KR20060003494A - High-throughput assay of lethal factor using immobilized full-length substrate with a defined orientation based on immuno-fluorescence method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 면역형광법을 이용하는 탄저 치사요소의 고-처리량 활성 검정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄저 치사요소와 기질 사이의 특이적 반응에 관여하는 기질의 절단부위 및 C-말단 부위에서의 작용기전 전체를 포괄하고 절단부위를 용이하게 관찰할 수 있도록 서브클로닝을 이용하여 GST(클루타치온-S-트렌스퍼레이즈)-전체구조(native form) 기질의 융합 단백질을 제조하고, 융합 단백질의 GST 부분과 특이적으로 결합하는 글루타치온(glutathione)을 포획 리간드로 사용하여 융합 단백질을 고체 지지체에 방향성 있게 고정시킴으로써, 탄저 치사요소의 활성을 검정할 때 높은 감도(sensitivity)와 특이성(specificity)을 갖게 되어 적은 효소량으로 짧은 시간 안에 다수의 시료들에 대한 활성 검정을 할 수 있을 뿐만 아니라, 반응 후 반응용액 및 절단 생성물을 용이하게 제거할 수 있어 스크리닝에 사용되는 화학물질에 의한 실험 오차를 줄일 수 있도록 개선된, 면역형광법을 이용하는 탄저 치사요소의 고-처리량 활성 검정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-throughput activity assay method of anthrax lethality using immunofluorescence, and more particularly, the action at the cleavage site and the C-terminal site involved in the specific reaction between anthrax lethality and the substrate. To produce the fusion protein of GST (glutathione-S-transferase) -native form substrate using subcloning to cover the entire mechanism and to easily observe the cleavage site, GST of the fusion protein Glutathione, which binds specifically to the moiety, is used as a capture ligand to directionally fix the fusion protein to a solid support, resulting in high sensitivity and specificity when assaying anthrax lethal activity The small amount of enzyme allows not only the activity assay for a large number of samples in a short time, but also the reaction solution and cleavage after the reaction. Of, anthrax lethal factor using an immunofluorescence improved to be easily removed with water it is possible to reduce the experimental error caused by chemicals used for screening high-throughput relates to activity assay method.

탄저 치사요소, GST-전체구조 기질의 융합 단백질, 면역 형광법, 고-처리량Anthrax lethality, fusion protein of GST-structure substrate, immunofluorescence, high-throughput

Description

면역 형광법을 이용하는 탄저 치사요소의 고-처리량 활성 검정 방법{High-throughput assay of lethal factor using immobilized full-length substrate with a defined orientation based on immuno-fluorescence method} High-throughput assay of lethal factor using immobilized full-length substrate with a defined orientation based on immuno-fluorescence method             

도 1은 본 발명에 따라 글루타치온(GSH)을 포획 리간드로 사용하여 GST-기질 융합 단백질을 특정 방향으로 고정시킨 마이크로플레이트에 치사요소를 넣어서 반응시킨 후, 절단 생성물(cleavage product)과 치사요소를 제거하고 절단이 일어나는 부분에 특이적으로 결합하는 항체를 이용하여 절단되지 않은 기질의 양을 측정하는, 탄저 치사요소의 활성 검정 방법을 나타내고,1 is a glutathione (GSH) as a capture ligand in accordance with the present invention after the reaction by putting the lethal element in the microplate to fix the GST-substrate fusion protein in a specific direction, to remove the cleavage product and the lethal element And an assay for activity of anthrax lethality, by measuring an amount of an uncleaved substrate using an antibody that specifically binds to a cleavage site,

도 2는 GST(글루타치온-S-트렌스퍼레이즈)-전체구조 기질(native form, S)의 융합 단백질을 준비함으로써 치사요소(E)에 의한 기질의 변화, 즉 매우 짧은 아미노 말단의 절단 유무를 관찰할 수 있는 본 발명의 활성 검정 단백질 가수분해 반응을 나타내며,Figure 2 shows the change of substrate by lethal element (E), ie the presence of cleavage of very short amino terminus by preparing a fusion protein of GST (glutathione-S-transferase) -native form (S). Showing the activity assay proteolytic reaction of the present invention,

도 3은 본 발명에 따라 GST-기질 융합 단백질이 마이크로플레이트에 일정 방향으로 고정된 경우인 (1)과 그렇지 않은 경우인 (2)와 (3)의 치사요소에 의하여 절단된 기질의 모습을 나타내며,Figure 3 shows the appearance of the substrate cleaved by the lethal element of (1) and (2) and (3) when the GST-substrate fusion protein is fixed to the microplate in a certain direction according to the present invention ,

도 4는 마이크로플레이트에 글루타치온의 처리, 블록킹 용액 처리, GST-MEK 융합 단백질의 고정 및 항체의 처리에 따른 광학밀도와 마이크로플레이트 표면의 변화를 나타내며,Figure 4 shows the changes in optical density and microplate surface according to the treatment of glutathione on the microplates, blocking solution treatment, fixation of GST-MEK fusion protein and treatment of antibodies,

도 5는 본 발명에 따라 GST-MEK 융합 단백질의 농도를 변화시키면서 광학밀도를 측정한 그래프와 플레이트 표면의 모습을 나타내며,Figure 5 shows the appearance of the graph and the plate surface measured the optical density while changing the concentration of GST-MEK fusion protein according to the present invention,

도 6은 GST-MEK 융합단백질이 결합된 마이크로플레이트에 치사요소 20 nM을 넣어 시간에 따른 반응성을 살펴본 그래프이고,6 is a graph illustrating reactivity over time by putting 20 nM of lethal element in a microplate to which a GST-MEK fusion protein is bound,

도 7은 치사요소가 금속 의존적 단백질 가수분해 효소임을 고려하여 금속 이온들을 다양하게 변화시켜, 본 발명과 SDS-PAGE 방법에 따른 반응성을 비교한 것이다.Figure 7 considers that the lethal element is a metal dependent proteolytic enzyme by varying the metal ions in various, comparing the reactivity according to the present invention and the SDS-PAGE method.

본 발명은 면역형광법을 이용하는 탄저 치사요소의 고-처리량 활성 검정 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄저 치사요소와 기질 사이의 특이적 반응에 관여하는 기질의 절단부위 및 C-말단 부위에서의 작용기전 전체를 포괄하고 절단부위를 용이하게 관찰할 수 있도록 서브클로닝을 이용하여 GST(클루타치온-S-트렌스퍼레이즈)-전체구조(native form) 기질의 융합 단백질을 제조하고, 융합 단백질의 GST 부분과 특이적으로 결합하는 글루타치온(glutathione)을 포획 리간드로 사용하여 융합 단백질을 고체 지지체에 방향성 있게 고정시킴으로써, 탄저 치사요소의 활 성을 검정할 때 높은 감도(sensitivity)와 특이성(specificity)을 갖게 되어 적은 효소량으로 짧은 시간 안에 다수의 시료들에 대한 활성 검정을 할 수 있을 뿐만 아니라, 반응 후 반응용액 및 절단 생성물을 용이하게 제거할 수 있어 스크리닝에 사용되는 화학물질에 의한 실험 오차를 줄일 수 있도록 개선된, 면역형광법을 이용하는 탄저 치사요소의 고-처리량 활성 검정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-throughput activity assay method of anthrax lethality using immunofluorescence, and more particularly, the action at the cleavage site and the C-terminal site involved in the specific reaction between anthrax lethality and the substrate. To produce the fusion protein of GST (glutathione-S-transferase) -native form substrate using subcloning to cover the entire mechanism and to easily observe the cleavage site, GST of the fusion protein Glutathione, which binds specifically to the moiety, is used as a capture ligand to directionally fix the fusion protein to a solid support, thereby providing high sensitivity and specificity when assaying the activity of anthrax lethality. This allows you to perform activity assays on multiple samples in a short time with a small amount of enzyme, as well as reaction solution and cleavage The present invention relates to a high-throughput activity assay method for anthrax lethality using immunofluorescence, which can be easily removed to reduce experimental errors caused by chemicals used for screening.

탄저(anthrax)는 그람 양성 간균인 탄저균(Bacillus anthracis)에 의하여 주로 가축에게 감염되나 사람에게도 발병하는 인수 공통 감염성 질환이다. 우리나라에서는 이를 법정 전염병으로 분류하여 대응하고 있으며, 아프리카, 중동, 중국, 러시아를 비롯하여 미국, 유럽 등 전세계적으로 발병이 확인되고 있다. 가축에 발생된 탄저는 폐사우의 식육을 섭취함으로써 또는 피부를 통하여 사람에게 전염될 수 있고, 감염되면 생명까지 위협할 수 있으므로 탄저에 대한 방제의 필요성이 대두되었다.Anthrax is an inherited common infectious disease that is primarily infected by livestock but also by humans by the Gram-positive bacillus Bacillus anthracis. In Korea, this is classified as a statutory epidemic, and it has been confirmed worldwide in Africa, the Middle East, China, Russia, the United States, and Europe. Anthrax generated in livestock can be transmitted to humans by eating meat from lung meat or through skin, and if infected, it can be life threatening. Therefore, the need for control of anthrax has emerged.

탄저균의 병원성은 독소 생성 능력과 협막 형성에 의해 결정되는 것으로 알려져 있다. 이러한 탄저의 독소 생성 능력에 영향을 주는 단백질은 방어항원(protective antigen), 부종요소(edema factor), 치사요소(lethal factor, LF)이며, 이들 각각은 독성을 나타내지 못하나, 방어항원과 부종요소가 결합하여 부종독소(edema toxin)를 형성하고, 방어항원과 치사요소가 결합하여 치사독소(lethal toxin)를 형성한다.It is known that the pathogenicity of anthrax is determined by toxin production ability and capsular formation. Proteins affecting the ability of anthrax toxin to produce are protective antigen, edema factor, and lethal factor (LF), each of which is not toxic, Combined to form edema toxins, defense antigens and lethal elements combine to form lethal toxins (lethal toxin).

따라서, 탄저에 대한 방제를 하기 위해서는 위의 탄저의 독소 생성 능력에 영향을 주는 단백질들과 관련된 일련의 생화학적 경로를 연구하고, 숙주세포의 반 응에 따른 저항성 및 감수성에 관련된 유전자나 단백질들을 규명하고 그 특성을 분석하는 과정이 필수적이다.Therefore, in order to control anthrax, a series of biochemical pathways related to proteins affecting the toxin-producing ability of the anthracnose are studied, and genes or proteins related to resistance and sensitivity according to host cell reactions are identified. The process of analyzing the characteristics is essential.

종래에는 치사요소에 대한 활성 검정을 위해서 형광에너지의 전달 효과(Fluorescence resonance energy transfer, FRET)를 이용하는 고-처리량 검정 방법(High-throughput assay)을 사용하였다[Proc. Natl. Acad. Sci. USA, M. Mock and B. R. Roques (2002) 99: 6527-6529; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, R. T. Cummings et al. (2002) 99: 6603-6606]. 보다 상세히 설명하면, 이 방법은 치사요소의 기질로 알려진 미토젠-활성화된 단백질 카이네이즈 카이네이즈(Mitogen-activated protein kinase kinase, MAPKK) 그룹에 속하는 MEK2의 절단부위의 아미노산 서열을 이용하여 14 ∼ 16 개의 아미노산으로 구성된 합성 펩타이드를 형성하고 이들 펩타이드의 양 말단에 서로 다른 형광체(fluorophore)를 연결시켜 펩타이드의 절단 여부에 따른 형광에너지의 전달 효과(Fluorescence resonance energy transfer, FRET)를 이용하여 활성 검정을 하는 방법이다.Conventionally, high-throughput assays using Fluorescence resonance energy transfer (FRET) have been used for activity assays for lethal elements [ Proc. Natl. Acad. Sci. USA, M. Mock and BR Roques (2002) 99: 6527-6529; Proc. Natl. Acad. Sci. USA , RT Cummings et al. (2002) 99: 6603-6606. More specifically, this method uses 14 to 16 amino acids using the amino acid sequence of the cleavage site of MEK2 belonging to the group of Mitogen-activated protein kinase kinase (MAPKK), known as the substrate of the lethal element. It is a method of forming an active peptide using a fluorescent resonance energy transfer (FRET) according to whether the peptide is cleaved by forming different synthetic peptides and connecting different phosphors at both ends of the peptides. .

이러한 활성 검정법은 형광체를 이용함으로써 높은 감도를 가지면서 많은 시료들을 짧은 시간에 처리할 수 있는 장점이 있으나, 다음과 같은 문제점이 있다.This activity assay has the advantage of being able to process many samples in a short time with high sensitivity by using phosphors, but has the following problems.

첫째, 이 방법은 기질의 절단부위의 합성 펩타이드와 치사요소 사이에서만 효소-기질 결합과 촉매작용이 일어남을 전제로 하고 있으나, 최근 절단부위와 떨어진 기질의 카르복시말단과 효소가 특이적 결합(specific recognition)을 하고, 이 카르복시말단이 치사요소에 의한 절단반응에 중요한 역할을 한다는 사실이 보고되었다[Anthrax lethal factor proteolysis and inactivation of MAPK kinase 2003, J. Biol. Chem. 278: 9402-9406]. 따라서, 치사요소에 대한 억제제를 개발할 때, 다양한 억제제 집단(inhibitor collection)을 확보하기 위하여 절단부위 지역에 해당되는 단백질만을 가진 합성 펩타이드를 사용하는 것보다 치사요소 기질의 단백질 전체(full-length native substrate)를 사용하여 억제제 스크리닝을 하는 것이 바람직하다.First, this method is based on the premise that enzyme-substrate binding and catalysis occur only between the synthetic peptide and the lethal element of the cleavage site of the substrate, but the specific binding of the carboxy terminal and the enzyme of the substrate away from the cleavage site And the carboxy terminus plays an important role in the lethal factor cleavage reaction [ Anthrax lethal factor proteolysis and inactivation of MAPK kinase 2003, J. Biol. Chem. 278: 9402-9406. Therefore, when developing inhibitors for lethal elements, full-length native substrates of lethal element substrates are used rather than using synthetic peptides with only the protein corresponding to the cleavage region to ensure a variety of inhibitor collections. Inhibitor screening is preferred.

둘째, 이 방법은 합성 펩타이드에 표식된 형광물질의 에너지량의 변화를 통해서 검정하는 방법인데, 반응용액 및 절단 생성물만을 따로 분리할 수 있는 방법이 없어서 치사요소의 단백질 가수분해 검정 반응에 참여한 모든 물질이 다 들어 있는 상태에서 형광을 측정하였기 때문에 오차가 발생될 수 있었고, 노이즈 신호(noise signal)에 대한 검정 과정을 반드시 거쳐야 했다.Secondly, this method is a method of assaying by changing the energy amount of fluorescent substance labeled on the synthetic peptide, and there is no method to separate the reaction solution and the cleavage product separately. Since the fluorescence was measured in this state, an error could occur, and the noise signal must be tested.

최근에 두 번째 문제점을 보완하여, 반응이 끝난 후에 합성 펩타이드를 분리할 수 있도록 개선한 스트렙타비딘-결합된 형광 펩타이드(streptavidine-coupled fluorescence peptide)를 이용한 방법[An enzymatic electrochemiluminescence assay for the lethal factor of anthrax, 2003. Anal. Biochem. 321: 125-130]과, 금막을 입힌 고정판에 비-형광 표식된 펩타이드를 결합시킨 뒤 이들의 절단부위를 검정하는 질량 분광법[SAMDI, Chemical screening by mass spectrometry to identify inhibitos of anthrax lethal factor, 2004. Nature Biotechnol. May 16. In press]이 개발되었다. 그러나, 두 방법들 모두 기질 절단부위를 바탕으로 한 합성 펩타이드의 이용 방식으로서 여전히 첫 번째의 문제점은 가지고 있었으며, 따라서, 억제제 스크리닝에 있어서 기질 절단부위 단백질 이외의 다양한 단백질들 의 작용 메카니즘 방식을 포괄할 수 없는 한계가 있었다.Recently, the second problem was solved, using an improved streptavidin-coupled fluorescence peptide to separate the synthetic peptide after the reaction [ An enzymatic electrochemiluminescence assay for the lethal factor of anthrax , 2003. Anal. Biochem. 321: 125-130] and chemical screening by mass spectrometry to identify inhibitos of anthrax lethal factor , 2004, for binding non-fluorescent labeled peptides to gold plated plates and assaying their cleavage sites. Nature Biotechnol. May 16. In press]. However, both methods still had a first problem as a method of using synthetic peptides based on substrate cleavage sites, and thus should cover the mechanism of action of various proteins other than substrate cleavage proteins in inhibitor screening. There was no limit.

이에 본 발명자들은 위와 같은 종래 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 절단 부위 이외의 별도의 기질 부분이 치사요소와 기질 사이의 특이성과 치사요소에 의한 기질 절단효율(cleavage efficiency)을 결정하는 중요한 인자라는 사실에 기초하여, 기질로 절단 부위의 아미노산 배열만을 이용하여 제조한 14 ∼ 16 개의 합성 펩타이드 대신에 치사요소 기질의 전장(full-length) cDNA를 서브클로닝하여 과량발현시킨 GST-전체구조 기질의 융합 단백질을 사용하면 다양한 작용기전의 탄저 억제제 스크리닝이 가능하게 되고, 이 융합 단백질의 GST 부분과 특이적으로 결합하는 글루타치온(GSH)을 이용하여 융합 단백질을 고체 지지체에 특정 방향으로 결합시키면 기질의 절단 여부를 판단하기가 쉬울 뿐만 아니라 반응 후 반응용액, 절단 생성물, 효소 등의 화학 물질에 의한 오차를 줄일 수 있다는 사실을 알게 되어 본 발명의 고-처리량 검정 방법을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have made efforts to solve the above-mentioned conventional problems. As a result, the separate substrate portion other than the cleavage site is an important factor for determining the cleavage efficiency due to the specificity between the lethal element and the substrate and the lethal element. Based on the fact, the fusion of the overexpressed GST-wide structure substrate by subcloning the full-length cDNA of the lethal element substrate instead of the 14-16 synthetic peptides prepared using only the amino acid sequence of the cleavage site as the substrate. The use of the protein allows screening of anthrax inhibitors of various mechanisms of action, and the binding of the fusion protein to the solid support in a specific direction using glutathione (GSH), which specifically binds to the GST portion of the fusion protein, results in cleavage of the substrate. Not only is it easy to determine the chemistry of reaction solutions, cleavage products, enzymes, etc. It is aware of the fact that reducing the error due to the high quality of the present invention have completed the throughput test methods.

따라서 본 발명은 탄저 치사요소 기질의 전장(full-length) cDNA를 서브클로닝하여 GST(클루타치온-S-트렌스퍼레이즈)-전체구조 기질의 융합 단백질을 제조하고 이를 고체 지지체에 특정 방향으로 고정시키는 것을 특징으로 하는 탄저 치사요소의 활성 검정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
Accordingly, the present invention provides a fusion protein of GST (glutathione-S-transferase) -total structure substrate by subcloning the full-length cDNA of anthrax lethal substrate and fixing it in a specific direction to the solid support. It is an object of the present invention to provide a method for assaying activity of anthrax lethal element, characterized in that

본 발명은 탄저 치사요소 기질의 전장(full-length) cDNA를 서브클로닝하여 GST-전체구조 기질의 융합 단백질을 제조하는 단계와, 고체 지지체에 상기 GST와 특이적으로 결합하는 포획 리간드를 코팅하는 단계를 포함하는 탄저 치사요소의 활성 검정 방법을 그 특징으로 한다.The present invention provides a method for preparing a fusion protein of a GST-wide structure substrate by subcloning the full-length cDNA of anthrax urea substrate, and coating a capture ligand that specifically binds the GST to a solid support. Characterized in that the activity assay method of anthrax lethal element comprising a.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail as follows.

본 발명은 탄저 치사요소와 기질 사이의 특이적 반응에 관여하는 기질의 절단부위 및 C-말단 부위에서의 작용기전을 포괄하고 절단부위를 용이하게 관찰할 수 있도록 서브클로닝을 이용하여 GST(클루타치온-S-트렌스퍼레이즈)-전체 구조(native form) 기질의 융합 단백질을 제조하고, 융합 단백질의 GST 부분과 특이적으로 결합하는 글루타치온(glutathione, GSH)을 포획 리간드로 사용하여 융합 단백질을 고체 지지체에 방향성 있게 고정시킴으로써, 탄저 치사요소의 활성을 검정할 때 높은 감도(sensitivity)와 특이성(specificity)을 갖게 되어 적은 효소량으로 짧은 시간 안에 다수의 시료들에 대한 활성 검정을 할 수 있을 뿐만 아니라, 반응 후 반응용액 및 절단 생성물을 용이하게 제거할 수 있어 스크리닝에 사용되는 화학물질에 의한 실험 오차를 줄일 수 있도록 개선된, 면역형광법을 이용하는 탄저 치사요소의 고-처리량 활성 검정 방법에 관한 것이다.The present invention encompasses the mechanism of action at the C-terminal site and the cleavage site of the substrate involved in the specific reaction between the anthrax lethal element and the substrate, and uses GST (glutachchi) using subcloning to easily observe the cleavage site. The fusion protein is prepared by preparing a fusion protein of on-S-transferase-native form substrate and using glutathione (GSH), which specifically binds to the GST portion of the fusion protein, as a capture ligand. By directional fixation to the support, it has high sensitivity and specificity when assaying the activity of anthrax lethality, and can perform activity assays for a large number of samples in a short time with a small amount of enzyme. Reaction solution and cleavage products can be easily removed after the reaction to reduce the experimental error caused by the chemicals used in the screening. The high of the anthrax lethal factor using an immunofluorescence relates to the traffic activity assay method.

치사요소와 융합 단백질의 반응은 미켈스-맨튼 키네틱스라고 불리는 다음 반응식 1의 단순 효소 속도론을 따른다.The reaction of the lethal element with the fusion protein follows the simple enzyme kinetics of Scheme 1 below, called the Michels-Manton Kinetics.

Figure 112004029862319-PAT00001
Figure 112004029862319-PAT00001

단순 효소 속도론은 일정한 효소 농도 하에서, 기질의 농도가 적을 때는 효소 반응속도가 기질농도에 비례하며, 기질농도가 높아져도 일정농도 이상에서는 반응속도가 증가하지 않는다는 이론으로서, 먼저 효소(E)와 기질(S)이 결합된 효소-기질 복합체(ES*)에서 화학적 반응이 일어나 반응 결과물(P)이 생기는 방식으로 이루어진다. 따라서, 단순 효소 속도론에 따라, 치사요소의 활성을 억제하는 물질의 개발은 효소와 기질 사이의 결합 단계(E+S)와 활성화된 효소-기질 복합체의 촉매작용 단계(ES*)의 두 단계를 조절하여 이루어질 수 있다.Simple enzyme kinetics is the theory that under a constant enzyme concentration, the enzyme reaction rate is proportional to the substrate concentration when the substrate concentration is low, and the reaction rate does not increase above a certain concentration even when the substrate concentration is high. The chemical reaction takes place in the enzyme-substrate complex (ES * ) to which (S) is bound, resulting in a reaction product (P). Thus, according to simple enzyme kinetics, the development of a substance that inhibits the activity of lethal elements involves two steps: the binding step between the enzyme and the substrate (E + S) and the catalysis step of the activated enzyme-substrate complex (ES * ). Can be adjusted.

그런데, 종래에는 기질 단백질 분자의 절단부위를 이용하여 제조한 펩타이드를 기질로 사용하였기 때문에 효소-기질 복합체의 촉매작용 단계만을 관찰할 수 밖에 없었고, 따라서 다양한 작용기전의 탄저 억제제를 스크리닝하기엔 한계가 있었으나, 본 발명에서는 치사요소가 기질과 반응할 때 거치게 되는 위의 두 단계를 모두 관찰하여 반영시킬 수 있도록 전체 구조 단백질(native form)을 기질로 사용한다.However, in the past, since the peptide prepared using the cleavage site of the substrate protein molecule was used as a substrate, only the catalytic step of the enzyme-substrate complex could be observed, and therefore, there were limitations in screening anthrax inhibitors of various mechanisms of action. In the present invention, the entire structural protein (native form) is used as a substrate to observe and reflect both of the above steps through which lethal elements react with the substrate.

본 발명에 사용되는 GST-기질 융합 단백질이 고정된 고체 지지체는 다음과 같이 제조한다.The solid support to which the GST-substrate fusion protein used in the present invention is immobilized is prepared as follows.

본 발명의 GST-기질 융합 단백질은 치사요소의 기질로 알려진 미토젠-활성화된 단백질 카이네이즈 카이네이즈(Mitogen-Activiated Protein Kinase Kinase) 그 룹에 속하는 단백질(예컨대 MEK1, MEK2 등)의 전장(full-length) cDNA를 서브클로닝하여 제조한다.The GST-substrate fusion protein of the present invention is the full-length of proteins (eg MEK1, MEK2, etc.) belonging to the group of Mitogen-Activiated Protein Kinase Kinases known as substrates of lethal elements. cDNA is prepared by subcloning.

GST-기질 융합 단백질의 제조 및 정제 과정을 자세히 설명하면 다음과 같다.Detailed description of the preparation and purification of the GST-substrate fusion protein is as follows.

전체 구조의 융합 단백질을 준비하기 위하여 MEK cDNA를 중합효소 연쇄반응(PCR) 등의 증폭 시스템을 이용한다. 이를 위하여 랫트 리버(rat liver)를 분리하여 토탈 RNA를 추출한 뒤 랜덤 헥사머(random hexamer)를 이용한 역전사 과정 (reverse transcription)을 거쳐 cDNA를 얻는다. 확보된 cDNA를 바탕으로 MEK 특정 올리고뉴클레오타이드(primer)를 이용하여 MEK 전체 유전자를 증폭한 뒤 분리 정제한다. 얻어진 MEK 유전자를 제한효소 처리하여 이를 박테리아 과발현 벡터(bacterial overexpression vetor)에 삽입한다. 본 발현벡터는 발현하고자 하는 단백질의 아미노 말단(N-terminus)에 약 26 kDa의 GST가 융합되는 형태로 발현된다. 융합 단백질 발현에서 생겨날 수 있는 목적 단백질의 폴딩(folding) 및 기능적 방해(functional interference)를 줄이기 위하여 GST 와 MEK 유전자 사이에 5 개의 글라이신이 위치할 수 있도록 링커 유전자을 삽입할 수도 있다. 이와 같이 확보한 기질 과발현 벡터(pGEX-MEK)를 발현 숙주에 삽입하고 배지에서 배양한 후, 원심분리를 이용하여 수집한다. 이를 버퍼를 이용하여 현탁시키고 세포를 분쇄시켜 GST-MEK 융합 단백질을 분리한다.In order to prepare a fusion protein of the entire structure, an amplification system such as polymerase chain reaction (PCR) is used for MEK cDNA. To this end, rat liver is isolated, total RNA is extracted, and cDNA is obtained through reverse transcription using a random hexamer. Based on the obtained cDNA, the MEK-specific oligonucleotides (primers) are used to amplify and purify the whole MEK gene. The obtained MEK gene is restriction enzyme treated and inserted into a bacterial overexpression vector. The expression vector is expressed in a form in which about 26 kDa GST is fused to the amino terminus (N-terminus) of the protein to be expressed. Linker genes may be inserted to position five glycines between the GST and MEK genes to reduce folding and functional interference of the target protein that may result from fusion protein expression. The substrate overexpression vector (pGEX-MEK) thus secured is inserted into an expression host, cultured in a medium, and collected by centrifugation. It is suspended using a buffer and the cells are crushed to separate GST-MEK fusion proteins.

MAPKK 그룹에 속하는 단백질과 융합되는 GST는 클루타치온-S-트렌스퍼레이즈(Glutathione-S-Transferase)로서 크기가 상대적으로 커서 아미노 말단으로 치우쳐서(Pro8-Ile9) 절단 여부를 판단하기가 어려웠던 종래 의 문제점을 해결할 수 있으며, 융합 단백질의 효소 절단부위를 관찰하는데 유리하다.GST, which is fused with a protein belonging to the MAPKK group, is a glutathione-S-transferase, which is relatively large in size and shifted to the amino terminus (Pro8-Ile9), making it difficult to determine whether it is cleaved. The problem can be solved and it is advantageous to observe the enzyme cleavage site of the fusion protein.

융합 단백질의 아미노 말단에 융합된 GST는 GST-기질 융합 단백질이 고체 지지체(마이크로플레이트 등)에 일정한 방향으로 고정시키는 역할을 한다. 고체 지지체는 ELISA에 사용되는 것과 동일한 것을 사용할 수 있으며, 일반적으로 폴리스티렌으로 제조되고 다수의 웰이 있는 것이 바람직하다. 고체 지지체의 표면은 단백질과 소수성 결합(hydrophobic interaction)을 통하여 쉽게 결합될 수 있어야 한다.GST fused to the amino terminus of the fusion protein serves to fix the GST-substrate fusion protein to a solid support (microplate, etc.) in a fixed direction. The solid support may be the same as that used for the ELISA, and is generally made of polystyrene and preferably having a plurality of wells. The surface of the solid support should be able to be easily bound through hydrophobic interaction with the protein.

고체 지지체의 웰(well)에 GST-전체구조 기질의 융합 단백질의 GST 부분과 특이적으로 결합하여 융합 단백질을 고정시킬 수 있는 포획 리간드를 코팅한다. 포획 리간드는 GST와 특이적으로 결합할 수 있는 물질은 모두 사용할 수 있으나 클루타치온(glutathione)이 바람직하다. 또한, 비특이적 결합을 억제하기 위하여 필요한 경우에는 블록킹 용액을 사용할 수 있으며, 블록킹 용액으로 대표적인 것은 1 % BSA를 사용한다. 코팅된 고체 지지체와 먼저 준비한 GST-기질 융합 단백질을 반응시키면 GST 부분이 플레이트의 바닥으로 향하고 기질 부분이 그 반대쪽에 위치하여 기질과 치사요소가 쉽게 반응할 수 있도록 고정된다(도 3).A well of the solid support is coated with a capture ligand capable of specifically binding to the GST portion of the fusion protein of the GST-structure substrate to immobilize the fusion protein. As the capture ligand, any substance capable of specifically binding to GST can be used, but glutathione is preferable. In addition, a blocking solution can be used if necessary to suppress nonspecific binding, and a representative solution of blocking solution is 1% BSA. Reacting the coated solid support with the previously prepared GST-substrate fusion protein fixes the GST moiety toward the bottom of the plate and the substrate moiety on the opposite side so that the substrate and the lethal element can easily react (FIG. 3).

이러한 특정 방향(defined orientation)의 고정법은 치사요소의 절단부위의 관찰을 용이하게 할 뿐만 아니라 검정 방법의 감도(sensitivity)를 향상시킬 수 있다. 즉, 도 3의 (1)과 같이 GST-전체구조 기질의 융합 단백질이 포획 리간드에 의해서 고정되어 GST 부분이 플레이트의 바닥으로 향하고 기질 부분이 그 반대쪽에 위치하는 방향성을 가지는 경우에는 반응이 끝나고 반응 용액을 웰에서 제거함으로써 C-말단 부분이 제거되지만, 포획 리간드로 고정시키지 않은 경우에는 (2) 또는 (3)과 같이 플레이트에 고정될 수 있어서 절단 반응이 일어난 뒤 절단 생성물의 제거가 곤란하게 되어 반응에 대한 감도가 크게 감소하게 된다. 또한, (2)의 경우는 결합에 중요한 역할을 하는 C-말단이 웰 플레이트에 고정됨으로써 치사요소와의 반응에 영향을 줄 수 있으며, (3)의 경우는 반응 후의 기질의 변화를 관찰하기가 어렵다.This defined orientation fixation facilitates the observation of cuts of the lethal element and can also improve the sensitivity of the assay method. That is, when the fusion protein of the GST-structure substrate is fixed by the capture ligand as shown in (1) of FIG. 3, when the GST portion is directed toward the bottom of the plate and the substrate portion is oriented on the opposite side, the reaction is completed. The C-terminal part is removed by removing the solution from the well, but if it is not immobilized with the capture ligand, it can be fixed to the plate such as (2) or (3), making it difficult to remove the cleavage product after the cleavage reaction occurs. The sensitivity to the reaction is greatly reduced. In the case of (2), the C-terminus, which plays an important role in binding, is fixed to the well plate, which may affect the reaction with lethal elements. In case of (3), it is difficult to observe the change of the substrate after the reaction. it's difficult.

웰 표면의 포획 리간드의 코팅 여부와 GST-전체구조 기질의 융합 단백질의 고정 여부와 검정 시스템에서 얻어지는 시그널의 기질 특이성은 기질의 C-말단 부위를 특이적으로 인식하는 일차 항체(primary antibody)와 그렇지 않은 항체 (negative control)를 각각 넣고, TMB 용액에 대한 이차 항체(secondary antibody conjugated to HRP)의 색깔 반응을 통하여 확인한다(도 4).The coating of capture ligands on the well surface, the immobilization of the fusion proteins of the GST-structure substrate, and the substrate specificity of the signals obtained from the assay system are not the primary antibodies that specifically recognize the C-terminal region of the substrate. Each non-negative control (negative control) is put, and confirmed through the color reaction of the secondary antibody (secondary antibody conjugated to HRP) to the TMB solution (Fig. 4).

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to Examples.

실시예 : 면역형광법을 이용한 탄저 치사요소의 활성 검정Example: Activity test of anthrax lethal element using immunofluorescence

먼저 다음의 과정을 거쳐서 융합 단백질을 제조 및 정제하였다.First, a fusion protein was prepared and purified through the following procedure.

랫트 리버(rat liver)를 분리하여 토탈 RNA를 추출하고 랜덤 헥사머(random hexamer)를 이용하여 역전사 과정(reverse transcription)을 거쳐 cDNA를 얻었다. 확보된 cDNA를 바탕으로 MEK1 특이적 올리고뉴클레오티드(primer)를 이용하여 MEK1 전체 유전자를 증폭한 뒤 분리 정제하였다. 얻어진 MEK1 유전자를 제한효소(EcoRⅠ) 처리하여 이를 박테리아 과발현 벡터(pGEX-2T, Amersham Pharmacia)에 삽입하여 단백질의 아미노 말단(N-terminus)에 약 26 kDa의 GST가 융합된 형태로 발현시켰다. 본 실시예에서는 융합 단백질의 폴딩 및 기능적 방해를 줄이기 위하여 GST와 MEK1 유전자 사이에 5 개의 글라이신을 링커 유전자로 삽입하였다.Rat liver was isolated, total RNA was extracted, and cDNA was obtained by reverse transcription using a random hexamer. Based on the obtained cDNA, MEK1 specific oligonucleotides (primers) were used to amplify and purify the whole MEK1 gene and then purified. The obtained MEK1 gene was treated with restriction enzyme (EcoRI) and inserted into a bacterial overexpression vector (pGEX-2T, Amersham Pharmacia) to express the GST of about 26 kDa at the amino terminus (N-terminus) of the protein. In this example, five glycines were inserted into the linker gene between the GST and MEK1 genes to reduce folding and functional interference of the fusion protein.

이렇게 확보한 pGEX-MEK를 BL21(E.coli)에 삽입한 뒤 이를 LBA(50 mg/ml 앰피실린이 포함된 LB 배지)에서 O.D600 = 0.7 ∼ 0.8 사이가 될 때까지 진탕 배양하였다. 여기에 IPTG(final 1 mM)를 넣고 30 ℃에서 5 시간 배양하였다. 배양된 세포를 원심분리를 통하여 수집한 뒤 이를 PBST 버퍼(150 mM NaCl, 16 mM Na2HPO4, 4 mM NaH2PO4, pH 7.4, 2 mM EDTA, 1 % Triton X-100, 0.1 % BME)에서 현탁시키고 소니케이션을 통해 세포를 분쇄하였다. 원심분리를 통하여 세포 추출액만을 얻은 뒤 이를 글루타치온-세파로스 컬럼(Glutathione-Sepharose column)을 통하여 GST-MEK 융합 단백질을 분리하였다. 멀티웰 플레이트(multiwell plate)에 GST 부분과 특이적으로 결합하는 글루타치온을 코팅하고 GST-기질 융합 단백질 280 nM을 본 발명에 따른 특정 방향으로 고정시킨 후 치사요소 20 nM과 반응시켰다.The pGEX-MEK thus obtained was inserted into BL21 (E. coli) and then cultured in LBA (LB medium containing 50 mg / ml ampicillin) until OD 600 = 0.7 to 0.8. IPTG (final 1 mM) was added thereto and incubated at 30 ° C. for 5 hours. The cultured cells were collected by centrifugation followed by PBST buffer (150 mM NaCl, 16 mM Na 2 HPO 4 , 4 mM NaH 2 PO 4 , pH 7.4, 2 mM EDTA, 1% Triton X-100, 0.1% BME ) And suspended cells via sonication. Only cell extracts were obtained through centrifugation, and the GST-MEK fusion proteins were separated through a glutathione-sepharose column. The multiwell plate was coated with glutathione that specifically binds to the GST moiety, and the GST-substrate fusion protein 280 nM was fixed in a specific direction according to the present invention and then reacted with 20 nM of lethal element.

이 결과는 도 6에 나타내었는데, 약 30 분이 지나면 반응이 거의 종결됨을 관찰할 수 있다. 이는 SDS-PAGE를 통하여 본 실험진이 관찰한 결과[Implication of pH I the catalytic properties of anthrax lethal factor Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004, 313: 217-222]와 일치하며 20 nM의 적은 양의 치사요소를 이용하여 원하는 결과를 충분히 얻을 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 검정 방법은 고-처리량 분석방법에서 반드시 요구되는 빠른 반응시간(rapidity)과 적은 효소량(low cost) 두 가지를 모두 만족시킨다고 할 수 있다.This result is shown in FIG. 6, and it can be observed that the reaction is almost terminated after about 30 minutes. This was observed by the researchers through SDS-PAGE [ Implication of pH I the catalytic properties of anthrax lethal factor Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004, 313: 217-222, it can be seen that the desired result can be obtained by using a small amount of lethality of 20 nM. Therefore, this assay method can satisfy both the rapid response time and the low cost of enzyme, which are essential for high-throughput assays.

실험예 1 : 검정 시스템의 확인 실험Experimental Example 1 Confirmation Experiment of Assay System

마이크로플레이트에 포획 리간드의 처리, 블록킹, GST-기질 융합 단백질의 고정 확인 및 검정 방법의 기질 특이적 감지(specific detection) 능력을 확인하였다(도 4). 이는 고-처리량 분석 방법의 특이성(specificity)을 검사할 수 있고 시스템 구축시 각 단계가 정상적으로 이루어졌는지를 확인하는 과정이다. 플레이트는 폴리스티렌으로 제조되어 단백질과 소수성 결합(hydrophobic interaction)을 통하여 결합될 수 있으므로 이러한 플레이트 표면에 아무런 처리도 하지 않는다면 감지 시스템인 항체(antibody)를 넣었을 때, 모두 플레이트에 결합하게 되어 높은 시그널을 나타낸다. 플레이트 표면에 단계적으로 포획 리간드(GSH)와 블록킹 용액(1 % BSA)을 처리함에 따라 아무런 처리가 되지 않은 플레이트 표면이 감소하게 되어 기질 특이적인 항체를 넣으면 시그널이 감소하게 된다. 이는 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 플레이트 표면에 각각의 과정이 진행됨에 따라 감소하는 시그널로 확인할 수 있으며, 포획 리간드(GSH)와 블록킹 용액이 처리된 플레이트에 기질(GST-MEK)을 넣어준 뒤 기질 특이적 항체를 사용하여 탐지한 경우에는 시그널 이 급격히 증가하는 것을 볼 수 있으나 기질 비특이적 항체를 사용하여 탐지한 경우에는 시그널의 증가가 거의 이루어지지 않음을 관찰할 수 있다.The microplates confirmed the ability of substrate specific detection of the treatment of blocking ligands, blocking, immobilization of GST-substrate fusion proteins, and assay methods (FIG. 4). This is a process to check the specificity of the high-throughput analysis method and to verify that each step has been completed during system construction. Plates are made of polystyrene and can be bound to proteins via hydrophobic interaction, so if no treatment is applied to the surface of the plate, all of them will bind to the plate and display a high signal when the antibody, antibody, is inserted. . Treatment of the capture ligand (GSH) and blocking solution (1% BSA) on the surface of the plate gradually reduces the untreated plate surface, and the addition of substrate-specific antibodies reduces the signal. This can be confirmed as a signal that decreases as each process proceeds to the surface of the plate, as shown in Figure 4, after the substrate (GST-MEK) is put on the plate treated with the capture ligand (GSH) and blocking solution When detected using a substrate-specific antibody, the signal can be seen to increase rapidly, but when detected using a substrate-specific antibody, it can be observed that there is almost no increase in signal.

실험예 2 : 기질의 농도에 따른 검정 범위Experimental Example 2 Assay Range According to Substrate Concentration

GST-기질 융합 단백질을 특정 배향으로 결합시킬 수 있도록 표면처리를 한 플레이트에 다양한 농도의 기질을 넣고 본 발명에 따른 검정 방법으로 측정할 수 있는지를 살펴보았다. 도 5에서 나타낸 실험 결과에서 알 수 있듯이 약 2 nM ∼ 200 nM의 범위에서 직선형으로 시그널의 증가를 관찰할 수 있고 상당히 넓은 측정 범위를 가짐을 알 수 있다. 이는 반응 후 남아있는 기질의 양을 얼마나 정밀하고 정확하게 검정할 수 있는지를 나타내는 척도가 된다.In order to bind the GST-substrate fusion protein to a specific orientation, it was examined whether the various concentrations of substrates were placed in one plate and measured by the assay method according to the present invention. As can be seen from the experimental results shown in FIG. 5, an increase in the signal can be observed in a linear form in the range of about 2 nM to 200 nM, and it can be seen that it has a considerably wide measurement range. This is a measure of how precisely and accurately the amount of substrate remaining after the reaction can be assayed.

실험예 3 : 본 발명과 SDS-PAGE의 비교Experimental Example 3 Comparison of the Invention and SDS-PAGE

종래에는 탄저 치사요소와 기질 사이의 반응을 살펴보기 위하여 효소 반응을 시키고 젤을 통하여 단백질의 크기별로 분리하는 전기영동(SDS-polyacrylamide gel electrophoresis)을 이용하여 기질의 변화량을 측정하였다. 그런데, 치사요소의 기질들은 절단 위치가 아미노 말단에 치우쳐 있어서(Pro9-Ile9) 절단 반응 후 단백질의 크기를 통한 판단이 어려워 지금까지는 웨스턴 블롯(Western blot)을 통하여 반응의 여부를 판단하여야 했다. 그러나, 본 발명의 경우에는, 탄저 기질의 아미노 말단 부위에 26 ∼ 28 kDa 크기의 GST를 결합하여 절단 반응 후 단백질의 크기의 차이가 뚜렷하게 난다. GST-MEK의 경우는 72 kDa이고 절단 반응 후 의 MEK는 44 kDa이다[Production and proteolytic assay of lethal factor from Bacillus anthracis, Protein Exp. Purif. 2003, 30: 293-300].Conventionally, in order to examine the reaction between the anthrax lethal element and the substrate, the amount of change in the substrate was measured by using an electrophoresis (SDS-polyacrylamide gel electrophoresis), which separates the protein by the size of the enzyme through the gel. However, since the substrates of the lethal elements were cleaved at the amino terminus (Pro9-Ile9), it was difficult to judge the protein size after the cleavage reaction, and until now, the western blot had to determine the reaction. However, in the case of the present invention, 26-28 kDa sized GST is bound to the amino terminal region of the anthrax substrate, resulting in a marked difference in protein size after cleavage reaction. GST-MEK was 72 kDa and MEK after cleavage was 44 kDa [ Production and proteolytic assay of lethal factor from Bacillus anthracis , Protein Exp. Purif. 2003, 30: 293-300.

도 7의 SDS-PAGE 사진은 본 발명과 같은 조건으로 반응시킨 뒤 이를 전기 영동한 사진으로 GST-MEK로 표시된 부분이 절단 반응이 일어나지 않은 기질을 의미한다. 이 SDS-PAGE 사진에서 단백질 밴드의 인텐시티(intensity)는 기질의 양을 의미하는 것으로 밴드 인텐시티가 약해질수록 많은 절단반응이 일어났음을 의미한다. 치사요소가 금속 의존적 단백질 가수분해 효소임을 감안하여 다양한 조건의 금속이온을 조합하여 치사요소에 필요한 금속이온들에 관한 실험을 통해 Zn2+ 등 다양한 금속 이온을 포함시켜 측정한 결과, 금속이온 의존적 치사요소의 활성이 SDS-PAGE를 통하여 얻은 결과와 완전히 일치함을 관찰하였다. 또한, 이들의 활성도의 차이를 정량화(quantitization) 할 수도 있었다.The SDS-PAGE photograph of FIG. 7 is a photograph subjected to electrophoresis after reacting under the same conditions as the present invention, and refers to a substrate in which a cleavage reaction does not occur in a portion indicated by GST-MEK. Intensity of the protein band in the SDS-PAGE photograph means the amount of the substrate, which means that the more cleavage reaction occurs as the band intensity decreases. Considering that the lethal element is a metal dependent proteolytic enzyme, the experiments on the metal ions required for the lethal element by combining metal ions of various conditions were carried out to include various metal ions such as Zn 2+ . The activity of urea was observed to be in perfect agreement with the results obtained through SDS-PAGE. It was also possible to quantitate the difference in their activities.

상술한 바와 같이 본 발명의 면역형광법을 이용하는 탄저 치사요소의 활성 검정 방법은 탄저 치사요소 기질의 전장(full-length) cDNA를 서브클로닝하여 GST(클루타치온-S-트렌스퍼레이즈)-전체구조 기질의 융합 단백질을 제조하는 단계와, 고체 지지체에 상기 GST와 특이적으로 결합하는 글루타치온을 코팅하는 단계를 포함하여 탄저 치사요소의 활성을 검정할 때 높은 감도(sensitivity)와 특이성(specificity)를 갖게 되어 적은 효소량으로 짧은 시간 안에 다수의 시료들 에 대한 활성 검정을 할 수 있을 뿐만 아니라, 반응 후 반응용액 및 절단 생성물을 용이하게 제거할 수 있어 스크리닝에 사용되는 화학물질에 의한 실험 오차를 줄일 수 있다. 또한, 탄저치사요소에 대한 다양한 억제제 개발을 위한 많은 잠재적인 화학적 억제제를 빠른 시간내에 검색할 수 있을 것으로 전망되어 제약 및 농약 분야에 널리 응용될 수 있을 것으로 판단된다.As described above, the method of activity assay of anthrax urea using the immunofluorescence method of the present invention is performed by subcloning the full-length cDNA of the anthrax urea substrate to obtain GST (glutathione-S-transferase) -total structure. It has a high sensitivity and specificity when assaying the activity of anthrax lethality, including preparing a fusion protein of a substrate and coating a glutathione that specifically binds GST to a solid support. As a result, it is possible to perform the activity assay on a large number of samples in a short time with a small amount of enzyme, and to easily remove the reaction solution and the cleavage product after the reaction, thereby reducing the experimental error caused by the chemical used in the screening. . In addition, many potential chemical inhibitors for the development of various inhibitors of anthrax urea are expected to be searched in a short time, which may be widely applied in the pharmaceutical and pesticide fields.

Claims (2)

탄저 치사요소 기질의 전장(full-length) cDNA를 서브클로닝하여 GST(클루타치온-S-트렌스퍼레이즈)-전체구조 기질의 융합 단백질을 제조하는 단계와, 고체 지지체에 상기 GST와 특이적으로 결합하는 글루타치온(glutathione)을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄저 치사요소의 활성 검정 방법.Subcloning the full-length cDNA of anthrax toxin substrate to produce a fusion protein of GST (glutathione-S-transferase) -total structure substrate, and specifically to the GST on a solid support A method for assaying activity of anthrax lethality, comprising coating a binding glutathione. 제 1 항에 있어서, 상기 탄저 치사요소 기질은 MEK1인 것을 특징으로 하는 탄저 치사요소의 활성 검정 방법.The method of claim 1, wherein said anthrax lethal substrate is MEK1.
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