【実施例】
【0099】
以下の実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。
【0100】
実施例1;E1タンパク質及びその突然変異体組換えベクターの構築及び発現精製
【0101】
切断型E1−1(306〜577)のアミノ酸配列(配列番号3):
LQTEKFDFGTMVQWAYDHKYAEESKIAYEYALAAGSDSN
ARAFLATNSQAKHVKDCATMVRHYLRAETQALSMPAYIKA
RCKLATGEGSWKSILTFFNYQNIELITFINALKLWLKGIP
KKNCLAFIGPPNTGKSMLCNSLIHFLGGSVLSFANHKSHF
WLASLADTRAALVDDATHACWRYFDTYLRNALDGYPVSID
RKHKAAVQIKAPPLLVTSNIDVQAEDRYLYLHSRVQTFRF
EQPCTDESGEQPFNITDADWKSFFVRLWGRLDL。
【0102】
切断型E1−1(306〜577)のコード遺伝子配列(配列番号4):
Ttgcagaccgagaaattcgacttcggaactatggtgcaa
tgggcctatgatcacaaatatgctgaggagtctaaaatag
cctatgaatatgctttggctgcaggatctgatagcaatgc
acgggcttttttagcaactaacagccaagctaagcatgtg
aaggactgtgcaactatggtaagacactatctaagagctg
aaacacaagcattaagcatgcctgcatatattaaagctag
gtgcaagctggcaactggggaaggaagctggaagtctatc
ctaactttttttaactatcagaatattgaattaattacct
ttattaatgctttaaagctctggctaaaaggaattccaaa
aaaaaactgtttagcatttattggccctccaaacacaggc
aagtctatgctctgcaactcattaattcattttttgggtg
gtagtgttttatcttttgccaaccataaaagtcacttttg
gcttgcttccctagcagatactagagctgctttagtagat
gatgctactcatgcttgctggaggtactttgacacatacc
tcagaaatgcattggatggctaccctgtcagtattgatag
aaaacacaaagcagcggttcaaattaaagctccacccctc
ctggtaaccagtaatattgatgtgcaggcagaggacagat
atttgtacttgcatagtcgggtgcaaacctttcgctttga
gcagccatgcacagatgaatcgggtgagcaaccttttaat
attactgatgcagattggaaatctttttttgtaaggttat
gggggcgtttagacctg。
【0103】
ベクタープラスミド:pGEX−6p−1。
二重消化:BamH I、Xho I
【0104】
プライマー(小文字は制限部位である):
順方向プライマー:配列番号10;
CGggatccTTGCAGACCGAGAAAT。
逆方向プライマー:配列番号11
CCGctcgagTTAATGATGATGGTGATGATGCAGGTCTAA
ACGCCCC。
【0105】
切断型E1−2(306〜605)のアミノ酸配列(配列番号1):
LQTEKFDFGTMVQWAYDHKYAEESKIAYEYALAAGSDSN
ARAFLATNSQAKHVKDCAMVRHYLRAETQALSMPAYIKAR
CKLATGEGSWKSILTFFNYQNIELITFINALKLWLKGIPK
KNCLAFIGPPNTGKSMLCNSLIHFLGGSVLSFANHKSHFW
LASLADTRAALVDDATHACWRYFDTYLRNALDGYPVSIDR
KHKAAVQIKAPPLLVTSNIDVQAEDRYLYLHSRVQTFRFE
QPCTDESGEQPFNITDADWKSFFVRLWGRLDLIDEEEDSE
EDGDSMRTFTCSARN。
【0106】
切断型E1−2(306〜605)のコード遺伝子配列(配列番号2):
ttgcagaccgagaaattcgacttcggaactatggtgcaa
tgggcctatgatcacaaatatgctgaagagtctaaaatag
cctatgaatatgctttggctgcaggatctgatagcaatgc
acgggcttttttagcaactaacagccaagctaagcatgtg
aaggactgtgcaactatggtaagacactatctaagagctg
aaacacaagcattaagcatgcctgcatatattaaagctag
gtgcaagctggcaactggggaaggaagctggaagtctatt
ctaactttttttaattatcagaatattgaattaattacct
ttattaatgctttaaagctctggctaaaaggaattccaaa
aaaaaactgtttagcatttattggccctccaaacacaggc
aagtctatgctctgcaactcattaattcattttttgggtg
gtagtgttttatcttttgccaaccataaaagtcacttttg
gcttgcttccctagcagatactagagctgctttagtagat
gatgctactcatgcttgctggaggtactttgacacatacc
tcagaaatgcattggatggctaccctgtcagtattgatag
aaaacacaaagcagcggttcaaattaaagctccacccctc
ctggtaaccagtaatattgatgtgcaggcagaggacagat
atttgtacttgcatagtcgggtgcaaacctttcgctttga
gcagccatgcacagatgaatcgggtgagcaaccttttaat
attactgatgcagattggaaatctttttttgtaaggttat
gggggcgtttagacctgattgacgaggaggaggatagtga
agaggatggagacagcatgcgaacgtttacatgtagcgca
agaaacacaaatgcagttgattga。
【0107】
ベクタープラスミド:pGEX−6p−1。
二重消化:BamH I、Xho I
【0108】
プライマー(小文字は制限部位である):
順方向プライマー1:配列番号12
AGTTCTGTTCCAGGGGCCCCTGggatccTTGCAGACCGA
GAAATTCGACTTCG。
逆方向プライマー1:配列番号13
TCAGTCAGTCACGATGCGGCCGctcgagTTAATCAACTG
CATTTGTGTTTCTTGCGCTACATGTAAACGTTCGCA。
【0109】
E1−2突然変異体1(K421L)のアミノ酸配列を配列番号6に示す:
LQTEKFDFGTMVQWAYDHKYAEESKIAYEYALAAGSDSN
ARAFLATNSQAKHVKDCATMVRHYLRAETQALSMPAYIKA
RCKLATGEGSWKSILTFFNYQNIELITFINALKLWLLGIP
KKNCLAFIGPPNTGKSMLCNSLIHFLGGSVLSFANHKSHF
WLASLADTRAALVDDATHACWRYFDTYLRNALDGYPVSID
RKHKAAVQIKAPPLLVTSNIDVQAEDRYLYLHSRVQTFRF
EQPCTDESGEQPFNITDADWKSFFVRLWGRLDLIDEEEDS
EEDGDSMRTFTCSARNTNAVD。
【0110】
E1−2突然変異体1のヌクレオチド配列を配列番号8に示す:
GGATCCTTGCAGACCGAGAAATTCGACTTCGGAACTATG
GTGCAATGGGCCTATGATCACAAATATGCTGAGGAGTCTA
AAATAGCCTATGAATATGCTTTGGCTGCAGGATCTGATAG
CAATGCACGGGCTTTTTTAGCAACTAACAGCCAAGCTAAG
CATGTGAAGGACTGTGCAACTATGGTAAGACACTATCTAA
GAGCTGAAACACAAGCATTAAGCATGCCTGCATATATTAA
AGCTAGGTGCAAGCTGGCAACTGGGGAAGGAAGCTGGAAG
TCTATCCTAACTTTTTTTAACTATCAGAATATTGAATTAA
TTACCTTTATTAATGCTTTAAAGCTCTGGCTACTGGGAAT
TCCAAAAAAAAACTGTTTAGCATTTATTGGCCCTCCAAAC
ACAGGCAAGTCTATGCTCTGCAACTCATTAATTCATTTTT
TGGGTGGTAGTGTTTTATCTTTTGCCAACCATAAAAGTCA
CTTTTGGCTTGCTTCCCTAGCAGATACTAGAGCTGCTTTA
GTAGATGATGCTACTCATGCTTGCTGGAGGTACTTTGACA
CATACCTCAGAAATGCATTGGATGGCTACCCTGTCAGTAT
TGATAGAAAACACAAAGCAGCGGTTCAAATTAAAGCTCCA
CCCCTCCTGGTAACCAGTAATATTGATGTGCAGGCAGAGG
ACAGATATTTGTACTTGCATAGTCGGGTGCAAACCTTTCG
CTTTGAGCAGCCATGCACAGATGAATCGGGTGAGCAACCT
TTTAATATTACTGATGCAGATTGGAAATCTTTTTTTGTAA
GGTTATGGGGGCGTTTAGACCTGATTGACGAGGAGGAGGA
TAGTGAAGAGGATGGAGACAGCATGCGAACGTTTACATGT
AGCGCAAGAAACACAAATGCAGTTGATTAACTCGAG。
【0111】
E1−2突然変異体2(H323W)のアミノ酸配列を配列番号7に示す:
LQTEKFDFGTMVQWAYDWKYAEESKIAYEYALAAGSDSN
ARAFLATNSQAKHVKDCATMVRHYLRAETQALSMPAYIKA
RCKLATGEGSWKSILTFFNYQNIELITFINALKLWLLGIP
KKNCLAFIGPPNTGKSMLCNSLIHFLGGSVLSFANHKSHF
WLASLADTRAALVDDATHACWRYFDTYLRNALDGYPVSID
RKHKAAVQIKAPPLLVTSNIDVQAEDRYLYLHSRVQTFRF
EQPCTDESGEQPFNITDADWKSFFVRLWGRLDLIDEEEDS
EEDGDSMRTFTCSARNTNAVD。
【0112】
E1−2突然変異体2のヌクレオチド配列を配列番号9に示す:
GGATCCTTGCAGACCGAGAAATTCGACTTCGGAACTATG
GTGCAATGGGCCTATGATTGGAAATATGCTGAGGAGTCTA
AAATAGCCTATGAATATGCTTTGGCTGCAGGATCTGATAG
CAATGCACGGGCTTTTTTAGCAACTAACAGCCAAGCTAAG
CATGTGAAGGACTGTGCAACTATGGTAAGACACTATCTAA
GAGCTGAAACACAAGCATTAAGCATGCCTGCATATATTAA
AGCTAGGTGCAAGCTGGCAACTGGGGAAGGAAGCTGGAAG
TCTATCCTAACTTTTTTTAACTATCAGAATATTGAATTAA
TTACCTTTATTAATGCTTTAAAGCTCTGGCTAGGAATTCC
AAAAAAAAACTGTTTAGCATTTATTGGCCCTCCAAACACA
GGCAAGTCTATGCTCTGCAACTCATTAATTCATTTTTTGG
GTGGTAGTGTTTTATCTTTTGCCAACCATAAAAGTCACTT
TTGGCTTGCTTCCCTAGCAGATACTAGAGCTGCTTTAGTA
GATGATGCTACTCATGCTTGCTGGAGGTACTTTGACACAT
ACCTCAGAAATGCATTGGATGGCTACCCTGTCAGTATTGA
TAGAAAACACAAAGCAGCGGTTCAAATTAAAGCTCCACCC
CTCCTGGTAACCAGTAATATTGATGTGCAGGCAGAGGACA
GATATTTGTACTTGCATAGTCGGGTGCAAACCTTTCGCTT
TGAGCAGCCATGCACAGATGAATCGGGTGAGCAACCTTTT
AATATTACTGATGCAGATTGGAAATCTTTTTTTGTAAGGT
TATGGGGGCGTTTAGACCTGATTGACGAGGAGGAGGATAG
TGAAGAGGATGGAGACAGCATGCGAACGTTTACATGTAGC
GCAAGAAACACAAATGCAGTTGATTAACTCGAG。
【0113】
突然変異体組換えプラスミドを構築し、変異ベクターをPCRクローニングによってベ
クタープラスミドpGEX−6P−1に挿入し、二重制限部位はそれぞれ5’BamhI
及び3’XhoIである。
【0114】
順方向プライマー2:配列番号14
AGTTCTGTTCCAGGGGCCCCTGggatccTTGCAGACCGA
GAAATTCGACTTCG。
【0115】
逆方向プライマー2:配列番号15
TCAGTCAGTCACGATGCGGCCGctcgagTTAATCAACTG
CATTTGTGTTTCTTGCGCTACATGTAAACGTTCGCA。
【0116】
全ウシパピローマウイルスゲノムを上記のPCRプライマーを用いて増幅し(上述した
ように)、次いでベクターpGEX−6p−1及び得られたPCR産物を2つの制限酵素
BamH I及びXho Iで消化した。ベクターは、それぞれBamH I及びXho
Iの2つの制限部位を含むGSTタグ親和性を有していた。最後に、二重消化した標的
遺伝子断片及びプラスミドベクターをT4リガーゼによって環状組換えプラスミドに再連
結した。
【0117】
組換えプラスミドの検出は、プラスミドを大腸菌(E.coli)DH5αに形質転換
した後、組換えベクターのアンピシリン耐性を用いて組換えプラスミドが成功裏に形質転
換されたか否かを予備スクリーニングすることである。コロニーPCRの後、核酸ゲル電
気泳動を用いて標的断片がベクターに連結されているかどうかを予備的に確認した(
図1
に示すように、pGEX−6p−1は4984bp長であり、E1−1遺伝子配列は81
6bp長であるため、消化後にそれぞれ4990bp及び822bpの2つのバンドが得
られる)。次に、遺伝子配列決定によって得られた配列決定結果を用いて、組換えが完了
し、突然変異が生じていないかどうかを確認した。
【0118】
E1タンパク質の特異的発現及び精製:組換えプラスミドpGEX−6p−1−N−G
STをタンパク質発現のために大腸菌発現株BL21に形質転換した。上記の大腸菌を、
50μg/mLのアンピシリンを含む11mLのLB培地中、37℃及び220rpmで
一晩培養した。その後、50μg/mlのアンピシリンを含む1Lの新鮮LB培地に10
mLの培養液を注入し、細菌濃度が0.6〜0.8単位(OD
600)に達したときに0
.5mM(最終濃度)のIPTG(イソプロピルβ−D−チオガラクトシド)を添加して
誘導した。16℃で16時間誘導した後、細菌を4000rpmで20分間遠心分離する
ことによって回収し、懸濁液をタンパク質緩衝液20mMトリス−HCl(pH7.3)
、200mM NaClに再懸濁した。細菌を高圧で4回破砕した後、上清を16000
rpmで40分間遠心分離することによって回収した。次いで、上清を0.45μm細孔
径のフィルタで濾過し、標的タンパク質をGSTアフィニティクロマトグラフィによって
精製すした。ハイブリッドタンパク質が溶出した後、標的タンパク質をPSP酵素カラム
で2時間消化し、次いで標的タンパク質をタンパク質緩衝液で溶出した。
【0119】
GSTアフィニティクロマトグラフィによる精製後、標的タンパク質の純度は高い。最
後に、分子ふるいを使用してポリマーと単量体を分離し、最初のピークタンパク質が純粋
なE1である。同時に、分子ふるいのピーク位置の分析から、得られたE1は六量体の形
態であり、野生型E1は非常に類似している。予想されたサイズを満たすために残りのタ
ンパク質試料をポリアクリルアミドゲル電気泳動によって試験した。
図2及び3は、それ
ぞれE1−1及びE1−2 57の分子ふるいピークのポリアクリルアミドゲル電気泳動
パターンである。対応する単量体分子量はそれぞれ57KD及び59KDである。2番目
のチューブ(E1−1)及び6番目のチューブ(E1−2)をその後の電気生理学的実験
に使用した。
【0120】
2つの突然変異体の遺伝子クローニング及び発現精製のための方法は野生型E1(30
6〜605)を参照し、分子ふるい収集後に最初に出現したピークチューブが突然変異体
E1である。残りのタンパク質試料をWT−E1(306〜605)と比較してポリアク
リルアミドゲル電気泳動によって試験し、1つのアミノ酸のみが突然変異しているので、
突然変異体の分子量はWT−E1(306〜605)タンパク質に非常に近い。更に、そ
れらは、
図21に示すように、ゲル電気泳動ストリップ上でほぼ同じ位置にある。
【0121】
実施例2;タンパク質切断及びそれらの突然変異体の蛍光標識及び膜融合実験
蛍光標識切断型E1−2(306〜605)タンパク質:使用した材料は、フッ素標識
フルオレセインイソチオシアネート(FITC)コンジュゲートキット(Sigma,S
t.Louis,Missouri)である。キットの説明書に従って、過剰のFITC
をカラムクロマトグラフィによって除去し、FITC結合E1をタンパク質緩衝液(20
mMトリス−HCl(pH7.3)、200mM NaCl)で溶出した。SDS−PA
GEを用いて確認されたFITC標識E1(306〜605)(図省略、SDS−PAG
E上のFITC標識E1−2の位置は、非標識E1−2の位置よりわずかに高い)。
【0122】
切断体E1−2(306〜605)を含む小胞(SUV)の調製:E1タンパク質を含
む約0.1μmのサイズの小胞を調製するために、1mg/mLのDOPCをバイアルに
添加した。クロロホルムを窒素ブロー乾燥した後、タンパク質E1を含む水溶液(濃度約
0.5mg/ml)を添加し、次いで脂質膜を水和して懸濁液を作製し、この懸濁液を、
ポリカーボネート(PC)フィルム(直径100nm)を通してMini squeez
er(AVANTI Co.Ltd,Americaから購入)によって更に押出して、
タンパク質SUVを生成した。得られたSUVは、短期間は4℃で、長期間は−80℃で
保存することができる;蛍光標識されていないSUVのみが、光学顕微鏡下で同じサイズ
の小胞と類似の形態を示す。(得られたMini squeezerによるタンパク質S
UVは良好な均一性を有する)。
【0123】
切断型E1−2(306〜605)を含む巨大小胞を調製する手順:一方、蛍光標識さ
れた巨大小胞も調製することができた。茶色の瓶の中で1mlのDOPC(1mg/ml
)又は1mlのDPHPC(1mg/ml)と1%のTexas Red(Thermo
fisher Co.Ltd,Americaから購入)を混合した;次にこの手順では
、クロロホルムを窒素で乾燥するか、又はロータリーエバポレータでクロロホルムを揮発
させた;次に、上記工程から得られたDOPC又はDPHPCを真空乾燥機に一晩入れた
;E1タンパク質を挿入したハイブリッド巨大単層小胞(GUV)を得るために、E1を
含む200〜300μmのスクロース溶液(濃度約0.5mg/ml)を添加して脂質分
子層を水和した。
【0124】
Texas Redで標識されたこれらの小胞は蛍光顕微鏡で観察することができる。
小胞が埋め込まれた蛍光標識タンパク質複合体を調製するために、前の手順から得られた
FITC標識E1−2をここで使用することができる。蛍光顕微鏡でGUVを観察した結
果は、ロータリーエバポレータによって得られるより大きな直径を有する小胞のサイズが
スクイーザによって調製されるSUVのものほど均一ではないことを示す。いくつかの直
径50μmを超える小胞タンパク質複合体が人工膜トレイルを伴う後者のナノポア挿入に
おいて見出され、これらの小胞は二重層脂質膜を容易に破裂させる(人工脂質膜は、ポリ
アセタール樹脂からなる直径50μmの穴の表面に形成される、Warner Co.L
td,Americaから購入)。
【0125】
同じ方法を用いて切断型E1−2の突然変異体について膜融合実験を行い、結果は、W
T−E1(306〜605)と一致して、このタンパク質も人工脂質二重層及びPMOX
A−PDMS−PMOXAトリブロックコポリマーに安定的に挿入できることを示す。実
験の手順はWT−E1(306〜605)と同様であり、突然変異体E1が挿入されたG
UVが得られたとき、膜上に埋め込まれたタンパク質がCryo−EMによって観察され
、
図22及び
図23に示すように、ポーリンは膜上に安定して存在することができる。
【0126】
二重標識した小胞埋め込みタンパク質複合体(Texas red標識小胞として赤色
、及びFITC標識E1−2タンパク質として緑色)を蛍光顕微鏡下で観察し、いくつか
の標識E1−2タンパク質が小胞膜上で不規則な位置を示し、予想されるように「膜貫通
領域」の一部がリン脂質二重層に挿入されて細孔を形成することが認められる。この結果
はまた、導電性緩衝液中で、E1−2が電圧によって駆動される人工脂質膜上に自発的に
凝集し、予想される方向に膜内に挿入されて導電性細孔を形成できることを証明する。
【0127】
実施例3;E1タンパク質及びその突然変異体の電気生理学的実験
電気生理学的測定:この実施例で使用される機器は、増幅器とデジタル−アナログ変換
器(DAC)とを組み込んだHEKA EPC−10 USBであり、これは、一対の銀
/塩化銀電極(Ag/AgCl)である、圧力(電圧クランプ)電極と参照電極と呼ばれ
る2つの電極を有する。この機器を使用して、リン脂質二重層の両側を横切る膜貫通電流
を測定した。ここでの試料周波数設定は2kHzであり、ローパスフィルタの周波数は1
kHzである;ソフトウェアPatch−masterを使用してデータを収集し、Cl
ampfitを利用して収集したデータを分析した。
【0128】
二重層脂質膜(BLM)の製造:水平標準BLMファブリケータ及び垂直標準BLMチ
ャンバ(BCH−13A、Warner.Co.Ltd,Americaから購入;直径
50μmの穴を含むカップは特注品である)を使用してBLMを製造した。80〜240
μmの開口部を有する薄いテフロン(登録商標)フィルム(Eastern Sci.L
LCからのTP−02)及び50μmの開口部を有するポリホルムアルデヒド樹脂カップ
を、それぞれBLMファブリケータ及びBLMチャンバをシス区画(作業容積250μL
)とトランス区画(作業容積2.5mL)に分離するための仕切りとして使用した。確実
に開口部の縁全体を完全にコーティングするために、開口部に0.5μL、1mg/ml
のDOPC溶液又はDPHPC溶液(溶媒はn−ヘキサンである)を2回予め塗布した後
、2つの区画に導電性緩衝液(5mM Hepes/pH7.5、様々な濃度のKCl溶
液、又はPBS溶液を含む)で満たす;次に、50μmの開口部の近くに25mg/ml
のDOPC溶液又はDPHPC溶液(溶媒はn−ヘキサンである)を添加すると、電流が
10.2nAから0pAに低下することが分かる。
【0129】
E1のコンダクタンス分布:
先に調製した小胞−タンパク質複合体は、水平ptfe膜のマイクロポア(上述したよ
うな)又は垂直ポリホルムアルデヒド樹脂マイクロポア上にE1−2タンパク質ナノポア
構造が埋め込まれたBLMを形成する。
【0130】
先に調製した小胞/E1複合体のストック溶液を、使用前にBLM実験用に10〜20
倍に希釈した。E1を挿入するために、約2μLの希釈リポソーム溶液をシスチャンバに
充填した;他の簡単な方法を以下に述べる:ピペット上部のリポソームを含む気泡を使用
してシスチャンバの開口部を静かに掃引し、細孔が自然に形成される。E1タンパク質の
コンダクタンスは2つの方法で測定される:第1の方法は、一定の膜貫通電圧(例えば−
70mV)下で、複数の細孔が埋め込まれ、落下したときの電流の急激な変化を測定し、
次いで細孔のコンダクタンス分布を計算するためにデータをカウントする。第2の方法は
、膜の両側に走査電圧(例えば−120mV〜120mV)を印加し、電流及び電圧曲線
の速度を計算することによって細孔コンダクタンスを計算することである。
【0131】
本発明では、多数のデータをカウントし、その結果は、5mMのHEPES及び1Mの
KCl中の単一細孔のコンダクタンスが約1.34±0.07nSであることを実証する
(
図5に示すように);+70mVのトランス電圧が与えられたとき(
図4に示すように
)、単一細孔電流レベル及び2細孔電流レベルはそれぞれ約105pA及び200pAで
ある。異なる傾斜電圧の下でI−V曲線のプロットが得られ、単一細孔コンダクタンスは
約1.5nSと測定される(
図6に示すように)。5mM HEPES及び0.5M K
Clのコンダクタンス緩衝液の条件下で、E1の測定された単一コンダクタンスは約0.
78nsであり、50mVの膜貫通電圧で、人工脂質膜上に形成された単一E1細孔の電
流は約40pAであり、二重細孔の電流は約85pAである。I−V曲線下で、測定され
た単一細孔コンダクタンスは約1.57/2nSである。コンダクタンス緩衝液としての
PBS中で、タンパク質のコンダクタンスは0.2±0.02nSであり(
図7に示すよ
うに)、単一細孔の電流は約−70mVの電圧下で約23pAである。
【0132】
突然変異体E1について同じ試験を行い、その結果は、0.5M KCl、10Mm
HEPES(pH7.5)の下で、+100mVのバイアス電圧を与えた場合、単一細孔
埋め込みが約75pAの電流上昇工程を引き起こすことを示し、
図24に示すように、多
数の単一細孔埋め込み及び落下シグナルをカウントした後、−200〜200mVの走査
電圧の下で、単一細孔コンダクタンス分布はWT−E1(306〜605)細孔のものと
類似しており、両方とも約1.3±0.07nSであることが分かる。更に、走査電圧で
は、電圧に対する電流の散乱線形適合結果は良好であり、分散は低い。
【0133】
実施例4;E1タンパク質及びその突然変異体の細孔の安定性に関する試験
E1−2の細孔の安定性に関する試験:本発明では、リン脂質膜上のE1−2及びE1
の突然変異体の細孔の安定性及び高電圧ゲート現象をそれぞれ正及び負の電圧下で試験し
た。結果は以下を示した:正の300mV及び負の300mVの下でE1細孔に関してゲ
ート現象は見られず、E1細孔は、高電圧を与えられたときリン脂質膜上に安定に存在す
ることができた。同時に、コンダクタンス緩衝液(E1タンパク質を保存するために使用
される)中のグリセロールが多すぎると、膜に埋め込まれたタンパク質複合体が異常に不
安定になり、タンパク質が極めて容易に膜から脱落する又は膜が直接破裂することが認め
られる。
【0134】
高電圧でのE1タンパク質突然変異体(K421L、H323W)の安定性実験では、
−300〜300mVの走査電圧を採用した。より高い電圧(±300)で、細孔は膜上
で安定なままであり、コンダクタンス分布は有意に変化しないことが認められ、突然変異
体E1(K421L、H323W)もWT−E1(306〜605)のように安定なコン
ダクタンス特性を有する。
【0135】
実施例5;E1タンパク質及びその突然変異体の一本鎖DNA/RNA転位試験
この実施例で使用されるssDNAは48ntであり、Takara company
から購入され、その詳細な配列は以下のように表される;電解質はHEPES/1M K
Clである;一般に、この条件下で核酸輸送を達成するための2つの方法がある。
【0136】
方法1:E1タンパク質をBLMに挿入するときに、電圧を0mVに変更し、シスに輸
送されるべき核酸を添加する;方法2:輸送されるべき核酸をコンダクタンス緩衝液に予
め混合し、シス及びトランスを同じ量で混合する。DNAの転位は主に印加された膜貫通
電圧に依存する。特別な指示がない限り、この実験では方法1をssDNAの転位に採用
し、転位系におけるssDNAの濃度は100nM/Lである。
【0137】
48ntのssDNAの場合、単一細孔が膜に埋め込まれており、転位によって引き起
こされる電流遮断は約65ピコアンペアである(膜貫通電圧は約50mVである)(
図8
に示すように)。このセグメントにおける核酸の転位によって引き起こされる電流遮断割
合は約82%である(Ib/I、Ibは核酸転位によって引き起こされる電流遮断であり
、単位はpAである;Iはリン脂質二重層への単一細孔タンパク質の挿入によって引き起
こされる電流変化であり、単位はpAである);ssDNA転位の滞留時間は2ミリ秒で
ある(
図29〜30に示すように)。PBS中では、ssDNA転位実験は、+100m
Vの膜貫通電圧下で、24ntのssDNAが約80%の遮断及び1〜2ミリ秒の滞留時
間を誘導するという同様の結果を示す(
図9〜10に示すように)。
【0138】
一方、ssRNA転位実験は、上述したssDNA転位実験と同様に実施した。RNA
分解を防ぐためにDEPC溶液及びオートクレーブ滅菌を使用することに留意されたい。
結果は、ssDNA転位と同様に、ssRNAは約80%の遮断を誘導し、−50mVの
下でPBS緩衝液系中の遮断電流は約8pAであり、滞留時間は1〜2ミリ秒であること
を示す。
【0139】
比較として、核酸を含まず細孔のみを含む系における電流トレースは静的である。この
細孔の1つの利点は、対照群の静電流がめったに非特異的遮断を妨げないことである。実
験において、核酸をコンダクタンス緩衝液に予め混合した場合、タンパク質細孔がリン脂
質膜に最初に挿入された後即座に転位の量が検出され、遮断現象はますます少なくなる。
この結果は、試料タンク内に撹拌装置がない場合には、DNA転位の発生が遅れることを
示す。
【0140】
E1タンパク質突然変異体は、同じコンダクタンス条件及び一本鎖核酸を用いてssD
NA/ssRNAによって転位される。1M KCl及び10mM Hepes(pH7
.5)のコンダクタンス条件下で、120mVのバイアス電圧を印加すると、ssDNA
転位の遮断率は78%に近く、転位時間は0.5ミリ秒に近いことが認められ(
図26及
び25に示すように)、これはWT−E1(306〜605)のデータに近似する。
【0141】
実施例6;E1内部のdsDNAの遮断実験
BamHI酵素から得られた二本鎖DNA(dsDNA)をシスチャンバに添加し、転
位緩衝液は、ssDNAを含む10mM HEPES/1M KClである。移動シグナ
ルは、それぞれ50mV、70mV、120mV及び150mVの電圧で検出され、ds
DNA転位は観察されない。
【0142】
実施例7;E1核酸転位の検証実験
Q−PCRを用いて核酸増幅の標準曲線を作成した:dsDNAを、2つのssDNA
(80nt)をアニーリングすることから調製し、2%アガロースゲルで同定し、ゲルか
ら抽出した。ゲルから抽出されたdsDNAの濃度をQubit(登録商標)3.0(T
hermo fisher scientific Co.Ltd,America)に
よって測定した(この方法は正確度と精度において紫外分光光度計よりも優れている);
得られた既知濃度のdsDNAを10倍濃度勾配の10倍に希釈し、次いで標準的な相関
を得るためにQ−PCR(Premix SYBR−Takara Co.Ltd,Ja
pan)を用いてdsDNA濃度のct値の標準曲線を作成した(
図11〜12に示すよ
うに、Ct値は各濃度勾配下で良好な再現性を有し、R
2=0.99+である)。従って
、この標準的な相関は、その後のssDNA転位実験の計算の基礎として使用することが
できる。
【0143】
上記のように、E1タンパク質をシスチャンバ内の膜に埋め込んだ後、50nMの80
ヌクレオチドDNAを添加する(第一の方法)か、又は25nMの48ヌクレオチドDN
Aを両側のチャンバのコンダクタンス緩衝液に予め混合して(第二の方法)、Q−PCR
による細孔を通るssDNAの定量分析を行った。陰性対照として、50nMの80ヌク
レオチドDNAを、E1タンパク質を含まないシスチャンバに添加するか、又は等量の2
5nMの80ヌクレオチドDNAを両側のチャンバに添加した。膜の両側に−70mVの
電圧を印加し、それぞれ10分、20分、40分、60分、及び90分後にQ−PCR定
量分析のために2つのチャンバのコンダクタンス緩衝液を収集した。
【0144】
転位実験に関与する全ての核酸を以下に記載する:(Takara,Co.Ltd,J
apanから購入)
【0145】
48ヌクレオチドのDNA配列を配列番号16に示す:
3’−TTT TTT TTT AAA AAA TTT TTT GGG GGG
TTT TTT CCC CCC TTT TTT TTT−5’。
【0146】
44ヌクレオチドのDNA及び44ヌクレオチドのDNA 1の配列をそれぞれ配列番
号17及び配列番号18に示す:
5’−AGC TCC ACC CCT CCT GGT AAC CAG TTT
TTT TTT TTT TTT TTT TT−3’(配列番号17)。
5’−TTT TTT TTT TTT TTT TT CTG GTT ACC A
GG AGG GGT GGA GCT−3’(配列番号18)。
【0147】
24ヌクレオチドのDNA配列を配列番号19に示す:
5’−CTG GTT ACC AGG AGG GGT GGA GCT−3’。
【0148】
標識核酸鎖及び標識核酸鎖1を配列番号20及び配列番号21として記載する:
5’−CCTACGCCACCAGCTCCGTAGG−3’(5’−Cy5、3’−
BHQ2)(配列番号20)。
5’−CCTACGGAGCTGGTGGCGTAGGTTTTTTTTTTTTTT
TTTTTT−3’(配列番号21)。
【0149】
dスペーサを有するdsDNA及びdsDNA1(dスペーサはリン酸骨格のみを有し
、塩基を有さないヌクレオチドであり、そのため、その空間構造は通常のヌクレオチドよ
りも小さい)の配列を配列番号22(3つのdスペーサが11番目と12番目のビットの
間に挿入されている)(詳細な配列は5’−TTTTTTTTTTTXXXTTTTTT
TTTTT−3’であり、Xはdスペーサを表す)及び配列番号23に示す:
5’−TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT−3’(配列番号22)。
5’−AAAAAAAAAAAAAAAAAAAA−3’(配列番号23)。
【0150】
Q−PCRによる定量的転位分析に使用される核酸の配列を配列番号24及び配列番号
25に示す:
5’−CAG GCA GAG GAC AGA TAT TTG TAC TTG
CAT AGT CGG GTG CAA ACC TTT CGC TTT GAG
CAG CCA TGC ACA GAT GAA TCG GGT TTT TTT
TTT TTT TTTT(配列番号24)。
5’−CCC GAT TCA TCT GTG CAT GGC TGC TCA
AAG CGA AAG GTT TGC ACC CGA CTA TGC AAG
TAC AAA TAT CTG TCC TCT GCC TG(配列番号25)。
【0151】
Q−PCRによる定量的転位に使用される2つのプライマー(プライマー1及びプライ
マー2)をそれぞれ配列番号26及び配列番号27に示す:
5’−CAG GCA GAG GAC AGA TAT TT(配列番号26)。
5’−CCC GAT TCA TCT GTG CAT GG(配列番号27)。
【0152】
dsDNAのアニーリング手順をPCR装置で実施し、アニーリング温度は95℃であ
り、アニーリング時間は2分に設定する;次に冷却の工程は、1時間20分続く勾配(毎
分ほぼ1℃)に設定した。最後に、核酸産物をアガロースゲルによって測定した(
図13
に示すように)。
【0153】
本発明では、BamHIで消化した環状プラスミドHag−C1からdsDNAを取得
し、それをQIAGEN DNA精製キットで精製し、産物である3800bpのdsD
NAの精製をQIAGEN DNA精製キット(QIAGEN,Co.Ltd,Germ
any)によって実施した。
【0154】
実施例8;インビトロでのE1の巻き戻し実験
本発明は、インビトロでタンパク質六量体のdsDNAのらせん活性を検証するために
E1(306〜577)を使用する。
【0155】
ヘリカーゼ実験における緩衝液は、20mM HEPES(pH7.5)、0.7mg
/ml BSA、5%グリセロール、5mM MgCl
2、3mM DTTである;反応
は2mMのATPを添加することによって開始される;この試験における基質dsDNA
は、DNAの末端を5’−フッ素及び3’−クエンチャーで22bp標識されており、こ
れは自然にヘアピンを形成することができる。
【0156】
インビトロでは、DNA複製を補助するためにウイルス自体に含まれる他のタンパク質
成分がないため、dsDNAの平滑末端はこのヘリカーゼによって直接巻き戻されること
ができない。
【0157】
一本鎖の腕を有する合成dsDNAをインビトロでの巻き戻し実験及び後述する膜上で
の巻き戻し実験に使用する。E1タンパク質の巻き戻しは、単腕核酸鎖が細孔に入ること
から始まる。巻き戻しの工程で、励起波長は643nmであり、発光波長は667nmで
あり、巻き戻し工程を視覚的に観察するために多機能蛍光マイクロプレートリーダ(Bi
o−Tek,Co.Ltd,America)を用いて反応系内で基質(5nM核酸基質
)の蛍光を連続的にモニターする。dsDNAが巻き戻されると、ssDNA末端の一方
が自然にヘアピン構造を形成し、蛍光タグはクエンチャータグによって消光され得る。
【0158】
結果は、
図14に示すように、E1−2がインビトロでヘリカーゼ活性を有しており、
ATPの存在下で二本鎖核酸が巻き戻され得ることを実証する。
【0159】
実施例9;人工脂質膜上のE1及びその突然変異体の巻き戻し実験
インビトロでE1のヘリカーゼ活性を検証した後、人工脂質膜上での巻き戻し実験を計
画する:E1がBLMに挿入された後、二本鎖DNAの直径がE1タンパク質細孔の直径
よりも大きいため(上記のように)、dsDNAは、ATP及びMg
2+の不在下では、
室温(21℃)でE1タンパク質を通して転位することができなかった。
【0160】
しかしながら、ATPの濃度、Mg
2+濃度、及び系の温度を含む適切な系環境を制御
することによって、E1を通したdsDNA転位が分子レベルで観察される(
図15に示
すように)。比較として、本発明者らは、二本鎖DNAを転移させるために、ヘリカーゼ
活性を有さない別のMspA(その細孔の直径はE1の直径と類似しており、二本鎖DN
Aの直径よりも小さい)を選択し、非巻き戻し系(ATPなし、Mg
2+)並びにE1−
2と同じ温度、ATP濃度、及びMg
2+濃度の条件下で、二本鎖DNAはMspAポー
リンを通して輸送されることができない。
【0161】
E1ヘリカーゼ活性測定実験では低い塩濃度が必要とされるので、人工脂質膜上で巻き
戻しを行うためにPBSを選択する;この緩衝液中で、E1−2のコンダクタンスは約0
.2±0.02nSである。
【0162】
この実験のスキームを以下で説明する:BLMがPBSコンダクタンス緩衝液中で形成
された後、E1−2をBLMに安定に挿入した(上述したように);次いで、dsDNA
(最終濃度12.5nM)をシスチャンバに添加し、コンダクタンス緩衝液を加熱プレー
トで37℃に加熱した;次いでATP(最終濃度5mM)及びMg
2+(最終濃度5mM
)をコンダクタンス緩衝液に添加した。
【0163】
結果は、ATP加水分解により、BLMに埋め込まれたE1−2によってdsDNAが
ssDNAとして巻き戻され、シス側からトランス側に転位することを示す。−40mV
の下で、dsDNA巻き戻し現象の量を観察し、電圧を+40mVに反転させると細孔は
閉塞を保つ。しかしながら、電圧が+40mVから−50mVに変化させると、巻き戻し
が再び起こり、遮断状態から再開する(
図16に示すように)。
【0164】
異なる長さを有するdsDNAの膜上での巻き戻し:
更に、本発明は、人工脂質膜上での異なる長さを有するdsDNAの巻き戻し現象を検
討する。
【0165】
組換えプラスミドPET−28b+MspAをXhoI及びEcoO109Iで5つの
異なる長さの断片に消化した;両方の酵素が粘着末端を有する線状二本鎖を消化すること
ができるので、dsDNAは伸長した単腕を有し(上記の理由で長さは5bpである)、
そのため5つの異なる長さのdsDNAを使用して膜上での巻き戻しの際の異なる鎖の長
さの影響を検討し、実験工程は上記と同じである。
【0166】
結果は、他の同じ条件下で、鎖の長さが増加すると共に、E1−2の巻き戻し時間も比
例して増加することを示す。
図17に示すように、−100mVの下で、I
pore=−
400pA(N=20)であり、dsDNAの長さが2000bp未満の場合、巻き戻し
の速度は比較的一定であるが、dsDNAの長さが長くなるにつれて、E1−2の巻き戻
し活性が減少し、長さが5000bpに近くなると、巻き戻し時間は9秒に達することが
認められる。
【0167】
異なる温度での膜上のdsDNAの巻き戻し:
他方で、本発明は、温度が異なることを除いて同じ条件下で膜上のdsDNAの巻き戻
し現象を観察することを試みた。上記の24bpの核酸鎖の実験を、それぞれ室温(21
℃)、35℃未満、35℃〜37℃、及び37℃超の勾配温度で実施した。
【0168】
結果は、巻き戻しの頻度は温度の上昇に比例して増加するが、温度が37℃より高い場
合、巻き戻しは減少し始め、これはウイルスヘリカーゼとしてのE1−2の特徴と一致す
ることを示す(
図18及び19に示すように)。
【0169】
異なる膜貫通電圧での膜上のdsDNAの巻き戻し:
本発明はまた、異なる膜貫通電圧でE1−2が同じdsDNA基質を巻き戻すのに必要
な時間を決定し、実験工程は上記と同じである。
【0170】
実験結果は、シスチャンバに核酸基質を混合すると、絶対電圧値が負電圧で徐々に低下
する場合、それに応じて巻き戻し時間が延長し、非線形関数が電圧勾配及び巻き戻し時間
に適合することを示す。得られた曲線は軸方向を向いており、これは、電圧の駆動力に加
えて、E1−2も能動的に巻き戻しを行っており、2つの力の方向は同じであることを示
し、実証する。
図20に示すように、同じdsDNA基質について、−100mVの電圧
での巻き戻しには約3秒を要し、一方−20mVの電圧では、巻き戻し時間はほぼ30秒
に増加する。適合曲線の方向によれば、電圧駆動巻き戻しの方向は、E1−2の巻き戻し
の方向と同じである。E1はキノコ構造であり、一本鎖はDNA複製中にN末端の開口部
からタンパク質細孔に入るので、この状態のタンパク質のN末端開口部はシスチャンバの
負極に向かっていることが分かる。
【0171】
膜上の特別な核酸基質の巻き戻し:
本発明はまた、dsDNAの一本鎖中に3つのdスペーサ(塩基なし)を有する別の特
別な核酸基質を設計し、これは単腕を有し、A及びTからなる。この特別な核酸基質を用
いて巻き戻し実験を実施した。
【0172】
通常の巻き戻しシグナルでは、20〜30pAのサイズの小さなステップが特定の場所
に現れることが見出された。小さなステップシグナルの特定の位置は核酸中のdスペーサ
のものと一致する。
【0173】
膜上でのE1巻き戻し(Mg
2+及びATPの機能に依存する)の検証:
膜上のE1−2の巻き戻しを検証するために、Mg
2+とキレート化した過剰のEDT
Aを適用してヘリカーゼを不活性化した。実験工程は上記と同じである。巻き戻しの工程
で、過剰のEDTAキレート剤を反応系に添加した。
【0174】
結果は、EDTAの増加と共に、巻き戻し活性が徐々に阻害され、最大阻害効率は80
%超に達することを示す。過剰のMg
2+を反応系に添加した場合、巻き戻しが再び現れ
、最大効率の1/2以上に回復することが明らかに観察される。
【0175】
同時に、ATPの別の類似体であるATPαSを使用して、巻き戻し系におけるATP
を競合的に置き換えた場合、ATPαSはATPのように加水分解してエネルギーを供給
することができず、膜上の巻き戻し活性は有意に阻害される。この阻害はMg
2+をキレ
ート化するEDTAほど可逆的ではないので、過剰のATPαSを添加した場合、膜上の
巻き戻し活性は徐々に消失する。
【0176】
同じ実験方法及び条件で人工脂質膜上のE1突然変異体の巻き戻しを検討すると、E1
タンパク質の突然変異体の転位は2mM ATPによって開始されることが分かる。
図2
7、28に示すように、WT−E1(306〜605)と同様の巻き戻しシグナルが、−
100mVのバイアス電圧で観察される。
【0177】
上記の結果は、初めて、ウシパピローマウイルスの環状六量体ヘリカーゼが、脂質二重
層膜及びポリマー膜に埋め込まれたタンパク質ナノポアへと成功裏に操作されたことを示
す。ナノポアは、高電圧でゲートすることなく脂質二重層上に安定に留まることができる
。それは、温度特異性、及びATP類似体による競合的阻害などの人工脂質膜上のヘリカ
ーゼの特徴を依然として保持する。このナノポアは、膜上の一本鎖RNA及び一本鎖DN
Aを受動的に転位させることができる。単腕を有するdsDNAは、ATP加水分解によ
って供給されるエネルギーを使用して膜上で巻き戻されることができ、巻き戻し時間は基
質の長さに正比例する。
【0178】
上記の実験は、本発明が2つのタンパク質E1−1(306〜577)及びE1−2(
306〜605)を革新的に発見し、前者は導電性細孔を含む新しい単純な膜として使用
でき、核酸を脂質二重層に安定に挿入し、転位させることができ、後者は更にナノポア及
びヘリカーゼの二重の作用を有することを示す。本発明は、ナノポアとヘリカーゼの特性
を組み合わせたセンシングシステムを構築し、これは、カップリングナノポアであるヘリ
カーゼを必要とする既存のセンシング方法に取って代わるものであり、優れた応用展望を
有する。
【0179】
更に、本発明はまた、E1−2タンパク質の突然変異体を創造的に検討し、E1−2の
突然変異体を得る。変異単量体によって構築されるナノポアは、野生型タンパク質よりも
核酸及び他の負に帯電した小分子を捕捉する可能性が高いことが見出されている。更に、
変異タンパク質は電流範囲の増加を示し、そのため細孔の内部空洞は野生型より狭くなる
ので、細孔内の電流検出がより広範囲で高感度である。