JP2007312781A - Human dnase variants - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide amino acid sequence variants of human DNase I that have reduced binding affinity for actin. <P>SOLUTION: The invention provides nucleic acid sequences encoding such actin-resistant variants, thereby enabling the production of these variants in quantities sufficient for clinical use. The invention also relates to pharmaceutical compositions and therapeutic uses of actin-resistant variants of human DNase I. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、ヒト・デオキシリボヌクレアーゼI(DNaseI)、ポリデオキシリボ核酸を加水分解できるホスホジエステラーゼに関する研究から得られた結果に関する。本発明は、一般に、ヒトDNアーゼIの修飾された(変異体)形態および組換えDNA法によるそれらの調製、それらの利用性がそれにより臨床的に開発できる医薬組成物、およびこれらのDNアーゼI変異体およびその組成物を用いる方法に関する。   The present invention relates to results obtained from studies on human deoxyribonuclease I (DNase I), a phosphodiesterase capable of hydrolyzing polydeoxyribonucleic acid. The present invention generally relates to modified (mutant) forms of human DNase I and their preparation by recombinant DNA methods, pharmaceutical compositions by which their utility can be developed clinically, and these DNases. The invention relates to methods using I variants and compositions thereof.

DNアーゼIはポリデオキシリボ核酸を加水分解できるホスホジエステラーゼである。DNアーゼIは多くの種から様々の程度に精製されてきた。   DNase I is a phosphodiesterase that can hydrolyze polydeoxyribonucleic acid. DNase I has been purified to varying degrees from many species.

ウシDNアーゼIは生化学的に広範囲に研究されてきた。例えば、Moore,The Enzyme(Boyer,P.D.編),281-296頁,Academic Press,New York (1981)参照。ウシDNアーゼIについての完全なアミノ酸配列は公知であり(Liaoら,J.Biol.Chem.,248:1489-1495(1973);Oefnerら,J.Mol.Biol.192:605-632(1986 );Lahmら,J.Mol.Biol.Biol.221:645-667(1991)、ウシDNアーゼIをコードするDNAはクローン化され発現されている(Worrallら,J.Biol.Chem.265 :21889-21895(1990))。ウシDNアーゼIの構造はX−線結晶学によって決定されている。Suckら,EMBO J.3:2423-2430(1984); Suckら,Nature 321:670-625( 1986); Oefnerら,J.Mol.Biol.192:605-632(1986))。 Bovine DNase I has been extensively studied biochemically. See, for example, Moore, The Enzyme (Boyer, PD), pages 281-296, Academic Press, New York (1981). The complete amino acid sequence for bovine DNase I is known (Liao et al., J. Biol. Chem., 248 : 1489-1495 (1973); Oefner et al., J. Mol. Biol. 192 : 605-632 (1986). Lahm et al., J. Mol. Biol. Biol. 221 : 645-667 (1991), DNA encoding bovine DNase I has been cloned and expressed (Worrall et al., J. Biol. Chem. 265 : 21889-21895 (1990)) The structure of bovine DNase I has been determined by X-ray crystallography Suck et al., EMBO J. 3: 2423-2430 (1984); Suck et al., Nature 321 : 670-625 (1986); Oefner et al., J. Mol. Biol. 192 : 605-632 (1986)).

ヒトDNアーゼIをコードするDNAは単離され、配列決定され、そのDNAは組換え宿主細胞で発現されており、それにより、商業的に有用な量にてのヒトDNアーゼIの生産を可能する。Shakら,Proc.Nat.Acad.Sci.87:9188-9192 (1990)。 DNA encoding human DNase I has been isolated and sequenced, and the DNA has been expressed in a recombinant host cell, thereby allowing production of human DNase I in commercially useful quantities. To do. Shak et al., Proc. Nat. Acad. Sci. 87 : 9188-9192 (1990).

DNアーゼIは多数の公知の用途を有し、治療目的で使用されてきた。その主な治療用途は、肺炎および嚢胞性線維症(CF)のごとき病気において肺分泌(粘液)の粘弾性を低下させ、それにより気道の清掃を助力することであった。例えば、Lourencoら,Arch.Intern.,Med.142:2299-2308(1982); Shakら,Proc.nat.Acad.Sci.87:9188-9192(1990);Hubbardら,New Engl.J.Med.326 :812-815(1992); Fuchsら,New Engl.J.Med.321: 637-642(1994); Brysonら, Drugs 48:894-906(1994)。また、粘液は慢性気管支炎、喘息性気管支炎、気管支拡張症、気腫、急性および慢性静脈洞炎、および通常の風邪の罹患率に寄与する。 DNase I has a number of known uses and has been used for therapeutic purposes. Its main therapeutic use was to reduce the viscoelasticity of pulmonary secretion (mucus) in diseases such as pneumonia and cystic fibrosis (CF), thereby helping airway cleaning. For example, Lourenco et al., Arch. Intern., Med. 142 : 2299-2308 (1982); Shak et al., Proc. nat. Acad. Sci . 8 7: 9188-9192 (1990); Hubbard et al., New Engl. J. Med. 326 : 812-815 (1992); Fuchs et al., New Engl. J. Med. 321 : 637-642 (1994); Bryson et al., Drugs 48 : 894-906 (1994). Mucus also contributes to the prevalence of chronic bronchitis, asthmatic bronchitis, bronchiectasis, emphysema, acute and chronic sinusitis, and common colds.

かかる病気を有する個人の肺分泌は複雑な物質であり、それは粘液糖蛋白質、ムコ多糖、プロテアーゼ、アクチンおよびDNAを含む。肺物質における物質のいくつかは、微生物(例えば、シュードモナス(Pseudomonas)、ニューモコッカス(Pneumocossus)、またはスタフィロコッカス(Staphylococcus)菌の株)または他の刺激剤(例えば、タバコの喫煙、花粉)の存在に応答して肺組織に浸潤する白血球(好中球)から放出される。かかる微生物また刺激剤と反応する間に、白血球は変性し、それらの内容物を放出し、それは肺分泌の粘弾性に寄与する。   The pulmonary secretion of individuals with such diseases is a complex substance, which includes mucus glycoproteins, mucopolysaccharides, proteases, actin and DNA. Some of the substances in the pulmonary material are those of microorganisms (eg, strains of Pseudomonas, Pneumocossus, or Staphylococcus) or other stimulants (eg, tobacco smoking, pollen) Released from white blood cells (neutrophils) that infiltrate lung tissue in response to their presence. While reacting with such microorganisms or stimulants, leukocytes denature and release their contents, which contribute to the viscoelastic properties of pulmonary secretion.

肺分泌の粘弾性を低下させるDNアーゼIの能力は、好中球によって放出された大量のDNAのその酵素分解に帰せられてきた。Shakら,Proc.Nat.Acad.Sci.87:9188-9192(1990)); Aitkenら,J.Am.Med.Assoc.267:1947-1951(1992) )。 DNase I's ability to reduce pulmonary secretion viscoelasticity has been attributed to its enzymatic degradation of large amounts of DNA released by neutrophils. Shak et al., Proc. Nat. Acad. Sci. 87 : 9188-9192 (1990)); Aitken et al., J. Biol. Am. Med. Assoc. 267 : 1947-1951 (1992)).

より最近では、アクチンの離解を含めたDNアーゼIの粘液溶解効果につき種々のメカニズムが提案されている。Vasconcellosら,Science 263:969-971(1994 ))。アクチンは、真核細胞における最も豊富な蛋白質の1つであり(例えば、アクチンは全白血球蛋白質の約10%よりなる)、広範に研究されてきた。Kabsch ら,Ann.Rev.Biophys.Biomol.Struct.21:49-76(1992); Sheterlineら,Proc.Profile 1:1-121(1994)。アクチンは2つの形態、モノマー形態(G−アクチン)、およびG−アクチンモノマーから組み立てられるフィラメント形態(F−アクチン)で存在する。アクチンのポリマーフィラメントは高度に粘弾性であって、肺分泌の粘度にかなり寄与する。Mornetら,Proc.Nat.Acad.Sci.81:368 0-3684(1984); Newmanら,Biochemistry 24:1538-1544(1985); Janmeyら,Biochemistry 27:8218-8226(1988); Vasconcellosら,Science 263:969-971(1994)。
Moore,The Enzyme(Boyer,P.D.編),281-296頁,Academic Press,New York (1981)
More recently, various mechanisms have been proposed for the mucolytic effect of DNase I including actin disaggregation. Vasconcellos et al., Science 263 : 969-971 (1994)). Actin is one of the most abundant proteins in eukaryotic cells (eg, actin consists of about 10% of total leukocyte protein) and has been extensively studied. Kabsch et al., Ann. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 21 : 49-76 (1992); Sheterline et al., Proc. Profile 1 : 1-121 (1994). Actin exists in two forms, a monomeric form (G-actin) and a filamentous form assembled from G-actin monomers (F-actin). Actin polymer filaments are highly viscoelastic and contribute significantly to the viscosity of pulmonary secretion. Mornet et al., Proc. Nat. Acad. Sci. 81 : 368 0-3684 (1984); Newman et al., Biochemistry 24 : 1538-1544 (1985); Janmey et al., Biochemistry 27 : 8218-8226 (1988); Vasconcellos et al., Science 263 : 969-971 (1994).
Moore, The Enzyme (Boyer, PD), 281-296, Academic Press, New York (1981)

DNアーゼIはアクチンに結合し(Lazaridesら,Proc.Nat.Acad.Sci.71:4 742-4746(1974); Kabschら,Nature 347:37-44(1990))、アクチンフィラメントを脱重合させること(ならびにG−アクチンのフィラメントへの重合を阻害すること)が知られている(Mannherzら,FEBS Lett.60:34-38(1975); Hitchcockら,Cell 7:531-542(1976); Pinderら,Biochemistry 21:4886-4890(1982); Weber ら,Biochemistry 33:4780-4786(1994))ので、痰および他の肺分泌に対するDNアーゼIの粘液分解効果は、DNA加水分解よりもむしろアクチン離解(脱重合)によることが提案されている。Vasconcellosら,Science 263: 969-971(1994 )。この見解に合致して、アクチンの存在下では、DNアーゼIのDNA−加水分解活性は阻害されることが知られている。Lazaridesら,Proc.Nat.Acad.Sci.71:4742-4746(1974); Mannherzら,Eur.J.Biochem.104:367-379(1980)。また、この見解と一致して、アクチン切断蛋白質(例えば、グルソリン)が嚢胞性線維症痰の粘弾性を低下させるのに効果的であることが報告されている。Vasconcellosら,Science 263:969-971 1994); Stosselら,PCT出願公開WO 94/22465 (1994年10月13日公開)。 DNase I binds to actin (Lazarides et al., Proc. Nat. Acad. Sci. 71 : 4 742-4746 (1974); Kabsch et al., Nature 347 : 37-44 (1990)) and depolymerizes actin filaments. (As well as inhibiting the polymerization of G-actin into filaments) (Mannherz et al., FEBS Lett. 60 : 34-38 (1975); Hitchcock et al., Cell 7 : 531-542 (1976); Pinder et al., Biochemistry 21 : 4886-4890 (1982); Weber et al., Biochemistry 33 : 4780-4786 (1994)), so that the mucolytic effect of DNase I on sputum and other pulmonary secretion is rather than DNA hydrolysis Proposed by actin disaggregation (depolymerization). Vasconcellos et al., Science 263 : 969-971 (1994). Consistent with this view, it is known that the DNA-hydrolysis activity of DNase I is inhibited in the presence of actin. Lazarides et al., Proc. Nat. Acad. Sci. 71 : 4742-4746 (1974); Mannherz et al., Eur. J. Biochem. 104 : 367-379 (1980). Consistent with this view, it has been reported that actin-cleaving proteins (eg, glucolin) are effective in reducing the viscoelasticity of cystic fibrosis sputum. Vasconcellos et al., Science 263 : 969-971 1994); Stossel et al., PCT application publication WO 94/22465 (published October 13, 1994).

本発明は、部分的には、DNアーゼIの粘液分解活性の生化学的基礎を測定する本発明者らによる研究に基づいている。この研究は、種々のヒトDNアーゼI変異体の設計および合成、ならびにDNAを加水分解し、アクチンに結合し、イン・ビトロで痰の粘弾性を低下させるそれらの能力を評価するこれらの変異体のアッセイを含むものであった。本発明者らはヒトDNアーゼI変異体のいくつかのクラスを創製した。1のクラスの変異体(アクチン−耐性変異体)はアクチンに結合する能力が低下したが、依然として粘液分解活性を有し、ある場合には、天然ヒトDNアーゼIと比較して低下した粘液分解活性を有した。これらのアクチン−耐性変異体は天然ヒトDNアーゼIとほぼ同一のDNA−加水分解活性を有するが、かかる活性はアクチンによる阻害に対して感受性が低かった。第2のクラスの変異体は天然ヒトDNアーゼIで見い出されているものと同様の親和性でもってアクチンに結合するが、天然ヒトDNアーゼIと比較して低下した粘液分解活性および低下したDNA−加水分解活性を有した。   The present invention is based, in part, on studies by the inventors that measure the biochemical basis of DNase I mucolytic activity. This study addresses the design and synthesis of various human DNase I mutants and their ability to hydrolyze DNA, bind to actin, and reduce the viscoelasticity of pupae in vitro. Of the assay. We have created several classes of human DNase I variants. A class of mutants (actin-resistant mutants) have reduced ability to bind to actin but still have mucolytic activity and in some cases reduced mucolysis compared to native human DNase I Had activity. These actin-resistant mutants have approximately the same DNA-hydrolysis activity as native human DNase I, but such activity was less sensitive to inhibition by actin. The second class of variants binds to actin with similar affinity as found in native human DNase I, but has reduced mucolytic activity and reduced DNA compared to native human DNase I. -It had hydrolytic activity.

これらの結果は、肺分泌の粘弾性を低下させることにおけるヒトDNアーゼIの治療効果が、フィラメント状アクチンを脱重合させるその能力よりもむしろその接触DNA−加水分解活性によるものであることを示す。従って、天然ヒトDNアーゼIよりも低い親和性をもってアクチンに結合するが依然としてDNA−加水分解活性を保有するヒトDNアーゼIの変異体は、特に、比較的大量のアクチンよりなる肺分泌を有する患者の治療において有用な治療剤であるはずである。かかる変異体はアクチンに対して低下した親和性を有するので、それらのDNA加水分解活性はアクチンの存在下でより阻害されず、従って、これらの変異体は天然ヒトDNアーゼIと比較して、アクチンの存在下でより大きい粘液分解活性を有する。   These results indicate that the therapeutic effect of human DNase I in reducing pulmonary secretion viscoelasticity is due to its catalytic DNA-hydrolysis activity rather than its ability to depolymerize filamentous actin. . Thus, variants of human DNase I that bind to actin with lower affinity than native human DNase I but still retain DNA-hydrolysis activity are particularly patients with pulmonary secretions consisting of relatively large amounts of actin. It should be a useful therapeutic agent in the treatment of Since such mutants have a reduced affinity for actin, their DNA hydrolytic activity is less inhibited in the presence of actin, and therefore these mutants are compared to native human DNase I, Has greater mucolytic activity in the presence of actin.

従って、本発明の目的は、DNA−加水分解活性を保有するが天然ヒトDNアーゼIよりも低い親和性でもってアクチンに結合するヒトDNアーゼI変異体を提供することにある。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide a human DNase I variant that retains DNA-hydrolysis activity but binds to actin with a lower affinity than native human DNase I.

本発明のもう1つの目的は、ヒトDNアーゼIのかかるアクチン−耐性変異体をコードする核酸、かかる核酸よりなる組換えベクター、それらの核酸またはベクターで形質転換された組換え宿主細胞、および組換えDNA技術によってヒトDNA変異体を産生する方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide nucleic acids encoding such actin-resistant mutants of human DNase I, recombinant vectors comprising such nucleic acids, recombinant host cells transformed with these nucleic acids or vectors, and sets It is to provide a method for producing a human DNA variant by a replacement DNA technique.

また、本発明は、所望により医薬上許容される賦形剤と共に、ヒトDNアーゼIアクチン−耐性変異体よりなる医薬組成物に指向される。   The present invention is also directed to a pharmaceutical composition comprising a human DNase I actin-resistant mutant, optionally with a pharmaceutically acceptable excipient.

また、本発明は、治療上有効量のDNアーゼIのアクチン−耐性変異体を患者に投与することよりなる、患者においてDNA含有物質の粘弾性または粘性コンシステンシーを低下させる方法に指向される。   The present invention is also directed to a method of reducing the viscoelasticity or viscosity consistency of a DNA-containing substance in a patient, comprising administering to the patient a therapeutically effective amount of an actin-resistant mutant of DNase I.

本発明は、特に、治療上有効量のDNアーゼIのアクチン−耐性変異体を患者に投与することよりなる、嚢胞性線維症、慢性気管支炎、肺炎、気管支拡張症、気腫、喘息、または全身性エリテマトーデスのごとき病気を有する患者を治療する方法に指向される。   The present invention particularly relates to cystic fibrosis, chronic bronchitis, pneumonia, bronchiectasis, emphysema, asthma, or administration comprising administering to a patient a therapeutically effective amount of an actin-resistant mutant of DNase I It is directed to a method of treating patients with illnesses such as systemic lupus erythematosus.

また、本発明は、存在するアクチンの量を測定し、患者がアクチン−耐性DNアーゼI変異体での治療に適する候補であるか否かを決定するための、患者からの粘性物質(痰)のイン・ビトロ診断アッセイにおけるヒトDNアーゼIのアクチン−耐性変異体の使用に指向される。   The present invention also measures the amount of actin present and determines whether the patient is a suitable candidate for treatment with an actin-resistant DNase I variant (粘性) from the patient. Directed toward the use of actin-resistant mutants of human DNase I in in vitro diagnostic assays.

本発明のこれらおよび他の目的は、明細書を全体として考慮すると、当業者に明らかであろう。   These and other objects of the invention will be apparent to those skilled in the art when the specification is considered in its entirety.

I.定義   I. Definition

本明細書で用いるごとく、「ヒトDNアーゼI」、「天然ヒトDNアーゼI」、および「野生型DNアーゼI」なる用語は図1に記載したヒト成熟DNアーゼIのアミノ酸配列を有するポリペプチドをいう。   As used herein, the terms “human DNase I”, “natural human DNase I”, and “wild-type DNase I” are polypeptides having the amino acid sequence of human mature DNase I described in FIG. Say.

ヒトDNアーゼIの「変異体」または「アミノ酸配列変異体」は天然ヒトDNアーゼIのそれとは異なるアミノ酸配列よりなるポリペプチドである。一般に、変異体は天然ヒトDNアーゼIと少なくとも80%の配列同一性(相同性)、好ましくは少なくとも90%の配列同一性、より好ましくは少なくとも95%の配列同一性、最も好ましくは少なくとも98%の配列同一性を保有する。パーセンテージ配列同一性は、例えば、最大相同性が供されるように配列を並べた後に、 Fitchら,Proc.Nat.Acad.Sci.USA 80:1382-1386(1983)によってNeedlemanら,J.Mol.Biol.48:443-453(1970)によって記載されたアルゴリズムのバージョン)決定されている。 A “variant” or “amino acid sequence variant” of human DNase I is a polypeptide consisting of an amino acid sequence different from that of native human DNase I. In general, variants have at least 80% sequence identity (homology) with native human DNase I, preferably at least 90% sequence identity, more preferably at least 95% sequence identity, most preferably at least 98%. Possesses the same sequence identity. Percent sequence identity can be determined, for example, by aligning sequences so that maximum homology is provided, followed by Fitch et al., Proc. Nat. Acad. Sci. USA 80 : 1382-1386 (1983) Needleman et al. Mol. Biol. 48 : The version of the algorithm described by 443-453 (1970)).

「ヒトDNアーゼI−耐性変異体」、「アクチン−耐性変異体」、および「ヒトDNアーゼIのアクチン−耐性変異体」なる語は、(1)DNA−加水分解活性および(2)アクチンに対する低下した結合親和性を有する天然ヒトDNアーゼIの変異体をいう。   The terms “human DNase I-resistant mutant”, “actin-resistant mutant”, and “actin-resistant mutant of human DNase I” are (1) DNA-hydrolytic activity and (2) against actin. A variant of natural human DNase I with reduced binding affinity.

「DNA−加水分解活性」とは、基質DNAを加水分解(切断)して5’−リン酸化オリゴヌクレオチド末端生成物の生成における天然ヒトDNアーゼIまたはヒトDNアーゼIの変異体の酵素活性をいう。DNA−加水分解活性は分析用ポリアクリルアミドおよびアガロースゲル電気泳動、光吸収増加アッセイ(Kunitz,J.Gen.Physiol.,33:349-362(1950); Kunitz,J.Gen.Physiol.33:363-377(1950))、またはメチルグリーンアッセイ(Kurnick,Arch.Biochem.29:41-53(1950); Sinicropiら,Anal.Biochem.222;351-35 (1994))を含めた当該分野で公知のいくつかの異なる方法にうちいずれかによって容易に測定される。 “DNA-hydrolyzing activity” refers to the enzymatic activity of natural human DNase I or a variant of human DNase I in the production of a 5′-phosphorylated oligonucleotide terminal product by hydrolyzing (cutting) the substrate DNA. Say. DNA-hydrolysis activity was determined by analytical polyacrylamide and agarose gel electrophoresis, increased light absorption assay (Kunitz, J. Gen. Physiol., 33 : 349-362 (1950); Kunitz, J. Gen. Physiol. 33 : 363 -377 (1950)), or methyl green assay (Kurnick, Arch. Biochem. 29 : 41-53 (1950); Sinicropi et al., Anal. Biochem. 222 ; 351-35 (1994)) Is easily measured by one of several different methods.

アクチンに対する天然ヒトDNアーゼIまたはヒトDNアーゼIのアクチン−耐性変異体の「結合親和性」とは、アクチンに非共有結合により結合するDNアーゼIの能力をいう。結合親和性は、例えば、Mannherzら,Eur.J.Biochem.104:367-379(1980)に記載されているごとき、当該分野で公知の種々の方法うちいずれかによって測定できる。別法として、異なるDNアーゼ(例えば、天然ヒトDNアーゼIおよびその変異体)の相対的結合親和性は、(実施例3に記載された)ELISAアッセイにおいて固定化アクチンへのDNアーゼの結合を測定することによって、あるいは(やはり実施例3に記載した)アクチンの存在下または不存在下におけるDNアーゼのDNA−加水分解活性を比較することによって決定される。実施例に記載した方法は、特に、アクチンに対する低下した結合親和性を有する変異体を迅速に同定するためにヒトDNアーゼIの変異体をスクリーニングするのに便宜である。 The “binding affinity” of natural human DNase I or actin-resistant mutants of human DNase I to actin refers to the ability of DNase I to bind to actin non-covalently. Binding affinity can be determined, for example, by Mannherz et al., Eur. J. Biochem. 104 : 367-379 (1980), which can be measured by any of a variety of methods known in the art. Alternatively, the relative binding affinity of different DNases (eg, native human DNase I and variants thereof) is determined by the binding of DNase to immobilized actin in an ELISA assay (described in Example 3). Determined by measuring or by comparing the DNA-hydrolysis activity of DNase in the presence or absence of actin (also described in Example 3). The methods described in the Examples are particularly convenient for screening variants of human DNase I to rapidly identify variants with reduced binding affinity for actin.

「アクチンに対する低下した結合親和性」を有するヒトDNアーゼIアクチン−耐性変異体は、匹敵する条件下で測定して、天然ヒトDNアーゼIがアクチンに結合する親和性よりも比較的低いアクチンに対する結合親和性を有するものである。もし実施例3に記載されたアクチン結合ELISAアッセイを用いてアクチンに対するヒトDNアーゼI(天然または変異体)の結合親和性を測定するならば、「アクチンに対する低下した結合親和性」を有するアクチン−耐性変異体は天然ヒトDNアーゼIのそれよりも大きいEC50値を有するものである。そのアッセイにおいて、アクチン−耐性変異体は、典型的には、天然ヒトDNアーゼのそれよりも5−倍ないし100−倍大きいEC50値を有する;しかし、特に、天然ヒトDNアーゼIアミノ酸配列の複数アミノ酸残基を改変することによって(図5A、5D参照)、天然ヒトDNアーゼIのそれよりも500−倍を越えて大きいEC50値を有するアクチン−耐性変異体も容易に産生される。 Human DNase I actin-resistant mutants with “reduced binding affinity for actin” are against actin which is relatively lower in affinity than native human DNase I binds to actin, as measured under comparable conditions. It has binding affinity. If the actin-binding ELISA assay described in Example 3 is used to determine the binding affinity of human DNase I (natural or mutant) to actin, an actin having “reduced binding affinity for actin” — Resistant variants are those that have an EC 50 value greater than that of native human DNase I. In that assay, actin-resistant mutants typically have an EC 50 value that is 5- to 100-fold greater than that of native human DNase; however, in particular, of the native human DNase I amino acid sequence. By modifying multiple amino acid residues (see FIGS. 5A and 5D), actin-resistant mutants with EC 50 values that are 500-fold greater than that of native human DNase I are also readily produced.

「粘液溶解活性」とは、例えば、天然ヒトDNアーゼIまたはヒトDNアーゼIの変異体で物質を処理した際に観察される、痰または他の生物学的物質の粘弾性(粘度)の低下をいう。粘液溶解活性は、痰圧縮アッセイ(1994年5月11日に公開されたPCT特許出願WO94/10567)、トーション振子を用いるアッセイ(Janmey. J.Biochem.Biophys.Methods 22:41-53(1991)、または他のレオロジー的方法を含めた当該分野で知られたいくつかの異なる方法のいずれかによって容易に測定される。 “Mucinolytic activity” refers to, for example, a reduction in viscoelasticity (viscosity) of sputum or other biological material observed when the material is treated with natural human DNase I or a variant of human DNase I. Say. Mucolytic activity is determined by a sputum compression assay (PCT patent application WO94 / 10567 published on May 11, 1994), an assay using a torsion pendulum (Janmey. J. Biochem. Biophys. Methods 22 : 41-53 (1991) Or easily measured by any of a number of different methods known in the art, including other rheological methods.

「ポリメラーゼ連鎖反応」または「PCR」は、一般に、例えば、米国特許第4,683,195号に記載されているごとき所望の配列のイン・ビトロでの増幅方法をいう。一般に、PCR方法は、鋳型核酸に優先的にハイブリダイズできるオリゴヌクレオチドを用いるプライマー伸長合成の反復サイクルを含む。   “Polymerase chain reaction” or “PCR” generally refers to a method for in vitro amplification of a desired sequence as described, for example, in US Pat. No. 4,683,195. In general, PCR methods involve repeated cycles of primer extension synthesis using an oligonucleotide that can preferentially hybridize to a template nucleic acid.

「細胞」、「宿主細胞」、「細胞系」および「細胞培養」は本明細書では相互交換的に使用され、かかる用語は細胞の増殖または培養から得られた子孫を含むと理解されるべきである。「形質転換」および「トランスフェクション」はDNAを細胞に導入するプロセスをいい、相互交換的に使用される。   “Cells”, “host cells”, “cell lines” and “cell cultures” are used interchangeably herein and such terms should be understood to include progeny obtained from cell growth or culture. It is. “Transformation” and “transfection” refer to the process of introducing DNA into a cell and are used interchangeably.

「作動可能に連結した」とは、配列の通常の機能を行うことができるような相互の配置にて、酵素連結または他の方法によって2以上のDNA配列を共有結合連結することをいう。例えば、プレ配列または分泌リーダー用のDNAは、もしそれがポリペプチドの分泌に関与するプレ蛋白質として発現されればポリペブチドのDNAに作動可能に連結し;プロモーターまたはエンハンサーはもしそれが配列の転写に影響するならば暗号配列に作動可能に連結し;あるいはリボソーム結合部位はもしそれが転写を容易とするように位置しているならば暗号配列に作動可能に連結している。一般に、「作動可能に連結した」とは、連結されるDNA配列が隣接しており、分泌リーダーの場合には、隣接しかつリーディング相にあることをいう。連結は、通常の制限部位における連結によって達成される。かかる部位が存在しない場合は、合成オリゴヌクレオチドアダプターまたはリンカーを、標準的に組換えDNA法と組み合わせて用いる。   “Operably linked” refers to the covalent linking of two or more DNA sequences by enzymatic ligation or other methods in mutual arrangement such that the normal function of the sequence can be performed. For example, the DNA for a presequence or secretory leader is operably linked to the polypeptide DNA if it is expressed as a preprotein involved in polypeptide secretion; the promoter or enhancer is responsible for the transcription of the sequence. If affected, it is operably linked to the coding sequence; or the ribosome binding site is operably linked to the coding sequence if it is positioned to facilitate transcription. In general, “operably linked” means that the DNA sequences to be linked are adjacent and, in the case of a secretory leader, are adjacent and in the reading phase. Ligation is achieved by ligation at normal restriction sites. If such sites do not exist, synthetic oligonucleotide adapters or linkers are typically used in combination with recombinant DNA methods.

ここにアミノ酸は以下のごとく3文字または一文字表示によって確認される。
Asp D アスパラギン酸 Ile I イソロイシン
Thr T トレオニン Leu L ロイシン
Ser S セリン Tyr Y チロシン
Glu E グルタミン酸 Phe F フェニルアラニン
Pro P プロリン His H ヒスチジン
Gly G グリシン Lys K リシン
Ala A アラニン Arg R アルギニン
Cys C システイン Trp W トリプトファン
Val V バリン Gln Q グルタミン
Met M メチオニン Asn N アスパラギン
Here, amino acids are confirmed by the three-letter or single-letter display as follows.
Asp D Aspartate Ile I Isoleucine
Thr T Threonine Leu L Leucine
Ser S Serine Tyr Y Tyrosine
Glu E Glutamic acid Phe F Phenylalanine
Pro P Proline His H Histidine
Gly G Glycine Lys K Lysine
Ala A Alanine Arg R Arginine
Cys C Cysteine Trp W Tryptophan
Val V Valin Gln Q Glutamine
Met M Methionine Asn N Asparagine

II.アクチン−耐性変異体の選択   II. Selection of actin-resistant mutants

本発明はヒトDNアーゼIのアミン酸配列変異体の構造、アクチン結合特性、DNA−加水分解活性、および粘液溶解活性の研究に基づいている。本発明のアクチン−耐性変異体はDNA−加水分解活性を有するが、天然ヒトDNアーゼIよりも低い親和性でもってアクチンに結合する。アクチン結合の低下は、好ましくは、例えば、天然ヒトDNアーゼIのGlu13、His44、Leu45、Val48、Gly49、Leu52、Asp53、Asn56、Asp58、His64、Tyr65、Val66、Val67、Ser68、Glu69、Pro70、Ser94、Tyr96およびAla114残基(3文字アミノ酸表示に続く数字は、図1の配列内のアミノ酸残基の特異的位置を示す)を含めた、アクチンの結合に影響するらしい天然ヒトDNアーゼI内のアミノ酸残基においておよび/またはその周辺に突然変異を作成することによって達成される。   The present invention is based on the study of the structure, actin binding properties, DNA-hydrolysis activity, and mucolytic activity of the amino acid sequence variant of human DNase I. The actin-resistant mutants of the present invention have DNA-hydrolysis activity but bind to actin with a lower affinity than native human DNase I. The decrease in actin binding is preferably, for example, natural human DNase I Glu13, His44, Leu45, Val48, Gly49, Leu52, Asp53, Asn56, Asp58, His64, Tyr65, Val66, Val67, Ser68, Glu69, Pro70, Ser94. , Tyr96 and Ala114 residues (numbers following the three letter amino acid designation indicate the specific position of the amino acid residues in the sequence of FIG. 1) within the natural human DNase I likely to affect actin binding. This is accomplished by making mutations at and / or around amino acid residues.

ヒトDNアーゼIのアクチン−耐性変異体を作成できる種々の方法がある。本発明の1の具体例において、アクチン−耐性変異体は、アクチン結合に影響する天然ヒトDNアーゼIのアミノ酸残基においてまたはそれに隣接して(すなわち、その約5アミノ酸残基内に)単一または複数のアミノ酸置換、挿入、および/または欠失を導入することによって調製される。かかる突然変異のいくつかの例示的例は以下のものである:D53R,D53K、D53Y、D53Y、D53A、Y65A、Y65E、Y65R、V67E、V67K、E69R、D53R:Y65A、D53R:E69R、H44A:D53R:Y65A、H44A:Y65A:E69R(図2−6参照)。   There are various ways in which actin-resistant mutants of human DNase I can be generated. In one embodiment of the invention, the actin-resistant variant is a single at or adjacent to (ie within about 5 amino acid residues of) native human DNase I amino acids that affect actin binding. Or prepared by introducing multiple amino acid substitutions, insertions, and / or deletions. Some illustrative examples of such mutations are: D53R, D53K, D53Y, D53Y, D53A, Y65A, Y65E, Y65R, V67E, V67K, E69R, D53R: Y65A, D53R: E69R, H44A: D53R. : Y65A, H44A: Y65A: E69R (see FIG. 2-6).

本発明のもう1つの具体例において、アクチン−耐性変異体は、アクチン結合に影響する天然ヒトDNアーゼIのアミノ酸残基においてまたはそれに隣接して(すなわち、その約5アミノ酸残基内に)新しい糖鎖付加部位を生じさせる突然変異を導入することによって調製される。例えば、部位特異的突然変異を用いて、炭水化物部位のアスパラギン側鎖への酵素付着のための認識配列である、1つのトリペプチド配列、アスパラギン−X−セリンまたはアスパラギン−X−トレオニン(ここに、Xはプロリンを除くいずれかのアミノ酸)を導入する。Creghton,Proteins,76-78頁(W.H.Freeman,1984)。得られたN−グリコシル化変異体DNアーゼIおよびアクチンの炭水化物部位の間に起こる立体障害は、天然ヒトDNアーゼIと比較して、アクチン結合およびDNアーゼIDNA−加水分解活性の結果としての阻害を低下させまたは妨げる。新しいグリコシル化部位を導入するためのかかる突然変異のいくつかの例示的例は以下の通りである:H44N、D58S、D58S、V66N、H44N:T46S、H64N:V66S、H64N:V66T、Y65N:V67S、Y65N:V67T、V66N:S68T、V67N:E69S、V67N:E69T、S68N:P70S、S68N:P70T、S94N:Y96S、S94N:Y96T。   In another embodiment of the invention, the actin-resistant variant is new at or adjacent to (ie within about 5 amino acid residues of) native human DNase I amino acids that affect actin binding. Prepared by introducing mutations that result in glycosylation sites. For example, using site-directed mutagenesis, one tripeptide sequence, asparagine-X-serine or asparagine-X-threonine, which is a recognition sequence for enzyme attachment to the asparagine side chain of a carbohydrate site (where X introduces any amino acid except proline). Creghton, Proteins, pp. 76-78 (W. H. Freeman, 1984). The steric hindrance that occurs between the resulting N-glycosylated variant DNase I and the carbohydrate site of actin is inhibited as a result of actin binding and DNase I DNA-hydrolysis activity compared to native human DNase I. Reduce or hinder. Some illustrative examples of such mutations to introduce new glycosylation sites are as follows: H44N, D58S, D58S, V66N, H44N: T46S, H64N: V66S, H64N: V66T, Y65N: V67S, Y65N: V67T, V66N: S68T, V67N: E69S, V67N: E69T, S68N: P70S, S68N: P70T, S94N: Y96S, S94N: Y96T.

所望により、新しいグリコシル化部位を生じさせるためのかかる突然変異と組み合わせて、アクチン−耐性変異体で望まれるグリコシル化の程度に応じて、天然ヒトDNアーゼIアミノ酸配列内の18および/または106位において天然に起こるグリコシル化部位を欠失させることもできる。   Optionally, positions 18 and / or 106 within the native human DNase I amino acid sequence, depending on the degree of glycosylation desired in the actin-resistant mutant, in combination with such a mutation to create a new glycosylation site It is also possible to delete naturally occurring glycosylation sites in

本発明のさらなる具体例において、部位特異的突然変異誘発を用いて、生物学的にまたは化学的に(後記参照)翻訳後修飾に適したアクチン結合に関与する天然ヒトDNアーゼIのアミノ酸残基においてまたは隣接して(すなわち、その約5アミノ酸残基内に)導入する。Meansら,「蛋白質の化学修飾(Holden-Day,1971);Glazerら,「蛋白質の化学修飾:選択された方法および分析手法(Elsevier,1975);Creighton,Proteins,70-87(W.H.Freeman,1984); Lundblad,「蛋白質修飾のための化学試薬」(CRC Press,1991)。かかる翻訳後修飾はDNアーゼIに立体障害または改変された静電気的特性を導入することができ、これは天然ヒトDNアーゼIと比較して、アクチン結合およびDNA−加水分解活性の結果としての阻害を低下させまたは妨げる。例えば、システイン残基をアクチン結合に関与する天然ヒトDNアーゼIの残基においてまたはそれに隣接して導入することができる。システイン残基の遊離チオールはもう1つのかかるDNアーゼI変異体とで分子間ジスルフィド結合を形成してDNアーゼIダイマーを形成でき、あるいは、例えばチオール−特異的アルキル化剤で修飾することができる。かかる突然変異のいくつかの例示的例は以下の通りである:H44C、L45C、V48C、G49C、L52C、D53C、N56C、Y65C、V67C、E69C、A114C。   In a further embodiment of the invention, amino acid residues of native human DNase I involved in actin binding suitable for post-translational modification biologically or chemically (see below) using site-directed mutagenesis Or adjacent (ie within about 5 amino acid residues thereof). Means et al., “Chemical modification of proteins (Holden-Day, 1971); Glazer et al.,“ Chemical modification of proteins: selected methods and analytical techniques (Elsevier, 1975); Creighton, Proteins, 70-87 (WHFreeman, 1984). Lundblad, “Chemical Reagents for Protein Modification” (CRC Press, 1991). Such post-translational modifications can introduce steric hindrance or altered electrostatic properties to DNase I, which is a result of inhibition of actin binding and DNA-hydrolysis activity compared to native human DNase I. Reduce or hinder. For example, cysteine residues can be introduced at or adjacent to the residues of natural human DNase I involved in actin binding. The free thiol of the cysteine residue can form an intermolecular disulfide bond with another such DNase I variant to form a DNase I dimer, or it can be modified, for example, with a thiol-specific alkylating agent. . Some illustrative examples of such mutations are as follows: H44C, L45C, V48C, G49C, L52C, D53C, N56C, Y65C, V67C, E69C, A114C.

便宜のために、天然ヒトDNアーゼIのアミノ酸配列における置換、挿入および/または欠失は、通常、例えば、部位特異的突然変異誘発によって、天然ヒトDNアーゼIをコードするDNAに対応するヌクレオチド配列に突然変異を導入することによって作成される。次いで、突然変異DNAの発現の結果、所望の(非天然)アミノ酸配列を有する変異体ヒトDNアーゼIが得られる。   For convenience, substitutions, insertions and / or deletions in the amino acid sequence of native human DNase I are usually nucleotide sequences corresponding to DNA encoding native human DNase I, for example by site-directed mutagenesis. Created by introducing mutations into Mutant DNA expression then results in a mutant human DNase I having the desired (non-natural) amino acid sequence.

Sambrookら,Molecular Cloning: A Laboratory Manual,第2版(Cold Spring Harbor Laboratory Press,New York(1989))に開示されているごとき当該分野で公知のいずれの技術を用いて部位特異的突然変異誘発を行うこともできるが、オリゴヌクレオチド−特異的突然変異誘発が本発明のヒトDNアーゼI変異体を調製するための好ましい方法である。当該分野でよく知られているこの方法(Zollerら,Meth.Enz.100:4668-500(1983); Zollerら,Meth.Enz.154:329-350(1987); Carter,Meth,Enz.154:382-403(1987); Kunkelら,Meth.Enzymol.154 :367-382(1987); Horwitzら,Meth,Enz.185:599-611(1990))は置換変異体を作成するのに特に適しているが、便宜に欠失および挿入変異体を調製するのに使用することもできる。 Site-directed mutagenesis using any technique known in the art, such as disclosed in Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Second Edition (Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York (1989)). Although it can be performed, oligonucleotide-specific mutagenesis is the preferred method for preparing the human DNase I variants of the present invention. Well known this process is in the art (Zoller, et al., Meth.Enz.100: 4668-500 (1983); Zoller et al., Meth.Enz 154:.. 329-350 ( 1987); Carter, Meth, Enz 154 : 382-403 (1987); Kunkel et al., Meth. Enzymol 154 : 367-382 (1987); Horwitz et al., Meth, Enz. 185 : 599-611 (1990)) are particularly useful for creating substitution mutants. Although suitable, it can also be used to prepare deletion and insertion mutants for convenience.

部位特異的突然変異誘発は、典型的には、一本鎖および二本鎖形態双方で存在するファージベクターを使用する。部位特異的突然変異誘発で有用な典型的ベクターは一本鎖ファージの複製起点を含有するM13ファージおよびプラスミドベクターを含む(Messingら,Meth.Enzymol.101:20-78(1983); Veriaら,Meth. Enzymol.153:3-11(1987); Shortら,Nuc.Acids.Res.16:7583-7600(1988))。適当な宿主細胞におけるこれらのベクターの複製の結果、部位特異的突然変異誘発で使用できる一本鎖DNAが合成される。 Site-directed mutagenesis typically uses phage vectors that exist in both single-stranded and double-stranded forms. Typical vectors useful in site-directed mutagenesis include M13 phage and plasmid vectors containing a single-stranded phage origin of replication (Messing et al., Meth. Enzymol. 101 : 20-78 (1983); Veria et al., .. Meth Enzymol 153:. 3-11 (1987); Short et al., Nuc.Acids.Res 16: 7583-7600 (1988) ). As a result of replication of these vectors in a suitable host cell, single-stranded DNA is synthesized that can be used in site-directed mutagenesis.

略言すれば、天然ヒトDNアーゼI(またはその変異体)をコードするDNAの部位特異的突然変異誘発を行うにおいて、DNAの一本鎖に所望の突然変異をコードするオリゴヌクレオチドをまずハイブリダイズさせることによってDNAを改変する。ハイブリダイゼーションの後、DNAポリメラーゼを用いて、ハイブリダイズしたオリゴヌクレオチドをプライマーとして用い、およびDNAの一本鎖を鋳型として用い、全第2鎖を合成する。かくして、所望の突然変異をコードするオリゴヌクレオチドが得られた二本鎖DNA中に取り込まれる。   Briefly, in performing site-directed mutagenesis of DNA encoding native human DNase I (or a variant thereof), an oligonucleotide encoding the desired mutation is first hybridized to a single strand of DNA. To modify the DNA. After hybridization, a DNA polymerase is used to synthesize the entire second strand using the hybridized oligonucleotide as a primer and a single strand of DNA as a template. Thus, an oligonucleotide encoding the desired mutation is incorporated into the resulting double stranded DNA.

ハイブリダイゼーションプローブまたはプライマーとして使用されるオリゴヌクレオチドは、天然に生じるDNAの精製により、あるいはイン・ビトロ合成によるなどしていずれかの適当な方法によって調製できる。例えば、オリゴヌクレオチドは、Narangら,Meth,Enzymol.68:90-98(1979); Brownら,Meth.enzymol.68:109-151(1979); Caruthersら,Meth.Enzymol.154:287-313(1985)によって記載されているごとき、有機化学における種々の技術を用いて容易に合成される。適当なハイブリダイゼーションプローブまたはプライマーに対する一般的なアプローチはよく知られている。Kellerら,DNA Probes,11-18頁(stockton Press,1989)。典型的には、ハイブリダイゼーションプローブまたはプライマーは10−25またはそれ以上のヌクレオチドを含有し、所望の突然変異をコードする配列のいずれか側に少なくとも5のヌクレオチドを含んで、オリゴヌクレオチドが一本鎖DNA鋳型分子に対して所望の位置に優先的にハイブリダイズすることを確実とする。 Oligonucleotides used as hybridization probes or primers can be prepared by any suitable method, such as by purification of naturally occurring DNA or by in vitro synthesis. For example, oligonucleotides are described in Narang et al., Meth, Enzymol. 68 : 90-98 (1979); Brown et al., Meth. enzymol. 68 : 109-151 (1979); Caruthers et al., Meth. Enzymol. 154 : 287-313 (1985) and is readily synthesized using various techniques in organic chemistry. General approaches to suitable hybridization probes or primers are well known. Keller et al., DNA Probes, 11-18 (stockton Press, 1989). Typically, a hybridization probe or primer contains 10-25 or more nucleotides, includes at least 5 nucleotides on either side of the sequence encoding the desired mutation, and the oligonucleotide is single stranded. Ensure preferential hybridization to the desired position relative to the DNA template molecule.

勿論、部位特異的突然変異誘発を用いて多数の置換、挿入または欠失突然変異を出発DNAに導入することができる。突然変異させるべき部位が相互に近くに位置すれば、突然変異は所望の突然変異の全てをコードする単一のオリゴヌクレオチドを用いて同時に導入することができる。しかしながら、もし突然変異されるべき部位が相互にいくらか距離があれば(約10ヌクレオチドを越えて離れていれば)、所望の変化の全てをコードする単一のオリゴヌクレオチドを生じさせるのはより困難である。代わりに、2つの別の方法のうち1つを使用することができる。   Of course, multiple substitution, insertion or deletion mutations can be introduced into the starting DNA using site-directed mutagenesis. If the sites to be mutated are located close to each other, the mutations can be introduced simultaneously using a single oligonucleotide that encodes all of the desired mutations. However, if the sites to be mutated are some distance from each other (more than about 10 nucleotides apart), it is more difficult to generate a single oligonucleotide that encodes all of the desired changes. It is. Instead, one of two alternative methods can be used.

第1の方法において、各所望の突然変異に対して別のオリゴヌクレオチドを生成させる。次いで、オリゴヌクレオチドを同時に一本鎖鋳型DNAにアニールさせ、鋳型から合成されたDNAの第2鎖は所望のアミノ酸置換の全てをコードするであろう。   In the first method, a separate oligonucleotide is generated for each desired mutation. The oligonucleotide is then annealed simultaneously to the single stranded template DNA and the second strand of DNA synthesized from the template will encode all of the desired amino acid substitutions.

別の方法は、所望の変異体を生成させるために2以上のラウンドの突然変異誘発を含む。第1のラウンドは単一の突然変異を導入するものとして記載される。第2のラウンドの突然変異誘発は第1のラウンドで生成した突然変異DNAを鋳型として利用する。かくして、この鋳型は1以上の突然変異を全てに含有する。次いで、さらなる所望のアミノ酸置換をコードするオリゴヌクレオチドをこの鋳型にアニールさせ、DNAの得られた鎖は今や第1および第2ラウンドの突然変異誘発双方からの突然変異をコードする。この得られたDNAは第3ラウンドの突然変異誘発で使用される。   Another method involves two or more rounds of mutagenesis to generate the desired mutant. The first round is described as introducing a single mutation. The second round of mutagenesis uses the mutant DNA generated in the first round as a template. Thus, this template contains all of one or more mutations. Oligonucleotides encoding additional desired amino acid substitutions are then annealed to this template, and the resulting strand of DNA now encodes mutations from both first and second rounds of mutagenesis. This resulting DNA is used in the third round of mutagenesis.

また、PCR突然変異誘発(Higuchi,PCR Protocols,177-183頁(Academic Press,1990);Valletteら,Nuc.Acids Res.17: 723-733(1989)はヒトDNアーゼIの変異体を作成するのに適する。略言すれば、少量の鋳型DNAをPCRにおける出発物質として使用する場合、鋳型DNAにおける対応する領域から配列がわずかに異なるプライマーを用いて、プライマーが鋳型と異なる位置のみにおける鋳型配列とは異なる比較的大量の特異的DNA断片を得る。突然変異のプラスミドDNAへの導入には、例えば、プライマーの1つの配列は所望の突然変異を含み、突然変異の位置のプラスミドDNAの1の鎖にハイブリダイズするように設計され;他のプライマーの配列はプラスミドDNAの反対側鎖内のヌクレオチド配列と同一でなければならないが、この配列はプラスミトDNAに沿ってどこに位置させることもできる。しかしながら、第2のプライマーの配列は、結局はプライマーと境界を接するDNAの全増幅領域が容易に配列決定できるように、第1のもののそれから200ヌクレオチド内に位置させるのが好ましい。丁度記載したもののようなプライマー対を用いるPCR増幅の結果、プライマーによって特定される突然変異の位置において異なるDNA断片の集団が得られ、恐らくは他の位置において、鋳型のコピは幾分エラーを生じやすい。Wagnerら,PCR Topics,69-71頁(Springer-Verlag,1991)。 PCR mutagenesis (Higuchi, PCR Protocols, pp. 177-183 (Academic Press, 1990); Vallette et al., Nuc. Acids Res. 17 : 723-733 (1989) also produces mutants of human DNase I. In short, when a small amount of template DNA is used as a starting material in PCR, a primer sequence that is slightly different from the corresponding region in the template DNA is used, and the template sequence is only at a position where the primer is different from the template. A relatively large amount of a specific DNA fragment is obtained that differs from 1. For introduction of a mutation into plasmid DNA, for example, one sequence of primers contains the desired mutation and one of the plasmid DNA at the position of the mutation Designed to hybridize to the strand; the sequence of the other primers must be identical to the nucleotide sequence in the opposite strand of the plasmid DNA, but this sequence is It can be located anywhere along the Sumito DNA, however, the sequence of the second primer is eventually 200 nucleotides from that of the first so that the entire amplified region of DNA bordering the primer can be easily sequenced. PCR amplification using primer pairs such as those just described results in a population of DNA fragments that differ at the location of the mutation specified by the primer, possibly at other positions of the template. Copy is somewhat error-prone, Wagner et al., PCR Topics, pages 69-71 (Springer-Verlag, 1991).

もし生成物増幅DNAに対する鋳型の比が極端に低ければ、生成物DNA断片の大部分は所望の突然変異を取り込む。この生成物DNAを用いて、標準的な組換えDNA法を用い、PCR鋳型として働くプラスミド中の対応する領域を置き換える。別々の位置における突然変異は、突然変異体第2プライマーを用いるか、あるいは異なる突然変異体プライマーで第2PCRを行い、2つの得られたPCR断片を同時に3(またはそれ以上)部分連結でプラスミド断片に連結することによって同時に導入できる。   If the ratio of template to product amplified DNA is extremely low, the majority of product DNA fragments incorporate the desired mutation. This product DNA is used to replace the corresponding region in the plasmid that serves as a PCR template using standard recombinant DNA methods. Mutations at different positions can be performed using a mutant second primer, or a second PCR can be performed with a different mutant primer, and two resulting PCR fragments can be simultaneously ligated in three (or more) partial ligations Can be introduced at the same time.

変異体、カセット突然変異誘発を調製するためのもう1つの方法は、Wellsら,Gene 34:315-323(1985)によって記載されている技術に基づく。出発物質は突然変異させるべきDNA配列よりなるプラスミド(または他のベクター)である。突然変異させるべき出発DNAにおけるコドンを同定する。同定された突然変異部位の各側に唯一の制限エンドヌクレアーゼ部位がなければならない。もしかかる制限部位が存在しなければ、前記したオリゴヌクレオチド−媒介突然変異誘発法を用いてそれらをDNAの適当な位置に導入してそれらを生成させることができる。プラスミドDNAをこれらの部位で切断してそれを線状化する。制限部位の間のDNAの配列をコードするが所望の突然変異を含有する二本鎖オリゴヌクレオチドを標準的な手法を用いて合成し、ここに、オリゴヌクレオチドの2つの鎖は別々に合成し、次いで、標準的な技術を用いて一緒にハイブリダイズさせる。この二本鎖オリゴヌクレオチドをカセットという。このカセットは、それをプラスミドに直接連結できるように線状化プラスミドの末端に適合する5’および3’末端を有するように設計する。得られたプラスミドは突然変異したDNA配列を含有する。 Another method for preparing variants, cassette mutagenesis, is based on the technique described by Wells et al., Gene 34 : 315-323 (1985). The starting material is a plasmid (or other vector) consisting of the DNA sequence to be mutated. Identify the codons in the starting DNA to be mutated. There must be a unique restriction endonuclease site on each side of the identified mutation site. If such restriction sites do not exist, they can be generated by introducing them into the appropriate positions in the DNA using the oligonucleotide-mediated mutagenesis method described above. The plasmid DNA is cut at these sites to linearize it. A double stranded oligonucleotide encoding the sequence of DNA between the restriction sites but containing the desired mutation is synthesized using standard techniques, wherein the two strands of the oligonucleotide are synthesized separately, They are then hybridized together using standard techniques. This double-stranded oligonucleotide is called a cassette. This cassette is designed to have 5 'and 3' ends that match the ends of the linearized plasmid so that it can be directly ligated to the plasmid. The resulting plasmid contains the mutated DNA sequence.

DNAにおける突然変異の存在は、制限マッピングおよび/またはDNA配列決定を含めた当該分野でよく知られた方法によって測定される。DNA配列決定についての好ましい方法はSangerら,Proc.Nat.Acad.Sci.USA 72:3918-3921 (1979)のジデオキシ鎖停止法である。 The presence of mutations in DNA is measured by methods well known in the art, including restriction mapping and / or DNA sequencing. A preferred method for DNA sequencing is described by Sanger et al., Proc. Nat. Acad. Sci. This is the dideoxy chain termination method of USA 72 : 3918-3921 (1979).

ヒトDNアーゼI変異体をコードするDNAを、さらなるクローニングまたは発現のための複製可能なベクターに挿入する。「ベクター」は宿主細胞内で複製でき、それ自体適合する宿主細胞と組み合わせて2つの機能を行うのに有用であるベクターおよびその他のDNAである(ベクター−宿主系)。1の機能はヒトDNアーゼI変異体をコードする核酸のクローニングを容易とする、すなわち、利用できる量の核酸を生成させるものである。他の機能はヒトDNアーゼI変異体の発現を指示するものである。これらの機能の1つまたは双方は、クローニングまたは発現に用いる特定の宿主細胞においてベクターによってなされる。ベクターはそれらが行う機能に応じて異なる要素を含有する ヒトDNアーゼI変異体を生成させるには、発現ベクターは、プロモーターに作動可能に連結した前記した変異体をコードするDNAおよびリボソーム結合部位よりなる。次いで、変異体を組換え細胞培養中で直接に、あるいは異種ペプチド、好ましくは異種ポリペプチドおよびヒトDNアーゼI変異体との間の連結において特異的切断部位を有する単一配列または他のポリペプチドとの融合として発現させる。   DNA encoding the human DNase I variant is inserted into a replicable vector for further cloning or expression. A “vector” is a vector and other DNA that can replicate in a host cell and is useful in performing two functions in combination with a host cell that is itself compatible (vector-host system). One function is to facilitate cloning of the nucleic acid encoding the human DNase I variant, ie, to generate an available amount of nucleic acid. Other functions direct the expression of human DNase I variants. One or both of these functions are performed by the vector in the particular host cell used for cloning or expression. To generate human DNase I mutants that contain different elements depending on the function they perform, the expression vector consists of DNA encoding the aforementioned mutant operably linked to a promoter and a ribosome binding site. Become. The mutant is then either directly in recombinant cell culture or a single sequence or other polypeptide having a specific cleavage site in the linkage between a heterologous peptide, preferably a heterologous polypeptide and a human DNase I variant. Expressed as a fusion with

原核生物(例えば、イー・コリ(E.coli)および他の細菌)は本発明の最初のクローニング工程で好ましい宿主細胞である。それらは、大量のDNAの迅速な産生、部位特異的突然変異誘発で用いる一本鎖DNA鋳型の産生、および生じた変異体のDNA配列決定で特に有用である。また、原核生物宿主細胞をヒトDNアーゼI変異体をコードするDNAの発現で使用することもできる。原核生物細胞で産生されるポリペプチドは典型的にはグリコシル化されていない。   Prokaryotes (eg, E. coli and other bacteria) are preferred host cells for the initial cloning steps of the present invention. They are particularly useful in the rapid production of large amounts of DNA, the production of single-stranded DNA templates for use in site-directed mutagenesis, and the DNA sequencing of the resulting mutants. Prokaryotic host cells can also be used to express DNA encoding the human DNase I mutant. Polypeptides produced in prokaryotic cells are typically not glycosylated.

加えて、本発明のヒトDNアーゼI変異体は、真核生物微生物(他えば、酵母)または動物または他の多細胞生物に由来する細胞(チャイニーズハムスター卵巣細胞、および他の哺乳動物細胞)を含めた真核生物宿主細胞で、あるいは生きた動物(例えば、ニワトリ、ヤギ、ヒツジ)で発現させることができる。   In addition, the human DNase I variants of the present invention can be used to eukaryotic microorganisms (eg, yeast) or cells derived from animals or other multicellular organisms (Chinese hamster ovary cells, and other mammalian cells). It can be expressed in eukaryotic host cells, or in live animals (eg, chickens, goats, sheep).

クローニングおよび発現方法は当該分野でよく知られている。本発明のヒトDNアーゼI変異体を産生するのに用いるので有用な原核生物および真核生物宿主細胞、ならびに発現ベクターは、例えば、Shak,PCT特許出願WO90/07572(1990年 7月12日公開)に開示されているものである。   Cloning and expression methods are well known in the art. Prokaryotic and eukaryotic host cells, and expression vectors useful for producing the human DNase I variants of the present invention are described, for example, in Shak, PCT patent application WO90 / 07572 (published 12 July 1990). ).

原核生物細胞または実質的な細胞壁構築を含有する細胞を宿主として用い、DNAでの細胞のトランスフェクションの好ましい方法はCohenら,Proc.Natl.Acad.Sci.69:2110-2114(1972)によって記載されているカルシウム処理法または Chungら,Nuc.Acids.Res.16:3580(1988)のポリエチレングリコール法である。酵母を宿主として用いるのならば、トランスフェクションは一般にHinnen,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,75:1929-1933(1978)によって教示されているごとくポリエチレングリコールを用いて達成される。哺乳動物細胞を宿主細胞として用いるならば、トランスフェクションは一般にリン酸カルシウム沈殿法によって行う。Grahamら,Virology,52:546(1978),Gormanら,DNA and Protein Eng.tech.2:3-10(1990)。核注入、エレクトロポレーション、またはプロトプラスト融合のごとき、DNAを原核生物細胞および真核生物細胞にDNAを導入する他の公知の方法も本発明で用いるのに適する。 A preferred method of transfection of cells with DNA using prokaryotic cells or cells containing substantial cell wall architecture as a host is described in Cohen et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 69 : 2110-2114 (1972) or Chung et al., Nuc. Acids. Res. 16 : 3580 (1988). If yeast is used as the host, transfection is generally performed by Hinnnen, Proc. Natl. Acad. Sci. Accomplished using polyethylene glycol as taught by USA, 75 : 1929-1933 (1978). If mammalian cells are used as host cells, transfection is generally performed by the calcium phosphate precipitation method. Graham et al., Virology, 52 : 546 (1978), Gorman et al., DNA and Protein Eng. tech. 2 : 3-10 (1990). Other known methods for introducing DNA into prokaryotic and eukaryotic cells, such as nuclear injection, electroporation, or protoplast fusion, are also suitable for use in the present invention.

本発明で特に有用なのは、ヒトDNアーゼI変異体をコードするDNAの哺乳動物細胞において一過性発現を供する発現ベクターである。一般に、一過性発現は、宿主細胞が多コピーの発現ベクターを蓄積し、発現ベクターによってコードされる高レベルの所望のポリペプチドのを合成するように、宿主細胞で効果的に複製できる発現ベクターの使用を含む。適当な発現ベクターおよび宿所細胞よりなる一過性発現系は、クローン化DNAによってコードされるポリペプチドの便宜な陽性同定、ならびに所望の生物学的または生理学的特性につきかかるポリペプチドの迅速なスクリーニングを可能とする。Wongら,Science 228:810-815(1985); Leeら,Proc.Nat.Acad.Sci.USA 82:4360-4364(1985); Yangら,Cell 47:3-10(1986)。かくして、一過性発現系は、天然ヒトDNアーゼIよりも低い親和性をもってアクチンに結合する変異体を同定するためのアッセイならびにDNA−加水分解活性を持つ変異体を測定するためのアッセイと組み合わせて、天然ヒトDNアーゼIのアミノ酸配列変異体をコードするDNAを発現させるのに便利に使用される。 Particularly useful in the present invention are expression vectors that provide for transient expression in mammalian cells of DNA encoding a human DNase I variant. In general, transient expression is an expression vector that can be effectively replicated in the host cell so that the host cell accumulates multiple copies of the expression vector and synthesizes the high level of the desired polypeptide encoded by the expression vector. Including the use of Transient expression systems consisting of appropriate expression vectors and resident cells allow convenient positive identification of polypeptides encoded by cloned DNA and rapid screening of such polypeptides for desired biological or physiological properties. Make it possible. Wong et al., Science 228 : 810-815 (1985); Lee et al., Proc. Nat. Acad. Sci. USA 82 : 4360-4364 (1985); Yang et al., Cell 47 : 3-10 (1986). Thus, the transient expression system is combined with an assay for identifying variants that bind to actin with a lower affinity than native human DNase I as well as an assay for measuring variants with DNA-hydrolyzing activity. And is conveniently used to express DNA encoding amino acid sequence variants of native human DNase I.

ヒトDNアーゼI変異体は、好ましくは、それが発現される宿主細胞から分泌させ、その場合、変異体は宿主細胞が増殖する培養培地から回収される。その場合、無血清培地で細胞を増殖させるのが望ましいであろう。というのは、血清蛋白質および他の血清成分の培地中での不存在は、変異体の精製を容易とするからである。もしそれが分泌されないならば、ヒトDNアーゼI変異体は宿主細胞の溶解物から回収する。変異体がヒト起源のもの以外の宿主細胞で発現される場合、該変異体はヒト起源の蛋白質は完全に含まない。とにかく、ヒトDNアーゼI変異体の実質的に均質な調製物を得るためには、組換え細胞蛋白質から変異体を精製する必要がある。治療的使用では、精製された変異体は、好ましくは、99%より大きい純度であろう(すなわち、いずれの他の蛋白質も精製された組成物中、1%未満の全蛋白質よりなるであろう)。   The human DNase I variant is preferably secreted from the host cell in which it is expressed, in which case the variant is recovered from the culture medium in which the host cell is grown. In that case, it may be desirable to grow the cells in serum-free medium. This is because the absence of serum proteins and other serum components in the medium facilitates purification of the mutants. If it is not secreted, the human DNase I variant is recovered from the lysate of the host cell. If the variant is expressed in a host cell other than of human origin, the variant is completely free of proteins of human origin. In any case, in order to obtain a substantially homogeneous preparation of the human DNase I variant, it is necessary to purify the variant from the recombinant cell protein. For therapeutic use, the purified variant will preferably be greater than 99% pure (ie, any other protein will comprise less than 1% total protein in the purified composition). ).

一般に、ヒトDNアーゼI変異体の精製は、それが会合するかも知れない汚染物と比較して、変異体の異なる物理化学的特性を利用することによって達成される。例えば、第1工程として、培養培地または宿主細胞溶解物を遠心して、粒状細胞夾雑物を除去する。しかる後、例えば、硫酸アンモニウムもしくはエタノール沈殿、ゲル濾過(分子排除クロマトグラフィー)、イオン交換クロマトグラフィー、疎水性クロマトグラフィー、免疫親和性クロマトグラフィー(例えば、Sepharoseにカップリングさせた抗−ヒトDNアーゼI抗体を使用)、テンタクル(tentacle)カチオン交換クロマトグラフィー(Frenzら,PCT特許出願WO93/25670、1993年12月23日)、逆相HPLCおよび/またはゲル電気泳動によって、ヒトDNアーゼI変異体を汚染可溶性蛋白質およびポリペプチドから精製する。   In general, purification of a human DNase I variant is accomplished by taking advantage of the different physicochemical properties of the variant compared to the contaminant with which it may associate. For example, as a first step, the culture medium or host cell lysate is centrifuged to remove particulate cell contaminants. Thereafter, for example, ammonium sulfate or ethanol precipitation, gel filtration (molecular exclusion chromatography), ion exchange chromatography, hydrophobic chromatography, immunoaffinity chromatography (eg anti-human DNase I antibody coupled to Sepharose ), Tentacle cation exchange chromatography (Frenz et al., PCT patent application WO 93/25670, December 23, 1993), reverse phase HPLC and / or gel electrophoresis to contaminate human DNase I variants Purify from soluble proteins and polypeptides.

勿論、当業者ならば、天然ヒトDNアーゼIで用いる精製法はヒトDNアーゼI変異体を精製するのに有用であって、天然および変異体蛋白質の間の構造的および他の差異を説明するためにはいくからの修飾が必要である。例えば、いくつかの宿主細胞(特に細菌宿主細胞)では、ヒトDNアーゼI変異体は最初に不溶性で会合した形態(当該分野では「屈折体」または「封入体」という)で発現させることができ、この場合、この精製の間にヒトDNアーゼI変異体を可溶化させ、復元させる必要があろう。組換え蛋白質屈折体を可溶化させ復元する方法は当該分野で公知である(例えば、Builderら,米国特許第4,511,502号参照)。   Of course, those skilled in the art will appreciate that the purification methods used with native human DNase I are useful for purifying human DNase I mutants and explain structural and other differences between native and mutant proteins. In order to do so, some modification is necessary. For example, in some host cells (especially bacterial host cells), the human DNase I variant can be expressed in an initially insoluble and associated form (referred to in the art as “refractor” or “inclusion body”). In this case, it will be necessary to solubilize and renature the human DNase I variant during this purification. Methods for solubilizing and restoring recombinant protein refractive bodies are known in the art (see, eg, Builder et al., US Pat. No. 4,511,502).

本発明のもう1つの具体例において、ヒトDNアーゼI変異体は直接天然または変異体ヒトDNアーゼI蛋白質において共有結合修飾をなすことによって調製される。かかる修飾を施してアクチン結合または蛋白質のもう1つの特性(例えば、安定性、生物学的半減期、免疫原性)に影響を与え、これは前記したアミノ酸配列置換、挿入および欠失の代わりにまたはそれに加えてなすことができる。   In another embodiment of the invention, the human DNase I variant is prepared by making a covalent modification directly in the natural or mutant human DNase I protein. Such modifications affect actin binding or other properties of the protein (eg, stability, biological half-life, immunogenicity), which replaces the amino acid sequence substitutions, insertions and deletions described above. Or you can do it in addition.

共有結合修飾は天然または変異体ヒトDNアーゼIの標的化アミノ酸残基を、選択されたアミノ酸側鎖またはN−もしくはC−末端残基と反応できる有機誘導体化剤と反応させることによって導入できる。適当な誘導体化剤および方法は当該分野でよく知られている。   Covalent modifications can be introduced by reacting the targeted amino acid residue of natural or mutant human DNase I with an organic derivatizing agent capable of reacting with a selected amino acid side chain or N- or C-terminal residue. Suitable derivatizing agents and methods are well known in the art.

例えば、システイニル残基は最も普通にはクロロ酢酸またはクロロアセトアミドのごときα−ハロアセテート(および対応するアミン)と反応させてカルボキシメチルまたはカルボキシアミドメチル誘導体を得る。また、システイニル残基は、ブロモトリフルオロアセトン、α−ブロモ−β−(5−イミドゾイル)プロピオン酸、リン酸クロロアセチル、N−アルキルマレイミド、3−ニトロ−2−ピリジルジスルフィド、メチル2−ピリジルスルフィド、p−クロロメルクリベンゾエート、2−クロロメルクリ−4−ニトロフェノールまたはクロロ−7−ニトロベンゾ−2−オキサ−1,3−ジアゾールとの反応によって誘導体化する。   For example, cysteinyl residues are most commonly reacted with α-haloacetates (and corresponding amines) such as chloroacetic acid or chloroacetamide to give carboxymethyl or carboxyamidomethyl derivatives. Cysteinyl residues include bromotrifluoroacetone, α-bromo-β- (5-imidozoyl) propionic acid, chloroacetyl phosphate, N-alkylmaleimide, 3-nitro-2-pyridyl disulfide, and methyl 2-pyridyl sulfide. , P-chloromercuribenzoate, 2-chloromercuri-4-nitrophenol or chloro-7-nitrobenzo-2-oxa-1,3-diazole.

ヒスチジル残基はpH5.5−7.0でのジエチルピロカルボネートとの反応によって誘導体化する。何故ならば、この剤はヒスチジル側鎖に比較的特異的だからである。パラーブロモフェナシルブロミドも有用である;反応は好ましくはpH6.0にて0.1Mカコジル酸ナトリウム中で行う。   The histidyl residue is derivatized by reaction with diethylpyrocarbonate at pH 5.5-7.0. This is because this agent is relatively specific for the histidyl side chain. Para-bromophenacyl bromide is also useful; the reaction is preferably carried out in 0.1 M sodium cacodylate at pH 6.0.

リシニルおよびアミノ末端残基はコハク酸または他のカルボン酸無水物と反応させる。これらの剤での誘導体化はリシニル残基の電荷を逆にする効果を有する。α−アミノ含有残基を誘導体化するための他の適当な試薬はメチルピコリンイミデート、ピリドキサールホスフェート、ピリドキサール、クロロボロヒドライド、トリニトロベンゼンスルホン酸、O−メチルイソ尿素、2,4−ペンタンジオン、およびトランスアミナーゼ−触媒のグリオキシレートとの反応のごときイミドエステルを含む。アルギニル残基は1または数種の通常の試薬、とりわけ、フェニルグリオキサール、2,3−ブタンジオン、1,2−シクロヘキサンジオン、およびニンヒドリンとの反応によって修飾される。アルギニン残基の誘導体化は、グアニジン官能基の高いpKaのため該反応をアルカリ性条件下で行う必要がある。さらに、これらの試薬はリシンの基ならびにアルギニンのイプシロンアミノ基と反応させることもできる。   Ricinyl and amino terminal residues are reacted with succinic acid or other carboxylic anhydrides. Derivatization with these agents has the effect of reversing the charge of the ricinyl residue. Other suitable reagents for derivatizing α-amino containing residues are methylpicolinimidate, pyridoxal phosphate, pyridoxal, chloroborohydride, trinitrobenzene sulfonic acid, O-methylisourea, 2,4-pentanedione, And transaminase-catalyzed imidoesters such as reaction with glyoxylate. Arginyl residues are modified by reaction with one or several conventional reagents, among them phenylglyoxal, 2,3-butanedione, 1,2-cyclohexanedione, and ninhydrin. Derivatization of arginine residues requires that the reaction be carried out under alkaline conditions due to the high pKa of the guanidine functional group. In addition, these reagents can be reacted with lysine groups as well as arginine epsilon amino groups.

カルボキシル側鎖基(アスパルチルまたはグルタミル)は、1−シクロヘキシル−3−(2−モルホリニル−4−エチル)カルボジイミドまたは1−エチル−3−(4−アゾニア−4,4−ジメチルフェニル)カルボジイミドのごときカルボジイミド(R’−N=C=N−R’)(式中、RおよびR’は異なるアルキル基)との反応によって選択的に修飾される。さらに、アスパルチルおよびグルタミル残基はアンモニウムイオンとの反応によってアスパラギニルおよびグルタミニル残基に変換される。   The carboxyl side group (aspartyl or glutamyl) is a carbodiimide such as 1-cyclohexyl-3- (2-morpholinyl-4-ethyl) carbodiimide or 1-ethyl-3- (4-azonia-4,4-dimethylphenyl) carbodiimide. It is selectively modified by reaction with (R′—N═C═N—R ′) wherein R and R ′ are different alkyl groups. Furthermore, aspartyl and glutamyl residues are converted to asparaginyl and glutaminyl residues by reaction with ammonium ions.

グリコシドの蛋白質のアミノ残基への共有結合カップリングを用いて、特にアクチン結合に関与する残基においてまたはそれに隣接して、炭水化物置換基の数またはプロフィールを修飾しまたは増加させることができる。使用するカップリング様式に応じて、糖を(a)アルギニンおよびヒスチジン、(b)遊離カルボキシル基、(c)システインのそれらのごとき遊離スルノヒドリル基、(d)セリン、トレオニン、またはヒドロキシプロリンのそれらのごとき遊離ヒドロキシル基、(e)フェニルアラニン、チロシン、またはトリプトファンのそれらのごとき芳香族残基、または(f)グルタミンのアミド基に結合させることができる。適当な方法は、例えば、PCT特許出願WO87/05330(1987年9月11日公開)、およびAplinら,CRC Crit.Rev.Biochem.,259-306頁(1981)に記載されている。   Covalent coupling of glycosides to protein amino residues can be used to modify or increase the number or profile of carbohydrate substituents, particularly at or adjacent to residues involved in actin binding. Depending on the coupling mode used, the sugars may be (a) arginine and histidine, (b) free carboxyl groups, (c) free sulnohydryl groups such as those of cysteine, (d) those of serine, threonine, or hydroxyproline. Such as a free hydroxyl group, (e) an aromatic residue such as phenylalanine, tyrosine, or tryptophan, or (f) an amide group of glutamine. Suitable methods are described, for example, in PCT patent application WO 87/05330 (published September 11, 1987) and Aplin et al., CRC Crit. Rev. Biochem., Pages 259-306 (1981).

ポリエチレングリコール(PEG)またはヒト血清アルブミンのごとき剤のヒトDNアーゼI変異体への共有結合は、他の蛋白質で観察されているごとく、変異体の免疫原性および/または毒性を減じ、および/またはその半減期を延長する。Abuchowskiら,J.Biol.Chem.252:3582-3586(1977);Poznanskyら,FEBS Letters 239:18-22(1988); Goodsonら,Biotechnology 8:343-346(1990); Katre,J.Immunol.144:209-213(1990);Harris,Polyethylene Glycol Chemistry(Plenum Press,1992)。加えて、アクチン結合に影響するアミノ酸残基におけるまたはそれに隣接して(すなわち、その約5個のアミノ酸残基内においての)これらの剤による天然ヒトDNアーゼIまたはその変異体の修飾の結果、アクチン−耐性変異体を得ることができる。 Covalent binding of agents such as polyethylene glycol (PEG) or human serum albumin to human DNase I variants reduces the immunogenicity and / or toxicity of the variant, as has been observed with other proteins, and / or Or extend its half-life. Abuchowski et al. Biol. Chem. 252 : 3582-3586 (1977); Poznansky et al., FEBS Letters 239 : 18-22 (1988); Goodson et al., Biotechnology 8 : 343-346 (1990); Katre, J. et al. Immunol. 144 : 209-213 (1990); Harris, Polyethylene Glycol Chemistry (Plenum Press, 1992). In addition, modification of native human DNase I or a variant thereof by these agents at or adjacent to (ie within about 5 amino acid residues of) amino acid residues that affect actin binding, Actin-resistant mutants can be obtained.

さらなる具体例において、ヒトDNアーゼIアクチン−耐性変異体は、DNアーゼI変異体の脱アミドを低下させまたは妨げるために、天然ヒトDNアーゼIアミノ酸配列の74位で起こるAsn残基における突然変異(例えば、N74D、N74KまたはN74S突然変異)を含むことができる。Frenzら,PCT特許出願WO93/25670(1993年12月23日公開)。もう1つの例として、ヒトDNアーゼIアクチン−耐性変異体は、痰および他の生物学的物質に存在し得るプロテアーゼ(例えば、好中球エステラーゼ)による分解に対する変異体の感受性を低下させるアミノ酸配列突然変異または他の共有結合修飾を含むことができる。   In a further embodiment, the human DNase I actin-resistant mutant is a mutation in the Asn residue that occurs at position 74 of the native human DNase I amino acid sequence to reduce or prevent deamidation of the DNase I mutant. (Eg, N74D, N74K, or N74S mutation). Frenz et al., PCT patent application WO93 / 25670 (published December 23, 1993). As another example, a human DNase I actin-resistant mutant is an amino acid sequence that reduces the mutant's sensitivity to degradation by proteases (eg, neutrophil esterases) that may be present in sputum and other biological materials. Mutations or other covalent modifications can be included.

前記したごときヒトDNアーゼI変異体のDNA−加水分解活性およびアクチン−結合親和性は、当該分野で公知であるおよび本明細書に記載したアッセイおよび方法を用いて容易に決定される。(前記定義の)DNA−加水分解活性および低下したアクチンに対する結合親和性を有するいずれのかかる変異体も本発明の範囲内にあるアクチン−耐性変異体である。   The DNA-hydrolyzing activity and actin-binding affinity of human DNase I variants as described above are readily determined using assays and methods known in the art and described herein. Any such mutant having DNA-hydrolyzing activity (as defined above) and reduced binding affinity for actin is an actin-resistant mutant within the scope of the present invention.

本発明のヒトDNアーゼIアクチン−耐性変異体は痰、粘液、または他の分泌のごときDNA−含有物質の粘弾性を低下させるために用いられる。かかる変異体は、異常粘性または濃厚分泌を有する肺病ならびに感染性肺炎、気管支炎または気管気管支炎、気管支拡張症、嚢胞性線維症、喘息、結核および真菌類感染を含めた急性もしくは慢性の肺病を持つ患者の治療で特に有用である。かかる治療では、アクチン−耐性変異体の溶液または微粉砕乾燥調製物を、例えば、エアロゾル処理によって患者の気道(例えば、気管支)または肺に常法により注入する。   The human DNase I actin-resistant mutants of the present invention are used to reduce the viscoelasticity of DNA-containing materials such as sputum, mucus, or other secretions. Such mutants may be associated with lung disease with abnormal viscosity or dense secretion and acute or chronic lung disease including infectious pneumonia, bronchitis or tracheobronchitis, bronchiectasis, cystic fibrosis, asthma, tuberculosis and fungal infections. It is particularly useful in the treatment of patients with In such treatment, a solution of the actin-resistant variant or a micronized dry preparation is routinely infused into the patient's respiratory tract (eg, bronchi) or lung, eg, by aerosol treatment.

また、アクチン−耐性変異体は蓄膿症、髄膜炎、膿瘍、腹膜炎、静脈洞炎、耳炎、歯周炎、心膜炎、膵臓炎、胆石症、心内膜炎および敗血症性関節炎のごとき疾患における膿瘍または重症の狭域感染の付加的治療ならびに皮膚および/または粘膜、外科的負傷、潰瘍性病巣および火傷の感染病巣のごとき種々の炎症および感染病巣の局所治療でも有用である。アクチン−耐性変異体はかかる感染の治療の治療で用いられる抗体の効率を改良できる(例えば、ゲンタマイシン活性は無傷DNAに対する可逆的結合によって顕著に低下する)。   Actin-resistant mutants are diseases such as empyema, meningitis, abscess, peritonitis, sinusitis, otitis, periodontitis, pericarditis, pancreatitis, cholelithiasis, endocarditis and septic arthritis It is also useful for additional treatment of abscesses or severe narrow-area infections and for local treatment of various inflammation and infection lesions such as skin and / or mucous membranes, surgical injuries, ulcerative lesions and burned lesions. Actin-resistant mutants can improve the efficiency of antibodies used in the treatment of such infections (eg, gentamicin activity is significantly reduced by reversible binding to intact DNA).

また、天然ヒトDNアーゼIおよびそのアクチン−耐性変異体は全身性エリテマトーデス(SLE)、種々の自己抗体の産生によって特徴付けられる生命を脅かす自己免疫疾患の治療でも有用であり得る。DNAは免疫合併症の主要な抗原成分である。この場合には、ヒトDNアーゼI(天然または変異体)は、例えば、罹病患者への静脈内、皮下、鞘内、または筋肉内投与によって全身投与できる。   Natural human DNase I and its actin-resistant mutants may also be useful in the treatment of systemic lupus erythematosus (SLE), a life-threatening autoimmune disease characterized by the production of various autoantibodies. DNA is a major antigen component of immune complications. In this case, human DNase I (natural or variant) can be administered systemically, for example, by intravenous, subcutaneous, intrathecal or intramuscular administration to a diseased patient.

また、天然ヒトDNアーゼIおよびそのアクタン−耐性変異体は、嚢胞性線維症、慢性気管支炎、喘息、肺炎または他の肺病を有する患者、またはその呼吸が通気器または他の機械的デバイスによって助力される患者、または呼吸器系感染の発生の危険がある他の患者、例えば手術後患者で起こり得るごとき、呼吸器系感染の新しい発生および/または悪化を防止するのにも有用であり得る。   Natural human DNase I and its actin-resistant mutants also help patients with cystic fibrosis, chronic bronchitis, asthma, pneumonia or other pulmonary diseases, or their breathing is aided by a ventilator or other mechanical device It may also be useful to prevent new outbreaks and / or exacerbations of respiratory infections, such as may occur in patients who are affected, or other patients at risk of developing respiratory infections, such as post-surgical patients.

アクチン−耐性変異体は公知の方法に従って処方して治療上有用な組成物を調製することができる。好ましい治療組成物は緩衝化または非緩衝化水溶液中のアクチン−耐性変異体の溶液、好ましくはpH7の1.0mM塩化カルシウムを含有する150mM塩化ナトリウムのごとき等張塩溶液である。これらの溶液は罹患患者の気道または肺に直接投与するのに有用なジェット噴霧器および超音波噴霧器を含めた商業的に入手可能な噴霧器で用いるのに特に適合する。   Actin-resistant mutants can be formulated according to known methods to prepare therapeutically useful compositions. A preferred therapeutic composition is a solution of an actin-resistant mutant in a buffered or unbuffered aqueous solution, preferably an isotonic salt solution such as 150 mM sodium chloride containing 1.0 mM calcium chloride at pH 7. These solutions are particularly suitable for use with commercially available nebulizers, including jet nebulizers and ultrasonic nebulizers, which are useful for direct administration to the affected patient's respiratory tract or lungs.

もう1つの具体例において、治療組成物は、実質的には同時係属米国特許出願第08/206,020号(1994年3月4日出願)に記載されているアクチン−耐性変異体の溶液のスプレイ−乾燥によって好ましくは調製されたアクチン−耐性変異体の乾燥粉末よりなる。   In another embodiment, the therapeutic composition is substantially a solution of the actin-resistant mutant solution described in co-pending US patent application Ser. No. 08 / 206,020 (filed Mar. 4, 1994). It consists of a dry powder of actin-resistant mutants preferably prepared by spray-drying.

さらなる具体例において、治療組成物はヒトDNアーゼIのアクチン−耐性変異体を活性に産生する細胞よりなる。かかる細胞は患者の組織に直接導入することができるか、あるいは多孔性膜内にカプセル化でき、次いで、これを患者に移植することができ、いずれの場合においても、増大した濃度のDNA−加水分解活性が必要な患者の体内の領域へのアクチン−耐性変異体の送達を提供する。例えば、ヒトDNアーゼIのアクチン−耐性変異体をコードするDNAで患者自身の細胞がイン・ビボまたはエクス・ビボにて形質転換され得、従って、患者内で直接DNアーゼIを産生させるのに使用される。   In a further embodiment, the therapeutic composition consists of cells that actively produce an actin-resistant mutant of human DNase I. Such cells can be introduced directly into the patient's tissue or can be encapsulated within a porous membrane which can then be implanted into the patient, in each case increased concentrations of DNA-hydrolysate. It provides for the delivery of actin-resistant mutants to areas within a patient's body in need of degradation activity. For example, a patient's own cells can be transformed in vivo or ex vivo with DNA encoding an actin-resistant mutant of human DNase I, thus producing DNase I directly in the patient. used.

治療上有効量のアクチン−耐性ヒトDNアーゼI変異体は、例えば、処理すべき物質中のDNAおよびアクチンの量、治療対象、投与経路、および患者の状態に依存するであろう。従って、治療者が用量を力価測定し、最適治療効果を得るのに必要な投与経路を修飾することが必要であろう。天然ヒトDNアーゼIに対するアクチンの存在下におけるアクチンに対するその低下した結合親和性およびその結果増大したDNA−加水分解活性に鑑みると、治療効果を達成するのに要するアクチン−耐性変異体の量は、同一条件下で同一効果を達成するのに必要な天然ヒトDNアーゼIの量よりも低いであろう。一般に、アクチン耐性変異体の治療上有効量は、本明細書に記載した医薬組成物内にて投与される、患者の体重1kg当たり約0.1μgないし約5mgの変異体の投与量であろう。   A therapeutically effective amount of an actin-resistant human DNase I variant will depend, for example, on the amount of DNA and actin in the substance to be treated, the subject to be treated, the route of administration, and the condition of the patient. Thus, it may be necessary for the therapist to titer the dose and modify the route of administration necessary to obtain the optimal therapeutic effect. In view of its reduced binding affinity for actin in the presence of actin for native human DNase I and consequently increased DNA-hydrolysis activity, the amount of actin-resistant mutant required to achieve a therapeutic effect is: It will be lower than the amount of natural human DNase I needed to achieve the same effect under the same conditions. In general, a therapeutically effective amount of an actin resistant variant will be a dose of about 0.1 μg to about 5 mg variant per kg patient body weight administered within a pharmaceutical composition described herein. .

アクチン−耐性DNアーゼI変異体は、所望により、抗生物質、気管支拡張剤、抗炎症剤、粘液溶解剤(例えば、n−アセチル−システイン)、アクチン結合またはアクチン切断蛋白質(例えば、ゲルソリン;Matsudariaら,Cell 54:139-140(1988); Stosselら,PCT特許出願WO94/22465(1994年10月13日公開)、プロテアーゼ阻害剤、または遺伝子治療製品(例えば、嚢胞性線維症経膜コンダクタンス調節剤(CFTR)遺伝子、Riordanら、Science 245:1066-1073(1989))のごとき、前記リストの疾患を治療するのに用いる1以上の他の薬理剤と組み合わせるかまたはそれと共に投与することもできる。   Actin-resistant DNase I variants may optionally be antibiotics, bronchodilators, anti-inflammatory agents, mucolytic agents (eg n-acetyl-cysteine), actin-binding or actin-cleaving proteins (eg gelsolin; Matsudaria et al. , Cell 54: 139-140 (1988); Stossel et al., PCT patent application WO94 / 22465 (published Oct. 13, 1994), protease inhibitors, or gene therapy products (eg, cystic fibrosis transmembrane conductance modulators) (CFTR) gene, Riordan et al., Science 245: 1066-1073 (1989)) can also be combined with or administered with one or more other pharmacological agents used to treat the above listed diseases.

以下の実施例は例示のためのみに供し、断じて本発明を限定する意図のものではない。本明細書で引用した全ての特許および文献は明示的に本明細書の一部とみなす。   The following examples are provided for illustration only and are not intended to limit the invention in any way. All patents and documents cited herein are expressly regarded as part of this specification.

実施例1 ヒトDNアーゼIの突然変異誘発   Example 1 Mutagenesis of human DNase I

Chungら(Nuc.Acids Res.16:3580(1988)の方法を用いて、イー・コリ(E.coli)株CJ236(BioRad Laboratories,リッチモンド,カリフォルニア州米国)をプラスミドpRK.DNアーゼ3.で形質転換した。本発明を作成するのに用いたプラスミドpRK.DNアーゼ3.は、ヒトDNアーゼIをコードする核酸配列が図1に示したものである以外はPCT特許出願WO90/07572(1990年7月12日公開)に記載された通りである。形質転換細胞を50μg/mlカルベニシリンを含有するLB寒天プレート上に置き、37℃で一晩増殖させた。50μg/mlカルベニシリンおよび10μl VCSM13ヘルパーファージ(Stratagene,La Jolla,カリフォルニア州米国)を含有する2YTブロス(5ml)を寒天プレートからの個々のコロニーで接種し、撹拌しつつ37℃で一晩増殖させた。一本鎖DNAをこの培養から単離し、引き続いての突然変異誘発用の鋳型として用いた。 E. coli strain CJ236 (BioRad Laboratories, Richmond, Calif., USA) was transformed with plasmid pRK.DNase 3. using the method of Chung et al. (Nuc. Acids Res. 16 : 3580 (1988)). The plasmid pRK.DNase 3. used to make the present invention is a PCT patent application WO 90/07572 (1990) except that the nucleic acid sequence encoding human DNase I is that shown in FIG. Transformed cells were placed on LB agar plates containing 50 μg / ml carbenicillin and grown overnight at 37 ° C. 50 μg / ml carbenicillin and 10 μl VCSM13 helper phage 2YT broth (5 ml) containing (Stratagene, La Jolla, Calif. USA) with individual colonies from agar plates. And seeds, stirring was grown overnight at 37 ° C.. Isolated single-stranded DNA from this culture and used as template for subsequent mutagenesis.

部位特異的突然変異誘発はKunkelら(Meth.Enzymol.154:367-382(1987)の方法に従って合成オリゴヌクレオチドを用いて達成された。突然変異原オリゴヌクレオチドは誤対合コドンの5’側の9または12の正確な塩基対合および誤対合コドンの3’側の9つの正確な塩基対合を有する21−量体または24−量体であった。突然変異誘発に続き、個々のクローンからの一本鎖DNAをジデオキシ配列決定(Sangerら,Proc.Nat.Acad.Sci.USA 74:5463-5467(1977))に付した。次いで、変異体ヌクレオチド配列を有するDNAを前記したごとくにイー・コリ株XL1BlueMRF’(Stratagene)に形質転換した。平板培養および前記単一コロニー単離の後、個々のコロニーを用いて50μg/mlカルベニシリンを含有する0.5リットルLBブロスを接種した。撹拌しつつの37℃における一晩の増殖に続き、細胞を遠心によって収穫し、Qiagenチップ−500カラム(Qiagen Inc.,Chatsworth,カリフォルニア州米国)を用いて変異体DNA(発現ベクター中)を精製した。 Site-directed mutagenesis was achieved using synthetic oligonucleotides according to the method of Kunkel et al. (Meth. Enzymol. 154 : 367-382 (1987). The mutagenic oligonucleotide is 5 'to the mispaired codon. 21-mer or 24-mer with 9 or 12 exact base pairings and 9 exact base pairs 3 'to the mispaired codon. Was subjected to dideoxy sequencing (Sanger et al., Proc. Nat. Acad. Sci. USA 74 : 5463-5467 (1977)). E. coli strain XL1 Blue MRF ′ (Stratagene) was transformed and after plating and single colony isolation, individual colonies were used to inoculate 0.5 liter LB broth containing 50 μg / ml carbenicillin. While Following overnight growth at 37 ° C., cells were harvested by centrifugation and the mutant DNA (in the expression vector) was purified using a Qiagen chip-500 column (Qiagen Inc., Chatsworth, Calif., USA).

図2−6は作成された異なるヒトDNアーゼI変異体を示す。図においておよび明細書を通じて、DNアーゼIに存在するアミノ酸置換突然変異の表示は最初のアルファベット文字、数および第2のアルファベット文字により省略する。最初のアルファベット文字は天然(野生型)ヒト成熟DNアーゼIにおけるアミノ酸残基の1文字省略であり、数字は天然ヒト成熟DNアーゼIにおけるその残基の位置を示し(図1に示すナンバリング)、および第2のアルファベット文字は変異体DNアーゼIにおけるその位置におけるアミノ酸残基の1文字省略である。例えば、D53R突然変異を有するDNアーゼI変異体において、天然ヒト成熟DNアーゼIにおける53位のアスパラギン酸(D)残基はアスパラギン(R)残基によって置き換えられている。単一変異体における複数突然変異は同様に表示され、変異体に存在する異なる突然変異の各々をコロン(:)で離す。例えば、表示D53R:Y65Aは変異体がD53R突然変異およびY65A突然変異を有することを示す。   Figures 2-6 show the different human DNase I variants that were generated. In the figures and throughout the specification, the representation of amino acid substitution mutations present in DNase I is omitted by the first alphabetic character, the number and the second alphabetic character. The first alphabetic letter is a single letter omission of an amino acid residue in natural (wild type) human mature DNase I, the number indicates the position of that residue in natural human mature DNase I (numbering shown in FIG. 1), And the second alphabetic letter is a single letter omission of the amino acid residue at that position in mutant DNase I. For example, in a DNase I mutant with a D53R mutation, the aspartic acid (D) residue at position 53 in native human mature DNase I is replaced by an asparagine (R) residue. Multiple mutations in a single variant are similarly displayed, with each different mutation present in the variant separated by a colon (:). For example, the designation D53R: Y65A indicates that the variant has a D53R mutation and a Y65A mutation.

実施例2 ヒトDNアーゼ変異体の発現   Example 2 Expression of human DNase mutant

ヒト胚性腎臓293細胞(ATCCCRL 1573,American Type Culture Collection,Rockville,メリーランド州米国)を、150mmプラスチック製ペトリ皿を含有する血清中で増殖させた。リン酸カルシウム法(Gormanら,DNA and Protein Eng.Tech.2:3-10(1990))を用い、対数相細胞を22.5μgの精製変異体DNA(前記のごとく調製)および17μgアデノウイルスDNAで一過的に共トランスフェクトした。トランスフェクション16時間後に、細胞を15mlのリン酸緩衝化生理食塩水で洗浄し、培地を無血清培地に変えた。1回目は無血清培地変更から24時間または72時間後に、最後は96時間後に細胞培養培地の2回の収穫を各プレートから採った。DNアーゼI変異体を含有する合計ほぼ50mlの細胞培養上清をこのようにして得た。各プレートから収集した培養上清のプールを、Centriprep10濃縮器で5ないし50倍濃縮し、濃縮物をアッセイして、DNアーゼI変異体の種々の生化学的および生物学的活性を測定した。 Human embryonic kidney 293 cells (ATCC CRL 1573, American Type Culture Collection, Rockville, MD, USA) were grown in serum containing 150 mm plastic petri dishes. Using the calcium phosphate method (Gorman et al., DNA and Protein Eng. Tech. 2 : 3-10 (1990)), log phase cells were treated with 22.5 μg of purified mutant DNA (prepared as described above) and 17 μg adenoviral DNA. Over-co-transfected. Sixteen hours after transfection, the cells were washed with 15 ml phosphate buffered saline and the medium was changed to serum-free medium. The first time, 24 harvests or 72 hours after serum-free medium change, and finally 96 hours later, two harvests of cell culture medium were taken from each plate. A total of approximately 50 ml of cell culture supernatant containing the DNase I mutant was thus obtained. The pool of culture supernatant collected from each plate was concentrated 5 to 50 fold with a Centriprep 10 concentrator and the concentrate was assayed to measure various biochemical and biological activities of the DNase I mutant.

293細胞をプラスミドpRK.DNアーゼ.3.で一過的にトランスフェクトした以外は前記したのと同一の手法によって、天然ヒトDNアーゼを含有する濃縮物を調製した。   293 cells were transformed into plasmid pRK. A concentrate containing native human DNase was prepared by the same procedure as described above except that it was transiently transfected with DNase.3.

実施例3 ヒトDNアーゼI変異体の生化学的および生物学的活性   Example 3 Biochemical and biological activity of human DNase I mutant

I.相対的特異的活性   I. Relative specific activity

DNアーゼI変異体の相対的特異的活性は2つの異なるアッセイにおいて変異体の活性を天然ヒトDNアーゼIのそれと比較することによって評価した。特に、変異体の相対的特異的活性はメチルグリーン活性で測定した変異体の濃度(μg/mlで表す)(Sinicropiら,Anal.Biochem.222:351--358(1994); Kurmick,Arch. Biochem.29:41-53(1950))をDNアーゼI ELISAアッセイ(後記)で測定した変異体(μg/ml)の濃度で割ったものと定義される。メチルグリーン活性アッセイおよびDNアーゼI ELISAアッセイ双方において、PulmozymeRヒトDNアーゼIを用いて標準曲線を決定した。天然ヒトDNアーゼIおよび変異体の相対的特異的活性を図2A−Dに示す。 The relative specific activity of the DNase I variant was assessed by comparing the activity of the variant with that of native human DNase I in two different assays. In particular, the relative specific activity of the mutant is the concentration of the mutant measured in methyl green activity (expressed in μg / ml) (Sinicropi et al., Anal. Biochem. 222 : 351--358 (1994); Kurmick, Arch. Biochem 29:. 41-53 (1950) ) and is defined as divided by the concentration of the variant as determined by DN DNase I ELISA assay (described below) (μg / ml). Standard curves were determined using Pulmozyme® human DNase I in both the methyl green activity assay and the DNase I ELISA assay. The relative specific activities of native human DNase I and variants are shown in FIGS. 2A-D.

メチルグリーン活性アッセイ(Sinicropiら,Anal.Biochem.222:351-358(1994); Kurnick,Arch.B1ochem.29:41-53(1950))はメチルグリーン色素を利用し、これはDNAにおいてほぼ10塩基毎にインターカレートし、その結果緑色の基質が得られる。DNAがDNアーゼIによって切断されるので、メチルグリーン色素は放出され、無色形態まで酸化される。かくして、緑色の喪失はアッセイ試料に添加されたDNアーゼIの量に比例する。次いで、アッセイで存在するDNアーゼIの量は既知量のDNアーゼIをアッセイすることによって調製された標準曲線との比較によって定量される。 The methyl green activity assay (Sinicropi et al., Anal. Biochem. 222 : 351-358 (1994); Kurnick, Arch. B1ochem. 29 : 41-53 (1950)) utilizes a methyl green dye, which is approximately 10 in DNA. Intercalation for each base results in a green substrate. As the DNA is cleaved by DNase I, the methyl green dye is released and oxidized to a colorless form. Thus, the loss of green color is proportional to the amount of DNase I added to the assay sample. The amount of DNase I present in the assay is then quantified by comparison with a standard curve prepared by assaying known amounts of DNase I.

DNアーゼI ELISAアッセイはマイクロタイタープレートをヤギ抗−DNアーゼIポリクローナル抗体で被覆し、アッセイすべき試料を添加し、ホースラディッシュペルオキシダーゼ(HRP)にコンジュゲートされたウサギ抗−DNアーゼIポリクローナル抗体とのいずれの得られた結合DNアーゼIも検出することを含む。HRP基質および色発色剤を添加すると、色発生は試料に存在するDNアーゼIの量に比例する。次いで、既知量のDNアーゼIをアッセイすることによって調製された標準曲線との比較によって、アッセイに存在するDNアーゼIの量を定量する。   The DNase I ELISA assay involves coating a microtiter plate with a goat anti-DNase I polyclonal antibody, adding the sample to be assayed, and a rabbit anti-DNase I polyclonal antibody conjugated to horseradish peroxidase (HRP). Detecting any of the resulting bound DNase I. When HRP substrate and color developer are added, color generation is proportional to the amount of DNase I present in the sample. The amount of DNase I present in the assay is then quantified by comparison with a standard curve prepared by assaying known amounts of DNase I.

両アッセイにおいて、試料の複数希釈をアッセイし、標準曲線の中央範囲に入る値を平均し、標準偏差を計算した。   In both assays, multiple dilutions of the sample were assayed, the values falling within the central range of the standard curve were averaged, and the standard deviation was calculated.

また、DNアーゼI ELISAによって測定したDNアーゼI濃度を用いて、DNアーゼI変異体を特徴付けた他のアッセイ(例えば、後記するアクチンによる阻害のアッセイ)においてDNアーゼI濃度を標準化した。   DNase I concentrations measured by DNase I ELISA were also used to normalize DNase I concentrations in other assays that characterize DNase I variants (eg, assay for inhibition by actin described below).

II.DNアーゼI加水分解活性のアクチン阻害   II. Actin inhibition of DNase I hydrolysis activity

G−アクチン(Kabshら,Ann.Rev.Biophys.Biomol.Struct.21: 49-76(1992)))は、アクチン(商業的に入手した(Sigma,セントルイス,ミズリー州米国)あるいはPardeeら,Meth.enzymol.85:164-181(1982)の方法によって調製)の1mg/ml溶液を4℃にて5mM HEPES,pH7.2、0.2mM CaCl2、0.5mM ATP、0.5mM β−メルカプトエタノールに対して一晩透析することによって調製した。13,000×gにおける5分間の遠心の後、290nmにおける吸光度を測定することによってG−アクチンの量を定量し;1mg/ml溶液は0.66ODの吸光度を有する。完全ではないが実質的に(>50%阻害)に天然ヒトDNアーゼIのDNA−加水分解活性を阻害するのに要するG−アクチン調製の量を各アッセイで用いた同一条件下での予備実験で測定した。 G-actin (Kabsh et al., Ann. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 21 : 49-76 (1992))) is actin (commercially available (Sigma, St. Louis, Mo., USA)) or Pardee et al., Meth. Enzymol 85 : 164-181 (1982) 1 mg / ml solution at 4 ° C. with 5 mM HEPES, pH 7.2, 0.2 mM CaCl 2 , 0.5 mM ATP, 0.5 mM β-mercapto Prepared by dialyzing overnight against ethanol. After 5 minutes centrifugation at 13,000 × g, the amount of G-actin is quantified by measuring the absorbance at 290 nm; the 1 mg / ml solution has an absorbance of 0.66 OD. Preliminary experiments under the same conditions using the amount of G-actin preparation required to inhibit the DNA-hydrolyzing activity of native human DNase I substantially but not completely (> 50% inhibition) in each assay Measured with

アクチン阻害に対する感度は、2つの異なるアッセイ、前記したメチルグリーンアッセイおよびDNAの変性および脱重合に際しての260nmにおける吸光度の増加に基づく光吸収増加アッセイ(Kunitz,J.Gen.Physiol.33:349-362(1950); Kunitz,J.Gen.Physiol.33:363-377(1950))いずれかににおいて、アクチンの存在下および不存在下で変異体のDNA−加水分解活性を測定することによって評価した。これらのアッセイにおいて選択されたパーセント阻害を図3および4に示す。 Sensitivity to actin inhibition is determined by two different assays, the methyl green assay described above and an increase in light absorption assay based on an increase in absorbance at 260 nm upon denaturation and depolymerization of DNA (Kunitz, J. Gen. Physiol. 33 : 349-362). . (1950); Kunitz, J.Gen.Physiol 33: 363-377 (1950)) in any crab was evaluated by measuring the DNA- hydrolytic activity of the mutant in the presence and absence of actin . The percent inhibition selected in these assays is shown in FIGS.

光吸収増加アッセイにおいて、合計アッセイ容量1.0ml中の40μgDNAを含有するキュベットに添加する前に、濃縮された培養上清(前記したように調製、DNアーゼI変異体を含有)を、緩衝液A(25mM HEPES、pH7.5 CaCl2、4mM MgCl2、4mM MgCl2、0.1%BSA)中の2−ないし3−倍モル過剰のアクチンと共にまたはそれを添加せずに室温にて1時間インキュベートした。アッセイにおけるDNアーゼI変異体の最終濃度はDNアーゼI ELISAによって測定して、ほぼ26nMであった。アクチンの存在下および不存在下におけるDNアーゼI変異体によるDNA加水分解の速度を測定した。図3および4に示すパーセント活性は、アクチンの不存在下におけるDNA−加水分解活性に対するアクチンの存在下におけるヒトDNアーゼI(天然または変異体)のDNA加水分解活性の比を決定し、100を乗じることによって計算した。 In a light absorption increase assay, concentrated culture supernatant (prepared as above, containing DNase I variant) was added to buffer before addition to a cuvette containing 40 μg DNA in a total assay volume of 1.0 ml. 1 hour at room temperature with or without 2- to 3-fold molar excess of actin in A (25 mM HEPES, pH 7.5 CaCl 2 , 4 mM MgCl 2 , 4 mM MgCl 2 , 0.1% BSA) Incubated. The final concentration of DNase I variant in the assay was approximately 26 nM as determined by DNase I ELISA. The rate of DNA hydrolysis by the DNase I mutant in the presence and absence of actin was measured. The percent activity shown in FIGS. 3 and 4 determines the ratio of the DNA hydrolyzing activity of human DNase I (natural or mutant) in the presence of actin to the DNA-hydrolyzing activity in the absence of actin, Calculated by multiplying.

メチルグリーンアッセイにおいて、(前記したごとく調製し、DNアーゼI変異体を含有する)濃縮された培養上清を緩衝液B(25mM HEPES,pH7.5、4mM CaCl2、4mM MgCl2、0.1%BSA、0.01%チメロソール、および0.05%Tween 20)中の1000−倍モル過剰のアクチンと共にまたはそれを添加せずに37℃で16時間インキュベートした。各場合における活性酵素の濃度は、PulmozymeRの標準曲線との比較によって評価した。変異体の「パーセント活性」残存とは、アクチンの不存在下における活性に対するアクチンの存在下における活性の比を100倍したものをいう。 In the methyl green assay, the concentrated culture supernatant (prepared as described above and containing the DNase I mutant) was added to buffer B (25 mM HEPES, pH 7.5, 4 mM CaCl 2 , 4 mM MgCl 2 , 0.1). Incubate for 16 hours at 37 ° C. with or without a 1000-fold molar excess of actin in% BSA, 0.01% thimerosol, and 0.05% Tween 20). The concentration of active enzyme in each case was assessed by comparison with a standard curve of Pulmozyme®. The “percent activity” remaining of the mutant refers to the ratio of the activity in the presence of actin to the activity in the absence of actin multiplied by 100.

図3および4に示されるように、天然ヒトDNアーゼのDNA−加水分解活性はアクチンの存在下で実質的に低下する。比較することにより、天然ヒトDNアーゼの種々の単一および複数残基変異体は、天然ヒトDNアーゼよりもアクチンの存在下におけるより高いDNA−加水分解活性を有することによって示されるごとく、アクチンの阻害に対して比較的耐性である。   As shown in FIGS. 3 and 4, the DNA-hydrolysis activity of natural human DNase is substantially reduced in the presence of actin. By comparison, various single and multiple residue variants of native human DNase are shown to have higher DNA-hydrolyzing activity in the presence of actin than native human DNase, as shown in FIG. Relatively resistant to inhibition.

III.アクチン結合ELISA   III. Actin binding ELISA

マイクロタイターをベースとするアッセイを開発して、アクチンを固定化する天然ヒトDNアーゼIおよびDNアーゼI変異体の結合を測定した。まず、Maxi Sorpプレート(Nunc.,Inc.,Naperville,イリノイ州,米国)のウェルを、25mM HEPES、4mM MgCl2、4mM CaCl2、pH7.2中10 μg/mlの濃度にて、ヒトGCグロブリン(Calbiochem.,La Jolla,カリフォルニア州,米国)、アクチン結合蛋白質(Goldschmidt-Clermontら,Biochem.J. 228:471-477(1985),McLeodら,J.Biol.Chem.264:1260-1267(1989)、Houmeidaら,Eur.J.Biochem.203:499-503(1992))ウェル当たり100μlで4℃にて16−24時間被覆した。GCグロブリンを捨てた後、ウェル当たり200μlの緩衝液C(緩衝液Cは0.5mMアデノシン三リン酸を添加した前記緩衝液Bに同じ;緩衝液Cは特に断りのない限りすべての引き続いての工程でアッセイ希釈剤として使用した)を添加し、室温で1−2時間振盪器上でプレートをインキュベートすることによって過剰の反応性部位をブロックした。続いて行った各インキュベーション工程はMini Orbital Shaker(Bello Biotechnology,Vineland,ニュージャージー州,米国)上にて室温で1時間行い;各工程の間に、プレートを空にし、Microwasher IIプレート洗浄器(Skatron A/S,Norway)にて、0.05%Tween 20を含有するリン酸緩衝液生理食塩水で6回洗浄した。次に、前記したごとくに調製したG−アクチンを緩衝液C中、50μg/mlまで希釈し、100μlを各ウェルに添加した;プレートをインキュベートし、洗浄し、PulmozymeRの種々の希釈および天然ヒトDNアーゼIまたはその変異体を含有する細胞培養培地をウェルに添加し、プレートをインキュベートし、洗浄した。最後に、抗−ヒトDNアーゼIウサギポリクローナル抗体−ホースラディッシュペルオキシダーゼコンジュゲート(オリジナルのストック濃度は465μg/mlであった)の1/25,000希釈の100μlを各ウェルに添加した。インキュベーションおよび洗浄の後、ウェル当たり100μlの色発色試薬(Sigma Fast 製造業者の推奨に従って可溶化させた。フェニレンジアミンおよび尿素/H22錠剤)の添加によって色発色を開始させ、ウェル当たり100μlの4.5N H2SO4 の添加によって停止させた。492nmにおける吸光度を記録し、元来ウェルに添加したDNアーゼIの濃度に対してプロットした。天然ヒトDNアーゼIおよびアクチンに結合した変異体につきS字状曲線が得られた;これらの曲線は、非線形回帰分析(Marquardt,J.Soc.Indust.Appl.Math.11:431-441(1963))によって4つのパラメーターの方程式に適合し;アッセイにおいて半最大シグナルを与えるのに必要な各DNアーゼI(天然または変異体)の濃度は曲線から計算し、これをEC50値という。天然ヒトDNアーゼIおよび変異体の分子量は37,000ダルトンであると見積もられた。 A microtiter-based assay was developed to measure the binding of native human DNase I and DNase I variants that immobilize actin. First, the wells of a Maxi Sorp plate (Nunc., Inc., Naperville, Illinois, USA) were washed with human GC globulin at a concentration of 10 μg / ml in 25 mM HEPES, 4 mM MgCl 2 , 4 mM CaCl 2 , pH 7.2. (Calbiochem., La Jolla, California, USA), actin binding protein (Goldschmidt-Clermont et al., Biochem. J. 228 : 471-477 (1985), McLeod et al., J. Biol. Chem. 264 : 1260-1267 ( 1989), Houmeida et al., Eur. J. Biochem. 203 : 499-503 (1992)) 100 μl per well was coated at 4 ° C. for 16-24 hours. After discarding the GC globulin, 200 μl of buffer C per well (buffer C is the same as buffer B with 0.5 mM adenosine triphosphate added; buffer C is all subsequent unless otherwise noted. Excess reactive sites were blocked by adding (used as assay diluent in the process) and incubating the plate on a shaker at room temperature for 1-2 hours. Each subsequent incubation step was performed on a Mini Orbital Shaker (Bello Biotechnology, Vineland, NJ, USA) for 1 hour at room temperature; between each step, the plate was emptied and a Microwasher II plate washer (Skatron A / S, Norway) was washed 6 times with phosphate buffered saline containing 0.05% Tween 20. Next, G-actin prepared as described above was diluted to 50 μg / ml in buffer C and 100 μl was added to each well; plates were incubated, washed, various dilutions of Pulmozyme® and native human DN Cell culture medium containing ase I or a variant thereof was added to the wells and the plates were incubated and washed. Finally, 100 μl of a 1 / 25,000 dilution of anti-human DNase I rabbit polyclonal antibody-horseradish peroxidase conjugate (original stock concentration was 465 μg / ml) was added to each well. After incubation and washing, color development was initiated by the addition of 100 μl color developing reagent (solubilized according to Sigma Fast manufacturer's recommendations. Phenylenediamine and urea / H 2 O 2 tablets), and 100 μl per well. It was stopped by the addition of 4.5N H 2 SO 4 . Absorbance at 492 nm was recorded and plotted against the concentration of DNase I originally added to the wells. Sigmoidal curves were obtained for mutants bound to native human DNase I and actin; these curves were nonlinear regression analysis (Marquardt, J. Soc. Indust. Appl. Math. 11 : 431-441 (1963). The concentration of each DNase I (natural or mutant) required to give a half-maximal signal in the assay is calculated from the curve and referred to as the EC 50 value. The molecular weight of native human DNase I and the variant was estimated to be 37,000 daltons.

各ヒトDNアーゼI変異体の相対的結合親和性は、変異体のEC50値をELISAアッセイで測定した天然ヒトDNアーゼIのEC50値で割ることによって計算し、結果を図5A−Dに示す。例として、もしヒトDNアーゼI変異体の相対的結合アッセイは5であると計算されれば、この値は変異体についてのEC50値が天然ヒトDNアーゼのEC50値よりも5倍大きい、あるいは換言すれば、変異体はこのELISAアッセイにおいてアクチンに対して天然ヒトDNアーゼIの親和性よりも5−倍小さいことを示す。 The relative binding affinity of each human DNase I variant was calculated by dividing the EC 50 value of the variant by the EC 50 value of native human DNase I measured in an ELISA assay, and the results are shown in FIGS. 5A-D. Show. As an example, if if the relative binding assay of human DN DNase I variant was calculated to be 5, this value is 5 times larger than The EC 50 values of The EC 50 values natural human DN DNase for variants, Or in other words, the mutants are shown to be 5-fold less than the affinity of native human DNase I for actin in this ELISA assay.

IV.痰圧縮アッセイ   IV.痰 Compression assay

痰圧縮アッセイ(PCT出願WO94/10567、1994年5月11日公開)を用いて、天然ヒトDNアーゼIおよび異なるDNアーゼI変異体と共に行ったインキュベーションの前後に、嚢胞性線維症患者からの痰(「CF痰」)の相対的粘弾性を測定した。CF痰をDNアーゼI試料と混合し、室温で20分間インキュベーションした後、半固体溶液を毛細管に負荷し、次いで、これを12,000rpmで20分間遠心した。速心に続き、ペレットの高さを測定し、溶液+ペレットの高さと比較した。次いで、これらの測定を用いて痰のパーセント圧縮を計算し、これは痰の粘弾性と相関する。   Sputum from cystic fibrosis patients before and after incubation with native human DNase I and different DNase I mutants using the sputum compression assay (PCT application WO94 / 10567, published May 11, 1994) The relative viscoelasticity of (“CF 痰”) was measured. After mixing the CF sputum with the DNase I sample and incubating at room temperature for 20 minutes, the semi-solid solution was loaded onto the capillary, which was then centrifuged at 12,000 rpm for 20 minutes. Following swiftness, the pellet height was measured and compared to the solution + pellet height. These measurements are then used to calculate the percent compression of the heel, which correlates with the viscoelasticity of the heel.

天然ヒトDNアーゼIおよびヒトDNアーゼIアクチン−耐性変異体でのCF痰の処理に際して測定されたパーセント圧縮を図6に示す。これらの結果はヒトDNアーゼIアクチン−耐性変異体が、圧縮アッセイによって測定して、CF痰の粘弾性の低下において天然ヒトDNアーゼIよりも効果的であることを示す。
図2−図6は以下の変異体についてのデータを示す:

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The percent compression measured upon treatment of CF sputum with native human DNase I and human DNase I actin-resistant mutants is shown in FIG. These results indicate that the human DNase I actin-resistant mutant is more effective than native human DNase I in reducing the viscoelasticity of CF 痰 as measured by a compression assay.
Figures 2-6 show data for the following mutants:
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[Sequence Listing]
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ヒト成熟DNアーゼIのアミノ酸配列(SEQ ID NO:1)を示す。数字は該配列内のアミノ酸残基の順次の位置を示す。1 shows the amino acid sequence of human mature DNase I (SEQ ID NO: 1). The numbers indicate the sequential position of amino acid residues within the sequence. 天然ヒトDNアーゼIおよび変異体の相対的比活性を示す。The relative specific activities of native human DNase I and variants are shown. 天然ヒトDNアーゼIおよび変異体の相対的比活性を示す。The relative specific activities of native human DNase I and variants are shown. 天然ヒトDNアーゼIおよび変異体の相対的比活性を示す。The relative specific activities of native human DNase I and variants are shown. 天然ヒトDNアーゼIおよび変異体の相対的比活性を示す。 図2A−Dのそれぞれにおいて、誤差棒は標準偏差(n−重率)。PulmozymeRヒトDNアーゼI(Genentech,Inc.,South San Francisco,カリフォルニア州,米国)の相対的比活性は1.0と定義される。天然ヒトDNアーゼIの相対的比活性は、DNA−加水分解活性を低下されたヒトDNアーゼIの脱アミド化形態のPulmozymeRの発生によるPulmozymeRのそれよりも大きい(Frenzら,1993年12月23日に公開されたPCT特許出願WO93/25670)。The relative specific activities of native human DNase I and variants are shown. In each of FIGS. 2A-D, error bars are standard deviations (n-weight ratio). The relative specific activity of Pulmozyme® human DNase I (Genentech, Inc., South San Francisco, California, USA) is defined as 1.0. The relative specific activity of native human DNase I is greater than that of Pulmozyme® due to the generation of PulmozymeR, a deamidated form of human DNase I with reduced DNA-hydrolysis activity (Frenz et al., December 23, 1993). PCT patent application WO93 / 25670) published on the day. 光吸収増加アッセイで測定したごとく、アクチンの存在下におけるヒトDNアーゼI活性のDNA−加水分解活性およびヒトDNアーゼIの単一残基変異体を示す。「パーセント活性」は実施例3に記載したごとくに計算したDNアーゼI(天然または変異体)のパーセントDNA−加水分解活性であり;アクチンの不存在下におけるDNアーゼIのDNA−加水分解活性が100パーセント活性であると定義される。誤差棒は標準偏差を表す。2 shows DNA-hydrolyzing activity of human DNase I activity and single-residue mutants of human DNase I in the presence of actin as measured by a light absorption increase assay. “Percent activity” is the percent DNA-hydrolysis activity of DNase I (natural or mutant) calculated as described in Example 3; the DNA-hydrolysis activity of DNase I in the absence of actin is Defined as 100 percent active. Error bars represent standard deviation. 光吸収増加アッセイまたはメチルグリーンアッセイで測定した、アクチン存在下における天然ヒトDNアーゼIおよびヒトDNアーゼの複数残基変異体のDNA−加水分解活性を示す。「パーセント活性」は実施例3に記載したごとくに計算したDNアーゼI(天然または変異体)のパーセントDNA−加水分解活性であり;アクチンの不存在下におけるDNアーゼIのDNA−加水分解活性が100パーセント活性と定義される。誤差棒は標準偏差を表す。FIG. 6 shows the DNA-hydrolysis activity of natural human DNase I and multiple residue variants of human DNase in the presence of actin as measured by an increased light absorption assay or a methyl green assay. “Percent activity” is the percent DNA-hydrolysis activity of DNase I (natural or mutant) calculated as described in Example 3; the DNA-hydrolysis activity of DNase I in the absence of actin is Defined as 100 percent active. Error bars represent standard deviation. (実施例3に記載した)アクチン結合ELISAアッセイで測定したアクチンに対するヒトDNアーゼI変異体の相対的結合親和性を示す。FIG. 5 shows the relative binding affinity of human DNase I variants for actin as measured by an actin binding ELISA assay (described in Example 3). (実施例3に記載した)アクチン結合ELISAアッセイで測定したアクチンに対するヒトDNアーゼI変異体の相対的結合親和性を示す。FIG. 5 shows the relative binding affinity of human DNase I variants for actin as measured by an actin binding ELISA assay (described in Example 3). (実施例3に記載した)アクチン結合ELISAアッセイで測定したアクチンに対するヒトDNアーゼI変異体の相対的結合親和性を示す。FIG. 5 shows the relative binding affinity of human DNase I variants for actin as measured by an actin binding ELISA assay (described in Example 3). (実施例3に記載した)アクチン結合ELISAアッセイで測定したアクチンに対するヒトDNアーゼI変異体の相対的結合親和性を示す。 図5A−Dのそれぞれにおいて、EC50値は該アッセイにおいて最大信号の半分を与えるのに必要なDNアーゼI(天然または変異体)の濃度である。誤差棒は標準偏差を表す。PulmozymeRおよび天然ヒトDNアーゼIに対するEC50値は、各々、67±23pM(n=31)および87±14pM(n=32)である。図に示される相対的結合親和性は、天然ヒトDNアーゼIにつき測定されたEC50値で除したヒトDNアーゼI変異体につき測定されたEC50値である。アッセイで測定できたものよりもEC50値がより大きい変異体は、ある値よりも大きい(例えば、>10、>100、>300、>2000、>20000、>35000)比(EC50(DNアーゼI変異体)/EC50(天然DNアーゼI)を有するものとして示される。FIG. 5 shows the relative binding affinity of human DNase I variants for actin as measured by an actin binding ELISA assay (described in Example 3). In each of FIGS. 5A-D, the EC 50 value is the concentration of DNase I (natural or mutant) required to give half the maximum signal in the assay. Error bars represent standard deviation. EC 50 values for Pulmozyme® and native human DNase I are 67 ± 23 pM (n = 31) and 87 ± 14 pM (n = 32), respectively. The relative binding affinity shown in the figures, a been The EC 50 values measured for human DN DNase I variant divided by the native human DN DNase I has been The EC 50 values determined for. Variants with EC 50 values greater than those that could be measured in the assay are greater than a certain value (eg>10,>100,>300,>2000,>20000,> 35000) ratio (EC 50 (DN Ase I variant) / EC 50 (natural DNase I). 圧縮アッセイによって測定した、嚢胞性線維症患者からの痰試料における天然ヒトDNアーゼIおよびヒトDNアーゼIの変異体の粘液溶解活性を示す。誤差棒は平均値の標準偏差を表す。2 shows the mucolytic activity of native human DNase I and human DNase I variants in sputum samples from cystic fibrosis patients as measured by compression assay. Error bars represent the standard deviation of the mean. 実施例3に記載したアクチン結合ELISAアッセイの模式的表示を示す。2 shows a schematic representation of the actin binding ELISA assay described in Example 3.

Claims (7)

配列番号1に示した天然ヒトDNアーゼIのアミノ酸配列と少なくとも90%の同一性を有し、以下の位置:G49R、D53C、A114G、A114H、及びS94N:Y96Tのうちの1つ以上で他のアミノ酸への少なくとも一つのアミノ酸置換を有する、天然ヒトDNアーゼIより増大したDNA−加水分解活性を有するヒトDNアーゼIの変異体。   Has at least 90% identity with the amino acid sequence of native human DNase I shown in SEQ ID NO: 1 and is located in one or more of the following positions: G49R, D53C, A114G, A114H, and S94N: Y96T A variant of human DNase I having increased DNA-hydrolyzing activity over native human DNase I, having at least one amino acid substitution for an amino acid. 配列番号1に示した天然ヒトDNアーゼIのアミノ酸配列と少なくとも95%の同一性を有する、請求項1に記載の変異体。   2. The variant of claim 1 having at least 95% identity with the amino acid sequence of native human DNase I shown in SEQ ID NO: 1. 配列番号1に示した天然ヒトDNアーゼIのアミノ酸配列と少なくとも98%の同一性を有する、請求項1に記載の変異体。   2. The variant of claim 1 having at least 98% identity with the amino acid sequence of native human DNase I shown in SEQ ID NO: 1. 請求項1記載のヒトDNアーゼIの変異体をコードする単離された核酸。   An isolated nucleic acid encoding a variant of human DNase I according to claim 1. 請求項1に記載のヒトDNアーゼIの変異体および任意に医薬上許容される賦形剤を含んでなる医薬組成物。   A pharmaceutical composition comprising a variant of human DNase I according to claim 1 and optionally a pharmaceutically acceptable excipient. 該組成物が液状形態である請求項5記載の組成物。   The composition of claim 5, wherein the composition is in liquid form. 該組成物が粉末形態である請求項5記載の組成物。   6. A composition according to claim 5, wherein the composition is in powder form.
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