KR20130103560A - 개변 형광 단백질 - Google Patents
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Abstract
형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 힘을 검출 가능한 개변 형광 단백질을 제공한다.
해파리 유래의 야생형 형광 단백질 또는 상기 야생형 형광 단백질에 유래하는 형광 단백질의 아미노산 서열의 144번째와 145번째의 사이에 상동하는 위치에 펩티드 링커가 삽입되어 있는 개변 형광 단백질로서, 상기 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화에 따라 상기 개변 형광 단백질의 형광 특성이 변화하는 것을 특징으로 하는 개변 형광 단백질이다.
해파리 유래의 야생형 형광 단백질 또는 상기 야생형 형광 단백질에 유래하는 형광 단백질의 아미노산 서열의 144번째와 145번째의 사이에 상동하는 위치에 펩티드 링커가 삽입되어 있는 개변 형광 단백질로서, 상기 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화에 따라 상기 개변 형광 단백질의 형광 특성이 변화하는 것을 특징으로 하는 개변 형광 단백질이다.
Description
본 발명은, 개변 형광 단백질에 관한 것이다.
형광 단백질, 예를 들면 아미노산 서열이 서열 목록의 서열 번호 6으로 나타내어지는 녹색 형광 단백질은, 기초 연구 및 응용 연구에 있어서, 통상, 단백질을 형광 표지하는 재료로서 이용된다. 형광 단백질에 의한 형광 표지는, 광학 현미경 하에서, 단백질의 국재(局在) 및 운동의 관찰을 가능하게 한다. 또 유전자 공학적으로 개변을 가함으로써, 세포질 내의 pH나 칼슘 농도 등, 환경을 감수(感受)하는 형광 단백질도 만들어지고 있다(특허 문헌 1 및 2). 세포질 내의 환경 변화를 감수할 수 있는 상기 형광 단백질은, 생명 현상을 조사하기 위해 매우 유력한 툴이다.
한편 예전부터, 세포질 내의 압력이, 발생 단계에 있어서의 조직 형상을 결정하는 것 등, 생체 내의 압력과 생명 현상에 강한 상관이 있는 것이 시사되어 있다.
그러나 생체 내의 압력을 계측할 수 있는 기술은 없으며, 상술한 가설은, 아직 증명을 기다리는 상태라고 할 수 있다. 생체 내의 압력을 가시화할 수 있는 기술은, 향후 생물 연구를 크게 발전시킬 것으로 생각된다. 특히 생체 내의 압력의 가시화를 형광 단백질에 의해 행할 수 있으면, 비침습적으로, 즉 세포 등의 생시료나 생체에 대해 손상을 가하지 않고, 압력 계측이 가능해진다.
그래서 본 발명은, 액체 내의 압력을 계측할 수 있는 개변 형광 단백질을 제공한다.
본 발명은, 해파리 유래의 야생형 형광 단백질 또는 상기 야생형 형광 단백질에 유래하는 형광 단백질의 아미노산 서열의 144번째와 145번째의 사이에 상동하는 위치에 펩티드 링커가 삽입되어 있는 개변 형광 단백질로서, 상기 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화에 따라 상기 개변 형광 단백질의 형광 특성이 변화하는 것을 특징으로 하는 개변 형광 단백질, 바람직하게는, 상기 액체에 가해지는 압력의 상승에 따라 상기 형광 강도가 상승하는 개변 형광 단백질에 관한 것이다.
본 발명의 개변 형광 단백질은, 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화에 따라 형광 특성이 변화하고, 바람직하게는 상기 압력의 변화와 형광 강도가 양의 상관을 나타내므로, 본 발명의 개변 형광 단백질에 의하면, 생체 내의 압력 변화의 가시화를 행할 수 있으며, 비침습적으로, 즉 세포 등의 생시료나 생체에 대해 손상을 가하지 않고, 형광 변화에 의해 그 압력이 경시적으로 계측 가능해진다. 또 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력 변화를 용이하게 검출할 수 있다.
도 1은 YFP와 상기 YFP의 144위치와 145위치의 사이에 펩티드 링커를 삽입하여 작성한 삽입 변이체의 모식도이다.
도 2는 YFP 및 YFP의 삽입 변이체의 흡광 파장 스펙트럼(검은색선) 및 파장 488나노미터의 레이저로 여기하였을 때의 형광 파장 스펙트럼(회색선)을 나타내는 그래프이다. (a)는 야생형 YFP, (b)는 YFP-1G, (c)는 YFP-3G, (d)는 YFP-6G의 결과를 각각 나타낸다.
도 3은 YFP(a), YFP-1G(b), YFP-3G(c)의 압력 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 YFP, YFP-1G, 및 YFP-3G에 있어서의 압력과 형광 피크 파장의 관계(a), 및 압력과 형광 피크 파장에 있어서의 형광 강도의 관계(b)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 YFP-3G 수용액에 대한 가압을 0MPa로부터 소정의 압력까지 변화시켰을 때의 형광 강도의 변화율을 플롯한 그래프이다.
도 6은 수용액 중의 YFP-3G에 대해 측정한 형광 강도 변화에 의거하여 도 5의 그래프로부터 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화를 산출한 결과를 나타내는 그래프이다. 각 선은, 각각 따로 따로 시행하여 얻어진 그래프이다.
도 7은 YFP, YFP-1G, 및 YFP-3G에 있어서의 압력과 형광 피크 파장에 있어서의 형광 강도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 GFP, GFP-1G, 및 GFP-3G에 있어서의 압력과 형광 피크 파장에 있어서의 형광 강도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 CFP, CFP-1G, 및 CFP-3G에 있어서의 압력과 형광 피크 파장에 있어서의 형광 강도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10A~C는, 각각, 상기 YFP, YFP-1G, 및 YFP-3G의 발색단(chromophore) 주변의 단백질 입체 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 YFP 및 YFP의 삽입 변이체의 흡광 파장 스펙트럼(검은색선) 및 파장 488나노미터의 레이저로 여기하였을 때의 형광 파장 스펙트럼(회색선)을 나타내는 그래프이다. (a)는 야생형 YFP, (b)는 YFP-1G, (c)는 YFP-3G, (d)는 YFP-6G의 결과를 각각 나타낸다.
도 3은 YFP(a), YFP-1G(b), YFP-3G(c)의 압력 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 YFP, YFP-1G, 및 YFP-3G에 있어서의 압력과 형광 피크 파장의 관계(a), 및 압력과 형광 피크 파장에 있어서의 형광 강도의 관계(b)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 YFP-3G 수용액에 대한 가압을 0MPa로부터 소정의 압력까지 변화시켰을 때의 형광 강도의 변화율을 플롯한 그래프이다.
도 6은 수용액 중의 YFP-3G에 대해 측정한 형광 강도 변화에 의거하여 도 5의 그래프로부터 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화를 산출한 결과를 나타내는 그래프이다. 각 선은, 각각 따로 따로 시행하여 얻어진 그래프이다.
도 7은 YFP, YFP-1G, 및 YFP-3G에 있어서의 압력과 형광 피크 파장에 있어서의 형광 강도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 GFP, GFP-1G, 및 GFP-3G에 있어서의 압력과 형광 피크 파장에 있어서의 형광 강도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 CFP, CFP-1G, 및 CFP-3G에 있어서의 압력과 형광 피크 파장에 있어서의 형광 강도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10A~C는, 각각, 상기 YFP, YFP-1G, 및 YFP-3G의 발색단(chromophore) 주변의 단백질 입체 구조를 나타내는 도면이다.
형광 단백질은, 베타칸 구조로 불리는 원주 구조를 갖는 단백질이다. 베타칸 구조의 내부에, 3개의 아미노산 잔기로 구성되는 발광단이 있으며, 이 발광단은, 주위의 베타칸 구조에 의한 프로톤 배치에 대해 민감하게 반응한다. 본 발명은, 형광 단백질의 일부, 보다 구체적으로는 발광단에 가장 가까운 루프에 펩티드 링커를 삽입함으로써, 상기 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화에 따라 형광 특성이 변화하며, 바람직하게는 상기 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력과 형광 강도가 양의 상관을 나타내는 개변 형광 단백질을 얻을 수 있다는 지견에 의거한다.
즉 본 발명은, 한 양태에 있어서, 해파리 유래의 야생형 형광 단백질 또는 상기 야생형 형광 단백질에 유래하는 형광 단백질의 아미노산 서열의 144번째와 145번째의 사이에 상동하는 위치에 펩티드 링커가 삽입되어 있는 개변 형광 단백질로서, 상기 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화에 따라 상기 개변 형광 단백질의 형광 특성이 변화하는 것을 특징으로 하는 개변 형광 단백질(이하, 「본 발명의 개변 형광 단백질」이라고도 한다)에 관한 것이다.
본 발명의 개변 형광 단백질의 형광 특성이 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화에 따라 변화하는 메커니즘의 상세는 분명하지는 않지만, 이하와 같이 생각할 수 있다. 즉 형광 단백질의 일부, 보다 구체적으로는 발광단에 가장 가까운 루프에 펩티드 링커를 삽입함으로써, 형광 단백질 내에 있어서의 발광단 부근의 베타칸 구조에 왜곡이 발생하고, 이에 의해 용매 중의 물이 상기 발광단으로 개입되게 된다. 그리고 상기 발광단은, 물과의 상호 작용에 의해 형광 특성이 변화한다. 즉 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력이 증가하여 상기 발광단 내의 물의 거동이 변화함으로써, 상기 발광단으로부터 발생되는 형광 파장이 변화, 및/또는 형광 강도가 증가한다고 생각된다. 단, 본 발명은 이들 메커니즘에 한정하여 해석되지 않아도 된다.
용매 중의 압력을 계측할 수 있는 형광 단백질은, 지금까지 보고되어 있지 않다. 또 재생 의학 등에서는, 조직의 형상을 결정짓는데 압력이 중요한 것이 조금씩 밝혀지고 있지만, 세포 내의 압력을 계측할 수 있는 기술이 없으므로, 그 이상의 지견을 얻을 수 없었다. 본 발명의 개변 형광 단백질은, 유전자 도입 등의 간소한 방법으로, 세포 내에 상기 형광 단백질을 발현시킬 수 있으므로, 많은 생물 연구자에게도 유용하여 응용이 가능한 툴이 될 수 있다. 예를 들면 심해 생물의 연구 등은, 압력과 생명 현상의 관계를 조사하는 것은 필수이며, 본 발명의 개변 형광 단백질은, 심해 생물의 연구에서도 매우 중요한 툴이 될 수 있다.
[형광 단백질]
본 발명에 있어서 「형광 단백질」이란, 여기광을 쬐면 발광하는 단백질을 말한다. 형광 단백질로서는 특별히 한정되지 않지만, 일례로서 산호 유래 : 예를 들면, 나팔천공석산호(Galaxea fascicularis), 버섯석산호(Fungia sp.), 몬티포라(Montipora. sp) 등, 말미잘 유래 : 예를 들면, 별란말미잘(Halcurias sp.L) 등, 해파리 유래 : 에쿼리아·빅토리아(Aequorea victoria) 등을 개변 형광 단백질의 원료로서 들 수 있다. 바람직하게는 해파리 유래의 야생형 형광 단백질 또는 상기 야생형 형광 단백질에 유래하는 형광 단백질을 원료로 한 것을 들 수 있다. 본 발명에 있어서 「해파리 유래의 야생형 형광 단백질」이란, 전체 길이 238 아미노산 잔기의 해파리 유래 형광 단백질을 말하며, 바람직하게는 해파리(Aequorea Victoria) 유래의 녹색 형광 단백질(GFP ; 전체 길이 238 아미노산 잔기, GenBank Accession No. AAA27722, 서열 목록의 서열 번호 6)을 말한다. 또 본 발명에 있어서 「상기 야생형 형광 단백질에 유래하는 형광 단백질」이란, 상기 GFP에 유래하는 변이 형광 단백질을 포함하며, 바람직하게는 YFP, CFP, EGFP, EYFP 및 ECFP 등의 형광 단백질을 포함한다. 이하, 본 발명에 있어서 「해파리 유래의 야생형 형광 단백질 또는 상기 야생형 형광 단백질에 유래하는 형광 단백질」을 간단히 「형광 단백질」이라고 부르는 경우가 있다. 또한 YFP의 서열로서 238 아미노산 잔기의 서열 번호 1의 아미노산 서열을 들 수 있으며, CFP의 서열로서 238 아미노산 잔기의 서열 번호 7의 아미노산 서열을 들 수 있지만, 본 발명에 있어서 YFP 및 CFP는 상기 서열 한정의 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 클로닝이나 태그 표지를 위해, 형광 단백질로서의 기능에 영향을 주지 않는 범위에서, N 말단 부근이나 C 말단 부근에 1 또는 복수의 아미노산 잔기의 치환·부가·결실(缺失)·삽입이 된 것, 및 그것에 기인하여 아미노산 서열의 길이가 238 아미노산 잔기가 아닌 것도 포함할 수 있다. 그 경우의 링커의 삽입 부위는, 상기 야생형 형광 단백질의 아미노산 서열의 144번째와 145번째의 사이에 상동하는 위치(즉, 발광단에 가장 가까운 루프)로 하면 된다. 본 발명에 있어서의 형광 단백질은, 단백질의 형태에 더하여, 상기 형광 단백질을 코드하는 폴리뉴클레오티드나, 상기 형광 단백질을 발현 가능한 벡터의 형태로, 예를 들면 시판의 제품으로서, 용이하게 입수할 수 있다. 본 발명에 있어서의 형광 단백질로서는, 상기 녹색 형광 단백질의 203잔기째의 트레오닌을 티로신으로 바꾼 형광 단백질인 YFP 및 EYFP(특히, 서열 번호 1의 아미노산 서열로 나타내어지는 것)가 바람직하다. 왜냐하면, YFP 및 EYFP에서는, 발광단(65-67잔기)과 203잔기의 티로신의 페놀환이 전자적으로 상호 작용하고 있으므로, YFP 및 EYFP는, GFP에 비해 민감하게 그 발광 특성이 변화하는 것이 기대되기 때문이다.
[펩티드 링커]
본 발명에 있어서 「펩티드 링커」란, 형광 단백질에 삽입되는 아미노산 서열을 말한다. 펩티드 링커의 아미노산의 수는, 압력의 감수성 및 형광 강도의 유지 관점에서 1 이상이 바람직하다. 또 동일한 관점에서, 상기 펩티드 링커의 아미노산의 수는 4 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 3 이하이다. 따라서 상기 펩티드 링커의 아미노산의 수는 1~4가 바람직하고, 1~3이 보다 바람직하다. 또 펩티드 링커의 아미노산 잔기는, 압력의 감수성 및 형광 강도의 유지 관점에서, 글리신을 포함하는 것이 바람직하고, 모두 글리신인 것이 보다 바람직하다.
펩티드 링커의 삽입 위치는, 압력의 감수성 및 형광 강도의 유지 관점에서, 형광 단백질의 발광단에 가장 가까운 루프이고, 바람직하게는 형광 단백질의 아미노산 서열의 144위치와 145위치의 사이이며, 보다 바람직하게는 야생형 형광 단백질, 즉 전체 길이 238 아미노산 잔기의 녹색 형광 단백질(GFP ; GenBank Accession No. AAA27722, 서열 번호 6)의 144위치와 145위치의 사이에 상동하는 부위이다. 삽입 대상이 아미노산 서열의 길이가 238 아미노산 잔기가 아닌 형광 단백질의 경우여도, 당업자라면, 통상의 얼라인먼트나 목시(目視)에 의한 서열의 비교 등을 함으로써 용이하게 삽입 부위를 특정할 수 있다.
[압력의 변화에 따라 변화하는 형광 특성]
본 발명에 있어서 「형광 특성」이란, 여기 파장, 형광 파장, 이들의 스펙트럼, 및 형광 강도를 포함한다. 펩티드 링커가 삽입된 본 발명의 개변 형광 단백질은, 이들 형광 특성 중 적어도 1개가 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화에 따라 변화하며, 바람직하게는 적어도 형광 강도가, 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화에 따라 양의 상관으로 변화한다. 또한 본 발명에 있어서 「형광 강도가, 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화에 따라 양의 상관으로 변화한다」는 것은, 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력이 증가하면, 형광 강도가 증가하고, 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력이 감소하면, 형광 강도가 감소하는 것을 말한다. 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력으로서는, 압력의 감수성 및 형광 강도의 유지 관점에서, 0MPa 초과 1000MPa 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0MPa 초과 500MPa 이하, 더욱 바람직하게는 0MPa 초과 300MPa 이하이다.
[본 발명의 개변 형광 단백질의 제조 방법]
본 발명의 개변 형광 단백질은, 공지의 방법으로 용이하게 제조할 수 있으며, 예를 들면, 해파리 유래의 야생형 형광 단백질 또는 상기 야생형 형광 단백질에 유래하는 형광 단백질을 코드하는 DNA에 있어서의, 해파리 유래의 야생형 형광 단백질 또는 상기 야생형 형광 단백질에 유래하는 형광 단백질의 아미노산 서열의 144위치와 145위치의 사이에 상동하는 부위에 펩티드 링커를 코드하는 염기 서열의 DNA를 삽입한 개변 DNA를 클로닝하여, 적절히 발현시킴으로써 제조할 수 있다. 본 발명의 개변 형광 단백질의 정제 방법을 포함하는 취급은, 개변에 사용한 형광 단백질과 동일하게 할 수 있다. 또 본 발명의 개변 형광 단백질을 생체 내에서 발현시키는 경우에는, 본 발명의 개변 형광 단백질을 코드하는 DNA를 적절한 발현 벡터로 클로닝하여, 이 벡터를 목적의 세포 또는 생체에 도입하는 방법을 들 수 있다. 단 본 발명의 개변 형광 단백질은, 그 제조 방법, 클로닝 방법, 발현 방법, 및 유전자 도입 방법에 제한되지 않는다.
따라서 본 발명은 그 외의 양태에 있어서, 본 발명의 개변 형광 단백질을 코드하는 벡터(이하, 「본 발명의 벡터」라고도 한다)에 관한 것이다. 본 발명의 벡터는, 본 발명의 개변 형광 단백질을 발현하기 위한 발현 벡터여도 된다. 이 발현 벡터에 있어서, 발현계는 특별히 제한되지 않으며, 원핵생물, 진핵생물을 불문한다. 따라서 본 발명은 또한 그 외의 양태에 있어서, 본 발명의 개변 형광 단백질이 유전자 도입된 세포 또는 인간을 제외한 생물에 관한 것이다. 또 본 발명은, 본 발명의 벡터를 포함하는 키트로서, 임의로 유전자 도입에 필요한 시약, 세포, 취급 설명서 등을 포함하는 키트에 관한 것일 수 있다.
[내부 표준 형광 단백질과의 융합 형태]
본 발명의 개변 형광 단백질과 종래의 형광 단백질을 조합해서, 종래의 형광 단백질을 압력에 대해 형광 특성이 변화하지 않는 내부 표준으로서 사용하여, 양자의 형광 특성을 비교함으로써 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력을 계측할 수도 있다. 내부 표준으로서 형광 단백질을 이용하는 경우, 본 발명의 개변 형광 단백질과 상기 내부 표준 단백질의 형광 특성이 상이한 것이 바람직하며, 각각의 여기 파장 및 그 스펙트럼이 서로 다른 것이 바람직하다. 또 서로의 발현량을 조절하여 감도를 높이는 관점에서는, 본 발명의 개변 형광 단백질과 상기 내부 표준 단백질이 융합된 융합 단백질의 형태가 바람직하다. 따라서 본 발명은 그 외의 양태에 있어서, 본 발명의 개변 형광 단백질과, 상기 개변 형광 단백질의 여기 스펙트럼은 상이한 여기 스펙트럼의 형광 단백질이 융합된 융합 형광 단백질(이하, 「본 발명의 융합 형광 단백질」이라고도 한다)에 관한 것이다.
본 발명의 융합 형광 단백질에 있어서, 본 발명의 개변 형광 단백질과 상기 내부 표준 단백질은, 링커를 통해 융합해도 된다. 본 발명의 융합 형광 단백질은, 예를 들면, 공지의 형광 단백질의 벡터로 본 발명의 개변 형광 단백질을 코드하는 DNA 단편(斷片)을 클로닝하거나 하여, 당업자라면 용이하게 제조할 수 있다. 따라서 본 발명은 그 외의 양태에 있어서, 본 발명의 융합 형광 단백질을 코드하는 벡터에 관한 것이다. 상기 벡터는, 본 발명의 융합 형광 단백질을 발현하기 위한 발현 벡터여도 된다. 이 발현 벡터에 있어서, 발현계는 특히 제한되지 않으며, 원핵생물, 진핵생물을 불문한다. 따라서 본 발명은 또한 그 외의 양태에 있어서, 본 발명의 융합 형광 단백질이 유전자 도입된 세포 또는 인간을 제외한 생물에 관한 것이다. 또 본 발명은, 상기 벡터를 포함하는 키트로서, 임의로 유전자 도입에 필요한 시약, 세포, 취급 설명서 등을 포함하는 키트에 관한 것일 수 있다.
[압력 측정 방법]
본 발명은 또 다른 양태에 있어서, 본 발명의 개변 형광 단백질/융합 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력 변화 또는 압력을 검출하는 방법으로서, 상기 형광 단백질의 형광 강도 또는 형광 파장을 검출하는 것을 포함하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 개변 형광 단백질/융합 형광 단백질은, 본 발명의 개변 형광 단백질/융합 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화에 따라 형광 특성이 변화하므로, 예를 들면, 세포 내, 혈관 내, 배(胚) 내, 수용액 중에 존재시킴으로써, 이들에 가해지는 압력 변화를 검출하는 것이 가능해진다. 또 내부 표준을 병용 혹은 본 발명의 융합 형광 단백질을 사용함으로써, 실시간으로 압력을 알 수도 있다. 본 발명의 개변 형광 단백질/융합 형광 단백질을 이용한 압력의 검출 감도로서는, 예를 들면, 1.0MPa~0.1MPa, 바람직하게는 0.8MPa~0.4MPa, 보다 바람직하게는 0.7MPa~0.5MPa로 할 수 있다. 또 검출할 수 있는 압력으로서는, 예를 들면, 0MPa 초과 1000MPa 이하이다. 검출 감도의 관점에서, 하한으로서는, 0.001MPa 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.01MPa 이상, 더욱 바람직하게는 0.05MPa 이상, 보다 더욱 바람직하게는 대기압 이상이다. 또 상한으로서는, 동일한 관점에서, 500MPa 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 100MPa 이하, 더욱 바람직하게는 10MPa 이하, 보다 더욱 바람직하게는 1MPa 이하이다.
본 발명의 개변 형광 단백질은, 보다 구체적으로는, 예를 들면, 세포 내의 침투압 변화의 계측, 혈압 변화의 계측, 및 심해 생물의 체내압의 계측 등에 응용할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 도면을 참조하면서 설명한다.
실시예
[YFP의 삽입 변이]
서열 목록의 서열 번호 1로 나타내어지는 전체 238개의 아미노산 잔기로 이루어지는 황색 형광 단백질(YFP)의 144번째 아스파라긴산과 145번째 티로신의 사이에 펩티드 링커를 삽입한 삽입 변이체를 제작하였다(도 1). 삽입한 펩티드 링커는, 각각, G(변이체명 : YFP-1G), GGS(변이체명 : YFP-3G : 서열 번호 2), GGTGGS(서열 번호 3)(변이체명 : YFP-6G), GGTGGSGGTGGS(서열 번호 4)(변이체명 : YFP-12G)로 하였다.
YFP 및 YFP의 변이체는, 정법에 의해 발현, 정제하였다. 즉 상기 YFP 및 YFP 변이체를 코드하는 DNA 플라스미드를 대장균에 트랜스폼시켜 대장균 내에서 상기 YFP 및 YFP 변이체를 발현시켰다. 정제는, 상기 YFP 및 YFP 변이체의 N 말단에 FLAG 태그(DYKDDDDK : 서열 번호 5)를 부가함으로써, 수집한 대장균의 라이세이트(세포질)로부터 분리 정제하였다.
[파장 특성의 비교]
상술한 바와 같이 제작된 삽입 변이체의 흡수 파장 스펙트럼 및 발광 파장 스펙트럼을 조사하였다. 그 결과, YFP의 흡수 파장 및 발광 파장은, 글리신의 삽입에 의해 삽입한 아미노산 잔기의 수에 따라 단파장측으로 이행하고 있었다(도 2). 상기의 형광 파장의 이행은, 글리신의 삽입에 의해 베타칸 구조가 변화하여, YFP의 발광단 주변의 환경이 변화한 것을 반영하고 있다고 생각된다. YFP-6G, YFP-12G는, YFP에 비해 형광 강도가 저하하여 버리므로, 압력을 검출하는 형광 단백질로서 YFP-1G 및 YFP-3G가 보다 바람직하다고 생각된다.
[파장 특성의 압력 의존성]
YFP, YFP-1G, YFP-3G의 압력 의존성을 조사하였다. 구체적으로는 하기 조건으로 측정하였다. YFP의 결과를 도 3(a)에, YFP-1G의 결과를 도 3(b)에, YFP-3G의 결과를 도 3(c)에 각각 나타낸다.
[압력 의존성의 측정 조건]
YFP 및 YFP 변이체를 20mM Hepes-NaOH(pH 8.0)의 용액에 0.1~0.3mg/ml의 농도가 되도록 조제하였다. 흡광도는, 흡수분광도계(Shimadzu UV-Vis Spectrophotometer UV-1650PC)에 의해, 흡수 파장 250~600nm의 범위에서 계측하였다. 형광도는, 형광분광도계(Shimadzu UV-Vis Spectrophotometer UV-1650PC)에 의해, 여기 파장을 488nm로 고정하고, 형광 파장 500~650nm의 범위에서 계측하였다.
압력 하에 있어서의 형광 특성 계측에는, 형광분광도계(Shimadzu UV-Vis Spectrophotometer UV-1650PC)와, 압력 광학 셀(PCI500, Syn Corporation)과, 압력 펌프(HP-500, Syn Corporation)를 이용하였다. 압력은, 급격한 압력 변화에 따른 온도 변화를 회피하기 위해, 매초 5MPa 정도의 속도로 변화시켰다. 목적의 압력에 도달하고 나서 1분 후에, 여기 파장을 480nm로 고정하고, 형광 파장 500~650nm의 범위에서 계측하였다. 실험은 모두 실온(25℃)에서 행하였다.
도 3(a)에 나타내는 바와 같이, YFP는 압력을 가함에 따라, 피크 파장이 장파장측으로 이행하고, 또한 형광 강도가 저하하였다. 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, YFP-1G는 압력을 가함에 따라, 피크 파장이 장파장측으로 이행하고, 또한 형광 강도는 200MPa까지는 상승하며, 그 후, 저하하였다. 도 3(c)에 나타내는 바와 같이, YFP-3G는 압력을 가함에 따라, 피크 파장이 장파장측으로 이행하고, 또한 형광 강도가 상승하였다. 도 4에, 상기를 정리한 그래프를 나타낸다.
도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 피크 파장의 이행의 압력 의존성에 관해서는, YFP, YFP-1G, YFP-3G의 사이에 큰 차이는 볼 수 없었다. 또 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 피크 파장에 있어서의 형광 강도 변화의 압력 의존성에 관해서는, YFP는 300MPa 가압 시의 변화율이 0.75인 것에 반해, YFP-3G에서는 300MPa 가압 시의 변화율이 2.4이며, YFP-3G가 YFP에 비해 압력에 대한 영향을 크게 받는 것이 나타났다.
[형광 강도 변화로부터의 압력 변화의 계측]
YFP-3G의 형광 강도(515~535nm)와 YFP-3G가 존재하는 액체에 가해지는 압력(0~50MPa)의 상세한 상관 그래프를 작성하였다(도 5). 도 5의 그래프는, YFP-3G 수용액으로의 가압을 0MPa로부터 소정의 압력까지 변화시켰을 때의 형광 강도의 변화율을 플롯한 그래프이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 압력 변화와 형광 강도 변화가 상관되므로, 도 5를 캘리브레이션표로서 이용함으로써, YFP-3G의 형광 강도로부터 YFP-3G가 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화를 추측하는 것이 가능해진다. 그 일례를 도 6에 나타낸다.
도 6은 YFP-3G의 수용액에 대해, 5초 간격으로 5MPa씩 가압했을 때의 YFP-3G의 형광 강도를 검출하고, 그 형광 강도 변화와 도 5의 그래프로부터, 압력의 시간 변화를 계측한 그래프이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, YFP-3G의 형광 강도 변화로부터 압력 변화를 계측할 수 있으며, 그 계측 정밀도는 0.6MPa였다.
따라서 본 발명의 개변 형광 단백질은, YFP-3G가 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화에 따라 형광 특성이 변화하므로, 본 발명의 개변 형광 단백질에 의하면, 본 발명의 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 계측이 가능한 것이 나타났다.
[GFP 및 CFP의 변이체의 제작]
서열 목록의 서열 번호 6 및 7의 아미노산 서열로 각각 나타내어지는 녹색 형광 단백질(GFP) 및 시안색 형광 단백질(CFP)의 144번째 아스파라긴산과 145번째 티로신의 사이에 펩티드 링커를 삽입한 삽입 변이체를 제작하였다. 삽입한 펩티드 링커는, 각각, G(변이체명 : GFP-1G/CFP-1G 또는 1G 삽입 변이체) 및, GGS(변이체명 : GFP-3G/CFP-3G 또는 3G 삽입 변이체)로 하였다. 이들 GFP 및 GFP 변이체, 및 CFP 및 CFP 변이체를, 상술한 YFP 및 YFP 변이체와 동일하게 발현, 정제하였다.
YFP, YFP-1G, YFP-3G, GFP, GFP-1G, GFP-3G, CFP, CFP-1G, 및 CFP-3G에 대해, 대기압에 가해지는 압력을 0~50MPa로 한 경우의 피크 파장의 형광 강도를 측정하였다. 압력 하에 있어서의 형광 특성 계측은, 상술과 동일하게 행하였다. YFP, GFP 및 CFP에 관한 결과를 각각 도 7~9에 나타낸다.
도 7~9에 나타내는 바와 같이, 1G 삽입 변이체 및 3G 삽입 변이체의 형광 강도는 모두 0~50MPa의 가압과 양의 상관을 나타내었다. 도 9에 나타내는 바와 같이, CFP 그 자체의 형광 강도도 가압과 양의 상관을 나타내었지만, 1G 삽입 변이체 및 3G 삽입 변이체로 함으로써, 보다 압력에 대한 감수성이 향상되었다.
도 10A~C는, 각각, 상기 YFP, YFP-1G, 및 YFP-3G의 발색단 주변의 입체 구조를 나타낸다. 도 10A의 YFP의 구조는 PDB 데이터 뱅크 ID : 3DQ7로부터의 인용이다. 도 10B의 YFP-1G 및 도 10C의 YFP-3G의 구조 데이터는, 각각, PDB 데이터 뱅크 ID : 3VGQ 및 3VGR로서 등록되었다. 도 10B 및 C에 있어서 화살표는 물분자를 나타낸다. 도 10은 발광단에 가장 가까운 루프에 링커가 삽입됨으로써 형광 단백질 내의 베타칸 구조에 왜곡이 발생하고, 이에 의해 용매 중의 물이 상기 발광단으로 개입되고 있는 것을 나타낸다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명에 의하면 생체 내의 압력 변화의 가시화를 행할 수 있으며, 비침습적으로, 즉 세포 등의 생시료나 생체에 대해 손상을 가하지 않고, 형광 변화에 의해 경시적인 압력 계측이 가능해진다. 본 발명은, 예를 들면, 심해 조사 분야, 세포 생물학 분야, 분자 이미징 분야, 의료·진단약 분야, 및 단백질의 구조 해석 분야 등에서 유용하다.
[서열 목록 프리텍스트]
서열 번호 1 : YFP(황색 형광 단백질)
서열 번호 2 : 본 발명의 개변 단백질의 일례
서열 번호 3, 4 : 펩티드 링커
서열 번호 5 : FLAG 태그
서열 번호 6 : GFP(녹색 형광 단백질)
서열 번호 7 : CFP(시안색 형광 단백질)
SEQUENCE LISTING
<110> Japan Science and Technology Agency
<120> A Modified Fluorescence Protein
<130> H3811
<150> JPA2010-254016
<151> 2010-11-12
<160> 7
<170> PatentIn version 3.5
<210> 1
<211> 238
<212> PRT
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> EYFP (yellow fluorescent protein)
<400> 1
Val Ser Lys Gly Glu Glu Leu Phe Thr Gly Val Val Pro Ile Leu Val
1 5 10 15
Glu Leu Asp Gly Asp Val Asn Gly His Lys Phe Ser Val Ser Gly Glu
20 25 30
Gly Glu Gly Asp Ala Thr Tyr Gly Lys Leu Thr Leu Lys Phe Ile Cys
35 40 45
Thr Thr Gly Lys Leu Pro Val Pro Trp Pro Thr Leu Val Thr Thr Phe
50 55 60
Gly Tyr Gly Leu Gln Cys Phe Ala Arg Tyr Pro Asp His Met Lys Gln
65 70 75 80
His Asp Phe Phe Lys Ser Ala Met Pro Glu Gly Tyr Val Gln Glu Arg
85 90 95
Thr Ile Phe Phe Lys Asp Asp Gly Asn Tyr Lys Thr Arg Ala Glu Val
100 105 110
Lys Phe Glu Gly Asp Thr Leu Val Asn Arg Ile Glu Leu Lys Gly Ile
115 120 125
Asp Phe Lys Glu Asp Gly Asn Ile Leu Gly His Lys Leu Glu Tyr Asn
130 135 140
Tyr Asn Ser His Asn Val Tyr Ile Met Ala Asp Lys Gln Lys Asn Gly
145 150 155 160
Ile Lys Val Asn Phe Lys Ile Arg His Asn Ile Glu Asp Gly Ser Val
165 170 175
Gln Leu Ala Asp His Tyr Gln Gln Asn Thr Pro Ile Gly Asp Gly Pro
180 185 190
Val Leu Leu Pro Asp Asn His Tyr Leu Ser Tyr Gln Ser Ala Leu Ser
195 200 205
Lys Asp Pro Asn Glu Lys Arg Asp His Met Val Leu Leu Glu Phe Val
210 215 220
Thr Ala Ala Gly Ile Thr Leu Gly Met Asp Glu Leu Tyr Lys
225 230 235
<210> 2
<211> 241
<212> PRT
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> A modified protein of the present application
<400> 2
Val Ser Lys Gly Glu Glu Leu Phe Thr Gly Val Val Pro Ile Leu Val
1 5 10 15
Glu Leu Asp Gly Asp Val Asn Gly His Lys Phe Ser Val Ser Gly Glu
20 25 30
Gly Glu Gly Asp Ala Thr Tyr Gly Lys Leu Thr Leu Lys Phe Ile Cys
35 40 45
Thr Thr Gly Lys Leu Pro Val Pro Trp Pro Thr Leu Val Thr Thr Phe
50 55 60
Gly Tyr Gly Leu Gln Cys Phe Ala Arg Tyr Pro Asp His Met Lys Gln
65 70 75 80
His Asp Phe Phe Lys Ser Ala Met Pro Glu Gly Tyr Val Gln Glu Arg
85 90 95
Thr Ile Phe Phe Lys Asp Asp Gly Asn Tyr Lys Thr Arg Ala Glu Val
100 105 110
Lys Phe Glu Gly Asp Thr Leu Val Asn Arg Ile Glu Leu Lys Gly Ile
115 120 125
Asp Phe Lys Glu Asp Gly Asn Ile Leu Gly His Lys Leu Glu Tyr Asn
130 135 140
Gly Gly Gly Tyr Asn Ser His Asn Val Tyr Ile Met Ala Asp Lys Gln
145 150 155 160
Lys Asn Gly Ile Lys Val Asn Phe Lys Ile Arg His Asn Ile Glu Asp
165 170 175
Gly Ser Val Gln Leu Ala Asp His Tyr Gln Gln Asn Thr Pro Ile Gly
180 185 190
Asp Gly Pro Val Leu Leu Pro Asp Asn His Tyr Leu Ser Tyr Gln Ser
195 200 205
Ala Leu Ser Lys Asp Pro Asn Glu Lys Arg Asp His Met Val Leu Leu
210 215 220
Glu Phe Val Thr Ala Ala Gly Ile Thr Leu Gly Met Asp Glu Leu Tyr
225 230 235 240
Lys
<210> 3
<211> 6
<212> PRT
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> Peptide-Linker
<400> 3
Gly Gly Thr Gly Gly Ser
1 5
<210> 4
<211> 12
<212> PRT
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> Peptide-Linker
<400> 4
Gly Gly Thr Gly Gly Ser Gly Gly Thr Gly Gly Ser
1 5 10
<210> 5
<211> 8
<212> PRT
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> FLAG tag
<400> 5
Asp Tyr Lys Asp Asp Asp Asp Lys
1 5
<210> 6
<211> 238
<212> PRT
<213> Aequorea victoria
<400> 6
Met Ser Lys Gly Glu Glu Leu Phe Thr Gly Val Val Pro Ile Leu Val
1 5 10 15
Glu Leu Asp Gly Asp Val Asn Gly His Lys Phe Ser Val Ser Gly Glu
20 25 30
Gly Glu Gly Asp Ala Thr Tyr Gly Lys Leu Thr Leu Lys Phe Ile Cys
35 40 45
Thr Thr Gly Lys Leu Pro Val Pro Trp Pro Thr Leu Val Thr Thr Phe
50 55 60
Ala Tyr Gly Val Gln Cys Phe Ser Arg Tyr Pro Asp His Met Lys Arg
65 70 75 80
His Asp Phe Phe Lys Ser Ala Met Pro Glu Gly Tyr Val Gln Glu Arg
85 90 95
Thr Ile Phe Phe Lys Asp Asp Gly Asn Tyr Lys Thr Arg Ala Glu Val
100 105 110
Lys Phe Glu Gly Asp Thr Leu Val Asn Arg Ile Glu Leu Lys Gly Ile
115 120 125
Asp Phe Lys Glu Asp Gly Asn Ile Leu Gly His Lys Leu Glu Tyr Asn
130 135 140
Tyr Asn Ser His Asn Val Tyr Ile Met Ala Asp Lys Gln Lys Asn Gly
145 150 155 160
Ile Lys Val Asn Phe Lys Ile Arg His Asn Ile Glu Asp Gly Ser Val
165 170 175
Gln Leu Ala Asp His Tyr Gln Gln Asn Thr Pro Ile Gly Asp Gly Pro
180 185 190
Val Leu Leu Pro Asp Asn His Tyr Leu Ser Thr Gln Ser Val Leu Ser
195 200 205
Lys Asp Pro Asn Glu Lys Arg Asp His Met Val Leu Leu Glu Phe Val
210 215 220
Thr Ala Ala Gly Ile Thr His Gly Met Asp Glu Leu Tyr Lys
225 230 235
<210> 7
<211> 238
<212> PRT
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> CFP [cyan flruorescent protein]
<400> 7
Met Ser Gly Gly Glu Glu Leu Phe Ala Gly Ile Val Pro Val Leu Ile
1 5 10 15
Glu Leu Asp Gly Asp Val His Gly His Lys Phe Ser Val Arg Gly Glu
20 25 30
Gly Glu Gly Asp Ala Asp Tyr Gly Lys Leu Glu Ile Lys Phe Ile Cys
35 40 45
Thr Thr Gly Lys Leu Pro Val Pro Trp Pro Thr Leu Val Thr Thr Leu
50 55 60
Ala Trp Gly Ile Gln Cys Phe Ala Arg Tyr Pro Glu His Met Lys Met
65 70 75 80
Asn Asp Phe Phe Lys Ser Ala Met Pro Glu Gly Tyr Ile Gln Glu Arg
85 90 95
Thr Ile His Phe Gln Asp Asp Gly Lys Tyr Lys Thr Arg Gly Glu Val
100 105 110
Lys Phe Glu Gly Asp Thr Leu Val Asn Arg Val Glu Leu Lys Gly Glu
115 120 125
Gly Phe Lys Glu Asp Gly Asn Ile Leu Gly His Lys Leu Glu Tyr Ser
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225 230 235
Claims (11)
- 해파리 유래의 야생형 형광 단백질 또는 상기 야생형 형광 단백질에 유래하는 형광 단백질의 아미노산 서열의 144번째와 145번째의 사이에 상동하는 위치에 펩티드 링커가 삽입되어 있는 개변 형광 단백질로서, 상기 개변 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력의 변화에 따라 상기 개변 형광 단백질의 형광 특성이 변화하는 것을 특징으로 하는 개변 형광 단백질.
- 청구항 1에 있어서,
상기 펩티드 링커가 1~3개의 아미노산인, 개변 형광 단백질. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 펩티드 링커의 아미노산이 글리신을 포함하는, 개변 형광 단백질. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 야생형 형광 단백질이, 전체 길이 238 아미노산 잔기의 녹색 형광 단백질(GFP)인, 개변 형광 단백질. - 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
해파리 유래의 형광 단백질을 원료로 하는 것인, 개변 형광 단백질. - 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 야생형 형광 단백질에 유래하는 형광 단백질이, YFP, CFP, EGFP, EYFP 및 ECFP로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 개변 형광 단백질. - 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 개변 형광 단백질과, 상기 개변 형광 단백질의 여기 스펙트럼과는 상이한 여기 스펙트럼의 형광 단백질이 융합된 융합 형광 단백질.
- 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 개변 형광 단백질 또는 청구항 7에 기재된 융합 형광 단백질을 코드하는 벡터.
- 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 개변 형광 단백질 또는 청구항 7에 기재된 융합 형광 단백질이 유전자 도입된 세포.
- 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 개변 형광 단백질 또는 청구항 7에 기재된 융합 형광 단백질이 유전자 도입된 인간을 제외한 생물.
- 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 개변 형광 단백질 또는 청구항 7에 기재된 융합 형광 단백질이 존재하는 액체에 가해지는 압력 또는 압력 변화를 검출하는 방법으로서, 상기 개변 형광 단백질 또는 융합 형광 단백질의 형광 강도 또는 형광 파장을 검출하는 것을 포함하는 방법.
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