CN103184209A - 人精氨酸酶和聚乙二醇化人精氨酸酶及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种点突变的精氨酸酶及其制备方法，以及所述点突变的精氨酸酶在制备治疗与精氨酸酶相关的疾病的药物中的用途。本发明还提供了一种聚乙二醇化的精氨酸酶及其制备方法，以及所述聚乙二醇化的精氨酸酶在制备治疗与精氨酸酶相关的疾病的药物中的用途。

Description

人精氨酸酶和聚乙二醇化人精氨酸酶及其应用
技术领域
本发明涉及一种精氨酸酶，以及其制备方法和在治疗与精氨酸酶相关的疾病中的应用。具体的，本发明提供了一种点突变的精氨酸酶及其制备方法和在治疗与精氨酸酶相关的疾病中的应用。本发明还提供了一种聚乙二醇化的精氨酸酶及其制备方法和应用。
背景技术
精氨酸是一种哺乳动物包括人的重要氨基酸，参与各种生理过程，包括细胞增殖和生长。例如，精氨酸可作为潜在信号分子氧化氮(NO)合成的直接前体。NO作为一种精神递质，平滑肌松弛剂和血管扩张剂而起作用。NO的生物合成涉及由氧化氮合酶催化的Ca++及NADPH-依赖性反应。精氨酸的另一个作用是作为多胺、亚精胺或精胺的前体，参与不同的生理过程。
有研究发现，精氨酸低于8μM水平时，癌细胞发生不可回复的细胞死亡(Srorr&Burton，1974，The effects of arginine deficiency on lymphoma cells.Br.J.Cancer 30，50)。通过研究对细胞生长的影响发现，将精氨酸移除后正常细胞系会由细胞周期的G0期进入静止状态，且能在这种环境下存活几周而无明显损伤；当精氨酸浓度恢复正常时，细胞又能开始恢复正常的生理周期；而对于肿瘤细胞来说，精氨酸的匮乏会导致其经过细胞周期G1期的‘R’点进入S期，并很快凋亡。这种由于精氨酸匮乏而导致肿瘤细胞的凋亡是不可逆的。因此，科学家们开始考虑通过控制机体中精氨酸的水平来对肿瘤，尤其是营养缺陷型肿瘤如肝癌和黑素瘤进行治疗。现今这种方式已被用来研究各种肿瘤细胞的抑制，包括乳腺癌，小细胞肺癌，前列腺癌，淋巴癌和白血病。
精氨酸酶是催化水解L-精氨酸生成鸟氨酸与尿素的反应的酶，一般含于产生尿素的动物(哺乳类、板鳃鱼类、两栖类、海龟类)的肝脏、肾脏、精巢中，作为尿素循环的一个环节而起作用。精氨酸酶是催化哺乳动物尿素循环途径中尿素形成最终步骤的酶，将精氨酸转化为鸟氨酸和尿素。在大多数哺乳动物中，人精氨酸酶家族包括精氨酸酶I和精氨酸酶II。精氨酸酶I主要在肝脏细胞表达，精胺酸酶II在肾脏和红细胞表达为主。
通过两种方法可以得到精氨酸酶，一是从产生它的生物体中分离出来，另一种是通过基因工程技术重组得到。通过基因工程技术重组生产精氨酸酶存在其优越性。例如，实验证明，大肠杆菌可以生产大量的精氨酸酶。然而，通过基因工程技术重组生产精氨酸酶有时会存在技术难题，例如，酶活性较低，或在体内的稳定性差及半衰期短，无法应用于实际临床。
US7951366B2公开了一种利用精氨酸剥夺来治疗人恶性肿瘤的药物组合物及方法。其中使用了带有his-tag的重组人精氨酸酶I，通过分子量为5,000(MW5,000)的聚乙二醇对精氨酸酶N-端或表面氨基酸中带有氨基的基团共价偶联聚乙二醇修饰，修饰后的人精氨酸酶的稳定性增加，在人血清中的半衰期为3天。
US20100247508A1中对带有his-tag的人精氨酸酶进行了改造，将168和303位半胱氨酸替换为丝氨酸，并利用分子量为20KDa的聚乙二醇对人精氨酸酶进行修饰。但是，与US7951366B2公开的重组人精氨酸酶I相同，该精氨酸酶带有额外的多肽片段如His-tag。而大部分国家的药物管理机构不建议使用这些多肽片段，例如中国国家食品药品监督管理局在“人用重组DNA制品质量控制技术指导原则”中提出以简化生产工艺为目的在产品中引入额外的多肽片段如His-tag，在最终产品中应尽可能去除。
WO 2011/008495A2公开了在保留人精氨酸酶本身所带有的三个半胱氨酸的基础上，在N端第三个氨基酸的位置加入了一个半胱氨酸残基，然后利用分子量为20KDa的甲氧基聚乙二醇马来酰亚胺对加入一个半胱氨酸残基的人精氨酸酶进行定点修饰。但该人精氨酸酶本身所带有的三个半胱氨酸仍然存在，形成的PEG化人精氨酸酶的产物不均一且产率低，难于分离纯化。
因此，本领域需要一种更好的精氨酸酶或其衍生物，用于治疗与精氨酸相关的疾病或异常。
发明内容
本发明提供一种分离和基本纯化的精氨酸酶。精氨酸酶是催化哺乳动物尿素循环途径中尿素形成最终步骤的酶，将精氨酸转化为鸟氨酸和尿素。在大多数哺乳动物中，精氨酸酶家族包括精氨酸酶I和精氨酸酶II。对各种来源的精氨酸酶I进行了测序和活性研究发现，不同来源的精氨酸酶I的序列可能有所区别，但也具有很多保守的区域和活性位点。如Haraguchi，Y.等，1987，Proc.Natl.Acad.Sci.84，412-415中报道的，野生型人精氨酸酶I具有SEQ ID NO.1的氨基酸序列，其中具有三个半胱氨酸，分别位于SEQ ID NO.1氨基酸序列的第45，168和303位，其基因具有如SEQ ID NO.2的核酸序列。
本发明中，术语“分离”是指非天然的形式。术语“基本上纯化”是指可能存在用于生产和/或修饰蛋白质的其它成分，但所述其它成分占整个产物基本不存在或比例较小。
本发明中对氨基酸序列位点的描述是本领域技术人员常用的。例如，“在序列为SEQ ID SEQ x上的第45位”或“在序列为SEQ ID SEQ x上的第45位Cys(即半胱氨酸)”或表述“Cys45”具有相同或相近的含义，都是表示在氨基酸序列上第45位氨基酸，或第45位的半胱氨酸。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种突变的精氨酸酶，其特征在于，所述精氨酸酶为人精氨酸酶I，其具有
(1)对应于SEQ ID NO 1的氨基酸序列，并且其中第45，168和303位的半胱氨酸中的一个、两个或三个发生突变，或
(2)在上述氨基酸序列中还引入了一个或几个氨基酸的取代、缺失、插入、增加或倒位后所得的氨基酸序列，并具有精氨酸酶的活性。
在本发明的一个方面，本发明的精氨酸酶中所述半胱氨酸各自独立突变为非极性氨基酸。氨基酸根据侧链基团的性质可分为极性氨基酸和非极性氨基酸。氨基酸的侧链基团不带电荷或极性极微弱的属于非极性氨基酸，如：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸。
在本发明的其中一个方面，本发明的精氨酸酶中所述半胱氨酸各自独立突变为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸或脯氨酸。优选的，本发明的精氨酸酶中所述半胱氨酸突变为丙氨酸。在本发明中，出乎意料地发现，人精氨酸酶I序列中属于非电离极性氨基酸的半胱氨酸突变成属于非极性氨基酸性质的氨基酸(例如丙氨酸)后，酶活性明显增加。其中一种可能是突变的精氨酸酶与底物之间的结合能力增强。
在本发明的其中一个方面，本发明的精氨酸酶在SEQ ID NO.1的氨基酸序列上的第45，168和303位的半胱氨酸中的一个发生突变。在本发明的其中一个方面，本发明的精氨酸酶在SEQ ID NO.1的氨基酸序列上的第303位半胱氨酸突变。所述半胱氨酸优选突变为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸或脯氨酸，更优选的，突变为丙氨酸。
在本发明的其中一个方面，本发明的精氨酸酶在所述精氨酸酶的第45，168和303位的半胱氨酸中的任意两个发生突变。在本发明的其中一个方面，本发明的精氨酸酶在SEQ ID NO.1的氨基酸序列上的第45位和第303位半胱氨酸突变，所述半胱氨酸各自独立优选突变为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸或脯氨酸，更优选的，突变为丙氨酸。
在本发明的其中一个方面，本发明的精氨酸酶在SEQ ID NO.1的氨基酸序列上的第168位和第303位半胱氨酸突变，所述半胱氨酸各自独立优选突变为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸或脯氨酸，更优选的，突变为丙氨酸。
在本发明的其中一个方面，本发明的精氨酸酶在SEQ ID NO.1的氨基酸序列上的第45位和第168位半胱氨酸突变，所述半胱氨酸各自独立优选突变为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸或脯氨酸，更优选的，突变为丙氨酸。
在本发明的其中一个方面，本发明的精氨酸酶在SEQ ID NO.1的氨基酸序列上的第45位、第168位和第303位半胱氨酸突变，所述半胱氨酸各自独立优选突变为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸或脯氨酸，更优选的，突变为丙氨酸。
本发明的精氨酸酶具有比野生型精氨酸酶更强的活性。本发明的精氨酸酶的特异性活性一般为至少大约500U/mg，优选至少大约700U/mg，最优选至少大约800U/mg。本发明的精氨酸酶一般具有比野生型精氨酸酶更强的活性。
在本发明的一个方面，本发明的精氨酸酶具有SEQ ID NO.2的碱基序列的多核苷酸，并且其中至少一个编码对应于SEQ ID NO.1氨基酸序列第45，168和303位的半胱氨酸的碱基序列发生替换。氨基酸是由多核苷酸编码的。多核苷酸中的信使RNA链上决定一个氨基酸的相邻的三个碱基叫做一个“密码子”，亦称三联体密码。在本发明的一个方面，所述碱基的替换是由TGT替换为编码甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸的碱基序列，优选的，替换为编码丙氨酸的碱基序列。
在本发明的其中一个方面，编码丙氨酸的碱基序列为GCT，GCC，GCA，GCG，优选为GCT。
在本发明的一个方面，本发明提供了制备上述精氨酸酶的方法，其包括将精氨酸酶基因或突变后的精氨酸酶基因在可表达蛋白的宿主中进行表达。本发明的制备精氨酸酶的方法通常包括以下主要步骤。通过PCR或合成的方法获得目的基因或目的核苷酸片段。将带有目的基因的DNA片段连接到能够独立复制并具有选择标记的载体上，如质粒、噬菌体和病毒等，以形成重组DNA分子。DNA片断与载体的连接方式主要有同聚末端连接、粘性末端连接、平齐末端连接及人工接头分子连接。重组DNA必须进入宿主细胞中，才能得到扩增和表达。根据载体的性质不同，可采用转染、转化、转导等方式，将重组DNA分子导入宿主细胞内，并使其大量繁殖。合适的基因工程宿主是本领域公知的，可以是大肠杆菌、酵母、昆虫细胞等。
本发明还提供一种分离和基本纯化的聚乙二醇化(Pegylation)的精氨酸酶。本发明聚乙二醇化的精氨酸酶中的精氨酸酶如前定义。在本发明的一个方面，所述精氨酸酶由SEQ ID NO.1定义的氨基酸序列第45，168和303位的半胱氨酸中的一个、两个或三个发生突变，优选突变为非极性氨基酸，更优选的，突变为丙氨酸、甘氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸或脯氨酸，最优选的，突变为丙氨酸。所述精氨酸酶经过聚乙二醇化修饰，得到本发明的聚乙二醇化的精氨酸酶。所述聚乙二醇化的精氨酸酶中聚乙二醇分子与精氨酸酶分子上的氨基酸残基发生共价结合。在本发明的聚乙二醇化的精氨酸酶中，每个精氨酸酶分子与至少一个聚乙二醇分子结合，形成聚乙二醇化的精氨酸酶。
在本发明的一个方面，本发明提供了一种聚乙二醇化的精氨酸酶，其特征在于，所述精氨酸酶为人精氨酸酶I，其具有
(1)对应于SEQ ID NO 1的氨基酸序列，并且其中第45，168和303位的半胱氨酸中的一个、两个或三个发生突变，或
(2)在上述氨基酸序列中还引入了一个或几个氨基酸的取代、缺失、插入、增加或倒位后所得的氨基酸序列，并具有精氨酸酶的活性。
在本发明的一个方面，本发明的聚乙二醇化的精氨酸酶中所述半胱氨酸点突变为非极性氨基酸。20种蛋白质氨基酸在结构上的差别取决于侧链基团的不同。氨基酸的侧链基团不带电荷或极性极微弱的属于非极性氨基酸，如：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸。
在本发明的其中一个方面，所述聚乙二醇化的人精氨酸酶I的序列不具有用于纯化此蛋白的标签序列，例如在其C末端或N末端加入His-tag序列。His-Tag融合蛋白是目前最常见的表达方式，它的优点是纯化方便而且基本不影响蛋白的活性，无论是表达的蛋白是可溶性的或者包涵体都可以用固定金属离子亲和色谱纯化。但是由于其潜在的免疫原性，中国国家食品药品监督管理局在“人用重组DNA制品质量控制技术指导原则”中提出以简化生产工艺为目的在产品中引入额外的多肽片段如His-tag，在最终产品中应尽可能去除。
在本发明中，对精氨酸酶的聚乙二醇化可以通过化学修饰的方法实现，所述化学修饰可以通过带有偶联剂的聚乙二醇衍生物(也称为聚乙二醇修饰剂)，将聚乙二醇分子与精氨酸酶上的基团共价结合。普通的聚乙二醇分子两端各有一个羟基，若一端以甲基封闭则得到甲氧基的聚乙二醇(mPEG)。在多肽和蛋白质的聚乙二醇修饰中研究最多的聚乙二醇修饰剂是mPEG的衍生物。修饰的主要方式有对多肽和蛋白质的氨基修饰，羧基修饰和巯基修饰。其中一种常见的聚乙二醇修饰方式是将聚乙二醇分子/聚乙二醇修饰剂与蛋白表面赖氨酸或蛋白N-端的ε-NH2或α-NH2结合，例如mPEG-琥珀酰亚胺丁酸酯(mPEG-SBA)，mPEG-丙酸琥珀酰亚胺酯(mPEG-SPA)，mPEG-琥珀酰亚胺琥珀酸酯(mPEG-SS)，mPEG-琥珀酰亚胺碳酸酯(mPEG-SC)，mPEG-戊二酸单酯-羟基琥珀酰亚胺酯(mPEG-SG)，mPEG-酰胺-琥珀酸亚胺酯(mPEG-NHS)，mPEG-三氟乙基磺酸酯(mPEG tresylate)和mPEG-醛(mPEG aldehyde)。另外常见的PEG修饰方式是利用巯基的高亲核性，选取能够特异性与蛋白质的巯基偶联的聚乙二醇分子/聚乙二醇修饰剂，如mPEG-马来酰亚胺，mPEG-邻-吡啶-二硫醚，mPEG-乙烯基砜，mPEG-碘乙酰胺等来修饰蛋白质或多肽的巯基基团。人精氨酸酶I有三个半胱氨酸残基，分别位于氨基酸序列中的45，168，和303位，可与上述以巯基为靶点的PEG分子共价结合实现巯基定点修饰。
本发明的精氨酸酶I的氨基酸序列中有24个赖氨酸及N-端氨基为潜在的可进行氨基PEG化修饰的位点，但不同位点由于所处的蛋白质立体结构中的位置不同，其被PEG化修饰的难易程度有所不同。以PyMOL及Swiss-PdbViewer软件对精氨酸酶的立体结构分析发现，24个赖氨酸的ε-氨基中有12个因为空间阻力或者与周围的其他基团形成氢键而难以被PEG化修饰，而位于K4，K33，K41，K75，K89，K150，K155，K191，K224，K284，K313，和K322位置的ε-氨基是可被以氨基为靶点的PEG所修饰，其中位于K191，K224，K89，K284位点的ε-氨基是最易被PEG化修饰的位点。
在本发明的一个方面，所述聚乙二醇修饰剂选自甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯(mPEG-SPA)，mPEG-琥珀酰亚胺丁酸酯(mPEG-SBA)，mPEG-琥珀酰亚胺琥珀酸酯(mPEG-SS)，mPEG-琥珀酰亚胺碳酸酯(mPEG-SC)，mPEG-戊二酸单酯-羟基琥珀酰亚胺酯(mPEG-SG)，mPEG-酰胺-琥珀酸亚胺酯(mPEG-NHS)，mPEG-三氟乙基磺酸酯(mPEG tresylate)和mPEG-醛(mPEGaldehyde)。在本发明的其中一个方面，其中所述聚乙二醇修饰剂为甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯，优选为甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯5000，即PEG平均分子量为5K。
PEG分子量的选择要综合考虑生物活性和药代动力学两方面的因素。已有的研究发现，修饰的蛋白药物在体内的作用时间与偶联的PEG数量和分子量有一定关系，而应用分子量过大的PEG修饰蛋白可能会导致药物丧失部分的生物活性。用于本发明的PEG，其分子量范围可以在5K-40K道尔顿之间，可能是线性的或者含支链的分子，以及可能是本领域述及的PEG衍生物。本发明中共价结合至精氨酸酶分子的PEG分子并非限定于特定类型。
在本发明的一个方面，每分子所述聚乙二醇化的精氨酸酶结合的聚乙二醇分子的总分子量为约20-70K，优选为约30-60K。
在本发明的一个方面，每个用于对精氨酸酶进行PEG化的聚乙二醇分子分子的平均分子量为约2-40K，优选为5-20K，最优选为约5K。
在本发明的一个方面，提供的聚乙二醇化的精氨酸酶，其中每个所述聚乙二醇分子的平均分子量为约5K，每分子所述聚乙二醇化的精氨酸酶带有的聚乙二醇分子为约4-13个，优选为6-12个。
对应所使用的聚乙二醇修饰剂类型，通过调整聚乙二醇修饰过程中的参数，例如蛋白质/聚乙二醇修饰剂比例，及反应时间，温度的控制，可以控制每分子精氨酸酶可偶联聚乙二醇的数量，例如控制在每分子所述聚乙二醇化的精氨酸酶带有的聚乙二醇分子为约4-13个，优选为6-12个。
在本发明的其中一个方面，本发明提供的聚乙二醇化的精氨酸酶是通过氨基反应性聚乙二醇修饰剂与精氨酸酶表面赖氨酸的ε-氨基共价结合，包括K191，K224，K89，K284位点的PEG化，或在N末端的α-氨基的PEG化，或进一步在K4，K33，K41，K75，K150，K155，K313，和K322位点的PEG化。通过调整聚乙二醇修饰过程中的参数，例如蛋白质/聚乙二醇修饰剂比例，及反应时间，温度的控制，每分子精氨酸酶可偶联聚乙二醇的数量可基本达到4-13，优选为6-12。
在本发明的一个方面，所述的聚乙二醇化的精氨酸酶在SEQ ID NO.1定义的氨基酸序列的三个半胱氨酸中的一个(例如第45位、第168位或第303位半胱氨酸)突变为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸，更优选突变为丙氨酸，其中精氨酸酶结合的PEG分子平均分子量为5K，每分子聚乙二醇化的精氨酸酶带有的聚乙二醇分子为约4-13个，优选为6-12个。在本发明的又一个方面，所述聚乙二醇化是通过使用甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯5000实现的。
在本发明的一个方面，所述的聚乙二醇化的精氨酸酶在SEQ ID NO.1定义的氨基酸序列第168位和第303位半胱氨酸各自独立突变为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸，更优选突变为丙氨酸，其中精氨酸酶结合的PEG分子平均分子量为5K，每分子聚乙二醇化的精氨酸酶带有的聚乙二醇分子为约4-13个，优选为6-12个。在本发明的又一个方面，所述聚乙二醇化是通过使用甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯5000实现的。
在本发明的一个方面，所述的聚乙二醇化的精氨酸酶在SEQ ID NO.1定义的氨基酸序列第45位和第303位半胱氨酸各自独立突变为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸，更优选突变为丙氨酸，其中精氨酸酶结合的PEG分子平均分子量为5K，每分子聚乙二醇化的精氨酸酶带有的聚乙二醇分子为约4-13个，优选为6-12个。在本发明的又一个方面，所述聚乙二醇化是通过使用甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯5000实现的。
在本发明的一个方面，所述的聚乙二醇化的精氨酸酶在SEQ ID NO.1定义的氨基酸序列第45位和第168位半胱氨酸各自独立突变为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸，更优选突变为丙氨酸，其中精氨酸酶结合的PEG分子平均分子量为5K，每分子聚乙二醇化的精氨酸酶带有的聚乙二醇分子为约4-13个，优选为6-12个。在本发明的又一个方面，所述聚乙二醇化是通过使用甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯5000实现的。
在本发明的一个方面，所述的聚乙二醇化的精氨酸酶在SEQ ID NO.1定义的氨基酸序列第45位、第168位和第303位半胱氨酸各自独立突变为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸，更优选突变为丙氨酸，其中精氨酸酶结合的PEG分子平均分子量为5K，每分子聚乙二醇化的精氨酸酶带有的聚乙二醇分子为约4-13个，优选为6-12个。在本发明的又一个方面，所述聚乙二醇化是通过使用甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯5000实现的。
本发明提供的聚乙二醇化的精氨酸酶为基本均质的。基本均质是指制剂中基本为聚乙二醇化的精氨酸酶，但可含有少量未反应(即未PEG化)的蛋白质或聚乙二醇化精氨酸酶的聚体。本发明提供的聚乙二醇化的精氨酸酶的纯度通常超过90％，优选超过95％，最优选超过98％。本发明中所述“聚乙二醇化的精氨酸酶的纯度”是指在对精氨酸酶进行聚乙二醇化的化学修饰生产中，产物里PEG化精氨酸酶(即共价结合PEG的精氨酸酶)占总的精氨酸酶(共价结合PEG的精氨酸酶，未共价结合PEG的精氨酸酶和多聚的PEG化精氨酸酶)的比例。通常，由于PEG化反应后产物中还含有未共价结合PEG的精氨酸酶和多聚的PEG化精氨酸酶，因此需要对产物进行纯化。常用的纯化手段是本领域公知的技术，包括阳离子交换柱，超滤膜过滤等。
本发明提供的聚乙二醇化的精氨酸酶在血液或血清中的半衰期为至少0.5天，优选至少2.5天，最优选至少3.5天。精氨酸酶的半衰期可以通过本领域公知和常用的方法进行测量。精氨酸酶在血液或血清中的半衰期的测量数据与采用的动物模型有一定关系。在代谢速率较快的动物模型(例如大鼠)中获得的半衰期数据通常比在代谢速率较快的动物模型(例如人体)中获得的数据短。
本发明还提供了制备聚乙二醇化(Pegylation)的精氨酸酶的方法。本发明聚乙二醇化的精氨酸酶中聚乙二醇分子与精氨酸酶分子上的氨基酸残基结合，达到聚乙二醇化的目的。在本发明的聚乙二醇化的精氨酸酶中，每个精氨酸酶分子与聚乙二醇分子结合，形成聚乙二醇化的精氨酸酶。
在本发明中，对精氨酸酶的定点聚乙二醇化可以通过化学修饰的方法实现，所述化学修饰是通过聚乙二醇修饰剂将聚乙二醇分子与与精氨酸酶上的基团共价结合。所述化学修饰可以是特异性的，即通过使用与特定基团结合的修饰剂，令PEG只能与精氨酸酶上的特定氨基酸结合。
本发明还提供了利用上述本发明的任意一种精氨酸酶或聚乙二醇化的精氨酸酶或其药物组合物在治疗与精氨酸酶有关的疾病的药物中的应用/用途。本领域已知所述与精氨酸酶有关的疾病包括，例如哺乳动物中与体内精氨酸相关的病症/疾病/紊乱。此类病症/疾病/紊乱包括：高精氨酸血症。由于精氨酸酶活性的缺乏，患者体内的精氨酸不能裂解为尿素并加入鸟氨酸代谢循环，血中精氨酸含量可高出正常7～10倍，同时脑脊液和尿中精氨酸也增多，尿中肌酐排出量增高。另外，此类病症/疾病/紊乱还包括精氨酸依赖性的细胞增生或肿瘤，例如肝癌，黑色素细胞瘤，乳腺癌，小细胞肺癌，前列腺癌，淋巴癌和白血病。通过研究对细胞生长的影响发现，将精氨酸移除后正常细胞系会由细胞周期的G0期进入静止状态，且能在这种环境下存活几周而无明显损伤，当精氨酸浓度恢复正常时，细胞又能开始恢复正常的生理周期；而对于增生的细胞或肿瘤来说，精氨酸的匮乏会导致其经过细胞周期G1期的‘R’点进入S期，并很快凋亡。这种由于精氨酸匮乏而导致增生的细胞或肿瘤是不可逆的。因此，科学家们开始考虑通过控制机体中精氨酸的水平来治疗细胞增生或肿瘤。
本发明还提供了一种药物组合物，此药物组合物的活性成分是上述本发明的精氨酸酶或聚乙二醇化的精氨酸酶。所述药物组合物的配方可以以固体、溶液、乳剂、分散体、胶束、脂质体等形式应用，其中所得配方含有一或多种本发明的人精氨酸酶或聚乙二醇化的精氨酸酶作为活性成分，并与适于肠道或胃肠外应用的有机或无机物载体或赋形剂混合。另外，可以使用佐剂、稳定剂、增稠剂、着色剂及香料。一或多种分离的并基本上纯化的人精氨酸酶或聚乙二醇化的精氨酸酶的活性成分也包括在足够量的药物配方中以对目的过程、条件或疾病产生所希望的作用。上述药物组合物可以制成适于口服的药剂形式，例如，片剂、药片、止咳糖、水化或油化悬液、分散的粉末或颗粒、乳剂、硬或软的胶囊、或糖浆。口服的配方可以按照本领域已知技术进行包囊化以减缓分解以及在胃肠道的吸收，因而提供了较长时间的持续作用。所述配方还可以是无菌的可注射溶液或悬液的形式。所述悬液可以是按照已知方法使用分散或润湿剂及悬浮剂进行配制。
本发明的药物组合物可进一步被制备成固体、液体、悬浮液、微胶粒、或微脂体的形式。在本发明的一个方面，所述药物组合物的配方是适用于口服或注射的形式。
附图说明
图1示出野生型人精氨酸酶I的核酸序列。
图2示出人精氨酸酶表达的还原性SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳检测结果。
图3示出人精氨酸酶表达的液相色谱图。
图4示出野生型精氨酸酶I经还原及非还原处理后凝胶电泳检测结果。
图5示出纯化后的精氨酸酶I突变体(rhArgl-A303，rhArgl-A168/303，及rhArgl-A45/303)经还原及非还原处理后凝胶电泳检测结果。
图6示出纯化后的精氨酸酶I突变体(rhArgl-A45/168，及rhArgl-A45/168/303)经还原及非还原处理后凝胶电泳检测结果。
其中6a为rhArgl-A45/168，及rhArgl-A45/168/303经非还原处理后凝胶电泳检测结果。
其中6b为rhArgl-A45/168，及rhArgl-A45/168/303经还原处理后凝胶电泳检测结果。
图7示出聚乙二醇化人精氨酸酶的非还原性SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳检测结果。
图8示出PEG化精氨酸酶质谱图。
其中8a为PEG化精氨酸酶I：A168/303-Y40K的质谱图。
其中8b为PEG化精氨酸酶I：A45/303-Y40K的质谱图。
其中8c为PEG化精氨酸酶I：RP-V-J5K的质谱图。
其中8d为PEG化精氨酸酶I：RP-M2-J5K的质谱图。
其中8e为PEG化精氨酸酶I：RP-M3-J5K的质谱图。
其中8f为PEG化精氨酸酶I：RP-M4-J5K的质谱图。
其中8g为PEG化精氨酸酶I：RP-M7-J5K的质谱图。
图9示出PEG化精氨酸酶质谱合并图。
具体实施方式
本发明将在下面的实施例中进一步说明。应当理解，尽管这些实施例说明了本发明的优选实施方案，但仅是以例证的方式给出的。根据上面的论述和这些实施例，本领域的技术人员可以确定本发明的基本特征，并在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对本发明做出多种改变和修饰，以使其适用于多种用法和条件。因此，除了那些本文所示和描述的那些之外，根据前文所述，本发明的各种修改形式对本领域的技术人员来说将是显而易见的。这些修改形式也旨在属于所附权利要求书的范围内。
实施例一：不含His-tag的人精氨酸酶I重组质粒pET30a(+)-rharginase-V的构建及表达
人精氨酸酶I的基因序列公布于1987年(Haraguchi，Y.等，1987，Proc.Natl.Acad.Sci.84，412-415)。以人肝脏5’stretch plus cDNA文库(clontech)为模板，基于上述人精氨酸酶I的基因序列设计引物进行聚合酶链式反应(PCR)获得人精氨酸酶I核酸片段。引物ARG-V(+)含有一个NdeI限制性内切酶位点，引物ARG-V(-)含有一个Xhol限制性内切酶位点，按照分子生物学领域普通实验技术进行聚合酶链式反应(PCR)得到核酸片段，并以琼脂糖凝胶电泳确认。将上述扩增所得片断和市购获得的pET30a(+)表达载体分别用含有限制性内切酶NdeI和Xhol(购自promega)的反应介质中于37℃处理1.5小时，已酶解的片断与T4DNA连接酶在16℃反应过夜。然后将所述已连接的质粒转化入感受态细胞DH5α大肠杆菌细胞内。在含有30μg/ml卡那霉素的LB营养琼脂平板上进行筛选。通过限制性内切酶分析获得具有正确插入片断的质粒，称为pET30a(+)-rharginase-V，所述质粒进行测序确认其插入片段。插入片段包含969个碱基，如图1所示，其核酸序列为SEQ ID No.2。
ARG-V(+)：
5′GGAATTCCATATGAGCGCCAAGTCCAGAACCATAG 3′
            Ndel
ARG-V(-)：
5′CCGCTCGAGTTATTACTTAGGTGGGTTAAGGTAGTCAATAGG 3′
      Xhol
实施例二：不含His-tag的人精氨酸酶I重组质粒pET30a(+)-rharginase-V的表达和目的蛋白纯化
将100μl BL21(DE3)感受态细胞置于冰上融化，向感受态细胞悬液中加入1μl所述已构建的pET30a(+)-rharginase-V质粒，混匀后冰浴放置30分钟，然后将混合物于42℃水浴放置90秒，再快速转移至冰浴中放置2分钟。加入500μl LB液体培养基，于37℃，150rpm震荡培养1小时。取200μl涂布含有卡那霉素的LB营养琼脂平板，37℃倒置培养16小时。
挑选所述转化细胞培养平板单一菌落并转移到25mL LB培养基。所述细胞在37℃，150rpm震荡培养至OD600nm达到0.6-0.8，加入终浓度为0.2mM IPTG诱导表达3小时。SDS-PAGE电泳检测所挑选克隆是否有目的蛋白的表达。挑选表达量较高的克隆制备甘油菌保存作为工程菌。
将上述大肠杆菌工程菌在15L发酵罐中以分批补料的方式培养，当OD600nm达到12-13时，加入终浓度为0.2mM IPTG诱导表达3-4小时。将所获得的菌体进行破菌离心，取上清液进行下一步的分离纯化。
蛋白的纯化采用CM阳离子交换层析。先用Tris-HCl平衡液平衡层析柱，然后将所述离心得到的上清液上样，上样完毕后继续用3倍柱体积的平衡液冲洗弱结合的杂质。待UV280nm检测值稳定后，用含有Tris-HCl及NaCl的洗脱液进行洗脱，收集目的峰。对收集的样品进行聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)和高压液相色谱分析纯度。
实验结果如图2，3所示。
图2是人精氨酸酶表达的凝胶电泳检测结果。其中各泳道的样品为：
1：蛋白分子量标准；2.破菌上清液；3.纯化的不含His-tag的人精氨酸酶I；4.CM阳离子交换柱流出液。
图3是人精氨酸酶表达的液相色谱图。
根据图2和图3可见，经上述层析方法所获得的精氨酸酶的纯度为90％以上。
实施例三：人精氨酸酶I(rhArgl)的定点突变
以野生型人精氨酸酶质粒pET30a-rharginasel-V为模板，利用Stratagene公司的QuikChange Site-directed Mutagenesis kit对人精氨酸酶I序列中45，168，和303位编码半胱氨酸的密码子分别进行单点，双点或三点定点突变，将45，168，和303位编码半胱氨酸的密码子(TGT)替换成编码丙氨酸的密码子(GCT)。引入45，168，和303位替代酸密码子(GCT)的引物分别为：
ARG-m45(+)：
5′GAGAAACTTAAAGAACAAGAGGCTGATGTGAAGGATTATGGGG 3′
ARG-m45(-)：
5′CCCCATAATCCTTCACATCAGCCTCTTGTTCTTTAAGTTTCTC 3′
ARG-m168(+)：
5′GATTCTCCTGGGTGACTCCCGCTATATCTGCCAAGGATATTG 3′
ARG-m168(-)：
5′CAATATCCTTGGCAGATATAGCGGGAGTCACCCAGGAGAATC 3′
ARG-m303(+)：
5′GTTGCAATAACCTTGGCTGCTTTCGGACTTGCTCGGG 3′
ARG-m303(-)：
5′CCCGAGCAAGTCCGAAAGCAGCCAAGGTTATTGCAAC 3′
按照试剂盒说明书所提供的方法进行聚合酶链式反应(PCR)，然后以限制性内切酶Dpn I消化模板质粒，及转化感受态细胞。将获得的重组突变质粒测序确认。测序结果经比对后选择半胱氨酸的密码子(TGT)成功突变成丙氨酸的密码子(GCT)的克隆，接种于LB液态培养基扩增。以Wizard Plus Minipreps试剂盒，抽提突变重组质粒。
突变的人精氨酸酶I(rhArgl)序列中303位半胱氨酸替换为丙氨酸的重组人精氨酸酶I表示为rhArgl-A303；168位半胱氨酸替换为丙氨酸的重组人精氨酸酶I表示为rhArgl-A168；45位半胱氨酸替换为丙氨酸的重组人精氨酸酶I表示为rhArgl-A45；168和303位半胱氨酸替换为丙氨酸的重组人精氨酸酶I表示为rhArgl-A168/303；45和303位半胱氨酸替换为丙氨酸的重组人精氨酸酶I表示为rhArgl-A45/303；45和168位半胱氨酸替换为丙氨酸的重组人精氨酸酶I表示为rhArgl-A45/168；45，168和303位半胱氨酸替换为丙氨酸的重组人精氨酸酶I表示为rhArgl-A45/168/303；含有上述突变的人精氨酸酶I(rhArgl)序列的重组突变质粒分别称为pET30a(+)-rhArgl-A303，pET30a(+)-rhArgl-A168，pET30a(+)-rhArgl-A45，pET30a(+)-rhArgl-A168/303，pET30a(+)-rhArgl-A45/303，pET30a(+)-rhArgl-A45/168，或pET30a(+)-rhArgl-A45/168/303。
将100μl BL21(DE3)感受态细胞置于冰上融化，向感受态细胞悬液中加入1μl所述已构建的突变重组质粒，混匀后冰浴放置30分钟，然后将混合物于42℃水浴放置90秒，再快速转移至冰浴中放置2分钟。加入500μl LB液体培养基，于37℃，150rpm震荡培养1小时。取200μl涂布含有卡那霉素的LB营养琼脂平板，37℃倒置培养16小时。
挑选所述转化细胞培养平板单一菌落并转移到25mL LB培养基。所述细胞在37℃，150rpm震荡培养至OD600nm达到0.6-0.8，加入终浓度为0.2mM IPTG诱导表达3小时。以聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)检测所挑选克隆是否有目的蛋白的表达。挑选表达量较高的克隆制备甘油菌保存作为工程菌。
实施例四：含定点突变精氨酸酶I(rhArgl)质粒的表达和纯化
将上述转化了突变人精氨酸酶I(rhArgl)质粒的大肠杆菌工程菌(包括pET30a(+)-rhArgl-A303，pET30a(+)-rhArgl-A168/303，pET30a(+)-rhArgl-A45/303，pET30a(+)-rhArgl-A45/168，或pET30a(+)-rhArgl-A45/168/303)在15L发酵罐中以分批补料的方式培养，当OD600nm达到12-13时，加入终浓度为0.2mM IPTG诱导表达3-4小时。将所获得的菌体进行破菌离心，取上清液进行下一步的分离纯化。
目的蛋白的纯化采用CM阳离子交换层析。先用Tris-HCl平衡液平衡层析柱，然后将所述离心得到的上清液上样，上样完毕后继续用3倍柱体积的平衡液冲洗弱结合的杂质。待UV280nm检测值稳定后，用含有Tris-HCl及NaCI的洗脱液进行洗脱，收集目的峰，由此获得定点突变的精氨酸酶I rhArgl-A303，rhArgl-A168/303，rhArgl-A45/303，rhArgl-A45/168，或rhArgl-A45/168/303。
对收集的样品进行聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)和高压液相色谱分析纯度。经上述层析方法所获得的精氨酸酶的纯度为90％以上。
实施例五：定点突变精氨酸酶I(rhArgl)的活性
通过测定与尿素酶和谷氨酸脱氢酶相偶联的NADPH的吸光度值测定精氨酸酶的活性，其原理如下所示，NADPH被氧化成NADP+，前者在340nm处有最大吸收峰，测定在该波长下吸光率的降低，再根据NADPH的摩尔消光系数ΔE340＝6220M-1cm-1，即可计算出精氨酸酶的活性。
Figure BDA0000144093330000161
Figure BDA0000144093330000162
Figure BDA0000144093330000163
精氨酸酶活性单位定义为：1单位(U)的精氨酸酶能够在30℃，pH 8.3的条件下释放1μmol尿素。
精氨酸酶比活的计算采用下述方程：
比活(U/mg)＝[(ΔA/Δt)x(1/ε)x106x(1/2)]/[E]
ΔA＝340nm吸光度的差值
ε＝NADPH Michaelis-Menten常数(Km)(6220M-1cm-1)
[E]＝反应体系中精氨酸酶浓度(mg/mL)
利用上述方法计算的在不同位点上进行了突变的人精氨酸酶I rhArgl-A303，rhArgl-A168/303，rhArgl-A45/303，rhArgl-A45/168以及rhArgl-A45/168/303的酶活性，其活性分别为747±63U/mg，814±91U/mg，786±58U/mg，782±19U/mg，759±68U/mg。而未突变的人精氨酸酶I活性为491±42U/mg。由此可见，人精氨酸酶I(rhArgl)序列中位于168/303，45/303，45/168及45/168/303位属于非电离极性氨基酸的半胱氨酸突变成属于非极性氨基酸性质的丙氨酸后酶活性明显增加。
实施例六：野生型与定点突变精氨酸酶I(rhArgl)的SDS-PAGE电泳分析
以传统方法进行聚丙烯酰胺凝胶的配制，分离胶浓度为12％。将纯化的野生型精氨酸酶I及其各种不同类型的突变体分别进行还原处理(即在样品缓冲液中加入β-巯基乙醇以破坏分子内或分子间的二硫键)和非还原处理以分析野生型精氨酸酶I及其各种不同类型的突变体的分子内或分子间二硫键的形成情况。结果如图4，图5，图6a及图6b所示：
图4是野生型精氨酸酶I经还原及非还原处理后凝胶电泳检测结果。其中各泳道的样品为：1，3：破菌上清液；2.纯化的不含His-tag的人精氨酸酶I(经非还原处理)；M：蛋白分子量标准；4.纯化的不含His-tag的人精氨酸酶I(经还原处理)。
图5是纯化后的精氨酸酶I突变体(rhArgl-A303，rhArgl-A168/303，及rhArgl-A45/303)经还原及非还原处理后凝胶电泳检测结果。其中各泳道的样品为：1.精氨酸酶I突变体rhArgl-A303(经非还原处理)；2.精氨酸酶I突变体rhArgl-A168/303(经非还原处理)；3.精氨酸酶I突变体rhArgl-45/A303(经非还原处理)；M：蛋白分子量标准；4.精氨酸酶I突变体rhArgl-A303(经还原处理)；5.精氨酸酶I突变体rhArgl-A168/303(经还原处理)；6.精氨酸酶I突变体rhArgl-45/A303(经还原处理)
图6a是纯化后的精氨酸酶I突变体(rhArgl-A45/468，及rhArgl-A45/168/303)经非还原处理后凝胶电泳检测结果。其中各泳道的样品为：M：蛋白分子量标准；1.精氨酸酶I突变体rhArgl-A45/168/303；2.精氨酸酶I突变体rhArgl-A45/168
图6b是纯化后的精氨酸酶I突变体(rhArgl-A45/468，及rhArgl-A45/168/303)经还原处理后凝胶电泳检测结果。其中各泳道的样品为：M：蛋白分子量标准；1.精氨酸酶I突变体rhArgl-A45/168/303；2.精氨酸酶I突变体rhArgl-A45/168
通过对样品经还原处理和非还原处理在聚丙烯酰胺凝胶电泳的差别可以看出，在本发明实验条件下，野生型人精氨酸酶I有其他构象的存在(图4)。在此条件下，当303位点的半胱氨酸突变成丙氨酸后，也显示有其他构象的精氨酸酶的存在(图5)。而当45，168，303位半胱氨酸中的任意两个发生突变(如rhArgl-A 45/303，rhArgl-A 168/303，或rhArgl-A 45/168)或三个全部发生突变，在非还原性SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳中则只表现出一种构象(图5，图6a)。不受任何现有理论的限制，发明人认为，野生型人精氨酸酶I由于其氨基酸序列中45，168，和303位点半胱氨酸的存在，有机会在某种条件下于分子内部形成二硫键而有异构体的出现，当303位点的半胱氨酸突变成丙氨酸后，当样品未经还原处理时，在SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳中依然显示有其他构象的精氨酸酶的存在，可能是剩下的两个未突变的45和168位半胱氨酸形成了分子内的二硫键。当45，168，303位半胱氨酸中的任意两个发生突变(如rhArgl-A 45/303，rhArgl-A 168/303，或rhArgl-A 45/168)或三个全部发生突变，令到产生分子内二硫键的机会丧失，只表现出一种构象。
实施例七：突变精氨酸酶I(rhArgl)的PEG化修饰和PEG化蛋白的纯化
(一)以甲氧基聚乙二醇马来酰亚胺(mPEG-MAL 40000)进行PEG修饰和PEG化蛋白的纯化
在20mM PBS缓冲液(pH7.0)中，将进行了定点突变的精氨酸酶I(rhArgl-A303/168)或精氨酸酶I(rhArgl-A303/45)分别与甲氧基聚乙二醇马来酰亚胺按照摩尔比为1∶5-1∶10相混合。所述甲氧基聚乙二醇马来酰亚胺为Y-型，包含两个直链甲氧基聚乙二醇，分子量是40K。在室温下反应2-4小时。反应结束后将反应产物置于4℃冰箱保存。
采用介质为Macrocap SP的阳离子交换柱对上述定点修饰的PEG化人精氨酸酶I进行分离纯化，去除残留的PEG和少量未反应的蛋白。平衡液为磷酸盐缓冲液，洗脱液为含1MNacl的磷酸盐缓冲液。先用纯化水将修饰后的蛋白样品进行稀释，使样品的电导与平衡液的电导相同，稀释后的样品作为上样样品。用平衡液平衡层析柱5倍柱体积后上样，上样结束后继续用平衡液淋洗5倍柱体积，然后用35％洗脱液进行洗脱，收集洗脱峰。对收集后的洗脱峰分别用G-25脱盐柱进行脱盐，收集目的蛋白进行电泳检测。
(二)以甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯(mPEG-SPA 5000)进行PEG修饰以及PEG化蛋白的纯化
对野生型人精氨酸酶I，以及于不同位点分别进行定点突变的精氨酸酶I，包括rhArgl-A303/168；rhArgl-A303/45；rhArgl-A45/168；以及rhArgl-A45/168/303分别进行PEG化修饰。反应条件如下：将人精氨酸酶I，以及各定点突变的精氨酸酶I分别与甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯(mPEG-SPA 5000)按照摩尔比为1∶20-1∶30相混合，其中蛋白质的浓度为8mg/ml，反应于20mM磷酸盐缓冲液中进行，pH8.5-9.0。在室温下反应2小时。反应结束后将反应产物置于4℃冰箱保存。
采用100KDa的超滤膜包分别对上述PEG化产物进行缓冲液的超滤置换，去除残留未反应的甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯。缓冲液为10mM磷酸盐缓冲液，pH7.5，以与超滤样品体积比1∶1的量加入置换缓冲液，超滤至原体积，重复操作15次。收集目的蛋白进行电泳检测。
(三)PEG化人精氨酸酶I的电泳及活性检测
将上述纯化的经分子量为40K的mPEG-MAL定点修饰的精氨酸酶I，及经分子量为5K的mPEG-SPA修饰的精氨酸酶I进行凝胶电泳检测(SDS-PAGE，8％)
实验结果如图7所示。
图7是PEG化精氨酸酶I的凝胶电泳检测结果。其中各泳道的样品为：
M：蛋白分子量标准；
1.将重组野生型精氨酸酶I与甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯(mPEG-SPA 5000)反应，经100KDa的超滤膜包纯化后的PEG化人精氨酸酶I以RP-V-J5K表示，纯度在95％以上；
2.将进行了定点突变的精氨酸酶I(rhArgl-A168/303)与甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯(mPEG-SPA 5000)反应，经100KDa的超滤膜包纯化后的PEG化人精氨酸酶I以RP-M2-J5K表示，纯度在95％以上；
3.将进行了定点突变的精氨酸酶I(rhArgl-A45/303)与甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯(mPEG-SPA 5000)反应，经100KDa的超滤膜包纯化后的PEG化人精氨酸酶I以RP-M3-J5K表示，纯度在95％以上；
4.将进行了定点突变的精氨酸酶I(rhArgl-A45/168/303)与甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯(mPEG-SPA 5000)反应，经100KDa的超滤膜包纯化后的PEG化人精氨酸酶I以RP-M4-J5K表示，纯度在95％以上；
5.将进行了定点突变的精氨酸酶I(rhArgl-A45/168)与甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯(mPEG-SPA 5000)反应，经100KDa的超滤膜包纯化后的PEG化人精氨酸酶I以RP-M7-J5K表示，纯度在95％以上；
6.将进行了定点突变的精氨酸酶I(rhArgl-A168/303)与Y-型聚乙二醇马来酰亚胺(Y-MAL-40K)反应，经Macrocap SP的阳离子交换柱纯化后的定点
PEG化人精氨酸酶I；其中所形成的带有1个分子量为40K的Y-型聚乙二醇马来酰亚胺的人精氨酸酶(以A168/303-Y40K表示)，即45位半胱氨酸基团偶联甲氧基聚乙二醇马来酰亚胺的比例占全部反应产物的85％以上。
7.将进行了定点突变的精氨酸酶I(rhArgl-A45/303)与Y-型聚乙二醇马来酰亚胺(Y-MAL-40K)反应，经Macrocap SP的阳离子交换柱纯化后的定点PEG化人精氨酸酶I；其中所形成的带有1个分子量为40K的Y-型聚乙二醇马来酰亚胺的人精氨酸酶(以A45/303-Y40K表示)，即168位半胱氨酸基团偶联甲氧基聚乙二醇马来酰亚胺的比例占全部反应产物的85％以上利用前述方法通过测量与尿素酶和谷氨酸脱氢酶相偶联的NADPH的吸光度值来测定精氨酸酶的活性，计算于不同位点以不同方式进行了PEG化修饰的人精氨酸酶I的酶活性。测试结果发现上述PEG化修饰产物保持了精氨酸酶的活性。其中，A168/303-Y40K和A45/303-Y40K的活性分别为551±68U/mg，595±41U/mg，另外，RP-M2-J5K，RP-M3-J5K，RP-M4-J5K及RP-M7-J5K的活性分别为726±66U/mg，747±72U/mg，712±69U/mg，838±8U/mg。PEG化修饰的野生型人精氨酸酶I，即RP-V-J5K的活性为537±55U/mg。
(四)PEG化人精氨酸酶I的分子量分布检测
以基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱法(MALDI-Tof-MS)检测于不同位点分别以不同方式进行了PEG化修饰的人精氨酸酶I的分子量分布情况，所有样品都通过Bruker Daltonics autoflexTM TOF/TOF系统在正离子线性模式下进行分析，激光波长337nm，加速电压+20kV。
实验结果如图8，9所示。
8a：PEG化精氨酸酶I：A168/303-Y40K的质谱图，显示A168/303-Y40K的分子量为～77KD；
8b：PEG化精氨酸酶I：A45/303-Y40K的质谱图，显示A168/303-Y40K的分子量为～77KD；
8c：PEG化精氨酸酶I：RP-V-J5K的质谱图；
8d：PEG化精氨酸酶I：RP-M2-J5K的质谱图；
8e：PEG化精氨酸酶I：RP-M3-J5K的质谱图；
8f：PEG化精氨酸酶I：RP-M4-J5K的质谱图；
8g：PEG化精氨酸酶I：RP-M7-J5K的质谱图。
9：PEG化精氨酸酶I：RP-V-J5K，RP-M2-J5K，RP-M3-J5K，RP-M4-J5K，RP-M7-J5K质谱图的合并图，显示利用mPEG-SPA 5000对精氨酸酶I进行PEG化反应，在上述反应条件下所形成的PEG化产物的分子量分布范围为：65KD-95KD，即每个精氨酸酶I分子带有6-12个分子量为5000的PEG分子。
实施例八：PEG化修饰的人精氨酸酶I的体内药代动力学及药效动力学检测
将上述以不同分子量大小以及不同位点上进行了定点PEG化修饰的人精氨酸酶I的蛋白溶液送彭立生物医药科技(上海)有限公司进行药代动力学研究，以单剂量尾静脉注射方式给予Sprague Dawley大鼠，剂量为3mg/kg。给药前及给药后2分钟，1，4，24，72，120，168和240小时眼眶静脉取血，检测血清内人精氨酸酶I和精氨酸的浓度。每个时间点取血0.4mL，转移至2mL离心管，样品在室温放置30分钟，然后再4℃，4000g条件下离心15分钟。
血清精氨酸酶I的检测采用双抗体夹心ELISA法(试剂盒购自上海依科赛生物制品有限公司)。抗人精氨酸酶I单抗包被于酶标板上，分别将样品及不同浓度标准品加入孔中(100μl/孔)，用封板胶纸封住反应孔，37℃孵育90分钟，样品或标准品中的人精氨酸酶I会与单抗结合成免疫复合物；洗板5次；加入兔抗人精氨酸酶I多克隆抗体(100μl/孔)，用封板胶纸封住反应孔，37℃孵育60分钟；洗板5次；加入辣根过氧化物酶偶联的羊抗兔IgG(100μl/孔)共同孵育30分钟；洗板5次；加入显色底物，避光孵育10-15分钟，最后加入终止液，混匀后测量OD450值。以二次方程拟合方式绘制标准曲线，通过样品的OD值计算血清内精氨酸酶浓度。使用WinnoLin软件的非房室模型分析药代动力学参数。结果如下表所示：各种不同分子量大小以及不同位点上进行了PEG化修饰的人精氨酸酶IA168/303-Y40K、A45/303-Y40K、RP-M3-J5K、RP-M2-J5K、RP-M4-J5K和RP-M7-J5K的主要药代动力学参数半衰期T1/2分别为：27.2±3.8，15.1±0.6，40.7±13.2，53.5±14.2，59.5±9.9，50.5±13.0小时。PEG化修饰的野生型人精氨酸酶I  RP-V-J5K的半衰期T1/2为43.8±4.4小时。
表1：PEG化修饰的人精氨酸酶I在大鼠体内单剂量注射药代动力学参数(平均值±标准偏差；n＝6)
Figure BDA0000144093330000221
血清中精氨酸浓度的检测采用高压液相色谱(Agilent 1200 HPLC)-API4000质谱联用仪进行。首先将上述离心后获得的大鼠血清(10μl)加入490μl去离子水稀释，取20μl稀释后的血清加入380μl乙腈，混匀后在转速为14,000rpm的条件下离心14分钟，取上清液用高压液相色谱-质谱联用仪进行检测。其中高压液相色谱柱采用Venusil HILIC/VH951002-0，流动相A为：0.1％TFA；流动相B为：95％乙腈；流速为：0.3mL/min。给药前及给药后2分钟，1，4，24，72，120，168和240小时所检测血清精氨酸浓度。结果显示当Sprague Dawley大鼠以尾静脉方式接受剂量为3mg/kg的PEG化精氨酸酶I时，尽管PEG化方式各有不同，但所有受试大鼠血清中的精氨酸在非常短时间(5分钟)内全部降低到低于检测限(0.5μg/mL)水平，并可以在一定时间内维持低精氨酸水平。随着时间的增加，大鼠血清中精氨酸的浓度慢慢回升，但回升的速度有所不同。单剂量注射A168/303-Y40K和A45/303-Y40K的大鼠，血清中精氨酸的浓度回升较快，在给药后72小时后已经恢复到给药前百分之十五至百分之二十，120小时后，A45/303-Y40K给药组已经恢复到接近给药前水平；相比较而言，RP-M2-J5K，RP-M3-J5K，RP-M4-J5K以及RP-M7-J5K这几种给药组，单剂量注射可以维持血清中精氨酸的浓度处于低水平的时间较长，在给药72小时后依然维持在给药前血清中精氨酸的浓度的百分之五以下。
本发明利用定点突变的方法对人精氨酸酶I氨基酸序列中的45，168和303位半胱氨酸进行了修饰，将其中一个，两个或三个半胱氨酸突变为其它氨基酸，特别是丙氨酸，得到了活性增强的人精氨酸酶。本发明的人精氨酸酶不存在可能具有潜在的有免疫原性的his-tag蛋白标签序列。另外，本发明提供了PEG化的人精氨酸酶，利用氨基反应性聚乙二醇对精氨酸酶N端或表面赖氨酸的ε-NH2或α-NH2进行修饰，从而大大增长了其在哺乳动物体内的半衰期，例如在大鼠体内血清中的半衰期可达到40-60小时。
Figure IDA0000144093400000011
Figure IDA0000144093400000021
Figure IDA0000144093400000031

Claims (13)

1.一种精氨酸酶，其特征在于，所述精氨酸酶为人精氨酸酶I，其由SEQID NO.1定义的氨基酸序列中第45，168和303位的半胱氨酸中的一个、两个或三个突变为非极性氨基酸。
2.权利要求1所述的精氨酸酶，其中所述第45，168和303位的半胱氨酸独立突变为丙氨酸、甘氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸或脯氨酸，最优选的，突变为丙氨酸。
3.权利要求1或2所述的精氨酸酶，其特征在于：
（1）所述精氨酸酶的第45，168和303位的半胱氨酸中的一个发生突变，优选的，第303位半胱氨酸突变，更优选的，突变为丙氨酸；
（2）所述精氨酸酶的第45，168和303位的半胱氨酸中的任意两个发生突变，例如第45位和第303位半胱氨酸突变，第168位和第303位突变，或第168位和第45位突变，优选突变为丙氨酸；或
（3）所述精氨酸酶的第45位、第168位和第303位半胱氨酸突变，优选突变为丙氨酸。
4.权利要求1-3中任一项的精氨酸酶，其中所述精氨酸酶的活性为至少大约500U/mg，优选至少大约700U/mg，最优选至少大约800U/mg。
5.一种聚乙二醇化的精氨酸酶，其特征在于，所述精氨酸酶如权利要求1-5中任一项定义，并经过聚乙二醇化修饰与聚乙二醇（PEG）分子结合。
6.权利要求5所述的聚乙二醇化的精氨酸酶，其中每分子所述聚乙二醇化的精氨酸酶结合的聚乙二醇分子的总分子量为约20-70K，优选为约30-60K。
7.权利要求5或6所述的聚乙二醇化的精氨酸酶，其中所述聚乙二醇分子的平均分子量为约2-40K，优选为5-20K、最优选为约5K。 
8.权利要求5-7中任一项所述的聚乙二醇化的精氨酸酶，其中所述聚乙二醇化是通过聚乙二醇修饰剂将聚乙二醇分子与精氨酸酶上的基团共价结合，所述聚乙二醇修饰剂包括与蛋白表面赖氨酸或N-端的ε-NH2或α-NH2结合的聚乙二醇修饰剂、与蛋白质上氨基酸的巯基或羧基偶联的聚乙二醇修饰剂，优选的，其中所述聚乙二醇修饰剂选自甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯（mPEG-SPA），mPEG-琥珀酰亚胺丁酸酯（mPEG-SBA），mPEG-琥珀酰亚胺琥珀酸酯（mPEG-SS），mPEG-琥珀酰亚胺碳酸酯（mPEG-SC），mPEG-戊二酸单酯-羟基琥珀酰亚胺酯（mPEG-SG），mPEG-酰胺-琥珀酸亚胺酯（mPEG-NHS），mPEG-三氟乙基磺酸酯(mPEG tresylate)和mPEG-醛(mPEG aldehyde)，更优选的，其中所述聚乙二醇修饰剂为甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯，优选为甲氧基聚乙二醇丙酸琥珀酰亚胺酯5000。
9.权利要求5-8中任一项所述的聚乙二醇化的精氨酸酶，其特征在于：
（1）其中所述精氨酸酶在SEQ ID NO.1定义的氨基酸序列第45，168和303位的半胱氨酸中的任意两个发生突变，各自独立突变为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸，更优选突变为丙氨酸，其中精氨酸酶结合的PEG分子平均分子量为5K，每分子聚乙二醇化的精氨酸酶带有的聚乙二醇分子为约4-13个，优选为6-12个；
或
（2）其中所述精氨酸酶在SEQ ID NO.1定义的氨基酸序列第45，168和303位的半胱氨酸各自独立突变为甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸，更优选突变为丙氨酸，其中精氨酸酶结合的PEG分子平均分子量为5K，每分子聚乙二醇化的精氨酸酶带有的聚乙二醇分子为约4-13个，优选为6-12个。
10.权利要求5-9中任一项的聚乙二醇化的精氨酸酶，其中所述精氨酸酶在血液或血清中的半衰期为至少0.5天，优选至少2.5天，最优选至少3.5天。
11.制备权利要求1-4中任一项的精氨酸酶或权利要求5-10中任一项的 聚乙二醇化的精氨酸酶的方法。
12.权利要求1-4中任一项的精氨酸酶或权利要求5-10中任一项的聚乙二醇化的精氨酸酶在治疗与精氨酸酶有关的疾病的药物中的用途，优选的，所述疾病选自高精氨酸血症和精氨酸依赖性的细胞增生或肿瘤，例如肝癌，黑色素细胞瘤，乳腺癌，小细胞肺癌，前列腺癌，淋巴癌或白血病。
13.一种治疗与精氨酸酶有关的疾病的药物组合物，其中含有权利要求1-4中任一项的精氨酸酶或权利要求5-10中任一项的聚乙二醇化的精氨酸酶，其中所述疾病选自高精氨酸血症和精氨酸依赖性的细胞增生或肿瘤，例如肝癌，黑色素细胞瘤，乳腺癌，小细胞肺癌，前列腺癌，淋巴癌或白血病。 
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