KR20240007777A - Pharmaceutical composition for treating cerebral ischemia containing cell-transducing PFKFB3 fusion protein - Google Patents

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황인구
음원식
신민재
윤기수
박정환
여현지
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권현정
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Abstract

과제: 부작용이 적거나 없으며, 효과가 우수한 뇌허혈 치료용 약제를 제공하는 것.
해결수단: 본 발명은 세포투과성 PFKFB3 융합단백질을 포함하는 뇌허혈 치료용 약학 조성물에 관한 것으로서, 세포 내로 투과된 PFKFB3 융합단백질은 과산화수소 독성에 대해 세포생존율을 증가시켰고, 세포 내 활성산소종 수준 및 과산화수소로 유도되는 DNA 단편화를 감소시켰다. 동물모델에서는 전뇌 해마 CA1 부분에 일시적 허혈을 유도했을 때 일어나는 신경세포사멸에 대해 PFKFB3 융합단백질이 보호효과를 나타내었다. 이러한 결과들은 PFKFB3 융합단백질이 세포사멸에 대해 보호효과가 있으며, 뇌허혈 손상으로부터 신경세포를 보호하는 치료효과가 있음을 말해준다.
Challenge: To provide a drug for the treatment of cerebral ischemia that has little or no side effects and is highly effective.
Solution: The present invention relates to a pharmaceutical composition for the treatment of cerebral ischemia containing a cell-permeable PFKFB3 fusion protein. The PFKFB3 fusion protein penetrated into cells increases cell survival against hydrogen peroxide toxicity, and reduces the level of intracellular reactive oxygen species and hydrogen peroxide. Reduced induced DNA fragmentation. In an animal model, the PFKFB3 fusion protein showed a protective effect against neuronal cell death that occurred when transient ischemia was induced in the CA1 portion of the forebrain and hippocampus. These results show that the PFKFB3 fusion protein has a protective effect against cell death and has a therapeutic effect in protecting nerve cells from cerebral ischemic damage.

Description

세포 투과성 PFKFB3 융합단백질을 포함하는 뇌허혈 치료용 약학 조성물 {Pharmaceutical composition for treating cerebral ischemia containing cell-transducing PFKFB3 fusion protein}Pharmaceutical composition for treating cerebral ischemia containing cell-transducing PFKFB3 fusion protein {Pharmaceutical composition for treating cerebral ischemia containing cell-transducing PFKFB3 fusion protein}

본 발명은 세포투과성 PFKFB3 융합단백질을 포함하는 뇌허혈 치료용 약학 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a pharmaceutical composition for treating cerebral ischemia containing a cell-permeable PFKFB3 fusion protein.

활성산소 화합물이라고 불리는 "자유 라디칼(free radicals)"은 산화 스트레스에 그 원인이 있으며, 활성산소종(reactive oxygen species, ROS)은 산소와의 상호작용을 포함하는 다양한 세포과정에서 피할 수 없는 부산물이다. 만약 세포가 상대적으로 좀 더 활성화된 화합물에 노출된다면 이들은 산화 스트레스에 놓이게 되고 그 결과 단백질, DNA, 지방과 같은 중요한 요소들이 산화되어 손상을 입게 된다. 산화 스트레스는 암, 알츠하이머 등과 같은 많은 병의 원인이 되고 있으며 이러한 질환들은 노화와도 관련이 있다.“Free radicals”, also called reactive oxygen compounds, are responsible for oxidative stress, and reactive oxygen species (ROS) are unavoidable by-products of various cellular processes involving interaction with oxygen. . If cells are exposed to relatively more active compounds, they are subject to oxidative stress, resulting in oxidation and damage to important components such as proteins, DNA, and fats. Oxidative stress is the cause of many diseases such as cancer and Alzheimer's, and these diseases are also related to aging.

비정상적인 세포 과정에서 발생하는 과도한 활성산소종은 염증, 허혈, 당뇨 및 파킨슨병 등 다양한 인간의 질병을 초래하는 것으로 알려져 있다. 활성산소종은 세포의 대사과정 중 세포 안의 DNA뿐만 아니라 단백질, 지질과 같은 고분자에 손상을 입히는 등 많은 영향을 미치게 되며 손상 시간이 점점 길어질수록 세포사멸을 일으켜 인간 질병에 많은 영향을 끼치게 된다. 그중에서도 뇌허혈은 뇌의 동맥이 차단될 때 뇌세포가 충분한 에너지를 만들지 못하고 그로 인해 세포사멸이 발생하는 질환으로 활성산소종의 발생량이 해마 CA1 지역에서 급격히 증가하게 되면서 신경세포의 사멸이 일어나게 된다. 뇌허혈과 같은 저산소증 상태는 세포질 Bax가 외막의 미토콘드리아로 전이되도록 유도한 다음 미토콘드리아 막 포텐셜의 감소와 함께 미토콘드리아에서 항-세포사멸 인자의 방출을 촉진한다. 대조적으로 Bcl-2는 미토콘드리아에서 시토크롬 c 방출을 막고 세포사멸을 예방하는 기능을 한다. 저산소증 상태에서 Bcl-2의 발현 수준이 굉장히 떨어지게 되어 세포사멸의 주요 원인이 된다. 그러므로 활성산소종에 대한 조절능력이 있는 물질이 밝혀진다면 뇌허혈 손상에 대해 보호효과를 나타낼 수 있을 것이라 예상한다.Excessive reactive oxygen species generated from abnormal cellular processes are known to cause various human diseases, including inflammation, ischemia, diabetes, and Parkinson's disease. Reactive oxygen species have many effects, such as damaging not only DNA but also macromolecules such as proteins and lipids within cells during the metabolic process of cells, and as the damage lasts longer, they cause cell death and have a significant impact on human diseases. Among them, cerebral ischemia is a disease in which brain cells cannot produce enough energy when the arteries of the brain are blocked, resulting in cell death. The amount of reactive oxygen species generated rapidly increases in the CA1 region of the hippocampus, causing death of nerve cells. Hypoxic conditions, such as cerebral ischemia, induce the translocation of cytosolic Bax to outer membrane mitochondria, which then promotes the release of anti-apoptotic factors from mitochondria along with a decrease in mitochondrial membrane potential. In contrast, Bcl-2 functions to block cytochrome c release from mitochondria and prevent apoptosis. In hypoxia, the expression level of Bcl-2 drops significantly, becoming a major cause of cell death. Therefore, if a substance with the ability to control reactive oxygen species is discovered, it is expected that it will have a protective effect against cerebral ischemic damage.

PFKFB3는 2,6-이중인산과당(fructose-2,6-bisphosphate)의 합성과 분해에 모두 관여하는 이중 기능성 단백질이다. 또한, 진핵생물의 해당과정을 조절하는 조절 분자이다. PFKFB3 is a bifunctional protein involved in both synthesis and degradation of fructose-2,6-bisphosphate. Additionally, it is a regulatory molecule that regulates the glycolysis process in eukaryotes.

PFKFB3는 F2,6BP (fructose-2,6-bisphosphate)의 합성을 촉매하는 6-포스포프럭토-2-키나아제 활성과 F2,6BP의 분해를 촉매하는 프럭토스-2,6-바이포스파타아제 활성을 가지고 있다. 또한, 이 단백질은 세포주기 진행 및 세포사멸 예방과 관련이 있으며, 포도당 대사를 종양 세포의 세포 증식 및 생존과 연결하는 사이클린 의존성 키나아제 1의 조절인자이다.PFKFB3 has a 6-phosphofructo-2-kinase activity that catalyzes the synthesis of F2,6BP (fructose-2,6-bisphosphate) and a fructose-2,6-biphosphatase activity that catalyzes the decomposition of F2,6BP. has. Additionally, this protein is involved in cell cycle progression and apoptosis prevention and is a regulator of cyclin-dependent kinase 1, which links glucose metabolism to cell proliferation and survival of tumor cells.

그러나, 활성산소종에 의한 신경 세포사멸에 대한 PFKFB3의 기능 또는 효과에 대해서는 아직까지 명확히 밝혀지지 않았다.However, the function or effect of PFKFB3 on neuronal cell death caused by reactive oxygen species has not yet been clearly identified.

본 발명은 뇌허혈 손상 및 뇌허혈 손상에 의한 신경세포 손상과 사멸을 치료하기 위한 효과적인 치료제를 제공하는 것을 목적으로 한다.The purpose of the present invention is to provide an effective therapeutic agent for treating cerebral ischemic damage and neuronal damage and death caused by cerebral ischemic damage.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위하여 PEP-1, HIV Tat 펩타이드와 같은 단백질 수송 도메인을 PFKFB3와 재조합하여 HT22 세포 내로 침투하는 것을 확인하였으며, 산화 스트레스에 대한 세포 침투성 PFKFB3 융합단백질의 보호효과에 대해 연구하였다.In order to solve the above problem, the present inventors confirmed that protein transport domains such as PEP-1 and HIV Tat peptide can penetrate into HT22 cells by recombining them with PFKFB3, and studied the protective effect of the cell-penetrating PFKFB3 fusion protein against oxidative stress. did.

본 발명자들은 단백질 수송 도메인과 결합한 PFKFB3 융합단백질이 시험관 내에서 산화 스트레스에 의해 유도된 신경세포사멸에 보호효과가 있는지를 밝히고자 하였다. 허혈성 신경세포사멸에 대해 PFKFB3 융합단백질의 잠재적인 효과를 연구하기 위해 본 발명자들은 세포 내로 투과할 수 있는 PFKFB3 융합단백질을 제작하였다. PFKFB3 융합단백질은 신경세포 내부로 농도 의존적 및 시간 의존적으로 효과적으로 투과하였다. 세포 내로 투과된 PFKFB3 융합단백질은 과산화수소 독성에 대한 세포 생존율을 증가시켰고, 세포 내 활성산소종 수준을 낮추었다. 이러한 결과들은 PFKFB3 융합단백질이 시험관 내에서 일어나는 세포사멸에 대해 보호효과를 나타내며, 산화 스트레스와 관련된 뇌허혈 손상에 대해 치료제로 이용될 수 있음을 말해준다.The present inventors sought to determine whether a PFKFB3 fusion protein combined with a protein transport domain has a protective effect on neuronal cell death induced by oxidative stress in vitro. To study the potential effect of PFKFB3 fusion protein on ischemic neuronal death, the present inventors produced a PFKFB3 fusion protein that can penetrate into cells. The PFKFB3 fusion protein effectively penetrated into nerve cells in a concentration-dependent and time-dependent manner. The PFKFB3 fusion protein permeated into cells increased cell survival against hydrogen peroxide toxicity and lowered intracellular reactive oxygen species levels. These results indicate that the PFKFB3 fusion protein exhibits a protective effect against cell death that occurs in vitro and can be used as a treatment for cerebral ischemic damage related to oxidative stress.

본 발명의 구성을 좀 더 자세히 설명하면, 본 발명의 일 실시예에서 본 발명자들은 먼저 PFKFB3 융합단백질을 과대 발현시키고 쉽게 정제할 수 있는 PFKFB3 융합단백질 발현 벡터를 개발하였다. 일 실시예에 의한 이 발현 벡터는 인간 PFKFB3 단백질, 7~21개 아미노산으로 이루어진 단백질 수송 도메인 하나 이상, 그리고 N 말단 부분에 6개의 히스티딘 잔기를 발현시킬 수 있는 cDNA를 포함하고 있다. 그 예시로 PFKFB3 융합단백질의 아미노산 서열은 서열목록의 서열번호 4 또는 서열번호 6임을 특징으로 한다.To describe the structure of the present invention in more detail, in one embodiment of the present invention, the present inventors first developed a PFKFB3 fusion protein expression vector that can overexpress and easily purify the PFKFB3 fusion protein. This expression vector according to one embodiment contains a cDNA capable of expressing the human PFKFB3 protein, one or more protein transport domains consisting of 7 to 21 amino acids, and 6 histidine residues at the N-terminal portion. As an example, the amino acid sequence of the PFKFB3 fusion protein is characterized as SEQ ID NO: 4 or SEQ ID NO: 6 in the sequence list.

이 발현벡터를 이용하여 PFKFB3 융합단백질을 대장균에서 과대 발현시켰으며 Ni-친화 크로마토그래피를 이용하여 정제하였다. 배양된 세포에 PFKFB3 융합단백질이 시간 및 농도 의존적으로 세포에 운반되는 것을 웨스턴 블롯으로 확인하였다. 세포 내로 투과된 PFKFB3 융합단백질은 세포 내에서 최대 12시간 동안 지속적으로 유지되었으며, 산화 스트레스에 의한 세포사멸을 억제하였다.Using this expression vector, the PFKFB3 fusion protein was overexpressed in E. coli and purified using Ni-affinity chromatography. It was confirmed by Western blot that the PFKFB3 fusion protein was transported to the cultured cells in a time- and concentration-dependent manner. The PFKFB3 fusion protein permeated into cells was maintained within the cells for up to 12 hours and inhibited cell death caused by oxidative stress.

이러한 결과는 PFKFB3 융합단백질이 세포 내로 잘 투과되고, 세포 내에서 PFKFB3 단백질의 기능을 잘 나타내고 있음을 의미한다. 따라서 이러한 PFKFB3 융합단백질은 활성산소종과 관련된 증세 또는 뇌허혈 손상으로부터 신경세포를 보호하는 등의 뇌신경질환에 응용할 가능성을 제시해 준다.These results mean that the PFKFB3 fusion protein penetrates well into cells and demonstrates the function of the PFKFB3 protein within cells. Therefore, this PFKFB3 fusion protein suggests the possibility of application to brain nerve diseases, such as protecting nerve cells from symptoms related to reactive oxygen species or cerebral ischemic damage.

본 발명은 단백질 수송 도메인이 PFKFB3 (6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3) 단백질의 N-말단 및 C-말단 중 어느 하나 이상에 결합되어 세포침투 효율이 향상된 PFKFB3 융합단백질을 함유하는 뇌허혈 예방 또는 치료용 약학 조성물에 관한 것이다.The present invention is a PFKFB3 fusion protein in which the protein transport domain is bound to one or more of the N-terminus and C-terminus of the PFKFB3 (6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3) protein, thereby improving cell penetration efficiency. It relates to a pharmaceutical composition for preventing or treating cerebral ischemia containing.

상기 단백질 수송 도메인은 단백질과 결합하여 세포 침투 효율을 향상시키며, 세포 내로 침투한 상기 단백질의 활성에 큰 영향을 미치지 않는 것이면 특별한 제한은 없으며, 바람직하게는 HIV Tat 펩타이드, Pep-1 펩타이드, 아미노산 잔기 7~50개의 올리고라이신, 아미노산 잔기 7~50개의 올리고아르기닌 및 아미노산 잔기 7~50개의 올리고(라이신+아르기닌) 중 선택된 1종 이상이 단량체 또는 이량체 이상의 다량체를 이룬 것임을 특징으로 한다.The protein transport domain improves cell penetration efficiency by binding to the protein, and there is no particular limitation as long as it does not significantly affect the activity of the protein that has penetrated into the cell, and is preferably HIV Tat peptide, Pep-1 peptide, or amino acid residue. It is characterized in that one or more types selected from oligolysine of 7 to 50 amino acid residues, oligoarginine of 7 to 50 amino acid residues, and oligo (lysine + arginine) of 7 to 50 amino acid residues form a monomer or a multimer of dimer or higher.

또한, 상기 PFKFB3 단백질과 단백질 수송 도메인은 이온 결합, 공유결합 등 다양한 결합 방법으로 결합될 수 있으며, 바람직하게는 공유결합으로 융합단백질을 형성할 수 있다.In addition, the PFKFB3 protein and the protein transport domain can be combined by various binding methods such as ionic bonding and covalent bonding, and preferably, covalent bonding can be used to form a fusion protein.

또한, 상기 PFKFB3 단백질과 단백질 수송 도메인 사이에는 링커가 존재할 수 있다. 링커는 상기 화물분자 수송 도메인의 활성 및 상기 단백질의 활성이 유지되는 한 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 글라이신, 알라닌, 루이신, 이소루이신, 프롤린, 세린, 트레오닌, 아스파라긴, 아스파르트산, 시스테인, 글루타민, 글루탐산, 리신, 아르기닌산 등의 아미노산을 사용하여 각 화물분자 수송 도메인 단량체를 연결할 수 있고, 좀 더 바람직하게는 아미노산이 여러 개 연결된 링커를 이용하여 연결할 수 있으며, 가장 바람직하게는 글라이신, 발린, 루이신, 아스파르트산 등의 아미노산을 1개 내지 5개씩 연결하여 링커로 사용할 수 있다. 위와 같은 아미노산 링커, 펩타이드 링커 외에도 상기 화물분자 수송 도메인의 활성이 유지되는 한 화학적 링커의 사용도 가능하다.Additionally, a linker may exist between the PFKFB3 protein and the protein transport domain. The linker is not particularly limited as long as the activity of the cargo molecule transport domain and the activity of the protein are maintained, but is preferably glycine, alanine, leucine, isoleucine, proline, serine, threonine, asparagine, aspartic acid, cysteine, The transport domain monomers of each cargo molecule can be linked using amino acids such as glutamine, glutamic acid, lysine, and arginic acid. More preferably, they can be linked using a linker in which multiple amino acids are linked, most preferably glycine and valine. , leucine, aspartic acid, etc. can be used as a linker by connecting one to five amino acids. In addition to the above amino acid linkers and peptide linkers, chemical linkers can also be used as long as the activity of the cargo molecule transport domain is maintained.

세포 투과성 PFKFB3 융합단백질을 유효성분으로 함유하는 약제학적 조성물은 약제학적 분야에서 통상적으로 허용되는 담체와 함께 배합하여 통상적인 방법에 의해 경구 또는 주사 형태 등으로 제형화할 수 있다. 경구용 조성물로는 예를 들면 정제 및 젤라틴 캡슐이 있으며, 이들은 활성 성분 이외에도 희석제 (예: 락토스, 덱스트로스, 수크로스, 만니톨, 솔비톨, 셀룰로즈 및/또는 글리신), 활탁제 (예: 실리카, 탤크, 스테아르산 및 그의 마그네슘 또는 칼슘염 및/또는 폴리에틸렌 글리콜)를 함유하고, 정제는 또한 결합제 (예: 마그네슘 알루미늄 실리케이트, 전분 페이스트, 젤라틴, 메틸셀룰로스, 나트륨 카복시메틸셀룰로스 및/또는 폴리비닐 피롤리돈)를 함유하며, 경우에 따라서 붕해제 (예: 전분, 한천, 알긴산 또는 그의 나트륨염) 또는 비등 혼합물 및/또는 흡수제, 착색제, 향미제 및 감미제를 함유하는 것이 바람직하다. 주사용 조성물은 등장성 수용액 또는 현탁액이 바람직하고, 언급한 조성물은 멸균되고/되거나 보조제 (예: 방부제, 안정화제, 습윤제 또는 유화제 용액 촉진제, 삼투압 조절을 위함 염/또는 완충제)를 함유한다. 또한, 이들은 기타 치료에 유용한 물질을 함유할 수 있다.A pharmaceutical composition containing the cell-permeable PFKFB3 fusion protein as an active ingredient can be formulated in oral or injectable form by mixing it with a carrier commonly accepted in the pharmaceutical field and using conventional methods. Oral compositions include, for example, tablets and gelatin capsules, which, in addition to the active ingredient, may contain diluents (e.g. lactose, dextrose, sucrose, mannitol, sorbitol, cellulose and/or glycine) and lubricants (e.g. silica, talc). , stearic acid and its magnesium or calcium salts and/or polyethylene glycol), and the tablets may also contain binders (e.g. magnesium aluminum silicate, starch paste, gelatin, methylcellulose, sodium carboxymethylcellulose and/or polyvinyl pyrrolidone). ), and in some cases, it is preferred to contain a disintegrant (e.g. starch, agar, alginic acid or its sodium salt) or boiling mixture and/or an absorbent, a colorant, a flavoring agent and a sweetener. Compositions for injection are preferably isotonic aqueous solutions or suspensions, and the compositions mentioned are sterile and/or contain auxiliaries (e.g. preservatives, stabilizers, wetting or emulsifying agents, solution accelerators, salts/or buffers for adjusting osmotic pressure). Additionally, they may contain other therapeutically useful substances.

이와 같이 제조된 약제학적 제제는 목적하는 바에 따라 경구로 투여하거나, 비경구 방식 즉, 정맥 내, 피하, 복강 내 투여 또는 국소적용할 수 있다. 용량은 일일 투여량 0.0001~100㎎/㎏을 1 내지 수회에 나누어 투여할 수 있다. 특정 환자에 대한 투여용량 수준은 환자의 체중, 연령, 성별, 건강상태, 투여시간, 투여방법, 배설율, 질환의 중증도 등에 따라 변화될 수 있다.The pharmaceutical preparation prepared in this way can be administered orally, parenterally, that is, intravenously, subcutaneously, intraperitoneally, or applied topically, depending on the purpose. The daily dose of 0.0001 to 100 mg/kg can be administered in one to several divided doses. The dosage level for a specific patient may vary depending on the patient's weight, age, gender, health status, administration time, administration method, excretion rate, and severity of disease.

나아가, 본 발명은 상기 PFKFB3 융합단백질을 유효성분으로 하고 약학적으로 허용되는 담체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 뇌허혈 예방 또는 치료에 유용한 약제학적 조성물을 제공한다.Furthermore, the present invention provides a pharmaceutical composition useful for preventing or treating cerebral ischemia, comprising the PFKFB3 fusion protein as an active ingredient and a pharmaceutically acceptable carrier.

본 발명은 또한 PFKFB3 단백질을 세포 내로 효율적으로 전달하기 위한 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 PFKFB3 단백질 분자의 세포 내 전달은 HIV Tat 펩타이드와 같은 단백질 수송 도메인이 공유결합된 형태의 융합단백질을 구성하여 수행된다. 본 발명의 상기 단백질 수송 도메인의 일례로는 HIV Tat 펩타이드를 들 수 있다. 그러나, 본 발명의 단백질 수송 도메인이 HIV Tat 펩타이드로만 한정되는 것은 아니며, HIV Tat 펩타이드의 아미노산 서열 일부 치환이나 부가, 결여로 HIV Tat 펩타이드와 유사한 기능을 하는 펩타이드를 제조하는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게는 용이하므로, 7~50개의 아미노산으로 구성되고, 라이신 또는 아르기닌을 다수 포함하는 단백질 수송 도메인과 이로부터 아미노산 일부 치환으로 동일·유사한 단백질 수송기능을 수행하는 단백질 수송 도메인을 이용한 융합단백질도 본 발명의 범위에 속함은 자명하다고 할 것이다.The present invention also provides a method for efficiently delivering PFKFB3 protein into cells. Intracellular delivery of the PFKFB3 protein molecule according to the present invention is performed by constructing a fusion protein in which a protein transport domain such as an HIV Tat peptide is covalently linked. An example of the protein transport domain of the present invention is the HIV Tat peptide. However, the protein transport domain of the present invention is not limited to the HIV Tat peptide, and the field of the present invention is to prepare a peptide that has a similar function to the HIV Tat peptide by substituting, adding, or omitting part of the amino acid sequence of the HIV Tat peptide. As it is easy for those skilled in the art, it is possible to use a protein transport domain consisting of 7 to 50 amino acids and containing a large number of lysines or arginines, and a protein transport domain that performs the same or similar protein transport function by substituting some amino acids therefrom. It will be obvious that fusion proteins also fall within the scope of the present invention.

구체적으로, 본 발명은 PFKFB3 융합단백질, PFKFB3 융합단백질을 코딩하는 올리고뉴클레오타이드, PFKFB3 융합단백질을 코딩하는 올리고뉴클레오타이드를 포함하는 벡터, 이 융합단백질을 포함하는 뇌허혈 치료 또는 예방 목적의 약학 조성물 및 이 융합단백질을 포함하는 뇌허혈 예방 또는 개선 용도의 건강기능성 식품 조성물에 관한 것이다.Specifically, the present invention relates to a PFKFB3 fusion protein, an oligonucleotide encoding the PFKFB3 fusion protein, a vector containing an oligonucleotide encoding the PFKFB3 fusion protein, a pharmaceutical composition for treating or preventing cerebral ischemia containing the fusion protein, and this fusion protein. It relates to a health functional food composition for preventing or improving cerebral ischemia containing.

상기 PFKFB3 융합단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오타이드는 구체적 예시로는 서열번호 3 또는 서열번호 5를 들 수 있다. 그러나, 이 서열에 한정되는 것이 아님은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.Specific examples of the polynucleotide encoding the PFKFB3 fusion protein include SEQ ID NO: 3 or SEQ ID NO: 5. However, it is obvious to those skilled in the art that the sequence is not limited to this.

본 발명의 상기 세포 투과성 PFKFB3 융합단백질을 첨가할 수 있는 식품으로는, 각종 식품류, 예를 들어, 음료, 껌, 차, 비타민 복합제, 건강보조 식품류 등이 있으며, 환제, 분말, 과립, 침제, 정제, 캡슐 또는 음료 형태로 사용할 수 있다. 이때, 식품 또는 음료 중의 상기 PFKFB3 융합단백질의 양은, 일반적으로 본 발명의 건강식품 조성물의 경우 전체 식품 중량의 0.01 내지 15 중량%, 바람직하게는 0.2 내지 10중량%로 가할 수 있으며, 건강 음료 조성물의 경우 100㎖를 기준으로 0.1 내지 30g, 바람직하게는 0.2 내지 5g의 비율로 가할 수 있다. 본 발명의 본 발명의 건강음료 조성물은 지시된 비율로 필수 성분으로서 상기 PFKFB3 융합단백질을 함유하는 외에는 액체성분에는 특별한 제한점은 없으며 통상의 음료와 같이 여러 가지 향미제 또는 천연 탄수화물 등을 추가 성분으로서 함유할 수 있다. 상술한 천연 탄수화물의 예로는 모노사카라이드, 예를 들어, 포도당, 과당 등 디사카라이드, 예를 들어 말토스, 수크로스 등 폴리사카라이드, 예를 들어 덱스트린, 시클로덱스트린 등과 같은 통상적인 당 및 자일리톨, 소르비톨, 에리트리톨 등의 당알콜이다. 상술한 것 이외의 향미제로서 천연 향미제(타우마틴, 스테비아 추출물(예를 들어 레바우디오시드 A, 글리시리진등)) 및 합성 향미제(사카린, 아스파르탐 등)를 유리하게 사용할 수 있다. 상기 천연 탄수화물의 비율은 본 발명의 조성물 100㎖당 일반적으로 약 1 내지 20g, 바람직하게는 약 5 내지 12g이다. 상기 외에 본 발명의 조성물은 여러 가지 영양제, 비타민, 광물(전해질), 합성 풍미제 및 천연 풍미제 등의 풍미제, 착색제 및 중진제(치즈, 초콜릿 등), 펙트산 및 그의 염, 알긴산 및 그의 염, 유기산, 보호성 콜로이드 증점제, pH 조절제, 안정화제, 방부제, 글리세린, 알콜, 탄산 음료에 사용되는 탄산화제 등을 함유할 수 있다. 그밖에 본 발명의 조성물들은 천연 과일 쥬스 및 과일 쥬스 음료 및 야채 음료의 제조를 위한 과육을 함유할 수 있다. 이러한 성분은 독립적으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 이러한 첨가제의 비율은 중요하지는 않으나 본 발명의 조성물 100 중량부 당 0 내지 약 20 중량부의 범위에서 선택되는 것이 일반적이다.Foods to which the cell-permeable PFKFB3 fusion protein of the present invention can be added include various foods, such as beverages, gum, tea, vitamin complexes, health supplements, pills, powders, granules, precipitates, and tablets. , can be used in capsule or beverage form. At this time, the amount of the PFKFB3 fusion protein in the food or beverage is generally 0.01 to 15% by weight, preferably 0.2 to 10% by weight, of the total weight of the food in the health food composition of the present invention. In this case, it can be added at a rate of 0.1 to 30 g, preferably 0.2 to 5 g, based on 100 ml. The health drink composition of the present invention has no particular limitations on the liquid ingredients other than containing the PFKFB3 fusion protein as an essential ingredient in the indicated ratio, and contains various flavoring agents or natural carbohydrates as additional ingredients like ordinary drinks. can do. Examples of the above-mentioned natural carbohydrates include monosaccharides, such as glucose and fructose, disaccharides such as maltose and sucrose, polysaccharides such as dextrin, cyclodextrin, etc., and xylitol. Sugar alcohols such as sorbitol and erythritol. As flavoring agents other than those described above, natural flavoring agents (thaumatin, stevia extract (e.g., rebaudioside A, glycyrrhizin, etc.)) and synthetic flavoring agents (saccharin, aspartame, etc.) can be advantageously used. The proportion of the natural carbohydrate is generally about 1 to 20 g, preferably about 5 to 12 g, per 100 ml of the composition of the present invention. In addition to the above, the composition of the present invention contains various nutrients, vitamins, minerals (electrolytes), flavoring agents such as synthetic and natural flavors, colorants and thickening agents (cheese, chocolate, etc.), pectic acid and its salts, alginic acid and its It may contain salts, organic acids, protective colloidal thickeners, pH adjusters, stabilizers, preservatives, glycerin, alcohol, carbonating agents used in carbonated beverages, etc. In addition, the compositions of the present invention may contain pulp for the production of natural fruit juice and fruit juice beverages and vegetable beverages. These ingredients can be used independently or in combination. The proportion of these additives is not critical, but is generally selected in the range of 0 to about 20 parts by weight per 100 parts by weight of the composition of the present invention.

본 발명의 상세한 설명 등에서 사용되는 주요 용어의 정의는 다음과 같다.The definitions of key terms used in the detailed description of the present invention are as follows.

"PFKFB3 융합단백질"이란 단백질 수송 도메인과 PFKFB3 단백질을 포함하며, 단백질 수송 도메인과 목표 단백질 (즉, 본 발명에서는 PFKFB3 단백질을 의미함)의 유전적 융합이나 화학 결합으로 형성된 공유결합 복합체를 의미한다. 본 명세서에서는 구체적인 실시예로 HIV-Tat 단백질 수송 도메인을 이용하였으므로 "PFKFB3 융합단백질"을 "Tat-PFKFB3", "Tat-PFKFB3 융합단백질" 등과 혼용하였다.“PFKFB3 fusion protein” includes a protein transport domain and a PFKFB3 protein, and refers to a covalent complex formed by genetic fusion or chemical bonding of a protein transport domain and a target protein (i.e., PFKFB3 protein in the present invention). In this specification, since the HIV-Tat protein transport domain was used as a specific example, “PFKFB3 fusion protein” was used interchangeably with “Tat-PFKFB3”, “Tat-PFKFB3 fusion protein”, etc.

"목표 단백질"이란 본래 표적 세포로 들어갈 수 없거나, 유용한 속도로 표적 세포로 들어갈 수 없는 수송도메인 또는 이의 단편이 아닌 분자로서, 수송도메인과 융합되기 전의 분자 그 자체 또는 수송도메인-목표 단백질 복합체의 목표 단백질 부분을 의미한다. 목표 단백질로서는 폴리펩티드, 단백질, 펩타이드를 포함하며, 본 발명에서는 PFKFB3을 의미한다.“Target protein” is a molecule other than a transport domain or fragment thereof that cannot originally enter the target cell or cannot enter the target cell at a useful rate, and is the molecule itself before fusion with the transport domain or the target of the transport domain-target protein complex. It refers to the protein part. Target proteins include polypeptides, proteins, and peptides, and in the present invention, this refers to PFKFB3.

"융합단백질"이란 수송도메인 및 한 개 이상의 목표 단백질 부분을 함하며, 수송도메인과 목표 단백질의 유전적 융합이나 화학 결합으로 형성된 복합체를 의미한다.“Fusion protein” includes a transport domain and one or more target protein parts, and refers to a complex formed by genetic fusion or chemical bonding of the transport domain and the target protein.

또한, 상기 "유전적 융합"이란 단백질을 코딩하는 DNA 서열의 유전적 발현을 통해서 형성된 선형, 공유결합으로 이루어진 연결을 의미한다. 또한, "표적 세포"란 수송도메인에 의해 목표 단백질이 전달되는 세포를 의미하는 것으로서, 표적 세포는 체내 또는 체외의 세포를 말한다. 즉, 표적 세포는 체내 세포, 다시 말하여 살아있는 동물 또는 인간의 장기 또는 조직을 구성하는 세포 또는 살아 있는 동물 또는 인간에서 발견되는 미생물을 포함하는 의미이다. 또한, 표적 세포는 체외 세포, 즉 배양된 동물세포, 인체 세포 또는 미생물을 포함하는 의미이다.Additionally, the term “genetic fusion” refers to a linear, covalent linkage formed through genetic expression of a DNA sequence encoding a protein. In addition, “target cell” refers to a cell to which a target protein is delivered by a transport domain, and a target cell refers to a cell inside or outside the body. In other words, target cells include cells in the body, that is, cells constituting organs or tissues of living animals or humans, or microorganisms found in living animals or humans. In addition, target cells include in vitro cells, that is, cultured animal cells, human cells, or microorganisms.

본 발명에서의 "단백질 수송 도메인"은 고분자 유기화합물, 예컨대 올리고뉴클레오타이드, 펩타이드, 단백질, 올리고당 또는 다당류 등과 공유결합을 이루어 별도의 수용체나 운반체, 에너지를 필요로 하지 않고 상기 유기화합물들을 세포 내로 도입시킬 수 있는 것을 말한다.In the present invention, the "protein transport domain" is a covalent bond to a high molecular weight organic compound, such as an oligonucleotide, peptide, protein, oligosaccharide or polysaccharide, which allows the organic compounds to be introduced into cells without the need for a separate receptor, carrier, or energy. Say what you can.

또한, 본 명세서에서는 단백질, 펩타이드, 유기화합물을 세포 내로 "도입"하는 것에 대하여 "운반", "침투", "수송", "전달", "투과", "통과"한다는 표현들과 혼용하였다.In addition, in this specification, the expressions "transport", "penetration", "transport", "delivery", "permeate", and "pass" are used interchangeably with respect to "introducing" proteins, peptides, and organic compounds into cells.

본 발명의 PFKFB3 융합단백질은 7 내지 50개의 아미노산 잔기로 구성되며 아르기닌 또는 라이신 잔기를 3/4 이상 포함하는 수송도메인이 PFKFB3의 최소한 일측 말단에 공유결합되어 세포침투 효율이 향상 PFKFB3 융합단백질을 말한다. 또한, 상기 수송도메인은 HIV Tat 49-57 잔기, Pep-1 펩타이드, 올리고라이신, 올리고아르기닌 또는 올리고 (라이신,아르기닌) 중의 1종 이상을 말한다. 또한, 본 발명의 상기 PFKFB3 융합단백질 아미노산 서열은 예컨대 서열목록의 서열번호 4 또는 서열번호 6이다. PFKFB3 융합단백질 제조에서 제한부위 서열의 선택 등에 따라 다양한 서열의 융합단백질을 얻을 수 있으며, 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 자명하다. 위 아미노산 서열은 예시적인 것일 뿐 PFKFB3 융합단백질 아미노산 서열이 위 서열로 한정되는 것이 아님은 자명하다.The PFKFB3 fusion protein of the present invention is composed of 7 to 50 amino acid residues and refers to a PFKFB3 fusion protein in which a transport domain containing more than 3/4 of arginine or lysine residues is covalently linked to at least one end of PFKFB3, thereby improving cell penetration efficiency. Additionally, the transport domain refers to one or more of HIV Tat 49-57 residues, Pep-1 peptide, oligolysine, oligoarginine, or oligo (lysine, arginine). In addition, the amino acid sequence of the PFKFB3 fusion protein of the present invention is, for example, SEQ ID NO: 4 or SEQ ID NO: 6 in the sequence listing. In the production of PFKFB3 fusion protein, fusion proteins of various sequences can be obtained depending on the selection of restriction site sequences, etc., and this is obvious to those skilled in the art to which the present invention pertains. It is obvious that the above amino acid sequence is merely an example and that the PFKFB3 fusion protein amino acid sequence is not limited to the above sequence.

또한, 본 발명은 상기 PFKFB3 융합단백질을 유효성분으로 하고 약학적으로 허용되는 담체를 포함하며, 뇌허혈의 예방 및 치료용 약제학적 조성물을 제공한다.Additionally, the present invention provides a pharmaceutical composition for preventing and treating cerebral ischemia, comprising the PFKFB3 fusion protein as an active ingredient and a pharmaceutically acceptable carrier.

또한, 본 발명은 상기 PFKFB3 융합단백질을 유효성분으로 하며, 뇌허혈의 예방 또는 개선용 건강기능식품 조성물을 제공한다.In addition, the present invention provides a health functional food composition for preventing or improving cerebral ischemia, using the PFKFB3 fusion protein as an active ingredient.

본 발명은 7~50개의 아미노산으로 구성되고, 라이신 또는 아르기닌을 3/4 이상 포함하는 단백질 수송 도메인이 PFKFB3 단백질의 적어도 일측 말단에 공유결합된 세포 투과성 (cell-transducing) PFKFB3 융합단백질에 관한 것이다. 또한, PFKFB3 융합단백질은 silent change에 따라 서열 내에서 하나 이상의 아미노산이 기능적으로 동등하게 작용하는 유사한 극성의 다른 아미노산(들)로 치환될 수 있다. 서열 내 아미노산 치환은 그 아미노산이 속하는 클래스의 다른 구성원들로부터 선택될 수 있다. 예컨대, 소수성 아미노산 분류는 알라닌, 발린, 류이신, 이소류이신, 페닐알라닌, 발린, 트립토판, 프롤린 및 메티오닌을 포함한다. 극성 중성 아미노산은 글리신, 세린, 트레오닌, 시스테인, 티로신, 아스파라긴 및 글루타민을 포함한다. 양성 염기성 아미노산은 아르기닌, 라이신 및 히스티딘을 포함한다. 음성 전하를 띤 산성 아미노산은 아스파르트산 및 글루탐산을 포함한다. 또한, 본 발명의 융합단백질과 아미노산 서열 간의 일정 범위의 상동성 예컨대 85-100% 범위 내의 동일 유사한 생물학적 활성을 갖는 절편 또는 이들의 유도체들도 본 발명의 권리범위에 포함된다.The present invention relates to a cell-transducing PFKFB3 fusion protein in which a protein transport domain consisting of 7 to 50 amino acids and containing more than 3/4 of lysine or arginine is covalently linked to at least one end of the PFKFB3 protein. In addition, in the PFKFB3 fusion protein, one or more amino acids in the sequence may be replaced with other amino acid(s) of similar polarity that function equally functionally according to silent change. Amino acid substitutions within the sequence may be selected from other members of the class to which the amino acid belongs. For example, the hydrophobic amino acid class includes alanine, valine, leucine, isoleucine, phenylalanine, valine, tryptophan, proline, and methionine. Polar neutral amino acids include glycine, serine, threonine, cysteine, tyrosine, asparagine, and glutamine. Positive basic amino acids include arginine, lysine, and histidine. Negatively charged acidic amino acids include aspartic acid and glutamic acid. In addition, fragments or derivatives thereof having the same or similar biological activity within a certain range of homology, for example, 85-100%, between the fusion protein of the present invention and the amino acid sequence are also included in the scope of the present invention.

본 발명에서 세포 내로 투과된 PFKFB3 융합단백질은 과산화수소 독성에 대해 세포생존율을 증가시켰다. 이러한 결과는 PFKFB3 융합단백질이 활성산소종으로 인한 뇌허혈에 의한 세포사멸에 대해 보호효과가 있으며, 뇌허혈 손상으로부터 신경세포를 보호하는 치료효과가 있음을 말해주며, 세포 투과성 PFKFB3 융합단백질이 뇌허혈 예방 및 치료용 약학 조성물로 유용함을 말해준다.In the present invention, the PFKFB3 fusion protein permeated into cells increased cell survival against hydrogen peroxide toxicity. These results indicate that the PFKFB3 fusion protein has a protective effect against cell death caused by cerebral ischemia caused by reactive oxygen species and has a therapeutic effect in protecting nerve cells from cerebral ischemic damage, and that the cell-permeable PFKFB3 fusion protein prevents and treats cerebral ischemia. This indicates that it is useful as a pharmaceutical composition.

도 1은 pET-15b 벡터 상에 Tat-PFKFB3 발현 벡터를 구축하는 것을 도시한 것이다. 합성 Tat 올리고머는 NdeI 및 XhoI 부위에 클로닝하였고, 사람 PFKFB3 cDNA는 pET-15b의 XhoI 및 BamHI 부위에 클로닝하였다. (A)는 PFKFB3 및 Tat-PFKFB3 융합단백질의 발현 벡터를 구축하는 것을 도시한 것이다. Tat-PFKFB3 융합단백질은 여섯 개의 히스티딘 잔기를 포함한다. (B)는 IPTG를 첨가하여 각 단백질을 발현한 다음 정제된 PFKFB3 및 Tat-PFKFB3 융합단백질을 15% SDS-PAGE를 이용하여 정제하고 항 토끼 폴리히스티딘 항체로 웨스턴 블롯팅한 결과이다.
도 2a 내지 도 2d는 HT22 세포로의 Tat-PFKFB3 융합단백질의 투과를 나타낸다. 도 2a는 Tat-PFKFB3 융합단백질(2~8μM) 및 PFKFB3 단백질(2~8μM)을 1시간 동안 배양 배지에 처리하고, 도 2b는 Tat-PFKFB3 융합단백질 및 PFKFB3 단백질을 15~60분 동안 배양배지에 처리하여 웨스턴 블롯팅으로 분석한 결과이다. 도 2c는 Tat-PFKFB3 융합단백질의 세포 내 분포를 공촛점 형광 현미경으로 가시화한 것이다. 도 2d는 Tat-PFKFB3 융합단백질의 HT22 세포 내 안정성을 분석한 결과이다. Tat-PFKFB3 융합단백질 (8μM)로 형질 도입된 후 세포를 1~60 시간 동안 배양하고 웨스턴 블롯팅으로 분석하였다.
도 3a는 1시간 동안 각각 Tat-PFKFB3 융합단백질 또는 PFKFB3 단백질로 전처리한 HT22세포에 과산화수소(100μM)를 가하고 1시간 동안 둔 다음 MTT 분석법을 이용하여 세포생존율을 측정한 결과이다.
도 3b는 세포 내 활성산소종 수준을 5-CFDA 염색으로 측정한 결과이다.
도 3c는 세포 내 활성산소종 수준을 DCF-DA 염색으로 측정한 결과이다.
도 3d는 TUNEL 염색으로 DNA 단편화를 측정한 결과이다.
Figure 1 shows construction of Tat-PFKFB3 expression vector on pET-15b vector. The synthetic Tat oligomer was cloned into NdeI and XhoI sites, and human PFKFB3 cDNA was cloned into XhoI and BamHI sites of pET-15b. (A) shows construction of expression vectors for PFKFB3 and Tat-PFKFB3 fusion proteins. The Tat-PFKFB3 fusion protein contains six histidine residues. (B) shows the results of expressing each protein by adding IPTG, then purifying the PFKFB3 and Tat-PFKFB3 fusion proteins using 15% SDS-PAGE and Western blotting with an anti-rabbit polyhistidine antibody.
Figures 2a to 2d show the permeation of Tat-PFKFB3 fusion protein into HT22 cells. Figure 2a shows Tat-PFKFB3 fusion protein (2~8μM) and PFKFB3 protein (2~8μM) treated in culture medium for 1 hour, and Figure 2b shows Tat-PFKFB3 fusion protein and PFKFB3 protein treated in culture medium for 15~60 minutes. This is the result of processing and analysis by Western blotting. Figure 2c shows the intracellular distribution of Tat-PFKFB3 fusion protein visualized using confocal fluorescence microscopy. Figure 2d shows the results of analyzing the stability of Tat-PFKFB3 fusion protein in HT22 cells. After transduction with Tat-PFKFB3 fusion protein (8 μM), cells were cultured for 1 to 60 hours and analyzed by Western blotting.
Figure 3a shows the results of adding hydrogen peroxide (100 μM) to HT22 cells pretreated with Tat-PFKFB3 fusion protein or PFKFB3 protein, respectively, for 1 hour, and then measuring cell viability using the MTT assay.
Figure 3b shows the results of measuring intracellular reactive oxygen species levels using 5-CFDA staining.
Figure 3c shows the results of measuring intracellular reactive oxygen species levels using DCF-DA staining.
Figure 3d shows the results of measuring DNA fragmentation using TUNEL staining.

아래에서는 구체적인 실시예를 들어 본 발명의 구성을 좀 더 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 실시예의 기재에 의하여 한정되는 것이 아님은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 특히, 본 발명의 실시예에서는 PFKFB3 융합단백질을 구성하는 단백질 수송 도메인으로 HIV Tat 펩타이드를 이용하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 Tat 펩타이드가 N-말단에 결합된 PFKFB3 융합단백질을 응용하여, PEP-1 펩타이드, 올리고아르기닌, 올리고라이신 및 올리고(아르기닌+라이신) 등의 다양한 단백질 수송 도메인을 PFKFB3의 N-말단 또는 C-말단 중 한 곳 이상에 결합시킨 융합단백질을 용이하게 형성할 수 있고, 이와 같은 융합단백질 간에 약간의 차이는 있을 수 있으나 유사한 활성을 나타냄을 용이하게 알 수 있다.Below, the configuration of the present invention will be described in more detail through specific examples. However, it is obvious to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by the description of the examples. In particular, in the examples of the present invention, HIV Tat peptide was used as the protein transport domain constituting the PFKFB3 fusion protein, but those skilled in the art will know that the PFKFB3 fusion with Tat peptide bound to the N-terminus By applying protein, it is easy to create a fusion protein in which various protein transport domains such as PEP-1 peptide, oligoarginine, oligolysine, and oligo(arginine + lysine) are linked to one or more of the N-terminus or C-terminus of PFKFB3. Although there may be slight differences between these fusion proteins, it can be easily seen that they exhibit similar activities.

재료ingredient

Ni2+-니트릴로삼초산 세파로즈 수퍼플로우는 Qiagen에서 구매하였고, PD-10 컬럼 크로마토그래피(Amersham, Brauncschweig, Germany)를 구매하였다. 마우스 운동 뉴런인 HT22 세포는 한국세포주연구재단(KCLF)에서 제공받았다. DCF-DA(2',7'-Dichlorofluorescein diacetate)와 Bcl-2, Bax, β-액틴, P-p53, p53, 캐스페이즈 3, 캐스페이즈 9, p-p38, p38, p-Erk, Erk, p-JNK 및 JNK의 일차 항체는 Cell signaling Technology(Beverly, MA, USA)와 Santa Cruz Biotechnology(Santa Cruz, CA, USA)에서 구입하였다. 이밖의 모든 시약은 특급 제품을 이용하였다.Ni 2+ - Nitrilotriacetic acid Sepharose Superflow was purchased from Qiagen and PD-10 column chromatography (Amersham, Brauncschweig, Germany). HT22 cells, mouse motor neurons, were provided by the Korea Cell Line Research Foundation (KCLF). DCF-DA (2',7'-Dichlorofluorescein diacetate) and Bcl-2, Bax, β-actin, P-p53, p53, Caspase 3, Caspase 9, p-p38, p38, p-Erk, Erk, p-JNK and primary antibodies against JNK were purchased from Cell signaling Technology (Beverly, MA, USA) and Santa Cruz Biotechnology (Santa Cruz, CA, USA). All other reagents were special grade products.

Tat-PFKFB3 융합단백질의 발현 및 정제Expression and purification of Tat-PFKFB3 fusion protein

PFKFB3 단백질 및 Tat-PFKFB3 융합단백질의 발현 벡터를 구축하였다. 인간 PFKFB3 유전자를 cDNA와 함께 2개의 프라이머를 이용하여 중합효소 연쇄반응으로 증폭시켰다. 센스 프라이머는 5'-CTCGAGGGCAACGCGCAG-3'이고, XhoI이라는 제한 효소 작용부위가 5' 쪽에 존재한다. 안티센스 프라이머는 5'-GGATCCTCAGGAATCTTCGGACTC-3'이고, BamHI이라는 제한효소 작용부위가 5' 쪽에 존재 한다. 중합효소 연쇄반응을 통하여 얻은 결과물을 TA 벡터에 연결하고 XhoI과 BamHI을 이용하여 자른 후에 발현 벡터에 연결하여 Tat-PFKFB3 융합단백질을 제조하였다. 이와 마찬가지로 대조군인 PFKFB3 단백질은 Tat 펩타이드가 결여된 벡터를 이용하여 제조하였다. 재조합된 Tat-PFKFB3 플라스미드를 대장균인 BL21로 형질변환시킨 후 0.5mM IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactoside)로 유도하여 18℃에서 하룻밤 배양하였다. 배양한 세포를 초음파로 분쇄하여 Tat-PFKFB3 융합단백질을 얻기 위해 Ni2+-니트릴로삼초산 세파로즈 수퍼플로우 컬럼을 이용하여 정제하였다. 단백질 농도는 브래드포드 방법으로 우혈청 알부민을 표준물질로 이용하여 결정하였다.Expression vectors for PFKFB3 protein and Tat-PFKFB3 fusion protein were constructed. The human PFKFB3 gene was amplified by polymerase chain reaction using two primers along with cDNA. The sense primer is 5'-CTCGAGGGCAACGGCAG-3', and a restriction enzyme site called XhoI exists on the 5' side. The antisense primer is 5'-GGATCCTCAGGAATCTTCGGACTC-3', and a restriction enzyme site called BamHI exists on the 5' side. The result obtained through polymerase chain reaction was linked to a TA vector, cut using XhoI and BamHI, and then linked to an expression vector to produce Tat-PFKFB3 fusion protein. Likewise, the control PFKFB3 protein was produced using a vector lacking Tat peptide. The recombinant Tat-PFKFB3 plasmid was transformed into E. coli BL21, induced with 0.5mM IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactoside), and cultured overnight at 18°C. The cultured cells were pulverized by ultrasonic waves and purified using a Ni 2+ -nitrilotriacetic acid Sepharose superflow column to obtain Tat-PFKFB3 fusion protein. Protein concentration was determined by the Bradford method using bovine serum albumin as a standard.

HT22 세포로 Tat-PFKFB3 융합단백질 도입Introduction of Tat-PFKFB3 fusion protein into HT22 cells

마우스 해마 신경세포인 HT22 세포는 37℃, 95% 공기 및 5% CO2의 조건을 유지해주며, 10% 우태혈청 (FBS) 및 5 mM NaHCO3, 항생제 (100㎍/ml 스트렙토마이신, 100U/ml 페니실린), 20 mM HEPES/NaOH (pH 7.4)를 포함하는 DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium)을 이용하여 습한 조건에서 배양하였다.HT22 cells, mouse hippocampal neurons, are maintained at 37°C, 95% air, and 5% CO 2 , 10% fetal bovine serum (FBS), 5 mM NaHCO 3 , and antibiotics (100 μg/ml streptomycin, 100 U/ml). Penicillin) and 20 mM HEPES/NaOH (pH 7.4) were cultured in humid conditions using DMEM (Dulbecco's Modified Eagle's Medium).

Tat-PFKFB3 융합단백질 및 대조군 PFKFB3 단백질의 세포 내 도입에 대한 시간 의존성 및 농도 의존성을 평가하였다. 세포는 60㎜ 디쉬에서 시간(15~60분) 및 각 단백질의 투여량(2~8μM)을 달리하여 처리하였다. 트립신-EDTA(Gibco)를 처리하고 PBS를 이용하여 세척한 다음 세포 내로 투과된 융합단백질을 브래드포드 방법으로 정량하고, 웨스턴 블롯으로 분석하였다.The time dependence and concentration dependence of the intracellular uptake of Tat-PFKFB3 fusion protein and control PFKFB3 protein were evaluated. Cells were treated in 60 mm dishes at different times (15 to 60 minutes) and doses of each protein (2 to 8 μM). After treatment with trypsin-EDTA (Gibco) and washing with PBS, the fusion protein permeated into the cells was quantified using the Bradford method and analyzed by Western blot.

웨스턴 블롯 분석Western blot analysis

웨스턴 블롯 분석을 위해 세포 분쇄액 내의 단백질을 12% SDS 폴리아크릴아마이드 젤로 분리한 다음, 젤에 있는 단백질을 나이트로셀룰로스 막 (nitrocellulose membrane; Amersham, UK)으로 전기이동시켰다. 막은 TBS-T 완충액 (25 mM Tris-HCl, 140 mM NaCl, 0.1% Tween 20, pH 7.5)으로 블로킹하였다. 막은 제조업체에서 권장하는 일차 항체를 사용하여 웨스턴 블롯 분석하였다. 결합한 항체 복합체는 강화 화학 발광제를 이용하여 제조자 (Amersham, Franklin Lakes, NJ,USA)의 지시에 따라 탐지하였다.For Western blot analysis, proteins in the cell lysate were separated using a 12% SDS polyacrylamide gel, and then the proteins in the gel were electrotransferred to a nitrocellulose membrane (Amersham, UK). The membrane was blocked with TBS-T buffer (25mM Tris-HCl, 140mM NaCl, 0.1% Tween 20, pH 7.5). Membranes were subjected to Western blot analysis using primary antibodies recommended by the manufacturer. Bound antibody complexes were detected using an enhanced chemiluminescent agent according to the manufacturer's instructions (Amersham, Franklin Lakes, NJ, USA).

공촛점 현미경 관찰Confocal microscopy observation

HT22 세포 내의 Tat-PFKFB3 융합단백질과 PFKFB3 단백질을 탐지하기 위해 세포를 유리 커버슬립 상에 시드하고 Tat-PFKFB3 융합단백질과 PFKFB3 단백질을 8μM 농도로 1시간 동안 처리하였다. 세포를 PBS로 두 번 세척한 다음 실온에서 5분간 4% 파라포름알데하이드로 고정하였다. HT22 세포는 실온에서 40분간 3% 우혈청 알부민과 0.1% Triton X-100이 함유된 PBS (PBS-BT)로 40분간 블로킹하고, PBSBT로 세척하였다. 일차 항체 (His-probe, Santa Cruz Biotechnology)는 1:10000 비율로 희석하고, 이차 항체 (Alexa fluor 488, Invitrogen)는 1:15000 비율로 희석한 후 어두운 곳에서 실온으로 1시간 동안 배양하였다. 세포핵은 DAPI (4',6-diamidino-2-phenylindole 1 ㎎/ml; Roche, Mannheim, Germnay)로 3분간 염색하였다. 염색된 HT22 세포는 Fv-300 공촛점 형광현미경 (Olympus, Tokyo, Japan) 하에서 관찰하였다.To detect Tat-PFKFB3 fusion protein and PFKFB3 protein in HT22 cells, cells were seeded on glass coverslips and treated with Tat-PFKFB3 fusion protein and PFKFB3 protein at a concentration of 8 μM for 1 hour. Cells were washed twice with PBS and then fixed with 4% paraformaldehyde for 5 minutes at room temperature. HT22 cells were blocked with PBS (PBS-BT) containing 3% bovine serum albumin and 0.1% Triton X-100 for 40 minutes at room temperature and washed with PBSBT. The primary antibody (His-probe, Santa Cruz Biotechnology) was diluted at a ratio of 1:10,000, and the secondary antibody (Alexa fluor 488, Invitrogen) was diluted at a ratio of 1:15,000 and incubated in the dark at room temperature for 1 hour. Cell nuclei were stained with DAPI (4',6-diamidino-2-phenylindole 1 mg/ml; Roche, Mannheim, Germnay) for 3 minutes. Stained HT22 cells were observed under an Fv-300 confocal fluorescence microscope (Olympus, Tokyo, Japan).

세포 생존율 분석Cell viability analysis

과산화수소로 처리한 HT22 세포의 생존율을 MTT {3-(4,5-dimethylthiazol -2-yl)-2,5-dipheyltetrazolium bromide}를 이용하여 비색분석법으로 확인하였다. 세포에 2~8μM의 Tat-PFKFB3 융합단백질을 선처리하거나 또는 처리하지 않고, 세포를 100μM의 과산화수소에 1시간 동안 노출하여 세포사멸을 유도하였다. ELISA 마이크로플레이트 판독기 (Labsystems Multiskan MCC/340)로 570㎚에서 흡광도를 측정하였다. 세포 생존율은 무처리 대조군에 대한 백분율로 나타내었다.The survival rate of HT22 cells treated with hydrogen peroxide was confirmed by colorimetric analysis using MTT {3-(4,5-dimethylthiazol -2-yl)-2,5-dipheyltetrazolium bromide}. Cells were pre-treated with or without 2-8 μM Tat-PFKFB3 fusion protein, and then exposed to 100 μM hydrogen peroxide for 1 hour to induce apoptosis. Absorbance was measured at 570 nm with an ELISA microplate reader (Labsystems Multiskan MCC/340). Cell viability was expressed as a percentage relative to the untreated control.

세포 내 활성산소종 수준 측정Measurement of intracellular reactive oxygen species levels

DCF-DA (2',7'-dichlorodihydrofluorescein diacetate)를 이용하여 세포 내 활성산소종 수준을 측정하였다. DCF-DA는 활성산소종에 의해 세포 내에서 DCF로 전환되어 형광을 발한다. HT22 세포에 Tat-PFKFB3 융합단백질을 처리하였을 때와 처리하지 않았을 때의 활성산소종 수준을 비교해 보았다. Tat-PFKFB3 융합단백질은 5μM로 1시간 동안 처리하였고 후에 과산화수소를 700μM의 농도로 30분 동안 처리하였다. 그리고 PBS로 두 번 씻어주고 DCF-DA를 20μM의 농도로 30분 처리하였다. 형광 강도는 Fluoroskan ELISA plate reader (Labsystems, Helsinki, Finland)를 이용하여 485㎚ 여기파장 (exitation), 538㎚ 방출파장 (emission)을 측정하였다.Intracellular reactive oxygen species levels were measured using DCF-DA (2',7'-dichlorodihydrofluorescein diacetate). DCF-DA is converted to DCF within cells by reactive oxygen species and emits fluorescence. We compared the levels of reactive oxygen species when HT22 cells were treated with Tat-PFKFB3 fusion protein and when they were not. Tat-PFKFB3 fusion protein was treated at 5 μM for 1 hour, and then hydrogen peroxide was treated at a concentration of 700 μM for 30 minutes. Then, it was washed twice with PBS and treated with DCF-DA at a concentration of 20 μM for 30 minutes. Fluorescence intensity was measured at 485 nm excitation and 538 nm emission wavelength using a Fluoroskan ELISA plate reader (Labsystems, Helsinki, Finland).

TUNEL 분석TUNEL analysis

HT22 세포에 Tat-PFKFB3 융합단백질을 처리하지 않은 군과 8μM의 농도로 1시간 동안 처리한 군의 배양액에 과산화수소 (100μM)를 가하여 1시간 동안 처리하였다. 세포사멸을 측정하기 위해 TUNEL (Terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated biotinylated dUTP nick end labeling staining) 기법은 세포사멸 탐지 킷트 (Roche Applied Science)를 사용하여 수행하였다. 형광현미경 (Nikon eclipse 80i, Japan)을 이용하여 결과를 분석하였다.HT22 cells were treated with hydrogen peroxide (100 μM) for 1 hour in the culture medium of the group that was not treated with the Tat-PFKFB3 fusion protein and the group that was treated with the Tat-PFKFB3 fusion protein for 1 hour at a concentration of 8 μM. To measure apoptosis, TUNEL (Terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated biotinylated dUTP nick end labeling staining) technique was performed using an apoptosis detection kit (Roche Applied Science). The results were analyzed using a fluorescence microscope (Nikon eclipse 80i, Japan).

결과 1: Tat-PFKFB3 융합단백질의 정제 및 세포 투과Result 1: Purification and cell permeation of Tat-PFKFB3 fusion protein

본 발명자들은 침투성 Tat-PFKFB3 융합단백질을 제조하기 위해 단백질 수송 도메인 PTD (Protein Transduction Domain)의 일종인 Tat이 포함된 Tat-벡터와 PFKFB3 유전자를 재조합하였다(도 1). 대장균에서 과대발현시켜 Ni2+-나이트릴로삼초산 세파로즈 친화 크로마토그래피 컬럼과 PD-10 컬럼 크로마토그래피를 이용하여 정제하였고, SDS-PAGE와 웨스턴 블롯 분석법을 이용하여 Tat-PFKFB3 융합단백질이 정제된 것을 확인하였다(도 1의 A, B).The present inventors recombined the PFKFB3 gene with a Tat-vector containing Tat, a type of protein transduction domain (PTD), to produce a penetrating Tat-PFKFB3 fusion protein (Figure 1). It was overexpressed in E. coli and purified using Ni 2+ - nitrilotriacetic acid Sepharose affinity chromatography column and PD-10 column chromatography, and the Tat-PFKFB3 fusion protein was purified using SDS-PAGE and Western blot analysis. This was confirmed (Figure 1A, B).

결과 2: HT22 세포 내로 Tat-PFKFB3 융합단백질의 투과Result 2: Permeation of Tat-PFKFB3 fusion protein into HT22 cells

Tat-PFKFB3 융합단백질의 시간 및 농도별로 HT22 세포 내 투과 정도를 측정하였다. 그 결과 시간 및 농도 의존적으로 세포 내 투과가 효과적으로 일어났으며, PFKFB3 단백질은 투과가 일어나지 않았다(도 2a, 2b). 또한, 공초점 현미경을 이용하여 DAPI로 세포핵을 염색하고, Tat-PFKFB3 융합단백질을 녹색 형광으로 염색하여 효과적으로 세포 내로 투과되는 것을 확인하였다(도 2c). 또한, 시간 경과에 따른 Tat-PFKFB3 융합단백질의 HT22 세포 내 안정성을 확인하였다(도 2d).The degree of penetration into HT22 cells was measured for each time and concentration of the Tat-PFKFB3 fusion protein. As a result, intracellular permeation occurred effectively in a time- and concentration-dependent manner, and PFKFB3 protein did not permeate (Figures 2a and 2b). In addition, using a confocal microscope, cell nuclei were stained with DAPI, and the Tat-PFKFB3 fusion protein was stained with green fluorescence to confirm that it effectively penetrated into cells (Figure 2c). Additionally, the stability of the Tat-PFKFB3 fusion protein in HT22 cells was confirmed over time (Figure 2d).

결과 3: 산화 스트레스로 인한 세포생존율, 활성 산소종 생성 및 DNA 단편화에 대한 Tat-PFKFB3 융합단백질의 세포 보호효과Result 3: Cell protective effect of Tat-PFKFB3 fusion protein against cell survival rate, reactive oxygen species generation, and DNA fragmentation caused by oxidative stress.

세포에 Tat-PFKFB3 융합단백질을 농도별로 전처리 후 과산화수소로 산화 스트레스를 유도하였다. 세포 생존능력을 확인하기 위해 MTT 분석을 수행하였다. HT22 세포에 100μM 과산화수소를 단일 처리하였을 경우 생존한 세포 수가 약 40%로 감소하였으나, Tat-PFKFB3를 선처리한 경우 농도 의존적으로 세포생존율이 증가하였다(도 3a).Cells were pretreated with Tat-PFKFB3 fusion protein at various concentrations and then oxidative stress was induced with hydrogen peroxide. MTT assay was performed to confirm cell viability. When HT22 cells were single-treated with 100 μM hydrogen peroxide, the number of surviving cells decreased to about 40%, but when Tat-PFKFB3 was pre-treated, cell viability increased in a concentration-dependent manner (Figure 3a).

또한, 과산화수소를 처리할 때 유도되는 활성 산소종을 Tat-PFKFB3 융합단백질이 효과적으로 억제하는지 확인하기 위해 8-OHdG 형광 염료를 사용하여 세포 내 산화 정도를 분석하였다. HT22 세포가 1시간 동안 100μM의 과산화수소에 노출되었을 때, 과산화수소에 의해 현저하게 8-OHdG 신호가 증가하였다. 그러나 과산화수소에 의해 유도된 활성 산소종은 Tat-PFKFB3 융합단백질에 의해 감소하였다(도 3b, 3c).In addition, the degree of intracellular oxidation was analyzed using 8-OHdG fluorescent dye to confirm whether the Tat-PFKFB3 fusion protein effectively suppresses reactive oxygen species induced when treating hydrogen peroxide. When HT22 cells were exposed to 100 μM hydrogen peroxide for 1 hour, the 8-OHdG signal was significantly increased by hydrogen peroxide. However, reactive oxygen species induced by hydrogen peroxide were reduced by the Tat-PFKFB3 fusion protein (Figures 3b, 3c).

산화 스트레스로 인해 발생되는 DNA 단편화에 대한 융합단백질의 보호효과는 DNA 단편화 부위에 특이적으로 붙는 형광 염료를 이용한 TUNEL 염색 방법으로 알아보았다. 앞선 실험과 동일한 상태에서 수행하였고, HT22 세포가 1시간 동안 100μM의 과산화수소에 노출되었을 때, Tat-PFKFB3 융합단백질이 DNA 단편화에 대해 보호효과가 있다는 결과를 확인하였다(도 3d).The protective effect of the fusion protein against DNA fragmentation caused by oxidative stress was examined using the TUNEL staining method using a fluorescent dye that specifically attaches to the DNA fragmentation site. The experiment was performed under the same conditions as the previous experiment, and the results confirmed that the Tat-PFKFB3 fusion protein had a protective effect against DNA fragmentation when HT22 cells were exposed to 100 μM hydrogen peroxide for 1 hour (Figure 3d).

따라서, 본 발명은 Tat-PFKFB3 융합단백질이 산화 스트레스로 인한 뇌허혈 등의 신경퇴행성 질환 및 다양한 질환에 대하여 치료제로서 효과적으로 응용될 가능성을 제시한다.Therefore, the present invention suggests the possibility that the Tat-PFKFB3 fusion protein can be effectively applied as a treatment for various diseases and neurodegenerative diseases such as cerebral ischemia caused by oxidative stress.

Claims (10)

단백질 수송 도메인이 PFKFB3 (6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3) 단백질의 N-말단 및 C-말단 중 어느 하나 이상에 결합되어 세포침투 효율이 향상된 PFKFB3 융합단백질을 함유하는 뇌허혈 예방 또는 치료용 약학 조성물.
Containing a PFKFB3 fusion protein with improved cell penetration efficiency by binding the protein transport domain to one or more of the N-terminus and C-terminus of the PFKFB3 (6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3) protein. Pharmaceutical composition for preventing or treating cerebral ischemia.
청구항 1에 있어서,
상기 단백질 수송 도메인은 HIV Tat 펩타이드, Pep-1 펩타이드, 아미노산 잔기 7~50개의 올리고라이신, 아미노산 잔기 7~50개의 올리고아르기닌 및 아미노산 잔기 7~50개의 올리고(라이신+아르기닌) 중 선택된 1종 이상이 단량체 또는 이량체 이상의 다량체를 이룬 것인, PFKFB3 융합단백질을 함유하는 뇌허혈 예방 또는 치료용 약학 조성물.
In claim 1,
The protein transport domain is one or more selected from HIV Tat peptide, Pep-1 peptide, oligolysine of 7 to 50 amino acid residues, oligoarginine of 7 to 50 amino acid residues, and oligo(lysine + arginine) of 7 to 50 amino acid residues. A pharmaceutical composition for preventing or treating cerebral ischemia containing a PFKFB3 fusion protein, which is a monomer or a multimer rather than a dimer.
청구항 1에 있어서,
상기 PFKFB3 단백질과 단백질 수송 도메인은 공유결합된 것인, PFKFB3 융합단백질을 함유하는 뇌허혈 예방 또는 치료용 약학 조성물.
In claim 1,
A pharmaceutical composition for preventing or treating cerebral ischemia containing a PFKFB3 fusion protein, wherein the PFKFB3 protein and the protein transport domain are covalently linked.
청구항 1에 있어서,
상기 PFKFB3 단백질과 단백질 수송 도메인 사이에 링커가 존재하는, PFKFB3 융합단백질을 함유하는 뇌허혈 예방 또는 치료용 약학 조성물.
In claim 1,
A pharmaceutical composition for preventing or treating cerebral ischemia containing a PFKFB3 fusion protein, wherein a linker exists between the PFKFB3 protein and the protein transport domain.
청구항 1에 있어서,
상기 PFKFB3 융합단백질은 아미노산 서열이 서열번호 4 또는 서열번호 6임을 특징으로 하는 PFKFB3 융합단백질을 함유하는 뇌허혈 예방 또는 치료용 약학 조성물.
In claim 1,
A pharmaceutical composition for preventing or treating cerebral ischemia containing a PFKFB3 fusion protein, wherein the PFKFB3 fusion protein has an amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 or SEQ ID NO: 6.
PFKFB3 (6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3) 단백질을 코딩 cDNA의 최소한 일측 말단에 단백질 수송 도메인 코딩 올리고뉴클레오타이드 서열이 결합된 PFKFB3 융합단백질 코딩 재조합 폴리뉴클레오타이드를 함유하는 뇌허혈 예방 또는 치료용 약학 조성물.
Prevention of cerebral ischemia containing a recombinant polynucleotide encoding a PFKFB3 fusion protein in which an oligonucleotide sequence encoding a protein transport domain is attached to at least one end of a cDNA encoding the PFKFB3 (6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3) protein. or therapeutic pharmaceutical compositions.
청구항 6에 있어서,
상기 재조합 폴리뉴클레오타이드는 염기 서열이 서열번호 3 또는 서열번호 5임임을 특징으로 하는 뇌허혈 예방 또는 치료용 약학 조성물.
In claim 6,
The recombinant polynucleotide is a pharmaceutical composition for preventing or treating cerebral ischemia, characterized in that the base sequence is SEQ ID NO: 3 or SEQ ID NO: 5.
PFKFB3 (6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3) 코딩 cDNA의 최소한 일측 말단에 단백질 수송 도메인 코딩 올리고뉴클레오타이드 서열이 결합된 PFKFB3 융합단백질 코딩 재조합 폴리뉴클레오타이드를 함유하는 뇌허혈 예방 또는 치료용 PFKFB3 융합단백질 발현 벡터.
Prevention or treatment of cerebral ischemia containing a recombinant polynucleotide encoding a PFKFB3 fusion protein in which an oligonucleotide sequence encoding a protein transport domain is attached to at least one end of a cDNA encoding PFKFB3 (6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3). PFKFB3 fusion protein expression vector.
PFKFB3 (6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3) 코딩 cDNA의 최소한 일측 말단에 단백질 수송 도메인 코딩 올리고뉴클레오타이드 서열이 결합된 PFKFB3 융합단백질 코딩 재조합 폴리뉴클레오타이드를 함유하는 PFKFB3 융합단백질 발현벡터를 포함하는 뇌허혈 예방 또는 치료용 약학 조성물.
Expression of a PFKFB3 fusion protein containing a recombinant polynucleotide encoding a PFKFB3 fusion protein in which an oligonucleotide sequence encoding a protein transport domain is attached to at least one end of a cDNA encoding PFKFB3 (6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase 3). A pharmaceutical composition for preventing or treating cerebral ischemia containing a vector.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항의 PFKFB3 융합단백질을 유효성분으로 하는 뇌허혈 예방 또는 개선용 건강기능식품 조성물.A health functional food composition for preventing or improving cerebral ischemia containing the PFKFB3 fusion protein of any one of claims 1 to 4 as an active ingredient.
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