JP2004531258A - Method of template-adjusted ligation direction localization for non-random shuffling of polynucleotides - Google Patents

Method of template-adjusted ligation direction localization for non-random shuffling of polynucleotides Download PDF

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Abstract

少なくとも二つの断片を組織化テンプレート上へ隣接的にハイブリダイズする、遺伝子シャフリング指向ライゲーションの方法。本発明は、特に、いくつかの有利な点に関して、基準配列とは異なる新奇なポリヌクレオチドを生成することを目的とする。本発明は、さらに、方法から生じる配列、ホスト、それを含むベクター、それから翻訳したタンパク質を含む。A method of gene shuffling-directed ligation wherein at least two fragments are hybridized adjacently onto an assembling template. The present invention aims, inter alia, to generate novel polynucleotides that differ from the reference sequence in some respects. The invention further includes sequences resulting from the method, hosts, vectors containing the same, and proteins translated therefrom.

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、概して遺伝子組み換えに関し、特に、有向進化、分子的繁殖あるいはDNAシャフリングとして知られる分野に関する。本発明は、基準配列に比較して、改良された特性を持つ新奇な配列を生成することを目的とする。生物体の外で行う場合、このプロセスは、生体外進化のための技術である。本発明は、さらに、この方法によって生成される配列、このような配列のライブラリ、このような配列を含むホスト及びベクターそれから変換したタンパク質に関し、本発明の方法をシミュレートするアレイに、また、方法を行うことが可能なアレイに関する。本発明は、さらに、方法の中間産物に、そして特定なタイプのポリヌクレオチド断片及び組織化テンプレートの反応混合物に関する。
【背景技術】
【0002】
ポリヌクレオチド配列の生体外組み換えを促進する種々の技術が知られている。最もよく知られる従来の技術には、重合に依存するセクシャルPCR(プライマーを加えない多数のサイクル)及び付着伸長(StEP)を含むDNAシャフリングがある。
【0003】
典型的に、セクシャルPCRを含むDNAシャフリングでは、DNアーゼIがランダムにポリヌクレオチド配列を切断してオリゴヌクレオチド断片を形成し、断片が重合すなわちPCR延長を開始し、そして組み換えポリヌクレオチドが増幅される。各ハイブリダイゼーション・ステップにおいて、配列間の相同領域において交差が発生する(「鎖乗り換え」)。図1Aは、この方法を概略的に表す。
【0004】
StEPは、一対のイニシエータが存在する状態で、種々の突然変異を含む種々のポリヌクレオチド配列を混合することからなる。この混合物は、ハイブリダイゼーション及び重合ステップが単一の、非常に短期のステップに統合されるPCR反応にさらされる。これらの条件は、イニシエータをハイブリダイズすることを可能にするが、また重合を遅くするため、イニシエータは、変性後、ランダムに種々のポリヌクレオチド配列に再ハイブリダイズする断片だけを合成する時間を持つ。図1Bは、この方法を概略的に表す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
重合への過度の依存には欠点がある。このような方法は、重合の連続的な段階中にランダムに起こる組み換えの速度あるいは位置に対する制御を受けない。重合は、また、用いる条件及び重合酵素に依存して、望まない追加の突然変異、あるいは不十分な数の突然変異を生成することがある。後者は、長いギャップが、対向する鎖を完全に補足する残基で満たされる場合に起こる。さらに、十分なサイクルの後に、断片は、非常に長く成長して「メガイニシエータ」として知られるもの(6)になる。メガイニシエータは、特に開始ポリヌクレオチドが約1.5kbを超えると、種々の問題を引き起こす。
【発明の効果】
【0006】
本発明は、初期ポリヌクレオチドあるいは断片の重合、サイズ分画(大きさによる断片の分離)あるいは増幅に依存する必要がない。さらに、出願者は、望まないがそうではないと限定して述べる場合を除いて、本発明及び実施例には広範な利点があると信じている。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
第一に、本発明は、組み換えの位置に対する制御を提供する。テンプレート上のハイブリダイゼーションは、組み換えが起こる位置の正確な制御を可能にする。例えば、目標タンパク質が、変化させないで維持することを望む活性部位を含む場合、本発明は、組み換えを、活性部位以外の領域に限定することができる。さらに、本発明は、隣接する配列セグメント間に高度な組み換えを達成することができる。本発明は、近くに横たわる配列を「結合している」として扱うよりもむしろ、それらをチャンクで移動して、近くに横たわる配列を分離することが可能である。したがって、ある意味で本発明は、また、遺伝子の多様性に対する高分解能、忠実度及び品質を達成する。実に、非ランダム的な断片化を用いる本発明の実施例は、残基が15と短い断片でも用いることができる。
【0008】
本発明は、また、特に(下記に定義する)ライゲーション・オンリー実施例以外の実施例においても、反応サイクルにつき、断片のさらに多くの組み換え及び組み込みを生じさせることが可能である。換言すれば、多量の多様な遺伝子を得ることができる。これは、より多くの全組み換え事象を刺激することによって、直接的に達成する。また、全体的な効率を向上させることによって間接的に達成する。特に、指向ライゲーションを用いることによって、全体的な効率を向上させることができる。指向ライゲーションを用いない場合、「n」断片に切断された配列は、たとえいくつかの形態が有用であるとしても、非常に多種多様な、可能な形態へと再連合するであろう。本発明は、これに対して、所望の形態の直接的な達成を促進する。実に、本発明のいくつかの実施例では、僅かに単一反応サイクル後に組み換えポリヌクレオチドを得ることが可能である。
【0009】
典型的に、本発明は、シャッフルされない親核クローン及び重複キメラの発生が比較的に少ないため、さらに効率が向上する。これらの不要な副産物を避けることによって、より多くの新奇なキメラに対して余地を提供する。従来の方法は、30%から70%の親核DNAからなる選別ライブラリを生成する。有向進化、分子種畜あるいは遺伝子シャフリングに関するすべての方法では、組み換えDNA分子の選別ライブラリが生成され、これらの分子を発現させてスクリーニングする。ライブラリは十万から数百万の組み換え分子を含むので、スクリーニングは、プロセスにおける、最も費用がかかり時間を消費する部分である。選別ライブラリから親核DNAを排除することで、この問題を緩和することができる。最終的な母集団が、新しい異なるポリヌクレオチドから構成されるため、本発明の好適実施例のように、テンプレートが過渡的であれば、親核DNAの除去は向上する。
【0010】
本発明の方法の好適実施例、特に孤立鎖テンプレートあるいは断片を用いる実施例は、また、例えば、遺伝子系統群の遠縁のメンバーの、ホモロジーの低いシャフリングを促進する。すべてが、一つのポリヌクレオチドあるいは多数の相同ポリヌクレオチドの、センスあるいはアンチセンスな鎖のいずれかの、同じ鎖からのものであるため、相互に補完しない、特に一本鎖の配列の母集団を表すために、用語「孤立鎖」を用いる。例えば、孤立鎖断片は、相補的ではない、あるいは少なくとも、反応混合物内の他の断片を厳密に補足するものではないため、ハイブリダイゼーションは、相補的な断片によって形成されるであろう「野生型」配列に向かう傾向を持たない。このため、ハイブリダイゼーション温度を配列間のホモロジーの温度に調整して、最少組み換えサイクル数において、多様性を極大化し、適切な突然変異体を見いだすチャンスを大いに増加させることが可能である。(注記:本発明は、また、例えば、多量の一つの親核ポリヌクレオチドを用いて所望の傾向を達成するということを含んでもよい。)
【0011】
さらに、本発明は、開始DNAライブラリの準備をほとんど必要とせず、イントロンを含んでもよい複合体、すなわちゲノムDNAの瞬時の使用を可能にする。他のいくつかの方法は、シャフリングあるいは再集合させる断片を生成するために、時間がかかるmRNAの分離、そしてcDNA配列の改造を必要とする。
【0012】
本発明の利点及び実施例を、下記にさらに説明する。
【0013】
発明の要約
【0014】
本発明は概括的に遺伝子組み換えに関するが、本発明に関して、「組み換え」は、この用語が、二つの鎖が切り離されて相互に再び結合し、組み換え配列を形成するということを暗示する限りにおいて、幾分誤ったことばである。換言すれば、発明は、鎖乗り換えあるいは交差に依存しない。しかしながら、このことに注意して「組み換え」、そしてそれに関する用語を本文では用いる。
【0015】
一つの実施例では、本発明の方法は、ポリヌクレオチドを非ランダム的にシャッフルするための、テンプレート調整ライゲーション方向定位の方法からなる。
この方法は次のことを含む。
a)ポリヌクレオチド・ライブラリから直接あるいは間接的に、少なくとも二つの相同ポリヌクレオチドの一本鎖断片を得ること。
b)前記断片を、少なくとも二つの断片が隣接的にハイブリダイズするまで、一つ以上の考案組織化テンプレートへハイブリダイズすることによって、少なくとも一つの部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを形成すること。なお、少なくとも一つの前記テンプレートは、前記相同ポリヌクレオチドと少なくとも一つのホモロジー領域を共有する。
c)前記部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを処理して、少なくとも一つの組み換えポリヌクレオチドを形成すること。
この場合、前記処理は、順序に関係なく次のことを行う。
(i)ニックをライゲートすること。そして
(ii)必要に応じて、次のギャップを満たす技術の一つ、あるいは組合せを行うこと。
隣接的にハイブリダイズする断片数を増加させるよう、前記断片を前記テンプレートへさらにハイブリダイズすることによってギャップを満たすこと。
部分的にハイブリダイズした断片の張り出しフラップをトリムすることによって短いギャップを満たすこと。
そして重合を介して短いギャップを満たすこと。
【0016】
上記実施例においては、必要に応じて、いずれのステップ、特にステップ(b)及び(c)を繰り返してもよい。もう一つの実施例では、本発明の方法は、本発明の各ステップの、単に1回、1サイクルあるいは単一の操作後に、組み換えポリヌクレオチドを生成する。好適実施例では、方法は、さらに、所望の特性を持つ前記組み換えポリヌクレオチドの少なくとも一つを選択するステップ(d)からなる。ステップは、生体外で(生物の外で)起こることがより好ましい。いくつかの好適実施例においては、方法は、とりわけ、非ランダム的な断片化、過渡テンプレート及び孤立鎖テンプレートあるいは断片を用いる。
【0017】
択一的な実施例では、本発明は本質的に、上記ステップ(b)及び(c)からなる。このような場合、ステップ(b)が「ステップ(a)」になり、また、少なくとも二つの相同ポリヌクレオチドの一本鎖断片をハイブリダイズすることを含む。
【0018】
もう一つの択一的な実施例では、本発明は、生体外での遺伝子系統群の非ランダム低ホモロジー・シャフリングのための、テンプレート調整ライゲーション方向定位の方法からなる。ホモロジーが低いとみなすかどうかは、状況に応じて異なるが、50%(例えば、40から70%あるいは20から45%)よりも低いホモロジーは、典型的に低いとみなす。もう一つの択一的な実施例では、親核ポリヌクレオチドは、二つの残基を超える長さで異なる。
【0019】
さらにもう一つの択一的な実施例では、本発明は、ポリヌクレオチド対立遺伝単位の突然変異を含む領域の生体外非ランダム・シャフリングのための、テンプレート調整ライゲーション方向定位の方法からなる。この実施例は、さらに、対立遺伝単位間の突然変異を含む領域に対する制限部位の位置を定めること、それらの制限部位に対応する断片を得ることからなる。
【0020】
本発明は、さらに、方法から生じる配列、そのライブラリ、それを含むホスト及びベクター、それから翻訳したタンパク質を含む。また、本発明の方法をシミュレートするコンピュータ・アルゴリズム等の論理名アレイ、あるいは本発明の方法が行われるバイオチップ等の物理的なアレイを含む。本発明は、さらに、方法の中間産物に、また、方法のいくつかの、あるいはすべてのステップを行うために用いることが可能な、ポリヌクレオチド断片と組織化テンプレートとの反応混合物に関する。
【0021】
定義
【0022】
本文で用いる「生体外」は、生物の体外の位置を指す。「相同」ポリヌクレオチドは、相互に、少なくとも一つの対応する残基位置において異なる。したがって、本文で用いる「相同」は、「部分的に異種である」と時々言及されるものをも含む。例えば、親核ポリヌクレオチド間におけるホモロジーは、20%から99.99%までに及ぶが、30から90%が好ましく、40から80%がより好ましい。いくつかの実施例では、用語「相同」は、対応する残基位置において、例えば僅かに約20から45%だけが同一な配列を示すこともある。相同配列は、互いに、共通の祖先あるいは進化論的な起源を共有してもよいし、あるいはそうでなくともよい。
【0023】
「ポリヌクレオチド」及び「ポリヌクレオチド配列」は、一本鎖の、孤立鎖の、または部分的に、あるいは完全に二本鎖の、mRNAを含む核酸あるいはリボ核酸配列を指す。部分的に、あるいは完全に二本鎖である場合は、明示しない限り、各鎖が全く同一であっても、あるいは異種であってもよい。ポリヌクレオチドは、遺伝子あるいは遺伝子の一部であってもよい。「遺伝子」は、既知の、あるいは未知の生物学的機能あるいは活性に関連するポリヌクレオチド、またはその一部を指す。遺伝子は、核酸ソースからの抽出、化学合成、そして重合による合成を含み、異なる方法から得ることができる。「親核ポリヌクレオチド」及び「親核」は、交換可能な同義語であり、供与片を生じるように断片化させたポリヌクレオチドを指す。親核ポリヌクレオチドは、しばしば遺伝子から得られる。「組み換えポリヌクレオチド」、「突然変異ポリヌクレオチド」、「キメラ・ポリヌクレオチド」及び「キメラ」は、概して、方法によって生成されるポリヌクレオチドを指す。しかしながら、これらの用語は、初期ライブラリ内のキメラ・ポリヌクレオチド等の、他のキメラ・ポリヌクレオチドへ言及してもよい。「基準配列」は、所望の特性、あるいはそれに近い特性を持つ、しばしば遺伝子から得られるポリヌクレオチドを指し、他のポリヌクレオチドを生成する、あるいは評価するための目標あるいは基準として用いる。
【0024】
「ポリヌクレオチド・ライブラリ」及び「DNAライブラリ」は、少なくとも二つの相同ポリヌクレオチドあるいは、それらの断片を含むポリヌクレオチドのグループ、プールあるいはバンクを指す。ポリヌクレオチド・ライブラリは、初期ライブラリあるいは選別ライブラリからなる。「初期ライブラリ」、「初期ポリヌクレオチド・ライブラリ」、「初期DNAライブラリ」、「親核ライブラリ」及び「開始ライブラリ」は、少なくとも二つの相同親核ポリヌクレオチド、あるいはそれらの断片を含むポリヌクレオチドの、あるいはそれらの断片のグループ、プールあるいはバンクを指す。初期ライブラリは、ゲノムDNAすなわち複雑なDNAからなり、イントロンを含んでもよい。また、事前のシャフリングによって生成される配列を含んでもよい。同様に、選別ライブラリ、または組み換えポリヌクレオチドあるいは断片からなる他の限られたライブラリは、初期ライブラリとして役立つかもしれないので、そのように呼ぶこともある。「選別ライブラリ」は、独創的なプロセス、あるいはもう一つの組み換えプロセスによって生成されるキメラを含むポリヌクレオチド・ライブラリを指す。
【0025】
「残基」は、多数のヌクレオチドあるいはリボヌクレオチドと言うよりも、むしろ個々のヌクレオチドあるいはリボヌクレオチドを指す。残基は、ポリヌクレオチドあるいは断片の一部でない遊離残基を指すことも、またはポリヌクレオチドあるいは断片の一部を形成する単一残基を指すこともある。
【0026】
「供与片」及び「断片」は、概して、親核ポリヌクレオチドの断片化部分を指す。断片は、また、反応混合物に加えられる、そして/あるいは親核ポリヌクレオチドの断片化以外のソースから生じる、補足あるいは代用断片を指すこともある。断片の多くあるいはすべては、親核ポリヌクレオチドより短いはずであり、好適実施例においては、大部分あるいはすべての断片が、組織化テンプレートよりも短い。
【0027】
本文で用いる「非ランダム」及び「制御」は、広く、本発明のテンプレートそして/あるいはライゲーション方向定位を介して達成する、例えば組み換えの割合あるいは位置に関する制御または予測可能性に言及する。非ランダム及び制御は、また、狭義的に、結果として生じる断片の大きさあるいは配列に関する制御を可能にする、あるいは予測可能性を提供するポリヌクレオチドの断片化技術を示す。例えば、ポリヌクレオチドを切断するために制限酵素を用いることで、断片の特性を制御することができる。(典型的にDNアーゼI消化による)ランダムな断片化を用いた場合でも、本発明を非ランダム的とみなしてもよいことに注意する。このような場合でも、本発明の組織化テンプレート、そして他の機能は、ある程度の制御を提供する。しかしながら、実施例においては、断片化は、非ランダム的である、すなわち制御されている。
【0028】
「組織化テンプレート」、「考案テンプレート」及び「テンプレート」は、断片をアニールして、あるいはハイブリダイズして、部分的な、あるいは完全な二本鎖のポリヌクレオチドを形成する足場として用いるポリヌクレオチドを指す。好適実施例では、テンプレートは、供与片の大部分、あるいはすべてよりも長い。このような場合、遊離供与片が、相互に対するテンプレートであると考えることはできない。テンプレートは、基準配列、初期ライブラリ、選別ライブラリから、あるいは他のところから得てもよい。テンプレートは、初期ライブラリの親核ポリヌクレオチドからなる、あるいは得られるが、ポリヌクレオチドは、例えば、断片化しないでハイブリダイゼーション・ステップに陥ることで、偶発的にシャフリング・プロセスに入るならば、テンプレートとしては認められない。換言すれば、テンプレートは、完全にランダムでも、あるいは偶発的でもない。むしろ、少なくともある範囲に考案されたものである。テンプレートは、ヒトによる、あるいはヒトによって操作されるコンピュータによる、テンプレートとしての使用のため、目的に基づく計画、創案、調合、創造、誘導、そして/あるいは特定の、そして所望のポリヌクレオチド配列、または所望の配列を含む可能性が高いソースからの配列の選択を介して直接あるいは間接的に得られる。テンプレートは、シャフリングあるいは他の人工的な処理から生じる合成であっても、あるいは自然に存在するものであってもよい。「過渡テンプレート」は、それ自体が最終的な組み換えポリヌクレオチドに組み込まれることのないテンプレートを指す。この過渡性は、方法中に生成される、非最終的な組み換えポリヌクレオチドのテンプレート鎖の分離、あるいは崩壊から起こる。
【0029】
用語「孤立鎖」は、すべてが一つのポリヌクレオチドあるいは多数の相同ポリヌクレオチドの、センスあるいはアンチセンスの、同じ鎖からのものであるため、相互に補完しない一本鎖の配列の母集団を表す。換言すれば、対向する相補的な鎖からの配列は存在せず、母集団は相互を補足する配列を含まない。例えば、孤立鎖断片の母集団は、親核ポリヌクレオチドの頂部鎖の断片からなり、孤立鎖テンプレートの母集団は、一つ以上の親核ポリヌクレオチドの底部鎖からなってもよい。
【0030】
「ライゲーション」は、二つの残基間におけるリン酸ジエステル結合の生成を指す。
【0031】
「ニック 」は、ポリヌクレオチドの同じ鎖にハイブリダイズした二つの残基間におけるリン酸ジエステル結合の欠如を指す。ニックは、DNアーゼあるいは他の酵素によるリン酸ジエステル結合の欠如を、そして単純にライゲートされなかった隣接的にハイブリダイズされた断片間における結合の欠如をも含む。しかし、本文で用いるニックは、残基ギャップを含まない。
【0032】
文中の「ギャップ」及び「残基ギャップ」は、部分的に二本鎖であるポリヌクレオチドの一つの鎖上に、一つ以上の残基の欠如があることを指す。本発明のいくつかの実施例では、短いギャップ(約15から50以下の残基)は、重合酵素、そして/あるいはフラップ・トリミングによって満たし、長いギャップは慣習的に重合酵素によって満たす。本発明においては、長いギャップは、ハイブリダイゼーションあるいはトリミングだけによって満たしてもよい。
【0033】
「ハイブリダイゼーション」は、必要な変性及び再ハイブリダイゼーションのサイクルを含む場合を除き、一般的な意味を持つ。
【0034】
「隣接断片」は、端部が、互いに対して平滑で、ギャップによってではなくニックによってのみ分離している、ハイブリダイズ断片を指す。
【0035】
「ライゲーション・オンリー」は、ギャップを満たす重合酵素延長あるいはフラップ・トリミングを利用しない、すなわち必要としない本発明の実施例に言及する。ライゲーション・オンリー実施例においては、すべての断片が隣接的にハイブリダイズする。ライゲーション・オンリー実施例ではない実施例でも、ライゲーションが用いられることに注意して下さい。
【0036】
「ライゲーション方向定位」及び「指向ライゲーション」は、概して、断片あるいは残基のライゲーションを、比較的に整った、あるいは比較的に予測可能な順序で可能にするテンプレート調整プロセスを表す、あるいは指す。本発明のすべての実施例は、ライゲーション方向定位による。例えば、ライゲーション・オンリー実施例であっても、ライゲーション方向定位である。
【0037】
本発明の好適実施例の詳細な説明
【0038】
本発明の一つの実施例は、非ランダム的にポリヌクレオチドをシャッフルするための、テンプレートによって調整した、ライゲーション方向定位の方法である。この方法は次のステップからなる。
a)ポリヌクレオチド・ライブラリから、少なくとも二つの相同ポリヌクレオチドの一本鎖断片を直接あるいは間接的に得ること。
b)これらの断片を、少なくとも二つの断片が隣接してハイブリダイズされるまで、一つ以上の考案した組織化テンプレートにハイブリダイズすること。これによって、少なくとも一つの、部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを形成する。この場合、前記テンプレートの少なくとも一つが、前記相同ポリヌクレオチドと、少なくとも一つのホモロジー領域を共有する。
c)この部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを処理して、少なくとも一つの組み換えポリヌクレオチドを形成すること。
この処理は、順番に関係なく、次のステップからなる。
(i)ニックをライゲートすること。そして
(ii)必要な場合は、次のギャップを満たす技術のいずれかを、あるいはそれらを組合せて実行すること。
隣接的にハイブリダイズされた断片の数を増加させるために、前記テンプレートに前記断片をさらにハイブリダイズすることによってギャップを満たす。
部分的にハイブリダイズされた断片の張り出しているフラップをトリムすることによって短いギャップを満たす。
そして重合を介して短いギャップを満たす。
【0039】
本発明の実施例は重合酵素を用いてもよいが、そのような実施例の場合、重合酵素は、長いギャップではなく、単に短いギャップ(例えば、15から50以下の残基)を満たすために用いる。好適実施例では、プロセスは重合酵素を用いない。ライゲーション・オンリー実施例においては、この方法は、ギャップを満たす技術を全く用いないで、その代わりに、しばしば多数のハイブリダイゼーション事象後に達成される、完全に隣接する断片のライゲーションに依存する。
【0040】
部分的に二本鎖のポリヌクレオチドが十分な二本鎖になったら、(d)一つあるいは複数の基準配列のものと比較して、有利な特性を選択することが好ましい。有利な特性としては、例えば、酵素の熱安定性あるいは、特定なpHあるいは塩度の下での活性を含んでもよい。多くの他の可能な用途として、このような酵素は、紡織繊維を糊抜きする、紙パルプを漂白する、乳製品に風味を付ける、あるいは新しい治療分子の合成を生物触媒するために用いてもよい。
【0041】
プロセスは、また、選択の前後に、テンプレート鎖を崩壊させること、あるいは組み換え鎖から分離させることを含んでもよい。さらに、ステップ(d)における選択の前に、組み換え配列を増幅すること、あるいはテンプレートから組み換え鎖を分離させた後に、組み換えポリヌクレオチド配列をクローンすることを含んでもよい。どのような増幅技術を用いてもよい。組み換え配列の端部にのみハイブリダイズすることが可能なイニシエータがあるため、PCRは、組み換え配列の選択増幅を可能にする。しかしながら、セクシャルPCRでのシャフリングとは異なり、本発明は組み換え反応中の増幅を必要としない。
【0042】
好適スクリーニング技術は、組み換えポリヌクレオチドの生体外転写、その後のmRNAの生体外翻訳を介する生体外発現を必要とする。この技術は、細胞の生理学的な問題、そして生体内発現クローニングに関連した欠点を排除する。さらに、この技術は、容易に自動化でき、多数の組み換え配列のスクリーニングを可能にする。
【0043】
本発明の実施例は、実際、ステップを一度行うだけで、周回する必要はない(「非反復」)が、本発明は、また、いずれのステップの繰り返し、ステップ(a)、(b)そして/あるいは(c)の反復等を含む。例えば、プロセスは、多数のハイブリダイゼーション事象を必要としないかもしれないし、あるいは必要とするかもしれない。ステップ(b)におけるハイブリダイゼーション、そしてステップ(c)の追加のハイブリダイゼーションは、変性及び再ハイブリダイゼーションの必要なサイクルをカバーすることを意図している。必要ならば、単にステップ(a)によって生成された供与片に対してというよりもむしろ、ステップ(b)そして/あるいは(c)によって生成されるライゲートされた、そして/あるいはライゲートされていない断片に対して、ステップ(b)そして/あるいは(c)の一部分あるいは全部を反復してもよい。ライゲーション・オンリー実施例は、典型的に、多数の繰り返しが必要である。ステップの反復を含むことに加えて、本発明は、同時処理能力として本技術で既知であるところの、ステップの同時処理を可能にする実施例を含む。
【0044】
好適実施例では、初期ライブラリ自体が本発明によって生成される。本発明のプロセスを繰り返すために、生体内あるいは生体外のスクリーンを、このライブラリを形成するために用いることができる。プロセスの第一の流れの後に選択した組み換え配列は、オプションとして、他の配列と混合する。
【0045】
初期ライブラリは、また、本技術に熟練した者が知る方法、例えば、野生型遺伝子から始めることによって、突然変異誘発の連続的な段階を管理することによって、「エラーが起こり易い」PCR(2)によって、ランダムな化学物質突然変異誘発によって、生体内でのランダムな突然変異誘発によって、または同じあるいは異なる種内の近いあるいは比較的に遠い系統群の遺伝子を結合することによっても生成することができる。初期ライブラリは、ランダムな局所的突然変異を生じる条件下における、連鎖重合反応から生じることが好ましい。本発明は、また、合成配列からなるものでもよい。
【0046】
組織化テンプレート
【0047】
ステップ(b)あるいは(c)の組織化テンプレートは、例えば、初期ライブラリからのポリヌクレオチド、あるいはそれから生成したポリヌクレオチドである。テンプレートは、合成であってよいし、シャフリングあるいは他の人工的な処理から生じるものでも、あるいは自然に存在するものでもよい。テンプレートは、一本鎖あるいは二本鎖であってもよい。二本鎖の場合は、実際のハイブリダイゼーションの前に、ステップ(b)等で変性させなくてはならない。テンプレートがステップ(b)で直接組み込まれる場合は、テンプレートは、変性させなくてはならないか、あるいは既に一本鎖の形態でなくてはならない。
【0048】
好適実施例では孤立鎖テンプレートを用いる。より好ましい実施例では、孤立鎖テンプレートとして、一つの親核ポリヌクレオチドからの底部鎖と他の親核からの頂部鎖断片とを用いる。これは、それら自身の相補的な鎖への、配列の再アニーリングを防ぐ。孤立鎖DNA分子を得るためには、ブルースクリプト(Bluescript)ファージミド、あるいはM13mp18等の糸状ファージの系統群のベクターを用いることができる。もう一つの方法は、5’でリン酸化したイニシエータ、そして他の非リン酸化イニシエータを用いるPCRによって、二本鎖分子を生じさせることからなる。エキソヌクレアーゼによるラムダ・ファージの消化は、非リン酸化鎖をそのままにして、5’でリン酸化したDNAの鎖を破壊する。孤立鎖分子を生成するもう一つの方法は、メタノール変性DNAテンプレートから開始する非対称PCRによって増幅することからなる。DpnIによる消化は、メタノール変性鎖を破壊するが、増幅産物をそのままにするので、変性後に精製することが可能である。
【0049】
好適実施例は、また、最終的な組み換えポリヌクレオチド内に組み込まれない、例えば、選別ライブラリに転送されるポリヌクレオチドの一部ではない過渡テンプレートを用いる。過渡性を授ける一つの技術は、組み換え鎖あるいはテンプレートにマーカーを用いる。例えば、テンプレートは、ハプテンによって標識し、例えば、担体に抗ハプテン抗体を定着させて、あるいはビオチン・ストレプトアビジン反応を開始させて分離してもよい。もう一つの技術は、制限エンドヌクレアーゼDpnIによるテンプレートの分解を可能にする、メタノール変性dATPを用いるPCR増幅によって過渡テンプレートを合成することからなる。この場合、組み換え鎖は、メタノール変性dATPを含んではならない。過渡テンプレートは、また、ウラシルDNAグリコシラーゼで分解を可能にする、dUTPによるPCR増幅によって準備することができる。逆に、5’にフォスフォロチオエート変性グループを伴うオリゴヌクレオチドを用いる選択PCRで増幅することによって、組み換え鎖を保護することが可能である。したがって、エキソヌクレアーゼでの処理は、テンプレートの排他的な分解を可能にする。最も好ましい実施例においては、mRNA等のウラシルを含むテンプレートを用いることによって、過渡性を授ける。mRNAは、結合のための高親和性を持ち、mRNA特定酵素で除くことができる。このようなmRNAテンプレートは、生体内あるいは生体外で準備することができる。より好ましい実施例では、mRNAテンプレートの使用には、プロセスに、リガーゼに連結した少なくとも三つのプライマーを含めることを必要とする。
【0050】
さらにもう一つの好適実施例では、テンプレートは、平滑末端の多分子ライゲーションの方向定位を可能にする。この実施例においては、テンプレートは、第一の断片の3’端部、そして親核ポリヌクレオチド内の第一の断片に隣接する第二の断片の5’端部を正確に補足する比較的に短い一本鎖あるいは二本鎖ポリヌクレオチドからなる。これは、テンプレート上の、これら二つの端部の隣接ハイブリダイゼーションを促進する。
【0051】
さらに、実施例は、次のいずれかを、あるいはすべてを含む。テンプレート及び供与片は、異なるソースからのものである。テンプレートは反応混合物へ個別に加えられる。そして/あるいはテンプレートは、キメラ発生を増加させるため、特定な方法で修正される。
【0052】
供与片
【0053】
断片は、相同ポリヌクレオチド、関連遺伝子から、あるいは他の遺伝子から入れることができる。親核DNAは、特徴づける必要は全くないが、細胞、臨床試料あるいは環境から抽出することができる。ステップ(a)は、初期断片含有のライブラリからの、予め断片化した一本鎖あるいは二本鎖断片で始めること、そして/あるいは初期ライブラリからの一本鎖あるいは二本鎖親核ポリヌクレオチドを断片化するサブステップで始めることの両方を含む。ステップ(a)は、断片の別個のライブラリを結合すること、そして/あるいは別個の開始ライブラリからの親核ポリヌクレオチドを断片化することを含んでもよい。また、異なる制限酵素を用いる等の、異なる方法で同じライブラリからの親核ポリヌクレオチドを断片化することを含んでもよい。さらに、ステップ(a)は、一つの親核ポリヌクレオチドから、もう一つの親核ポリヌクレオチドよりも、多くの断片を用いることを含んでもよい。例えば、このプロセスを用いる実験者は、ポリヌクレオチドYの断片あるいは部分よりも、ポリヌクレオチドXの断片あるいは部分をより多く用いて、その結果を偏らせてもよい。
【0054】
一つの実施例においては、種々の長さの補足一本鎖あるいは二本鎖断片を、ステップ(b)あるいは(c)で加える。これらの補足断片は、特に配列がステップ(a)断片の配列に相同である場合、ステップ(a)の断片のいくつかを置換することが可能である。このような補足断片は、例えば、一つ以上の直接的な突然変異を導入する可能性がある。また、合成配列からなるものであってもよい。
【0055】
断片化は、断片化すべき配列の変性の前後に生じてもよい。断片化は、制御しても、あるいはランダムであってもよい。ランダムな場合は、DNAをランダムに切断するために、例えば、DNアーゼIによる消化、または超音波破砕等の、本技術の熟練者に既知である酵素あるいは機械的な手段を用いることができる。断片化を制御する場合は、組み換えの程度、速度、効率そして/あるいは位置の管理を促進する。好適実施例は、制限供与片を生じさせるために、制限酵素で親核ポリヌクレオチドを加水分解することを含む。制限酵素は、配列毎の生成断片数を制御することによって、組み換えの程度、速度及び効率に対する制御を提供する。例えば、多くの切断部位を持つ制限酵素を用いることによって、あるいはいくつかの異なる制限酵素を用いることによって、その数を増加させてもよい。配列毎の生成断片数が大きければ大きいほど、組み換え配列を形成するために再組成されなければならない断片数(n)は大きくなる。nは3以上であることが好ましい。
【0056】
断片端部の性質及び位置を制御することで、制限酵素は、さらに、程度及び速度に対してだけではなく、組み換えが起こる位置に対しても制御を提供する。例えば、基準配列あるいは組織化テンプレート内の領域に相同な親核配列領域内で切断が起こるように、断片化をデザインすることができる。
【0057】
断片は、長さが約15から500残基であることが好ましい。断片化を非ランダム的に行う場合、断片は、長さが少なくとも15残基であれば有利であるが、長さが約15から40残基であればより好ましい。語句「少なくとも15残基」は、約15残基と、使用最長ポリヌクレオチドの全長よりも1残基少ないものとの間を意味する。断片化をランダムに行う場合は、長さが少なくとも50残基であることがより好ましい。語句「少なくとも50の残基」は、約50残基と、最長ポリヌクレオチドの全長よりも1残基少ないものとの間を意味する。
【0058】
ステップ(a)における断片の少なくとも二つの端部は、隣接的にハイブリダイズされ、そしてライゲートされることが可能でなくてはならない。(ライゲーション・オンリー実施例では、ハイブリダイズして最終的な組み換え鎖を形成する断片のすべては、このような端部を持たなくてはならない。)好適実施例においては、本発明は、フラップ・トリミング酵素を用いて、さもなければ非生産的であろう断片をライゲート可能な端部にする。これらの酵素は、特定な方法で断片のハイブリダイズされていない端部を識別して分解あるいは切断し、同じテンプレート上の他のハイブリダイズされた断片を覆う。
【0059】
望ましい酵素は、フラップ・エンドヌクレアーゼであり、それをステップ(c)で、あるいはステップ(b)のハイブリダイゼーション中に用いることができる。断片が最初に二本鎖にされる場合、本発明の実施例は、断片のハイブリダイズされない端部のような一本鎖配列を識別して分解する、特定なエキソヌクレアーゼを用いることからなる。このような一本鎖エキソヌクレアーゼあるいはフラップ・エンドヌクレアーゼは、例えば、テンプレートあるいは組み換え配列を分解する可能性のある、より一般的なエキソヌクレアーゼ活性を避ける濃度であることが好ましい(例えば、約1.8から2.2μg/mlのフラップ・エンドヌクレアーゼ)。これらの酵素は、ステップ(c)でライゲートすることが可能な断片端部数を増加させる。多くの張り出しフラップが生じる傾向があるため、断片をランダムに切断するのに特に有用である。低いハイブリダイゼーション温度そして/あるいは長いハイブリダイゼーション時間(例えば、2分)を持つこのような酵素の使用は、ホモロジーが低いポリヌクレオチド間の組み換えを促進する。例えば、ランダムな断片化を用いる好適実施例は、フラップ・エンドヌクレアーゼの使用、そしてステップ(b)における広範囲なハイブリダイゼーション温度(例えば、5から65℃)を含む。ステップ(b)は、温度に関して、特にハイブリダイゼーション温度が高ライゲーション温度(例えば、約60から75℃)よりも低い場合、ステップ(c)のライゲーションから切り離すことができる。最も好ましいのは、フラップ・エンドヌクレアーゼ濃度が約2μg/mlであり、ハイブリダイゼーション温度が約10℃であり、そしてライゲーション温度が約65℃である。このようなトリミング酵素を用いる場合、リガーゼのように耐熱性で熱安定性があり、そして高温において活性であることが好ましい。
【0060】
本発明の方法の追加のオプション機能
【0061】
従来のシャフリング方法とは異なり、本発明の種々の実施例は、サーモサイクリング、例えば、セクシャルPCRに必要な、繰り返しの加熱及び冷却を必要としない。種々の実施例においては、遺伝子長のポリヌクレオチドあるいは短いポリヌクレオチドを生じさせるために、プロセスを用いてもよい。種々の実施例は、厳密性が低い条件下でハイブリダイゼーションを起こしてもよい。種々の実施例は、テンプレートと、生成されるキメラ・ポリヌクレオチドとの比率が、約1である。種々の実施例はDNアーゼを全く用いない。種々の実施例においては、初期ライブラリは、単一遺伝子の変異体からなる。種々の実施例では、初期ライブラリは、人工的に誘発した点突然変異を持つポリヌクレオチドを含んでもよい。種々の実施例において、本発明は、全ゲノム・シャフリングのために用いてもよい。種々の実施例において、ステップは、生体外というよりもむしろ生体内で行われてもよい。最後に、例えば、PCRによって断片を増幅する場合、組織化テンプレートのすべてに沿って端部が隣接する断片を生成するよう開始配列をデザインすることができる。
【0062】
例I
【0063】
例Iの目的は、孤立鎖断片を用いて、カナマイシン抵抗遺伝子から組み換えポリヌクレオチドを生成することである。
【0064】
第一に、pACYC184の抵抗遺伝子(1kb)を、孤立鎖ファージミドが遺伝子の非コード鎖を含むよう、M13mp18のポリリンカー内でクローンする。
【0065】
平行して、遺伝子配列の各々の側のベクター配列M13mp18を補足する二つのイニシエータで、PCR突然変異誘発(エラー・プローンPCR)により、この遺伝子を増幅する。非コード鎖に対するイニシエータはリン酸化されるが、コード鎖に対するイニシエータはリン酸化されない。PCR突然変異誘発の産物をラムダエキソヌクレアーゼによって消化して、カナマイシン抵抗遺伝子の突然変異体のコード鎖ライブラリを生成する。
【0066】
孤立鎖配列のこのライブラリは、制限酵素混合物、特にHaeIII、HinfI及びTaqIによって消化される。結果として生じる孤立鎖断片は、それから、孤立鎖ファージミドでハイブリダイズして熱安定性リガーゼでライゲートする。アガロース・ゲル上への析出中に小さな断片が観察されなくなるまで、このステップを数回繰り返す。その間、完全な抵抗遺伝子の孤立鎖に対応する縞模様が、ゲル上に見える「スメア」の主要な構成要素になる。
【0067】
遺伝子の大きさに対応する縞模様を、ゲルから切り取って浄化する。それを、遺伝子の各側上におけるM13mp18配列の二つの相補的なオリゴヌクレオチド(40マー)でハイブリダイズし、この部分的なデュプレックスを、EcoRI及びSphIによって消化し、それから、同じ酵素によって消化したM13mp18ベクター内でライゲートする。
【0068】
それから、ライゲーション産物で変化させた細胞を、カナマイシンに対する抵抗が増加しているどうか選別する。
【0069】
完全な遺伝子の二つのイニシエータでのPCRと、この増幅の二本鎖産物のクローニングとによって、孤立鎖組み換え分子のクローニングをオプションとして行う。望まない突然変異を避けるために、この増幅は、Pfuタイプの重合酵素で、そして限られたサイクル数で行うべきである。
【0070】
初期ストックよりもカナマイシンに対する抵抗力が著しく強いクローンのプラスミドを精製して、先に定めたリン酸化あるいは非リン酸化イニシエータ・カップルを用いる高忠実度条件下で、重合酵素PfuとのPCRに使用する。これは、ラムダ・エキソヌクレアーゼでの処理、そして制限酵素での断片化の後、孤立鎖断片の第二世代を生じる。このステップに用いる酵素は、異なる混合物(例えば、BstNI、TaqI及びMnlI)であってもよい。
【0071】
組み換え及び選択ステップは、カナマイシンに対する抵抗が実質的に増加するまで、数回繰り返す。
【0072】
例II
【0073】
I.要約
【0074】
開始ライブラリは、大腸菌(1)の PBP1b に対するコード、ponBの10遺伝子突然変異体を含む。各突然変異体の配列は、非相同領域の3から16ベースの長さだけ本来の遺伝子のものとは異なっていた。これは、本文内(8)に記述したレフェヴレ(Lefevre)氏らが説明する技術によって、五つの初期コドンの、5つのアラニン・コドンによる置換から生じたものである。
【0075】
この置換は、二つのPstI酵素部位によって囲まれた制限酵素PvuIIの独特な部位を示すもので、突然変異体を消化プロフィールによって識別可能にした。図3は、各突然変異体に伴う突然変異(PvuII及びPstI)の、10の領域の位置を表す。
【0076】
突然変異体のPCR増幅後、PCR産物を精製して、これを、ライブラリを形成するために等モル量で混合した。このライブラリのポリヌクレオチド配列を、制限断片のライブラリを生成するよう、制限酵素HinfI及びBsaIで消化した。それから、熱安定性リガーゼが存在する状態で、異なる量の制限断片を、種々の量の野生型テンプレートと共に温置した。変性、ハイブリダイゼーション及びライゲーションの数サイクル後、反応混合物の少量を、突然変異遺伝子の5’及び3’端部に特定的な、そして野生型テンプレートの5’及び3’端部に非特定的な一対のプライマーでPCR増幅を行うために用いた。増幅産物をクローンし、これらのクローンを、消化プロフィールに関してPvuIIあるいはPstI制限エンドヌクレアーゼを用いて分析した。得たプロフィールは、突然変異体のどの断片が、他のものと再結合して遺伝子全体を形成することが可能であるかを示した。
【0077】
II.材料及び方法
【0078】
A.品種及びプラスミド
【0079】
品種MC1061(F”araD139、△(ara−leu)7696、galE15、galK16、△(lac)X74、rpsL(Str)、mcrA mcrB1、hsdR2(r ))を大腸菌 K12 から得る。
【0080】
ベクターpARAPONBは、制限部位NcoIとNarIとの間にトロンビン切断部位(9)を伴うponB遺伝子が導入されたベクターpARA13(3)から生じる。ベクターpET26b+は、スツディエール(Studier)氏 及びモッファット(Moffatt)氏(10)によって開発され、ノバジェン社(NOVAGEN Corporation)が商業化したpETベクターの一つである。
【0081】
B.オリゴヌクレオチド
【0082】
オリゴヌクレオチドは、イソプリム社(ISOPRIM corporation)(トゥールーズ)が合成したものである。オリゴヌクレオチド配列を、下記の表Iに報告する。
【0083】
【表I】

Figure 2004531258
【0084】
C.試薬
【0085】
下記の表IIに引用した制限及び改修酵素は、供給業者の推薦に従って用いた。
【0086】
【表II】
Figure 2004531258
【0087】
用いた緩衝液は、下記の表IIIに報告する。
【0088】
【表III】
Figure 2004531258
【0089】
III.テンプレートの準備
【0090】
オリゴヌクレオチドM1及びM2をプライマーとして用い、PCR反応ステップによって野生型ponB遺伝子を増幅した(図4)。10μlの重合緩衝液、10μlのdNTPs2mM、各20ピコモルのオリゴヌクレオチドM1及びM2、そして5UのTaqDNA重合酵素を含む最終量が100μlの混合物へ、野生型遺伝子(7)を持つ50ngのpPONBPBRプラスミドを加えることによって、五つのPCR反応を準備した。これらの混合物を、次のプログラムに従ってパーキン・エルマー(Perkin-Elmer)9600サーモサイクラーで温置した。(94℃−2分)−(94℃15秒−60℃30秒−72℃1分)x29サイクル−(72℃−3分)。
【0091】
5つのPCR産物を混合して、1%のTBEアガロース・ゲル上に装填した。泳動とエチジウム臭化物でのゲルの染色の後、26bp及び90bpの二つの断片によって囲まれたponB遺伝子増幅産物に対応する、2651bpの縞模様を、紫外線による透視法で視覚化した。それから、それをメスで切り剥がし、クイアジェン社のクイアクイック・システム(QUIAquick system, QIAGEN)で精製した。精製したすべてのDNAを、120μlの緩衝液Tで溶離した。このDNAの濃度は、260nmにおけるその吸光度測定から、約100ng/μlであった。
【0092】
IV.ライブラリの準備
【0093】
A.突然変異遺伝子の増幅
【0094】
10の突然変異体の遺伝子を、個別に、オリゴヌクレオチドN及びEとのPCR反応によって増幅した。これらのオリゴヌクレオチドは、各々、制限部位NcoI及びEcoRIを導入するため、これらの二つの部位で得られる産物のクローニングが可能となる。
【0095】
10μlの重合緩衝液、10μlのdNTPs2mM、各々20ピコモルのオリゴヌクレオチドN及びE、そして 5U のTaqDNA重合酵素を含む最終量で100μlの混合物へ、突然変異遺伝子を含む50ngのプラスミドを加えることによって、各PCR反応を準備した。この混合物を、次のプログラムに従ってパーキン・エルマー9600サーモサイクラーで温置した。(94℃−2分)−(94℃15秒−60℃30秒−72℃1分)x29サイクル−(72℃−3分)。
【0096】
最終量で30μl内に3μlの制限緩衝液Aと5UのPvuII酵素とを含む混合物内に、1時間37℃で5μlの各PCR産物を温置することによって、遺伝子増幅の特殊性を、PvuIIエンドヌクレアーゼの制限プロフィールで実証した。その消化反応の15μlをTBE1%アガロース・ゲル上に装填した。泳動、そしてエチジウム臭化物での染色後、ゲルを紫外線にさらした。制限断片の視覚化は、各突然変異遺伝子の遺伝子増幅が特殊であることの確認を可能にした。
【0097】
平行して、3μlの各PCR反応を、TBE1%アガロース・ゲル上に装填した。泳動後、ゲルを上記のように処理した。各縞模様の輝度は、遺伝子増幅が同じ収量を持つことの査定を可能にした。
【0098】
B.制限断片ライブラリの生成
【0099】
50μlの各10PCRを混合して、1%TBEアガロース・ゲル上に装填した。泳動とエチジウム臭化物での染色後、10の突然変異遺伝子の増幅産物に対応する、2572bpにおける縞模様をメスで採取して、クイアクイック・システム(QIAGEN)で精製した。精製したすべてのDNAを、120μlの緩衝液Tで溶離した。このDNAの濃度は、260nmにおけるその吸光度から、約100ng/μlであった。
【0100】
制限断片のライブラリを生成するために、12μlの制限緩衝液B、1.2μlのBSA(10mg/ml)、25Uの酵素BsaI、そして4μlの水を含む混合物内で、1時間50℃、100μlのこのDNAを温置した。それから、2μlの制限緩衝液B、2μlBSA(1mg/ml)、50Uの酵素HinfI、そして11.5μlの水を混合物に加えて、それを37℃で1時間温置した。その消化混合物をクイアクイック・コラム(QIAGEN)上で精製して、30μlの緩衝液Tで溶離した。1μlの溶離物を1%TBEアガロース・ゲル上に装填し、その消化が完全であり、六つの制限断片が生成され、結果的に、590bp、500bp、472bp、438bp、298bp及び274bpの、六つの断片ライブラリが生成されたことを実証した。このDNAの濃度は、260nmにおけるその吸光度から、約250ng/μlであった。
【0101】
V.組み換えライゲーション反応(RLR)
【0102】
熱安定性DNAリガーゼが存在する状態で、完全なテンプレートを持つ10の突然変異体の遺伝子(すなわち、野生型ponB遺伝子)から、制限断片HinfI−BsaIの所定量を温置することによってRLR反応を行った。下記の表IVに、RLRのための混合物の組成を報告する。
【0103】
【表IV】
Figure 2004531258
【0104】
負の制御は、RLR4の反応とまったく同じであるが、熱安定性DNAリガーゼを含まない。これらの異なる混合物を鉱油の滴で覆って、次のプログラムに従って200μlマイクロチューブ内でパーキン・エルマー9600サーモサイクラーで温置した。(94℃、5分)−(94℃、1分−65℃、4分)x35サイクル。
【0105】
それから、各RLR反応の10μlを、10μlの重合緩衝液、10μlの2mMdNTPs、各々40ピコモルのオリゴヌクレオチドA1及びA2、そして5UのTaqDNA重合酵素を含む最終量が100μlのPCR反応混合物に加えた。この混合物を、次のプログラムに従ってパーキン・エルマー9600サーモサイクラーで温置した。(94℃、5分)−(94℃、30秒−46℃、30秒−72℃、1分)x29サイクル−(72℃、2分)。このPCR反応は、図4に示すように、オリゴヌクレオチドA1及びA2がテンプレートとハイブリダイズすることができないため、テンプレートを増幅しないで、RLR反応中に形成されたライゲーション産物の特定な増幅を可能にした。
【0106】
各RLR反応の5μlと、先のPCR反応の各々の10μlとを、1%TBEアガロース・ゲル上に装填した。エチジウム臭化物で染色後、図5に示すように、ゲルを紫外光にさらした。
【0107】
このゲルの分析は、負の制御と同様、RLR4反応のみが、制限断片を可視のまま含むことを明らかにする(トラック4及び5)。
【0108】
負の制御(トラック10)に対するPCR産物の欠如は、PCR反応が特定である(完全なテンプレートの増幅が全くない)ことだけではなく、選択条件の下で不純PCR産物を生成するために、混合物内に存在する制限断片をプライマーで置換することはできないということをも明示している。平行して、トラック6、7及び8内の約2500bpにおける独特な縞模様の存在は、RLR産物が、RLR1、2及び3反応のためのPCRによって増幅できることを表している。したがって、これら三つのRLR反応は、六つのライブラリの制限断片から開始して、一つ以上の完全な遺伝子の再生を可能にした。
【0109】
VI.増幅産物の分析
【0110】
A.クローニング
【0111】
RLR1、2及び3反応のPCR増幅産物を、ウィザードPCRプレプス・システム(プロメガ)で精製して、45μlの緩衝液T内で溶離した。6μlの各精製PCRを、3μlの制限緩衝液C、3μlのBSA(1mg/ml)、20UのEcoRI酵素、10UのNcoI酵素、そして15μlの水を含む混合物内で、1時間37℃で温置した。
【0112】
平行して、二つのベクター(pARAPONB及びpET26b+)を、クローニングのために準備した。これらのベクターを37℃で2時間、3μlの制限緩衝液C、3μlのBSA(1mg/ml)、20UのEcoRI酵素、10UのNcoI酵素、そして19μlの水を含む混合物内で、3μgのプラスミドを温置することによって直線化した。
【0113】
直線化したベクターと、消化したPCRとを、クイアクイック・システム(QUIAGEN)を用いて、TBE1%アガロース・ゲル上で精製した。各ベクターあるいは各消化PCRを、30μlの緩衝液T中で溶離した。
【0114】
各ベクターで消化したPCRの各々のライゲーションを、下記の表Vに説明する条件で行い、そして16時間16℃で温置した。
【0115】
【表V】
Figure 2004531258
【0116】
200μlの化学反応が可能なMC1061細胞(4)を、熱ショック(5)によって10μlの各ライゲーションで変換し、これらの変換細胞を選択媒体上に広げた。
【0117】
ライゲーション制御TLpAR及びTLpETの変換後、クローンは全く得られなかった。このことは、NcoI−EcoRIベクターpARAPONB及びpET26b+が、分子内ライゲーションを起こせないことを示している。
【0118】
B.PCRによるスクリーニング
【0119】
ベクターpARAPONBでのライゲーションの変換後に得られたクローンの第一のスクリーニングをPCRによって行う。各ライゲーションLpAR1、LpAR2及びLpAR3から14づつ42のコロニーを個々に、5μlの重合緩衝液、各々40ピコモルのオリゴヌクレオチドA1及びA2、5μlの2mMdNTPs、そして5UのTaqDNA重合酵素を含む、最終量で50μlのPCR混合物内で再懸濁した。PCR混合物へ、コロニーの代わりに50ngのプラスミドpBR322を加えることで、負の制御を得た。これら43の試験管を、次のプログラムに従ってパーキン・エルマー9600サーモサイクラーで温置した。(94℃、5分)−(94℃、30秒−46℃、30秒−72℃、1分)x29サイクル−(72℃、2分)。それから、これらのPCR反応の各々5μlを、2μlの制限緩衝液A、2μlのBSA(1mg/ml)、そして5Uの制限酵素PvuIIを含む最終量で20μlの混合物内で、1時間37℃で温置した。
【0120】
これらの消化の各々10μlを、非消化PCRの5μlの各々と並列にTBE1%アガロース・ゲル上に装填した(これによって、制限消化によって得た断片でのPCRの非特異的な縞模様に関する混乱の発生を避けた)。泳動、そしてこのゲルのエチジウム臭化物での染色後、初期突然変異体のどの断片が、遺伝子全体を再構築するのに他のものと関連するのかを判定するために、酵素PvuIIによる消化から生じる縞模様を分析した。このスクリーニングは、一つの突然変異を伴う27の遺伝子、二つの突然変異を伴う七つの遺伝子、そして突然変異をもはや伴わない八つの遺伝子の存在を明示する。
【0121】
C.プラスミドDNAミニプレパレーションによるスクリーニング
【0122】
ベクターpET26b+でのライゲーションの変換から生じた21のクローン(各ライゲーションから7つのクローン)から、プラスミドDNA(5)を抽出することによって第二のスクリーニングを行った。各クローンに対して得たプラスミドDNAの5μlを、1μlの制限緩衝液C、6Uの酵素PstI、3Uの酵素NcoI、そして6Uの酵素EcoRIを含む最終量で10μlの混合物内で、1時間37℃で温置した。これらの消化の各々5μlをTBE1%アガロース・ゲル上に装填した。泳動と、このゲルのエチジウム臭化物での染色後、初期突然変異体のどの断片が、遺伝子全体を再構築するのに他のものと関連したのかを判定するために、PstI酵素による消化から生じた縞模様を分析した。このスクリーニングは、一つ突然変異を伴う13の遺伝子、二つの突然変異を伴う五つの遺伝子、そして突然変異をもはや伴わない三つの遺伝子の存在を明示する。
【0123】
D.組み換えの統計的分析
【0124】
酵素HinfI及びBsaIの切断部位に対する各突然変異の位置から判断して(図6参照)、RLRを介して初期遺伝子の突然変異0、1、2、3あるいは4個を伴う遺伝子を得る確率を計算することが可能である。
【0125】
RLR反応が全くランダムであると仮定して、確率Pは次の通りである。
【0126】
【数1】
Figure 2004531258
Figure 2004531258
Figure 2004531258
Figure 2004531258
Figure 2004531258
【0127】
行った二つのスクリーニングは、下記の表VIに報告するように、これらの統計上の予想に近い結果をもたらす。したがって、RLR反応が準ランダムであることを示す。ゼロ突然変異を伴う遺伝子の損失によって、一つの突然変異を伴う遺伝子の割合が僅かに高いことが観察できる。この現象は、既に観察されているponB遺伝子の弱い毒性に、また、非活性化突然変異を伴う遺伝子の選択を好むベクターpARAPONB及びpET26b+の軽い発現漏れに帰することができるだろう。
【0128】
【表IV】
Figure 2004531258
【0129】
例III
【0130】
例IIIは、制御された消化を用いる本発明の実施例を表す。
【0131】
I.材料及び方法
【0132】
A.菌種、ゲノム及びプラスミドDNA
【0133】
すべてのDNA操作に対して、標準技術及び処理を用いた。発現プラスミドpET26b+(Novagen)を繁殖するために、大腸菌MC1061DE3細胞を用いた。
【0134】
B.オリゴヌクレオチド
【0135】
PCRのためのすべての合成オリゴヌクレオチド・プライマーは、MWGバイオテク(MWG Biotech)が合成した。センス・プライマー5’AGGAATTCCATATGCGAAAGAAAAGACGGGGA3’、そしてアンチセンス・プライマー5’ATAAAGCTTTCACTTGATGAGCCTGAGATTTC3’を、テルモトガ・ネアポリターナ・キシラナーゼA遺伝子を増幅してNdeI及びHindIII制限部位(下線部分)を導入するために用いた。NdeI部位は初期コドン(太字)を含んでいた。
【0136】
C.酵素
【0137】
制限酵素、DNA重合酵素及び熱安定性リガーゼは、ネブ(NEB)及びエピセンター (EPICENTRE)から購入し、製造業者の勧めに従って用いた。
【0138】
D.DNA増幅、クローニング及び発現
【0139】
PCR増幅をPE 9600サーモサイクラーで行った。テルモトガ・ネアポリターナ・キシラナーゼAアンプリコンを、プライマー特定制限エンドヌクレアーゼで消化し、pET26b+上の適合性のある部位内へライゲートさせて、大腸菌MC1061DE3へ変換した。このpET26b+XynA発現ベクターを含むMC1061DE3クローンを、カナマイシン(60μg/ml)を含むLB内で、37℃で繁殖させた。
【0140】
E.生化学的な特徴
【0141】
XynAを発現する大腸菌に対して、直接的に熱不活性化実験を行った。4℃で5分間6000gで遠心分離後、200mM酢酸塩緩衝液pH5.6中で細胞を再懸濁した。再懸濁は、試料毎の細胞量を標準化するために、適当な量で行った。それから、異なる時間、適当な温度で150μlの細胞を温置した。これらの細胞100μlを、200mM酢酸塩緩衝液pH5.6での0.5%(w/v)キシラン100μlへ加え、10分間80℃で温置した。それから、200μlの3,5−ジニトロサリチル酸を加え、5分間沸騰させ、氷上で5分間冷却し、そして5分間12000gで遠心分離した。150μlをμタイタープレート内へ移し、そして540nmで OD を測定した。
【0142】
最適な温度の実験のため、200mM酢酸塩緩衝液pH5.6での0.5%(w/v)キシラン100μlを、100μlの再懸濁細胞に加え、そして異なる温度で10分間温置した。それから、200μlの3,5−ジニトロサリチル酸を加え、5分間沸騰させ、氷上で5分間冷却し、そして12000gで5分間遠心分離した。150μlをμタイタープレート内へ移し、540nmでODを測定した。
【0143】
II.結果
【0144】
A.XynAの、熱安定性が低い突然変異体の生成
【0145】
XynAタンパク質の熱安定性が低い突然変異体を生成するため、図7に示すように、1%アガロース・ゲルを用いてWT・XynA遺伝子に対してエラー・プローンPCRを行った。その産物をプライマー特定制限エンドヌクレアーゼで消化し、pET26b+上の適合性がある部位内へライゲートして、大腸菌MC1061DE3へ変換し、エラー・プローン・ライブラリを生成した。
【0146】
このエラー・プローン・ライブラリからの一つのクローン(突然変異体33)は、WTタンパク質に比べ、非常に低い熱安定性を持つようであった。最適な温度及び熱不活性化の判定を含む敏速な生化学的分析を行い、WTのものと比較した。最適な温度に関して、突然変異体33は、(90℃を超える)WTに比べ、78℃前後が最適な温度であったが、82℃で30分間、あるいは95℃で1分間定温放置した後の突然変異体33からは、活性の残留が全く検出されなかった。そこで、図8から不活性化定数を計算した。82℃における突然変異体33の熱不活性化を、82℃で0.120/分と推測した。これらの温度では、WTタンパク質に対する熱不活性化の検出は、全くなかった、あるいは低かった。
【0147】
B.シャフリング実験
【0148】
それから、異なる熱安定性を持つ突然変異体を生成するために、Lシャフリング(商標)技術を用いて突然変異体33及びWT遺伝子を再結合した。異なる突然変異体が予期された。WT最適温度を持つ突然変異体、WTよりも熱安定性が低い突然変異体、そして突然変異体33の最適温度の場合よりも熱安定性が高い突然変異体。
【0149】
1)断片ライブラリ
【0150】
WT及び突然変異体33のPCR増幅後、その産物を、HincII、BamHI、XhoI、SphI、EcoRI及びEcoRVの、六つの制限酵素の混合物で消化し、八つの断片(120から700pbまで)を生成した。3%アガロース・ゲルを用いる、六つの制限エンドヌクレアーゼの混合物でのPCR産物の断片化、図9を参照。
【0151】
2)シャフリング実験
【0152】
RLR(組み換えライゲーション反応)は、変性及びライゲーションあるいはハイブリダイゼーションのステップを数サイクル繰り返して、熱安定性リガーゼと共に、(図9に示す)標準化した断片、そしてテンプレートとしてのNdeI/HindIIIで消化したpET26+XynAを用いて行った。
【0153】
負の制御を、熱安定性リガーゼ(B)を含まずに同じ条件で行った。その結果を図10、1%アガロース・ゲルを用いるLシャフリング(商標)実験に示す。図10は、熱安定性リガーゼがない場合、断片が組み換えに用いられないことを示す。それから、反応混合物にDpnIを加えることによって、テンプレートの選択的消化を行った。
【0154】
3)クローニング産物
【0155】
PCR・Pfu増幅(図11、1%アガロース・ゲルを用いるLシャフリング(商標)産物へのPCR・Pfu)を、5’センス及び5’アンチセンス合成プライマーと上記プロトコルとを用いて、A及びB(図9、負の制御)両方のDpnI消化Lシャフリング(商標)産物に対して行った。クローニングのための多量の増幅Lシャフリング(商標)産物を得たにも拘わらず、テンプレート増幅は全く起こらなかった。したがって、Lシャフリング(商標)産物は、プライマー特定制限エンドヌクレアーゼで消化され、pET26b+上の適合性がある部位内へライゲートされ、そして大腸菌MC1061DE3へ変換されてLシャフリング(商標)・ライブラリを生成した。
【0156】
4)生化学的な特徴
【0157】
82℃で30分間定温放置後に残る活性に関して、Lシャフリング(商標)・ライブラリからいくつかのクローンを選択した。
【0158】
クローン24、41及び56(図12、95℃における突然変異体の熱不活性化)は、突然変異体33の最適温度を持ち、そしてクローン6はWTキシラナーゼの最適温度を持つ。これらの実験条件において、95℃で120分間定温放置した後、WTキシラナーゼは100%の活性を維持した。対照的に突然変異体33については、95℃で1分間の後、活性の残留は全く検出されなかった。図13は、二つの親核とは異なる特性を示したLシャフリング(商標)・ライブラリからの四つの突然変異体を示す。
【0159】
例IV
【0160】
例IVは、ランダムな消化を用いる本発明の実施例を表す。
【0161】
I.材料及び方法
【0162】
A.菌種、ゲノム及びプラスミドDNA
【0163】
すべてのDNA操作に対して、標準技術及び処理を用いた。大腸菌MC1061DE3細胞を用いて、発現プラスミドpET26b+(Novagen)を繁殖した。
【0164】
B.オリゴヌクレオチド
【0165】
PCRのためのすべての合成オリゴヌクレオチド・プライマーは、MWGバイオテクが合成した。センス・プライマー5’AGGAATTCCATATGCGAAAGAAAAGACGGGGA3’、そしてアンチセンス・プライマー5’ATAAAGCTTTCACTTGATGAGCCTGAGATTTC3’を用いて、テルモトガ・ネアポリターナ・キシラナーゼA遺伝子を増幅し、NdeI及びHindIII制限部位(下線部分)を導入した。センス・プライマー5’GGAATTCCATATGGCGGCGGCAGCCGGCA3’、そしてアンチセンス・プライマー5’GGAATTCCTACTGCCGCTCCGATTGTGG3’を用いて、アシドバクテリア・カプスラーツム・キシラナーゼ遺伝子を増幅し、NdeI及びEcoRI制限部位(下線部分)を導入した。NdeI部位は初期コドン(太字)を含んでいた。
【0166】
C.酵素
【0167】
制限酵素、DNA重合酵素及び熱安定性リガーゼは、ネブ及びエピセンターから購入し、製造業者の勧めに従って用いた。
【0168】
II.結果
【0169】
テルモトガ・ネアポリターナ遺伝子(3.2kb)及びアシドバクテリア・カプスラーツム遺伝子(1.2kb)は再結合した。
【0170】
A.断片ライブラリ
【0171】
テルモトガ・ネアポリターナとアシドバクテリア・カプスラーツム遺伝子上でPCR増幅を行ってから、DNアーゼIでの消化を行った。
【0172】
図13、1%アガロース・ゲルを用いるテルモトガ・ネアポリターナ(A)及びアシドバクテリア・カプスラーツム(B)遺伝子のDNアーゼI断片化を参照。
【0173】
B.シャフリング実験
【0174】
(図13に示す)熱安定性リガーゼ及び熱安定性フラップで標準化した断片で、変性及びハイブリダイゼーションあるいはライゲーションを数サイクル繰り返して、RLRを行った。
【0175】
同じ条件の下で、ただし熱安定性リガーゼそして/あるいは熱安定性フラップがない状態で、負の制御を行った(A、B及びC)。その結果を図14、1%アガロース・ゲルを用いるLシャフリング(商標)実験に示す。図14は、熱安定性リガーゼ及び熱安定性フラップがない場合、断片が再結合しないことを示す。図14において、Aは、リガーゼ及びフラップ活性がない断片を表し、Bは、リガーゼのみを持つ断片を表し、Cは、フラップのみを持つ断片を表し、そしてDは、シャフリング状態を表す。
【0176】
例V
【0177】
例Vは、例IIIの材料及び方法を用いたが、ステップ(b)及び(c)の異なるサイクル数で実験した。図15A、nサイクルのステップ(b)及び(c)を用いるLシャフリング(商標)、そして図15B、対応するLシャフリング(商標)産物のPCR増幅を参照。図15A及びBに示すように、組み換えポリヌクレオチドを得るためには、少なくとも一つのサイクル(n=1)が必要である。
【0178】
例VI
【0179】
例VIは、例IIIの材料及び方法を用いたが、
次に示す七つの量の断片で実験した。
1:1x
2:2x
3:3x
4:4x
5:11x
6:14x
7:17x
【0180】
図16、断片の増量を用いるLシャフリング(商標)実験は、これらの7つの量に対する結果を示す。
【0181】
前述のプレゼンテーションは、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。本発明の実施例を、添付図面を参照しながら詳細に説明したが、ここで説明した方法への変更が可能であることは、本技術の熟練者には明白である。本技術の熟練者は、これらの、そして他の種々の変更及び実施例を、本発明の範囲から外れることなく行うことが可能である。本発明の範囲は、従来の技術を考慮に入れて、請求項及びそれと同等のものに参照して判定されるべきである。
【0182】
(参照文献)
Figure 2004531258
Figure 2004531258

【図面の簡単な説明】
【0183】
添付の図面を参照する。
【図1A】従来のDNAシャフリングを概略的に表す。
【図1B】従来のStEP(図1B)を概略的に表す。
【図2−1】本発明のプロセスの実施例、そしてその変形及び用途を概略的に表す。
【図2−2】本発明のプロセスの実施例、そしてその変形及び用途を概略的に表す。
【図2−3】本発明のプロセスの実施例、そしてその変形及び用途を概略的に表す。
【図3】ponB遺伝子の各突然変異体による突然変異の10領域(PvuII及びPstI)の位置を表す。
【図4】ponB遺伝子配列に比較するために用いたプライマーの位置を表す。
【図5】アガロース・ゲル上における、RLR反応のRLR及びPCR反応生成物の泳動を表す。
【図6】制限断片に比較した突然変異の位置を表す。
【図7】1%アガロース・ゲルを用いるWT・XynA遺伝子に対するPCRの結果にエラーが起こり易いことを表す。
【図8】82℃における、突然変異体33の熱不活性化を表す。
【図9】3%アガロース・ゲルを用いる、六つの制限エンドヌクレアーゼによるPCR産物の断片化の結果を表す。
【図10】1%アガロース・ゲルを用いる、Lシャフリング(商標)実験の結果を表す。
【図11】1%アガロース・ゲルを用いて、Lシャフリング(商標)産物に対してPCR・Pfuを使用したときの結果を表す。
【図12】95℃における、突然変異体の熱不活性化を表す。
【図13】1%アガロース・ゲルを用いる、 Thermotoga neapolitana (A)及び Acidobacterium capsulatum (B)遺伝子のDNアーゼI断片化の結果を表す。
【図14】1%アガロース・ゲルを用いる、Lシャフリング(商標)実験の結果を表す。
【図15A】ステップ(b)及び(c)をnサイクル用いるLシャフリング(商標)の結果を表す。
【図15B】対応するLシャフリング(商標)産物のPCR増幅を示す。
【図16】断片の量を増加させた、Lシャフリング(商標)実験の結果を表す。【Technical field】
[0001]
The present invention relates generally to genetic modification, and more particularly to the field known as directed evolution, molecular propagation or DNA shuffling. An object of the present invention is to generate a novel sequence having improved properties compared to a reference sequence. When performed outside an organism, this process is a technique for in vitro evolution. The invention further relates to sequences generated by the method, libraries of such sequences, hosts and vectors containing such sequences, and proteins converted therefrom, to arrays simulating the methods of the invention, And an array capable of performing the following. The present invention further relates to intermediate products of the method and to reaction mixtures of specific types of polynucleotide fragments and organized templates.
[Background Art]
[0002]
Various techniques are known for promoting ex vivo recombination of polynucleotide sequences. The most well-known conventional techniques include polymerization-dependent sexual PCR (many cycles without the addition of primers) and DNA shuffling, including attachment extension (StEP).
[0003]
Typically, in DNA shuffling, including sexual PCR, DNase I randomly cleaves polynucleotide sequences to form oligonucleotide fragments, the fragments initiate polymerization or PCR extension, and the recombinant polynucleotide is amplified. You. At each hybridization step, crossovers occur at regions of homology between the sequences ("strand crossover"). FIG. 1A schematically illustrates this method.
[0004]
StEP consists of mixing different polynucleotide sequences containing different mutations in the presence of a pair of initiators. This mixture is subjected to a PCR reaction in which the hybridization and polymerization steps are integrated into a single, very short step. These conditions allow the initiator to hybridize, but also slow down the polymerization so that the initiator has time to synthesize only those fragments that after denaturation will randomly rehybridize to various polynucleotide sequences. . FIG. 1B schematically illustrates this method.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0005]
Excessive reliance on polymerization has disadvantages. Such methods do not have control over the rate or location of recombination that occurs randomly during successive stages of the polymerization. The polymerization may also produce unwanted additional mutations or an insufficient number of mutations, depending on the conditions used and the polymerization enzyme. The latter occurs when long gaps are filled with residues that completely complement the opposing strand. Furthermore, after sufficient cycles, the fragments grow very long to become what are known as "mega-initiators" (6). Mega-initiators cause various problems, especially when the starting polynucleotide exceeds about 1.5 kb.
【The invention's effect】
[0006]
The present invention does not need to rely on the polymerization, size fractionation (separation of fragments by size) or amplification of the initial polynucleotide or fragment. In addition, Applicant believes that the present invention and embodiments have broad advantages except where expressly stated, but not desired, but not so.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0007]
First, the present invention provides control over the location of the recombination. Hybridization on the template allows precise control over where recombination occurs. For example, if the target protein contains an active site that one desires to maintain unchanged, the present invention can limit recombination to regions other than the active site. Furthermore, the present invention can achieve a high degree of recombination between adjacent sequence segments. The present invention is capable of moving nearby chunks, rather than treating them as "joining", in chunks to separate nearby laying arrays. Thus, in a sense, the present invention also achieves high resolution, fidelity and quality for genetic diversity. Indeed, embodiments of the invention that use non-random fragmentation can be used with fragments as short as 15 residues.
[0008]
The invention is also capable of producing more recombination and incorporation of fragments per reaction cycle, particularly in embodiments other than the ligation-only embodiment (defined below). In other words, a large variety of genes can be obtained. This is achieved directly by stimulating more total recombination events. It is also achieved indirectly by increasing overall efficiency. In particular, the use of directional ligation can improve the overall efficiency. Without directional ligation, sequences cut into "n" fragments would reassociate into a very wide variety of possible forms, even if some forms were useful. The present invention, on the other hand, facilitates the direct achievement of the desired form. Indeed, in some embodiments of the present invention, it is possible to obtain a recombinant polynucleotide after only a single reaction cycle.
[0009]
Typically, the present invention further increases efficiency because of the relatively low incidence of unshuffled nucleophilic clones and overlapping chimeras. Avoiding these unwanted by-products provides room for more novel chimeras. Conventional methods generate a selection library consisting of 30% to 70% nucleophilic DNA. All methods for directed evolution, molecular breeding or gene shuffling produce a sorted library of recombinant DNA molecules and express and screen these molecules. Screening is the most expensive and time consuming part of the process, as libraries contain hundreds of thousands to millions of recombinant molecules. This problem can be alleviated by eliminating the parent nuclear DNA from the selection library. Since the final population is made up of new and different polynucleotides, the removal of nucleophilic DNA is improved if the template is transient, as in the preferred embodiment of the present invention.
[0010]
Preferred embodiments of the method of the invention, particularly those using isolated strand templates or fragments, also facilitate low homology shuffling, for example, of distantly related members of a gene family. Because all are from the same strand, either the sense or antisense strand, of a single polynucleotide or multiple homologous polynucleotides, they do not complement one another, especially the population of single-stranded sequences. The term "isolated chain" is used to represent. For example, because isolated strand fragments are not complementary, or at least are not exactly complementary to other fragments in the reaction mixture, hybridization will occur with complementary fragments, such as "wild-type". Have no tendency towards an array. Thus, it is possible to adjust the hybridization temperature to the temperature of homology between sequences to maximize diversity and greatly increase the chance of finding the appropriate mutant at the minimum number of recombination cycles. (Note: the present invention may also include, for example, using a large amount of one parent nucleopolynucleotide to achieve a desired trend.)
[0011]
Furthermore, the present invention allows for the instant use of complexes that may contain introns, ie genomic DNA, with little preparation of a starting DNA library. Some other methods require time-consuming mRNA isolation and remodeling of the cDNA sequence to produce fragments that are shuffled or reassembled.
[0012]
Advantages and embodiments of the present invention are further described below.
[0013]
Summary of the Invention
[0014]
Although the present invention relates generally to genetic recombination, in the context of the present invention, `` recombination '' is intended to mean, as long as the term implies that the two strands are cut apart and rejoined to form a recombinant sequence. This is somewhat wrong. In other words, the invention does not rely on chain transfer or crossover. However, with this in mind, "recombination" and related terms are used in the text.
[0015]
In one embodiment, the method of the invention comprises a method of template-adjusted ligation orientation localization for non-random shuffling of polynucleotides.
The method includes the following.
a) Obtaining, directly or indirectly, single-stranded fragments of at least two homologous polynucleotides from a polynucleotide library.
b) forming at least one partially double-stranded polynucleotide by hybridizing said fragments to one or more devised organized templates until at least two fragments hybridize adjacently. . Note that at least one of the templates shares at least one homology region with the homologous polynucleotide.
c) treating said partially double-stranded polynucleotide to form at least one recombinant polynucleotide.
In this case, the process performs the following regardless of the order.
(I) Licens Nick. And
(Ii) Perform one or a combination of the following gap technologies as needed.
Filling gaps by further hybridizing the fragments to the template so as to increase the number of adjacent hybridizing fragments.
Filling short gaps by trimming overhanging flaps of partially hybridized fragments.
And filling short gaps through polymerization.
[0016]
In the above embodiment, any step, particularly steps (b) and (c), may be repeated as necessary. In another embodiment, the method of the invention produces a recombinant polynucleotide after only one, one cycle or a single operation of each step of the invention. In a preferred embodiment, the method further comprises the step (d) of selecting at least one of said recombinant polynucleotides having the desired properties. More preferably, the step occurs in vitro (outside the organism). In some preferred embodiments, the methods employ non-random fragmentation, transient templates and isolated strand templates or fragments, among others.
[0017]
In an alternative embodiment, the invention consists essentially of steps (b) and (c) above. In such a case, step (b) becomes “step (a)” and also includes hybridizing a single-stranded fragment of at least two homologous polynucleotides.
[0018]
In another alternative embodiment, the present invention comprises a method of template-adjusted ligation orientation localization for non-random low homology shuffling of gene families in vitro. Whether the homology is considered low depends on the situation, but homologies below 50% (eg, 40-70% or 20-45%) are typically considered low. In another alternative embodiment, the parent nucleopolynucleotides differ in length by more than two residues.
[0019]
In yet another alternative embodiment, the invention comprises a method of template-adjusted ligation orientation for in vitro non-random shuffling of a region containing a mutation in a polynucleotide allelic unit. This example further comprises locating restriction sites relative to regions containing mutations between allelic units and obtaining fragments corresponding to those restriction sites.
[0020]
The invention further includes sequences resulting from the method, libraries thereof, hosts and vectors containing the same, and proteins translated therefrom. It also includes arrays of logical names, such as computer algorithms that simulate the method of the present invention, or physical arrays, such as biochips, on which the method of the present invention is performed. The invention further relates to a reaction mixture of the polynucleotide fragment and the assembling template, which can be used for intermediates of the method and for performing some or all steps of the method.
[0021]
Definition
[0022]
As used herein, "ex vivo" refers to a location outside the body of an organism. "Homologous" polynucleotides differ from each other in at least one corresponding residue position. Thus, “homology” as used herein also includes those that are sometimes referred to as “partially heterologous”. For example, the homology between the parent nucleopolynucleotides ranges from 20% to 99.99%, preferably from 30 to 90%, more preferably from 40 to 80%. In some embodiments, the term "homologous" may indicate a sequence that is, for example, only about 20-45% identical at the corresponding residue position. Homologous sequences may or may not share a common ancestor or evolutionary origin with each other.
[0023]
"Polynucleotide" and "polynucleotide sequence" refer to single-stranded, isolated-strand, or partially or completely double-stranded, nucleic acid or ribonucleic acid sequences, including mRNA. When partially or completely double-stranded, each strand may be identical or different, unless otherwise indicated. The polynucleotide may be a gene or a part of a gene. "Gene" refers to a polynucleotide, or a portion thereof, that is associated with a known or unknown biological function or activity. Genes can be obtained from different methods, including extraction from nucleic acid sources, chemical synthesis, and synthesis by polymerization. "Nucleonucleotide" and "nucleophile" are interchangeable synonyms and refer to polynucleotides that have been fragmented to yield a donor. A parent nucleopolynucleotide is often obtained from a gene. "Recombinant polynucleotide", "mutant polynucleotide", "chimeric polynucleotide" and "chimera" generally refer to a polynucleotide produced by a method. However, these terms may refer to other chimeric polynucleotides, such as those in the initial library. “Reference sequence” refers to a polynucleotide, often derived from a gene, having desired or near characteristics, and is used as a target or reference for generating or evaluating other polynucleotides.
[0024]
"Polynucleotide library" and "DNA library" refer to a group, pool or bank of polynucleotides comprising at least two homologous polynucleotides or fragments thereof. The polynucleotide library consists of an initial library or a selection library. An "initial library", an "initial polynucleotide library", an "initial DNA library", a "nucleophilic library" and a "starting library" are at least two homologous nucleophilic polynucleotides, or polynucleotides comprising fragments thereof, Or it refers to a group, pool or bank of those fragments. The initial library consists of genomic or complex DNA and may include introns. It may also include an array generated by prior shuffling. Similarly, sorted libraries, or other limited libraries of recombinant polynucleotides or fragments, may be so referred to as may serve as initial libraries. "Screened library" refers to a polynucleotide library containing chimeras produced by an ingenious process or another recombination process.
[0025]
"Residue" refers to an individual nucleotide or ribonucleotide, rather than to multiple nucleotides or ribonucleotides. A residue may refer to a free residue that is not part of a polynucleotide or fragment, or may refer to a single residue that forms part of a polynucleotide or fragment.
[0026]
"Donor piece" and "fragment" generally refer to the fragmented portion of a parent nucleopolynucleotide. Fragments may also refer to supplemental or surrogate fragments that are added to the reaction mixture and / or originate from sources other than fragmentation of the parent nucleopolynucleotide. Many or all of the fragments should be shorter than the parent polynucleotide, and in preferred embodiments, most or all of the fragments are shorter than the assembled template.
[0027]
As used herein, "non-random" and "control" broadly refer to control or predictability, for example, with respect to the rate or location of recombination, achieved through the template and / or ligation orientation of the present invention. Non-random and control also refer narrowly to polynucleotide fragmentation techniques that allow for control over the size or sequence of the resulting fragment or that provide predictability. For example, by using a restriction enzyme to cleave a polynucleotide, the properties of the fragment can be controlled. It is noted that the invention may be considered non-random even when using random fragmentation (typically by DNase I digestion). In such cases, the organizational template of the present invention, and other features, still provide some control. However, in embodiments, fragmentation is non-random, ie, controlled.
[0028]
"Assembled template", "developed template" and "template" refer to polynucleotides used as scaffolds to anneal or hybridize fragments to form partial or complete double-stranded polynucleotides. Point. In a preferred embodiment, the template is longer than most or all of the donor strip. In such a case, the free donor pieces cannot be considered as templates for each other. The template may be obtained from a reference sequence, an initial library, a selection library, or elsewhere. The template consists of or is obtained from the parental nucleopolynucleotide of the initial library, but if the polynucleotide accidentally enters the shuffling process, for example, by falling into a hybridization step without fragmentation, the template Is not allowed. In other words, the template is neither completely random nor accidental. Rather, they are designed at least to a certain extent. The template may be a purpose-based design, creation, formulation, creation, derivation, and / or specific and desired polynucleotide sequence, or a desired polynucleotide sequence for use as a template by a human or by a computer operated by a human. Directly or indirectly through the selection of a sequence from a source likely to contain the sequence of Templates may be synthetic, resulting from shuffling or other artificial processing, or may be naturally occurring. "Transient template" refers to a template that is not itself incorporated into the final recombinant polynucleotide. This transientity results from the separation or disruption of the non-final recombinant polynucleotide template strands generated during the process.
[0029]
The term "isolated strand" refers to a population of single-stranded sequences that do not complement each other because they are from the same strand, sense or antisense, of a single polynucleotide or multiple homologous polynucleotides. . In other words, there are no sequences from opposing complementary strands and the population does not contain complementary sequences. For example, a population of isolated strand fragments may consist of fragments of the top strand of the parent nucleopolynucleotide and a population of isolated strand templates may consist of the bottom strand of one or more parent nucleopolynucleotides.
[0030]
"Ligation" refers to the formation of a phosphodiester bond between two residues.
[0031]
"Nick" refers to the lack of a phosphodiester bond between two residues hybridized to the same strand of a polynucleotide. Nicks include a lack of phosphodiester linkages by DNase or other enzymes, and also a lack of linkage between adjacently hybridized fragments that were simply not ligated. However, the nicks used herein do not include residue gaps.
[0032]
As used herein, "gap" and "residue gap" refer to the absence of one or more residues on one strand of a partially double-stranded polynucleotide. In some embodiments of the invention, short gaps (less than about 15 to 50 residues) are filled by a polymerase and / or flap trimming, and long gaps are customarily filled by a polymerase. In the present invention, long gaps may be filled only by hybridization or trimming.
[0033]
“Hybridization” has its general meaning, except that it involves the necessary cycles of denaturation and rehybridization.
[0034]
"Flanking fragments" refers to hybridizing fragments whose ends are smooth with respect to each other and are separated only by nicks, not by gaps.
[0035]
"Ligation only" refers to embodiments of the present invention that do not utilize, ie, do not require, polymerizing enzyme extension or flap trimming to fill the gap. In a ligation-only embodiment, all fragments hybridize contiguously. Note that ligation is also used in embodiments that are not ligation-only embodiments.
[0036]
“Ligation orientation” and “directed ligation” generally refer to or refer to a template adjustment process that allows ligation of fragments or residues in a relatively ordered or relatively predictable order. All embodiments of the invention rely on ligation orientation. For example, even in the ligation-only embodiment, the localization is in the ligation direction.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION
[0038]
One embodiment of the present invention is a template-tuned method of ligation orientation localization for non-randomly shuffling polynucleotides. The method comprises the following steps.
a) Obtaining, directly or indirectly, single-stranded fragments of at least two homologous polynucleotides from a polynucleotide library.
b) hybridizing these fragments to one or more devised organized templates until at least two fragments are hybridized adjacently. This forms at least one partially double-stranded polynucleotide. In this case, at least one of the templates shares at least one homology region with the homologous polynucleotide.
c) treating the partially double-stranded polynucleotide to form at least one recombinant polynucleotide.
This process includes the following steps, regardless of the order.
(I) Licens Nick. And
(Ii) If necessary, implement any of the following gap-filling techniques, or a combination thereof.
To increase the number of adjacent hybridized fragments, the gap is filled by further hybridizing the fragment to the template.
Fill short gaps by trimming the overhanging flaps of the partially hybridized fragments.
And fill short gaps through polymerization.
[0039]
Embodiments of the invention may use a polymerase, but in such embodiments, the polymerase may simply fill short gaps (eg, 15 to 50 residues or less) instead of long gaps. Used. In a preferred embodiment, the process does not use a polymerizing enzyme. In a ligation-only embodiment, the method does not use any gap-filling techniques, but instead relies on the ligation of completely adjacent fragments, often achieved after multiple hybridization events.
[0040]
Once the partially double-stranded polynucleotide has become sufficiently double-stranded, it is preferable to select (d) advantageous properties compared to those of one or more reference sequences. Advantageous properties may include, for example, the thermostability of the enzyme or activity under a particular pH or salinity. In many other possible applications, such enzymes may also be used to desizing textile fibers, bleach paper pulp, flavor dairy products, or biocatalyze the synthesis of new therapeutic molecules. Good.
[0041]
The process may also include disrupting the template strand, or separating it from the recombinant strand, before and after selection. It may further include amplifying the recombinant sequence prior to the selection in step (d), or cloning the recombinant polynucleotide sequence after separating the recombinant strand from the template. Any amplification technique may be used. PCR allows for selective amplification of the recombinant sequence, as there are initiators that can hybridize only to the ends of the recombinant sequence. However, unlike shuffling in sexual PCR, the present invention does not require amplification during the recombination reaction.
[0042]
Preferred screening techniques require in vitro transcription of the recombinant polynucleotide, followed by in vitro expression via in vitro translation of the mRNA. This technique eliminates the physiological problems of cells and the disadvantages associated with in vivo expression cloning. In addition, this technique is easily automated and allows for the screening of large numbers of recombinant sequences.
[0043]
Although embodiments of the present invention actually perform steps only once and do not need to go around ("non-iterative"), the present invention also provides for repetition of any of the steps, steps (a), (b) and And / or the repetition of (c). For example, the process may or may not require multiple hybridization events. The hybridization in step (b) and the additional hybridization in step (c) are intended to cover the required cycles of denaturation and rehybridization. If necessary, the ligated and / or unligated fragments generated by steps (b) and / or (c), rather than simply on the donor pieces generated by step (a) Alternatively, part or all of steps (b) and / or (c) may be repeated. Ligation-only embodiments typically require a large number of iterations. In addition to including repetition of steps, the present invention includes embodiments that allow for simultaneous processing of steps, known in the art as simultaneous processing capability.
[0044]
In a preferred embodiment, the initial library itself is generated by the present invention. In vivo or ex vivo screens can be used to form this library to repeat the process of the present invention. The recombinant sequences selected after the first stream of the process are optionally mixed with other sequences.
[0045]
Initial libraries can also be used in a manner known to those skilled in the art, for example, by starting with a wild-type gene, by managing successive steps of mutagenesis, by "error-prone" PCR (2). Can also be generated by random chemical mutagenesis, by random mutagenesis in vivo, or by combining genes from near or relatively distant families in the same or different species. . The initial library preferably results from a chain polymerization reaction under conditions that produce random local mutations. The invention may also consist of a synthetic sequence.
[0046]
Organizing template
[0047]
The organized template of step (b) or (c) is, for example, a polynucleotide from an initial library or a polynucleotide generated therefrom. Templates may be synthetic, may result from shuffling or other artificial processing, or may be naturally occurring. The template may be single-stranded or double-stranded. In the case of a double strand, it must be denatured in step (b) or the like before actual hybridization. If the template is directly incorporated in step (b), the template must be denatured or already in single-stranded form.
[0048]
The preferred embodiment uses an isolated strand template. In a more preferred embodiment, the isolated strand template uses the bottom strand from one parent nucleopolynucleotide and the top strand fragment from another nucleophile. This prevents the sequence from reannealing to its own complementary strand. In order to obtain an isolated strand DNA molecule, a vector of a family of filamentous phage such as Bluescript phagemid or M13mp18 can be used. Another method consists in generating double-stranded molecules by PCR using an initiator phosphorylated at 5 'and other non-phosphorylated initiators. Digestion of lambda phage by exonuclease breaks the 5 'phosphorylated DNA strand, leaving the unphosphorylated strand intact. Another method of generating isolated strand molecules consists of amplifying by asymmetric PCR starting from a methanol-denatured DNA template. Digestion with DpnI destroys the methanol-denatured strand, but leaves the amplification product intact, allowing purification after denaturation.
[0049]
The preferred embodiment also uses a transient template that is not incorporated into the final recombinant polynucleotide, eg, is not part of the polynucleotide that is transferred to the sorting library. One technique for conferring transients uses markers on the recombinant strand or template. For example, the template may be labeled with a hapten and separated, for example, by anchoring the carrier with an anti-hapten antibody or by initiating a biotin-streptavidin reaction. Another technique consists of synthesizing the transient template by PCR amplification with methanol-modified dATP, which allows the degradation of the template by the restriction endonuclease DpnI. In this case, the recombinant strand must not contain methanol-modified dATP. Transient templates can also be prepared by PCR amplification with dUTP, which allows for degradation with uracil DNA glycosylase. Conversely, it is possible to protect the recombinant strand by amplification in a selective PCR using an oligonucleotide with a 5 'phosphorothioate modified group. Thus, treatment with exonuclease allows for exclusive degradation of the template. In a most preferred embodiment, the transcript is conferred by using a template containing uracil, such as mRNA. mRNA has a high affinity for binding and can be removed by mRNA-specific enzymes. Such an mRNA template can be prepared in vivo or in vitro. In a more preferred embodiment, the use of an mRNA template requires that the process include at least three primers linked to a ligase.
[0050]
In yet another preferred embodiment, the template allows for directional orientation of blunt-ended multimolecular ligation. In this example, the template is a relatively complementary 3 'end of the first fragment and the 5' end of the second fragment adjacent to the first fragment in the parent polynucleotide. Consists of short single-stranded or double-stranded polynucleotides. This facilitates adjacent hybridization of these two ends on the template.
[0051]
Further, embodiments include any or all of the following. Templates and donor pieces are from different sources. The templates are individually added to the reaction mixture. And / or the template is modified in a particular way to increase chimerism.
[0052]
Donation piece
[0053]
Fragments can be derived from homologous polynucleotides, related genes, or from other genes. The nucleophilic DNA need not be characterized at all, but can be extracted from cells, clinical samples or the environment. Step (a) starts with a pre-fragmented single-stranded or double-stranded fragment from the library containing the initial fragment and / or fragments the single-stranded or double-stranded parent polynucleotide from the initial library. Starting with the sub-steps of Step (a) may include joining a separate library of fragments and / or fragmenting the parent nucleopolynucleotide from a separate starting library. It may also include fragmenting the parent nucleopolynucleotide from the same library in different ways, such as using different restriction enzymes. Further, step (a) may involve using more fragments from one parent nucleoside polynucleotide than another. For example, an experimenter using this process may bias the result by using more fragments or portions of polynucleotide X than fragments or portions of polynucleotide Y.
[0054]
In one embodiment, supplementary single- or double-stranded fragments of various lengths are added in step (b) or (c). These supplementary fragments are capable of replacing some of the fragments of step (a), especially if the sequence is homologous to the sequence of the fragment of step (a). Such supplementary fragments may, for example, introduce one or more direct mutations. Further, it may be composed of a synthetic sequence.
[0055]
Fragmentation may occur before or after denaturation of the sequence to be fragmented. Fragmentation may be controlled or random. In a random case, enzymes or mechanical means known to those skilled in the art, such as digestion with DNase I or sonication, can be used to randomly cut DNA. Controlling fragmentation facilitates control of the degree, speed, efficiency and / or location of recombination. A preferred embodiment involves hydrolyzing the parent nucleopolynucleotide with a restriction enzyme to produce a restriction donor piece. Restriction enzymes provide control over the degree, rate and efficiency of recombination by controlling the number of fragments generated per sequence. For example, the number may be increased by using a restriction enzyme having many cleavage sites, or by using several different restriction enzymes. The greater the number of generated fragments per sequence, the greater the number of fragments (n) that must be reassembled to form a recombinant sequence. n is preferably 3 or more.
[0056]
By controlling the nature and location of the fragment ends, the restriction enzyme provides further control not only on the degree and speed, but also on the location where recombination occurs. For example, fragmentation can be designed such that cleavage occurs in a region of the parent nucleus sequence that is homologous to a region in the reference sequence or assembly template.
[0057]
Preferably, fragments are about 15 to 500 residues in length. Where fragmentation is performed non-randomly, fragments are advantageously at least 15 residues in length, but more preferably about 15 to 40 residues in length. The phrase "at least 15 residues" means between about 15 residues and one residue less than the full length of the longest polynucleotide used. If fragmentation is performed randomly, it is more preferred that the length be at least 50 residues. The phrase "at least 50 residues" means between about 50 residues and one residue less than the full length of the longest polynucleotide.
[0058]
At least two ends of the fragment in step (a) must be capable of being hybridized adjacently and ligated. (In a ligation-only embodiment, all of the fragments that hybridize to form the final recombinant strand must have such ends.) In a preferred embodiment, the present invention employs a flap Using the trimming enzyme, fragments that would otherwise be unproductive are ligated to the ends. These enzymes identify and degrade or cleave the unhybridized ends of the fragments in a specific manner, and cover other hybridized fragments on the same template.
[0059]
A preferred enzyme is a flap endonuclease, which can be used in step (c) or during the hybridization of step (b). When a fragment is first made double-stranded, an embodiment of the invention consists in using a specific exonuclease that identifies and degrades single-stranded sequences, such as the unhybridized ends of the fragment. Such single-stranded exonucleases or flap endonucleases are preferably at a concentration that avoids the more common exonuclease activity that may, for example, degrade template or recombinant sequences (eg, about 1. 8 to 2.2 μg / ml flap endonuclease). These enzymes increase the number of fragment ends that can be ligated in step (c). It is particularly useful for cutting pieces randomly because of the tendency to have many overhang flaps. Use of such enzymes with low hybridization temperatures and / or long hybridization times (eg, 2 minutes) facilitates recombination between polynucleotides with low homology. For example, a preferred embodiment using random fragmentation involves the use of flap endonuclease and a wide range of hybridization temperatures (eg, 5 to 65 ° C.) in step (b). Step (b) can be decoupled from the ligation of step (c) with respect to temperature, especially if the hybridization temperature is below the high ligation temperature (eg, about 60 to 75 ° C.). Most preferably, the flap endonuclease concentration is about 2 μg / ml, the hybridization temperature is about 10 ° C., and the ligation temperature is about 65 ° C. When such a trimming enzyme is used, it is preferable that it is thermostable and thermostable like a ligase, and is active at a high temperature.
[0060]
Additional optional features of the method of the invention
[0061]
Unlike conventional shuffling methods, various embodiments of the present invention do not require the repetitive heating and cooling required for thermocycling, eg, sexual PCR. In various embodiments, the process may be used to generate gene length or short polynucleotides. Various embodiments may cause hybridization to occur under less stringent conditions. In various embodiments, the ratio of template to chimeric polynucleotide produced is about 1. Various embodiments do not use any DNase. In various embodiments, the initial library consists of single gene variants. In various embodiments, the initial library may include a polynucleotide having an artificially induced point mutation. In various embodiments, the present invention may be used for whole genome shuffling. In various embodiments, the steps may be performed in vivo rather than ex vivo. Finally, when amplifying fragments by, for example, PCR, the starting sequence can be designed to generate fragments with adjacent ends along all of the organization template.
[0062]
Example I
[0063]
The purpose of Example I is to generate a recombinant polynucleotide from the kanamycin resistance gene using isolated strand fragments.
[0064]
First, the resistance gene (1 kb) of pACYC184 is cloned into the polylinker of M13mp18 so that the isolated phagemid contains the non-coding strand of the gene.
[0065]
In parallel, the gene is amplified by PCR mutagenesis (error-prone PCR) with two initiators that complement the vector sequence M13mp18 on each side of the gene sequence. The initiator for the non-coding strand is phosphorylated, but the initiator for the coding strand is not. The products of the PCR mutagenesis are digested with lambda exonuclease to generate a coding strand library of mutants of the kanamycin resistance gene.
[0066]
This library of isolated strand sequences is digested with a restriction enzyme mixture, particularly HaeIII, HinfI and TaqI. The resulting isolated strand fragments are then hybridized with the isolated strand phagemid and ligated with thermostable ligase. This step is repeated several times until no small fragments are observed during precipitation on the agarose gel. In the meantime, the stripes corresponding to the isolated strands of the complete resistance gene are the major components of the "smear" visible on the gel.
[0067]
Stripes corresponding to the size of the gene are cut out of the gel and purified. It was hybridized with two complementary oligonucleotides (40-mer) of the M13mp18 sequence on each side of the gene, and this partial duplex was digested with EcoRI and SphI and then M13mp18 digested with the same enzymes. Ligate in the vector.
[0068]
The cells altered with the ligation product are then screened for increased resistance to kanamycin.
[0069]
The cloning of isolated strand recombinant molecules is optionally performed by PCR of the complete gene on two initiators and cloning of the double-stranded product of this amplification. To avoid unwanted mutations, this amplification should be performed with a Pfu-type polymerase and with a limited number of cycles.
[0070]
Purify the plasmid of a clone that is significantly more resistant to kanamycin than the initial stock and use it for PCR with the polymerizing enzyme Pfu under high fidelity conditions using a phosphorylated or non-phosphorylated initiator couple as defined above. . This results in a second generation of isolated strand fragments after treatment with lambda exonuclease and fragmentation with restriction enzymes. The enzymes used in this step may be different mixtures (eg, BstNI, TaqI and MnII).
[0071]
The recombination and selection steps are repeated several times until the resistance to kanamycin is substantially increased.
[0072]
Example II
[0073]
I.wrap up
[0074]
The starting library contains the code for PBP1b of E. coli (1), a 10 gene mutant of ponB. The sequence of each mutant differed from that of the original gene by 3 to 16 bases in length of the heterologous region. This results from the replacement of five initial codons with five alanine codons by the technique described by Lefevre et al. Described in (8) herein.
[0075]
This substitution represents a unique site for the restriction enzyme PvuII surrounded by two PstI enzyme sites and made the mutant identifiable by its digestion profile. FIG. 3 represents the location of the ten regions of the mutations associated with each mutant (PvuII and PstI).
[0076]
After PCR amplification of the mutant, the PCR product was purified and mixed in equimolar amounts to form a library. The polynucleotide sequence of this library was digested with the restriction enzymes HinfI and BsaI to generate a library of restriction fragments. Different amounts of restriction fragments were then incubated with different amounts of wild-type template in the presence of thermostable ligase. After several cycles of denaturation, hybridization and ligation, aliquots of the reaction mixture were made specific for the 5 'and 3' ends of the mutated gene and nonspecific for the 5 'and 3' ends of the wild-type template. Used to perform PCR amplification with a pair of primers. Amplification products were cloned and these clones were analyzed for digestion profile using PvuII or PstI restriction endonuclease. The profiles obtained indicated which fragments of the mutant were able to recombine with others to form the entire gene.
[0077]
II.Materials and methods
[0078]
A.Varieties and plasmids
[0079]
Varieties MC1061 (F "araD139, △ (ara-leu) 7696, galE15, galK16, △ (lac) X74, rpsL (StrR), McrA mcrB1, hsdR2 (rk mk +)) Is obtained from E. coli K12.
[0080]
The vector pARAPONB results from the vector pARA13 (3) into which the ponB gene has been introduced with a thrombin cleavage site (9) between the restriction sites NcoI and NarI. The vector pET26b + was developed by Studier and Moffatt (10) and is one of the pET vectors commercialized by NOVAGEN Corporation.
[0081]
B.Oligonucleotide
[0082]
Oligonucleotides were synthesized by ISOPRIM corporation (Toulouse). The oligonucleotide sequences are reported in Table I below.
[0083]
[Table I]
Figure 2004531258
[0084]
C.reagent
[0085]
The restriction and modification enzymes cited in Table II below were used according to the supplier's recommendations.
[0086]
[Table II]
Figure 2004531258
[0087]
The buffers used are reported in Table III below.
[0088]
[Table III]
Figure 2004531258
[0089]
III.Preparing the template
[0090]
The wild-type ponB gene was amplified by a PCR reaction step using oligonucleotides M1 and M2 as primers (FIG. 4). Add 50 ng of the pPONBPBR plasmid carrying the wild-type gene (7) to a mixture of 10 μl of polymerization buffer, 10 μl of 2 mM dNTPs, 20 pmoles each of oligonucleotides M1 and M2, and 5 U of Taq DNA polymerase in a final volume of 100 μl. Thereby, five PCR reactions were prepared. These mixtures were incubated on a Perkin-Elmer 9600 thermocycler according to the following program. (94 ° C for 2 minutes)-(94 ° C for 15 seconds-60 ° C for 30 seconds-72 ° C for 1 minute) x 29 cycles-(72 ° C for 3 minutes).
[0091]
The five PCR products were mixed and loaded on a 1% TBE agarose gel. After electrophoresis and staining of the gel with ethidium bromide, a 2651 bp stripe pattern corresponding to the ponB gene amplification product surrounded by two 26 bp and 90 bp fragments was visualized by ultraviolet fluoroscopy. It was then cut off with a scalpel and purified with the QUIAquick system (QIAGEN). All purified DNA was eluted with 120 μl of buffer T. The concentration of this DNA was approximately 100 ng / μl from its absorbance measurement at 260 nm.
[0092]
IV.Prepare library
[0093]
A.Amplification of mutant gene
[0094]
The 10 mutant genes were individually amplified by PCR with oligonucleotides N and E. These oligonucleotides introduce restriction sites NcoI and EcoRI, respectively, which allow cloning of the product obtained at these two sites.
[0095]
By adding 50 ng of plasmid containing the mutated gene to a final volume of 100 μl of a mixture containing 10 μl of polymerization buffer, 10 μl of 2 mM dNTPs, 20 pmoles each of oligonucleotides N and E, and 5 U of Taq DNA polymerase. A PCR reaction was set up. The mixture was incubated on a Perkin Elmer 9600 thermocycler according to the following program. (94 ° C for 2 minutes)-(94 ° C for 15 seconds-60 ° C for 30 seconds-72 ° C for 1 minute) x 29 cycles-(72 ° C for 3 minutes).
[0096]
The peculiarities of gene amplification were demonstrated by incubating 5 μl of each PCR product for 1 hour at 37 ° C. in a mixture containing 3 μl of restriction buffer A and 5 U of PvuII enzyme in a final volume of 30 μl. Demonstrated by nuclease restriction profile. 15 μl of the digestion reaction was loaded on a TBE 1% agarose gel. After electrophoresis and staining with ethidium bromide, the gel was exposed to ultraviolet light. Visualization of the restriction fragments allowed confirmation that the gene amplification of each mutant gene was unique.
[0097]
In parallel, 3 μl of each PCR reaction was loaded on a TBE 1% agarose gel. After electrophoresis, the gel was processed as described above. The brightness of each stripe allowed an assessment that the gene amplification had the same yield.
[0098]
B.Generate restriction fragment library
[0099]
50 μl of each 10 PCR were mixed and loaded on a 1% TBE agarose gel. After electrophoresis and staining with ethidium bromide, a striped pattern at 2572 bp, corresponding to the amplification product of the 10 mutated genes, was collected with a scalpel and purified with the QUIAQUICK system (QIAGEN). All purified DNA was eluted with 120 μl of buffer T. The concentration of this DNA was about 100 ng / μl from its absorbance at 260 nm.
[0100]
To generate a library of restriction fragments, 1 hour at 50 ° C., 100 μl in a mixture containing 12 μl restriction buffer B, 1.2 μl BSA (10 mg / ml), 25 U enzyme BsaI, and 4 μl water. This DNA was incubated. Then, 2 μl of restriction buffer B, 2 μl BSA (1 mg / ml), 50 U of the enzyme HinfI, and 11.5 μl of water were added to the mixture, which was incubated at 37 ° C. for 1 hour. The digestion mixture was purified on a Qiaquick column (QIAGEN) and eluted with 30 μl of buffer T. One μl of the eluate was loaded on a 1% TBE agarose gel and the digestion was complete and six restriction fragments were generated, resulting in six 590 bp, 500 bp, 472 bp, 438 bp, 298 bp and 274 bp. It was demonstrated that a fragment library was generated. The concentration of this DNA was about 250 ng / μl from its absorbance at 260 nm.
[0101]
V.Recombination ligation reaction (RLR)
[0102]
In the presence of thermostable DNA ligase, the RLR reaction was initiated by incubating a predetermined amount of the restriction fragment HinfI-BsaI from the 10 mutant genes with the complete template (ie, the wild-type ponB gene). went. Table IV below reports the composition of the mixture for the RLR.
[0103]
[Table IV]
Figure 2004531258
[0104]
Negative control is exactly the same as that of RLR4, but does not include thermostable DNA ligase. These different mixtures were covered with drops of mineral oil and incubated on a Perkin-Elmer 9600 thermocycler in 200 μl microtubes according to the following program. (94 ° C, 5 minutes)-(94 ° C, 1 minute -65 ° C, 4 minutes) x 35 cycles.
[0105]
Then, 10 μl of each RLR reaction was added to a final volume of 100 μl PCR reaction mixture containing 10 μl polymerization buffer, 10 μl 2 mM dNTPs, 40 pmoles each of oligonucleotides A1 and A2, and 5 U Taq DNA polymerase. The mixture was incubated on a Perkin Elmer 9600 thermocycler according to the following program. (94 ° C, 5 minutes)-(94 ° C, 30 seconds-46 ° C, 30 seconds-72 ° C, 1 minute) x 29 cycles-(72 ° C, 2 minutes). This PCR reaction allows specific amplification of the ligation product formed during the RLR reaction without amplifying the template, as oligonucleotides A1 and A2 cannot hybridize to the template, as shown in FIG. did.
[0106]
5 μl of each RLR reaction and 10 μl of each of the previous PCR reactions were loaded on a 1% TBE agarose gel. After staining with ethidium bromide, the gel was exposed to ultraviolet light, as shown in FIG.
[0107]
Analysis of this gel reveals that only the RLR4 reaction, as well as the negative control, contains the restriction fragment visible (tracks 4 and 5).
[0108]
The lack of a PCR product for the negative control (Track 10) is not only due to the fact that the PCR reaction is specific (no complete template amplification), but also because of the generation of impure PCR products under selected conditions. It also demonstrates that the restriction fragments present within cannot be replaced by primers. In parallel, the presence of a unique stripe at approximately 2500 bp in tracks 6, 7 and 8 indicates that the RLR product can be amplified by PCR for RLR 1, 2 and 3 reactions. Thus, these three RLR reactions allowed the regeneration of one or more complete genes, starting from the restriction fragments of the six libraries.
[0109]
VI.Analysis of amplification products
[0110]
A.Cloning
[0111]
The PCR amplification products of the RLR1, 2 and 3 reactions were purified on the Wizard PCR Preps System (Promega) and eluted in 45 μl of Buffer T. 6 μl of each purified PCR was incubated for 1 hour at 37 ° C. in a mixture containing 3 μl restriction buffer C, 3 μl BSA (1 mg / ml), 20 U EcoRI enzyme, 10 U NcoI enzyme, and 15 μl water. did.
[0112]
In parallel, two vectors (pARAPONB and pET26b +) were prepared for cloning. These vectors were transformed with 3 μg of plasmid in a mixture containing 3 μl restriction buffer C, 3 μl BSA (1 mg / ml), 20 U EcoRI enzyme, 10 U NcoI enzyme, and 19 μl water at 37 ° C. for 2 hours. It was linearized by incubation.
[0113]
The linearized vector and the digested PCR were purified on a TBE 1% agarose gel using the QUIAGEN system. Each vector or each digested PCR was eluted in 30 μl buffer T.
[0114]
Each ligation of the PCR digested with each vector was performed under the conditions described in Table V below and incubated for 16 hours at 16 ° C.
[0115]
[Table V]
Figure 2004531258
[0116]
200 μl of chemically capable MC1061 cells (4) were transformed in 10 μl of each ligation by heat shock (5) and these transformed cells were spread on selection media.
[0117]
No clones were obtained after conversion of the ligation control TLpAR and TLpET. This indicates that the NcoI-EcoRI vectors pARAPONB and pET26b + cannot cause intramolecular ligation.
[0118]
B.Screening by PCR
[0119]
A first screening of the clones obtained after transformation of the ligation with the vector pARAPONB is performed by PCR. Forty-two 42 colonies from each of the ligated LpAR1, LpAR2 and LpAR3 were individually transferred to a final volume of 50 μl containing 5 μl polymerization buffer, 40 pmoles each of oligonucleotides A1 and A2, 5 μl 2 mM dNTPs, and 5 U Taq DNA polymerase. Was resuspended in the PCR mixture. Negative control was obtained by adding 50 ng of plasmid pBR322 instead of colonies to the PCR mixture. These 43 tubes were incubated on a Perkin-Elmer 9600 thermocycler according to the following program. (94 ° C, 5 minutes)-(94 ° C, 30 seconds-46 ° C, 30 seconds-72 ° C, 1 minute) x 29 cycles-(72 ° C, 2 minutes). Then, 5 μl of each of these PCR reactions was incubated for 1 hour at 37 ° C. in a final volume of 20 μl mixture containing 2 μl restriction buffer A, 2 μl BSA (1 mg / ml), and 5 U restriction enzyme PvuII. Was placed.
[0120]
10 μl of each of these digests were loaded on a TBE 1% agarose gel in parallel with 5 μl of each of the undigested PCRs (this disrupted the non-specific striping of the PCR with the fragments obtained by restriction digestion). Avoided occurrence). After electrophoresis and staining of the gel with ethidium bromide, stripes resulting from digestion with the enzyme PvuII were used to determine which fragments of the early mutant were relevant for others to reconstruct the entire gene. The pattern was analyzed. This screen demonstrates the presence of 27 genes with one mutation, seven genes with two mutations, and eight genes with no more mutations.
[0121]
C.Screening by plasmid DNA mini-preparation
[0122]
A second screening was performed by extracting plasmid DNA (5) from 21 clones resulting from the transformation of the ligation with the vector pET26b + (7 clones from each ligation). Five microliters of the plasmid DNA obtained for each clone is placed in a final volume of 10 μl containing 1 μl restriction buffer C, 6 U of enzyme PstI, 3 U of enzyme NcoI, and 6 U of enzyme EcoRI for 1 hour at 37 ° C. Incubated. 5 μl of each of these digests was loaded on a TBE 1% agarose gel. After electrophoresis and staining of this gel with ethidium bromide, arising from digestion with the PstI enzyme to determine which fragments of the early mutant were related to others in reconstructing the entire gene The stripe pattern was analyzed. This screen demonstrates the presence of 13 genes with one mutation, five genes with two mutations, and three genes with no more mutations.
[0123]
D.Statistical analysis of recombination
[0124]
Judging from the position of each mutation relative to the cleavage sites of the enzymes HinfI and BsaI (see FIG. 6), the probability of obtaining a gene with 0, 1, 2, 3, or 4 mutations of the initial gene via RLR was calculated. It is possible to do.
[0125]
Assuming that the RLR response is quite random, the probability P is:
[0126]
(Equation 1)
Figure 2004531258
Figure 2004531258
Figure 2004531258
Figure 2004531258
Figure 2004531258
[0127]
The two screens performed yield results close to these statistical expectations, as reported in Table VI below. Thus, it indicates that the RLR reaction is quasi-random. Due to the loss of genes with zero mutations, it can be observed that the proportion of genes with one mutation is slightly higher. This phenomenon could be attributable to the previously observed weak toxicity of the ponB gene and to a slight omission of expression of the vectors pARAPONB and pET26b +, which favors the selection of genes with non-activating mutations.
[0128]
[Table IV]
Figure 2004531258
[0129]
Example III
[0130]
Example III represents an embodiment of the invention using controlled digestion.
[0131]
I.Materials and methods
[0132]
A.Bacterial species, genome and plasmid DNA
[0133]
Standard techniques and procedures were used for all DNA manipulations. E. coli MC1061DE3 cells were used to propagate the expression plasmid pET26b + (Novagen).
[0134]
B.Oligonucleotide
[0135]
All synthetic oligonucleotide primers for PCR were synthesized by MWG Biotech. Sense primer 5'AGGAATTCCATATGCGAAAGAAAAGACGGGGGA3 ', and antisense primer 5'ATAAAGCTTTCACTTGATGAGCCTGAGATTTC3 'was used to amplify the Thermotoga neapolitana xylanase A gene to introduce NdeI and HindIII restriction sites (underlined). The NdeI site contained the initial codon (bold).
[0136]
C.enzyme
[0137]
Restriction enzymes, DNA polymerase and thermostable ligase were purchased from NEB and EPICENTRE and used according to the manufacturer's recommendations.
[0138]
D.DNA amplification, cloning and expression
[0139]
PCR amplification was performed on a PE 9600 thermocycler. The Thermotoga neapolitana xylanase A amplicon was digested with primer-specific restriction endonucleases, ligated into compatible sites on pET26b +, and converted to E. coli MC1061DE3. The MC1061DE3 clone containing the pET26b + XynA expression vector was propagated at 37 ° C. in LB containing kanamycin (60 μg / ml).
[0140]
E. FIG.Biochemical features
[0141]
A heat inactivation experiment was performed directly on Escherichia coli expressing XynA. After centrifugation at 6000 g for 5 minutes at 4 ° C., the cells were resuspended in 200 mM acetate buffer pH 5.6. Resuspension was performed in an appropriate volume to normalize the cell volume for each sample. Then 150 μl of cells were incubated for different times at the appropriate temperature. 100 μl of these cells were added to 100 μl of 0.5% (w / v) xylan in 200 mM acetate buffer pH 5.6 and incubated at 80 ° C. for 10 minutes. Then, 200 μl of 3,5-dinitrosalicylic acid was added, boiled for 5 minutes, cooled on ice for 5 minutes and centrifuged at 12000 g for 5 minutes. 150 μl was transferred into a μ titer plate and the OD was measured at 540 nm.
[0142]
For optimal temperature experiments, 100 μl of 0.5% (w / v) xylan in 200 mM acetate buffer pH 5.6 was added to 100 μl of resuspended cells and incubated at different temperatures for 10 minutes. Then 200 μl of 3,5-dinitrosalicylic acid was added, boiled for 5 minutes, cooled on ice for 5 minutes and centrifuged at 12000 g for 5 minutes. 150 μl was transferred into a μ titer plate and the OD was measured at 540 nm.
[0143]
II.result
[0144]
A.Generation of less thermostable mutants of XynA
[0145]
To generate a mutant with low thermostability of the XynA protein, error-prone PCR was performed on the WT XynA gene using a 1% agarose gel as shown in FIG. The product was digested with primer-specific restriction endonucleases, ligated into compatible sites on pET26b + and converted to E. coli MC1061DE3 to generate an error-prone library.
[0146]
One clone from this error-prone library (mutant 33) appeared to have much lower thermostability compared to the WT protein. Rapid biochemical analysis, including determination of optimal temperature and heat inactivation, was performed and compared to that of the WT. With respect to the optimal temperature, mutant 33 had an optimal temperature around 78 ° C. compared to WT (above 90 ° C.), but after incubation at 82 ° C. for 30 minutes or 95 ° C. for 1 minute. No residual activity was detected from mutant 33. Thus, the inactivation constant was calculated from FIG. The heat inactivation of mutant 33 at 82 ° C was estimated to be 0.120 / min at 82 ° C. At these temperatures, there was no or low detection of heat inactivation for the WT protein.
[0147]
B.Shuffling experiment
[0148]
Mutant 33 and the WT gene were then recombined using L-Shuffling ™ technology to generate mutants with different thermostability. Different mutants were expected. Mutants with WT optimal temperature, mutants with lower thermostability than WT, and mutants with higher thermostability than mutant 33 with optimal temperature.
[0149]
1)Fragment library
[0150]
After PCR amplification of WT and mutant 33, the product was digested with a mixture of six restriction enzymes, HincII, BamHI, XhoI, SphI, EcoRI and EcoRV, to generate eight fragments (from 120 to 700 pb). . Fragmentation of the PCR product with a mixture of six restriction endonucleases using a 3% agarose gel, see FIG.
[0151]
2)Shuffling experiment
[0152]
The RLR (recombinant ligation reaction) is performed by repeating the denaturation and ligation or hybridization steps for several cycles to form a standardized fragment (shown in FIG. 9) together with a thermostable ligase, and pET26 + XynA digested with NdeI / HindIII as a template. It was carried out using.
[0153]
Negative control was performed under the same conditions without thermostable ligase (B). The results are shown in FIG. 10, an L-Shuffling ™ experiment using 1% agarose gel. FIG. 10 shows that in the absence of thermostable ligase, fragments are not used for recombination. Then, selective digestion of the template was performed by adding DpnI to the reaction mixture.
[0154]
3)Cloning products
[0155]
PCR Pfu amplification (FIG. 11, PCR Pfu to L-Shuffling ™ product using 1% agarose gel) was performed using 5 ′ sense and 5 ′ antisense synthetic primers and the above protocol to obtain A and B (FIG. 9, negative control) was performed on both DpnI digested L Shuffling ™ products. Despite obtaining large amounts of amplified L-Shuffling ™ product for cloning, no template amplification occurred. Thus, the L Shuffling ™ product is digested with primer-specific restriction endonucleases, ligated into compatible sites on pET26b +, and converted to E. coli MC1061DE3 to generate an L Shuffling ™ library did.
[0156]
4)Biochemical features
[0157]
Several clones were selected from the L-Shuffling ™ library for activity remaining after incubation at 82 ° C. for 30 minutes.
[0158]
Clones 24, 41 and 56 (FIG. 12, heat inactivation of mutants at 95 ° C.) have the optimal temperature of mutant 33 and clone 6 has the optimal temperature of WT xylanase. Under these experimental conditions, WT xylanase maintained 100% activity after incubation at 95 ° C. for 120 minutes. In contrast, no residual activity was detected for mutant 33 after 1 minute at 95 ° C. FIG. 13 shows four mutants from the L Shuffling ™ library that showed different properties than the two parent nuclei.
[0159]
Example IV
[0160]
Example IV represents an embodiment of the invention that uses random digestion.
[0161]
I.Materials and methods
[0162]
A.Bacterial species, genome and plasmid DNA
[0163]
Standard techniques and procedures were used for all DNA manipulations. The expression plasmid pET26b + (Novagen) was propagated using Escherichia coli MC1061DE3 cells.
[0164]
B.Oligonucleotide
[0165]
All synthetic oligonucleotide primers for PCR were synthesized by MWG Biotech. Sense primer 5'AGGAATTCCATATGCGAAAGAAAAGACGGGGGA3 ', and antisense primer 5'ATAAAGCTTThe Thermotoga neapolitana xylanase A gene was amplified using TCACTTGATGAGCCTGAGATTTC3 ', and NdeI and HindIII restriction sites (underlined) were introduced. Sense primer 5'GGAATTCCATATGGCGGCGGCAGCCGGCA3 ', and antisense primer 5'GGAATTCUsing CTACTGCCGCTCCGATTGTGG3 ', the Acidobacterium capsulatum xylanase gene was amplified and NdeI and EcoRI restriction sites (underlined) were introduced. The NdeI site contained the initial codon (bold).
[0166]
C.enzyme
[0167]
Restriction enzymes, DNA polymerase and thermostable ligase were purchased from Neb and Epicenter and used according to the manufacturer's recommendations.
[0168]
II.result
[0169]
The Thermotoga neapolitana gene (3.2 kb) and the Acidobacter capsulatatum gene (1.2 kb) recombined.
[0170]
A.Fragment library
[0171]
PCR amplification was performed on the Thermotoga neapolitana and Acidobacteria capsulatum genes followed by DNase I digestion.
[0172]
See FIG. 13, DNase I fragmentation of Thermotoga neapolitana (A) and Acidobacteria capsulatum (B) genes using 1% agarose gel.
[0173]
B.Shuffling experiment
[0174]
RLR was performed with several cycles of denaturation and hybridization or ligation with fragments standardized with thermostable ligase and thermostable flap (shown in FIG. 13).
[0175]
Negative control was performed under the same conditions, but without thermostable ligase and / or thermostable flap (A, B and C). The results are shown in FIG. 14, an L-Shuffling ™ experiment using 1% agarose gel. FIG. 14 shows that in the absence of a thermostable ligase and a thermostable flap, the fragments do not recombine. In FIG. 14, A represents a fragment having no ligase and flap activity, B represents a fragment having only ligase, C represents a fragment having only flap, and D represents a shuffling state.
[0176]
Example V
[0177]
Example V used the materials and methods of Example III, but was run with a different number of cycles of steps (b) and (c). See FIG. 15A, L Shuffling ™ using steps (b) and (c) of n cycles, and FIG. 15B, PCR amplification of the corresponding L Shuffling ™ product. As shown in FIGS. 15A and B, at least one cycle (n = 1) is required to obtain a recombinant polynucleotide.
[0178]
Example VI
[0179]
Example VI used the materials and methods of Example III, but
Experiments were performed with the following seven quantities of fragments.
1: 1x
2: 2x
3: 3x
4: 4x
5: 11x
6: 14x
7: 17x
[0180]
FIG. 16, L-Shuffling ™ experiment with increasing amounts of fragments shows results for these seven amounts.
[0181]
The above presentation is not intended to limit the scope of the invention. While embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings, it will be apparent to one skilled in the art that modifications to the method described herein are possible. Those skilled in the art can make these and various other changes and embodiments without departing from the scope of the invention. The scope of the invention should be determined with reference to the claims, and equivalents, in view of the prior art.
[0182]
(References)
Figure 2004531258
Figure 2004531258

[Brief description of the drawings]
[0183]
Reference is made to the accompanying drawings.
FIG. 1A schematically depicts conventional DNA shuffling.
FIG. 1B schematically illustrates a conventional StEP (FIG. 1B).
FIG. 2-1 schematically represents an embodiment of the process of the invention, and variations and uses thereof.
FIG. 2-2 schematically represents an embodiment of the process of the invention and its variants and uses.
FIG. 2-3 schematically represents an embodiment of the process of the invention and its variants and uses.
FIG. 3 shows the location of 10 regions (PvuII and PstI) of mutations by each mutant of the ponB gene.
FIG. 4 shows the positions of primers used for comparison with the ponB gene sequence.
FIG. 5 shows the migration of RLR of RLR reaction and PCR reaction product on agarose gel.
FIG. 6 represents the location of the mutation relative to the restriction fragment.
FIG. 7 shows that errors in PCR results for the WT XynA gene using 1% agarose gel are likely to occur.
FIG. 8 shows the heat inactivation of mutant 33 at 82 ° C.
FIG. 9 depicts the results of fragmentation of the PCR product with six restriction endonucleases using a 3% agarose gel.
FIG. 10 depicts the results of an L-Shuffling ™ experiment using 1% agarose gel.
FIG. 11 shows the results of using PCR Pfu on L Shuffling ™ products using 1% agarose gel.
FIG. 12 shows the heat inactivation of mutants at 95 ° C.
FIG. 13 shows the results of DNase I fragmentation of Thermotoga neapolitana (A) and Acidobacterium capsulatum (B) genes using 1% agarose gel.
FIG. 14 depicts the results of an L-Shuffling ™ experiment using 1% agarose gel.
FIG. 15A shows the results of L Shuffling ™ using steps (b) and (c) for n cycles.
FIG. 15B shows the PCR amplification of the corresponding L Shuffling ™ product.
FIG. 16 depicts the results of an L-Shuffling ™ experiment with increasing amounts of fragments.

Claims (85)

ポリヌクレオチドを非ランダム的にシャッフルするための、テンプレート調整ライゲーション方向定位の方法であって、
a)ポリヌクレオチド・ライブラリから、少なくとも二つの相同ポリヌクレオチドの一本鎖断片を、直接あるいは間接的に得ること、
b)前記断片を、少なくとも二つの断片が隣接的にハイブリダイズするまで、一つ以上の考案組織化テンプレートへハイブリダイズすることによって、少なくとも一つの部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを形成すること、なお、前記テンプレートの少なくとも一つが、前記相同ポリヌクレオチドと少なくとも一つのホモロジー領域を共有し、
c)前記部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを処理して、少なくとも一つの組み換えポリヌクレオチドを形成すること、なお、前記処理は、順序に無関係に次のことからなり、
(i)ニックをライゲートすること、そして
(ii)必要に応じて、次のギャップを満たす技術のいずれか、あるいは組合せを行うこと、
隣接的にハイブリダイズする断片数を増加させるよう、前記断片を前記テンプレートへさらにハイブリダイズすることによってギャップを満たすこと、
部分的にハイブリダイズした断片の張り出しフラップをトリムすることによって短いギャップを満たすこと、そして
重合を介して短いギャップを満たすことからなる方法。
For shuffling the polynucleotide non-randomly, a method of template adjustment ligation direction localization,
a) obtaining, directly or indirectly, single-stranded fragments of at least two homologous polynucleotides from a polynucleotide library;
b) forming at least one partially double-stranded polynucleotide by hybridizing said fragment to one or more devised organized templates until at least two fragments hybridize adjacently Note that at least one of the templates shares at least one homology region with the homologous polynucleotide,
c) treating said partially double-stranded polynucleotide to form at least one recombinant polynucleotide, said treatment comprising, independent of order,
(I) ligating the nick, and (ii) performing any or a combination of techniques that satisfy the following gaps, as needed:
Filling the gap by further hybridizing the fragment to the template to increase the number of adjacent hybridizing fragments;
Filling short gaps by trimming overhanging flaps of partially hybridized fragments, and filling short gaps through polymerization.
ステップが生体外で起こる、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the step occurs in vitro. 前記相同ポリヌクレオチドが二本鎖である、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein said homologous polynucleotide is double-stranded. ステップ(b)及び(c)が同時に行われる、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein steps (b) and (c) are performed simultaneously. 方法の1サイクルの後に組み換えポリヌクレオチドが形成される、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the recombinant polynucleotide is formed after one cycle of the method. ステップ(a)、(b)そして/あるいは(c)の一回を超える繰り返し後に、組み換えポリヌクレオチドが形成される、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the recombinant polynucleotide is formed after more than one iteration of steps (a), (b) and / or (c). ステップ(a)、(b)そして/あるいは(c)の3回を超える繰り返しの後に、組み換えポリヌクレオチドが形成される、請求項6に記載の方法。The method of claim 6, wherein the recombinant polynucleotide is formed after more than three repetitions of steps (a), (b) and / or (c). ステップ(b)及び(c)の3回を超える繰り返しの後に、組み換えポリヌクレオチドが形成される、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein after more than three repetitions of steps (b) and (c), the recombinant polynucleotide is formed. 方法の次のサイクルで用いるテンプレートあるいは相同ポリヌクレオチドが、方法の前のサイクルで生じた組み換えポリヌクレオチドである、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the template or homologous polynucleotide used in the next cycle of the method is a recombinant polynucleotide generated in a previous cycle of the method. 前記テンプレートが、最初は二本鎖である、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the template is initially double stranded. さらに、前記テンプレート鎖を排除、分離、あるいは分解するよう、組み換えポリヌクレオチドのテンプレート鎖を処理することからなる、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, further comprising treating the template strand of the recombinant polynucleotide to eliminate, separate, or degrade the template strand. 組み換えポリヌクレオチドが、テンプレート鎖上あるいは組み換え鎖上の標識のために、テンプレート鎖から分離される、請求項11に記載の方法。12. The method of claim 11, wherein the recombinant polynucleotide is separated from the template strand for labeling on the template strand or on the recombinant strand. テンプレートがウラシルからなる、請求項11に記載の方法。The method of claim 11, wherein the template comprises uracil. テンプレートがmRNA配列である、請求項13に記載の方法。14. The method according to claim 13, wherein the template is an mRNA sequence. 断片が、最初は二本鎖である、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the fragment is initially double stranded. ステップ(a)、(b)あるいは(c)において、補足あるいは代理断片が加えられる、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein in steps (a), (b) or (c), supplemental or surrogate fragments are added. ステップ(a)が、前記相同ポリヌクレオチド上に多数の切断部位を持つ少なくとも一つの制限酵素で、あるいは複数の異なる制限酵素で、前記相同ポリヌクレオチドを断片化することからなる、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein step (a) comprises fragmenting the homologous polynucleotide with at least one restriction enzyme having multiple cleavage sites on the homologous polynucleotide, or with a plurality of different restriction enzymes. the method of. ステップ(a)における断片が、長さが少なくとも15残基である、請求項17に記載の方法。18. The method of claim 17, wherein the fragment in step (a) is at least 15 residues in length. ステップ(a)における断片が、長さが約15から40残基である、請求項18に記載の方法。19. The method of claim 18, wherein the fragment in step (a) is about 15 to 40 residues in length. ステップ(a)が、別個のポリヌクレオチド・ライブラリから、断片の少なくとも二つの母集団を得ること、あるいは異なる制限酵素を用いて、同じポリヌクレオチド・ライブラリから、断片の少なくとも二つの別個の母集団を得ることからなる、請求項1に記載の方法。Step (a) comprises obtaining at least two populations of fragments from separate polynucleotide libraries or using at least two different populations of fragments from the same polynucleotide library using different restriction enzymes. 2. The method of claim 1, comprising obtaining. ステップ(a)が、DNアーゼIでランダムに前記相同ポリヌクレオチドを断片化することからなり、前記相同ポリヌクレオチド、あるいはそれらから得た断片が、最初は二本鎖である、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein step (a) comprises fragmenting the homologous polynucleotide randomly with DNase I, wherein the homologous polynucleotide, or a fragment obtained therefrom, is initially double-stranded. the method of. ステップ(a)における断片が、長さが少なくとも50残基である、請求項21に記載の方法。22. The method of claim 21, wherein the fragment in step (a) is at least 50 residues in length. ステップ(a)の断片が増幅される、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the fragment of step (a) is amplified. ステップ(a)の断片が、テンプレートの全長に沿って隣接する端部を持つ断片を生成するオリゴヌクレオチド・プライマーを用いて増幅される、請求項23に記載の方法。24. The method of claim 23, wherein the fragment of step (a) is amplified using oligonucleotide primers that generate fragments with adjacent ends along the entire length of the template. ステップ(a)が、相同ポリヌクレオチドを3以上の断片へ断片化することからなる、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein step (a) comprises fragmenting the homologous polynucleotide into three or more fragments. ステップ(b)そして/あるいはステップ(c)で使用のために、フラップ・エンドヌクレアーゼが加えられる、請求項1に記載の方法。The method according to claim 1, wherein a flap endonuclease is added for use in step (b) and / or step (c). 前記フラップ・エンドヌクレアーゼが、ステップ(c)で用いるリガーゼと同じ耐熱性及び高温活性を持つ、請求項26に記載の方法。27. The method of claim 26, wherein the flap endonuclease has the same thermostability and high temperature activity as the ligase used in step (c). フラップ・エンドヌクレアーゼの濃度が約1.8から2.2μg/mlであり、ハイブリダイゼーションが約5から20Cの温度で起こり、そしてライゲーションが約60から75℃の温度で起こる、請求項27に記載の方法。28. The flap endonuclease concentration of about 1.8 to 2.2 [mu] g / ml, hybridization occurs at a temperature of about 5 to 20C, and ligation occurs at a temperature of about 60 to 75 [deg.] C. the method of. ポリヌクレオチド・ライブラリが、天然の遺伝子から、連続的な方向定位の突然変異誘発によって、エラー・プローンPCRによって、ランダムな化学的突然変異誘発によって、生体内でのランダムな突然変異誘発によって、あるいは同じ、または異なる種内の遺伝子系統群からの遺伝子を結合することによって生成されることで、前記ポリヌクレオチド・ライブラリ内に種々の配列がもたらされる、請求項1に記載の方法。Polynucleotide libraries can be derived from native genes by continuous orientation mutagenesis, by error-prone PCR, by random chemical mutagenesis, by random mutagenesis in vivo, or the same. The method of claim 1, wherein the sequence is produced by combining genes from gene families within different species, resulting in different sequences within the polynucleotide library. ポリヌクレオチド・ライブラリが合成配列からなる、またはステップ(a)、(b)あるいは(c)において合成断片が加えられる、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the polynucleotide library consists of a synthetic sequence, or wherein a synthetic fragment is added in step (a), (b) or (c). テンプレートが、ポリヌクレオチド・ライブラリから、あるいは前記ライブラリのコンセンサス配列から得られる、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the template is obtained from a polynucleotide library or from a consensus sequence of the library. 一つの断片の3’端部を、そして隣接断片の5’端部を補足するポリヌクレオチドがテンプレートとして用いられる、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein a polynucleotide that complements the 3 'end of one fragment and the 5' end of an adjacent fragment is used as a template. 組み換えポリヌクレオチドが、重合酵素を使用せずに得られる、請求項1に記載の方法。2. The method according to claim 1, wherein the recombinant polynucleotide is obtained without using a polymerizing enzyme. 組み換えポリヌクレオチドが、交差あるいは鎖乗り換えを誘発せずに得られる、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the recombinant polynucleotide is obtained without inducing crossover or strand crossover. 断片及び組み換えポリヌクレオチドが、サイズ分画せずに得られる、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the fragments and the recombinant polynucleotide are obtained without size fractionation. ステップ(b)あるいは(c)が、多数のハイブリダイゼーション事象を必要とする、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein step (b) or (c) requires multiple hybridization events. ステップ(b)が、単一のハイブリダイゼーション事象を必要とする、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein step (b) requires a single hybridization event. ステップ(b)が単一のハイブリダイゼーション事象を必要とし、ステップ(c)が全くハイブリダイゼーション事象を必要としない、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein step (b) requires a single hybridization event and step (c) does not require any hybridization events. ポリヌクレオチド・ライブラリあるいはテンプレートが、組み換えポリヌクレオチドである、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the polynucleotide library or template is a recombinant polynucleotide. 前記一本鎖断片が孤立鎖断片である、請求項1に記載の方法。The method according to claim 1, wherein the single-stranded fragment is an isolated strand fragment. 前記テンプレートが孤立鎖テンプレートである、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the template is an isolated strand template. 前記断片及び前記テンプレートが孤立鎖である、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein said fragments and said template are isolated strands. 孤立鎖断片が前記相同ポリヌクレオチドの頂部鎖からのものであり、孤立鎖テンプレートが前記相同ポリヌクレオチドの底部鎖からのものである、請求項42に記載の方法。43. The method of claim 42, wherein the isolated strand fragment is from the top strand of the homologous polynucleotide and the isolated strand template is from the bottom strand of the homologous polynucleotide. 孤立鎖断片が前の相同ポリヌクレオチドの底部鎖からのものであり、孤立鎖テンプレートが前記相同ポリヌクレオチドの頂部鎖からのものである、請求項42に記載の方法。43. The method of claim 42, wherein the isolated strand fragment is from the bottom strand of a previous homologous polynucleotide and the isolated strand template is from the top strand of the homologous polynucleotide. テンプレートのすべて、あるいはほぼすべてが、ステップ(a)の断片よりも長い、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein all, or substantially all, of the template is longer than the fragment of step (a). 前記組み換えポリヌクレオチドのテンプレート鎖が、排除される、分離される、あるいは分解される、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the template strand of the recombinant polynucleotide is excluded, separated, or degraded. 相同ポリヌクレオチドが、互いに30から90%相同である、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the homologous polynucleotides are 30 to 90% homologous to each other. テンプレートのすべて、あるいはほぼすべてが、ステップ(a)の断片より長い、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein all, or substantially all, of the template is longer than the fragment of step (a). テンプレートが、前記相同ポリヌクレオチドの各々に、ほぼ等しく相同である、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the template is approximately equally homologous to each of the homologous polynucleotides. 相同ポリヌクレオチドの少なくとも半分が、互いに、二つの残基を超える長さだけ異なる、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein at least half of the homologous polynucleotides differ from each other by more than two residues. 相同ポリヌクレオチドの少なくとも半分が、互いに約20から45%だけ相同である、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, wherein at least half of the homologous polynucleotides are about 20 to 45% homologous to each other. さらに、生体外で組み換えポリヌクレオチドを翻訳し、そのタンパク質を発現させることからなる、請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, further comprising translating the recombinant polynucleotide in vitro and expressing the protein. さらに、所望の特性を持つ前記組み換えポリヌクレオチドの少なくとも一つを選択するステップ(d)からなる、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, further comprising selecting (d) at least one of said recombinant polynucleotides having desired properties. ステップが生体外で起こる、請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, wherein the step occurs in vitro. 前記一本鎖断片が孤立鎖断片である、請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, wherein said single-stranded fragment is an isolated strand fragment. テンプレートが孤立鎖テンプレートである、請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, wherein the template is an isolated strand template. 短いギャップが、部分的にハイブリダイズした断片の張り出しフラップをトリムすることによって満たされる、請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, wherein short gaps are filled by trimming overhang flaps of partially hybridized fragments. テンプレートのすべて、あるいはほぼすべてが、ステップ(a)の断片より長い、請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, wherein all, or substantially all, of the template is longer than the fragment of step (a). さらに、生体外で組み換えポリヌクレオチドを翻訳してタンパク質を発現させることからなる、請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, further comprising translating the recombinant polynucleotide in vitro to express the protein. さらに、ステップ(d)の前に、組み換えポリヌクレオチドを増幅することからなる、請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, further comprising, before step (d), amplifying the recombinant polynucleotide. ステップ(d)の前に、テンプレート鎖が、排除される、分離される、あるいは分解される、請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, wherein before step (d), the template strand is eliminated, separated, or degraded. さらに、ステップ(d)の前に、しかし、テンプレート鎖を排除、分離、あるいは分解した後に、組み換え鎖から二本鎖の組み換えポリヌクレオチドを再生成し、そして前記二本鎖の組み換えポリヌクレオチドをクローンすることからなる、請求項61に記載の方法。Further, prior to step (d), but after eliminating, separating or degrading the template strand, regenerating the double-stranded recombinant polynucleotide from the recombinant strand and cloning said double-stranded recombinant polynucleotide 62. The method of claim 61, comprising: ポリヌクレオチドを生体外で非ランダム的にシャッフルするための、テンプレート調整ライゲーション方向定位の方法であって、
a)ポリヌクレオチド・ライブラリから直接あるいは間接的に、少なくとも二つの相同ポリヌクレオチドの孤立鎖制限断片を得ること、
b)前記断片を、少なくとも二つの断片が隣接的にハイブリダイズするまで、一つ以上の考案組織化テンプレートへハイブリダイズすることによって、少なくとも一つの部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを形成すること、なお、前記テンプレートのすべて、あるいはほぼすべてが、孤立鎖で、過渡的であり、前記断片より長く、そして前記相同ポリヌクレオチドと少なくとも一つのホモロジー領域を共有し、
c)前記部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを処理して少なくとも一つの組み換えポリヌクレオチドを形成すること、なお、前記処理が、順序に関係なく次のことからなり、
(i)ニックをライゲートすること、そして
(ii)必要に応じて、次のギャップを満たす技術の一つ、あるいは組合せを行うこと、
隣接的にハイブリダイズする断片数を増加させるよう、前記テンプレートに前記断片をさらにハイブリダイズすることによってギャップを満たすこと、そして
部分的にハイブリダイズした断片の張り出しフラップをトリムすることによって、短いギャップを満たすこと、そして
d)所望の特性を持つ前記組み換えポリヌクレオチドの少なくとも一つを選択することからなる方法。
For non-random shuffling of polynucleotides in vitro, a method of template-adjusted ligation orientation,
a) obtaining, directly or indirectly, an isolated strand restriction fragment of at least two homologous polynucleotides from a polynucleotide library;
b) forming at least one partially double-stranded polynucleotide by hybridizing said fragment to one or more devised organized templates until at least two fragments hybridize adjacently Wherein still, or substantially all, of the template is isolated, transient, longer than the fragment, and shares at least one homology region with the homologous polynucleotide;
c) treating said partially double-stranded polynucleotide to form at least one recombinant polynucleotide, said treatment comprising, irrespective of order,
(I) ligating the nick, and (ii) performing one or a combination of techniques, as needed, to fill the following gaps:
Filling the gap by further hybridizing the fragment to the template to increase the number of adjacent hybridizing fragments, and trimming the short gap by trimming the overhang flap of the partially hybridized fragment. And d) selecting at least one of said recombinant polynucleotides having the desired properties.
短いギャップが、部分的にハイブリダイズした断片の張り出しフラップをトリムすることによって満たされる、請求項63に記載の方法。64. The method of claim 63, wherein the short gap is filled by trimming the overhang flap of the partially hybridized fragment. ポリヌクレオチドの生体外非ランダム・シャフリングのための、テンプレート調整ライゲーション・オンリーの方法であって、
a)ポリヌクレオチド・ライブラリから直接あるいは間接的に、少なくとも二つの相同ポリヌクレオチドの孤立鎖制限断片を得ること、
b)前記断片を、テンプレートにハイブリダイズする断片のすべてが隣接的にハイブリダイズするまで、一つ以上の考案組織化テンプレートへ反復的にハイブリダイズすること、なお、前記テンプレートは孤立鎖で、過渡的であり、前記テンプレートの少なくとも一つが、前記相同ポリヌクレオチドと少なくとも一つのホモロジー領域を共有し、
c)ニックをライゲートして少なくとも一つの組み換えポリヌクレオチドを形成すること、そして
d)所望の特性を持つ前記組み換えポリヌクレオチドの少なくとも一つを選択することからなる方法。
A method of template-adjusted ligation-only for in vitro non-random shuffling of polynucleotides, comprising:
a) obtaining, directly or indirectly, an isolated strand restriction fragment of at least two homologous polynucleotides from a polynucleotide library;
b) repeatedly hybridizing the fragment to one or more devised organized templates until all of the fragments that hybridize to the template hybridize adjacently, wherein the template is an isolated strand and transient At least one of said templates shares at least one region of homology with said homologous polynucleotide;
c) ligating a nick to form at least one recombinant polynucleotide, and d) selecting at least one of said recombinant polynucleotides having desired properties.
ポリヌクレオチドの突然変異を含む領域の生体外非ランダム・シャフリングのための、テンプレート調整ライゲーション方向定位の方法であって、
a)ポリヌクレオチド対立遺伝単位間の突然変異を含む領域に対する制限部位の位置を定めること、
c)前記対立遺伝単位から直接あるいは間接的に、前記制限部位に対応する断片を得ること、
b)前記断片を、少なくとも二つの断片が隣接的にハイブリダイズするまで、一つ以上の考案組織化テンプレートへハイブリダイズすることによって少なくとも一つの部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを形成すること、なお、前記テンプレートの少なくとも一つの全体あるいは一部分が、前記対立遺伝単位の前記突然変異を含む領域に相同であり、
c)前記部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを処理して少なくとも一つの組み換えポリヌクレオチドを形成すること、なお、前記処理が、順序に関係なく次のことからなり、
(i)ニックをライゲートすること、そして
(ii)次のギャップを満たす技術の一つ、あるいは組合せを行うこと、
隣接的にハイブリダイズする断片数を増加させるよう、前記断片を前記テンプレートへさらにハイブリダイズすることによってギャップを満たすこと、そして
部分的にハイブリダイズした断片の張り出しフラップをトリムすることによって短いギャップを満たすこと、そして
d)所望の特性を持つ前記組み換えポリヌクレオチドの少なくとも一つを選択ことからなる方法。
A method of template-adjusted ligation orientation for in vitro non-random shuffling of a region containing a polynucleotide mutation, comprising:
a) locating the restriction site relative to the region containing the mutation between the polynucleotide allelic units;
c) obtaining, directly or indirectly, a fragment corresponding to the restriction site from the allelic unit;
b) forming at least one partially double-stranded polynucleotide by hybridizing said fragment to one or more devised organized templates until at least two fragments hybridize adjacently; Note that at least one whole or a part of the template is homologous to a region containing the mutation in the allelic unit,
c) treating said partially double-stranded polynucleotide to form at least one recombinant polynucleotide, said treatment comprising, irrespective of order,
(I) ligating the nick, and (ii) performing one or a combination of techniques that fill the following gaps:
Fill gaps by further hybridizing the fragments to the template to increase the number of adjacent hybridizing fragments, and fill short gaps by trimming the overhanging flaps of the partially hybridized fragments. And d) selecting at least one of said recombinant polynucleotides having desired properties.
遺伝子系統群の生体外非ランダム低ホモロジー・シャフリングのための、テンプレート調整ライゲーション方向定位の方法であって、
a)遺伝子系統群ライブラリから直接あるいは間接的に、前記遺伝子系統群のポリヌクレオチドの少なくとも二つからなる孤立鎖制限断片を得ること、
b)前記断片を、少なくとも二つの断片が隣接的にハイブリダイズするまで、一つ以上の考案組織化テンプレートへハイブリダイズすることによって、少なくとも一つの部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを形成すること、なお、前記テンプレートは、孤立鎖で、そして過渡的であり、前記テンプレートの少なくとも一つは、前記遺伝子系統群ポリヌクレオチドと少なくとも一つのホモロジー領域を共有し、
c)前記部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを処理して少なくとも一つの組み換えポリヌクレオチドを形成すること、なお、前記処理は、順序に関係なく次のことからなり、
(i)ニックをライゲートすること、そして
(ii)次のギャップを満たす技術の一つあるいは組合せを行うこと、
隣接的にハイブリダイズする断片数を増加させるよう、前記断片を前記テンプレートへさらにハイブリダイズすることによってギャップを満たすこと、そして
部分的にハイブリダイズした断片の張り出しフラップをトリムすることによって短いギャップを満たすこと、そして
d)所望の特性を持つ前記組み換えポリヌクレオチドの少なくとも一つを選択することからなる方法。
A method of template-adjusted ligation direction localization for in vitro non-random low homology shuffling of gene strains,
a) obtaining, directly or indirectly, an isolated strand restriction fragment consisting of at least two polynucleotides of the gene family from the gene family library;
b) forming at least one partially double-stranded polynucleotide by hybridizing said fragment to one or more devised organized templates until at least two fragments hybridize adjacently Wherein the template is an isolated strand and transient, and at least one of the templates shares at least one region of homology with the genotype polynucleotide;
c) treating said partially double-stranded polynucleotide to form at least one recombinant polynucleotide, said treatment comprising, in any order,
(I) ligating the nick, and (ii) performing one or a combination of techniques that fill the following gaps:
Fill gaps by further hybridizing the fragments to the template to increase the number of adjacent hybridizing fragments, and fill short gaps by trimming the overhang flaps of the partially hybridized fragments. And d) selecting at least one of said recombinant polynucleotides having desired properties.
請求項1に記載の方法によって得た組み換えポリヌクレオチド。A recombinant polynucleotide obtained by the method according to claim 1. 請求項68のポリヌクレオチドからなるベクター。A vector comprising the polynucleotide of claim 68. 請求項68の組み換えポリヌクレオチドによって変換された細胞ホスト。69. A cell host converted by the recombinant polynucleotide of claim 68. 請求項68の組み換えポリヌクレオチドによってコード化したタンパク質。70. A protein encoded by the recombinant polynucleotide of claim 68. 請求項68の組み換えポリヌクレオチドからなるライブラリ。69. A library consisting of the recombinant polynucleotide of claim 68. 請求項69のベクター、請求項70の細胞ホスト、あるいは請求項71のタンパク質からなるライブラリ。74. A library comprising the vector of claim 69, the cell host of claim 70, or the protein of claim 71. 請求項1に記載の方法を行うことができる物理的なアレイ。A physical array capable of performing the method of claim 1. 請求項1に記載の方法をシミュレートする論理的なアレイ。A logical array simulating the method of claim 1. 請求項74の物理的なアレイをシミュレートする論理的なアレイ。75. A logical array simulating the physical array of claim 74. ライゲートすること、あるいはギャップを満たすことが起こる前に、隣接的にハイブリダイズする断片の少なくとも二つが、ステップ(b)において隣接的にハイブリダイズする、請求項1、53あるいは63に記載の方法。64. The method of claim 1, 53 or 63, wherein at least two of the adjacently hybridizing fragments hybridize adjacently in step (b) before ligating or filling the gap occurs. ステップが生体内で起こる、請求項1あるいは53に記載の方法。54. The method of claim 1 or 53, wherein the step occurs in vivo. ポリヌクレオチドを非ランダム的にシャッフルするための、テンプレート調整ライゲーション方向定位の方法であって、
a)少なくとも二つの相同ポリヌクレオチドの一本鎖断片を、少なくとも二つの断片が隣接的にハイブリダイズするまで、一つ以上の考案組織化テンプレートへハイブリダイズすることによって、少なくとも一つの部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを形成すること、なお、前記テンプレートの少なくとも一つが、前記相同ポリヌクレオチドと少なくとも一つのホモロジー領域を共有し、
b)前記部分的に二本鎖のポリヌクレオチドを処理して少なくとも一つの組み換えポリヌクレオチドを形成すること、なお、前記処理は、順序に関係なく次のことからなり、
(i)ニックをライゲートすること、そして
(ii)必要に応じて、次のギャップを満たす技術の一つ、あるいは組合せを行うこと、
隣接的にハイブリダイズする断片数を増加させるよう、前記断片を前記テンプレートへさらにハイブリダイズすることによってギャップを満たすこと、
部分的にハイブリダイズした断片の張り出しフラップをトリムすることによって短いギャップを満たすこと、そして
重合を介して短いギャップを満たすことからなる方法。
For shuffling the polynucleotide non-randomly, a method of template adjustment ligation direction localization,
a) by hybridizing a single-stranded fragment of at least two homologous polynucleotides to one or more devised organized templates until at least two fragments hybridize adjacently, Forming a single-stranded polynucleotide, wherein at least one of the templates shares at least one homology region with the homologous polynucleotide;
b) treating said partially double-stranded polynucleotide to form at least one recombinant polynucleotide, said treatment comprising, in any order,
(I) ligating the nick, and (ii) performing one or a combination of techniques, as needed, to fill the following gaps:
Filling the gap by further hybridizing the fragment to the template to increase the number of adjacent hybridizing fragments;
Filling short gaps by trimming overhanging flaps of partially hybridized fragments, and filling short gaps through polymerization.
少なくとも二つの相同ポリヌクレオチドの一本鎖断片、そして
少なくとも二つの断片が隣接的にハイブリダイズすることが可能な、少なくとも一つの考案組織化テンプレートからなる、ポリヌクレオチド・シャフリング反応混合物。
A polynucleotide shuffling reaction mixture comprising a single-stranded fragment of at least two homologous polynucleotides and at least one devised organized template to which at least two fragments can hybridize adjacently.
少なくとも二つの相同ポリヌクレオチドの孤立鎖制限断片、そして
少なくとも二つの制限断片が隣接的にハイブリダイズすることが可能な、少なくとも一つの考案組織化テンプレートからなり、テンプレートが、過渡的で、孤立鎖であり、そして断片の大部分よりも、あるいはすべてよりも長い、生体外ポリヌクレオチド・シャフリング反応混合物。
At least two isolated strand restriction fragments of a homologous polynucleotide, and at least one devised organized template to which at least two restriction fragments can hybridize adjacently, wherein the template is a transient, isolated strand. An in vitro polynucleotide shuffling reaction mixture that is and is longer than most or all of the fragments.
少なくとも二つの相同ポリヌクレオチドの遊離一本鎖断片、そして
考案組織化テンプレートの鎖と、対向するハイブリダイズ断片の部分的な鎖とからなる、少なくとも一つの部分的に二本鎖のポリヌクレオチドからなり、少なくとも二つのハイブリダイズ断片が隣接的にハイブリダイズしている、ポリヌクレオチド・シャフリング反応混合物。
At least one partially double-stranded polynucleotide comprising a free single-stranded fragment of at least two homologous polynucleotides and a strand of the devised assembling template and a partial strand of an opposite hybridizing fragment. A polynucleotide shuffling reaction mixture wherein at least two hybridizing fragments are adjacently hybridized.
少なくとも二つの相同ポリヌクレオチドの遊離孤立鎖制限断片、そして
考案された孤立鎖の組織化テンプレートの鎖と、対向するハイブリダイズ制限断片の部分的な鎖とからなる、少なくとも一つの部分的に二本鎖のポリヌクレオチドからなり、少なくとも二つのハイブリダイズ制限断片が隣接的にハイブリダイズされ、テンプレート鎖は、過渡的で、そして遊離制限断片の大部分よりも、あるいはすべてよりも長い、生体外ポリヌクレオチド・シャフリング反応混合物。
At least one partially duplicated strand consisting of a free isolated strand restriction fragment of at least two homologous polynucleotides, and a devised isolated strand assembly template strand, and an opposing hybridized restriction fragment partial strand; An in vitro polynucleotide comprising at least two hybridizing restriction fragments, wherein the template strand is transient and longer than most or all of the free restriction fragments. -Shuffling reaction mixture.
ステップ(a)における断片が、長さにおいて約15残基である、請求項19に記載の方法。20. The method of claim 19, wherein the fragment in step (a) is about 15 residues in length. ステップ(a)における断片が、長さにおいて約50から500の残基である、請求項22に記載の方法。23. The method of claim 22, wherein the fragment in step (a) is about 50 to 500 residues in length.
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