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KR20020010445A - Cell-transducing HIV-1 Tat-superoxide dismutase fusion protein and use of the fusion protein - Google Patents

Cell-transducing HIV-1 Tat-superoxide dismutase fusion protein and use of the fusion protein Download PDF

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KR20020010445A
KR20020010445A KR1020010010980A KR20010010980A KR20020010445A KR 20020010445 A KR20020010445 A KR 20020010445A KR 1020010010980 A KR1020010010980 A KR 1020010010980A KR 20010010980 A KR20010010980 A KR 20010010980A KR 20020010445 A KR20020010445 A KR 20020010445A
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KR
South Korea
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tat
sod
fusion protein
superoxide dismutase
disease
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KR1020010010980A
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Korean (ko)
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최수영
권혁일
박진서
강정훈
원무호
강태천
음원식
장현우
류지윤
이병룡
Original Assignee
최수영
권혁일
박진서
강정훈
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Filing date
Publication date
Application filed by 최수영, 권혁일, 박진서, 강정훈 filed Critical 최수영
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Abstract

본 발명은 생체 방어메카니즘에서 중요한 역할을 수행하는 것으로 알려진 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스(SOD)를 세포 내로 운반하고 세포 내에서 활성을 가지도록 하기 위하여 HIV-1 Tat 단백질과 융합시킨 융합단백질 Tat-SOD, 이 융합단백질 Tat-SOD를 코딩하는 폴리뉴클레오타이드, 이 융합단백질을 제조하는 벡터 및 이 융합단백질을 세포 내로 도입시키는 방법 및 그 용도에 관한 것으로서, Tat-SOD 융합단백질은 의약 조성물과 화장품 등의 용도로 유용하다.The present invention is a fusion incorporating HIV-1 Tat protein to transport Cu, Zn-superoxide dismutase (SOD), which is known to play an important role in biological defense mechanisms into cells and to have activity in cells. Protein Tat-SOD, a polynucleotide encoding the fusion protein Tat-SOD, a vector for producing the fusion protein, a method for introducing the fusion protein into a cell, and a use thereof, wherein the Tat-SOD fusion protein is used in a pharmaceutical composition and Useful for applications such as cosmetics.

Description

세포침투성 티에이티-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합단백질 및 그 용도{Cell-transducing HIV-1 Tat-superoxide dismutase fusion protein and use of the fusion protein}Cell-transducing HIV-1 Tat-superoxide dismutase fusion protein and use of the fusion protein}

본 발명은 세포침투성 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스(Cu,Zn-Superoxide dismutase; 이하 본 명세서에서 "Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스", "슈퍼옥사이드 디스뮤테이스", "SOD", "Cu,Zn-SOD"를 혼용하였음, 모두 동일한 의미임)의 융합단백질, 이 융합단백질을 코딩하는 재조합 폴리뉴클레오타이드, 이 융합단백질의발현벡터 및 티에이티-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합단백질을 세포 내로 도입하는 방법 및 그 용도에 관한 것으로서, 좀더 자세히는 재조합 벡터를 이용하여 슈퍼옥사이드 디스뮤테이스의 N말단측에 6개의 히스티딘 잔기와 9개의 HIV-1 Tat 단백질이 결합된 융합단백질을 제조, 정제함으로써 높은 효율로 세포 내로 투과되어 세포 내에서 활성을 가지는 슈퍼옥사이드 디스뮤테이스에 관한 것이다.The present invention relates to a cell penetrating Cu, Zn-Superoxide dismutase (hereinafter referred to as "Cu, Zn-Superoxide dismutase", "superoxide dismutase", " SOD "," Cu, Zn-SOD "are used interchangeably, all have the same meaning), recombinant polynucleotide encoding this fusion protein, expression vector of this fusion protein, and thio-superoxide dismutase fusion The present invention relates to a method for introducing a protein into a cell and its use, and more particularly, a fusion protein in which six histidine residues and nine HIV-1 Tat proteins are bound to the N-terminal side of superoxide dismutase using a recombinant vector. The present invention relates to a superoxide dismutase which is permeated into cells with high efficiency by preparing and purifying them.

본 명세서의 "목표 단백질"은 상기 HIV-1 Tat 수송 도메인과 공유결합을 이루어 세포 내로 도입되어 활성을 나타내는 치료 분자, 예방 분자 및 진단 분자 등을 의미하며, 실제로는 순수한 단백질에만 한정되는 것이 아니라, 펩타이드, 폴리펩타이드, 당류와 결합된 당단백질, 펩티도글리칸 등을 통칭하는 표현으로 사용한다.As used herein, the term "target protein" refers to a therapeutic molecule, a preventive molecule, a diagnostic molecule, and the like, which are covalently bound to the HIV-1 Tat transport domain to be introduced into a cell and exhibit activity, and are not limited thereto. Peptides, polypeptides, glycoproteins associated with sugars, peptidoglycans, and the like are used collectively.

또한, 본 명세서에서는 단백질, 펩타이드, 유기화합물을 세포 내로 "도입"시키는 것에 대하여 "운반", "침투", "수송", "전달", "투과", "통과"한다는 표현들과 혼용하였다.In addition, the specification is used interchangeably with the expressions "transport", "penetration", "transport", "delivery", "transmission", "pass" for "introducing" a protein, peptide, organic compound into a cell.

활성산소종(reactive oxygen species)은 산소를 이용하여 에너지를 얻는 모든 생명체에서, 여러 세포 내 대사과정의 부산물로 필연적으로 생성된다. 이러한 활성산소종은 세포 내의 단백질, 핵산 및 지방과 같은 생체고분자에 손상을 입히며. 인체의 여러 질병의 진행과정과 깊게 관련되어 있다. 특히, 발암과정, 뇌졸중, 관절염, 동맥경화, 방사선 손상 및 염증반응에 관여하며 정상적인 노화과정에서도 노화를 촉진시키는 중요한 요인으로 작용한다[Floyd, R.A.(1990) FASEB J. 4,2587-2597.Anderson, W. F.(1998) Human gene therapy. Nature 392, 25-30. Halliwell B. and Gutteridge J.M.C.(1999) Free radicals in biology and medicine, Oxford University Press, Oxford].Reactive oxygen species are inevitably produced as by-products of various intracellular metabolism in all living organisms that use oxygen for energy. These reactive oxygen species damage biopolymers such as proteins, nucleic acids and fats in cells. It is deeply involved in the progress of various diseases in the human body. In particular, it is involved in carcinogenesis, stroke, arthritis, arteriosclerosis, radiation damage and inflammatory reactions, and plays an important role in promoting aging even in normal aging [Floyd, RA (1990) FASEB J. 4,2587-2597.Anderson , WF (1998) Human gene therapy. Nature 392, 25-30. Halliwell B. and Gutteridge J.M.C. (1999) Free radicals in biology and medicine, Oxford University Press, Oxford.

Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스와 관련된 질병들을 간략히 살펴보면 다음 표 1과 같다.A brief description of the diseases associated with Cu, Zn-superoxide dismutase is shown in Table 1 below.

카테고리category 구체적인 예Concrete example 염증성/면역성 손상Inflammatory / immune damage 사구체신염, 맥관염, 자기면역성 질환 등Glomerulonephritis, vasculitis, autoimmune diseases, etc. 국소빈혈Ischemia 졸중, 심근경색, 부정맥, 협심증 등Stroke, myocardial infarction, arrhythmia, angina, etc. 약물과 독성물질 유도 반응Drug and Toxic Induction Reactions 생략skip 철 과적(overload): 조직 및 혈장Iron Overload: Tissue and Plasma 특발성 헤모크로마토시스 등Idiopathic hemochromatosis, etc. 방사선 관련 손상Radiation-related damage 핵 피폭, 방사선 치료 등Nuclear exposure, radiotherapy, etc. 노화Aging 조로증, 질병관련 노화Progesteritis, disease-related aging 적혈구 세포Red blood cells 겸상적혈구증, 말라리아 등Sickle cell disease, malaria, etc. 기관지Bronchus 담배흡연의 결과, 폐기종 등As a result of cigarette smoking, emphysema 심장과 심혈관계Heart and cardiovascular system 심근증 등Cardiomyopathy, etc. 신장kidney 자기면역 신증후군 등Autoimmune nephrotic syndrome 위장Camouflage 베텔넛-관련 구강암 등Betelnut-related oral cancer 뇌/신경체계/신경근육 이상Brain / nerve system / nerve muscle abnormalities 고압산소증, 알쯔하이머병, 파킨슨병 등Hyperbaric oxygen, Alzheimer's disease, Parkinson's disease, etc. Eye 백내장 등Cataracts, etc. 피부skin UV조사에 의한 질병 등Diseases due to UV irradiation

* 출처: Free radicals in biology and medicine, Oxford University Press, Oxford pp 618~619.* Source: Free radicals in biology and medicine, Oxford University Press, Oxford pp 618 ~ 619.

공지된 활성산소종은1O2, OH, O2, H2O2등이 있으며 이들은 생체 내에서 각종 효소반응에 의해 생성되며 각종 생리활성 물질의 생합성, 면역기능, 약물의 대사 등에서 매우 중요한 역활을 하지만 외부로부터의 방사선, 자외선, 공해 및 각종 스트레스 등에 의해 과잉생성될 경우 오히려 생체에 손상을 가져올 수 있기 때문에 생체는 방어기능으로 SOD, 카탈라제(Catalase), 퍼옥시다제(Peroxidase)등의 효소를 갖고 있는데 노화가 시작되면 피부의 균형이 깨지게 되고 각종 활성산소류에 대한 피부보호능력이 떨어지게 된다.Known active oxygen species include 1 O 2 , OH, O 2 , H 2 O 2 , which are produced by various enzyme reactions in vivo, and play an important role in biosynthesis, immune function, and metabolism of various bioactive substances. However, if it is overproduced by external radiation, ultraviolet rays, pollution, and various stresses, it may cause damage to the living body, and thus the living body may use enzymes such as SOD, catalase, and peroxidase as a protective function. When aging begins, the balance of the skin is broken and skin protection against various free radicals is reduced.

따라서 이러한 활성산소류들로부터 세포를 보호해줄 필요성이 대두되는데, 화장품 원료로써의 활성산소제거제로써 SOD,락토페린, 항산화제등이 사용 내지 개발되어 오고 있다. 하지만 SOD는 활성산소 제거능에도 불구하고 효소단백질이라는 성질로 인하여 지질에 대해 난용성이며 안정성이 나쁘고, 분자량이 30,000달톤(Dalton) 이상으로 피부 각질층의 투과가 불가능하다는 문제점이 있어서 화장료 조성물로 유용하게 이용되지 못하였다.Therefore, there is a need to protect cells from these active oxygen species, SOD, lactoferrin, antioxidants, etc. have been used or developed as an active oxygen remover as a cosmetic raw material. However, SOD is poorly soluble in lipids and poor in stability due to its nature as an enzyme protein, despite its ability to remove active oxygen, and its molecular weight is more than 30,000 Daltons (Dalton). It didn't work.

Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스는 자유라디칼의 해독과 산소의 손상으로부터 세포의 손상을 막아주는 세포 내 중요한 방어 효소이다[Fridovich, I.(1995) Annu. Rev. Biochem. 64, 97-112.]. 모든 생체내 고분자들은 이러한 산소라디칼의 해로운 작용에 항상 노출되어 있기 때문에 여러 질환에서 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스를 치료 목적으로 이용하려는 관심도가 매우 높아지고 있다.Cu, Zn-superoxide dismutase is an important defense enzyme in cells that prevents cell damage from free radical detoxification and oxygen damage [Fridovich, I. (1995) Annu. Rev. Biochem. 64, 97-112.]. Since all in vivo polymers are always exposed to the harmful effects of oxygen radicals, there is a growing interest in using Cu, Zn-superoxide dismutase for therapeutic purposes in various diseases.

최근 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스를 임상적으로 응용하기 위하여 많은 방법들이 시도되고 있다. 현재까지 개발된 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스의 생체내 운반 방법은 크게 3가지로 구분할 수 있다. 첫째, Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스에 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 피콜(Ficoll), 레시틴(lecithin), 알부민(albumin) 등을 접합시키는 방법[Del Zoppo, G.J., Wagner, S. and Tagaya, M. (1997) Drugs 54, 9-38. Muzykantov, V.R., Atochina, E.N., Ischiropoulos, H., Danilov, S.M. and Fisher, A.B. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 5213-5218.], 둘째, 리포조옴(liposome)을 이용하여 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스를 캡슐화시키는 방법[Perdereau, B., Campana, F., Vilcoq, J.R., de la Rochefordiere, A., Barbaroux, C., Fourquet, A. and Magdelenat, H. (1994) Bull. Cancer 81, 659-669.], 셋째, Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 유전자를 형질도입하여 세포 내에서 효소의 과다 발현을 유도하는 유전자 치료 등이 시도되고 있다[Okumura, K., Nishiguchi, K., Tanigawara, Y., Mori, S., Iwakawa, S. and Komada, F.(1997) Pharm. Res. 14, 1223-1227. Lehmann, T.G., Wheeler, M.D., Schoonhoven, R., Bunzendahl, H., Samulski, R.J. and Thurman, R.G.(2000) Transplantation 69, 1051-1057. Liu, R., Oberley, T.D. and Oberley, L.W.(1997) Hum. Gene Ther. 8, 585-595.].Recently, many methods have been tried to clinically apply Cu, Zn-superoxide dismutase. In vivo transport methods of Cu, Zn-superoxide dismutase developed to date can be largely classified into three types. First, a method of conjugating polyethylene glycol, ficoll, lecithin, albumin, etc. to Cu, Zn-superoxide dismutase [Del Zoppo, GJ, Wagner, S. and Tagaya, M. (1997) Drugs 54, 9-38. Muzykantov, V.R., Atochina, E.N., Ischiropoulos, H., Danilov, S.M. and Fisher, A.B. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 5213-5218.], Second, a method for encapsulating Cu, Zn-superoxide dismutase using liposomes [Perdereau, B., Campana, F., Vilcoq, JR, de la Rochefordiere, A., Barbaroux, C., Fourquet, A. and Magdelenat, H. (1994) Bull. Cancer 81, 659-669.] Third, gene therapy that induces overexpression of enzymes in cells by transducing the Cu, Zn-superoxide dismutase gene has been attempted [Okumura, K., Nishiguchi]. , K., Tanigawara, Y., Mori, S., Iwakawa, S. and Komada, F. (1997) Pharm. Res. 14, 1223-1227. Lehmann, T.G., Wheeler, M.D., Schoonhoven, R., Bunzendahl, H., Samulski, R.J. and Thurman, R. G. (2000) Transplantation 69, 1051-1057. Liu, R., Oberley, T. D. and Oberley, L. W. (1997) Hum. Gene Ther. 8, 585-595.].

이중 가장 주목받고 있는 것은 유전자 치료로서 그동안 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 유전자 치료를 질병에 적용하려는 많은 연구가 이루어져 왔다. 그러나 유전자 치료는 유전자의 세포 내로의 운반방법이 용이하지 않고, 표적세포에서의 발현율이 낮고, 발현되는 세포에서 단백질이 발현되는 기간이 짧으며, 표적세포에서 발현되는 단백질의 양을 인위적으로 조절하기가 매우 어려운 점 등 여러 문제점을 지니고 있다[ Verma, I.M. and Somia, N.(1997) Nature 389, 239-242].Most notable among them is gene therapy, and many studies have been conducted to apply Cu, Zn-superoxide dismutase gene therapy to diseases. However, gene therapy is not easy to transport genes into cells, has low expression rate in target cells, short duration of protein expression in expressed cells, and artificially controls the amount of protein expressed in target cells. Has many problems, such as very difficult [Verma, IM and Somia, N. (1997) Nature 389, 239-242.

치료를 위한 약물이나 단백질을 세포 내로 이동시키는데 있어서 또 다른 방법으로 목표 단백질을 세포막을 거쳐 직접 전달하는 방법을 생각할 수 있다. 그러나 치료용 약물이나 단백질은 그 크기 또는 여러 생화학적 성질 때문에 세포막을 통과하기가 매우 힘들다. 일반적으로 분자량 600 이상의 물질은 세포막을 통과하기가 거의 불가능한 것으로 알려져 있다.Another way to move drugs or proteins for treatment into cells is to think of direct delivery of the target protein across the cell membrane. However, therapeutic drugs or proteins are very difficult to cross cell membranes because of their size or various biochemical properties. In general, substances having a molecular weight of 600 or more are known to be almost impossible to pass through the cell membrane.

최근 인간 면역결핍 바이러스(Hunan Immunodeficiency Virus type-1) 단백질의 일종인 Tat(transactivator of transcription) 단백질은 효율적으로 세포막을 통과하여 세포질 내로 쉽게 이동한다는 것이 밝혀졌다. 이러한 기능은 Tat 단백질의 중간부위인 단백질 형질도입 부위(Protein Transduction Domain)의 특성때문에 나타나며 아직 그 정확한 메카니즘은 알려지지 않은 상태이다[Frankel, A.D. and Pabo, C.O.(1988) Cell 55, 1189-1193. Green, M. and Loewenstein, P.M.(1988) Cell 55, 1179-1188. Ma, M. and Nath, A.(1997) J. Virol. 71, 2495-2499. Vives, E., Brodin, P. and Lebleu, B.(1997) J. Biol. Chem. 272, 16010-16017.]. 그러나, Tat 단백질의 세포막 통과에는 특정 수용체나 운반체가 관여하지 않는 것으로 보이며 Tat 단백질의 단백질 형질도입 부위가 직접 막의 지질 이중층과 작용함으로써 일어나는 것으로 이해되고 있다[ Vives, E., Brodin, P. and Lebleu, B.(1997) J. Biol. Chem. 272, 16010-16017. Derossi, D., Calvet, S., Trembleau, A., Brunissen, A., Chassaing, G. and Prochiantz, A.(1996) J. Biol. Chem. 271, 18188-18193.].Recently, the Tat (transactivator of transcription) protein, a type of Human Immunodeficiency Virus type-1 protein, efficiently moves through the cell membrane and easily migrates into the cytoplasm. This function appears due to the nature of the protein transduction domain, which is the intermediate region of the Tat protein, and its exact mechanism is still unknown [Frankel, A.D. and Pabo, C. O. (1988) Cell 55, 1189-1193. Green, M. and Loewenstein, P. M. (1988) Cell 55, 1179-1188. Ma, M. and Nath, A. (1997) J. Virol. 71, 2495-2499. Vives, E., Brodin, P. and Lebleu, B. (1997) J. Biol. Chem. 272, 16010-16017.]. However, it is understood that no specific receptors or carriers are involved in the transmembrane of Tat protein and that the protein transduction site of Tat protein occurs by directly interacting with the lipid bilayer of the membrane [Vives, E., Brodin, P. and Lebleu , B. (1997) J. Biol. Chem. 272, 16010-16017. Derossi, D., Calvet, S., Trembleau, A., Brunissen, A., Chassaing, G. and Prochiantz, A. (1996) J. Biol. Chem. 271, 18188-18193.].

최근의 연구에서, 오브알부민(ovalbumin), β-갈락토시다아제 (galactosidase), 양고추냉이 퍼옥시다아제(horseradish peroxidase) 같은 이형단백질을 HIV-1 Tat 단백질과 융합시켜 투여하였을 때 생체 각 조직 및 배양된 세포 내로 직접 운반된다는 것을 보여 주었다[Fawell, S., Seery, J., Daikh, Y., Moore, C., Chen, L.L., Pepinsky, B. and Barsoum, J. (1994) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91, 664-668. Schwartze, S.R., Ho, A., Vocero-Akbani, A. and Dowdy,S.F.(1999) Science. 285, 1569-1572. Watson, K. and Edward, R.J. (1999) Biochem. Pharmacol. 58, 1521-1528]. 이러한 실험결과는 Tat 단백질이 자신뿐만 아니라 다른 종류의 거대한 단백질도 세포 내로 함께 운반할 수 있는 능력을 갖고 있다는 것을 의미한다.In recent studies, heterologous proteins such as ovalbumin, β-galactosidase, and horseradish peroxidase were fused with HIV-1 Tat protein in vivo tissue and culture. It is shown to be directly transported into the cells of the cells. Fawell, S., Seery, J., Daikh, Y., Moore, C., Chen, LL, Pepinsky, B. and Barsoum, J. (1994) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91, 664-668. Schwartze, S.R., Ho, A., Vocero-Akbani, A. and Dowdy, S. F. (1999) Science. 285, 1569-1572. Watson, K. and Edward, R.J. (1999) Biochem. Pharmacol. 58, 1521-1528. These results indicate that the Tat protein has the ability to transport not only itself but also other giant proteins of its kind into the cell.

그러나, 실제 모든 단백질이 Tat 단백질에 의해 운반되는 것은 아니다. 또한, Tat에 의해 세포 내로 운반된 모든 단백질이 생물학적 활성을 나타내는지도 아직 확실히 밝혀지지 않은 상태이다.However, not all proteins are carried by the Tat protein. In addition, it is not yet clear whether all proteins carried into cells by Tat show biological activity.

본 발명은 슈퍼옥사이드 디스뮤테이스를 세포 내로 도입하거나 발현시킴에 있어서 종래 기술의 문제점을 해결하고 고효율로 세포 내로 도입시키고 세포 내에서 활성을 가지도록 하려는 것이다.The present invention seeks to solve the problems of the prior art in introducing or expressing superoxide dismutase into cells and to introduce them into cells with high efficiency and to have activity in cells.

또한, 본 발명은 Tat 단백질과 융합된 슈퍼옥사이드 디스뮤테이스를 이용하여 피부 표피, 진피층, 피하지방층까지 침투하여 활성산소종의 제거능이 탁월한 화장료를 제공하려는 것이다.In addition, the present invention is to provide a cosmetic having excellent removal ability of active oxygen species by penetrating the skin epidermis, dermis layer, subcutaneous fat layer using superoxide dismutase fused with Tat protein.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명자들은 Tat 단백질의 단백질 형질도입 부위와 인간 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스를 융합시켜 이 융합단백질이 효과적으로 세포 내로 투과되는지를 HeLa 세포를 이용한 실험에서 확인하였다. 또한, Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합단백질을 다량 생산하는 방법 및 정제하는 방법을 개발하였다.In order to achieve the above object, the present inventors confirmed that the fusion protein was effectively permeated into cells by fusing the protein transduction site of Tat protein and human Cu, Zn-superoxide dismutase, in an experiment using HeLa cells. In addition, a method of producing and purifying a large amount of Tat-superoxide dismutase fusion protein has been developed.

도 1A는 pET15b 벡터를 이용한 Tat-SOD 발현벡터(pTat-SOD)의 제조방법을 개시한 것이다.1A discloses a method for preparing a Tat-SOD expression vector (pTat-SOD) using a pET15b vector.

도 1B는 발현된 융합단백질 Tat-SOD와 대조단백질로 사용한 SOD의 모식도이다.Figure 1B is a schematic diagram of the expressed fusion protein Tat-SOD and SOD used as a control protein.

도 2는 대장균에서 Tat-SOD의 발현시킨 후 정제하는 과정 중 각 단계에서 회수된 단백질 분획을 15% SDS-PAGE 및 웨스턴 블랏 분석한 결과를 나타낸 것이다.Figure 2 shows the results of 15% SDS-PAGE and Western blot analysis of the protein fraction recovered in each step of purification after the expression of Tat-SOD in E. coli.

A는 대장균(E.coli)세포 파쇄액, B는 정제한 융합단백질에 관한 SDS-PAGE 결과이다.A shows E. coli cell lysate and B shows SDS-PAGE results for purified fusion proteins.

A의 레인 1: pET 벡터만 들어 있는 세포의 파쇄액Lane 1: A lysate of cells containing only the pET vector

레인 2: pTat-SOD 벡터가 들어 있는 세포의 파쇄액Lane 2: lysate from cells containing the pTat-SOD vector

레인 3: pSOD 벡터가 들어 있는 세포의 파쇄액Lane 3: lysate of the cell containing the pSOD vector

B의 레인 1: 정제한 Tat-SODLane 1: B purified Tat-SOD

레인 2: 정제한 SODLane 2: refined SOD

C는 B와 같이 정제된 Tat-SOD 및 SOD에 대하여 인간 Cu,Zn-SOD 단일클론항체를 이용한 웨스턴 블랏 분석방법을 수행한 결과를 나타낸 것이다.C shows the results of Western blot analysis using human Cu, Zn-SOD monoclonal antibody against Tat-SOD and SOD purified as B.

레인 1: Tat-SODLane 1: Tat-SOD

레인 2: SODLane 2: SOD

D는 Tat-SOD 융합단백질의 HeLa 세포투과 정도를 알아 보기 위하여 인간 Cu,Zn-SOD 단일클론항체를 이용한 웨스턴 블랏 분석방법을 수행한 결과를 나타낸 것이다. 1μM의 Tat-SOD와 SOD를 세포배양액 내에 투여하고 1시간 뒤에 세포내로 투과된 융합단백질의 양을 웨스턴 블랏으로 분석하였다.D shows the results of Western blot analysis using human Cu, Zn-SOD monoclonal antibody to determine the HeLa cell permeability of Tat-SOD fusion protein. Administration of Tat-SOD and SOD of 1 μ M in a cell culture medium, and analyzed the amount of fusion protein in 1 hour into a transmission cell by Western blot.

레인 1: 우레아에 의하여 변성된 Tat-SODLane 1: Urea Denatured Tat-SOD

레인 2: 우레아에 의하여 변성된 SODLane 2: Denatured SOD by Urea

레인 3: 변성되지 않은 Tat-SODLane 3: undenatured Tat-SOD

레인 4: 변성되지 않은 SODLane 4: undenatured SOD

도 3A는 시간에 따른 변성된 Tat-SOD의 HeLa 세포 투과정도를 알아 보기 위하여 인간 Cu,Zn-SOD 단일클론항체를 이용한 웨스턴 블랏 방법으로 분석한 결과를 나타낸 것이다. 1μM의 Tat-SOD와 SOD를 5분-1시간 동안 배지에 투여했을 때의 결과.Figure 3A shows the results of Western blot analysis using human Cu, Zn-SOD monoclonal antibody to determine the HeLa cell permeability of denatured Tat-SOD over time. 1 results when the administration of Tat-SOD and SOD in μ M in the medium for 5-1 minutes.

도 3B는 농도에 따른 변성된 Tat-SOD의 HeLa 세포 투과정도를 알아 보기 위하여 인간 Cu,Zn-SOD 단일클론항체를 이용한 웨스턴 블랏 방법으로 분석한 결과를 나타낸 것이다. 0.25-2μM의 Tat-SOD와 SOD를 1시간 동안 배지에 투여했을 때의 웨스턴 블랏 결과.Figure 3B shows the results of Western blot analysis using human Cu, Zn-SOD monoclonal antibody to determine the HeLa cell permeability of denatured Tat-SOD according to the concentration. Western blot results of administration of the Tat-SOD and SOD of 0.25-2 μ M to the culture medium for 1 hour.

도 4는 변성된 Tat-SOD를 HeLa 세포에 투여했을 때 세포내의 SOD 효소활성도 변화를 도시한 그래프이다.Figure 4 is a graph showing the change in SOD enzyme activity in cells when denatured Tat-SOD administered to HeLa cells.

A는 1μM의 Tat-SOD와 SOD를 5분-1시간 동안 배지에 투여했을 때.A when 1 μ M Tat-SOD and SOD was administered to the medium for 5 minutes-1 hour.

B는 0.25-2μM의 Tat-SOD와 SOD를 1시간 동안 배지에 투여했을 때.B, when administered to Tat-SOD and SOD of 0.25-2 μ M to the culture medium for 1 hour.

도 5는 Tat-SOD 융합단백질을 코딩하는 폴리뉴클레오타이드 서열을 나타낸 것이다.5 shows a polynucleotide sequence encoding a Tat-SOD fusion protein.

도 6은 랫트 피부세포 투과실험 결과를 촬영한 것이다. A와 B는 각각 대조군과 실험군의 표피와 진피 부위이고, C와 D는 각각 대조군과 실험군의 피하지방조직 부위를 나타낸 것이다. 사진의 화살표는 발색부위를 나타내는 것이다.Figure 6 is a photograph of the rat skin cell permeation experiment results. A and B are epidermal and dermal areas of the control and experimental groups, respectively, and C and D represent subcutaneous fat tissue areas of the control and experimental groups, respectively. The arrow in the picture indicates the color development site.

도 7은 Tat-SOD 및 SOD에 대한 랫트 피부세포 투과실험 후 세포 내 슈퍼옥사이드 디스뮤테이스의 활성을 측정하여 시간에 따른 활성도의 변화를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the change in activity over time by measuring the activity of intracellular superoxide dismutase after rat skin cell permeation experiment for Tat-SOD and SOD.

본 발명은 생체 방어메카니즘에서 중요한 역할을 수행하는 것으로 알려진 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스(SOD)를 세포 내로 운반하고 세포 내에서 활성을 가지도록 하기 위하여 HIV-1 Tat 단백질과 융합시킨 융합단백질 Tat-SOD, 이 융합단백질 Tat-SOD를 제조하는 벡터, 이 벡터를 이용하여 융합단백질을 생산하는 방법 및 정제하는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 융합단백질 Tat-SOD를 이용한 약제 조성물 및 화장료 조성물을 제공한다.The present invention is a fusion incorporating HIV-1 Tat protein to transport Cu, Zn-superoxide dismutase (SOD), which is known to play an important role in biological defense mechanisms into cells and to have activity in cells. Protein Tat-SOD, a vector for producing this fusion protein Tat-SOD, a method for producing and purifying a fusion protein using the vector. The present invention also provides a pharmaceutical composition and cosmetic composition using the fusion protein Tat-SOD.

이를 위하여 Tat-SOD 융합단백질을 과다 발현시키고 쉽게 정제할 수 있는 Tat-SOD 발현 벡터를 개발하였다. 이 발현 벡터 (pET-Tat-SOD)는 인간 Cu,Zn-SOD, Tat 형질도입부위의 9개 아미노산 (Tat 49-57) 그리고 아미노산 말단부분에 6개의 히스티딘(histidine) 잔기를 발현시킬 수 있는 cDNA를 포함하고 있다.To this end, a Tat-SOD expression vector was developed that can overexpress and easily purify the Tat-SOD fusion protein. This expression vector (pET-Tat-SOD) is a cDNA capable of expressing 9 amino acids (Tat 49-57) at the human Cu, Zn-SOD, Tat transduction sites, and 6 histidine residues at the amino acid terminus. It includes.

이 발현벡터를 이용하여 Tat-SOD 융합단백질을 대장균에서 과다 발현시켰으며 변성상태 및 자연상태에서 금속 킬레이팅 친화 크로마토그래피(metal-chelating affinity chromatography)법으로 쉽고 편리하게 정제하였다.Using this expression vector, the Tat-SOD fusion protein was overexpressed in E. coli and purified easily and conveniently by metal-chelating affinity chromatography in denaturing and natural state.

본 발명의 Tat-SOD 융합단백질은 유전자 재조합 방법 외에도 일반적인 화학결합 방법으로 제조할 수 있다.Tat-SOD fusion protein of the present invention can be prepared by a general chemical binding method in addition to gene recombination method.

변성된 Tat-SOD 융합단백질은 배양된 HeLa 세포에 시간 및 농도 의존적으로 세포에 운반되는 것을 웨스턴 블랏(Western blot)으로 확인하였다. 반면, 자연상태에서 정제한 Tat-SOD와 대조단백질로 사용한 SOD는 세포 내로 운반되지 않았다.The denatured Tat-SOD fusion protein was confirmed by Western blot to be delivered to cells in time and concentration dependent manner in cultured HeLa cells. On the other hand, Tat-SOD purified in nature and SOD used as a control protein were not transported into cells.

Tat-SOD 융합단백질을 처리한 세포에서 SOD 효소의 활성은 세포 내로 운반된 단백질의 양에 비례하여 증가하였다. 이러한 결과는 Tat이 SOD를 세포 내로 이동시켜 세포 내 SOD의 활성도를 인위적으로 증가시킬 수 있다는 것을 의미한다.The activity of SOD enzyme in cells treated with Tat-SOD fusion protein increased in proportion to the amount of protein carried into the cells. These results indicate that Tat can move SOD into cells and artificially increase the activity of SOD in cells.

본 발명은 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 또는 그의 유도체의 아미노 말단에 HIV-1 Tat 형질도입부위 49~57 잔기(Tat 49-57)가 공유결합된 세포침투성 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질에 관한 것이다.The present invention provides a cell-penetrating Tat-superoxide dismutate in which an HIV-1 Tat transduction site 49-57 residue (Tat 49-57) is covalently bonded to an amino terminus of Cu, Zn-superoxide dismutase or a derivative thereof. Fusion protein.

또한, 본 발명은 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 또는 그의 유도체 cDNA의 5' 측에 HIV-1 Tat 형질도입부위 49~57 잔기(Tat 49-57) 코딩 DNA 서열이 결합되어 상기 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 코딩하는 재조합 폴리뉴클레오타이드에 관한 것이다.In addition, the present invention is the Tat- is encoded by binding the DNA sequence of 49-57 residues (Tat 49-57) HIV-1 Tat transduction site to the 5 'side of Cu, Zn- superoxide dismutase or its derivative cDNA. It relates to a recombinant polynucleotide encoding a superoxide dismutase fusion protein.

또한, 본 발명은 상기 융합 단백질을 발현시키기 위하여 상기 재조합 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 도 1A의 제한지도 등과 같이 구성되는 세포침투성 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 발현시키는 벡터에 관한 것이다.The present invention also relates to a vector expressing a cell penetrating Tat-superoxide dismutase fusion protein constructed as shown in the restriction map of FIG. 1A including the recombinant polynucleotide to express the fusion protein.

또한, 본 발명은 상기 벡터를 미생물에서 발현시키는 단계;In addition, the present invention comprises the steps of expressing the vector in a microorganism;

발현된 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 정제하는 단계;Purifying the expressed Tat-superoxide dismutase fusion protein;

정제된 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 세포에 가하는 단계;로 구성되는 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 세포 내로 도입시키는 방법에 관한 것이다.It relates to a method of introducing a Tat- superoxide dismutase fusion protein consisting of; adding the purified Tat-superoxide dismutase fusion protein into the cell.

또한, 본 발명은 상기 정제 단계에 있어서, 6M 우레아를 이용하여 변성된 상태로 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 정제하는 것을 특징으로 하는Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 세포 내로 도입시키는 방법에 관한 것이다.In addition, in the purification step, the Tat-superoxide dismutase fusion protein, characterized in that the purified Tat- superoxide dismutase fusion protein in a denatured state using 6M urea into the cell. It is about a method of introduction.

또한, 본 발명은 상기 Tat-SOD 융합단백질을 유효성분으로 하고 약학적으로 허용되는 담체를 포함하는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물에 관한 것이다.The present invention also relates to a pharmaceutical composition comprising the Tat-SOD fusion protein as an active ingredient and a pharmaceutically acceptable carrier.

나아가, 본 발명은 사구체신염, 맥관염, 자기면역성 질환, 졸중, 심근경색, 부정맥, 협심증, 특발성 헤모크로마토시스, 방사선 치료에 의한 질병, 조로증, 질병관련 노화, 겸상적혈구증, 말라리아, 폐기종, 김근증, 자기면역 신증후군, 베텔넷-관련 구강암, 고압산소증, 알쯔하이머병, 파킨슨병, 백내장 등과 같은 SOD 의존성 질환의 치료제로서 사용되는 Tat-SOD 융합단백질을 유효성분으로 하고 약학적으로 허용되는 담체를 포함하는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물에 관한 것이다.Further, the present invention is glomerulonephritis, vasculitis, autoimmune disease, stroke, myocardial infarction, arrhythmia, angina, idiopathic hemochromatosis, disease by radiation therapy, premature ejaculation, disease-related aging, sickle cell disease, malaria, emphysema, Kim Geun Tat-SOD fusion protein used as a therapeutic agent for SOD dependent diseases such as syndrome, autoimmune nephrotic syndrome, Betelnet-related oral cancer, hyperbaric oxygen, Alzheimer's disease, Parkinson's disease, cataract, etc. as an active ingredient and a pharmaceutically acceptable carrier It relates to a pharmaceutical composition comprising a.

뿐만 아니라, 본 발명은 상기 Tat-SOD 융합단백질을 유효성분으로 하고 활성산소종을 제거하는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 화장료 조성물에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a cosmetic composition comprising the Tat-SOD fusion protein as an active ingredient and having a function of removing active oxygen species.

또한, 본 발명은 상기 화장료 조성물이 화장수, 젤, 수용성 리퀴드, 수중유(O/W)형 및 유중수(W/O)형인 Tat-SOD 융합단백질을 유효성분으로 하고 활성산소종을 제거하는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 화장료 조성물에 관한 것이다.In addition, the present invention is a cosmetic composition is a functional lotion, gel, water-soluble liquid, oil-in-water (O / W) type and water-in-oil (W / O) type Tat-SOD fusion protein as an active ingredient and removes the active oxygen species It relates to a cosmetic composition comprising a.

나아가, 본 발명은 상기 융합단백질 또는 상기 융합단백질을 제조하기 위한 재조합 폴리뉴클레오타이드를 이용하여 SOD 의존성 질환을 예방 또는 치료하는 방법에 관한 것이다.Furthermore, the present invention relates to a method for preventing or treating SOD dependent diseases using the fusion protein or recombinant polynucleotides for producing the fusion protein.

뿐만 아니라, 본 발명은 상기 세포침투성 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 발현시키는 벡터로 형질전환시킨 미생물을 이용하여 SOD 의존성 질환을 예방 또는 치료하는 방법에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a method for preventing or treating SOD dependent diseases using a microorganism transformed with a vector expressing the cell penetrating Tat-superoxide dismutase fusion protein.

또한, 본 발명은 상기 벡터를 미생물에서 발현시키는 단계; 발현된 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 정제하는 단계 또는 6M 우레아로 변성시켜 정제하는 단계; 정제된 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 세포에 가하는 단계;로 구성되는 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 세포 내로 도입시키는 방법을 이용하여 SOD 의존성 질환을 예방 또는 치료하는 방법에 관한 것이다.In addition, the present invention comprises the steps of expressing the vector in a microorganism; Purifying the expressed Tat-superoxide dismutase fusion protein or purifying by denaturation with 6M urea; Adding a purified Tat-superoxide dismutase fusion protein to a cell; and a method of preventing or treating SOD dependent disease by introducing a Tat-superoxide dismutase fusion protein into a cell. It is about.

나아가, 본 발명은 상기 융합단백질, 상기 재조합 폴리뉴클레오타이드, 상기 재조합 벡터, 상기 재조합벡터를 이용하여 상기 융합단백질을 세포 내로 도입시키는 방법을 이용하여 SOD 의존성 질환을 예방 또는 치료하는 방법에 있어서, 상기 SOD 의존성 질환이 사구체신염, 맥관염, 자기면역성 질환, 졸중, 심근경색, 부정맥, 협심증, 특발성 헤모크로마토시스, 방사선 치료에 의한 질병, 조로증, 질병관련 노화, 겸상적혈구증, 말라리아, 폐기종, 김근증, 자기면역 신증후군, 베텔넷-관련 구강암, 고압산소증, 알쯔하이머병, 파킨슨병, 백내장인 것을 특징으로 하는 SOD 의존성 질환을 예방 또는 치료하는 방법에 관한 것이다.Furthermore, the present invention provides a method for preventing or treating a SOD dependent disease using a method of introducing the fusion protein into cells using the fusion protein, the recombinant polynucleotide, the recombinant vector, and the recombinant vector. Dependent diseases include glomerulonephritis, vasculitis, autoimmune diseases, stroke, myocardial infarction, arrhythmia, angina pectoris, idiopathic hemochromatosis, disease caused by radiation therapy, premature ejaculation, disease-related aging, sickle cell disease, malaria, emphysema, kim myopathy, The present invention relates to a method for preventing or treating SOD-dependent diseases characterized by autoimmune nephrotic syndrome, Betelnet-related oral cancer, hyperbaric oxygen, Alzheimer's disease, Parkinson's disease and cataracts.

Tat-SOD 융합 단백질을 유효성분으로 함유하는 약제학적 조성물은 약제학적 분야에서 통상적으로 허용되는 담체와 함께 배합하여 통상적인 방법에 의해 경구또는 주사형태로 제형할 수 있다. 경구용 조성물로는, 예를 들면 정제 및 젤라틴 캡슐이 있으며, 이들은 활성 성분 이외에도 희석제(예: 락토스, 텍스트로스, 수크로스, 만니톨, 솔비톨, 셀룰로즈 및/또는 글리신), 활탁제(예: 실리카, 탤크, 스테아르산 및 그의 마그네슘 또는 칼슘염 및/또는 폴리에틸렌 글리콜)를 함유하고, 정제는 또한 결합제(예: 마그네슘 알루미늄 실리케이트, 전분 페이스트, 젤라틴, 메틸셀루로스, 나트륨 카복시메틸셀룰로스 및/또는 폴리비닐피롤리돈)를 함유하며, 경우에 따라서 붕해제(예: 전분, 한천, 알긴산 또는 그의 나트륨 염) 또는 비등 혼합물 및/또는 흡수제, 착색제, 항미제 및 감미제를 함유하는 것이 바람직하다. 주사용 조성물은 등장성 수용액 또는 현탁액이 바람직하고, 언급한 조성물은 멸균되고/되거나 보조제(예: 방부제, 안정화제, 습윤제 또는 유화제 용액 촉진제, 삼투압 조절을 위한 염/또는 완충제)를 함유한다. 또한, 이들은 기타 치료적으로 유용한 물질을 함유할 수 있다.Pharmaceutical compositions containing the Tat-SOD fusion protein as an active ingredient can be formulated orally or by injection by conventional methods in combination with a carrier that is conventionally acceptable in the pharmaceutical art. Oral compositions include, for example, tablets and gelatin capsules, which, in addition to the active ingredient, may contain diluents (e.g. lactose, textose, sucrose, mannitol, sorbitol, cellulose and / or glycine), suspending agents (e.g. silica, Talc, stearic acid and its magnesium or calcium salts and / or polyethylene glycols, and the tablets also contain binders such as magnesium aluminum silicate, starch paste, gelatin, methylcellulose, sodium carboxymethylcellulose and / or polyvinylpi It is preferred to contain a disintegrant (eg starch, agar, alginic acid or its sodium salt) or a boiling mixture and / or absorbents, colorants, antiseptics and sweeteners. Injectable compositions are preferably aqueous isotonic solutions or suspensions, and the compositions mentioned are sterile and / or contain auxiliaries (eg, preservatives, stabilizers, wetting or emulsifier solution promoters, salts or buffers for controlling osmotic pressure). In addition, they may contain other therapeutically valuable substances.

이와 같이 제조된 약제학적 제제는 목적하는 바에 따라 경구로 투여하거나, 비경구 방식 즉, 정맥내, 피하, 복강내 투여 또는 국소적용할 수 있으며, 용량은 일일 투여량이 0.001~100 ㎎/㎏의 양을 1 내지 수회에 나누어 투여할 수 있다. 특정 환자에 대한 투여용량 수준은 환자의 체중, 연령, 성별, 건강상태, 투여시간, 투여방법, 배설율, 질환의 중증도 등에 따라 변화될 수 있다.The pharmaceutical preparations thus prepared may be administered orally as desired, or parenterally, i.e., intravenously, subcutaneously, intraperitoneally, or topically, and the dosage may be from 0.001 to 100 mg / kg. It can be administered in 1 to several times. Dosage levels for a particular patient may vary depending on the patient's weight, age, sex, health condition, time of administration, method of administration, rate of excretion, severity of the disease, and the like.

또한, 본 발명의 화장료 조성물은 크림, 연고, 젤, 로션, 화장수 등으로 제형화되어 사용될 수 있으며, 어떤 제형으로 제조하여 사용하는가는 본 발명의 속하는 기술분야의 당업자에 의해 극히 용이하게 결정될 수 있다.In addition, the cosmetic composition of the present invention can be formulated and used as a cream, ointment, gel, lotion, lotion, and the like, which formulation is used and can be determined very easily by those skilled in the art to which the present invention belongs. .

또한, 본 발명의 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합단백질을 유효성분으로 하고 활성산소종을 제거하는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 로션, 젤, 에센스, ㅋ,림, 화장수 등은 각각 통상적인 제조방법에 따라 어떤 형태로든 용이하게 제조할 수 있으며, 기초 화장품 등에 편리하게 첨가하여 피부노화방지 및 개선제로서 사용될 수 있다.In addition, lotions, gels, essences, gels, creams, lotions, etc., each of which is characterized in that the active ingredient of the Tat-superoxide dismutase fusion protein of the present invention and has the function of removing active oxygen species, are prepared in general It can be easily prepared in any form according to the method, and can be conveniently added to basic cosmetics and the like and used as an anti-aging and improving agent for skin.

일례로서 크림을 제조함에 있어서는 일반적인 수중유형(O/W) 또는 유중수형(W/O)의 크림 베이스에 본 발명의 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합단백질을 함유시키고 여기에 향료, 킬레이트제, 색소, 산화방지제, 방부제 등을 사용하는 한편, 물성개선을 목적으로 단백질, 미네랄, 비타민 등 합성 또는 천연소재를 병용할 수 있다.As an example, in the preparation of creams, the Tat-superoxide dismutase fusion protein of the present invention is contained in a creamy oil-in-water (O / W) or water-in-oil (W / O) cream base. While pigments, antioxidants and preservatives may be used, synthetic or natural materials such as proteins, minerals and vitamins may be used in combination for the purpose of improving the properties.

이하에서는 본 발명의 구성을 실시예를 통하여 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 아래의 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail by examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples.

재료material

제한 효소와 T4 DNA 리가아제(ligase)는 Promega(USA)에서 구입하였고, Pfu 폴리머라아제는 stratagene(USA)에서 구입하였다. Tat 올리고뉴클레오타이드 (oligonucleotide)는 Gibco BRL custom primer(USA)에서 합성하였다. IPTG는 Duchefa(Netherland)에서 구입하였다. pET-15b와 BL21(DE3) 플라스미드는 Novagen(USA)에서 구입하였고, Ni-니트릴로 트리아세틱 애시드 세파로즈 수퍼 플로우(Ni-nitrilo-triactic acid sepharose superflow)는 Qiagen(Germany)에서 구입하였다.Restriction enzymes and T4 DNA ligase were purchased from Promega (USA) and Pfu polymerase was purchased from stratagene (USA). Tat oligonucleotides were synthesized by Gibco BRL custom primer (USA). IPTG was purchased from Duchefa (Netherland). pET-15b and BL21 (DE3) plasmids were purchased from Novagen (USA) and Ni-nitrilo-triactic acid sepharose superflow was purchased from Qiagen (Germany).

인간 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스(본 명세서에서 "Cu,Zn-SOD", "SOD"와 같은 의미로서 혼용함) cDNA는 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction: 이하 "PCR"이라 함) 방법으로 인간 태반 cDNA 라이브러리에서 분리하였다[Kang, J.H., Choi, B.J. and Kim, S.M.(1997) J. Biochem. Mol. Biol. 30, 60-65]. 이외 모든 시약은 특급 제품을 이용하였다.Human Cu, Zn-Superoxide Dismutase (hereafter interchanged with meaning "Cu, Zn-SOD", "SOD") cDNA is referred to as Polymerase Chain Reaction (hereinafter referred to as "PCR"). ) Was isolated from human placental cDNA library [Kang, JH, Choi, BJ and Kim, S. M. (1997) J. Biochem. Mol. Biol. 30, 60-65]. All other reagents were used as express products.

또한, 본 발명의 실시예에서는 인간 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스를 사용하여 융합단백질을 제조하였으나, 본 발명의 범위가 인간 유래 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스를 이용한 융합단백질 등에만 미치는 것은 아니며, 효모 유래, 박테리아 유래 효소 등을 이용하는 경우에도 본 발명의 효과를 얻을 수 있음을 밝혀 둔다.In addition, in the embodiment of the present invention, a fusion protein was prepared using human Cu, Zn-superoxide dismutase, but the scope of the present invention is a fusion protein using human-derived Cu, Zn-superoxide dismutase. Not only does it affect, but it turns out that the effect of this invention can be acquired also when using yeast origin, bacteria derived enzyme, etc.

SOD 효소활성도 측정SOD enzyme activity measurement

본 발명의 실시예에서 SOD의 활성도는 McCord와 Fridovich의 방법(1969)에 따라 크산틴/크산틴 옥시다아제(xanthine/xanthine oxidase) 반응에 의한 페리사이토크롬 c(ferricytochrome c) 환원의 억제 정도를 분광광도계로 관찰함으로써 측정하였다[McCord, J.M. and Fridovich, I. (1969) J. Biol. Chem. 244, 6049-6055].In the embodiment of the present invention, the activity of SOD was measured by spectrophotometer to determine the degree of inhibition of ferricytochrome c by xanthine / xanthine oxidase reaction according to McCord and Fridovich's method (1969). It was measured by observing with [McCord, JM and Fridovich, I. (1969) J. Biol. Chem. 244, 6049-6055.

표준분석방법은 25℃에서 3 ml의 0.1 mM EDTA가 포함된 50 mM 인산칼륨 완충용액(pH 7.8)에서 수행하였다. 반응혼합액에는 10μM 페리사이토크롬c(ferricytochrome c), 50μM 크산틴 및 충분한 양의 크산틴 옥시다아제를 함유하고 있으며 550nm에서 페리사이토크롬 c의 환원정도를 측정하였다. 상기 조건하에서 사이토크롬 c를 50% 감소시키는 슈퍼옥사이드 디스뮤테이스의 양을 1 유니트(unit)로 정의하였다.Standard assays were performed in 50 mM potassium phosphate buffer (pH 7.8) containing 3 ml of 0.1 mM EDTA at 25 ° C. The reaction mixture is to measure the degree of reduction of 10 μ M Perry cytochrome c (ferricytochrome c), 50 μ M xanthine and sufficient amounts of xanthine oxidase and containing Perry cytochrome c at 550nm. The amount of superoxide dismutase that reduces cytochrome c by 50% under these conditions was defined as 1 unit.

웨스턴 블랏 분석Western blot analysis

본 발명의 실시예에서 웨스턴 블랏 분석은 다음과 같이 행하였다.Western blot analysis was performed in the Examples of the present invention as follows.

세포 분쇄액 내의 단백질을 15% SDS 폴리아크릴아미드 젤 전기이동법으로 분리한 다음 젤에 있는 단백질을 니트로셀룰로스 멤브레인(nitrocellulose membrane; Amersham, UK)으로 전기이동시켰다. 단백질이 이동된 니트로셀룰로스 멤브레인을 5 % 우혈청 알부민 용액으로 처리하고 이어, 인간 Cu,Zn-SOD에 대한 단일클론항체 (hSOD mAb-1.4)로 1시간 처리하였다. 세척후 멤브레인을 알칼린 포스파타아제(alkaline phosphatase)와 결합된 고우트 안티-마우스 IgG(goat anti-mouse IgG) 항체(Sigma, 1:5,000 희석)와 1시간동안 반응시켰다. 최종적으로 알칼린 포스파타아제 연결된 기질 킷트(alkaline phosphatase conjugate substrate kit)(Bio-Rad, USA)를 처리하여 인간 Cu,Zn-SOD 단일클론항체에 반응하는 단백질 밴드를 확인하였다.Proteins in the cell mill were separated by 15% SDS polyacrylamide gel electrophoresis, and then the proteins in the gel were electrophoresed to a nitrocellulose membrane (Amersham, UK). The protein-shifted nitrocellulose membrane was treated with 5% bovine serum albumin solution and then treated with monoclonal antibody (hSOD mAb-1.4) against human Cu, Zn-SOD for 1 hour. After washing, the membrane was reacted with a goat anti-mouse IgG (Sigma, 1: 5,000 dilution) for 1 hour with alkaline phosphatase. Finally, an alkaline phosphatase conjugate substrate kit (Bio-Rad, USA) was treated to identify protein bands that respond to human Cu, Zn-SOD monoclonal antibodies.

<실시예 1> Tat-SOD 발현벡터의 제조 및 형질변환(transformation)Example 1 Preparation and Transformation of Tat-SOD Expression Vector

Tat-SOD 융합단백질을 과다 발현시키기 위하여 Cu,Zn-SOD, HIV-1 Tat의 형질도입부위(Tat49-57) 및 6개의 히스티딘에 대한 cDNA가 연속적으로 포함되어 있는 pET-Tat-SOD 발현 벡터를 제조하였다 (Fig. 1A). 융합단백질에 대한 대조 단백질인 SOD를 과다 발현시키기 위하여 Tat의 형질 도입부위 (Tat49-57)만 포함되지 않고 나머지 부위는 동일한 pET-SOD 발현 벡터를 제조하였다.In order to overexpress Tat-SOD fusion protein, pET-Tat-SOD expression vector containing Cu, Zn-SOD, transduction site of HIV-1 Tat (Tat49-57) and cDNA for 6 histidines in sequence (Fig. 1A). In order to overexpress SOD, a control protein for the fusion protein, only the transduction site of Tat (Tat49-57) was included and the other sites were prepared with the same pET-SOD expression vector.

먼저, Tat-SOD 융합단백질을 생산하기 위하여 HIV-1 Tat의 기본 도메인(basic domain, 즉 아미노산 49-57)이 포함된 pET-Tat 발현벡터를 만들었다.First, in order to produce a Tat-SOD fusion protein, a pET-Tat expression vector containing a basic domain of HIV-1 Tat (ie, amino acids 49-57) was prepared.

Tat 기본 도메인에 해당하는 두 종류의 올리고뉴클레오타이드(상위 쇄(top strand), 5'-TAGGAAGAAGCGGAGACAGCGACGAAGAC-3'; 하위 쇄(bottom strand), 5'-TCGAGTCTTCGTCGCTGTCTCCGCTTCTTCC-3')를NdeI-XhoI제한효소로 자른 pET15b에 결찰(ligation)하여 삽입하였다. 이어 인간 Cu,Zn-SOD의 cDNA의 서열을 기본으로 하여 2종류의 올리고뉴클레오타이드를 합성하였다. 정방향 프라이머(Forward primer)는 5'-CTCGAGGCGACGAAGGCCGTGTGCGTG-3' 로Xho I제한부위를 지니고 있으며 역방향 프라이머(reverse primer)의 서열은 5'-GGATCCTTATTGGGCGATCCCAATTAC-3' 로BamH I제한부위를 갖고 있다.Two types of oligonucleotides corresponding to the Tat base domain (top strand, 5'-TAGGAAGAAGCGGAGACAGCGACGAAGAC-3 '; bottom strand, 5'-TCGAGTCTTCGTCGCTGTCTCCGCTTCTTCC-3') were cut with NdeI-XhoI restriction enzyme Ligation was inserted into pET15b. Then, two kinds of oligonucleotides were synthesized based on the sequences of cDNAs of human Cu, Zn-SOD. Forward primer (Forward primer) is, sequence of, and has a Xho I restriction site in the reverse primer (reverse primer) was 5'- GGATCC TTATTGGGCGATCCCAATTAC-3 '5'- CTCGAG GCGACGAAGGCCGTGTGCGTG-3 has a BamH I restriction site into.

중합효소 연쇄반응(PCR)은 thermal cycler(Perkin-Elmer, model 9600)에서 수행하였으며, 반응 혼합액을 50 ㎕ 실리콘 튜브(siliconized reaction tube)에 넣고 94℃에서 5 분간 가열하였다. PCR 반응은 94℃에서 40초간 30회의 연장(extension), 54℃에서 1분간 변성(denaturation), 70℃에서 3분간 어닐링(annealing), 그리고 72℃에서 10분, 20℃에서 5분간 최종 연장(final extension)을 유도하였다. PCR 수행후 아가로즈 젤 전기이동(agarose gelelectrophoresis)으로 분리하여 반응물을 분리하고 이것을 TA 클로닝 벡터(Invitrogen, Sandiego, USA)에 결찰하였다. 이어 이 벡터를 형질변환용 세포(competent cell)에 형질변환(transformation)시키고 형질변환된 박테리아로부터 플라스미드를 알칼리 용균 방법(alkaline lysis method)으로 분리하였다[Sambrook, J., Fritsch, F.E. and Maniatis, T (1989) Molecular cloning, Cold spring harbor laboratory press, Cold spring harbor]. 인간 SOD cDNA가 포함된 TA 벡터를Xho IBamH I로 절단한 다음 pET-15b 및 pET-15b-Tat 발현 벡터에 삽입하였다(도 1a). 벡터의 발현은 T7 프로모터와 lacO-오퍼레이터의 조절 하에 있다.Polymerase chain reaction (PCR) was performed in a thermal cycler (Perkin-Elmer, model 9600). The reaction mixture was placed in a 50 μl silicon tube (siliconized reaction tube) and heated at 94 ° C. for 5 minutes. PCR reactions consisted of 30 extensions for 40 seconds at 94 ° C, denaturation for 1 minute at 54 ° C, annealing for 3 minutes at 70 ° C, and final extension for 5 minutes at 20 ° C for 10 minutes at 72 ° C. final extension). After PCR, the reactants were separated by agarose gel electrophoresis and ligated to TA cloning vectors (Invitrogen, Sandiego, USA). The vector was then transformed into transformant cells and the plasmids were isolated from the transformed bacteria by alkaline lysis method [Sambrook, J., Fritsch, F.E. and Maniatis, T (1989) Molecular cloning, Cold spring harbor laboratory press, Cold spring harbor. Human SOD TA vector containing cDNAXho IandBamH IAnd then inserted into pET-15b and pET-15b-Tat expression vectors (FIG. 1A). Expression of the vector is under the control of the T7 promoter and lacO-operator.

pET-SOD와 pET-Tat-SOD로 형질변환된E. coliBL21(DE3)를 선택한 다음, 콜로니(colony)를 100ml LB 배지에 접종하고 IPTG (0.5 mM)를 배지 내에 첨가하여 재조합된 SOD와 Tat-SOD의 과다 발현을 유도하였다. 발현된 융합단백질 Tat-SOD와 대조단백질로 사용한 SOD의 모식도는 도 1B에 나타내었다. E. coli BL21 (DE3) transformed with pET-SOD and pET-Tat-SOD was selected, followed by inoculation of colonies in 100ml LB medium and addition of IPTG (0.5 mM) into the medium to recombine SOD and Tat. Overexpression of -SOD was induced. A schematic diagram of the expressed fusion protein Tat-SOD and the SOD used as the control protein is shown in FIG. 1B.

IPTG로 융합단백질의 과다 발현을 유도한 대장균 세포를 4℃에서 초음파처리(sonication)로 파쇄한 다음, 원심분리하여 상청액의 단백질을 15% SDS-폴리아크릴아미드 젤 전기이동방법으로 분리하였다. 도 2A는 쿠마시 브릴리언트 블루(Coomassie brilliant blue)로 염색한 단백질 밴드를 나타내고 있다. 젤의 레인 2 (Tat-Cu,Zn-SOD) 와 레인 3 (Cu,Zn-SOD)의 화살표 친 부분은 과다 발현된 융합단백질을 나타내며 대조군인 레인 1 (pET-15b 벡터)과 비교하여 매우 높은 농도의 융합단백질이 과다 발현되었음을 잘 보여주고 있다.E. coli cells, which induced overexpression of the fusion protein with IPTG, were disrupted by sonication at 4 ° C, and then centrifuged to separate proteins from the supernatant by 15% SDS-polyacrylamide gel electrophoresis. 2A shows protein bands stained with Coomassie brilliant blue. The arrowed portions of lanes 2 (Tat-Cu, Zn-SOD) and lanes 3 (Cu, Zn-SOD) of the gels represent overexpressed fusion proteins and are very high compared to the control lane 1 (pET-15b vector). It is well shown that the concentration of the fusion protein is overexpressed.

과다 발현된 SOD와 Tat-SOD는 SDS-폴리아크릴아미드 젤 전기이동(도 2A)과 웨스턴 블랏 분석으로 확인하였다.Overexpressed SOD and Tat-SOD were confirmed by SDS-polyacrylamide gel electrophoresis (FIG. 2A) and Western blot analysis.

<실시예 2> 재조합 Tat-SOD 융합단백질의 정제Example 2 Purification of Recombinant Tat-SOD Fusion Proteins

형질전환된E. coliBL21을 앰피실린이 포함된 LB 배지에 넣고 37℃에서 200rpm으로 교반하며 배양하였다. 배양액 내의 박테리아 농도가 O.D 600 = 0.5∼1.0를 나타낼 때 IPTG를 배지 내에 첨가하여 최종농도가 0.5mM가 되게 한 다음 3시간을 더 배양하였다. 배양한 세포를 원심분리하여 모은 뒤 5ml 결합 완충용액(binding buffer; 5 mM 이미다졸, 0.5 M NaCl, 20 mM Tris-HCl, pH 7.9)을 넣고 초음파처리(sonication)하였다. 본 연구에서는 세포 내의 투과능력을 상호 비교하기 위하여 변성상태(denaturing condition)와 변성시키지 않은 자연상태(native condition)에서 융합단백질을 각각 정제하였다. 부분적으로 변성시킨 융합단백질 (partially denatured fusion protein)을 얻기 위하여 세포를 6M 우레아가 함유된 결합 완충용액 내에서 초음파처리로 파쇄시키고 즉시 정제과정에 들어갔다.Transformed E. coli BL21 was put in LB medium containing ampicillin and incubated at 37 ° C. at 200 rpm. When the bacterial concentration in the culture medium showed OD 600 = 0.5 to 1.0, IPTG was added to the medium to bring the final concentration to 0.5 mM, followed by further incubation for 3 hours. The cultured cells were collected by centrifugation and sonicated with 5 ml binding buffer (5 mM imidazole, 0.5 M NaCl, 20 mM Tris-HCl, pH 7.9). In this study, fusion proteins were purified in both denatured and native conditions to compare their permeability with each other. To obtain a partially denatured fusion protein, the cells were sonicated in binding buffer containing 6M urea and immediately purified.

원심분리하여 상청액을 즉시 2.5 ml Ni2+-니트릴로트리아세틱 애시드 세파로즈 컬럼(nitrilotriacetic acid sepharose column)에 부하하고 10배 부피의 결합 완충용액과 6배 부피의 세척 완충액(washing buffer; 60mM 이미다졸, 0.5M NaCl, 20mM Tris-HCl, pH 7.9)으로 세척한 다음 용출 완충액(elution buffer; 1M 이미다졸, 0.5M NaCl, 20mM Tris-HCl, pH 7.9)로 융합단백질을 용출하였다. 이어 융합단백질이 포함된 분획들을 모아 세파덱스 G-15 컬럼 크로마토그래피를 수행하여 분획 중에 포함된 염분을 제거하였다. 융합단백질은 N-말단에 6개의 히스티딘을 포함하고 있기 때문에 고정 금속-킬레이트 친화 크로마토그래피(immobilized metal-chelate affinity chromatography) 단일 단계로 융합단백질을 거의 순수하게(순도 >90%) 정제하였다 (도 2B).The supernatant was immediately loaded by centrifugation into a 2.5 ml Ni 2+ -nitrilotriacetic acid sepharose column and 10-fold volume of binding buffer and 6-volume washing buffer (60 mM imidazole). , 0.5M NaCl, 20mM Tris-HCl, pH 7.9), and then the fusion protein was eluted with elution buffer (1M imidazole, 0.5M NaCl, 20mM Tris-HCl, pH 7.9). Subsequently, the fractions containing the fusion protein were collected, and Sephadex G-15 column chromatography was performed to remove the salts contained in the fractions. Since the fusion protein contains six histidines at the N-terminus, the fusion protein was purified almost purely (purity> 90%) in a single step immobilized metal-chelate affinity chromatography (FIG. 2B). ).

대장균(E.Coli) 100㎖ 배양으로부터 정제된 융합단백질의 양과 SOD 활성도를 표 2에 나타내었다. 표에 나타낸 바와 같이 변성상태에서 정제한 융합단백질은 자연상태에서 분리한 것에 비하여 2배 이상 많았다. 이는 변성상태에서 과다 발현에 따른 융합단백질의 aggregation이 방지되기 때문인 것으로 추정된다. 그러나, 예상했던 바대로 융합단백질을 변성시키면 대부분의 SOD 활성도를 잃어버렸다. 변성시키지 않은 자연상태에서 정제한 Tat-SOD 융합단백질의 SOD 활성도는 SOD만 발현시킨 것에 비하여 50% 가량 감소되었다.Table 2 shows the amount and SOD activity of the fusion protein purified from 100 ml of E. coli culture. As shown in the table, the fusion protein purified in the denatured state was more than two times higher than that in the natural state. This may be due to the prevention of aggregation of the fusion protein due to overexpression in the denatured state. As expected, however, degeneration of the fusion protein lost most of the SOD activity. Sat activity of the purified Tat-SOD fusion protein in its natural state was not reduced by 50% compared to the expression of only SOD.

분획의 단백질 농도는 우혈청 알부민을 표준물질로 사용하여 브래드포드(Bradford) 방법으로 측정하였다[Bradford, M.A. (1976) Anal. Biochem. 72, 248-254].Protein concentrations of the fractions were determined by Bradford method using bovine serum albumin as standard [Bradford, M.A. (1976) Anal. Biochem. 72, 248-254.

정제된 융합단백질은 웨스턴 블랏 분석으로 다시 한번 확인하였다. 도 2C에 나타난 바와 같이 SOD 단일클론항체에 반응하는 Tat-SOD와 SOD 밴드는 도 2B의 단백질 밴드와 동일한 위치에서 각각 관찰되었다.Purified fusion protein was once again confirmed by Western blot analysis. As shown in FIG. 2C, Tat-SOD and SOD bands responding to SOD monoclonal antibodies were observed at the same positions as the protein bands of FIG. 2B, respectively.

단백질(㎎)Protein (mg) SOD 특이활성도(U/㎎단백질)SOD specific activity (U / mg protein) SOD(D)SOD (D) 5.25.2 8.78.7 Tat-SOD(D)Tat-SOD (D) 2.32.3 5.35.3 SOD(N)SOD (N) 2.52.5 15401540 Tat-SOD(N)Tat-SOD (N) 0.90.9 882882

*()안의 D는 변성상태, N은 자연상태를 말함.* () In () is denatured state, N is natural state.

<실시예 3> HeLa 세포배양 및 재조합 Tat-SOD의 세포 내 투과Example 3 HeLa Cell Culture and Intracellular Permeation of Recombinant Tat-SOD

HeLa 세포는 37℃에서 95% 공기와 5% CO2를 공급해주며 20 mM HEPES/NaOH (pH 7.4), 5mM NaHCO3, 10% 우태혈청(fetal bovine serum; "FBS") 및 항생제(100㎍/ml 스트렙토마이신, 100 U/ml 페니실린)가 포함된 Dulbecco's Modified Eagle's Medium에서 배양하였다.HeLa cells provide 95% air and 5% CO 2 at 37 ° C with 20 mM HEPES / NaOH (pH 7.4), 5 mM NaHCO 3 , 10% fetal bovine serum ("FBS") and antibiotics (100 μg / cultured in Dulbecco's Modified Eagle's Medium containing ml streptomycin, 100 U / ml penicillin).

Tat-SOD의 세포 내 투과를 관찰하기 위하여 HeLa 세포를 6-웰 플레이트에서 4∼6시간 동안 배양한 뒤 FBS가 포함되지 않은 1ml의 신선한 배양액으로 교체하고 여러 농도의 재조합 Tat-SOD를 배양액 내에 처리하였다. 1시간뒤 세포를 트립신-EDTA(Gibco BRL)로 처리하고 인산 완충액 생리식염수(phosphate buffered saline; PBS)로 충분히 세척하였다. 세포를 분쇄한 다음 세포 내로 투과된 SOD의 양과 활성도를 SOD 활성도 분석과 웨스턴 블랏 분석으로 측정하였다.To observe intracellular penetration of Tat-SOD, HeLa cells were incubated for 4-6 hours in 6-well plates, replaced with 1 ml fresh culture medium without FBS, and treated with different concentrations of recombinant Tat-SOD in the culture. It was. After 1 hour the cells were treated with trypsin-EDTA (Gibco BRL) and washed thoroughly with phosphate buffered saline (PBS). After crushing the cells, the amount and activity of the SOD permeated into the cells was measured by SOD activity analysis and Western blot analysis.

우선 변성상태와 자연상태에서 정제한 Tat-SOD의 HeLa 세포 내로의 투과 정도를 측정하였다. 1μM의 Tat-SOD를 1시간 동안 세포배양액 내에 처리하였을 때에변성상태의 Tat-SOD는 세포 내로 잘 투과됨을 웨스턴 블랏으로 확인할 수 있었으나 자연상태의 Tat-SOD나 대조단백질로 사용한 SOD는 전혀 세포막을 투과하지 못하였다(도 2D).First, the degree of permeation of purified Tat-SOD into HeLa cells in the denatured and natural state was measured. 1 μ to Tat-SOD of the M time was treated in a cell culture medium for 1 hour Tat-SOD in the modified state, but can determine by Western blot that the good transmission into cells SOD used in the natural Tat-SOD or control protein is any membrane It did not penetrate (Fig. 2D).

이어, 변성상태의 Tat-SOD 융합단백질의 HeLa 세포 투과가 시간 및 농도에 따라 어떻게 변화되는지를 관찰하였다. 변성된 Tat-SOD의 HeLa 세포 투과의 시간 및 농도 의존성을 도 3A,B에 나타내었다. 1μM의 Tat-SOD와 SOD를 5분-1시간 동안 배지에 투여했을 때(A), 0.25-2μM의 Tat-SOD와 SOD를 1시간 동안 배지에 투여했을 때(B)의 결과이다. 세포 내로 투과된 단백질의 양은 웨스턴 블랏으로 분석하였다.Then, it was observed how the HeLa cell permeation of the denatured Tat-SOD fusion protein changes with time and concentration. The time and concentration dependence of HeLa cell permeation of denatured Tat-SOD is shown in Figures 3A and B. Results of 1 when the administration of Tat-SOD and SOD in μ M in the medium for 5-1 minutes (A), 0.25-2 when administered Tat-SOD and SOD in μ M to the culture medium for 1 hour (B) to be. The amount of protein permeated into cells was analyzed by Western blot.

도 3에 나타낸 바와 같이 변성상태의 Tat-SOD는 시간 및 농도 의존적으로 HeLa 세포 내로 이동하였다. 그러나 대조단백질인 SOD는 1시간까지 처리했을 때에도 세포 내로 투과된 융합단백질을 관찰할 수 없었다. Tat-SOD의 세포 내 투과 정도를 시간별로 관찰했을 때, 투여 5분 후에 투과된 융합단백질을 확인할 수 있었으며 처리 시간에 비례하여 세포내 투과가 증가함을 관찰할 수 있었다(도 3A). 또한 투여한 융합단백질의 농도에 비례하여 세포내로 투과된 Tat-SOD의 양이 증가됨을 확인하였다(도 3B).As shown in FIG. 3, the denatured Tat-SOD migrated into HeLa cells in a time and concentration dependent manner. However, the control protein SOD could not observe the fusion protein permeated into cells even after 1 hour treatment. When the degree of intracellular permeation of Tat-SOD was observed by time, the fusion protein permeated after 5 minutes of administration was confirmed, and the intracellular permeation increased in proportion to the treatment time (FIG. 3A). In addition, it was confirmed that the amount of Tat-SOD permeated into the cell increased in proportion to the concentration of the fusion protein administered (FIG. 3B).

세포 내로 투과된 융합단백질이 그 고유한 활성을 유지해야만 이를 단백질 치료(protein therapy)에 응용할 수 있다. 따라서 세포 내로 투과된 융합단백질이 어느 정도 생물학적 활성을 지니는지는 매우 중요한 문제이다. 본 실험에서 발현시킨 Tat-SOD는 활성도가 없는 변성상태의 융합단백질을 이용하였지만 HeLa 세포 투과 이후 세포질 내에서 SOD의 활성도가 회복됨을 관찰하였다.Fusion proteins penetrated into cells must maintain their inherent activity before they can be applied to protein therapy. Therefore, the degree of biological activity of the fusion protein penetrated into the cell is a very important problem. Tat-SOD expressed in this experiment was used as a denatured fusion protein without activity, but it was observed that SOD activity was restored in the cytoplasm after HeLa cell permeation.

도 4는 변성된 Tat-SOD를 HeLa 세포에 투여했을 때, 세포내의 SOD 효소활성도 변화. 1μM의 Tat-SOD와 SOD를 5분-1시간 동안 배지에 투여했을 때(A), 0.25-2μM의 Tat-SOD와 SOD를 1시간 동안 배지에 투여했을 때(B)의 결과이다. 실험성적은 5번 실험의 평균 ±표준오차로 나타내었다. Asterisk와 cross는 각각 p<0.05 및 p<0.01에서 통계적으로 유의성이 있음을 나타낸다. 통계분석은 Studentst-test로 수행하였다. 도 4에 나타난 바와 같이 변성상태의 Tat-SOD를 처리한 HeLa 세포 내의 SOD 활성도는 시간 및 농도 의존적으로 증가되었다. 융합단백질을 투여하지 않은 세포에서의 SOD 활성도는 2.46 ±0.39 U/mg단백질이었고 2μM Tat-SOD를 투여하였을 때에 SOD 활성도는 8.30 ±1.49 U/mg단백질로 유의하게 상승하였다(p<0.01).4 is a change in SOD enzyme activity in cells when denatured Tat-SOD is administered to HeLa cells. Results of 1 when the administration of Tat-SOD and SOD in μ M in the medium for 5-1 minutes (A), 0.25-2 when administered Tat-SOD and SOD in μ M to the culture medium for 1 hour (B) to be. Experimental results are expressed as the mean ± standard error of five experiments. Asterisk and cross are statistically significant at p <0.05 and p <0.01, respectively. Statistical analysis was performed by students t- test. As shown in FIG. 4, SOD activity in HeLa cells treated with denatured Tat-SOD was increased in time and concentration. SOD activity in cells without administration of the fusion protein was 2.46 ± 0.39 U / mg protein SOD activity when was administered to 2 μ M Tat-SOD was significantly increased by 8.30 ± 1.49 U / mg protein (p <0.01) .

이러한 결과들은 변성상태의 Tat-SOD의 구조가 HeLa 세포 내에서 원래의 상태로 다시 회복됨을 암시하고 있다.These results suggest that the structure of the denatured Tat-SOD is restored to its original state in HeLa cells.

변성된 Tat-SOD 융합단백질은 배양된 HeLa 세포에 시간 및 농도 의존적으로 세포에 운반되는 것을 웨스턴 블랏(Western blot)으로 확인하였다. 반면, 자연상태에서 정제한 Tat-SOD와 대조단백질로 사용한 SOD는 세포 내로 운반되지 않았다.The denatured Tat-SOD fusion protein was confirmed by Western blot to be delivered to cells in time and concentration dependent manner in cultured HeLa cells. On the other hand, Tat-SOD purified in nature and SOD used as a control protein were not transported into cells.

Tat-SOD 융합단백질을 처리한 세포에서 SOD 효소의 활성은 세포 내로 운반된 단백질의 양에 비례하여 증가하였다. 이러한 결과는 HIV-1 Tat 단백질이 SOD를 세포 내로 이동시켜 세포 내 SOD의 활성도를 인위적으로 증가시킬 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 이러한 Tat-SOD 융합단백질의 세포 내로의 운반 기술은 연구 및 SOD와 관련된 것으로 알려진 100 여종의 질환 치료분야에 다양하게 응용될 가능성을 제시해 준다.The activity of SOD enzyme in cells treated with Tat-SOD fusion protein increased in proportion to the amount of protein carried into the cells. These results indicate that HIV-1 Tat protein can artificially increase the activity of SOD in cells by moving SOD into cells. Thus, the delivery of these Tat-SOD fusion proteins into cells offers the potential for a variety of applications in the research and treatment of over 100 diseases known to be related to SOD.

<실시예 4><Example 4> Tat-SOD의 동물 피부세포 투과Animal Skin Cell Penetration of Tat-SOD

실험동물로서 체중 200g 내외의 수컷 SD 랫트를 사용하였다. 실험동물은 대조군(SOD 도포) 10마리와 실험군 (Tat-SOD 도포) 15마리를 각각 하용하였다.As an experimental animal Male SD rats of about 200 g body weight were used. Experimental animals were used with 10 control groups (SOD application) and 15 experimental groups (Tat-SOD application).

각 실험동물을 24시간 절식시킨 후, 질소와 산소가 7:3으로 혼합된 개스에 3% 이소플루란(isoflurane)으로 전신마취를 유도한 후에 동일한 개스에 2.5% 이소플루란으로 마취를 유지하면서 복부 피부에 SOD 및 Tat-SOD를 각각 0.3mg씩 도포하였다.Each animal was fasted for 24 hours, followed by induction of general anesthesia with 3% isoflurane in a gas mixture of nitrogen and oxygen at 7: 3, followed by anesthesia with 2.5% isoflurane in the same gas. 0.3 mg of SOD and Tat-SOD were applied to the abdominal skin, respectively.

정상군과 각 실험군은 도포 2시간 후 케타민(ketamine)(30 mg/㎏)을 복강내 주사하여 전신마취시킨 후 도살하여 도포부위의 피부를 절취한 후 통상적인 방법으로 10 ㎛ 냉동조직절편을 제작하였다.The normal group and each experimental group were intraperitoneally injected with ketamine (30 mg / kg) after 2 hours of application, followed by general anesthesia, then slaughtered to cut the skin of the applied site, and then prepared a 10 μm frozen tissue section in a conventional manner. It was.

제작된 조직절편은 4% 파라포름알데히드(paraformaldehyde)로 10분간 고정한 후 0.1M 인산완충용액 식염수(phosphate buffered saline:PBS, pH 7.4)로 10분동안 3회 수세하여 조직 내에 있던 고정액을 제거하였다. 그 후 비특이적 면역반응 (nonspecific immunoreactivity)을 방지하기 위하여 0.1M PBS(pH 7.4)에 0.3% Triton X-100, 10% normal goat serum이 희석된 용액으로 실온에서 1 시간 동안 반응시켰다. 이후 1차항체인 래빗 항-히스티딘 IgG(rabbit anti-histindine IgG)를 1:500으로 희석하여 실온에서 24시간 반응시켰다. 이후 0.1M PBS로 10분간 3회 세척하여 조직절편 속의 1차항체를 제거한 후 2차항체인 바이오틴 결합된 고우트 항-래빗 IgG(biotinylated goat anti-rabbit IgG)(Vector Laboratories, USA)를 0.1M PBS로 1:200으로 희석시켜 실온에서 1시간동안 반응시켰다. 반응이 끝난 조직을 0.1M PBS로 10분씩 3회 세척한 후 퍼옥시다아제-결합된 스트렙타비딘(peroxydase-conjugated streptavidin)(Vector Laboratories, USA)을 1:300 (in 0.1 M PBS)으로 희석하여 실온에서 1 시간 반응시켰다.The prepared tissue sections were fixed with 4% paraformaldehyde for 10 minutes and washed with 0.1M phosphate buffered saline (PBS, pH 7.4) three times for 10 minutes to remove the fixed solution in the tissue. Then, in order to prevent nonspecific immunoreactivity, the reaction was diluted with 0.1 M PBS (pH 7.4) in a solution of 0.3% Triton X-100 and 10% normal goat serum at room temperature for 1 hour. Thereafter, rabbit anti-histidine IgG (primary antibody) was diluted 1: 500 and reacted at room temperature for 24 hours. After washing three times with 0.1M PBS for 10 minutes to remove the primary antibody in the tissue section and 0.1M of the secondary antibody biotinylated goat anti-rabbit IgG (Vector Laboratories, USA) Diluted 1: 200 with PBS and reacted at room temperature for 1 hour. After completion of the reaction, the tissues were washed three times with 0.1 M PBS for 10 minutes, and then diluted with peroxidase-conjugated streptavidin (Vector Laboratories, USA) at 1: 300 (in 0.1 M PBS). Reaction was carried out for 1 hour.

면역반응이 끝난 조직절편은 기질액(40㎎ diaminobenzidine/0.045% H2O2 in 100 ㎖ PBS)으로 3분간 발색시켰다. 과도한 발색을 피하기 위하여 광학현미경 하에서 발색 정도를 지속적으로 확인하였다. 발색을 마친 조직 절편을 슬라이드에 부착시킨 다음 증류수와 0.1 M PB로 여러 차례 세척하였으며, 통상적인 방법으로 탈수를 거쳐 영구표본으로 작성하였다.The tissue sections of the immune response were developed with substrate solution (40 mg diaminobenzidine / 0.045% H2O2 in 100 ml PBS) for 3 minutes. In order to avoid excessive color development, the degree of color development was continuously checked under an optical microscope. The colored tissue sections were attached to the slides, washed several times with distilled water and 0.1 M PB, and dehydrated in a conventional manner to prepare permanent specimens.

실시예 결과 SOD 도포군의 경우 히스티딘 면역반응은 거의 관찰되지 않았으나(도 6의 A와 C), Tat-SOD 도포군의 경우 표피층, 진피층 및 피하조직 전층에 걸쳐 강한 히스티딘 면역반응이 관찰되었다(도 6의 B와 D). Tat-SOD 도포군에서 관찰된 히스티딘 면역반응은 주로 세포핵(nucleus)에서 관찰되었으며 이러한 면역반응이 관찰된 세포는 표피세포, 섬유모세포 및 모낭 및 그 주위의 세포 등에서 고루 관찰되었다.As a result, almost no histidine immune response was observed in the SOD group (FIG. 6A and FIG. 6), but in the Tat-SOD group, a strong histidine immune response was observed throughout the epidermal layer, the dermal layer and the entire subcutaneous tissue layer (FIG. 6, B and D). The histidine immune response observed in the Tat-SOD-applied group was mainly observed in the nucleus, and the cells in which the immune response was observed were evenly observed in epidermal cells, fibroblasts and hair follicles and the surrounding cells.

<실시예 5> 시간 경과에 따라 동물피부 세포를 투과한 Tat-SOD의 효소활성 측정Example 5 Determination of Tat-SOD Enzyme Activity Through Animal Skin Cells Over Time

실험동물로서 체중 200g 내외의 수컷 SD 랫트를 사용하였다. 실험동물은 대조군(SOD 도포)과 실험군 (Tat-SOD 도포)을 각각 사용하였다.As an experimental animal Male SD rats of about 200 g body weight were used. Experimental animals were used for the control group (SOD application) and the experimental group (Tat-SOD application), respectively.

각 실험동물을 24시간 절식시킨 후, 질소와 산소가 7:3으로 혼합된 개스에 3% 이소플루란(isoflurane)으로 전신마취를 유도한 후에 동일한 개스에 2.5% 이소플루란으로 마취를 유지하면서 복부 피부에 SOD 및 Tat-SOD를 각각 0.3mg씩 도포하였다.Each animal was fasted for 24 hours, followed by induction of general anesthesia with 3% isoflurane in a gas mixture of nitrogen and oxygen at 7: 3, followed by anesthesia with 2.5% isoflurane in the same gas. 0.3 mg of SOD and Tat-SOD were applied to the abdominal skin, respectively.

정상군과 각 실험군은 도포 2시간 후 케타민(ketamine)(30 mg/㎏)을 복강내 주사하여 전신마취시킨 후 도살하여 도포부위의 피부를 절취하였다.The normal group and each experimental group were intraperitoneally injected with ketamine (ketamine) (30 mg / kg) 2 hours after application, and then slaughtered to cut the skin of the applied site.

그 후 절취한 피부조직을 생리식염수로 충분히 세척하고 1.5㎖의 PBS를 넣어 조직을 가위로 잘게 잘랐다. 조직분쇄기(Polytron)로 조직을 균질 분쇄한 다음 원심분리(17,000rpm, 10min)하여 상청액을 분리한 후 SOD의 활성도를 상기 기재한 방법으로 측정하였다.After that, the cut skin tissue was thoroughly washed with physiological saline, and 1.5 ml of PBS was added to cut the tissue with scissors. After homogeneous grinding of the tissue with a polygraph, the supernatant was separated by centrifugation (17,000 rpm, 10 min), and the activity of SOD was measured by the method described above.

그 결과를 도 7의 그래프로 나타내었다. 시간이 경과함에 따라 Tat-SOD의 HeLa 세포 내에서의 활성도는 현저히 증가하여, 시간 의존적으로 세포 내로 침투되어 활성을 나타냄을 보여 주었다.The results are shown in the graph of FIG. As time passed, the activity of Tat-SOD in HeLa cells increased significantly, indicating that it was infiltrated into cells in a time-dependent manner.

본 발명은 인간 Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스(Cu, Zn-SOD)를 단백질 수준에서 세포 내로 직접 투과시키는 최초의 실험적 보고이다.The present invention is the first experimental report to permeate human Cu, Zn-superoxide dismutase (Cu, Zn-SOD) directly into cells at the protein level.

특히, 세포 내로 투여된 Tat-SOD는 SOD 활성도를 회복하여 단백질 치료에 Tat-SOD가 효율적으로 활용될 수 있음을 제시한다.In particular, Tat-SOD administered intracellularly suggests that Tat-SOD can be efficiently used for protein treatment by restoring SOD activity.

활성산소종은 세포내의 생체고분자에 손상을 입히며. 보고된 바로는 100 여종의 질병의 진행과정과 깊게 관련되어 있다. 따라서, 본 발명은 이러한 활성산소종을 제거하는데 있어서 주된 역할을 담당하는 SOD를 세포 내로 투여함으로써 질환을 치료하는 단백질 치료에 Tat-SOD가 효과적으로 활용될 수 있다.Free radicals damage cellular biopolymers. Reportedly, it is closely related to the progress of more than 100 diseases. Therefore, the present invention can effectively utilize Tat-SOD in the treatment of protein by treating SOD, which plays a major role in removing such reactive oxygen species, into cells.

또한, 피부노화, 주름 등의 원인이 되는 활성산소종을 제거하기 위하여 본 발명의 Tat-SOD를 이용한 결과 피부 표피, 진피, 피하지방층까지 원활하게 침투하는 사실을 확인할 수 있었고, 따라서, 본 발명의 Tat-SOD 융합단백질은 화장료로서 활용될 수 있다.In addition, as a result of using the Tat-SOD of the present invention to remove the active oxygen species causing skin aging, wrinkles, etc., it was confirmed that the skin penetrates smoothly to the skin epidermis, dermis and subcutaneous fat layer. Tat-SOD fusion protein can be utilized as a cosmetic.

본 기술을 바탕으로 항산화효소의 일종인 SOD를 세포내 직접 전달하여 우리 인체에 해로운 활성산소종을 제거할 수 있으므로 여러 질병 이외에도 화장품 및 건강식품산업 등에 본 기술이 광범위하게 활용될 수 있다.Based on this technology, SOD, a type of antioxidant enzyme, can be delivered directly into cells to remove free radicals that are harmful to our human body. Therefore, this technology can be widely used in cosmetics and health food industries as well as various diseases.

Claims (14)

Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 또는 그의 유도체의 아미노 말단에 HIV-1 Tat 형질도입부위 49~57 잔기(Tat 49-57)가 공유결합된 세포침투성 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질.Cell penetrating Tat-superoxide dismutase fusion protein covalently bonded to the HIV-1 Tat transduction site 49-57 residue (Tat 49-57) at the amino terminus of Cu, Zn-superoxide dismutase or a derivative thereof . Cu,Zn-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 또는 그의 유도체 cDNA의 5'측에 HIV-1 Tat 형질도입부위 49~57 잔기(Tat 49-57) 코딩 DNA 서열이 결합되어 상기 제1항의 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 코딩하는 서열번호 6 또는 그의 등가물 재조합 폴리뉴클레오타이드.The Tat-superoxide of claim 1 is bound to the 5 'side of the Cu, Zn-superoxide dismutase or derivative thereof cDNA by binding the DNA sequence of 49-57 residue (Tat 49-57) coding for HIV-1 Tat transduction site. SEQ ID NO: 6 or an equivalent recombinant polynucleotide encoding a dismutase fusion protein. 상기 제1항의 융합 단백질을 발현시키기 위하여 상기 제2항의 재조합 폴리뉴클레오타이드를 포함하는 세포침투성 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 발현시키는 벡터.A vector expressing a cell penetrating Tat-superoxide dismutase fusion protein comprising the recombinant polynucleotide of claim 2 to express the fusion protein of claim 1. 제3항에 있어서, 발현벡터는 도 1A의 제한지도와 같이 구성되는 것을 특징으로 하는 세포침투성 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 발현시키는 벡터.The vector expressing the cell penetrating Tat-superoxide dismutase fusion protein according to claim 3, wherein the expression vector is configured as the restriction map of FIG. 1A. 상기 제3항 또는 제4항의 벡터를 미생물에서 발현시키는 단계;Expressing the vector of claim 3 or 4 in a microorganism; 발현된 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 정제하는 단계;Purifying the expressed Tat-superoxide dismutase fusion protein; 정제된 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 세포에 가하는 단계;로 구성되는 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 세포 내로 도입시키는 방법.Adding the purified Tat-superoxide dismutase fusion protein to the cell; the method comprising introducing a Tat-superoxide dismutase fusion protein into the cell. 제5항에 있어서, 정제단계는 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 6M 우레아를 이용하여 변성상태로 되게 하여 정제하는 것을 특징으로 하는 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합 단백질을 세포 내로 도입시키는 방법.The method of claim 5, wherein the purification step introduces the Tat-superoxide dismutase fusion protein into the cell by denatured using 6M urea. How to let. 제1항의 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합단백질을 유효성분으로 하고 활성산소종을 제거하는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 화장료 조성물.A cosmetic composition comprising the Tat-superoxide dismutase fusion protein of claim 1 as an active ingredient and a function of removing active oxygen species. 제7항에 있어서, 상기 화장료 조성물은 화장수, 젤, 수용성 리퀴드, 수중유(O/W)형 및 유중수(W/O)형인 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합단백질을 유효성분으로 하고 활성산소종을 제거하는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 화장료 조성물.According to claim 7, wherein the cosmetic composition is an active ingredient Tat-superoxide dismutase fusion protein of the lotion, gel, water-soluble liquid, oil-in-water (O / W) type and water-in-oil (W / O) type as an active ingredient Cosmetic composition characterized by having a function of removing oxygen species. 제1항의 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합단백질을 유효성분으로 하고 약학적으로 허용되는 담체를 포함하는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.A pharmaceutical composition comprising the Tat-superoxide dismutase fusion protein of claim 1 as an active ingredient and a pharmaceutically acceptable carrier. 제9항에 있어서, 사구체신염, 맥관염, 자기면역성 질환, 졸중, 심근경색, 부정맥, 협심증, 특발성 헤모크로마토시스, 방사선 치료에 의한 질병, 조로증, 질병관련 노화, 겸상적혈구증, 말라리아, 폐기종, 김근증, 자기면역 신증후군, 베텔넷-관련 구강암, 고압산소증, 알쯔하이머병, 파킨슨병, 백내장 등과 같은 SOD 의존성 질환의 치료제로서 사용되는 Tat-슈퍼옥사이드 디스뮤테이스 융합단백질을 유효성분으로 하고 약학적으로 허용되는 담체를 포함하는 것을 특징으로 하는 약제학적 조성물.10. The method according to claim 9, which comprises: glomerulonephritis, vasculitis, autoimmune diseases, stroke, myocardial infarction, arrhythmia, angina, idiopathic hemochromatosis, disease by radiation therapy, premature ejaculation, disease related aging, sickle cell disease, malaria, emphysema, Tat-superoxide dismutase fusion protein, which is used as a therapeutic agent for SOD-dependent diseases such as muscle myalgia, autoimmune nephrotic syndrome, Betelnet-related oral cancer, hyperbaric oxygen, Alzheimer's disease, Parkinson's disease, cataract, etc. A pharmaceutical composition, characterized in that it comprises a pharmaceutically acceptable carrier. 상기 제1항의 융합단백질 또는 상기 제2항의 재조합 폴리뉴클레오타이드를 이용하여 SOD 의존성 질환을 예방 또는 치료하는 방법.A method for preventing or treating a SOD dependent disease using the fusion protein of claim 1 or the recombinant polynucleotide of claim 2. 상기 제3항 또는 제4항의 벡터로 형질전환시킨 미생물을 이용하여 SOD 의존성 질환을 예방 또는 치료하는 방법.A method for preventing or treating SOD dependent disease using a microorganism transformed with the vector of claim 3 or 4. 상기 제5항 또는 제6항의 방법을 이용하여 SOD 의존성 질환을 예방 또는 치료하는 방법.A method of preventing or treating SOD dependent disease using the method of claim 5 or 6. 제11항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 SOD 의존성 질환은 사구체신염, 맥관염, 자기면역성 질환, 졸중, 심근경색, 부정맥, 협심증, 특발성 헤모크로마토시스, 방사선 치료에 의한 질병, 조로증, 질병관련 노화, 겸상적혈구증,말라리아, 폐기종, 김근증, 자기면역 신증후군, 베텔넷-관련 구강암, 고압산소증, 알쯔하이머병, 파킨슨병, 백내장인 것을 특징으로 하는 상기 제1항의 융합단백질 또는 상기 제2항의 재조합 폴리뉴클레오타이드를 이용하여 SOD 의존성 질환을 예방 또는 치료하는 방법.The disease according to any one of claims 11 to 13, wherein the SOD dependent disease is glomerulonephritis, vasculitis, autoimmune disease, stroke, myocardial infarction, arrhythmia, angina pectoris, idiopathic hemochromatosis, disease by radiation therapy, prematurity Fusion protein of claim 1, wherein the disease-related aging, sickle cell disease, malaria, emphysema, myositis, autoimmune nephrotic syndrome, Betelnet-related oral cancer, hyperbaric oxygen, Alzheimer's disease, Parkinson's disease, cataract A method of preventing or treating SOD dependent disease using the recombinant polynucleotide of claim 2.
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