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JP6959626B2 - Proton pump and its use - Google Patents
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Description

本発明は、生体におけるプロトンポンプおよびその利用に関する。 The present invention relates to a proton pump in a living body and its use.

細胞膜の内外でのイオン輸送の方法には、エネルギーを利用してイオンを一定方向へ輸送する能動輸送と、膜内外でのイオン濃度差および膜電位によりイオンを輸送する受動輸送がある。能動輸送を行うイオン輸送体はイオンポンプ、受動輸送を行うイオン輸送体はイオンチャネルと呼ばれる。 Methods of ion transport inside and outside the cell membrane include active transport, which transports ions in a certain direction using energy, and passive transport, which transports ions by the difference in ion concentration inside and outside the membrane and the membrane potential. An ion transporter that carries out active transport is called an ion pump, and an ion transporter that carries out passive transport is called an ion channel.

プロトン(水素イオン)を能動輸送するプロトンポンプは、生体内の細胞膜においてATP(アデノシン三リン酸)の合成、エネルギー変換に関与する。すなわち、プロトンポンプは、細胞質側のプロトンを細胞外側へ輸送する。その結果、生成されたプロトン濃度勾配を利用してATP合成酵素が働き、ATPが合成される。ATPは、筋肉を動かしたり神経を興奮させたりするなど、様々な生命現象を駆動する分子である。 A proton pump that actively transports protons (hydrogen ions) is involved in the synthesis and energy conversion of ATP (adenosine triphosphate) at the cell membrane in the living body. That is, the proton pump transports protons on the cytoplasmic side to the outside of the cell. As a result, ATP synthase works by utilizing the generated proton concentration gradient, and ATP is synthesized. ATP is a molecule that drives various life phenomena such as moving muscles and exciting nerves.

このようなプロトン能動輸送制御の重要性から、これまでに本発明者らはプロトン輸送についての研究を行っている。また、本発明者らは、非特許文献1に記載されているように、藻類のバクテリアにおいて光センサーとして働くAnabaena sensory rhodopsin(ASR)の1個のアミノ酸を(217番目のアスパラギン酸をグルタミン酸に)置換したタンパク質とレチナールとの複合体を大腸菌に発現させ、光を照射すると細胞外側から細胞質側へのプロトン輸送が行われることを見出している。なお、非特許文献1に記載された変異タンパク質とレチナールとの複合体によるプロトン輸送は、アミノ酸を変異させた人工的なタンパク質を用いて大腸菌で確認されたものであり、プロトン輸送がどのように行われているかは分かっていない。 Due to the importance of such proton active transport control, the present inventors have been conducting research on proton transport so far. In addition, as described in Non-Patent Document 1, the present inventors use one amino acid of Anabaena sensory rhodopsin (ASR), which acts as an optical sensor in algae bacteria (aspartic acid at position 217 to glutamate). It has been found that when a complex of a substituted protein and retinal is expressed in Escherichia coli and irradiated with light, proton transport from the outside of the cell to the cytoplasmic side is performed. The proton transport by the complex of the mutant protein and retinal described in Non-Patent Document 1 was confirmed in Escherichia coli using an artificial protein in which an amino acid was mutated. I don't know if it's done.

Engineering an inward proton transport from a bacterial sensor rhodopsin.J.Am.Chem.Soc.(2009) Kawanabe,A.et al.Engineering an inward plot transport from bacterial sensor rhodopsin. J. Am. Chem. Soc. (2009) Kawanabe, A. et al. et al.

プロトンポンプは、細胞質側のプロトンを細胞外側へ輸送する方向性を有する。そのため、ATP合成を妨げてしまう細胞外側のプロトンを細胞質側へ輸送するプロトンポンプは、生命現象に反するので自然界には存在しないと考えられていた。 The proton pump has a direction of transporting protons on the cytoplasmic side to the outside of the cell. Therefore, it was thought that a proton pump that transports protons outside the cell, which interferes with ATP synthesis, to the cytoplasm side does not exist in nature because it is contrary to a biological phenomenon.

一方、細胞外側のプロトンを細胞質側へ能動輸送するプロトンポンプは、例えばプロトンポンプを発現する遺伝子を、ベクターを使用して細胞内に導入し、細胞内のプロトン量を増加させる制御を行う実験ツールや、癌細胞特異的にプロトンポンプを発現させ、癌細胞を低pH状態にして死滅させるような治療方法への応用が期待できるため、付加価値が高い。なお、一般的に、プロトンポンプは細胞膜に逆向きに配向しないことが知られているため、細胞質側から細胞外側へプロトンを輸送するプロトンポンプを上記のような治療方法へ応用することは難しいと考えられている。 On the other hand, a proton pump that actively transports protons outside the cell to the cytoplasm side is an experimental tool that controls the increase in the amount of protons in the cell by introducing, for example, a gene expressing the proton pump into the cell using a vector. In addition, it is expected to be applied to a therapeutic method in which a proton pump is specifically expressed in cancer cells to bring the cancer cells to a low pH state and kill them, so that the added value is high. In general, it is known that the proton pump does not orient in the opposite direction to the cell membrane, so that it is difficult to apply the proton pump that transports the proton from the cytoplasmic side to the outside of the cell to the above-mentioned treatment method. It is considered.

本発明は、細胞外側から細胞質側へプロトンを能動輸送するプロトンポンプを提供することを主たる目的とする。 A main object of the present invention is to provide a proton pump that actively transports protons from the outside of a cell to the cytoplasmic side.

本発明によれば、以下の手段が提供される。
[1] レチナールまたはレチナール誘導体からなる発色団と、光受容タンパク質との複合体を有し、光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送するプロトンポンプ。
[2] 前記光受容タンパク質は、下記(A)および(B)
(A)PoXeRタンパク質
(B)PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において、1または複数個のアミノ酸が欠損、置換、挿入および/または付加され、かつ前記発色団との複合体において光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送するプロトンポンプ活性を有するタンパク質
のいずれかであることを特徴とする上記[1]に記載のプロトンポンプ。
[3] 前記光受容タンパク質は、下記a)〜d)の少なくともいずれかを満たすアミノ酸配列を有することを特徴とする上記[2]に記載のプロトンポンプ。
a) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において119番目のアスパラギン酸(以下Dとする)をグルタミン酸(以下Eとする)、アスパラギン(以下Nとする)、またはグルタミン(以下Qとする)に置換
b) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において158番目のEをQ、D、またはNに置換
c) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において216番目のDをE、N、またはQに置換
d) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において219番目のEをQ、D、またはNに置換
[4] PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において1または複数個のアミノ酸が欠損、置換、挿入および/または付加され、かつ、レチナールまたはレチナール誘導体からなる発色団との複合体において光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送するプロトンポンプ活性を有するタンパク質。
[5] 上記a)〜d)の少なくともいずれかを満たすアミノ酸配列を有する上記[4]に記載のタンパク質。
[6] 上記[4]または[5]に記載のタンパク質をコードする遺伝子。
[7] 上記[4]または[5]に記載のタンパク質をコードするコード領域を保持する発現ベクター。
[8] 上記[7]の発現ベクターが導入された形質転換体。
[9] 上記[6]に記載の遺伝子または上記[7]に記載の発現ベクターを含むキット。
[10] PoXeRタンパク質をコードする遺伝子またはPoXeRタンパク質をコードするコード領域を保持する発現ベクターを含む、光エネルギーによって細胞内の水素イオン濃度を制御するためのキット。
According to the present invention, the following means are provided.
[1] A proton pump having a complex of a chromophore composed of retinal or a retinal derivative and a photoreceptive protein, and actively transporting hydrogen ions from the outside of the cell to the cytoplasm side by light energy.
[2] The photoreceptive proteins are described in (A) and (B) below.
(A) PoXeR protein In the amino acid sequence of (B) PoXeR protein, one or more amino acids are deleted, substituted, inserted and / or added, and hydrogen ions are extracellularly generated by light energy in the complex with the chromophore. The proton pump according to the above [1], which is one of the proteins having a proton pump activity that actively transports the protein from the cell to the cytoplasmic side.
[3] The proton pump according to the above [2], wherein the photoreceptive protein has an amino acid sequence satisfying at least one of the following a) to d).
a) Substitute 119th asparagic acid (hereinafter referred to as D) in the amino acid sequence of PoXeR protein with glutamic acid (hereinafter referred to as E), asparagine (hereinafter referred to as N), or glutamine (hereinafter referred to as Q) b) PoXeR protein Replace E at position 158 with Q, D, or N in the amino acid sequence of c) Replace D at position 216 with E, N, or Q in the amino acid sequence of PoXeR protein d) E at position 219 in the amino acid sequence of PoXeR protein Is replaced with Q, D, or N [4] One or more amino acids are deleted, substituted, inserted and / or added in the amino acid sequence of the PoXeR protein, and a complex with a chromophore consisting of retinal or a retinal derivative. A protein with proton pump activity that actively transports hydrogen ions from the outside of the cell to the cytoplasm side by light energy.
[5] The protein according to the above [4], which has an amino acid sequence satisfying at least one of the above a) to d).
[6] A gene encoding the protein according to the above [4] or [5].
[7] An expression vector that retains a coding region encoding the protein according to the above [4] or [5].
[8] A transformant into which the expression vector of the above [7] has been introduced.
[9] A kit containing the gene according to the above [6] or the expression vector according to the above [7].
[10] A kit for controlling intracellular hydrogen ion concentration by light energy, which comprises an expression vector carrying a gene encoding a PoXeR protein or a coding region encoding a PoXeR protein.

本発明のプロトンポンプは、光エネルギーによる能動輸送によりプロトンを細胞外側から細胞質側へ輸送するため、光エネルギー量を調整することによって、細胞質側または細胞外側のプロトン量を制御できる。また、哺乳類細胞を用いることで、医学用などへの展開が可能になる。 Since the proton pump of the present invention transports protons from the outside of the cell to the cytoplasm side by active transport by light energy, the amount of protons on the cytoplasm side or the outside of the cell can be controlled by adjusting the amount of light energy. In addition, by using mammalian cells, it is possible to develop them for medical purposes.

レチナール−PoXeRタンパク質複合体の模式図。Schematic diagram of the retinal-PoXeR protein complex. 大腸菌細胞でのレチナール−PoXeRタンパク質複合体のポンプ活性アッセイの結果を示す図。The figure which shows the result of the pump activity assay of the retinal-PoXeR protein complex in Escherichia coli cells. レチナール−PoXeRタンパク質複合体の吸収スペクトル。Absorption spectrum of retinal-PoXeR protein complex. 細胞外側に、NaCl、CsCl、NaSOを加えた場合のポンプ活性アッセイの結果を示す図。(a)はレチナール−PoClRタンパク質複合体の結果を示し、(b)はレチナール−PoXeRタンパク質複合体の結果を示す。The figure which shows the result of the pump activity assay when NaCl, CsCl, and Na 2 SO 4 were added to the outside of a cell. (A) shows the result of the retinal-PoClR protein complex, and (b) shows the result of the retinal-PoXeR protein complex. レチナール−PoXeRタンパク質複合体の哺乳類細胞での電気生理学実験の結果を示す図。The figure which shows the result of the electrophysiological experiment in the mammalian cell of the retinal-PoXeR protein complex. 大腸菌細胞でのレチナールと変異型PoXeRタンパク質との複合体のポンプ活性アッセイの結果を示す図。The figure which shows the result of the pump activity assay of the complex of retinal and mutant PoXeR protein in Escherichia coli cells.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments, and changes, modifications, and improvements can be made without departing from the scope of the invention.

本発明のプロトンポンプは、レチナールまたはレチナール誘導体からなる発色団と、光受容タンパク質との複合体(発色団−タンパク質複合体)を有する。 The proton pump of the present invention has a complex (chromophore-protein complex) of a chromophore composed of retinal or a retinal derivative and a photoreceptive protein.

(発色団)
発色団であるレチナールおよびレチナール誘導体は、光を吸収することによってトランス型からシス型へ異性化し、発色団とタンパク質との複合体のタンパク質部分に構造変化を起こす。レチナールとしては、全トランスレチナール、11−シスレチナール、13−シスレチナール、9−シスレチナール等が挙げられる。
(Chromophore)
The chromophores, retinal and retinal derivatives, isomerize from the trans form to the cis form by absorbing light, causing structural changes in the protein portion of the chromophore-protein complex. Examples of the retinal include all trans retinal, 11-cis retinal, 13-cis retinal, 9-cis retinal and the like.

レチナール誘導体は、好ましくは、3,4−デヒドロレチナール、13−エチルレチナール、9−dm−レチナール、3−ヒドロキシレチナール、4−ヒドロキシレチナール、ナフチルレチナール、3,7,11−トリメチル−ドデカ−2,4,6,8,10ペンタエナール、3,7ジメチル−デカ−2,4,6,8−テトラエナール、3,7−ジメチル−オクタ−2,4,6−トリエナール、6−7回転阻止(rotation−blocked)レチナール、8−9回転阻止レチナール、および10−11回転阻止レチナールからなる群から選択される。 The retinal derivatives are preferably 3,4-dehydroretinal, 13-ethylretinal, 9-dm-retinal, 3-hydroxyretinal, 4-hydroxyretinal, naphthylretinal, 3,7,11-trimethyl-dodeca-2, 4,6,8,10 pentaenal, 3,7 dimethyl-deca-2,4,6,8-tetraenal, 3,7-dimethyl-octa-2,4,6-trienal, 6-7 rotation inhibition (rotation-) It is selected from the group consisting of blocked) retinal, 8-9 rotation blocking retinal, and 10-11 rotation blocking retinal.

(光受容タンパク質)
光受容タンパク質は、発色団と複合体を形成した状態で光を刺激として受容するタンパク質である。発色団−タンパク質複合体において、光受容タンパク質の1つはバクテリオロドプシンである。光エネルギーを利用し細胞外側のプロトンを細胞質側へ輸送するプロトンポンプとして機能する、発色団−タンパク質複合体を構成するタンパク質の形態の1つとしては、自然界に存在するPoXeRタンパク質が挙げられる。自然界に存在する生物のゲノムに由来するPoXeRタンパク質を用いることにより、構造的に安定し、機能が最適化された人工プロトンポンプとすることができる。
(Photoreceptive protein)
A photoreceptive protein is a protein that receives light as a stimulus in a state of forming a complex with a chromophore. In the chromophore-protein complex, one of the photoreceptive proteins is bacteriorhodopsin. One of the forms of proteins constituting the chromophore-protein complex, which functions as a proton pump that transports protons outside the cell to the cytoplasm side by using light energy, includes PoXeR protein existing in nature. By using the PoXeR protein derived from the genome of an organism existing in nature, it is possible to obtain an artificial proton pump that is structurally stable and whose function is optimized.

PoXeRタンパク質は、非特許文献(Mar.Genomics 24,211−213(2015) Tang,K.et al.)で、Parvularcula oceaniより機能未知のロドプシンとして報告されたタンパク質である。PoXeRのアミノ酸配列は、米国国立生物工学情報センター(NCBI)によればACCESSIONNo.WP_051881467としてデータベースに保存されている。 The PoXeR protein is a protein reported by Parvularcula oceani as rhodopsin of unknown function in the non-patent literature (Mar. Genomics 24, 211-213 (2015) Tang, K. et al.). The amino acid sequence of PoXeR is according to the National Center for Biotechnology Information (NCBI), ACCESS No. It is stored in the database as WP_051881467.

発色団−タンパク質複合体を構成する光受容タンパク質としては、PoXeRタンパク質の変異体も挙げられる。PoXeRタンパク質のすべてのアミノ酸がプロトン輸送に関わっているとは考えにくい。野生型PoXeRタンパク質の1または複数個のアミノ酸が欠損、置換、挿入および/または付加され、かつ発色団との複合体において光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送するプロトンポンプ活性を有するタンパク質との複合体によれば、細胞質側へのプロトンの能動輸送機能を維持又は当該機能の向上を図ることが可能である。 Examples of the photoreceptive protein constituting the chromophore-protein complex include variants of the PoXeR protein. It is unlikely that all amino acids in the PoXeR protein are involved in proton transport. Proton pump activity in which one or more amino acids of the wild-type PoXeR protein are deleted, substituted, inserted and / or added, and hydrogen ions are actively transported from the outside of the cell to the cytoplasm side by light energy in the complex with the chromophore. According to the complex with the protein, it is possible to maintain or improve the active transport function of protons to the cytoplasm side.

たとえば、細胞膜貫通部分以外のアミノ酸は、プロトン輸送に関わっている可能性が低いと思われる。したがって、PoXeRタンパク質における細胞膜貫通部分以外の領域、つまり細胞外領域および/または細胞内領域のアミノ酸の1または複数個を欠損、置換、挿入および/または付加を行っても、細胞質側へのプロトン能動輸送機能を維持すると考えられる。実際、本発明者らは、PоXeRタンパク質の細胞内領域であるC末端側にヒスチジンを6個付加したタンパク質(PoXeRタンパク質との相同性は97%)で、細胞外側から細胞質側へのプロトンの能動輸送機能を確認している。 For example, amino acids other than the transmembrane region are unlikely to be involved in proton transport. Therefore, even if one or more amino acids in the region other than the transmembrane region of the PoXeR protein, that is, the extracellular region and / or the intracellular region are deleted, substituted, inserted and / or added, proton active to the cytoplasm side is performed. It is thought that the transport function will be maintained. In fact, the present inventors are a protein in which six histidines are added to the C-terminal side, which is the intracellular region of the PоXeR protein (homologity with the PoXeR protein is 97%), and the active proton from the outside of the cell to the cytoplasmic side. We are confirming the transportation function.

光受容タンパク質をPoXeRタンパク質の変異体とする場合、PoXeRタンパク質のアミノ酸配列に対するアミノ酸の変異は、欠損、置換、挿入および付加のうちのいずれかであってもよく、これらのうちの2種類以上の組み合わせであってもよい。また、アミノ酸の変異の総数は、発色団との複合体において光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送するプロトンポンプ活性を有する限り特に制限されないが、好ましくは1個以上10個以下であり、より好ましくは1個以上6個以下である。 When the photoreceptive protein is a variant of the PoXeR protein, the amino acid mutation in the amino acid sequence of the PoXeR protein may be any of deletion, substitution, insertion and addition, and two or more of these. It may be a combination. The total number of amino acid mutations is not particularly limited as long as it has a proton pump activity that actively transports hydrogen ions from the outside of the cell to the cytoplasm side by light energy in the complex with the chromophore, but it is preferably 1 or more and 10 or less. It is more preferably 1 or more and 6 or less.

アミノ酸の置換は、保存的置換によるものであることが好ましい。「保存的置換」とは、アミノ酸残基の置換を、同様の性質の側鎖を有するアミノ酸残基によって行うことを意味する。具体的には、例えば、塩基性側鎖を有するアミノ酸(例えばリシン、アルギニン、ヒスチジン)、酸性側鎖を有するアミノ酸(例えばアスパラギン酸、グルタミン酸)、非荷電極性側鎖を有するアミノ酸(例えばアスパラギン、グルタミン、セリン、スレオニン、チロシン、システイン)、非極性側鎖を有するアミノ酸(例えばグリシン、アラニン、バリン、ロイシン、イソロイシン、プロリン、フェニルアラニン、メチオニン、トリプトファン)、β分岐側鎖を有するアミノ酸(例えばスレオニン、バリン、イソロイシン)、芳香族側鎖を有するアミノ酸(例えばチロシン、フェニルアラニン、トリプトファン)のように同様の性質の側鎖を有する群の中で置換する。また、保存的置換に依らない場合でも、発色団との複合体において光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送することが可能であれば好ましく適用される。 Amino acid substitutions are preferably by conservative substitutions. By "conservative substitution" is meant that the substitution of an amino acid residue is carried out by an amino acid residue having a side chain of similar nature. Specifically, for example, amino acids having a basic side chain (eg, lysine, arginine, histidine), amino acids having an acidic side chain (eg, aspartic acid, glutamic acid), amino acids having an uncharged polar side chain (eg, asparagine, glutamine). , Serin, threonine, tyrosine, cysteine), amino acids with non-polar side chains (eg glycine, alanine, valine, leucine, isoleucine, proline, phenylalanine, methionine, tryptophan), amino acids with β-branched side chains (eg threonine, valine) , Isoleucine), amino acids with aromatic side chains (eg, tyrosine, phenylalanine, tryptophan) are substituted in groups with side chains of similar nature. Further, even if it does not depend on conservative substitution, it is preferably applied if it is possible to actively transport hydrogen ions from the outside of the cell to the cytoplasm side by light energy in the complex with the chromophore.

PoXeRタンパク質の変異体としては、野生型のPoXeRタンパク質のアミノ酸配列に対して80%以上の同一性を有し、かつ発色団との複合体において光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送するプロトンポンプ活性を有するタンパク質が挙げられる。同一性は、好ましくは85%以上であり、より好ましくは90%以上であり、さらに好ましくは95%以上である。なお、アミノ酸配列の同一性は、BLAST等の解析プログラムを用いて決定することができる。 As a variant of PoXeR protein, it has 80% or more identity with the amino acid sequence of wild-type PoXeR protein, and in the complex with the chromophore, hydrogen ions are actively activated from the outside of the cell to the cytoplasmic side by light energy. Examples include proteins with proton pump activity to transport. The identity is preferably 85% or more, more preferably 90% or more, still more preferably 95% or more. The identity of the amino acid sequence can be determined by using an analysis program such as BLAST.

光受容タンパク質は、細胞外側から細胞質側へのプロトン輸送効率がより高いタンパク質複合体を得ることができる点で、中でも、下記a)〜d)の少なくともいずれかを満たすアミノ酸配列を有することが好ましい。
a) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において119番目のアスパラギン酸(以下Dとする)をグルタミン酸(以下Eとする)、アスパラギン(以下Nとする)、またはグルタミン(以下Qとする)に置換。
b) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において158番目のEをQ、D、またはNに置換。
c) PoXeRタンパク質の216番目のアミノ酸配列においてDをE、N、またはQに置換。
d) PoXeRタンパク質の219番目のアミノ酸配列においてEをQ、D、またはNに置換。
The photoreceptive protein preferably has an amino acid sequence satisfying at least one of the following a) to d) in that a protein complex having a higher proton transport efficiency from the outside of the cell to the cytoplasmic side can be obtained. ..
a) Substitute aspartic acid (hereinafter referred to as D) at position 119 in the amino acid sequence of the PoXeR protein with glutamic acid (hereinafter referred to as E), asparagine (hereinafter referred to as N), or glutamine (hereinafter referred to as Q).
b) Substitute E at position 158 with Q, D, or N in the amino acid sequence of the PoXeR protein.
c) Substitute D for E, N, or Q in the 216th amino acid sequence of the PoXeR protein.
d) Replace E with Q, D, or N in the 219th amino acid sequence of the PoXeR protein.

上記a)〜d)の少なくともいずれかを満たすアミノ酸配列を有するタンパク質は、自然界に存在する生物のゲノムに由来するタンパク質よりも、細胞外側から細胞質側へのプロトン輸送効率が高い人工的なタンパク質であり、プロトンポンプの適用範囲を拡大することが可能な点で好適である。当該タンパク質は、上記a)〜d)のうちの1種類を満たすアミノ酸配列からなるものであってもよいし、これらの2種類以上を組み合わせたアミノ酸配列からなるものであってもよい。また、レチナールまたはレチナール誘導体からなる発色団との複合体において光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送するプロトンポンプ活性を有する限り、上記a)〜d)のうちの少なくともいずれかのアミノ酸位置以外の部分に、1または複数個のアミノ酸が欠損、置換、挿入および/または付加されていてもよい。 A protein having an amino acid sequence satisfying at least one of the above a) to d) is an artificial protein having a higher proton transport efficiency from the outside of the cell to the cytoplasm side than a protein derived from the genome of a naturally occurring organism. Therefore, it is preferable in that the applicable range of the proton pump can be expanded. The protein may consist of an amino acid sequence satisfying one of the above a) to d), or may consist of an amino acid sequence in which two or more of these are combined. Further, as long as it has a proton pump activity that actively transports hydrogen ions from the outside of the cell to the cytoplasmic side by light energy in a complex with a chromophore composed of retinal or a retinal derivative, at least one of the above a) to d). One or more amino acids may be deleted, substituted, inserted and / or added to a portion other than the amino acid position.

(レチナールとPoXeRタンパク質の複合体)
図1に、発色団−タンパク質複合体の好ましい形態の一つである、レチナール17と野生型または変異型のPoXeRタンパク質(以下、「PoXeRタンパク質11」ともいう。)との複合体10の模式図を示す。複合体10は、宿主で発現されると、図1のように、N末端側13を細胞外側5に、C末端側15を細胞質側7に位置するように細胞膜上に存在する。具体的には、PoXeRタンパク質11は、細胞膜3を貫通し、PoXeRタンパク質11のN末端側13を細胞外側5に、C末端側15を細胞質側7に接するように配置される。複合体10において、レチナール17は、PoXeRタンパク質11に付着している。なお、符号12は、PoXeRタンパク質11を変異型とした場合のアミノ酸の変異位置を示す。図1では、PoXeRタンパク質のN末端側から216番目のアミノ酸位置を示している。
(Complex of retinal and PoXeR protein)
FIG. 1 is a schematic diagram of a complex 10 of retinal 17, which is one of the preferred forms of a chromophore-protein complex, and a wild-type or mutant PoXeR protein (hereinafter, also referred to as “PoXeR protein 11”). Is shown. When expressed in the host, the complex 10 is present on the cell membrane such that the N-terminal side 13 is located on the cell outer side 5 and the C-terminal side 15 is located on the cytoplasmic side 7, as shown in FIG. Specifically, the PoXeR protein 11 penetrates the cell membrane 3 and is arranged so that the N-terminal side 13 of the PoXeR protein 11 is in contact with the cell outer side 5 and the C-terminal side 15 is in contact with the cytoplasmic side 7. In complex 10, retinal 17 is attached to PoXeR protein 11. Reference numeral 12 indicates the mutation position of the amino acid when the PoXeR protein 11 is a mutant type. FIG. 1 shows the position of the 216th amino acid from the N-terminal side of the PoXeR protein.

光源31で光照射を開始すると、光を吸収することによってレチナール17が異性化し、PoXeRタンパク質11の構造変化が起こる。これにより、細胞外側5に存在するプロトン21は、PoXeRタンパク質11内を通り、細胞質側7へ輸送される。 When light irradiation is started by the light source 31, retinal 17 is isomerized by absorbing light, and a structural change of PoXeR protein 11 occurs. As a result, the proton 21 existing on the cell outer side 5 passes through the PoXeR protein 11 and is transported to the cytoplasmic side 7.

図3に、大腸菌に発現させた場合のレチナール−PoXeRタンパク質複合体の吸収スペクトルを示す。レチナール−PoXeRタンパク質複合体がプロトン輸送をするためには、図3によれば、500nmから615nmの波長の光を照射することが好ましく、特に570nm付近の光(緑色光)を照射することが好ましい。 FIG. 3 shows the absorption spectrum of the retinal-PoXeR protein complex when expressed in Escherichia coli. In order for the retinal-PoXeR protein complex to carry out proton transport, according to FIG. 3, it is preferable to irradiate light having a wavelength of 500 nm to 615 nm, and particularly preferably to irradiate light (green light) in the vicinity of 570 nm. ..

(発現ベクター)
本発明の発現ベクターは、上記a)〜d)の少なくともいずれかを満たすアミノ酸配列からなるタンパク質をコードするコード領域を保持するベクターである。こうしたベクターは、細胞内に導入されて目的とする遺伝子が発現されることで、細胞内のプロトン量を増加させる制御を行う実験ツールや、癌細胞特異的にプロトンポンプを発現させ、癌細胞を低pH状態にして死滅させるような治療方法等への応用の際に使用することができる。
(Expression vector)
The expression vector of the present invention is a vector having a coding region encoding a protein consisting of an amino acid sequence satisfying at least one of the above a) to d). These vectors can be used as experimental tools that control the increase in the amount of protons in cells by being introduced into cells and expressing the gene of interest, or by expressing a proton pump specifically for cancer cells to express cancer cells. It can be used when applied to a therapeutic method or the like that causes death in a low pH state.

発現ベクターにおいて、遺伝子を挿入するベクターの種類としては、これに限定されるものではないが、大腸菌(Escherichia coli)由来のプラスミド(例えばpET28、pGEX4T、pUC118、pUC119、pUC18、pUC19、及び他のプラスミドDNA)、枯草菌(Bacillus subtilis)由来のプラスミド(例えばpUB110、pTP5、及び他のプラスミドDNA)、酵母由来のプラスミド(例えばYEp13、YEp24、YCp50、及び他のプラスミドDNA)、λファージ(λgt11、λZAP等)、哺乳動物用プラスミド(pCMV、pSV40)、ウイルスベクター(アデノウイルスベクター、アデノ随伴ウイルスベクター、レトロウイルスベクター、レンチウイルスベクター、ワクシニアウイルスベクター、センダイウイルスベクターなどの動物ウイルスベクター、バキュロウイルスベクターなどの昆虫ウイルスベクター等)、植物用ベクター(バイナリベクターpBI系等)、コスミドベクターなどを用いることができる。 In the expression vector, the type of vector into which the gene is inserted is not limited to this, but is not limited to Escherichia coli-derived vectors (for example, pET28, pGEX4T, pUC118, pUC119, pUC18, pUC19, and other vectors. DNA), vectors derived from Bacillus subtilis (eg pUB110, pTP5, and other vector DNA), vectors derived from yeast (eg YEp13, YEp24, YCp50, and other vector DNA), λ phage (λgt11, λZAP) Etc.), mammalian plasmids (pCMV, pSV40), virus vectors (adenovirus vector, adeno-associated virus vector, retrovirus vector, lentivirus vector, vaccinia virus vector, animal virus vector such as Sendai virus vector, baculovirus vector, etc. Insect virus vector, etc.), plant vector (binary vector pBI system, etc.), cosmid vector, etc. can be used.

上記遺伝子は、通常、適当なベクター中のプロモーターの下流に、発現可能に連結される。用いるプロモーターの種類は特に限定されず、形質転換する宿主に応じて種々のプロモーターを用いることができる。また、本発明の発現ベクターは、所望によりエンハンサー、ポリA付加シグナル、スプライシングシグナル、リボソーム結合配列、選択マーカーなどを有していてもよい。 The gene is usually expressibly linked downstream of the promoter in a suitable vector. The type of promoter used is not particularly limited, and various promoters can be used depending on the host to be transformed. Further, the expression vector of the present invention may have an enhancer, a poly A addition signal, a splicing signal, a ribosome binding sequence, a selectable marker and the like, if desired.

(形質転換体)
本発明の形質転換体は、上記発現ベクターが導入されたものである。ベクターの導入方法としては、ベクターや宿主の種類等に応じて適宜選択できるが、その具体例としては、これに限定されるものではないが、非ウイルスベクター系には、リポフェクション法、エレクトロポレーション法、マイクロインジェクション法、プロトプラスト法等を用いることができ、ウイルスベクター系にはウイルスを感染させることで導入することができる。宿主としては、上記a)〜d)の少なくともいずれかを満たすアミノ酸配列からなるタンパク質をコードする遺伝子を発現可能であれば特に限定されない。宿主として哺乳類細胞を用いることで、たとえば癌細胞特異的にプロトンポンプを発現させ、癌細胞を低pH状態にして死滅させるような治療方法などへの展開が可能になる。哺乳類細胞としては、例えばヒト、ウシ、マウス、ラット、チャイニーズハムスター等が挙げられる。
(Transformant)
The transformant of the present invention is the one into which the above expression vector has been introduced. The vector introduction method can be appropriately selected according to the type of vector and host, and specific examples thereof are not limited to this, but for non-viral vector systems, the lipofection method and electroporation are used. A method, a microinjection method, a protoplast method, or the like can be used, and a virus vector system can be introduced by infecting a virus. The host is not particularly limited as long as it can express a gene encoding a protein consisting of an amino acid sequence satisfying at least one of the above a) to d). By using mammalian cells as a host, for example, it is possible to develop a therapeutic method in which a proton pump is specifically expressed in a cancer cell and the cancer cell is brought to a low pH state to be killed. Examples of mammalian cells include humans, cows, mice, rats, Chinese hamsters and the like.

(キット)
本発明のキットは、上記a)〜d)の少なくともいずれかを満たすアミノ酸配列からなるタンパク質をコードする遺伝子、または当該遺伝子が挿入されたベクターを含む。本発明のキットは、これら遺伝子またはベクター以外のその他の成分を、当該遺伝子またはベクターと一体に、または別個に含んでいてもよい。こうしたその他の成分としては、例えば、溶液、バッファー、試薬、塩などが挙げられる。本発明のキットは、例えば、動物細胞や植物細胞における水素イオン濃度勾配のメカニズムの研究、癌治療用キット、プロトンポンプ阻害薬の代替用キット、神経活動制御のツール、シナプス小胞における神経伝達物質の制御等に利用することができる。
(kit)
The kit of the present invention contains a gene encoding a protein consisting of an amino acid sequence satisfying at least one of the above a) to d), or a vector into which the gene is inserted. The kit of the present invention may contain other components other than these genes or vectors, either integrally or separately from the genes or vectors. Examples of such other components include solutions, buffers, reagents, salts and the like. The kits of the present invention include, for example, studying the mechanism of hydrogen ion concentration gradient in animal cells and plant cells, cancer treatment kits, alternative kits for proton pump inhibitors, tools for controlling neural activity, neurotransmitters in synaptic vesicles. It can be used for control of.

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

(遺伝子構築、タンパク質発現および精製)
PoXeR遺伝子は、大腸菌での発現用にコドンを最適化したものを遺伝子合成することによって作製し、精製用の6×HisタグをC末端側に付加した。これをpET21a(+)ベクターに導入した。アミノ酸変異体の作製は、QuikChange法を用いて行った。野生型および変異型タンパク質は、PoXeR遺伝子を用いて形質転換した大腸菌 C43(DE3)株の懸濁液に、10μM 全トランスレチナール(シグマアルドリッチ)と共に0.21mMイソプロピルβ−D−チオガラクトピラノシドを加えることで、37℃において4時間誘導をかけ発現させた。その後、PoXeRの精製は、過去の井上らの方法(Inoue et al., Nat.Commun.,4,1678(2013))を参考にした。フレンチプレスによって大腸菌の菌体を破砕し、125,000×gの条件で超遠心を行って膜断片を回収し、膜タンパク質を2% n−dodecyl−β−D−maltoside (DDM)、300mM NaCl、5mM イミダゾール、50mM MES(pH6.5)中で可溶化した。さらに、Co2+−NTAアフィニティークロマトグラフィーを用いて精製した後、回収した画分を0.1%DDM、100mM NaCl、50mM Tris−HCl(pH 8.0)に透析して、イミダゾールを取り除いた。
(Gene construction, protein expression and purification)
The PoXeR gene was prepared by gene synthesis of a codon-optimized gene for expression in Escherichia coli, and a 6 × His tag for purification was added to the C-terminal side. This was introduced into the pET21a (+) vector. The amino acid mutant was prepared by using the QuikChange method. Wild-type and mutant proteins are 0.21 mM isopropyl β-D-thiogalactopyranoside in a suspension of E. coli C43 (DE3) strain transformed with the PoXeR gene, along with 10 μM total transretinal (sigma-aldrich). Was induced at 37 ° C. for 4 hours for expression. After that, the purification of PoXeR was based on the method of Inoue et al. (Inoue et al., Nat.Commun., 4, 1678 (2013)) in the past. Escherichia coli cells were disrupted by a French press, and membrane fragments were collected by ultracentrifugation under the condition of 125,000 × g. Solubilized in 5, mM imidazole, 50 mM MES (pH 6.5). Further, after purification using Co 2+ -NTA affinity chromatography, the recovered fraction was dialyzed against 0.1% DDM, 100 mM NaCl, 50 mM Tris-HCl (pH 8.0) to remove imidazole.

(実施例1)
まず、レチナール−PoXeRタンパク質複合体のイオン輸送について調べた。PoXeRタンパク質としては野生型のものを用いた(実施例2,3についても同じ)。図2に、大腸菌細胞でのレチナール−PoXeRタンパク質複合体のポンプ活性アッセイの結果を示す。
(Example 1)
First, the ion transport of the retinal-PoXeR protein complex was investigated. A wild-type PoXeR protein was used (the same applies to Examples 2 and 3). FIG. 2 shows the results of a pump activity assay for the retinal-PoXeR protein complex in E. coli cells.

大腸菌細胞中でのレチナール−PoXeRタンパク質複合体による光駆動ポンプ活性アッセイは以下のようにして行った。
PoXeRを発現させた大腸菌を遠心(4,800×g、3分)により回収し、100mMの塩(NaCl、CsClまたはNaSO)を用いて懸濁および洗浄を行った。この大腸菌菌体について、660nmにおける濁度が2になるように菌体濃度を調節した懸濁液7.5mL分を測定に用いた。懸濁液を暗条件においた後、ロングパスガラスフィルターで500nmより短波長側の光をカットした1−kWのタングステンハロゲンプロジェクターランプの光を照射し、その時に生じる光誘起のpH変化を、pHメーターを用いて測定することで、レチナール−PoXeRタンパク質複合体のポンプ活性のアッセイを行った。また同様の測定を10μM Carbonyl cyanide m−chlorophenyl hydrazine(図2では、CCCPと記載。以下CCCPとする)を加えた条件でも行った。
The light-driven pump activity assay with the retinal-PoXeR protein complex in Escherichia coli cells was performed as follows.
Escherichia coli expressing PoXeR was recovered by centrifugation (4,800 × g, 3 minutes), suspended and washed with 100 mM salt (NaCl, CsCl or Na 2 SO 4). For this Escherichia coli cell, 7.5 mL of a suspension in which the cell concentration was adjusted so that the turbidity at 660 nm became 2, was used for the measurement. After placing the suspension in a dark condition, a long-pass glass filter is used to irradiate light from a 1-kW tungsten halogen projector lamp that cuts light on the wavelength side shorter than 500 nm, and the photo-induced pH change that occurs at that time is measured by a pH meter. The pump activity of the retinal-PoXeR protein complex was assayed by measurement using. The same measurement was also carried out under the condition that 10 μM Carbonyl cyanide m-chromopheneyl hydrazine (referred to as CCCP in FIG. 2, hereinafter referred to as CCCP) was added.

なお、図2において、縦軸は細胞外側のpH、横軸は時間(秒)を示す。光の照射は0sで開始し、150sで終了した。実線はCCCPを加えないとき、破線はCCCPは加えたときを示す。ここで、CCCPは、プロトンの細胞膜の透過性を上昇させる働きがある。したがって、CCCPを加えると、細胞内外でプロトン以外のイオンによる電荷に差が見られない場合には、細胞外側のpHと細胞質側のpHは互いに近づくことになる。 In FIG. 2, the vertical axis represents the pH outside the cell and the horizontal axis represents the time (seconds). Light irradiation started at 0 s and ended at 150 s. The solid line shows when CCCP is not added, and the broken line shows when CCCP is added. Here, CCCP has a function of increasing the permeability of the cell membrane of protons. Therefore, when CCCP is added, the pH on the outside of the cell and the pH on the cytoplasm side are close to each other when there is no difference in the charge due to ions other than protons inside and outside the cell.

・結果と考察
レチナール−PoXeRタンパク質複合体を発現させた大腸菌では、図2に実線で示すように、CCCPの非存在下において光を照射すると細胞外側のpHが高くなった。これは、細胞外側のプロトンが細胞質側へ輸送されることで細胞外側のプロトンが減り、pHが高くなったことによるものと考えられる。また、CCCPを加えた場合には、図2に破線で示すように、光の照射中において細胞外側のpHは殆ど変化しなかった。CCCPを加えた場合には、細胞質側に輸送されたプロトンが、CCCPの影響により細胞膜を透過して細胞質側に戻ったため、プロトンの量の変化が少なかったと考えられる。これらのことから、レチナール−PoXeRタンパク質複合体は、光エネルギーによりプロトンを細胞外側から細胞質側へ輸送することが示唆された。
自然界に存在する生物のゲノムに由来するタンパク質は、一般的には、進化の過程で環境に適応した構造的に安定し機能が最適化されたタンパク質と考えられる。そのため、PoXeRタンパク質によるプロトンポンプは、実験ツールや治療方法へ応用の際に安定したプロトン輸送機能を発揮すると考えられる。
-Results and discussion In Escherichia coli expressing the retinal-PoXeR protein complex, as shown by the solid line in FIG. 2, the pH outside the cells increased when irradiated with light in the absence of CCCP. It is considered that this is because the protons on the outside of the cell are transported to the cytoplasm side, so that the protons on the outside of the cell are reduced and the pH is increased. When CCCP was added, the pH outside the cells hardly changed during irradiation with light, as shown by the broken line in FIG. When CCCP was added, it is considered that the change in the amount of protons was small because the protons transported to the cytoplasm side permeated the cell membrane and returned to the cytoplasm side due to the influence of CCCP. These results suggest that the retinal-PoXeR protein complex transports protons from the outside of the cell to the cytoplasmic side by light energy.
Proteins derived from the genomes of naturally occurring organisms are generally considered to be structurally stable and functionally optimized proteins adapted to the environment during evolution. Therefore, it is considered that the proton pump using PoXeR protein exhibits a stable proton transport function when applied to experimental tools and therapeutic methods.

(実施例2)
次に、細胞外側にNaCl、CsCl、NaSOをそれぞれ添加した場合のレチナール−PoXeRタンパク質複合体のイオン輸送について調べた。図4にその結果を示す。図4(a)は、比較のため、Clを内向きに輸送する機能を持つレチナール−PoClRタンパク質複合体の結果を示し、図4(b)は、レチナール−PoXeRタンパク質複合体の結果を示す。図4において、縦軸は、細胞外側のpH、横軸は時間(秒)を示す。グラフは、上から順に、細胞外側に、NaCl、CsCl、NaSOをそれぞれ加えた場合の結果を示す。
(Example 2)
Next, the ion transport of the retinal-PoXeR protein complex when NaCl, CsCl, and Na 2 SO 4 were added to the outside of the cell was investigated. The result is shown in FIG. FIG. 4 (a) shows the results of the retinal-PoClR protein complex having the function of transporting Cl − inward for comparison, and FIG. 4 (b) shows the results of the retinal-PoXeR protein complex. .. In FIG. 4, the vertical axis represents the pH outside the cell and the horizontal axis represents the time (seconds). The graph shows the results when NaCl, CsCl, and Na 2 SO 4 are added to the outside of the cell in order from the top.

なお、タンパク質複合体がNaCl、CsCl、NaSOを構成するいずれかのイオンを細胞外側から細胞内側へ輸送する機能を有する場合には、3種類の物質を添加した実験結果のグラフに違いが現れると考えられる。また、NaCl、CsCl、NaSOが細胞外に存在していた場合の輸送機能に対する影響も確認することができると考えられる。図4では、NaCl、CsCl、NaSO毎に、CCCPを加えないときを実線で示し、CCCPは加えたときを破線で示す。また、グラフには、上から順にNaCl、CsCl、NaSOと表示されているが、光の照射開始時刻である0sにおける各pHの値は同じであり、CCCPの有無によるpHの差を示している。 If the protein complex has the function of transporting any of the ions constituting NaCl, CsCl, and Na 2 SO 4 from the outside of the cell to the inside of the cell, the graph of the experimental result in which three kinds of substances are added is different. Is thought to appear. In addition, it is considered that the effect on the transport function when NaCl, CsCl, and Na 2 SO 4 are present extracellularly can be confirmed. In FIG. 4, for each of NaCl, CsCl, and Na 2 SO 4, the time when CCCP is not added is shown by a solid line, and the time when CCCP is added is shown by a broken line. Further, in the graph, NaCl, CsCl, and Na 2 SO 4 are displayed in order from the top, but the value of each pH at 0 s, which is the start time of light irradiation, is the same, and the difference in pH depending on the presence or absence of CCCP is displayed. Shown.

まず、レチナール−PoClRタンパク質複合体について、CCCPの非存在下では、図4(a)に実線で示すように、NaCl、CsClを加えると、光照射に伴い細胞外側のpHが高くなった。これは、細胞質側にClが輸送されて細胞質側が電気的にマイナスになったことにより、細胞外側のプロトン(H)が電気的に細胞質側に移動し、その結果、細胞外側のプロトンは減りpHが高くなったことによるものと考えられる。また、CCCPを加えると、図4(a)に破線で示すように、細胞外側のpHは、CCCPを加えない場合に比べて更に高くなった。これは、CCCPの添加により細胞膜の透過性が高くなり、更に細胞外側のプロトンが細胞質側に移動したことによるものと考えられる。 First, regarding the retinal-PoClR protein complex, in the absence of CCCP, when NaCl and CsCl were added as shown by the solid line in FIG. 4 (a), the pH outside the cells increased with light irradiation. This is because Cl was transported to the cytoplasmic side and the cytoplasmic side became electrically negative, so that the protons on the outside of the cell (H + ) were electrically transferred to the cytoplasmic side, and as a result, the protons on the outside of the cell were transferred. It is probable that this was due to the decrease in pH and the increase in pH. Further, when CCCP was added, as shown by the broken line in FIG. 4A, the pH outside the cells became higher than that when CCCP was not added. It is considered that this is because the addition of CCCP increased the permeability of the cell membrane and the protons on the outside of the cell moved to the cytoplasm side.

一方、NaSOを添加した場合には、「+CCCP」と「−CCCP」で細胞外pHの変化に差がなく、細胞外にClがないためイオン輸送が行われていないことを示した。 On the other hand, when adding over Na 2 SO 4, the "+ CCCP" and no difference in the change of extracellular pH in "-CCCP", Cl extracellularly - indicates that the ion transport is not performed because there is no rice field.

レチナール−PoXeRタンパク質複合体については、図4(b)に実線で示すように、CCCPの非存在下では、NaCl、CsCl、NaSOをそれぞれ添加した場合、光の照射により細胞外側のpHは高くなった。一方、CCCPの存在下では、図4(b)に破線で示すように、光を照射しても細胞外側のpHは殆ど変化しなかった。これは、CCCPの非存在下では、細胞外側のプロトンが細胞質側へ輸送されるため、細胞外側のプロトンは減りpHが高くなり、CCCPの存在下では、細胞質側に輸送されたプロトンが、細胞膜を透過して細胞質側に戻ったためであると考えられる。 For the retinal-PoXeR protein complex, as shown by the solid line in FIG. 4 (b), in the absence of CCCP, when NaCl, CsCl, and Na 2 SO 4 were added, the pH outside the cell was determined by irradiation with light. Has become higher. On the other hand, in the presence of CCCP, as shown by the broken line in FIG. 4 (b), the pH outside the cells hardly changed even when irradiated with light. This is because in the absence of CCCP, the protons on the outside of the cell are transported to the cytoplasm side, so that the protons on the outside of the cell decrease and the pH becomes high, and in the presence of CCCP, the protons transported to the cytoplasm side are transferred to the cell membrane. It is considered that this is because the cells permeated and returned to the cytoplasmic side.

このように、レチナール−PoXeRタンパク質複合体を発現させた大腸菌では、細胞外側にNaCl、CsCl、NaSOを加えて光照射した場合、3種類の物質を添加した実験結果のグラフに違いが殆ど現れなかった。また、「+CCCP」の細胞外側pHに対して、「−CCCP」の細胞外側pHが上昇することが確認された。これらの結果は、レチナール−PoXeRタンパク質複合体が、光エネルギーを駆動源としてプロトンを細胞外側から細胞質側へ輸送することを示唆している。また、NaCl、CsCl、NaSOを細胞外側に添加しても機能確認できたことから、レチナール−PoXeRタンパク質複合体は、細胞外側の環境状態に左右されず、細胞外側から細胞質側へのプロトンを輸送する機能を有することが確認された。 In this way, in Escherichia coli expressing the retinal-PoXeR protein complex, when NaCl, CsCl, and Na 2 SO 4 were added to the outside of the cell and irradiated with light, there was a difference in the graph of the experimental results in which three kinds of substances were added. It hardly appeared. It was also confirmed that the extracellular pH of "-CCCP" increased with respect to the extracellular pH of "+ CCCP". These results suggest that the retinal-PoXeR protein complex transports protons from the outside of the cell to the cytoplasmic side using light energy as a driving source. In addition, since the function was confirmed even when NaCl, CsCl, and Na 2 SO 4 were added to the outside of the cell, the retinal-PoXeR protein complex was not affected by the environmental state outside the cell, and was transferred from the outside of the cell to the cytoplasm side. It was confirmed that it has a function of transporting protons.

(実施例3)
レチナール−PoXeRタンパク質複合体を哺乳類細胞で発現させ、レチナール−PoXeRタンパク質複合体のイオン輸送について解析を行った。実施例1の大腸菌を用いた実験では、細胞内電位を変化させることができず、細胞内の電位も通常状態の1水準のみでしか測定できなかったが、哺乳類細胞で発現させることができれば、細胞内電位を変化させることが可能となり、プロトンの輸送方法が能動輸送、受動輸送のいずれであるかを調べることができる。また、哺乳類細胞を用いることで、たとえば癌細胞特異的にプロトンポンプを発現させ、癌細胞を低pH状態にして死滅させるような治療方法などへの展開が可能になる。
(Example 3)
The retinal-PoXeR protein complex was expressed in mammalian cells and the ion transport of the retinal-PoXeR protein complex was analyzed. In the experiment using Escherichia coli in Example 1, the intracellular potential could not be changed, and the intracellular potential could be measured only at one level in the normal state. However, if it can be expressed in mammalian cells, It is possible to change the intracellular potential, and it is possible to investigate whether the proton transport method is active transport or passive transport. Further, by using mammalian cells, for example, it is possible to develop a therapeutic method in which a proton pump is specifically expressed in a cancer cell and the cancer cell is brought to a low pH state to be killed.

(哺乳類細胞への発現)
ヒトコドンに最適化したPoXeR遺伝子を遺伝子合成によって作製したものを、pEGFPベクターのHindIIIサイトとBamHIサイトの間にクローニングした。発現用にはDS Pharma Biomedical社より購入したND7/23細胞を用い、高グルコースのDMEM培地(和光純薬)で37℃、5% CO環境下で培養を行った。ND7/23細胞へのPoXeR遺伝子を含むプラスミドのトランスフェクションはLipofectamine 2000(Invitrogen)を用いて行った。さらに細胞へのトランスフェクションを行った培地中に1μM全トランスレチナール(シグマアルドリッチ)を加えた。タンパク質の発現は蛍光顕微鏡(IX−73、オリンパス)を用いて確認した。その結果、哺乳類細胞であるND7/23細胞への発現が確認できた。またこの結果から、ヒト細胞への発現が可能と考えられる。
(Expression in mammalian cells)
The PoXeR gene optimized for human codon was prepared by gene synthesis and cloned between the HindIII site and the BamHI site of the pEGFP vector. For expression, ND7 / 23 cells purchased from DS Pharma Biomedical were used and cultured in a high glucose DMEM medium (Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) at 37 ° C. in a 5% CO 2 environment. Transfection of the plasmid containing the PoXeR gene into ND7 / 23 cells was performed using Lipofectamine 2000 (Invitrogen). Further, 1 μM total transretinal (sigma-aldrich) was added to the medium obtained by transfecting the cells. Protein expression was confirmed using a fluorescence microscope (IX-73, Olympus). As a result, the expression in ND7 / 23 cells, which are mammalian cells, was confirmed. From this result, it is considered that the expression in human cells is possible.

(電気生理学実験)
次に、レチナール−PoXeRタンパク質複合体を哺乳類細胞(ND7/23細胞)に発現させ、細胞内電位を変化させてレチナール−PoXeRタンパク質複合体のプロトンの能動輸送を確認した。測定はホールセルパッチクランプ法にて行い、具体的には以下のようにして行った。
・測定方法
ホールセルパッチクランプ測定は、アンプ(Axopatch 200B)を用いて行った。OSG L12194−00−39070(浜松ホトニクス)からの光をライトガイドを用いて倒立型顕微鏡(IMT−2、オリンパス)に導入することで連続光照射を行った。照射光はメカニカルシャッター(LS6S、Vincent Associates)を用いて制御した。ガラスピペットはマイクロピペットピラー(P−97、Sutter Instrument)を用いて成形し、マイクロフォージ(MF−830、NARISHIGE)を用いて火仕上げを行った。ピペット抵抗は1.5−2.5MΩ程度とした。ピペット電極はマイクロマニピュレーター(PCS−5000、Burleigh instruments)を用いて操作した。電流は10 kHzで記録し、アンプ中の内部回路によって2 kHzでフィルタリングした。データの保存とシャッターの開閉は、Digidata 1550を用いて、ソフトウェアpClamp 10によって行われた。得られたデータはソフトウェアClampfit10を用いて解析した。
標準外部溶液には、140 mM NaCl、2 mM MgCl、2 mM CaCl、2 mM KCl、10 mM HEPES−NaOH (pH 7.2)を用いた。一方、標準内部液には、110 mM NaCl、2 mM MgCl、 1 mM CaCl、5 mM KCl、10 mM EGTA、10 mM HEPES−NaOH (pH 7.2)を用いた。溶液の浸透圧は適切な量のスクロースを加えることで300mOsmに調節した。
(Electrophysiology experiment)
Next, the retinal-PoXeR protein complex was expressed in mammalian cells (ND7 / 23 cells), and the intracellular potential was changed to confirm the active transport of protons from the retinal-PoXeR protein complex. The measurement was performed by the whole cell patch clamp method, specifically as follows.
-Measurement method The whole cell patch clamp measurement was performed using an amplifier (Axopatch 200B). Continuous light irradiation was performed by introducing light from OSG L12194-00-39070 (Hamamatsu Photonics) into an inverted microscope (IMT-2, Olympus) using a light guide. The irradiation light was controlled using a mechanical shutter (LS6S, Vincent Associates). The glass pipette was molded using a micropipette pillar (P-97, Sutter Instrument) and fire-finished using a microforge (MF-830, NARISHIGE). The pipette resistance was about 1.5-2.5 MΩ. Pipette electrodes were operated using a micromanipulator (PCS-5000, Burleigh instruments). The current was recorded at 10 kHz and filtered by an internal circuit in the amplifier at 2 kHz. Data storage and shutter opening and closing were performed by software pClamp 10 using Digidata 1550. The obtained data was analyzed using software Clampfit 10.
140 mM NaCl, 2 mM MgCl 2 , 2 mM CaCl 2 , 2 mM KCl, 10 mM HEPES-NaOH (pH 7.2) was used as the standard external solution. On the other hand, 110 mM NaCl, 2 mM MgCl 2 , 1 mM CaCl 2 , 5 mM KCl, 10 mM EGTA, and 10 mM HEPES-NaOH (pH 7.2) were used as the standard internal solution. The osmotic pressure of the solution was adjusted to 300 mOsm by adding an appropriate amount of sucrose.

・結果と考察
図5に、レチナール−PoXeRタンパク質複合体の哺乳類細胞での電気生理学実験の結果を示す。図5(a)は、細胞外側pHを7.2として、光(570nm)を照射した際の細胞膜の電流の測定結果である。パラメータは細胞質側の電圧であり、細胞質側の電圧を20mV,0mV,−20mV,−40mV,−60mVとしてそれぞれ測定した。
図5(a)に示すように、レチナール−PoXeRタンパク質複合体を発現させた哺乳類細胞の細胞外側に光を照射すると、電流が発生して一旦大きく下がった。また、光を照射している間、安定な電流が流れた。安定時の電流値(絶対値)は、細胞質側の電圧が−60mVで最も大きく、20mVで最も小さかった。また、電圧値が低いほど(−60mV、−40mV、−20mV、0mV、20mVの順に)安定時の電流値(絶対値)は大きくなった。これは、細胞内電圧が低いほど大きな電流が流れることを示している。光の照射を止めると、細胞質側の電圧による電流値の差はなくなり、光を照射しない元の電流値に戻った。
-Results and discussion Fig. 5 shows the results of electrophysiological experiments on mammalian cells of the retinal-PoXeR protein complex. FIG. 5A is a measurement result of the current of the cell membrane when irradiated with light (570 nm) with the outside pH of the cell set to 7.2. The parameter was the voltage on the cytoplasmic side, and the voltage on the cytoplasmic side was measured as 20 mV, 0 mV, -20 mV, -40 mV, and -60 mV, respectively.
As shown in FIG. 5 (a), when the outside of the mammalian cell expressing the retinal-PoXeR protein complex was irradiated with light, an electric current was generated and the value dropped once. In addition, a stable current flowed while irradiating with light. The stable current value (absolute value) was the largest when the voltage on the cytoplasm side was -60 mV and the smallest when the voltage was 20 mV. Further, the lower the voltage value (in the order of -60 mV, -40 mV, -20 mV, 0 mV, 20 mV), the larger the current value (absolute value) at the time of stabilization. This indicates that the lower the intracellular voltage, the larger the current flows. When the light irradiation was stopped, the difference in the current value due to the voltage on the cytoplasmic side disappeared, and the current value returned to the original value without the light irradiation.

図5(b)は、レチナール−PoXeRタンパク質複合体を発現させた哺乳類細胞(ND7/23細胞)に光(570nm)を照射した際の電流測定結果につき、横軸を細胞質側の電圧、縦軸を、光照射したときの安定時の電流値とした図である。黒丸は、細胞外側pHを7.2としたときの結果であり、白丸は、細胞外側pHを9.0としたときの結果である。黒丸による実験線を実線で示し、白丸による実験線を破線で示す。また、図5(b)には、pH7.2の実験値を用いて、レチナール−PoXeRタンパク質複合体がチャネルであると仮定した場合のpH9.0での理論値を破線(上の破線)で示している。破線(上の破線)で示す通り、レチナール−PoXeRタンパク質複合体がチャネルの場合、細胞外のpHが上昇することで、プロトン輸送が小さくなることが予想される。 FIG. 5B shows the current measurement results when light (570 nm) was applied to mammalian cells (ND7 / 23 cells) expressing the retinal-PoXeR protein complex. The horizontal axis is the voltage on the cytoplasmic side and the vertical axis is the vertical axis. Is the current value at the time of stabilization when irradiated with light. Black circles are the results when the extracellular pH is 7.2, and white circles are the results when the extracellular pH is 9.0. The experimental line with black circles is shown by a solid line, and the experimental line with white circles is shown by a broken line. Further, in FIG. 5 (b), using the experimental value of pH 7.2, the theoretical value at pH 9.0 when the retinal-PoXeR protein complex is assumed to be a channel is shown by a broken line (broken line above). Shown. As shown by the dashed line (dashed line above), when the retinal-PoXeR protein complex is a channel, it is expected that the increase in extracellular pH will reduce proton transport.

図5(b)に示すように、レチナール−PoXeRタンパク質複合体を発現させた哺乳類細胞では、細胞外側のpHが7.2(実線)と9.0(破線)で、電圧値に関わらずほぼ同じくらいの電流値を示した。これは、レチナール−PoXeRタンパク質複合体は、細胞外側のpH(プロトン量)に影響されず同等の輸送能を持つことを示しており、イオン濃度勾配により輸送を行う受動輸送ではなく、能動輸送を行っていることが判明した。つまり、PoXeRタンパク質は、プロトンを光エネルギーにより細胞外側から細胞質側へ能動輸送するプロトンポンプとしての機能を有するタンパク質であるといえる。 As shown in FIG. 5 (b), in mammalian cells expressing the retinal-PoXeR protein complex, the outside pH of the cells was 7.2 (solid line) and 9.0 (broken line), which were almost the same regardless of the voltage value. It showed the same current value. This indicates that the retinal-PoXeR protein complex has the same transport capacity without being affected by the pH (proton amount) outside the cell, and instead of passive transport, which transports by an ion concentration gradient, active transport is performed. It turned out that I was doing it. That is, it can be said that the PoXeR protein has a function as a proton pump that actively transports protons from the outside of the cell to the cytoplasm side by light energy.

また、図5(b)の結果では、黒丸(pH7.2)の近似線である実線と電流値が0pAとの交点は164mVであり、白丸(pH9.0)の近似線である破線と電流値が0pAとの交点は150mVであった。また、図5(b)の結果から、細胞質側の電圧が−75mVから150mVの範囲まで、哺乳類細胞内で、光エネルギーによってPoXeRタンパク質によるプロトンの逆向きの能動輸送(細胞質側から細胞外側への能動輸送)が行われることが実証された。
なお、−75mVから150mVという電圧範囲は、細胞内で発生しうる電圧をカバーしているため、あらゆる状態にある様々な細胞種に適用することができると言える。例えば、プロトンポンプを発現させる遺伝子を、ベクターを使用し導入し細胞内のプロトン量を増加させる制御を行うなどの利用が可能となる。
Further, in the result of FIG. 5B, the intersection of the solid line which is the approximate line of the black circle (pH 7.2) and the current value of 0 pA is 164 mV, and the broken line and the current which are the approximate lines of the white circle (pH 9.0). The intersection with the value of 0 pA was 150 mV. In addition, from the result of FIG. 5 (b), the voltage on the cytoplasmic side ranges from -75 mV to 150 mV, and the opposite active transport of protons by the PoXeR protein by light energy in the mammalian cell (from the cytoplasmic side to the outside of the cell). It has been demonstrated that active transport) takes place.
Since the voltage range of -75 mV to 150 mV covers the voltage that can be generated in the cell, it can be said that it can be applied to various cell types in all states. For example, a gene that expresses a proton pump can be introduced using a vector to control the increase in the amount of protons in the cell.

(実施例4)
次に、PoXeRタンパク質の変異体を作成し、プロトン輸送能を測定した。図6に、野生型または変異型PoXeRタンパク質を用いて、大腸菌細胞中でレチナール−PoXeRタンパク質複合体を発現させた場合のポンプ活性アッセイの結果を示す。図6中、(a)は、光照射したときの細胞外側pHの時間変化を示し、(b)はCCCPの非存在下において細胞外側pHがピークに至るまでのpH変化速度(ΔpH/s)を示す。ポンプ活性アッセイは実施例1と同様の方法により行った。なお、光照射は、図6(a)の横軸目盛りの0秒、500秒で開始し、光照射時間は150秒とした。
(Example 4)
Next, a mutant of PoXeR protein was prepared and the proton transport ability was measured. FIG. 6 shows the results of a pump activity assay when the retinal-PoXeR protein complex was expressed in E. coli cells using wild-type or mutant PoXeR protein. In FIG. 6, (a) shows the time change of the extracellular pH when irradiated with light, and (b) is the rate of pH change (ΔpH / s) until the extracellular pH reaches its peak in the absence of CCCP. Is shown. The pump activity assay was performed in the same manner as in Example 1. The light irradiation was started at 0 seconds and 500 seconds on the horizontal axis scale of FIG. 6A, and the light irradiation time was 150 seconds.

変異体は、野生型PoXeRタンパク質のαへリックス内に含まれるアスパラギン酸(D)、グルタミン酸(E)を他のアミノ酸(グルタミン(Q)、アスパラギン酸、グルタミン酸、アスパラギン(N))に置換することにより、図6に示す合計11個の変異体を作成した。図6中の表示は、以下に対応する。
PoXeR WT:PoXeRタンパク質のWT
E3Q :PoXeRタンパク質のN末端側から3番目のEをQに置換
E35D :PoXeRタンパク質のN末端側から35番目のEをDに置換
E35Q :PoXeRタンパク質のN末端側から35番目のEをQに置換
D74E :PoXeRタンパク質のN末端側から74番目のDをEに置換
D108E :PoXeRタンパク質のN末端側から108番目のDをEに置換
D108N :PoXeRタンパク質のN末端側から108番目のDをNに置換
D119N :PoXeRタンパク質のN末端側から119番目のDをNに置換
E158Q :PoXeRタンパク質のN末端側から158番目のEをQに置換
D216E :PoXeRタンパク質のN末端側から216番目のDをEに置換
D216N :PoXeRタンパク質のN末端側から216番目のDをNに置換
E219Q :PoXeRタンパク質のN末端側から219番目のEをQに置換
The mutant is to replace aspartic acid (D) and glutamic acid (E) contained in the α-helix of the wild PoXeR protein with other amino acids (glutamine (Q), aspartic acid, glutamic acid, asparagine (N)). A total of 11 variants shown in FIG. 6 were prepared. The display in FIG. 6 corresponds to the following.
PoXeR WT: WT of PoXeR protein
E3Q: Replace the third E from the N-terminal side of the PoXeR protein with Q E35D: Replace the 35th E from the N-terminal side of the PoXeR protein with D E35Q: Replace the 35th E from the N-terminal side of the PoXeR protein with Q Substitution D74E: Replace the 74th D from the N-terminal side of the PoXeR protein with E D108E: Replace the 108th D from the N-terminal side of the PoXeR protein with E D108N: Replace the 108th D from the N-terminal side of the PoXeR protein with N Replaced with D119N: Replaced the 119th D from the N-terminal side of the PoXeR protein with N E158Q: Replaced the 158th E from the N-terminal side of the PoXeR protein with Q D216E: Replaced the 216th D from the N-terminal side of the PoXeR protein with Q Replaced with E D216N: Replaced 216th D from N-terminal side of PoXeR protein with N E219Q: Replaced 219th E from N-terminal side of PoXeR protein with Q

なお、この実施例では、タンパク質の発現量の差がプロトン輸送能に影響を与えないよう、レチナール−タンパク質複合体の発現量を定量し、光照射直後のpH変化速度をレチナール−タンパク質複合体の発現量当たりの変化速度とすることにより、野生型および変異型タンパク質のイオン輸送活性を比較した。
(大腸菌細胞中のレチナール−タンパク質複合体の発現量の定量)
大腸菌中におけるレチナール−タンパク質複合体の発現量は、井上らの方法(Inoue et al., Nat. Commun., 4, 1678 (2013))を参考にして定量した。菌体を4,800×g、4°Cの条件で回収したあと、100mM NaCl、50mM Tris−HCl (pH 8.0)の溶媒に懸濁し、体積を3 mLに調整した。1 mMリゾチーム溶液を200μL加え、室温で1時間ゆっくりと混和した。大腸菌の細胞は超音波によって破砕し、3.0% DDMで可溶化した。終濃度500mMのヒドロキシルアミン(HA)を加え、ロングパスガラスフィルターで吸収波長が短波長側にシフトした変異体については(図6中のD74EおよびD108E)460nm、それ以外の変異体では500nmより短波長側の光をカットした1−kWのタングステンハロゲンプロジェクターランプの光を照射し、その時に生じた、レチナール−タンパク質複合体のHAによるブリーチ過程を表す吸収変化を、積分球ユニットを取り付けた紫外可視吸光光度計を用いて測定した。そして、その時に生じるレチナールオキシム(360nmにおけるモル吸収断面積:ε=33,600M−1 cm−1)の吸収量から、大腸菌中に含まれていたレチナール−タンパク質複合体の物質量を算出した。
In this example, the expression level of the retinal-protein complex was quantified so that the difference in protein expression level did not affect the proton transport capacity, and the rate of pH change immediately after light irradiation was determined by that of the retinal-protein complex. The ion transport activity of wild-type and mutant proteins was compared by the rate of change per expression level.
(Quantification of expression level of retinal-protein complex in E. coli cells)
The expression level of the retinal-protein complex in Escherichia coli was quantified with reference to the method of Inoue et al. (Inoue et al., Nat. Commun., 4, 1678 (2013)). The cells were collected under the conditions of 4,800 × g and 4 ° C., and then suspended in a solvent of 100 mM NaCl and 50 mM Tris-HCl (pH 8.0) to adjust the volume to 3 mL. 200 μL of 1 mM lysozyme solution was added, and the mixture was slowly mixed at room temperature for 1 hour. E. coli cells were crushed by ultrasound and solubilized with 3.0% DDM. For the mutants to which the final concentration of hydroxylamine (HA) was added and the absorption wavelength was shifted to the short wavelength side by the long-pass glass filter (D74E and D108E in FIG. 6), the wavelength was 460 nm, and for the other mutants, the wavelength was shorter than 500 nm. The absorption change representing the bleaching process of the retinal-protein complex by HA, which was generated at that time by irradiating the light of a 1-kW tungsten halogen projector lamp with the side light cut off, was absorbed by ultraviolet visible absorption with an integrating sphere unit attached. It was measured using a photometer. Then, the amount of substance of the retinal-protein complex contained in Escherichia coli was calculated from the amount of absorption of retinal oxime (molar absorption cross section at 360 nm: ε = 33,600 M-1 cm-1) generated at that time.

・結果と考察
図6(a)に実線で示すように、野生型および変異型のPoXeRタンパク質を用いた複合体を発現させた大腸菌は、光照射をすると細胞外側のpHは大きくなった。また、pHの変化速度(ΔpH/s)については、図6(b)に示すように、変異によりpHの変化速度が低下するものもあったが、いずれの変異体もプロトン輸送能を有していた。また、E3Q、D119N、E158Q、D216、E219Qの変異体については、野生型(PoWeR WT)よりもpH変化速度が上昇した。これらの結果から、PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において3番目、119番目、158番目、216番目、219番目のアミノ酸残基を変異させることよりプロトン輸送能を上昇させることができた。特に、119番目、158番目、216番目、219番目のアミノ酸残基を変異した変異体で、細胞外側から細胞質側へのプロトン輸送活性が大きく向上した。
-Results and discussion As shown by the solid line in FIG. 6 (a), the pH of the outside cells of Escherichia coli expressing the complex using the wild-type and mutant PoXeR proteins increased when irradiated with light. Regarding the rate of change in pH (ΔpH / s), as shown in FIG. 6 (b), the rate of change in pH decreased due to mutation, but all mutants have proton transport ability. Was there. In addition, the pH change rate of the mutants of E3Q, D119N, E158Q, D216 E , and E219Q was higher than that of the wild type (PoWeR WT). From these results, it was possible to increase the proton transport capacity by mutating the amino acid residues at positions 3, 119, 158, 216, and 219 in the amino acid sequence of PoXeR protein. In particular, mutants in which the 119th, 158th, 216th, and 219th amino acid residues were mutated greatly improved the proton transport activity from the outside of the cell to the cytoplasmic side.

以上より、自然界に存在する生物のゲノムに由来するタンパク質より高い輸送機能をもつ人工的なタンパク質である、タンパク質のN末端側から119、158、216、219番目の位置にあるアスパラギン酸、グルタミン酸を置換した変異体を見出した(図6)。 From the above, aspartic acid and glutamic acid located at the 119th, 158, 216, and 219th positions from the N-terminal side of the protein, which are artificial proteins having a higher transport function than the proteins derived from the genomes of living organisms existing in nature, are used. A substituted variant was found (Fig. 6).

本発明の発色団−タンパク質複合体は、光エネルギーによって細胞内の水素イオン濃度を操作できるため、付加価値が高い。本発明の発色団−タンパク質複合体、遺伝子、発現ベクター及び形質転換体は、例えば以下のようにして利用することができる。
(1)水素イオン濃度勾配メカニズムの研究用としての利用
水素イオン濃度勾配のメカニズムの基礎研究として利用することができる。例えば、基礎研究で用いる動物細胞の遺伝子操作用に、PoXeR遺伝子を含むDNAとして、試薬キット等として販売する。
(2)癌治療における利用
本発明の発色団−タンパク質複合体を癌細胞に組み込み、癌細胞を光で死滅させる治療薬または試薬キット等として販売する。
(3)プロトンポンプ阻害薬の代替治療としての利用
患者の細胞に野生型または変異型のPoXeRを発現させ、体内のプロトンポンプによるプロトン輸送を緩和する。
(4)光源のRGB3色を駆使した神経活動制御のツールとしての利用
光源のRGB3色を駆使した神経活動制御のツールの一つとして、野生型または変異型のPoXeRタンパク質を、緑色光(G)を利用した細胞質向きプロトンポンプとして利用する。例えば、iPS細胞などにPoXeR遺伝子を組み込み、治療に用いる。ツール例としては、RGB3色につき、R:高度好塩古細菌由来のクロライドポンプ(公知物質)、G:PoXeRタンパク質とレチナールの複合体(本発明)、B:藻類由来のチャネルロドプシン(公知物質)を用いる例が挙げられる。
(5)シナプス小胞における神経伝達物質の制御における利用
シナプス小胞で特異的にPoXeRを発現可能な試薬として利用する。
The chromophore-protein complex of the present invention has high added value because the intracellular hydrogen ion concentration can be manipulated by light energy. The chromophore-protein complex, gene, expression vector and transformant of the present invention can be utilized, for example, as follows.
(1) Use for research on hydrogen ion concentration gradient mechanism It can be used as basic research on the mechanism of hydrogen ion concentration gradient. For example, it is sold as a reagent kit or the like as DNA containing the PoXeR gene for genetic manipulation of animal cells used in basic research.
(2) Utilization in cancer treatment The chromophore-protein complex of the present invention is incorporated into cancer cells and sold as a therapeutic agent or reagent kit that kills cancer cells with light.
(3) Use of proton pump inhibitor as an alternative treatment Express wild-type or mutant PoXeR in patient cells to alleviate proton transport by the proton pump in the body.
(4) Use as a tool for controlling neural activity by making full use of the RGB3 colors of the light source As one of the tools for controlling neural activity using the RGB3 colors of the light source, wild-type or mutant PoXeR protein is used as green light (G). It is used as a proton pump for cytoplasm using. For example, the PoXeR gene is integrated into iPS cells and the like and used for treatment. Examples of tools include R: a chloride pump derived from highly halophilic archaea (known substance), G: a complex of PoXeR protein and retinal (the present invention), and B: channelrhodopsin derived from algae (known substance) for three RGB colors. An example of using is given.
(5) Utilization in the control of neurotransmitters in synaptic vesicles It is used as a reagent capable of specifically expressing PoXeR in synaptic vesicles.

3 細胞膜
5 細胞外側
7 細胞質側
10 複合体
11 PoXeRタンパク質
12 変異位置
13 N末端側
15 C末端側
17 レチナール
21 プロトン
31 光源
3 Cell membrane 5 Cell outer 7 Cytoplasmic side 10 Complex 11 PoXeR protein 12 Mutation position 13 N-terminal side 15 C-terminal side 17 Retinal 21 Proton 31 Light source

Claims (8)

レチナールまたはレチナール誘導体からなる発色団と、光受容タンパク質との複合体を有し、光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送するプロトンポンプであって、前記光受容タンパク質は、PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において、1または複数個のアミノ酸が欠損、置換、挿入および/または付加され、かつ前記発色団との複合体において光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送するプロトンポンプ活性を有するタンパク質であり、下記a)〜d)の少なくともいずれかを満たすアミノ酸配列を有することを特徴とするプロトンポンプ。
a) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において119番目のアスパラギン酸(以下Dとする)をアスパラギン(以下Nとする)に置換
b) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において158番目のグルタミン酸(以下Eとする)をグルタミン(以下Qとする)に置換
c) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において216番目のDをに置換
d) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において219番目のEをQに置換
A proton pump having a complex of a chromophore composed of retinal or a retinal derivative and a photoreceptive protein and actively transporting hydrogen ions from the outside of the cell to the cytoplasmic side by light energy. The photoreceptive protein is a PoXeR protein. In the amino acid sequence of, one or more amino acids are deleted, substituted, inserted and / or added, and a proton pump activity that actively transports hydrogen ions from the outside of the cell to the cytoplasmic side by light energy in the complex with the chromophore A proton pump having an amino acid sequence satisfying at least one of the following a) to d).
a) Substitute aspartic acid (hereinafter referred to as D) at position 119 in the amino acid sequence of PoXeR protein with aspartic acid (hereinafter referred to as N) b) Glutamic acid (hereinafter referred to as E) at position 158 in the amino acid sequence of PoXeR protein (hereinafter referred to as E) Substituted with Q) c) Replaced D at position 216 with E in the amino acid sequence of PoXeR protein d) Replaced E at position 219 with Q in the amino acid sequence of PoXeR protein.
PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において1または複数個のアミノ酸が欠損、置換、挿入および/または付加され、かつ、レチナールまたはレチナール誘導体からなる発色団との複合体において光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送するプロトンポンプ活性を有するタンパク質であって、下記a)〜d)の少なくともいずれかを満たすアミノ酸配列を有するタンパク質。
a) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において119番目のDをNに置換
b) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において158番目のEをQに置換
c) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において216番目のDをに置換
d) PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において219番目のEをQに置換
One or more amino acids are deleted, substituted, inserted and / or added in the amino acid sequence of the PoXeR protein, and hydrogen ions are transferred from the outside of the cell to the cytoplasmic side by light energy in a complex with a chromophore consisting of retinal or a retinal derivative. A protein having a proton pump activity that actively transports to, and having an amino acid sequence satisfying at least one of the following a) to d).
a) Replace D at position 119 with N in the amino acid sequence of PoXeR protein b) Replace E at position 158 with Q in the amino acid sequence of PoXeR protein c) Replace D at position 216 with E in the amino acid sequence of PoXeR protein d) Replace E at position 219 with Q in the amino acid sequence of PoXeR protein
請求項2に記載のタンパク質をコードする遺伝子。 A gene encoding the protein according to claim 2. 請求項2に記載のタンパク質をコードするコード領域を保持する発現ベクター。 An expression vector that retains a coding region encoding the protein according to claim 2. 請求項4の発現ベクターが導入された形質転換体。 A transformant into which the expression vector of claim 4 has been introduced. 請求項3に記載の遺伝子または請求項4に記載の発現ベクターを含むキット。 A kit comprising the gene according to claim 3 or the expression vector according to claim 4. 請求項3に記載の遺伝子または請求項4に記載の発現ベクターを含む、光エネルギーによって細胞内の水素イオン濃度を制御するためのキット。 A kit for controlling the intracellular hydrogen ion concentration by light energy, which comprises the gene according to claim 3 or the expression vector according to claim 4. 光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送する方法であって、レチナールまたはレチナール誘導体からなる発色団と、光受容タンパク質との複合体を有し、
前記光受容タンパク質は、下記(A)および(B)
(A)PoXeRタンパク質
(B)PoXeRタンパク質のアミノ酸配列において、1または複数個のアミノ酸が欠損、置換、挿入および/または付加され、かつ前記発色団との複合体において光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送するプロトンポンプ活性を有するタンパク質
のいずれかを用いることを特徴とする光エネルギーにより水素イオンを細胞外側から細胞質側へ能動輸送する方法。
It is a method of actively transporting hydrogen ions from the outside of cells to the cytoplasm side by light energy, and has a complex of a chromophore composed of retinal or a retinal derivative and a photoreceptive protein.
The photoreceptive proteins are described in (A) and (B) below.
(A) PoXeR protein In the amino acid sequence of (B) PoXeR protein, one or more amino acids are deleted, substituted, inserted and / or added, and hydrogen ions are extracellularly transferred by light energy in the complex with the chromophore. A method of actively transporting hydrogen ions from the outside of a cell to the cytoplasmic side by light energy, which comprises using any of the proteins having proton pump activity for active transporting from the cell to the cytoplasmic side.
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