CN1060499A - 人的透明带蛋白质zp3 - Google Patents

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Abstract

本发明包括具有人ZP3活性或人ZP3抗原性 的一种新的多肽或其功能性衍生物。
本发明还包括所说多肽的抗原决定基,该多肽或 其抗原决定基的抗体,以及用于避孕的疫苗和在一种 合适寄主中表达该多肽的方法。

Description

本发明涉及一种具有人ZP3活性或至少部分具有人ZP3抗原性的多肽或其功能性衍生物。
在受精过程中,哺乳动物配子间的最初相互作用是由精细胞与环绕在雌性配子周围的透明带(ZP)上的种类特异性受体结合而引起的。ZP是一种胞外基质,它是由称为ZP1,ZP2和ZP3的三种糖蛋白组成,已鉴定出其中的ZP3是精子受体(reviewed  in  Wassarman,Development  108,1-17;1990)。
用猪和鼠ZP蛋白进行的大量体外和体内研究表明在以研究免疫避孕为目的的试验方案中ZP3是一种重要的靶抗原候选物(Henderson  et  al.,J.Repord.Fert.83,325-343;1988以及其中的参考文献)。最近通过用抗一鼠ZP3抗体筛选鼠卵巢cD-NA表达文库而进行鼠ZP3cDNA的克隆和定性表明向该目的迈出了重要一步(Ringuette  et  al.,Developmental.Biology  127,287-295;1988)。因此,ZP3  cDNA探针可用于分离相应的基因组ZP3  cDNA(Chamberlin  and  Dean,Developmental  Biology  131,207-214,1988;Kinloch  et  al.Proc.Natl.Acad.Sci.USA  85,6409-6413,1989)。
用由鼠ZP3氨基酸序列产生的寡聚肽免疫接种雌鼠后导致长期不育的研究结果加强了ZP3由于避孕的潜在能力(Millar  et  al.,Science  246,935-938;1989)。
由于ZP3精子受体具种类特异性因而鼠多肽不适用于男性的免疫避孕。而且,来自非人源的多肽在男性体内引起不期望有的免疫应答。因此,研制一种基于人精子受体(一部)分的安全和有效的避孕疫苗需要人ZP3多肽的可得性及其有关它的更多资料。
当然从雌配子中分离足够量的人ZP3多肽是不可能的。但是,我们已经成功地鉴定一个人基因且分析出它的序列。这项研究表明利用重组DNA技术或固相多肽合成方法而生产ZP3多肽和/或ZP3多肽片段具有可能性。因此,本发明包括一种至少编码了部分的人ZP3多肽的新的DNA分子。所说的DNA分子至少包括图2中显示的部分序列。
本发明还包括至少由上面所述DNA分子的部分序列编码的一种多肽。所述多肽至少包括显示于图2中的氨基酸序列的一部分。
当然,根据本发明得到的肽的功能性衍生物和该多肽的片段也包括在本发明范围内。功能性衍生物是指包括其中一个或多个氨基酸被一种化学结构相类似的氨基酸取代的多肽。当然关键是这些多肽仍显示人ZP3抗原性。即是说在施用后(可能与一种佐剂一起用)它仍能激发产生识别人ZP3的抗体。
本发明的多肽可以通过合成或重组DNA技术产生。生产合成多肽的方法在本领域内是已知的,不需要进一步详细描述。
利用重组DNA技术生产多肽是一种已知的一般性方法,但也有很大可能性会导致稍微不同的结果。所表达的多肽是由一个DNA序列编码或更精确地说是由一个核酸序列编码的。该核酸序列(有选择地)转录和转译成所要的多肽。为了达到目的,通过将该核酸序列克隆到一个载体上,用该载体转化一种寄主细胞。该载体能自我复制或者可以整合到寄主DNA上。
不同寄主细胞产生不同的多肽。原核生物不具有进行糖基化所必需的细胞器。由原核生物产生的多肽链将不带糖侧链。真核生物具有进行糖基化的机构,但酵母细胞具有与哺乳动物细胞不同的糖基化作用类型。
对于本发明所述的多肽,优选的表达系统是具有最“天然”的糖基化类型。为达到这个目的,哺乳动物细胞是最优选的。
我们也已经鉴定了可能具有避孕能力的人ZP3多肽上的抗原决定族。这些抗原决定基至少包括下述序列之一的一部分:
Figure 911092897_IMG8
类似这些序列的小多肽更容易通过合成方法生产。这些多肽也可以用相同或不同“抗原决定基”连接在一起而形成一个较大的更具抗原性的多肽。
本发明所有多肽的一个目的是要利用这些多肽生产一种避孕疫苗。免疫接种可以是被动或主动免疫。
对于主动免疫接种,将本发明的多肽(可能与一种佐剂一起)施用于女性。给药以后在女性体内产生一种免疫应答。在卵上产生识别人ZP3的抗体。这些抗体将特异性地与精子受体结合位点结合致使精子不能结合,或者该抗体通过位致障碍而阻止这种结合。被动免疫基本上以同样方式进行。但不是以该抗原或它的模拟物接种,而是直接以该抗原的抗体给药。因此必须得到抗本发明多肽的抗体。
这可以利用一种合适的哺乳动物的主动免疫接种而获得。经过合适的时间期间后收集该哺乳动物的B-淋巴细胞且通过融合或转化保持它的活性。这些方法是本领域内已知的。从保持活力的淋巴细胞培养物中分离抗体。
但是,利用动物来源的抗体存在一个问题。经过重复给药后,被接种的妇女体内产生一种抗体应答。因此优选的是利用人产生的抗体或是利用不引起免疫应答的抗体的较小区域。生产人抗体的方法如CDR-接技术是已知的(Jones  et  al.,Nature  321,522-525,1986)。生产对原始抗体的抗原仍具特异性的抗体片段的方法也是已知的(Udaka  et  al.,Molec.Immunol.27,25-35;1990)。避免对本发明多肽的抗体产生抗原性应答的另一种可能是利用人抗体或其片段或其衍生物。
人抗体可以通过体外利激分离的B-淋巴细胞产生,或者可以从用本发明的至少一种多肽免疫接种的女性中收集到的(是不灭活性)的B-淋巴细胞中分离得到。本发明的另一个目的是将ZP3多肽和它的抗体用作诊断测试盒。
现在已获得了一些人ZP3的抗体。它属于本领域内产生抗个体基因型抗体的技术,其中的抗体识别该抗体的抗原结合位点,因而是该抗原的一种“内部映像”。这些,抗个体基因型抗体作为疫苗和诊断目的也将是十分有用的。
在下面的实验部分显示人ZP3  DNA序列和人ZP3氨基酸序列的分离过程,以及表达具ZP3抗原性的一种重组多肽的方法,以及制备是这种免疫性的一种合成多肽的步骤。这些实施例仅是为了阐述发明而不应作为本发明范围的限制。
实施例
材料和方法
所有重组DNA操作基本上是按照本身已知(Sambrook  et  al.,Molecular  Cloning,a  laboratory  manual,2nd  edition.CSH-laboratory  press,1989)的方法进行的。
限制性酶和DNA修饰酶按照供应厂商的介绍使用。
一个人卵巢gtlo  cDNA库是从Stratagene购买的。
寡聚核苷酸的合成
寡聚核苷酸是在Applied  Biosystems  381A  DNA合成仪上制备的,可直接用于克隆目的。
肽合成
根据Fields和Noble描述的方法(Int.J.Pept.prot.Res.35,160-214;1990)采用固相肽合成法生产寡聚肽,合成下列的ZP3肽:(氨基酶以3个字母的代码表示)
抗体生产
用各种抗原激发产生多克隆抗体:
-全人透明带。将贮存于盐中的人透明带加热溶解且与弗氏佐剂混合用于兔子免疫接种。在用猪ZP-旦白包被的ELISA平板上分析抗血清的滴定度。
-βGal-ZP3融合蛋白。基于它的不溶性从超声波处理的细菌中部分纯化这种融合蛋白,再利用SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)分离。通过电吸印后将该蛋白质转移至硝基纤维素膜上。将携带该杂交蛋白的区域剪切下,溶于DMSO中。按1∶1的比例将该溶液与弗氏佐剂混合,用于兔子免疫接种。
-CHO产生的ZP3。按照类似的方法利用中国仓鼠卵巢(CHO)细胞制备ZP3旦白。采用SDS-PAGE法分离浓缩的培养物介质。剪下40-60千道尔顿区域,用于免疫接种鼠。
-寡聚肽。通过物理方法将合成的肽连接到钥孔
Figure 911092897_IMG10
血蓝蛋白(KLH)上,并注射于兔。对照兔仅用KLH接种。在用肽包被的ELISA微滴板上筛选血清。
人卵细胞荧光分析
贮存于盐中的未受精的人卵细胞(按IVF程序用精细胞保温48小时后)用抗血清(用A缓冲液[PBS+5%BSA]稀释1∶50)一起保温。洗涤三次后,将卵与第二抗体(结合于FITC的猪抗兔或鼠,用缓冲液A稀释1∶100)一起保温,在37℃保温1小时。再经过三个洗涤步骤后,用Nikon显微镜和曝光分析仪测量荧光。未染色(阴性)对照卵在一个长时间曝光后显示黑暗,而阳性的已染色透明带需较短曝光时间。
人精子-透明带结合试验
用兔血清与人卵细胞(见上文)一起保温,用缓冲液(BWW+3%BSA)洗涤三次,用缓冲液(对照)或抗体(未稀释,37℃1小时)与人卵一起保温,洗涤3次后,加入人正常精子微滴(107精子/ml,37℃,16小时)。通过重复吸移去除卵细胞上松散粘附的精子。固定已结合的精子,用含1%戊二醛和Hoechst(H33258,20g/ml)的BWW染色,用荧光显微镜计数已结合的精子数。
结果
合成和构建一种鼠ZP3探针
通过装配8个合成的寡聚核苷酸(27-51聚基体)构建一个135bp的鼠ZP3探针。在含有鼠基因外显子5和6部分(771-909位点,Ringuette  et  al.,Developmental  Biology  127,287-295;1988)的该片段上安装独特一的5’BamHI和3’HindⅢ限制性位点,将该片段亚克隆于pGEM3(promega)。随后验证它的核苷酸序列。
人ZP3基因的克隆和定性
32p-标记的ZP3探针(上文描述的135bp片段)筛选一个人基因组EMBL3文库。三个重迭的EMBL克隆显子具有强烈的杂交反应,对此进行更详细的定性。这些克隆的一个有限的形态图描绘于图1中。将克隆I1和D1的限制性片段亚克隆于pGEM载体和MBmp18/19中,用于鉴定人基因的基因组特性。这一过程包括通过用32p-标记的从鼠ZP3序列得到的寡聚核苷酸进行Southern吸印试验而对外显子进行定位然后进行序列分析。如在图1中证明的,该人基因是由分布在基因组DNA的约为20kb上的8个外显子组成。已鉴定的所有外显子以一致的剪接供体和剪接受体信号(未显示)作为侧面序列。从所有外显子的序列分析结果可推导出ZP3基因的全部编码序列(表示于图2中)。该人ZP3基因编码一个含372个氨基酸的多肽,计算得出其分子量为41437道尔顿。
人ZP3  cDNA的克隆
32p-标记的来自人ZP3外显子1和5,7的片段筛选一个人卵巢cDNA文库(gt10)。该文库产生几个部分cDNA链,它们仅含有ZP3编码序列的3’端一半序列(外显子5-8)。对3个单独的cDNA克隆进行序列分析证实了先前曾测定的基因组ZP3序列,但外显子7中的一个残基不同(见图2)。在基因组和cDNA中第1064位核苷酸分别为G和C残基。在所编码的氨基酸序列中,该残基的不同导致在第345位上分别产生一个精氨酸或一个芳氨酸残基。这种序列差异可能代表人ZP3基因和多肽的多态性。
在CHO细胞中表达重组ZP3
为了在CHO细胞中表达,缩短ZP3基因的大小以便能插入到哺乳动物表达载体中。已将各种ZP3  DNA片段装配成一个“小基因”(表示于图3中)。利用PCR技术(Horton  er  al.,Gene77,61-68,1989;Yon和Fried,Nucl.Acids  Res.17,4895,1989)将外显子1和2连接,并分别安装5’EcoRI和3’XbaI位点。随后,将该DNA片段与携带外显子3和4以及部分5的基因组XbaI-SalI片段以及含有SalI-HindⅢ片段上的外显子5-8的部分CDNA相连接。得到的2.7kb“小基因”含有一个位于外显子2和3之间截短了的内含子以及位于ZP3外显子3和4以及外显子4和5之间的天然内含子。该ZP3构建物的编码多肽的全部核苷酸信息通过序列分析完全得到验证。
随后将该ZP3“小基因”插入到一个哺乳动物表达载体中,在该载体中ZP3基因是由强大的SV40早期启动子启动的。另外,该载体含有用于基因表达后进行正确的RNA加工过程所需的β-球蛋白连接信号和SV40多聚腺苷化信号以及编码氨基糖磷酸转移酶(该酶的存在可以分离对G418具抗性的稳定转化体)的选择性标记基因(Colbere-Garapin et al.,J.Mol.Biol.150,1-14,1981)。利用磷酸钙沉淀技术(Graham and Van der Eb,Virology 52,456-467,1973;Wigler et al.,proc.Natl.Acad.Sci USA76.1373-1376,1979)用该ZP3表达性构建物转染CHO细胞。分析所有对G418具抗性的转化体(相当于300-500单独的克隆)中重组ZP3基因的表达。如图4中证实的,用一个32p标记的ZP3探针进行的从收集的转化体分离的总RNA的Nortbern吸印分析结果表明已转染的ZP3基因进行相对高水平的表达(与高水平表达的肌动朊基因相比,未显示)。而且,证明小基因RNA正确地加工成为mRNA,该mRNA比人卵巢RNA中存在的天然转录产物稍微大一点(见图4)。该大小的差异很可能是由于表达载体中存在的5’和3’侧面序列引起的。
从对G418具抗性的CHO转化体中分离携带外显子1-5的部分cDNA而进一步证实重组基因的正确拼接和加工。该cDNA序列的资料类似于已转染的DNA且支持了该内含子是从ZP3小基因转录产物中正确拼接得到的结论。
利用Western吸印分析检测生长所有转化体群的培养基中存在的重组ZP3多肽。用抗脱糖基化的猪ZP3的多克隆抗血清(Henderson  et  al.,Gamete  Research  18,251-265,1987)能检测培养基中的重组ZP3多肽。在未转染的CHO细胞的培养基中不存在该信号。
在E.coli中表达重组体ZP3
为了在大肠杆菌中表达,首先利用一个覆盖了外显子1-5的cDNA片段(采用PCR法从CHO转化体中分离到)和从一个人卵巢cDNA文库中分离到的部分的cDNA的克隆(含有外显子5-8)构建一个完整长度的ZP3  cDNA。将四个ZP3  cDNA片段克隆至pEX-质粒(Biores)中的E.coli  LacZ基因的框架内,从而可以产生一个β-半乳糖苷酶-ZP3融合多肽,如Stanley和Luzio报道的那样(EMBOJ.3,1429-1434,1984)。在大肠杆菌中表达的融合多肽可用SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)和Western吸印分析法检测。这些实验的结果表示于图5中。在热振荡诱导后所有四个LacZ-ZP3构建物产生融合多肽,尽管程度比LacZ基因小得多。如在考马斯亮蓝染色的凝胶(见图5A)上观察到的,该杂文多肽的分子量与被表达的ZP3部分相一致。这一结果进一步由用抗β-半乳糖苷酶抗体(未显示)和ZP3的341-360位氨基酸片段与KLH结合后产生的兔抗血清进行的Western吸印分析试验所证实(图5B)。该抗血清仅识别携带这一氨基酸区域的融合多肽,即.ZP3-A和ZP3-D。抗KLH的抗血清产生结果相似于图5B中的染色背景(未显示)。另外,抗全人透明带的抗血清识别βGal-ZP3融合多肽(未显示)。
ZP3抗体与人卵细胞结合
进行人卵细胞荧光分析试验以鉴定各种ZP抗体与人透明带的结合特性。三个不同实验的结果描绘于图6中。抗KLH的血清和一种正常鼠血清没有产生染色荧光而用抗各种ZP成分的所有抗血清的试验可观察到强到中等水平的荧光。从提供的资料可推导出抗ZP3(93-110),ZP3(172-190),ZP3(327-344),ZP3(341-360)和ZP3(362-372)的抗血清能识别人卵母细胞。
在精子-卵识别过程中ZP抗体的作用
在人精子-透明带结合试验中分析ZP3抗体的避孕能力。该试验的结果表示于图7中。抗全人透明带的抗体显示可抑制75%的精子-透明带结合。抗KLH的一种抗血清不干扰精子-卵的结合。相反,ZP3-肽抗体的混合物(肽:ZP3(93-110),ZP3(172-190),ZP3(341-360)和ZP3(362-3721)显示出35%的精子结合相对抑制率。抗CHO细胞产生的重组ZP3的抗体减少55%的精子结合。
附图的描述
图1.
EMBL克隆I1,D1,和E1(CA)的限制性图谱以及人ZP3基因的基因组结构。用黑色的方块表示外显子。限制性位点:S,SalI;B,BamHI。
图2
人ZP3的核苷酸和氨基酸序列。在基因组和cDNA的1064位点上分别存在一个G或C残基。这种明显的多态性产生一个Thr或Arg氨基酸残基。箭头表示外显子的接合点。外显子数表示于圆圈中。下面划线的为聚腺苷化信号。
图3
用于插入于哺乳动物表达载体中的大小减少的ZP3基因。将下面的三个片段装配成一个2.7kbZP3“小基因”:A,采用PCR法将外显子1和外显子2结构互相连接后产生的一个EcoRI-XbaI片段;B,含有外显子3,4和部分外显子5的一个基因组XbaI-SalI片段;C,含有外显子5-8的一个SalI-HindⅢZP3cDNA片段(已安装了人为制造的3’BamHⅠ和HindⅢ位点)。将这三个片段克隆于用EcoRI和HindⅢ切开的pGEM载体(promega),随后作为一个2.7kb的EcoRI-BamHI片段被放置于一个哺乳动物表达载体的SV40启动子后面。
图4
在由ZP3DNA转染的CHO群体中得到的总RNA(15g)和由人卵巢得到的多聚(A)+RNA(5g)中检测ZP3mRNA。泳道1,CHO;泳道2,CHOZP3转化体;泳道3,人卵巢。用pGEM3总的ZP3 cDNA作为探针。
图5
在携带具有人ZP3cDNA插入物的pEX质粒的大肠杆菌pop2136菌株中生产βGal-ZP3融合多肽。
A.考马斯亮蓝染色聚丙烯酰胺凝胶(10%)以及B。用抗ZP3-341-360的抗血清(1∶150稀释)进行的Western吸印试验。从左至右将下列样品装载于凝胶上(-,诱导前;+诱后2小时):对照pEX;pEX-ZP3A(KpnI-BamHI片段;总cDNA);pEX-Ep3B(KpnI-SalI片段;在编码1-241位氨基酸的外显子5处截断的cDNA);pEX-ZP3C(KpnI-SphI片段;在编码1-102位氨基酸的外显子1的末端被截断的cDNA),pEX-ZP3D(SmaI-BamHI片段;编码257-372位氨基酸的外显子5+外显子6,7和8的3’端一半序列)。分子量(M)标准物在最左端(以KDal表示)。在30℃生长细菌直至OD600=0.5-1,随后在42℃诱导2小时。取等分试样,离心,分析总细胞裂解物。
图6
不同抗体(见材料和方法部分)与人卵细胞的结合情况。用一个曝光分析仪测量用FITC标记的第二抗体的量,表示为对照的百分数(100%=黑暗,0%=卵细胞的荧光)。1:对照;2:抗人透明带的抗血清;3:抗KLH的抗血清;4-8:抗ZP3(93-110),ZP3(172-190),ZP3(327-344),ZP3(341-360)和ZP3(362-372)的抗血清;9:抗β-Gal-ZP3的抗血清;10:用重组CHO产生的ZP3免疫接种的3只小鼠的血清混合物;11:3只对照小鼠的血清混合物。列出了以对照的百分数表示的平均曝光时间和标准平均误差。
图7
用抗-ZP3抗体(见材料和方法部分)抑制精子-透明带的结合。1:对照;2:抗KLH的抗血清;3:抗人透明带的抗血清;4:抗ZP3(93-110),ZP3(172-190),ZP3(341-360)和ZP3(362-372)的抗血清混合物;5:由重组CHO产生的ZP3免疫接种的3只小鼠的血清混合物。列出了总透明带上结合的精子的平均数以及标准平均误差。

Claims (15)

1、具有人ZP3活性或至少部分具有人ZP3抗原性的纯多肽或其功能性衍生物。
2、根据权利要求1所说的多肽,其特征在于它是由重组方法产生的。
3、根据权利要求1或2所说的多肽,其特征在于至少包括下列序列的一部分:
Figure 911092897_IMG1
Figure 911092897_IMG2
4、根据权利要求1、2或3所述的多肽,其特征在于该多肽至少部分糖基化。
5、根据权利要求3或4所述的多肽,其特征在于该多肽至少包括下列序列之一:
Figure 911092897_IMG3
Figure 911092897_IMG4
6、具有人ZP3活性或至少部分具有人ZP3抗原性的多肽,其特征在于该多肽至少包括下列序列的一部分:
Figure 911092897_IMG5
7、至少编码了权利要求1-6的多肽一部分的核苷酸序列。
8、根据权利要求7所述的核苷酸序列,其特征在于该序列至少包括下列序列的一部分或其功能性衍生物:
Figure 911092897_IMG6
Figure 911092897_IMG7
9、一种含有权利要求7或8所说的核苷酸序列的载体。
10、一种含有权利要求9的核苷酸序列,或权利要求7或8的一个序列的寄主细胞。
11、一种药物组合物,其特征在于含有权利要求1-6的任一项的多肽。
12、一种免疫避孕疫苗,其特征在于含有权利要求1-6中的任一项的一种多肽和一种佐剂。
13、一种免疫避孕疫苗,其特征在于含有识别权利要求1-6中任一项的多肽的一种抗体。
14、生产权利要求1-4中任一项的一种多肽的方法,其特征在于用含有编码这样一种多肽的核苷酸序列的载体转化一种寄主细胞,并在合适的培养基中培养所说的寄主细胞,从培养物中分离该多肽。
15、生产抗权利要求1-6中任一项的多肽的一种抗体的方法,其特征在于用所说的多肽和一种佐剂注射一种合适的动物,在合适的时间期间后收集所说动物的B-淋巴细胞,筛选生产抗体的细胞,维持其活性,然后培养这些细胞,从培养物中分离抗体。
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