JP2005523008A - 免疫グロブリンのユニバーサルライブラリー - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2002年4月17日に提出した米国特許仮出願第60/373,558号の利益を主張する。上記出願の全内容は、参照として本明細書に組み入れられる。
突然変異誘発は、タンパク質の構造および機能を研究する上での強力な手段である。変異は関心対照のタンパク質をコードするクローン化遺伝子のヌクレオチド配列内に作製することができ、改変した遺伝子を発現させてタンパク質の変異体を産生することができる。野生型タンパク質と作製した変異体の性質を比較することにより、結合および/または触媒活性等のタンパク質の構造の完全性および/またはタンパク質の生化学的機能に必須な個々のアミノ酸またはアミノ酸のドメインを同定することが可能である場合が多い。しかし、単一のタンパク質から作製され得る変異体の数によって、情報のある情報または所望の性質を有する変異体の選別が困難になる。たとえ選択した変異体が、タンパク質の特定の、推定的に重要な領域(例えば、タンパク質の活性部位のまたはその周囲の領域)内のみに変異を包含するとしてもである。例えば、特定のアミノ酸の置換、欠失、または挿入は、タンパク質に局所的なまたは全体的な影響を及ぼす可能性がある。タンパク質の突然変異誘発の影響を系統的に評価する手段の必要性が残っている。
本発明は、関心対象の免疫グロブリンのライブラリーに関する。関心対象の原型免疫グロブリンに基づくライブラリーは、原型免疫グロブリンのウォークスルー突然変異誘発(walk-through mutagenesis)により作製することができる。1つの態様において、本発明の単一の所定アミノ酸ライブラリーは、関心対象の免疫グロブリンの1つまたは複数の相補性決定領域の1つまたは複数の位置を単一の所定の(predetermined)アミノ酸で置換した関心対象の変異免疫グロブリンを含む;ライブラリーは、以下を含む一連のサブセットライブラリーを含む:a) 関心対象の原型免疫グロブリンを含む1つのサブセットライブラリー;b) 免疫グロブリンの6つの相補性決定領域のうちの1つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含む6つのサブセットライブラリー(1つのサブセットライブラリーは、関心対象の免疫グロブリンの6つの相補性決定領域のそれぞれに対する);c) 6つの相補性決定領域のうちの2つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含む15のサブセットライブラリー(1つのサブセットライブラリーは、6つの相補性決定領域のうちの2つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対する);d) 6つの相補性決定領域のうちの3つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含む20のサブセットライブラリー(1つのサブセットライブラリーは、6つの相補性決定領域のうちの3つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対する);e) 6つの相補性決定領域のうちの4つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含む15のサブセットライブラリー(1つのサブセットライブラリーは、6つの相補性決定領域のうちの4つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対する);f) 6つの相補性決定領域のうちの5つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含む6つのサブセットライブラリー(1つのサブセットライブラリーは、6つの相補性決定領域のうちの5つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対する);およびg) 6つの相補性決定領域のすべての領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含む1つのサブセットライブラリー。変異免疫グロブリンを含むサブセットライブラリーはそれぞれ、所定のアミノ酸を導入した相補性決定領域のあらゆる位置に所定のアミノ酸が少なくとも一度存在する変異免疫グロブリンを含む。
本発明は、免疫グロブリンをコードする核酸を含むライブラリーおよび免疫グロブリン自体を含むライブラリーを含む、関心対象の免疫グロブリンのライブラリーに関する。本明細書で用いる「免疫グロブリン」とは、特定の抗原に応答して作製され、これに結合する抗体タンパク質である。免疫グロブリンには5つの既知のクラスまたは種類が存在する:IgG、IgM、IgA、IgD、およびIgE(例えば、Dictionary of Cell and Molecular Biology, 第3版を参照のこと)。免疫グロブリンの基本的な形はIgG型である:IgGは、ジスルフィド結合により「Y」の形に結合した2本の同一の重鎖(H)および2本の同一の軽鎖(L)を含む。重鎖は、3つの定常ドメイン(CH)および1つの可変領域(VH)を含む4つのドメインを含む。軽鎖は、1つの定常領域(CL)および1つの可変領域(VL)を含む。
IgGは古典的な免疫グロブリンのクラスである;IgGは、約150 kDの分子量を有する。上記したように、IgGは2本の同一の軽鎖および2本の同一の重鎖から構成される。IgG分子は、タンパク質分解で2つのFab断片と1つのFc断片に分解され得る。Fabは、抗原結合部位(軽鎖および重鎖の可変領域)、軽鎖の定常領域、および重鎖の3つの定常領域のうちの1つを含む。Fc領域は、重鎖の残りの定常領域からなる;これは細胞結合部位および補体結合部位を含む。
IgM分子(分子量約970 kD)は、J鎖を用いて5つのIgG型単量体が結合して構築され、環状の五量体を形成している。IgMは補体に結合する; 細胞表面に結合したたった1つのIgM分子でその細胞を溶解し得る。IgMは通常、IgGよりも前に免疫応答において最初に産生される。
IgAは、哺乳動物の外分泌および血清において見出される免疫グロブリンのクラスである。分泌においては、IgAは、短いJ鎖により連結し分泌片または輸送片に結合したIgG型単量体の二量体(約400 kDの分子量を有する二量体)として見出される;血清中では、単量体(分子量約170 kD)として見出される。IgAは、腸または気道において感染に対する局所免疫を提供する主要な手段である。
IgD(分子量約184 kD)は血清中に低レベルで存在するが、Bリンパ球の表面における主要な免疫グロブリンであり、そこで抗原認識の役割を担う可能性がある。その構造はIgGの構造に似ているが、重鎖はδ型のものである。
IgEは(分子量約188 kD)は、即時型過敏反応および蠕虫感染(nelminth infection)に関連する。IgEは、血清中にごくわずかの量で、主にIgE特異的Fc受容体(FcεR)を有する肥満細胞および好塩基球に結合して存在する。IgEは高い糖質含量を有し、外分泌にも存在する。重鎖はε型のものである。
本発明のライブラリーを調製するため、原型免疫グロブリンに対して「ウォークスルー突然変異誘発」 を実施した。ウォークスルー突然変異誘発は、その全内容が参照として本明細書に組み入れられる米国特許第5,830,650号および第5,798,208号に詳細に記載されている。ウォークスルー突然変異誘発は免疫グロブリン以外のタンパク質およびポリペプチドに同等に適用できるが、本明細書では関心対象の免疫グロブリンの突然変異誘発に関して考察する。
この準備により、任意のヌクレオチドが配列の任意の位置において、2つのヌクレオチドの組み合わせのいずれか一方で置換され得る。または、オリゴヌクレオチド合成機において個々の塩基の混合が可能であるならば、純粋な塩基の2個またはそれ以上の容器から引き出すように合成機をプログラムし、所望の割合のヌクレオチドを生じることも可能である。
関心対象の免疫グロブリンのライブラリーを作製するため、単一の所定のアミノ酸を用いたウォークスルー突然変異誘発を原型免疫グロブリンに対して実施し、変異した免疫グロブリンをコードするヌクレオチド(および原型免疫グロブリンをコードするヌクレオチド)を含む個々の核酸ライブラリーを産生する。核酸ライブラリーを翻訳させ、変異免疫グロブリンタンパク質を含むアミノ酸ライブラリー(本明細書では「単一の所定のアミノ酸ライブラリー」と称する)を形成することができる。関心対象の免疫グロブリンの超可変ループ(CDR)(すなわち、重鎖の可変領域の3つの超可変ループ(VH1、VH2、およびVH3)および軽鎖の可変領域の3つの超可変ループ(VL1、VL2、およびVL3))それぞれに所定のアミノ酸をウォークスルーした単一の所定のアミノ酸ライブラリーはそれぞれ、64のサブセットライブラリーを含む。その結果生じる免疫グロブリンには、各CDRの1つまたは複数の位置に所定のアミノ酸を有する、および各CDRの各位置において集合的に所定のアミノ酸を有する変異免疫グロブリンが含まれる。単一の所定のアミノ酸を6つの超可変ループ(CDR)のそれぞれに個々にウォークスルーし;次に、CDRに起こり得る組み合わせのバリエーション(2つ組、3つ組、4つ組等)のそれぞれにウォークスルーする。起こり得る組み合わせのバリエーションを表2に示す。
本明細書に記載するライブラリーは、原型免疫グロブリンの結合領域、特に特定の所定のアミノ酸が結合領域に及ぼす影響の系統的かつ徹底的解析を可能にする様式で作製した変異免疫グロブリンを含む。このライブラリーにより、ランダム突然変異誘発に関連する変異の性質の調節または予測に関する問題が回避され;変動する相補性決定領域内のアミノ酸による複数の相互作用を含む、関心対象の免疫グロブリンとその抗原との相互作用の変化を可能にする特定の変異に関する具体的情報の創出が可能になる。
A. 材料および方法
以下の実施例では、ユニバーサルアミノ酸ライブラリーの設計と合成を含む、ウォークスルー突然変異誘発(WTM)による遺伝子ライブラリーの合成について説明する。これらのライブラリーの構築は、特に一本鎖(scFV)として設計したそのFv(VLおよびVH)領域に限定した、ヒト抗HIV GP-120モノクローナル抗体のアミノ酸配列に基づいた。文献で公表されたヒト配列により、GP120モノクローナル抗体のVLおよびVH領域のアミノ酸配列を取得した(Antibody Engineering. R. KONTERMAN, S. Dubel(編)、Springer Lab manual. Spriger-Verlag. Berlin, Heidelberg (2001), S. DubelおよびR.E. Kontermanによる第1章、「Recombinant Antibodies」, 4〜16ページ)。
上記の方法を用いて、図7〜12に示すように、それぞれが20種の天然アミノ酸のうちの1つに対応する20の個々のオリゴヌクレオチドプールを、6つのCDRのそれぞれに対して設計することができる。これらのオリゴプールを寄せ集めたものから、選択したそれぞれのアミノ酸(20種の天然アミノ酸のうちの任意)に相当する6つのプールを任意の可能な組み合わせ方で使用し、scFV遺伝子の対応するCDR領域に突然変異を誘発することができる。
Claims (20)
- 関心対象の免疫グロブリンの1つまたは複数の相補性決定領域の1つまたは複数の位置を単一の所定のアミノ酸で置換した関心対象の変異免疫グロブリンを含む、関心対象の原型免疫グロブリンのライブラリーであって、該ライブラリーは、
a) 関心対象の原型免疫グロブリンを含む1つのサブセットライブラリー;
b) 免疫グロブリンの6つの相補性決定領域のうちの1つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含み、6つの相補性決定領域のそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で6つのサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
c) 6つの相補性決定領域のうちの2つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含み、6つの相補性決定領域のうちの2つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で15のサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
d) 6つの相補性決定領域のうちの3つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含み、6つの相補性決定領域のうちの3つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で20のサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
e) 6つの相補性決定領域のうちの4つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含み、6つの相補性決定領域のうちの4つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で15のサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
f) 6つの相補性決定領域のうちの5つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含み、6つの相補性決定領域のうちの5つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で6つのサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;および
g) 6つの相補性決定領域のすべての領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ
酸で置換した変異免疫グロブリンを含む1つのサブセットライブラリーであって、
ここで、変異免疫グロブリンを含むサブセットライブラリーはそれぞれ、所定のアミノ酸を導入した相補性決定領域のあらゆる位置に所定のアミノ酸が少なくとも一度存在する変異免疫グロブリンを含む、上記のサブセットライブラリー含む、原型免疫グロブリンのライブラリー。 - 関心対象の免疫グロブリンが触媒抗体である、請求項1記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンがIgGである、請求項1記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンがIgMである、請求項1記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンがIgAである、請求項1記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンがIgDである、請求項1記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンがIgEである、請求項1記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンが免疫グロブリンのFab断片である、請求項1記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンが一本鎖免疫グロブリンである、請求項1記載のライブラリー。
- 20種の天然アミノ酸のそれぞれに対する1つの単一の所定のアミノ酸ライブラリーからなる20の単一の所定のアミノ酸ライブラリーを含み、単一の所定のアミノ酸ライブラリーは、それぞれウォークスルー突然変異誘発により変異免疫グロブリンの1つまたは複数の位置に単一の所定のアミノ酸を導入した関心対象の変異免疫グロブリンを含み、かつ単一の所定のアミノ酸ライブラリーはそれぞれ、一群のサブセットライブラリーを含む:
関心対象の原型免疫グロブリンのユニバーサルライブラリーであって、該ライブラリーは、
a) 関心対象の原型免疫グロブリンを含む1つのサブセットライブラリー;
b) 免疫グロブリンの6つの相補性決定領域のうちの1つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含み、6つの相補性決定領域のそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で6つのサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
c) 6つの相補性決定領域のうちの2つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含み、6つの相補性決定領域のうちの2つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で15のサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
d) 6つの相補性決定領域のうちの3つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含み、6つの相補性決定領域のうちの3つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で20のサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
e) 6つの相補性決定領域のうちの4つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含み、6つの相補性決定領域のうちの4つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で15のサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
f) 6つの相補性決定領域のうちの5つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンを含み、6つの相補性決定領域のうちの5つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で6つのサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;および
g) 6つの相補性決定領域のすべての領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ
酸で置換した変異免疫グロブリンを含む1つのサブセットライブラリー、であって、
ここで、変異免疫グロブリンを含むサブセットライブラリーはそれぞれ、所定のアミノ酸を導入した相補性決定領域のあらゆる位置に所定のアミノ酸が少なくとも一度存在する変異免疫グロブリンを含む、サブセットライブラリーを含む、原型免疫グロブリンのユニバーサルライブラリー。 - 関心対象の免疫グロブリンの1つまたは複数の相補性決定領域の1つまたは複数の位置を単一の所定のアミノ酸で置換した関心対象の変異免疫グロブリンをコードする核酸を含む、関心対象の原型免疫グロブリンのライブラリーであって、該ライブラリーは:
a) 関心対象の原型免疫グロブリンをコードする核酸を含む1つのサブセットライブラリー;
b) 免疫グロブリンの6つの相補性決定領域のうちの1つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンをコードする核酸を含み、6つの相補性決定領域のそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で6つのサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
c) 6つの相補性決定領域のうちの2つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンをコードする核酸を含み、6つの相補性決定領域のうちの2つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で15のサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
d) 6つの相補性決定領域のうちの3つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンをコードする核酸を含み、6つの相補性決定領域のうちの3つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で20のサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
e) 6つの相補性決定領域のうちの4つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンをコードする核酸を含み、6つの相補性決定領域のうちの4つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で15のサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
f) 6つの相補性決定領域のうちの5つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンをコードする核酸を含み、6つの相補性決定領域のうちの5つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で6つのサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;および
g) 6つの相補性決定領域のすべての領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ
酸で置換した変異免疫グロブリンをコードする核酸含む1つのサブセットライブラリー、であって
ここで、変異免疫グロブリンをコードする核酸を含むサブセットライブラリーはそれぞれ、所定のアミノ酸を導入した相補性決定領域のあらゆる位置に所定のアミノ酸が少なくとも一度存在する変異免疫グロブリンをコードする核酸を含む、サブセットライブラリーを含む、原型免疫グロブリンのライブラリー。 - 関心対象の免疫グロブリンが触媒抗体である、請求項11記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンがIgGである、請求項11記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンがIgMである、請求項11記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンがIgAである、請求項11記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンがIgDである、請求項11記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンがIgEである、請求項11記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンが免疫グロブリンのFab断片である、請求項11記載のライブラリー。
- 関心対象の免疫グロブリンが一本鎖免疫グロブリンである、請求項11記載のライブラリー。
- 20種の天然アミノ酸のそれぞれに対する1つの単一の所定のアミノ酸ライブラリーからなる20の単一の所定のアミノ酸ライブラリーを含み、単一の所定のアミノ酸ライブラリーはそれぞれウォークスルー突然変異誘発により変異免疫グロブリンの1つまたは複数の位置に単一の所定のアミノ酸を導入した関心対象の変異免疫グロブリンコードする核酸を含み、かつ単一の所定のアミノ酸ライブラリーはそれぞれ以下を含むサブセットライブラリーを含む一群のサブセットライブラリーを含む:
関心対象の原型免疫グロブリンのユニバーサルライブラリーであって、該ライブラリーは、
a) 関心対象の原型免疫グロブリンをコードする核酸を含む1つのサブセットライブラリー;
b) 免疫グロブリンの6つの相補性決定領域のうちの1つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンをコードする核酸を含み、6つの相補性決定領域のそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で6つのサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
c) 6つの相補性決定領域のうちの2つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンをコードする核酸を含み、6つの相補性決定領域のうちの2つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で15のサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
d) 6つの相補性決定領域のうちの3つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンをコードする核酸を含み、6つの相補性決定領域のうちの3つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で20のサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
e) 6つの相補性決定領域のうちの4つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンをコードする核酸を含み、6つの相補性決定領域のうちの4つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で15のサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;
f) 6つの相補性決定領域のうちの5つの領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ酸で置換した変異免疫グロブリンをコードする核酸を含み、6つの相補性決定領域のうちの5つに起こり得る組み合わせのそれぞれに対し1つのサブセットライブラリーを有し、その結果、全部で6つのサブセットライブラリーとなるサブセットライブラリー;および
g) 6つの相補性決定領域のすべての領域の1つまたは複数の位置を所定のアミノ
酸で置換した変異免疫グロブリンをコードする核酸含む1つのサブセットライブラリー、であって
ここで、変異免疫グロブリンをコードする核酸を含むサブセットライブラリーはそれぞれ、所定のアミノ酸を導入した相補性決定領域のあらゆる位置に所定のアミノ酸が少なくとも一度存在する変異免疫グロブリンをコードする核酸を含む、サブセットライブラリーを含む、原型免疫グロブリンのユニバーサルライブラリー。
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