RU2603060C2 - Modified biosensor for detecting intracellular ph - Google Patents

Modified biosensor for detecting intracellular ph Download PDF

Info

Publication number
RU2603060C2
RU2603060C2 RU2014153301/10A RU2014153301A RU2603060C2 RU 2603060 C2 RU2603060 C2 RU 2603060C2 RU 2014153301/10 A RU2014153301/10 A RU 2014153301/10A RU 2014153301 A RU2014153301 A RU 2014153301A RU 2603060 C2 RU2603060 C2 RU 2603060C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
protein
nucleic acid
biosensor
fluorescence
cell
Prior art date
Application number
RU2014153301/10A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014153301A (en
Inventor
Всеволод Вадимович Белоусов
Михаил Егорович Матлашов
Елена Вадимовна Загайнова
Юлия Геннадьевна Ермакова
Сергей Анатольевич Лукьянов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородская государственная медицинская академия" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО НижГМА Минздрава России)
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородская государственная медицинская академия" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО НижГМА Минздрава России) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородская государственная медицинская академия" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО НижГМА Минздрава России)
Priority to RU2014153301/10A priority Critical patent/RU2603060C2/en
Publication of RU2014153301A publication Critical patent/RU2014153301A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2603060C2 publication Critical patent/RU2603060C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6897Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids involving reporter genes operably linked to promoters
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07HSUGARS; DERIVATIVES THEREOF; NUCLEOSIDES; NUCLEOTIDES; NUCLEIC ACIDS
    • C07H21/00Compounds containing two or more mononucleotide units having separate phosphate or polyphosphate groups linked by saccharide radicals of nucleoside groups, e.g. nucleic acids
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07KPEPTIDES
    • C07K14/00Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof

Abstract

FIELD: biotechnologies.
SUBSTANCE: group of inventions relates to biotechnology. Group of inventions includes a nucleic acid, which encodes a fluorescent biosensor for detecting change in pH, amino acid sequence of which is shown in SEQ ID No: 4, as well as an expression cassette and eucariotic cell producing a biosensor.
EFFECT: group of inventions is aimed at biosensors for detecting change in pH in living cells, having high fluorescence brightness.
4 cl, 6 dwg, 4 ex

Description

1. Область изобретения1. Field of invention

[01] Данное изобретение относится в основном к области биологии и химии. В частности, изобретение направлено на биосенсоры для детекции рН, сконструированные на основе флуоресцентных белков.[01] This invention relates generally to the field of biology and chemistry. In particular, the invention is directed to biosensors for pH detection, designed on the basis of fluorescent proteins.

2. Уровень техники2. The level of technology

[02] Исследование процессов, происходящих в тканях мозга во время нормальной электрической активности и при патологии, представляет большой интерес как для выявления фундаментальных механизмов нейрональной активности, так и для биомедицинских приложений.[02] The study of the processes occurring in the brain tissues during normal electrical activity and pathology is of great interest both for identifying the fundamental mechanisms of neuronal activity and for biomedical applications.

[03] Главная функция нервных клеток, генерация и проведение электрических импульсов, основана на движении ионов через клеточную мембрану. В течение миллисекунд концентрация ионов Na+, К+, Са2+ и Cl- внутри клетки может меняться в разы, и поддержание гомеостаза требует сложной системы регуляции и высокой пластичности метаболизма.[03] The main function of nerve cells, the generation and conduct of electrical impulses, is based on the movement of ions across the cell membrane. Within milliseconds, the concentration of Na + , K + , Ca 2+ and Cl - ions inside the cell can vary significantly, and maintaining homeostasis requires a complex regulatory system and high plasticity of metabolism.

[04] Известно, что интенсивная нейрональная активность вызывает сдвиги внутриклеточного рН. Некоторые исследования показали, что долговременная деполяризация мембраны и вход кальция в клетку сопровождаются значительным закислением цитоплазмы. Механизм этого процесса не был до конца изучен. Одной из причин может быть высвобождение кислоты в процессе гидролиза АТФ кальциевыми насосами или вход протона через Са/Н и Na/H антипорт (Wu, М.L., et al., 1999, The American journal of physiology. 277, C 717-27). Другая гипотеза предполагает, что закисление цитоплазмы вызвано, главным образом, накоплением лактата вследствие ускорения процессов гликолиза (Zhan, R.Z., et al., 1998, Brain research. 780, 86-94).[04] Intense neuronal activity is known to cause shifts in intracellular pH. Some studies have shown that long-term membrane depolarization and calcium entry into the cell are accompanied by significant acidification of the cytoplasm. The mechanism of this process has not been fully understood. One reason may be acid release during ATP hydrolysis by calcium pumps or proton entry through Ca / H and Na / H antiport (Wu, M.L., et al., 1999, The American journal of physiology. 277, C 717- 27). Another hypothesis suggests that acidification of the cytoplasm is caused mainly by the accumulation of lactate due to the acceleration of glycolysis processes (Zhan, R.Z., et al., 1998, Brain research. 780, 86-94).

[05] Изменение внутриклеточного значения рН влияет на нейрональную активность. Известно, что активность потенциал-зависимых кальциевых каналов, NMDA и ГАМК-рецепторов и др. меняется в зависимости от рН. Например, спонтанная припадочная электрическая активность нейронов в среде с пониженной концентрацией ионов Mg2+ подавляется небольшим подкислением раствора перфузии (Velisek, L., et al., 1994, Experimental brain research Experimentelle Hirnforschung Experimentation cerebrale. 101, 44-52). Транспорт нейротрансмиттеров также зависит от градиента протонов через мембрану синаптических везикул (Blakely, R.D. & Edwards, R.Н., 2012, Cold Spring Harbor perspectives in biology, 4). Следовательно сдвиги рН могут играть существенную роль в качестве регулятора нейрональной активности.[05] Changes in intracellular pH affect neuronal activity. It is known that the activity of voltage-gated calcium channels, NMDA and GABA receptors, etc., varies depending on pH. For example, the spontaneous incidental electrical activity of neurons in a medium with a low concentration of Mg2 + ions is suppressed by a slight acidification of the perfusion solution (Velisek, L., et al., 1994, Experimental brain research Experimentelle Hirnforschung Experimentation cerebrale. 101, 44-52). Transport of neurotransmitters also depends on the proton gradient across the membrane of synaptic vesicles (Blakely, R. D. & Edwards, R. N., 2012, Cold Spring Harbor perspectives in biology, 4). Therefore, pH shifts can play a significant role as a regulator of neuronal activity.

[06] Нервные клетки обладают сложной морфологической и функциональной структурой, и измерение внутриклеточного рН в такой системе является непростой задачей. Химические индикаторы, такие как SNARF и BCECF, не позволяют сравнить значения рН, например, между цитоплазмой дендрита и дендритными шипиками, которые играют критическую роль в процессах обработки входящего электрического сигнала (Lee, К.F. et al., 2012, Neural plasticity. 2012, 704103). Возможно, однако, что значение рН изменяется неравномерно в теле нейрона и синаптических структурах, принимая во внимание некоторую изолированность последних от основного объема цитоплазмы клетки.[06] Nerve cells have a complex morphological and functional structure, and measuring intracellular pH in such a system is not an easy task. Chemical indicators, such as SNARF and BCECF, do not allow comparison of pH values, for example, between the cytoplasm of dendrite and dendritic spines, which play a critical role in the processing of an incoming electrical signal (Lee, K.F. et al., 2012, Neural plasticity. 2012, 704103). It is possible, however, that the pH value varies non-uniformly in the neuron body and synaptic structures, taking into account some isolation of the latter from the main volume of the cell cytoplasm.

[07] Использование генетически-кодируемых индикаторов позволяет обойти это ограничение. Однако, несмотря на существующие разнообразие индикаторов, в настоящее время не создано конструкций, обеспечивающих визуализацию тонких изменений рН, происходящих в процессе нервной активности, в частности в пресинаптическом пространстве.[07] The use of genetically encoded indicators circumvents this limitation. However, despite the existing variety of indicators, no designs have been created to visualize subtle changes in pH that occur during nervous activity, in particular in the presynaptic space.

[08] Значительная часть разработанных на сегодняшний день генетически-кодируемых индикаторов содержит в своем составе флуоресцентные белки семейства GFP, изменяющие свои спектральные характеристики в ответ на изменение внутриклеточных параметров.[08] A significant part of the genetically encoded indicators developed to date contains fluorescent proteins of the GFP family, which change their spectral characteristics in response to changes in intracellular parameters.

[09] avGFP был описан Johnson et al. в J Cell Comp Physiol. (1962), 60: 85-104, как часть биолюминесцентной системы медузы, где GFP играет роль вторичного эммитера, преобразовывающего синий свет от фотобелка экворина в зеленый свет. кДНК, кодирующая A. victoria GFP была клонирована Prasher et al. (Gene (1992), 111(2): 229-33). Оказалось, что этот ген может быть гетерологично экспрессирован в практически любом организме благодаря уникальной способности GFP автокаталитически образовывать хромофор (Chalfie et al., Science 263 (1994), 802-805). Эти сведения открыли широкие перспективы для использования GFP в клеточной биологи, в качестве генетически кодируемой флуоресцирующей метки.[09] avGFP has been described by Johnson et al. at J Cell Comp Physiol. (1962), 60: 85-104, as part of a bioluminescent jellyfish system, where GFP plays the role of a secondary emitter that converts blue light from an equorin photo protein to green light. cDNA encoding A. victoria GFP was cloned by Prasher et al. (Gene (1992), 111 (2): 229-33). It turned out that this gene can be heterologically expressed in almost any organism due to the unique ability of GFP to autocatalytically form a chromophore (Chalfie et al., Science 263 (1994), 802-805). This information has opened up broad prospects for the use of GFP in cell biology as a genetically encoded fluorescent label.

[10] GFP был использован в широком спектре приложений, включая исследование экспрессии генов и локализацию белков (Chalfie et al., Science 263 (1994), 802-805, and Heim et al. in Proc. Nat. Acad. Sci. (1994), 91: 12501-12504), как инструмент для визуализации внутриклеточного распределения органелл (Rizzuto et al., Curr. Biology (1995), 5: 635-642), для визуализации транспорта белков по секреторному пути (Kaether and Gerdes, FEBS Letters (1995), 369: 267-271).[10] GFP has been used in a wide range of applications, including studies of gene expression and protein localization (Chalfie et al., Science 263 (1994), 802-805, and Heim et al. In Proc. Nat. Acad. Sci. (1994) ), 91: 12501-12504), as a tool for visualizing the intracellular distribution of organelles (Rizzuto et al., Curr. Biology (1995), 5: 635-642), for visualizing the transport of proteins along the secretory pathway (Kaether and Gerdes, FEBS Letters (1995) 369: 267-271).

[11] Были проведены многочисленные исследования для улучшения свойств avGFP (Aequorea victoria GFP) и для получения вариантов GFP, пригодных и оптимизированных для различных исследовательских целей. Была проведена оптимизация генетического кода avGFP (codon usage) для повышения уровня экспрессии в клетках млекопитающих (′′гуманизированный′′ GFP, Haas, et al., Current Biology (1996), 6: 315-324; Yang, et al., Nucleic Acids Research (1996), 24: 4592-4593). Были получены различные мутанты GFP, в том числе ′′усиленный зеленый флуоресцентный белок′′ (EGFP), имеющий две аминокислотные замены: F64L и S65T (Heim et al., Nature 373 (1995), 663-664). Другие мутанты являются синим, голубым и желто-зеленым спектральными вариантами avGFP и содержат замены аминокислотных остатков, формирующих хромофор, и\или остатков, формирующих окружение хромофора.[11] Numerous studies have been carried out to improve the properties of avGFP (Aequorea victoria GFP) and to obtain GFP variants suitable and optimized for various research purposes. The genetic code avGFP (codon usage) was optimized to increase expression in mammalian cells (“humanized” GFP, Haas, et al., Current Biology (1996), 6: 315-324; Yang, et al., Nucleic Acids Research (1996), 24: 4592-4593). Various GFP mutants were obtained, including a ′ ′ enhanced green fluorescent protein ′ ′ (EGFP) having two amino acid substitutions: F64L and S65T (Heim et al., Nature 373 (1995), 663-664). Other mutants are blue, blue, and yellow-green spectral variants of avGFP and contain substitutions of amino acid residues that form the chromophore and / or residues that form the environment of the chromophore.

[12] В 1999 г., гомологи GFP были клонированы из небиолюминесцентных видов Anthozoa (Matz et al., Nature Biotechnol. (1999), 17: 969-973). Это открытие продемонстрировало, что эти белки не являются обязательно компонентом биолюминесцентной системы. GFP-подобные белки из Anthozoa обладали большим спектральным разнообразием и включали циановые, зеленые, желтые, красные флуоресцентные белки и фиолетово-синие нефлуоресцентные хромопротеины (CPs) (Matz et al., Bioessays (2002), 24(10): 953-959). В дальнейшем кДНК GFP-подобных белков были клонированы из ряда гидроидных медуз и из копепод (Shagin et al., Mol Biol Evol. (2004), 21(5): 841-850). Сегодня семейство GFP-подобных белков включает сотни флуоресцентных и окрашенных гомологов GFP. Сходство этих белков с GFP варьирует от 80-90% до менее чем 25% идентичности аминокислотной последовательности.[12] In 1999, GFP homologues were cloned from non-bioluminescent Anthozoa species (Matz et al., Nature Biotechnol. (1999), 17: 969-973). This discovery has demonstrated that these proteins are not necessarily a component of the bioluminescent system. GFP-like proteins from Anthozoa had a large spectral diversity and included cyanic, green, yellow, red fluorescent proteins and violet-blue non-fluorescent chromoproteins (CPs) (Matz et al., Bioessays (2002), 24 (10): 953-959) . Subsequently, cDNAs of GFP-like proteins were cloned from a number of hydroid jellyfish and from copepods (Shagin et al., Mol Biol Evol. (2004), 21 (5): 841-850). Today, the family of GFP-like proteins includes hundreds of fluorescent and stained GFP homologs. The similarity of these proteins to GFP varies from 80-90% to less than 25% amino acid sequence identity.

[13] GFP, его мутанты и гомологи являются членами одноименного белкового семейства и широко известны благодаря их интенсивному использованию в качестве флуоресцентных маркеров in vivo в биомедицинских исследованиях, что детально рассмотрено Lippincott-Schwartz и Patterson в Science (2003) 300(5616): 87-91 и Chudakov et al. (Physiol Rev. 2010 Jul; 90(3): 1103-63). Представители семейства GFP способны к флуоресценции при облучением светом подходящей длины волны. Флуоресцентные свойства этих белков обусловлены взаимодействием двух или более аминокислотных остатков, формирующих хромофор, а не флуоресценцией какого-либо одного аминокислотного остатка.[13] GFP, its mutants and homologs are members of the protein family of the same name and are widely known for their intensive use as fluorescent markers in vivo in biomedical research, as discussed in detail by Lippincott-Schwartz and Patterson in Science (2003) 300 (5616): 87 -91 and Chudakov et al. (Physiol Rev. 2010 Jul; 90 (3): 1103-63). Representatives of the GFP family are capable of fluorescence when irradiated with light of a suitable wavelength. The fluorescence properties of these proteins are due to the interaction of two or more amino acid residues that form the chromophore, and not the fluorescence of any one amino acid residue.

[14] Флуоресцентные белки представляют собой уникальное семейство структурно родственных белков, которые способны формировать хромофор автокаталитически без привлечения внешних субстратов или кофакторов. Под действием индуцирующего света, хромофор производит флуоресценцию, легко детектируемую с помощью современного лабораторного оборудования (спектрофлуориметр, флуоресцентный микроскоп, флуоресцентно-активируемый клеточный сортер, планшетный флуориметр).[14] Fluorescent proteins are a unique family of structurally related proteins that are capable of forming a chromophore autocatalytically without the use of external substrates or cofactors. Under the influence of inducing light, the chromophore produces fluorescence that can be easily detected using modern laboratory equipment (spectrofluorimeter, fluorescence microscope, fluorescence-activated cell sorter, plate fluorimeter).

[15] Были получены кристаллические структура avGFP дикого типа, GFP S65T мутанта и ряда гомологов GFP (Ormo et al. Science (1996) 273: 1392-1395; Wall et al. Nat Struct Biol (2000), 7: 1133-1138; Yarbrough et al. Proc Natl Acad Sci USA (2001) 98: 462-467; Prescott et al. Structure (Camb) (2003), 11: 275-284; Petersen et al. J Biol Chem (2003), 278: 44626-44631; Wilmann et al. J Biol Chem (2005), 280: 2401-2404; Remington et al. Biochemistry (2005), 44, 202-212; Quillin et al. Biochemistry (2005), 44: 5774-5787). Было постулировано, что все члены семейства обладают общей 3D структурой (GFP-подобным доменом), представляющей собой так называемый ′′бочонок′′ из 11 бета-слоев, образующих компактную встречно-параллельную структуру, внутри которой располагается альфа-спираль, содержащая хромофор. Хромофор формируется внутри GFP-подобного домена путем окислительной циклизации трех консервативных аминокислотных остатков в центральном регионе альфа-спирали (Cody et al., Biochemistry (1993) 32, 1212-1218). Положения аминокислотных остатков, формирующих хромофор, соответствует Ser65-Tyr66-Gly67 региону avGFP. Эти аминокислотные остатки легко могут быть идентифицированы у любого GFP-подобного белка путем выравнивания его последовательности с последовательностью avGFP.[15] The crystal structure of wild-type avGFP, GFP S65T mutant, and a number of GFP homologues were obtained (Ormo et al. Science (1996) 273: 1392-1395; Wall et al. Nat Struct Biol (2000), 7: 1133-1138; Yarbrough et al. Proc Natl Acad Sci USA (2001) 98: 462-467; Prescott et al. Structure (Camb) (2003), 11: 275-284; Petersen et al. J Biol Chem (2003), 278: 44626 -44631; Wilmann et al. J Biol Chem (2005), 280: 2401-2404; Remington et al. Biochemistry (2005), 44, 202-212; Quillin et al. Biochemistry (2005), 44: 5774-5787) . It was postulated that all members of the family have a common 3D structure (GFP-like domain), which is the so-called “barrel” of 11 beta layers forming a compact antiparallel structure, inside which there is an alpha helix containing a chromophore. A chromophore is formed within a GFP-like domain by oxidative cyclization of three conserved amino acid residues in the central region of the alpha helix (Cody et al., Biochemistry (1993) 32, 1212-1218). The positions of the amino acid residues forming the chromophore correspond to the Ser65-Tyr66-Gly67 region of avGFP. These amino acid residues can easily be identified in any GFP-like protein by aligning its sequence with the avGFP sequence.

[16] GFP-подобный домен, который может быть легко идентифицирован путем сравнения аминокислотных последовательностей флуоресцентных белков с avGFP (SEQ ID NO: 9) с помощью пакетов программ, предназначенных для анализа доменной структуры (например, с помощью программы Conserved Domain Database (CDD), доступной на сайте http://www. ′′ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/′′ или с помощью программы Simple Modular Architecture Research Tool (SMART, доступной на сайте http://smart.′′ ′′embl-heidelberg.de/). GFP-подобный домен avGFP начинается с 6-й аминокислоты и заканчивается 229 аминокислотой.[16] A GFP-like domain that can be easily identified by comparing the amino acid sequences of fluorescent proteins with avGFP (SEQ ID NO: 9) using software packages designed for domain structure analysis (for example, using the Conserved Domain Database (CDD) program available at http: // www. ′ ′ ncbi.nlm.nih.gov/Structure/cdd/ ′ ′ or using the Simple Modular Architecture Research Tool (SMART, available at http: // smart. ′ ′ ′ (Embl-heidelberg.de/). The GFP-like domain of avGFP begins with the 6th amino acid and ends with 229 amino acid.

[17] Процесс автокаталитического формирования хромофора белков с различными спектральными свойствами подробно описан в ряде статей и включает несколько химических реакций (Heim et al. Proc Natl Acad Sci USA. 1994; 91: 12501-12504; Ormo et al. Science. 1996; 273: 1392-1395; Yang et al. Nat Biotechnol. 1996; 14: 1246-1251; Brejc et al. J. Proc Natl Acad Sci USA. 1997; 94: 2306-2311; Palm et al. Nat Struct Biol. 1997; 4: 361-365; Gurskaya et al., BMC Biochem. 2001; 2: 6; Gross et al. Proc Natl Acad Sci USA. 2000; 97: 11990-11995; Wall et al. Nat Struct Biol. 2000; 7: 1133-1138; Yarbrough et al., J. Proc Natl Acad Sci USA. 2001; 98: 462-167; Pakhomov, A.A. and Martynov, V.I. Chem. Biol. 2008, 15, 755-764; Quillinet al. (2005) Biochemistry 44, 5774-5787; Yampolsky et al. (2005) Biochemistry 44, 5788-5793; Shu et al. (2006) Biochemistry 45, 9639-9647; Kikuchi et al. (2008) Biochemistry 47, 11573-11580; Yampolsky et al., Biochemistry, 2009, 48 (33), pp 8077-8082).[17] The process of autocatalytic formation of a chromophore of proteins with different spectral properties is described in detail in a number of articles and includes several chemical reactions (Heim et al. Proc Natl Acad Sci USA. 1994; 91: 12501-12504; Ormo et al. Science. 1996; 273 : 1392-1395; Yang et al. Nat Biotechnol. 1996; 14: 1246-1251; Brejc et al. J. Proc Natl Acad Sci USA. 1997; 94: 2306-2311; Palm et al. Nat Struct Biol. 1997; 4: 361-365; Gurskaya et al., BMC Biochem. 2001; 2: 6; Gross et al. Proc Natl Acad Sci USA. 2000; 97: 11990-11995; Wall et al. Nat Struct Biol. 2000; 7: 1133-1138; Yarbrough et al., J. Proc Natl Acad Sci USA. 2001; 98: 462-167; Pakhomov, AA and Martynov, VI Chem. Biol. 2008, 15, 755-764; Quillinet al. (2005) Biochemistry 44, 5774-5787; Yampolsky et al. (2005) Biochemistry 44, 5788-5793; Shu et al. (2006) Biochemistry 45, 9639-9 647; Kikuchi et al. (2008) Biochemistry 47, 11573-11580; Yampolsky et al., Biochemistry, 2009, 48 (33), pp 8077-8082).

[18] GFP-подобные белки широко используют для создания генетически-кодируемых биосенсоров. Исследование внутриклеточных процессов с помощью таких генетически кодируемых биосенсоров становятся все более популярным, так как только такие сенсоры могут дать информацию об изменении исследуемого параметра непосредственно в живой системе. Такие биосенсоры востребованы как в фундаментальных исследованиях сигнальных путей организма, так и при тестировании токсических и лекарственных препаратов на модельных клеточных линиях или организмах. В сравнении с химическими и физическими методами регистрации биологически активных субстанций биосенсорами, требующими экзогенно добавляемых красителей, субстратов или кофакторов, генетически кодируемые нанобиосенсоры относятся к классу безреагентных и многоразовых сенсоров, использование флуоресцентных белков в качестве передатчиков информации стало наиболее эффективным подходом к разработке генетически-кодируемых сенсоров.[18] GFP-like proteins are widely used to create genetically encoded biosensors. The study of intracellular processes using such genetically encoded biosensors is becoming increasingly popular, since only such sensors can provide information about changes in the parameter under study directly in a living system. Such biosensors are in demand both in basic research of the body's signaling pathways, and in testing toxic and drug preparations on model cell lines or organisms. Compared with chemical and physical methods for recording biologically active substances by biosensors requiring exogenously added dyes, substrates, or cofactors, genetically encoded nanobiosensors belong to the class of reagentless and reusable sensors; the use of fluorescent proteins as information transmitters has become the most effective approach to the development of genetically encoded sensors .

[19] Биосенсоры на основе флуоресцентных белков представляют собой химерные белки, в состав которых входит сенсорный домен - белковый домен, чувствительный к изменению определенного параметра клетки, например, изменению концентрации какого-либо иона или молекулы (ионов кальция, перекиси водорода, ионов водорода и т.д.). В качестве сигнальной части биосенсора используют GFP-подобные белки или их варианты, подвергнутые круговой пермутации (Suslova and Chudakov, Trends Biotechnol. 23(12) (2005), 605-13; Griesbeck, Curr Opin Neurobiol., 2004, v. 14(5), pp. 636-641; Bunt and Wouters, Int Rev Cytol., 2004, v. 237, pp. 205-277).[19] Fluorescence protein-based biosensors are chimeric proteins that include a sensory domain — a protein domain that is sensitive to changes in a specific cell parameter, such as changes in the concentration of an ion or molecule (calcium ions, hydrogen peroxide, hydrogen ions and etc.). GFP-like proteins or their variants subjected to circular permutation are used as a signal part of the biosensor (Suslova and Chudakov, Trends Biotechnol. 23 (12) (2005), 605-13; Griesbeck, Curr Opin Neurobiol., 2004, v. 14 ( 5), pp. 636-641; Bunt and Wouters, Int Rev Cytol., 2004, v. 237, pp. 205-277).

[20] Создание пермутированных GFP-подобных белков необходимо для увеличения подвижности хромофорного окружения и, следовательно, для большей лабильности спектральных свойств белка. Круговая пермутация флуоресцентных белков описана Topell S. и Glockshuber R. (Methods in Molecular Biology. 183, 31-48; 2002). Например, для круговой пермутации avGFP в его первичную структуру вносится разрыв в область между 144 и 149 аминокислотами, нативные N- и С- концы совмещаются при помощи полипептидного линкера. Новые N- и С- концы находятся в непосредственной близости от хромофора и могут влиять на его микроокружение. Круговая пермутация производится на уровне нуклеиновой кислоты путем оперативного сшивания 3′- и 5′-концов нуклеотидной последовательности, кодирующей флуоресцентный белок, и внесения разрыва в последовательность между кодонами, кодирующими новые N и С- концевые аминокислоты. Методы для получения таких конструкций хорошо известны специалистам в данной области.[20] The creation of permuted GFP-like proteins is necessary to increase the mobility of the chromophore environment and, therefore, for greater lability of the spectral properties of the protein. Circular permutation of fluorescent proteins is described by Topell S. and Glockshuber R. (Methods in Molecular Biology. 183, 31-48; 2002). For example, for circular permutation of avGFP, a gap is introduced into its primary structure between 144 and 149 amino acids, the native N- and C-ends are combined using a polypeptide linker. The new N and C ends are in close proximity to the chromophore and may affect its microenvironment. Circular permutation is performed at the nucleic acid level by operatively stitching the 3 ′ and 5 ′ ends of the nucleotide sequence encoding a fluorescent protein and introducing a gap in the sequence between codons encoding the new N and C-terminal amino acids. Methods for obtaining such structures are well known to specialists in this field.

[21] В результате круговой пермутации кпФБ приобретает способность реагировать на конформационные перестройки в области новых N и С - концов изменением спектра флуоресценции (сенсоры с использованием обычных флуоресцентных белков оказались малочувствительными).[21] As a result of circular permutation, cpFB acquires the ability to respond to conformational rearrangements in the region of new N and C - ends by changing the fluorescence spectrum (sensors using conventional fluorescent proteins were found to be insensitive).

[22] Эффективность биосенсоров на основе кпФБ, полученных из avGFP была продемонстрирована на примере сенсора на ионы кальция (Nagai et al, Proc Natl Acad Sci USA. 98(6) (2001), 197-202). кпФБ был так же использован для изготовления сенсора на пероксид водорода HyPer OxyR (Belousov et al., Nature Method. 4, 281-286; 2006). HyPer представляет собой химерный белок, состоящий из регуляторного домена белка OxyR E. coli, реагирующего с пероксидом водорода и интегрированного в пептидную цепь OxyR пермутированного желтого флуоресцентного белка cpYFP. HyPer представляет собой конструкцию, в которой подвергнутый круговой пермутации флуоресцентный белок cpYFP соединен с двумя фрагментами чувствительного к H2O2 домена OxyR посредством коротких пептидных линкеров. Нуклеотидные последовательности, кодирующие фрагменты белка OxyR и cpYFP оперативно сшиты между собой с использованием линкерных последовательностей.[22] The efficacy of cpFB biosensors derived from avGFP has been demonstrated using a calcium ion sensor (Nagai et al, Proc Natl Acad Sci USA. 98 (6) (2001), 197-202). cpFB was also used to fabricate the HyPer OxyR hydrogen peroxide sensor (Belousov et al., Nature Method. 4, 281-286; 2006). HyPer is a chimeric protein consisting of the regulatory domain of E. coli OxyR protein reacting with hydrogen peroxide and integrating the permuted yellow fluorescent cpYFP protein into the OxyR peptide chain. HyPer is a construct in which a circularly permutated cpYFP fluorescent protein is coupled to two fragments of the H2O2-sensitive OxyR domain via short peptide linkers. Nucleotide sequences encoding fragments of the OxyR protein and cpYFP are quickly crosslinked using linker sequences.

[23] Также на основе HyPer был получен индикатор изменения внутриклеточного рН, названный SypHer. Внесение в последовательность HyPer замены C199S привело к потере способности опознавать пероксид водорода, и появлению выраженного изменения флуоресцентных свойств индикатора в ответ на изменение рН.[23] An intracellular pH indicator called SypHer was also obtained from HyPer. The introduction of the C199S substitution into the HyPer sequence led to the loss of the ability to recognize hydrogen peroxide, and the appearance of a pronounced change in the fluorescent properties of the indicator in response to a change in pH.

[24] Полученный индикатор SypHer обладает рациометрическим сигналом, что делает его независимым от изменения объема цитоплазмы или концентрации белка. Было продемонстрировано успешное применение SypHer в некоторых системах in vitro (Poburko, D. et al., 2011, The Journal of biological chemistry. 286, 11672-84). Потенциально SypHer может быть использован для регистрации изменений рН в нейронах.[24] The obtained SypHer indicator has a ratiometric signal, which makes it independent of changes in cytoplasmic volume or protein concentration. The successful use of SypHer has been demonstrated in some in vitro systems (Poburko, D. et al., 2011, The Journal of biological chemistry. 286, 11672-84). Potentially, SypHer can be used to record pH changes in neurons.

[25] Тем не менее, яркость флуоресценции индикатора SypHer относительно невысока, что затрудняет его использование в исследованиях на культурах тканей и в крупных живых организмах. Таким образом, целью настоящего исследования было создание более яркой версии индикатора SypHer и конструкций на основе этого модифицированного индикатора, SypHer2, для регистрации изменений рН в определенных компартментах нейронов.[25] Nevertheless, the fluorescence brightness of the SypHer indicator is relatively low, which complicates its use in studies on tissue cultures and large living organisms. Thus, the aim of this study was to create a brighter version of the SypHer indicator and constructions based on this modified indicator, SypHer2, for recording pH changes in certain neuron compartments.

3. Раскрытие изобретения3. Disclosure of invention

[26] Настоящее изобретение обеспечивает выделенные молекулы нуклеиновых кислот, кодирующих модифицированный флуоресцентный биосенсор для детекции рН внутри клеток, отличающийся от SypHer (SEQ ID NO: 1 и 2) увеличенной яркостью. Указанный биосенсор имеет аминокислотную последовательность, показанную в SEQ ID NO: 4. Указанный биосенсор находит свое применение для измерения рН внутри живых клеток и в клеточных компартментах, в частности, в живых срезах мозга, и исследований динамики рН в процессе электрической активности в различных клеточных компартментах на культуре нейронов и на короткоживущих срезах мозга.[26] The present invention provides isolated nucleic acid molecules encoding a modified fluorescent biosensor for detecting pH within cells, different from SypHer (SEQ ID NO: 1 and 2) with increased brightness. The specified biosensor has the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4. The specified biosensor finds its application for measuring pH inside living cells and in cell compartments, in particular, in live sections of the brain, and studying the dynamics of pH during electrical activity in various cell compartments on a culture of neurons and on short-lived sections of the brain.

[27] В некоторых воплощениях, нуклеиновая кислота настоящего изобретения кодирует флуоресцентный биосенсор для детекции внутриклеточного рН, слитый с белком синаптофизином (synaptophysin), обеспечивающим локализацию сенсора в пресинаптической зоне нейронов. Аминокислотная последовательность этого биосенсора показана в SEQ ID NO: 6.[27] In some embodiments, the nucleic acid of the present invention encodes a fluorescent biosensor for detecting intracellular pH, fused to synapthysin protein, which provides localization of the sensor in the presynaptic zone of neurons. The amino acid sequence of this biosensor is shown in SEQ ID NO: 6.

[28] В некоторых воплощениях, нуклеиновая кислота настоящего изобретения кодирует флуоресцентный биосенсор для детекции внутриклеточного рН, слитый с белком Homer1, обеспечивающим преимущественную локализацию сенсора в постсинаптической зоне нейронов. Аминокислотная последовательность этого биосенсора показана в SEQ ID NO: 8.[28] In some embodiments, the nucleic acid of the present invention encodes a fluorescent biosensor for detecting intracellular pH, fused to the Homer1 protein, which provides preferential localization of the sensor in the postsynaptic zone of neurons. The amino acid sequence of this biosensor is shown in SEQ ID NO: 8.

[29] В некоторых воплощениях, нуклеиновая кислота настоящего изобретения имеет нуклеотидную последовательность, выбранную из SEQ ID NO: 03, SEQ ID NO: 05 и SEQ ID NO: 07.[29] In some embodiments, the nucleic acid of the present invention has a nucleotide sequence selected from SEQ ID NO: 03, SEQ ID NO: 05 and SEQ ID NO: 07.

[30] Молекулы нуклеиновых кислот, которые отличаются от представленных нуклеотидных последовательностей вследствие вырожденности генетического кода так же входят в рамки настоящего изобретения.[30] Nucleic acid molecules that differ from the presented nucleotide sequences due to the degeneracy of the genetic code are also included in the scope of the present invention.

[31] В других воплощениях также обеспечиваются векторы, включающие нуклеиновую кислоту настоящего изобретения. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает кассеты экспрессии, включающие нуклеиновую кислоту настоящего изобретения и регуляторные элементы, необходимые для экспрессии нуклеиновой кислоты в выбранной клетке-хозяине. Кроме того, также обеспечиваются клетки, стабильные клеточные линии, трансгенные животные и трансгенные растения, включающие нуклеиновые кислоты, векторы или экспрессионные кассеты настоящего изобретения. В других воплощениях обеспечиваются функциональные флуоресцентные биосенсоры настоящего изобретения, которые кодируются нуклеиновыми кислотами указанными выше.[31] In other embodiments, vectors comprising the nucleic acid of the present invention are also provided. In addition, the present invention provides expression cassettes comprising the nucleic acid of the present invention and regulatory elements necessary for expression of the nucleic acid in a selected host cell. In addition, cells, stable cell lines, transgenic animals and transgenic plants including nucleic acids, vectors or expression cassettes of the present invention are also provided. In other embodiments, the functional fluorescent biosensors of the present invention are provided, which are encoded by the nucleic acids indicated above.

4. Краткое описание рисунков4. Brief description of drawings

[01] Рисунок 1 иллюстрирует зависимость рациометрического сигнала SypHer и SypHer2 от рН в культуре HeLa Kyoto в буферах, содержащих 5 мкМ монензина и 5 мкм нигерицина. Количество клеток не менее 30 в каждой точке.[01] Figure 1 illustrates the pH dependence of the ratiometric signal of SypHer and SypHer2 in a HeLa Kyoto culture in buffers containing 5 μM monensin and 5 μm nigericin. The number of cells is at least 30 at each point.

[02] Рисунок 2 иллюстрирует сравнение средней яркости флуоресценции биосенсоров SypHer и SypHer2 в клетках млекопитающих. Приведена средняя яркость флуоресценции индикатора при возбуждении светом 488 нм для 15 клеток в каждой линии. Яркость указана в единицах относительно средней яркости флуоресценции SypHer2 в данной клеточной линии.[02] Figure 2 illustrates a comparison of the mean fluorescence brightness of the SypHer and SypHer2 biosensors in mammalian cells. The average fluorescence brightness of the indicator is shown upon excitation with light of 488 nm for 15 cells in each line. The brightness is indicated in units relative to the average fluorescence brightness of SypHer2 in a given cell line.

[03] Рисунок 3А иллюстрирует динамику рН и Са+2 в электрически активной нервной клетке. Измерение рН осуществлялось с помощью биосенсора SypHer2, измерение Са2+ осуществлялось с помощью биосенсора RGeco. Спонтанная активность нейронов вызывает вход кальция в клетки, что можно наблюдать по возрастанию флуоресценции RGeco. Вход кальция в клетки сопровождается быстрым падением флуоресценции SypHer2, что соответствует закислению цитоплазмы. Флуоресценцию SypHer2 возбуждали светом 488 нм.[03] Figure 3A illustrates the dynamics of pH and Ca +2 in an electrically active nerve cell. The pH was measured using a SypHer2 biosensor, and Ca 2+ was measured using an RGeco biosensor. The spontaneous activity of neurons causes the entry of calcium into the cells, which can be observed by increasing fluorescence of RGeco. Calcium entry into cells is accompanied by a rapid decrease in SypHer2 fluorescence, which corresponds to cytoplasmic acidification. Fluorescence of SypHer2 was excited with 488 nm light.

[04] Рисунок 3Б иллюстрирует динамику рН и Са2+ в нервной клетке в среде, содержащей внутриклеточный хелатор Са2+. Флуоресценцию SypHer возбуждали светом 488 нм.[04] Figure 3B illustrates the dynamics of pH and Ca 2+ in a nerve cell in a medium containing an intracellular Ca 2+ chelator. SypHer fluorescence was excited with 488 nm light.

[05] Рисунок 4 показывает колебания цитоплазматического рН, вызванные спонтанной электрической активностью в срезах мозга в среде ACSF. Флуоресценцию SypHer возбуждали светом 488 нм.[05] Figure 4 shows cytoplasmic pH fluctuations caused by spontaneous electrical activity in sections of the brain in ACSF medium. SypHer fluorescence was excited with 488 nm light.

[06] Рисунок 5 показывает колебания цитоплазматического рН, вызванные спонтанной электрической активностью в срезах мозга в среде ACSF после добавления 30 мМ KCl. Флуоресценцию SypHer2 возбуждали светом 488 нм.[06] Figure 5 shows cytoplasmic pH fluctuations caused by spontaneous electrical activity in sections of the brain in ACSF medium after adding 30 mM KCl. SypHer2 fluorescence was excited with 488 nm light.

4. Осуществление изобретения4. The implementation of the invention

[07] Для более полного раскрытия вышеперечисленных характеристик настоящего изобретения ниже предлагается детальное описание изобретения, кратко сформулированного выше, в виде ссылок на воплощения, некоторые из которых проиллюстрированы дополнительными фигурами. При этом следует отметить, что прилагаемые фигуры иллюстрируют лишь типичные воплощения настоящего изобретения и, следовательно, не должны быть восприняты в качестве ограничения объема изобретения, которое может допускать другие в равной степени эффективные воплощения.[07] To more fully disclose the above characteristics of the present invention, a detailed description of the invention, summarized above, is provided below in the form of links to embodiments, some of which are illustrated by additional figures. It should be noted that the accompanying figures illustrate only typical embodiments of the present invention and, therefore, should not be construed as limiting the scope of the invention, which may allow other equally effective embodiments.

[08] Как указано выше, настоящее изобретение направлено на молекулы нуклеиновых кислот, которые кодируют вариант биосенсора для измерения внутриклеточного рН SypHer-SypHer2, обладающий повышенной яркостью флуоресценции и конструкции на его основе, обеспечивающие локализацию биосенсора в определенных компартментах нейрона.[08] As indicated above, the present invention is directed to nucleic acid molecules that encode a variant of the biosensor for measuring the intracellular pH of SypHer-SypHer2, which has increased fluorescence brightness and designs based on it, providing localization of the biosensor in certain compartments of the neuron.

[09] Нуклеиновые кислоты настоящего изобретения получены с помощью рекомбинантных технологий. В предпочтительных воплощениях, нуклеиновые кислоты настоящего изобретения кодируют белок, имеющий аминокислотную последовательность, показанную в SEQ ID NO: 4.[09] the Nucleic acids of the present invention obtained using recombinant technologies. In preferred embodiments, the nucleic acids of the present invention encode a protein having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 4.

[10] В некоторых воплощениях, нуклеиновые кислоты, кодируют химерный белок, включающий биосенсор SypHer2, оперативно слитый с белком synaptophysin, аминокислотная последовательность химерного белка показана в SEQ ID NO: 6.[10] In some embodiments, the nucleic acids encode a chimeric protein comprising a SypHer2 biosensor operatively fused to a synaptophysin protein, the amino acid sequence of the chimeric protein is shown in SEQ ID NO: 6.

[11] В некоторых воплощениях, нуклеиновые кислоты, кодируют химерный белок, включающий биосенсор SypHer2, оперативно слитый с белком Homerl, аминокислотная последовательность химерного белка показана в SEQ ID NO: 8[11] In some embodiments, the nucleic acids encode a chimeric protein comprising a SypHer2 biosensor operatively fused to a Homerl protein, the amino acid sequence of the chimeric protein is shown in SEQ ID NO: 8

[12] Также обеспечиваются векторы и кассеты экспрессии, включающие нуклеиновую кислоту настоящего изобретения. Кроме того, обеспечиваются клетки, стабильные клеточные линии, трансгенные животные и трансгенные растения, включающие нуклеиновые кислоты, векторы или экспрессионные кассеты настоящего изобретения.[12] Also provided are expression vectors and cassettes comprising the nucleic acid of the present invention. In addition, provided are cells, stable cell lines, transgenic animals and transgenic plants, including nucleic acids, vectors or expression cassettes of the present invention.

[13] Указанные нуклеиновые кислоты применяются во многих различных приложениях и методах, в частности, для измерения рН в живых срезах мозга и исследований динамики рН в процессе спонтанной электрической активности в различных клеточных компартментах на культуре нейронов и на короткоживущих срезах мозга[13] These nucleic acids are used in many different applications and methods, in particular, for measuring pH in living sections of the brain and studying the dynamics of pH during spontaneous electrical activity in various cell compartments on neuron culture and on short-lived sections of the brain

[14] Определения[14] Definitions

[15] Различные термины, относящиеся к биологическим молекулам настоящего изобретения, используются выше и также в описании и в формуле изобретения.[15] Various terms related to the biological molecules of the present invention are used above and also in the description and in the claims.

[16] Как здесь используется, термин ′′флуоресцентный белок′′ означает белок, относящийся к семейству GFP-подобных белков, который обладает способностью к флуоресценции; например, он может проявлять низкую, среднюю или интенсивную флуоресценцию при облучении светом с подходящей для возбуждения длиной волны. Флуоресцентное свойство флуоресцентного белка представляет собой такое свойство, которое является результатом работы хромофора, образующегося путем автокаталитической циклизации трех или более аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Как таковые флуоресцентные белки настоящего изобретения не включают белки, которые обладают флуоресценцией за счет отдельных флуоресцирующих остатков, таких как триптофан, тирозин и фенилаланин. Термин «флуоресцентный белок» относится так же к флуоресцентным белкам GFP-семейства, подвергнутым круговой пермутации.[16] As used here, the term “fluorescent protein” means a protein belonging to the family of GFP-like proteins, which has the ability to fluorescence; for example, it may exhibit low, medium, or intense fluorescence when irradiated with light at a suitable wavelength for excitation. The fluorescent property of a fluorescent protein is such a property, which is the result of the work of a chromophore formed by autocatalytic cyclization of three or more amino acid residues in a polypeptide chain. As such, the fluorescent proteins of the present invention do not include proteins that exhibit fluorescence due to individual fluorescent residues such as tryptophan, tyrosine and phenylalanine. The term “fluorescent protein” also refers to fluorescent proteins of the GFP family subjected to circular permutation.

[17] Как здесь используется, термин ′′avGFP′′ относится к зеленому флуоресцентному белку из медузы Aequorea victoria, включая варианты avGFP, известные из уровня техники, сконструированные для обеспечения большей интенсивности флуоресценции или флуоресценции в других цветовых областях. Последовательность дикого типа avGFP была раскрыта в Prasher et al. (1992, Gene 111: 229-33).[17] As used here, the term “″ avGFP ″ refers to the green fluorescent protein from the jellyfish Aequorea victoria, including avGFP variants known in the art, designed to provide greater fluorescence or fluorescence intensity in other color areas. The wild-type avGFP sequence has been disclosed in Prasher et al. (1992, Gene 111: 229-33).

[18] Как здесь используется, термин ′′флуоресцентный белок, подвергнутый круговой пермутации′′ или ′′кпФБ′′ относится к белку, полученному из флуоресцентного белка (например из avGFP) с помощью генно-инженерной модификации нуклеиновой кислоты, в результате которой С- и N- концы исходного флуоресцентного белка оказываются оперативно слиты, а новые С- и N- концы формируются вблизи хромофора. Круговая пермутация не влияет на формирование «бочонка» GFP-подобного домена и формирование активного (способного к флуоресценции) хромофора. Круговая пермутация приводит к тому, что кпФБ приобретает способность менять спектральные характеристики при конформационных изменениях белковых доменов или полипептидов, оперативно слитых с его С- и N- концами.[18] As used here, the term ″ fluorescent protein subjected to circular permutation ″ or ″ cfBP ″ refers to a protein derived from a fluorescent protein (eg, avGFP) using a genetic engineering modification of nucleic acid, as a result of which - and the N- ends of the original fluorescent protein are quickly fused, and new C- and N-ends are formed near the chromophore. Circular permutation does not affect the formation of a “barrel” of a GFP-like domain and the formation of an active (capable of fluorescence) chromophore. Circular permutation leads to the fact that cpFB acquires the ability to change spectral characteristics upon conformational changes in protein domains or polypeptides that are operatively fused to its C- and N-ends.

[19] Термин ′′гуманизированный′′ относится к изменению нуклеотидной последовательности флуоресцентного белка, сделанной для оптимизации генетического кода кодонов для экспрессии в клетках млекопитающих (Yang et al., 1996, Nucleic Acids Research 24: 4592-4593).[19] The term “humanized” refers to a change in the nucleotide sequence of a fluorescent protein made to optimize the genetic code of codons for expression in mammalian cells (Yang et al., 1996, Nucleic Acids Research 24: 4592-4593).

[20] Как здесь используется, термин ′′выделенный′′ означает молекулу или клетку, которые находятся в среде, отличной от среды, в которой молекула или клетка находятся в естественных условиях.[20] As used here, the term “isolated” means a molecule or cell that is in an environment other than that in which the molecule or cell is in vivo.

[21] Как здесь используется, термин ′′мутант′′ или ′′производное′′ относятся к белку, раскрытому в настоящем изобретении, в котором одна или более аминокислот добавлены и/или замещены и/или удалены (делегированы) и/или вставлены (инсертированы) в N-конец и/или С-конец, и/или в пределах нативных аминокислотных последовательностей белков настоящего изобретения. Как здесь используется, термин ′′мутант′′ относится к молекуле нуклеиновой кислоты, которая кодирует мутантный белок. Кроме того, термин ′′мутант′′ здесь относится к любому варианту, который короче или длиннее белка или нуклеиновой кислоты.[21] As used here, the term “mutant” or “derivative” refers to a protein disclosed in the present invention in which one or more amino acids are added and / or substituted and / or removed (delegated) and / or inserted (inserted) at the N-terminus and / or C-terminus and / or within the native amino acid sequences of the proteins of the present invention. As used here, the term “mutant” refers to a nucleic acid molecule that encodes a mutant protein. In addition, the term “mutant” here refers to any variant that is shorter or longer than a protein or nucleic acid.

[22] Как здесь используется, ′′гомология′′ - это термин, использующийся для описания взаимосвязи последовательностей нуклеотидов или аминокислот с другими последовательностями нуклеотидов или аминокислот, которая определена степенью идентичности и/или сходства между указанными сравниваемыми последовательностями.[22] As used here, “homology” is a term used to describe the relationship of nucleotide or amino acid sequences to other nucleotide or amino acid sequences, which is determined by the degree of identity and / or similarity between these compared sequences.

[23] Как здесь используется, аминокислотная или нуклеотидная последовательности «по существу сходны» или «по существу такие же» как референсная последовательность, если аминокислотная или нуклеотидная последовательности имеют по крайней мере 85% идентичности с указанной последовательностью внутри выбранного для сравнения региона. Таким образом, по существу сходные последовательности включают те, которые имеют, например, по крайней мере, 85% идентичности, по крайней мере, 90% идентичности, по крайней мере, 95% идентичности или по крайней мере, 96%б 97%б 98% или 99% идентичности. Две последовательности, которые идентичны одна другой, так же по существу сходны.[23] As used herein, an amino acid or nucleotide sequence is “substantially similar” or “substantially the same” as a reference sequence if the amino acid or nucleotide sequence has at least 85% identity with the specified sequence within the region selected for comparison. Thus, substantially similar sequences include those that have, for example, at least 85% identity, at least 90% identity, at least 95% identity, or at least 96% b 97% b 98 % or 99% identity. Two sequences that are identical to one another are also essentially similar.

[24] Процент идентичности последовательностей определяется на основании референсной последовательности. Алгоритмы для анализа последовательности известны в данной области, такие как BLAST, описанный в Altschul et al., J. Mol. Biol., 215, pp. 403-10 (1990). Для целей настоящего изобретения сравнение нуклеотидных и аминокислотных последовательностей производимое с помощью пакета программ Blast, предоставляемого National Center for Biotechnology Information (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blast) с использованием содержащего разрывы выравнивания со стандартными параметрами, может быть использовано для определения уровня идентичности и сходства между нуклеотидными последовательностями и аминокислотными последовательностями.[24] The percentage of sequence identity is determined based on a reference sequence. Algorithms for sequence analysis are known in the art, such as BLAST described in Altschul et al., J. Mol. Biol., 215, pp. 403-10 (1990). For the purposes of the present invention, nucleotide and amino acid sequence comparisons performed using the Blast software package provided by the National Center for Biotechnology Information (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/blast) using alignment breaks with standard parameters may be used to determine the level of identity and similarity between nucleotide sequences and amino acid sequences.

[25] Как здесь используется, термин ′′подобные белки′′ или ′′по существу сходные белки′′ относится к белкам, которые имеют аминокислотные последовательности, идентичные по крайней мере на 85%, как правило идентичные на 90% или более, чаще всего идентичные по крайней мере на 95% или более (например на 96% и более, 97% и более, 98% и более, 99% и более, 100%). Длина гомологичных аминокислотных последовательностей у «подобных белков» при этом может составлять, по крайней мере, 100 аминокислотных остатков, чаще, по крайней мере, 200 аминокислотных остатков, или 300 аминокислотных остатков.[25] As used here, the term “similar proteins” or substantially similar proteins ”refers to proteins that have amino acid sequences that are at least 85% identical, typically 90% or more identical, more often all identical at least 95% or more (for example, 96% or more, 97% or more, 98% or more, 99% or more, 100%). In this case, the length of homologous amino acid sequences of “similar proteins” can be at least 100 amino acid residues, more often at least 200 amino acid residues, or 300 amino acid residues.

[26] В некоторых воплощениях, термин ′′подобные белки′′ или ′′по существу сходные белки′′ относится к белкам, которые имеют аминокислотные последовательности целого белка, идентичные по крайней мере на 85%, как правило идентичные на 90% или более, чаще всего идентичные по крайней мере на 95% или более (например на 96% и более, 97% и более, 98% и более, 99% и более, 100%).[26] In some embodiments, the term “’ like proteins ’’ or ’’ essentially similar proteins ’’ refers to proteins that have the whole protein amino acid sequence at least 85% identical, typically 90% or more identical , most often identical at least 95% or more (for example, 96% or more, 97% or more, 98% or more, 99% or more, 100%).

[27] Как здесь используется, термин ′′функциональный′′ означает, что нуклеотидная или аминокислотная последовательность может функционировать для указанного испытания или задачи. Термин ′′функциональный′′, используемый для описания биосенсора для детекции рН настоящего изобретения, означает, что он меняет спектральные характеристики при изменении кислотности в среде.[27] As used here, the term “functional” means that the nucleotide or amino acid sequence can function for the specified test or task. The term “functional” used to describe the biosensor for detecting the pH of the present invention means that it changes the spectral characteristics when the acidity in the medium changes.

[28] Как здесь используется, термин «среда» по отношению к биосенсора означает любую среду, в которой этот биосенсор может функционировать. Для выделенного белка это может быть любой буферный раствор, в котором этот сенсор сохраняет функциональность. Для белка, экспрессированного в клетке, это цитоплазма или клеточный компартмент, в котором биосенсор локализован.[28] As used here, the term "environment" in relation to a biosensor means any environment in which this biosensor can function. For an isolated protein, this can be any buffer solution in which this sensor retains functionality. For a protein expressed in a cell, it is the cytoplasm or cell compartment in which the biosensor is localized.

[29] Как здесь используется, ′′биохимические свойства′′ относятся к белковому фолдингу (сворачиванию) и скорости созревания, скорости восстановления после реакции с пероксидом водорода, времени полужизни, способности к агрегации, способности к олигомеризации, рН и температурной стабильности, и другим подобным свойствам.[29] As used here, “biochemical properties” refer to protein folding (folding) and maturation rate, recovery rate after reaction with hydrogen peroxide, half-life, aggregation ability, oligomerization ability, pH and temperature stability, and others similar properties.

[30] Как здесь используется, ′′флуоресцентные свойства′′ или ′′спектральные свойства′′ относятся к коэффициенту молярной экстинкции при подходящей длине волны, к квантовому выходу флуоресцентции, форме спектра возбуждения флуоресценции или спектра испускания, длине волны, соответствующей максимуму возбуждения флуоресценции, и длине волны, соответствующей максимуму испускания, отношению амплитуды возбуждения флуоресценции при двух разных длинах волн, отношению амплитуды испускания при двух разных длинах волн, времени жизни возбужденного состояния, и анизотропии оптических свойств. Измеряемая разница может быть определена как количество любого количественного флуоресцентного свойства, например, интенсивность флуоресцентции при определенной длине волны, или интегральная флуоресценция на всем спектре испускания.[30] As used here, the “fluorescence properties” or the “spectral properties” refers to the molar extinction coefficient at a suitable wavelength, the quantum yield of fluorescence, the shape of the fluorescence excitation spectrum or emission spectrum, the wavelength corresponding to the maximum fluorescence excitation , and the wavelength corresponding to the maximum emission, the ratio of the amplitude of the excitation of fluorescence at two different wavelengths, the ratio of the amplitude of the emission at two different wavelengths, lifetime the expected state, and anisotropy of the optical properties. The measured difference can be defined as the amount of any quantitative fluorescence property, for example, the fluorescence intensity at a certain wavelength, or the integral fluorescence over the entire emission spectrum.

[31] Как здесь используется, термин «сигнал биосенсора» означает детектируемое изменение спектральной характеристики биосенсора в ответ на изменение рН среды.[31] As used here, the term "biosensor signal" means a detectable change in the spectral characteristics of the biosensor in response to a change in pH of the medium.

[32] Как здесь используется, ′′яркость флуоресценции′′ определяется квантовым выходом флуоресценции биосенсора, умноженным на максимальный коэффициент экстинкции и деленным на 1000.[32] As used here, the “fluorescence brightness” is determined by the quantum yield of the biosensor fluorescence, multiplied by the maximum extinction coefficient and divided by 1000.

[33] Ссылка на нуклеотидную последовательность ′′кодирующую′′ полипептид означает, что с нуклеотидной последовательности в ходе трансляции и транскрипции мРНК продуцируется этот полипептид. При этом может быть указана как кодирующая цепь, идентичная мРНК и обычно используемая в списке последовательностей, так и комплементарная цепь, которая используется как матрица при транскрипции. Как очевидно для любого специалиста в данной области техники, термин так же включает любые вырожденные нуклеотидные последовательности кодирующие одинаковую аминокислотную последовательность. Нуклеотидная последовательности кодирующие полипептид включают последовательности, содержащие интроны.[33] A reference to the nucleotide sequence “encoding” a polypeptide means that the polypeptide is produced from the nucleotide sequence during translation and transcription of mRNA. In this case, both a coding strand identical to mRNA and usually used in the list of sequences can be indicated, as well as a complementary strand that is used as a template for transcription. As is obvious to any person skilled in the art, the term also includes any degenerate nucleotide sequences encoding the same amino acid sequence. Nucleotide sequences encoding a polypeptide include sequences containing introns.

[34] Термин ′′оперативно связанный′′ или ему подобный при описании структуры биосенсора или химерных белков на его основе относится к полипептидным последовательностям, которые находятся в физической и функциональной связи одна с другой. В наиболее предпочтительных воплощениях, основные функции полипептидных компонентов химерной молекулы не изменены по сравнению с функциональными свойствами выделенных полипептидных компонентов. Например, когда биосенсор настоящего изобретения сшит с представляющим интерес сигналом внутриклеточной локализации или белком, химерный белок сохраняет способность реагировать на появление рН, но локализуется в определенном клеточном компартменте. Как очевидно для любого специалиста в данной области техники, нуклеотидные последовательности, кодирующие химерный белок, включающий ′′оперативно связанные′′ компоненты (белки, полипептиды, линкерные последовательности, белковые домены и т.д.), состоят из фрагментов, кодирующих указанные компоненты, где эти фрагменты ковалентно связаны таким образом, что в ходе трансляции и транскрипции нуклеотидной последовательности продуцируется полноразмерный химерный белок. Иными словами, фрагменты соединены таким образом, что в местах их соединения отсутствуют ′сбойки′ рамки считывания и стоп-кодоны.[34] The term “operatively linked” or the like when describing the structure of a biosensor or chimeric proteins based on it refers to polypeptide sequences that are in physical and functional connection with each other. In the most preferred embodiments, the basic functions of the polypeptide components of the chimeric molecule are not changed compared with the functional properties of the isolated polypeptide components. For example, when a biosensor of the present invention is crosslinked with an intracellular localization signal of interest or a protein, the chimeric protein retains the ability to respond to pH, but is localized in a particular cellular compartment. As is obvious to any person skilled in the art, the nucleotide sequences encoding a chimeric protein including the “operatively linked” components (proteins, polypeptides, linker sequences, protein domains, etc.) consist of fragments encoding these components, where these fragments are covalently linked in such a way that a full-sized chimeric protein is produced during translation and transcription of the nucleotide sequence. In other words, the fragments are connected in such a way that there are no “failures” of the reading frame and stop codons at the places of their connection.

[35] Как здесь используется, термин «рН» означает «водородный показатель» - меру, количественно выражающую кислотность раствора, которая вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм активности водородных ионов, выраженной в молях на один литр. Для определения значения рН растворов широко используют несколько стандартных методик. Водородный показатель можно приблизительно оценивать с помощью индикаторов, точно измерять рН-метром или определять аналитически путем, проведением кислотно-основного титрования.[35] As used here, the term “pH” means “hydrogen index” - a measure that quantifies the acidity of a solution, which is calculated as the negative (taken with the opposite sign) decimal logarithm of the activity of hydrogen ions, expressed in moles per liter. Several standard techniques are widely used to determine the pH of solutions. The hydrogen index can be approximately estimated using indicators, accurately measured with a pH meter or determined analytically by acid-base titration.

[36] Как здесь используется, термин «физиологические значения рН» или ему подобный означает диапазон значений рН цитоплазмы, наблюдаемый в физиологических условиях, что приблизительно соответствует рН от 6.8 до 7.8.[36] As used here, the term "physiological pH values" or the like means a range of cytoplasmic pH values observed under physiological conditions, which approximately corresponds to a pH of 6.8 to 7.8.

[37] Молекулы нуклеиновых кислот[37] Nucleic acid molecules

[38] Настоящее изобретение обеспечивает молекулы нуклеиновых кислот кодирующие флуоресцентный биосенсор SypHer2 для детекции рН, имеющий аминокислотную последовательность SEQ ID NO: 4. Указанный биосенсор отличается увеличенной яркостью флуоресценции по сравнению с биосенсором SypHer и содержит замену A406V (нумерация аминоксилот приведена в соответствии с аминокислотной последовательностью белка SypHer, показанной в SEQ ID NO: 2).[38] The present invention provides nucleic acid molecules encoding a SypHer2 fluorescence biosensor for pH detection having the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4. This biosensor has an increased fluorescence brightness compared to the SypHer biosensor and contains the A406V substitution (the amino acid numbering is in accordance with the amino acid sequence SypHer protein shown in SEQ ID NO: 2).

[39] Так же обеспечиваются молекулы нуклеиновых кислот кодирующие химерные белки, содержащие флуоресцентный биосенсор SypHer2 для детекции рН оперативно слитый с белками, обеспечивающими локализацю биосенсора в определенных компартментах нейрона.[39] Nucleic acid molecules are also provided that encode chimeric proteins containing the SypHer2 fluorescence biosensor for detecting pH operatively fused with proteins that localize the biosensor in specific neuron compartments.

[40] Методы получения таких слитых белков хорошо известны в данной области. Например, части нуклеиновой кислоты, кодирующие различные элементы, могут быть встроены в полилинкер вектора, таким образом, что между различными частями не будет стоп-кодонов в рамке считывания и не будет сбоек рамки считывания. Альтернативно, желательная нуклеотидная последовательность может быть собрана из фрагментов с помощью ДНК-лигазы или ПЦР с праймерами, содержащими части, комплементарные концевым последовательностям соединяемых фрагментов.[40] Methods for producing such fusion proteins are well known in the art. For example, parts of a nucleic acid encoding different elements can be inserted into the polylinker of the vector so that there are no stop codons between the different parts in the reading frame and there are no reading frame failures. Alternatively, the desired nucleotide sequence can be assembled from fragments using DNA ligase or PCR with primers containing parts complementary to the terminal sequences of the fragments to be joined.

[41] Как здесь используется, молекула нуклеиновой кислоты это молекула ДНК, такая как геномная ДНК или кДНК молекула, или молекула РНК, такая как молекула мРНК. Как здесь используется, термин ′′кДНК′′ относится к нуклеиновым кислотам, которые обладают размещением элементов последовательности найденным в нативных зрелых видах мРНК, где элементы последовательности - это экзоны и 5′ и 3′ некодирующие области.[41] As used here, a nucleic acid molecule is a DNA molecule, such as a genomic DNA or cDNA molecule, or an RNA molecule, such as an mRNA molecule. As used here, the term “cDNA” refers to nucleic acids that possess the arrangement of sequence elements found in native mature types of mRNA, where sequence elements are exons and 5 ′ and 3 ′ non-coding regions.

[42] Молекула нуклеиновой кислоты кодирующая флуоресцентный биосенсор может быть синтезирована из подходящих нуклеозидтрифосфатов или получена путем мутагенеза нуклеиновой кислоты, кодирующий биосенсор HyPer или SypHer или их гомолог. Оба метода основаны на хорошо известных в данной области протоколах. Например, доступность информации о последовательности аминокислот или информации о нуклеотидной последовательности дает возможность изготовить выделенные молекулы нуклеиновых кислот настоящего изобретении с помощью олигонуклеотидного синтеза. В случае информации о последовательности аминокислот может быть синтезировано несколько нуклеиновых кислот отличающихся друг от друга вследствие вырожденности генетического кода. Методы выбора вариантов ко донов для требуемого хозяина хорошо известны в данной области. Синтетические олигонуклеотиды могут быть приготовлены с помощью фосфорамидитного метода, и полученные конструкты могут быть очищены с помощью методов хорошо известных в данной области, таких как высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) или других методов как описано, например, в Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd Ed., (1989) Cold Spring Harbor Press, Cold Spring Harbor, NY, и no инструкции, описанной в, например, United States Dept. of HHS, National Institute of Health (NIH) Guidelines for Recombinant DNA Research. Длинные двухцепочечные молекулы ДНК настоящего изобретения могут быть синтезированы за следующие стадии: несколько меньших фрагментов с необходимой комплементарностью, которые содержат подходящие концы способные к когезии с соседним фрагментом, могут быть. Соседние фрагменты могут быть сшиты с помощью ДНК-лигазы или метода, основанного на ПЦР. Нуклеиновая кислота, кодирующая биосенсор или его фрагмент, может быть выделена любым из многих известных методов.[42] A nucleic acid molecule encoding a fluorescent biosensor can be synthesized from suitable nucleoside triphosphates or obtained by nucleic acid mutagenesis encoding a HyPer or SypHer biosensor or a homolog thereof. Both methods are based on protocols well known in the art. For example, the availability of amino acid sequence information or nucleotide sequence information enables the production of isolated nucleic acid molecules of the present invention using oligonucleotide synthesis. In the case of amino acid sequence information, several nucleic acids that differ from each other due to the degeneracy of the genetic code can be synthesized. Methods for selecting codon variants for a desired host are well known in the art. Synthetic oligonucleotides can be prepared using the phosphoramidite method, and the resulting constructs can be purified using methods well known in the art, such as high performance liquid chromatography (HPLC) or other methods as described, for example, in Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2 nd Ed., (1989) Cold Spring Harbor Press, Cold Spring Harbor, NY, and no instructions described in, for example, United States Dept. of HHS, National Institute of Health (NIH) Guidelines for Recombinant DNA Research. The long double-stranded DNA molecules of the present invention can be synthesized in the following stages: several smaller fragments with the necessary complementarity, which contain suitable ends capable of cohesion with the neighboring fragment, can be. Neighboring fragments can be crosslinked using a DNA ligase or PCR based method. A nucleic acid encoding a biosensor or fragment thereof can be isolated by any of many known methods.

[43] Кроме того, также обеспечиваются вырожденные варианты нуклеиновых кислот, которые кодируют биосенсор настоящего изобретения. Вырожденные варианты нуклеиновых кислот включают замены кодонов нуклеиновой кислоты на другие кодоны, кодирующие те же самые аминокислоты. В частности вырожденные варианты нуклеиновых кислот создаются, чтобы увеличить экспрессию в клетке-хозяине. В этом воплощении, кодоны нуклеиновой кислоты, которые не являются предпочтительными или являются менее предпочтительными в генах клетки-хозяина, заменены кодонами, которые обильно представлены в кодирующих последовательностях генов в клетке-хозяине, где указанные замененные кодоны кодируют ту же самую аминокислоту.[43] In addition, degenerate nucleic acid variants that encode the biosensor of the present invention are also provided. Degenerate nucleic acid variants include substitutions of nucleic acid codons with other codons encoding the same amino acids. In particular, degenerate nucleic acid variants are created to increase expression in the host cell. In this embodiment, nucleic acid codons that are not preferred or less preferred in the genes of the host cell are replaced by codons that are abundantly represented in the coding sequences of the genes in the host cell, where said substituted codons encode the same amino acid.

[44] Особенный интерес представляют гуманизированные версии нуклеиновых кислот настоящего изобретения. Как здесь используется, термин ′′гуманизированный′′ относится к заменам, сделанным в последовательности нуклеиновой кислоты для оптимизации кодонов для экспрессии белка в клетках млекопитающих (человека) (Yang et al., Nucleic Acids Research (1996) 24: 4592-4593). См. также Патент США №5795737, который описывает гуманизацию белков, раскрытие которого здесь включено ссылкой.[44] Of particular interest are humanized versions of the nucleic acids of the present invention. As used herein, the term “humanized” refers to substitutions made in a nucleic acid sequence to optimize codons for protein expression in mammalian (human) cells (Yang et al., Nucleic Acids Research (1996) 24: 4592-4593). See also US Patent No. 5,795,737, which describes the humanization of proteins, the disclosure of which is incorporated herein by reference.

[45] В некоторых воплощениях, молекула нуклеиновой кислоты настоящего изобретения - это ДНК (или кДНК) молекула, содержащая открытую рамку считывания, которая кодирует биосенсор настоящего изобретения и способна в подходящих условиях (например, физиологические внутриклеточные условия) быть использована для экспрессии белка в клетке-хозяине. Настоящее изобретение также охватывает нуклеиновые кислоты, которые гомологичны, по существу сходны, идентичны, или получены из нуклеиновых кислот, кодирующих белки настоящего изобретения. Указанные нуклеиновые кислоты находятся в среде, отличной от среды, в которой они находятся в естественных условиях, например, они выделены, представлены в увеличенном количестве, находятся или экспрессированы в системах in vitro или в клетках или организмах, отличных от тех, в которых они находятся в естественных условиях.[45] In some embodiments, the nucleic acid molecule of the present invention is a DNA (or cDNA) molecule containing an open reading frame that encodes a biosensor of the present invention and is capable of being used under suitable conditions (eg, physiological intracellular conditions) for expression of a protein in a cell the owner. The present invention also encompasses nucleic acids that are homologous, substantially similar, identical, or derived from nucleic acids encoding the proteins of the present invention. These nucleic acids are in a different environment from the environment in which they are found under natural conditions, for example, they are isolated, present in an increased amount, are or are expressed in vitro systems or in cells or organisms other than those in which they are located in vivo.

[46] Заявленные нуклеиновые кислоты могут быть выделены и получены, по существу, в очищенной форме. По существу, очищенная форма означает, что нуклеиновые кислоты являются по меньшей мере приблизительно на 50% чистыми, обычно по меньшей мере приблизительно на 90% чистыми и обычно являются ′′рекомбинантными′′, то есть, фланкированы одним или более нуклеотидов,- с которыми она обычно не связана в хромосоме, встречающейся в природе в ее естественном организме-хозяине.[46] The claimed nucleic acids can be isolated and obtained essentially in purified form. Essentially, a purified form means that the nucleic acids are at least about 50% pure, usually at least about 90% pure, and are usually “recombinant”, that is, flanked by one or more nucleotides, with which it is usually not linked on the chromosome found naturally in its natural host organism.

[47] Изменения или различия в нуклеотидной последовательности между высоко сходными нуклеотидными последовательностями могут представлять нуклеотидные замены в последовательности, которые возникают в процессе нормальной репликации или дупликации. Другие замены могут быть специально рассчитаны и вставлены в последовательность для определенных целей таких, как изменение кодонов определенных аминокислот или нуклеотидной последовательности регуляторного региона. Такие специальные замены могут быть произведены in vitro с помощью различных технологий мутагенеза или получены в организмах-хозяевах, находящихся в специфических селекционных условиях, которые индуцируют или отбирают эти изменения. Такие специально полученные варианты последовательности могут быть названы ′′мутантами′′ или ′′производными′′ исходной последовательности.[47] Changes or differences in the nucleotide sequence between highly similar nucleotide sequences can represent nucleotide substitutions in the sequence that occur during normal replication or duplication. Other substitutions can be specifically calculated and inserted into the sequence for specific purposes, such as changing the codons of certain amino acids or the nucleotide sequence of a regulatory region. Such special substitutions can be made in vitro using various mutagenesis technologies or obtained in host organisms under specific breeding conditions that induce or select these changes. Such specially derived variants of a sequence can be called “mutants” or derivatives of the original sequence.

[48] Мутантные или производные нуклеиновые кислоты могут быть получены на матричной нуклеиновой кислоте, выбранной из вышеописанных нуклеиновых кислот, путем модификации, делеции или добавления одного или более нуклеотидов в матричной последовательности или их комбинации, для получения варианта матричной нуклеиновой кислоты. Модификации, добавления или делеции могут быть выполнены любым способом, известным в данной области (см. например Gustin et al., Biotechniques (1993) 14: 22; Barany, Gene (1985) 37: 111-123; и Colicelli et al., Mol. Gen. Genet. (1985) 199: 537-539, Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, (1989), CSH Press, pp.15.3-15.108), включая подверженный ошибкам ПЦР (error-prone PCR), shuffling, олигонуклеотид-направленный мутагенез, ПЦР со сборкой, парный ПЦР мутагенез, мутагенез in vivo, кассетный мутагенез, рекурсивный множественный мутагенез, экспоненциальный множественный мутагенез, сайт-специфический мутагенез, случайный мутагенез, генная реассемблирование (gene reassembly), генный сайт-насыщающий мутагенез (GSSM), искусственное перестройку с лигированием (SLR) или их комбинации. Модификации, добавления или делеции могут быть также выполнены методом, включающим рекомбинацию, рекурсивную рекомбинацию последовательностей, фосфотиоат-модифицированный мутагенез ДНК, мутагенез на урацил-содержащей матрице, мутагенез с двойным пропуском, точечный восстановительный по рассогласованию мутагенез, мутагенез штамма, дефицитного по восстановлениям, химический мутагенез, радоактивный мутагенез, делетационный мутагенез, рестрикционно-избирательный мутагенез, рестрикционный мутагенез с очисткой, синтез искусственных генов, множественный мутагенез, создание химерных множественных нуклеиновых кислот и их комбинации.[48] Mutant or derivative nucleic acids can be obtained on a matrix nucleic acid selected from the above nucleic acids by modifying, deletion or addition of one or more nucleotides in the matrix sequence or a combination thereof, to obtain a variant of the matrix nucleic acid. Modifications, additions or deletions can be performed by any method known in the art (see, for example, Gustin et al., Biotechniques (1993) 14: 22; Barany, Gene (1985) 37: 111-123; and Colicelli et al., Mol. Gen. Genet. (1985) 199: 537-539, Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, (1989), CSH Press, pp. 15.3-15.108), including error prone PCR ), shuffling, oligonucleotide-directed mutagenesis, assembly PCR, pairwise PCR mutagenesis, in vivo mutagenesis, cassette mutagenesis, recursive multiple mutagenesis, exponential multiple mutagenesis, site-specific mutagenesis, random mutagenesis, gene p assembling (gene reassembly), gene site saturation mutagenesis (GSSM), artificial rearrangement ligation (SLR) or a combination thereof. Modifications, additions or deletions can also be performed by a method including recombination, recursive recombination of sequences, phosphotioate-modified DNA mutagenesis, mutagenesis on a uracil-containing matrix, double-pass mutagenesis, mismatch spot recovery mutagenesis, strain mutagenesis, recovery-deficient mutagenesis, radioactive mutagenesis, deletion mutagenesis, restriction-selective mutagenesis, restriction mutagenesis with purification, synthesis of artificial g new, multiple mutagenesis, creation of multiple chimeric nucleic acids, and combinations thereof.

[49] Также обеспечиваются вектор и другие конструкции нуклеиновой кислоты, содержащие заявленные нуклеиновые кислоты. Подходящие векторы включают вирусные и невирусные векторы, плазмиды, космиды, фаги и т.д., предпочтительно плазмиды, и используются для клонирования, амплификации, экспрессии, переноса и т.д., последовательности нуклеиновой кислоты настоящего изобретения в подходящего хозяина. Выбор подходящего вектора является понятным для квалифицированного специалиста в данной области, и известно много таких доступны коммерчески векторов. Для приготовления конструкции, полноразмерная нуклеиновая кислота или ее часть обычно встраивается в вектор посредством прикрепления ДНК-лигазой к расщепленному ферментами рестрикции сайту в векторе. Альтернативно, желательная нуклеотидная последовательность может быть вставлена гомологичной рекомбинацией in vivo, обычно, присоединением гомологичных участков к вектору на флангах желательной нуклеотидной последовательности. Гомологичные участки добавляют лигированием олигонуклеотидов или полимеразной цепной реакцией, с использованием праймеров, включающих, например, как гомологичные участки, так и часть желательной нуклеотидной последовательности.[49] A vector and other nucleic acid constructs containing the claimed nucleic acids are also provided. Suitable vectors include viral and non-viral vectors, plasmids, cosmids, phages, etc., preferably plasmids, and are used for cloning, amplification, expression, transfer, etc., of the nucleic acid sequence of the present invention in a suitable host. The selection of a suitable vector is readily apparent to those skilled in the art, and many such commercially available vectors are known. To prepare the construct, a full-length nucleic acid or part thereof is usually inserted into the vector by attaching a DNA ligase to a restriction enzyme cleaved site in a vector. Alternatively, the desired nucleotide sequence can be inserted by in vivo homologous recombination, usually by attaching homologous regions to a vector on the flanks of the desired nucleotide sequence. Homologous regions are added by ligation of oligonucleotides or by polymerase chain reaction using primers including, for example, both homologous regions and part of the desired nucleotide sequence.

[50] Также обеспечиваются кассеты экспрессии или системы, использованные inter alia для получения заявленных биосенсоров или химерных белков на их основе или для репликации заявленных молекул нуклеиновой кислоты. Кассета экспрессии может существовать в виде внехромосомного элемента или может быть включена в геном клетки в результате введения указанной кассеты экспрессии в клетку.[50] Also provided are expression cassettes or systems used inter alia to obtain the claimed biosensors or chimeric proteins based thereon or to replicate the claimed nucleic acid molecules. The expression cassette may exist as an extrachromosomal element or may be incorporated into the genome of a cell by introducing said expression cassette into the cell.

[51] В экспрессионном векторе или кассете экспрессии указанная нуклеиновая кислота является функционально связанной с регуляторной последовательностью, которая может включать промоторы, энхансеры, терминаторы, операторы, репрессоры и индукторы и обеспечивает инициацию считывания РНК (транскрипции) в клетке-хозяине. В экспрессионном векторе или кассете экспрессии нуклеиновая кислота настоящего изобретения может быть также связана с сигналами терминации транскрипции, функциональным в клетке-хозяине. Методы изготовления кассет экспрессии или систем для экспрессии желаемого продукта известны специалистом, квалифицированным в данной области.[51] In the expression vector or expression cassette, said nucleic acid is operably linked to a regulatory sequence, which may include promoters, enhancers, terminators, operators, repressors, and inducers, and initiates the reading of RNA (transcription) in the host cell. In the expression vector or expression cassette, the nucleic acid of the present invention may also be associated with transcription termination signals functional in the host cell. Methods for making expression cassettes or systems for expressing a desired product are known to those skilled in the art.

[52] Вышеописанные системы экспрессии могут использоваться в прокариотических или эукариотических хозяевах. Клеточные линии, которые устойчиво экспрессируют белки настоящего изобретения, могут быть выбраны способами, известными в данной области (например ко-трансфекция с селектируемым маркером, таким как dhfr, gpt, неомицин, гигромицин, что делает возможным выявление и выделение транфецированных клеток, которые содержат ген, включенный в геном).[52] The above expression systems may be used in prokaryotic or eukaryotic hosts. Cell lines that stably express the proteins of the present invention can be selected by methods known in the art (e.g., co-transfection with a selectable marker such as dhfr, gpt, neomycin, hygromycin, which makes it possible to identify and isolate transfected cells that contain the gene included in the genome).

[53] Белковый продукт, кодируемый нуклеиновой кислотой изобретения, может быть получен путем экспрессии в любой удобной системе экспрессии, включая, например, бактериальные системы, дрожжевые системы, клетки насекомых, земноводных или клетки млекопитающих. Например, для получения белка могут использоваться клетки-хозяева, такие как Е. coli, В. subtilis, S. cerevisiae, клетки насекомого в комбинации с бакуловирусными векторами, или клетки высшего организма, такого как позвоночные, например, COS 7 клетки, НЕК 293, СНО, ооциты Xenopus и т.д.[53] The protein product encoded by the nucleic acid of the invention can be obtained by expression in any convenient expression system, including, for example, bacterial systems, yeast systems, insect cells, amphibians, or mammalian cells. For example, host cells such as E. coli, B. subtilis, S. cerevisiae, insect cells in combination with baculovirus vectors, or cells of a higher organism such as vertebrates such as COS 7 cells, HEK 293 can be used to produce protein , CHO, Xenopus oocytes, etc.

[54] Если используется любая вышеупомянутая клетка-хозяин или другие подходящие клетки-хозяева или организмы для репликации и/или экспрессии нуклеиновых кислот изобретения, то полученная реплицированная нуклеиновая кислота, экспрессированный белок или полипептид находятся в рамках притязания изобретения как продукт клетки-хозяина или организма. Продукт может быть выделен подходящим способом, известным в данной области.[54] If any of the aforementioned host cells or other suitable host cells or organisms are used to replicate and / or express the nucleic acids of the invention, the resulting replicated nucleic acid, expressed protein or polypeptide is within the scope of the invention as a product of the host cell or organism . The product may be isolated by a suitable method known in the art.

[55] Белки[55] Squirrels

[56] Нуклеиновые кислоты по настоящему изобретению кодируют флуоресцентный биосенсор для детекции рН и химерные белки на его основе. В некоторых воплощениях химерные белки включают SypHer2 оперативно слитый с белком synaptophysin (major synaptic vesicle protein p38). В некоторых воплощениях химерные белки включают SypHer2 оперативно слитый с белком Homerl (PSD-Zip45).[56] The nucleic acids of the present invention encode a fluorescent biosensor for detecting pH and chimeric proteins based thereon. In some embodiments, chimeric proteins include SypHer2 operatively fused to synapthysin protein (major synaptic vesicle protein p38). In some embodiments, chimeric proteins include SypHer2 operatively fused to the Homerl protein (PSD-Zip45).

[57] Синаптофизин (Synaptophysin, major synaptic vesicle protein p38) - мембранный гликопротеид, локализованный в синаптических везикулах. Характеризуется высоким уровнем экспрессии в нейронах всех типов и нейроэндокринных клетках, и может являться маркером для количественного определения синаптических контактов. Нарушение экспрессии синаптофизина вызывает незначительные нарушения поведения у мышей (McMahon НТ et. al., 1996, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 93, 4760-4764). Химерный белок синаптифизин-сайфер2 локализуется на поверхности синаптических везикул в пресинаптических окончаниях нейронов.[57] Synaptophysin (Synapthysin, major synaptic vesicle protein p38) is a membrane glycoprotein localized in synaptic vesicles. It is characterized by a high level of expression in neurons of all types and neuroendocrine cells, and can be a marker for the quantitative determination of synaptic contacts. Impaired synaptophysin expression causes minor impaired behavior in mice (McMahon HT et. Al., 1996, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 93, 4760-4764). The chimeric synaptiphysin-cypher2 protein is localized on the surface of synaptic vesicles at the presynaptic ends of neurons.

[58] Homerl (PSD-Zip45) - цитоплазматический белок, широко распространенный в клетках центральной нервной системы, а также почках, сердце, тканях поперечно-полосатой мускулатуры и др. Homer1 является одним из основных компонентов постсинаптической плотности нейронов, где участвует в организации в комплексы каналов, клеточных рецепторов и цитоплазматических регуляторных белков (Hayashi МК et al, 2009, Cell 137, 159-171, Meyer D, Bonhoeffer T, Scheuss V, 2014, Neuron 82, 430-443). Объединение SypHer2-Homer в единый конструкт приводит преимущественной локализации рН-сенсора в цитоплазме постсинаптических окончаний в дендритах и на телах нейронов.[58] Homerl (PSD-Zip45) is a cytoplasmic protein widely distributed in the cells of the central nervous system, as well as in the kidneys, heart, tissues of striated muscles, etc. Homer1 is one of the main components of the postsynaptic density of neurons, where it is involved in organizing complexes of channels, cell receptors, and cytoplasmic regulatory proteins (Hayashi MK et al, 2009, Cell 137, 159-171, Meyer D, Bonhoeffer T, Scheuss V, 2014, Neuron 82, 430-443). The combination of SypHer2-Homer into a single construct leads to the predominant localization of the pH sensor in the cytoplasm of postsynaptic endings in dendrites and on the bodies of neurons.

[59] Заявленный биосенсор и химерные белки на его основе обладают способностью к детектируемой флуоресценции, которая может быть зарегистрирована с помощью визуального скрининга, спектрофотометрии, спектрофлуориметрии, флуоресцентной микроскопии, с помощью FACS или другим общепринятым способом для регистрации флуоресценции.[59] The claimed biosensor and chimeric proteins based on it have the ability to detect fluorescence, which can be detected using visual screening, spectrophotometry, spectrofluorimetry, fluorescence microscopy, using FACS or other generally accepted method for recording fluorescence.

[60] При физиологических значениях рН биосенсор имеет максимум (пик) эмиссии в диапазоне от 500 нм до 550 нм, например, 520 нм, и два пика возбуждения флуоресценции; первый в диапазоне 400-450 нм (например, 420 нм) и второй в диапазоне 470-510 нм (например, 500 нм). При изменении рН в сторону более высоких значений происходит снижение интенсивности флуоресценции сенсора при возбуждении в диапазоне 400-450 нм и увеличивается интенсивность флуоресценции при возбуждении в диапазоне 470-510 нм.[60] At physiological pH values, the biosensor has a maximum (peak) emission in the range from 500 nm to 550 nm, for example, 520 nm, and two peaks of fluorescence excitation; the first in the range of 400-450 nm (e.g., 420 nm) and the second in the range of 470-510 nm (e.g., 500 nm). As the pH changes to higher values, the fluorescence intensity of the sensor decreases upon excitation in the range of 400–450 nm and the fluorescence intensity increases upon excitation in the range 470–510 nm.

[61] Таким образом, за сигнал сенсора можно принимать соотношение интенсивности флуоресценции при возбуждении в диапазоне 470-510 нм к интенсивности флуоресценции при возбуждении в диапазоне 400-450 нм. Данный параметр не зависит от концентрации биосенсора, уровня его экспрессии в клетке, объема клетки или клеточного компартмента, то есть сенсор обеспечивает рациометрическое измерение рН.[61] Thus, the ratio of the fluorescence intensity upon excitation in the range 470-510 nm to the fluorescence intensity upon excitation in the range 400-450 nm can be taken as a sensor signal. This parameter does not depend on the concentration of the biosensor, the level of its expression in the cell, the volume of the cell or the cell compartment, i.e. the sensor provides a ratiometric measurement of pH.

[62] В некоторых воплощениях сигнал сенсора возрастает более чем в 1,5 раза при изменении рН от 7,0 до 7,5, чаще более чем в 2 раза, например в 2.1 или 2,2 раза.[62] In some embodiments, the sensor signal increases by more than 1.5 times when the pH changes from 7.0 to 7.5, more often more than 2 times, for example, 2.1 or 2.2 times.

[63] В некоторых воплощениях, заявленные биосенсоры являются яркими, где под яркими понимается то, что флуоресценция биосенсоров может быть детектирована обычными способами (например, визуальный скрининг, спектрофотометрия, спектрофлуориметрия, флуоресцентная микроскопия, FACS приборами, и т.д.) В некоторых воплощениях, заявленные белки обладают яркостью флуоресценции в диапазоне от приблизительно 1,8 до 4,5 обычно приблизительно от 2,0 до 3,8, и чаще всего приблизительно от 2.3 до 2.7 при значении рН 7.0.[63] In some embodiments, the claimed biosensors are bright, where bright means that fluorescence of biosensors can be detected by conventional methods (eg, visual screening, spectrophotometry, spectrofluorimetry, fluorescence microscopy, FACS devices, etc.) In some embodiments, the claimed proteins have a fluorescence brightness in the range from about 1.8 to 4.5, usually from about 2.0 to 3.8, and most often from about 2.3 to 2.7 at a pH of 7.0.

[64] Специфические биосенсоры, представляющие интерес, включают биосенсор, имеющий аминокислотную последовательность SEQ ID No: 4 и его функциональные химерные белки, имеющие аминоксилотные последовательности SEQ ID No: 6 и SEQ ID No: 8.[64] Specific biosensors of interest include a biosensor having the amino acid sequence of SEQ ID No: 4 and its functional chimeric proteins having the amino acid sequences of SEQ ID No: 6 and SEQ ID No: 8.

[65] Также обеспечиваются функциональные биосенсоры, которые, по существу, сходны с указанным выше биосенсором, где, по существу сходны, означает, что эти белки имеют аминокислотную последовательность, идентичную последовательности SEQ ID No: 04, по крайней мере, на 85% идентичности, обычно, по крайней мере, 90% и чаще, по крайней мере, 95%, (например 95% и выше; 96% и выше, 97% и выше; 98% и выше: 99% и выше или 100% идентичности последовательности).[65] Functional biosensors are also provided that are substantially similar to the biosensor above, where substantially similar, means that these proteins have an amino acid sequence identical to the sequence of SEQ ID No: 04, at least 85% identity typically at least 90% and more often at least 95% (e.g. 95% and higher; 96% and higher, 97% and higher; 98% and higher: 99% and higher or 100% sequence identity )

[66] Биосенсоры настоящего изобретения присутствуют в среде, отличной от их естественной среды; например, они рекомбинантны. Белки настоящего изобретения могут находиться в выделенном состоянии, что означает, что белки по существу свободны от других белков и других биологических молекул, присутствующих в естественной среде, таких как олигосахариды, нуклеиновые кислоты и их фрагменты и т.п., где термин ′′по существу свободны′′ в этом случае означает, что меньше чем 70%, обычно меньше чем 60% и чаще меньше чем 50% композиции, содержащей выделенный белок, представляет собой некоторые другие биологические молекулы, чем встречающиеся в природе. В некоторых воплощениях, белки присутствуют в по существу очищенной форме, где ′′по существу очищенная форма′′ означает очищенная по меньшей мере на 95%, обычно по меньшей мере на 97% и чаще по меньшей мере на 99%.[66] The biosensors of the present invention are present in an environment different from their natural environment; for example, they are recombinant. The proteins of the present invention can be in an isolated state, which means that the proteins are substantially free of other proteins and other biological molecules present in the natural environment, such as oligosaccharides, nucleic acids and fragments thereof and the like, where the term essentially free ”in this case means that less than 70%, usually less than 60% and more often less than 50% of the composition containing the isolated protein, are some other biological molecules than those found in nature. In some embodiments, the proteins are present in a substantially purified form, where ″ ″ substantially purified form ″ means purified at least 95%, usually at least 97%, and more often at least 99%.

[67] Заявленные биосенсоры могут быть получены, например, экспрессией рекомбинантной нуклеиновой кислоты, кодирующей последовательность, белка, представляющего интерес, в соответствующем хозяине, как описано выше. Для очистки белка могут применяться любые обычные методики, где подходящие методы очистки белка описаны в Guide to Protein Purification, (Deuthser ed., Academic Press, 1990). Например, лизат может быть приготовлен из исходного источника и очищен с использованием ВЭЖХ, вытеснительной хроматографии, гель-электрофореза, афинной хроматографии и т.п.[67] The claimed biosensors can be obtained, for example, by expression of a recombinant nucleic acid encoding a sequence of a protein of interest in an appropriate host, as described above. For protein purification, any conventional methodology may be employed where suitable protein purification methods are described in Guide to Protein Purification, (Deuthser ed., Academic Press, 1990). For example, a lysate can be prepared from a source and purified using HPLC, size exclusion chromatography, gel electrophoresis, affinity chromatography, and the like.

[68] Трансформанты[68] Transformants

[69] Нуклеиновые кислоты настоящего изобретения могут быть использованы для получения трансформатов, включая трансгенных организмов или сайт-специфичных генных изменений в клеточных линиях. Трансгенные клетки, заявленные в изобретении, содержат одну или более нуклеиновых кислот, заявленных по настоящему изобретению, в качестве трансгена. Для целей изобретения быть использована любая приемлемая клетка-хозяин может, включая прокариотические (например, Escherichia coli, Streptomyces sp., Bacillus subtilis, Lactobacillus acidophilus, и т.д.) или эукариотические клетки-хозяева. Трансгенный организм, заявленный по изобретению, может быть прокариотическим или эукариотическим организмом, включая бактерии, цианобактирии, грибы, растения и животные, в которых одна или больше клеток организма содержат гетерогенную нуклеиновую кислоту, заявленную по изобретению, введенную посредством вмешательства человека, такими способами как технологии трансгеноза, которые известны в данной области.[69] The nucleic acids of the present invention can be used to obtain transformers, including transgenic organisms or site-specific gene changes in cell lines. The transgenic cells of the invention comprise one or more nucleic acids of the invention as a transgene. For the purposes of the invention, any suitable host cell may be used, including prokaryotic (e.g., Escherichia coli, Streptomyces sp., Bacillus subtilis, Lactobacillus acidophilus, etc.) or eukaryotic host cells. A transgenic organism of the invention may be a prokaryotic or eukaryotic organism, including bacteria, cyanobacteria, fungi, plants, and animals in which one or more cells of the body contain a heterogeneous nucleic acid of the invention, introduced by human intervention, by methods such as technologies transgenosis, which are known in the art.

[70] Выделенная нуклеиновая кислота настоящего изобретения может быть введена в хозяина способами, известными в данной области, например инфицированием, трансфекцией, трансформацией или трансконъюгацией. Способы переноса молекулы нуклеиновой кислоты (то есть. ДНК) в такие организмы широко известны и обеспечивается в ссылках, таких как Sambrook et al. (Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 3nd Ed., (2001) Cold Spring Harbor Press, Cold Spring Harbor, NY).[70] The isolated nucleic acid of the present invention can be introduced into the host by methods known in the art, for example, infection, transfection, transformation or trans-conjugation. Methods for transferring a nucleic acid molecule (i.e., DNA) into such organisms are widely known and provided in references such as Sambrook et al. (Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 3nd Ed., (2001) Cold Spring Harbor Press, Cold Spring Harbor, NY).

[71] В одном воплощении, трансгенный организм может быть прокариотическим организмом. Способы трансформации прокариотических хозяев хорошо описаны в данной области (например, см. Sambrook et al. Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd edition (1989) Cold Spring Harbor Laboratory Press и Ausubel et al., Current Protocols in Molecular Biology (1995) John Wiley & Sons, Inc).[71] In one embodiment, the transgenic organism may be a prokaryotic organism. Methods for transforming prokaryotic hosts are well described in the art (e.g., see Sambrook et al. Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd edition (1989) Cold Spring Harbor Laboratory Press and Ausubel et al., Current Protocols in Molecular Biology (1995) John Wiley & Sons, Inc).

[72] В другом воплощении, трансгенными организмами могут быть грибы, например дрожжами. Дрожжи широко используются как носители для экспрессии гетерогенного гена (например см. Goodey et al Yeast biotechnology, D R Berry et al, eds, (1987) Allen and Unwin, London, pp 401-429) и King et al Molecular and Cell Biology of Yeasts, E F Walton and G T Yarronton, eds, Blackie, Glasgow (1989) pp 107-133). Несколько типов дрожжевых векторов доступны, включая интегративные векторы, которые требуют рекомбинации с геномом хозяина для их поддержки, и автономно реплицирующиеся плазмидные векторых.[72] In another embodiment, the transgenic organisms may be fungi, for example, yeast. Yeast is widely used as a carrier for heterogeneous gene expression (e.g. see Goodey et al Yeast biotechnology, DR Berry et al, eds, (1987) Allen and Unwin, London, pp 401-429) and King et al Molecular and Cell Biology of Yeasts EF Walton and GT Yarronton, eds, Blackie, Glasgow (1989) pp 107-133). Several types of yeast vectors are available, including integrative vectors that require recombination with the host genome to support them, and autonomously replicating plasmid vectors.

[73] В другом воплощении, трансгенными организмами могут быть животные. Трансгенные животные могут быть получены трансгенными способами, известными в данной области и обеспечиваются в ссылках, таких как Pinkert, Transgenic Animal Technology: a Laboratory Handbook, 2nd edition (2203) San Diego: Academic Press; Gersenstein and Vintersten, Manipulating the Mouse Embryo: A Laboratory Manual, 3rd ed, (2002) Nagy A. (Ed), Cold Spring Harbor Laboratory; Blau et al., Laboratory Animal Medicine, 2nd Ed., (2002) Fox J.G., Anderson L.C., Loew F.M., Quimby F.W. (Eds), American Medical Association, American Psychological Association; Gene Targeting: A Practical Approach by Alexandra L. Joyner (Ed.) Oxford University Press; 2nd edition (2000). Например, трансгенные животные могут быть получены гомологичной рекомбинацией, где изменяется эндогенный локус. Альтернативно, конструкция нуклеиновой кислоты включается случайным образом в геном. Векторы для устойчивого включения включают плазмиды, ретровирусы и другие животные вирусы, YAC, и т.п. Нуклеиновые кислоты могут быть введены в клетку непосредственно или опосредованно, введением в прекурсор клетки, путем намеренной генетической манипуляции, такой как микроинъекция или инфицирование рекомбинантным вирусом или рекомбинантным вирусным вектором и т.п. Термин «генетическая манипуляция» не включает классическое скрещивание или оплодотворение in vitro, а предпочтительно является направленным на введение рекомбинантных молекул нуклеиновых кислот. Эти молекулы нуклеиновой кислоты могут быть включены в хромосому или они являться внехромосомными реплицирующими ДНК. Конструкции ДНК для гомологичной рекомбинации будут содержать по меньшей мере часть нуклеиновой кислоты настоящего изобретения, где ген имеет желательную генетическую модификацую(ции) и включает области гомологии с целевым локусом. Конструкциям ДНК для произвольного включения не обязательно содержать область гомологии с медиатором рекомбинации. Легко могут быть включены маркеры для положительной и отрицательной селекции. Способы получения клеток, имеющих целевые генные модификации, через гомологическую комбинацию известны в данной области. Для различных способов трансфекции клеток млекопитающих, см. Keown et al., Meth. Enzymol. (1990) 185: 527-537.[73] In another embodiment, animals may be transgenic organisms. Transgenic animals can be obtained by transgenic methods known in the art and provided in references such as Pinkert, Transgenic Animal Technology: a Laboratory Handbook, 2nd edition (2203) San Diego: Academic Press; Gersenstein and Vintersten, Manipulating the Mouse Embryo: A Laboratory Manual, 3rd ed, (2002) Nagy A. (Ed), Cold Spring Harbor Laboratory; Blau et al., Laboratory Animal Medicine, 2nd Ed., (2002) Fox J.G., Anderson L.C., Loew F.M., Quimby F.W. (Eds), American Medical Association, American Psychological Association; Gene Targeting: A Practical Approach by Alexandra L. Joyner (Ed.) Oxford University Press; 2nd edition (2000). For example, transgenic animals can be obtained by homologous recombination, where the endogenous locus changes. Alternatively, the nucleic acid construct is randomly incorporated into the genome. Vectors for sustainable incorporation include plasmids, retroviruses and other animal viruses, YAC, and the like. Nucleic acids can be introduced into a cell directly or indirectly, by introducing into a cell precursor, by intentional genetic manipulation, such as microinjection or infection with a recombinant virus or recombinant viral vector and the like. The term “genetic manipulation” does not include classical cross-fertilization or in vitro fertilization, but is preferably directed to the introduction of recombinant nucleic acid molecules. These nucleic acid molecules can be included in the chromosome or they can be extrachromosomal replicating DNA. DNA constructs for homologous recombination will contain at least a portion of the nucleic acid of the present invention, where the gene has the desired genetic modification (s) and includes homology regions with a target locus. DNA constructs for arbitrary incorporation do not necessarily contain a region of homology with a recombination mediator. Markers for positive and negative selection can easily be included. Methods for producing cells having targeted gene modifications through a homologous combination are known in the art. For various methods for transfecting mammalian cells, see Keown et al., Meth. Enzymol. (1990) 185: 527-537.

[74] Трансгенные животные могут быть любыми животными, не относящимися к человеку, включая млекопитающее, не относящееся к человеку, (например мышь, крыса), птица или амфибия и т.д., и использованы в функциональном исследовании, скрининге лекарственного средства и т.п.[74] Transgenic animals can be any non-human animal, including a non-human mammal (eg, mouse, rat), bird or amphibian, etc., and are used in functional research, drug screening, etc. .P.

[75] Также могут быть получены трансгенные растения. Способы получения трансгенных растительных клеток и растений описаны в патентах США №№5767367; 5750870; 5739409; 5689049; 5689045; 5674731; 5656466; 5633155; 5629470; 5595896; 5576198; 5538879; 5484956; раскрытия которых включены сюда ссылкой. Способы получения трансгенных растений также рассмотрены в Plant Biochemistry and Molecular Biology (eds. Lea and Leegood, John Wiley & Sons) (1993) pp. 275-295 и в Plant Biotechnology and Transgenic Plants (eds. Oksman-Caldentey and Barz), (2002) 719 p. Например, эмбриогенные эксплантаты, содержащие соматические клетки, могут использоваться для получения трансгенного хозяина. После сбора клеток или тканей, экзогенная ДНК, представляющая интерес, вводится в растительные клетки, при этом известен для такого введения ряд различных способов. При наличии выделенных протопластов, возникает возможность для введения через ДНК-опосредованные протоколы передачи гена, включая инкубацию протопластов с очищенной ДНК, такой как плазмида, содержащая целевую экзогенную последовательность, представляющую интерес, в присутствии поливалентных катионов (например, PEG или PLO); или электропорацию протопластов в присутствии выделенной ДНК, включающей целевую экзогенную последовательность. Протопласты, которые успешно включили экзогенную ДНК, затем отбираются, выращиваются в каллус, и в конечном счете в трансгенное растение при контакте с подходящими количествами и отношениями стимулирующих факторов, таких как ауксины и цитокины. Могут использоваться другие подходящие способы получения растения, которые доступны для квалифицированных специалистов в данной области, такие, как применение ′′генной пушки′′, или Agrobacterium-опосредованная трансформация.[75] Transgenic plants can also be obtained. Methods for producing transgenic plant cells and plants are described in US patent No. 5767367; 5,750,870; 5,739,409; 5,689,049; 5,689,045; 5,674,731; 5656466; 5,633,155; 5,629,470; 5,595,896; 5,576,198; 5,538,879; 5,484,956; disclosures of which are incorporated herein by reference. Methods for producing transgenic plants are also discussed in Plant Biochemistry and Molecular Biology (eds. Lea and Leegood, John Wiley & Sons) (1993) pp. 275-295 and Plant Biotechnology and Transgenic Plants (eds. Oksman-Caldentey and Barz), (2002) 719 p. For example, embryogenic explants containing somatic cells can be used to produce a transgenic host. After collecting cells or tissues, exogenous DNA of interest is introduced into the plant cells, and a number of different methods are known for such introduction. When isolated protoplasts are present, it is possible to introduce through DNA-mediated gene transfer protocols, including incubating protoplasts with purified DNA, such as a plasmid containing the desired exogenous sequence of interest in the presence of polyvalent cations (e.g., PEG or PLO); or electroporation of protoplasts in the presence of isolated DNA, including the target exogenous sequence. Protoplasts that successfully incorporate exogenous DNA are then selected, grown in callus, and ultimately in a transgenic plant in contact with suitable amounts and ratios of stimulatory factors such as auxins and cytokines. Other suitable plant production methods that are available to those skilled in the art may be used, such as the use of a “gene gun” or an Agrobacterium-mediated transformation.

[76] Способы применения[76] Uses

[77] Биосенсоры настоящего изобретения являются генетически кодируемыми флуоресцентными белками, меняющими спектральные свойства при изменении рН среды. Они могут быть использованы для мониторинга изменения рН внутри живых клеток при различных биологических процессах. Благодаря высокой яркости флуоресценции биосенсоры настоящего изобретения могут быть использованы в живых срезах мозга и исследований динамики рН в процессе спонтанной электрической активности в определенных клеточных компартментах на культуре нейронов и на короткоживущих срезах мозга.[77] The biosensors of the present invention are genetically encoded fluorescent proteins that change spectral properties when the pH of the medium changes. They can be used to monitor changes in pH inside living cells during various biological processes. Due to the high brightness of fluorescence, the biosensors of the present invention can be used in live sections of the brain and studies of pH dynamics during spontaneous electrical activity in certain cell compartments in neuron culture and in short-lived sections of the brain.

[78] Для осуществления мониторинга должна быть получена нуклеиновая кислота, кодирующая биосенсор. Получение таких конструкций очевидно для любого специалиста в данной области. Полученная конструкция должна быть встроена в кассету экспрессии (или вектор), обеспечивающую временную или постоянную экспрессию этой нуклеиновой кислоты в клетках-хозяевах. Вектор может содержать элементы, обеспечивающие адресную доставку конструкции в интересующие клетки, или находится в составе частиц, обеспечивающих адресную доставку. После трансфекции клеток вектором и по истечении времени, необходимого для наработки в клетках продукта экспрессии, может быть осуществлен мониторинг изменения рН в данных клетках.[78] For monitoring, a nucleic acid encoding a biosensor must be obtained. Obtaining such designs is obvious to any person skilled in the art. The resulting construct must be integrated into the expression cassette (or vector), providing temporary or permanent expression of this nucleic acid in the host cells. The vector may contain elements that provide targeted delivery of the structure to the cells of interest, or is part of the particles that provide targeted delivery. After transfection of the cells with the vector and after the time required for the expression product to develop in the cells, the pH changes in these cells can be monitored.

[79] Биосенсоры настоящего изобретения также могут использоваться в скрининге препаратов, вызывающих активацию определенных белковых каскадов, например активацию тирозин-киназ, в клеточных линиях. Примером применения биосенсоров могут служить автоматизированные скрининги множества клеток, описанные, например, в патенте США №5989835.[79] The biosensors of the present invention can also be used in the screening of drugs that trigger the activation of certain protein cascades, such as the activation of tyrosine kinases, in cell lines. An example of the use of biosensors can serve as automated screening of multiple cells, described, for example, in US patent No. 5989835.

[80] Заявленные биосенсоры также находят применение как метки изменения рН in vivo для трансгенных животных. Например, экспрессия заявленного белка может сопровождаться тканеспецифичными промоторами, где такие способы находят применение в исследованиях для генной терапии, таких как тестирование эффективности трансгенной экспрессии. Типичное применение флуоресцирующих белков у трансгенных животных, которое поясняет такие применения, описано в W000/02997.[80] The claimed biosensors also find use as in vivo pH change labels for transgenic animals. For example, expression of a protein of interest may be accompanied by tissue-specific promoters, where such methods are used in studies for gene therapy, such as testing the effectiveness of transgenic expression. A typical application of fluorescent proteins in transgenic animals, which explains such applications, is described in W000 / 02997.

[81] Следующие примеры предлагается в качестве иллюстративных, но не ограничивающих.[81] The following examples are provided as illustrative but not limiting.

5. Примеры5. Examples

[82] Пример 1[82] Example 1

[83] Получение биосенсора SypHer2.[83] Obtaining the SypHer2 biosensor.

[84] Для получения нуклеиновой кислоты, кодирующей белок SypHer, в последовательность нуклеиновой кислоты, кодирующей HyPer, из коммерчески доступного вектора pHyPer-cyto (Евроген, Россия), вносили замену C199S методом направленного мутагенеза с использованием ′′overlap extention′′ продуктов ПЦР как описано Wurch et al., Methods in Molecular Biology. 12 (9), 653-657 (2004). Для ПЦР использовали набор реактивов Tersus PCR kit (Евроген) согласно инструкции производителя. Полученную нуклеотидную последовательность клонировали в вектор pHyPer-C, используя рестриктазы NheI и HindIII вместо ранее содержавшейся в нем нуклеиновой кислоты, кодирующей HyPer. Правильность полученной последовательности (SEQ ID No: 1) подтверждали секвенированием.[84] To obtain the nucleic acid encoding the SypHer protein, the nucleic acid sequence encoding HyPer from the commercially available pHyPer-cyto vector (Eurogen, Russia), the C199S was replaced by directional mutagenesis using “overlap extention” PCR products as described by Wurch et al., Methods in Molecular Biology. 12 (9), 653-657 (2004). For PCR, the Tersus PCR kit (Eurogen) was used according to the manufacturer's instructions. The resulting nucleotide sequence was cloned into a pHyPer-C vector using restriction enzymes NheI and HindIII instead of the previously contained nucleic acid encoding HyPer. The correctness of the obtained sequence (SEQ ID No: 1) was confirmed by sequencing.

[85] Полученную нуклеиновую кислоту подвергали направленному мутагенезу как описано выше, внося точечные замены, которые потенциально могли бы влиять на яркость флуоресценции. Были проверены следующие варианты:[85] The obtained nucleic acid was subjected to targeted mutagenesis as described above, introducing point substitutions that could potentially affect the fluorescence brightness. The following options were checked:

[86] 1) Комбинации аминокислотных замен 64F+65G+222Е и 64F+65S+222Q, приводящих к увеличению яркости и фотостабильности желтого флуоресцентного белка YFP (нумерация аминокислот по последовательности wtGFP, SEQ ID NO: 9);[86] 1) A combination of amino acid substitutions 64F + 65G + 222E and 64F + 65S + 222Q, leading to an increase in the brightness and photostability of the yellow fluorescent protein YFP (amino acid numbering according to the sequence wtGFP, SEQ ID NO: 9);

[87] 2) Единичные мутации, увеличивающие яркость флуоресценции ряда флуоресцентных белков, в том числе avGFP, выбранные из F64L, E222Q, и S65T (нумерация аминокислот по последовательности wtGFP);[87] 2) Single mutations that increase the fluorescence brightness of a number of fluorescent proteins, including avGFP, selected from F64L, E222Q, and S65T (amino acid numbering according to the wtGFP sequence);

[88] 3) Единичные мутации в последовательности домена OxyR, увеличивающие динамический диапазон биосенсора HyPer, выбранные из A406V (Markvicheva et al., 2011, Bioorganic & medicinal chemistry 19:3, 1079-84) и H36Y (Bilan at al., ACS Chem. Biol., 2013, 8 (3), pp 535-542) и их комбинация (A406V+H36Y) (нумерация аминокислот по последовательности SypHer, SEQ ID NO: 2).[88] 3) Single mutations in the OxyR domain sequence that increase the dynamic range of the HyPer biosensor selected from A406V (Markvicheva et al., 2011, Bioorganic & medicinal chemistry 19: 3, 1079-84) and H36Y (Bilan at al., ACS Chem. Biol., 2013, 8 (3), pp 535-542) and their combination (A406V + H36Y) (amino acid numbering according to the sequence SypHer, SEQ ID NO: 2).

[89] Замены вносили с помощью ′′overlap extention′′ продуктов ПЦР как описано Wurch et al., Methods in Molecular Biology. 12 (9), 653-657 (2004). Для ПЦР использовали набор реактивов Tersus PCR kit (Евроген) согласно инструкции производителя. Полученные нуклеотидную последовательность клонировали в вектор pHyPer-С, используя рестриктазы Nhel и HindIII вместо ранее содержавшейся в нем нуклеиновой кислоты, кодирующей HyPer. Правильность полученных последовательностей подтверждали секвенированием.[89] Substitutions were made using the “overlap extention” of PCR products as described by Wurch et al., Methods in Molecular Biology. 12 (9), 653-657 (2004). For PCR, the Tersus PCR kit (Eurogen) was used according to the manufacturer's instructions. The resulting nucleotide sequence was cloned into a pHyPer-C vector using the restriction enzymes Nhel and HindIII instead of the previously contained nucleic acid encoding HyPer. The correctness of the obtained sequences was confirmed by sequencing.

[90] Пример 2[90] Example 2

[91] Измерение динамического диапазона полученных вариантов биосенсора[91] Measurement of the dynamic range of the obtained biosensor options

[92] Экспрессионные векторы, содержащие кодирующие последовательности вариантов биосенсора, были получены, как описано в примере 1. Они были использованы для трансфекции клеток двух клеточных линий HeLa Kyoto и NIH-3T3.[92] Expression vectors containing the coding sequences of the biosensor variants were obtained as described in Example 1. They were used to transfect cells of two cell lines HeLa Kyoto and NIH-3T3.

[93] Клетки культивировали в среде DMEM с добавлением 10% FBS при 37°C в 5% СО2 инкубаторе. Клетки высаживали на 35 мм чашки и через 24 часа трансфецировали смесью ДНК и x-tremeGENE 9 (Roche, Швейцария) согласно инструкции производителя.[93] Cells were cultured in DMEM medium supplemented with 10% FBS at 37 ° C in 5% CO 2 incubator. Cells were plated on 35 mm plates and after 24 hours they were transfected with a mixture of DNA and x-tremeGENE 9 (Roche, Switzerland) according to the manufacturer's instructions.

[94] Исследование изменения флуоресценции в зависимости от рН осуществляли через 24 часа после трансфекции. Изменения флуоресценции регистрировали на эпифлуоресцентном микроскопе Leica6000, оборудованном 20х воздушным объективом и НСХ PL АРО lbd. BL 63×1.4NA масляным объективом. Флуоресценцию возбуждали используя последовательно полосовые фильтры 427/10 и 504/12; эмиссию индикатора детектировали каждые 3 секунды используя 525/50 полосовой фильтр.[94] A study of the change in fluorescence as a function of pH was carried out 24 hours after transfection. Fluorescence changes were recorded on a Leica6000 epifluorescence microscope equipped with a 20x air lens and an NLC PL APO lbd. BL 63 × 1.4NA oil lens. Fluorescence was excited using sequentially bandpass filters 427/10 and 504/12; indicator emission was detected every 3 seconds using a 525/50 bandpass filter.

[95] Для анализа рН чувствительности использовали буферные растворы, содержащие ионофоры нигерицин и монензин, с диапазоном рН 6.0-9.5.[95] To analyze the pH sensitivity, buffer solutions containing ionophores nigericin and monensin were used with a pH range of 6.0–9.5.

[96] Из всех проверенных вариантов, только вариант, содержащий единичную замену A406V (SypHer2, SEQ ID NO: 4), обладал повышенной яркостью флуоресценции. Влияние остальных мутаций было либо незначительным, либо приводило к уменьшению динамического диапазона сенсора.[96] Of all the tested variants, only the variant containing the single replacement A406V (SypHer2, SEQ ID NO: 4) had an increased fluorescence brightness. The influence of the remaining mutations was either insignificant or led to a decrease in the dynamic range of the sensor.

[97] SypHer2 демонстрировал сходную с SypHer чувствительностью к рН (Рис. 1), но имеет в 2-3 раза большую яркость флуоресценции культуре клетках (Рис 2). Сигнал SypHer2 возрастает примерно 3 раза при увеличении рН от 6.0 до 9.0, обладает линейным участком в диапазоне рН 7.5-8.5 и значением рК приблизительно 8.1.[97] SypHer2 showed a similar pH sensitivity to SypHer (Fig. 1), but has a 2-3 times greater brightness of the fluorescence of the cell culture (Fig. 2). The SypHer2 signal increases approximately 3 times with an increase in pH from 6.0 to 9.0, has a linear portion in the pH range of 7.5–8.5, and a pK value of approximately 8.1.

[98] Пример 3[98] Example 3

[99] Исследование спонтанных рН-осцилляций в первичной культуре нейронов[99] Investigation of spontaneous pH oscillations in a primary culture of neurons

[100] Для регистрации изменений рН во время спонтанной активности, первичную культуру нейронов трансфецировали смесью плазмид Rgeco и SypHer2. Спонтанную активность стимулировали в 15-20-дневной культуре добавлением 10 мкМ бикукуллина, ингибитора GABA-рецепторов нейронов.[100] To record pH changes during spontaneous activity, the primary neuron culture was transfected with a mixture of Rgeco and SypHer2 plasmids. Spontaneous activity was stimulated in a 15-20-day culture by the addition of 10 μM bicucullin, an inhibitor of GABA neuron receptors.

[101] Плазмида для экспрессии SypHer2 была получена, как описано в Примере 1. Плазмида для экспрессии кальциевого сенсора Rgeco была приобретена в компании Addgene (США). Для получения смешанной первичной культуры гиппокампальных нейронов, использовали мышь С57В 1/6 на 17 м дне беременности. Все процедуры по выделению эмбриональных тканей производили на льду. Эмбрионы подвергали анестезии в ледяной HBSS с низким содержанием Mg2+ и Са2+, экстрагировали мозг, разделяли полушария, отделяли от оболочек мозга и собирали гиппокампы в HBSS. Гиппокампы затем промывали в HBSS и инкубировали в 0,5% трипсин-ЭДТА в течение 15 минут при 37°C. По окончании инкубации гиппокампы трижды промывали в теплом DMEM с добавлением 10% FBS и 4 мМ глутамина и осторожно разбивали на клетки путем набирания и сбрасывания в 1 мл наконечник автоматической пипетки 10 раз. Клетки сажали в центр покрытых поли-D-лизином 35 мм чашек со стеклянным дном плотностью 15*104 клеток в 100 мкл среды. 1-2 часа спустя среду заменяли 2 мл среды Neurobasal medium с добавлением В27, 10% инактивированной сыворотки и 2 мМ GlutaMax. Каждые 2-3 дня 1/3 объема среды заменяли на свежую нейробазальную среду.[101] A plasmid for the expression of SypHer2 was obtained as described in Example 1. A plasmid for expression of the Rgeco calcium sensor was purchased from Addgene (USA). To obtain a mixed primary culture of hippocampal neurons, a 1/6 C57B mouse was used on the 17th day of pregnancy. All procedures for the isolation of embryonic tissues were performed on ice. Embryos were anesthetized in ice-cold HBSS with a low Mg 2+ and Ca 2+ content, the brain was extracted, the hemispheres were separated, separated from the meninges and the hippocampi were collected in HBSS. The hippocampi were then washed in HBSS and incubated in 0.5% trypsin-EDTA for 15 minutes at 37 ° C. At the end of the incubation, the hippocampi were washed three times in warm DMEM supplemented with 10% FBS and 4 mM glutamine and carefully broken into cells by collecting and dropping into a 1 ml tip of an automatic pipette 10 times. The cells were placed in the center coated with poly-D-lysine 35 mm glass bottom plates density of 15 × 10 4 cells in 100 ul of medium. 1-2 hours later, medium was replaced with 2 ml of Neurobasal medium supplemented with B27, 10% inactivated serum and 2 mM GlutaMax. Every 2-3 days, 1/3 of the volume of the medium was replaced with fresh neurobasal medium.

[102] На 5-й день в культуре клетки трансфецировали набором для Са-фосфатной трансфекции. За 1 час перед трансфекцией культуральную среду отбирали в 50 мл пробирку (кондиционированная среда), а к культуре клеток добавляли 1,5 мл чистой DMEM. На каждую 35 мм чашку к 100 мкл 2xHBSS по каплям добавляли 100 мкл смеси DNA-CaCl2 при перемешивании пробирки с HBSS на низких оборотах. После 25 минутной инкубации, 200 мкл раствора было добавлено к чашкам, которые инкубировали в течение 15 минут в 5% СО2 инкубаторе. По завершении трансфекции, нейроны дважды промывали средой DMEM, затем добавляли 2 мл кондиционированной нейробазальной среды.[102] On the 5th day in culture, cells were transfected with a Ca-phosphate transfection kit. 1 hour before transfection, the culture medium was taken into a 50 ml tube (conditioned medium), and 1.5 ml of pure DMEM was added to the cell culture. For each 35 mm dish, 100 μl of a DNA-CaCl 2 mixture was added dropwise to 100 μl of 2xHBSS while mixing the tube with HBSS at low speed. After a 25 minute incubation, 200 μl of the solution was added to the plates, which were incubated for 15 minutes in a 5% CO 2 incubator. Upon completion of the transfection, the neurons were washed twice with DMEM, then 2 ml of conditioned neurobasal medium was added.

[103] Для анализа флуоресценции трансфецированные клетки первичной гиппокампальной культуры переводили в среду Tyrode с добавлением 20 мМ D-глюкозы и 20 мМ Hepes и снимали при 37°C на эпифлуоресцентном микроскопе Leica6000, оборудованном 20x воздушным объективом и НСХ PL АРО lbd. BL 63×1.4NA масляным объективом. Флуоресценцию SypHer возбуждали используя последовательно полосовые фильтры 427/10 и 504/12; флуоресценцию индикатора детектировали каждые 3 секунды используя 525/50 полосовой фильтр. Для возбуждения флуоресценции RGeco и BCECF использовали 561/10 полосовой фильтр возбуждения и 610/50 эмиссионный фильтр.[103] For fluorescence analysis, transfected cells of the primary hippocampal culture were transferred to Tyrode medium supplemented with 20 mM D-glucose and 20 mM Hepes and taken at 37 ° C using a Leica6000 epifluorescence microscope equipped with a 20x air lens and an NLC PL APO lbd. BL 63 × 1.4NA oil lens. SypHer fluorescence was excited using sequential bandpass filters 427/10 and 504/12; Indicator fluorescence was detected every 3 seconds using a 525/50 band pass filter. To excite fluorescence, RGeco and BCECF used a 561/10 band excitation filter and a 610/50 emission filter.

[104] Полученные изображения анализировали в программе Image J. Для расчета динамики значения рН, изображения, полученные при возбуждении флуоресценции SypHer светом 420 нм и 500 нм, после вычитания фона были переведены в 32x битный формат. Для изображений, соответствующих облучению 420 нм, был установлен порог фильтрования шума, сигнал фона был приравнен к значению NaN. В каждой точке измерялся средний уровень сигнала в выделенной области внутри каждой отдельной клетки, затем для каждого кадра значения, полученные при облучении светом 500 нм, были разделены на соответствующие 420 нм изображения.[104] The obtained images were analyzed in the Image J. software. To calculate the dynamics of the pH value, the images obtained by excitation of SypHer fluorescence with 420 nm and 500 nm light, after subtraction of the background, were converted to 32 bit format. For images corresponding to irradiation of 420 nm, a noise filtering threshold was set, the background signal was equal to the value of NaN. At each point, the average signal level in the selected area inside each individual cell was measured, then for each frame the values obtained by irradiation with light of 500 nm were divided into corresponding 420 nm images.

[105] Калибровка рН-сенсора внутри клеток производили как указано Poburko et al. (Poburko et al., The Journal of biological chemistry. 2011, V. 286, p. 11672-84). Буфер с высоким содержанием К+ содержал 5 мкМ нигерицина, 5 мкМ монензина, 130 мМ глюконата калия, 20 мМ глюконата натрия, 0.5 мМ MgCl2, 0.2 мМ ЕДТА и 30 мМ бората натрия (рН 9.5), Tris (рН 8.2-9.0), HEPES (рН 7.0, 7.5), или MES (рН 6.0, 6.5).[105] The calibration of the pH sensor inside the cells was performed as indicated by Poburko et al. (Poburko et al., The Journal of biological chemistry. 2011, V. 286, p. 11672-84). The high K + buffer contained 5 μM nigericin, 5 μM monensin, 130 mm potassium gluconate, 20 mm sodium gluconate, 0.5 mm MgCl 2 , 0.2 mm EDTA and 30 mm sodium borate (pH 9.5), Tris (pH 8.2-9.0) , HEPES (pH 7.0, 7.5), or MES (pH 6.0, 6.5).

[106] Были зарегистрированы спонтанные колебания рН в культуре (Рис. 3А). Параллельные измерения рН (SypHer2) и Са2+ (RGeco) показали, что вход кальция в клетку сопровождается быстрым закислением цитоплазмы (приблизительно с 7.4 до 7.35 единиц рН), после которого происходит медленное восстановление исходного значения рН. Это позволяет сделать вывод, что колебания рН вызваны спонтанной электрической активностью в культуре нейронов.[106] Spontaneous pH fluctuations in the culture were recorded (Fig. 3A). Parallel measurements of pH (SypHer2) and Ca 2+ (RGeco) showed that calcium entry into the cell is accompanied by rapid acidification of the cytoplasm (from about 7.4 to 7.35 pH units), after which a slow restoration of the initial pH value occurs. This allows us to conclude that pH fluctuations are caused by spontaneous electrical activity in a culture of neurons.

[107] Чтобы выяснить, не связаны ли колебания рН непосредственно с входом кальция в клетку, были использованы среды, приготовленные с добавлением 2 мМ CaCl2 или с добавлением 0.5 мМ внутриклеточного хелатора Са2+ ВАРТА-АМ. Было показано, что в среде, в которую был добавлен ВАРТА-АМ, отсутствует вход кальция в клетку, при этом пропадают и колебания рН (Рис. 3Б). Добавление в клеточную среду ингибитора кальциевого транспорта, 100 мкМ хлорида лантана, вызывало небольшое падение амплитуды осцилляций рН. Все это позволяет говорить об участии систем транспорта Са2+ в закислении цитоплазмы во время спонтанной активности.[107] In order to find out whether the pH fluctuations are directly related to calcium entry into the cell, we used media prepared with the addition of 2 mM CaCl 2 or with the addition of 0.5 mM intracellular Ca 2+ BAPTA-AM chelator. It was shown that in the medium into which BAPTA-AM was added, there is no calcium entry into the cell, and pH fluctuations also disappear (Fig. 3B). The addition of a calcium transport inhibitor, 100 μM lanthanum chloride, to the cell medium caused a slight drop in the amplitude of the pH oscillations. All this allows us to talk about the participation of Ca 2+ transport systems in the acidification of the cytoplasm during spontaneous activity.

[108] Поскольку в синапсах происходят основные события передачи сигнала между нейронами, было решено исследовать динамику значений рН в этих структурах. Для этого были созданы конструкции, в которых кодирующая последовательность SypHer2 была оперативно слита с кодирующей последовательностью белка постсинаптической плотности Homer1 (SEQ ID NOs: 7, 8) и кодирующей последовательностью белка синаптических пузырьков Synaptophysin (SEQ ID NOs: 5, 6), обеспечивающему пресинаптическую локализацию. Экспрессия полученных конструкций на культуре нейронов показала, что во время спонтанной активности нейронов, рН в постсинаптическом окончании изменяется на 0.1 единицу рН (7.4 до 7.3). При этом рН в постсинаптическом окончании изменяется на 0.05 единицы, как в цитоплазме.[108] Since the main events of signal transmission between neurons occur in synapses, it was decided to study the dynamics of pH values in these structures. For this, constructs were created in which the coding sequence of SypHer2 was quickly fused to the coding sequence of the postsynaptic density protein Homer1 (SEQ ID NOs: 7, 8) and the coding sequence of the synaptic vesicle protein Synapthysin (SEQ ID NOs: 5, 6), providing presynaptic localization . Expression of the obtained constructs on the culture of neurons showed that during the spontaneous activity of neurons, the pH in the postsynaptic end changes by 0.1 pH unit (7.4 to 7.3). In this case, the pH in the postsynaptic ending changes by 0.05 units, as in the cytoplasm.

[109] Пример 4[109] Example 4

[110] Исследование динамики значений рН на культуре срезов[110] Study of the dynamics of pH values in the culture of sections

[111] Чтобы убедиться, что рН-индикатор Sypher2 можно применять на культуре тканей, цитоплазматическая версия сенсора была экспрессирована в срезах мозга 10-тидневных мышат.[111] To ensure that the Sypher2 pH indicator can be used in tissue culture, a cytoplasmic version of the sensor was expressed in brain sections of 10-day-old mice.

[112] Срезы мозга 10-тидневного мышонка CD57B 1/6 толщиной 300 мкм получали на вибротоме Leica VT1200S в ледяном ACSF (КС1, 2.5 мМ; MgSO4, 1.0 мM; NaH2PO4, 1.25 мМ; NaHCO3, 26 мМ; D-глюкоза, 20 мМ; CaCl2, 2.0 мМ и NaCl, 125 мМ, рН 7.4). Срезы помещали в теплую среду ACSF на 37°C, аэрированном смесью 95% О2+5% CO2. Через 5-10 минут проводили баллистическую трансформацию с помощью генной пушки Helios Gene Gun, срезы инкубировали в течение ночи (10-12 часов). Трансформацию и приготовление золотых частиц, покрытых плазмидой pCl-SyPher2, производили согласно протоколу производителя.[112] Brain sections of a 10-day-old mouse CD57B 1/6 300 μm thick were obtained on a Leica VT1200S vibrotome in ice-cold ACSF (KC1, 2.5 mM; MgSO 4 , 1.0 mM; NaH 2 PO 4 , 1.25 mM; NaHCO 3 , 26 mM; D-glucose, 20 mM; CaCl 2 , 2.0 mM and NaCl, 125 mM, pH 7.4). Sections were placed in a warm ACSF medium at 37 ° C, aerated with a mixture of 95% O 2 + 5% CO 2 . After 5-10 minutes, a ballistic transformation was performed using the Helios Gene Gun; the sections were incubated overnight (10-12 hours). The transformation and preparation of gold particles coated with plasmid pCl-SyPher2, was performed according to the manufacturer's protocol.

[113] Визуализацию, культуры срезов производили на микроскопе Zeiss LSM 5 LIVE, оснащенным Zeiss ACHROPLAN 40x/0.80w объективом и 488 нм лазером, в перфузионной камере в аэрированной среде ACSF при 37°C.[113] Visualization, section cultures were performed on a Zeiss LSM 5 LIVE microscope equipped with a Zeiss ACHROPLAN 40x / 0.80w lens and a 488 nm laser, in a perfusion chamber in an aerated ACSF medium at 37 ° C.

[114] Сигнал индикатора в отдельных нейронах детектировался уже через 10 часов после трансформации (рис. 4). Для стимуляции спонтанной нейрональной активности к среде перфузии добавляли 30 мМ KCl. Это приводило к спонтанным колебаниям рН, сходным с колебаниями, наблюдаемыми на первичной культуре нейронов (рис. 5).[114] The indicator signal in individual neurons was detected already 10 hours after transformation (Fig. 4). To stimulate spontaneous neuronal activity, 30 mM KCl was added to the perfusion medium. This led to spontaneous pH fluctuations, similar to those observed in the primary culture of neurons (Fig. 5).

[115] Проведенные эксперименты показывают, что яркость и скорость созревания SypHer2 достаточна для изучения динамики изменений рН на культурах срезов мозга млекопитающих.[115] The experiments performed show that the brightness and maturation rate of SypHer2 is sufficient to study the dynamics of pH changes in cultures of sections of mammalian brain sections.

Claims (3)

1. Нуклеиновая кислота, кодирующая флуоресцентный биосенсор для регистрации изменения рН, аминокислотная последовательность которого показана в SEQ ID No: 4.1. Nucleic acid encoding a fluorescent biosensor for detecting pH changes, the amino acid sequence of which is shown in SEQ ID No: 4. 2. Кассета экспрессии, интегрированная в геном клетки или при введении в клетку в виде внехромосомного элемента, способна обеспечить экспрессию флуоресцентного биосенсора по п. 1 под контролем регуляторных элементов, необходимых для экспрессии нуклеиновой кислоты в клетке-хозяине.2. The expression cassette, integrated into the genome of the cell or when introduced into the cell as an extrachromosomal element, is capable of ensuring the expression of the fluorescent biosensor according to claim 1 under the control of regulatory elements necessary for expression of the nucleic acid in the host cell. 3. Эукариотическая клетка, продуцирующая биосенсор, кодируемый нуклеиновой кислотой по п. 1, содержащая кассету экспрессии по п. 2 в виде внехромосомного элемента или элемента, интегрированного в геном этой клетки. 3. A eukaryotic cell producing a biosensor encoded by a nucleic acid according to claim 1, containing an expression cassette according to claim 2 in the form of an extrachromosomal element or an element integrated into the genome of this cell.
RU2014153301/10A 2014-12-25 2014-12-25 Modified biosensor for detecting intracellular ph RU2603060C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014153301/10A RU2603060C2 (en) 2014-12-25 2014-12-25 Modified biosensor for detecting intracellular ph

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014153301/10A RU2603060C2 (en) 2014-12-25 2014-12-25 Modified biosensor for detecting intracellular ph

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014153301A RU2014153301A (en) 2016-07-20
RU2603060C2 true RU2603060C2 (en) 2016-11-20

Family

ID=56413252

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014153301/10A RU2603060C2 (en) 2014-12-25 2014-12-25 Modified biosensor for detecting intracellular ph

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2603060C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2787689C1 (en) * 2022-04-04 2023-01-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (БФУ им. И. Канта) Optical sensor for fluorescence quenching of optically active amino acids in platelets and method for its production

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2493260C2 (en) * 2011-11-30 2013-09-20 ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ" МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (ГБОУ ВПО "НижГМА" МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ РОССИИ) Isolated nucleic acid coding fluorescent biosensor for detection of hydrogen peroxide, expression cassette, cell that produces biosensor, isolated fluorescent biosensor for detection of hydrogen peroxide, isolated nucleic acid that codes fluorescent biosensor, efficiently fused with nucleic acid that codes signal of intracellular localisation
RU2515903C2 (en) * 2012-03-30 2014-05-20 ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ" МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (ГБОУ ВПО "НижГМА" МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ РОССИИ) Isolated nucleic acid coding fluorescent biosensor, expression cassette, cell, producing fluorescent biosensor, isolated fluorescent biosensor
RU2535336C1 (en) * 2013-09-24 2014-12-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет) Red fluorescent biosensor for detection of hydrogen peroxide in living cells

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2493260C2 (en) * 2011-11-30 2013-09-20 ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ" МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (ГБОУ ВПО "НижГМА" МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ РОССИИ) Isolated nucleic acid coding fluorescent biosensor for detection of hydrogen peroxide, expression cassette, cell that produces biosensor, isolated fluorescent biosensor for detection of hydrogen peroxide, isolated nucleic acid that codes fluorescent biosensor, efficiently fused with nucleic acid that codes signal of intracellular localisation
RU2515903C2 (en) * 2012-03-30 2014-05-20 ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ" МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (ГБОУ ВПО "НижГМА" МИНЗДРАВСОЦРАЗВИТИЯ РОССИИ) Isolated nucleic acid coding fluorescent biosensor, expression cassette, cell, producing fluorescent biosensor, isolated fluorescent biosensor
RU2535336C1 (en) * 2013-09-24 2014-12-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский физико-технический институт (государственный университет) Red fluorescent biosensor for detection of hydrogen peroxide in living cells

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2787689C1 (en) * 2022-04-04 2023-01-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (БФУ им. И. Канта) Optical sensor for fluorescence quenching of optically active amino acids in platelets and method for its production

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014153301A (en) 2016-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7056683B2 (en) Genetically encoded fluorescent reporters of kinase, methyltransferase, and acetyl-transferase activities
US9664697B2 (en) Green-to-red photo-convertible fluorescent calcium indicator
RU2395581C2 (en) Novel fluorescent proteins from entacmaea quadricolor and method of obtaining said proteins
RU2412250C2 (en) Modified green fluorescent proteins and methods of their application
US7060793B2 (en) Circularly permuted fluorescent protein indicators
JP2005501525A (en) Phosphorylation fluorescence ratio measurement indicator
CN103228669A (en) Linker for unimolecular FRET biosensor based on principle of fluorescence resonance energy transfer
US20130344591A1 (en) Modified Fluorescent Proteins and Methods for Using Same
US20150225467A1 (en) Novel far red fluorescent protein
US11008369B2 (en) Bright monomeric near-infrared fluorescent proteins engineered from bacterial phytochromes and methods for making same
RU2345137C2 (en) Fluorescing proteins from copepodas crustaceas and their application
US20110154515A1 (en) Genetically encoded calcium sensors comprising the c-terminal lobe of troponin c and a fluorescence tag
JP2009153399A (en) Single molecule-format real-time bioluminescence imaging probe
KR20140008411A (en) Probe for analyzing biological tissue and method for utilizing same
EP3037534B1 (en) Polypeptide exhibiting fluorescent properties, and utilization of same
RU2603060C2 (en) Modified biosensor for detecting intracellular ph
EP3622292B1 (en) Genetically encoded potassium ion indicators
RU2493260C2 (en) Isolated nucleic acid coding fluorescent biosensor for detection of hydrogen peroxide, expression cassette, cell that produces biosensor, isolated fluorescent biosensor for detection of hydrogen peroxide, isolated nucleic acid that codes fluorescent biosensor, efficiently fused with nucleic acid that codes signal of intracellular localisation
JP4427671B2 (en) Monitor protein for measuring protein processing
US20210179675A1 (en) Small near-infrared fluorescent proteins developed from cyanobacteriochrome and methods for their engineering
RU2535336C1 (en) Red fluorescent biosensor for detection of hydrogen peroxide in living cells
RU2535981C1 (en) Nucleic acid encoding fret-based far-red biosensor for intracellular caspase 3 activity measurement
RU2515903C2 (en) Isolated nucleic acid coding fluorescent biosensor, expression cassette, cell, producing fluorescent biosensor, isolated fluorescent biosensor
RU2458129C1 (en) ISOLATED KillerRed PROTEIN-CODING NUCLEIC ACID (VERSIONS), ISOLATED PROTEIN (VERSIONS), EXPRESSION CASSETTE, CELL CONTAINING EXPRESSION CASSETTE
RU2498996C1 (en) Chimeric protein being fluorescent biosensor for simultaneous detection of hydrogen peroxide and phosphatidyl inositol-3,4,5-triphosphate, nucleinic acid coding such protein, expression cassette and eucariotic host cell

Legal Events

Date Code Title Description
HZ9A Changing address for correspondence with an applicant
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161226