RU2402566C2 - Mutant photoprotein (versions) for determining intracellular calcium simultaneously in different cell organelles - Google Patents

Mutant photoprotein (versions) for determining intracellular calcium simultaneously in different cell organelles Download PDF

Info

Publication number
RU2402566C2
RU2402566C2 RU2008145953/10A RU2008145953A RU2402566C2 RU 2402566 C2 RU2402566 C2 RU 2402566C2 RU 2008145953/10 A RU2008145953/10 A RU 2008145953/10A RU 2008145953 A RU2008145953 A RU 2008145953A RU 2402566 C2 RU2402566 C2 RU 2402566C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
photoprotein
calcium
amino acid
residue
mutant
Prior art date
Application number
RU2008145953/10A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008145953A (en
Inventor
Наталья Петровна Маликова (RU)
Наталья Петровна Маликова
Евгений Степанович Высоцкий (RU)
Евгений Степанович Высоцкий
Светлана Владимировна Маркова (RU)
Светлана Владимировна Маркова
Галина Анатольевна Степанюк (RU)
Галина Анатольевна Степанюк
Original Assignee
Институт биофизики Сибирского отделения РАН
Наталья Петровна Маликова
Евгений Степанович Высоцкий
Светлана Владимировна Маркова
Галина Анатольевна Степанюк
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт биофизики Сибирского отделения РАН, Наталья Петровна Маликова, Евгений Степанович Высоцкий, Светлана Владимировна Маркова, Галина Анатольевна Степанюк filed Critical Институт биофизики Сибирского отделения РАН
Priority to RU2008145953/10A priority Critical patent/RU2402566C2/en
Publication of RU2008145953A publication Critical patent/RU2008145953A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2402566C2 publication Critical patent/RU2402566C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention represents mutant photoprotein for determining intracellular calcium simultaneously in different cell organelles, which possesses light0emitting function and is characterised by amino acid sequence of wild type calcium-regulated photoprotein, in which natural residues of phenylalanine, related to conservative regions of said sequence and corresponding to residue 119 of photoprotein obelin Obelia longissima, as well as to residue 88 of obelin Obelia longissima, are substituted with other residues, different from phenylalanine, substitution of which results in the reduction of sensitivity of calcium-regulated photoprotein to calcium ions in comparison with wild type photoprotein and change of emitted light wavelength in comparison with wild type photoprotein. Invention also relates to one more mutant protein, which has substitution in position 144 of photoprotein obelin Obelia longissima. Invention also relates to DNA, which codes said proteins, as well as to vectors for expression of proteins.
EFFECT: invention allows to obtain novel forms of photoprotein with changed sensitivity to calcium and changes wavelength of emitted light.
13 cl, 5 dwg, 4 ex

Description

Изобретение относится к области генной и белковой инженерии, а именно к новым белкам, мутантным Са2+-регулируемым фотопротеинам, которые проявляют отличительные свойства по сравнению с фотопротеином дикого типа, кДНК, кодирующие данные белки, и может быть использовано в исследованиях in vivo, в частности, для определения потоков кальция в клетках. Основное применение Са2+-регулируемых фотопротеинов обусловлено самой природой реакции - излучение света происходит в ответ на появление ионов кальция, поэтому наибольшее применение Са2+-регулируемые фотопротеины нашли в качестве биолюминесцентных индикаторов внутриклеточного кальция в различных типах клеток. Биолюминесценция инициируется ионами кальция и возникает вследствие окислительного декарбоксилирования связанного с белком субстрата - целентеразина. В результате образуются продукт реакции, целентерамид, в возбужденном состоянии и СО2. Переход целентерамида из возбужденного состояния в основное сопровождается излучением света. Обелин дикого типа генерирует «голубую» биолюминесценцию. Для мониторинга содержания внутриклеточного кальция сразу в разных частях клетки было бы полезно изменить длину волны испускания, так чтобы возможно было разделить сигналы, идущие от разных органелл. Фотопротеины диких типов позволяют измерять концентрацию Са2+ в диапазоне концентраций 10-7-10-4 М. Разное содержание свободного кальция в разных органеллах (в ЭПР, который является Са2+ депо, и в митохондриях максимальная концентрация свободного кальция очень высока и достигает 0.1-1 мМ, а в цитозоле, наоборот, низкая 10-8-10-7 М) диктует необходимость применения фотопротеинов с пониженной и повышенной чувствительностью к кальцию.The invention relates to the field of genetic and protein engineering, in particular to new proteins, mutant Ca 2+ -regulated photoproteins that exhibit distinctive properties compared to wild-type photoprotein, cDNA encoding these proteins, and can be used in in vivo studies, in in particular, to determine the flow of calcium in cells. The main use of Ca 2+ -regulated photoproteins is due to the very nature of the reaction - light is emitted in response to the appearance of calcium ions, therefore, the greatest use of Ca 2+ -regulated photoproteins was found as bioluminescent indicators of intracellular calcium in various types of cells. Bioluminescence is initiated by calcium ions and arises as a result of oxidative decarboxylation of a protein-bound substrate, celenterazine. The result is a reaction product, celenteramide, in an excited state and CO 2 . The transition of celenteramide from the excited state to the ground state is accompanied by the emission of light. Wild type obelin generates “blue” bioluminescence. To monitor the content of intracellular calcium immediately in different parts of the cell, it would be useful to change the wavelength of emission so that it is possible to separate the signals coming from different organelles. Wild type photoproteins make it possible to measure the concentration of Ca 2+ in a concentration range of 10 -7 -10 -4 M. Different contents of free calcium in different organelles (in the EPR, which is Ca 2+ depot, and in mitochondria, the maximum concentration of free calcium is very high and reaches 0.1-1 mm, and in the cytosol, on the contrary, low 10 -8 -10 -7 M) necessitates the use of photoproteins with reduced and increased sensitivity to calcium.

Известны мутанты акворина и обелина со сдвинутым спектром излучения [US 7345160, C12Q 1/66, publ. March 18, 2008], где сдвиг, кроме того, достигался использованием в качестве субстрата модифицированных аналогов целентеразина, что приводило к излучению в более длинноволновой части спектра.Known mutants of aquorin and obelin with a shifted emission spectrum [US 7345160, C12Q 1/66, publ. March 18, 2008], where the shift was also achieved by using modified celenterazine analogues as a substrate, which led to radiation in the longer wavelength part of the spectrum.

Известен ряд мутантов акворина с пониженной [Kendall J.M. et al, Biochem. Biophys. Res. Commun., 1992] и повышенной чувствительностью к кальцию [Tricoire L. et al, PNAS, 2006, (прототип)].Known for a number of mutants of aquorin with reduced [Kendall J.M. et al, Biochem. Biophys. Res. Commun., 1992] and increased sensitivity to calcium [Tricoire L. et al, PNAS, 2006, (prototype)].

Недостатком мутантов акворина и акворина дикого типа является влияние ионов магния на чувствительность к ионам кальция. Это существенно, поскольку ионы магния способны связываться в сайтах связывания кальция и изменять чувствительность к кальцию, а в клетках содержание магния достаточно велико (1-3 мМ).The disadvantage of the mutants of aquorin and wild-type aquorin is the effect of magnesium ions on sensitivity to calcium ions. This is significant, since magnesium ions are able to bind at calcium binding sites and change the sensitivity to calcium, and in cells the magnesium content is quite high (1-3 mm).

Техническим результатом изобретения является получение на основе фотопротеина репортера внутриклеточного кальция, обладающего одновременно пониженной чувствительностью к кальцию и «синей биолюминесценцией», и репортера с повышенной чувствительностью к кальцию и «зеленой» биолюминесценцией.The technical result of the invention is to obtain, on the basis of photoprotein, an intracellular calcium reporter having both reduced sensitivity to calcium and “blue bioluminescence”, and a reporter with increased sensitivity to calcium and “green” bioluminescence.

Технический результат достигается тем, что в мутантном фотопротеине для определения внутриклеточного кальция одновременно в разных органеллах клетки, обладающем светоизлучающей функцией и характеризующемся аминокислотной последовательностью кальций-регулируемого фотопротеина дикого типа, в которой природные остатки фенилаланина, относящиеся к консервативным областям названной последовательности и соответствующие остатку 119 фотопротеина обелина Obelia longissima (или остатку 120 фотопротеина акворина Aequorea victoria, или остатку 122 фотопротеина клитина Clytia gregaria), а также остатку 88 обелина Obelia longissima (или остатку 89 фотопротеина акворина Aequorea victoria, или остатку 91 фотопротеина клитина Clytia gregaria), заменены другими остатками, отличными от фенилаланина, замены которых приводят к тому, что чувствительность кальций-регулируемого фотопротеина к ионам кальция уменьшается по сравнению с фотопротеином дикого типа и изменяется длина волны испускаемого света по сравнению с фотопротеином дикого типа. Аминокислотный остаток, соответствующий остатку 119 в обелине Obelia longissima, является триптофаном, а аминокислотный остаток, соответствующий остатку 88 обелина Obelia longissima, представляет собой тирозин.The technical result is achieved in that in a mutant photoprotein for determining intracellular calcium simultaneously in different cell organelles having a light-emitting function and characterized by the amino acid sequence of a wild-type calcium-regulated photoprotein, in which the natural phenylalanine residues belong to the conserved regions of the named sequence and correspond to 119 photoprotein residue Obelia obelia longissima (or the remainder of the 120 photoprotein of aquorin Aequorea victoria, or the remainder of the 122 photoprotein clitin of Clytia gregaria), as well as residue 88 of Obelin longissima obelin (or residue 89 of Aequorea victoria aquorin photoprotein, or residue 91 of Clytia gregaria clitin photoprotein), replaced by other residues other than phenylalanine, the substitutions of which lead to a change in the sensitivity of calcium to calcium ions decreases compared to the wild-type photoprotein and the wavelength of the emitted light changes in comparison with the wild-type photoprotein. The amino acid residue corresponding to residue 119 in Obelia longissima obelin is tryptophan, and the amino acid residue corresponding to Obelia longissima obelin residue 88 is tyrosine.

Технический результат достигается также тем, что мутантном фотопротеине для определения внутриклеточного кальция одновременно в разных органеллах клетки, обладающем светоизлучающей функцией и характеризующемся аминокислотной последовательностью кальций-регулируемого фотопротеина дикого типа, в которой природный остаток изолейцина, являющийся консервативной аминокислотой и соответствующий остатку 144 фотопротеина обелина Obelia longissima (или остатку 145 фотопротеина акворина Aequorea victoria, или остатку 147 фотопротеина клитина Clytia gregaria), заменен другим аминокислотным остатком, отличным от изолейцина, таким образом, что увеличивается чувствительность кальций-регулируемого фотопротеина к ионам кальция и изменяется длина волны излучения по сравнению с фотопротеином дикого типа. В мутантном фотопротеине гидрофобный аминокислотный остаток в положении 144 фотопротеина обелина Obelia longissima заменен на гидрофильный аминокислотный остаток. Гидрофильная аминокислота, обеспечивающая увеличение чувствительности кальций-регулируемого фотопротеина к ионам кальция и изменение длины волны испускаемого света, представляет собой гистидин.The technical result is also achieved by the fact that a mutant photoprotein for determining intracellular calcium simultaneously in different cell organelles, having a light-emitting function and characterized by the amino acid sequence of a wild-type calcium-regulated photoprotein, in which the natural isoleucine residue, which is a conservative amino acid and corresponding to the residue 144 of Obelia longissima obelin photoprotein (or residue 145 of Aequorea victoria aquorin photoprotein, or residue 147 of clitin Clytia gregaria photoprotein), replacement n other amino acid residue, other than isoleucine, in such a way that the sensitivity of the calcium-regulated photoprotein to calcium ions increases and the radiation wavelength changes in comparison with the wild-type photoprotein. In the mutant photoprotein, the hydrophobic amino acid residue at position 144 of the Obelia longissima obelin photoprotein is replaced by a hydrophilic amino acid residue. The hydrophilic amino acid, which provides an increase in the sensitivity of calcium-regulated photoprotein to calcium ions and a change in the wavelength of the emitted light, is histidine.

Технический результат также обеспечивается ДНК, в которой кодоны, соответствующие аминокислотным остаткам в положениях 119 и 88, заменены кодонами, определяющими аминокислоты, отличные от фенилаланина, таким образом, что чувствительность кальций-регулируемого фотопротеина к ионам кальция уменьшается и изменяется длина волны испускаемого света по сравнению с фотопротеином дикого типа. ДНК имеет нуклеотидную последовательность, описанную в Seq. №1, где нуклеотиды в положениях 262-264 образуют кодон, кодирующий аминокислоту, обеспечивающую смещение максимума излучения в более коротковолновую область спектра, и нуклеотиды в положениях 355-357 образуют кодон, кодирующий аминокислоту, обеспечивающую уменьшение чувствительности фотопротеина к ионам кальция. ДНК, в которой нуклеотиды в положениях 262-264 кодируют тирозин и нуклеотиды в положениях 355-357 кодируют триптофан.The technical result is also provided by DNA, in which the codons corresponding to the amino acid residues at positions 119 and 88 are replaced by codons defining amino acids other than phenylalanine, so that the sensitivity of the calcium-regulated photoprotein to calcium ions decreases and the wavelength of the emitted light changes in comparison with wild type photoprotein. DNA has the nucleotide sequence described in Seq. No. 1, where the nucleotides at positions 262-264 form a codon encoding an amino acid that provides a shift of the maximum radiation in the shorter wavelength region of the spectrum, and the nucleotides at positions 355-357 form a codon encoding an amino acid that provides a decrease in the sensitivity of photoprotein to calcium ions. DNA in which the nucleotides at positions 262-264 encode tyrosine and the nucleotides at positions 355-357 encode tryptophan.

Технический результат также обеспечивается ДНК, в которой кодон, соответствующий аминокислотному остатку в положении 144, заменен кодоном, определяющим аминокислоту, отличную от изолейцина, таким образом, что чувствительность кальций-регулируемого фотопротеина к ионам кальция увеличивается и изменяется длина волны испускаемого света по сравнению с фотопротеином дикого типа. ДНК имеет нуклеотидную последовательность, описанную в Seq. №3, где нуклеотиды в положениях 430-432 образуют кодон, кодирующий аминокислоту, обеспечивающую смещение максимума излучения в более длинноволновую область спектра и увеличение чувствительности фотопротеина к ионам кальция. ДНК, в которой нуклеотиды в положениях 430-432 кодируют гистидин.The technical result is also provided by DNA in which the codon corresponding to the amino acid residue at position 144 is replaced by a codon defining an amino acid other than isoleucine, so that the sensitivity of the calcium-regulated photoprotein to calcium ions increases and the wavelength of the emitted light changes in comparison with the photoprotein wild type. DNA has the nucleotide sequence described in Seq. No. 3, where the nucleotides at positions 430-432 form a codon encoding an amino acid that provides a shift in the radiation maximum to the longer wavelength region of the spectrum and an increase in the sensitivity of the photoprotein to calcium ions. DNA in which the nucleotides at positions 430-432 encode histidine.

Вектор для экспрессии белка, в клетках млекопитающих, представляет собой плазмиду pCMV/myc/mito (Invitrogene), в которую лигирована ДНК, характеризующаяся последовательностью Seq. №1, продукт экспрессии которой будет локализован в митохондриях и излучать «синий» свет.The vector for expression of the protein, in mammalian cells, is the plasmid pCMV / myc / mito (Invitrogene), into which the DNA characterized by the Seq sequence is ligated. No. 1, the expression product of which will be localized in the mitochondria and emit “blue” light.

Вектор для экспрессии белка в клетках млекопитающих, представляющий собой плазмиду pcDNA3.1, в которую лигирована ДНК, характеризующаяся Seq. №3, продукт экспрессии которой будет локализован в цитоплазме клеток и при появлении ионов кальция (при стимуле) излучать «зеленый» свет. Плазмиды, содержащие гены мутантных фотопротеинов в таких формах, которые способны экспрессировать белки изобретения конститутивно, при введении в клетку-хозяина.A vector for the expression of protein in mammalian cells, which is the pcDNA3.1 plasmid into which Seq-characterized DNA is ligated. No. 3, the expression product of which will be localized in the cytoplasm of cells and, when calcium ions appear (with a stimulus), emit “green” light. Plasmids containing the mutant photoprotein genes in such forms that are capable of expressing the proteins of the invention constitutively when introduced into the host cell.

Согласно изобретению предусматриваются клетки млекопитающих линии СНО, способные экспрессировать мутантные фотопротеины изобретения, а также способ анализа, в котором внутриклеточное содержание кальция измеряется одновременно в двух частях клетки.The invention provides mammalian CHO cell lines capable of expressing the mutant photoproteins of the invention, as well as an assay method in which the intracellular calcium content is measured simultaneously in two parts of the cell.

В заявляемом изобретении посредством сайт-направленного мутагенеза получены белки, одна молекула которых содержит одновременно замены, приводящие к изменению двух свойств фотопротеина: чувствительности к ионам кальция и спектра биолюминесценции. При этом не требуется дополнительного использования аналогов субстрата. И, в отличие от прототипа, кроме измененной чувствительности к кальцию, мутантные фотопротеины настоящего изобретения обладают измененными спектральными характеристиками излучения так, что максимумы биолюминесценции двух мутантных фотопротеинов отстоят друг от друга на спектральной шкале длин волн на 50 нм. Также в отличие от прототипа фотопротеины по изобретению имеют кальциевую чувствительность, которая не зависит от присутствия ионов магния.In the claimed invention, through site-directed mutagenesis, proteins are obtained, one molecule of which simultaneously contains substitutions, leading to a change in two properties of the photoprotein: sensitivity to calcium ions and the bioluminescence spectrum. It does not require additional use of analogs of the substrate. And, unlike the prototype, in addition to the altered sensitivity to calcium, the mutant photoproteins of the present invention have altered radiation spectral characteristics so that the bioluminescence maxima of two mutant photoproteins are spaced apart from each other on a spectral wavelength scale of 50 nm. Also, unlike the prototype, the photoproteins of the invention have calcium sensitivity, which is independent of the presence of magnesium ions.

Приобретаемые мутантными фотопротеинами новые свойства позволяют эффективно использовать их в качестве репортерных агентов при изучении потоков кальция в клетках, поскольку имея различную чувствительность к Са2+ позволяют измерять концентрацию ионов в компартментах клетки с разным содержанием кальция, а разные максимумы излучения позволяют проводить измерения одновременно.The new properties acquired by mutant photoproteins make it possible to effectively use them as reporter agents in the study of calcium fluxes in cells, since having different sensitivity to Ca 2+ they make it possible to measure the concentration of ions in cell compartments with different calcium contents, and different radiation maxima allow measurements to be carried out simultaneously.

Перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемых технических решений критерию «новизна».The above distinguishing features from the prototype signs allow us to conclude that the claimed technical solutions meet the criterion of "novelty."

Признаки, отличающие заявляемые технические решения от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».The features distinguishing the claimed technical solutions from the prototype are not identified in other technical solutions and, therefore, provide the claimed solution with the criterion of "inventive step".

Описание чертежейDescription of drawings

На фигуре 1 представлены последовательности олигонуклеотидов, использованные в качестве праймеров для осуществления мутаций сайт-направленным мутагенезом.The figure 1 presents the sequence of oligonucleotides used as primers for mutations by site-directed mutagenesis.

На фигуре 2 представлен график, иллюстрирующий спектры биолюминесценции обелина дикого типа WT и мутантов обелина с двойной заменой: фенилаланин в 88-м положении на тирозин и в 119-м положении на триптофан (F88Y&F119W) и с заменой изолейцина в положении 144 аминокислотной последовательности обелина на гистидин (I144H).Figure 2 is a graph illustrating the bioluminescence spectra of wild-type WT obelin and obelin mutants with a double substitution: phenylalanine at position 88 at tyrosine and at position 119 at tryptophan (F88Y & F119W) and with isoleucine at position 144 of the obelin amino acid sequence replaced by histidine (I144H).

На фигуре 3 показаны графики зависимости интенсивности люминесценции от концентрации Са2+ (А) мутанта обелина OL I144H, (В) мутанта обелина OL F88Y&F119W. Обозначения: Δ - люминесценция мутантов, ○ - люминесценция обелина WT. Заполненные символы - концентрация кальция задавалась с помощью Са2+ - EGTA буферов. Открытые символы - концентрация кальция задавалась с помощью разведения раствора CaCl2. Интенсивность светового сигнала (L) выражена в единицах L/Lint, где Lint - суммарное количество квантов, излученное в ходе реакции, определенное с помощью кинетических измерений в тех же условиях в том же образце белка. Температура измерения 20°С. В правом нижнем углу графиков приведены спектры биолюминесценции соответствующих мутантных белков, интенсивность люминесценции выражена в относительных единицах, полученных при нормировании спектров на Lmax. Рядом с кривой цифрами обозначена длина волны, при которой наблюдается максимум биолюминесценции (λmax).The figure 3 shows a graph of the dependence of the luminescence intensity on the concentration of Ca 2+ (A) mutant obelin OL I144H, (B) mutant obelin OL F88Y & F119W. Designations: Δ - luminescence of mutants, ○ - luminescence of obelin WT. Filled symbols - calcium concentration was set using Ca 2+ - EGTA buffers. Open symbols - calcium concentration was set by diluting a CaCl 2 solution. The light signal intensity (L) is expressed in units of L / L int , where L int is the total number of quanta emitted during the reaction, determined using kinetic measurements under the same conditions in the same protein sample. Measurement temperature 20 ° C. The lower right corner of the graphs shows the bioluminescence spectra of the corresponding mutant proteins, the luminescence intensity is expressed in relative units obtained by normalizing the spectra to L max . Next to the curve, the numbers indicate the wavelength at which the maximum bioluminescence (λ max ) is observed.

На фигуре 4 представлены графики зависимости интенсивности люминесценции мутантного обелина OL F88Y (А) и акворина Aeq N33D (В) от концентрации Са2+. Обозначения: ○ - люминесценция мутантов в отсутствие Mg2+; □ - люминесценция мутантов в присутствии 1 мМ Mg2+. Остальные обозначения аналогичны фиг.3.The figure 4 presents graphs of the dependence of the luminescence intensity of the mutant obelin OL F88Y (A) and aquorin Aeq N33D (B) on the concentration of Ca 2+ . Designations: ○ - luminescence of mutants in the absence of Mg 2+ ; □ - luminescence of mutants in the presence of 1 mm Mg 2+ . The remaining designations are similar to FIG.

На фигуре 5 представлена таблица, в которой указаны основные характеристики биолюминесценции обелина WT и его мутантных вариантов: OL I144H и OL F88Y&F119W. Приведены характеристики биолюминесценции в растворе при рН 7.0. Биолюминесцентная активность выражена в процентных долях по отношению к удельной специфической активности обелина дикого типа (рекомбинантного). Параметр Lmin/Int обозначает интенсивность Са2+-независимой люминесценции, нормированную на суммарный световой выход. Са2+-независимая люминесценция (самопроизвольное излучение) является показателем стабильности фотопротеинов. kспада - характеризует скорость спада биолюминесцентного сигнала.Figure 5 presents a table that shows the main characteristics of the bioluminescence of obelin WT and its mutant variants: OL I144H and OL F88Y & F119W. The characteristics of bioluminescence in solution at pH 7.0 are presented. Bioluminescent activity is expressed as a percentage relative to the specific specific activity of wild-type obelin (recombinant). The parameter L min / Int denotes the intensity of Ca 2+ -independent luminescence, normalized to the total light output. Ca 2+ -independent luminescence (spontaneous emission) is an indicator of the stability of photoproteins. k decay - characterizes the decay rate of a bioluminescent signal.

Последовательности, представленные в конце описания, описывают последовательности ДНК и аминокислот следующим образом:The sequences presented at the end of the description describe the DNA and amino acid sequences as follows:

Последовательность №1: представляет ДНК последовательность, кодирующую мутантный фотопротеин настоящего изобретения, в которой кодоны дикого типа Obelia longissima в положениях 262-264 и 355-357 подверглись мутациям, для тирозина основание 263 в результате мутации представлено А, для триптофана основания 356 и 357 в результате мутации представлены Т.Sequence No. 1: represents the DNA sequence encoding the mutant photoprotein of the present invention, in which wild-type codons Obelia longissima at positions 262-264 and 355-357 underwent mutations, for tyrosine, base 263 as a result of the mutation is A, for tryptophan bases 356 and 357 b The result of the mutation is T.

Последовательность №2: представляет аминокислотную последовательность фотопротеина настоящего изобретения, в которой аминокислота фенилаланин в положениях 88 и 119 Obelia longissima заменены на тирозин и триптофан соответственно.Sequence No. 2: represents the amino acid sequence of the photoprotein of the present invention, in which the amino acid phenylalanine at positions 88 and 119 of Obelia longissima are replaced by tyrosine and tryptophan, respectively.

Последовательность №3: представляет ДНК последовательность, кодирующую другой мутантный фотопротеин настоящего изобретения, в которой мутирован кодон дикого типа Obelia longissima в положении 430-432 таким образом, что основания в положении 430 и 431 представлены С и А.Sequence No. 3: represents the DNA sequence encoding another mutant photoprotein of the present invention, in which the wild-type codon Obelia longissima at position 430-432 is mutated so that the bases at positions 430 and 431 are represented by C and A.

Последовательность №4: представляет аминокислотную последовательность другого фотопротеина настоящего изобретения, в которой аминокислота изолейпин заменена на гистидин.Sequence No. 4: represents the amino acid sequence of another photoprotein of the present invention, in which the isoleipine amino acid is replaced by histidine.

Пример 1Example 1

Получение мутантных фотопротеинов с измененной чувствительностью к кальцию и спектрами излучения.Obtaining mutant photoproteins with altered sensitivity to calcium and radiation spectra.

Все генно-инженерные манипуляции, если не оговорено особо, были выполнены с помощью методов, хорошо известных для специалистов в данной области.All genetic engineering manipulations, unless otherwise noted, were performed using methods well known to those skilled in the art.

Сайт-направленный мутагенез для получения мутантных форм обелина проводился методом ПЦР с использованием набора для направленного на сайт мутагенеза QuikChange® Site-Directed Mutagenesis Kit (Stratagene, США), следуя руководству к набору. В качестве матрицы использовали плазмиду, содержащую ген обелина дикого типа pET19-OL8. Праймеры для введения единичных аминокислотных замен были синтезированы в ООО «Синтол» (Россия). Последовательности олигонуклеотидных праймеров и их комплементарных партнеров представлены на фиг.1. Все полученные мутации были подтверждены секвенированием полученной ДНК. Нуклеотидную последовательность ДНК определяли на системе для секвенирования Amerlight (Amersham, Великобритания) с использованием Themo Sequenase™ Cy™5 Dye Terminator Kit (Amersham, Великобритания). Для каждого комплекта из 4-х реакций (один образец) готовили реакционную смесь комбинацией следующих компонентов в одной пробирке: 1 мкг ДНК-матрицы (0.5 мкг/мкл), 4 пмоль сиквенсового праймера (20 мкМ), реакционного буфера, термосеквеназы (10 U/µ1), 2 мкл A, G, С или Т-смеси. Программа амплификации включала 31 цикл со следующими параметрами: 95°С 30 сек, следующие 30 циклов (95°С 30 сек, 56°С 30 сек, 72°С 1 мин 20 сек). Полученные образцы переосаждали этанолом с ацетатом аммония и глицерином, осадок получали центрифугированием в течение 15 мин при 16000 g, высушивали на воздухе и растворяли в 8 мкл стоп-раствора каждый. Затем ДНК денатурировали нагреванием в течение 3 минут при 72°С и помещали в лед до нанесения на гель. В качестве электрофорезного буфера использовали ТВЕ×0.5. На гель наносили по 1/2 объема реакции. Разделение осуществляли согласно стандартной программы ALFWin Control (Amerlight, Великобритания) при следующих условиях: 1500 В, 25 мА, 750 мин. Данные обрабатывали с помощью программы ALF Express.Site-directed mutagenesis to obtain mutant obelin forms was performed by PCR using the QuikChange® Site-Directed Mutagenesis Kit (Stratagene, United States) site-directed mutagenesis kit, following the instructions for the kit. A plasmid containing the wild-type obelin gene pET19-OL8 was used as a matrix. Primers for introducing single amino acid substitutions were synthesized at Syntol LLC (Russia). The sequence of oligonucleotide primers and their complementary partners are presented in figure 1. All obtained mutations were confirmed by sequencing of the obtained DNA. The nucleotide sequence of the DNA was determined on an Amerlight sequencing system (Amersham, UK) using Themo Sequenase ™ Cy ™ 5 Dye Terminator Kit (Amersham, UK). For each set of 4 reactions (one sample), the reaction mixture was prepared by a combination of the following components in one tube: 1 μg DNA template (0.5 μg / μl), 4 pmol of sequencing primer (20 μM), reaction buffer, thermosequenase (10 U / μ1), 2 μl of A, G, C or T-mixture. The amplification program included 31 cycles with the following parameters: 95 ° C for 30 sec, the next 30 cycles (95 ° C for 30 sec, 56 ° C for 30 sec, 72 ° C for 1 min 20 sec). The resulting samples were reprecipitated with ethanol with ammonium acetate and glycerol, the precipitate was obtained by centrifugation for 15 min at 16,000 g, dried in air and dissolved in 8 μl of a stop solution each. Then, the DNA was denatured by heating for 3 minutes at 72 ° C and placed in ice until applied to the gel. As an electrophoresis buffer, TBE × 0.5 was used. 1/2 of the reaction volume was applied to the gel. Separation was carried out according to the standard ALFWin Control program (Amerlight, UK) under the following conditions: 1500 V, 25 mA, 750 min. Data was processed using the ALF Express program.

Белки экспрессировали в клетках Е.соli и получали в высокоочищенном виде по методу, разработанному для обелина дикого типа (WT). Клеточную пасту суспендировали в пятикратном объеме 0,02 М Трис-HCl, рН 7.0 и разрушали озвучиванием при помощи ультразвукового дезинтегратора UD-20 (Techpan, Польша) 5-кратно по 20 сек при охлаждении льдом. Полученную смесь центрифугировали (14000 g, 2.9 мин). Осадок, состоящий в основном из телец включения, промывали, ресуспендируя последовательно растворами 0,02 М Трис-HCl, рН 7.0, содержащими 0,9% NaCl, 0,1% Тритон Х-100, 5 мМ CaCl2. Тельца включения растворяли в 2,5-кратном объеме 6 М мочевины, содержащей 20 мМ Трис-HCl и 5 мМ CaCl2 (40°С, в течение ночи), затем снова центрифугировали. Супернатант хроматографировали на колонке, заполненной DEAE-Sepharose FF (2×3,5 см) (хроматографическая система FPLC, Pharmacia, Швеция). Элюцию веществ с колонки проводили буфером, содержащим 6 М мочевину, 5 мМ CaCl2 0,02 М Трис-HCl рН 7.0 в градиенте концентраций NaOAc от 0 до 0,5 М. Скорость элюции составляла 2 мл/мин.Proteins were expressed in E. coli cells and obtained in highly purified form according to the method developed for wild-type obelin (WT). The cell paste was suspended in a five-fold volume of 0.02 M Tris-HCl, pH 7.0, and destroyed by sonication using a UD-20 ultrasonic disintegrator (Techpan, Poland) 5 times for 20 seconds under ice-cooling. The resulting mixture was centrifuged (14000 g, 2.9 min). The precipitate, consisting mainly of inclusion bodies, was washed by resuspending successively with solutions of 0.02 M Tris-HCl, pH 7.0, containing 0.9% NaCl, 0.1% Triton X-100, 5 mM CaCl 2 . Inclusion bodies were dissolved in a 2.5-fold volume of 6 M urea containing 20 mM Tris-HCl and 5 mM CaCl 2 (40 ° C. overnight), then centrifuged again. The supernatant was chromatographed on a column filled with DEAE-Sepharose FF (2 × 3.5 cm) (FPLC chromatographic system, Pharmacia, Sweden). The substances from the column were eluted with a buffer containing 6 M urea, 5 mM CaCl 2 0.02 M Tris-HCl pH 7.0 in a gradient of NaOAc concentrations from 0 to 0.5 M. The elution rate was 2 ml / min.

Чистоту конечных препаратов рекомбинантных апобелков, полученных после выделения, оценивали с помощью электрофореза в 12,5%-ном ПААГ в денатурирующих условиях (в присутствии 0.1%-ного SDS) по методу Лэммли.The purity of the final preparations of recombinant apoproteins obtained after isolation was evaluated by electrophoresis in 12.5% SDS page under denaturing conditions (in the presence of 0.1% SDS) according to the Laemmli method.

Активные фотопротеины получали инкубацией апобелков с 10-кратным молярным избытком субстрата - целентеразина в буфере, содержащем 20 мМ Tris-HCl, рН 7.0, 5 мМ ЭДТА, 5 мМ дитиотреитола при 4°С в течение как минимум 4-х часов.Active photoproteins were obtained by incubation of apoproteins with a 10-fold molar excess of the substrate, celenterazine, in a buffer containing 20 mM Tris-HCl, pH 7.0, 5 mM EDTA, 5 mM dithiothreitol at 4 ° C for at least 4 hours.

Активированные белки отделяли от алобелков ионообменной хроматографией на колонке Mono Q 5/5 с помощью хроматографической системы FPLC, Pharmacia, Швеция. Элюцию белков с колонки проводили в 20 мМ Tris-HCl, pH 7, 5 мМ ЭДТА градиентом NaCl (0-0,35 М).Activated proteins were separated from alobella by ion exchange chromatography on a Mono Q 5/5 column using the FPLC chromatographic system, Pharmacia, Sweden. Protein elution from the column was performed in 20 mM Tris-HCl, pH 7, 5 mM EDTA with a NaCl gradient (0-0.35 M).

Пример 2Example 2

Определение чувствительности фотопротеинов к ионам кальцияDetermination of the sensitivity of photoproteins to calcium ions

Определение чувствительности фотопротеинов к Ca2+ основано на том, что низкие концентрации Ca2+ задаются с помощью кальциевых буферных растворов (Ca2+-EGTA буферов), а высокие - простым разбавлением раствора CaCl2. Кальциевые буферные растворы готовили из двух стоковых растворов путем реципрокного разбавления: один из них содержал эквимолярное количество Ca2+ и хелатора - EGTA, другой точно такое же количество хелатора, но без Ca2+. Для определения концентрации кальция в готовых растворах использовали равновесную константу диссоциации хелатора, которая зависит от pH, ионной силы и температуры раствора. Все используемые растворы и посуда требуют тщательной обработки от следов ионов Ca2+ и EGTA. С этой целью все используемые растворы пропускали через колонку с сорбентом Chelex-100, связывающим следовые количества ионов кальция (Sigma). Для приготовления растворов использовали деионизованную воду (18.2 МОм). Во время измерений температура как растворов, так и измерительного кюветного блока поддерживалась на постоянном уровне (20°С).The determination of the sensitivity of photoproteins to Ca 2+ is based on the fact that low Ca 2+ concentrations are set using calcium buffer solutions (Ca 2+ -EGTA buffers), and high ones are determined by simple dilution of a CaCl 2 solution. Calcium buffer solutions were prepared from two stock solutions by reciprocal dilution: one of them contained an equimolar amount of Ca 2+ and a chelator - EGTA, the other exactly the same amount of chelator, but without Ca 2+ . To determine the concentration of calcium in the finished solutions, the equilibrium chelator dissociation constant was used, which depends on the pH, ionic strength, and temperature of the solution. All solutions and utensils used require careful handling of traces of Ca 2+ and EGTA ions . To this end, all the solutions used were passed through a column with a Chelex-100 sorbent that binds trace amounts of calcium ions (Sigma). For the preparation of solutions, deionized water (18.2 MΩ) was used. During the measurements, the temperature of both the solutions and the measuring cuvette block was maintained at a constant level (20 ° C).

Белковые растворы также очищались от следов ионов Ca2+ и EGTA посредством гель-фильтрации на колонке: 1.5×6.5 см D-Salt Dextran Desalting column (Pierce) в буфере, включающем 150 мМ KCl, 5 мМ PIPES, pH 7.0. Фракции, содержащие белок, идентифицировали по биолюминесцентной активности, при этом во избежание контаминации EGTA для определения зависимости биолюминесцентной активности от концентрации Ca2+ собирали только самые первые выходящие с колонки белковые фракции. Измерение светового сигнала проводили впрыскиванием 10 мкл таким образом подготовленного раствора фотопротеина в 1 мл Ca2+-раствора. Интенсивность светового сигнала (L) была выражена в единицах L/Lint, где Lint - суммарное количество квантов, излученное в ходе реакции, определенное с помощью кинетических измерений в тех же условиях в том же образце белка. Люминометр имел три фильтра разной оптической плотности, ослабляющих излучение, что позволило записать сигналы, отличающиеся по величине на 8 порядков.Protein solutions were also purified from traces of Ca 2+ and EGTA ions by gel filtration on a column: 1.5 × 6.5 cm D-Salt Dextran Desalting column (Pierce) in a buffer containing 150 mM KCl, 5 mM PIPES, pH 7.0. Fractions containing protein were identified by bioluminescent activity, and in order to avoid EGTA contamination, only the very first protein fractions leaving the column were collected to determine the dependence of bioluminescent activity on Ca 2+ concentration. The light signal was measured by injecting 10 μl of the thus prepared solution of photoprotein in 1 ml of a Ca 2+ solution. The light signal intensity (L) was expressed in units of L / L int , where L int is the total number of quanta emitted during the reaction, determined using kinetic measurements under the same conditions in the same protein sample. The luminometer had three filters of different optical density, attenuating the radiation, which made it possible to record signals differing in magnitude by 8 orders of magnitude.

Для определения чувствительности фотопротеинов к Са2+ в присутствии 1 мМ Mg2+, обессоленный белковый образец выдерживали в течение 1 часа с 1 мМ MgCl2. Все Са2+-растворы также содержали 1 мМ Mg2+.To determine the sensitivity of photoproteins to Ca 2+ in the presence of 1 mM Mg 2+ , the desalted protein sample was kept for 1 hour with 1 mM MgCl 2 . All Ca 2+ solutions also contained 1 mM Mg 2+ .

В результате изучения зависимости интенсивности люминесценции от концентрации Са2+ были определены следующие показатели:As a result of studying the dependence of the luminescence intensity on the concentration of Ca 2+ , the following indicators were determined:

а) диапазон чувствительности к Са2+;a) the range of sensitivity to Ca 2+ ;

б) Lmin/Lmax - отношение нижней и верхней границ диапазона люминесцентного ответа, характеризующее ширину диапазона люминесцентного ответа;b) L min / L max - the ratio of the lower and upper boundaries of the range of the luminescent response, characterizing the width of the range of the luminescent response;

в) Lmin/Int - интенсивность Са2+-независимой люминесценции, нормированная на суммарный световой выход.c) L min / Int is the intensity of Ca 2+ -independent luminescence, normalized to the total light output.

Зависимость интенсивности люминесценции мутантных фотопротеинов от концентрации Са2+ представлена как функция логарифма нормированной люминесценции (log(L/Lint)) от логарифма концентрации Са2+ (log[Ca2+]). Диапазон чувствительности к Са2+ у мутантного фотопротеина I144H расположен в интервале -7.6 - -4.7 и сдвинут в сторону более низких концентраций Са2+ по сравнению с фотопротеином дикого типа, что означает увеличение чувствительности мутантов к Са2+. Напротив, замены F88Y&F119W приводят к смещению диапазона чувствительности к Са2+ в сторону более высоких концентраций иона, и диапазон составляет -6.5 - -3.6 (на порядок меньше по сравнению с обелином дикого типа). Данные мутантные фотопротеины выбраны как наиболее перспективные из ряда запланированных и исследованных точечных замен в последовательности обелина, включающих: С51А, F72V, V118F, E41G, D133E&I132V, F119W, L160D, F88W, F88Y, F88H, F88R, W92F, W92H, W92E, W92K, W92R, W92F&H22E, Н22Е, H22N, M25F, M25Y, М25Н, М25К, M25R, I144W, I144H, I144Q, Y138F, Y138W. Для мутантного фотопротеина F88Y&F119W величина Lmin/Lmax составляет почти 10-7, для мутанта I144H - 10-6. Сужение ширины диапазона люминесцентного ответа в случае последнего объясняется возрастанием интенсивности люминесценции в отсутствие Са2+ (возрастанием нижней границы диапазона) Lmin/Int.The dependence of the luminescence intensity of mutant photoproteins on the concentration of Ca 2+ is presented as a function of the logarithm of normalized luminescence (log (L / L int )) on the logarithm of the concentration of Ca 2+ (log [Ca 2+ ]). The sensitivity range for Ca 2+ in the mutant I144H photoprotein is in the range of -7.6 - -4.7 and is shifted towards lower Ca 2+ concentrations compared to the wild-type photoprotein, which means an increase in the sensitivity of mutants to Ca 2+ . In contrast, substitutions of F88Y & F119W lead to a shift in the sensitivity range to Ca 2+ towards higher ion concentrations, and the range is -6.5 - -3.6 (an order of magnitude smaller compared to the wild-type obelin). These mutant photoproteins were selected as the most promising of a number of planned and investigated point substitutions in the obelin sequence, including: C51A, F72V, V118F, E41G, D133E & I132V, F119W, L160D, F88W, F88Y, F88H, F88R, W92F, W92H, W92H, W92H, W92H W92R, W92F & H22E, H22E, H22N, M25F, M25Y, M25H, M25K, M25R, I144W, I144H, I144Q, Y138F, Y138W. For the mutant photoprotein F88Y & F119W, the value of L min / L max is almost 10 -7 , for the mutant I144H - 10 -6 . The narrowing of the width of the range of the luminescent response in the case of the latter is explained by an increase in the luminescence intensity in the absence of Ca 2+ (an increase in the lower boundary of the range) L min / Int.

Ионы магния (Mg2+) обладают меньшей аффинностью к кальций-связывающим сайтам фотопротеинов, чем ионы кальция (Са2+). Но их присутствие может отразиться на чувствительности к Са2+. Присутствие Mg2+ в физиологической концентрации (1 мМ) никак не влияет на чувствительность мутантных фотопротеинов настоящего изобретения к Са2+. Это выражается в том, что Са2+-кривые в отсутствие ионов магния и в присутствии 1 мМ Mg2+ идентичны. Отсутствие влияния ионов магния на чувствительность к ионам кальция свойственно и для исходного белка - обелина дикого типа (WT). По этому признаку обелин отличается от другого фотопротеина - акворина, несмотря на то, что оба белка близкородственны и структурные отличия между ними минимальны. Мы сконструировали 2 мутанта акворина: первый с заменой 33-го аспарагина на аспарагиновую кислоту в 1-ом Са2+-связывающем сайте акворина (N33D), второй - с заменой фенилаланина в 156-м положении на серин, находящегося в гидрофобной области белковой глобулы (F156S). Определили чувствительность полученных мутантов акворина к кальцию. Оказалось, что оба фотопротеина обладают повышенной чувствительностью к Са2+ по сравнению с акворином дикого типа, что характеризуется смещением диапазона чувствительности к Са2+ в сторону более низких концентраций Са2+. Добавление 1 мМ Mg2+ во все используемые в эксперименте растворы радикально сдвигает Са2+-кривые в сторону более высоких концентраций иона. На фигуре 4 представлены примеры влияния присутствия ионов магния на чувствительность к кальцию обелинового мутанта и акворинового мутанта.Magnesium ions (Mg 2+ ) have less affinity for the calcium-binding sites of photoproteins than calcium ions (Ca 2+ ). But their presence may affect sensitivity to Ca 2+ . The presence of Mg 2+ at physiological concentration (1 mM) does not affect the sensitivity of the mutant photoproteins of the present invention to Ca 2+ . This is expressed in the fact that the Ca 2+ curves in the absence of magnesium ions and in the presence of 1 mM Mg 2+ are identical. The absence of the effect of magnesium ions on sensitivity to calcium ions is also characteristic of the initial protein, wild-type obelin (WT). According to this feature, obelin differs from another photoprotein - aquorin, despite the fact that both proteins are closely related and structural differences between them are minimal. We constructed 2 aquorin mutants: the first with the replacement of the 33rd asparagine with aspartic acid in the 1st Ca 2+ -binding site of the aquorin (N33D), the second with the replacement of phenylalanine at the 156th position with serine located in the hydrophobic region of the protein globule (F156S). The sensitivity of the obtained aquorin mutants to calcium was determined. It turned out that both photoproteins have an increased sensitivity to Ca 2+ compared to wild-type aquorin, which is characterized by a shift in the sensitivity range to Ca 2+ towards lower Ca 2+ concentrations. The addition of 1 mM Mg 2+ to all the solutions used in the experiment radically shifts the Ca 2+ curves toward higher ion concentrations. The figure 4 presents examples of the influence of the presence of magnesium ions on the sensitivity to calcium of an obelin mutant and an aquorin mutant.

Пример 3Example 3

Основные биолюминесцентные свойства фотопротеиновBasic bioluminescent properties of photoproteins

Относительную удельную биолюминесцентную активность (относительно обелина дикого типа) мутантов определяли с помощью планшетного люминометра Luminoskan vl.30 (Labsystems, Финляндия). Для этого в лунки непрозрачного планшета вносили по 50 мкл раствора фотопротеина в 20 мМ Tris-HCl-буфере, рН 7.0, содержащем 5 мМ EDTA и 0,2 М NaCl. Реакцию запускали впрыскиванием 50 мкл 100 мМ Tris-HCl-буфера, рН 8.8, содержащего 100 мМ CaCl2, в каждую лунку планшета. Время сканирования сигнала - от 5 сек до 1 мин в зависимости от скорости люминесцентной реакции каждого из белков.The relative specific bioluminescent activity (relative to wild-type obelin) of the mutants was determined using a Luminoskan vl.30 plate luminometer (Labsystems, Finland). For this, 50 μl of a solution of photoprotein in 20 mM Tris-HCl buffer, pH 7.0, containing 5 mM EDTA and 0.2 M NaCl was added to the wells of an opaque plate. The reaction was started by injecting 50 μl of 100 mM Tris-HCl buffer, pH 8.8, containing 100 mM CaCl 2 into each well of the plate. The signal scanning time is from 5 sec to 1 min, depending on the speed of the luminescent reaction of each of the proteins.

Биолюминесцентная активность мутантного фотопротеина F88Y&F119W идентична активности фотопротеина дикого типа (WT), активность мутантного фотопротеина I144H ниже на 40% (фиг.5).The bioluminescent activity of the F88Y & F119W mutant photoprotein is identical to the wild-type (WT) photoprotein activity, the activity of the mutant I144H photoprotein is 40% lower (Fig. 5).

Кальций-независимая люминесценция была измерена в белковых образцах (0,5-2,0 мг/мл), содержащих 2 мМ EDTA, помещенных в кювету люминометра.Calcium-independent luminescence was measured in protein samples (0.5-2.0 mg / ml) containing 2 mM EDTA placed in a luminometer cuvette.

Уровень кальций-независимой люминесценции, характеризующий стабильность фотопротеина, как комплекса белок-субстрат, у «двойного» мутанта такие же, как и у обелина дикого типа, а у «одинарного» в 10 раз выше, но при использовании этого белка для исследований in vivo, это не существенно, поскольку комплекс белок-субстрат образуется при проникновении гидрофобного субстрата в клетку и не требует его долгосрочного хранения.The level of calcium-independent luminescence, which characterizes the stability of the photoprotein as a protein-substrate complex, in the "double" mutant is the same as in the wild-type obelin, and in the "single" 10 times higher, but when using this protein for in vivo studies , this is not significant, since the protein-substrate complex is formed upon the penetration of a hydrophobic substrate into the cell and does not require its long-term storage.

Спектры биолюминесценции были измерены на спектрофлуориметре AMINCO (Thermo Spectronic, США). Все спектры излучения были корректированы на чувствительность ФЭУ к различным длинам волн с помощью программного обеспечения прибора. Спектры биолюминесценции измеряли в белковых растворах, содержащих 1 мМ EDTA, 50 мМ Бис-Трис пропан, рН 7.0, при впрыскивании раствора CaCl2 в том же буфере. Концентрация свободного кальция в реакционной смеси составляла около 0.5 µM (концентрация была рассчитана с помощью компьютерной программы Maxichelator) для того, чтобы обеспечить постоянный уровень свечения во время записи спектра излучения. Измерения были выполнены при комнатной температуре.Bioluminescence spectra were measured on an AMINCO spectrofluorimeter (Thermo Spectronic, USA). All emission spectra were corrected for the sensitivity of the PMT to various wavelengths using the instrument software. Bioluminescence spectra were measured in protein solutions containing 1 mM EDTA, 50 mM Bis-Tris propane, pH 7.0, by injection of a CaCl 2 solution in the same buffer. The concentration of free calcium in the reaction mixture was about 0.5 μM (the concentration was calculated using the Maxichelator computer program) in order to ensure a constant level of luminescence during recording of the radiation spectrum. Measurements were performed at room temperature.

Обелин дикого типа генерирует голубую биолюминесценцию с максимумом 482 нм и плечом в районе 400 нм. Максимум биолюминесценции мутантного фотопротеина F88Y&F119W расположен в «синей» части спектра и равен 455 нм. Максимум биолюминесценции мутантного фотопротеина I144H расположен в «зеленой» части спектра и равен 505 нм. Спектры обоих фотопротеинов изобретения мономодальны и не содержат других пиков.The wild-type obelin generates blue bioluminescence with a maximum of 482 nm and a shoulder in the region of 400 nm. The maximum bioluminescence of the mutant F88Y & F119W photoprotein is located in the “blue” part of the spectrum and is equal to 455 nm. The maximum bioluminescence of the mutant I144H photoprotein is located in the "green" part of the spectrum and is equal to 505 nm. The spectra of both photoproteins of the invention are monomodal and do not contain other peaks.

Константа спада биолюминесцентного сигнала была рассчитана по кривой спада, которая была записана при впрыске насыщающей концентрации Ca2+ в образец, находящийся в кювете люминометра, по формуле kспада=ln(I1/I2)/Δt (сек).The decay constant of the bioluminescent signal was calculated from the decay curve, which was recorded when the saturating concentration of Ca 2+ was injected into the sample in the luminometer cuvette, by the decay formula k = ln (I 1 / I 2 ) / Δt (sec).

Кинетика биолюминесцентной реакции мутантов характеризуется более медленным спадом интенсивности по сравнению с обелином дикого типа. Константа спада биолюминесцентного сигнала для F88Y&F119W составляет 1.6 сек-1, что в 4 раза меньше, чем у обелина WT, для I144H константа составляет 6.1, что также меньше значения константы обелина дикого типа. Медленное свечение - еще одно преимущество фотопротеина как внутриклеточного репортерного белка, поскольку упрощает регистрацию светового потока.The kinetics of the bioluminescent reaction of the mutants is characterized by a slower decrease in intensity compared to the wild-type obelin. The decay constant of the bioluminescent signal for F88Y & F119W is 1.6 sec -1 , which is 4 times less than that of Obelin WT, for I144H it is 6.1, which is also less than the value of the wild-type obelin constant. Slow luminescence is another advantage of photoprotein as an intracellular reporter protein, because it simplifies the registration of light flux.

Пример 4Example 4

Получение плазмид, содержащих ДНК настоящего изобретенияObtaining plasmids containing the DNA of the present invention

Плазмиды pCMV/myc/mito и pcDNA3.1(+) получены от hwtrogene Corporation, USA. Олигонуклеотидные праймеры были синтезированы ЗАО «Биосан», Россия.Plasmids pCMV / myc / mito and pcDNA3.1 (+) were obtained from hwtrogene Corporation, USA. Oligonucleotide primers were synthesized by Biosan CJSC, Russia.

Праймер, содержащий сайт рестрикции для нуклеазы KpnI для конструирования вектора, содержащего ген мутантного фотопротеина OL I144H, на основе pcDNA3.1(+) с помощью ПЦР характеризуется последовательностью:The primer containing the restriction site for KpnI nuclease for constructing a vector containing the mutant photoprotein gene OL I144H, based on pcDNA3.1 (+) using PCR is characterized by the sequence:

olig №1 - 5'-TAACTTTAAGAAGGAGAGGTACCATGGCT-3'.olig No. 1 - 5'-TAACTTTAAGAAGGAGA GGTACC ATGGCT-3 '.

Праймер, содержащий сайт рестрикции для нуклеазы PstI, для конструирования вектора, содержащего ген мутантного фотопротеина OL F88Y&F119W, на основе pCMV/myc/mito с помощью ПЦР, имеет следующую последовательность:The primer containing the restriction site for PstI nuclease, for constructing a vector containing the mutant photoprotein gene OL F88Y & F119W, based on pCMV / myc / mito using PCR, has the following sequence:

olig №2 - 5'-CTTTAAGAAGGAGATATCTGCAGGCTTCAAAATACGCA-3'.olig No. 2 - 5'-CTTTAAGAAGGAGATAT CTGCAG GCTTCAAAATACGCA-3 '.

Праймер для синтеза сайта рестрикции для нуклеазы XhoI, комплементарный концевой части последовательности обелина представлен:The primer for the synthesis of the restriction site for XhoI nuclease, complementary to the end of the obelin sequence is:

olig №3 - 5'-TACTCGAGATTAGGGAACTCCGTTGC-3'.olig No. 3 - 5'-TACTCGAGATTAGGGAACTCCGTTGC-3 '.

Для получения pCMV-OL88/119 вставку, содержащую кодирующую последовательность мутантного фотопротеина OL F88Y&F119W (Seq. 1) с концевьми сайтами рестрикции PstI и XhoI, получали на основе pET19b-OL88/119 путем ПЦР с праймерами olig №2 и olig №3. Рестрикцию фрагмента и вектора проводили с помощью PstI и XhoI (СибЭнзим, Россия), после чего препаративно очищали с помощью электрофореза в агарозном геле и лигировали.To obtain pCMV-OL88 / 119, an insert containing the coding sequence of the mutant photoprotein OL F88Y & F119W (Seq. 1) with terminal restriction sites PstI and XhoI was obtained on the basis of pET19b-OL88 / 119 by PCR with olig primers No. 2 and olig No. 3. The fragment and vector restriction was performed using PstI and XhoI (SibEnzyme, Russia), after which they were preparatively purified by agarose gel electrophoresis and ligated.

Для получения pcDNA3.1(+)-OL144 вставку, содержащую кодирующую последовательность мутантного фотопротеина OL I144H (Seq. 3) с концевыми сайтами рестрикции KpnI и XhoI, получали на основе pET19b-OL144 путем ПЦР с праймерами olig №1 и olig №3. Рестрикцию фрагмента и вектора проводили с помощью KpnI и XhoI (СибЭнзим, Россия), после чего препаративно очищали с помощью электрофореза в агарозном геле и лигировали.To obtain pcDNA3.1 (+) - OL144 an insert containing the coding sequence of the mutant photoprotein OL I144H (Seq. 3) with restriction end sites KpnI and XhoI was obtained on the basis of pET19b-OL144 by PCR with primers olig No. 1 and olig No. 3. The restriction of the fragment and the vector was performed using KpnI and XhoI (SibEnzyme, Russia), after which they were preparatively purified by agarose gel electrophoresis and ligated.

Полученные конструкции были проверены секвенированием ДНК. Трансформацию плазмид в клетки СНО (клетки яичников китайского хомяка) проводили с помощью трансфицирующего агента FreeStyle MAX (Invitrogene). Селективный отбор клонов, содержащих плазмиду, проводили на среде с неомицином.The resulting constructs were verified by DNA sequencing. Transformation of plasmids into CHO cells (Chinese hamster ovary cells) was performed using the FreeStyle MAX transfection agent (Invitrogene). Selective selection of clones containing the plasmid was carried out on a medium with neomycin.

Получены новые мутантные формы фотопротеина обелина, характеризующиеся измененной чувствительностью к кальцию и одновременно измененной длиной волны испускаемого света. Новые фотопротеины отличаются от исходного варианта точечными заменами в аминокислотной последовательности. Получены два репортера, которые можно использовать в качестве внутриклеточных индикаторов кальция. Синий и зеленый цвет биолюминесценции, а также высокая и низкая чувствительность к кальцию позволяет изучать изменение концентрации кальция одновременно (с помощью двухволновой детекции) в двух клеточных компартментах с разным содержанием Са2+, например, в цитозоле, где [Са2+] в состоянии покоя составляет 0.05-0.1 мкМ, повышаясь до 10 мкМ при различных стимулах, и митохондриях, где [Са2+] достигает сотен мкМ. Данный способ определения содержания внутриклеточного кальция применим для изучения процессов в клетке, опосредованных действием ионов кальция, для определения функции рецепторов, лигандов, ионных каналов, для изучения воздействий на клетки различных веществ: лекарств, токсинов и др.New mutant forms of the obelin photoprotein are obtained, characterized by altered sensitivity to calcium and at the same time altered by the wavelength of the emitted light. New photoproteins differ from the original variant by point substitutions in the amino acid sequence. Two reporters were obtained that can be used as intracellular calcium indicators. The blue and green color of bioluminescence, as well as high and low sensitivity to calcium, allows one to study the change in calcium concentration simultaneously (using two-wave detection) in two cell compartments with different Ca 2+ contents, for example, in the cytosol, where [Ca 2+ ] is in a state rest is 0.05-0.1 μM, increasing to 10 μM with various stimuli, and mitochondria, where [Ca 2+ ] reaches hundreds of μM. This method of determining the content of intracellular calcium is applicable for studying processes in the cell mediated by the action of calcium ions, for determining the function of receptors, ligands, ion channels, for studying the effects on cells of various substances: drugs, toxins, etc.

Seq 1.Seq 1.

Figure 00000001
Figure 00000001

Seq 2.Seq 2.

Figure 00000002
Figure 00000002

Seq 3.Seq 3.

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Seq 4.Seq 4.

Figure 00000005
Figure 00000005

Claims (13)

1. Мутантный фотопротеин для определения внутриклеточного кальция одновременно в разных органеллах клетки, обладающий светоизлучающей функцией, и характеризующийся аминокислотной последовательностью кальций-регулируемого фотопротеина дикого типа, в которой природные остатки фенилаланина, относящиеся к консервативным областям названной последовательности и соответствующие остатку 119 фотопротеина обелина Obelia longissima (или остатку 120 фотопротеина акворина Aequorea victoria, или остатку 122 фотопротеина клитина Clytia gregaria), а также остатку 88 обелина Obelia longissima (или остатку 89 фотопротеина акворина Aequorea victoria, или остатку 91 фотопротеина клитина Clytia gregaria) заменены другими остатками, отличными от фенилаланина, замены которых приводят к тому, что чувствительность кальций-регулируемого фотопротеина к ионам кальция уменьшается по сравнению с фотопротеином дикого типа и изменяется длина волны испускаемого света по сравнению с фотопротеином дикого типа.1. A mutant photoprotein for determining intracellular calcium simultaneously in different cell organelles, having a light-emitting function, and characterized by the amino acid sequence of a wild-type calcium-regulated photoprotein, in which the natural residues of phenylalanine belong to the conserved regions of this sequence and correspond to the residue 119 of Obelia longima obelin photoprotein (Obelia longima or residue 120 of Aequorea victoria aquorin photoprotein, or residue Clytia gregaria photoprotein 122), as well as 88 obelin residue Obelia longissima (or residue 89 of the aquorin Aequorea victoria photoprotein, or residue 91 of the clitin Clytia gregaria photoprotein) has been replaced by other residues other than phenylalanine, the substitutions of which lead to a decrease in the sensitivity of the calcium-regulated photoprotein to calcium ions compared to the type protoprotein wild the wavelength of the emitted light changes in comparison with the wild-type photoprotein. 2. Мутантный фотопротеин по п.1, характеризующийся аминокислотной последовательностью, описанной в Seq. №2, отличающийся тем, что аминокислотный остаток, соответствующий остатку 119 в обелине Obelia longissima, является триптофаном, а аминокислотный остаток, соответствующий остатку 88 обелина Obelia longissima, представляет собой тирозин.2. The mutant photoprotein according to claim 1, characterized by the amino acid sequence described in Seq. No. 2, characterized in that the amino acid residue corresponding to residue 119 in Obelia longissima obelin is tryptophan, and the amino acid residue corresponding to Obelia longissima obelin residue 88 is tyrosine. 3. Мутантный фотопротеин для определения внутриклеточного кальция одновременно в разных органеллах клетки, обладающий светоизлучающей функцией и характеризующийся аминокислотной последовательностью кальций-регулируемого фотопротеина дикого типа, в которой природный остаток изолейцина, являющийся консервативной аминокислотой и соответствующий остатку 144 фотопротеина обелина Obelia longissima (или остатку 145 фотопротеина акворина Aequorea victoria, или остатку 147 фотопротеина клитина Clytia gregaria) заменен другим аминокислотным остатком, отличным от изолейцина, таким образом, что увеличивается чувствительность кальций-регулируемого фотопротеина к ионам кальция и изменяется длина волны излучения по сравнению с фотопротеином дикого типа.3. A mutant photoprotein for determining intracellular calcium simultaneously in different cell organelles, having a light-emitting function and characterized by the amino acid sequence of a wild-type calcium-regulated photoprotein, in which the natural isoleucine residue, which is a conserved amino acid and corresponding to residue 144 of Obelia longissima obelin photoprotein (or 145 aquorin Aequorea victoria, or residue 147 of the clitin photoprotein Clytia gregaria) is replaced by a different amino acid residue other than iso leucine, thus increasing the sensitivity of the calcium-regulated photoprotein to calcium ions and changing the radiation wavelength compared to wild-type photoprotein. 4. Мутантный фотопротеин по п.3, отличающийся тем, что гидрофобный аминокислотный остаток в положении 144 фотопротеина обелина Obelia longissima заменен на гидрофильный аминокислотный остаток.4. The mutant photoprotein according to claim 3, characterized in that the hydrophobic amino acid residue at position 144 of the Obelia longissima obelin photoprotein is replaced by a hydrophilic amino acid residue. 5. Мутантный фотопротеин по п.4, характеризующийся аминокислотной последовательностью, описанной в Seq. №4, где гидрофильная аминокислота, обеспечивающая увеличение чувствительности кальций-регулируемого фотопротеина к ионам кальция и изменение длины волны испускаемого света, представляет собой гистидин.5. The mutant photoprotein according to claim 4, characterized by the amino acid sequence described in Seq. No. 4, where the hydrophilic amino acid, providing an increase in the sensitivity of calcium-regulated photoprotein to calcium ions and a change in the wavelength of the emitted light, is histidine. 6. ДНК, кодирующая мутантный фотопротеин по п.2, характеризующаяся тем, что ее полинуклеотидная последовательность представляет собой последовательность фотопротеина обелина дикого типа, в которой кодоны, соответствующие аминокислотным остаткам в положениях 119 и 88, заменены кодонами, определяющими аминокислоты, отличные от фенилаланина, таким образом, что чувствительность кальций-регулируемого фотопротеина к ионам кальция уменьшается и изменяется длина волны испускаемого света по сравнению с фотопротеином дикого типа.6. The DNA encoding the mutant photoprotein according to claim 2, characterized in that its polynucleotide sequence is a wild-type obelin photoprotein sequence in which the codons corresponding to amino acid residues at positions 119 and 88 are replaced by codons defining amino acids other than phenylalanine, Thus, the sensitivity of the calcium-regulated photoprotein to calcium ions decreases and the wavelength of the emitted light changes in comparison with the wild-type photoprotein. 7. ДНК по п.6, отличающаяся тем, что имеет нуклеотидную последовательность, описанную в Seq. №1, где нуклеотиды в положениях 262-264 образуют кодон, кодирующий аминокислоту, обеспечивающую смещение максимума излучения в более коротковолновую область спектра, и нуклеотиды в положениях 355-357 образуют кодон, кодирующий аминокислоту, обеспечивающую уменьшение чувствительности фотопротеина к ионам кальция.7. DNA according to claim 6, characterized in that it has the nucleotide sequence described in Seq. No. 1, where the nucleotides at positions 262-264 form a codon encoding an amino acid that provides a shift of the maximum radiation in the shorter wavelength region of the spectrum, and the nucleotides at positions 355-357 form a codon encoding an amino acid that provides a decrease in the sensitivity of photoprotein to calcium ions. 8. ДНК по п.7, где нуклеотиды в положениях 262-264 кодируют тирозин и нуклеотиды в положениях 355-357 кодируют триптофан.8. The DNA according to claim 7, where the nucleotides at positions 262-264 encode tyrosine and the nucleotides at positions 355-357 encode tryptophan. 9. ДНК, кодирующая мутантный фотопротеин по п.5, характеризующаяся тем, что ее полинуклеотидная последовательность представляет собой последовательность фотопротеина обелина дикого типа, в которой кодон, соответствующий аминокислотному остатку в положении 144, заменен кодоном, определяющим аминокислоту, отличную от изолейцина, таким образом, что чувствительность кальций-регулируемого фотопротеина к ионам кальция увеличивается и изменяется длина волны испускаемого света по сравнению с фотопротеином дикого типа.9. The DNA encoding the mutant photoprotein according to claim 5, characterized in that its polynucleotide sequence is a wild-type obelin photoprotein sequence in which the codon corresponding to the amino acid residue at position 144 is replaced by a codon defining an amino acid other than isoleucine, thus that the sensitivity of the calcium-regulated photoprotein to calcium ions increases and the wavelength of the emitted light changes in comparison with the wild-type photoprotein. 10. ДНК по п.9, отличающаяся тем, что имеет нуклеотидную последовательность, описанную в Seq. №3, где нуклеотиды в положениях 430-432 образуют кодон, кодирующий аминокислоту, обеспечивающую смещение максимума излучения в более длинноволновую область спектра и увеличение чувствительности фотопротеина к ионам кальция.10. The DNA according to claim 9, characterized in that it has the nucleotide sequence described in Seq. No. 3, where the nucleotides at positions 430-432 form a codon encoding an amino acid that provides a shift in the radiation maximum to the longer wavelength region of the spectrum and an increase in the sensitivity of the photoprotein to calcium ions. 11. ДНК по п.10, где нуклеотиды в положениях 430-432 кодируют гистидин.11. The DNA of claim 10, where the nucleotides at positions 430-432 encode histidine. 12. Вектор для экспрессии белка, охарактеризованного в любом из пп.1 и 2, в клетках млекопитающих, представляющий собой плазмиду pCMV/myc/mito, в которую лигирована ДНК, охарактеризованная в любом из пп.6-8.12. A vector for the expression of the protein characterized in any of claims 1 and 2 in mammalian cells, which is a plasmid pCMV / myc / mito into which the DNA characterized in any of claims 6-8 is ligated. 13. Вектор для экспрессии белка, охарактеризованного в любом из пп.3-5, в клетках млекопитающих, представляющий собой плазмиду pcDNA3.1, в которую лигирована ДНК, охарактеризованная в любом из пп.9-11. 13. A vector for the expression of a protein characterized in any one of claims 3 to 5 in mammalian cells, which is a pcDNA3.1 plasmid into which the DNA characterized in any of claims 9 to 11 is ligated.
RU2008145953/10A 2008-11-20 2008-11-20 Mutant photoprotein (versions) for determining intracellular calcium simultaneously in different cell organelles RU2402566C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008145953/10A RU2402566C2 (en) 2008-11-20 2008-11-20 Mutant photoprotein (versions) for determining intracellular calcium simultaneously in different cell organelles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008145953/10A RU2402566C2 (en) 2008-11-20 2008-11-20 Mutant photoprotein (versions) for determining intracellular calcium simultaneously in different cell organelles

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008145953A RU2008145953A (en) 2010-05-27
RU2402566C2 true RU2402566C2 (en) 2010-10-27

Family

ID=42680009

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008145953/10A RU2402566C2 (en) 2008-11-20 2008-11-20 Mutant photoprotein (versions) for determining intracellular calcium simultaneously in different cell organelles

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2402566C2 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TRICOIRE L et al. Calcium dependence of aequorin bioluminescence dissected by random mutagenesis. Proc Natl Acad Sci USA. 2006 Jun 20; 103(25):9500-5. KENDALL J.M. et al. Targeting aequorin to the endoplasmic reticulum of living cells. Biochem Biophys Res Commun. 1992 Dec 15; 189(2): 1008-16. MARKOVA S.V. et al. Obelin from the bioluminescent marine hydroid Obelia geniculata: cloning, expression, and comparison of some properties with those of other Ca2+-regulated photoproteins. Biochemistry. 2002 Feb 19; 41(7):2227-36. МАЛИКОВА Н.П. Роль триптофановых остатков активного центра в биолюминесцентной реакции фотопротеина обелина. Автореферат на соискание ученой степени кандидата биологических наук. - Красноярск, 2004. ВЫСОЦКИЙ Е.С. и др. Кальций-регулируемые фотопротеины морских кишечнополостных. Молекулярная биология, 2006, том 40, №3, с.404-417. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008145953A (en) 2010-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shkrob et al. Far-red fluorescent proteins evolved from a blue chromoprotein from Actinia equina
JP4962981B2 (en) Photoproteins with enhanced bioluminescence and their use as intracellular calcium indicators
US20060041108A1 (en) Renilla reniformis green fluorescent protein
Schmid et al. Pigment binding of photosystem I light-harvesting proteins
KR20050053783A (en) Photoprotein with improved bioluminescence
US7795397B2 (en) Red and near infrared flourescent phyotochrome
US6573059B1 (en) Use of the regulatory subunit of the camp dependent protein kinase (PKA) from dictyostelium for camp measurements
Inouye Cloning, expression, purification and characterization of an isotype of clytin, a calcium-binding photoprotein from the luminous hydromedusa Clytia gregarium
US8420390B2 (en) Circular permutant GFP insertion folding reporters
US20090203035A1 (en) Fluorescent proteins with increased photostability
JP4480674B2 (en) Fluorescent protein derived from Copepoda species and method of using the protein
RU2402566C2 (en) Mutant photoprotein (versions) for determining intracellular calcium simultaneously in different cell organelles
WO2001032688A9 (en) Renilla reniformis green fluorescent protein
US8709981B2 (en) Isolated Australian coral reef fluorescent proteins and cell-based kinase or phosphatase platforms for cancer drug development
Zeller et al. Developmental utilization of SpP3A1 and SpP3A2: two proteins which recognize the same DNA target site in several sea urchin gene regulatory regions
Ahmed et al. Over the rainbow: structural characterization of the chromoproteins gfasPurple, amilCP, spisPink and eforRed
JP4427671B2 (en) Monitor protein for measuring protein processing
Bulina et al. New class of blue animal pigments based on Frizzled and Kringle protein domains
US10745439B2 (en) Kinase substrates and methods of use thereof
US20210247384A1 (en) Biosensors for detecting arrestin signaling
JP6473080B2 (en) Forster Resonance Energy Transfer Polypeptide
US20020142424A1 (en) Photoprotein derived from okinawan squid and gene encoding the photoprotein
RU2338785C2 (en) Fluorescing proteins and chromoproteins from kinds hydrozoa which are not concerning to aequorea, and methods of their obtaining
Roca Burgos Expression, Purification and Biophysical Characterization of ATP Independent Luciferase From Gaussia princeps
DK2021362T3 (en) Fluorescent proteins and genes encoding them

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20111121