JP2013240352A - Long-time monitoring method using photoprotein and analysis method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、細胞や組織等の試料中における生物学的活性をその活性を極力損なわないようにして長期間ないし連続的に検出するモニタリング方法および解析方法に関する。本発明は、その方法を実行する装置や、該装置による方法を機能させるソフトウェアも包含する。 The present invention relates to a monitoring method and an analysis method for detecting a biological activity in a sample such as a cell or tissue for a long period or continuously without damaging the activity as much as possible. The present invention also includes an apparatus for executing the method and software for causing the method by the apparatus to function.
生物学分野や医学分野の研究において、細胞等の生体試料の生物学的活性をレポータアッセイにより検出する技術が広く利用されてきた。レポータアッセイを用いると、視覚的に調べることが不可能な様様な生物学的活性を可視化することができる。従来の臨床的な検査は、生体試料から調べたい生体関連物質(核酸、血液、ホルモン、タンパク質等)のみを種々の分離方法により単離して、その単離した生体関連物質の量や活性を試薬と反応させていた。しかし、生命体においては、多様な生体関連物質同士の相互作用こそが真の生物学的活性を示すものである。近年、医療用薬剤を研究または開発する場合、生きた生体試料中での生物学的活性に対して最も効果的に作用する薬剤が決定的条件となっている。生きた生体試料を対象としたレポータアッセイには、生体試料と調べたい生体関連物質とを画像化して、生体試料内外における動的変化を経時的に観察する必要性が高まってきている。 In research in the fields of biology and medicine, techniques for detecting the biological activity of biological samples such as cells by reporter assays have been widely used. Reporter assays can be used to visualize biological activities that cannot be visually examined. In conventional clinical tests, only biological substances (nucleic acid, blood, hormones, proteins, etc.) to be examined from biological samples are isolated by various separation methods, and the amount and activity of the isolated biological substances are determined as reagents. And reacted. However, in living organisms, the interaction between various biological materials shows true biological activity. In recent years, when researching or developing medical drugs, drugs that most effectively act on biological activity in living biological samples have become critical conditions. In reporter assays for living biological samples, there is a growing need to image biological samples and biological substances to be examined and observe dynamic changes inside and outside the biological samples over time.
具体的には、レポーター物質としての発光(生物発光、化学発光)や蛍光を用いる観察を利用する研究分野では、試料内のタンパク質分子の動的な機能発現を捉えるためにタイムラプス(time lapse)や動画撮像が求められている。現状では、蛍光試料を対象として撮像した画像による動的変化の観察(例えば、蛍光を利用したタンパク質1分子の動画観察)が行われている。蛍光試料の撮像の場合、励起光を照射し続けることで蛍光試料から発せられる光量が時間の経過とともに減少するという性質があるため、定量的な評価に利用できる安定した画像を経時的に撮ることが困難であったが、しかし、鮮明な、つまり、空間分解能の高い画像を短い露出時間で撮ることができた。一方、発光試料を対象とした画像による動的変化の経時的観察においては、発光試料からの発光が極めて小さいので、発光試料の観察には、イメージ・インテンシファイアを装着したCCDカメラを用いて行われていた。発光試料の撮像の場合、励起光を照射する必要がないため、定量的な評価に利用できる安定した画像を経時的に撮ることができた。 Specifically, in research fields that utilize observation using luminescence (bioluminescence, chemiluminescence) or fluorescence as a reporter substance, time lapse or time lapse is used to capture the dynamic expression of protein molecules in a sample. There is a need for video imaging. At present, dynamic changes are observed using an image picked up from a fluorescent sample (for example, observation of a moving image of one protein molecule using fluorescence). In the case of imaging a fluorescent sample, the amount of light emitted from the fluorescent sample decreases with the lapse of time by continuing to irradiate excitation light, so that a stable image that can be used for quantitative evaluation can be taken over time. However, it was possible to take a clear, high spatial resolution image with a short exposure time. On the other hand, in the time-dependent observation of dynamic changes by images for a luminescent sample, the luminescence from the luminescent sample is extremely small, so a CCD camera equipped with an image intensifier was used to observe the luminescent sample. It was done. In the case of imaging of a luminescent sample, it was not necessary to irradiate excitation light, so that stable images that could be used for quantitative evaluation could be taken over time.
これまで、発光試料の観察においては、発光試料からの発光量の測定が行われていた。例えば、ルシフェラーゼ遺伝子が導入された細胞の観察では、ルシフェラーゼ遺伝子の発現の強さ(具体的には発現量)を調べるために、ルシフェラーゼ活性に因る細胞からの発光量の測定が行われていた。そして、ルシフェラーゼ活性に因る細胞からの発光量の測定は、まず細胞を溶解した細胞溶解液とルシフェリンやATPやマグネシウムなどを含む基質溶液とを反応させ、ついで基質溶液と反応させた細胞溶解液からの発光量を光電子増倍管を用いたルミノメーターで定量する、という手順で行われていた。つまり、発光量は細胞を溶解した後に測定されていた。これにより、ある時点でのルシフェラーゼ遺伝子の発現量を細胞全体の平均値として測定することができた。ここで、ルシフェラーゼ遺伝子などの発光遺伝子をレポーター遺伝子として細胞に導入する方法には例えばリン酸カルシウム法やリポフェクチン法やエレクトロポーション法などがあり、各方法は目的や細胞の種類の違いに応じて使い分けられている。また、ルシフェラーゼ遺伝子がレポーター遺伝子として導入された細胞においてルシフェラーゼ遺伝子の発現の強さをルシフェラーゼ活性に因る細胞からの発光量を指標として調べる際、細胞に導入するルシフェラーゼ遺伝子の上流や下流に目的のDNA断片を繋ぐことで当該DNA断片がルシフェラーゼ遺伝子の転写に及ぼす影響を調べることができ、また、細胞に導入するルシフェラーゼ遺伝子の転写に影響を及ぼすと思われる転写因子などの遺伝子を発現ベクターに繋いでルシフェラーゼ遺伝子と共発現させることで当該遺伝子の遺伝子産物がルシフェラーゼ遺伝子の発現に及ぼす影響を調べることができる。 Until now, in the observation of a luminescent sample, the amount of luminescence from the luminescent sample has been measured. For example, in the observation of a cell into which a luciferase gene has been introduced, the amount of luminescence from the cell due to the luciferase activity was measured in order to investigate the intensity of the luciferase gene expression (specifically, the expression level). . The amount of luminescence from the cells due to luciferase activity is measured by first reacting a cell lysate in which cells are lysed with a substrate solution containing luciferin, ATP, magnesium, etc., and then reacting with the substrate solution. The amount of luminescence from was quantified with a luminometer using a photomultiplier tube. That is, the amount of luminescence was measured after cell lysis. Thereby, the expression level of the luciferase gene at a certain time point could be measured as an average value of the whole cell. Here, methods for introducing a luminescent gene such as a luciferase gene into a cell as a reporter gene include, for example, a calcium phosphate method, a lipofectin method, an electroporation method, and the like, and each method is properly used depending on the purpose and the type of cell. Yes. In addition, when investigating the intensity of luciferase gene expression in cells transfected with a luciferase gene as a reporter gene using the amount of luminescence from the cell due to luciferase activity as an indicator, the target luciferase gene is introduced upstream or downstream of the luciferase gene introduced into the cell. By linking DNA fragments, it is possible to examine the effect of the DNA fragment on the transcription of the luciferase gene. In addition, genes such as transcription factors that are thought to affect the transcription of the luciferase gene to be introduced into cells are linked to the expression vector. By co-expressing with the luciferase gene, the effect of the gene product of the gene on the expression of the luciferase gene can be examined.
また、時間経過に沿って発光遺伝子の発現量を捉えるには生きた細胞からの発光量を経時的に測定する必要がある。そして、生きた細胞からの発光量の経時的測定は、まず細胞を培養するインキュベーターにルミノメーターの機能を付け、ついで培養している全細胞集団からの発光量をルミノメーターで一定時間ごとに定量する、という手順で行われていた。これにより、一定の周期性をもった発現リズムなどを測定することができ、よって、細胞全体における発光遺伝子の発現量の経時的な変化を捉えることができた。ルミノメーターによる測定感度を充分確保するために、ホタルルシフェリンのような汎用の基質溶液を1mM以上の濃度で細胞を処理するようにしていた。この濃度設定においては、細胞を取り出して処理するので、培養環境に戻せるような生きた状態では処理されない。 In addition, in order to capture the expression level of the luminescent gene over time, it is necessary to measure the amount of luminescence from living cells over time. In order to measure the amount of luminescence from living cells over time, first add the function of a luminometer to the incubator that cultivates the cells, and then quantitate the amount of luminescence from the whole cell population cultured at regular intervals with the luminometer. The procedure was to do. As a result, it was possible to measure an expression rhythm with a certain periodicity, and thus, it was possible to capture changes over time in the expression level of the luminescent gene in the entire cell. In order to sufficiently secure the measurement sensitivity by the luminometer, a general-purpose substrate solution such as firefly luciferin was treated at a concentration of 1 mM or more. In this concentration setting, since the cells are taken out and processed, they are not processed in a living state that can be returned to the culture environment.
一方、発光遺伝子の発現が一過性である場合には、個々の細胞での発現量に大きなばらつきがある。例えば、HeLa細胞などのクローン化した培養細胞であっても、細胞膜表面のレセプターを介した薬剤の応答が個々の細胞でばらつくことがある。すなわち、細胞全体としての応答は検出されなくとも数個の細胞は応答している場合がある。このことから、発光遺伝子の発現が一過性である場合には、細胞全体からではなく個々の細胞から発光量を経時的に測定することが重要である。そして、顕微鏡を用いた生きた個々の細胞からの発光量の経時的測定は、各細胞の発光が極めて弱いので、液体窒素温度レベルの冷却CCDカメラで長時間露光したり、イメージ・インテンシファイアを装着したCCDカメラとフォトンカウンティング装置とを用いたりして行われていた。これにより、生きた個々の細胞における発光遺伝子の発現量の経時的な変化を捉えることができた。どのような培養期間であっても、発光のための試薬条件は変更されない。 On the other hand, when the expression of the luminescent gene is transient, the expression level in individual cells varies greatly. For example, even in the case of cloned cultured cells such as HeLa cells, the response of drugs via receptors on the cell membrane surface may vary among individual cells. That is, several cells may be responding even if the response as a whole cell is not detected. For this reason, when the expression of the luminescent gene is transient, it is important to measure the amount of luminescence from individual cells over time rather than from the whole cell. The time-dependent measurement of the amount of light emitted from living individual cells using a microscope shows that the light emitted from each cell is extremely weak, so it can be exposed for a long time with a cooled CCD camera at a liquid nitrogen temperature level, or an image intensifier. Or a photon counting device. As a result, it was possible to capture changes over time in the expression level of the luminescent gene in individual living cells. Regardless of the culture period, the reagent conditions for luminescence are not changed.
以上の説明において、例えば蛍光タンパク質をレポーター遺伝子として用いる遺伝子発現の解析方法および装置は特許文献1(特表2004−500576)に開示されている。また、ルミノメーターを用いて生物発光による遺伝子発現の解析方法および装置は特許文献2(特開2005−118050)に開示されている。 In the above description, for example, a method and an apparatus for analyzing gene expression using a fluorescent protein as a reporter gene are disclosed in Patent Document 1 (Japanese Translation of PCT International Publication No. 2004-5000576). A method and apparatus for analyzing gene expression by bioluminescence using a luminometer is disclosed in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-1118050).
しかしながら、微弱な発光の発光試料を撮像する場合、発光試料からの発光量が極めて少ないため、どうしても肉眼では見ることが出来ず、CCDのような蓄積型の撮像手段を用いて光量を蓄積しなければ画像生成することができない、という制約が有る。しかも、単一の細胞ないし組織を構成する細胞群において、細胞1個当りから発生する微弱光は、あまりに弱過ぎるので、鮮明な画像を撮るのに必要な露出時間が長くなる、という問題点があった。即ち、撮像の時間間隔は単位時間あたりの光量に制約されるため、微弱な発光の発光試料を撮像する場合、鮮明な画像を長い時間間隔で、例えば60分間隔で、経時的に撮ることができても、10〜30分程度の短い露光時間、ひいては1〜5分の露光でリアルタイムに撮像することはできなかった、という問題点があった。特に生細胞を長時間(例えば、50分以上)露光すると、培養容器等の支持体上でさえ細胞自身が動いて鮮明な画像を形成できない場合がある。一般に、画像を用いた解析を行なうためには、正確な輪郭を認識できなければならない。従って、画像が不鮮明なときは解析結果が不正確である可能性が有る。 However, when imaging a weakly luminescent sample, the amount of light emitted from the luminescent sample is extremely small, so it cannot be viewed with the naked eye, and the amount of light must be accumulated using a storage-type imaging means such as a CCD. Therefore, there is a restriction that an image cannot be generated. Moreover, in the cell group constituting a single cell or tissue, the weak light generated from each cell is too weak, so that the exposure time required for taking a clear image becomes long. there were. That is, since the imaging time interval is limited by the amount of light per unit time, when imaging a luminescent sample with weak light emission, a clear image can be taken over time at a long time interval, for example, at an interval of 60 minutes. Even if it was possible, there was a problem that imaging could not be performed in real time with a short exposure time of about 10 to 30 minutes, and thus with an exposure of 1 to 5 minutes. In particular, when living cells are exposed for a long time (for example, 50 minutes or longer), the cells themselves may move even on a support such as a culture vessel and a clear image may not be formed. Generally, in order to perform an analysis using an image, it is necessary to recognize an accurate contour. Therefore, the analysis result may be inaccurate when the image is unclear.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、肉眼で見えないような微弱光を発生する発光タンパクを導入した試料でも、試料に対するダメージが殆ど無く、所望のモニタリングや解析が可能な方法を提供することを目的とする。また、細胞を含む試料について単一細胞レベルのモニタリングや解析も可能でるような方法を提供することも目的とする。さらに、発光タンパクにより様々な光量で発光する試料を、鮮明な画像でありながら短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮ることができる発光試料撮像方法を組合わせた方法を提供することも目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and even with a sample into which a photoprotein that generates weak light that cannot be seen with the naked eye is introduced, there is almost no damage to the sample, and desired monitoring and analysis are possible. It aims to provide a simple method. It is another object of the present invention to provide a method that enables single-cell level monitoring and analysis of a sample containing cells. It is another object of the present invention to provide a method that combines a luminescent sample imaging method capable of capturing a sample that emits light with various amounts of light by a photoprotein with a clear exposure time and in real time while being a clear image.
発明者らは、細胞を含む生きた試料を高濃度の基質溶液で処理して画像を鮮明化しようとしたところ、長期のモニタリングまたは解析の過程において不正確な結果が生じ得ることを見出した。かかる結果は、試料の厚みを薄く調製した場合にも見出された。鮮明かつ高感度なモニタリングおよび/または解析を行うための処理条件は、長期かつ正確なモニタリングおよび/または解析を行うための処理条件と相反することが分かった。そこで、発明者らは、鋭意検討した結果、試料の処理条件と撮像条件とを関連付けることで意外にも上記の相反する問題を解決できることに気付いた。 The inventors have found that when a live sample containing cells is treated with a high concentration substrate solution to sharpen the image, inaccurate results can occur during the long-term monitoring or analysis process. Such a result was also found when the sample was prepared with a small thickness. It has been found that the processing conditions for performing clear and sensitive monitoring and / or analysis contradict the processing conditions for performing long-term and accurate monitoring and / or analysis. As a result of intensive studies, the inventors have realized that the above conflicting problems can be solved unexpectedly by associating the sample processing conditions with the imaging conditions.
すなわち、上述した課題を解決するために、本発明の第1例の方法は、生きた試料を発光タンパクに基づく発光により長期にモニタリングする方法において、生物学的活性を損なわない処理条件で、モニタリングすべき項目に応じた発光タンパクを導入した前記試料を、基質成分によって化学的に誘起し、所望のモニタリング期間中、前記発光の誘起及び撮像を継続的に実行し、前記処理条件に応じて設定された撮像条件の下で複数の異なる時間に対応する光学イメージを得、前記複数の光学イメージを前記撮像条件に応じた出力条件によりモニター表示する、ことを特徴とする発光タンパクによる長期モニタリング方法である。また、第2例は、第1例の方法において、前記モニタリング期間が数日以上の場合には、前記基質を700μM以下の濃度とすることを特徴とするモニタリング方法である。また、第3例は、第1例の方法において、前記モニタリング期間が数日未満の場合には、前記基質を800μm以上、1mM以下の濃度とすることを特徴とするモニタリング方法である。また、第4例は、第1例の方法において、前記基質濃度を200μM以上としたことを特徴とするモニタリング方法である。 That is, in order to solve the above-described problems, the method of the first example of the present invention is a method for monitoring a living sample for a long time by luminescence based on a photoprotein, under a processing condition that does not impair biological activity. The sample into which the photoprotein according to the item to be introduced is chemically induced by the substrate component, and during the desired monitoring period, the induction and imaging of the luminescence are continuously performed, and set according to the processing conditions. A long-term monitoring method using a photoprotein characterized in that an optical image corresponding to a plurality of different times is obtained under a given imaging condition, and the plurality of optical images are displayed on a monitor according to an output condition corresponding to the imaging condition. is there. The second example is a monitoring method characterized in that, in the method of the first example , when the monitoring period is several days or more, the concentration of the substrate is 700 μM or less. The third example is a monitoring method characterized in that, in the method of the first example , when the monitoring period is less than several days, the concentration of the substrate is 800 μm or more and 1 mM or less. The fourth example is a monitoring method characterized in that, in the method of the first example , the substrate concentration is 200 μM or more.
また、第5例は、処理条件として試料のボリュームに注目して発明され、第1例の方法において、発光タンパクを導入した細胞を含む試料により単一細胞レベルのモニタリングを行なう際に適用され、細胞内で微弱な発光を発生させるための基質成分及び前記発光タンパクの発光に影響をもたらす可能性のある薬剤成分との反応性を損なわない充分な厚みであって、且つ発光に基づく光学イメージが個々の細胞を識別し得る程度に肉薄の厚みであるような撮像ボリュームに対応する光学イメージを取得することを特徴とするモニタリング方法である。第6例は、第5例において、前記試料が、2次元的にほぼ一定の状態に配置した細胞群からなることを特徴とするモニタリング方法である。第7例は、第6例において、前記細胞群を、細胞同士が撮像用の光路上でオーバーラップしない密度としたことを特徴とするモニタリング方法である。第8例は、第6例または第7例において、前記細胞群を、スライス切片ないしシート状細胞に調製したことを特徴とするモニタリング方法である。第9例は、第5例から第8例の何れかの例の方法において、前記試料を150μm以下、好ましくは100μm以下、特に85μm未満の厚みとしたことを特徴とするモニタリング方法である。第10例は、第9例において、40μm以上、好ましくは50μm以上の厚みとしたことを特徴とするモニタリング方法である。 In addition, the fifth example was invented by paying attention to the volume of the sample as a processing condition. In the method of the first example , the fifth example was applied when monitoring a single cell level with a sample containing cells into which a photoprotein was introduced, An optical image based on light emission having a sufficient thickness that does not impair reactivity with a substrate component for generating weak light emission in cells and a drug component that may affect light emission of the photoprotein. This is a monitoring method characterized by acquiring an optical image corresponding to an imaging volume that is thin enough to identify individual cells. The sixth example is a monitoring method according to the fifth example , wherein the sample is composed of a group of cells arranged in a two-dimensional substantially constant state. The seventh example is a monitoring method according to the sixth example , wherein the cell group has a density such that the cells do not overlap on the optical path for imaging. The eighth example is a monitoring method according to the sixth example or the seventh example , wherein the cell group is prepared as a sliced section or a sheet-like cell. The ninth example is a monitoring method characterized in that, in the method of any one of the fifth to eighth examples , the sample has a thickness of 150 μm or less, preferably 100 μm or less, particularly less than 85 μm. The tenth example is a monitoring method characterized in that in the ninth example , the thickness is 40 μm or more, preferably 50 μm or more.
また、第11例に係る方法によれば、第5例の方法において、被検試料が肉厚の生体組織(例えば、視交差上核等の脳、胚、ゼブラフィッシュ等の微小な魚類、マウスやカエル(特にアフリカツメガエル)等の小動物ないし植物(例えばシロイヌナズナ)の一部の器官(例えば、手、足、毛根、葉、花茎、根毛)であることにより、生体組織を試料とする生物学的に有意義なモニタリング方法を提供する。また、第12例によれば、第1例から第4例の何れかの例の方法において、基質がホタルルシフェリンまたはセレンテラジンであることにより、遺伝学的に処理するのが容易であるので好ましい。 In addition, according to the method according to the eleventh example , in the method according to the fifth example , the test sample is a thick biological tissue (for example, a brain such as the upper crossing nucleus, an embryo, a small fish such as a zebrafish, a mouse, etc. Biological specimens of biological tissues such as frogs, frogs (especially Xenopus laevis), and other organs (eg, hands, feet, hair roots, leaves, flower stems, root hairs) of small animals or plants (eg, Arabidopsis thaliana) In addition, according to the twelfth example , in the method of any of the first to fourth examples , the substrate is firefly luciferin or coelenterazine, so that genetic treatment is performed. It is preferable because it is easy to do.
また、第13例のモニタリング方法によれば、第1例または第5例の方法において、光学イメージングが、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上である対物レンズを含む光学条件を用いて実行されることにより、鮮明なイメージを早期に形成できる点で好ましい。ここで、前記値は、対物レンズの倍率に応じて調整するのがさらに好ましい。その他、第14例のモニタリング方法によれば、第1例または第13例の方法において、1枚の発光画像を得るための露光単位時間の長さを調節する工程を含む。そして、第15例のモニタリング方法によれば、第14例の方法において、前記単位時間で得られた画像を分割する工程をさらに含む。 Further, according to the monitoring method of the thirteenth example, in the method of the first example or the fifth example , the optical imaging is the square of (NA ÷ β) represented by the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β). It is preferable that a clear image can be formed at an early stage by using optical conditions including an objective lens having a value of 0.01 or more. Here, the value is more preferably adjusted according to the magnification of the objective lens. In addition, according to the monitoring method of the fourteenth example, the method of the first or thirteenth example includes a step of adjusting the length of the exposure unit time for obtaining one light emission image. According to the monitoring method of the fifteenth example, the method of the fourteenth example further includes a step of dividing the image obtained in the unit time.
また、本発明の第16例の解析方法は、生きた試料を発光タンパクに基づく発光により長期に解析する方法において、生物学的活性を損なわない処理条件で、解析すべき項目に応じた発光タンパクを導入した前記試料を、基質成分によって化学的に誘起し、所望のモニタリング期間中、前記発光の誘起及び撮像を継続的に実行し、前記処理条件に応じて設定された撮像条件の下で複数の異なる時間に対応する光学イメージを得、前記光学イメージに対し、前記撮像条件に応じた画像処理を行って解析に必要な情報を得る、ことを特徴とする発光タンパクによる長期解析方法である。ここで、第17例は、第16例の方法において、前記処理条件としての基質成分の濃度が600μM以下であり、前記撮像条件が、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上であるような対物レンズを含む光学条件を用いて発光タンパクに基づく画像が得られる露光時間であることを特徴とする解析方法である。さらに、第18例は、第16例または第17例の方法において、前記基質濃度を200μM以上で存在させるとともに、前記撮像条件を前記試料の生物学的活性がほぼ変化しない露光時間内としたことを特徴とする解析方法である。 The 16th example of how the analysis of the present invention is a method of analyzing long term by luminescence based raw Kita sample luminescence protein, in processing conditions that do not impair the biological activity, luminescence protein corresponding to the item to be analyzed The sample having introduced therein is chemically induced by a substrate component, and during the desired monitoring period, the induction and imaging of the emission are continuously performed, and a plurality of samples are obtained under imaging conditions set according to the processing conditions. It is a long-term analysis method using a photoprotein characterized in that optical images corresponding to different times are obtained, and information necessary for analysis is obtained by performing image processing on the optical image according to the imaging conditions. Here, in the seventeenth example , in the method of the sixteenth example , the concentration of the substrate component as the processing condition is 600 μM or less, and the imaging condition is represented by a numerical aperture (NA) and a projection magnification (β). The analysis method is characterized in that the exposure time is such that an image based on a photoprotein is obtained using an optical condition including an objective lens whose square value of (NA ÷ β) is 0.01 or more. Furthermore, in Example 18 , in the method of Example 16 or Example 17 , the substrate concentration was present at 200 μM or more, and the imaging condition was set within an exposure time in which the biological activity of the sample did not substantially change. This is an analysis method characterized by
また、第19例は、第16例において、さらに蛍光成分を含んでいる試料に適用することとされ、発光及び蛍光のそれぞれの光学イメージから前記解析に必要な情報を得ることを特徴とする解析方法である。蛍光成分は、上述した処理条件に沿うように設定され、過度な励起光を付与する必要が無いほどに微量な濃度であってよい。なお、第20例のように、第19例の方法が、発光画像の取得に必要な時間に応じて励起光量を決定するのが好ましい。その他、第21例は、第16例または第17例の方法において、1枚の発光画像を得るための露光単位時間の長さを調節する工程を含むことを特徴とする解析方法である。そして、第22例は、第21例の方法において、前記単位時間で得られた画像を分割する工程をさらに含むことを特徴とする解析方法である。 The nineteenth example is applied to a sample further containing a fluorescent component in the sixteenth example , and the information required for the analysis is obtained from each optical image of light emission and fluorescence. Is the method. The fluorescent component is set so as to meet the above-described processing conditions, and may have a concentration that is so small that it is not necessary to apply excessive excitation light. As in the twentieth example , it is preferable that the method of the nineteenth example determines the amount of excitation light according to the time required for acquiring the luminescent image. In addition, the twenty-first example is an analysis method characterized in that the method of the sixteenth or seventeenth example includes a step of adjusting the length of the exposure unit time for obtaining one light-emitting image. The twenty-second example is an analysis method characterized in that the method of the twenty-first example further includes a step of dividing the image obtained in the unit time.
以上のモニタリング方法および解析方法によれば、次のような特徴を有する装置または方法を包含することができる。すなわち、本発明の方法を実行する装置は、細胞又は該細胞を含む生物学的試料を検体として画像取得可能な状態に準備し、多数の前記検体からの生物学的活性に起因する微弱な光学的データを蓄積して画像解析可能な画像情報を取得する微弱光画像取得手段と連携し、前記微弱光画像を形態的に解析して個々の細胞を認識するとともに、認識した個々の細胞に対応する微弱光の光強度を網羅的に評価するための画像解析を行うことを特徴とする。ここで、前記微弱光画像取得手段がさらに異なる所望の経過時間ごとの微弱光画像を連続的ないし断続的に取得する構成を有する場合であって、1以上の同一の細胞に関する時間ごとの光強度を網羅的に解析することにより、例えば時間遺伝子の活性パターンや薬剤等による細胞内物質の応答パターンを網羅的に評価することができるようになる。また、前記認識した細胞のうち所定の光強度ないし光分布を示さない細胞については網羅的評価を行わないことにより、解析すべきでない細胞を除外して正確な評価を実施できるようになる。また、前記画像解析した全ての細胞の光強度を合計値または平均値を算出することにより、個々の細胞の評価の他に解析した細胞全体の評価も実施できるようになる。また、前記画像解析した2以上の細胞の光強度および/または光強度パターンに応じて同一または異なる細胞グループに分類することにより、解析したパターンごとに活性を評価できるようになる。場合によっては、パターンが異なる細胞ごとに活性度ないし活性変化の詳細を調べることができるようになる。特に本発明においては、後述するように、1枚の発光画像を得るための露光単位時間の長さを調節し、好ましくは単位時間で得られた画像を分割する工程をさらに含むことによって、本発明による作用効果を一層有利にする。 According to the above monitoring method and analysis method, an apparatus or method having the following characteristics can be included. That is, an apparatus for executing the method of the present invention prepares a cell or a biological sample containing the cell as a specimen in a state in which an image can be obtained, and weak optics resulting from biological activities from a large number of the specimens. In cooperation with weak light image acquisition means that accumulates the target data and acquires image information that can be analyzed, it recognizes individual cells by morphologically analyzing the weak light image and corresponds to the recognized individual cells The image analysis is performed to comprehensively evaluate the light intensity of the weak light. Here, in the case where the weak light image acquisition means has a configuration for continuously or intermittently acquiring weak light images at different desired elapsed times, the light intensity per time for one or more identical cells. By comprehensively analyzing the above, it becomes possible to comprehensively evaluate, for example, the temporal gene activity pattern and the response pattern of intracellular substances due to drugs and the like. In addition, the cells that do not exhibit a predetermined light intensity or light distribution among the recognized cells are not subjected to exhaustive evaluation, so that accurate evaluation can be performed excluding cells that should not be analyzed. Further, by calculating the total value or the average value of the light intensities of all the cells subjected to the image analysis, it becomes possible to perform the evaluation of the analyzed whole cells in addition to the evaluation of the individual cells. Further, by classifying the cells into the same or different cell groups according to the light intensity and / or light intensity pattern of two or more cells subjected to the image analysis, the activity can be evaluated for each analyzed pattern. In some cases, it becomes possible to examine details of activity or activity change for each cell having a different pattern. In particular, in the present invention, as described later, the present invention further includes a step of adjusting the length of the exposure unit time for obtaining one luminescent image, and preferably dividing the image obtained in the unit time. The effects of the invention are made more advantageous.
また、本発明の装置は、細胞又は該細胞を含む生物学的試料を検体とし、多数の前記検体を画像取得可能な状態に保持する保持手段と、前記生物学的試料から発する微弱な光学的データを蓄積して画像解析可能な画像情報を取得する微弱光画像取得手段と、前記微弱光画像を形態的に解析して個々の細胞を認識するとともに認識した個々の細胞に対応する微弱光の光強度を網羅的に評価するための画像解析手段とを備えたことを特徴とする。ここで、前記保持手段が、複数のウェルを一体化したプレートをアドレス化可能に保持する構成を有することにより、複数のウェル間の評価を同一視野内または所定の順番で行うようになるので、異なる試料または異なる薬剤等による活性評価の結果を比較したり相関させることができるようになる。この場合、前記保持手段が複数の独立した容器をアドレス化可能に保持する構成としてもよく、画像取得手段の視野に限定されず、多数の容器についての評価を行えるようになる。また、画像取得した時刻に応じた評価を行うように制御する制御手段を有することにより、経過時間ごとの同一細胞に関する解析、特定の活性を示した異なる時間同士の細胞(同一または異なる細胞)の比較解析といった多様な時間解析ができるようになる。また、前記画像解析した結果を画像情報と関連付けて表示する表示手段をさらに有することにより、解析結果の中から画像として見たい結果に対応する画像を表示できるようになる。また、前記表示手段が所望の画像情報を動画表示する構成を有することにより、1以上の所望の細胞に関する活性の変化をリアルタイムな映像でもって観察することができるようになる。動画表示としては、同一細胞に関する時間ごとの微弱光画像を画像処理により重ね合わせて臨場感を向上させるようにするとさらに好ましい。また、同一細胞に関する時系列の複数画像を駒送りで並列(ないし一部ずらしただけでもよい)表示するようにして、時間ごとの画像を全貌できるようにしてもよい。 In addition, the apparatus of the present invention uses a cell or a biological sample containing the cell as a specimen, a holding means for holding a large number of the specimens in a state in which an image can be acquired, and a weak optical emitted from the biological sample. Weak light image acquisition means for accumulating data and acquiring image information that can be analyzed, and recognizing individual cells by morphologically analyzing the weak light image and detecting weak light corresponding to the recognized individual cells An image analysis means for comprehensively evaluating the light intensity is provided. Here, since the holding means has a configuration in which a plate in which a plurality of wells are integrated is held so as to be addressable, evaluation between the plurality of wells is performed in the same field of view or in a predetermined order. It becomes possible to compare and correlate the results of activity evaluation with different samples or different drugs. In this case, the holding means may be configured to hold a plurality of independent containers in an addressable manner, and is not limited to the field of view of the image acquisition means, and can evaluate a large number of containers. In addition, by having a control unit that controls to perform evaluation according to the time of image acquisition, analysis of the same cell for each elapsed time, cells of different times (identical or different cells) exhibiting a specific activity Various time analysis such as comparative analysis can be performed. Further, by further including display means for displaying the image analysis result in association with image information, an image corresponding to the result desired to be viewed as an image can be displayed from the analysis result. In addition, since the display means has a configuration in which desired image information is displayed as a moving image, a change in activity relating to one or more desired cells can be observed with a real-time image. As a moving image display, it is more preferable to enhance the sense of reality by superimposing weak light images of the same cell for each time by image processing. Further, a plurality of time-series images related to the same cell may be displayed in parallel (or just partially shifted) by frame advance so that the entire image for each time can be displayed.
また、本発明における解析方法は、細胞または組織内外の相互作用を解析する方法において、前記相互作用し得る物質の少なくとも一方に対して生物学的励起物質としての発光物質を標識した相互作用物質を複数の細胞内に存在せしめ、相互作用による結果としての発光を複数の細胞が含まれる撮像視野によって光学的に撮像し、撮像した同一視野中の複数の細胞画像を個別に解析する工程を含むことを特徴とする。ここで、前記個別の細胞画像における微弱光の有無および/または量が、相互作用と相関するのが好ましい。また、生物学的励起物質が、生物発光をもたらす成分を含んでいるのが好ましい。生物発光をもたらす成分が発光反応のための基質を均一に含んでいるのがさらに好ましい。 Further, the analysis method in the present invention is a method for analyzing an interaction between cells and tissues, wherein an interaction substance obtained by labeling a luminescent substance as a biological excitation substance on at least one of the interactable substances is provided. Including the steps of optically capturing the light emission resulting from the interaction in a plurality of cells through an imaging field including a plurality of cells, and individually analyzing the plurality of cell images in the same field. It is characterized by. Here, the presence and / or amount of weak light in the individual cell image is preferably correlated with the interaction. It is also preferred that the biological excitation material includes a component that provides bioluminescence. More preferably, the component that provides bioluminescence uniformly contains a substrate for the luminescent reaction.
また、本発明の解析方法は、前記生物学的励起物質の活性に影響を与える化学的刺激物質との相互作用を評価する工程を含んでいるのが好ましい。また、前記生物学的励起物質の活性に影響を与える物理学的刺激との相互作用を評価する工程を含んでいるのが好ましい。また、前記生体試料が、生細胞を含んでいるのがさらに好ましい。また、前記解析工程が、同一視野中の複数の細胞を統計的に計測する計測工程を含んでいるのが好ましい。ここで、前記計測工程が少なくとも検出可能な発光を生じている細胞数を算出する工程を含んでいるのがさらに好ましい。また、前記計数工程が細胞ごとの発光量に応じたグループ別に分別する工程を含んでいるのがさらに好ましい。いずれにせよ、前記計測工程による結果情報を細胞画像上に対応付けて視認可能に表現する工程を含んでいるのが好ましい。前記表現する工程の代わりに、前記撮像工程が多数の異なるタイミングで実行されるとともに、計測工程による結果情報を、時間軸に沿ってリアルタイムに出力するか或いは発光反応の活性曲線に沿って同期させて出力する工程を含んでいる場合にも好ましい。 Moreover, it is preferable that the analysis method of the present invention includes a step of evaluating an interaction with a chemical stimulating substance that affects the activity of the biologically excited substance. Preferably, the method further includes a step of evaluating an interaction with a physical stimulus that affects the activity of the biologically excited substance. Further, it is more preferable that the biological sample contains living cells. Moreover, it is preferable that the said analysis process includes the measurement process which measures several cells in the same visual field statistically. Here, it is more preferable that the measurement step includes a step of calculating at least the number of cells that generate detectable luminescence. Further, it is more preferable that the counting step includes a step of sorting by group according to the amount of luminescence for each cell. In any case, it is preferable to include a step of expressing the result information by the measurement step in association with the cell image so as to be visible. Instead of the expressing step, the imaging step is executed at a number of different timings, and the result information from the measuring step is output in real time along the time axis or synchronized along the activity curve of the luminescence reaction. This is also preferable when it includes a step of outputting the output.
また、本発明の解析方法は、細胞または組織内外の相互作用を解析する方法において、前記相互作用し得る物質の少なくとも一方に対して生物学的励起物質としての発光物質を標識した相互作用物質を同一細胞または同一組織の異なる複数部位に対して同時に存在せしめ、相互作用による結果としての発光を前記細胞または組織が含まれる撮像視野によって光学的に撮像し、撮像した同一細胞ないし同一組織中の複数の部位に関する情報を撮像した画像情報に基づいて解析する工程を含むことを特徴とする。 Further, the analysis method of the present invention is a method for analyzing an interaction between cells and tissues, wherein an interaction substance obtained by labeling a luminescent substance as a biological excitation substance on at least one of the interactable substances is provided. The same cell or multiple different parts of the same tissue can be present at the same time, and the resulting luminescence can be optically imaged by the imaging field including the cell or tissue, The method includes a step of analyzing based on image information obtained by imaging information related to the part.
また、本発明の解析方法は、細胞または組織内外の相互作用を解析する方法において、前記相互作用し得る物質の少なくとも一方に対して生物学的励起物質としての発光物質を標識した相互作用物質を同一細胞または同一組織の特定の場所ないし分布状態で存在せしめ、相互作用による結果としての発光を前記細胞または組織が含まれる撮像視野によって光学的に時系列で撮像し、撮像した同一細胞ないし同一組織中の複数の部位に関する情報を撮像した画像情報に基づいて前記発光物質の場所ないし分布状態の変化を解析する工程を含むことを特徴とする。 Further, the analysis method of the present invention is a method for analyzing an interaction between cells and tissues, wherein an interaction substance obtained by labeling a luminescent substance as a biological excitation substance on at least one of the interactable substances is provided. The same cells or the same tissue exist in a specific place or distribution state of the same cell or the same tissue, and the luminescence as a result of the interaction is optically imaged in time series by the imaging field including the cell or the tissue, The method includes a step of analyzing a change in a place or a distribution state of the luminescent material based on image information obtained by imaging information on a plurality of parts therein.
また、本発明の解析方法は、細胞または組織内外の相互作用を解析する方法において、相互作用し得る複数種類の相互作用物質を生物学的励起物質としての発光物質を標識した状態で前記細胞または組織内に存在せしめ、相互作用による結果としての発光を前記細胞または組織が含まれる撮像視野によって光学的に撮像し、撮像した画像情報に基づいて前記相互作用物質ごとに解析する工程を含むことを特徴とする。ここで、前記複数種類の相互作用物質が光学的に識別可能な異なる光特性を有する発光物質によって別々に標識されているのが好ましい。また、前記複数種類の相互作用物質のそれぞれに特異的な化学的ないし物理学的刺激を別々のタイミングで実行するのが好ましい。 Further, the analysis method of the present invention is a method for analyzing interactions inside and outside a cell or tissue, wherein a plurality of types of interacting substances that can interact are labeled with a luminescent substance as a biological excitation substance or the cells or Including the step of optically imaging light emission as a result of interaction in a tissue through an imaging field including the cell or tissue, and analyzing each of the interacting substances based on the captured image information. Features. Here, it is preferable that the plurality of types of interacting substances are separately labeled with luminescent substances having different optical characteristics that are optically distinguishable. In addition, it is preferable to perform chemical or physical stimulation specific to each of the plurality of types of interacting substances at different timings.
以上の方法および装置は、必要とする装置構成を制御したり連携するためのソフトウェアまたは該ソフトウェアを特徴づけるコンピュータプログラムの形態で提供されてもよい。また、本発明の方法または装置を装置と同一ないし別個に配置されたデータベースと電気的に接続することにより、画像容量ないし解析情報量に制限されることなく、高速で且つ信頼性と質の高い解析結果を提供することが可能になる。 The above method and apparatus may be provided in the form of software for controlling or coordinating a required apparatus configuration or a computer program characterizing the software. In addition, by electrically connecting the method or apparatus of the present invention to a database arranged identically or separately from the apparatus, it is fast and reliable and high quality without being limited by image capacity or analysis information amount. Analysis results can be provided.
本発明によれば、ルシフェラーゼ遺伝子を導入した細胞の発光像を,以下の条件を満たす光学系で撮像することが実用面で重要な鍵を握っている。本出願人による光学的実験によれば、対物レンズの開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上の光学系で撮像することによって、単一の細胞から発生する発光だけで画像化できることが証明された(特願2005−267531号参照)。さらに、本出願人は、検討を進め、同一シャーレ内で培養された複数の細胞において、遺伝子発現の変動パターンが異なることも発見した。さらに、発明者が追究した光学的条件によれば、撮像装置の対物レンズを開口数(NA)/投影倍率(β)の2乗で表される光学的条件が0.071以上である場合に、1〜5分以内で画像化でき、画像解析も可能な細胞画像を提供できること突き止めた。これらの発光画像を蓄積型の撮像装置により顕微鏡観察する発光解析システムを発光顕微鏡と呼ぶこととする。発光顕微鏡には、好ましくは遮光のための開閉蓋(ないし開閉窓)を具備する遮光手段を有し、この遮光手段の開閉によって必要な生体試料をセットまたは交換する。目的に応じて、生体試料を収容する容器に対して化学的ないし物理学的刺激を行なう操作を手動ないし自動で行なうようにしてもよい。最良の一形態では、発光顕微鏡は公知または独自の培養装置を搭載いる。培養装置は、長期間のシステム内での解析を可能にするように、温度、湿度、pH、外気成分、培地成分、培養液成分を最適に維持する機能を備えている。 According to the present invention, it is important in practical use to capture a luminescence image of a cell into which a luciferase gene has been introduced with an optical system that satisfies the following conditions. According to the optical experiment by the present applicant, imaging is performed with an optical system in which the square of (NA ÷ β) expressed by the numerical aperture (NA) of the objective lens and the projection magnification (β) is 0.01 or more. Thus, it was proved that an image can be formed only by luminescence generated from a single cell (see Japanese Patent Application No. 2005-267531). Furthermore, the present applicant has proceeded with studies and found that the variation pattern of gene expression is different among a plurality of cells cultured in the same petri dish. Further, according to the optical condition investigated by the inventor, when the optical condition expressed by the square of the numerical aperture (NA) / projection magnification (β) of the objective lens of the imaging apparatus is 0.071 or more. It was found that a cell image that can be imaged within 1 to 5 minutes and can be analyzed is provided. A light emission analysis system that observes these light emission images with a storage-type imaging device under a microscope is called a light emission microscope. The light emission microscope preferably has a light shielding means having an opening / closing lid (or an opening / closing window) for shielding light, and a necessary biological sample is set or exchanged by opening / closing the light shielding means. Depending on the purpose, an operation for chemically or physically stimulating a vessel containing a biological sample may be performed manually or automatically. In the best mode, the luminescence microscope is equipped with a known or unique culture device. The culture apparatus has a function of optimally maintaining the temperature, humidity, pH, outside air component, medium component, and culture solution component so as to enable analysis in the system for a long period of time.
従って、本発明の解析方法は、細胞内外の相互作用を画像情報に基づいて解析する方法において、前記相互作用し得る物質の少なくとも一方に対して生物学的励起物質としての発光物質を標識した相互作用物質を1以上の細胞内に存在せしめ、相互作用による結果としての発光を光学的に撮像し、撮像した光学的情報を単一の細胞について画像化する工程を含み、画像表現が相互作用に起因する微弱光の有無および/または量を示していることを特徴とする。 Therefore, the analysis method of the present invention is a method for analyzing intracellular / extracellular interactions based on image information, wherein at least one of the interactable substances is labeled with a luminescent substance as a biological excitation substance. Including the step of causing the agent to be present in one or more cells, optically imaging the resulting emission of the interaction, and imaging the captured optical information for a single cell, wherein the image representation is an interaction It is characterized by the presence and / or amount of weak light caused by it.
本発明においては、次の適用範囲を含むことができる。 In the present invention, the following application ranges can be included.
(1)アッセイ項目
次の広範なアッセイ項目において、微弱な発光を用いた低浸襲性でかつ直接的な解析を詳細かつ正確に実行し得る。例えば、遺伝子発現異常(例えば遺伝子発現頻度の決定および/または変動のモニタリング)、体内リズム障害関連疾患(例えば睡眠障害、過労症候群、時差ボケ)、時間薬理学的応答(例えば薬物感受性または薬物代謝活性の日内変動)、日照応答リズム(例えば植物生育速度、走光性運動活性)、化学物質応答評価(創薬スクリーニング、抗癌剤効果モニタリング、移植または遺伝子治療後の細胞(ないし生体組織)の術後経過観察、水類(ないし血清)ストレス評価)、物理学的刺激応答評価(熱ショック、電気ショック、圧力ショック)、発生学的生物活性の評価が挙げられる。
(1) Assay Items In the following wide range of assay items, low invasiveness and direct analysis using weak luminescence can be performed in detail and accurately. For example, gene expression abnormalities (eg determination of gene expression frequency and / or monitoring of fluctuations), internal rhythm disorder related diseases (eg sleep disorders, overwork syndrome, jet lag), temporal pharmacological responses (eg drug sensitivity or drug metabolic activity) Diurnal fluctuations), sunshine response rhythms (eg plant growth rate, phototactic motor activity), chemical response evaluation (drug discovery screening, anticancer drug effect monitoring, post-surgical follow-up of cells (or biological tissues) after transplantation or gene therapy , Water (or serum) stress evaluation), physical stimulus response evaluation (heat shock, electric shock, pressure shock), and developmental biological activity evaluation.
(2)アッセイ原理
核内移行、レセプタ受容シグナル伝達、神経細胞成長、生体日概リズムが挙げられる。このうち、アッセイにおいて、光学的ないし熱的刺激を利用するものについては、従来の蛍光検出は複数回の励起光照射による余分な光刺激または熱上昇をもたらすが、発光においては冷光である故に、過剰な外来ビームや熱上昇による細胞への影響は殆ど無い。
(2) Assay principle Nuclear translocation, receptor receptor signal transduction, nerve cell growth, and biological circadian rhythm. Among these, in the case of using an optical or thermal stimulus in the assay, the conventional fluorescence detection causes an extra light stimulus or a heat increase due to multiple excitation light irradiations, but because it is a cold light in the luminescence, There is almost no influence on the cell by excessive exogenous beam and heat rise.
(3)使用可能な機器
撮像装置(例えば光学顕微鏡、フォトマルチプライヤー型イメージャー(フォトマル)、イメージサイトメーター)、分光測定装置(例えばルミノメータ、積分球光度計、フォトンカウンター)が挙げられる。このうち、撮像装置は、フォトマルによる画像生成よりも、CCDカメラ(培養装置と一体化しているシステムにおいてインキュベーター温度による感度低下が問題になる場合には、冷却性能に優れるCCDである方が好ましい)による画像生成の方が鮮明な画質を短時間で得易い点で好ましい。但し、生物学的活性を計測する上では、上記の撮像装置、分光測定装置のいずれであってもデータが得られる。例えば、上記撮像装置において画像が生成されるより前に生物学的活性を示すに充分な発光量(ないし発光強度)が蓄積できる。従って、上記撮像手段にいずれかを用いて発光画像を取得した場合には、同じ発光画像を用いて高感度な発光データを得ることが可能である。連続的ないし経時的(ないし時系列)な解析を行う場合には、複数回の異なる時間のうち、最少1回(好ましくは初回)の発光シグナルの取得時において画像生成を行い、それ以外は画像生成することなく、好ましくは指定された部位または部分領域について、発光データのみを繰返し得るようにすれば、評価ないし解析時間のさらなる効率化が図れる。なお、本発明において、分光測定装置を使用する場合には、生物学的試料の特定部位ないし部分領域に限定した計測が可能な手段(例えば光学的絞り)と組み合わせることにより特定の単一細胞を含む若干大きめの小フレームまたは或る程度の広がりを持った細胞集団を含む大フレームによって、受光可能な最大面積よりも小さく且つ余分な領域がなるべく含まれないような受光データを連続的ないし経時的(好ましくは時系列的)に繰返し測光するようにすればよい。
(3) Usable devices An imaging device (for example, an optical microscope, a photomultiplier type imager (photomal), an image cytometer), and a spectroscopic measurement device (for example, a luminometer, an integrating sphere photometer, a photon counter) can be mentioned. Among these, the image pickup apparatus is preferably a CCD camera (excellent cooling performance when sensitivity reduction due to incubator temperature is a problem in a system integrated with a culture apparatus) rather than image generation by photomultiplier. ) Is preferable in that a clear image quality can be easily obtained in a short time. However, in measuring biological activity, data can be obtained by any of the imaging apparatus and the spectroscopic measurement apparatus. For example, a light emission amount (or light emission intensity) sufficient to show biological activity can be accumulated before an image is generated in the imaging device. Therefore, when a luminescent image is acquired using any one of the imaging means, it is possible to obtain highly sensitive luminescent data using the same luminescent image. When performing continuous or time-lapse (or time-series) analysis, image generation is performed at least once (preferably the first time) of the emission signals among a plurality of different times, otherwise the image is generated. If only light emission data can be repeated preferably for a designated part or partial region without generation, it is possible to further improve the efficiency of evaluation or analysis time. In the present invention, when a spectroscopic measurement device is used, a specific single cell can be obtained by combining with a means (for example, an optical aperture) capable of measurement limited to a specific part or partial region of a biological sample. The received light data that is smaller than the maximum light-receiving area and contains as little extra area as possible can be obtained continuously or over time by a slightly larger small frame or a large frame including a cell population having a certain extent. Photometry may be repeated repeatedly (preferably in time series).
(4)アッセイ対象(試料)
真核動物、シアノバクテリア由来の細胞または組織が挙げられる。医学用途において、哺乳類、特にヒトにおける検査すべき部位からバイオプシーにより切除した細胞を含む試料がとくに例示される。再生医療においては、少なくとも一部が人工的に改良ないし合成された生体試料であって、生物学的活性を良好に維持するかどうかを検査する目的に利用できる。他の一面において、本発明のアッセイ対象は、動物由来の細胞または生体組織に限らず、植物や昆虫由来の細胞または生体組織であってもよい。菌、ウイルスにおいては、従来のルミノメータでは実行されなかった容器内の部分ごとの解析が対象となり得る。ルミノメータではウェルまたはシャーレ等の容器内に無数の試料(例えば1ウェル当り100万個以上)を重積することで強大な発光量を得るようにしている。本発明では、個々の細胞が識別できる程度の密度で容器内に収容することで、個別の細胞ないし生体組織を解析できる。個別の解析には、発光している細胞だけの個数を計算する工程を含めることができるので、細胞1個当りの正確な相互作用に関する評価が行なえる。とくに、本発明によれば、励起光を必要とせず長期に微弱な発光を生じ得る発光タンパク質を用いて試料を処理することにより、生きた細胞を長期に安定且つダメージなくモニタリング及び/又は解析するのに適している。
(4) Target of assay (sample)
Examples include cells or tissues derived from eukaryotes and cyanobacteria. Particularly exemplified in medical applications are samples containing cells excised by biopsy from the site to be examined in mammals, particularly humans. In regenerative medicine, at least a part of an artificially modified or synthesized biological sample can be used for the purpose of examining whether biological activity is maintained well. In another aspect, the assay subject of the present invention is not limited to cells or biological tissues derived from animals, but may be cells or biological tissues derived from plants or insects. In the case of bacteria and viruses, the analysis of each part in the container that has not been performed by a conventional luminometer can be targeted. In a luminometer, a large amount of light emission is obtained by stacking innumerable samples (for example, 1 million or more per well) in a container such as a well or a petri dish. In the present invention, individual cells or living tissues can be analyzed by storing them in a container at a density that allows individual cells to be identified. Since individual analysis can include a step of calculating the number of only luminescent cells, an accurate interaction per cell can be evaluated. In particular, according to the present invention, a living cell can be monitored and / or analyzed for a long period of time stably and without damage by treating the sample with a photoprotein that does not require excitation light and can generate weak luminescence over a long period of time. Suitable for
(5)本発明が提供する有意義な用途
個々の細胞のそれぞれから発生する1種または複数種類の発光データである。一例として、細胞のそれぞれが異なる発光量または発光分布を示すことを統計的に解明する方法および装置を提供する。別の例として、同一の細胞から異なる種類の発光が同一または異なる時機に発生するかどうかを解明するマルチアッセイのための方法および装置を提供する。また、別な例として、同一の撮像領域において発光量で分類される複数の同一または異なる細胞集団を解明し、必要に応じて分類結果をヒストグラムや正規分布等のグラフィック表現を行なうような方法および装置を提供する。また、別な例として、同一の細胞(ないし組織)の特定部位ないし一定の拡がりの有る領域についての各種変化を安定的に高精度で解析する方法および装置を提供する。分布状態撮像領域において発光量で分類される複数の同一または異なる細胞集団を解明し、必要に応じて分類結果をヒストグラムや正規分布等のグラフィック表現を行なうような方法および装置を提供する。
(5) Significant use provided by the present invention One or a plurality of types of luminescence data generated from each individual cell. As an example, a method and apparatus for statistically elucidating that each cell exhibits a different light emission amount or light emission distribution is provided. As another example, a method and apparatus for a multi-assay that elucidates whether different types of luminescence from the same cell occur at the same or different times is provided. As another example, a method for elucidating a plurality of identical or different cell populations classified by the amount of luminescence in the same imaging region, and performing a graphic expression such as a histogram or a normal distribution on the classification results as necessary, and Providing the device. As another example, there is provided a method and apparatus for stably and accurately analyzing various changes in a specific region of a same cell (or tissue) or a region having a certain spread. Provided is a method and apparatus for elucidating a plurality of identical or different cell populations classified by the amount of luminescence in a distribution state imaging region, and performing a graphic expression such as a histogram or a normal distribution on the classification results as necessary.
なお、本発明においては、特筆すべきことに、培養期間に応じて基質濃度の設定を変更することにより、発光画像を長期間得ることと、細胞の生物学的活性を長期間維持することとを同時に達成できることも発明者らは見出した。従って、本発明は、培養環境下で起こり得る課題を解決し、目的を達成するために、以下のような発明も包含する。 In the present invention, it should be noted that, by changing the substrate concentration setting according to the culture period, a luminescent image can be obtained for a long time, and the biological activity of the cells can be maintained for a long time. The inventors have also found that can be achieved simultaneously. Therefore, the present invention includes the following inventions in order to solve the problems that may occur in the culture environment and achieve the object.
即ち、本発明によれば、生きた細胞を発光用成分で処理するとともに、発光用成分に対し発光を誘起するための基質溶液を適宜の培養環境下で存在させることにより細胞を発光させて、細胞の発光画像に基づく解析を行うにあたり、解析すべき培養期間に応じて細胞の生物学的活性を損なわない基質濃度に設定したことを特徴とする画像解析のための生細胞の処理方法も提供する。また、前記培養期間が数日以上の場合には、前記基質を700μM以下の濃度とすることを特徴とする処理方法を提供する。また、前記培養期間が数日未満の場合には、前記基質を800μm以上、1mM以下の濃度とすることを特徴とする処理方法を提供する。本発明の処理方法は、上記のような基質濃度範囲で培養し続けることにより、生物学的活性が低下しない状態を維持しながら、培養期間中、常に画像化可能な発光量を保つものである。 That is, according to the present invention, a living cell is treated with a luminescent component, and the substrate solution for inducing luminescence to the luminescent component is allowed to exist in an appropriate culture environment to cause the cell to emit light, Providing a method for processing live cells for image analysis, characterized in that the substrate concentration is set so as not to impair the biological activity of the cells according to the culture period to be analyzed in the analysis based on the luminescence image of the cells. To do. Moreover, when the culture period is several days or more, the treatment method is characterized in that the concentration of the substrate is 700 μM or less. In addition, when the culture period is less than several days, the treatment method is characterized in that the substrate has a concentration of 800 μm or more and 1 mM or less. The treatment method of the present invention maintains a state in which the biological activity is not lowered by continuing the culture in the substrate concentration range as described above, and always maintains an imageable luminescence amount during the culture period. .
他方、本発明によれば、生きた細胞を発光用成分で処理するとともに、発光用成分に対し発光を誘起するための基質溶液を適宜の培養環境下で存在させることにより細胞を発光させて、細胞の発光画像に基づく解析を行うにあたり、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上である光学的条件で細胞からの発光を収集するとともに、基質濃度を600μM以下に設定することを特徴とする生細胞の画像解析方法も提供する。また、前記光学条件としての(NA÷β)の2乗の値が0.039以上であることにより、より短時間での発光画像による解析方法を提供する。短時間で発光画像が得られれば画像解析を正確に行うに充分な画質を保証することが可能となる。また、同様の光学的条件によると、高価な極低温冷却型の撮像素子を使わずに小型且つ経済的な撮像が可能となる利点もある。従来よりも顕著に高速にイメージングを実行できる場合、動き易い細胞(神経細胞、シアノバクテリア等)の画像解析を確実に行える点で好ましい。さらに、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)2の値が0.071以上である場合に1分〜5分という短時間で対物レンズを用いることにより、あらゆる細胞解析において、リアルタイムなイメージングを実行できる点で好ましい。 On the other hand, according to the present invention, the living cells are treated with the luminescent component, and the cells are allowed to emit light by causing a substrate solution for inducing luminescence to the luminescent component to exist in an appropriate culture environment, In the analysis based on the luminescence image of the cell, the optical condition where the square value of (NA ÷ β) expressed by the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β) is 0.01 or more is from the cell. There is also provided an image analysis method for living cells, characterized by collecting luminescence and setting the substrate concentration to 600 μM or less. Further, since the value of the square of (NA ÷ β) as the optical condition is 0.039 or more, an analysis method using a light emission image in a shorter time is provided. If a luminescent image can be obtained in a short time, it is possible to guarantee a sufficient image quality for accurate image analysis. In addition, according to the same optical conditions, there is an advantage that small and economical imaging can be performed without using an expensive cryogenic cooling type imaging device. When imaging can be performed at a significantly higher speed than before, it is preferable in that image analysis of easily movable cells (neural cells, cyanobacteria, etc.) can be reliably performed. Further, when the value of (NA ÷ β) 2 expressed by the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β) is 0.071 or more, by using the objective lens in a short time of 1 to 5 minutes, This is preferable because real-time imaging can be performed in any cell analysis.
また、本発明は発光イメージングを高い開口数(NA)の対物レンズを用いて、短かい時間間隔の画像解析を行なうことが可能になるので、あらゆる刺激応答性を見逃さない。これにより、創薬や診断において優れた方法を提供する。また、発光量の少ない発光試料[例えば、発光タンパク質{例えば、導入された遺伝子(例えばルシフェラーゼ遺伝子)から発現された発光タンパク質}や、発光性の細胞または発光性の細胞の集合体や、発光性の組織試料や、発光性の個体(例えば動物や臓器など)など]でも、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムな解析が可能となる。 Further, the present invention makes it possible to perform image analysis at short time intervals using an objective lens having a high numerical aperture (NA) for luminescence imaging, so that all stimulus responsiveness is not missed. This provides an excellent method in drug discovery and diagnosis. In addition, a luminescent sample [eg, a luminescent protein {eg, a luminescent protein expressed from an introduced gene (eg, luciferase gene)], a luminescent cell or a collection of luminescent cells, Even in the case of tissue samples or luminescent individuals (such as animals and organs), a clear image can be analyzed with a short exposure time and in real time.
本発明によれば、発光タンパクによるモニタリングおよび解析を、試料の生物学的活性を損なわずに長期間安定に行う方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the method of performing monitoring and analysis by a photoprotein stably for a long period without impairing the biological activity of a sample can be provided.
以下に、本発明にかかる微弱光解析方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of a faint light analysis method according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
本発明にかかる方法を実施するための装置の構成について図1を参照して説明する。図1は、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置の構成の一例を示す図である。図1に示すように、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置は、撮像対象であるサンプル1を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮像するためのものであり、対物レンズ2と集光レンズ3とCCDカメラ4とモニタ5とで構成されている。なお、当該装置は図示の如くズームレンズ6をさらに備えてもよい。
A configuration of an apparatus for carrying out the method according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of an apparatus for carrying out the luminescent sample imaging method according to the present invention. As shown in FIG. 1, an apparatus for carrying out a luminescent sample imaging method according to the present invention is for imaging a
サンプル1は、発光試料であり、例えば、発光タンパク質{例えば導入された遺伝子(ルシフェラーゼ遺伝子など)から発現された発光タンパク質}や、発光性の細胞や、発光性の細胞の集合体や、発光性の組織試料や、発光性の臓器や、発光性の個体(動物など)などである。また、サンプル1は、具体的には、ルシフェラーゼ遺伝子を導入した発光細胞でもよい。対物レンズ2は、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)2の値が0.01以上のものである。集光レンズ3は、対物レンズ2を介して到達したサンプル1からの発光を集める。CCDカメラ4は、0℃程度の冷却CCDカメラであり、対物レンズ2や集光レンズ3を介してサンプル1を撮像する。モニタ5はCCDカメラ4で撮像した画像を出力する。
そして、対物レンズ2や対物レンズ2の包装容器(パッケージ)には、(NA/β)2の値を表記する。従来の対物レンズにはレンズ種類(例えば“PlanApo”)、倍率/NA油侵(例えば“100×/1.40oil”)および無限遠/カバーガラス厚(例えば“∞/0.17”)が表記されていた。しかし、本発明の方法にかかる撮像手段の対物レンズ(対物レンズ2)には、レンズ種類(例えば“PlanApo”)、倍率/NA油侵(例えば“100×/1.40oil”)、無限遠/カバーガラス厚(例えば“∞/0.17”)の他に、さらに射出開口角(例えば、“(NA/β)2:0.05”)が表記されている。
The value of (NA / β) 2 is written on the
以上、説明したように、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置において、対物レンズ2は、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)2の値が0.01以上である。これにより、発光量の少ない発光試料(例えば、発光タンパク質(例えば、導入された遺伝子(例えばルシフェラーゼ遺伝子)から発現された発光タンパク質)や、発光性の細胞または発光性の細胞の集合体や、発光性の組織試料や、発光性の個体(例えば動物や臓器など)など)でも、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮ることができる。具体的には、ルシフェラーゼ遺伝子を導入した発光細胞を撮像対象として、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮ることができる。また、対物レンズ2は、従来の対物レンズと比較して、開口数が大きく且つ倍率が小さいので、対物レンズ2を用いれば広範囲を分解能よく撮像することができる。これにより、例えば動きのある発光試料や移動する発光試料や広い範囲に分布する発光試料を撮像対象とすることができる。また、対物レンズ2は、当該対物レンズ2および/または当0該対物レンズ2を包装する包装容器(パッケージ)に、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)2の値(例えば0.01以上)を表記した。これにより、例えば発光画像観察を行う者は、表記された(NA÷β)2の値を確認すれば、発光試料を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮像するのに適した対物レンズを容易に選択することができる。
As described above, in the apparatus for carrying out the luminescent sample imaging method according to the present invention, the
従来、ルシフェラーゼ遺伝子を用いたレポーターアッセイにおいては、細胞を溶解した後に発光量を測定するため、ある時点での発現量しか捉えることができず、しかも細胞全体の平均値としての計測になってしまう。また、培養しながらの計測においては、細胞コロニーの経時的な発現量の変化を捉えることはできるが、個々の細胞での発現量の変化を捉えることはできない。そして、個々の細胞の発光を顕微鏡で観察するためには、生きた細胞からの発光量が極めて弱いため、液体窒素温度レベルの冷却CCDカメラで長時間露光したり、イメージ・インテンシファイアを装着したCCDカメラでフォトンカウンティングをしたりしなければならない。そのため、発光検出のカメラは高価で大掛かりなものになってしまう。しかし、レポーター遺伝子産物としてのルシフェラーゼ活性を示す個々の細胞の発光を顕微鏡によって観察する際、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置を利用すれば、イメージ・インテンシファイアを装着することなく、0℃程度の冷却CCDカメラを用いて定量的な画像を取得することができる。すなわち、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置を利用すれば、生きた状態で個々の細胞の発光を0℃程度の冷却CCDカメラによって観察することができるので、イメージ・インテンシファイアやフォトンカウンティングのための装置が不要である。つまり、低コストで発光試料の撮像を行うことができる。また、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置を利用すれば、個々の生きた細胞の発光を、培養しながら経時的に観察することができ、さらにリアルタイムに観察することもできる。また、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置を利用すれば、同じ細胞について、異なった条件での薬剤や刺激の応答をモニタすることができる。 Conventional reporter assays using the luciferase gene measure the amount of luminescence after lysing the cells, so only the expression level at a certain point in time can be captured, and the average value of the entire cell is measured. . Further, in measurement while culturing, changes in the expression level of cell colonies over time can be caught, but changes in the expression level in individual cells cannot be caught. In order to observe the luminescence of individual cells with a microscope, the amount of luminescence from living cells is extremely weak, so it can be exposed for a long time with a cooled CCD camera at the liquid nitrogen temperature level, or an image intensifier is attached. You have to do photon counting with a CCD camera. Therefore, the camera for detecting light emission is expensive and large. However, when observing the luminescence of individual cells exhibiting luciferase activity as a reporter gene product with a microscope, an image intensifier is attached if the apparatus for carrying out the luminescent sample imaging method according to the present invention is used. The quantitative image can be acquired using a cooled CCD camera at about 0 ° C. That is, if the apparatus for carrying out the luminescent sample imaging method according to the present invention is used, the luminescence of individual cells can be observed with a cooled CCD camera at about 0 ° C. in an alive state. No fire or photon counting device is required. That is, the luminescent sample can be imaged at low cost. In addition, if the apparatus for performing the luminescent sample imaging method according to the present invention is used, the luminescence of individual living cells can be observed over time while being cultured, and can also be observed in real time. . Moreover, if the apparatus for performing the luminescent sample imaging method according to the present invention is used, it is possible to monitor the response of drugs and stimuli under different conditions for the same cell.
ここで、本発明にかかる発光試料撮像方法、発光細胞撮像方法および対物レンズの理解を容易にするために、従来の対物レンズおよびそれを用いた発光画像観察について簡単に説明する。 Here, in order to facilitate understanding of the luminescent sample imaging method, the luminescent cell imaging method and the objective lens according to the present invention, a conventional objective lens and luminescent image observation using the objective lens will be briefly described.
一般に、顕微鏡観察における空間分解能εは、下記数式1で表される。
ε=0.61×λ÷NA ・・・(数式1)
(数式1において、λは光の波長であり、NAは開口数である。)
また、観察範囲の直径dは、下記数式2で表される。
d=D÷M ・・・(数式2)
(数式2において、Dは視野数であり、Mは倍率である。なお、視野数は一般に22から26である。)
従来、顕微鏡用対物レンズの焦点距離は国際規格で45mmとされていた。そして、最近では、焦点距離を60mmとする対物レンズが使われはじめている。この焦点距離を前提にしてNAが大きい、つまり空間分解能が高いレンズを設計すると作動距離(WD)は一般には0.5mm程度であり、また長WD設計のものでも8mm程度であった。このような対物レンズを用いた場合、観察範囲は0.5mm径程度である。
In general, the spatial resolution ε in microscopic observation is expressed by the following
ε = 0.61 × λ ÷ NA (Formula 1)
(In
Further, the diameter d of the observation range is expressed by the following
d = D ÷ M (Formula 2)
(In
Conventionally, the focal length of an objective lens for a microscope has been set to 45 mm according to international standards. Recently, an objective lens having a focal length of 60 mm has been used. If a lens with a large NA, that is, a high spatial resolution is designed on the assumption of this focal length, the working distance (WD) is generally about 0.5 mm, and even a long WD design is about 8 mm. When such an objective lens is used, the observation range is about 0.5 mm in diameter.
しかし、ディッシュやガラズボトムディッシュに分散した細胞群や組織、個体の観察を行う場合、観察範囲が1から数cmに及ぶことがある。このような範囲を分解能よく観察したいときには、低倍率でありながらNAを大きい値で維持しなければならない。換言すると、NAはレンズ半径と焦点距離との比であるので、NAが大きいまま広い範囲を観察できる対物レンズは、低倍である必要がある。そして、結果的に、このような対物レンズは大口径となる。なお、大口径の対物レンズの製作では、一般的に光学材料の物性の均一性やコーティングの均一性において、また、レンズ形状においても高い精度が求められる。 However, when observing a cell group, tissue, or individual dispersed in a dish or glass bottom dish, the observation range may range from 1 to several centimeters. When it is desired to observe such a range with high resolution, the NA must be maintained at a large value while the magnification is low. In other words, since NA is the ratio of the lens radius to the focal length, an objective lens that can observe a wide range with a large NA needs to be low magnification. As a result, such an objective lens has a large aperture. In manufacturing a large-diameter objective lens, generally high accuracy is required in terms of uniformity of physical properties and coating uniformity of an optical material and lens shape.
また、顕微鏡観察の場合、光学系の透過率や対物レンズの開口数やCCDカメラのチップ面での投影倍率やCCDカメラの性能などが像の明るさに大きく影響してくる。そして、像の明るさは、開口数(NA)を投影倍率(β)で割った値の2乗、すなわち(NA/β)2で評価される。ここで、対物レンズには、一般に、入射開口角NAと射出開口角NA'との間に下記数式3の関係があり、NA'2が観察者の目やCCDカメラなどに届く明るさを示す値である。
NA'=NA÷β ・・・(数式3)
(数式3において、NAは入射開口角(開口数)であり、NA'は射出開口角であり、βは投影倍率である。)
一般の対物レンズにおいて、NA'は高々0.04であり、NA'2は0.0016である。また、現在市販されている一般的な顕微鏡の対物レンズにおける像の明るさ(NA/β)2の値を調査したところ、0.0005から0.002の範囲であった。
In the case of microscopic observation, the light transmittance of the optical system, the numerical aperture of the objective lens, the projection magnification on the chip surface of the CCD camera, the performance of the CCD camera, etc. greatly affect the brightness of the image. The brightness of the image is evaluated by the square of the value obtained by dividing the numerical aperture (NA) by the projection magnification (β), that is, (NA / β) 2 . Here, the objective lens generally has a relationship of the following
NA ′ = NA ÷ β (Formula 3)
(In
In a general objective lens, NA ′ is at most 0.04, and NA ′ 2 is 0.0016. Further, when the value of image brightness (NA / β) 2 in an objective lens of a general microscope currently on the market was examined, it was in the range of 0.0005 to 0.002.
ところが、上記のような現在市販されている対物レンズを装着した顕微鏡を用いて、例えば細胞内でルシフェラーゼ遺伝子を発現させ発光している細胞を観察しても、当該細胞からの発光を目視で観察することができないし、さらに0℃程度に冷却したCCDカメラを用いて撮像した発光画像を観察しても細胞からの発光を確認することができない。なお、発光試料を観察する場合には、蛍光観察に必要な励起光の投影は不要である。例えば、落射蛍光観察では、対物レンズは、励起光投影レンズと蛍光を集光して画像を形成するレンズとの両方の機能を満たしている。 However, using a microscope equipped with a commercially available objective lens as described above, for example, even if a cell expressing a luciferase gene and illuminating it is observed, the light emitted from the cell is visually observed. In addition, even if a light emission image taken using a CCD camera cooled to about 0 ° C. is observed, light emission from the cells cannot be confirmed. When observing a luminescent sample, it is not necessary to project excitation light necessary for fluorescence observation. For example, in epifluorescence observation, the objective lens satisfies both functions of an excitation light projection lens and a lens that collects fluorescence to form an image.
そこで、光量の少ない発光を画像で観察するためには、大きなNAと小さいβの特性を有する対物レンズが必要である。そして、結果的に、当該対物レンズは大口径となる傾向がある。なお、このような対物レンズでは、励起光投影の機能を考慮することなく機能を単純化して設計、製造しやすくすることが求められる。 Therefore, in order to observe light emission with a small amount of light with an image, an objective lens having large NA and small β characteristics is required. As a result, the objective lens tends to have a large aperture. Note that such an objective lens is required to be easily designed and manufactured by simplifying the function without considering the function of projecting the excitation light.
また、発光や蛍光観察を利用する研究分野では、試料内のタンパク質分子の動的な機能発現を捉えるためにタイムラプスや動画撮像が求められている。最近では、蛍光を利用したタンパク質1分子の動画観察が行われている。これらの撮像では単位時間の撮像フレーム数が多いほど画像1フレームあたりの露出時間は短くなる。このような観察においては、明るい光学系、特に、明るい対物レンズが必要となる。しかし、蛍光に比べて発光タンパク質の光量は少ないので、1フレームの撮像に、例えば20分の露出時間を要することが多い。このような露出時間でタイムラプス観察を行うには動的な変化が非常に遅い試料に限られる。例えば、約1時間に一度分裂する細胞では、その周期内の変化を観察することはできない。従って、シグナル・ノイズ比を高く維持しながら少ない光量を効率よく画像化するために、光学系の明るさを向上することは重要である。 In the research field using luminescence and fluorescence observation, time-lapse and moving image capturing are required to capture the dynamic functional expression of protein molecules in a sample. Recently, video observation of one molecule of protein using fluorescence has been performed. In these imaging operations, the exposure time per image frame becomes shorter as the number of imaging frames per unit time increases. Such observation requires a bright optical system, particularly a bright objective lens. However, since the amount of photoprotein is less than that of fluorescence, it often takes an exposure time of, for example, 20 minutes to image one frame. In order to perform time-lapse observation with such an exposure time, a dynamic change is limited to a very slow sample. For example, in cells that divide once every hour, changes within that cycle cannot be observed. Therefore, it is important to improve the brightness of the optical system in order to efficiently image a small amount of light while maintaining a high signal-to-noise ratio.
以上の経緯を踏まえて製作された本発明の対物レンズは、上記の一般に市販されている対物レンズに比べて、大きなNAと小さいβの特性を有している。よって、本発明の対物レンズのNA'2は大きな値である。つまり、本発明の対物レンズは明るい対物レンズであると言うことができる。これにより、本発明の対物レンズのような明るい対物レンズを用いれば、光量の少ない発光試料からの発光を画像で観察することができる。また、より暗い像を観察するために、開口数の大きい本発明の対物レンズを実体顕微鏡に装着することで、イメージ・インテンシファイアを装着することなく、0℃程度に冷却したCCDカメラでも、細胞の発光を画像で観察することができる。また、液体窒素冷却を用いるCCDカメラで感度を上げる方法があるが、この場合CCDカメラが非常に高価に、大規模になる。しかし、本発明の対物レンズを用いれば、ペルチェ冷却によるCCDカメラでも、細胞の発光を画像で観察することができる。また、本発明の対物レンズは、数から10cm程度の大口径である。これにより、従来では撮像対象となり得なかった移動する発光試料や広い範囲に分布する発光試料などを撮像対象とすることができる。 The objective lens of the present invention manufactured based on the above circumstances has characteristics of a large NA and a small β as compared with the above-described objective lenses generally on the market. Therefore, NA′2 of the objective lens of the present invention is a large value. That is, it can be said that the objective lens of the present invention is a bright objective lens. Thereby, if a bright objective lens like the objective lens of this invention is used, the light emission from the light emission sample with little light quantity can be observed with an image. In order to observe a darker image, a CCD camera cooled to about 0 ° C. without mounting an image intensifier by mounting the objective lens of the present invention having a large numerical aperture on a stereomicroscope, Cell luminescence can be observed with images. In addition, there is a method of increasing the sensitivity with a CCD camera using liquid nitrogen cooling. In this case, the CCD camera becomes very expensive and large-scale. However, if the objective lens of the present invention is used, the light emission of the cells can be observed as an image even with a CCD camera using Peltier cooling. Moreover, the objective lens of the present invention has a large diameter of several to about 10 cm. Thereby, a moving luminescent sample that could not be an imaging target in the past or a luminescent sample distributed over a wide range can be set as an imaging target.
本発明の方法を実施するための測定原理、光学系の構成その他については、図1により既に説明したが、本出願人による出願(特願2005−267531号および特願2005−44737号)を参照してもよい。前記出願にも記載されるように、本出願人は、光学的実験を通じ、対物レンズの開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上の光学系で撮像することによって、単一の細胞から発生する発光だけで画像化できる証明データを取得した。さらに、本出願人は、検討を進め、同一シャーレ内で培養された複数の細胞において、遺伝子発現の変動パターンが異なることも発見した。驚くべきことに、上記の撮像条件は、本発明において実施される応用例で取り扱われる微弱な発光画像に対しても適用でき、短い時間(例えば1分〜20分)で生物発光のような微弱な発光成分による細胞画像を撮像できる。さらに、撮像装置の対物レンズを開口数(NA)/投影倍率(β)の2乗で表される光学的条件が0.071以上である場合に、1〜5分以内で画像化でき、画像解析も可能な細胞画像を提供できることも分かった。 The measurement principle for implementing the method of the present invention, the configuration of the optical system, and the like have already been described with reference to FIG. 1, but refer to the applications by the present applicant (Japanese Patent Application Nos. 2005-267531 and 2005-44737). May be. As described in the above-mentioned application, the applicant, through optical experiment, has a square value of (NA ÷ β) represented by a numerical aperture (NA) of the objective lens and a projection magnification (β) of 0. By taking an image with an optical system of 0.01 or more, proof data that can be imaged only by light emission generated from a single cell was obtained. Furthermore, the present applicant has proceeded with studies and found that the variation pattern of gene expression is different among a plurality of cells cultured in the same petri dish. Surprisingly, the above imaging conditions can also be applied to weak luminescent images handled in the application examples implemented in the present invention, and weak such as bioluminescence in a short time (for example, 1 to 20 minutes). Cell images can be captured with various luminescent components. Further, when the optical condition expressed by the square of the numerical aperture (NA) / projection magnification (β) is 0.071 or more, the objective lens of the imaging device can be imaged within 1 to 5 minutes. It was also found that cell images that can be analyzed can be provided.
上述した図1に示すように、本発明にかかる撮像方法を実施するための装置は、撮像対象であるサンプル1を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮像するためのものであり、従来採用されたことの無い高開口数(NA)の対物レンズ2とCCDカメラ4とモニタ5とで基本的に構成されている。これらの基本構成を備える装置を、本発明では発光顕微鏡と称することとする。発光顕微鏡は、暗視野での撮像を行うために、適宜、遮光用のフタまたはハウジングによって収容されているのが好ましい。また、適当な培養条件を維持できる培養装置を発光顕微鏡と一体に組合せることで、撮像を長期間に亘り、自動的に実行できる。なお、撮像を行う機構を有する構造であれば、顕微鏡の形態である必要はなく、マイクロプレートリーダーのような測定機器の形態であってもよい。
As shown in FIG. 1 described above, the apparatus for carrying out the imaging method according to the present invention is for imaging a
次に、本発明で使用する発光顕微鏡の構成、形態とその作用を説明する。 発光顕微鏡の基本的な特徴は、顕微鏡視野中の細胞に発現させた発光タンパク質から発する光を、対物レンズ(NA0.75)および光学フィルタを通してデジタルカメラで画像化することで、短時間でモニタリング出来ることである。遺伝子の発現パターンを発光画像としてリアルタイムに取得できるため、細胞を用いた遺伝子発現アッセイ系の幅広い研究対象に応用できると期待されている技術である。基本的な測定系の構成は、培養装置部に隣接した光学系を試料観察部とし、そこでの発光を対物レンズ(NA0.75、好ましくはNA0.75以上)および光学フィルタを通してデジタルカメラで捉えた後、デジタル画像取り込み用のパソコンでデータの記録と解析を行うようになっている。培養装置部はヒートプレートおよびチャンバーにより保温、保湿することができる。培養装置部内の温度は25−37℃に設定して試料を観察する。好ましくは37℃に設定して試料を観察する。湿度は0〜100%に設定して観察する。好ましくは60〜100%に設定する。 さらに、発光の光学イメージングを行なったときと同視野において明視野による画像を取得し、画像解析ソフト等で発光画像と明視野画像を重ね合わせることによって、発光している細胞を同定することができる。 Next, the configuration, form, and operation of the light emission microscope used in the present invention will be described. The basic feature of the luminescence microscope is that light emitted from a photoprotein expressed in cells in the microscope field can be monitored in a short time by imaging with a digital camera through an objective lens (NA 0.75) and an optical filter. That is. Since a gene expression pattern can be obtained in real time as a luminescence image, it is a technology that is expected to be applicable to a wide range of research subjects in gene expression assay systems using cells. The basic measurement system configuration is that the optical system adjacent to the culture apparatus unit is a sample observation unit, and the light emitted there is captured by a digital camera through an objective lens (NA 0.75, preferably NA 0.75 or more) and an optical filter. Later, data recording and analysis are performed on a digital image capturing personal computer. The culture apparatus part can be kept warm and moisturized by a heat plate and a chamber. The temperature in the culture apparatus is set to 25-37 ° C and the sample is observed. The sample is preferably observed at 37 ° C. The humidity is set to 0 to 100% and observed. Preferably, it is set to 60 to 100%. Furthermore, by acquiring a bright-field image in the same field as when optical luminescence imaging was performed, and superimposing the light-emission image and the bright-field image with image analysis software or the like, it is possible to identify the cells that emit light. .
本発明の方法に関する用語の定義を以下に示す。 Definitions of terms relating to the method of the present invention are shown below.
<刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域>
本発明における刺激により発現が誘導される遺伝子プロモーター領域としては、最初期遺伝子のプロモーターが挙げられる。本発明で用いられる最初期遺伝子のプロモーターとしては、例えば、c-fosプロモーター領域が挙げられる。また、本発明で用いられるプロモーターとしては、前記プロモーターの任意の動物種の対応物も含まれる。ここでプロモーター領域とは、プロモーター活性を有するために必要な最小の塩基配列を含む任意の領域を意味する。例えば、該遺伝子の転写部位に対して上流500から2000塩基の領域の一部3または全部を用いることができる。
<Promoter region of a gene whose expression is induced by stimulation>
Examples of the gene promoter region whose expression is induced by stimulation in the present invention include a promoter of an early gene. Examples of the promoter of the early gene used in the present invention include the c-fos promoter region. In addition, the promoter used in the present invention includes a counterpart of any animal species of the promoter. Here, the promoter region means an arbitrary region containing the minimum base sequence necessary for having promoter activity. For example, a part or all of a region of 500 to 2000 bases upstream from the transcription site of the gene can be used.
<レポーター遺伝子>
本発明におけるレポーター遺伝子は、検出可能な蛍光を発するレポータータンパク質をコードする遺伝子を意味する。例えば、蛍もしくはウミシイタケなどに由来するルシフェラーゼを挙げることができる。さらには、例えば、βガラクトシダーゼをコードする遺伝子、アルカリホスファターゼをコードする遺伝子を挙げることができる。かかるレポーター遺伝子を発光させるための基質としては、任意のものに適用できるが、とくにホタルルシフェリン、セレンテラジンに好適に適用できる。
<Reporter gene>
The reporter gene in the present invention means a gene encoding a reporter protein that emits detectable fluorescence. For example, luciferase derived from firefly or Renilla can be mentioned. Furthermore, the gene which codes (beta) galactosidase and the gene which codes alkaline phosphatase can be mentioned, for example. As a substrate for causing the reporter gene to emit light, any substrate can be applied, and in particular, firefly luciferin and coelenterazine can be preferably applied.
<光学イメージング>
本発明における光学イメージングとは、細胞や組織等の生体試料から発せられる検出可能なシグナルの存在、不在または強度をモニタリング、記録および分析するイメージング方法を意味する。例えば、レポーター遺伝子を導入した細胞においてレポーター遺伝子により光学イメージングを達成するためには、レポーター遺伝子により発せられるシグナルの強度が、シグナルを細胞の外部から分析することができるように、十分に高い感度でなければならない。光学イメージングは自動化に容易に適用可能であることから、多数の遺伝子発現を同時にモニタリングするのに用いることができる。なお、イメージングした試料画像の任意の位置について、時系列に2次元または3次元に画像情報を処理する技術は、本出願人による特願2004−172156、特願2004−178254、特願2004−342940、特願2005−267531等を参照してもよい。蛍光観察と発光観察における時系列な画像取得の違いは、発光観察が励起光による光学的走査(レーザスキャン)を必要としない点で余計な光による影響が無い点にある。本発明で行うイメージング技術によれば、リアルタイムに発光画像を撮像できる。
<Optical imaging>
Optical imaging in the present invention means an imaging method for monitoring, recording and analyzing the presence, absence or intensity of a detectable signal emitted from a biological sample such as a cell or tissue. For example, to achieve optical imaging with a reporter gene in a cell into which the reporter gene has been introduced, the intensity of the signal emitted by the reporter gene is sufficiently sensitive so that the signal can be analyzed from outside the cell. There must be. Since optical imaging is readily applicable to automation, it can be used to monitor multiple gene expressions simultaneously. The technique for processing image information two-dimensionally or three-dimensionally at an arbitrary position of an imaged sample image is disclosed in Japanese Patent Application Nos. 2004-172156, 2004-178254, and 2004-342940 by the present applicant. Japanese Patent Application No. 2005-267531 may be referred to. The difference between time-series image acquisition in fluorescence observation and light emission observation is that there is no influence of extra light because light emission observation does not require optical scanning (laser scan) with excitation light. According to the imaging technique performed in the present invention, a luminescent image can be captured in real time.
B.遺伝子発現の光学イメージング方法
<遺伝子発現ベクターの作製>
動物細胞を用いる場合、発現ベクターは少なくともプロモーター、開始コドン、目的のタンパク質をコードするDNA、終止コドンを含んでいることが好ましい。また、シグナルペプチドをコードするDNA、エンハンサー配列、該タンパク質をコードする遺伝子の5'側および3'側の非翻訳領域、スプライシング接合部、ポリA付加シグナル、選択マーカー領域または複製可能単位などを含んでいてもよい。
B. Optical imaging method for gene expression <Production of gene expression vector>
When using animal cells, the expression vector preferably contains at least a promoter, a start codon, DNA encoding the protein of interest, and a stop codon. Also includes DNA encoding signal peptide, enhancer sequence, 5 'and 3' untranslated regions of gene encoding the protein, splicing junction, poly A addition signal, selectable marker region or replicable unit, etc. You may go out.
<細胞への遺伝子導入方法>
遺伝子を細胞へ導入する方法としては、塩化カルシウム法または塩化カルシウム/塩化ルビジウム法、リポフェクション法、エレクトロポレーション法などが挙げられる。本発明で使用される遺伝子導入した細胞には一過性発現細胞あるいは安定発現細胞のいずれもが含まれる。
<Gene transfer method into cells>
Examples of methods for introducing genes into cells include calcium chloride method or calcium chloride / rubidium chloride method, lipofection method, electroporation method and the like. The gene-introduced cells used in the present invention include both transiently expressing cells and stable expressing cells.
<刺激による遺伝子発現の光学イメージング>
本発明は、任意の発光反応を誘起し得る物質を細胞に接触させる刺激により、発光量を時系列的に解析することが可能である。刺激および解析の対象となる細胞は、単一細胞でも細胞群でもよい。発光イメージングを行うことにより、任意の特定細胞をいつまでの追跡することが可能となり、細胞の違いによる発光強度ないし発光挙動を正確に評価できる。
<Optical imaging of gene expression by stimulation>
According to the present invention, it is possible to analyze the amount of luminescence in time series by a stimulus that contacts a cell with a substance capable of inducing any luminescent reaction. The cells to be stimulated and analyzed may be single cells or cell groups. By performing luminescence imaging, it becomes possible to trace any particular cell until what time, and the luminescence intensity or luminescence behavior due to the difference in cells can be accurately evaluated.
遺伝子導入された細胞の定数(例えば、1〜1×109個、好ましくは1×103〜1×106個)は所望の細胞培養が可能な器具(例えば、シャーレ、多数のウェルを有するマルチプレートなど)を用いて所望の栄養培地(例えば、D-MEM培地など)中で培養する。この定数の細胞からなる試料を、あらかじめ細胞にとって最適な温度(例えば、25〜37℃、好ましくは35〜37℃)に保温し、試料の乾燥を防ぐため水を注入して保湿した発光顕微鏡の培養装置部に設置し、該発光顕微鏡の試料観察部にある対物レンズを通してデジタルカメラで発光イメージを記録する。前記の試料に、細胞に接触させて刺激を行なうための物質(例えば、化合物)を所望の濃度(例えば、1pM〜1M、好ましくは100nM〜1mM)で加えて、所望の時間間隔(例えば5分間〜5時間、好ましくは10分間〜1時間)で発光イメージを記録することにより画像解析が可能な画像を準備することができる。準備した画像の画像解析は、市販または独自の解析アルゴリズムに設計された解析用ソフトウェアによって自動的に解析することが可能である。ディスプレイ画面に時系列の並列表示または動画映像で表示することにより、肉眼での解析も可能となる。後述される実験結果にも示されるように、本発明の発光タンパクによる個々の細胞の発光イメージングにおいては、撮像条件として、露光時間の長さを調節する方法が提供される。とくに、露光時間を比較的短い単位時間(例えば30秒以上5分以内、好ましくは30秒以上1分以内)に分割した撮像データを、試料の処理条件に応じて加算することにより、鮮明かつ高感度なモニタリングおよび/または解析と、長期かつ正確なモニタリングおよび/または解析との両方を実現できることが分かった。従って、本発明の方法は、単位時間に分割された露光時間による撮像データを、上述した処理条件に応じた個数分加算するような出力条件により出力したり、画像処理することを特徴とするモニタリングおよび/または解析の方法を提供する。ここで、撮像データは加算処理後、平均化する等の演算処理しても構わない。一方で、単位時間を比較的長く(例えば10分以上60分以内、好ましくは10分以上30分以内)に設定して、試料の処理条件に応じて撮像データを分割してもよい。このように、1枚の発光画像を得るための露光単位時間の長さを調節し、好ましくは単位時間で得られた画像を分割する工程を組み込むことによって、本発明の方法は一層有利なものとなる。 The number of cells into which the gene has been introduced (for example, 1 to 1 × 10 9 cells, preferably 1 × 10 3 to 1 × 10 6 cells) can be used for a desired cell culture (for example, petri dish, multiple wells) In a desired nutrient medium (for example, D-MEM medium) using a multiplate or the like. A sample of this constant number of cells is preliminarily kept at a temperature optimum for the cells (for example, 25 to 37 ° C., preferably 35 to 37 ° C.) and water is injected to prevent the sample from being dried. A luminescent image is recorded by a digital camera through an objective lens in a sample observation section of the luminescence microscope that is installed in the culture apparatus. A substance (for example, a compound) for stimulating by contacting cells is added to the sample at a desired concentration (for example, 1 pM to 1 M, preferably 100 nM to 1 mM), and a desired time interval (for example, 5 minutes) is added. An image capable of image analysis can be prepared by recording a luminescent image in 5 hours, preferably 10 minutes to 1 hour. The image analysis of the prepared image can be automatically analyzed by analysis software that is commercially available or designed by a unique analysis algorithm. By displaying time-series parallel display or moving image on the display screen, analysis with the naked eye is also possible. As shown in the experimental results described later, in luminescence imaging of individual cells using the photoprotein of the present invention, a method for adjusting the length of exposure time is provided as an imaging condition. In particular, the imaging data obtained by dividing the exposure time into relatively short unit times (for example, 30 seconds or more and 5 minutes or less, preferably 30 seconds or more and 1 minute or less) are added according to the processing conditions of the sample, thereby providing a clear and high image. It has been found that both sensitive monitoring and / or analysis and long-term and accurate monitoring and / or analysis can be achieved. Therefore, the method of the present invention outputs the imaging data based on the exposure time divided into unit times according to the output conditions such as adding the number corresponding to the above processing conditions, or performs image processing. And / or provide a method of analysis. Here, the imaging data may be subjected to arithmetic processing such as averaging after the addition processing. On the other hand, the unit time may be set to be relatively long (for example, 10 minutes to 60 minutes, preferably 10 minutes to 30 minutes), and the imaging data may be divided according to the sample processing conditions. Thus, the method of the present invention is more advantageous by adjusting the length of the exposure unit time for obtaining one luminescent image, and preferably incorporating the step of dividing the image obtained in unit time. It becomes.
次に、本発明の方法に適用可能な諸条件について論ずる。まず、本発明は、試料としての細胞群または生体組織における生きた細胞を、発光用成分(例えば発光タンパク質融合遺伝子)で処理するとともに、発光用成分に対し発光を誘起するための基質溶液を適宜の培養環境下で存在させることにより細胞を発光させて、細胞の発光画像に基づく解析を行うにあたり、解析すべき培養期間に応じて細胞の生物学的活性を損なわない基質濃度に設定したことを特徴とする方法である。生きた細胞を培養しながら経時的に画像解析するためには、種々の試薬条件の中でも、特に発光用成分を化学的に励起するための基質溶液の濃度を適切に設定することが好ましいことが分かった。ここで、培養期間が数日以上の場合には、基質溶液の濃度を700μM以下の濃度とすることで余分に高い濃度での発光反応を行なわずに、有効な発光画像を得ることが出来ることが判明した。他方、培養期間が数日未満の場合には、基質溶液を800μm以上、1mM以下の濃度とすることで、細胞の生物学的活性を数日ないし約1週間程度、一定の活性状態に維持しながら、解析可能な発光画像を安定に提供できる。一方、1mMより高濃度については、5mM以下のルシフェリン溶液で処理した細胞を数日以内の培養期間でモニタリングまたは解析を実行できる場合があるが、培養期間が長くなるにつれて生きた細胞に対する毒性が増強される。また、基質濃度を200μM以上とすることで、感受性が強い細胞であっても長期間(例えば数週間以上)安定に生物学的活性を維持しつつ、発光画像の観察を可能にするという利点がある。ここで、基質としては、典型的な例として、ホタルルシフェリン、セレンテラジンを例示できるが、他の種類の基質であるとか、各種基質の化学的転換体ないし遺伝子工学的改変体であってもよい。セレンテラジンはルシフェリンとは異なる濃度範囲とすることができ、例えば10μM以上200μM以下、とくに50μM以上100μM以下が好ましいと考えられる。100μmを超える濃度のセレンテラジン溶液はもはや生きた細胞への毒性が懸念される場合があり数日以内の培養期間の限定的な使用に適している。培養期間が数日以上の場合には、セレンテラジンの濃度を70μM以下の濃度とすることで余分に高い濃度での発光反応を行なわずに有効な発光画像を得ると考えられる。また、培養期間が数日未満の場合には、セレンテラジン濃度を80μm以上、100μM以下とすることで、細胞の生物学的活性を数日ないし約1週間程度、一定の活性状態に維持しながら、解析可能な発光画像を安定に提供できると考えられる。このように、本発明において基質濃度はルシフェリン濃度で代表的に説明するが、セレンテラジン濃度においてはその10分の1の濃度レベルで換言される。本発明の処理方法は、上記のような基質濃度範囲で生きた細胞を培養し続けることにより、生物学的活性が低下しない状態を維持しながら、培養期間中、常に画像化可能な発光量を保つものである。 Next, various conditions applicable to the method of the present invention will be discussed. First, in the present invention, a cell group as a sample or a living cell in a living tissue is treated with a luminescent component (for example, a luminescent protein fusion gene), and a substrate solution for inducing luminescence to the luminescent component is appropriately used. In the analysis based on the luminescence image of the cell by causing the cell to emit light by being present in the culture environment, the substrate concentration that does not impair the biological activity of the cell is set according to the culture period to be analyzed. It is a characteristic method. In order to perform image analysis over time while culturing living cells, it is preferable to appropriately set the concentration of the substrate solution for chemically exciting the luminescent component among various reagent conditions. I understood. Here, when the culture period is several days or more, by setting the concentration of the substrate solution to 700 μM or less, an effective luminescence image can be obtained without performing a luminescence reaction at an excessively high concentration. There was found. On the other hand, when the culture period is less than several days, the biological activity of the cells is maintained in a constant active state for several days to about one week by setting the substrate solution to a concentration of 800 μm or more and 1 mM or less. However, the luminescent image which can be analyzed can be provided stably. On the other hand, for concentrations higher than 1 mM, cells treated with a luciferin solution of 5 mM or less may be monitored or analyzed within a culture period of several days, but the toxicity to live cells increases as the culture period increases. Is done. Further, by setting the substrate concentration to 200 μM or more, there is an advantage that even a highly sensitive cell can observe a luminescent image while maintaining biological activity stably for a long period of time (for example, several weeks or more). is there. Here, typical examples of the substrate include firefly luciferin and coelenterazine, but it may be other types of substrates, chemical conversions of various substrates, or genetic engineering modifications. Coelenterazine can have a concentration range different from that of luciferin. For example, it is considered that 10 μM or more and 200 μM or less, particularly 50 μM or more and 100 μM or less is preferable. Coelenterazine solutions with concentrations greater than 100 μm may no longer be toxic to live cells and are suitable for limited use in culture periods of several days. When the culture period is several days or more, it is considered that an effective luminescence image can be obtained without performing a luminescence reaction at an excessively high concentration by setting the concentration of coelenterazine to 70 μM or less. When the culture period is less than a few days, the coelenterazine concentration is 80 μm or more and 100 μM or less, so that the biological activity of the cells is maintained in a constant active state for several days to about one week, It is considered that a luminescent image that can be analyzed can be provided stably. Thus, in the present invention, the substrate concentration is typically described as the luciferin concentration, but in the coelenterazine concentration, the concentration level is 1/10 of that. In the treatment method of the present invention, by continuously culturing living cells in the substrate concentration range as described above, the amount of luminescence that can always be imaged during the culture period is maintained while maintaining a state in which biological activity does not decrease. To keep.
他の一面では、本発明は、生きた細胞を発光用成分で処理するとともに、発光用成分に対し発光を誘起するための基質溶液を適宜の培養環境下で存在させることにより細胞を発光させて、細胞の発光画像に基づく解析を行うにあたり、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上である光学的条件で細胞からの発光を収集するとともに、基質濃度を600μM以下に設定することを特徴とする生細胞の画像解析方法である。上述したように、(NA÷β)の2乗の値が0.01以上という光学的条件は、生物発光を発する細胞を1個づつ識別できるような対物レンズの明るさと投影倍率の適切な組合わせを請求するものである。この光学条件としての(NA÷β)の2乗の値が、0.039以上である場合には、さらに低濃度(例えば300μM以下、好ましくは100〜200μM)の基質溶液であっても、画像解析が可能な程度に明瞭な発光画像を常時得ることが出来る。 In another aspect, the present invention treats living cells with a luminescent component and causes the cells to emit light by allowing a substrate solution for inducing luminescence to the luminescent component to exist in an appropriate culture environment. In the analysis based on the luminescence image of the cell, the optical condition where the square of (NA ÷ β) expressed by the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β) is 0.01 or more is measured from the cell. And a substrate concentration is set to 600 μM or less. As described above, the optical condition that the square value of (NA ÷ β) is 0.01 or more is an appropriate combination of the brightness and the projection magnification of the objective lens that can identify each cell emitting bioluminescence one by one. We ask for a match. When the square value of (NA ÷ β) as the optical condition is 0.039 or more, even if the substrate solution has a lower concentration (for example, 300 μM or less, preferably 100 to 200 μM), the image It is possible to always obtain a luminescent image that is clear enough to be analyzed.
本発明の変形例として、発光用成分以外に、さらに蛍光用成分(例えば、緑色蛍光蛋白(GFP),黄色蛍光蛋白(YFP)等)を含んでいる細胞に適用することが可能である。これら発光と蛍光の両方を同一の細胞に対して適用することにより、発光画像と蛍光画像による総合的な画像解析を行うことが可能となり、細胞内外の多様な物質に関する検出を容易にする。ここで、発光画像の取得に必要な時間(生物発光の場合、解析可能な画像が得られるまでの、CCDカメラ等の撮像素子に対する露光時間)に応じて励起光量も決定することとし、例えば、画像化に必要な露光時間が長いほど、蛍光用の励起光の強度を弱くなるように設定することできる。良好な検出条件の例として、基質濃度を200μM以上700μM以下で細胞と接触させるとともに、30分以内、好ましくは10分以内の撮像時間で発光画像を得るように光学条件を設定することにより、生きた細胞を極めて長期間(例えば数週間以上)ありのままの生物学的活性状態に保つことが出来るので、種々の細胞ベースのスクリーニングアッセイや映像による肉眼での活性変化を安定に実行できる。これに対し、蛍光、赤外線、X線等の高感度な画像化のみに依存する検出を行なうと、多少なりとも照射光による連続的な光毒性の影響を受けてしまうので、解析精度を低下させる要因となり得る。 As a modified example of the present invention, the present invention can be applied to cells containing a fluorescent component (for example, green fluorescent protein (GFP), yellow fluorescent protein (YFP), etc.) in addition to the light emitting component. By applying both luminescence and fluorescence to the same cell, it is possible to perform comprehensive image analysis using the luminescence image and the fluorescence image, and facilitate detection of various substances inside and outside the cell. Here, the amount of excitation light is also determined according to the time required for acquiring the luminescent image (in the case of bioluminescence, the exposure time for an image sensor such as a CCD camera until an image that can be analyzed is obtained), for example, The longer the exposure time required for imaging, the lower the intensity of the excitation light for fluorescence can be set. As an example of good detection conditions, contact is made with a cell at a substrate concentration of 200 μM or more and 700 μM or less, and optical conditions are set so that a luminescent image is obtained within 30 minutes, preferably within 10 minutes. Since the cells can be kept in a biologically active state for a very long time (for example, several weeks or more), the activity change with the naked eye by various cell-based screening assays and images can be stably performed. On the other hand, if detection that depends only on high-sensitivity imaging such as fluorescence, infrared rays, and X-rays is performed, it is affected by continuous phototoxicity due to irradiation light to some extent. Can be a factor.
本発明の他の一面として、被検試料が肉厚の生体組織(例えば、視交差上核等の脳、胚、ゼブラフィッシュ等の微小な魚類、マウスやカエル(特にアフリカツメガエル)等の小動物ないし植物(例えばシロイヌナズナ)の一部の器官(例えば、手、足、毛根、葉、花茎、根毛)である場合に、生物発光による発光イメージングに適した厚みを所定の容器等に2次元的に拡がって分布する2次元形状細胞群(例えば、組織スライス切片ないし細胞群フィルム上シート等)に調製することが好ましい。本発明における検討では、個々の細胞が識別できる程度の発光イメージングを行なう場合に、150μm以下、好ましくは100μm以下、特に85μm未満の有効範囲からなる厚みの生体組織を使用することで、極めて微弱な発光だけであっても生体組織中の細胞を個々にイメージングすることが可能となる。生体組織中に分布する細胞群は多様な反応パターン(例えば、遺伝子発現量ないしその発現量変化パターン)を示すことが多いので、混在する多数の細胞群の中から同一ないし類似の反応パターンを示す細胞同士をグループ化して正確な解析を行うことが出来るようになる。さもなければ、一見してランダムな反応結果が出力されるだけであり、グループごとの同定など到底不可能に思われる。このように、本来微弱光による反応または検出が困難な肉厚の生体組織においても、上記のような有効範囲の肉薄の厚みでもって2次元的にほぼ一定の状態に配置することにより、生体組織での微弱光を用いた解析が可能となる。従って、本発明では、生物発光のような極めて微弱な光により単一細胞レベルの解析を行なって生体組織全体の動態を正確に知るための検出を行なう場合に、微弱光による光シグナルを適宜の明るさの集光レンズ(図1では対物レンズ)で画像形成できる程度に薄い厚みとする処理方法も含まれる。各種生体組織を上記の数値範囲内でなるべく肉薄の厚みに設定することにより、細胞同士が検出用光路上でオーバーラップしない密度となるので画像解析を正確にする。さらに、上記の厚みに調製された任意の生体試料は、従来よりも充分に有意な肉薄寸法の厚みであることにより、上述した有効濃度の基質溶液による発光反応を充分に許容し得るような反応時間(単一細胞における発光反応時間とほぼ同等の時間)内で進行させることができ、さらには、他の薬剤(例えば、治療薬(抗がん剤、ホルモン剤等)、診断薬(生化学検査試薬、免疫学検査試薬、遺伝学検査試薬等)、毒性試験物質(遺伝的変異原物質、発ガン性物質、アレルゲン物質)、予防医薬(ワクチン等)、体質改善薬(漢方、ビタミン剤、サプリメント薬等))に対しても充分な反応性を保障できるという特筆すべき作用効果も有する。 As another aspect of the present invention, the test sample is a thick biological tissue (for example, a small fish such as a brain such as an upper visual nucleus, an embryo, a zebrafish or a small animal such as a mouse or a frog (especially Xenopus laevis)). When it is a part of an organ (eg, hand, foot, hair root, leaf, flower stem, root hair) of a plant (eg, Arabidopsis thaliana), the thickness suitable for luminescence imaging by bioluminescence is expanded two-dimensionally in a predetermined container. It is preferable to prepare a two-dimensional shape cell group (for example, a tissue slice section or a cell group film sheet), etc. In the study in the present invention, when performing luminescence imaging to the extent that individual cells can be identified, By using a living tissue having a thickness of an effective range of 150 μm or less, preferably 100 μm or less, particularly less than 85 μm, It is possible to individually image cells in the body tissue, because the cell group distributed in the body tissue often shows various reaction patterns (for example, gene expression level or expression level change pattern) It is possible to perform accurate analysis by grouping cells that show the same or similar reaction pattern from a large number of cell groups, or output a random reaction result at first glance. In this way, even in a thick biological tissue that is originally difficult to react or detect by weak light, it has a thin thickness within the effective range as described above. By arranging in a substantially constant state in dimension, analysis using weak light in a living tissue becomes possible.In the present invention, therefore, extremely weak such as bioluminescence is used. When performing detection to accurately know the dynamics of the whole living tissue by performing single-cell level analysis, the light signal due to weak light is imaged with a condensing lens of appropriate brightness (the objective lens in FIG. 1). Also included is a processing method to make the thickness as thin as can be formed.By setting various living tissues as thin as possible within the above numerical range, the cells do not overlap on the optical path for detection, so the image In addition, any biological sample prepared to the above-mentioned thickness has a thickness that is significantly thinner than before, so that the luminescent reaction with the substrate solution having the above-mentioned effective concentration is sufficient. It can proceed within an acceptable reaction time (approximately the same time as the luminescence reaction time in a single cell), and in addition to other drugs (eg, therapeutic agents (anticancer drugs, homeostasis) Rumon, etc.), diagnostics (biochemical test reagents, immunological test reagents, genetic test reagents, etc.), toxic test substances (genetic mutagens, carcinogens, allergens), preventive drugs (vaccines, etc.) In addition, it has a notable effect that it can guarantee sufficient reactivity with constitutional improvers (Chinese medicine, vitamins, supplements, etc.).
反面、生体組織を30μm未満、とくに20μm以下の厚みに調製した場合には、スライス処理によって破損した細胞が多数存在するようになり、画像解析においては解析ソフトウェアにより個々の細胞認識にエラーが生じ易くなったり、短期間(例えば24時間未満)で細胞の生物学的活性を低下ないし失活してしまう場合が有る。従って、本発明の方法においては、発光画像を得るための被検試料が生体組織である場合に、厚み30μm以上で且つ150μm以下の厚みにスライスしたり、シート状の細胞層とするのが好ましい。好適には、40〜60μm以上(特に50μm以上)とすることにより、広範囲の種類の細胞、とくに哺乳類(例えば、ヒト、マウス等)を検出用光路上に準備することが可能となる。これに対し、病理切片等のスライド標本を蛍光色素、量子ドット、化学発光色素等の高輝度染料で染色する場合には、300μm以上の肉厚の切片を用いて組織内を透過した光シグナルを画像化する場合が多い為に、生物発光のような極めて微弱な発光を試料の外部から検出することは極めて困難である。100μmを超える厚みの生体試料では細6胞同士がオーバーラップする場合が有り、200μm以上、特に300μm以上の厚みでは発光画像による個々の細胞の識別は非常に困難となった。これらの厚みを動物、昆虫、魚類等の生物個体、発生初期の胚、再生医療用の生物材料に適用する場合には、撮像対象の表面から300μm未満、好ましくは200μm未満、とくに100μm以内の深さに存在する細胞等をモニタリングおよび/または解析すればよい。 On the other hand, when the biological tissue is prepared to a thickness of less than 30 μm, especially 20 μm or less, there are many cells damaged by the slicing process, and in image analysis, individual cell recognition is easily caused by analysis software. In some cases, the biological activity of the cells is reduced or inactivated in a short period of time (for example, less than 24 hours). Therefore, in the method of the present invention, when the test sample for obtaining the luminescent image is a living tissue, it is preferable to slice the sample into a thickness of 30 μm or more and 150 μm or less, or to form a sheet-like cell layer. . Preferably, by setting the thickness to 40 to 60 μm or more (particularly 50 μm or more), it is possible to prepare a wide variety of cells, particularly mammals (for example, humans and mice) on the detection optical path. In contrast, when a slide specimen such as a pathological section is stained with a high-intensity dye such as a fluorescent dye, a quantum dot, or a chemiluminescent dye, a light signal transmitted through the tissue using a section having a thickness of 300 μm or more is used. Since it is often imaged, it is extremely difficult to detect extremely weak luminescence such as bioluminescence from the outside of the sample. In the case of a biological sample having a thickness exceeding 100 μm, there are cases in which the six cells overlap each other. When the thickness is 200 μm or more, particularly 300 μm or more, it is very difficult to identify individual cells by the luminescence image. When these thicknesses are applied to living organisms such as animals, insects, and fish, early embryos, and biological materials for regenerative medicine, the depth of the imaging target is less than 300 μm, preferably less than 200 μm, particularly less than 100 μm. What is necessary is just to monitor and / or analyze the cell etc. which exist.
以上のように、各種生体組織に由来する2次元形状細胞群を用いる例において、本発明は、微弱光により単一細胞レベルの解析を行なって生体組織の検査等を行なう際に適用され、細胞内で微弱光を発生させるための発光用試薬との反応性若しくは細胞内における発光用試薬による発光反応に変化をもたらす可能性のある薬剤との反応性を損なわずに、発光反応による微弱光シグナルを外部から検出し得る程度に2次元的にほぼ一定の厚みに形成した細胞群を用いることを特徴とする生細胞の解析方法を提供する。 As described above, in an example using a two-dimensional shape cell group derived from various living tissues, the present invention is applied when performing analysis of a living tissue by performing analysis of a single cell level with weak light, The weak light signal from the luminescence reaction without damaging the reactivity with the luminescent reagent for generating faint light in the cell or the reactivity with the drug that may cause a change in the luminescence reaction by the luminescent reagent in the cell. A method for analyzing living cells is provided, which uses a cell group that is two-dimensionally formed to have a substantially constant thickness so that can be detected from the outside.
[実験例]
ルシフェラーゼを用いた発光試料(細胞)の観察には,発光基質としてルシフェリンを培養液に投与する必要がある。ルシフェリンは高価であること,また細胞への影響を考慮すると,より低濃度で測定できることが望ましい。そこで、生細胞の発光観察に必要なルシフェリンの濃度を設定することにより、発光による光学イメージングを以下のように最適化した。
[Experimental example]
In order to observe a luminescent sample (cell) using luciferase, it is necessary to administer luciferin as a luminescent substrate to the culture solution. Considering that luciferin is expensive and its effects on cells, it is desirable that it can be measured at a lower concentration. Therefore, optical imaging by luminescence was optimized as follows by setting the concentration of luciferin necessary for luminescence observation of living cells.
HeLa細胞に発光遺伝子用ベクター(プロメガpGL3−control vector)を導入した後の生物発光を次に示す各条件により光学イメージングした。
撮像条件:動作温度が5℃であるCCDカメラ DP−30(オリンパス株式会社製)、投影倍率が20倍で開口数がNA0.8であるような対物レンズ(油浸)、結像倍率5倍に設定された発光顕微鏡(図1参照)を用いて、室温で1分間露出させることにより、発光画像を得た。
ルシフェリン濃度:上記撮像条件において、上記の発光遺伝子導入細胞を収容した培地内に対して、1mM、 0.5mM、0.1mMの最終濃度となるようにルシフェリン濃度を含有させることにより、各発光反応を実施した。
Bioluminescence after introducing a luminescent gene vector (Promega pGL3-control vector) into HeLa cells was optically imaged under the following conditions.
Imaging conditions: CCD camera DP-30 (manufactured by Olympus Corporation) with an operating temperature of 5 ° C., objective lens (oil immersion) with a projection magnification of 20 times and a numerical aperture of NA 0.8, imaging magnification of 5 times A luminescence image was obtained by exposing at room temperature for 1 minute using a luminescence microscope set to 1 (see FIG. 1).
Luciferin concentration: Under the above imaging conditions, each luminescent reaction can be achieved by adding the luciferin concentration to a final concentration of 1 mM, 0.5 mM, and 0.1 mM in the medium containing the luminescent gene-introduced cells. Carried out.
本実験例の結果として、1mMから0.5mMの範囲のルシフェリン濃度で十分であることが分かった。また、ルシフェリン1mMに対して0.5mM では多少発光画像が暗くなるが,大きな差はみられない(図2、図3)ことも分かった。但し、0.1mMになると、1分露出ではだいぶ発光画像が暗くなり、この場合には、5分間の露出に変更することにより、0.5mMで5分間の露出に相当する高分解能の発光画像を得ることが出来た。なお,1分露出の場合はdark画面を引かないraw画面(図2〜4)であり、それぞれ図2が1mM、図3が0.5mM、図4が0.1mMの各ルシフェリン濃度での結果である。5分露出の場合(0.1 mMルシフェリン、5分間露出)は、dark画面を差し引いた画面である(図5−1)。 As a result of this experimental example, it was found that a luciferin concentration in the range of 1 mM to 0.5 mM was sufficient. It was also found that the luminescence image was somewhat dark at 0.5 mM with respect to 1 mM luciferin, but no significant difference was observed (FIGS. 2 and 3). However, at 0.1 mM, the luminescent image becomes considerably darker after 1 minute exposure. In this case, by changing the exposure to 5 minutes, a high-resolution luminescent image corresponding to exposure at 0.5 mM for 5 minutes. I was able to get. In addition, in the case of 1-minute exposure, it is a raw screen (FIGS. 2 to 4) without drawing a dark screen. FIG. 2 shows results at 1 mM, FIG. 3 shows 0.5 mM, and FIG. 4 shows results at each luciferin concentration of 0.1 mM. It is. In the case of exposure for 5 minutes (0.1 mM luciferin, exposure for 5 minutes), the screen is obtained by subtracting the dark screen (FIG. 5-1).
次に、それぞれの条件で,同一細胞10個の発光強度の平均値を計算し,最も発光強度が弱かった0.1 mMルシフェリン,1分露出での値で規格化して比較した。比較の結果を図5−2のグラフに示す。1分露出の場合,ルシフェリンの濃度が1mMと0.5 mMでは,それほど発光量は変わらないが,0.1mMでは1/4〜1/3ほど低下する。しかし0.1mMでも露出を5分に延ばせば1mMルシフェリンで1分露出と同程度の発光量に達する。 Next, the average value of the luminescence intensity of 10 identical cells was calculated under each condition, and the values were normalized and compared with 0.1 mM luciferin having the weakest luminescence intensity at 1 minute exposure. The comparison results are shown in the graph of FIG. In the case of 1 minute exposure, the amount of luminescence does not change so much at luciferin concentrations of 1 mM and 0.5 mM, but at 0.1 mM, it decreases by 1/4 to 1/3. However, even with 0.1 mM, if the exposure is extended to 5 minutes, 1 mM luciferin reaches the same amount of luminescence as 1 minute exposure.
なお、本発明は上述した実施形態や実験例等に述べた説明にも限定されず、種々の態様やその均等物を含むことができる。また、本発明で述べた種々の処理条件同士の組合わせも任意に行なってもよい。さらに、本発明の処理方法を行なって製造され、流通可能に安定化処理(例えば、乾燥処理、真空パッケージング、シート形状化処理、増粘性糖類溶液含浸処理等)された生産物の形態でもよい。また、生体組織を肉薄にした2次元形状細胞群である場合には、単一のチップ基板ないし単一のシャーレ等の容器底面を必要な表面積について被覆してもよいし、多数の異なる生体組織を小断片化した各2次元形状細胞群をそれぞれ異なるアドレス位置にマトリックス状に点着することでマイクロアレイ化してもよい。 Note that the present invention is not limited to the description given in the above-described embodiments and experimental examples, and can include various aspects and equivalents thereof. Further, the various processing conditions described in the present invention may be arbitrarily combined. Furthermore, it may be in the form of a product that is manufactured by performing the treatment method of the present invention and is stabilized so as to be distributed (for example, drying treatment, vacuum packaging, sheet shaping treatment, thickening saccharide solution impregnation treatment, etc.). . In addition, in the case of a two-dimensional shape cell group in which a living tissue is thinned, a bottom surface of a container such as a single chip substrate or a single petri dish may be covered with a necessary surface area, or many different living tissues Each of the two-dimensional shape cell groups obtained by subdividing can be microarrayed by spotting in a matrix at different address positions.
上述した説明に係る装置に関する光学条件の詳細は、出願人による特願2005−267531、特願2005−44737、特願2006−61321を参照することにより、対物レンズや結像レンズを含む光学的条件を理解できる。また、本発明に関連する画像情報取得後の画像情報処理と適用例については、特開平11−271209、特開2000−279168、特開平10−293094、特開平3−255365に記載のイメージサイトメータに関する構成を本発明の参照とすることができる。但し、従来のイメージサイトメータは、蛍光等の肉眼で観察可能な光シグナルを発生するような試料を用いるので、フローサイトメータやレーザ走査型顕微鏡のように試料または測定用ビームを移動させながら順番に個々の細胞を解析する方法および装置であるのに対して、本発明の方法および装置は、肉眼では暗黒状態の見えない微弱光(例えば生物発光)を複数の細胞について同時に画像化するような蓄積型の光検出装置を具備する点で網羅的な解析、即ち、同時に視野内または所定容器内の全ての細胞を包括的に画像解析できる点で大きく異なる。上述したような従来の装置による撮像条件は、本発明による試料の処理条件に応じた撮像条件によって調節するような適切な制御手段により実行されることによって上述した作用効果を達成することが可能となる。 For details of the optical conditions regarding the apparatus according to the above description, refer to Japanese Patent Application Nos. 2005-267531, 2005-44737, and 2006-61321 by the applicant, and the optical conditions including the objective lens and the imaging lens are as follows. Can understand. For image information processing and application examples after image information acquisition related to the present invention, image cytometers described in JP-A-11-271209, JP-A-2000-279168, JP-A-10-293094, and JP-A-3-255365 are described. The configuration relating to this can be referred to for the present invention. However, since conventional image cytometers use samples that generate optical signals that can be observed with the naked eye, such as fluorescence, the sample or measurement beam is moved in sequence as in a flow cytometer or a laser scanning microscope. In contrast to the method and apparatus for analyzing individual cells, the method and apparatus of the present invention is capable of imaging faint light (eg, bioluminescence) invisible to the naked eye on a plurality of cells simultaneously. It is greatly different in that it is capable of comprehensive analysis, that is, comprehensive analysis of all cells in the field of view or in a predetermined container at the same time in that an accumulation type photodetection device is provided. The above-described effects can be achieved by executing the imaging conditions of the conventional apparatus as described above by an appropriate control unit that is adjusted according to the imaging conditions according to the sample processing conditions according to the present invention. Become.
生物発光タンパク質による発光現象を測定する場合、試料セッティング時には発光強度がまだ極めて微弱で、ほとんど光信号として、受光器で検出することができない。従って、細胞の内部構造は通常、観察できない。すなわち、通常の顕微鏡観察のように、試料内の観察対象である細胞を確認しながら対物レンズのフォーカスを合わせることができない。そこで明視野像観察として、ハロゲンランプなどの光源からの光を照明光学系を通して、被験試料に投光し、被験試料による顕微鏡の明視野像を得て、これに基づいて対物レンズのフォーカス位置を決定する。すなわち、明視野観察において、高いコントラスト像が得られる、対物レンズの光軸上の2箇所の略中心位置を対物レンズのフォーカス位置とする。これにより、生物発光タンパク質による発光強度が大きくなってきたときに、CCDカメラに合焦された鮮明な発光像が得られる。対物レンズは、所望の倍率に応じて適宜、油浸式にすることができる。また、どの倍率を選択するかは、評価(ないし解析)すべき試料のサイズに応じて適宜選択すればよい。図示した装置(発光顕微鏡)による検討では、40倍〜100倍での発光画像の取得が可能となるように光学系を設計出来ている。 When measuring a luminescence phenomenon caused by a bioluminescent protein, the luminescence intensity is still very weak at the time of sample setting, and almost cannot be detected as a light signal by a light receiver. Therefore, the internal structure of the cell cannot usually be observed. That is, the objective lens cannot be focused while confirming the cell that is the observation target in the sample, as in normal microscope observation. Therefore, as a bright field image observation, light from a light source such as a halogen lamp is projected onto the test sample through the illumination optical system to obtain a bright field image of the microscope by the test sample, and based on this, the focus position of the objective lens is determined. decide. That is, in the bright field observation, two substantially central positions on the optical axis of the objective lens that can obtain a high contrast image are set as the focus positions of the objective lens. Thereby, when the luminescence intensity by the bioluminescent protein becomes large, a clear luminescent image focused on the CCD camera can be obtained. The objective lens can be appropriately oil-immersed according to the desired magnification. Further, which magnification is selected may be appropriately selected according to the size of the sample to be evaluated (or analyzed). In the examination with the illustrated apparatus (light emission microscope), the optical system can be designed so that the emission image can be obtained at 40 to 100 times.
本発明においては、以下に示すような種々の態様に適用可能である。 The present invention is applicable to various modes as shown below.
[態様1];RNA干渉を用いた解析方法および試薬キット
この態様は、種々の生体に関連する情報を画像化する方法および、細胞等の生体試料中の相互作用し得る物質について視覚的に相互作用を検出する解析方法および試薬キットに関する。詳しくは、本発明は、細胞内の相互作用を生物発光を用いて定量的に検出するレポータアッセイに適用する方法に関する。一例として、本発明は、RNA干渉を用いた解析方法および試薬キットを包含する。
[Aspect 1]; Analysis Method and Reagent Kit Using RNA Interference This aspect is a method for imaging information related to various living bodies and visually interacting substances in biological samples such as cells. The present invention relates to an analysis method and reagent kit for detecting an action. More specifically, the present invention relates to a method applied to a reporter assay that quantitatively detects intracellular interactions using bioluminescence. As an example, the present invention includes an analysis method using RNA interference and a reagent kit.
生体を内外から調べる技術が目覚ましく発展している。地球上のあらゆる生体は、有望な生物学的用途としての診断、治療、予防医療等の医学的成果に直接的かつ一義的に適用できる生体関連情報を有している。生体関連情報の一例として、生体内または生体外で生きた状態の細胞(ないし細胞を含む生物学的材料)から得られる生物学的相互作用(以降、相互作用と略称する)を得る場合がある。生細胞における相互作用を調べる技術の多くは光信号を発生するレポータ物質を細胞の外部から検出する方法および試薬キットによって実現される。かかるレポータ物質として、例えばオワンクラゲに由来する緑色蛍光タンパク質(GFP)を生細胞に適用して、画像解析する方法が知られている。中でも、RNA干渉 (RNAi) は、近年急速に頭角を現してきた有力なレポータアッセイを用いた遺伝子機能解析法であり、細胞や生体内の特異的な標的 mRNA を分解することにより、コードされているタンパク質の発現をノックアウトあるいはノックダウンして遺伝子の機能を調べる方法である。RNA干渉は、siRNA導入後、siRNAが生物学的効果を及ぼすのに十分な時間(2時間〜72時間程度)で効果が見られるが、対象や実験条件により、RNA干渉効果の程度、RNA干渉効果が出るまでの時間が異なっている。従来は、或る時間ポイント毎の細胞を用意し、ノーザン解析、RT-PCR、免疫標識などの手法で確認を行っていた(特開2003−219893参照)。 The technology for examining living organisms from inside and outside has been remarkably developed. Every living body on the earth has living body-related information that can be directly and uniquely applied to medical results such as diagnosis, treatment, and preventive medicine as promising biological uses. As an example of biological information, there is a case of obtaining a biological interaction (hereinafter abbreviated as an interaction) obtained from a cell (or a biological material containing the cell) living in a living body or in vitro. . Many techniques for examining interactions in living cells are realized by methods and reagent kits that detect reporter substances that generate optical signals from the outside of the cell. As such a reporter substance, for example, a method of applying a green fluorescent protein (GFP) derived from Aequorea jellyfish to a living cell and performing image analysis is known. In particular, RNA interference (RNAi) is a gene function analysis method using a powerful reporter assay that has rapidly emerged in recent years, and is encoded by degrading specific target mRNAs in cells and in vivo. This is a method for examining the function of a gene by knocking out or knocking down the expression of a protein. RNA interference is effective in a sufficient time (2 to 72 hours) for siRNA to exert a biological effect after siRNA introduction, but depending on the target and experimental conditions, the degree of RNA interference effect, RNA interference Time to effect is different. Conventionally, cells at certain time points have been prepared and confirmed by techniques such as Northern analysis, RT-PCR, and immunolabeling (see JP2003-219893).
しかしながら、一般に従来の方法では、siRNAの干渉効果の程度、RNA干渉効果が出るま8での時間を調べるためには、多数の生物試料を用意する必要があり、測定間隔も3時間から6時間程度といった粗い条件設定になることが多い。また、siRNAトランスフェクションの効率は、細胞の性質、細胞周期の時期、細胞の培養密度、トランスフェクトされる材料によっても異なるので、目的遺伝子が発現した細胞以外の細胞までも一群として蛍光総量として紛れ込んでしまい、平均した測定データは個々の結果を正確に反映できない場合がある。 However, in general, in the conventional method, in order to examine the degree of the siRNA interference effect and the time until the RNA interference effect 8 appears, it is necessary to prepare a large number of biological samples, and the measurement interval is also 3 to 6 hours. In many cases, the condition setting is rough. In addition, the efficiency of siRNA transfection varies depending on the nature of the cell, the period of the cell cycle, the cell culture density, and the material to be transfected. Therefore, the averaged measurement data may not accurately reflect individual results.
従って、この態様1は、個々の細胞内外で行われるRNA干渉の結果を精度よく解析できる方法および試薬キットを提供することを目的とする。また、本発明は、長期間にわたる遺伝子発現量を経時的に解析することが容易な方法および試薬キットを提供することを目的とする。この態様1では、ルシフェラーゼ遺伝子を導入した細胞の発光像およびRNA干渉による発光像を,以下の条件を満たす光学系で撮像する。本出願人による光学的実験によれば、対物レンズの開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上の光学系で撮像することによって、単一の細胞から発生する発光だけで画像化できることが証明された(特願2005−267531号参照)。さらに、本出願人は、検討を進め、同一シャーレ内で培養された複数の細胞において、遺伝子発現の変動パターンが異なることも発見した(特願2005−44737号参照)。驚くべきことに、上記の撮像条件は、RNA干渉における微弱な発光画像にも適用でき、短い時間(例えば1分〜20分)で生物発光のような微弱な発光成分による細胞画像を撮像できる。さらに、発明者が追究した光学的条件によれば、撮像装置の対物レンズを開口数(NA)/投影倍率(β)の2乗で表される光学的条件が0.071以上である場合に、1〜5分以内で画像化でき、画像解析も可能な細胞画像を提供できること突き止めた。
Therefore, this
従って、この態様1の解析方法は、細胞内外の相互作用を画像情報に基づいて解析する方法において、前記相互作用し得る物質の少なくとも一方に対して生物学的励起物質としての発光物質を標識した相互作用物質を1以上の細胞内に存在せしめ、相互作用による結果としての発光を光学的に撮像し、撮像した光学的情報を単一の細胞について画像化する工程を含み、画像表現が相互作用に起因する微弱光の有無および/または量を示していることを特徴とする。ここで、この態様1は、前記生体試料として生細胞を含んでいるのが好ましい。また、この態様1は、生物学的励起物質として生物発光をもたらす成分を含んでいるのが好ましい。この態様1は、試薬キット化することが可能であり、相互作用を誘起し得る成分および上記発光物質の発光を誘起し得る基質成分を含んでいることを特徴とする。また、この態様1は、上記の方法のいずれかにおいて、生物学的励起物質の活性に影響を与える薬剤との相互作用を評価する工程を含んでいるのが好ましい。
Therefore, the analysis method of
なお、この態様1では、特別に説明する場合を除いて「発光」とは生物発光を意味し、「発光物質」とはBRETにおいて蛍光物質に対し励起エネルギーを与えることができる任意の発光を有する物質を意味する。
In this
この態様1によれば、発光を用いたレポーターアッセイでRNA干渉を行うことで、トランスフェクションされた細胞のみに関して連続的なデータ取得を行う事で、より精度の高いデータが得られる。また、長期間にわたる遺伝子発現量を経時的にみることも可能となるので、創薬研究等の臨床用途に広く利用可能である。
According to this
<RNAi予備実験>
この態様1に関して、RNA干渉実験評価を行うため、先ず、RNAi予備実験として、HEK293細胞を使ってpGL3遺伝子に対するsiRNAによる阻害実験を試みた。今回はLipofectamine2000により導入した。発光イメージングシステムLV200(オリンパス株式会社)による観察画像を図6−1に示す(Ixon EM-CCDカメラ(アンドール社)、 EMgain1000、露出時間10min)。siRNAを加えたディッシュに関しては、GL3遺伝子を発現している細胞がわずかであり、GL3遺伝子の発現が抑えられているようだった(図6−1の右側観察画像)。また、ルミノメータークロノス(アトー社)による数値データを図6−2にグラフとして示す。クロノスによる測定は、106個/mlのHEK293細胞に対しpGL3 control vector、siRNAを導入処理した後、処理後細胞を105/mlから106個/ml24時間後にルシフェリン100μMを加えることによって行われた。HEK293を使った場合、プラスティックとガラスボトムで細胞の貼りつきが異なることがあったため、ディッシュ2種で比較を行ったが、双方siRNAによる発現抑制がみられていた。
<RNAi preliminary experiment>
In order to perform RNA interference experiment evaluation regarding this
<RNAi実験>
次に、RNA干渉実験評価を行うため、蛍光タンパク質GFPに対するsiRNAを用いて、RNA干渉の程度を確認した。HeLa細胞に、pEGFP-C1 Vector(BDクロンテック)を導入し、GFPを発現させた細胞に、RNA干渉を起こすためのsiRNAをトランスフェクションした。トランスフェクション後、蛍光顕微鏡IX81(オリンパス製)で観察を行ったところ、siRNA導入を行っていない細胞と比較し、GFPの細胞内での発現量が減少していた。ルシフェラーゼをレポーター遺伝子としてRNA干渉検出を行うため、psiCHECKTM −92 Vectors(プロメガ株式会社)のマルチクローニングサイトにGFP遺伝子を導入し、コンストラクトの作製を行った。psiCHECKTM −2 Vectorのようなベクターを使用した場合、目的遺伝子に対する合成siRNAによるRNA干渉機構が開始されると、標的遺伝子とつながるウミシイタケルシフェラーゼ遺伝子も切断、分解され、これに伴ってウミシイタケルシフェラーゼ活性が減少する。本実施例では、かかる活性の減少を顕微鏡下で継続的に撮像することによって、簡便にRNA干渉効果をモニタリングすることを試みた。
<RNAi experiment>
Next, in order to evaluate RNA interference experiments, the degree of RNA interference was confirmed using siRNA against the fluorescent protein GFP. A pEGFP-C1 Vector (BD Clontech) was introduced into HeLa cells, and GFP-expressing cells were transfected with siRNA for causing RNA interference. When the cells were observed with a fluorescence microscope IX81 (Olympus) after the transfection, the expression level of GFP in the cells was reduced as compared with the cells without siRNA introduction. In order to detect RNA interference using luciferase as a reporter gene, the GFP gene was introduced into the multicloning site of psiCHECK ™ -92 Vectors (Promega Corporation) to prepare a construct. When a vector such as psiCHECK ™ -2 Vector is used, when the RNA interference mechanism by the synthetic siRNA for the target gene is started, the renilla luciferase gene connected to the target gene is also cleaved and decomposed. Activity is reduced. In this example, it was attempted to easily monitor the RNA interference effect by continuously imaging such a decrease in activity under a microscope.
HeLa細胞に作製したコンストラクトを導入後、siRNAの効果を確認した条件でGFPに対するsiRNAのトランスフェクションを行い、発光顕微鏡での観察を行った。35mm系のガラスボトムディッシュ内の細胞に、EnduRenTM Live Cell Substrate(プロメガ株式会社)を添加後、発光顕微鏡のインキュベータ内にCO2ガスを導入し、37℃にて培養を行いながら3日間の観察を行った。発光顕微鏡で経時的観察を行った結果を図6−3にグラフとして示す。siRNAを導入したHeLa細胞およびネガティブコントロールとしてsiRNA非導入のHeLa細胞の比較を行ったところ、siRNA導入したHeLa細胞株のみに発光量の減少が見られていた。GFPへのRNA干渉がウミシイタケルシフェラーゼからの発光の減少として検出可能であった。 After introducing the construct prepared into HeLa cells, transfection of siRNA against GFP was performed under the conditions where the effect of siRNA was confirmed, and observation was performed with a luminescence microscope. After adding EnduRen ™ Live Cell Substrate (Promega Corporation) to cells in a 35mm glass bottom dish, introduce CO 2 gas into the incubator of the luminescence microscope and observe for 3 days while culturing at 37 ° C. went. The results of observation over time with a light emission microscope are shown in FIG. 6-3 as a graph. When a comparison was made between HeLa cells into which siRNA was introduced and HeLa cells into which no siRNA had been introduced as a negative control, only the HeLa cell line into which siRNA had been introduced showed a decrease in luminescence. RNA interference to GFP was detectable as a decrease in luminescence from Renilla luciferase.
以上、この態様1を生細胞内のRNA干渉を画像解析する例によって説明したが、上述した態様の説明に内在し、且つこの出願より前に他人(または他社)によって出願等されたあらゆる発明によっても自明でないような、あらゆるカテゴリーに属する技術思想を包含するものであり、その技術思想が及ぶ均等物ないし本発明で開示されないあらゆる下位概念の発明を包括する権利範囲を有する。
As mentioned above, although this
なお、この態様1は、次のような考察に基づき派生する種々の変形例も直接的かつ一義的に包含する。なぜなら、種々の変形例は、本発明と共通する考察を必ず経由して種々の応用に種々転用されるだけだからである。
In addition, this
[態様1に関する考察]
RNA干渉は生体内外のタンパク相互作用の有無を着実に反映する典型的手法である。相互作用を光強度だけで検出しようとすると、非特異的反応や挟雑物ないし自家蛍光等のノイズ信号により信頼性が低くなる。一般に蛍光は、外部から照射された励起光の照射エネルギーにより励起される。従来の生体に関する画像化方法は、なるべく視覚的に見えるように可視化するような過大な照射エネルギーを利用している。蛍光に比べ発光は光励起が要らないので、光毒性も無く、操作上も簡単で実施し易い。また、蛍光は強度変化が不安定だが、発光は安定である。励起光照射による過大なエネルギーによる蛍光検出から発想できない(非自明な)視点として、生物発光は変化量の評価(例えば、遺伝子発現の変動のモニタリング)や連続的かつ広視野の受光に適している。換言すると(上位化すると)、細胞内の活性変化に応じて光強度が変わるような検査項目は、過大な光エネルギーによる画像情報からは実行困難である。また、分光測定やフォトンカウントによる生物発光の検出からは発想できない(非自明な)視点として、同一視野ないし同一試料中の複数の検出対象を個別に比較したり、個々の変化量を評価することである。そもそも、生物発光は、暗すぎて、肉眼または顕微鏡による接眼レンズによって観察できない。従来の顕微鏡がそうであったように、暗すぎて画像を取得できなかった場合、細胞1個づつ取り出したり、別々の容器に遠ざけて検査するしかないので、非常に時間も工数も必要となる。ましてや、細胞内の検査を、1個づつ細胞を溶解したり、すり潰す手技を施すことは面倒である。別々の容器や個別の手技を用いることは、生きた細胞ないし組織を継続的ないし複数調べるには不適である。本発明の方法を適用すれば、1個づつの細胞等の試料について個別に遺伝子発現等の変化を継続的かつ複数調べることができる。さらに、何度でも同じ細胞からデータが取れるという魅力もある。これらの考察内容を総合すれば、本発明の新規性および進歩性は容易に理解されるであろう。
[Discussion regarding aspect 1]
RNA interference is a typical technique that steadily reflects the presence or absence of protein interactions inside and outside the body. If it is attempted to detect the interaction only by the light intensity, the reliability is lowered due to a non-specific reaction, a noise signal such as a contaminant or autofluorescence. In general, fluorescence is excited by irradiation energy of excitation light emitted from the outside. Conventional imaging methods relating to a living body utilize excessive irradiation energy that is visualized so as to be visible as much as possible. Compared with fluorescence, light emission does not require photoexcitation, so there is no phototoxicity, and the operation is simple and easy to implement. In addition, the intensity of fluorescence is unstable, but the emission is stable. Bioluminescence is suitable for evaluation of changes (for example, monitoring of gene expression fluctuations) and continuous, wide-field light reception as a (non-obvious) viewpoint that cannot be imagined from fluorescence detection with excessive energy by excitation light irradiation. . In other words (upgrading), it is difficult to execute an inspection item in which the light intensity changes in accordance with a change in intracellular activity based on image information based on excessive light energy. In addition, as a viewpoint that cannot be conceived from the detection of bioluminescence by spectroscopic measurement or photon counting (non-obvious), comparing multiple detection targets in the same field of view or the same sample individually, and evaluating individual changes It is. In the first place, the bioluminescence is too dark to be observed with the naked eye or a microscope eyepiece. As with conventional microscopes, when images are too dark to acquire an image, it is necessary to take out cells one by one or move them to separate containers for inspection, which requires much time and man-hours. . Furthermore, it is troublesome to perform a procedure of lysing or crushing cells one by one for the inspection inside the cells. Using separate containers or individual procedures is unsuitable for continuous or multiple examination of living cells or tissues. By applying the method of the present invention, it is possible to examine a plurality of changes such as gene expression individually for each sample of cells or the like individually. In addition, there is the appeal that data can be taken from the same cell as many times as possible. When these considerations are combined, the novelty and inventive step of the present invention will be easily understood.
[態様2];蛍光を指標とする生物発光共鳴エネルギー転移(BRET)により転移したエネルギーでもって励起された、蛍光分子が発する蛍光を撮像する方法および装置
この態様2は、種々の生体に関連する情報を画像化する方法および、細胞等の生体試料中の相互作用し得る物質について視覚的に相互作用を検出する方法および装置に関する。詳しくは、この態様2は、細胞内の相互作用を生物発光を用いて定量的に検出するレポータアッセイに適用する方法に関する。一例として、この態様2は、細胞内の発光による光エネルギーが近接する蛍光分子に移動したときの蛍光を指標とする生物発光共鳴エネルギー転移(BRET)により転移したエネルギーでもって励起された、蛍光分子が発する蛍光を撮像する方法および装置を提供するものである。
[Aspect 2]; Method and apparatus for imaging fluorescence emitted by fluorescent molecules excited by energy transferred by bioluminescence resonance energy transfer (BRET) using fluorescence as an indicator This
生体関連情報の他の例として、レポータ物質としてのGFPのような光信号を発生し得る物質を合成する機能を有するタンパク質を構成する遺伝子をクローニングし、さらに遺伝子工学的な改変が施すことによって、輝度,吸収・蛍光波長,pH感受性などの所望の光特性および生物学的特性を有するような変異体が作られている。これらの蛍光タンパク質の遺伝子に細胞内で局在を示すシグナルを付加し,細胞に導入・発現させることによって,細胞内の特異的な領域を可視化できる。また,機能的なタンパク質と融合させることにより,細胞内でのタンパク質の局在や挙動を観察することができる。さらに,相互作用するタンパク質を,それぞれ異なる色の蛍光タンパク質で標識すれば,相互作用によってタンパク質同士が接近した場合,一方の蛍光のエネルギーが他方の蛍光分子を励起し,長波長にシフトした蛍光が観察される(FRET)。この波長シフトを可視化することにより,細胞内での分子間相互作用を検出することができる(Otuji et. al.,Analytical Biochemistry.329(2004)230−237,Monitoring for dynamic biological processing by intramolecular bioluminescenceresonance energy transfer system using secreted luciferase参照)。 As another example of biological information, by cloning a gene constituting a protein having a function of synthesizing a substance capable of generating an optical signal such as GFP as a reporter substance, and further performing genetic engineering modification, Variants have been made that have desired optical and biological properties such as brightness, absorption / fluorescence wavelength, pH sensitivity and the like. A specific region in the cell can be visualized by adding a signal indicating localization in the cell to these fluorescent protein genes, and introducing and expressing the signal in the cell. In addition, by fusing with a functional protein, the localization and behavior of the protein in the cell can be observed. Furthermore, if the interacting proteins are labeled with fluorescent proteins of different colors, when the proteins approach each other due to the interaction, the energy of one fluorescence excites the other fluorescent molecule, and the fluorescence shifted to a longer wavelength is emitted. Observed (FRET). By visualizing this wavelength shift, it is possible to detect intermolecular interactions in the cell (Otuji et. Al., Analytical Biochemistry. 329 (2004) 230-237, Monitoring for dynamic biomolecules molecular biological processing. transfer system using secreted luciferase).
しかしながら、FRET測定を行うには,細胞に励起光を当てなければならない。数十時間また数日にわたるような長時間測定の場合,細胞は励起光の光毒性によりダメージを受けてしまう。一方,励起光を使わず,エネルギーのドナーとなる蛍光タンパク質をルシフェラーゼなどの発光タンパク質に置き換えた生物発光共鳴エネルギー移動(BRET)を利用した分子間相互作用の計測方法がある。発光による光エネルギーでアクセプターとなる蛍光タンパク質を励起し,発光波長と蛍光波長の光強度の比を測定することになる(Otsuji et al, 2004)。この場合,励起光を細胞に照射する必要はないので,光毒性の影響はない。しかし,生細胞内での発光強度は極めて弱いため,この発光から転移したエネルギーによって励起された蛍光もまた微弱であり、概ね発光の半分の光強度となると見込まれる。従って、従来のCCDカメラまたは光電子増倍管の走査法では、細胞の発光およびBRETに起因するアクセプターからの蛍光を撮像する能力が無かった。 However, in order to perform FRET measurement, excitation light must be applied to the cells. In long-term measurements such as tens of hours or days, cells are damaged by the phototoxicity of excitation light. On the other hand, there is a method for measuring intermolecular interactions using bioluminescence resonance energy transfer (BRET) in which a fluorescent protein serving as an energy donor is replaced with a photoprotein such as luciferase without using excitation light. The fluorescent protein that becomes the acceptor is excited by the light energy generated by light emission, and the ratio of the light intensity between the emission wavelength and the fluorescence wavelength is measured (Otsuji et al, 2004). In this case, there is no need to irradiate the cells with excitation light, so there is no phototoxic effect. However, since the luminescence intensity in living cells is extremely weak, the fluorescence excited by the energy transferred from this luminescence is also weak, and it is expected that the light intensity is approximately half that of luminescence. Therefore, the conventional CCD camera or photomultiplier tube scanning method has no ability to image fluorescence from the acceptor due to cell emission and BRET.
従って、この態様2は、生体試料中の任意の相互作用を直接的かつ低侵襲に検出することを目的とする。また、この態様2は、特に、BRETのような微弱光信号の変化に起因する画像情報を細胞単位で撮像する方法および装置を提供することを目的とする。
Therefore, this
[課題を解決するための手段]
ルシフェラーゼ遺伝子を導入した細胞の発光像およびBRETによる蛍光像を,以下の条件を満たす光学系で撮像する。発明者の光学的実験によれば、対物レンズの開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上の光学系で撮像することによって、単一の細胞から発生する発光だけで画像化できることが証明された(特願2005−267531号参照)。驚くべきことに、この撮像条件は、BRETにおける微弱な蛍光画像にも適用でき、短い時間(例えば1分〜20分)で生物発光のような微弱な発光成分による細胞画像を撮像できる。さらに、発明者が追究した光学的条件によれば、撮像装置の対物レンズを開口数(NA)/投影倍率(β)の2乗で表される光学的条件が0.071以上である場合に、1〜5分以内で画像化でき、画像解析も可能な細胞画像を提供できることを突き止めた。
[Means for solving problems]
The luminescence image of the cell into which the luciferase gene is introduced and the fluorescence image by BRET are imaged with an optical system that satisfies the following conditions. According to the inventor's optical experiment, imaging is performed with an optical system in which the square of (NA ÷ β) expressed by the numerical aperture (NA) of the objective lens and the projection magnification (β) is 0.01 or more. Thus, it was proved that imaging can be performed only by luminescence generated from a single cell (see Japanese Patent Application No. 2005-267531). Surprisingly, this imaging condition can be applied to a weak fluorescent image in BRET, and a cell image with a weak luminescent component such as bioluminescence can be captured in a short time (for example, 1 to 20 minutes). Further, according to the optical condition investigated by the inventor, when the optical condition expressed by the square of the numerical aperture (NA) / projection magnification (β) of the objective lens of the imaging apparatus is 0.071 or more. The present inventors have found that a cell image that can be imaged within 1 to 5 minutes and can be analyzed can be provided.
従って、この態様2の方法は、生体関連情報を画像情報として取得するための画像化方法において、画像化すべき画像化対象に対して生物学的エネルギーにより光学的に検知可能な変化をもたらす生物学的励起物質を作用せしめ、前記生物学的エネルギーが提供する出力に相当する画像関連情報を前記画像化対象から優先的に取得することを特徴とする。
Therefore, the method of this
また、この態様2の方法は、細胞内の相互作用に関する画像情報を撮像する方法において、前記相互作用し得る物質の双方に対して生物学的励起物質としての発光物質および蛍光物質をそれぞれ標識した相互作用物質を1以上の細胞内に存在せしめ、相互作用による結果としての発光物質による蛍光物質へのエネルギー転移を光学的に撮像し、撮像した光学的情報を単一の細胞について画像化する工程を含み、画像表現が相互作用に起因する微弱光の有無および/または量を示していることを特徴とする。
In addition, in the method of this
ここで、前記生体試料が、生細胞を含んでいるのが好ましい。 Here, it is preferable that the biological sample contains living cells.
また、この態様2の装置は、生体関連情報の画像化装置において、画像化すべき画像化対象に照準する手段と、画像化対象に対して生物学的エネルギーにより光学的に検知可能な変化をもたらす生物学的励起物質を作用せしめた状態で、前記生物学的エネルギーが提供し得る出力を優先的に画像情報として取得する画像情報取得手段とを備えたことを特徴とする。
In addition, in the imaging apparatus for biological information, the apparatus of
また、この態様2は、上記の方法を自動的に実行するためのプログラムを包含する。また、この態様2は、上記のプログラムを読み出し可能に書き込んでいるソフトウェアを包含する。また、この態様2は、上記の方法により取得された画像情報に基づいて生体関連情報の解析を行なう解析方法を包含する。上記の解析方法は、生物学的励起物質として生物発光をもたらす成分を含んでいることが好ましい。発光成分としては、発光用の基質や、発光用酵素ないし発光用酵素をコードする遺伝子を融合する発光タンパク質が挙げられる。上記の方法は、さらに、生物学的励起物質の活性に影響を与える薬剤との相互作用を評価する工程を含んでいる場合には、医学的調査に貢献し、創薬研究や、薬効、毒性評価等を生存する生命体における調査と同等の条件で実行できる。また、この態様2は、上記の装置における画像情報取得手段に適合する光特性を備えた試薬キットを包含する。
Also, this
なお、この態様2では、特別に説明する場合を除いて「発光」とは生物発光を意味し、「発光物質」とはBRETにおいて蛍光物質に対し励起エネルギーを与えることができる任意の発光を有する物質を意味する。
In this
この態様2によれば、細胞内における分子間相互作用の測定には,蛍光タンパク質を用いたFRETが利用される。この方法では,細胞に励起光を当てなければならないので,長時間の光照射は細胞にダメージを与えてしまう。FRETにおけるエネルギーのドナー側の蛍光タンパク質をルシフェラーゼなどの発光タンパク質に置き換えたBRETの系にすることで,細胞への光照射による影響を排除することができる。そのため,数日から数週間以上にわたる長期的な観察が可能となり,これを経時的に撮像することで,細胞内の分子間相互作用を画像として表示できる。
According to this
この態様2に関して、ルシフェラーゼと蛍光タンパク質を用いたBRETによるアポトーシスの検出を行う例を次に述べる。即ち、アポトーシス誘導によって活性化されるカスパーゼ3の活性を発光共鳴エネルギー移動(BRET)によって検出する。ドナーとなる発光タンパク質の遺伝子にはガウシア由来のルシフェラーゼ遺伝子(Gaussia Luc,Lux Biotechnology社),アクセプターとなるYFP遺伝子にはpYFP(クロンテック社)を用い,ルシフェラーゼとYFPの間にアポトーシス誘導時に活性化されるカスパーゼ3の認識配列(DEVD;アミノ酸一時表記,アスパラギン酸,グルタミン酸,バリン,)を導入したベクターを作る。また,ルシフェラーゼとDEVD配列およびDEVDとGFPの間にはグリシン(G)セレン(S)などのアミノ酸をリンカーとして入れている。
With respect to this
この状態では、ルシフェラーゼによる発光のエネルギーはFRETが起こり,隣接するYFPに移動しYFPから蛍光(529 nm)が発せられる(BRET)。アポトーシスが誘導されカスパーゼが活性化されると,ルシフェラーゼ-YFP分子が消化されBRETが解消されるため,ルシフェラーゼによる発光(480 nm)が観察されることになる。 In this state, FRET occurs in the energy of luminescence by luciferase, which moves to the adjacent YFP and emits fluorescence (529 nm) from YFP (BRET). When apoptosis is induced and caspase is activated, luciferase-YFP molecules are digested and BRET is eliminated, so that luminescence by luciferase (480 nm) is observed.
[大腸菌での発現ベクターの作製]
大腸菌での発現ベクターであるpRSET_B(インビトロゲン社)を制限酵素BamHIおよびEcoRIで消化し精製する。また,PCR法によってガウシアルシフェラーゼ遺伝子およびYFPを増幅する。YFP遺伝子のForward側のPCRプライマーには、5'に制限酵素BamHIの認識配列を含み、Reverse側のプライマーには、3'側にカスパーゼ認識配列と制限酵素KpnIの認識配列を含んでいる。ルシフェラーゼ遺伝子Forward側のプライマーには、5'にKpnI認識配列、reverse側のプライマーには、3'にEcoRI認識配列を含んでいる。それぞれの遺伝子をPCRで増幅・精製後、制限酵素BamHIとKpnIおよびKpnIとEcoRIで消化・精製する。次に、制限酵素で消化したpRSETベクター、ルシフェラーゼ遺伝子、YFP遺伝子をDNAリガーゼで連結し図7−1のようなYFP−ルシフェラーゼ-ベクターを構築する。
[Preparation of expression vector in E. coli]
PRSET_B (Invitrogen), an expression vector in E. coli, is digested with restriction enzymes BamHI and EcoRI and purified. In addition, the Gaussia luciferase gene and YFP are amplified by PCR. The PCR primer on the forward side of the YFP gene contains a recognition sequence for the restriction enzyme BamHI at 5 ', and the primer on the reverse side contains a caspase recognition sequence and a recognition sequence for the restriction enzyme KpnI on the 3' side. The primer on the luciferase gene Forward side contains a KpnI recognition sequence at 5 ′, and the primer on the reverse side contains an EcoRI recognition sequence at 3 ′. Each gene is amplified and purified by PCR, and then digested and purified by restriction enzymes BamHI and KpnI and KpnI and EcoRI. Next, the pRSET vector, luciferase gene, and YFP gene digested with restriction enzymes are ligated with DNA ligase to construct a YFP-luciferase-vector as shown in FIG.
[精製タンパク質での測定]
図7のベクターを大腸菌(JM109(DE3))に導入し一晩培養後,フレンチプレスを用いて大腸菌を破砕し,産生されたYFP−ルシフェラーゼタンパクをニッケル−アガロースゲルにてアフィニティー精製し(Ni-NTA Superflow, キアゲン社),以下の条件で系時的に発光スペクトルを計測した(ルミフル スペクトロキャプチャー,アトー社)。
[Measurement with purified protein]
The vector of FIG. 7 was introduced into E. coli (JM109 (DE3)) and cultured overnight, then E. coli was disrupted using a French press, and the produced YFP-luciferase protein was affinity purified on a nickel-agarose gel (Ni- NTA Superflow, Qiagen), and the emission spectrum was measured over time under the following conditions (Lumiful Spectrocapture, Ato).
図7−2には以下の条件でそれぞれの波長における発光強度の経時的変化を示した。50μg/ml YFP-4-DEVD-6-Gaussia, 60μM Coelenterazine, 2units Caspase3 in Tris-HCl buffer(pH 8.0) Caspase3による処理は37℃で行った。反応前はBRETが起こっているのでYFPの蛍光(546nm)が強いが,反応が進みDEVD部位が切断されるとBRETが解消されYFPの蛍光は減少し,Gaussiaの発光(478nm)が増えている。
FIG. 7-2 shows the change over time in the emission intensity at each wavelength under the following conditions. Treatment with 50 μg / ml YFP-4-DEVD-6-Gaussia, 60 μM Coelenterazine, 2 units Caspase 3 in Tris-HCl buffer (pH 8.0)
図7−3には以下の条件で0分から180分までの発光スペクトルの経時的変化を示した。0.1Mトリス塩酸buffer(pH 8.0),50μg/ml精製タンパク質,60μMのセレンテラジン,2 Unit カスパーゼ3,37℃。YFPの蛍光(546nm)とGaussiaの発光(478nm)の経時的変化を観察すると、反応前はBRETが起こっているのでYFPの蛍光(546nm)が強いが,反応が進みDEVD部位が切断されるとBRETが解消されYFPの蛍光は減少し,Gaussiaの発光(478nm)が増えている。
FIG. 7-3 shows the change with time of the emission spectrum from 0 minutes to 180 minutes under the following conditions. 0.1 M Tris-HCl buffer (pH 8.0), 50 μg / ml purified protein, 60 μM coelenterazine, 2
また、図7−4は480nmの強度と529nmの強度の比を表したグラフである。このようにカスパーゼ3によって,YFP−ルシフェラーゼ融合タンパク質が消化されてBRETが解消されていく様子が測定できる。
FIG. 7-4 is a graph showing the ratio of the intensity at 480 nm to the intensity at 529 nm. Thus, it is possible to measure how the YFP-luciferase fusion protein is digested by
[哺乳細胞での発現ベクターの作製]
図7−1で作製した融合タンパク遺伝子部位を哺乳細胞での発現ベクターであるpcDNA3.1に入れ換える。作成されたベクターpcDNA3.1は、ベクターの種類が異なる以外は図7−1に示したベクターpRSETBと同じである。
[Preparation of expression vector in mammalian cells]
The fusion protein gene site prepared in FIG. 7-1 is replaced with pcDNA3.1, which is an expression vector in mammalian cells. The prepared vector pcDNA3.1 is the same as the vector pRSETB shown in FIG. 7-1 except that the type of vector is different.
[細胞への遺伝子導入と測定準備]
D−MEMで培養しているHeLa細胞にリポフェクチン法によって作製したルシフェラーゼ-GFPベクターを導入する。翌日に培養液を捨て、細胞をハンクス平衡塩類溶液(HBSS)で洗い、HBSS1mlに置換する。これに発光基質であるセレンテラジン(プロメガ社)を最終濃度60μMで添加し、37℃で1時間インキュベートする。
[Gene transfer into cells and preparation for measurement]
A luciferase-GFP vector prepared by the lipofectin method is introduced into HeLa cells cultured in D-MEM. The culture medium is discarded the next day, and the cells are washed with Hank's balanced salt solution (HBSS) and replaced with 1 ml of HBSS. Coelenterazine (Promega), a luminescent substrate, is added to this at a final concentration of 60 μM and incubated at 37 ° C. for 1 hour.
[測定]
アポトーシスを誘導するため抗Fas抗体(医学生物学研究所)1μlとシクロヘキサイミド(最終濃度10μM)を添加し測定を開始した。最初にフィルター無しの状態で5分間撮影し、その後510 nmのロングパスフィルターを通して5分間撮影する。これを30分間隔で6時間撮影する。GFPの蛍光量は510 nmのフィルター後の値とし、ルシフェラーゼによる発光量は、フィルター無しの光量からフィルター後の光量を差し引いた値とした。図8−1は、刺激開始前のフィルター無しの画像である。図8−2は、刺激開始から3時間後のフィルター無しと有りの画像を模式化したものである。この中の四角い領域におけるルシフェラーゼの発光とYFPの蛍光強度の経時変化を示したのが図9である。最初はBRETによりYFPの蛍光量が強いが、カスパーゼによりルシフェラーゼ-YFP複合体が消化されBRETが解消されるとルシフェラーゼによる発光量が強くなってくるのが分かる。このようにルシフェラーゼの発光強度とYFPの蛍光強度の比をモニターすることによってカスパーゼの活性、すなわちアポトーシスの程度を検出できる。
[Measurement]
In order to induce apoptosis, 1 μl of anti-Fas antibody (Medical and Biological Laboratories) and cycloheximide (
以上、この態様2を生細胞のBRETを画像解析する例によって説明したが、この態様2は、上述した実施の形態および実施例に内在し、且つこの出願より前に他人(または他社)によって出願等されたあらゆる発明によっても自明でないような、あらゆるカテゴリーに属する技術思想を包含するものであり、その技術思想が及ぶ均等物ないしこの態様2で開示されないあらゆる下位概念の発明を包括する権利範囲を有する。
As described above, this
なお、この態様2は、次のような考察に基づき派生する種々の変形例も直接的かつ一義的に包含する。なぜなら、種々の変形例は、この態様2と共通する考察を必ず経由して種々の応用に種々転用されるだけだからである。
In addition, this
[態様2に関する考察]
BRET、FRETは生体内外のタンパク相互作用の有無を着実に反映する典型的手法である。相互作用を光強度だけで検出しようとすると、非特異的反応や挟雑物ないし自家蛍光等のノイズ信号により信頼性が低くなる。一般に蛍光は、外部から照射された励起光の照射エネルギーにより励起される。従来の生体に関する画像化方法は、なるべく視覚的に見えるように可視化するような過大な照射エネルギーを利用している。FRETに比べBRETは励起が要らないので、実験し易い。また、蛍光は強度変化が不安定だが、発光は安定である。励起光照射による過大なエネルギーによる蛍光検出から発想できない(非自明な)視点として、生物発光またはこれに伴う蛍光(例えばBRET)は変化量の評価(例えば、遺伝子発現の変動のモニタリング)や連続的かつ広視野の受光に適している。換言すると(上位化すると)、細胞内の活性変化に応じて光強度が変わるような検査項目は、過大な光エネルギーによる画像情報からは実行困難である。また、分光測定やフォトンカウントによる生物発光の検出からは発想できない(非自明な)視点として、同一視野ないし同一試料中の複数の検出対象を個別に比較したり、個々の変化量を評価することである。そもそも、生物発光、さらには生物発光の光エネルギーにより励起される生物発光由来蛍光(例えばBRET)は、暗すぎて、肉眼または顕微鏡による接眼レンズによって観察できない。従来の顕微鏡がそうであったように、暗すぎて画像を取得できなかった場合、細胞1個づつ取り出したり、別々の容器に遠ざけて検査するしかないので、非常に時間も工数も必要となる。ましてや、細胞内の検査を、1個づつ細胞を溶解したり、すり潰す手技を施すことは面倒である。別々の容器や個別の手技を用いることは、生きた細胞ないし組織を継続的ないし複数調べるには不適である。この態様2の方法を適用すれば、1個づつの細胞等の試料について個別に遺伝子発現等の変化を継続的かつ複数調べることができる。さらに、何度でも同じ細胞からデータが取れるという魅力もある。これらの考察内容を総合すれば、上記態様2の新規性および進歩性は容易に理解されるであろう。
[Consideration regarding aspect 2]
BRET and FRET are typical techniques that steadily reflect the presence or absence of protein interactions inside and outside the body. If it is attempted to detect the interaction only by the light intensity, the reliability is lowered due to a non-specific reaction, a noise signal such as a contaminant or autofluorescence. In general, fluorescence is excited by irradiation energy of excitation light emitted from the outside. Conventional imaging methods relating to a living body utilize excessive irradiation energy that is visualized so as to be visible as much as possible. Compared with FRET, BRET does not require excitation and is easy to experiment. In addition, the intensity of fluorescence is unstable, but the emission is stable. Bioluminescence or accompanying fluorescence (for example, BRET) can be evaluated (for example, monitoring variation in gene expression) or continuously, as a (non-obvious) viewpoint that cannot be conceived from fluorescence detection by excessive energy due to excitation light irradiation. It is also suitable for receiving a wide field of view. In other words (upgrading), it is difficult to execute an inspection item in which the light intensity changes in accordance with a change in intracellular activity based on image information based on excessive light energy. In addition, as a viewpoint that cannot be conceived from the detection of bioluminescence by spectroscopic measurement or photon counting (non-obvious), comparing multiple detection targets in the same field of view or the same sample individually, and evaluating individual changes It is. In the first place, bioluminescence, and also bioluminescence-derived fluorescence excited by light energy of bioluminescence (for example, BRET) is too dark to be observed with the naked eye or a microscope eyepiece. As with conventional microscopes, when images are too dark to acquire an image, it is necessary to take out cells one by one or move them to separate containers for inspection, which requires much time and man-hours. . Furthermore, it is troublesome to perform a procedure of lysing or crushing cells one by one for the inspection inside the cells. Using separate containers or individual procedures is unsuitable for continuous or multiple examination of living cells or tissues. By applying the method of this
[態様3]単一細胞での遺伝子の発現量変化を解析する方法
[技術分野]
この態様3は、本発明において、リポーター遺伝子の発するシグナルを光学イメージングすることにより、単一細胞での遺伝子の発現量変化を解析する方法に関する。
[Aspect 3] Method for analyzing gene expression level change in a single cell [Technical Field]
This
[背景となる技術]
従来の光学イメージングによる遺伝子発現の解析方法としては、蛍光タンパク質をレポーター遺伝子として用いている(特表2004−500576)に示されているように、発現量を観察しようとする遺伝子のプロモーター領域の下流に緑色蛍光タンパク質(GFP)、あるいは青色蛍光タンパク質(BFP)、赤色蛍光タンパク質(RFP)の遺伝子を連結させた遺伝子発現ベクターを作製して細胞に導入し、それぞれの蛍光タンパク質に合った励起光を照射して得られる蛍光量を測定する。蛍光量は遺伝子の発現量に比例するため、目的の遺伝子の発現量を観察することが可能である。一方、生物発光を用いた遺伝子発現解析法として、特開2005−118050、特開2000−354500、特許第3643288号に示されているように、Gタンパク質を介する刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域の下流にルシフェラーゼ遺伝子を連結させた遺伝子発現ベクターを作製して細胞に導入し、Gタンパク質を介する刺激を行なった後の細胞から発せられる光をルミノメーターにより検出する。発光量は遺伝子の発現量に比例するため、刺激により発現が誘導される遺伝子の発現量を観察することが可能である。
[Background technology]
As a conventional method for analyzing gene expression by optical imaging, a fluorescent protein is used as a reporter gene (see Japanese Translation of PCT International Publication No. 2004-5000576), and downstream of the promoter region of the gene whose expression level is to be observed. A gene expression vector in which green fluorescent protein (GFP), blue fluorescent protein (BFP), and red fluorescent protein (RFP) genes are linked to each other is prepared and introduced into cells, and excitation light that matches each fluorescent protein is generated. The amount of fluorescence obtained by irradiation is measured. Since the amount of fluorescence is proportional to the expression level of the gene, the expression level of the target gene can be observed. On the other hand, as a gene expression analysis method using bioluminescence, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2005-1118050, 2000-354500, and Japanese Patent No. 3643288, a gene whose expression is induced by stimulation via G protein. A gene expression vector in which a luciferase gene is linked downstream of the promoter region is prepared and introduced into the cell, and light emitted from the cell after stimulation via G protein is detected with a luminometer. Since the amount of luminescence is proportional to the expression level of the gene, it is possible to observe the expression level of the gene whose expression is induced by stimulation.
[上記背景から生じる課題]
蛍光タンパク質を用いた従来技術では、励起光照射による細胞への光毒性について考慮されておらず、細胞を生存し続けられる状態で維持するという点について対応することが出来ない。よって、この点に着目し、励起光を照射する必要が無いため細胞に傷害が少ない、生物発光を用いた単一細胞での遺伝子発現解析方法を提供することが課題となる。また、蛍光タンパク質を用いた従来技術では、励起光自身や細胞内物質の自家蛍光によるバックグラウンドについて考慮されておらず、レポーター遺伝子が生ずるシグナルの量を高いS/N比で、定量的に決定するという点について対応することが出来ない。よって、励起光が必要なく比較的バックグランドが少ない発光タンパクを利用する、生物発光を用いた単一細胞での遺伝子発現解析方法を提供することも課題となる。さらに、発光タンパク質を用いた従来技術では、レポーター遺伝子が生ずるシグナルを単一細胞において観察することについて考慮されておらず、レポーター遺伝子が生ずる検出可能なシグナルを光学イメージングするという点について対応することが出来ない。よって、この点に着目し、レポーター遺伝子が生ずるシグナルを発している細胞が同定出来るように発光顕微鏡で撮像する、生物発光を用いた単一細胞での遺伝子発現解析方法を提供することも課題となる。
[Problems arising from the above background]
In the prior art using a fluorescent protein, phototoxicity to cells due to excitation light irradiation is not considered, and it is not possible to cope with the point of maintaining cells in a state where they can continue to survive. Therefore, paying attention to this point, it is an object to provide a method for analyzing gene expression in a single cell using bioluminescence, in which there is no need to irradiate excitation light, and thus there is little damage to cells. In addition, the conventional technology using fluorescent proteins does not consider the background of excitation light itself or autofluorescence of intracellular substances, and quantitatively determines the amount of signal generated by the reporter gene with a high S / N ratio. I cannot cope with the point of doing. Therefore, it is also an object to provide a method for analyzing gene expression in a single cell using bioluminescence, which uses a photoprotein that does not require excitation light and has a relatively low background. Furthermore, in the prior art using a photoprotein, it is not considered to observe a signal generated by a reporter gene in a single cell, and it is possible to cope with optical imaging of a detectable signal generated by a reporter gene. I can't. Therefore, focusing on this point, it is also an object to provide a method for analyzing gene expression in a single cell using bioluminescence, in which imaging is performed with a luminescence microscope so that cells emitting a signal generated by a reporter gene can be identified. Become.
[上記課題を解決する手段と作用効果について]
上記課題を解決するという目的を達成するために、後述するように、蛍(ほたる)またはウミシイタケなどのルシフェラーゼ遺伝子をレポーター遺伝子として用いることでシグナルの発生に励起光を照射する必要が無く、細胞への傷害を低減させ、なお且つ細胞内物質の自家蛍光などによるバックグランドを低減させた状態で光学イメージング出来ることを見出した。また、ルシフェラーゼ遺伝子をレポーター遺伝子として用いて細胞での遺伝子発現量の解析を行なう方法において、発光顕微鏡を用いて観察を行なった場合に、リガンド添加によりレポーター遺伝子の発現が単一細胞で光学イメージング出来ることを見出した。また、レポーター遺伝子の発現を制御するプロモーターとしてヒトc-fos遺伝子のプロモーター領域を用いることにより、ATPや血清をリガンドとして添加するとレポーター遺伝子産物の発現増加を単一細胞で光学イメージング出来ることを見出した。 さらに、発光イメージと同視野において細胞の明視野像を撮像して画像同士を重ね合わせ、発光イメージが得られた細胞を同定することで、単一細胞での遺伝子発現量の経時的変化を得ることが可能であることを見出し、この態様3に係る発明を完成できた。
[Means and effects for solving the above problems]
In order to achieve the object of solving the above-mentioned problem, as described later, a luciferase gene such as firefly or Renilla is used as a reporter gene, so that it is not necessary to irradiate cells with excitation light to generate a signal. It has been found that optical imaging can be performed in a state in which the background due to the autofluorescence of the intracellular substance is reduced and the injury of the cell is reduced. In addition, in a method of analyzing gene expression level in cells using a luciferase gene as a reporter gene, when observation is performed using a luminescence microscope, expression of the reporter gene can be optically imaged in a single cell by adding a ligand. I found out. In addition, by using the promoter region of the human c-fos gene as a promoter to control the expression of the reporter gene, it was found that when ATP or serum was added as a ligand, increased expression of the reporter gene product could be optically imaged in a single cell. . Furthermore, by capturing bright-field images of cells in the same field of view as the luminescent image, overlaying the images, and identifying the cell from which the luminescent image was obtained, the change in gene expression over time in a single cell is obtained. As a result, the invention according to the third aspect has been completed.
[A.態様3における語句の定義]
<刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域>
態様3におけるプロモーター領域としては、最初期遺伝子のプロモーターが挙げられる。態様3で用いられる最初期遺伝子のプロモーターとしては、例えば、c-fosプロモーター領域が挙げられる。また、態様3で用いられるプロモーターとしては、前記プロモーターの任意の動物種の対応物も含まれる。ここでプロモーター領域とは、プロモーター活性を有するために必要な最小の塩基配列を含む任意の領域を意味する。例えば、該遺伝子の転写部位に対して上流500から2000塩基の領域の一部または全部を用いることができる。
[A. Definition of word in aspect 3]
<Promoter region of a gene whose expression is induced by stimulation>
Examples of the promoter region in
<レポーター遺伝子>
態様3におけるレポーター遺伝子は、検出可能な蛍光を発するレポータータンパク質をコードする遺伝子を意味する。例えば、蛍もしくはウミシイタケなどに由来するルシフェラーゼを挙げることができる。さらには、例えば、βガラクトシダーゼをコードする遺伝子、アルカリホスファターゼをコードする遺伝子を挙げることができる。
<Reporter gene>
The reporter gene in
<物質>
下記に説明する発明において使用される「物質」とは、自然界に存在する天然の物質あるいは人工的に調製される任意の物質を意味する。具体的には、例えば、化学的に合成された任意の化合物を挙げることができる。該化合物の種類および分子量などについては特に限定されない。該物質がタンパク質、またはペプチドである場合には、生体組織や細胞から単離されるもの、および遺伝子組換えや化学的合成により調製されるものも含まれる。さらにまた、それらの化学修飾体も含まれる。
<Substance>
The “substance” used in the invention described below means a natural substance existing in nature or any substance prepared artificially. Specifically, for example, any compound synthesized chemically can be mentioned. The type and molecular weight of the compound are not particularly limited. When the substance is a protein or peptide, those isolated from living tissues and cells and those prepared by genetic recombination or chemical synthesis are also included. Furthermore, those chemical modifications are also included.
<リガンド>
態様3に使用されるGタンパク質共役型受容体のリガンドとは、Gタンパク質共役型受容体と相互作用する任意のアゴニストまたは該受容体の任意のアンタゴニストを意味する。
<Ligand>
The ligand of the G protein-coupled receptor used in the
<光学イメージング>
態様3における光学イメージングとは、レポーター遺伝子を導入した細胞において、レポーター遺伝子により発せられる検出可能なシグナルの存在、不在または強度をモニタリング、記録および分析するイメージング方法を意味する。光学イメージングを達成するためには、レポーター遺伝子により発せられるシグナルの強度が、シグナルを細胞の外部から分析することができるように、十分に高くなくてはならない。光学イメージングは自動化に容易に適用可能であることから、多数の遺伝子発現を同時にモニタリングするのに用いることができる。
<Optical imaging>
The optical imaging in the
B.遺伝子発現の光学イメージング方法
<遺伝子発現ベクターの作製>
動物細胞を用いる場合、発現ベクターは少なくともプロモーター、開始コドン、目的のタンパク質をコードするDNA、終止コドンを含んでいることが好ましい。また、シグナルペプチドをコードするDNA、エンハンサー配列、該タンパク質をコードする遺伝子の5'側および3'側の非翻訳領域、スプライシング接合部、ポリA付加シグナル、選択マーカー領域または複製可能単位などを含んでいてもよい。
B. Optical imaging method for gene expression <Production of gene expression vector>
When using animal cells, the expression vector preferably contains at least a promoter, a start codon, DNA encoding the protein of interest, and a stop codon. Also includes DNA encoding signal peptide, enhancer sequence, 5 'and 3' untranslated regions of gene encoding the protein, splicing junction, poly A addition signal, selectable marker region or replicable unit, etc. You may go out.
<細胞への遺伝子導入方法>
遺伝子を細胞へ導入する方法としては、塩化カルシウム法または塩化カルシウム/塩化ルビジウム法、リポフェクション法、エレクトロポレーション法などが挙げられる。態様3で使用される遺伝子導入した細胞には一過性発現細胞あるいは安定発現細胞のいずれもが含まれる。
<Gene transfer method into cells>
Examples of methods for introducing genes into cells include calcium chloride method or calcium chloride / rubidium chloride method, lipofection method, electroporation method and the like. The cells into which the gene has been introduced used in
<刺激による遺伝子発現の光学イメージング>
態様3は例えば、下記のように実施することが出来る。
<Optical imaging of gene expression by stimulation>
細胞の定数(例えば、該物質を細胞に接触させる刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域(好ましくは、c-fos遺伝子のプロモーター領域)に発現可能に連結されたレポーター遺伝子(好ましくは蛍もしくはウミシイタケなどに由来するルシフェラーゼ)を前記の遺伝子導入方法を用いて細胞に導入する。得られた前記の遺伝子導入された細胞の定数(例えば、1〜1×109個、好ましくは1×103〜1×106個)を所望の細胞培養が可能な器具(例えば、シャーレ、多数のウェルを有するマルチプレートなど)を用いて所望の栄養培地(例えば、D-MEM培地など)中で培養する。この定数の細胞からなる試料を、あらかじめ細胞にとって最適な温度(例えば、25〜37℃、好ましくは35〜37℃)に保温し、試料の乾燥を防ぐため水を注入して保湿した発光顕微鏡の培養装置部に設置し、該発光顕微鏡の試料観察部にある対物レンズを通してデジタルカメラで発光イメージを記録する。前記の試料に、細胞に接触させて刺激を行なうための物質(例えば、化合物)を所望の濃度(例えば、1pM〜1M、好ましくは100nM〜1mM)で加えて、所望の時間間隔(例えば5分間〜5時間、好ましくは10分間〜1時間)で発光イメージを記録する。記録した画像を市販の画像解析ソフト(例えば、MetaMorph;ユニバーサルイメージング社製など)を用いて画像内の所望の領域における輝度値を取得する。さらに、発光イメージと同視野において明視野イメージを記録し、前記の画像解析ソフトを用いて発光イメージと明視野イメージを重ね合わせて、発光している細胞を同定する。 A reporter gene (preferably a firefly or a reporter gene) operably linked to a cell constant (for example, a promoter region of a gene whose expression is induced by stimulation with which the substance is brought into contact with the cell (preferably, the promoter region of the c-fos gene)) The luciferase derived from Renilla, etc. is introduced into the cells using the above-described gene introduction method, and constants of the obtained cells into which the genes have been introduced (for example, 1 to 1 × 10 9 cells, preferably 1 × 10 3). ˜1 × 10 6 ) are cultured in a desired nutrient medium (eg, D-MEM medium) using an apparatus capable of culturing the desired cell (eg, petri dish, multi-plate having many wells). The sample consisting of this constant number of cells is preliminarily kept at a temperature optimum for the cells (for example, 25 to 37 ° C., preferably 35 to 37 ° C.), and water is injected to prevent the sample from drying. A light emitting image is recorded with a digital camera through an objective lens in a sample observation part of the light emission microscope, which is placed in a culture device part of a wet light emission microscope. For example, a compound) is added at a desired concentration (eg, 1 pM to 1 M, preferably 100 nM to 1 mM), and a luminescence image is recorded at a desired time interval (eg, 5 minutes to 5 hours, preferably 10 minutes to 1 hour). The brightness value in a desired area in the image is acquired from the recorded image using commercially available image analysis software (for example, MetaMorph; manufactured by Universal Imaging Co., Ltd.). Record and superimpose the luminescent image and the bright field image using the image analysis software described above to identify the luminescent cells.
[実施例1]
<c-fosプロモーター−ルシフェラーゼレポーター遺伝子の構築>
c-fosプロモーター−ルシフェラーゼレポーター遺伝子を、特願2005−352683(整理番号05P03010)に記載の方法に沿い、以下のようにして構築した。ヒトゲノミックDNAを鋳型として、プライマーfos pro Fwおよびプライマーfos pro Rvを用いてPCRを行ない、c-fos遺伝子のプロモーター領域(転写開始部位に対して-363〜+1,067)を増幅した。増幅されたDNA断片を制限酵素XhoIおよびHindIIIにて消化した。発現ベクターpGL3-Basicベクター(Promega社)を制限酵素XhoIおよびHindIIIにて消化し、上記のDNA断片をpGL3-Basicベクターにクローン化した。(以下、レポーター遺伝子発現ベクター(pGL3−fos)と記載することもある。)
[実施例2]
<ATPをリガンドとして細胞を刺激したときのレポーター遺伝子の発現量変化>
ATPを細胞刺激のリガンドとして用いた時のレポーター遺伝子の発現量変化測定の例を以下に示す。
[Example 1]
<Construction of c-fos promoter-luciferase reporter gene>
A c-fos promoter-luciferase reporter gene was constructed as follows in accordance with the method described in Japanese Patent Application No. 2005-352683 (reference number 05P03010). Using human genomic DNA as a template, PCR was performed using primer fos pro Fw and primer fos pro Rv to amplify the promoter region of the c-fos gene (-363 to +1,067 with respect to the transcription start site). The amplified DNA fragment was digested with restriction enzymes XhoI and HindIII. The expression vector pGL3-Basic vector (Promega) was digested with restriction enzymes XhoI and HindIII, and the above DNA fragment was cloned into the pGL3-Basic vector. (Hereinafter, it may be described as a reporter gene expression vector (pGL3-fos).)
[Example 2]
<Change in expression level of reporter gene when cells are stimulated with ATP as a ligand>
An example of measuring the change in the expression level of a reporter gene when ATP is used as a ligand for cell stimulation is shown below.
HeLa細胞をガラスボトムディッシュ(径35mm;IWAKI製)に1×105細胞/ディッシュとなるようにまいた。増殖培地には、10%の牛胎児血清を含むD-MEMを用いた。該細胞を37℃で1日培養後に、リポフェクトアミン2000試薬(インビトロゲン製)を用いて、メーカーの説明書に従いレポーター遺伝子発現ベクターを細胞へ導入した。約2時間後に遺伝子導入液を捨て、増殖培地を加えて37℃で16時間以上培養した。増殖培地を無血清培地(牛胎児血清を含まないD-MEM)に交換して37℃で16時間以上培養した。該細胞を培養している培養器を、あらかじめ35〜37℃に設定しておいた発光顕微鏡の培養装置部内に設置し、試料観察部を操作して該細胞にフォーカスを合わせた。ルシフェリンを終濃度1mMとなるように加えて1時間以上静置した後、ATPを終濃度100μMとなるように加えた。デジタルカメラ(DP30;オリンパス製)の操作用ソフト(DPコントローラ;オリンパス製)を用いて該細胞の明視野画像を取り込み、記録を行なった。発光イメージはデジタルカメラに1分間露光したものを5回加算することで得た。発光イメージは10分おきに取得したものをコンピューターで取り込み、記録を行なった。画像解析ソフト(Metamorph;ユニバーサルイメージング製)を用いて発光イメージの輝度値を求め、また発光イメージと明視野画像を重ね合わせて発光している細胞を同定した。 HeLa cells were spread on a glass bottom dish (diameter 35 mm; manufactured by IWAKI) at 1 × 10 5 cells / dish. D-MEM containing 10% fetal bovine serum was used as the growth medium. After culturing the cells at 37 ° C. for 1 day, a reporter gene expression vector was introduced into the cells using Lipofectamine 2000 reagent (Invitrogen) according to the manufacturer's instructions. After about 2 hours, the gene transfer solution was discarded, and a growth medium was added, followed by culturing at 37 ° C. for 16 hours or more. The growth medium was replaced with a serum-free medium (D-MEM not containing fetal calf serum) and cultured at 37 ° C. for 16 hours or more. The incubator in which the cells were cultured was placed in a culture apparatus part of a luminescence microscope that had been set to 35 to 37 ° C. in advance, and the sample observation part was operated to focus the cells. Luciferin was added to a final concentration of 1 mM and allowed to stand for 1 hour or longer, and then ATP was added to a final concentration of 100 μM. Using a digital camera (DP30; Olympus) operation software (DP controller; Olympus), bright-field images of the cells were captured and recorded. The luminescence image was obtained by adding 5 times of exposure to a digital camera for 1 minute. Luminescent images obtained every 10 minutes were captured by a computer and recorded. The luminance value of the luminescent image was obtained using image analysis software (Metamorph; manufactured by Universal Imaging), and the luminescent image and the bright field image were superimposed to identify the luminescent cells.
図10−3に、この実施例2で同定を行なった際の重ね合わせ画像を示す。ここにおいて、細胞の明視野画像を図10−1、同視野で取得した発光イメージを図10−2、明視野画像と発光イメージを画像解析ソフト上で重ね合わせた画像を図10−3に示した。この重ね合わせ画像により、発光している細胞の位置や形態が確認出来た。 FIG. 10-3 shows a superimposed image when identification is performed in the second embodiment. Here, FIG. 10-1 shows a bright-field image of a cell, FIG. 10-2 shows a luminescence image acquired in the same field, and FIG. 10-3 shows an image obtained by superimposing the bright-field image and the luminescence image on image analysis software. It was. From this superimposed image, the position and form of the luminescent cells could be confirmed.
図11に示すように、レポーター遺伝子産物であるルシフェラーゼの活性はATPを接触させる刺激に応じて一過性に上昇する様子が単一細胞で観察出来た。しかし、刺激を行なってからルシフェラーゼの活性がピークに達するまでに要する時間や、ピーク時の活性量は細胞間でばらついていることが明らかになった。 As shown in FIG. 11, it was observed that the activity of luciferase, which is a reporter gene product, was transiently increased in response to a stimulus in contact with ATP in a single cell. However, it was found that the time required for the luciferase activity to reach its peak after stimulation and the amount of activity at the peak varied between cells.
[実施例3]
<血清により細胞を刺激したときのレポーター遺伝子の発現量変化>
牛胎児血清を細胞刺激のリガンドとして用いた時のレポーター遺伝子の発現量変化測定の例を以下に示す。使用したリガンドが異なる以外、他の条件は実施例2と同様に行なった。牛胎児血清刺激は終濃度10%で行なった。
[Example 3]
<Change in expression level of reporter gene when cells are stimulated with serum>
An example of measurement of change in the expression level of a reporter gene when fetal bovine serum is used as a ligand for cell stimulation is shown below. Other conditions were the same as in Example 2 except that the ligand used was different. Fetal calf serum stimulation was performed at a final concentration of 10%.
図12−3に、この態様3の実施例3で同定を行なった際の重ね合わせ画像を示す。ここにおいて、細胞の明視野画像を図12−1、同視野で取得した発光イメージを図12−2、明視野画像と発光イメージを画像解析ソフト上で重ね合わせた画像を図12−3に示した。発光している細胞の位置や形態が確認出来た。 FIG. 12C shows a superimposed image when identification is performed in the third embodiment of the third aspect. Here, a bright field image of a cell is shown in FIG. 12-1, a luminescence image acquired in the same field is shown in FIG. 12-2, and an image obtained by superimposing the bright field image and the luminescence image on image analysis software is shown in FIG. It was. The position and form of the luminescent cells were confirmed.
図13に示すように、レポーター遺伝子産物であるルシフェラーゼの活性は牛胎児血清を接触させる刺激に応じて一過性に上昇する様子が単一細胞において観察できた。しかし、刺激を行なってからルシフェラーゼの活性がピークに達するまでに要する時間や、ピーク時の活性量は、実施例2のATPの刺激と同様、細胞間でばらついていることが明らかになった。 As shown in FIG. 13, it was observed in single cells that the activity of luciferase, a reporter gene product, increased transiently in response to stimulation with fetal calf serum. However, it was found that the time required for the luciferase activity to reach a peak after stimulation and the amount of activity at the peak varied between cells, similar to the ATP stimulation in Example 2.
以上の実施例1〜3に記載された説明によれば、態様3は次に示すような各付記項に表現される発明であると理解できる。
According to the description described in Examples 1 to 3 above, it can be understood that the
[付記項1]
刺激に対する遺伝子の発現量変化を単一細胞において解析する方法であって、
ある物質を細胞へ接触させる刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域に発現可能に連結されたレポーター遺伝子を細胞へ導入する工程と、
細胞を生存し続けられる状態で維持する工程と、
細胞に前記の物質を接触させて刺激を行なう工程と、
刺激を行なった各細胞において発現した前記のレポーター遺伝子が生ずる検出可能なシグナルを光学イメージングする工程と、
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの量を高いS/N比で、定量的に決定する工程と、
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルが検出された細胞を同定する工程を含む、遺伝子発現量変化を単一細胞において解析する方法。
[付記項2]
前記のプロモーター領域が最初期遺伝子のプロモーター領域である付記項1に記載の方法。
[付記項3]
前記の最初期遺伝子がヒト由来のc-fos遺伝子である付記項2に記載の方法。
[付記項4]
前記のレポーター遺伝子が発光タンパク質である付記項1に記載の方法。
[付記項5]
前記の発光タンパク質が蛍由来のルシフェラーゼである付記項4に記載の方法。
[付記項6]
前記の発光タンパク質がウミシイタケ由来のルシフェラーゼである付記項4に記載の方法。
[付記項7]
前記のプロモーター領域に発現可能に連結された前記のレポーター遺伝子を細胞へ導入する付記項1に記載の方法。
[付記項8]
前記の細胞へ接触させる物質がGタンパク質共役型受容体のリガンドである付記項1に記載の方法。
[付記項9]
前記のGタンパク質共役型受容体のリガンドが核酸である付記項8に記載の方法。
[付記項10]
前記の核酸がアデノシン三リン酸である付記項9に記載の方法。
[付記項11]
前記の細胞へ接触させる物質が血清である付記項1に記載の方法。
[付記項12]
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルを光学イメージングすることを特徴とする付記項1に記載の方法。
[付記項13]
前記の光学イメージングにおいて発光顕微鏡で撮像することを特徴とする付記項12に記載の方法。
[付記項14]
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの強度を輝度値に変換することを特徴とする付記項1に記載の方法。
[付記項15]
前記の細胞において発光顕微鏡で明視野像を撮像することを特徴とする付記項1に記載の方法。
[付記項16]
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの光学イメージング像と細胞の明視野像を重ね合わせてシグナルを生じている細胞を同定することを特徴とする付記項1に記載の方法。
[Additional Item 1]
A method for analyzing changes in gene expression level in response to a stimulus in a single cell,
Introducing into the cell a reporter gene operably linked to the promoter region of the gene whose expression is induced by the stimulus of contacting a substance with the cell;
Maintaining the cells in a state where they can continue to survive;
A step of stimulating cells by contacting the substance with the substance,
Optical imaging of a detectable signal produced by the reporter gene expressed in each stimulated cell;
Quantitatively determining the amount of signal generated by the reporter gene at a high S / N ratio;
A method for analyzing a change in gene expression level in a single cell, comprising a step of identifying a cell in which a signal generated by the reporter gene is detected.
[Additional Item 2]
[Additional Item 3]
[Additional Item 4]
[Additional Item 5]
[Additional Item 6]
[Additional Item 7]
[Additional Item 8]
[Additional Item 9]
[Additional Item 10]
[Additional Item 11]
[Additional Item 12]
[Additional Item 13]
Item 13. The method according to
[Additional Item 14]
[Appendix 15]
[Additional Item 16]
[態様4]特定細胞において遺伝子発現を解析する方法
[技術分野]
この態様4は、本発明において、複数の細胞を含んでいる生体試料中の特定細胞において遺伝子発現を解析する方法に関する。
[Aspect 4] Method for analyzing gene expression in specific cells [Technical Field]
This
[背景となる技術]
従来のプロモーターアッセイ法では、個々の細胞によって外来の刺激に対する遺伝子発現量の変化が異なっていることを見ることが出来なかった。しかし、比較的均一な性質をもつ株化細胞を用いても刺激に対する個々の細胞の反応は異なっていることが知られているので、不均一な細胞集団では刺激に対する反応はより複雑であることが予想される。さらに、従来は均一な細胞が集まっている実験系を用いていたため、個々の細胞を同定する必要がなく、全細胞の平均値を観察していた。しかし、初代培養やスライス培養など不均一な細胞集団を用いた実験系では、従来のプロモーターアッセイ法を用いると対象とする細胞からのシグナルが周辺の細胞のシグナルと重なって正確に細胞を同定することができない。さらに、細胞外からの刺激により発現が誘導される最初期遺伝子(c-fosなど)は多くの細胞種において発現することが知られており、最初期遺伝子の発現量変化を観察することで薬物などに対する細胞の反応性をリアルタイムで観察することが可能である。しかし、複数種の細胞が混在する中では、発現の見られた細胞を同定することが困難である。そこで、特定の細胞においてのみ最初期遺伝子の発現量変化がリアルタイムで見られる実験系を構築する必要がある。
[Background technology]
In the conventional promoter assay method, it was impossible to see that the change in gene expression level with respect to external stimuli was different depending on individual cells. However, the response to stimuli is more complex in heterogeneous cell populations, as it is known that the response of individual cells to stimuli is different even when using cell lines with relatively uniform properties. Is expected. Furthermore, conventionally, since an experimental system in which uniform cells are gathered was used, it was not necessary to identify individual cells, and the average value of all cells was observed. However, in experimental systems using heterogeneous cell populations such as primary culture and slice culture, signals from the target cells overlap with the signals of surrounding cells using the conventional promoter assay method to accurately identify the cells. I can't. In addition, early genes (such as c-fos) whose expression is induced by stimulation from outside the cell are known to be expressed in many cell types. It is possible to observe the reactivity of cells to the real time. However, in the presence of multiple types of cells, it is difficult to identify cells that have been expressed. Therefore, it is necessary to construct an experimental system in which changes in the expression level of the initial gene can be seen in real time only in specific cells.
[上記背景から生じる課題]
従来の方法では、複数の細胞種からなる細胞群の中で特定の細胞においてのみ遺伝子発現を観察することについて考慮されておらず、ルシフェラーゼ遺伝子が生ずる検出可能なシグナルを特定の細胞からのみ光学イメージングするという点について対応することが出来なかった。本発明はこの点に着目し、特定の細胞においてのみルシフェラーゼ遺伝子が生ずるシグナルを発するようにしてそのシグナルを発光顕微鏡で光学イメージングを行なう、特定細胞において遺伝子発現を解析する方法を提供することが課題となる。
[Problems arising from the above background]
Conventional methods do not consider observing gene expression only in specific cells in a group of cells consisting of multiple cell types, and optical imaging of detectable signals generated by luciferase genes only from specific cells I couldn't cope with that. The present invention pays attention to this point, and it is an object to provide a method for analyzing gene expression in specific cells, in which a signal generated by a luciferase gene is emitted only in a specific cell, and the signal is optically imaged with a light emission microscope. It becomes.
[上記課題を解決する手段と作用効果について]
MyoD遺伝子またはId遺伝子に融合したスプリットルシフェラーゼの片方は細胞特異的プロモーター領域を用いて特定細胞のみに発現させ、さらにもう片方は発現量解析を行ないたい遺伝子(最初期遺伝子など)のプロモーター領域を用いて細胞に発現させる。この細胞試料を発光顕微鏡で観察することにより、両方の融合遺伝子が発現してルシフェラーゼの酵素活性が観察される特定の細胞を光学イメージングすることが出来る。
[Means and effects for solving the above problems]
One of the split luciferases fused to the MyoD gene or Id gene is expressed only in specific cells using the cell-specific promoter region, and the other uses the promoter region of the gene (such as the first-stage gene) whose expression level is to be analyzed. To express in cells. By observing this cell sample with a light emission microscope, it is possible to optically image specific cells in which both fusion genes are expressed and the enzyme activity of luciferase is observed.
本発明を行うに当り、特許(U.S. Pat. No.5,670,356)および非特許論文(PNAS (2002)vol.99 No.24 pp3105-3110)における、哺乳類ツーハイブリッドシステムを応用した細胞内でのタンパク間の相互作用の検出法およびプロモーターアッセイ方法を参照することができる。これは相互作用を引き起こすことが知られている遺伝子(MyoD遺伝子およびId遺伝子)と酵母のGAL4 DNA結合ドメインまたはヘルペスシンプレックスウイルスのVP16活性化ドメインとの融合タンパク発現ベクター、およびGAL4結合領域を5つ含んだルシフェラーゼ発現ベクターを細胞に導入する。目的遺伝子同士(MyoD遺伝子とId遺伝子)が相互作用を起こすとルシフェラーゼの発現量が増加するという原理を利用してタンパク間の相互作用の検出およびプロモーターアッセイを行なっている。 In carrying out the present invention, in the patent (US Pat. No. 5,670,356) and non-patent paper (PNAS (2002) vol.99 No.24 pp3105-3110), the protein protein in the cell using the mammalian two-hybrid system. Reference can be made to the detection method and the promoter assay method. This is a fusion protein expression vector of genes known to cause interactions (MyoD gene and Id gene) and yeast GAL4 DNA binding domain or herpes simplex virus VP16 activation domain, and five GAL4 binding regions The contained luciferase expression vector is introduced into the cells. Protein interaction detection and promoter assay are performed using the principle that the expression level of luciferase increases when the target genes (MyoD gene and Id gene) interact with each other.
また、非特許論文(PNAS (2002) vol.99 No.24 pp15608-15613)における、スプリットルシフェラーゼを用いた細胞内でのタンパク間の相互作用の検出法およびプロモーターアッセイ方法も参照することができる。これはルシフェラーゼ遺伝子をN末側とC末側に分けて、それぞれ相互作用を引き起こすことが知られている遺伝子(MyoD遺伝子およびId遺伝子)との融合タンパクをつくり細胞に発現させる。ルシフェラーゼはN末側もしくはC末側のみの状態では酵素活性を持たないため発光は検出されないが、融合した遺伝子同士(MyoD遺伝子とId遺伝子)の結合があるとルシフェラーゼのN末側とC末側も結合して酵素活性をもつようになるという原理を利用してタンパク間の相互作用の検出およびプロモーターアッセイを行なっている。 In addition, a non-patent paper (PNAS (2002) vol.99 No.24 pp15608-15613) can also be referred to a method for detecting an interaction between proteins in a cell and a promoter assay method using split luciferase. This divides the luciferase gene into an N-terminal side and a C-terminal side, and creates a fusion protein with genes (MyoD gene and Id gene) that are known to cause interaction and expresses them in cells. Luciferase has no enzymatic activity in the N-terminal or C-terminal state only, so no luminescence is detected. However, if there is a bond between the fused genes (MyoD gene and Id gene), the N-terminal side and C-terminal side of luciferase Are used to detect interactions between proteins and to perform promoter assays using the principle that they also bind and have enzyme activity.
[A.態様4における語句の定義]
<特定の細胞で発現する遺伝子のプロモーター領域>
態様4における特定の細胞で発現する遺伝子のプロモーター領域としては、例えば神経細胞特異的な遺伝子、あるいはグリア細胞特異的な遺伝子のプロモーターが挙げられる。
[A. Definition of terms in aspect 4]
<Promoter region of gene expressed in specific cells>
Examples of the promoter region of a gene expressed in a specific cell in
態様4で用いられる神経細胞特異的な遺伝子のプロモーターとしては、例えば、NSE(neuron-specific enolase)遺伝子のプロモーター領域が挙げられる。また、態様4で用いられるグリア細胞特異的な遺伝子のプロモーターとしては、例えば、GFAP(glial fibrillary acidic protein)遺伝子のプロモーター領域が挙げられるまた、態様4で用いられるプロモーターとしては、前記プロモーターの任意の動物種の対応物も含まれる。ここでプロモーター領域とは、プロモーター活性を有するために必要な最小の塩基配列を含む任意の領域を意味する。例えば、該遺伝子の転写部位に対して上流500から4000塩基の領域の一部または全部を用いることができる。
Examples of the promoter for a neuron-specific gene used in
<刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域>
態様4における刺激により発現が誘導される遺伝子プロモーター領域としては、最初期遺伝子のプロモーターが挙げられる。態様4で用いられる最初期遺伝子のプロモーターとしては、例えば、c-fosプロモーター領域が挙げられる。また、態様4で用いられるプロモーターとしては、前記プロモーターの任意の動物種の対応物も含まれる。ここでプロモーター領域とは、プロモーター活性を有するために必要な最小の塩基配列を含む任意の領域を意味する。例えば、該遺伝子の転写部位に対して上流500から2000塩基の領域の一部または全部を用いることができる。
<Promoter region of a gene whose expression is induced by stimulation>
Examples of the gene promoter region whose expression is induced by stimulation in
<レポーター遺伝子>
態様4におけるレポーター遺伝子は、検出可能な蛍光を発するレポータータンパク質をコードする遺伝子を意味する。例えば、蛍もしくはウミシイタケなどに由来するルシフェラーゼを挙げることができる。さらには、例えば、βガラクトシダーゼをコードする遺伝子、アルカリホスファターゼをコードする遺伝子を挙げることができる。
<Reporter gene>
The reporter gene in
<物質>
態様4に使用される物質とは、自然界に存在する天然の物質あるいは人工的に調製される任意の物質を意味する。具体的には、例えば、化学的に合成された任意の化合物を挙げることができる。該化合物の種類および分子量などについては特に限定されない。該物質がタンパク質、またはペプチドである場合には、生体組織や細胞から単離されるもの、および遺伝子組換えや化学的合成により調製されるものも含まれる。さらにまた、それらの化学修飾体も含まれる。
<Substance>
The substance used in the
<光学イメージング>
態様4における光学イメージングとは、レポーター遺伝子を導入した細胞において、レポーター遺伝子により発せられる検出可能なシグナルの存在、不在または強度をモニタリング、記録および分析するイメージング方法を意味する。光学イメージングを達成するためには、レポーター遺伝子により発せられるシグナルの強度が、シグナルを細胞の外部から分析することができるように、十分に高くなくてはならない。光学イメージングは自動化に容易に適用可能であることから、多数の遺伝子発現を同時にモニタリングするのに用いることができる。なお、イメージングした試料画像の任意の位置について、時系列に2次元または3次元に画像情報を処理する技術は、本出願人による特願2004−172156、特願2004−178254等を参照してもよい。蛍光観察と発光観察における時系列な画像取得の違いは、発光観察が励起光による光学的走査(レーザスキャン)を必要としない点で余計な光による影響が無い点にある。態様4で行うイメージング技術によれば、リアルタイムに発光画像を撮像できる。
<Optical imaging>
The optical imaging in the
B.遺伝子発現の光学イメージング方法
<遺伝子発現ベクターの作製>
動物細胞を用いる場合、発現ベクターは少なくともプロモーター、開始コドン、目的のタンパク質をコードするDNA、終止コドンを含んでいることが好ましい。また、シグナルペプチドをコードするDNA、エンハンサー配列、該タンパク質をコードする遺伝子の5'側および3'側の非翻訳領域、スプライシング接合部、ポリA付加シグナル、選択マーカー領域または複製可能単位などを含んでいてもよい。
B. Optical imaging method for gene expression <Production of gene expression vector>
When using animal cells, the expression vector preferably contains at least a promoter, a start codon, DNA encoding the protein of interest, and a stop codon. Also includes DNA encoding signal peptide, enhancer sequence, 5 'and 3' untranslated regions of gene encoding the protein, splicing junction, poly A addition signal, selectable marker region or replicable unit, etc. You may go out.
<細胞への遺伝子導入方法>
遺伝子を細胞へ導入する方法としては、塩化カルシウム法または塩化カルシウム/塩化ルビジウム法、リポフェクション法、エレクトロポレーション法などが挙げられる。態様4で使用される遺伝子導入した細胞には一過性発現細胞あるいは安定発現細胞のいずれもが含まれる。
<Gene transfer method into cells>
Examples of methods for introducing genes into cells include calcium chloride method or calcium chloride / rubidium chloride method, lipofection method, electroporation method and the like. The gene-introduced cell used in
<刺激による遺伝子発現の光学イメージング>
態様4は例えば、下記のように実施することが出来る。
<Optical imaging of gene expression by stimulation>
For example,
N末側ルシフェラーゼ(NLuc)遺伝子(アミノ酸番号1−416)とマウスのId遺伝子(アミノ酸番号29−148)との融合遺伝子(NLuc-Id遺伝子)、およびC末側ルシフェラーゼ(CLuc)遺伝子(アミノ酸番号398−550)とマウスのMyoD遺伝子(アミノ酸番号1−318)との融合遺伝子(MyoD-CLuc遺伝子)を作製する。図14に示すように、細胞内で発現したNLuc-Id遺伝子中のId遺伝子部位とMyoD-CLuc遺伝子中のMyoD遺伝子部位とが相互作用して結合すると、NLuc遺伝子とCLuc遺伝子とが結合し検出可能なシグナルを発する。 N-terminal luciferase (NLuc) gene (amino acid numbers 1-416) and mouse Id gene (amino acid numbers 29-148) fusion gene (NLuc-Id gene), and C-terminal luciferase (CLuc) gene (amino acid number) 398-550) and a mouse MyoD gene (amino acid numbers 1-318) are prepared (MyoD-CLuc gene). As shown in FIG. 14, when the Id gene site in the NLuc-Id gene expressed in the cell and the MyoD gene site in the MyoD-CLuc gene interact and bind to each other, the NLuc gene and the CLuc gene bind and detect. Emits possible signals.
さらに、物質を細胞に接触させる刺激により発現が誘導される最初期遺伝子のプロモーター領域(例えば、c-fos遺伝子のプロモーター領域)に発現可能に連結されたNLuc-Id遺伝子とともに細胞特異的な発現をする遺伝子のプロモーター領域(例えば、神経細胞を観察したい場合には神経細胞特異的に発現するNSE(neuron-specific enolase)遺伝子のプロモーター領域を用い、グリア細胞を観察したい場合にはグリア細胞特異的に発現するGFAP(glial fibrillary acidic protein)遺伝子のプロモーター領域を用いる)に発現可能に連結されたMyoD-CLuc遺伝子を従来の遺伝子導入方法を用いて混合培養した複数の細胞種からなる細胞群(例えば、神経細胞とグリア細胞との混合培養)に導入する。または、最初期遺伝子のプロモーター領域(例えば、c-fos遺伝子のプロモーター領域)に発現可能に連結されたMyoD-CLuc遺伝子とともに細胞特異的な発現をする遺伝子のプロモーター領域(例えば、神経細胞を観察したい場合には神経細胞特異的に発現するNSE(neuron-specific enolase)遺伝子のプロモーター領域を用い、グリア細胞を観察したい場合にはグリア細胞特異的に発現するGFAP(glial fibrillary acidic protein)遺伝子のプロモーター領域を用いる)に発現可能に連結されたNLuc-Id遺伝子を従来の遺伝子導入方法を用いて混合培養した複数の細胞種からなる細胞群(例えば神経細胞とグリア細胞との混合培養)に導入する。 In addition, cell-specific expression is performed together with the NLuc-Id gene operably linked to the promoter region of the early gene (for example, the promoter region of the c-fos gene) whose expression is induced by stimulation with the substance contacting the cell. If you want to observe neurons, use the promoter region of the NSE (neuron-specific enolase) gene that is expressed specifically in nerve cells. If you want to observe glial cells, A cell group consisting of a plurality of cell types obtained by mixing and culturing MyoD-CLuc gene operably linked to a GFAP (glial fibrillary acidic protein) gene expressed using a conventional gene transfer method (for example, Introduced into a mixed culture of nerve cells and glial cells). Alternatively, the promoter region of a gene that expresses cell-specifically together with the MyoD-CLuc gene operably linked to the promoter region of the earliest gene (for example, the promoter region of the c-fos gene) In some cases, the NSE (neuron-specific enolase) gene promoter region that is expressed specifically in nerve cells is used. To observe glial cells, the GFAP (glial fibrillary acidic protein) gene promoter region that is specifically expressed in glial cells The NLuc-Id gene operably linked to the cell group (for example, a mixed culture of nerve cells and glial cells) is introduced into the cell group consisting of a plurality of cell types mixed and cultured using a conventional gene transfer method.
遺伝子導入された細胞の定数(例えば、1〜1×109個、好ましくは1×103〜1×106個)は所望の細胞培養が可能な器具(例えば、シャーレ、多数のウェルを有するマルチプレートなど)を用いて所望の栄養培地(例えば、D-MEM培地など)中で培養する。この定数の細胞からなる試料を、あらかじめ細胞にとって最適な温度(例えば、25〜37℃、好ましくは35〜37℃)に保温し、試料の乾燥を防ぐため水を注入して保湿した発光顕微鏡の培養装置部に設置し、該発光顕微鏡の試料観察部にある対物レンズを通してデジタルカメラで発光イメージを記録する。前記の試料に、細胞に接触させて刺激を行なうための物質(例えば、化合物)を所望の濃度(例えば、1pM〜1M、好ましくは100nM〜1mM)で加えて、所望の時間間隔(例えば5分間〜5時間、好ましくは10分間〜1時間)で発光イメージを記録する。図15に示すように、NLuc-Id遺伝子(もしくはMyoD-CLuc遺伝子)が発現している特定の細胞Bにおいて、物質を細胞に接触させる刺激によりMyoD-CLuc遺伝子(もしくはNLuc-Id遺伝子)の発現が誘導されたときにルシフェラーゼの酵素活性が増強し検出可能なシグナルを発するようになる。一方、該物質を細胞に接触させる刺激によりMyoD-CLuc遺伝子(もしくはNLuc-Id遺伝子)のみの発現が誘導された細胞Aでは検出可能なシグナルを発しない。記録した画像は市販の画像解析ソフト(例えば、MetaMorph;ユニバーサルイメージング社製など)を用いて画像内の所望の領域における輝度値を取得する。さらに、発光イメージと同視野において明視野イメージを記録し、前記の画像解析ソフトを用いて発光イメージと明視野イメージを重ね合わせて、発光している細胞を同定する。 The number of cells into which the gene has been introduced (for example, 1 to 1 × 10 9 cells, preferably 1 × 10 3 to 1 × 10 6 cells) can be used for a desired cell culture (for example, petri dish, multiple wells) In a desired nutrient medium (for example, D-MEM medium) using a multiplate or the like. A sample of this constant number of cells is preliminarily kept at a temperature optimum for the cells (for example, 25 to 37 ° C., preferably 35 to 37 ° C.) and water is injected to prevent the sample from being dried. A luminescent image is recorded by a digital camera through an objective lens in a sample observation section of the luminescence microscope that is installed in the culture apparatus. A substance (for example, a compound) for stimulating by contacting cells is added to the sample at a desired concentration (for example, 1 pM to 1 M, preferably 100 nM to 1 mM), and a desired time interval (for example, 5 minutes) is added. -5 hours, preferably 10 minutes to 1 hour). As shown in FIG. 15, in a specific cell B in which the NLuc-Id gene (or MyoD-CLuc gene) is expressed, the expression of the MyoD-CLuc gene (or NLuc-Id gene) by stimulation with contacting the substance with the cell When is induced, the enzyme activity of luciferase is enhanced and a detectable signal is emitted. On the other hand, no detectable signal is emitted in cell A in which the expression of only the MyoD-CLuc gene (or NLuc-Id gene) has been induced by the stimulation of contacting the substance with the cell. The recorded image uses a commercially available image analysis software (for example, MetaMorph; manufactured by Universal Imaging Co., Ltd.) to obtain a luminance value in a desired area in the image. Furthermore, a bright field image is recorded in the same field as the luminescent image, and the luminescent image and the bright field image are superimposed using the image analysis software described above to identify the luminescent cells.
この応用例に関する上記実施形態の説明によれば、態様4は次に示すような各付記項に表現される発明であると理解できる。
[付記項17]
特定細胞において遺伝子発現を解析する方法であって、
特定の細胞で発現する遺伝子のプロモーター領域に発現可能に連結された不完全なレポーター遺伝子を細胞へ導入する工程と、
ある物質を細胞へ接触させる刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域に発現可能に連結された不完全なレポーター遺伝子を細胞へ導入する工程と、
細胞を生存し続けられる状態で維持する工程と、
細胞に前記の物質を接触させて刺激を行なう工程と、
刺激を行なった各細胞において発現した前記の不完全なレポーター遺伝子同士が結合することによって生ずる検出可能なシグナルを光学イメージングする工程と、
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの量を高いS/N比で、定量的に決定する工程と、
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルが検出された細胞を同定する工程を含む、特定細胞において遺伝子発現を解析する方法。
[付記項18]
前記の特定の細胞で発現する遺伝子のプロモーター領域が神経細胞特異的に発現する遺伝子のプロモーター領域である付記項17に記載の方法。
[付記項19]
前記の神経細胞特異的に発現する遺伝子がNSE(neuron-specific enolase)遺伝子である付記項18に記載の方法。
[付記項20]
前記の特定の細胞で発現する遺伝子のプロモーター領域がグリア細胞特異的に発現する遺伝子のプロモーター領域である付記項17に記載の方法。
[付記項21]
前記のグリア細胞特異的に発現する遺伝子がGFAP(glial fibrillary acidic protein)遺伝子である付記項17に記載の方法。
[付記項22]
前記の刺激により発現が誘導されるプロモーター領域が最初期遺伝子のプロモーター領域である付記項17に記載の方法。
[付記項23]
前記の最初期遺伝子がヒト由来のc-fos遺伝子である付記項22に記載の方法。
[付記項24]
前記の不完全なレポーター遺伝子が発光タンパク質の遺伝子配列の一部を含む付記項17に記載の方法。
[付記項25]
前記の発光タンパク質が蛍由来のルシフェラーゼである付記項24に記載の方法。
[付記項26]
前記の発光タンパク質がウミシイタケ由来のルシフェラーゼである付記項24に記載の方法。
[付記項27]
前記のプロモーター領域に発現可能に連結された前記の不完全なレポーター遺伝子を細胞へ導入する付記項17に記載の方法。
[付記項28]
前記の細胞へ接触させる物質がGタンパク質共役型受容体のリガンドである付記項17に記載の方法。
[付記項29]
前記の細胞へ接触させる物質が血清である付記項17に記載の方法。
[付記項30]
前記の不完全なレポーター遺伝子同士が結合して生ずるシグナルを光学イメージングすることを特徴とする付記項17に記載の方法。
[付記項31]
前記の光学イメージングにおいて発光顕微鏡で撮像することを特徴とする付記項30に記載の方法。
[付記項32]
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの強度を輝度値に変換することを特徴とする付記項17に記載の方法。
[付記項33]
前記の細胞において発光顕微鏡で明視野像を撮像することを特徴とする付記項17に記載の方法。
[付記項34]
前記のレポーター遺伝子が生ずるシグナルの光学イメージング像と細胞の明視野像を重ね合わせてシグナルを生じている細胞を同定することを特徴とする付記項17に記載の方法。
According to the description of the above-described embodiment regarding this application example, it can be understood that the
[Additional Item 17]
A method of analyzing gene expression in specific cells,
Introducing into the cell an incomplete reporter gene operably linked to a promoter region of a gene expressed in a specific cell;
Introducing into the cell an incomplete reporter gene operably linked to the promoter region of the gene whose expression is induced by the stimulus of contacting a substance with the cell;
Maintaining the cells in a state where they can continue to survive;
A step of stimulating cells by contacting the substance with the substance,
Optically imaging a detectable signal generated by binding of the incomplete reporter genes expressed in each stimulated cell;
Quantitatively determining the amount of signal generated by the reporter gene at a high S / N ratio;
A method for analyzing gene expression in a specific cell, comprising a step of identifying a cell in which a signal generated by the reporter gene is detected.
[Additional Item 18]
[Appendix 19]
Item 19. The method according to
[Appendix 20]
[Appendix 21]
[Appendix 22]
[Additional Item 23]
Item 22. The method according to Item 22, wherein the earliest gene is a human-derived c-fos gene.
[Appendix 24]
[Appendix 25]
Item 25. The method according to
[Appendix 26]
Item 25. The method according to
[Appendix 27]
[Appendix 28]
[Appendix 29]
[Appendix 30]
[Appendix 31]
Item 31. The method according to Item 30, wherein imaging is performed with a light emission microscope in the optical imaging.
[Appendix 32]
[Additional Item 33]
[Additional Item 34]
[態様5]細胞の表面に発現させルシフェラーゼ活性を検出する方法
[態様5の技術分野]
この態様5は、本発明において、タンパク質の細胞外への分泌または、細胞表面への発現を解析する方法に関する。より具体的には、発光顕微鏡などを用いた解析法で、疎水性アミノ酸に富む配列から予測したシグナルペプチドや膜貫通ドメインをルシフェラーゼを用いた融合タンパク質コードする遺伝子をレポーターとし、細胞の表面に発現させルシフェラーゼ活性を検出する方法に関する。
[Aspect 5] Method for detecting luciferase activity expressed on the surface of a cell [Technical field of aspect 5]
This
[背景となる技術]
ヒトを含め多細胞動物では、個体の構築・維持のための細胞間コミュニケーションや細胞外環境造成が必要である。そのために、細胞は莫大な種類のタンパク質を、小胞体-ゴルジ装置という細胞内小器官を介して細胞外に分泌する。例えばホルモンなどの分泌型水溶性タンパク質は細胞膜を通り抜けて細胞外に分泌されるし、膜タンパク質は細胞膜などの適切な膜に組み込まれる。分泌タンパク質は、N末端に「分泌シグナルペプチド」と呼ばれる配列を持っている。シグナルペプチドは、細胞質のリボソームで最初に翻訳されるや否や、これを認識する分子群によって、小胞体の膜のチャンネル(穴)に挿入され、続いて合成されるタンパク質本体部分を通過させつつ、自身は切断、破棄される。シグナルペプチドは、疎水性アミノ酸に富む配列であり、これを高確率で予測できるプログラムがある。
[Background technology]
In multicellular animals including humans, it is necessary to establish intercellular communication and extracellular environment for the construction and maintenance of individuals. For this purpose, cells secrete a huge variety of proteins out of the cell through an organelle called the endoplasmic reticulum-Golgi apparatus. For example, secretory water-soluble proteins such as hormones are secreted outside the cell through the cell membrane, and the membrane protein is incorporated into an appropriate membrane such as a cell membrane. Secreted proteins have a sequence called “secreted signal peptide” at the N-terminus. As soon as the signal peptide is first translated in the cytoplasmic ribosome, it is inserted into a channel (hole) in the membrane of the endoplasmic reticulum by a group of molecules that recognize it, and then passes through the protein body part that is synthesized, It is disconnected and destroyed. The signal peptide is a sequence rich in hydrophobic amino acids, and there is a program that can predict this with high probability.
例えば、任意のアミノ酸配列に対してシグナルペプチドの有無とその領域を判別する技術がある。その判別アルゴリズムの概要は、各アミノ酸に固有の疎水性指標・負電荷指標を用いて、入力されたアミノ酸配列のなかのある閾値を越えて平均疎水性値が高く、かつ負電荷残基を含まない領域を探索し、それらのうち最もN末端に近い領域をシグナルペプチドの候補領域とする。次に、候補領域のうち平均疎水性値が最大の位置、ここからN末端側に直近の正電荷残基の位置(ない場合はN末端)を用いて、シグナルペプチドの判別領域を設定する。この判別領域は、候補領域とは一致しない場合が多い。判別領域を構成するアミノ酸に、新規に発明したシグナルペプチド判別のための2つの指標SS-index、SP-indexを割り振る。これらの値と候補領域の位置情報とを考慮に入れた判別式から、候補領域がシグナルペプチドであるか否かを判別する。また、SOSUIsignalという予測プログラムは、3つのドメイン構造のアミノ酸配列に見られる物理化学的特徴に着目したもので、その予測システムは、疎水性の高いセグメント検出、シグナルアンカーを含むシグナル配列の予測、シグナルアンカーとシグナルペプチドの判別という3つのモジュールからなる。これら、シグナルペプチドを検出することで、(1) プロテオーム情報解析、ゲノム計画の進展により明らかになった、新規な遺伝子・タンパク質の機能推定、(2) バイオインフォマティクス・コンピュータを用いた大量の生物情報の処理、(3) ゲノム創薬、シグナルペプチドを用いた、リゾチームやホルモン剤などのタンパク質製剤の生産技術向上といった用途の利用がある。 For example, there is a technique for discriminating the presence and the region of a signal peptide with respect to an arbitrary amino acid sequence. The outline of the discrimination algorithm is that the average hydrophobicity value exceeds a certain threshold in the input amino acid sequence and includes negatively charged residues using the hydrophobicity index and negative charge index unique to each amino acid. A region that is not present is searched, and the region closest to the N-terminal is used as a candidate region for the signal peptide. Next, the discrimination region of the signal peptide is set using the position having the maximum average hydrophobicity value in the candidate region, and the position of the positively charged residue closest to the N-terminal side (N-terminal in the absence). This discrimination area often does not match the candidate area. Two indices SS-index and SP-index for discriminating the newly invented signal peptide are allocated to amino acids constituting the discrimination region. Whether or not the candidate region is a signal peptide is determined from a discriminant that takes these values and position information of the candidate region into consideration. The SOSUIsignal prediction program focuses on the physicochemical characteristics found in the amino acid sequences of the three domain structures. Its prediction system detects highly hydrophobic segments, predicts signal sequences including signal anchors, signals It consists of three modules: discrimination between anchor and signal peptide. By detecting these signal peptides, (1) analysis of proteome information, estimation of new gene / protein functions revealed by the progress of genome planning, and (2) a large amount of biological information using bioinformatics computers , (3) Genome drug discovery, and use of signal peptides to improve production technology for protein preparations such as lysozyme and hormones.
また、生体防御においてサイトカインは免疫応答・炎症・造血反応などの生体防御などに重要な役割を果たしており、新たなサイトカインあるいは、サイトカイン様の生理活性タンパク質遺伝子を探索し、構造と機能の解明をすることは、疾患の原因解明や治療への応用からも非常に重要である。さらに培養上清中に目的タンパク質を分泌することができれば、精製を容易にすることができ、宿主細胞での組換え型タンパク質生産量を大幅に増大させることが可能となり、サイトカインをはじめとする種々の組換え型タンパク質製剤のコストダウンが実現するようになる。 In addition, cytokines play an important role in biological defenses such as immune responses, inflammation, and hematopoietic reactions, and search for new cytokines or cytokine-like bioactive protein genes to elucidate their structures and functions. This is also very important for elucidating the cause of the disease and applying it to treatment. Furthermore, if the target protein can be secreted into the culture supernatant, purification can be facilitated and the production of recombinant protein in the host cell can be greatly increased. The cost reduction of the recombinant protein preparation will be realized.
[上記背景から生じる課題]
これらのシグナルペプチドの予測や機能は、最終的に細胞を用いて検証する。従来の方法として、ジーントラップ法は、プロモーターを欠いたレポーター遺伝子を目的の細胞に導入し、染色体上で活性化されているプロモーターの下流に挿入された時のレポーター活性により内在性の遺伝子発現を同定するものである。例えば、レポーターは、β-balactosidase(β-gal)と(hygromycin (Hyg.) phosphotransferaseの融合遺伝子で、この遺伝子が翻訳されレポータータンパク質が合成され細胞内にとどまればβ-gal活性が発現してX-gal存在化に細胞質に青染される領域が出現するが、ER側に入るとその活性は失われる。レポータの上流に疎水性の膜貫通領域を組み込みβ-gal活性を指標にシグナル配列をコードする遺伝子を選択する。これらシグナル配列をターゲットとしたジーントラップ法により軟骨細胞に特異的な分泌型および膜表面タンパク質の同定が可能である(Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol.92, pp.6592-6596)。しかしながら、シグナルペプチドが存在するとβ-balactosidase活性がなくなるため、フォールスポジティブが多くなりまた検出感度も良く無いといった問題点がある。
[Problems arising from the above background]
The prediction and function of these signal peptides are finally verified using cells. As a conventional method, the gene trap method introduces a reporter gene lacking a promoter into a target cell and suppresses endogenous gene expression by the reporter activity when inserted downstream of the promoter activated on the chromosome. To identify. For example, the reporter is a fusion gene of β-balactosidase (β-gal) and (hygromycin (Hyg.) Phosphotransferase. If this gene is translated and the reporter protein is synthesized and stays in the cell, β-gal activity is expressed and X A region that is stained blue in the cytoplasm appears in the presence of -gal, but its activity is lost when entering the ER side, a hydrophobic transmembrane region is incorporated upstream of the reporter, and a signal sequence is defined using β-gal activity as an indicator. The gene to be encoded can be selected and the secretory type and membrane surface protein specific to chondrocytes can be identified by the gene trap method targeting these signal sequences (Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol. 92, pp.6592-6596) However, in the presence of a signal peptide, β-balactosidase activity is lost, so there are problems that false positives increase and detection sensitivity is not good.
また、蛍光タンパク質や、ルシフェラーゼなどの生物発光を用いた方法として、遺伝子をトランスフェクション後の培養上清を集め、その培養上清中の蛍光タンパク質の蛍光や、ルシフェラーゼ活性による発光を検出することで未知の分泌タンパク質の同定を行っている。しかしながら、培養上清を集めるため、感度が低くなりまたどの細胞から分泌されたかや、発現の強弱を細胞レベルで計測することが出来ないといった問題点があった。 In addition, as a method using bioluminescence such as fluorescent protein and luciferase, the culture supernatant after gene transfection is collected, and fluorescence of the fluorescent protein in the culture supernatant and luminescence due to luciferase activity are detected. We are identifying unknown secreted proteins. However, since the culture supernatant is collected, there is a problem that the sensitivity becomes low, the cell is secreted, and the intensity of expression cannot be measured at the cell level.
ここで、蛍光タンパク質を用いた従来技術では、励起光照射による細胞への光毒性について考慮されておらず、細胞を生存し続けられる状態で維持するという点について対応することが出来ない。よって、この点に着目し、励起光を照射する必要が無いため細胞に傷害が少ない、生物発光を用いた単一細胞での遺伝子発現解析方法を提供することが課題となる。また、蛍光タンパク質を用いた従来技術では、励起光自身や細胞内物質の自家蛍光によるバックグラウンドについて考慮されておらず、レポーター遺伝子が生ずるシグナルの量を高いS/N比で、定量的に決定するという点について対応することが出来ない。よって、励起光が必要なく比較的バックグランドが少ない発光タンパクを利用する、生物発光を用いた単一細胞での遺伝子発現解析方法を提供することも課題となる。 Here, in the prior art using a fluorescent protein, the phototoxicity to cells by irradiation with excitation light is not considered, and it is not possible to cope with the point of maintaining cells in a state where they can continue to survive. Therefore, paying attention to this point, it is an object to provide a method for analyzing gene expression in a single cell using bioluminescence, in which there is no need to irradiate excitation light, and thus there is little damage to cells. In addition, the conventional technology using fluorescent proteins does not consider the background of excitation light itself or autofluorescence of intracellular substances, and quantitatively determines the amount of signal generated by the reporter gene with a high S / N ratio. I cannot cope with the point of doing. Therefore, it is also an object to provide a method for analyzing gene expression in a single cell using bioluminescence, which uses a photoprotein that does not require excitation light and has a relatively low background.
また、免疫染色法による観察では、細胞を固定出来ず生細胞の状態で染色しなければならず、接着性の細胞では、プレートから細胞がはがれたり、洗浄操作が伴うため、時間と労力がかかるといった問題がある。さらに、細胞表面への発現を観察するうえで、従来GFPなどに膜貫通ドメインを融合したタンパク質で観察する方法が試みられてきたが、細胞外へ発現したかの判断が困難である。また、フォールスポジティブ(false positive)が多いという問題がある。具体的にGFPのC末端にCD40の187アミノ酸からC末端までの膜貫通ドメインを含む融合タンパク質をトランスフェクションした。この融合タンパク質を発現したHela細胞を4℃の環境で抗GFP抗体(sigma)と2次抗体として抗mouse-IgG-Cy3 (sigma)で免疫染色して観察した。すると、免疫染色でシグナルペプチドが無いにもかかわらず細胞表面に発現している細胞が観察された(図16)。 In addition, in the observation by immunostaining method, the cells cannot be fixed and must be stained in the state of living cells, and in the case of adhesive cells, it takes time and labor because the cells are peeled off from the plate or accompanied by a washing operation. There is a problem. Furthermore, when observing the expression on the cell surface, a method of observing with a protein in which a transmembrane domain is fused to GFP or the like has been attempted, but it is difficult to determine whether it is expressed outside the cell. There is also a problem that there are many false positives. Specifically, a fusion protein containing a transmembrane domain from 187 amino acids to the C terminus of CD40 was transfected into the C terminus of GFP. Hela cells expressing this fusion protein were observed by immunostaining with anti-GFP antibody (sigma) and anti-mouse-IgG-Cy3 (sigma) as a secondary antibody in an environment of 4 ° C. Then, cells expressed on the cell surface were observed despite the absence of signal peptide by immunostaining (FIG. 16).
さらに、発光タンパク質を用いた従来技術では、レポーター遺伝子が生ずるシグナルを単一細胞において観察することについて考慮されておらず、レポーター遺伝子が生ずる検出可能なシグナルを光学イメージングするという点について対応することが出来ない。よって、この点に着目し、レポーター遺伝子が生ずるシグナルを発している細胞が同定出来るように発光顕微鏡で撮像する、生物発光を用いた単一細胞での遺伝子発現解析方法を提供することが態様5の課題となる。 Furthermore, in the prior art using a photoprotein, it is not considered to observe a signal generated by a reporter gene in a single cell, and it is possible to cope with optical imaging of a detectable signal generated by a reporter gene. I can't. Therefore, focusing on this point, it is possible to provide a method for analyzing gene expression in a single cell using bioluminescence, in which imaging is performed with a luminescence microscope so that cells emitting a signal generated by a reporter gene can be identified. It becomes a problem.
[上記課題を解決する手段と作用効果について]
1.従来技術では上記のように、シグナルペプチド検出に関連した従来の分析方法は何れも、 β-balactosidase活性を用いる方法では細胞1つずつのシグナルペプチドの有無を観察することが出来るが、小胞体内にターゲティングされているのは解るが細胞外へ放出されるかどうかは直接解らないし β-balactosidase活性を指標にしているため感度が低いといった問題点がある。また、細胞からGFPやルシフェリンの分泌された培養上清を測定する方法では、直接細胞を観察出来ず測定する培養液全体の情報しか解らず感度を上げるためには、培養上清を濃縮しなければならないといった問題点がある。
[Means and effects for solving the above problems]
1. In the prior art, as described above, any of the conventional analysis methods related to signal peptide detection can observe the presence or absence of a signal peptide for each cell in the method using β-balactosidase activity. However, it is not directly known whether it is released to the outside of the cell, and it has the problem of low sensitivity because it uses β-balactosidase activity as an index. In addition, in the method of measuring the culture supernatant in which GFP or luciferin is secreted from the cells, the culture supernatant must be concentrated in order to increase the sensitivity because it is not possible to directly observe the cells and only the information of the whole culture medium to be measured is known. There is a problem that must be.
態様5は、細胞外への分泌などの測定にレポーターを細胞外の膜に留めることで高感度に検出することが可能である。すなわち生物発光を観察する遺伝子例えばルシフェラーゼで基質が細胞内にほとんど入らない物を用い、解析したいシグナルペプチドのC末へつなげ、さらにそのC末に細胞表面にとどまる既知のタンパク質をつなげたレポーター遺伝子を構築し、発光顕微鏡で観察することでシグナルペプチドの作用を高感度に個々の情報を得ることが可能である。
GPIアンカーの生合成については、次のように要約される。第一段階はUDP-/ N/-アセチルグルコサミンからホスファチジルイノシトールへの、/ N/-アセチルグルコサミンの転移である。生成物である/N/-アセチルグルコサミン-ホスファチジルイノシトールは次に脱アセチル化され、グルコサミ ン-ホスファチジルイノシトールが生成する。この反応によって、GPIに非常に特異的なアセチル化されていないグルコサミンが生成される。 哺乳動物細胞のGPIアンカー生合成変異株の研究により、グルコサミン-ホスファチジルイノシトールの生合成には、少なくとも三つの遺伝子が含まれることが示された。 コア構造として保存される三つのマンノースの鎖を形成するマンノースの付加は、GDP-マンノースから活 性化されたマンノースのドリコールマンノースリン酸への転移による、疎水性のドナーの形成によって起こる。 次に、エタノールアミンリン酸が3番目(コアグリカンの還元末端から数えて)のマンノースに、疎水 的ドナーであるホスファチジルエタノールアミンによって付加され 、このようにして保存的なコアグリカンの生合成が完結する。 The biosynthesis of GPI anchors can be summarized as follows. The first step is the transfer of / N / -acetylglucosamine from UDP- / N / -acetylglucosamine to phosphatidylinositol. The product / N / -acetylglucosamine-phosphatidylinositol is then deacetylated to produce glucosamine-phosphatidylinositol. This reaction produces unacetylated glucosamine that is very specific for GPI. Studies of GPI-anchored biosynthetic mutants of mammalian cells have shown that glucosamine-phosphatidylinositol biosynthesis involves at least three genes. Addition of mannose, which forms three mannose chains conserved as a core structure, occurs by the formation of a hydrophobic donor by the transfer of GDP-mannose to activated mannose to dolichol mannose phosphate. Next, ethanolamine phosphate is added to the third mannose (counted from the reducing end of the core glycan) by the hydrophobic donor phosphatidylethanolamine, thus completing the conservative core glycan biosynthesis.
小胞体の内腔側で起こるトランスアミダーゼ反応は、タンパク質が小胞体膜の適切な位置に挿入されるとすぐに開始される。前駆体タンパク鎖が小胞体膜を貫通することが、続いて起こるGPIアンカー化に必要で ある。この反応それ自身はタンパク質のC末端が切断され、エタノールアミンリン酸のアミノ基を介して、GPIア ンカーによって置換されるアミノ基転移タイプの反応である。GPIアンカー化されるタンパク質は、小胞体の内腔側にあるGPI-トランスアミダーゼと相互作用する。この酵素は、C末端側に伸びている疎水的なアミノ酸 鎖を認識する。このアミノ酸鎖は一時的に膜貫通領域として働くと仮定され、このアミノ酸鎖のトランスアミダーゼによる切断で 生じた新たなC末端アミノ酸に、あらかじめ生成されていたGPIアンカーが付着する。 The transamidase reaction that occurs on the luminal side of the endoplasmic reticulum is initiated as soon as the protein is inserted into the appropriate location in the endoplasmic reticulum membrane. It is necessary for the subsequent GPI anchoring that the precursor protein chain penetrates the endoplasmic reticulum membrane. This reaction itself is a transamination type reaction in which the C-terminal of the protein is cleaved and replaced by a GPI anchor through the amino group of ethanolamine phosphate. GPI-anchored proteins interact with GPI-transamidase on the lumen side of the endoplasmic reticulum. This enzyme recognizes a hydrophobic amino acid chain extending to the C-terminal side. This amino acid chain is assumed to temporarily function as a transmembrane region, and a previously generated GPI anchor is attached to a new C-terminal amino acid generated by transamidase cleavage of this amino acid chain.
タンパク質が結合したGPIの最も明らかとなっている機能は、通常細胞外環境に向かう形で細胞膜の外側に、膜に対して安定した構造で特定のタンパク質を局在化させることである。このことは、なぜこのタンパク質が、膜貫通領域を介してつなぎ止められるタンパク質とは異なり、GPIアンカー化されているのかという一般的な理由であろう。GPIアンカー化されることによる主な 利点の一つは、細胞外部への機能を有する表面タンパク質の、細胞質からの物理的隔離であり、これによって細胞内部を保護することである。GPIは、膜貫通型タンパク質では考えられないような極端に高い密度で表面分子を集合することを可能とし、このことによって敵対する環境からの完全な隔離を可能にしている。このような細胞表面にとどまる既知のタンパク質をGPIアンカー型を用いることで特異性を上げることが可能となる。 The most obvious function of a protein-bound GPI is to localize a specific protein outside the cell membrane, usually toward the extracellular environment, with a stable structure to the membrane. This may be a general reason why this protein is GPI-anchored, unlike proteins that are tethered through the transmembrane region. One of the main advantages of being GPI-anchored is the physical sequestration of the surface protein that functions outside the cell from the cytoplasm, thereby protecting the inside of the cell. GPI makes it possible to assemble surface molecules at an extremely high density that is unthinkable for transmembrane proteins, thereby allowing complete isolation from the hostile environment. Specificity can be increased by using a GPI anchor type for such a known protein remaining on the cell surface.
また、既知のシグナルペプチドのC末へつなげ、さらにそのC末に解析したい細胞表面にとどまるタンパク質をつなげたレポーター遺伝子を構築し、発光顕微鏡で観察することで膜貫通ドメインやGPIアンカー型の作用を高感度に個々の情報を得ることが可能である。細胞個々の情報を高感度に観察することが可能なため、同一容器内で異なるシグナルペプチドや膜貫通ドメインかどうかを同時に解析出来、試料の必要量の低減、反応容器数の低減が可能で検査の簡便化出来る。 In addition, a reporter gene that connects to the C terminus of a known signal peptide, and a protein that remains on the cell surface to be analyzed is constructed at the C terminus, and the action of the transmembrane domain and GPI anchor type is observed by observing with a light emission microscope. It is possible to obtain individual information with high sensitivity. Since it is possible to observe individual cell information with high sensitivity, it is possible to simultaneously analyze whether different signal peptides or transmembrane domains in the same container, and it is possible to reduce the required amount of sample and the number of reaction containers. Can be simplified.
[実施の態様]
ウミシイタケのLuciferase遺伝子のN末にラットのneurotrophin-3 (NT-3)のシグナルペプチド部分- MSILFYVIFLAYLRGI- をつなげたもの(sig pep-Luci-GPI)とつなげないもの(Luci-GPI)にそれぞれC末端にヒトThy-1 のN末端から117(Ser)-161番(Leu)の部分をつなげた融合タンパク質を発現する遺伝子を構築した。
[Aspect]
The N-terminus of the Renilla Luciferase gene connected to the rat neurotrophin-3 (NT-3) signal peptide part-MSILFYVIFLAYLRGI- (sig pep-Luci-GPI) and the one not connected (Luci-GPI) to the C-terminus In addition, a gene expressing a fusion protein was constructed in which a portion of human Thy-1 from the N-terminus to 117 (Ser) -161 (Leu) was connected.
まず、トランスフェクション前日、35mmのカルチャーディシュに5×105 cells/mlの濃度で2ml(10% FBSを含むD-MEM培地)まき、5%CO2環境下37℃で培養した。翌日pDNA3.1発現ベクターにsig pep-Luci-GPIまたはLuci-GPI遺伝子を挿入したプラスミドをHela細胞にLipofectamine2000(Invitrogen)を用いてトランスフェクションした。トランスフェクション後24-48時間10% FBSを含むD-MEM培地で5%CO2環境下37℃で培養した。 First, the day before transfection, 2 ml (D-MEM medium containing 10% FBS) was seeded at a concentration of 5 × 10 5 cells / ml in a 35 mm culture dish and cultured at 37 ° C. in a 5% CO 2 environment. On the next day, a plasmid in which the sig pep-Luci-GPI or Luci-GPI gene was inserted into the pDNA3.1 expression vector was transfected into Hela cells using Lipofectamine 2000 (Invitrogen). 24 to 48 hours after transfection, the cells were cultured in D-MEM medium containing 10% FBS at 37 ° C. in a 5% CO 2 environment.
計測は、細胞をHANKSで洗浄し、0.5mlのD-MEM培地にRenilla Luciferase Assay Substrate (100×) (Promega)を5μl加え、発光顕微鏡を用いて観察した(図17、図18参照)。測定条件は、明視野画像を撮像した後に、発光画像を露光時間5分、対物倍率20倍で撮像した。図17−1に示すように、明視野観察による画像(図の左側)に対応する発光観察した画像(図の右側)において、sig pep-Luci-GPIは有意な発光が認められた。これに対して、図17−2に示すように、明視野観察による画像(図の左側)に対応する発光観察した画像(図の右側)において、シグナルペプチドの無いLuci-GPIは、ほとんど発光が認められなかった。 For the measurement, the cells were washed with HANKS, 5 μl of Renilla Luciferase Assay Substrate (100 ×) (Promega) was added to 0.5 ml of D-MEM medium, and observed using a luminescence microscope (see FIGS. 17 and 18). The measurement conditions were that after taking a bright field image, a luminescence image was taken with an exposure time of 5 minutes and an objective magnification of 20 times. As shown in FIG. 17A, sig pep-Luci-GPI showed significant luminescence in the image observed on the luminescence (right side of the figure) corresponding to the image by bright field observation (left side of the figure). On the other hand, as shown in FIG. 17-2, in the luminescence observed image (right side of the figure) corresponding to the bright field observation image (left side of the figure), Luci-GPI without the signal peptide emits almost luminescence. I was not able to admit.
遺伝子の発現は、Renilla Luciferase Assay System (Promega)のプロとコールに従い、細胞を溶解してLuminescencer-JNRII (ATTO)ルミノメーターで測定した(図18参照)。測定時間は10秒間でsig pep-Luci-GPI、Luci-GPIともに発光が測定され、ルシフェラーゼの発現に問題が無いことを確認した。 The expression of the gene was measured with a Luminescencer-JNRII (ATTO) luminometer after lysing the cells according to the pro and call of Renilla Luciferase Assay System (Promega) (see FIG. 18). The measurement time was 10 seconds, and luminescence was measured for both sig pep-Luci-GPI and Luci-GPI, and it was confirmed that there was no problem in the expression of luciferase.
[A.語句の定義]
<レポーター遺伝子>
態様5におけるレポーター遺伝子は、検出可能な蛍光を発するレポータータンパク質をコードする遺伝子を意味する。例えば、蛍もしくはウミシイタケなどに由来するルシフェラーゼを挙げることができる。さらには、例えば、βガラクトシダーゼをコードする遺伝子、アルカリホスファターゼをコードする遺伝子を挙げることができる。
[A. Definition of words]
<Reporter gene>
The reporter gene in
<刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域>
態様5におけるプロモーター領域としては、最初期遺伝子のプロモーターが挙げられる。
<Promoter region of a gene whose expression is induced by stimulation>
Examples of the promoter region in
態様5で用いられる最初期遺伝子のプロモーターとしては、例えば、c-fosプロモーター領域が挙げられる。また、態様5で用いられるプロモーターとしては、前記プロモーターの任意の動物種の対応物も含まれる。ここでプロモーター領域とは、プロモーター活性を有するために必要な最小の塩基配列を含む任意の領域を意味する。例えば、該遺伝子の転写部位に対して上流500から2000塩基の領域の一部または全部を用いることができる。
Examples of the promoter of the earliest gene used in
<物質>
下記に説明する発明において使用される「物質」とは、自然界に存在する天然の物質あるいは人工的に調製される任意の物質を意味する。具体的には、例えば、化学的に合成された任意の化合物を挙げることができる。該化合物の種類および分子量などについては特に限定されない。該物質がタンパク質、またはペプチドである場合には、生体組織や細胞から単離されるもの、および遺伝子組換えや化学的合成により調製されるものも含まれる。さらにまた、それらの化学修飾体も含まれる。
<Substance>
The “substance” used in the invention described below means a natural substance existing in nature or any substance prepared artificially. Specifically, for example, any compound synthesized chemically can be mentioned. The type and molecular weight of the compound are not particularly limited. When the substance is a protein or peptide, those isolated from living tissues and cells and those prepared by genetic recombination or chemical synthesis are also included. Furthermore, those chemical modifications are also included.
<遺伝子発現ベクターの作製>
動物細胞を用いる場合、発現ベクターは少なくともプロモーター、開始コドン、目的のタンパク質をコードするDNA、終止コドンを含んでいることが好ましい。また、シグナルペプチドをコードするDNA、エンハンサー配列、該タンパク質をコードする遺伝子の5'側および3'側の非翻訳領域、スプライシング接合部、ポリA付加シグナル、選択マーカー領域または複製可能単位などを含んでいてもよい。
<Production of gene expression vector>
When using animal cells, the expression vector preferably contains at least a promoter, a start codon, DNA encoding the protein of interest, and a stop codon. Also includes DNA encoding signal peptide, enhancer sequence, 5 'and 3' untranslated regions of gene encoding the protein, splicing junction, poly A addition signal, selectable marker region or replicable unit, etc. You may go out.
<細胞への遺伝子導入方法>
遺伝子を細胞へ導入する方法としては、塩化カルシウム法または塩化カルシウム/塩化ルビジウム法、リポフェクション法、エレクトロポレーション法などが挙げられる。態様5で使用される遺伝子導入した細胞には一過性発現細胞あるいは安定発現細胞のいずれもが含まれる。
<Gene transfer method into cells>
Examples of methods for introducing genes into cells include calcium chloride method or calcium chloride / rubidium chloride method, lipofection method, electroporation method and the like. The gene-introduced cell used in
<刺激による遺伝子発現の光学イメージング>
態様5は例えば、下記のように実施することが出来る。
<Optical imaging of gene expression by stimulation>
For example, the
細胞の定数(例えば、該物質を細胞に接触させる刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域(好ましくは、c-fos遺伝子のプロモーター領域)に発現可能に連結されたレポーター遺伝子(好ましくは蛍もしくはウミシイタケなどに由来するルシフェラーゼ)を前記の遺伝子導入方法を用いて細胞に導入する。得られた前記の遺伝子導入された細胞の定数(例えば、1〜1×109個、好ましくは1×103〜1×106個)を所望の細胞培養が可能な器具(例えば、シャーレ、多数のウェルを有するマルチプレートなど)を用いて所望の栄養培地(例えば、D-MEM培地など)中で培養する。この定数の細胞からなる試料を、あらかじめ細胞にとって最適な温度(例えば、25〜37℃、好ましくは35〜37℃)に保温し、試料の乾燥を防ぐため水を注入して保湿した発光顕微鏡の培養装置部に設置し、該発光顕微鏡の試料観察部にある対物レンズを通してデジタルカメラで発光イメージを記録する。前記の試料に、細胞に接触させて刺激を行なうための物質(例えば、化合物)を所望の濃度(例えば、1pM〜1M、好ましくは100nM〜1mM)で加えて、所望の時間間隔(例えば5分間〜5時間、好ましくは10分間〜1時間)で発光イメージを記録する。記録した画像を市販の画像解析ソフト(例えば、MetaMorph;ユニバーサルイメージング社製など)を用いて画像内の所望の領域における輝度値を取得する。さらに、発光イメージと同視野において明視野イメージを記録し、前記の画像解析ソフトを用いて発光イメージと明視野イメージを重ね合わせて、発光している細胞を同定する。 A reporter gene (preferably a firefly or a firefly The luciferase derived from Renilla, etc. is introduced into the cells using the above-described gene introduction method, and constants of the obtained cells into which the genes have been introduced (for example, 1 to 1 × 10 9 cells, preferably 1 × 10 3). ˜1 × 10 6 ) are cultured in a desired nutrient medium (eg, D-MEM medium) using an apparatus capable of culturing the desired cell (eg, petri dish, multi-plate having many wells). The sample consisting of this constant number of cells is preliminarily kept at a temperature optimum for the cells (for example, 25 to 37 ° C., preferably 35 to 37 ° C.), and water is injected to prevent the sample from drying. A light emitting image is recorded with a digital camera through an objective lens in a sample observation part of the light emission microscope, which is placed in a culture device part of a wet light emission microscope. For example, a compound) is added at a desired concentration (eg, 1 pM to 1 M, preferably 100 nM to 1 mM), and a luminescence image is recorded at a desired time interval (eg, 5 minutes to 5 hours, preferably 10 minutes to 1 hour). The brightness value in a desired area in the image is acquired from the recorded image using commercially available image analysis software (for example, MetaMorph; manufactured by Universal Imaging Co., Ltd.). Record and superimpose the luminescent image and the bright field image using the image analysis software described above to identify the luminescent cells.
<光学イメージング>
態様5における光学イメージングとは、レポーター遺伝子を導入した細胞において、レポーター遺伝子により発せられる検出可能なシグナルの存在、不在または強度をモニタリング、記録および分析するイメージング方法を意味する。光学イメージングを達成するためには、レポーター遺伝子により発せられるシグナルの強度が、シグナルを細胞の外部から分析することができるように、十分に高くなくてはならない。光学イメージングは自動化に容易に適用可能であることから、多数の遺伝子発現を同時にモニタリングするのに用いることができる。なお、イメージングした試料画像の任意の位置について、時系列に2次元または3次元に画像情報を処理する技術は、本出願人による特願2004−172156、特願2004−178254等を参照してもよい。蛍光観察と発光観察における時系列な画像取得の違いは、発光観察が励起光による光学的走査(レーザスキャン)を必要としない点で余計な光による影響が無い点にある。態様5で行うイメージング技術によれば、リアルタイムに発光画像を撮像できる。態様5の方法では特に、上述したような発光顕微鏡を使用することにより、発光画像による解析を実現することが可能となった。
<Optical imaging>
The optical imaging in the
[付記項1]
疎水性アミノ酸に富む配列から予測したシグナルペプチドを検出する方法であって、N末から開始コドン、解析対象のシグナルペプチド、発光関連遺伝子、既知の膜貫通ドメイン、終止コドンの順でタンパク質をコードしているDNA構築物であって、DNA構築物を検査用細胞に遺伝子導入し、コードする遺伝子が転写・翻訳されタンパク分子が細胞外の表面にとどまる行程と、
細胞表面に発現したタンパク分子の発光活性を発光顕微鏡で検出する行程と、測定結果を解析する行程と、上記の反応を生じせしめる反応溶液及び反応容器と、これらの細胞を観察し解析し細胞の情報からシグナルペプチドを決定することの出来る方法を具備した方法。
[付記項2]
疎水性アミノ酸に富む配列から予測した膜貫通ドメインを検出する方法であって、N末から開始コドン、既知のシグナルペプチド、発光関連遺伝子、解析対象の膜貫通ドメイン、終止コドンの順でタンパク質をコードしているDNA構築物であって、DNA構築物を検査用細胞に遺伝子導入し、コードする遺伝子が転写・翻訳されタンパク分子が細胞外の表面にとどまる行程と、
細胞表面に発現したタンパク分子の発光活性を発光顕微鏡で検出する行程と、測定結果を解析する行程と、上記の反応を生じせしめる反応溶液及び反応容器と、これらの細胞を観察し解析し細胞の情報から膜貫通ドメインを決定することの出来る方法を具備した方法。
[付記項3]
上記1の方法において、少なくとも一つのシグナルペプチドの塩基配列が異なるDNA構築物が含まれたDNA構築物を同時に導入した細胞を同一容器に培養し、同一容器内で他種類の発光活性を同時に解析する方法。
[付記項4]
上記1の方法において、細胞表面への発現にGPIアンカー型を用いることで膜貫通ドメインによる擬陽性を開眼することを可能にした検出法。
[付記項5]
上記1または2の方法において基質が細胞内へ入りづらい物を用いることで、細胞内と細胞外に発現したレポーター分子を識別することを可能とした検出法。
[付記項6]
上記方法におけるシグナルシーケンスまたは、膜貫通ドメインのスクリーニング法。
[付記項7]
上記方法における分泌量を検出する方法。
[Additional Item 1]
A method of detecting a signal peptide predicted from a sequence rich in hydrophobic amino acids, encoding a protein in the order of N-terminal to start codon, signal peptide to be analyzed, luminescence-related gene, known transmembrane domain, and stop codon. A process in which the DNA construct is introduced into a test cell, the encoded gene is transcribed and translated, and the protein molecule remains on the extracellular surface;
The process of detecting the luminescence activity of protein molecules expressed on the cell surface with a luminescence microscope, the process of analyzing the measurement results, the reaction solution and the reaction vessel that cause the above reaction, and observing and analyzing these cells A method comprising a method capable of determining a signal peptide from information.
[Additional Item 2]
A method for detecting a transmembrane domain predicted from a sequence rich in hydrophobic amino acids, encoding a protein in the order of N-terminal to start codon, known signal peptide, luminescence-related gene, transmembrane domain to be analyzed, and stop codon A process in which the DNA construct is introduced into a test cell, the encoded gene is transcribed and translated, and the protein molecule remains on the extracellular surface;
The process of detecting the luminescence activity of protein molecules expressed on the cell surface with a luminescence microscope, the process of analyzing the measurement results, the reaction solution and the reaction vessel that cause the above reaction, and observing and analyzing these cells A method comprising a method capable of determining a transmembrane domain from information.
[Additional Item 3]
A method of culturing cells simultaneously introduced with a DNA construct containing a DNA construct having a different base sequence of at least one signal peptide in the same container in the
[Additional Item 4]
A detection method according to the
[Additional Item 5]
3. A detection method that makes it possible to discriminate between a reporter molecule expressed inside and outside a cell by using a substance in which the substrate does not easily enter the cell in the
[Additional Item 6]
The signal sequence in the said method or the screening method of a transmembrane domain.
[Additional Item 7]
A method for detecting the amount of secretion in the above method.
[態様6]テトラサイクリンによる遺伝子発現誘導
単一細胞での経時的なレポーターアッセイの例を説明する。
[Aspect 6] Induction of gene expression by tetracycline An example of a reporter assay over time in a single cell will be described.
このレポーターアッセイでは、まず、テトラサイクリン・リプレッサー(TetR)を恒常的に発現させるベクター「pcDNA6/TR(インビトロジェン社製)」と、テトラサイクリン・オペレータ(TetO2)をもつ発現ベクター「pcDNA4/TO(インビトロジェン社製)」にルシフェラーゼ遺伝子をつなげたプラスミドとをHeLa細胞に共発現させて標本を作製する。この状態では、TetRホモダイマーがTetO2領域に結合しているため、ルシフェラーゼ遺伝子の転写は抑制される。つぎに、培養液中にテトラサイクリンを添加してTetRホモダイマーに結合させ、TetRホモダイマーの立体構造を変化させることによって、TetO2からTetRホモダイマーを分離させ、ルシフェラーゼ遺伝子の転写を誘導する。なお、培養液は10mMのHEPESを含むD−MEM培地であり、1mMのルシフェリンを含む。対物レンズおよび結像レンズとして用いたレンズの例としては、それぞれ「Oil、20倍、NA0.8」および「5倍、NA0.13」の仕様である市販の顕微鏡用対物レンズであり、倍率Mgに対応する総合倍率は4倍である。カメラC1として用いたカメラは、5℃冷却の顕微鏡用デジタルカメラ「DP30BW(オリンパス社製)」であり、CCD3としてのCCD素子は、2/3インチ型、画素数1360×1024、画素サイズ6μm角である。
In this reporter assay, first, a vector “pcDNA6 / TR (manufactured by Invitrogen)” that constantly expresses tetracycline repressor (TetR) and an expression vector “pcDNA4 / TO (Invitrogen) having a tetracycline operator (TetO2)” are used. And a luciferase gene-linked plasmid are co-expressed in HeLa cells to prepare a specimen. In this state, since the TetR homodimer is bound to the TetO2 region, transcription of the luciferase gene is suppressed. Next, tetracycline is added to the culture solution to bind to the TetR homodimer, and by changing the three-dimensional structure of the TetR homodimer, the TetR homodimer is separated from TetO2 to induce transcription of the luciferase gene. The culture solution is a D-MEM medium containing 10 mM HEPES and contains 1 mM luciferin. Examples of the lens used as the objective lens and the imaging lens are commercially available objective lenses for microscopes having specifications of “Oil, 20 ×, NA 0.8” and “5 ×, NA 0.13”, respectively, and the magnification Mg The total magnification corresponding to is 4 times. The camera used as the camera C1 is a digital camera “DP30BW (manufactured by Olympus)” cooled at 5 ° C., and the CCD element as the
テトラサイクリンを添加してから所定時間後、例えば9時間後の標本の自己発光による像を適宜の間隔(例えば1分間)により露光して撮像し、添加後0時間、2時間、4時間、6時間、8時間、10時間経過後の観察画像を示すことができる。観察画像上で指定した複数の部分領域(例えば4つの部分領域ROI−1,ROI−2、ROI−3、ROI−4ごとに、ルシフェラーゼ遺伝子の発光強度の経時変化を測定した結果により、発光するルシフェラーゼ遺伝子の位置を特定して経時的(ないし時系列)に追跡し、発光現象の経時変化を測定することができる。 A predetermined time after the addition of tetracycline, for example, 9 hours later, a self-luminous image of the specimen is exposed and imaged at appropriate intervals (for example, 1 minute), and 0 hours, 2 hours, 4 hours, and 6 hours after addition Observation images after 8 hours and 10 hours can be shown. A plurality of partial regions designated on the observation image (for example, for each of the four partial regions ROI-1, ROI-2, ROI-3, ROI-4, light is emitted based on the result of measuring the change in luminescence intensity of the luciferase gene over time. The position of the luciferase gene can be specified and traced over time (or time series), and the change in the luminescence phenomenon over time can be measured.
[態様7]HSP70B遺伝子プロモーターアッセイ
HSP70B(Heat shock Protein70B)は、熱、毒性物質、酸素不足などの環境因子によって発現が誘導されるストレスタンパク質であり、HSPは分子シャペロンとして細胞の機能調節に寄与するだけではなく、細胞内情報伝達物質としても注目されている。そこで、この実施例でレポーターアッセイに用いたのは、pGL3-Basic Vector(プロメガ社)にHSP70Bプロモーター配列を導入したベクターである。このベクターを導入した細胞に、熱ショックなどのストレスを与えると、熱ショック因子がHSP70Bプロモーター部分に結合し、転写が開始される。ガラスボトムディッシュにて培養したHeLa細胞に前記ベクターをリポフェクション法によりトランスフェクションを行った。一晩培養後、1mM Luciferinを加え、熱刺激(43℃60分)後にて、発光顕微鏡内にて30分ごと20時間タイムラプス計測を行った。培地は、D-MEM5%FCS-10mM HEPESを用いた。はじめに明視野観察にて、細胞の形状および位置情報を得た後、発光画像を取得した。対物レンズは20倍レンズを用いて、露出時間は5分であった。
[Aspect 7] HSP70B gene promoter assay
HSP70B (Heat shock Protein70B) is a stress protein whose expression is induced by environmental factors such as heat, toxic substances, and oxygen deficiency. HSP not only contributes to the regulation of cell functions as a molecular chaperone, but also transmits intracellular information. It is also attracting attention as a substance. Therefore, the vector used in the reporter assay in this example was a vector in which the HSP70B promoter sequence was introduced into pGL3-Basic Vector (Promega). When stress such as heat shock is applied to the cells into which this vector has been introduced, the heat shock factor binds to the HSP70B promoter portion and transcription is initiated. HeLa cells cultured in a glass bottom dish were transfected with the vector by the lipofection method. After overnight culture, 1 mM Luciferin was added, and after heat stimulation (43 ° C., 60 minutes), time-lapse measurement was performed every 30 minutes in a luminescence microscope for 20 hours. As the medium, D-MEM5% FCS-10 mM HEPES was used. First, after obtaining the cell shape and position information by bright field observation, a luminescence image was obtained. The objective lens was a 20x lens, and the exposure time was 5 minutes.
発光画像と明視野画像とを重ね合わせた画像について、関心ある1個の細胞が入る領域(ROI)を5箇所設定して、データ数値化・平均値のプロットを行った。結果、Heat shock後、10−15時間の時点でプロモーター活性が最も高かったが、5細胞間においてプロモーター活性の上昇率や活性上昇まで要する時間にかなりの開きがあった。従来のルミノメーターでの観察においては、ある一定の細胞数をまとめて解析しているため、トランスフェクション効率および細胞間の違いなどは平均化されている。しかし、実際には、トランスフェクションされていない細胞も多く混在しており、また細胞によって発現の強弱などの違いも見られた。発光顕微鏡で、1細胞毎のデータを測定する事が可能となれば、トランスフェクション効率の違い、細胞周期による影響を考慮し解析を行うことができる。 For the image obtained by superimposing the luminescent image and the bright field image, five regions (ROI) where one cell of interest enters were set, and the data was digitized and the average value was plotted. As a result, the promoter activity was highest at 10-15 hours after the heat shock, but there was a considerable difference in the rate of increase of the promoter activity and the time required for the activity increase among the 5 cells. In the observation with a conventional luminometer, since a certain number of cells are analyzed together, transfection efficiency, differences between cells, and the like are averaged. In reality, however, many untransfected cells were also present, and there were differences in expression depending on the cells. If data for each cell can be measured with a luminescence microscope, the analysis can be performed in consideration of the difference in transfection efficiency and the influence of the cell cycle.
[態様8]細胞内局在の観察
細胞内でのオルガネラへの局在の観察を行った。HeLa細胞に、核、小胞体、細胞膜へ局在させるためのシグナル配列を導入したpGL3ベクターをトランスフェクションし、一晩培養後、1mM LuciferinをD-MEM5%FCS-10mM HEPES培地に加えて発光顕微鏡により観察を行った。明視野画像、発光画像、明視野と発光画像の重ね合わせを行った画像を示してある。核、小胞体、細胞膜、それぞれにおいて、目的の場所への局在が観察された。細胞内局在を検出可能であると、例えば、細胞に何らかの刺激を与えた際に細胞質から核への移行を観察することが可能となる。例えば、核内レセプターであるグルココルチコイドレセプターを発現させ、グルココルチコイドホルモンを処理した際の核移行などの検出などがあげられる。
[Aspect 8] Observation of intracellular localization Observation of intracellular localization in organelles was performed. HeLa cells were transfected with a pGL3 vector into which a signal sequence for localization to the nucleus, endoplasmic reticulum, and cell membrane was introduced. Was observed. A bright field image, a luminescent image, and an image obtained by superimposing the bright field and the luminescent image are shown. Localization to the target location was observed in each of the nucleus, endoplasmic reticulum, and cell membrane. If the intracellular localization can be detected, for example, it is possible to observe the transition from the cytoplasm to the nucleus when some stimulus is given to the cell. For example, detection of nuclear translocation or the like when a glucocorticoid receptor, which is an intranuclear receptor, is expressed and treated with a glucocorticoid hormone.
[態様9]異なる細胞間の相互作用の解析
従来行われてきた発光検出では、ルミノメーターにより平均化された発光量を計測していたが、発光顕微鏡によりイメージングを行うことで、異なる細胞間での相互作用の解析も可能となる。一例として、神経細胞とグリア細胞の解析が挙げられる。神経系は、主に神経細胞とグリア細胞の2種類の細胞で構成されており、神経細胞は電気的活動とシナプス結合を介して脳の情報処理に対して中心的な役割を果たしているが、グリア細胞にはそのような電気的活動性はなく、神経細胞の周囲を取り巻いて神経細胞の活動をサポートする役割をしていると考えられている。神経細胞の周囲にあるグリア細胞の果たす役割にはまだ解明されてない部分も多い。
[Aspect 9] Analysis of interaction between different cells In the conventional luminescence detection, the amount of luminescence averaged by a luminometer was measured. It is also possible to analyze the interaction. An example is analysis of nerve cells and glial cells. The nervous system is mainly composed of two types of cells: neurons and glial cells, which play a central role in brain information processing through electrical activity and synaptic connections. Glial cells do not have such electrical activity and are thought to play a role in supporting nerve cell activity by surrounding nerve cells. Many of the roles of glial cells around nerve cells have not been clarified yet.
[態様10]組織における発光レポーターアッセイ
細胞での発光レポーターアッセイだけではなく、対象として組織サンプルが挙げられる。例えば脳スライス組織を利用する事で、生物時計の座であり生物に昼と夜の違いをもたらす場所である視交叉上核において、細胞毎に異なる周期・位相などを捕らえる事が可能となる。
[Aspect 10] Luminescent reporter assay in tissue In addition to a luminescent reporter assay in cells, a target is a tissue sample. For example, by using a brain slice tissue, it is possible to capture different periods and phases for each cell in the suprachiasmatic nucleus, which is the place of a biological clock and brings a difference between day and night to the living thing.
本発明は上述した実施の形態に限定されず、次のような変更または改良が可能である。例えば、発光物質として遺伝子として機能する発光タンパク質を用いたが、遺伝子機能を持たない他の生物発光物質であってもよい。本発明では、好適には、生体試料(例えば細胞または組織)の生物学的活性にとって最小限の光マーカー物質を蓄積型の撮像装置により蓄積しながら画像化する工程を有する。この撮像工程により、蛍光解析のような、従来の走査型(スキャニング式)の高輝度解析では撮像不可能な微弱光による試料画像を取得するので、長期間、生体試料への光毒性ないし光ダメージを与えずに発光解析できる。ここにおいて、発光とは別な目的で、発光と同程度ないし半分未満の極低濃度の蛍光物質または化学発光物質を併用するようにしてもよい。また、単一の試料当りの総量を発光物質と蛍光物質とで所望の比率で分配するようにして、その発光総量が蓄積型の撮像にとって必要最小限であるように調整してもよい。また、細胞核と細胞質に対して発光波長がなるべく重ならないような2色以上の発光標識を別々に施すことにより、細胞認識を確実に行うようにしてもよい。細胞質を認識することにより同一細胞内の多様な画像化可能な成分(小核、多核、GPCR(G蛋白受容体)凝集体等)を他の細胞と確実に区別して正確に解析できる。また、細胞質以外にも細胞膜を特異的に標識するようにしてもよく、この場合には、上述した実施例3のような細胞質内の成分の解析に影響を与えることなく細胞を認識することが可能となる。なお、調べたい生物学的活性成分の分布領域ないし部位以外の部分であれば、蛍光標識(色素または融合蛋白)を標識に用いるようにすることにより、細胞の認識だけを確実に行うようにしてもよいが、この場合にも、適宜蛍光強度をなるべく最小限になるような蛍光標識ないし励起光に設定することにより間接的な悪影響を生じないようにするのが好ましい。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and the following changes or improvements are possible. For example, although a photoprotein that functions as a gene is used as a luminescent substance, another bioluminescent substance having no gene function may be used. The present invention preferably includes a step of imaging while accumulating with a storage-type imaging device a photomarker substance that is minimal for the biological activity of a biological sample (for example, a cell or tissue). This imaging process obtains sample images with weak light that cannot be imaged with conventional scanning (scanning) high-intensity analysis such as fluorescence analysis. Emission analysis can be performed without giving Here, for a purpose different from light emission, a fluorescent substance or chemiluminescent substance having an extremely low concentration that is comparable to or less than half of the light emission may be used in combination. Further, the total amount per single sample may be distributed between the luminescent material and the fluorescent material at a desired ratio, and the total amount of luminescence may be adjusted to be the minimum necessary for storage-type imaging. Alternatively, cell recognition may be performed reliably by separately providing two or more colors of luminescent labels that do not overlap the nuclei and cytoplasm as much as possible. By recognizing the cytoplasm, various imageable components (micronuclei, multinuclear, GPCR (G protein receptor) aggregates, etc.) in the same cell can be reliably distinguished from other cells and accurately analyzed. In addition to the cytoplasm, the cell membrane may be specifically labeled. In this case, the cell can be recognized without affecting the analysis of the components in the cytoplasm as in Example 3 described above. It becomes possible. In addition, if it is a part other than the distribution region or part of the biologically active ingredient to be examined, a fluorescent label (dye or fusion protein) is used for the label, so that only cell recognition is performed reliably. However, in this case as well, it is preferable not to cause an indirect adverse effect by appropriately setting the fluorescence label or excitation light so that the fluorescence intensity is minimized as much as possible.
また、本発明で使用可能な生物発光(または化学発光)の例として、特定の関心ある遺伝子領域のプロモーターの下流に連結したレポーター遺伝子としてルシフェラーゼ遺伝子を含むDNAが導入された細胞または組織が挙げられる。ルシフェラーゼをレポーターとして発現させた細胞または組織を用いることにより、所望の発現部位におけるルシフェラーゼ活性を検出することによって、転写の経時的変化を実時間で検出することが可能である。 Examples of bioluminescence (or chemiluminescence) that can be used in the present invention include cells or tissues into which DNA containing a luciferase gene has been introduced as a reporter gene linked downstream of a promoter of a specific gene region of interest. . By using a cell or tissue in which luciferase is expressed as a reporter, it is possible to detect changes in transcription over time by detecting luciferase activity at a desired expression site.
好ましい態様は、導入した発光遺伝子が末梢組織中でリズムを有するように発現される脊椎動物由来の細胞または組織である。末梢組織には、肝臓、肺、および骨格筋が含まれるが、これらに限定されることはない。これらの末梢組織は、7〜12時間の位相差でもって概日リズムを刻んでいることが報告されている。概日リズムの遅延パターンを示したことは、多器官から構成される複雑な哺乳動物の生物リズムの正常な協調性を反映したものと考えられる。 A preferred embodiment is a vertebrate cell or tissue in which the introduced luminescent gene is expressed in a rhythm in peripheral tissues. Peripheral tissues include, but are not limited to, liver, lung, and skeletal muscle. These peripheral tissues are reported to have a circadian rhythm with a phase difference of 7-12 hours. The delay pattern of circadian rhythm is thought to reflect the normal coordination of the biological rhythm of complex mammals composed of multiple organs.
これによれば、本発明により解析した情報が、概日リズムと関係のある時差ぼけまたは睡眠障害の機序を解明するため、ならびに概日リズム障害の治療に有用な化合物のスクリーニングおよび試験を目的として用いる哺乳動物モデルを開発するために有用であるといえる。 According to this, the information analyzed according to the present invention is intended to elucidate the mechanism of jet lag or sleep disorder related to circadian rhythm, and to screen and test compounds useful for the treatment of circadian rhythm disorder. It can be said that it is useful for developing a mammal model to be used as
また、レポーター遺伝子を発現する本発明のDNAを含む形質転換体またはトランスジェニック哺乳動物を用ると、種々の試験またはスクリーニングを行うことができる。さまざまな任意の条件下でこれらの組織または細胞におけるレポーター遺伝子の発現を検出することにより、レポーター遺伝子の発現を調節する刺激もしくは化合物の効果を評価すること、またはこれらをスクリーニングすることが可能である。刺激には温度、光、運動、および他のショックが含まれる。使用する化合物に制限はない。本発明は特に、本発明の形質転換体またはトランスジェニック哺乳動物に導入された時計遺伝子(例えばPeriod 1)のプロモーターによって誘導される発現を改変する化合物を、その形質転換体またはトランスジェニック哺乳動物を用いて試験またはスクリーニングする方法に適用可能である。 Moreover, various tests or screenings can be performed by using a transformant or a transgenic mammal containing the DNA of the present invention that expresses a reporter gene. By detecting reporter gene expression in these tissues or cells under a variety of arbitrary conditions, it is possible to assess or screen for the effects of stimuli or compounds that modulate reporter gene expression . Stimulation includes temperature, light, exercise, and other shocks. There are no restrictions on the compounds used. In particular, the present invention relates to a compound that modifies the expression induced by the promoter of a clock gene (for example, Period 1) introduced into the transformant or transgenic mammal of the present invention, and the transformant or transgenic mammal. It is applicable to the method of using or testing.
本発明の試験またはスクリーニングの方法としては、以下の方法が挙げられる。
方法(1):本発明の形質転換体における導入遺伝子の発現を改変する活性を有する化合物を試験またはスクリーニングする方法であって、(a)前記形質転換体を前記化合物で処理する段階;および(b)処理した形質転換体における前記導入遺伝子の発現を測定する段階、を含む方法。
方法(2):本発明の哺乳動物における導入遺伝子の発現を改変する活性を有する化合物を試験またはスクリーニングする方法であって、(a)前記哺乳動物を前記化合物で処理する段階;および(b)処理した哺乳動物における前記導入遺伝子の発現を測定する段階、を含む方法。
Examples of the test or screening method of the present invention include the following methods.
Method (1): A method for testing or screening a compound having an activity of altering the expression of a transgene in the transformant of the present invention, comprising: (a) treating the transformant with the compound; b) measuring the expression of the transgene in the treated transformant.
Method (2): A method for testing or screening a compound having an activity of altering transgene expression in a mammal of the present invention, comprising: (a) treating the mammal with the compound; and (b) Measuring the expression of the transgene in the treated mammal.
本発明の方法は、Period 1遺伝子の発現を調節する化合物をスクリーニングするために有用である。本方法はまた、概日リズム障害に対する医薬品をスクリーニングするためにも有用である。従って、上記の方法(1)、(2)に加えて、以下に挙げるスクリーニング法も本発明によって可能となる。
方法(3): 概日リズム睡眠障害の治療に有用な医薬品の試験またはスクリーニングの方法であって、(a)本発明の形質転換体またはトランスジェニック非ヒト哺乳動物をその医薬品で処置する段階;および (b)処置した形質転換体または哺乳動物におけるレポーター遺伝子の発現を測定する段階、を含む方法。
The method of the present invention is useful for screening compounds that modulate the expression of
Method (3): A method for testing or screening a pharmaceutical agent useful for the treatment of circadian rhythm sleep disorder, wherein (a) treating the transformant or transgenic non-human mammal of the present invention with the pharmaceutical agent; And (b) measuring the expression of a reporter gene in the treated transformant or mammal.
本発明の試験またはスクリーニングの方法に使用する化合物に特に制限はない。その例には、無機化合物、有機化合物、ペプチド、蛋白質、天然または合成性の低分子化合物、天然または合成性の高分子化合物、組織または細胞の抽出物、微生物の培養上清、植物または海洋生物に由来する天然成分などが含まれるが、これらに限定されることはない。遺伝子ライブラリーまたはcDNA発現ライブラリーなどの発現産物を使用してもよい。化合物による処置の方法に特に制限はない。インビトロでの処置は、例えば化合物を培養液に添加して細胞を化合物と接触させたり、微量注入またはトランスフェクション試薬を用いて化合物を細胞内に導入することなどにより実施しうる。インビボでの治療の方法には、動脈内注射、静脈内注射、皮下注射、または腹腔内注射;経口投与、経腸投与、筋肉内投与、または鼻腔内投与;眼への投与;注射もしくはカテーテルを介した脳内投与、脳室内投与、または末梢器官内投与などの、当業者に公知の方法が含まれる。化合物は適宜組成物として投与する。例えば、それを水、生理食塩水、緩衝液、塩、安定剤、保存剤、懸濁剤などと混合することができる。 There is no particular limitation on the compound used in the test or screening method of the present invention. Examples include inorganic compounds, organic compounds, peptides, proteins, natural or synthetic low molecular compounds, natural or synthetic high molecular compounds, tissue or cell extracts, microbial culture supernatants, plants or marine organisms. Natural ingredients derived from, etc. are included, but are not limited thereto. Expression products such as gene libraries or cDNA expression libraries may be used. There is no particular limitation on the method of treatment with the compound. In vitro treatment may be performed, for example, by adding the compound to the culture medium and contacting the cell with the compound, or introducing the compound into the cell using a microinjection or transfection reagent. Methods of treatment in vivo include intraarterial injection, intravenous injection, subcutaneous injection, or intraperitoneal injection; oral administration, enteral administration, intramuscular administration, or intranasal administration; ocular administration; injection or catheterization. Methods known to those skilled in the art, such as intracerebral administration, intraventricular administration, or peripheral organ administration, are included. The compound is suitably administered as a composition. For example, it can be mixed with water, saline, buffers, salts, stabilizers, preservatives, suspending agents and the like.
レポーター遺伝子の発現は、哺乳動物または細胞が生きたまま測定することもでき、細胞を可溶化した後に測定することもできる。例えば、生組織におけるルシフェラーゼ遺伝子の発現を測定するために、実施例に示すように光電子増倍管により、または本明細書に参照として組み入れられるヤマザキ(Yamazaki, S.)ら(Science、2000、288、682〜685)に記載された他の類似の検出器により、生物発光を連続的に測定することが可能である。可溶化した組織または細胞におけるルシフェラーゼ活性は、例えば、ルシフェラーゼレポーター二重アッセイ系(Dual-Luciferase Reporter Assay System)(Promega)などを使用して測定することができる。レポーター遺伝子の発現は、時間的または空間的に測定することができる。発現リズムの位相、振幅、および/または周期を検出することによって発現を分析することもできる。本発明の方法により、化合物の即時的または長期的な効果(位相変化を含む)の評価が可能となる。化合物の投与によってこれらの発現が改変されれば、その化合物はPeriod 1遺伝子の発現を調節する薬剤候補となる。このような化合物は、睡眠障害を含むさまざまな概日リズム障害に対する医薬品として適用されることが期待される。例えば、レポーター遺伝子の発現の振動をリセットまたは開始する薬剤は、ペースメーカの位相を後退または前進させると期待される。したがって、これらの薬剤は脱同調した発現パターンを正常な同調に導くために使用することができる。本発明によってスクリーニングされる医薬品は、薬剤の治療効果を評価するために、概日リズム障害モデルとなるように誘導した本発明のトランスジェニック哺乳動物に投与される。
Reporter gene expression can be measured while the mammal or cell is alive, or can be measured after solubilizing the cell. For example, to measure the expression of a luciferase gene in living tissue, Yamazaki, S. et al. (Science, 2000, 288) incorporated by reference as described herein with reference to photomultiplier tubes. 682-685), it is possible to measure bioluminescence continuously. The luciferase activity in solubilized tissue or cells can be measured using, for example, a Luciferase Reporter Assay System (Promega). Reporter gene expression can be measured temporally or spatially. Expression can also be analyzed by detecting the phase, amplitude, and / or period of the expression rhythm. The method of the present invention makes it possible to evaluate the immediate or long-term effects (including phase changes) of a compound. If these expressions are altered by administration of a compound, the compound becomes a drug candidate that regulates the expression of the
トランスジェニック哺乳動物における遺伝子の発現を検出する場合、測定する器官に特に制限はなく、これには視床下部のSCNを含む中枢神経系(CNS)および末梢神経系(PNS)、ならびに肝臓、肺、および骨格筋を非制限的に含む他の末梢組織が含まれる。本発明で開示する系は、SCNおよび末梢組織におけるPeriod 1発現の位相関係および同調機構を評価するために有用である。
When detecting gene expression in a transgenic mammal, the organ to be measured is not particularly limited, and this includes the central nervous system (CNS) and the peripheral nervous system (PNS) including the hypothalamic SCN, liver, lung, And other peripheral tissues including but not limited to skeletal muscle. The system disclosed in the present invention is useful for assessing the phase relationship and synchronization mechanism of
本発明の系は、Period 1の発現を調節すると推定される多くの因子を同定するために使用され得る。概日リズムと関係のある新規なインビボ因子および遺伝子が本発明の系を用いて同定されれば、これらの因子および遺伝子の発現のインビボでの振動を評価することができる。それにより、SCNおよび末梢組織の振動位相を制御する因子を単離することが可能である。これらは概日リズムに関与する新規な遺伝子および蛋白質であると考えられ、これらを標的として用いることにより、新規薬剤のスクリーニングが可能になると考えられる。このようなスクリーニングはインビボおよびインビトロのどちらでも行える。
The system of the present invention can be used to identify a number of factors presumed to modulate
具体的には、本発明のトランスジェニック哺乳動物を用いるインビボでのスクリーニング方法は以下の段階を含む方法(4)により達成される。
方法(4):(a)概日リズムが既に決定されているトランスジェニック哺乳動物に化合物を投与する段階;(b)トランスジェニック哺乳動物におけるレポーター遺伝子の発現レベルを定期的に検出し、発現リズムを検証する段階; (c)化合物の投与後のレポーター遺伝子の発現リズムを投与前のものと比較する段階;および(d)発現リズムの位相、周期、または振幅を改変する化合物を選択する段階。
Specifically, the in vivo screening method using the transgenic mammal of the present invention is achieved by the method (4) including the following steps.
Method (4): (a) administering a compound to a transgenic mammal whose circadian rhythm has already been determined; (b) periodically detecting the expression level of the reporter gene in the transgenic mammal, and expressing the rhythm (C) comparing the expression rhythm of the reporter gene after administration of the compound with that before administration; and (d) selecting a compound that alters the phase, period, or amplitude of the expression rhythm.
レポーター遺伝子の発現リズムは、生きた動物の体内でのレポーター遺伝子の発現リズムを検出する方法;切り出した組織を培養することによって発現の変動を連続的に観察する方法;または動物組織の抽出物を定期的に調製して、各時点での発現レベルを検出する方法によって検出可能である。例えば、適した方法(例えば、静脈内注射、腹腔内投与、脳室内投与など)により、適切なタイミングでトランスジェニック動物にルシフェリンを投与する。続いてこの動物を麻酔し、CCDカメラによってルシフェラーゼ発光を計測することにより、レポーター遺伝子の発現部位および発現レベルを決定する。個々の動物の発現リズムを確認するために、この測定を数時間毎に数回ずつ行う(Sweeney TJら、「生きた動物における腫瘍細胞クリアランスの可視化(Visualizing the kinetics of tumor-cell clearance in living animals)」、PNAS、1999、96、12044〜12049;およびContag PRら、「生きた哺乳動物における生物発光標識(Bioluminescent indicators in living mammals)」、Nature Medicine、1998、4、245〜247を参照のこと)。 The expression rhythm of the reporter gene can be determined by a method of detecting the expression rhythm of the reporter gene in the living animal body; a method of continuously observing expression fluctuations by culturing the excised tissue; or an extract of animal tissue It can be detected by a method that is prepared periodically and detects the expression level at each time point. For example, luciferin is administered to a transgenic animal at an appropriate timing by a suitable method (eg, intravenous injection, intraperitoneal administration, intraventricular administration, etc.). Subsequently, the animal is anesthetized, and the luciferase luminescence is measured by a CCD camera to determine the expression site and expression level of the reporter gene. This measurement is performed several times every few hours to confirm the expression rhythm of individual animals (Sweeney TJ et al., “Visualizing the kinetics of tumor-cell clearance in living animals ) ", PNAS, 1999, 96, 12044-12049; and Contag PR et al.," Bioluminescent indicators in living mammals ", Nature Medicine, 1998, 4, 245-247. ).
前記の通り、インビトロでも本発明を用いて新規薬剤のスクリーニングを行うことができる。このようなインビトロスクリーニング法は以下の段階を含む方法(5)により達成できる。
方法(5): (a)本発明の形質転換体、または本発明のトランスジェニック哺乳動物に由来する組織もしくは細胞を培養する段階; (b)形質転換体または組織もしくは細胞を適切な期間にわたって化合物で処理し、さらに培養を続ける段階; (c)レポーター遺伝子の発現レベルを定期的に検出する段階;および(d)(b)の処理後にレポーター遺伝子の発現リズム(位相、周期、および振幅)を改変する化合物を選択する段階。
As described above, a novel drug can be screened in vitro using the present invention. Such an in vitro screening method can be achieved by the method (5) including the following steps.
Method (5): (a) culturing a tissue or cell derived from the transformant of the present invention or the transgenic mammal of the present invention; (b) compound of the transformant or tissue or cell over an appropriate period of time; (C) a step of periodically detecting the expression level of the reporter gene; and (d) the expression rhythm (phase, cycle, and amplitude) of the reporter gene after the treatment of (b). Selecting a compound to be modified.
本明細書において、本発明の撮像すべき組織または細胞は、初代培養物または樹立細胞系の細胞であってもよい。本明細書で用いる組織、細胞などに制限はないが、脊椎動物におけるSCN、視床下辺縁細胞、末梢神経などが好ましい。化合物による処理は、例えば、化合物を添加しておいた溶媒中に組織、細胞などを一定期間、浸漬することによって行ってもよい。レポーター遺伝子の発現リズムの変化を測定する場合には、発現リズムがあらかじめ決定された同一の組織もしくは細胞、または化合物による処理を受けていない対照組織または細胞を用いた比較を行ってもよい。 As used herein, the tissue or cell to be imaged of the present invention may be a primary culture or an established cell line cell. Although there is no restriction | limiting in the tissue, cell, etc. which are used by this specification, SCN in a vertebrate, a hypothalamic margin cell, a peripheral nerve, etc. are preferable. The treatment with the compound may be performed, for example, by immersing tissues, cells, and the like for a certain period in a solvent to which the compound has been added. When measuring the change in the expression rhythm of the reporter gene, comparison may be performed using the same tissue or cell in which the expression rhythm has been determined in advance, or a control tissue or cell that has not been treated with the compound.
上記のインビボおよびインビトロのスクリーニング方法において、光刺激などの刺激処理を、化合物の投与または処理とともに行ってもよい。 In the in vivo and in vitro screening methods described above, stimulation treatment such as light stimulation may be performed together with administration or treatment of the compound.
本発明の試験またはスクリーニングの方法により同定された化合物は、所望の概日リズム疾患または障害に対する医薬品として用いることができる。これらの薬剤は、適宜薬学的に許容される担体、溶質、および溶媒と組み合わせることによって医薬組成物として製剤化することができる。本薬剤は、時差症候群、交代制勤務による睡眠障害、睡眠相後退症候群、および不規則性睡眠覚醒障害などの疾患または障害に対して適用することができる。 A compound identified by the test or screening method of the present invention can be used as a pharmaceutical agent for a desired circadian rhythm disease or disorder. These agents can be formulated as pharmaceutical compositions by appropriately combining with pharmaceutically acceptable carriers, solutes and solvents. The drug can be applied to diseases or disorders such as jet lag syndrome, sleep disorder due to shift work, sleep phase regression syndrome, and irregular sleep-wake disorder.
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