KR20030078115A - Peptide gene carrier and method for transfecting gene into cell using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 펩타이드 유전자 전달매체 및 이를 이용한 유전자 전달 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염기성 아미노산인 알기닌을 포함하는 펩타이드와 유전자를 결합시켜 상기 유전자를 세포 내, 특히 세포핵 내로 효과적으로 전달할 수 있는 펩타이드 유전자 전달매체 및 이를 이용한 유전자 전달 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a peptide gene transfer medium and a gene transfer method using the same, and more particularly, to a peptide gene transfer capable of effectively transferring the gene into a cell, particularly into a cell nucleus by combining a gene with a peptide including a basic amino acid arginine. The present invention relates to a medium and a gene delivery method using the same.
본 발명은 염기성 아미노산인 알기닌을 포함하는 펩타이드 유전자 전달매체를 전달 대상의 유전자와 간단한 방법으로 결합시킬 수 있을 뿐만 아니라, 세포의 독성을 유발하지 않고 안전하게 유전자를 세포 내로 전달할 수 있다. 따라서, 본 발명은 외부 유전자를 원하는 세포에 전달하여 효과적으로 발현시킬 수 있을 뿐 아니라 의학적인 측면에서 유전자 치료에 유용하게 사용될 수 있다.The present invention can not only bind the peptide gene transfer medium including the basic amino acid arginine to the gene to be delivered in a simple manner, but also safely transfer the gene into the cell without causing cell toxicity. Therefore, the present invention can be effectively used for gene therapy from the medical point of view as well as to effectively express the foreign genes to the desired cells.
Description
본 발명은 펩타이드 유전자 전달매체 및 이를 이용한 유전자 전달 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염기성 아미노산인 알기닌을 포함하는 펩타이드와 유전자를 결합시켜 상기 유전자를 세포 내, 특히 세포핵 내로 효과적으로 전달할 수 있는 펩타이드 유전자 전달매체 및 이를 이용한 유전자 전달 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a peptide gene transfer medium and a gene transfer method using the same, and more particularly, to a peptide gene transfer capable of effectively transferring the gene into a cell, particularly into a cell nucleus by combining a gene with a peptide including a basic amino acid arginine. It relates to a medium and a method for gene delivery using the same.
세포 내로 외부의 유전자를 전달하여 발현시키는 방법은 여러 가지가 있는데 그 방법들은 크게 다음의 2가지 유형으로 분류될 수 있다.There are many ways to express and transfer external genes into cells, which can be broadly classified into the following two types.
첫 번째 유형은 바이러스 벡터를 이용하는 방법으로, 외부 유전자를 바이러스 벡터에 실어 세포 내로 들여보내 유전자를 세포 내에서 발현시키는 방법이다. 이러한 방법은 특정 유전자에 의한 세포 작용을 조절할 목적 또는 치료용 단백질을 발현시키는 용도로 널리 사용되고 있다. 그러나 이러한 방법은 여러 가지 문제점을 가지고 있다. 즉, 전달될 수 있는 유전자 크기의 한정성, 사용되는 바이러스에 의한 바이러스 입자의 생성, 조직에 사용되었을 경우 면역반응의 생성, 전달된 유전자의 발현율의 불안정성, 선택적인 세포에서만 사용 가능한 사용범위의 제한성 등의 문제점을 가지고 있다.The first type uses a viral vector, in which foreign genes are loaded into the viral vector and introduced into the cell to express the gene in the cell. These methods are widely used for the purpose of regulating cellular action by specific genes or for expressing therapeutic proteins. However, this method has several problems. That is, the limitation of the gene size that can be delivered, the generation of viral particles by the virus used, the generation of an immune response when used in tissues, the instability of the expression rate of the delivered gene, and the limitation of the range of use available only in selective cells. There is a problem such as.
두 번째 유형은 바이러스를 이용하지 않고 유전자를 전달하는 방법으로, 이러한 방법은 바이러스를 이용하는 방법보다 일반적으로 전달효율이 떨어진다고 알려져 있으나, 상기한 바이러스를 이용한 전달방법의 단점을 극복할 수 있으므로 많이 사용되고 있다. 이러한 방법은 다시 물리적 전달방법과 화학적 전달방법으로 구분될 수 있다.The second type is a method of transferring a gene without using a virus, and this method is generally known to be less effective than the method using a virus. However, the method is commonly used because it can overcome the disadvantage of the method using the virus. . These methods can be further divided into physical and chemical delivery methods.
물리적 방법으로는 유전자를 세포에 직접 주사하는 미세 주입 (microinjection) 방법, 전기적인 충격으로 유전자를 전달하는 전기 천공(electroporation) 방법, 또는 유전자 총을 이용하여 유전자를 전달하는 입자 총격 (particle bombardment) 방법 등이 있다. 이들 물리적 방법은 유전자 전달 효율이 매우 낮으므로 바이러스를 이용하는 방법이나 화학적 방법이 사용될 수 없는 제한적인 경우에 사용되고 있다.Physical methods include microinjection methods that inject genes directly into cells, electroporation methods that deliver genes by electrical shock, or particle bombardment methods that deliver genes using gene guns. Etc. These physical methods have very low gene transfer efficiency and are used in limited cases where viruses or chemical methods cannot be used.
화학적인 전달 방법은 특정 양이온성 지질 (cationic lipid), 펩타이드, 단백질, 리포좀 등을 전달매체 (carrier)로 이용하여 원하는 유전자를 세포 내로 전달한다. 현재 이러한 화학적 전달방법은 유전자 전달뿐만 아니라 의학적으로 유용한 물질을 전달하는 방법으로도 광범위하게 사용되고 있다.In chemical delivery, specific cationic lipids, peptides, proteins, liposomes, and the like are used as carriers to deliver desired genes into cells. Currently, such chemical delivery methods are widely used not only for gene delivery but also for delivering medically useful substances.
최근 특정의 단백질이 효과적으로 세포막을 통과하여 세포 내로 들어갈 수 있다는 사실이 밝혀져 이러한 단백질을 운반수단으로 이용하여 세포 내로 유용 물질을 전달하기 위한 연구가 활발하게 진행 중이다. 그 대표적인 단백질들에는 Tat 단백질을 비롯하여 ANTP, VP22 단백질 등이 있다 (Lindgren 외TIPS21:99 (2000)). 이러한 단백질들은 자신들보다 몇 배나 큰 분자도 쉽게 세포막을 통과시켜 세포 내부로 전달할 수 있는 능력을 가지고 있다. 이러한 단백질들에서 특히 세포막을 통과하는 데 있어 중요한 역할을 하는 수 십 여 개의 펩타이드들이 있음이 확인되었다. 이러한 펩타이드들은 단백질의 아미노산 서열 중 어느 특정 부위에 위치하는데 이 지역을 단백질 트랜스덕션 도메인 (protein transduction domain, PTD)이라 한다. 비록 이 PTD 지역의 펩타이드들이 어떠한 기작으로 세포막을 통과하는지는 자세하게 알려져 있지 않지만 유전공학적 또는 화학적으로 이들펩타이드를 유용물질과 연결시켜 주면 효과적으로 유용한 물질이 세포 내로 전달된다는 것이 확인되었다. 그 대표적인 예가 Tat 단백질과β-갈락토시다아제 효소를 유전공학적으로 결합시켜 만든 Tat-β-갈락토시다아제 융합 단백질이다. Tat-β-갈락토시다아제 융합 단백질을 마우스의 복강에 투여해 주면 이 융합 단백질이 여러 조직의 세포로 전달되어 뇌 조직을 비롯한 마우스의 다양한 조직에서β-갈락토시다아제의 활성도가 검출되었다 (Schwarze 외Science285:1569(1999)).Recently, it has been found that a specific protein can effectively enter a cell through a cell membrane, and studies are being actively conducted to deliver a useful substance into a cell by using the protein as a vehicle. Representative proteins include Tat protein, ANTP and VP22 protein (Lindgren et al. TIPS 21:99 (2000)). These proteins have the ability to deliver molecules many times larger than they can easily through the cell membrane and into the cell. Dozens of peptides have been identified that play an important role in these proteins, particularly across cell membranes. These peptides are located at specific sites in the amino acid sequence of the protein, which is called the protein transduction domain (PTD). Although the mechanism by which the peptides in the PTD region pass through the cell membrane is not known in detail, genetically or chemically linking these peptides to useful materials has shown that effective materials are effectively delivered into the cells. A representative example is the Tat- β -galactosidase fusion protein made by genetic engineering of Tat protein and β -galactosidase enzyme. When the Tat- β -galactosidase fusion protein was administered to the abdominal cavity of the mouse, the fusion protein was delivered to cells of various tissues, and the activity of β -galactosidase was detected in various tissues of the mouse including brain tissue ( Schwarze et al. Science 285: 1569 (1999).
이러한 단백질들이 가지고 있는 PTD 지역들은 몇 개의 공통점을 가지고 있는데 그 중 하나가 대부분의 PTD 지역의 펩타이드들은 주로 염기성인 동시에 친수성을 가진 펩타이드로 구성되어 있다는 점이다. 그러므로 양전하가 아마도 세포막을 통과하는 과정에 중요한 역할을 할 것이라는 의견이 제시되고 있다 (Vladmir 외PNAS98:8786(2001)). 또한 Tat 단백질의 PTD 지역의 펩타이드들은 세포막을 통과하여 세포질에 머무는 것이 아니라 세포 내의 핵에 최종적으로 도달하는 것으로 밝혀졌다 (Vives 외JBC.272:16010(1997)). 최근에는 이 PTD 지역의 펩타이드가 리보핵산의 구조 중 특정 부위를 인식하여 리보핵산과도 특수한 결합을 할 수 있다고 보고되었다 (Harada 외PNAS94:11887(1997)).The PTD regions of these proteins have some things in common, and one of them is that most of the peptides in the PTD region consist mainly of basic and hydrophilic peptides. Therefore, it has been suggested that positive charges probably play an important role in the process of crossing cell membranes (Vladmir et al. PNAS 98: 8786 (2001)). Peptides in the PTD region of the Tat protein were also found to finally reach the nucleus within the cell rather than through the cell membrane and staying in the cytoplasm (Vives et al . JBC. 272: 16010 (1997)). Recently, peptides in this PTD region have been reported to recognize specific sites in the structure of ribonucleic acid and thus to specifically bind to ribonucleic acid (Harada et al. PNAS 94: 11887 (1997)).
그러나, 종래의 유전자 전달매체 및 전달 방법은 전달매체와 유전자와의 결합 과정이 매우 까다로워 복잡한 절차를 요하므로 시간적 및 경제적 희생을 필요로 하였고 (Luo 외Nature Biotech18:33(2000)), 전달매체로 사용되는 대부분의 펩타이드가 세포 내 독성을 유발시키며 (Fawell 외PNAS91:664(1994)) 전달매체의 구조가 복잡하여 그 합성이 간단하지 않다는 문제점이 있었다.However, conventional gene delivery media and methods of delivery require time and economic sacrifice because the process of linkage between genes and genes is very difficult and requires complicated procedures (Luo et al . Nature Biotech 18:33 (2000)). Most of the peptides used to induce intracellular toxicity (Fawell et al. PNAS 91: 664 (1994)) and the structure of the delivery medium has a problem that the synthesis is not simple.
따라서, (a) 보다 간단한 구조 또는 보다 간단하게 합성될 수 있고, (b) 보다 간단한 방법에 의해 목적의 유전자와 결합 가능하며, (c) 세포 내에서 독성 유발과 같은 부작용 (adverse effect)이 없는 유전자 전달매체 및 전달 방법이 요구된다.Thus, (a) simpler structures or simpler synthesis, (b) simpler methods of binding to the gene of interest, and (c) no adverse effects such as inducing toxicity in cells Gene delivery media and methods of delivery are required.
본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문이 참조되고 그 인용은 괄호 내에 표시되어 있다. 인용된 논문의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준과 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.Throughout this specification, a number of articles are referenced and their citations are indicated in parentheses. The disclosure of the cited article is incorporated herein by reference in its entirety, so that the level of the technical field to which the present invention belongs and the contents of the present invention are more clearly explained.
본 발명자들은 염기성 아미노산인 알기닌을 포함하는 펩타이드를 이용하는 경우에는 세포 내로의 유전자 전달 효율이 개선될 뿐만 아니라, 보다 간단한 방법으로 세포에 대한 악영향 없이 유전자를 세포 내로 전달할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors completed the present invention by confirming that the use of a peptide containing the basic amino acid arginine not only improves the efficiency of gene transfer into cells, but also makes it possible to transfer genes into cells without adversely affecting the cells in a simpler way. Was done.
따라서, 본 발명의 목적은 펩타이드 유전자 전달매체를 제공하는 데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a peptide gene delivery medium.
본 발명의 다른 목적은 펩타이드 유전자 전달매체를 이용한 유전자 전달 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention to provide a gene delivery method using a peptide gene delivery medium.
도 1a 내지 도 1d는 정상세포인 293 세포에서 알기닌 펩타이드에 의해 전달된 GFP 유전자의 발현 정도를 형광 현미경으로 관찰한 사진.Figures 1a to 1d is a photograph of observing the expression level of the GFP gene delivered by the arginine peptide in normal cells 293 cells by fluorescence microscopy.
도 2a 내지 도 2d는 암세포인 HeLa 세포에서 알기닌 펩타이드에 의해 전달된 GFP 유전자의 발현 정도를 형광 현미경으로 관찰한 사진.Figure 2a to 2d is a photograph observing the expression level of the GFP gene delivered by the arginine peptide in cancer cells HeLa cells with a fluorescence microscope.
도 3은 정상세포인 293 세포에서 알기닌 펩타이드 농도에 따른 세포 생존율을 측정한 결과를 보여 주는 그래프.Figure 3 is a graph showing the results of measuring the cell survival rate according to the arginine peptide concentration in 293 cells that are normal cells.
도 4는 암세포인 HeLa 세포에서 알기닌 펩타이드 농도에 따른 세포 생존율을 측정한 결과를 보여 주는 그래프.Figure 4 is a graph showing the results of measuring the cell survival rate according to the concentration of arginine peptide in cancer cells HeLa cells.
본 발명의 일 양태에 따르면, 복수의 알기닌 잔기를 포함하는 펩타이드 유전자 전달매체를 제공한다.According to one aspect of the present invention, there is provided a peptide gene delivery medium comprising a plurality of arginine residues.
본 명세서에서 용어 "유전자 전달매체 (carrier)"는 전달 대상이 되는 유전자를 세포 내로 운반하는 물질을 의미한다. 본 명세서에서 전달매체 또는 전달방법과 함께 사용되는 용어 "유전자"는 구조적 유전자만을 의미하는 것은 아니며, 통상적인 DNA 분자를 의미하는 것으로서 광의적으로 해석하여야 한다.As used herein, the term "gene carrier" refers to a substance that carries a gene to be delivered into a cell. As used herein, the term "gene" used with a delivery medium or delivery method does not mean only a structural gene, but broadly interpreted as meaning a conventional DNA molecule.
본 발명의 유전자 전달매체는 음전하를 띠는 유전자와 정전기적으로 결합할 수 있는 큰 전하를 갖는 양전하를 띠는 염기성 아미노산인 알기닌 잔기를 포함한다. 본 발명의 펩타이드에 포함되는 알기닌의 R 기에 위치한 아미노기의 pKa 값은 12 이다. 이와 같이 높은 pKa가 요구되는 것은 본 발명의 유전자 전달매체와 유전자 사이의 정전기적 상호작용을 통하여 유전자 전달에 용이한 복합체 (complex)를 형성하는 데 필요하기 때문이다.The gene transfer medium of the present invention includes an arginine residue, which is a positively charged basic amino acid having a large charge capable of electrostatically binding to a negatively charged gene. The pKa value of the amino group located in the R group of the arginine included in the peptide of the present invention is 12. This high pKa is required because it is necessary to form a complex that is easy for gene transfer through the electrostatic interaction between the gene delivery medium and the gene of the present invention.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 펩타이드 유전자 전달매체에서의 알기닌의 개수는 다양한 요소, 예컨대 전달 대상의 유전자의 크기, 채용되는 전달 조건 등에 의해 결정되지만, 전형적으로 5-15개가 바람직하며, 5개 미만인 경우에는 유전자가 세포 내로 전달되는 효율이 낮아지는 문제점이 있고, 15개를 초과하는 경우에는 유전자가 세포 내로 들어가 핵으로 전달되는 효율이 낮아지는 문제점이 있다. 본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 펩타이드 유전자 전달매체에서의 알기닌의 개수는 8-14개이며, 가장 바람직하게는 12개이다.In a preferred embodiment of the invention, the number of arginines in the peptide gene delivery medium is determined by various factors, such as the size of the gene to be delivered, the delivery conditions employed, etc., but typically 5-15 is preferred, with less than 5 In this case, there is a problem in that the efficiency of transferring the gene into the cell is lowered, and in the case of more than 15 genes, there is a problem in that the efficiency of transferring the gene into the cell is reduced. According to a more preferred embodiment of the present invention, the number of arginine in the peptide gene transfer medium is 8-14, most preferably 12.
본 발명의 펩타이드 유전자 전달매체는 유전자와 매우 간단하게 복합체를 형성할 수 있고, 이와 같이 형성된 복합체는 세포 (예: 포유동물 세포) 내로 용이하게 전달될 수 있다.The peptide gene delivery medium of the present invention can form a complex very simply with a gene, and the complex thus formed can be easily delivered into cells (eg, mammalian cells).
한편, 공지된 기술에 따르면, 유전자를 세포 핵 내, 특히 진핵 세포의 핵 내로 안정하게 전달하려면 특별한 인자 (예컨대, NLS: nuclear localization signal)를 필요로 한다. 그러나 본 발명에 있어서는 염기성 아미노산인 알기닌 잔기를 포함하는 펩타이드만으로도 유전자의 세포 핵 내로의 안정한 전달이 가능하다.On the other hand, according to the known technology, a special factor (eg, nuclear localization signal (NLS)) is required to stably transfer a gene into the cell nucleus, particularly into the nucleus of a eukaryotic cell. However, in the present invention, only a peptide containing an arginine residue, which is a basic amino acid, enables stable delivery of a gene into the cell nucleus.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 (a) 복수의 알기닌 잔기를 포함하는 펩타이드 유전자 전달매체, 전달 대상의 폴리뉴클레오타이드 및 상기 펩타이드 유전자 전달 매체와 폴리뉴클레오타이드의 결합을 가능하게 하는 결합제의 혼합물을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 혼합물을 세포에 적용하는 단계를 포함하는 펩타이드 유전자 전달매체를 이용한 유전자 전달 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, the present invention provides a mixture of (a) a peptide gene delivery medium comprising a plurality of arginine residues, a polynucleotide to be delivered and a binder which enables the binding of the peptide gene delivery medium to a polynucleotide. Manufacturing step; And (b) provides a gene delivery method using a peptide gene delivery medium comprising applying the mixture to the cell.
본 발명의 방법과 펩타이드 유전자 전달매체 사이의 중복된 내용은 본 명세서의 중복에 의한 과도한 복잡성을 피하기 위해 그 기재를 생략한다.The overlapping content between the method of the present invention and the peptide gene transfer medium is omitted in order to avoid excessive complexity due to duplication herein.
본 발명의 방법에 있어서, 유전자 전달매체와 전달 대상의 폴리뉴클레오타이드 사이의 결합을 촉진시키는 데 필요한 주위 환경 (surrounding environment)을 제공하기 위하여 결합제가 필요하며, 이러한 결합제는 pKa 값이 6.5-8.5인 완충 용액이 바람직하다. 한편, 공지된 기술에 따르면, 유전자 전달매체와 유전자 사이의 적합한 결합을 위하여, 특별한 물질이 요구되거나 복잡한 과정이 요구된다. 그러나, 본 발명에 있어서는 적합한 pKa 값을 갖는 완충 용액에서 유전자 전달매체와 전달 대상의 폴리뉴클레오타이드를 적합한 온도에서 일정 기간 동안 항온 처리하는 간단한 방법을 통해 결합 단계가 이루어진다.In the method of the present invention, a binder is required to provide a surrounding environment necessary to promote the binding between the gene transfer medium and the polynucleotide to be delivered, and the binder is a buffer having a pKa value of 6.5-8.5. Solution is preferred. On the other hand, according to known techniques, for proper binding between the gene delivery medium and the gene, a special material is required or a complicated process is required. However, in the present invention, the binding step is performed by a simple method of incubating the gene transfer medium and the polynucleotide of the delivery target in a buffer solution having a suitable pKa value at a suitable temperature for a period of time.
본 발명의 보다 바람직한 구현예에 따르면, 상기 결합제는 인산염 완충액, , HEPES 완충액, MOPS 완충액, 혈청을 첨가하지 않은 각종 세포 배양액, 예컨대, DMEM (Dulbecco's modified minimum essential medium), Ham's F12, CMRL 1066, RPMI 1640, IMDM (Iscove's modified Dulbecco's medium) 등을 포함하며, 가장 바람직하게는 인산염 완충 염수이다.According to a more preferred embodiment of the invention, the binder is phosphate buffer, HEPES buffer, MOPS buffer, various cell cultures without serum, such as DMEM (Dulbecco's modified minimum essential medium), Ham's F12, CMRL 1066, RPMI 1640, IMDM (Iscove's modified Dulbecco's medium) and the like, most preferably phosphate buffered saline.
본 발명이 적용될 수 있는 세포는 다양한 진핵 세포 (단일핵 진핵세포, 동물 세포 및 식물 세포)를 포함하며, 바람직하게는 동물 세포, 보다 바람직하게는 포유동물 세포, 가장 바람직하게는 인간 세포이다. 이와 같은 세포는 정상 세포 및 형질 전환된 (transformed) 세포 (예: 종양 세포) 등을 모두 포함한다.Cells to which the present invention can be applied include various eukaryotic cells (monocytic eukaryotic cells, animal cells and plant cells), preferably animal cells, more preferably mammalian cells and most preferably human cells. Such cells include both normal cells and transformed cells (eg tumor cells) and the like.
본 발명은 유전자를 세포 내로 운반하여 이루어지는엑스 비보및인 비보유전자 치료에 이용될 수 있다.엑스 비보유전자 치료는 목적의 세포를 환자의 몸으로부터 제거하여엑스 비보방법으로 유전자를 전달시킨 후 이를 다시 환자의 몸에 재투입하는 방법으로 이루어진다.The present invention can be used for the treatment of ex vivo and in vivo genes by carrying genes into cells. Ex vivo gene therapy consists of removing the cells of interest from the patient's body, transferring the genes by ex vivo method, and then re-injecting them into the patient's body.
본 발명의 방법은 외래 유전자의 일시적 유전자 발현 또는 안정적 유전자 발현에 적용될 수 있으며, 이러한 유전자 발현 양상의 차이는 유전자 치료에도 중요하다. 예를 들어, 일시적 유전자 발현은 유전자의 발현이 단기간 동안만 요구될 때, 또는 외래 단백질 발현의 연장 효과가 알려지지 않았을 때 사용된다. 한편, 안정적 유전자 발현은 환자가 암과 같은 치명적인 유전적 결함을 가지고 있을 때 사용된다.The method of the present invention can be applied to transient gene expression or stable gene expression of foreign genes, the difference in gene expression pattern is also important for gene therapy. For example, transient gene expression is used when expression of a gene is only required for a short time or when the prolonged effect of foreign protein expression is unknown. Stable gene expression, on the other hand, is used when a patient has a fatal genetic defect such as cancer.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, it is to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples in accordance with the gist of the present invention. Will be self-evident.
실시예 1: 펩타이드의 합성Example 1 Synthesis of Peptides
염기성 아미노산인 알기닌 12 잔기로 구성된 펩타이드를 (주) 펩트론 (대전, 대한민국)에 합성을 의뢰하고 상업적으로 구입하여 사용 하였다.A peptide consisting of 12 residues of arginine, which is a basic amino acid, was synthesized by Peptron Co., Ltd. (Daejeon, South Korea) and used commercially.
합성된 펩타이드 중 순도가 95% 이상인 것만 선택하여 본 발명의 유전자 전달매체로 사용 하였다.Only 95% purity of the synthesized peptide was selected and used as the gene transfer medium of the present invention.
실시예 2: 알기닌 펩타이드에 의한 유전자 전달Example 2: Gene Delivery by Arginine Peptides
본 발명의 유전자 전달매체에 의한 유전자 전달을 다음과 같이 실시하였다: 세포는 2종류의 세포, 즉 정상세포인 293 세포 (ATCC, 미합중국) 및 암세포인 HeLa 세포 (ATCC, 미합중국)를 사용하였고, 이들은 다시 표준군과 3개의 처리군으로 각각 분리하여 실험하였다. 처리군은 펩타이드와 유전자를 함께 처리한 세포, 유전자만 처리한 세포 및 펩타이드만 처리한 군으로 분류하였다. GFP (Green fluorescent protein) 유전자를 포함하는 플라스미드 pEGFP-N3 (Clontech, 미합중국) 0.5 ㎍ 및 알기닌 펩타이드 (10 ??M)를 300 ㎕의 인산염-완충 염수 (PBS)에 혼합하였다. 이어, 10분 동안 얼음에서 반응시킨 다음 50분 동안 상온에서 반응을 더 지속시킨 후에 혼합 과정을 종료 시켰다. 세포는 실험 시작 16시간 전에 분주하였고, 세포의 밀도가 80-90% 정도 되었을 때 펩타이드와 유전자가 결합된 상기 혼합액을 10% 우태아 혈청을 포함한 DMEM (Dulbecco's modified minimum essential medium, Gibco-BRL, 미합중국) 배지 내의 각 세포에 첨가하였다. 그런 다음, 95%의 산소와 5%의 이산화탄소가 공급되는 37℃의 배양기에서 2시간 동안 배양하였다. 2시간 배양 후 다시 세포를 PBS 용액으로 세척한 다음, 세포 내로 들어가지 못한 펩타이드나 유전자를 제거하였다. 그리고 나서, 세척된 세포를 새롭게 제조된 DMEM 배지에 넣어 24시간 동안 상기 배양기에서 더 배양하였다. 24시간 배양 후, 유전자 전달의 정도를 확인하기 위하여, 형광 현미경을 사용하여 세포가 발하는 형광을 측정하였다.Gene delivery by the gene delivery medium of the present invention was carried out as follows: Cells were used as two kinds of cells, namely 293 cells (ATCC, United States) and normal cells, HeLa cells (ATCC, United States), cancer cells, Again, the experiment was separated into a standard group and three treatment groups. Treatment groups were divided into cells treated with peptides and genes, cells treated with genes only, and groups treated with peptides only. 0.5 μg of plasmid pEGFP-N3 (Clontech, USA) and an arginine peptide (10 μM) containing the GFP (Green fluorescent protein) gene were mixed in 300 μl of phosphate-buffered saline (PBS). Subsequently, the mixture was allowed to react on ice for 10 minutes and then continued at room temperature for 50 minutes, after which the mixing process was terminated. The cells were dispensed 16 hours before the experiment, and when the density of the cells was about 80-90%, DMEM (Dulbecco's modified minimum essential medium, Gibco-BRL, U.S.A.) containing 10% fetal bovine serum was mixed with peptides and genes. ) Was added to each cell in the medium. Then, the cells were incubated for 2 hours in an incubator at 37 ° C. supplied with 95% oxygen and 5% carbon dioxide. After 2 hours of incubation, the cells were washed again with PBS solution, and peptides or genes that did not enter the cells were removed. The washed cells were then placed in freshly prepared DMEM medium and further cultured in the incubator for 24 hours. After incubation for 24 hours, the fluorescence emitted by the cells was measured using a fluorescence microscope to confirm the degree of gene transfer.
실시예 3: 형광 현미경에 의한 관찰Example 3: Observation by Fluorescence Microscopy
상기 실시예 2와 같이 처리된 세포에서 본 발명의 펩타이드에 의해 전달된 GFP 유전자에 의해 발현된 단백질의 형광을 형광 현미경 (Nikon, Diaphot 300)을 사용하여 측정하였다. 그 결과는 도 1a 내지 도 1d 및 도 2a 내지 도 2d와 같다.Fluorescence of the protein expressed by the GFP gene delivered by the peptide of the present invention in cells treated as in Example 2 was measured using a fluorescence microscope (Nikon, Diaphot 300). The results are the same as in FIGS. 1A-1D and FIGS.
도 1a 내지 도 1d는 정상세포인 293 세포에서 알기닌 펩타이드에 의해 전달된 GFP 유전자의 발현 정도를 형광 현미경으로 관찰한 사진이다. 도 1a는 펩타이드와 GFP 유전자 (11:1, w/w)를 함께 넣어 주고 배양한 세포군으로 형광 현미경으로 관찰한 결과 GFP 유전자가 발현되어 밝은 형광을 나타내는 것을 볼 수 있었다. 그러나 유전자를 단독 처리한 세포군 (도 1b), 펩타이드를 단독 처리한 세포군 (도 1c) 및 세포만 있는 표준군 (도 1d)에서는 어떠한 형광도 관찰할 수 없었다.Figures 1a to 1d is a photograph observing the expression level of the GFP gene delivered by the arginine peptide in normal cells 293 cells by fluorescence microscopy. 1a shows that the GFP gene is expressed and shows bright fluorescence as a result of fluorescence microscopy observation of a cultured cell group in which the peptide and the GFP gene (11: 1, w / w) were put together. However, no fluorescence could be observed in the cell group treated with the gene alone (FIG. 1B), the cell group treated with the peptide alone (FIG. 1C), and the cell-only standard group (FIG. 1D).
한편, 도 2a 내지 도 2d는 암세포인 HeLa 세포에서 알기닌 펩타이드에 의해 전달된 GFP 유전자의 발현 정도를 형광 현미경으로 관찰한 사진이다. 도 2a는 펩타이드와 GFP 유전자 (11:1, w/w)를 함께 넣어 주고 배양한 세포군으로 형광 현미경으로 관찰한 결과 GFP 유전자가 발현되어 밝은 형광을 나타내는 것을 볼 수 있었다. 그러나 유전자를 단독 처리한 세포군 (도 2b)과 펩타이드를 단독 처리한 세포군 (도 2c) 및 세포만 있는 표준군 (도 2d)에서는 어떠한 형광도 관찰 할 수 없었다.On the other hand, Figures 2a to 2d is a photograph of observing the expression level of the GFP gene delivered by the arginine peptide in cancer cells HeLa cells with a fluorescence microscope. FIG. 2a shows that the GFP gene is expressed and shows bright fluorescence when the peptide and the GFP gene (11: 1, w / w) are put together and observed with a cultured cell group. However, no fluorescence was observed in the cell group treated with the gene alone (FIG. 2B), the cell group treated with the peptide alone (FIG. 2C), and the cell-only standard group (FIG. 2D).
따라서, 본 발명의 펩타이드는 유전자 전달매체로서 작용하여 목적의 유전 물질을 세포내로 운반할 수 있음을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the peptide of the present invention can act as a gene transfer medium to carry the desired genetic material into the cell.
실시예 4: 알기닌 펩타이드의 세포 독성도 측정Example 4: Determination of Cytotoxicity of Arginine Peptides
본 발명의 알기닌 펩타이드를 처리한 군 (대조군)과 처리하지 않은 군 (표준군)을 일정 시간 동안 배양한 후 세포 생존율을 측정하였으며, 세포 생존율 측정을 위해서는 MTT (tetrazolium bromide) 분석 방법을 사용하였다. 우선, 0-50 ??M 농도의 알기닌 펩타이드를 세포 (104/㎖)에 처리한 다음 24시간 동안 95%의 산소와 5%의 이산화탄소가 공급되는 37℃의 배양기에서 마이크로플레이트 웰에 배양한 후,25 ㎕의 MTT 용액 (5 ㎎/㎖, Sigma)을 첨가하고 이를 다시 37℃에서 2시간 동안 반응 시켰다. 반응 후 여기에 100 ㎖의 추출액 (20%의 소듐 도데실 설페이트를 50%의N,N-디메틸 포름아미드에 용해한 용액)을 첨가하여 다시 37℃에서 15시간 동안 반응시켰다. 그 후에 멀티 스캐너 (ICN Titerteck, 미합중국)를 사용하여 세포 생존율을 측정하였다 (HansenJ. Immunol. Meth.119:203(1989)). 그 결과는 도 3 및 도 4와 같다.The cell viability was measured after incubating the group treated with the arginine peptide of the present invention (control) and the group without treatment (standard group) for a predetermined time, and MTT (tetrazolium bromide) analysis was used to measure cell viability. First, arginine peptides with a concentration of 0-50 ?? M were treated to cells (10 4 / ml) and then cultured in microplate wells at 37 ° C incubator with 95% oxygen and 5% carbon dioxide for 24 hours. Then, 25 μl of MTT solution (5 mg / ml, Sigma) was added and reacted again at 37 ° C. for 2 hours. After the reaction, 100 ml of extract (solution of 20% sodium dodecyl sulfate dissolved in 50% N , N -dimethyl formamide) was added thereto and reacted again at 37 ° C. for 15 hours. Cell viability was then measured using a multi scanner (ICN Titerteck, United States) (Hansen J. Immunol. Meth. 119: 203 (1989)). The results are shown in FIG. 3 and FIG. 4.
도 3 및 도 4는 정상세포인 293 세포 및 암세포인 HeLa 세포에서 알기닌 펩타이드 농도에 따른 세포 생존율을 측정한 결과를 보여 주는 그래프이다. 도 3 및 도 4는 다양한 농도 (0∼50 ??M)의 알기닌 펩타이드를 처리해 본 결과 50 ??M의 펩타이드를 24시간 동안 처리하여도 293 세포 및 HeLa 세포의 생존율이 거의 감소되지 않음을 보여 준다. 즉, 두 개의 서로 다른 세포 모두 MTT 측정 결과 세포 생존율이 펩타이드를 첨가하지 않은 표준군과 거의 같았다. 이 결과로 알기닌 펩타이드를 유전자 전달체로 안전하게 사용할 수 있음을 알 수 있다.3 and 4 are graphs showing the results of measuring cell viability according to the concentration of arginine peptides in 293 cells, which are normal cells, and HeLa cells, which are cancer cells. 3 and 4 show that the treatment of arginine peptides of various concentrations (0-50 ?? M) showed that the survival rate of 293 cells and HeLa cells was hardly reduced even when the peptides of 50 ?? M peptide were treated for 24 hours. give. In other words, the cell viability of the two different cells was almost the same as the standard group without the peptide. As a result, it can be seen that arginine peptide can be safely used as a gene carrier.
한편, 본 발명의 알기닌 펩타이드를 이용하여 293 세포 및 HeLa 세포 이외의 다른 세포, 즉 COS 세포 (ATCC, 미합중국) 및 Jurkat 세포 (ATCC, 미합중국)에 대하여도 유전자 전달 효율을 분석하였으며, 그 결과 293 세포 및 HeLa 세포의 결과와 거의 동일한 전달 효율을 확인할 수 있었다.On the other hand, gene transfer efficiency was also analyzed for 293 cells and other cells other than HeLa cells, that is, COS cells (ATCC, United States) and Jurkat cells (ATCC, United States) using the arginine peptide of the present invention. And delivery efficiency almost identical to that of HeLa cells.
또한, GFP 유전자를 포함하는 플라스미드 pEGFP-N3 이외에β-갈락토시다아제 유전자를 포함하는 플라스미드 pcDNA3.1/His/LacZ (Invitrogen, 미합중국)에서도 본 발명의 알기닌 펩타이드에 의한 유전자 전달 효율을 실험하였고, 그 결과 플라스미드 pEGFP-N3와 거의 동일한 결과를 얻었다.In addition, the plasmid pcDNA3.1 / His / LacZ (Invitrogen, USA) including the β -galactosidase gene in addition to the plasmid pEGFP-N3 containing the GFP gene was tested for gene transfer efficiency by the arginine peptide of the present invention. As a result, almost the same result as plasmid pEGFP-N3 was obtained.
본 발명은 펩타이드 유전자 전달매체를 제공한다. 또한, 본 발명은 펩타이드 유전자 전달매체를 이용한 유전자 전달 방법을 제공한다. 본 발명은 염기성 아미노산인 알기닌을 포함하는 펩타이드 유전자 전달매체를 전달 대상의 유전자와 간단한 방법으로 결합시킬 수 있을 뿐만 아니라, 세포의 독성을 유발하지 않고 안전하게 유전자를 세포 내로 전달할 수 있다. 따라서, 본 발명은 외부 유전자를 원하는 세포에 전달하여 효과적으로 발현시킬 수 있을 뿐 아니라 의학적인 측면에서 유전자 치료에 유용하게 사용될 수 있다.The present invention provides a peptide gene delivery medium. The present invention also provides a gene delivery method using a peptide gene delivery medium. The present invention can not only bind the peptide gene transfer medium including the basic amino acid arginine to the gene to be delivered in a simple manner, but also safely transfer the gene into the cell without causing cell toxicity. Therefore, the present invention can be effectively used for gene therapy from the medical point of view as well as to effectively express the foreign genes to the desired cells.
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