CN114269932A - 肉毒神经毒素的安全制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将肉毒毒素制备成多个片段后重新组装以安全生产的方法,本发明提出将肉毒毒素的轻链和重链分割为2个至3个碎片并分别生产为片段后组合为全长毒素的方法,从而可以克服生产中因毒性引起的高复杂性、低安全性及经济性,能够利用细菌以可溶性形式生产,与现有的生产方法相比,具有显著缩短生产时间的效果,生产的片段也能够与其他蛋白质及纳米粒子等接合,从而可以提高毒素在医药学上的延伸性。

Description

肉毒神经毒素的安全制备方法
技术领域
本发明涉及一种将肉毒毒素制备成多个片段后重新组装以安全生产的方法。
背景技术
肌肉的上层有用于调节肌肉的松弛和收缩的神经肌肉接头(neuromuscularjunction),该神经末梢(nerve terminal)装载有突触小泡。肌肉通过接收从一种神经细胞内部传递的神经递质的信息来收缩,为了以如上所述的方式释放神经递质,需要由可溶性N乙基马来酰亚胺敏感性因子附着受体(SNARE,soluble n-ethylmaleimide-sensitive-factor attachment receptor)蛋白形成复合物来使神经递质与肌肉对接。具体地,当释放神经递质时,装有神经递质的突触小泡需与突触前膜融合才能够在二者之间形成通路,在此情况下,膜融合的原动力是由以三种蛋白质的复合物形式存在的SNARE提供的。尤其,通过突触小泡与突触前膜之间的融合打开释放神经递质的通路。附着于靶膜(targetmembrane)且作为突出融合蛋白(Syntaxin)1a蛋白与SNAP-25蛋白的复合物的t-SNARE复合物、附着于小泡的v-SNARE参与其中,这些SNARE蛋白像麻花一样缠绕在一起。上述膜融合时引起本发明所属技术领域公知的脂质双分子层(lipid bilayer)的重排。生物膜之间在物理上相互强烈排斥,因此这些膜不能自发地融合,而是需要施加强大的外力来克服膜之间的排斥力,在此情况下,产生能够战胜膜之间排斥力的强力的是SNARE蛋白。即,SNARE复合物的形成是克服膜之间排斥力的力量源泉,是包括释放神经递质在内的胞吐作用(exocytosis)的核心现象(Weber et al..,Cell,92,759-772(1998))。相反,若SNARE的接合与缠绕过程未完全结束,则膜融合失败,神经递质的释放因此而无法实现,最终使肌肉的运动消失。此过程意味着可以预防因经常使用的肌肉而产生的皱纹的生成,还可以改善已形成的皱纹。即,可以通过抑制形成SNARE的功效来抑制因肌肉的运动而生成的皱纹并改善已生成的皱纹。另一方面,包围汗腺周围的肌细胞的收缩起到刺激汗腺来排出汗液的作用。这些汗腺周围肌细胞的收缩也由从神经细胞释放的神经递质引起。肌细胞-神经接头上的过度的神经递质的释放会诱发汗液的过多分泌,这种病症称为多汗症(hyperhidrosis)。因此,抑制存在于上述肌细胞-神经接头上的神经元内的SNARE复合物的形成可以治疗或缓解多汗症的症状。SNARE(Soluble Nethylameimide-sensitive factor Attachment ProteinReceptor;SNAP Receptor)蛋白为存在于酵母及哺乳动物细胞的由60个以上的成员组成的大型蛋白质超家族,SNARE蛋白的主要作用是介导突触小泡融合(vesicle fusion)。即,附着于溶酶体等区室(compartments)上的SNARE蛋白介导靶膜与小泡的融合。作为具体例,SNARE在神经细胞中参与突触前膜(presynaptic membrane)与突触小泡(synapticvesicle)的结合(对接(docking))。
以上述SNARE为靶标的代表性的物质有诱发肉毒食物中毒(botulism)及破伤风(tetanus)的细菌神经毒素(bacterial neurotoxin)等。肉毒毒素由作为厌氧性革兰氏阳性菌的肉毒杆菌(Clostridium botulinum)生成,是毒性很强的多肽类神经毒素。这种神经毒素会在人类及动物中诱发神经麻痹疾病。肉毒杆菌虽在土壤中发现,但也可以在未经准确杀菌处理后密封的食品容器中培养。已知肉毒毒素对胆碱性运动神经元具有很高的亲和度,进入神经元后抑制乙酰胆碱的突触前释放。若摄取肉毒毒素,则会出现多种障碍,例如,会出现步行障碍、吞咽障碍及语言障碍,甚至会因呼吸肌麻痹引起死亡。以摩尔量为基准,肉毒毒素的致死率是白喉(diphtheria)的18亿倍、氰化钠(Sodium cyanide)的6亿倍、眼镜蛇毒素(cobrotoxin)的3千万倍、霍乱(cholera)的1千2百万倍(Singh,Critical Aspectsof Bacterial Protein Toxins,page 63-84(chapter 4)of Natural Toxins II,editedby B.R.Sigh et al.,Plenum Press,New York(1976))。例如,源自肉毒杆菌(Clostridiumbotulinum)的神经毒素是被称为“肉毒毒素”的药物的主要成分,虽然已知上述肉毒毒素主要用于消除皱纹等以美容为目的的手术,但也用于治疗斜视、眼睑痉挛、声带障碍、斜颈、心肌障碍、溃疡及胃酸反流性疾病、食欲降低、胰腺疾病、妊娠纹、急迫性尿失禁、肛裂、小儿麻痹、肌肉痛、臀部畸形、多汗症、腰痛、颈痛、慢性头痛、脑神经障碍等许多与神经递质的分泌和/或肌肉相关的疾病。具体地,肉毒毒素通过作为其主要成分的神经毒素特异性地作用于存在于神经细胞的SNARE后阻碍复合物的形成来抑制膜融合,从而阻断神经递质的释放。由此,通过抑制肌肉的运动或交感神经或副交感神经系统来表现出对上述疾病的治疗效果。
上述肉毒神经毒素(botulinum neurotoxin,BoNT)蛋白大体分为重链(heavychain,HC,约100kDa)和在神经细胞内带来切割SNARE复合物形成蛋白的酶活性的轻链(light chain,LC,约50kDa)两部分,其中,重链进一步分为具有识别和结合神经细胞功能的部分(受体结合域,receptor binding domain,RBD或HC)和具有使轻链部分向神经细胞质移动的功能的部分(易位域,translocation domain,HN)。当肉毒神经毒素吸附于突触前膜凹入细胞内而被细胞吸收时,从突触前膜形成小泡来被吸收。为了使肉毒神经毒素阻碍SNARE复合物的形成,需要从小泡内腔逃逸到细胞质的过程。在此情况下,从细胞中向细胞质移动肉毒神经毒素轻链的部分为重链的易位域(translocation domain)。当小泡内的pH减少时,上述易位域内的α-螺旋(helices)在小泡膜形成通道,轻链通过上述通道向细胞质方向移动后,与重链的二硫键被硫氧还蛋白还原酶断裂,从而在细胞质内以被激活的形式存在。并且,上述毒素蛋白以单链在细菌中释放后,在自身蛋白酶的作用下分为双链并通过二硫键重新连接两条链,从而以约150kDa的大小存在。由于从细菌释放出的单链需要断裂后重新连接的过程,因此收率低,必然会增加生产成本。并且,由于是生产毒素,因此用在获得许可及安全设备的费用非常高。并且,当因事故或失误而泄漏时,会给环境及人体带来巨大的损害,这是因为在能够增殖的一个细胞内包含编码毒素的所有基因。
另一方面,在自然界中筛选出生产肉毒神经毒素的菌株是非常困难的过程。需探索生产所需类型毒素的菌株,而且它还必须是具有充分的生产性的菌株。并且,在除肉毒杆菌之外的重组大肠杆菌中生产全长毒素的方法也非常困难。首先,很难将150kDa大的蛋白质在大肠杆菌细胞中以可溶性的方式表达。许多蛋白质在大肠杆菌中表达时表达为不溶性的包涵体。并且,肉毒神经毒素存在有链间(interchain)及链内(intrachain)二硫键,但已知在大肠杆菌的细胞内不形成二硫键。同时,必须准确切割轻链和重链,否则切割其他位点会被切割而生产灭活的毒素。
为了解决这些问题,本发明中提出了通过基因重组技术分割肉毒神经毒素来生产的方法。已知肉毒神经毒素的碎片(即,一部分区域)其自身是没有毒性的。若利用基因重组技术生产编码肉毒神经毒素的碎片蛋白的基因(即,全部肉毒神经毒素基因的一部分),则每个重组细胞和每个重组蛋白都没有毒性且可以安全生产。然而,这种技术是只有在具有能够重新有效连接被分割的肉毒神经毒素的方法时才能够采用的生产方法。若不能重新接合成全长毒素,则只能以灭活的片段形式存在,因此无法恢复作为毒素的功能性。为此,可以随即考虑的方法为分割生产轻链和重链后形成二硫键的方法。可以在互不相同的细胞中单独表达轻链和重链并纯化后诱导两条链之间的二硫键,然后纯化全长毒素。但是,首先这种方法中的重链在大肠杆菌内不表达为活性型,因此具有很大的困难。(Zhou Y.,SinghB.R.Protein Expr.Purif.2004;34:8-16.;Band P.A.,Blais S.,Neubert T.A.,CardozoT.J.,Ichtchenko K.Protein Expr.Purif.2010;71:62-73.)。并且,在试管内很难快速准确地在轻链与重链之间形成二硫键,不但收率低而且还需要额外的纯化工序,因此在经济上没有好处。更重要的是,由于难以形成二硫键,导致原本作为分割生产的最大优点的对安全设施的依赖再次出现。因此,有效地将分割片段的毒素蛋白重新接合为全长毒素的技术的导入也至关重要。
因此,本发明旨在提出有效分割毒素蛋白的生产方法,并结合有效的片段接合过程来完成与既经济又安全的肉毒神经毒素生产有关的本发明。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于,提供用于生产肉毒毒素的质粒。
并且,本发明的目的在于,提供由用于生产肉毒毒素的质粒转化的宿主细胞。
并且,本发明的目的在于,提供肉毒毒素的片段。
并且,本发明的目的在于,提供全长肉毒毒素。
并且,本发明的目的在于,提供用于改善或治疗神经相关病症的药物组合物。
同时,本发明的目的在于,提供肉毒毒素的生产方法。
解决问题的方案
为了解决上述问题,本发明提供编码肉毒毒素的片段的用于生产肉毒毒素的质粒。
并且,本发明提供由上述质粒转化的宿主细胞。
并且,本发明提供利用上述用于生产肉毒毒素的质粒生产的肉毒毒素的片段。
并且,本发明提供混合上述肉毒毒素的片段生产的全长肉毒毒素。
并且,本发明提供包含上述肉毒毒素作为有效成分的用于改善或治疗神经相关病症的药物组合物。
同时,本发明提供生产肉毒毒素的片段后混合它们来生产全长肉毒毒素的肉毒毒素的生产方法。
发明的效果
本发明提出将肉毒毒素的轻链和重链分割为2个至3个碎片并分别生产为片段后组合为全长毒素的方法,从而可以克服生产中因毒性引起的高复杂性、低安全性及经济性,能够利用细菌以可溶性形式生产,与现有的生产方法相比,具有显著缩短生产时间的效果,生产的片段也能够与其他蛋白质及纳米粒子等接合,从而可以提高毒素在医药学上的延伸性。
附图说明
图1a及图1b示出本发明的肉毒毒素的片段及利用其组装全长肉毒毒素的过程。
图1a:肉毒毒素中LC、HC的TD(HN)及HC的RBD(HC)部分。
图1b:现有的肉毒毒素生产方法与本发明的肉毒毒素片段(2片段/3片段)的生产过程的比较。
图2a及图2b为示出利用本发明的编码肉毒毒素的片段的质粒(图2a)及本发明所使用的质粒的载体图(图2b)和利用其生产的片段的图。
图3为示出利用本发明的肉毒毒素片段生产全长肉毒毒素的过程的图。
左:二分法。
右:三分法。
图4为确认本发明的肉毒毒素的片段(LC、HN及HC)在大肠杆菌中的表达的图。
图5a至图5c为确认本发明的肉毒毒素的片段(能够连接为全长毒素的TEV-LC、CfaC-HC及HN-CfaN)在大肠杆菌中的可溶性表达及纯化的图。
图6a至图6d为确认本发明的肉毒毒素的2分割片段(能够连接为全长毒素的LC-HN-CfaN的3种类型)在大肠杆菌中的可溶性表达及纯化以及示出LC-S-S-HN-CfaN的形成原理的图。
图7为确认分割片段重新接合为全长毒素的图。
图8a及图8b是为了确认内含肽反式剪接而确认替代肉毒分割片段的替代模型(Surrogate model)在大肠杆菌中的可溶性表达及纯化的图。
图9a至图9i为设定本发明的肉毒毒素的分割片段与替代模型之间的摩尔浓度比例后,在有无还原条件及使用还原剂的情况下比较并确认各比例的内含肽之间的蛋白质反式剪接反应。
图10为确认本发明所使用的轻链是否对SNAP-25蛋白具有切割活性的图。
具体实施方式
以下,参照附图并通过本发明的实例详细说明本发明。但是,下述实例仅为例示本发明而提出,本发明不限定于这些实例,当判断为对本发明所属技术领域的普通技术人员所熟知的技术或结构的具体说明有可能不必要地混淆本发明的主旨时,将省略其详细说明。本发明可以在随附的发明要求保护范围及由此解释的同等范畴内进行多种变形及应用。
并且,本发明所使用的术语(terminology)是为适当表达本发明的优选实施例而使用的术语,这些术语可因使用人员、运用人员的意图或本发明所属技术领域的惯例而变化。因此,这些术语应以本说明书的全部内容为基础来定义。在说明书全文中,当说某部分“包括”某结构要素时,若无特别相反的记载,则不应理解为排除其他结构要素,而是指还可以包括其他结构要素。
若无其它定义,则本发明所使用的所有技术术语以本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义来使用。并且,本说明书中虽然记载了优选的方法或试样,但与之类似或同等的方法或试样也包括在本发明的范畴内。本说明书中作为参考文献来记载的所有刊物的内容都并入本发明中。
在一方面,本发明涉及编码肉毒毒素的片段的用于生产肉毒毒素的质粒。
在一实例中,肉毒毒素的片段可以为轻链(LC)、重链的易位域(Translocationdomain,HN)、轻链及重链的易位域(LC-HN),或者重链的受体结合域(Receptor bindingdomain,RBD或者HC)。
在一实例中,肉毒毒素可以包括肉毒神经毒素A型、B型、C型、D型、E型、F型或G型,优选为A2型肉毒神经毒素。在本发明的一实施例中,使用了肉毒神经毒素A型Q45894,但可以采用多种类型(Type)的肉毒神经毒素。
在一实例中,肉毒毒素的轻链可以包含序列1的氨基酸序列,肉毒毒素的重链的受体结合域可以包含序列2的氨基酸序列,肉毒毒素的重链的易位域可以包含序列3的氨基酸序列。
本发明的肉毒毒素的轻链为埋于结构中心的活性位点的金属蛋白酶(metalloprotease),具有在HExxH模体附着Zn2+来识别并切割VAMP/synaptobrevin、SNAP-25及syntaxin之类的SNARE蛋白的活性(chiavo et al.,1992b,c)。
本发明的肉毒毒素的重链的大小约为100kDa,通过与轻链二硫键合来组成全长毒素,选择性地与胆碱能神经元的突触膜所具有的高亲和度的受体结合,通过胞吞作用(endocytosis)来使毒素进入神经元内。重链分为两种50kDa的易位域及受体结合域。
本发明的肉毒毒素的HN结构域称为易位域(Translocation domain),使轻链在细胞基质内通过内细胞小泡(vesicle)的膜来易位,HC结构域则使胆碱能神经末梢与毒素强力结合(Dolly et al.,1984;Binz and Rummel,2009;Rossetto et al.,2014)。
本发明的上述肉毒毒素的片段没有毒性,可以克服现有的肉毒毒素生产/制备方法上的高复杂性、低安全性及经济性。
在一方面,本发明涉及由本发明的质粒转化的宿主细胞。
在一实例中,宿主细胞可以为大肠杆菌。
本说明书中使用的术语“宿主细胞”是指导入一个以上的脱氧核糖核酸(DNA)或载体的真核或原核细胞,应理解为不仅指特定对象细胞,还指其后代或潜在的后代。虽然会因突变或环境影响在其后代中出现突变而使后代与其亲代细胞不相同,但仍包括在本说明书中所使用的上述术语的范畴内。
虽然现在有很多有关轻链的可溶性表达的报告,但重链不能以可溶性方式来表达,因此,在重链的情况下,需通过重新折叠工序来再生并需要通过添加表面活性剂等来稳定化的过程。重新折叠工序很慢且收率很低,以这种方式生产的重链只有与轻链形成二硫键才能制备全长毒素。二硫键的形成过程也很漫长,并且不准确。由于肉毒毒素中有多个半胱氨酸残基会妨碍二硫键的准确形成,因此,以很低的收率缓慢制备的全长毒素需要额外的纯化工序。因此,在本发明中,作为在重组大肠杆菌中以可溶性表达毒素片段的分割方法,提出一种将肉毒毒素的轻链部分和重链部分的易位域的两部分结合而成的蛋白质复合物“LC-HN”作为一个片段(第一片段),并将重链部分的受体结合域部分作为另一个片段(第二片段)(二分法)来分离的方法,从而可以在大肠杆菌中以可溶性的方式生产每个片段。并且,提出在分别纯化LC、HN及HC后通过重新接合来生产全长毒素的方法(三分法),从而可以不使用蛋白切口酶。并且,为了同时实现二分法和三分法的优点,利用duet载体使LC、HN在同一菌内同时表达,使得LC-S-S-HN(LC与HN通过二硫键连接的双片段的复合物蛋白质)的切割位点已经被去除的状态下自然地形成二硫键,因此不需要经过利用蛋白切口酶的LC-HN的切割工序。
在本发明中,二分法为利用作为分别附着有分割生产的LC-HN-CfaN及CfaC-HC内含肽(intein)的CfaN与CfaC之间的蛋白质反式剪接(protein trans-splicing)来接合的方法,是利用胰蛋白酶等去除LC-HN-CfaN之间的切割位点(cleavage site)来激活毒素,去除并洗脱(elution)酶,并经过CfaC-HC纯化过程后,放入分别含有LC-HN-CfaN及CfaC-HC的溶液中自然地引起蛋白质反式剪接来生产完整的肉毒神经毒素的方法。在本发明中,虽为蛋白质反式剪接而使用了Cfa内含肽,但不限于此。
在本发明中,三分法为分割生产TEV-LC、CfaC-HC及HN-CfaN后结合的方法,其为首先使TEV-LC及Hn-CfaN发生二硫键合来形成LC-HN的形式,纯化其与CfaC-HC后,与分别含有LC-HN-CfaN及CfaC-HC的溶液混合而自然地引起蛋白质反式剪接来生产完整的肉毒神经毒素的方法。在此情况下,可以利用Duet载体使LC与HN在一个细胞内同时表达来诱导LC-S-S-HN复合物的生成。
在一方面,本发明涉及利用本发明的用于生产肉毒毒素的质粒生产的肉毒毒素的片段。
在一实例中,肉毒毒素的片段可以为轻链(LC)、重链的易位域(HN)、轻链及重链的易位域(LC-HN)或者重链的受体结合域(HC),轻链与重链之间的酶切割位点可以为通过TEV或胰蛋白酶(Trypsin)等特定的酶切割的位点,片段中可附加有内含肽、亲和性标签或者转肽酶识别序列,亲和性标签可以包括表1及表2的氨基酸序列。
在一方面,本发明涉及通过混合本发明的肉毒毒素片段来生产的全长肉毒毒素。
在一实例中,全长肉毒毒素可以通过混合上述肉毒毒素的片段来生产,可以通过混合轻链、重链的易位域及重链的受体结合域,或者混合轻链及重链的易位域以及重链的受体结合域来生产。
在一实例中,上述肉毒毒素的片段可以通过生成二硫键来组装为全长肉毒毒素。
在一实例中,上述肉毒毒素可以为二聚体(dimer)的肉毒毒素。
在一实例中,上述肉毒毒素可以用于治疗神经病性疼痛障碍、眼科障碍、运动障碍、耳鼻喉科障碍、胃肠障碍、泌尿生殖障碍、皮肤科障碍、疼痛障碍、炎症性障碍、分泌障碍、呼吸系统障碍、肥大性障碍、关节障碍、内分泌障碍、自体免疫疾病、增殖性疾病、外伤性损伤的用途,或者用于兽医学用途。
在一方面,本发明涉及包含肉毒毒素作为有效成分的用于改善或治疗神经相关病症的药物组合物。
在一实例中,神经相关病症可以为脑神经障碍、眼睑痉挛、斜视、多汗症、斜颈、颈痛、小儿麻痹、面部痉挛、表观遗传神经痛、糖尿病性神经痛、复杂的局部疼痛综合征、三叉神经痛、幻肢痛、脊髓损伤诱发的神经病症疼痛及中枢性中风后疼痛,也可以为兽医学神经相关病症。
本发明的上述肉毒毒素能够以盐的形式使用,优选地,能够以药学上可接受的盐的形式使用。优选地,上述盐为通过药学上可接受的游离酸(free acid)形成的酸加成盐,上述游离酸可以使用有机酸和无机酸。上述有机酸包括柠檬酸、醋酸、乳酸、酒石酸、马来酸、富马酸、甲酸、丙酸、草酸、三氟乙酸、苯甲酸、葡萄糖酸、偏磺酸、乙醇酸、琥珀酸、4-甲苯磺酸及天冬氨酸,但不限于此。并且,上述无机酸包括盐酸、溴酸、硫酸及磷酸,但不限于此。
本发明的药物组合物还可以包含佐剂(adjuvant)。上述佐剂可以不受限制地使用本发明所属技术技术领域中已知的任意佐剂,例如,还可以包含弗氏(Freund)完全佐剂或者不完全佐剂来增加其免疫性。
除非另有说明,否则本发明的术语“治疗”表示逆转、缓解或抑制进展或预防该术语所使用的疾患或者疾病,或者上述疾患或疾病的一个以上的症状。
在此使用的术语“哺乳动物”是指作为治疗、观察或实验对象的哺乳动物,优选地,是指人类。
在受益动物能够承受组合物的给药,或者组合物适于向其动物给药,则表示组合物“在药学上或生理学上可接受”。当给药量在生理学上重要时,可以说上述制剂是以“治疗学上的有效量”给药。若上述制剂的存在引起受体患者出现生理学上可检测出的变化,则表示上述制剂在生理学上有意义。
本发明组合物的治疗有效量可根据多种因素而变化,例如给药方法、靶位点、患者的状态等。因此,用于人体时的给药量应综合考虑安全性及有效性来确定适当的量。也可以从通过动物实验确定的有效量来估计人体中使用的量。例如,Hardman and Limbird,eds.,Goodman and Gilman's The Pharmacological Basis of Therapeutics,10th ed.(2001),Pergamon Press;及E.W.Martin ed.,Remington's Pharmaceutical Sciences,18th ed.(1990),Mack Publishing Co.中描述了确定有效量时应考虑的上述事项。
本发明的药物组合物以药学有效量来给药。本发明中使用的术语“药学有效量”是指足以治疗疾病的量,具有适用于医学治疗的合理收益/风险比例且且不引起副作用,有效剂量水平可以根据包括患者的健康状态、疾病的种类、疾病的严重程度、药物的活性、对药物的敏感度、给药方法、给药时间、给药途径及排泄率、治疗期间、联合或并用药物在内的因素及其他医学领域中熟知的因素来确定。本发明的组合物能够作为单独治疗剂来给药或者与其他治疗剂并用来给药,可以与现有的治疗剂依次或同时给药,可以单次或多次给药。综合考虑上述所有因素,重点在于以能够在无副作用的情况下用最小的量来获得最大的效果的量来给药,这对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说是容易确定的。
本发明的组合物还可以包含生物学制剂中通常使用的载体、稀释剂、赋形剂或它们的两种以上的组合。只要是适于将组合物传递到活体内的药学上可接受的载体,就不受特别限制,例如,可以使用Merck Index,13th ed.,Merck&Co.Inc.中记载的化合物、生理盐水、灭菌水、林格氏液、缓冲生理盐水、葡萄糖溶液、甘油、乙醇及混合这些成分中的一种以上来使用,可以根据需要加入抗氧化剂、缓冲液、制菌剂等其他通常的添加剂。并且,还可以加入稀释剂、分散剂、表面活性剂、结合剂及润滑剂来配制为水溶液、悬浮液、乳浊液等注射用剂型、丸药、胶囊、颗粒或片剂。进而,可以利用本发明所属技术领域的适当方法或Remington's Pharmaceutical Science(Mack Publishing Company,Easton PA,18th,1990)中公开的方法根据每种疾病或根据成分来优选地配制。
本发明的药物组合物可以分别根据通常的方法配制为散剂、颗粒剂、片剂、胶囊剂、悬浮液、乳液、糖浆、喷剂等口服剂型、外用剂、栓剂或灭菌注射溶液的形式来使用。
本发明所使用的术语“药学上可接受的”是指表现出对暴露于上述组合物的细胞或人类没有毒性的特性。
本发明的药物组合物还可以包含药学上可接受的添加剂,在此情况下,药学上可接受的添加剂可以使用淀粉、糊化淀粉、微晶纤维素、乳糖、聚维酮、胶体二氧化硅、磷酸氢钙、乳糖、甘露醇、麦芽糖、阿拉伯胶、预糊化淀粉、玉米淀粉、粉末纤维素、羟丙基纤维素、欧巴代、羟基乙酸淀粉钠、巴西棕榈蜡、合成硅酸铝、硬脂酸、硬脂酸镁、硬脂酸铝、硬脂酸钙、白糖、葡萄糖、山梨糖醇及滑石等。优选地,相对于上述组合物,可以包含0.1重量份至90重量份的本发明的药学上可接受的添加剂,但不限于此。
本发明所使用的术语“给药”是指以任意适当的方式向患者提供规定的物质,可以根据所需的方法胃肠外给药(例如采用静脉内、皮下、腹腔内或局部注射的剂型)或者口服给药,给药量的范围根据患者的体重、年龄、健康状态、饮食、给药时间、给药方法、排泄率及患者的疾病严重程度等而多种多样。
本发明的组合物可以根据所需的方法来胃肠外给药(例如静脉内、皮下、腹腔内或局部使用)或口服给药,给药量考虑个体的年龄、体重、性别、身体状态等来选择。显然,上述药物组合物中所包含的有效成分的浓度可根据对象以各种方式选择,优选地,药物组合物中可以包含0.01μg/ml~5000μg/ml浓度的有效成分。若其浓度小于0.01μg/ml,则无法表现出药学活性,若大于5000μg/ml,则会在人体中表现出毒性。
本发明的药物组合物可以配制为多种口服或胃肠外给药的形式。口服给药用剂型有片剂、丸剂、硬质胶囊、软质胶囊、液体剂、悬浮剂、乳化剂、糖浆剂、颗粒剂等,这些剂型除有效成分外还可以包含稀释剂(例如,乳糖、葡萄糖、蔗糖、甘露醇、山梨糖醇、纤维素和/或甘氨酸)、润滑剂(例如、二氧化硅、滑石、硬脂酸及其镁盐或钙盐和/或聚乙二醇)。并且,上述片剂可以包含硅酸铝镁、淀粉糊精、明胶、黄芪胶、甲基纤维素、羟甲基纤维素钠和/或聚乙烯吡咯烷酮之类的结合剂,可以根据情况包含淀粉、琼脂、海藻酸或其钠盐之类的崩解剂或沸腾混合物和/或稀释剂、着色剂、香味剂及甜味剂。上述剂型可以通过通常的混合、颗粒化或包衣方法制备。并且,胃肠外给药用剂型的代表性剂型为注射用制剂,注射用制剂的溶剂可以为水、林格氏液、等渗性生理盐水或悬浮液。上述注射用制剂的无菌不挥发油可以用作溶剂或悬浮介质,任意无刺激性的不挥发油可用于这种目的,包括甘油单酯、甘油二酯。并且,上述注射用制剂可以使用油酸等脂肪酸。
在一方面,本发明涉及肉毒毒素的生产方法,包括:分别生产作为肉毒毒素的片段的轻链、重链的易位域及重链的受体结合域的步骤;以及混合作为肉毒毒素的片段的轻链、重链的易位域及重链的受体结合域来生产全长肉毒毒素的步骤。
在一方面,本发明涉及肉毒毒素的生产方法,包括:分别生产作为肉毒毒素的片段的轻链及重链的易位域以及重链的受体结合域的步骤;使用酶将轻链及重链的易位域切割为轻链、重链的易位域的步骤;以及混合作为肉毒毒素的片段的轻链、重链的易位域以及重链的受体结合域来生产全长肉毒毒素的步骤。
在一实例中,通过反式剪接方法、下表1及表2之类的卷曲螺旋(coiled coil)等的非共价亲和结合、非共价结合或通过转肽酶的结合来接合肉毒毒素的片段,从而可以生产肉毒毒素。
表1
Figure BDA0003512406640000131
表2
Figure BDA0003512406640000141
在一实例中,本发明的肉毒毒素的片段可以通过下述方法重新接合(共价键合)为全长肉毒毒素。
1)通过转肽酶A(sortase A)的蛋白质结合:这是一种作为源自细菌的细菌肽基转移酶(transpeptidase)的转肽酶A的非可逆结合反应,转肽酶A识别LPXTG的特定氨基酸序列,切割苏氨酸(threonine)与甘氨酸(glycine)之间来将其结合于细胞表面。这种特性是蛋白质工程学中广为利用的有效方法,通过使所要结合的两个蛋白质分别具有LPXTG序列和两个以上连续的甘氨酸序列,从而可以容易实现所需的结合。蛋白质工程学中采用的转肽酶可以源自硫化杆菌属(Sulfobacillus)、红色杆菌属(Rubrobacter)、嗜消化菌属(Peptoniphilus)、希瓦氏菌属(Shewanella)、粪杆菌属(Faecalibaculum)、科尔韦尔氏菌属(Colwellia)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、甲基杆菌属(Methylorubrum)、盖勒氏菌属(Gaiella)、芽孢杆菌属(Bacillus)、梭状芽胞杆菌属(Clostridium)、布劳特氏菌属(Blautia)、肠球菌属(Enterococcus)、链球菌属(Streptococcus)、链霉菌属(Streptomyces)、乳杆菌属(Lactobacillus)、李斯特菌属(Listeria)、片球菌属(Pediococcus)或者棒状杆菌属(Corynebacterium),但不限于此。
2)反式-内含肽剪接(trans-intein splicing):在膜结构蛋白的C-末端和N-末端与接头一同添加连接所需的蛋白质结构域或者肽片段,其中,蛋白质结构域采用了Cfa、Npu、Ssp、Rma、Ppu等对应于下表3及表4的术语DnaE属或DnaB属的反式-内含肽,但不限于此。这些反式-内含肽在表达时,虽分别以分离的形式表达,但若N-末端的结构域(Int-C)与C-末端的结构域(Int-N)相遇并结合形成一个完整形态的内含肽结合体,则内含肽接合体被剪接并脱落,在此情况下,在内含肽接合体外壳的外显肽结构域通过肽键连接为一个蛋白质。
表3
Figure BDA0003512406640000161
表4
Figure BDA0003512406640000171
在本发明的一实施例中,通过上述反式剪接以共价键合制备了全长肉毒毒素。具体地,每个肉毒毒素片段利用在蛋白质剪接(protein splicing)过程中去除内含肽的机制来连接。所使用的共有DnaE内含肽(concensus DnaE intein,cfa)蛋白在剪接过程中转录后,作为介入自动处理(autoprocessing)的自剪接蛋白,由N-末端部(CfaN)及C-末端部(CfaC)构成,将位于每个侧端的序列称为外显肽(extein)。这种内含肽也以自然分离的状态存在。这两种N-末端部和C-末端部的内含肽在细胞内以分离的状态存在直至相遇,具有相遇后通过折叠和反式-剪接来将两个末端侧部的外显肽相互接合的能力(Shah,N.H etal.,2014)。
关于肉毒毒素的制备/生产,传统的肉毒毒素的生产以如下方式进行:在培养肉毒杆菌(Clostridium botulinum)后,通过分离及离子交换色谱法来纯化肉毒毒素。但这种方式存在效率低、蛋白质收率低的问题。并且,肉毒杆菌(C.botulinum)为芽孢-形成型细菌,需要培养大肠杆菌(Escherichia coli)之类的细菌时不需要的特殊的培养设备,而且由于肉毒毒素为非常致命的毒素,因此需要具备相应的安全等级。由此,虽然已知有在大肠杆菌(E.coli)之类的商业性菌株中生产重组肉毒毒素的尝试,但由于是生产神经毒素,因此需具备安全设备的情况仍无改变。在重组大肠杆菌中生产的方法具有如下问题:
1)很难以可溶性的方式在大肠杆菌细胞内表达150kDa的大蛋白质的问题(蛋白质在大肠杆菌中表达时表达为不溶性的包涵体);
2)肉毒神经毒素中存在有链间及链内二硫键,但在大肠杆菌的细胞内不形成二硫键的问题;以及
3)若不准确地切割轻链和重链则会生产出灭活的毒素的问题。
并且,无论使用何种菌株,在全部毒素基因进入一个细胞的情况下,若细胞泄漏到环境及操作场所中,则会自繁殖而引起环境污染及致命的问题。例如,虽然肉毒杆菌是厌氧菌,但可以生成孢子来在空气中传播,长时间不会死亡,而大肠杆菌在有氧条件下可以快速增长并易于增殖,从这方面来看,其反倒不适合用于生产菌株。
因此,作为克服这种制备方法上的高复杂性、低安全性、经济性的替代方案,本发明提出通过分割毒素蛋白质来生产每个片段/切片后在试管中结合的方案。据此,无论是肉毒杆菌还是大肠杆菌,若只具有毒素基因的一部分,则即使泄漏在环境和操作场所中,也只表达灭活的蛋白质碎片,因此对环境完全没有危害。并且,虽然切割SNARE的酶活性存在于轻链,但若只有轻链,则神经毒性下降为几亿分之一,对神经细胞没有附着能力,透入细胞质的能力也消失,因此几乎丧失了对动物的毒性(Fernandez-Salas E et al.,PLoS ONE,7(11):e49516(2012))。并且,由于去除了活性位点,因此单靠重链不会表现出任何毒性。因此,显然重链的一部分或轻链的一部分消失的形式也不表现出毒性。即,毒素蛋白质的分割生产技术可以实现肉毒毒素的安全且经济的生产。但前提是需要以分割形式很好地生产出每个片段蛋白质并能够将它们结合为具有活性的形式。
在本发明提出的方法中,通过将肉毒毒素蛋白分为轻链-重链部的易位域复合物及重链部的受体结合域部分来生产,由于不能渗透细胞,没有表现出实际活性的轻链部分,因此可以在生产过程中没有毒性。并且,通过设计一种蛋白质复合物,其形式可以是在每个蛋白质末端通过内含肽蛋白质或亲和性标签等来重新接合,具有在生产每种蛋白质后无需额外工序,只需混合就可以表现出与现有的肉毒毒素相同的活性的优点。并且,现有的利用肉毒杆菌菌株提取肉毒毒素的方法需营造缺氧环境,还要经过100小时以上的时间,具有非常耗时的缺点,而若将菌株更换为大肠杆菌并利用转化来在质粒中分割生产肉毒毒素,则培养时间可以大幅缩短至24小时以内,尤其,根据本发明的方法,预先生产灭活的分割片段后混合的大部分反应在5分钟内发生,可以通过亲合膜离心分离轻松地纯化全长毒素,因此具有可以将肉毒毒素的生产缩短至30分钟的效果。即,无需从始至终都在一个生产空间中生产,而是可以用能够快速组装的配件原料来组装。
将通过下述实施例更为详细地说明本发明。但下述实施例仅用于使本发明的内容具体化,而不是要限定本发明。
实施例1.制备用于生产肉毒毒素分割片段的质粒
1-1.用于生产二分片段的质粒
为了制备用于生产由LC(light chain,轻链)及HC(heavy chain,重链)的HN(Translocation domain,易位域)[LC-HN]与HC的HC(Receptor binding domain或RBD,受体结合域)[HC]的2个片段形成的肉毒毒素分割蛋白(图2a的4及3),利用载体及T4脱氧核糖核酸(DNA)聚合酶(polymerase)来克隆pET 28b、duet及pCola duet。具体地,利用以pET 28b载体和LC-HN-CfaN插入物(insert)的两末端的相互间互补性(complementary)为15bp的方式设计的引物进行聚合酶链式反应(PCR)。在pETduet、pCola duet载体中,利用设计为在RBS 1位点的LC、在RBS 2位点的HN-CfaN插入物的两末端的相互间互补性为15bp的引物进行聚合酶链式反应。并且,同时制备了pET 28b载体和CfaC-HC插入物。聚合酶链式反应结束后,为了防止自连接(self-ligation),使用Dpn1溶液在37℃的温度下处理1小时,去除DNA以外的聚合酶链式反应产物。为了连接由此生产的pET 28b、duet及pCola duet载体与LC-HN-CfaN插入物、pET 28b载体及CfaC-HC插入物,加入T4 DNA聚合酶在常温下反应2小时30分钟、在冰中反应10分钟来诱导pET 28b、duet及pCola duet载体与LC-HN-CfaN之间的稳定的氢键。将通过上述克隆过程获得的每种DNA溶液4μL放入100μL的感受态细胞(competentcell)大肠杆菌TOP10溶液中,在冰中培养30分钟后在42℃的温度下进行45秒钟的热处理。向上述反应液放入900μL的LB(Luria-Bertani)液体培养基中,在37℃的温度下培养1小时后,通过离心分离(13000rpm,10分钟)收集细胞。将收集的细胞溶液(0.1mL)涂抹于卡那霉素LB固体培养基并培养(37℃)后,将形成的菌落中的一个放入含有0.1%卡那霉素的10mL的LB液体培养基中在37℃的温度下培养18小时,通过超声波处理并纯化培养液后获得每个质粒。通过公司(Bionics,韩国)确认上述质粒的序列。在肉毒毒素的生产中,由于对应于His-tag的每个序列较短,因此使用定点突变(site-directed mutagenesis)方法而不是利用T4 DNA聚合酶的方法来将上述段的特定序列插入到特定DNA中。其结果,以生产轻链(LC)-重链的HN(translocation domain)-CfaN-His6形式的肉毒毒素分割蛋白、His6-CfaC-重链的HC(receptor binding domain)形式的肉毒毒素分割蛋白的方式来设计(图3的LCHN-CfaN-His6及His6-CfaC-HC)。上述过程中使用的引物序列(表5)、详细的组成及反应条件如下。
表5
Figure BDA0003512406640000201
○聚合酶链式反应组成:正向引物(forward primer)1μL、反向引物(backwardprimer)1μL、载体1μL、脱氧核糖核苷三磷酸(dNTP)4μL、10X反应缓冲液(reaction buffer)5μL、Pfu DNA聚合酶(Pfu DNA polymerase)0.5μL及蒸馏水37.5μL。
○载体的聚合酶链式反应条件:
①最初变性(denaturation)(95℃,3分钟);
②30个循环:变性(95℃,3秒钟)、退火(annealing)(61℃,3秒钟)及延伸(extension)(72℃,6分钟);以及
③最后延伸(72℃,3分钟)。
○插入物的聚合酶链式反应条件:
①最初变性(95℃,3分钟);
②30个循环:变性(95℃,3秒钟)、退火(61℃,3秒钟)及延伸(72℃,1分钟);以及
③最后延伸(72℃,3分钟)。
○Dpn1处理条件(37℃,1小时):5μL(10X反应缓冲液4)+44μL(载体或插入物的聚合酶链式反应产物)+1μL(Dpn1溶液)。
○T4 DNA聚合酶处理:1μL(载体溶液)+7μL(插入物溶液)+1μL(10X反应缓冲液2.1)+1μL(T4 DNA聚合酶溶液)。
※所有引物的Tm值为65℃。
※聚合酶链式反应的组成及Dpn1处理的条件与上述制备质粒的方法相同。
※Dpn1、10X反应缓冲液、10X反应缓冲液4、10X反应缓冲液2.1、Pfu DNA聚合酶、T4DNA聚合酶及脱氧核糖核苷三磷酸(2.5mM)的购入单位:韩国的ELPIS BIOTECH公司。
※聚合酶链式反应产物的纯化方法及质粒的制备方法:根据内置于Dokdo-prepGel extraction kit spintype 200(ELPIS公司)的协议。
1-2.用于生产三分片段的质粒
为了制备用于生产形由LC、HC的易位域(HN)及HC的受体结合域(Receptor bindingdomain,HC)3个片段形成的肉毒毒素分割蛋白(图2a的①、②及③)的质粒,通过聚合酶链式反应制备LC、HN-CfaN、CfaC-HC插入物及pET 28b duet、pCola duet并连接LC、HN-CfaN及CfaC-HC。以与上述实施例1-1相同的方法克隆来制备每个质粒。
实施例2.确认肉毒毒素分割片段的可溶性表达
利用上述实施例1中制备的质粒生产肉毒毒素分割蛋白。具体地,在42℃的温度下向转化为感受态细胞的大肠杆菌BL21(DE3)菌株施加45秒钟的热冲击后在冰中使其稳定化并用上述内容中制备的质粒来转导。将转导的大肠杆菌涂抹于LB氨苄青霉素固体选择培养基后在37℃的温度下培养一天。将在选择培养基中生长的一个菌落放入10mL的液体LB培养基并加入10μL的卡那霉素后在37℃的温度下预培养12小时。以1%的浓度将预培养的重组菌株重新接种于50mL的添加有卡那霉素的LB培养基中,在37℃的温度下培养直至O.D.(波长:600nm)值到达0.5。然后加入0.1mM的异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG),在16℃的温度下培养24小时。在4℃的温度下以5000rpm的转速离心分离上述培养液10分钟来去除培养基并获得菌株。在10mL的磷酸盐缓冲溶液(PBS)(137mM的NaCl、2.7mM的KCl、2.55mM的Na2HPO4及1.47mM的KH2PO4,pH7.4)中使上述菌株再次悬浮后,以1秒钟的间隔进行1分45秒的超声波处理(sonication)来破碎细胞后,通过分为全部(Total)、可溶性(Soluble)及不溶性(Insoluble)部分盛装来确认是否发生可溶性表达。为了分为可溶性部分和不溶性部分,再次在4℃的温度下以13000rpm的转速进行离心分离,获得上层液作为可溶性部分,使不溶性部分再次悬浮。向每个标本加入6X十二烷基硫酸钠(SDS)溶液(以10ml的6X十二烷基硫酸钠上样缓冲溶液(SDS loading buffer)为基准:7mL的0.5M的Tris-HCl(pH 6.8)、2.6mL的100%的甘油(Glycerol)、1g的二硫苏糖醇(DTT)、60μL的10%的溴酚蓝(Bromophenolblue)以及400μL的10%的十二烷基硫酸钠)后,在95℃的温度下施加10分钟的热冲击并冷却后,向12%的十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶以80V的电压施加20分钟,以140V的电压施加1小时20分钟,共实施1小时40分钟的十二烷基硫酸钠丙烯酰胺凝胶电泳(SDS PAGE)来确认。以全部、可溶性、不溶性的上样顺序进行。
结果确认到,LC在全部、可溶性、不溶性中均有表达。在HC的情况下,蛋白质也以全部、可溶性、不溶性表达。在HN的情况下,由于难以通过十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳来辨别,因此通过利用Histag抗体的蛋白印迹(Western blotting)分析方法确认到只在全部及不溶性中出现条带,从而确认了表达(图4)。
实施例3.通过肉毒毒素分割片段的重新接合来生产全长肉毒毒素
3-1.利用肉毒毒素分割片段的纯化及蛋白质反式剪接方法的重新接合
利用实施例1中制备的质粒生产与上述实施例2相同的每个片段。具体地,在42℃的温度下向转化为感受态细胞的大肠杆菌BL21(DE3)菌株施加45秒钟的热冲击后在冰中使其稳定化并用上述内容中制备的质粒来转导。将转导的大肠杆菌涂抹于LB氨苄青霉素固体选择培养基后在37℃的温度下培养一天。将在选择培养基中生长的一个菌落放入10mL的液体LB培养基并加入10μL的卡那霉素后在37℃的温度下预培养12小时。以1%的浓度将预培养的重组菌株重新接种于50mL的添加有卡那霉素的LB培养基中,在37℃的温度下培养直至O.D.(波长:600nm)值到达0.5。然后加入0.1mM的异丙基-β-D-硫代半乳糖苷,在18℃的温度下培养24小时。在4℃的温度下以5000rpm的转速离心分离上述培养液10分钟去除培养基并获得菌株。在10mL的磷酸盐缓冲溶液(137mM的NaCl、2.7mM的KCl、2.55mM的Na2HPO4及1.47mM的KH2PO4,pH7.4)使上述菌株再次悬浮后,以1秒钟的间隔进行1分45秒的超声波处理来破碎细胞后,再次在4℃的温度下以13000rpm的转速离心分离10分钟来去除沉淀物。为了分离出悬浮于去除沉淀物的溶解物内的表达的肉毒毒素分割蛋白,在盛装有Ni-NTA磁珠(bead)的4℃的色谱柱内进行2小时的章动(nutation)运动,使LC-Hn-CfaN-His6及His6-CfaC-Hc肉毒毒素分割蛋白通过His-tag附着于磁珠。在上述章动运动后,使用磷酸盐缓冲溶液洗涤来去除肉毒毒素以外的杂质(图5、图6)。在此情况下,在LC-Hn-CfaN-His6蛋白质复合物的情况下,使用胰蛋白酶之类的人为的酶处理来切割存在于LC与Hn之间的切割位点以分为2个单位体,使前毒素最终表现出明显的活性。在通过三分法制备的LC、Hn-CfaN-His6及His6-CfaC-HC的情况下,使它们附着于磁珠而没有上述酶处理过程。然后,使用150mM的咪唑(imidazole)溶液处理上述洗涤的色谱柱使蛋白质从磁珠脱落来获得每种肉毒毒素分割蛋白。混合纯化的上述分割蛋白诱导CfaN及CfaC之间的反式剪接(trans splicing)来使Hn的N-末端与Hc的C-末端的内含肽相互结合脱落,从而合成完整形态的肉毒毒素。发生反式剪接的蛋白质存在于以作为最终形态的LC-Hn-HC,即,含有肉毒毒素的水溶液中,为了去除混合在其中的非反应物质,使水溶液再次流过Ni-NTA磁珠来使剩余的His6-CfaC-Hc片段附着于磁珠,从而获得纯肉毒毒素。通过蛋白印迹分析并确认LC-HN-CfaN及CfaC-Hc是否实际发生蛋白质反式剪接的结果,显示经1小时后,150kDa的全长毒素结合(图7)。
3-2.利用亮氨酸拉链的重新接合
利用亮氨酸拉链进行了肉毒毒素分割片段的重新接合。具体地,为了生产亮氨酸拉链,在上述实施例1的质粒制备步骤中,在pET载体中分别在Hn的末端克隆EE1234L,在Hc的C末端克隆EE1234L。将它们分别转化于大肠杆菌Top10细胞后,利用质粒mini-prep方法获得每个质粒。然后,以与上述实施例2及实施例3-1相同的方法生产并纯化分割片段后,使纯化的每个分割片段反应来获得最终形态的肉毒毒素。
3-3.利用亲和性标签的重新接合
在上述实施例1的质粒制备步骤中,在HN的-C末端HC的-N末端分别克隆SpyTag或SpyCatcher来制备后,分别在大肠杆菌Top10中转化来获得质粒,然后,以与上述实施例2及实施例3-1相同的方法生产并纯化分割片段后,使纯化的每个分割蛋白在4℃-37℃的温度下反应来获得最终形态的肉毒毒素。其中,SpyTag作为与SpyCatcher结合形成异肽键的肽,发现于在革兰氏阳性菌的菌毛(pilin)和粘附素(adhesin)中的CnaB1或CnaB2结构域中。为了获得它,在作为与酿脓链球菌(Streptococcus pyogenes,spy)的纤连蛋白结合的蛋白质的FbaB中将Cnab2结构域分别分割为SpyTag和SpyCatcher。CnaB2分割为13个残基的肽(SpyTag)和116个残基的结构域(SpyCatcher)。这两部分具有在4℃-37℃的温度、5至8之间的pH、大范围的缓冲液及非离子洗涤剂(non-ionic detergents)中也能自发地形成异肽键的特性(Zakeri,B.,Fierer,2012),该肽键可以在N-末端或C-末端的任一处结合。
实施例4.确认通过由反式-内含肽剪接后的半胱氨酸生成的二硫键生成二聚体
为了确认在上述实施例3-1的剪接过程中新生成的半胱氨酸中是否通过二硫键形成LC-HN-HC之间的二聚体,使用了十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳及尺寸排阻色谱法(SEC,Size Exclusion Chromatography)。具体地,与上述实施例2相同地使用了十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳进行了电泳。在此情况下,分为包含起到分离二硫键的二硫苏糖醇的6X十二烷基硫酸钠溶液与不包含其的溶液来进行比较。并且,利用尺寸排阻色谱法绘制图表后通过比较出现何种长度的全长毒素来确认是否有二硫键。
结果确认,在对利用包含二硫苏糖醇的溶液的样品进行电泳的凝胶和尺寸排阻色谱法的图表中,在150kDa中形成条带,与此相反,当利用不包含二硫苏糖醇的溶液时,在300kDa形成条带。由此确认毒素在通过反式-内含肽剪接生成的半胱氨酸中,通过形成二硫键来形成二聚体。
实施例5.制备胆固醇或脂肪酸修饰的全长肉毒毒素
为了减少肉毒毒素向周边扩散或通过血液循环发生副作用,通过使用脂肪酸或胆固醇修饰毒素来增加蛋白质的半衰期以制备减少扩散度的超低扩散型肉毒毒素。具体地,将选自辛酸(Caprylic acid)(C8)、癸酸(Capric acid)(C10)、十二酸(Lauric acid)(C12)、十四酸(Myristic acid)(C14)、十六酸(Palmitic acid)(C16)及硬脂酸(Stearicacid)(C18)中的一种以上的脂肪酸(两个脂肪酸制备时利用PDP-PE(1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-)]反应性)附着于上述制备的全长肉毒毒素的赖氨酸或半胱氨酸残基,或者附着于在上述实施例3-1的剪接过程中新生成的半胱氨酸。尤其,附着于新生成的半胱氨酸可以使给毒素的结构带来的影响最小化。其中,为了在肉毒毒素中修饰胆固醇,使用了半胱氨酸反应性2-溴乙酰部分(cysteine-reactive 2-bromoacetyl moiety)之类的胆固醇转移物质。
实施例6.使用利用荧光蛋白的替代模型的蛋白质反式剪接
为了检测Cfa内含肽使蛋白质反式剪接发生的迅速程度和效率,利用了LCHN-CfaN-His6和His6-CfaC-HC的替代模型。替代模型分别使用mCherry-cfaN-His、His-CfaC-eGFP-RGD替代了LCHN-CfaN-His6及His6-CfaC-HC。为了制备上述替代模型,使用实施例1的方法向pET 28b质粒插入荧光蛋白,以与上述实施例2相同的方法制备每个片段。具体地,在42℃的温度下向转化为感受态细胞的大肠杆菌BL21(DE3)菌株施加45秒钟的热冲击后在冰中使其稳定化并用在上述内容中制备的质粒转导。将转导的大肠杆菌涂抹于LB卡那霉素固体选择培养基后在37℃的温度下培养一天。将在选择培养基中生长的一个菌落放入10mL的液体LB培养基并加入10μL的卡那霉素后在37℃的温度下预培养12小时。以1%的浓度将预培养的重组菌株重新接种于600mL的添加有卡那霉素的LB培养基中,在37℃的温度下培养直至O.D.(波长:600nm)值到达0.5。然后加入0.1mM的异丙基-β-D-硫代半乳糖苷,在16℃的温度下培养24小时。在4℃的温度下以5000rpm的转速离心分离上述培养液10分钟去除培养基并获得菌株。在25mL的缓冲溶液(500mM的NaCl、20mM的Tris-HCl、10mM的咪唑(imidazole)、pH8.0)中使上述菌株再次悬浮后,以1秒钟的间隔进行1分45秒的超声波处理(sonication)来破碎细胞后,再次在4℃的温度下以12000rpm的转速离心分离10分钟来去除沉淀物。为了分离出悬浮于去除沉淀物的溶解物内的表达的肉毒毒素分割蛋白,在盛装有Ni-NTA磁珠(bead)的4℃的色谱柱内进行2小时的章动运动,使mCherry-CfaN-His6及His6-CfaC-eGFP-RGD肉毒毒素分割蛋白通过His-tag附着于磁珠。上述章动运动后,使用缓冲溶液(500mM的NaCl、20mM的Tris-HCl、10mM的咪唑、pH8.0)清洗来去除荧光蛋白以外的杂质。然后,使用250mM的咪唑溶液处理上述洗涤的色谱柱来使蛋白质从磁珠脱落来获得每个荧光蛋白。使用DC protein assay测量纯化的蛋白质的浓度的结果,mCherry-CfaN-His为91.07μM,His-CfaC-HC为8.23μM,LCHN-CfaN-His为3.98μM,His-CfaC-eGFP为59.1μM。使用磷酸盐缓冲溶液(137mM的NaCl、2.7mM的KCl、2.55mM的Na2HPO4及1.47mM的KH2PO4,pH 7.4)将mCherry-CfaN-His、His-CfaC-HC稀释为1倍、5倍、10倍、20倍、40倍。并且,使用磷酸盐缓冲溶液(137mM的NaCl、2.7mM的KCl、2.55mM的Na2HPO4及1.47mM的KH2PO4,pH 7.4)将LCHN-CfaN-His分别稀释为1倍、2倍、4倍,将His-CfaC-eGFP分别稀释为1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、32倍后,加入6X十二烷基硫酸钠样品缓冲液(6X SDS sample buffer)使用12%的十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳确认预测的尺寸(图8)。
使纯化的两种荧光素与具有与其每个内含肽末端相对应的内含碳末端的肉毒分割毒素反应。分别利用LCHN-CfaN-His6与His6-CfaC-eGFP-RGD、mCherry-cfaN-His6与His6-CfaC-HC,加入2mM的三(2-羧乙基)膦(TCEP)在37℃的温度下培养30分钟,分别将CfaN∶CfaC的摩尔浓度的比例调整为1∶1、2∶1、1∶2来反应。摩尔浓度是在光谱仪中通过DC assay测量的。使每对反应0分钟、5分钟、10分钟、30分钟、1小时,在每个时间点采取样品进行十二烷基硫酸钠电泳。
可以确认由LCHN-CfaN-His6与His6-CfaC-eGFP-RGD结合的LCHN-eGFP-RGD在1∶1、2∶1、1∶2、3∶1、1∶3的比例中都在经过5分钟后开始发生反应。并且,由mCherry-cfaN-His6与His6-CfaC-HC结合的mCherry-HC在1∶1、2∶1、1∶2的比例中都在经过5分钟后马上确认到表现出预测的尺寸。LCHN-eGFP-RGD和mCherry-HC都在CfaN∶CfaC为1∶1时效率最佳(图9)。
实施例7.确认肉毒毒素切割SNAP-25蛋白质的活性
为了确认本发明中制备的肉毒毒素的分割片段或接合它们来制备的全长肉毒毒素对SNAP-25蛋白质是否具有切割活性而纯化了SNAP-25。具体地,在42℃的温度下向转化为感受态细胞的大肠杆菌BL21(DE3)菌株施加45秒钟的热冲击后在冰中使其稳定化并用在上述内容中制备的质粒转导。将转导的大肠杆菌涂抹于LB卡那霉素固体选择培养基后在37℃的温度下培养一天。将在选择培养基中生长的一个菌落放入10mL的液体LB培养基并加入10μL的卡那霉素后在37℃的温度下预培养12小时。以1%的浓度将预培养的重组菌株重新接种于600mL的添加有卡那霉素的LB培养基中,在37℃的温度下培养直至O.D.(波长:600nm)值到达0.5。然后加入0.1mM的异丙基-β-D-硫代半乳糖苷,在16℃的温度下培养24小时。在4℃的温度下以8000rpm的转速离心分离上述培养液10分钟去除培养基并获得菌株。在10mL的磷酸盐缓冲溶液(137mM的NaCl、2.7mM的KCl、2.55mM的Na2HPO4及1.47mM的KH2PO4,pH7.4)中使上述菌株再次悬浮后,以1秒钟的间隔进行1分45秒的超声波处理来破碎细胞后,再次在4℃的温度下以12000rpm的转速离心分离10分钟来去除沉淀物。为了分离在去除沉淀物的溶解物内悬浮的表达的SNAP-25,在盛装有Ni-NTA磁珠的4℃的色谱柱内进行2小时的章动运动,使它们通过His-tag附着于磁珠。上述章动运动后,使用磷酸盐缓冲溶液(137mM的NaCl、2.7mM的KCl、2.55mM的Na2HPO4及1.47mM的KH2PO4、30mM的咪唑,pH7.4)清洗来去除SNAP-25以外的杂质。然后,使用250mM的咪唑溶液处理上述洗涤的色谱柱来使蛋白质从磁珠脱落来只获得SNAP-25。在此情况下,以与上述实施例2相同的方法利用十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶实施电泳来测量纯化的SNAP-25的表达及浓度,将其稀释后分别以规定的浓度放入肉毒毒素的轻链及全长毒素来反应1小时。将未放入毒素的SNAP-25用作对照组,通过十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳确认SNAP-25在体外(in vitro)是否通过肉毒毒素被切割(图10),结果确认SNAP-25通过LC的活性被切割。
<110> 成均馆大学研究与商业基金会
<120> 肉毒神经毒素的安全制备方法
<130> R-2019-0529-KR-1
<160> 12
<170> KoPatentIn 3.0
<210> 1
<211> 448
<212> PRT
<213> 人工序列
<220>
<223> Lc-A2 子类 (Q45894)
<400> 1
Met Pro Phe Val Asn Lys Gln Phe Asn Tyr Lys Asp Pro Val Asn Gly
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Val Asp Ile Ala Tyr Ile Lys Ile Pro Asn Ala Gly Gln Met Gln Pro
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Val Lys Ala Phe Lys Ile His Asn Lys Ile Trp Val Ile Pro Glu Arg
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Arg Ile Tyr Ser Thr Asp Leu Gly Arg Met Leu Leu Thr Ser Ile Val
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130 135 140
Arg Ser Glu Glu Leu Asn Leu Val Ile Ile Gly Pro Ser Ala Asp Ile
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Ile Gln Phe Glu Cys Lys Ser Phe Gly His Asp Val Leu Asn Leu Thr
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Arg Asn Gly Tyr Gly Ser Thr Gln Tyr Ile Arg Phe Ser Pro Asp Phe
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Thr Phe Gly Phe Glu Glu Ser Leu Glu Val Asp Thr Asn Pro Leu Leu
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Gly Ala Gly Lys Phe Ala Thr Asp Pro Ala Val Thr Leu Ala His Glu
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Arg Val Phe Lys Val Asn Thr Asn Ala Tyr Tyr Glu Met Ser Gly Leu
245 250 255
Glu Val Ser Phe Glu Glu Leu Arg Thr Phe Gly Gly His Asp Ala Lys
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Gly Thr Thr Ala Ser Leu Gln Tyr Met Lys Asn Val Phe Lys Glu Lys
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Tyr Leu Leu Ser Glu Asp Thr Ser Gly Lys Phe Ser Val Asp Lys Leu
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Lys Phe Asp Lys Leu Tyr Lys Met Leu Thr Glu Ile Tyr Thr Glu Asp
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Asn Phe Val Asn Phe Phe Lys Val Ile Asn Arg Lys Thr Tyr Leu Asn
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Phe Asp Lys Ala Val Phe Arg Ile Asn Ile Val Pro Asp Glu Asn Tyr
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Thr Ile Lys Asp Gly Phe Asn Leu Lys Gly Ala Asn Leu Ser Thr Asn
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Phe Asn Gly Gln Asn Thr Glu Ile Asn Ser Arg Asn Phe Thr Arg Leu
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Gly Ile Ile Pro Phe Lys Thr Lys Ser Leu Asp Glu Gly Tyr Asn Lys
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<211> 426
<212> PRT
<213> 人工序列
<220>
<223> Hc-A2 子类 (Q45894)
<400> 2
Lys Asn Ile Val Asn Thr Ser Ile Leu Ser Ile Val Tyr Lys Lys Asp
1 5 10 15
Asp Leu Ile Asp Leu Ser Arg Tyr Gly Ala Lys Ile Asn Ile Gly Asp
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Arg Val Tyr Tyr Asp Ser Ile Asp Lys Asn Gln Ile Lys Leu Ile Asn
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Leu Glu Ser Ser Thr Ile Glu Val Ile Leu Lys Asn Ala Ile Val Tyr
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Asn Ser Met Tyr Glu Asn Phe Ser Thr Ser Phe Trp Ile Lys Ile Pro
65 70 75 80
Lys Tyr Phe Ser Lys Ile Asn Leu Asn Asn Glu Tyr Thr Ile Ile Asn
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Ile Ile Trp Thr Leu Gln Asp Asn Lys Gln Asn Ile Gln Arg Val Val
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Phe Lys Tyr Ser Gln Met Val Asn Ile Ser Asp Tyr Ile Asn Arg Trp
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Gly Ile Leu Lys Asp Phe Trp Gly Asn Tyr Leu Gln Tyr Asp Lys Pro
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Tyr Tyr Met Leu Asn Leu Phe Asp Pro Asn Lys Tyr Val Asp Val Asn
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Asn Ile Gly Ile Arg Gly Tyr Met Tyr Leu Lys Gly Pro Arg Gly Ser
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Tyr Arg Leu Ala Thr Asn Ala Ser Gln Ala Gly Val Glu Lys Ile Leu
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<223> Hn-A2 子类 (Q45894)
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Lys Ile Asn Lys Ala Val Glu Ala Phe Met Phe Leu Asn Trp Ala Glu
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Glu Leu Val Tyr Asp Phe Thr Asp Glu Thr Asn Glu Val Thr Thr Met
165 170 175
Asp Lys Ile Ala Asp Ile Thr Ile Ile Val Pro Tyr Ile Gly Pro Ala
180 185 190
Leu Asn Ile Gly Asn Met Leu Ser Lys Gly Glu Phe Val Glu Ala Ile
195 200 205
Ile Phe Thr Gly Val Val Ala Met Leu Glu Phe Ile Pro Glu Tyr Ala
210 215 220
Leu Pro Val Phe Gly Thr Phe Ala Ile Val Ser Tyr Ile Ala Asn Lys
225 230 235 240
Val Leu Thr Val Gln Thr Ile Asn Asn Ala Leu Ser Lys Arg Asn Glu
245 250 255
Lys Trp Asp Glu Val Tyr Lys Tyr Thr Val Thr Asn Trp Leu Ala Lys
260 265 270
Val Asn Thr Gln Ile Asp Leu Ile Arg Glu Lys Met Lys Lys Ala Leu
275 280 285
Glu Asn Gln Ala Glu Ala Thr Lys Ala Ile Ile Asn Tyr Gln Tyr Asn
290 295 300
Gln Tyr Thr Glu Glu Glu Lys Asn Asn Ile Asn Phe Asn Ile Asp Asp
305 310 315 320
Leu Ser Ser Lys Leu Asn Glu Ser Ile Asn Ser Ala Met Ile Asn Ile
325 330 335
Asn Lys Phe Leu Asp Gln Cys Ser Val Ser Tyr Leu Met Asn Ser Met
340 345 350
Ile Pro Tyr Ala Val Lys Arg Leu Lys Asp Phe Asp Ala Ser Val Arg
355 360 365
Asp Val Leu Leu Lys Tyr Ile Tyr Asp Asn Arg Gly Thr Leu Val Leu
370 375 380
Gln Val Asp Arg Leu Lys Asp Glu Val Asn Asn Thr Leu Ser Ala Asp
385 390 395 400
Ile Pro Phe Gln Leu Ser Lys Tyr Val Asp Asn Lys Lys Leu Leu Ser
405 410 415
Thr Phe Thr Glu Tyr Ile
420
<210> 4
<211> 4341
<212> 脱氧核糖核酸
<213> 人工序列
<220>
<223> pColaduet his-SNAP25
<400> 4
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gatggaccaa atcaataagg acatgaaaga agcagaaaag aatttgacgg acctaggaaa 360
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aattacaaac aggaatcgaa tgcaaccggc gcaggaacac tgccagcgca tcaacaatat 1020
tttcacctga atcaggatat tcttctaata cctggaatgc tgttttcccg gggatcgcag 1080
tggtgagtaa ccatgcatca tcaggagtac ggataaaatg cttgatggtc ggaagaggca 1140
taaattccgt cagccagttt agtctgacca tctcatctgt aacatcattg gcaacgctac 1200
ctttgccatg tttcagaaac aactctggcg catcgggctt cccatacaat cgatagattg 1260
tcgcacctga ttgcccgaca ttatcgcgag cccatttata cccatataaa tcagcatcca 1320
tgttggaatt taatcgcggc ctagagcaag acgtttcccg ttgaatatgg ctcataacac 1380
cccttgtatt actgtttatg taagcagaca gttttattgt tcatgaccaa aatcccttaa 1440
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<210> 10
<211> 8137
<212> 脱氧核糖核酸
<213> 人工序列
<220>
<223> pET28b LCstarHn-CfaN-his
<400> 10
tggcgaatgg gacgcgccct gtagcggcgc attaagcgcg gcgggtgtgg tggttacgcg 60
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cgcagaaacg tggctggcct ggttcaccac gcgggaaacg gtctgataag agacaccggc 6240
atactctgcg acatcgtata acgttactgg tttcacattc accaccctga attgactctc 6300
ttccgggcgc tatcatgcca taccgcgaaa ggttttgcgc cattcgatgg tgtccgggat 6360
ctcgacgctc tcccttatgc gactcctgca ttaggaaatt aatacgactc actata 6416

Claims (24)

1.一种用于生产肉毒毒素的试剂盒,
包含:
(1)包含编码肉毒毒素的轻链的序列的质粒;
(2)包含编码肉毒毒素的重链的易位域的序列的质粒;以及
(3)包含编码肉毒毒素的重链的受体结合域的序列的质粒,
上述用于生产肉毒毒素的试剂盒的特征在于,
上述(2)的质粒中表达的易位域与上述(3)中表达的受体结合域接合。
2.根据权利要求1所述的用于生产肉毒毒素的试剂盒,其特征在于,上述接合通过反式剪接方法、非共价亲和结合、非共价结合或者通过转肽酶的结合来接合。
3.根据权利要求1所述的用于生产肉毒毒素的试剂盒,其特征在于,上述(1)的质粒中表达的肉毒毒素的轻链与上述(2)的质粒中表达的重链的易位域通过二硫键连接。
4.根据权利要求1所述的用于生产肉毒毒素的试剂盒,其特征在于,
上述(2)的质粒还包含编码内含肽的序列,
上述(3)的质粒也还包含编码内含肽的序列,
通过诱导反式剪接来去除上述(2)的质粒中表达的内含肽和上述(3)的质粒中表达的内含肽。
5.根据权利要求4所述的用于生产肉毒毒素的试剂盒,其特征在于,
上述(2)的质粒表达重链的易位域-内含肽N,
上述(3)的质粒表达内含肽C-重链的受体结合域。
6.一种细胞,其特征在于,由权利要求1至5中任一项所述的用于生产肉毒毒素的试剂盒转化而来。
7.一种肉毒毒素的片段及全长肉毒毒素,其特征在于,上述肉毒毒素的片段通过利用权利要求1至5中任一项所述的用于生产肉毒毒素的试剂盒生产,上述全长肉毒毒素通过对上述肉毒毒素的片段进行混合来生产。
8.根据权利要求7所述的全长肉毒毒素,其特征在于,在上述全长肉毒毒素附着有脂肪酸、胆固醇、N-乙基马来酰亚胺或聚乙二醇。
9.根据权利要求7所述的全长肉毒毒素,其特征在于,上述全长肉毒毒素为二聚体。
10.一种肉毒毒素的生产方法,
包括:
步骤1)分别生产作为肉毒毒素片段的轻链、重链的易位域及重链的受体结合域;以及
步骤2)混合作为肉毒毒素的片段的轻链、重链的易位域及重链的受体结合域来生产全长肉毒毒素,
上述肉毒毒素的生产方法的特征在于,
上述重链的易位域与重链的受体结合域接合。
11.根据权利要求10所述的肉毒毒素的生产方法,其特征在于,上述接合通过在上述重链的易位域附加内含肽N,在上述轻链的受体结合域附加内含肽C来进行接合。
12.根据权利要求10所述的肉毒毒素的生产方法,其特征在于,上述轻链与重链的易位域通过二硫键结合。
13.根据权利要求10所述的肉毒毒素的生产方法,其特征在于,上述轻链与重链的易位域在一个细胞中生产,在细胞内进行二硫键结合。
14.一种用于生产肉毒毒素的试剂盒,
包含:
(1)依次包含编码肉毒毒素的轻链的序列及编码肉毒毒素的重链的易位域的序列的质粒;以及
(2)包含编码肉毒毒素的重链的受体结合域的序列的质粒,
上述用于生产肉毒毒素的试剂盒的特征在于,
上述(1)的质粒中表达的易位域与上述(2)的质粒中表达的受体结合域接合。
15.根据权利要求14所述的用于生产肉毒毒素的试剂盒,其特征在于,上述接合通过反式剪接方法、非共价亲和结合、非共价结合或者通过转肽酶的结合来接合。
16.根据权利要求14所述的用于生产肉毒毒素的试剂盒,其特征在于,
上述(1)的质粒还包含编码内含肽的序列,
上述(2)的质粒也还包含编码内含肽的序列,
通过诱导反式剪接来去除上述(1)的质粒中表达的内含肽和上述(2)的质粒中表达的内含肽。
17.根据权利要求16所述的用于生产肉毒毒素的试剂盒,其特征在于,
上述(1)的质粒表达轻链-重链的易位域-内含肽N,
上述(2)的质粒表达内含肽C-重链的受体结合域。
18.一种细胞,其特征在于,由权利要求14至17中任一项所述的用于生产肉毒毒素的试剂盒转化而来。
19.一种肉毒毒素的片段及全长肉毒毒素,其特征在于,上述肉毒毒素的片段通过利用权利要求14至17中任一项所述的用于生产肉毒毒素的试剂盒生产,上述全长肉毒毒素通过对上述肉毒毒素的片段进行混合来生产。
20.根据权利要求19所述的全长肉毒毒素,其特征在于,在上述全长肉毒杆菌毒素附着有脂肪酸、胆固醇、N-乙基马来酰亚胺(N-ethylmaleimide)或聚乙二醇。
21.根据权利要求19所述的全长肉毒毒素,其特征在于,上述全长肉毒毒素为二聚体。
22.一种肉毒毒素的生产方法,
包括:
步骤1)分别生产作为肉毒毒素的片段的轻链及重链的易位域以及重链的受体结合域;
步骤2)使用酶将轻链及重链的易位域切割为轻链、重链的易位域;以及
步骤3)混合作为肉毒毒素的片段的轻链、重链的易位域及重链的受体结合域来生产全长肉毒毒素,
上述肉毒毒素的生产方法的特征在于,
上述重链的易位域与重链的受体结合域接合。
23.根据权利要求22所述的肉毒毒素的生产方法,其特征在于,上述接合通过在上述重链的易位域附加内含肽N,在上述轻链的受体结合域附加内含肽C来进行接合。
24.根据权利要求22所述的肉毒毒素的生产方法,其特征在于,上述轻链与重链的易位域通过二硫键结合。
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