CN103083678A

CN103083678A - 在竞争性抑制剂保护下用针对氨基的活化聚乙二醇修饰尿酸酶的方法

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Publication number: CN103083678A
Application number: CN2011103361046A
Authority: CN
Inventors: 廖飞; 杨晓兰; 张纯; 刘红博; 高昂
Original assignee: Chongqing Medical University
Current assignee: Chongqing Medical University
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: CN103083678B

Abstract

一种在竞争性抑制剂保护下用针对氨基的活化聚乙二醇修饰尿酸酶的方法，其特征在于用黄嘌呤或氧嗪酸等竞争性抑制剂，在碱性硼酸盐或磷酸盐缓冲液中用针对氨基的活化聚乙二醇修饰尿酸酶，可用但不限于用聚乙二醇单甲醚的丁二酸活泼酯、聚乙二醇单甲醚的碳酸活泼酯、聚乙二醇单甲醚甲磺酸酯、聚乙二醇单甲醚醛；所用竞争性抑制剂浓度要达到其抑制常数1倍以上，所用活化聚乙二醇要达到待修饰尿酸酶中氨基摩尔总量的6倍以上才有明显保护作用；在竞争性抑制剂保护下聚乙二醇修饰后保留的尿酸酶活性可显著提高。

Description

在竞争性抑制剂保护下用针对氨基的活化聚乙二醇修饰尿酸酶的方法

发明的技术领域

本发明涉及用尿酸酶竞争性抑制剂结合在尿酸酶活性中心后，降低活性中心必须氨基或酚羟基同针对氨基的活化聚乙二醇反应活性，从而保护尿酸酶避免其在被聚乙二醇修饰时失活的方法；该方法主要用于制备聚乙二醇修饰的尿酸酶作为药用尿酸酶原料。

发明的技术背景

尿酸酶是治疗痛风、肿瘤溶解综合症的特效药物，并可用于慢性肾脏病治疗；尿酸酶的这类应用都需要将其进行聚乙二醇(PEG)修饰制剂，以降低其免疫原性并延长其体内循环半衰期。Pegloticase是猪尿酸酶重组体经mPEG_10k修饰制得，临床主要用于治疗顽固性痛风^[14]。

尿酸酶进行聚乙二醇修饰时常用活化聚乙二醇修饰其氨基(附图1)；为减少修饰异构体并尽可能完全修饰封闭其免疫原性位点，需用大量活化PEG针对其氨基完全修饰。这类活化PEG也可同尿酸酶的酚羟基反应；这种针对尿酸酶氨基的活化PEG修饰过程会造成尿酸酶活性下降，甚至完全失活。所以，如何提高PEG修饰后尿酸酶的活性是一个技术难题。

提高酶蛋白质PEG修饰后活性的关键是保护活性中心及附近氨基酸残基不被修饰。通过定点突变改造将可修饰的必须氨基酸残基改成不能反应的残基并保留活性，是避免修饰后尿酸酶活性下降的有效方法之一；但其技术难度大，而且不明确尿酸酶的结构功能关系时难以实施。曾报道对尿酸酶进行PEG修饰时用底物尿酸可提高修饰尿酸酶的活性；但修饰过程中尿酸酶作用下尿酸很快被消耗而失去保护作用。尿酸的竞争性抑制剂也结合在活性中心但不会被尿酸酶作用而消耗，故能更好保护尿酸酶避免针对氨基的活化PEG修饰时失活。

发明概述

本发明的核心思想是碱性条件下用针对氨基的活化PEG修饰尿酸酶时，用尿酸酶的带负电荷的竞争性抑制剂结合在尿酸酶的活性中心，改变活性中心及其附近必须氨基或酚羟基的构象或相互作用状态，使其同针对氨基的活化PEG的反应活性显著下降，从而降低必须氨基及酚羟基被这类针对氨基的活化PEG修饰的比例而避免该尿酸酶在活化PEG修饰过程中失活，提高所得PEG修饰尿酸酶相对于未修饰尿酸酶的活性比例。

本发明所述提高针对氨基的活化PEG修饰后尿酸酶活性的方法，可用于天然尿酸酶和重组表达的尿酸酶；应用中所需要的针对氨基的活化PEG，可参照文献方法自主合成，也可从国内的北京凯正生物工程发展有限责任公司(www.kaizhengbiotech.com)、北京键凯科技有限公司(http://www.jenkem.com/cn/)购买。本发明应用中的特征在于按如下步骤进行：

(一)、将各种方式活化可修饰氨基的聚乙二醇衍生物简称为活化聚乙二醇；按所用活化聚乙二醇平均分子量和质量计算所用活化聚乙二醇的摩尔量；按所用纯化尿酸酶的质量、亚基分子量及其每个亚基中所含来自赖氨酸残基的氨基和N端氨基数量计算单位质量的尿酸酶中氨基的摩尔量；

(二)、将浓度在0.01～0.20mol/L且pH在7.5～9.5间的硼酸钠缓冲液或浓度在0.01～0.20mol/L且pH在7.0～8.5间磷酸钠缓冲液，在2度到25度之间恒温5到30分钟；当所用缓冲液体积很大时搅拌缓冲液以快速达到所需温度；如用活化的聚乙二醇羧酸酯，如丁二酸衍生物酯，则缓冲液pH控制在8.0到9.2间且温度不高于25度；如用活化的聚乙二醇的碳酸酯，则缓冲液pH控制在7.5到8.5间且温度控制在不高于20度；

(三)、选择黄嘌呤、氧嗪酸钾、8-氮杂黄嘌呤及其它不含伯氨基及酚羟基的尿酸酶竞争性抑制剂中的一种，溶解在步骤(二)恒温的缓冲液中达到其对拟修饰尿酸酶抑制常数的2倍以上或达到饱和；尿酸酶竞争性抑制剂称为对尿酸酶进行聚乙二醇修饰的保护剂；将保护剂的缓冲液仍然在相同温度下恒温；

(四)、将纯化的原核或真核尿酸酶，称取适量加入到步骤(三)所得含保护剂缓冲液中，温和搅拌5分钟到20分钟，获得尿酸酶溶液；控制所用尿酸酶的量，使得其浓度在0.5g/L以上而在100g/L以下保证全部溶解；此步骤所用尿酸酶的量用于计算下一步所需聚乙二醇活泼酯的摩尔量；将溶液在相同温度下恒温；

(五)、用步骤(四)所用尿酸酶的量计算其所含氨基的总量；称取适量活化聚乙二醇固体，使其摩尔量达到来自步骤(三)所用尿酸酶的氨基总量的6倍以上；

(六)、在步骤(二)设定的温度下，温和搅拌或震荡反应10分钟到30小时；将所得溶液对浓度为10～50mmol/L的相同pH缓冲液透析，得到聚乙二醇修饰的尿酸酶溶液或进一步超滤浓缩后冷冻干燥得到粉末状固体；

应用实施例

实施例1：氧嗪酸钾对PEG单甲醚5000(缩写为mPEG5k)的N-羟基琥珀酰亚胺活化碳酸酯修饰重组表达苛求芽孢杆菌胞内尿酸酶保护作用(PEG平均分质量为5000Dalton)

(一)、将0.05mol/L且pH为8.5硼酸钠缓冲液在摄氏4度搅拌恒温60分钟；

(二)、将氧嗪酸钾配成10mmol/L储备液在相同温度下恒温后加入步骤(一)缓冲液中，达到系列不同的浓度(附图2)；

(三)、将纯化的重组表达苛求芽孢杆菌胞内尿酸酶，称取适量加入到步骤(二)所得含氧嗪酸钾的缓冲液中，温和搅拌20分钟，获得尿酸酶溶液；控制所用尿酸酶的量，使其浓度在1.5g/L左右(可波动0.2g/L)；

(五)、购买对N-羟基琥珀酰亚胺活化mPEG5k碳酸酯，称取其固体达到来自步骤(三)所用尿酸酶的氨基摩尔总量的12倍；将该活化PEG固体直接以每批约10mg的量用药匙分批加入到步骤(三)所得尿酸酶溶液中，边加边中速搅拌；

(六)、在摄氏4度下温和搅拌反应30分钟；取所得修饰尿酸酶，参照文献用2，4，6，-三硝基苯磺酸测定氨基量；用0.075mmol/L尿酸和pH9.2的0.20mol/L硼酸钠缓冲液在25度测定293nm吸收变化检测尿酸酶活性；以加入活化PEG修饰剂之前的活性和氨基量为100％，计算剩余氨基量和活性对不同氧嗪酸浓度的响应；

(七)、结果如附图2所示；氧嗪酸在摄氏4度时对此尿酸酶的抑制常数接近1.0umol/L；可见氧嗪酸钾浓度越高则保护作用越强，剩余尿酸酶活性越高，但该尿酸酶的氨基被修饰程度随氧嗪酸浓度的变化没有发生显著变化。

实施例2：黄嘌呤对PEG单甲醚5000(缩写为mPEG5k)的N-羟基琥珀酰亚胺活化丁二酸酯修饰重组表达苛求芽孢杆菌胞内尿酸酶保护作用(PEG平均分质量为5000Dalton)

(二)、将黄嘌呤配成20mmol/L二甲亚砜储备液在相同温度下恒温后加入步骤(一)缓冲液中，达到系列不同的浓度(附图3)；控制二甲亚砜终浓度低于4％；

(三)、将纯化的重组表达苛求芽孢杆菌胞内尿酸酶，称取适量加入到步骤(二)所得含黄嘌呤的缓冲液中，温和搅拌20分钟，获得尿酸酶溶液；控制所用尿酸酶的量，使其浓度在1.5g/L左右；

(五)、购买N-羟基琥珀酰亚胺活化mPEG5k丁二酸酯，称取其固体达到来自步骤(三)所用尿酸酶的氨基摩尔总量的12倍；将该活化PEG固体直接以每批约10mg的量用药匙分批加入到步骤(三)所得尿酸酶溶液中，边加边中速搅拌；

(七)、结果如附图3所示；黄嘌呤在摄氏4度时对此尿酸酶的抑制常数接近13umol/L；

可见黄嘌呤浓度越高则保护作用越强而氨基被修饰程度没有发生显著变化。

实施例3：黄嘌呤对PEG单甲醚5000(缩写为mPEG5k)的甲磺酸酯修饰重组表达苛求芽孢杆菌胞内尿酸酶保护作用(PEG平均分质量为5000Dalton)

(一)、将0.05mol/L且pH为8.0硼酸钠缓冲液在摄氏4度搅拌恒温60分钟；

(二)、将黄嘌呤配成20mmol/L二甲亚砜储备液在相同温度下恒温后加入步骤(一)缓冲液中，达到系列不同的浓度(附图4)；控制二甲亚砜终浓度低于4％；

(五)、用甲磺酰氯和mPEG5k在二氯甲烷中反应，用10倍体积的乙醚沉淀和洗涤；再用二氯甲烷溶解后10倍体积乙醚沉淀和洗涤，重复4次纯化所得mPEG5k甲磺酸酯并真空干燥到恒定重量；称取其固体达到来自步骤(三)所用尿酸酶的氨基摩尔总量的12倍；将该活化PEG固体直接以每批约10mg的量加入到步骤(三)所得尿酸酶溶液中；

(七)、结果如附图4所示；黄嘌呤在摄氏4度时对此尿酸酶的抑制常数接近13umol/L；可见黄嘌呤浓度越高则保护作用越强，剩余尿酸酶活性越高，但该尿酸酶的氨基被修饰程度随着黄嘌呤浓度的变化没有发生显著变化。

实施例4：黄嘌呤对PEG单甲醚5000(缩写为mPEG5k)醛修饰重组表达苛求芽孢杆菌胞内尿酸酶保护作用(PEG平均分质量为5000Dalton)

(二)、将黄嘌呤配成20mmol/L二甲亚砜储备液在相同温度下恒温后加入步骤(一)缓冲液中，达到系列不同的浓度(附图5)；控制二甲亚砜终浓度低于4％；

(五)、购买mPEG5k醛；称取其固体达到来自步骤(三)所用尿酸酶氨基摩尔总量12倍；将该活化PEG直接以每批约10mg的量加入到步骤(三)所得尿酸酶溶液中；

(六)、在摄氏4度下温和搅拌反应24小时；取所得修饰尿酸酶，参照文献用2，4，6，-三硝基苯磺酸测定氨基量；用0.075mmol/L尿酸和pH9.2的0.20mol/L硼酸钠缓冲液在25度测定293nm吸收变化检测尿酸酶活性；以加入活化PEG修饰剂之前的活性和氨基量为100％，计算剩余氨基量和活性对不同氧嗪酸浓度的响应；

(七)、结果如附图5所示；黄嘌呤在摄氏4度时对此尿酸酶的抑制常数接近13umol/L；可见黄嘌呤浓度越高则保护作用越强，剩余尿酸酶活性越高，但该尿酸酶的氨基被修饰程度随着黄嘌呤浓度的变化没有发生显著变化。

实施例5：氧嗪酸对PEG单甲醚5000(缩写为mPEG5k)N-羟基琥珀酰亚胺碳酸酯修饰未知序列念珠菌尿酸酶(SigmaU0880)的保护作用(PEG平均分质量为5000Dalton)

(二)、用步骤(一)的缓冲液将氧嗪酸配成1.0mmol/L溶液，在4度恒温；

(三)、将购买的念珠菌尿酸酶(Sigma U0880)溶解成1g/L后参照文献用2，4，6，-三硝基苯磺酸测定氨基量；称取适量该真菌尿酸酶加入到步骤(二)所得含氧嗪酸的缓冲液中，温和搅拌20分钟尿酸酶溶液；控制尿酸酶浓度在1.0g/L左右；

(五)、购买mPEG5k的N-羟基琥珀酰亚胺活化碳酸酯，称取其固体达到来自步骤(三)所用尿酸酶的氨基总量的7倍；将该活化PEG固体直接以每批约10mg的量加入到步骤(三)所得尿酸酶溶液中；

(七)、结果如附图6所示；氧嗪酸在摄氏4度时对此尿酸酶的抑制常数接近0.3umol/L；可见氧嗪酸浓度越高则保护作用越强，剩余尿酸酶活性越高，但该尿酸酶的氨基被修饰程度随着氧嗪酸浓度的变化没有发生显著变化。

附图说明

图1.尿酸酶竞争性抑制剂有保护效应的可用活化PEG修饰剂结构示意图

图2.被修饰氨基比例和剩余酶活性比例对所用修饰反应体系氧嗪酸钾浓度的响应

图3.被修饰氨基比例和剩余酶活性比例对所用修饰反应体系黄嘌呤浓度的响应

图4.被修饰氨基比例和剩余酶活性比例对所用修饰反应体系黄嘌呤浓度的响应

图5.被修饰氨基比例和剩余酶活性比例对所用修饰反应体系黄嘌呤浓度的响应

图6.被修饰氨基比例和剩余酶活性比例对所用修饰反应体系氧嗪酸钾浓度的响应

Claims

1.一种在竞争性抑制剂结合保护下用针对氨基的活化聚乙二醇修饰尿酸酶的方法，其特征在于按如下步骤进行：

(一)、将各种方式活化可修饰氨基的聚乙二醇衍生物简称为活化聚乙二醇；按所用活化聚乙二醇平均分子量和质量计算所用活化聚乙二醇的摩尔量；按所用纯化尿酸酶的质量、亚基分子量及其每个亚基中所含来自赖氨酸残基的氨基和N端氨基数量计算单位质量的尿酸酶中氨基的摩尔量，或测定其氨基含量；

(二)、将浓度在0.01～0.20mol/L且pH在7.5～9.5间的硼酸钠缓冲液或浓度在0.01～0.20mol/L且pH在7.0～8.5间磷酸钠缓冲液，在2度到25度之间恒温5到120分钟；当所用缓冲液体积很大时搅拌缓冲液以快速达到所需温度；如用活化的聚乙二醇羧酸酯，如丁二酸衍生物酯，则缓冲液pH控制在8.0到9.2间且温度不高于25度；如用活化的聚乙二醇的碳酸酯，则缓冲液pH控制在7.5到9.0间且温度控制在不高于20度；

(六)、在步骤(二)设定的温度下，温和搅拌或震荡反应10分钟到30小时；将所得溶液对浓度为10～50mmol/L的相同pH缓冲液透析除去竞争性抑制剂得到聚乙二醇修饰的尿酸酶溶液，或进一步超滤浓缩后冷冻干燥得到粉末状修饰产物。

2.按照权利要求1所述在竞争性抑制剂结合保护下用针对氨基的活化聚乙二醇修饰尿酸酶的方法，其特征在于：

(一)、用尿酸酶竞争性抑制剂结合在尿酸酶活性中心，保护同底物相互作用并可能参与催化的氨基或酚羟基甚至部分高反应活性的醇羟基避免被活化的聚乙二醇的活泼酯修饰，从而提高所得修饰尿酸酶的活性；

(二)、所用尿酸酶竞争性抑制剂浓度达到其抑制常数的1倍以上才能显著提高所得修饰尿酸酶的活性；如所用抑制剂浓度低于其抑制常数，保护效应很弱；

(三)、所用尿酸酶竞争性抑制剂不含在所用修饰反应条件下同活化聚乙二醇有高反应活性的基团，特别是不含脂肪族伯氨基和酚羟基；

(四)、对重组表达苛求芽孢杆菌胞内尿酸酶，当黄嘌呤浓度达到其抑制常数3倍以上或氧嗪酸钾浓度达到其抑制常数3倍以上时，用10倍于该尿酸酶氨基的聚乙二醇碳酸酯修饰后该尿酸酶可保留修饰前60％以上活性，而相同条件下没有保护剂时修饰后活性低于修饰前35％；对念珠菌尿酸酶，当黄嘌呤浓度达到其抑制常数3倍以上或氧嗪酸钾浓度达到其抑制常数3倍以上时，用6倍于该尿酸酶氨基的聚乙二醇碳酸酯修饰后保留尿酸活性高于修饰前50％，而不用保护剂时相同修饰条件下保留尿酸活性低于20％；不同念珠菌属尿酸酶对抑制剂的亲和力不同，故所用抑制剂的浓度不恒定但要求在其抑制常数的1倍以上。

3.按照权利要求1所述在竞争性抑制剂结合保护下用针对氨基的活化聚乙二醇修饰尿酸酶的方法，其特征在于：

(一)、尿酸酶竞争性抑制剂可用于常见活化聚乙二醇对其氨基修饰的保护；

(二)、竞争性抑制剂对修饰尿酸酶时有保护作用的活化聚乙二醇，包括N-羟基琥珀酰亚胺或对硝基苯酚或三氯苯酚活化聚乙二醇羧酸酯、N-羟基琥珀酰亚胺或三氯苯酚或对硝基苯酚活化聚乙二醇碳酸酯、聚乙二醇磺酸酯、聚乙二醇三氮唑衍生物、聚乙二醇环氧乙烷衍生物、聚乙二醇醛衍生物；

(三)、这些活化聚乙二醇除了修饰尿酸酶的氨基，还会修饰尿酸酶的羟基或巯基；

(四)、有保护作用的尿酸酶竞争性抑制剂主要是黄嘌呤、氧嗪酸钾、8-氮杂黄嘌呤，但不限于这三种竞争性抑制剂；

(五)、在相同浓度的竞争性抑制剂浓度下，竞争性抑制剂的抑制常数越低或其同尿酸酶的亲和力越高，则保护作用越强；

(六)、这类具有保护作用的尿酸酶抑制剂在修饰尿酸酶所用碱性条件下可部分电离生成阴离子；

(七)、当用聚乙二醇的醛类衍生物修饰尿酸酶氨基时，修饰反应要3小时以上。