI gene of lamda phage Download PDF

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KR20040087358A KR1020030021542A KR20030021542A KR20040087358A KR 20040087358 A KR20040087358 A KR 20040087358A KR 1020030021542 A KR1020030021542 A KR 1020030021542A KR 20030021542 A KR20030021542 A KR 20030021542A KR 20040087358 A KR20040087358 A KR 20040087358A
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Abstract

PURPOSE: A screening method for ubiquitin and ubiquitin-like protein specific proteases using cI gene of lambda phage is provided, thereby easily screening ubiquitin and ubiquitin-like protein specific proteases and simultaneously measuring activity of enzymes, so that the enzymes are useful for development of drugs for treating brain neuronal diseases. CONSTITUTION: The screening method for ubiquitin and ubiquitin-like protein specific proteases using cI gene of lambda phage comprises the steps of: (1) cloning Ub, UbI and cI genes, preparing a mutant of cI gene, preparing an expression plasmid of Ub-cI* or UbI-cI* fusion protein, and preparing transformed E. coli using the expression plasmid; (2) introducing cDNA library into the transformed E. coli using recombinant lambda-phage; (3) selecting E. coli expressing desired protein by heat shock at 42 deg. C for 2 hours; and analyzing enzyme activity of the expressed protein, wherein the Ub-cI* or UbI-cI* fusion protein is produced by fusing ubiquitin-like protein Nedd8 or SUMO-1 with cI protein mutant(cI*); and the fusion protein expression plasmid is pACYC184.

Description

람다-파지의 시아이 유전자를 이용한 유비퀴틴 및 유비퀴틴-유사 단백질 분해효소의 유전자 선별법 {Screening method for ubiquitin and ubiquitin-like protein specific proteases using cI gene of lamda phage}Screening method for ubiquitin and ubiquitin-like protein specific proteases using cI gene of lamda phage}

본 발명은 유비퀴틴 (ubiquitin, 이하 Ub) 및 유비퀴틴-유사 단백질 (Ub-like protein, 이하 Ubl) 분해효소를 선별하는 새로운 방법에 관한 것이다. 즉, 대장균의 생활사를 조절하는 λ-파지의 cI 유전자를 이용하여 λ-파지 cDNA 라이브러리로부터 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질의 C-말단을 분해하는 기능을 갖는 효소의 유전자를 선별하는 새로운 방법에 대한 것이다.The present invention relates to a novel method for selecting ubiquitin (Ub) and ubiquitin-like protein (Ubl) degrading enzymes. In other words, the present invention relates to a novel method for selecting an enzyme gene having a function of degrading the C-terminus of ubiquitin or ubiquitin-like protein from a λ-phage cDNA library using a λ-phage cI gene that regulates the life history of Escherichia coli. .

이 방법에 의해 선별된 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질 분해효소는 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질과 융합된 단백질과 연관성이 있는 것으로 보고되고 있는 알츠아이머나 헌팅턴병과 같은 신경퇴행성 질병 및 터너증후군, X-염색체와 연관된 난소암 등과 관련된 질병의 원인규명과 치료제 개발에 사용될 수 있을 것이다.Ubiquitin or ubiquitin-like proteases selected by this method have been reported to be associated with proteins fused with ubiquitin or ubiquitin-like proteins, neurodegenerative diseases such as Alzheimer's or Huntington's disease, Turner syndrome, X-chromosomes and It may be used to identify the causes of diseases related to ovarian cancer and to develop therapeutics.

유비퀴틴은 76개의 아미노산으로 구성된 작은 단백질로서 모든 진핵세포에 존재하며, 일반적인 세포의 성장과 분화 과정뿐만 아니라, 각종 질병에서도 핵심적인 역할을 하고 있는 것으로 알려지고 있다 (Sakamoto KM, (2002) Mol Genet Metab. 77, 44; Plemper RK & Hammond AL (2002) Prog Mol Subcell Biol. 29, 61).Ubiquitin is a small protein consisting of 76 amino acids and is present in all eukaryotic cells and is known to play a key role in various diseases as well as in general cell growth and differentiation (Sakamoto KM, (2002) Mol Genet Metab). 77, 44; Plemper RK & Hammond AL (2002) Prog Mol Subcell Biol. 29, 61).

유비퀴틴의 아미노산 서열과 약 30% 내외의 유사성을 가진 Nedd8, SUMO-1, ISG15등의 유비퀴틴-유사 단백질들이 밝혀졌는데, 이들은 핵막을 통한 수송, 전사 조절, 발암 등에 매우 중요한 역할을 하는 것으로 보고되고 있다 (Yeh et al., (2000) Gene 248, 1, Review); Muller et al., (2001) Nat Rev Mol Cell Biol. 2, 202, Review).Ubiquitin-like proteins such as Nedd8, SUMO-1, and ISG15 have been identified, which have about 30% similarity with the amino acid sequence of ubiquitin, which are reported to play an important role in transport through nuclear membranes, transcriptional regulation, and carcinogenesis. (Yeh et al., (2000) Gene 248, 1, Review); Muller et al., (2001) Nat Rev Mol Cell Biol. 2, 202, Review).

유비퀴틴 및 유비퀴틴-유사 단백질은 C-말단에 4-6개의 아미노산으로 구성된 펩티드 또는 특정 리보솜 단백질과 융합된 형태의 전구물질로 만들어진다. 특히, 유비퀴틴은 단량체가 아니라 여러 개의 유비퀴틴 분자가 직렬로 연결된 유비퀴틴-중합체의 형태로 만들어지기도 한다.Ubiquitin and ubiquitin-like proteins are made of peptides consisting of 4-6 amino acids at the C-terminus or precursors fused with certain ribosomal proteins. In particular, ubiquitin is not a monomer but is also made in the form of a ubiquitin-polymer in which several ubiquitin molecules are connected in series.

유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질은 각각 E1, E2, E3라고 하는 일련의 효소군들에 의해 세포내의 다양한 단백질에 부착되며, 일단 단백질에 부착된 유비퀴틴 및 유비퀴틴-유사 단백질 분자에는 또 다른 유비퀴틴 및 유비퀴틴-유사 단백질 분자가 각각 가지 형태로 이소펩티드 결합에 의해 계속 부착될 수 있다.Ubiquitin or ubiquitin-like proteins are attached to various proteins in the cell by a series of enzyme groups called E1, E2, and E3, respectively, and once ubiquitin and ubiquitin-like protein molecules are attached to the protein, another ubiquitin and ubiquitin-like protein Protein molecules can each be continuously attached by isopeptide bonds in a branched form.

가지형태의 유비퀴틴-중합체가 결합된 단백질 분자는 세포 내에서 프로테아좀이라는 ATP-의존성 단백질 분해효소 복합체에 의해 분해된다 (Hershko A & Ciechanover A. (1998) Annu Rev Biochem. 67, 425, Review). 이와 같이 유비퀴틴이 결합된 후 분해되는 단백질들로는 세포주기를 조절하는 cyclin들, 유전자의 발현을 조절하는 Jun/Fos와 NF-kappaB와 같은 전사인자들, 세포의 성장과 분화를 조절하는 EGF와 PDGF 등의 성장인자와 종양억제단백질로 알려진 p53 등이 있다. (Hu et al., (2002) J Biol. Chem. 277, 16528; Amir et al., (2002) J Biol Chem. 277, 23253; Baron V & Schwartz M., (2000) J Biol Chem. 275, 39318; Scheffner et al., (1995) Nature 373, 81).Protein molecules bound to ubiquitin-polymers in a branch form are degraded in cells by an ATP-dependent protease complex called proteasome (Hershko A & Ciechanover A. (1998) Annu Rev Biochem. 67, 425, Review). . Proteins that are cleaved after ubiquitin binding are cyclins that regulate the cell cycle, transcription factors such as Jun / Fos and NF-kappaB that regulate gene expression, and EGF and PDGF that regulate cell growth and differentiation. Growth factor and p53 known as tumor suppressor protein. (Hu et al., (2002) J Biol. Chem. 277, 16528; Amir et al., (2002) J Biol Chem. 277, 23253; Baron V & Schwartz M., (2000) J Biol Chem. 275, 39318; Scheffner et al., (1995) Nature 373, 81).

유비퀴틴-유사 단백질들도 유비퀴틴과 아주 유사한 방식을 통해서 PML (백혈병 관련 단백질), RanGAP1 (Ran-GTPase activating protein), p53 (종양 억제분자), 그리고 IkappaBalpha (NF-kappaB 억제분자) 등의 다양한 단백질들과 결합하게 된다. 그러나 유비퀴틴-유사 단백질과 단백질의 결합은 유비퀴틴-중합체의 결합처럼 단백질의 분해를 유발하는 것은 아니다 (Tanaka et al., (1998) Mol. Cells. 8, 503; Hochstrasser M, (2000) Nat. Cell. Biol. 2, E153-E157; Melchior F., (2000) Annu. Rev. Cell. Dev. Biol. , 16, 591; Yeh et al., Gene (2000), 248, 1; Muller et al., (2001) Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2, 202).Ubiquitin-like proteins are similar to ubiquitin in a variety of proteins, including PML (leukemia-associated protein), RanGAP1 (Ran-GTPase activating protein), p53 (tumor inhibitor), and IkappaBalpha (NF-kappaB inhibitor). Combined with. However, the binding of proteins with ubiquitin-like proteins does not cause the degradation of proteins like the binding of ubiquitin-polymers (Tanaka et al., (1998) Mol. Cells. 8, 503; Hochstrasser M, (2000) Nat. Cell Biol. 2, E153-E157; Melchior F., (2000) Annu. Rev. Cell. Dev. Biol., 16, 591; Yeh et al., Gene (2000), 248, 1; Muller et al., (2001) Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2, 202).

유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질들이 활성을 나타내기 위해서는 전구체 형태로 만들어진 분자의 C-말단이 절단되어야 하므로 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질의 C-말단을 자르는 단백질 분해효소의 활성은 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질의 단량체를 생성하여 생체 내에서 여러 기능을 수행할 수 있도록 하는데 필수적이다 (Hershko et al., (1998), 67, 425, Review). 뿐만 아니라, 주요 조절 단백질의 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질의 결합 및 해리 과정은 마치, 단백질의 인산화/탈인산화의 과정과 유사하게, 세포의 생리적 기능의 가역적인 조절에 필수적인 역할을 할 것이다.In order for ubiquitin or ubiquitin-like proteins to be active, the C-terminus of the molecule made in the precursor form must be cleaved, so the activity of the protease that cuts the C-terminus of the ubiquitin or ubiquitin-like protein is determined by It is essential to produce monomers that enable them to perform several functions in vivo (Hershko et al., (1998), 67, 425, Review). In addition, the binding and dissociation process of the ubiquitin or ubiquitin-like protein of the main regulatory protein will play an essential role in the reversible regulation of the physiological function of the cell, similar to the process of phosphorylation / dephosphorylation of the protein.

전구체 형태로 생성된 유비퀴틴은 생성과 동시에 연결부위의 α-펩티드 결합이 절단되면서 유비퀴틴 단량체로 되는데, 이 과정은 유비퀴틴 다음의 펩티드 결합을 절단하는 효소인 유비퀴틴 특이 분해효소인 DUB (de-ubiquitinating enzyme)에 의해 촉매 된다. 이와 같은 DUB 효소에는 시스테인 단백질 분해효소의 두 그룹인 UBP-프로테아제 (ubiquitin-specific processing protease)와 유비퀴틴 카르복시 말단 가수분해 효소 (ubiquitin C-terminal hydrolase)가 포함된다 (Tobias & Varshavsky, (1991) J. Biol. Chem. 266, 12021; Pickart & Rose, (1985) J. Biol. Chem. 260, 7903).The ubiquitin produced in the precursor form is formed into ubiquitin monomers by cleaving α-peptide bonds at the linkages. This process is a ubiquitin-specific degrading enzyme (DUB), an enzyme that cleaves peptide bonds after ubiquitin. Is catalyzed by. Such DUB enzymes include two groups of cysteine proteases, UBP-protease (ubiquitin-specific processing protease) and ubiquitin carboxy-terminal hydrolase (Tobias & Varshavsky, (1991) J. Biol. Chem. 266, 12021; Pickart & Rose, (1985) J. Biol. Chem. 260, 7903).

유비퀴틴-유사 단백질 중의 하나인 SUMO의 전구체 분자의 C-말단에 있는 G-G 잔기 뒤의 펩티드 결합을 절단하는 SUMO-특이 단백질 분해효소는 SUMO-프로테아제이다. 현재까지 알려져 있는 SUMO-프로테아제를 살펴보면, 효모의 Ulp1과 Ulp2, 포유동물의 SUSP1, SENP1, SMT3IP1, 그리고 SMT3IP2/Axam 등이 있으며, SUMO1과 결합단백질 사이의 이소펩티드 결합을 절단하여 SUMO-1을 제거하는 것으로 보고되었다 (Gong et al., (2000) J. Biol. Chem. 275, 3355; Nishida et al., (2000) Eur. J. Biochem. 267, 6423; Kadoya et al., (2002) Mol. Cell Biol. 22, 3803).The SUMO-specific protease that cleaves peptide bonds after the G-G residues at the C-terminus of the precursor molecule of SUMO, one of the ubiquitin-like proteins, is a SUMO-protease. Looking at the SUMO-protease known to date, yeast Ulp1 and Ulp2, mammalian SUSP1, SENP1, SMT3IP1, and SMT3IP2 / Axam, and cuts the isopeptide bond between SUMO1 and binding protein to remove SUMO-1 (Gong et al., (2000) J. Biol. Chem. 275, 3355; Nishida et al., (2000) Eur. J. Biochem. 267, 6423; Kadoya et al., (2002) Mol Cell Biol. 22, 3803).

유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질 분해효소의 공통적 성질 중 하나는 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질에 연결된 단백질의 N-말단에 있는 아미노산의 종류에 관계없이 (첫번째 아미노산이 프롤린인 경우만 예외) 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질과 결합단백질 사이의 펩티드 결합을 절단할 수 있다는 것이다. 따라서 동일한 방법의 유전자 선별법으로 유비퀴틴 분해효소와 유비퀴틴-유사 단백질 분해효소를 모두 찾을 수 있다.One of the common properties of ubiquitin or ubiquitin-like proteolytic enzymes is ubiquitin or ubiquitin-like, regardless of the type of amino acid at the N-terminus of the protein linked to the ubiquitin or ubiquitin-like protein (the first amino acid is proline). It is possible to cleave the peptide bond between the protein and the binding protein. Therefore, the same method of gene selection can find both ubiquitin and ubiquitin-like proteases.

유비퀴틴 및 유비퀴틴-유사 단백질과 그 분해효소들은 여러 가지 인간의 질병들에 직, 간접적으로 연관되어 있음이 계속 보고되고 있다. 그 예로, 알츠아이머병이나 헌팅턴병와 같은 신경퇴행성 질병에서는 유비퀴틴-중합체가 결합된 단백질의 축적이 하나의 증상으로 나타나고, 비정상적인 각막의 발생, 터너증후군, X-염색체와 연관된 난소암 등과 관련된 유전자들은 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질 분해효소의 특징으로 알려져 있는 보존된 시스테인/히스티딘 부위의 염기서열과 매우 유사한 서열을 가지고 있다 (Sakamoto K M. (2002) Mol Genet Metab. 77, 44). 이와 같은 결과는 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질 분해효소의 과다발현 또는 결여에 의하여 상기 질병들이 유발될 수 있음을 강력히 시사한다. 따라서, 동 질병에 관련된 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질이 결합된 단백질에 특이하게 작용하는 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질 분해효소들을 찾고, 그들의 유전자를 분리하고, 3차원 구조 및 기능에 관한 연구를 수행하는 것은 동 질병의 원인규명과 치료제 개발에 필수적인 일이다It has been reported that ubiquitin and ubiquitin-like proteins and their degrading enzymes are directly or indirectly related to various human diseases. For example, in neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease or Huntington's disease, the accumulation of ubiquitin-polymer-bound proteins is a symptom, and genes associated with abnormal corneal development, Turner syndrome, and ovarian cancer associated with X-chromosomes are ubiquitin or It has a sequence very similar to the sequence of a conserved cysteine / histidine site known to be characteristic of ubiquitin-like proteases (Sakamoto K M. (2002) Mol Genet Metab. 77, 44). These results strongly suggest that these diseases can be caused by overexpression or lack of ubiquitin or ubiquitin-like protease. Therefore, finding ubiquitin or ubiquitin-like proteolytic enzymes that specifically act on proteins associated with the ubiquitin or ubiquitin-like protein associated with the disease, isolating their genes, and conducting studies on three-dimensional structure and function It is essential for the cause of the disease and the development of treatments.

지금까지 대장균을 이용하여 원하는 유전자를 선별해내는 방법으로 많이 이용되어 온 것은 대장균과 그것에 기생하는 박테리오파지인 λ-파지를 이용한 cDNA 라이브러리 유전자 발현을 통한 것이다. 이 방법은 λ-파지에 c-DNA 라이브러리를 넣은 다음 다시 다량의 파지를 얻기 위해 대장균을 숙주로 제공하였으나, 결국 단백질의 기능과는 관계없이 방사선 표지된 DNA를 이용하여, DNA-혼성화 반응으로 찾고자하는 cDNA를 갖는 파지를 선별하는 것이었다 (미국특허 번호 5,128,256.).What has been widely used as a method of screening for genes using E. coli is through cDNA library gene expression using E. coli and λ-phage, a parasitic bacteriophage. This method puts the c-DNA library into the λ-phage and then provides E. coli as a host to obtain a large amount of phage, but eventually to find a DNA-hybridization reaction using radiolabeled DNA regardless of the function of the protein. Phage with cDNA were selected (US Pat. No. 5,128,256.).

또 다른 방법으로는 원하는 유전자의 단백질 발현이 가능하도록 하는 방법이 있었으나, 원하는 단백질을 발현하는 파지를 선별하기 위해서는 그 단백질에 대한 항체를 미리 확보해야하는 어려움이 있었다 (미국특허 번호 5,128,256.).As another method, there was a method for enabling protein expression of a desired gene, but in order to select phage expressing a desired protein, there was a difficulty in securing an antibody to the protein in advance (US Pat. No. 5,128,256.).

즉 위의 두 방법으로는 DNA의 일부로 유전자를 선별하거나, 다량의 단백질로부터 그에 상응하는 유전자를 선별하는 것에 제한되어 선별된 유전자의 단백질이 세포 내에서 활성을 갖는 단백질을 한번에 얻어낼 수 있는 기능적 선별은 불가능하였다.That is, the above two methods are limited to screening genes as part of DNA or selecting corresponding genes from a large amount of proteins, and thus functional screening of the proteins of the selected genes to obtain a protein having activity in the cell at one time. Was not possible.

이 점을 개선하기 위해, 본 발명에서는 λ-파지의 생활사를 이용하여, 원하는 유전자에 의해 발현된 단백질의 활성이 대장균의 생존과 연결되도록 함으로써, 원하지 않는 유전자를 발현하는 대장균은 죽고, 원하는 유전자를 발현하는 대장균만 살아 남도록 하여 선별할 수 있도록 하였다.In order to improve this point, in the present invention, using the life history of λ-phage, the activity of the protein expressed by the desired gene is linked to the survival of Escherichia coli, whereby the E. coli expressing the unwanted gene dies, Only E. coli expressing survived to be selected.

λ-파지 감염에 의한 대장균의 생활사는 크게 용균성주기와 용원성주기로 나눌 수 있는데, 용균성주기의 경우는 λ-파지가 대장균을 깨고 나옴으로써 숙주인 대장균이 죽고, 용원성주기의 경우에는 λ-파지의 유전자가 숙주의 유전자 내로 삽입이 되어 대장균과 함께 증식한다.The life history of E. coli due to λ-phage infection can be largely divided into lysogenic cycle and lysogenic cycle. In the case of lysogenic cycle, λ-phage breaks E. coli, causing the host E. coli to die. The phage gene is inserted into the host gene and multiplies with E. coli.

이 때, cI 유전자는 전사억제 유전자로 용균성주기로 유도하는 여러 가지 유전자의 전사를 방해함으로써, 용원성주기로 유도하는 기능을 한다. cI 유전자가 이러한 기능을 수행하기 위해서는 단일-이합체(homodimer)의 형태로 DNA에 결합하여야 하는데, cI의 N-말단에 다른 단백질이 융합된 형태로 발현되는 경우에는 DNA에 결합할 수 없으므로 그 역할을 수행하지 못한다. 따라서, cI 유전자의 이러한 특성을 이용하면 λ-파지 감염에 의한 대장균의 생활사를 조절할 수 있다. 즉, cI 단백질의 N-말단에 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질의 C-말단을 융합하여 발현시키면 cI 유전자는 DNA에 결합할 수 없으므로 대장균은 용균성주기로 유도되어 죽게 된다. 이때 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질의 C-말단이 각각의 분해효소에 의해 cI 융합단백질이 가수분해되면 대장균은 용원주기로 되어 살아남을 수 있게 된다At this time, the cI gene is a transcriptional repression gene and interferes with the transcription of various genes induced by the lytic cycle, thereby inducing the lysogenic cycle. In order to perform this function, the cI gene must bind to DNA in the form of a single-dimer, which is unable to bind DNA when expressed in the form of a fusion of another protein to the N-terminus of cI. It can't be done. Thus, using these characteristics of the cI gene, it is possible to control the life history of E. coli due to λ-phage infection. That is, when fusion of ubiquitin or C-terminus of ubiquitin-like protein is expressed at the N-terminus of cI protein, Escherichia coli is induced by lytic cycle and dies because cI gene cannot bind DNA. At this time, when the C-terminus of the ubiquitin or ubiquitin-like protein hydrolyzes the cI fusion protein by the respective enzyme, E. coli can survive in the lysing cycle.

이때 cI 유전자에 의한 대장균의 생활사 조절에는 RecA라는 대장균 단백질이 관여한다. RecA는 대장균의 recombinase로 DNA 수정에 관여하며, cI 단백질의 아르기닌112과 글라이신113 사이를 절단하는 활성을 갖고 있음이 보고 된 바 있다. RecA에 의해 cI 단백질이 잘리게 되면, 단일 이합체를 형성하는 부분과 DNA에 결합하는 부분이 서로 떨어지게 되고, 결과적으로 cI 유전자가 용원성주기를 유지하는 본연의 역할을 잃게 된다. 이 RecA는 대장균이 혹독한 환경(예를 들면, 열 충격)에 노출되었을 때 발현되는데, 이를 이용하면 λ-파지가 대장균으로부터 탈출하는 시기를 조절할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 열 충격에 의해 용균현상이 유도되는 경우에도, 원하는 유전자를 발현하는 대장균은 죽지 않도록 하기 위해, RecA가 특별히 인식하여 자른다고 알려져 있는 부위에 돌연변이를 도입하여, 같은 기능을 수행하면서 RecA에 의한 절단이 일어나지 않는 cI 돌연변이체 (이하 cI*)를 만들었다 (Sices, HJ & Kristie TM (1998) Proc. Natl. Acad. Sci. 95, 2828).At this time, Escherichia coli protein called RecA is involved in controlling the life history of Escherichia coli by the cI gene. RecA is an E. coli recombinase involved in DNA modification and has been reported to cleave between arginine 112 and glycine 113 of the cI protein. When the cI protein is cut by RecA, the part forming single dimer and the part binding to DNA are separated from each other, and as a result, the cI gene loses its original role in maintaining the lysogenic cycle. This RecA is expressed when E. coli is exposed to harsh environments (eg heat shock), which can control when E. coli escapes E. coli. That is, in the present invention, even when lytic phenomena are induced by heat shock, in order to ensure that E. coli expressing the desired gene does not die, a mutation is introduced at a site known to be specifically recognized and cut by RecA to perform the same function. CI mutants (hereinafter cI * ) were made that do not result in cleavage by RecA (Sices, HJ & Kristie ™ (1998) Proc. Natl. Acad. Sci. 95, 2828).

이에 본 발명자들은 대장균의 생활사에 미치는 cI 유전자의 기능적 특성을 활용하여, cI 단백질의 N-말단과 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질 C-말단의 융합 단백질을 발현하는 플라스미드를 제작한 다음, λ-파지를 대장균주에 감염시켜 융합 단백질이 발현되게 함으로써 대장균이 용균성주기로 유도되어 죽게 되는 조건을 형성하였다. 이어서 λ-ZAP II cDNA 라이브러리를 형질 전환된 균주에 감염시켰을 때 살아남은 균주로부터 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질 분해효소 cDNA를 함유한 pBlueScript 클론들을 선별하고 그 효소의 활성을 검증함으로써 본 발명을 완성하였다.Therefore, the inventors made a plasmid expressing a fusion protein of the N-terminus and ubiquitin or ubiquitin-like protein C-terminus of the cI protein by utilizing the functional characteristics of the cI gene on the life history of Escherichia coli, and then λ-phage Infection with E. coli causes the expression of the fusion protein, thereby forming a condition in which E. coli is induced into the lytic cycle and dies. The present invention was then completed by selecting pBlueScript clones containing ubiquitin or ubiquitin-like protease cDNA from the surviving strains when infecting the λ-ZAP II cDNA library with the transformed strain and verifying the activity of the enzyme.

본 발명은 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질의 C-말단을 자르는 단백질 분해효소를 간편하고 효율적으로 선별해낼 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것이 목적이다.It is an object of the present invention to provide a new method for the simple and efficient screening of protease that cuts the C-terminus of ubiquitin or ubiquitin-like protein.

제 1 도. 파지의 생활사와 cI 유전자를 이용한 유전자 선별법을 설명한 모식도이다.First degree. It is a schematic diagram explaining the life history of phage and gene selection method using cI gene.

제 2 도. 실시예3에 따라 형성된 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질과 λ-파지 cI 단백질의 융합단백질을 발현하는 플라스미드의 구조도이다.2nd degree. It is a structural diagram of a plasmid expressing the fusion protein of the ubiquitin or ubiquitin-like protein and lambda-phage cI protein formed according to Example 3.

제 3 도. 실시예5에서, 이 발명에 의해 선별된 유전자 즉, 유비퀴틴 C-말단을 가수분해하는 효소와 유비퀴틴-유사 단백질 (Nedd8과 SUMO1)의 C-말단을 가수분해하는 효소가 파지의 플라크 형성을 억제하는 것을 확인한 루리아-베르타니 배지의 아가 배양 접시 사진이다.3rd degree. In Example 5, the gene selected by this invention, that is, an enzyme that hydrolyzes the ubiquitin C-terminus and an enzyme that hydrolyzes the C-terminus of ubiquitin-like proteins (Nedd8 and SUMO1), inhibits phage plaque formation. It is a photograph of the agar culture dish of the Luria-Bertani medium confirmed that.

제 4 도. 실시예5에서, 유비퀴틴 분해효소인 UBP95가 파지에 의한 플라크 형성을 억제하는 것을 확인한 루리아-베르타니 배지의 아가 배양 접시 사진이다.4th. In Example 5, it is a photograph of agar culture dish of Luria-Bertani medium confirming that UBP95, the ubiquitin degrading enzyme, inhibits plaque formation by phage.

제 5 도. 실시예5에서, 선별된 유전자가 단백질 분해효소로서의 활성을 갖는 지를 확인하기 위해 새로이 선별된 유비퀴틴 분해효소 유전자를 인간 세포주 h293 내에 도입시킨 후 대장균 세포 내에서 cI와 유비퀴틴의 융합 단백질이 감소하는 것을 유비퀴틴 항체를 이용하여 확인한 사진이다 (a). 마찬가지 방법으로, 유비퀴틴-유사 단백질(Nedd8과 SUMO1)의 C-말단 분해효소의 활성을 확인한 사진이다 (b & c).5th. In Example 5, the introduction of the newly selected ubiquitin lyase gene into human cell line h293 to confirm that the selected gene has activity as a protease followed by a decrease in the fusion protein of cI and ubiquitin in E. coli cells. It is the photograph confirmed using the antibody (a). In the same way, the ubiquitin-like proteins (Nedd8 and SUMO1) of the C-terminal enzyme activity is confirmed photo (b & c).

본 발명은 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질의 C-말단을 자르는 단백질 분해효소를 선별하는 방법 및 이에 사용되는 유용한 플라스미드에 관한 것이다.The present invention relates to methods for screening proteolytic enzymes that cleave the C-terminus of ubiquitin or ubiquitin-like proteins and useful plasmids used therein.

본 발명은 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질의 각 C-말단에 cI 단백질의 N-말단을 결합시킨 융합 단백질을 발현하는 플라스미드를 제공한다.The present invention provides a plasmid expressing a fusion protein in which the N-terminus of the cI protein is bound to each C-terminus of a ubiquitin or ubiquitin-like protein.

본 발명은 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질의 각 C-말단에 cI 단백질의 N-말단을 결합시킨 융합 단백질을 발현하는 플라스미드로 형질전환시킨 재조합 대장균을 제공한다.The present invention provides recombinant E. coli transformed with a plasmid expressing a fusion protein in which each C-terminus of the ubiquitin or ubiquitin-like protein is bound to the N-terminus of the cI protein.

본 발명은 다음과 같은 구성으로 유전자 검색을 수행하였다.The present invention performed the gene search in the following configuration.

1. Ub-cI*또는 Ubl-cI*융합단백질을 발현하는 플라스미드와 형질전환 대장균의 제조.(cI*는 cI의 돌연변이체)1.Preparation of plasmids expressing Ub-cI * or Ubl-cI * fusion proteins and transformed Escherichia coli (cI * is a mutant of cI)

1.1. Ub, Ubl, cI 유전자의 클로닝1.1. Cloning of Ub, Ubl and cI Genes

1.2. cI 유전자의 돌연변이체(cI*) 제조1.2. mutant (cI * ) production of the cI gene

1.3. Ub-cI*또는 Ubl-cI*융합 플라스미드의 클로닝 및 대장균의 형질전환1.3. Cloning of Ub-cI * or Ubl-cI * Fusion Plasmids and E. Coli Transformation

2. 유전자 조작된 λ-파지를 이용한 cDNA 라이브러리의 도입2. Introduction of cDNA Library Using Genetically Engineered λ-phage

3. 열충격(42℃, 2시간)에 의한 원하는 단백질이 발현되는 대장균주의 선별3. Selection of E. coli strains expressing the desired protein by thermal shock (42 ° C, 2 hours)

4. 발현된 단백질의 효소활성 확인4. Confirmation of Enzyme Activity of Expressed Protein

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.Through the following examples will be described the present invention in detail.

이들 실시예는 오로지 발명을 설명하기 위한 것으로, 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.These examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

[실시예 1] Ub 또는 Ubl과 λ-파지 cI 유전자의 클로닝Example 1 Cloning of Ub or Ubl and λ-phage cI Gene

유비퀴틴 및 유비퀴틴-유사 단백질은 역전사-중합효소 연쇄반응(Reverse Transcription - Polymerase Chain Reaction, RT-PCR)을 수행하여 얻은 cDNA를 클로닝하였다. 주형으로는 건강한 성인의 혈액으로부터 RNA를 분리하여 사용하였다. 각각의 서열은 다음과 같이 Genbank에 등재되어 있다.Ubiquitin and ubiquitin-like proteins were cloned from cDNA obtained by performing Reverse Transcription-Polymerase Chain Reaction (RT-PCR). As a template, RNA was isolated from the blood of a healthy adult. Each sequence is listed in Genbank as follows.

Ubiquitin : 28278206, ubiquitin B [Homo sapiens].Ubiquitin: 28278206, ubiquitin B [Homo sapiens].

Nedd8 : Genbank 번호 461287, ubiquitin-like protein [Homo sapiens].Nedd8: Genbank No. 461287, ubiquitin-like protein [Homo sapiens].

Sumo-1 : Genbank 번호 1762972, Human ubiquitin-related protein SUMO-1 mRNA, complete cdsSumo-1: Genbank No. 1762972, Human ubiquitin-related protein SUMO-1 mRNA, complete cds

ISG15 : Genbank 번호 27362956, Homo sapiens ubiquitin-like protein ISG15 mRNA, complete cdsISG15: Genbank No. 27362956, Homo sapiens ubiquitin-like protein ISG15 mRNA, complete cds

cI 유전자의 경우, 야생형 λ-파지로부터 추출한 DNA를 주형으로 하여 중합효소 연쇄반응을 수행하여 클로닝하였다.In the case of the cI gene, DNA extracted from wild-type lambda-phage was cloned by performing a polymerase chain reaction as a template.

cI 유전자는 Genbank에 아래와 같이 등재되어 있다.cI gene is listed in Genbank as follows.

cI :Genbank 번호 3915849, Repressor protein CIcI: Genbank No. 3915849, Repressor protein CI

역전사-중합효소 연쇄반응과 중합효소 연쇄반응에 사용한 각각의 프라이머는 다음과 같다.The primers used for reverse transcription-polymerase chain reaction and polymerase chain reaction are as follows.

Ubiquitin 정방향 : 5'-GAC TAG TAT GCA GAT CTT CGT GAA GAC TCT-3'Ubiquitin Forward: 5'-GAC TAG TAT GCA GAT CTT CGT GAA GAC TCT-3 '

Ubiquitin 역방향 : 5'-GAG GAT CCA TCC CAC CTC TGA GAC GGA GTA-3'Ubiquitin Reverse: 5'-GAG GAT CCA TCC CAC CTC TGA GAC GGA GTA-3 '

Nedd8 정방향 : 5'-GAC TAG TAT GCT AAT TAA AGT GAA GAC GCT G-3'Nedd8 Forward: 5'-GAC TAG TAT GCT AAT TAA AGT GAA GAC GCT G-3 '

Nedd8 역방향 : 5'-GAG GAT CCT CCT CCT CTC AGA GCC AAC ACC-3'Nedd8 Reverse: 5'-GAG GAT CCT CCT CCT CTC AGA GCC AAC ACC-3 '

Sumo-1 정방향 : 5'-GAC TAG TAT GTC TGA CCA GGA GGC AAA AC-3'Sumo-1 Forward: 5'-GAC TAG TAT GTC TGA CCA GGA GGC AAA AC-3 '

Sumo-1 역방향 : 5'-GAG GAT CCA CCC CCC GTT TGT TCC TGA TAA-3'Sumo-1 Reverse: 5'-GAG GAT CCA CCC CCC GTT TGT TCC TGA TAA-3 '

ISG-15 정방향 : 5'-GAC TAG TAT GGG CTG GGA CCT GAC GGT G-3'ISG-15 Forward: 5'-GAC TAG TAT GGG CTG GGA CCT GAC GGT G-3 '

ISG-15 역방향: 5'-GAG GAT TCG CCT CCC CGC AGG CGC AGA T-3'ISG-15 Reverse: 5'-GAG GAT TCG CCT CCC CGC AGG CGC AGA T-3 '

cI 정방향 : 5'-GAG GAT CCA TGA GCA CAA AAA AGA AAC CAT TA-3'cI Forward: 5'-GAG GAT CCA TGA GCA CAA AAA AGA ATA CAT TA-3 '

cI 역방향 : 5'-GAG AGC TCT CAG CCA AAC GTC TCT TCA GGC-3'cI reverse: 5'-GAG AGC TCT CAG CCA AAC GTC TCT TCA GGC-3 '

위의 프라이머와 주형을 이용하여, 역전사-중합효소 연쇄반응에 사용한 역전사 효소는 M-MLV (Promega, 미국)이며, 역전사-중합효소 연쇄반응과 중합효소 연쇄반응에 사용한 중합효소는 pfu Turbo (Stratagene, 미국)이다.Using the above primer and template, the reverse transcriptase used for reverse transcriptase-polymerase chain reaction was M-MLV (Promega, USA), and the polymerase used for reverse transcriptase-polymerase chain reaction and polymerase chain reaction was pfu Turbo (Stratagene). , USA).

유비퀴틴과 유비퀴틴-유사 단백질의 경우 역전사는 건장한 성인의 혈액으로부터 순수 분리된 RNA를 주형으로, 프로메가사에서 제공하는 프로토콜에 준하여 실시하였다. 즉, M-MLV 완충용액에 dNTP를 37℃에서 1시간 반응시켰다. 그 후, 90℃에서 10분간 두어, 역전사-중합효소를 불활성화 시킨 다음 중합효소 연쇄반응의 주형으로 사용하였다. 중합효소 연쇄반응은 스트라타진사의 사용설명서에 따라 반응물을 혼합하고, 94℃에서 3분 동안 반응시킨 다음, 94℃ 30초, 52℃ 30초, 72℃ 1분씩을 반응시키는 사이클을 30회 실시한 뒤, 72℃에서 5분간 중합과정을 수행하였다.In the case of ubiquitin and ubiquitin-like proteins, reverse transcription was performed using RNA isolated purely from healthy adult blood as a template, according to the protocol provided by Promega. That is, dNTP was reacted with M-MLV buffer at 37 ° C. for 1 hour. Thereafter, the mixture was placed at 90 DEG C for 10 minutes to inactivate reverse transcriptase-polymerase and then used as a template for polymerase chain reaction. In the polymerase chain reaction, the reaction mixture was mixed according to the instructions of Stratagene, followed by reaction at 94 ° C. for 3 minutes, followed by 30 cycles of reaction at 94 ° C. 30 seconds, 52 ° C. 30 seconds, and 72 ° C. for 1 minute. The polymerization was carried out at 72 ° C. for 5 minutes.

cI의 중합효소 연쇄반응도 상기한 바와 같이 반응물을 혼합한 다음, 94℃에서 3분 동안 DNA 변성과정을 수행한 뒤 94℃ 30초, 52℃ 30초, 72℃ 1분30초씩을 30회 실시하고 72℃에서 5분간 중합과정을 수행하였다.The polymerase chain reaction of cI was also mixed with the reactants as described above, followed by DNA denaturation at 94 ° C. for 3 minutes, followed by 30 times of 94 ° C. 30 seconds, 52 ° C. 30 seconds, and 72 ° C. 1 minute 30 seconds. The polymerization was carried out at 72 ° C. for 5 minutes.

이상의 역전사-중합효소 연쇄반응과 중합효소 연쇄반응의 결과에서 얻은 유비퀴틴, 유비퀴틴-유사 단백질 또는 cI의 cDNA는 Quia-QUICK spin column (Quiagen, 독일)을 이용하여 분리하였다.The ubiquitin, ubiquitin-like protein or cDNA of cI obtained from the above reverse transcriptase-polymerase chain reaction and polymerase chain reaction were isolated using a Quia-QUICK spin column (Quiagen, Germany).

순수 분리한 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질과 cI cDNA는 각각 pGEM T-easy 벡터(Promega, 미국)에 클로닝하였다. 이때 사용한 pGEM T-easy 벡터의 양은 50 ng이며 각각의 DNA 조각은 pGEM T-easy 벡터에 분자수의 비율로 4배가 되도록 넣었으며, DNA 연결효소는 T4 DNA 리가아제 (프로메가)를 5 단위 처리하였다. 이와 같이 Ub-cI*그리고 Ubl-cI*로 클로닝된 벡터를 대장균에 형질전환 한 뒤, 대량으로 순수 분리하여 이후의 실험에 사용하였다.Purely isolated ubiquitin or ubiquitin-like protein and cI cDNA were cloned into pGEM T-easy vector (Promega, USA), respectively. The amount of pGEM T-easy vector used was 50 ng, and each DNA fragment was inserted into the pGEM T-easy vector at a ratio of 4 times the number of molecules. The DNA ligase was treated with 5 units of T4 DNA ligase (promega). . As described above, the vectors cloned with Ub-cI * and Ubl-cI * were transformed into E. coli, and then purified in large quantities to be used for subsequent experiments.

[실시예2] cI 단백질 돌연변이체의 형성Example 2 Formation of cI Protein Mutants

단백질 분해효소인 RecA에 의해 분해되지 않는 cI 돌연변이 단백질을 만들기 위해 110번 아미노산부터 113번 아미노산 사이(Q-A-G-M)의 112번 글라이신을 아르기닌으로 바꾸었다. 이를 위해, 아래와 같은 프라이머를 사용하여 중합효소 연쇄반응을 이용한 위치지정 돌연변이 생성법 (site-directed mutagenesis)을 시행하였다. 중합효소로 pfu Turbo를 사용하여, 부착 (annealing) 온도는 60℃로 하였으며, 다른 사항은 위치지정 돌연변이 생성 kit (Stratagene)의 사용법과 동일한 방법으로 시행하였다. 이와 같이 얻어진 cI 돌연변이 유전자는 염기서열 분석을 통해 돌연변이체가 올바르게 생성되었음을 확인하였다.To make a cI mutant protein that is not degraded by the protease RecA, glycine 112 between amino acids 110 and 113 (Q-A-G-M) was changed to arginine. For this purpose, site-directed mutagenesis using polymerase chain reaction was performed using the following primers. Using pfu Turbo as a polymerase, the annealing temperature was set to 60 ° C, and the other matters were carried out in the same manner as in the use of the positional mutagenesis kit (Stratagene). Thus obtained cI mutant gene was confirmed that the mutant was correctly generated through sequencing.

cI 돌연변이생성 프라이머:cI mutagenesis primers:

5'-CCCTGTTTTTTCTCATGTTCAGGCAcggATGTTCTCACCTGAGC-3'5'-CCCTGTTTTTTCTCATGTTCAGGCAcggATGTTCTCACCTGAGC-3 '

5'-GCTCAGGTGAGAACATccgTGCCTGAACATGAGAAAAAACAGGG-3'5'-GCTCAGGTGAGAACATccgTGCCTGAACATGAGAAAAAACAGGG-3 '

소문자로 표시된 곳이 돌연변이 아미노산으로 치환된 부분이다.Lowercase letters indicate parts that are substituted with mutant amino acids.

[실시예3] Ub-cI*및 Ubl-cI*융합단백질을 발현하는 발현 플라스미드 및 대장균 형질전환 균주의 형성 (cI*는 cI 단백질 돌연변이체)Example 3 Formation of Expression Plasmids and Escherichia Coli Transgenic Strains Expressing Ub-cI * and Ubl-cI * Fusion Proteins (cI * is a cI Protein Mutant)

pGEM T easy 벡터 (Promega, 미국)에 들어있는 유비퀴틴 및 유비퀴틴-유사 단백질을 pACYC184 벡터의 Spe1-BamH1 위치에 클로닝한 다음, cI 돌연변이 유전자는 BamH1-Sac1 위치에 클로닝하였다. pACYC184 벡터는 항생제 chloramphenicol에 대한 내성을 갖는 부위를 함유하고 있다 (도 2).Ubiquitin and ubiquitin-like proteins in the pGEM T easy vector (Promega, USA) were cloned into the Spe1-BamH1 position of the pACYC184 vector, and then the cI mutant gene was cloned into the BamH1-Sac1 position. The pACYC184 vector contains a site that is resistant to the antibiotic chloramphenicol (FIG. 2).

본 발명에서 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질과 cI 단백질 돌연변이체의 융합단백질 발현 플라스미드로 pACYC184를 사용한 것은 복제기원에 의한 호환성문제를 해결하기 위한 것이다. 즉, cDNA 라이브러리를 함유하는 λ-ZAP II 벡터 (Stratagene, 미국)의 대장균주의 세포질 내 플라스미드 형태인 pBlueScript의 ColE1 복제기원과 다른 복제기원을 이용하기 위해서이다.In the present invention, the use of pACYC184 as a fusion protein expression plasmid of ubiquitin or ubiquitin-like protein and cI protein mutant is to solve the compatibility problem due to replication origin. That is, in order to use a replication source different from the ColE1 replication source of pBlueScript, which is a cytoplasmic plasmid form of the E. coli strain of the λ-ZAP II vector (Stratagene, USA) containing the cDNA library.

제조한 pACYC184-Ub-cI*혹은 pACYC184-UBL-cI*벡터를 XL-1 Blue 대장균에 감염시켜 각각의 형질전환된 대장균 균주를 형성하였다.The prepared pACYC184-Ub-cI * or pACYC184-UBL-cI * vector was infected with XL-1 Blue Escherichia coli to form each transformed E. coli strain.

[실시예4] 유전자 선별Example 4 Gene Selection

실시예3에서 얻은 형질전환된 XL-1 Blue 대장균 (pACYC184-Ub-cI*또는 pACYC184-Ubl-cI*)을 테트라사이클린 (12.5 μg/ml), 클로람페니콜 (34 μg/ml) 황산마그네슘 (10 mM), 말토즈 (0.2%)를 함유한 루리아-베르타니 배양액으로 37℃에서 OD600가 0.6에 이를 때까지 액체 배양하였다. 여기에 λ ZAP II 라이브러리를 MOI 지수가 0.1 되도록 감염시키고 37℃에서 15분 동안 배양한 다음 0.1 mM 이소프로필-시오-베타-D-갈락토피라노시드 (isopropyl-thio-β-D-galactopyranoside, IPTG)를 함유한 100 mm 접시의 루리아-베르타니 아가 배지에 도포하였다. 37℃에서 8 시간 배양한 후 42℃에서 2 시간 두었다가 콜로니가 보일 때까지 37℃에서 배양하였다. 이와 같은 방법으로 총 100개의 접시에서 145개의 콜로니를 선별하였고, 그 중 유비퀴틴 분해효소는 81개, 나머지는 유비퀴틴-유사단백질 분해효소였다.The transformed XL-1 Blue Escherichia coli (pACYC184-Ub-cI * or pACYC184-Ubl-cI * ) obtained in Example 3 was converted to tetracycline (12.5 μg / ml), chloramphenicol (34 μg / ml) magnesium sulfate (10 mM ), And cultured with Luria-Bertani culture containing maltose (0.2%) at 37 ° C. until OD 600 reached 0.6. The λ ZAP II library was infected with a MOI index of 0.1 and incubated at 37 ° C. for 15 minutes, followed by 0.1 mM isopropyl-thio-beta-D-galactopyranoside (isopropyl-thio-β-D-galactopyranoside, Was applied to Luria-Bertani agar medium in a 100 mm dish containing IPTG). After 8 hours of incubation at 37 ° C., the cells were kept at 42 ° C. for 2 hours, and then cultured at 37 ° C. until colonies were seen. In this way, 145 colonies were selected from a total of 100 dishes, of which 81 were ubiquitin degrading enzymes and the rest were ubiquitin-like proteinases.

[실시예5] 유전자 선별과정의 검증Example 5 Validation of Gene Selection Process

실시예4에서 얻은 클론을 다시 pACYC184-Ub-cI*또는 pACYC184-UBL-cI*대장균주에 형질전환시켜 야생형 파지만 감염되었을 때와 (도 3, A) 비교하여 플라크의 형성 여부를 확인하였다.Clones obtained in Example 4 were transformed to pACYC184-Ub-cI * or pACYC184-UBL-cI * E. coli strains to confirm the formation of plaque compared to when wild-type phage infection (Fig. 3, A).

즉, pACYC184-Ub-cI*대장균주에 유비퀴틴-C 말단 가수분해 효소를 넣은 경우와 pACYC184-SUMO-cI*대장균주에 UBP 95가 들어간 경우에는 플라크가 생겼다. 반면, 실시예4에서 얻은 유비퀴틴 분해효소 클론을 pACYC184-Ub-cI*대장균주에 형질전환 시킨 경우 (도 3, E& F), 유비퀴틴-유사 단백질 중 하나인 Nedd8-cI*융합단백질로부터 Nedd8를 잘라내어 살아남은 클론(제 3 도, G & H)그리고 SUMO-cI*융합단백질로부터 SUMO를 잘라내어 살아남은 클론들을 각각 확인하였다 (제 3 도, I).That is, plaques were generated when ubiquitin-C terminal hydrolase was added to pACYC184-Ub-cI * coli strain and UBP 95 was added to pACYC184-SUMO-cI * coli strain. On the other hand, when the ubiquitin degrading enzyme clone obtained in Example 4 was transformed into pACYC184-Ub-cI * Escherichia coli (FIG. 3, E & F), Nedd8 was cut from Nedd8-cI * fusion protein, one of the ubiquitin-like proteins. Surviving clones (FIG. 3, G & H) and SUMO were cut from SUMO-cI * fusion proteins to identify surviving clones, respectively (FIG. 3, I).

또한, 이미 유비퀴틴을 특정하게 인식하여 그 C-말단을 자르는 효소로 알려져 있는 UBP-95 유전자를 발현시켜 마찬가지로 플라크가 형성되지 않는다는 것을 확인하였다 (도 4).In addition, UBP-95 gene, which is already known to specifically recognize ubiquitin and is known as an enzyme that cuts its C-terminus, was also confirmed that plaque was not formed (FIG. 4).

<실시예6> 선별된 효소의 활성 검증Example 6 Activity Verification of Selected Enzymes

본 발명으로 개발한 유전자 선별법을 통해 얻은 클론에서 얻은 유전자에 의해 발현된 단백질의 유비퀴틴 분해효소 또는 유비퀴틴-유사 단백질 분해효소로서의 활성 측정은 다음과 같이 시행하였다.The activity of the protein expressed by the gene obtained from the clone obtained through the gene selection method developed as the present invention as ubiquitin degrading enzyme or ubiquitin-like protease was measured as follows.

상기 실시예5에서 확인한 각 유비퀴틴-프로테아제, SUMO-프로테아제 그리고 Nedd8-프로테아제 클론들을 단백질 발현 플라스미드 (pCDNA3.1)에 클로닝한 다음, HA-Ub, Myc-SUMO, 또는 HA-Nedd8와 함께 NIH3T3 세포에 감염시켰다. 감염된 NIH3T3 세포로부터 추출물을 얻어서 SDS-폴리아크릴아마이드 겔 전기영동으로 단백질을 전개시킨 다음, 유비퀴틴, SUMO 또는 Nedd8에 꼬리표로 달려 있는 HA 또는 Myc에 대한 항체를 사용하여 Western blotting을 수행하였다 (도 5).Each ubiquitin-protease, SUMO-protease and Nedd8-protease clones identified in Example 5 were cloned into protein expression plasmids (pCDNA3.1), and then cloned into NIH3T3 cells with HA-Ub, Myc-SUMO, or HA-Nedd8. Infected. Extracts from infected NIH3T3 cells were used to develop proteins by SDS-polyacrylamide gel electrophoresis, followed by Western blotting using antibodies against HA or Myc, which are tagged with ubiquitin, SUMO or Nedd8 (FIG. 5). .

그 결과, HA-Ub, Myc-SUMO, 또는 HA-Nedd8 만을 과발현하는 경우 유비퀴틴, SUMO 또는 Nedd8들에 각각 결합된 융합단백질들의 밴드를 확인하였다 (도 5A-레인 2; 5B-레인 1; 5C-레인 1). 이와 같은 유비퀴틴, SUMO 또는 Nedd8에 결합된 단백질 밴드들은 각각의 유비퀴틴-프로테아제 (도 5A, 레인 3 & 4), SUMO-프로테아제 (도5B, 레인 2 & 3) 그리고 Nedd8-프로테아제 (도 5C, 레인 2 & 3)를 함께 발현시킨 경우, 현저하게 감소하는 것으로 나타났으므로, 상기 실시예5에서 얻은 각 클론들이 효소활성을 갖는다는 것을 확인하였다.As a result, when overexpressing only HA-Ub, Myc-SUMO, or HA-Nedd8, a band of fusion proteins bound to ubiquitin, SUMO or Nedd8, respectively, was identified (Fig. 5A-lane 2; 5B-lane 1; 5C- Lane 1). Protein bands bound to such ubiquitin, SUMO or Nedd8 are each ubiquitin-protease (FIG. 5A, lanes 3 & 4), SUMO-protease (FIG. 5B, lanes 2 & 3) and Nedd8-protease (FIG. 5C, lane 2 When expressed together with & 3), it was found to be remarkably reduced, and it was confirmed that each of the clones obtained in Example 5 had enzymatic activity.

종래의 유전자 선별방법은 대장균을 이용하여 원하는 유전자를 선별하는 방법으로 많이 이용되어 온, λ-파지를 이용한 cDNA 라이브러리 유전자 발현을 통해 특정한 탐침에 상응하는 유전자를 선별하거나 다량의 단백질을 발현하는 유전자를 선별하는 것에 제한되며, 또한 선별된 유전자의 단백질이 세포 내에서 활성을 갖는 단백질을 한번에 얻어낼 수 있는 기능적 선별은 불가능하였다.Conventional gene selection method has been widely used as a method for selecting a desired gene using E. coli, cDNA library gene expression using λ-phage to select a gene corresponding to a specific probe or to express a gene for a large amount of protein It is limited to screening, and also functional screening is impossible for the protein of the selected gene to obtain a protein having activity in the cell at one time.

본 발명은 유비퀴틴 및 유비퀴틴-유사 단백질 분해효소를 선별하는 새로운 방법에 관한 것으로서, 대장균의 생활사를 조절하는 λ-파지의 cI 유전자를 이용함으로써, λ-파지 cDNA 라이브러리로부터 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질의 C-말단을 분해하는 효소 활성을 갖는 기능성 유전자를 선별할 수 있다는 점에서 기존의 유전자 선별방법과는 다른 장점을 갖는다. 또한 이 선별법은 기존의 방법에 비해 특정 DNA 탐침 또는 항체를 필요로 하지 않으며, 선별과 동시에 유전자의 발현을 통해 쉽게 효소 활성을 측정할 수 있다는 특성이 큰 장점이라 할 수 있겠다.The present invention relates to a novel method for screening ubiquitin and ubiquitin-like proteolytic enzymes, wherein the CI gene of ubiquitin or ubiquitin-like protein is derived from a λ-phage cDNA library by using the λ-phage cI gene that controls the life history of Escherichia coli. It has a merit different from the conventional gene selection method in that a functional gene having an enzymatic activity that breaks down a terminal can be selected. In addition, this screening method does not require a specific DNA probe or antibody as compared to the existing method, and the characteristic that can be easily measured by the expression of the gene at the same time can be said that the great advantage.

유비퀴틴 및 유비퀴틴-유사 단백질과 그 분해효소들 알츠아이머병이나 헌팅턴병와 같은 신경퇴행성 질병 및 터너증후군, X-염색체와 연관된 난소암 등의 여러 가지 인간의 질병들에 직, 간접적으로 연관되어 있음이 계속 보고되고 있다. 그 예로, 알츠아이머병이나 헌팅턴병와 같은 신경퇴행성 질병에서는 유비퀴틴-중합체가 결합된 단백질의 축적이 하나의 증상으로 나타나고, 비정상적인 각막의 발생, 터너증후군, X-염색체와 연관된 난소암 등과 관련된 유전자들은 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질 분해효소의 특징으로 알려져 있는 보존된 시스테인/히스티딘 부위의 염기서열과 매우 유사한 서열을 가지고 있다. 이와 같은 결과는 유비퀴틴 또는 유비퀴틴-유사 단백질 분해효소의 과다발현 또는 결여에 의하여 상기 질병들이 유발될 수 있음을 강력히 시사한다.Ubiquitin and Ubiquitin-Like Proteins and Their Degrading Enzymes Continue to report direct or indirect association with neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease or Huntington's disease, and various human diseases, such as Turner syndrome and ovarian cancer associated with X-chromosomes. It is becoming. For example, in neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease or Huntington's disease, the accumulation of ubiquitin-polymer-bound proteins is a symptom, and genes associated with abnormal corneal development, Turner syndrome, and ovarian cancer associated with X-chromosomes are ubiquitin or It has a sequence very similar to the nucleotide sequence of a conserved cysteine / histidine site, which is known as a ubiquitin-like protease. These results strongly suggest that these diseases can be caused by overexpression or lack of ubiquitin or ubiquitin-like protease.

따라서, 이 선별 방법을 통해, 유비퀴틴 및 유비퀴틴-유사 단백질과 그 분해효소들을 찾아내어 그 각각의 유전자를 분리하고, 3차원 구조 및 기능을 추적함으로써 여러 가지 관련 질환의 원인규명과 치료제 개발에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 시사된다.Therefore, through this screening method, ubiquitin and ubiquitin-like proteins and their degrading enzymes are identified, their respective genes are separated, and the three-dimensional structure and function are traced to contribute to the cause of various diseases and to develop therapeutics. It is suggested that

Claims (13)

유비퀴틴 단백질에 cI 단백질 돌연변이체(cI*)를 결합시킨 융합단백질.Fusion protein combining cI protein mutant (cI *) with ubiquitin protein. 유비퀴틴-유사 단백질 (Nedd8)에 cI 단백질 돌연변이체(cI*)를 결합시킨 융합단백질Fusion protein combining cI protein mutant (cI *) with ubiquitin-like protein (Nedd8) 유비퀴틴-유사 단백질 (SUMO-1)에 cI 단백질 돌연변이체(cI*)을 결합시킨 융합단백질Fusion protein combining cI protein mutant (cI *) with ubiquitin-like protein (SUMO-1) 제1 - 3항에 있어서 하나 이상의 아미노산을 치환한 돌연변이 융합단백질The mutant fusion protein of claim 1, wherein one or more amino acids are substituted. 제 1-4 항에 있어서 융합단백질을 발현할 수 있는 플라스미드, pACYC184The plasmid according to claim 1-4, which is capable of expressing a fusion protein, pACYC184 제 5항에 있어서 발현 플라스미드 pACYC184-Ub-cI*The expression plasmid pACYC184-Ub-cI * according to claim 5. 제 5항에 있어서 발현 플라스미드 pACYC184-SUMO1-cI*Expression plasmid pACYC184-SUMO1-cI * according to claim 5 제 5항에 있어서 발현 플라스미드 pACYC184-Nedd8-cI*The expression plasmid pACYC184-Nedd8-cI * according to claim 5 제 5항에 있어서 발현 플라스미드로 숙주세포를 형질전환시킨 형질전환체The transformant of claim 5, wherein the host cell is transformed with the expression plasmid. 제 9항에 있어서, 발현 플라스미드 pACYC184-Ub-cI* 로 박테리아 XL-1 균주를 형질전환시킨 형질전환체10. The transformant of claim 9, wherein the bacterial XL-1 strain was transformed with the expression plasmid pACYC184-Ub-cI *. 제 9항에 있어서, 발현 플라스미드 pACYC184-Nedd8-cI* 로 박테리아 XL-1 균주를 형질전환시킨 형질전환체10. The transformant of claim 9, wherein the bacterial XL-1 strain was transformed with the expression plasmid pACYC184-Nedd8-cI *. 제 9항에 있어서, 발현 플라스미드 pACYC184-SUMO1-cI* 로 박테리아 XL-1 균주를 형질전환시킨 형질전환체10. The transformant of claim 9, wherein the bacterial XL-1 strain was transformed with the expression plasmid pACYC184-SUMO1-cI *. 실시예3에 있어서 융합단백질을 발현하는 동시에 융합단백질을 가수분해하는 단백질을 발현하는 대장균주를 얻어내는 모든 방법All methods for obtaining an E. coli strain expressing a fusion protein in Example 3 and expressing a protein that hydrolyzes the fusion protein
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102174640A (en) * 2011-01-13 2011-09-07 合肥爱克森特生物技术有限公司 Method for quantizing and/or analyzing linkage-specific multi-ubiquitin chains

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