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JP2005229815A - Nuclear transferable nucleic acid structure - Google Patents

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JP2005229815A
JP2005229815A JP2004039322A JP2004039322A JP2005229815A JP 2005229815 A JP2005229815 A JP 2005229815A JP 2004039322 A JP2004039322 A JP 2004039322A JP 2004039322 A JP2004039322 A JP 2004039322A JP 2005229815 A JP2005229815 A JP 2005229815A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new technique for promoting the intranuclear localization and ensuring efficient transfection when a desired gene is transfected into a cell. <P>SOLUTION: An intranuclear localization nucleic acid structure is obtained by binding a nucleic acid substance containing a gene to be transfected into the interior of the nucleus of the cell to an importin protein (preferably an importin β) having functions to pass through nuclear membrane holes and related to intranuclear transportation through a covalently binding or noncovalently binding nonspecific interaction. A plasmid DNA is preferably used as the nucleic acid substance which is preferably bound to the importin protein by a biotin-avidin interaction. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、トランスフェクションに際して細胞の核内移行を促進しトランスフェクション効率を向上させる非ウィルスベクターとして機能する核酸構造体に関する。   The present invention relates to a nucleic acid structure that functions as a non-viral vector that promotes cell nuclear translocation and improves transfection efficiency during transfection.

細胞に特定の外部遺伝子を導入するトランスフェクションは、その遺伝子の関与する作用機序を解析して疾病の治療や薬剤の開発などに有用な情報を得るために不可欠な手段であるが、最近は、生体への悪影響を回避するためトランスフェクションに非ウィルスベクターを使用することが試みられている。従来より非ウイルスベクターのトランスフェクション効率を向上させる際に大きな障壁となっている一つに外部遺伝子の核内移行が挙げられる。この問題点を解決するためにこれまでに真核細胞内における核タンパクの核内移行システム利用が活発に取り組まれてきた。   Transfection that introduces a specific external gene into a cell is an indispensable means for obtaining useful information for disease treatment and drug development by analyzing the mechanism of action involved in the gene. Attempts have been made to use non-viral vectors for transfection to avoid adverse effects on the body. One of the major obstacles in improving the transfection efficiency of non-viral vectors is the translocation of external genes into the nucleus. To solve this problem, the use of nuclear protein translocation systems in eukaryotic cells has been actively addressed so far.

核タンパクは一般に核内移行シグナル(NLS)という荷札を有しており、NLSペプチドに輸送体との仲介役としてのインポーティンαが結合し、最終的に輸送担体本体のインポーティンβとの三元複合体が形成され、核膜に存在する核膜孔をエネルギー依存的かつ選択的に輸送される。
Gorlich, D., Vogel, F., Mills, A. D.,Hartmann, E.,およびLaskey, R. A., Nature,377, 246-248, (1995)。 Rexach, M.,およびBlobel, G., Cell 83,683-692, (1995)。 Yoneda, Y., J. Biochem. Tokyo 121,811-817 (1996)。
Nucleoproteins generally have a tag called nuclear translocation signal (NLS), and importin α as an intermediary with a transporter binds to the NLS peptide, and finally the import carrier β of import carrier β An original complex is formed and is transported in an energy-dependent and selective manner through the nuclear pores present in the nuclear membrane.
Gorlich, D., Vogel, F., Mills, AD, Hartmann, E., and Laskey, RA, Nature, 377, 246-248, (1995). Rexach, M., and Blobel, G., Cell 83,683-692, (1995). Yoneda, Y., J. Biochem. Tokyo 121,811-817 (1996).

そこでこれまで、外部遺伝子とNLSペプチドを複合化することで、核内移行を促進し、ひいては発現効率をも向上させるべく多くの研究がなされてきた。しかし、NLSの効果が確認されたケースも有れば、発現効率に対する有意義な効果が否定された報告もあり、現在のところ方法論は確立していない。この原因の一つとして三元複合体を形成させることが二段階の反応であり効率を低下させている可能性がある。
Zanta, M. A., Belguise-Valladier, P.,およびBehr, J. P., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.96, 91-96 (1999)。 Collas, P.,およびAlestrom, P., Biochem. Cell. Biol., 75,633-640(1997)。 特表平11-506935 特表2002-514892 特表2002-533088 Nagasaki, T., Myohoji,T., Tachibana, T.,およびTamagaki, S., Bioconjugate Chem., 14, 282-286 (2003)。 Tanimoto, M., Kamiya, H., Minakawa, N., Matsuda,A.,およびHarashima, H., Bioconjugate Chem.,14,1197-1202 (2003)。
So far, many studies have been made to promote nuclear translocation by conjugating an external gene and an NLS peptide, thereby improving the expression efficiency. However, there are cases where the effects of NLS have been confirmed, and there have been reports that a significant effect on expression efficiency has been denied, and no methodology has been established at present. One of the causes is the formation of a ternary complex, which is a two-step reaction, possibly reducing efficiency.
Zanta, MA, Belguise-Valladier, P., and Behr, JP, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, 91-96 (1999). Collas, P., and Alestrom, P., Biochem. Cell. Biol., 75, 633-640 (1997). 11-506935 Special table 2002-514892 Special Table 2002-533088 Nagasaki, T., Myohoji, T., Tachibana, T., and Tamagaki, S., Bioconjugate Chem., 14, 282-286 (2003). Tanimoto, M., Kamiya, H., Minakawa, N., Matsuda, A., and Harashima, H., Bioconjugate Chem., 14, 1197-1202 (2003).

本発明の目的は、細胞に所望の遺伝子を導入するに際して核内移行を促進して効率的なトランスフェクションが確保できる新しい手法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a new technique capable of facilitating nuclear translocation and ensuring efficient transfection when a desired gene is introduced into a cell.

最近、核内で機能する物質の核内移行メカニズムには三元複合体形成を必要とせず、直接輸送担体本体であるインポーティンβと複合体を形成することで多くの物質(タンパク質)が核内に輸送されていることが明らかとなってきた。
Jakel, S.,およびGorlich, D., EMBOJ., 17, 4491(1998)。 Truant, R.,およびCullen, B. R., Mol. Cell Biol., 19,1210(1999)。 Nagoshi, E., Imamoto, N., Sato, R.,およびYoneda, Y., Mol. Biol. Cell, 10, 2221 (1999)。
Recently, the mechanism of translocation of substances that function in the nucleus does not require the formation of a ternary complex, and many substances (proteins) are formed by directly forming a complex with importin β, which is the main transport carrier. It has become clear that they are being transported within.
Jakel, S., and Gorlich, D., EMBOJ., 17, 4491 (1998). Truant, R., and Cullen, BR, Mol. Cell Biol., 19, 1210 (1999). Nagoshi, E., Imamoto, N., Sato, R., and Yoneda, Y., Mol. Biol. Cell, 10, 2221 (1999).

本発明者は、これらの現象に留意し、核タンパク質輸送に関わる特定の細胞内因子に被導入遺伝子を結合させる手段を案出することにより上記の目的を達成したものである。
かくして、本発明に従えば、細胞の核内に導入されるべき遺伝子を含む核酸物質と、核膜孔を通過する機能を持ち核内輸送に関わるインポーティンタンパクとが、共有結合または非共有結合性の特異的相互作用を介して結合されて成ることを特徴とする核内移行性核酸構造体が提供される。
The present inventor has achieved the above object by paying attention to these phenomena and devising a means for binding the introduced gene to a specific intracellular factor involved in nuclear protein transport.
Thus, according to the present invention, a nucleic acid substance containing a gene to be introduced into the cell nucleus and an import protein that has a function of passing through the nuclear pore and is involved in nuclear transport are covalently or non-covalently bound. There is provided a nuclear translocating nucleic acid structure characterized by being bound via sex specific interactions.

被導入遺伝子が輸送因子であるインポーティンタンパクと結合して複合体(コンジュゲート体)を形成している本発明の核酸構造体は、所定の細胞に接触させられると該細胞の核内に確実に移行するので、その遺伝子を効率よく細胞内に導入することが可能となる。   The nucleic acid structure of the present invention in which a transgene is combined with an importin protein, which is a transport factor, to form a complex (conjugate) is surely brought into the nucleus of the cell when brought into contact with a predetermined cell. Therefore, the gene can be efficiently introduced into the cell.

本発明において、細胞の核内に導入すべき遺伝子を含む核酸物質と結合してコンジュゲート体を形成するインポーティンタンパクとしては、核膜孔を通過する機能を持ち且つ核内輸送に関わるタンパクで有ればいずれも使用することが可能である。具体的にはインポーティンβ、インポーティン7、トランスポーティン、トランスポーティンSR、CASタンパク等を挙げることができるが、なかでもインポーティンβが好ましいものとして例示される。   In the present invention, an importin protein that binds to a nucleic acid substance containing a gene to be introduced into the nucleus of a cell to form a conjugate is a protein that has a function of passing through the nuclear pore and is involved in nuclear transport. Any of them can be used. Specifically, importin β, importin 7, transportin, transportin SR, CAS protein and the like can be mentioned, among which importin β is exemplified as a preferable one.

これらのインポーティンタンパクのアミノ酸配列(塩基配列)やその作用などについては、例えば、下記の文献から知ることができる。
Jakel, S.,およびGorlich, D., EMBOJ., 17, 4491(1998)。 Imamoto,N., Shimamoto,T., Kose,S.,Takao,T., Tachibana,T., Matsubae,M., Sekimoto,T., Shimonishi,Y.,およびYoneda,Y. FEBS Lett. 368 , 415(1995)。 Pollard,V.W., Michael,W.M., Nakielny,S.,Siomi,M.C., Wang,F.,およびDreyfuss,G., Cell 86 , 985 (1996)。 Nagoshi, E., Imamoto, N., Sato, R.,およびYoneda, Y., Mol. Biol. Cell, 10, 2221 (1999)。 Kutay,U., Bischoff,F.R., Kostka,S.,Kraft,R.,およびGorlich,D., Cell 90,1061 (1997)。
The amino acid sequences (base sequences) of these importin proteins and their actions can be known from, for example, the following documents.
Jakel, S., and Gorlich, D., EMBOJ., 17, 4491 (1998). Imamoto, N., Shimamoto, T., Kose, S., Takao, T., Tachibana, T., Matsubae, M., Sekimoto, T., Shimonishi, Y., and Yoneda, Y. FEBS Lett. 368, 415 (1995). Pollard, VW, Michael, WM, Nakielny, S., Siomi, MC, Wang, F., and Dreyfuss, G., Cell 86, 985 (1996). Nagoshi, E., Imamoto, N., Sato, R., and Yoneda, Y., Mol. Biol. Cell, 10, 2221 (1999). Kutay, U., Bischoff, FR, Kostka, S., Kraft, R., and Gorlich, D., Cell 90, 1061 (1997).

遺伝子を含む核酸物質と上述のインポーティンタンパク質との結合は、共有結合または非共有結合性の特異的相互作用を介して行なわれる。
共有結合を用いる具体例としては、化学修飾により遺伝子にアミノ基を導入後、二官能性のε−マレイミドカルボン酸活性エステルを用い、マレイミド基を導入し、更にインポーティンタンパクのシステイン残基と反応させ連結させることによりコンジュゲート体とすることなどが挙げられる。しかし、多くの遺伝子にインポーティンタンパクをコンジュゲートすることを考えた場合、遺伝子の化学修飾による方法は二段階反応となる点が難点である。
The binding between the nucleic acid substance containing a gene and the above-mentioned importin protein is carried out through a covalent or non-covalent specific interaction.
As a specific example of using a covalent bond, after introducing an amino group into a gene by chemical modification, using a bifunctional ε-maleimidocarboxylic acid active ester, a maleimide group is introduced, and further reacted with a cysteine residue of the import protein. And conjugating them to form conjugates. However, considering the conjugation of importin protein to many genes, the method by chemical modification of genes is difficult because it is a two-step reaction.

これに対して、非結合性の特異的相互作用に基づく場合は、生化学の分野で従来より多用されている反応系を利用することができるので、共有結合による場合よりも好ましい。具体的にはGSTタンパク-グルタチオン、ヒスチジンタグ−ニッケル錯体、ビオチン−アビジン等を挙げることができる。これらの反応系を利用すれば、例えば、遺伝子を含む核酸物質をGSTタンパク、ヒスチジンタグまたはビオチンで修飾するとともに、インポーティンタンパクをグルタチオン、ニッケル錯体またはアビジンと融合させることにより、それぞれの反応系の特異的相互作用を介して核酸物質−インポーティンタンパクコンジュゲート体(複合体)から成る本発明の核酸移行性核酸構造体が得られる。   On the other hand, when based on non-binding specific interaction, a reaction system that has been frequently used in the field of biochemistry can be used, which is preferable to the case of covalent bonding. Specific examples include GST protein-glutathione, histidine tag-nickel complex, biotin-avidin, and the like. If these reaction systems are used, for example, a nucleic acid substance containing a gene is modified with a GST protein, a histidine tag or biotin, and the importin protein is fused with glutathione, a nickel complex or avidin, so that The nucleic acid transferable nucleic acid structure of the present invention comprising a nucleic acid substance-importin protein conjugate (complex) is obtained through specific interaction.

非共有結合性の特異的相互作用を発揮するものとして以上に例示した反応系の中でも、その結合力が特に大きいビオチン−アビジンが好ましい。核酸のビオチン化はそのためのキットも市販されており、容易に修飾可能であり、種々の遺伝子を含む核酸物質を簡便にビオチン化することができる。アビジンとしては一般にストレプトアビジンが好ましく用いられ、ストレプトアビジン融合インポーティンタンパクを利用すれば、ビオチンーストレプトアビジンの非常に安定な非共有結合性特異的相互作用(解離定数:<10-15)に因り容易に種々の遺伝子を含む核酸物質にインポーティンタンパクを結合させたコンジュゲート体から成る本発明の核酸構造体を得ることが可能である。 Among the reaction systems exemplified above as those that exhibit non-covalent specific interaction, biotin-avidin having a particularly large binding force is preferable. Kits for the biotinylation of nucleic acids are also commercially available and can be easily modified, and nucleic acid substances containing various genes can be easily biotinylated. In general, streptavidin is preferably used as avidin. If streptavidin fusion importin protein is used, it is due to the highly stable non-covalent specific interaction (dissociation constant: <10 -15 ) of biotin-streptavidin. It is possible to easily obtain the nucleic acid structure of the present invention comprising a conjugate obtained by binding an importin protein to a nucleic acid substance containing various genes.

本発明において、核酸物質とは、細胞内に導入されるべき遺伝子自体または該遺伝子を含む核酸類であり、既述のような手段によりインポーティンと結合されるものであればどのような形態でも良く、RNA、オリゴDNA、1本鎖核酸、2本鎖核酸、プラスミドDNAなどが包含されるが、実用的見地から特に好適な核酸物質はプラスミドDNAである。ここで、プラスミドDNAとは、発現ベクター、すなわち、発現するタンパクをプロモーターの下流にコードするものという意味で用いており、その具体的な塩基配列については目的タンパクによって異なる。   In the present invention, the nucleic acid substance is a gene itself to be introduced into a cell or a nucleic acid containing the gene, and can be in any form as long as it is combined with importin by the means described above. Well, RNA, oligo DNA, single-stranded nucleic acid, double-stranded nucleic acid, plasmid DNA and the like are included, but a particularly suitable nucleic acid substance from a practical viewpoint is plasmid DNA. Here, plasmid DNA is used to mean an expression vector, that is, one that encodes a protein to be expressed downstream of a promoter, and its specific base sequence varies depending on the target protein.

かくして、本発明の核内移行性核酸構造体の特に好ましい態様は、細胞に導入すべき遺伝子を含む核酸物質がプラスミドDNAであり、該プラスミドDNAがビオチンラベル化されており、ストレプトアビジン融合インポーティンタンパク(好ましくはインポーティンβ)と結合されているものである。   Thus, a particularly preferred embodiment of the nuclear translocation nucleic acid structure of the present invention is that a nucleic acid substance containing a gene to be introduced into a cell is plasmid DNA, the plasmid DNA is labeled with biotin, and a streptavidin fusion import It is bound to a protein (preferably importin β).

このような場合、ビオチン(ラベル)化プラスミドとしては、プラスミドDNAとビオチン間に充分な距離を与える分子量3000〜5000のポリエチレングリコール鎖(PEG)を有する化合物を用いることが好適である。また、プラスミドDNAのビオチン化はジアゾカップリングによる化学修飾により行うが、1分子あたりのビオチンの導入数は5〜20が好ましく、5〜10がより好適である。   In such a case, as the biotin (labeled) plasmid, it is preferable to use a compound having a polyethylene glycol chain (PEG) having a molecular weight of 3000 to 5000 that gives a sufficient distance between the plasmid DNA and biotin. In addition, biotinylation of plasmid DNA is performed by chemical modification by diazo coupling, but the number of biotin introduced per molecule is preferably 5 to 20, and more preferably 5 to 10.

本発明の核内移行性核酸構造体は所定の細胞と接触させることにより、細胞に特定の遺伝子を注入したり、その遺伝子をクローニングしたり、または該遺伝子がコードするタンパク質を発現させるために用いることができるが、対象とされる細胞は限定されるものではなく、本発明の原理はあらゆる種類の真核細胞、特に動物細胞に適用することができる。ただし、使用するインポーティンタンパクの由来は対象とする細胞の種と一致することが好適である。   The nuclear translocation nucleic acid structure of the present invention is used for injecting a specific gene into a cell, cloning the gene, or expressing a protein encoded by the gene by contacting with a predetermined cell. However, the target cells are not limited and the principles of the present invention can be applied to any kind of eukaryotic cells, especially animal cells. However, it is preferable that the importin protein used has the same origin as the target cell type.

以下、本発明の特徴をさらに具体的に示すため、本発明に従う核酸構造体であるプラスミドDNA−インポーティンタンパクコンジュゲート体の調製、およびそれを用いるインビトロ試験における核内移行促進評価とタンパク発現に関する実施例を記すが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。   Hereinafter, in order to more specifically show the characteristics of the present invention, it relates to the preparation of plasmid DNA-importin protein conjugate, which is a nucleic acid structure according to the present invention, and evaluation of promotion of nuclear translocation and protein expression in in vitro tests using the same. Although an Example is described, this invention is not limited by these Examples.

ビオチンラベル化プラスミドの調製 プラスミドDNAとしてpDsRed(赤色蛍光タンパクをコードするプラスミドDNA、4700bp、Clontech社製)を使用した。まず、図1に示されるスキームにより合成されたポリエチレングリコール鎖を有するビオチン修飾アニリン誘導体(図1中の(I)、以下、biotin-PEG修飾アニリン誘導体と記す)5.17mgを4℃に冷やした0.5M HCl(116μL)に溶かし、よく撹拌しながら4℃に冷やした10mg/ml NaNO253μLを加え、4℃で5分間撹拌した。
その後1M NaOH(57.8μL)を加え反応を終了した。この溶液を0.13μg/μLのpDsRed(0.1Mホウ酸緩衝液中(pH=9.0))溶液752μLに加え、室温で15分間撹拌した。Ultrafree-MC(MW:10000)の分子ふるいフィルターにのせ、4℃、14000gで遠心し、未反応のbiotin−PEG修飾アニリン誘導体を除去した。さらに70%エタノール400μLを加え4℃、14000gで遠心し洗浄した。乾燥後、合成したビオチンラベル化プラスミド(図1中の(II)、以下、biotin−PEG−pDsRedと記す)(91μg)をPBS(−)60μLに溶かして−20℃で保存した。
Preparation of biotin-labeled plasmid pDsRed (plasmid DNA encoding red fluorescent protein, 4700 bp, manufactured by Clontech) was used as plasmid DNA. First, 5.17 mg of a biotin-modified aniline derivative having a polyethylene glycol chain synthesized according to the scheme shown in FIG. 1 ((I) in FIG. 1, hereinafter referred to as biotin-PEG-modified aniline derivative) was cooled to 4 ° C. 53 mg of 10 mg / ml NaNO 2 dissolved in M HCl (116 μL) and cooled to 4 ° C. with good stirring was added and stirred at 4 ° C. for 5 minutes.
Thereafter, 1M NaOH (57.8 μL) was added to complete the reaction. This solution was added to 752 μL of 0.13 μg / μL pDsRed (in 0.1 M borate buffer (pH = 9.0)) and stirred at room temperature for 15 minutes. It was placed on a molecular sieve filter of Ultrafree-MC (MW: 10000) and centrifuged at 14000 g at 4 ° C. to remove unreacted biotin-PEG-modified aniline derivative. Further, 400 μL of 70% ethanol was added and washed by centrifugation at 14,000 g at 4 ° C. After drying, the synthesized biotin-labeled plasmid ((II) in FIG. 1, hereinafter referred to as biotin-PEG-pDsRed) (91 μg) (91 μg) was dissolved in 60 μL of PBS (−) and stored at −20 ° C.

ビオチン導入数の決定 合成したbiotin-PEG-pDsRed(2μg)、テキサスレッドラベル化ストレプトアビジン(texas
red labeled streptavidin)(TR−S、5μg)をPBS(20μL)中で混合し、コンジュゲート体を調製した。1.5M NaI(200μL)を加え、非特異的に結合したテキサスレッドラベル化ストレプトアビジンを解離させ、限外濾過膜(Microcon YM−100、NMWL:100,000)を用いて遊離したテキサスレッドラベル化ストレプトアビジンを除去した。PBS(200μL)で洗浄後、テキサスレッドラベル化pDsRed(以下pDsRed−biotin−(TR−S)4と記す)を得た。
次に、DNA濃度を決定するためにPBS(2mL)に1mg/mLヘキスト溶液を5μL加え、さらにpDsRed−biotin−(TR−S)4溶液を5、10、15、20μLとなるように徐々に加えていきヘキストの蛍光強度を測定した。この際、既知濃度のDNA溶液でヘキスト蛍光強度の検量線を作成しておき、pDsRed−biotin−(TR−S)4溶液のDNA濃度を決定した。一方、TR−Sの蛍光強度と濃度の検量線を元に、PBS(2mL)にpDsRed−biotin−(TR−S)4溶液を5、10、15、20μLとなるように徐々に加えて、テキサスレッドの濃度を決定した。このDNA濃度とテキサスレッド濃度より算出し、プラスミドDNA1個あたりのビオチンラベル数を9.4と決定した。
Biotin -PEG-pDsRed (2μg), Texas Red labeled streptavidin (texas)
red labeled streptavidin) (TR-S, 5 μg) was mixed in PBS (20 μL) to prepare a conjugate. Texas Red labeled streptavidin was released using ultrafiltration membrane (Microcon YM-100, NMWL: 100,000) by adding 1.5M NaI (200 μL) to dissociate non-specifically bound Texas Red labeled streptavidin Was removed. After washing with PBS (200 μL), Texas Red labeled pDsRed (hereinafter referred to as pDsRed-biotin- (TR-S) 4 ) was obtained.
Next, to determine the DNA concentration, add 5 μL of 1 mg / mL Hoechst solution to PBS (2 mL), and gradually add pDsRed-biotin- (TR-S) 4 solution to 5, 10, 15, 20 μL. The fluorescence intensity of the added Hoechst was measured. At this time, a calibration curve of Hoechst fluorescence intensity was prepared with a DNA solution having a known concentration, and the DNA concentration of the pDsRed-biotin- (TR-S) 4 solution was determined. On the other hand, based on the calibration curve of the fluorescence intensity and concentration of TR-S, gradually add pDsRed-biotin- (TR-S) 4 solution to PBS (2 mL) to 5, 10, 15, 20 μL, The concentration of Texas Red was determined. The number of biotin labels per plasmid DNA was determined to be 9.4, calculated from this DNA concentration and Texas Red concentration.

ストレプトアビジン融合インポーティンβタンパクの調製 インポーティンβ(importinβ)およびGFP(緑色蛍光タンパク)をコードするpGEX2T−GFP−impβプラスミドベクター(非特許文献15)のインポーティンβをコードする領域EcoRIとHindIIIサイトに同じ制限酵素サイトをもつストレプトアビジン(Streptavidin)遺伝子を挿入し図2に示すGFP−インポーティンβ−ストレプトアビジン融合タンパク(以下GβSと記す)発現ベクターpGβS(配列番号1)を構築した。pGEX2T−GFP−impβにコードされたインポーティンβはマウス由来である。
構築したpGβSは大腸菌BL21へトランスフォーメーションし、LB培地中で培養することで、組換え融合タンパクGβSを得た。GβSはGSTタンパク(26K Da)、GFP(27K Da)、全896base数のcDNAのうち核内移行能を残す5’側643base分のインポーティンβ(76K Da、全長97K Da)、ストレプトアビジン (16K Da)のフラグメントを含む組換えタンパクであり分子量は145K Daとなる。この組換えGβSタンパクのSDS−PAGEの結果を図3に示す。対応する分子量の位置に単一のバンドを示しており、GβSタンパクの発現、精製に成功したことが解る。
Kose,S., Imamoto,N., Shimamoto,T., Tachibana,T., Shimamoto, T.,およびYoneda,Y. J. Cell Biol. 139 , 841 (1997)。
Streptavidin fusion importin beta proteins regulating made importin beta (Importinbeta) and GFP (green fluorescent protein) coding for pGEX2T-GFP-impβ plasmid vector [15] of importin region EcoRI and HindIII encoding beta A streptavidin gene having the same restriction enzyme site was inserted into the site to construct a GFP-importin β-streptavidin fusion protein (hereinafter referred to as GβS) expression vector pGβS (SEQ ID NO: 1) shown in FIG. Importin β encoded by pGEX2T-GFP-impβ is derived from a mouse.
The constructed pGβS was transformed into E. coli BL21 and cultured in LB medium to obtain a recombinant fusion protein GβS. GβS is GST protein (26K Da), GFP (27K Da), 5 '643base importin β (76K Da, total length 97K Da), streptavidin (16K) It is a recombinant protein containing a fragment of Da) and has a molecular weight of 145K Da. The results of SDS-PAGE of this recombinant GβS protein are shown in FIG. A single band is shown at the corresponding molecular weight, indicating that the GβS protein was successfully expressed and purified.
Kose, S., Imamoto, N., Shimamoto, T., Tachibana, T., Shimamoto, T., and Yoneda, YJ Cell Biol. 139, 841 (1997).

マイクロインジェクション法による核内移行能評価 マイクロインジェクション法により細胞質に注入した後、一定時間培養後、細胞を5%HCHO溶液で固定化し、注入した物質の細胞内動態を観察した。もし、核内移行能を有する場合は、核が染色される。実施例1の方法で調製したbiotin−PEG−pDsRed(9.4)(プラスミドあたりのビオチン導入数:9.4)を用い、2.0μg/μL biotin−PEG−pDsRed(9.4)PBS溶液(30μL)と2.4μg/μLGβS PBS溶液(30μL)を混合し、すぐさまNIH3T3細胞の細胞質にマイクロインジェクションを行った。1時間後に固定化し、GFPの緑色蛍光を観察したのが、図4(a)である(便宜上、モノクロで示す)。また、スキムミルクで蛋白質の非特異的吸着をブロッキングした後にテキサスレッドラベル化ストレプトアビジンを細胞に添加し、ビオチンへの結合処理を行い、テキサスレッドの蛍光を観察した結果が図4(b)(便宜上、モノクロで示す)である。
上記の結果より、NIH3T3細胞において細胞質にマイクロインジェクションした融合タンパクおよびビオチンラベル化プラスミドは核内に局在しており、ビオチンラベル化プラスミドDNAとストレプトアビジンーインポーティンβ融合体の核内移行も促進していることが明らかとなった。
Evaluation of nuclear translocation ability by microinjection method After injection into the cytoplasm by microinjection method, after culturing for a certain period of time, the cells were fixed with 5% HCHO solution, and the intracellular kinetics of the injected substance was observed. If it has the ability to enter the nucleus, the nucleus is stained. Using biotin-PEG-pDsRed (9.4) (number of biotin introduced per plasmid: 9.4) prepared by the method of Example 1, 2.0 μg / μL biotin-PEG-pDsRed (9.4) PBS solution (30 μL) and 2.4 μg / μLGβS PBS solution (30 μL) was mixed and immediately microinjected into the cytoplasm of NIH3T3 cells. FIG. 4 (a) shows that the green fluorescence of GFP was observed after 1 hour of fixation (shown in monochrome for convenience). In addition, after blocking nonspecific adsorption of protein with skim milk, Texas Red labeled streptavidin was added to the cells, the binding treatment to biotin was performed, and the fluorescence of Texas Red was observed. , Shown in monochrome).
Based on the above results, the fusion protein and biotin-labeled plasmid microinjected into the cytoplasm in NIH3T3 cells are localized in the nucleus, facilitating nuclear translocation of biotin-labeled plasmid DNA and streptavidin-importin β fusion. It became clear that

マイクロインジェクションによるタンパク発現実験 組換え融合タンパクGβSはビオチンラベル化プラスミドDNAの核内移行を促進するので、細胞質に注入後核内にて効率よく転写され、タンパクの発現量が増強されると期待できる。そこで、プラスミド濃度0.5μg/μLとなるように、また融合タンパクGβSと複合化させる際には融合タンパクGβSの最終濃度が0.6μg/μLとなる溶液でNIH3T3細胞の細胞質に各50個の細胞にマイクロインジェクションし、24時間後における赤色蛍光タンパクの発現が確認できる細胞の割合を調べた。
その結果を図5に示す。ビオチン化学修飾したプラスミドDNA単独でマイクロインジェクションした場合(図5中、最下部)ではタンパク発現は全く観察されなかった。一方、プラスミドDNA−インポーティンβコンジュゲートから成る本発明の核酸構造体(図5中、中央部)はインタクトなプラスミドDNA(図5中、最上部)と比較しても発現効率の向上が認められ、プラスミドDNA−インポーティンβコンジュゲートがプラスミドDNAの核内移行促進によりタンパク発現を増強していることが解る。
Protein expression experiment by microinjection Recombinant fusion protein GβS promotes translocation of biotin-labeled plasmid DNA into the nucleus, so that it can be expected to be efficiently transcribed in the nucleus after injection into the cytoplasm and enhance the protein expression level. . Therefore, in order to achieve a plasmid concentration of 0.5 μg / μL, and when complexing with the fusion protein GβS, the final concentration of the fusion protein GβS is 0.6 μg / μL. After microinjection, the percentage of cells in which the expression of red fluorescent protein was confirmed after 24 hours was examined.
The result is shown in FIG. No protein expression was observed when microinjection was performed with biotin chemically modified plasmid DNA alone (at the bottom in FIG. 5). On the other hand, the nucleic acid structure of the present invention comprising a plasmid DNA-importin β conjugate (the middle part in FIG. 5) has improved expression efficiency compared to an intact plasmid DNA (the uppermost part in FIG. 5). Thus, it can be seen that the plasmid DNA-importin β conjugate enhances protein expression by promoting nuclear transfer of plasmid DNA.

本発明は、遺伝子治療をはじめとして種々の分野において細胞に所望の遺伝子を導入するための新しい非ウィルス性の技術として利用が期待される。   The present invention is expected to be used as a new non-viral technique for introducing a desired gene into cells in various fields including gene therapy.

本発明の核酸構造体を作製するのに用いられるビオチンラベル化プラスミドDNA合成スキームを示す(実施例1)。A biotin-labeled plasmid DNA synthesis scheme used to prepare the nucleic acid structure of the present invention is shown (Example 1). 本発明の核酸構造体を作製するのに用いられる組換え融合タンパクGβS発現ベクターのベクターマップを示す(実施例2)。(Example 2) which shows the vector map of the recombinant fusion protein G (beta) S expression vector used for producing the nucleic acid structure of this invention. GβSタンパク発現のSDS−PAGEによる確認を示す(実施例2)。The confirmation by SDS-PAGE of GβS protein expression is shown (Example 2). 本発明の核酸構造体の核内移行能を評価するためのNIH3T3細胞へのマイクロインジェクション法による蛍光観察結果を示す(実施例3)。(Example 3) which shows the fluorescence observation result by the microinjection method to the NIH3T3 cell for evaluating the nuclear translocation ability of the nucleic acid structure of this invention. 本発明の核酸構造体および比較サンプルについて行なったタンパク発現実験におけるマイクロインジェクション後の発現効率を示す(実施例4)。(Example 4) which shows the expression efficiency after the microinjection in the protein expression experiment conducted about the nucleic acid structure and comparative sample of this invention.

Claims (8)

細胞の核内に導入されるべき遺伝子を含む核酸物質と、核膜孔を通過する機能を持ち核内輸送に関わるインポーティンタンパクとが、共有結合または非共有結合性の特異的相互作用を介して結合されて成ることを特徴とする核内移行性核酸構造体。   A nucleic acid substance containing a gene to be introduced into the nucleus of a cell and an importin protein that has a function of passing through the nuclear pore and is involved in nuclear transport through a covalent or non-covalent specific interaction. A nuclear translocating nucleic acid structure characterized by being bound to each other. インポーティンタンパクがインポーティンβ、インポーティン7、トランスポーティン、トランスポーティンSRまたはCASタンパクの中から選ばれたタンパクであることを特徴とする請求項1に記載の核内移行性核酸構造体。   The nuclear importable nucleic acid structure according to claim 1, wherein the importin protein is a protein selected from importin β, importin 7, transportin, transportin SR, or CAS protein. . インポーティンタンパクがインポーティンβであることを特徴とする請求項2に記載の核内移行性核酸構造体。   The importable nucleic acid structure according to claim 2, wherein the importin protein is importin β. 核酸物質とインポーティンタンパクとが非共有結合性の特異的相互作用を介して結合されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の核内移行性核酸構造体。   The nuclear translocation nucleic acid structure according to any one of claims 1 to 3, wherein the nucleic acid substance and the importin protein are bound to each other via a non-covalent specific interaction. 非共有結合性の特異的相互作用がビオチン-アビジン相互作用であることを特徴とする請求項4に記載の核内移行性核酸構造体。   The nuclear translocation nucleic acid structure according to claim 4, wherein the non-covalent specific interaction is a biotin-avidin interaction. 核酸物質がプラスミドDNAであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の核内移行性核酸構造体。   6. The nuclear translocating nucleic acid structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the nucleic acid substance is plasmid DNA. プラスミドDNAがビオチンラベル化されており、ストレプトアビジン融合インポーティンタンパクと結合されていることを特徴とする請求項6に記載の核内移行性核酸構造体。   The nuclear transferable nucleic acid structure according to claim 6, wherein the plasmid DNA is labeled with biotin and bound to a streptavidin fusion importin protein. 請求項1〜7のいずれかに記載の核内移行性核酸構造体を細胞と接触させる工程を含むことを特徴とする細胞に遺伝子を導入する方法。
A method for introducing a gene into a cell, comprising the step of bringing the nuclear translocation nucleic acid structure according to any one of claims 1 to 7 into contact with the cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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