JP3790810B2 - Method for producing protein variant, method for producing protein variant library, and method for producing library of cDNA encoding protein variant - Google Patents

Method for producing protein variant, method for producing protein variant library, and method for producing library of cDNA encoding protein variant Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蛋白質の一次構造上の無作為な部位に任意のアミノ酸またはペプチドを導入した変異蛋白質の生産方法、当該変異蛋白質のライブラリーを作製する方法、および当該変異蛋白質をコードするcDNAのライブラリーを作製する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
アミノ酸の直鎖状重合体である蛋白質の一次構造の改変には、従来、化学的手法と並んで遺伝子工学的手法が用いられてきた。遺伝子工学的手法を用いての蛋白質構造の改変には、DNA構造上に塩基の置換、欠失、導入を生じせしめ、これを翻訳させることによって、アミノ酸の置換、欠失、導入をもたらすことが一般的に行われてきた。
しかし、このような変異の導入は、意図した特定の部位に、特定の変異をもたらすことしかできず、意図しない無作為な部位に導入することはできなかった。
【0003】
また、従来の技術では、各種の変異蛋白質を作成するためには、それぞれをコードする cDNA を個別に作成、単離しなければならなかった。
近年、蛋白質構造活性相関の研究によって機能ドメインの解明が進み、任意の蛋白質の一次構造上に様々な機能を有する異種のペプチドを導入する技術が開発されたが、蛋白質の機能改変をもたらす最適な導入位置を決定するためには、試行錯誤によらなければならなかった。
【0004】
さらに、近年、糖蛋白質の糖鎖が蛋白質部分の機能に与える重要性が理解されるに伴い、既知蛋白質の一次構造上に糖鎖を付加されうる配列を有するペプチドを導入して糖鎖付加を生じせしめる技術が開発されたが、該糖鎖付加配列アミノ酸の導入位置の最適化については試行錯誤によるしかなかった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、機能改変につながる構造活性相関情報の無い蛋白質、もしくは機能改変が予測できない蛋白質の構造改変を行って改変した機能を有する蛋白質を取得するために、一次構造上の無作為な部位に任意のアミノ酸またはペプチドを導入した蛋白質変異体ライブラリーを製造する技術を提供することにある。さらに、この変異体ライブラリーの中から、望ましい機能に変化した蛋白質を選択することにより、意図した機能改変蛋白質を得るためのアミノ酸またはペプチド導入部位の最適化を図る技術を提供することにある。
【0006】
本発明の別の課題は、機能改変につながる構造活性相関情報の無い蛋白質、もしくは機能改変が予測できない蛋白質に糖鎖修飾を導入して改変した機能を有する蛋白質を取得するために、一次構造上の無作為な部位に糖鎖修飾アミノ酸またはペプチドを導入した糖鎖修飾蛋白質変異体ライブラリーを製造する技術を提供することにある。さらに、この糖鎖修飾変異体ライブラリーの中から、望ましい機能に変化した糖蛋白質を選択することにより、意図した機能改変糖蛋白質を得るための糖鎖修飾アミノ酸またはペプチド導入部位の最適化を図る技術を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、蛋白質をコードするcDNAを含む環状プラスミドを無作為な位置で一カ所切断し、この部位にアミノ酸またはペプチドをコードするDNAを導入することによって、翻訳された蛋白質の一次構造上の任意の位置にアミノ酸またはペプチドを導入する技術を完成した。これによって、蛋白質の一次構造上の様々な部位にアミノ酸またはペプチドが導入された変異体ライブラリーを構築することが可能となった。
【0008】
本発明者らは、当該技術を分泌型単純蛋白質 secFGF-1 に適用し、各種糖鎖付加配列アミノ酸を導入することによって、secFGF-1を糖鎖修飾された蛋白質として生産することに成功した。本明細書において、「FGF」とは、繊維芽細胞増殖因子(fibroblast growth factor)をいう。
さらに、本発明者らは、当該ライブラリーより、機能改変 secFGF-1 を選択する技術をも同時に完成し、その結果、蛋白質への変異導入による機能改変をシングルステップで完成する手法を完成した。
本発明はこのような知見に基づいて完成されたものである。
【0009】
すなわち、本発明は、蛋白質をコードするcDNAを環状プラスミドに組み込み、この環状プラスミドを無作為な位置で一カ所切断し、この切断部位に、アミノ酸またはペプチドをコードするDNAを導入することを特徴とする、蛋白質の一次構造上の無作為な部位にアミノ酸またはペプチドが導入された変異体をコードするcDNAのライブラリーを作製する方法を提供する。本明細書において、「蛋白質の一次構造上の無作為な部位にアミノ酸またはペプチドが導入された変異体をコードするcDNAのライブラリー」とは、蛋白質の一次構造上の無作為な部位にアミノ酸またはペプチドが導入された種々の変異体をコードするcDNAの集団をいい、これらのcDNAは、通常、プラスミドやウイルスなどのベクターに組み込まれた状態にある。
【0010】
本発明のcDNAライブラリー作製法は、以下の工程:
(a)蛋白質をコードするcDNAを環状プラスミドに組み込む工程、
(b)前記環状プラスミドを無作為な位置で一カ所切断する工程、
(c)アミノ酸またはペプチドをコードするDNAを前記プラスミドの切断部位に導入するが、ここで、アミノ酸またはペプチドをコードするDNAの5'末端側および/または3'末端側に、追加のヌクレオチドを付加することにより、アミノ酸またはペプチドのフレームがそれを導入される蛋白質のフレームと一致するクローンを取得できるようにする工程、
(d)前記アミノ酸またはペプチドをコードするDNAを導入されたプラスミドを宿主細胞に導入して、形質転換体を得る工程、
(e)前記形質転換体から、プラスミドを回収する工程、
(f)回収されたプラスミドから、アミノ酸またはペプチドをコードするDNAと蛋白質をコードするcDNAとを含む領域のDNAを切り出す工程、
(g)切り出したDNAを発現ベクターに組み込む工程、
(h)前記発現ベクターを宿主細胞に導入する工程、および
(i)前記宿主細胞において、蛋白質変異体を発現させる工程
を含んでもよい。また、(c)の工程で、アミノ酸またはペプチドをコードするDNAを、選択マーカー遺伝子と連結した状態で、プラスミドの切断部位に導入し、(d)の工程で、選択マーカー遺伝子の発現に基づいて形質転換体を選別し、(f)の工程で、選択マーカー遺伝子を除去するとよい。
【0011】
また、本発明は、蛋白質の一次構造上の無作為な部位にアミノ酸またはペプチドが導入された変異体をコードするcDNAのライブラリーを作製し、このライブラリー中のcDNAがコードしている蛋白質変異体を発現させることを特徴とする、蛋白質変異体のライブラリーを作製する方法を提供する。本明細書において、「蛋白質変異体のライブラリー」とは、種々の蛋白質変異体の集団をいう。
【0012】
さらに、本発明は、蛋白質の一次構造上の無作為な部位にアミノ酸またはペプチドが導入された変異体をコードするcDNAのライブラリーを作製し、このライブラリー中のcDNAがコードしている蛋白質変異体を発現させ、目的の蛋白質変異体を発現している細胞を選択し、この細胞に蛋白質変異体を産生させることを特徴とする、蛋白質変異体を生産する方法を提供する。本発明の蛋白質変異体生産法は、以下の工程:
(a)蛋白質に特異的な応答を示す細胞株を用意する工程、
(b)蛋白質の一次構造上の無作為な部位にアミノ酸またはペプチドが導入された変異体をコードするcDNAを組み込んだ発現ベクターを前記細胞株に導入することにより、cDNAライブラリーを作製する工程、
(c)前記応答を検出して、応答を示す細胞を選択する工程、および
(d)選択した細胞を培養して、培養液および/または培養細胞から目的の蛋白質変異体を回収する工程
を含んでもよい。
【0013】
変異を受ける蛋白質としては、いかなる蛋白質であってもよい。一例として、FGF ファミリーに属する因子およびその近縁の因子、ヘパリン結合性増殖因子ファミリーに属する因子およびその近縁の因子を挙げることができ、より具体的には、以下の(a)〜(f)の蛋白質を挙げることができる。
(a)配列番号2(FGF-1a)のアミノ酸配列からなる蛋白質。
(b)配列番号2のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換、付加若しくは修飾されたアミノ酸配列からなり、FGF-1活性を有する蛋白質。
【0014】
(c)配列番号4(FGF-6/1a)のアミノ酸配列からなる蛋白質。
(d)配列番号4のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換、付加若しくは修飾されたアミノ酸配列からなり、FGF-6/1a活性を有する蛋白質。
(e)配列番号6(secFGF-1)のアミノ酸配列からなる蛋白質。
(f)配列番号6のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換、付加若しくは修飾されたアミノ酸配列からなり、secFGF-1活性を有する蛋白質。
【0015】
導入されるアミノ酸またはペプチドとしては、いかなるアミノ酸またはアミノ酸2個以上よりなるいかなるペプチドであってもよいが、特に、機能性ペプチドが、蛋白質機能の改変を期待できるので、好適である。
例えば、糖鎖の付加を受けることができるアミノ酸またはペプチドを導入することによって、糖鎖付加型変異体を作成することができる。
糖鎖の付加を受けることができるペプチドとしては、Asn-X-Ser, Asn-X-Thr, Y-Thr-Pro-Z-Pro, Ser-Gly (X, Y, Z は任意のアミノ酸)などが挙げられ、これらを含む多種多様なペプチドが含まれる。
【0016】
糖鎖が硫酸化多糖またはグリコサミノグリカンである場合には、糖鎖の付加を受けることができるペプチドはプロテオグリカンコアタンパク質またはその一部分であるとよい。糖鎖がN-型糖鎖(アスパラギン結合型糖鎖)である場合には、糖鎖の付加を受けることができるペプチドがN-型糖鎖付加アミノ酸配列を含むペプチドであるとよい。糖鎖がO-型糖鎖(セリン・スレオニン結合型糖鎖)である場合には、糖鎖の付加を受けることができるペプチドがO-型糖鎖付加アミノ酸配列を含むペプチドであるとよい。
【0017】
さらにまた、本発明は、上記の蛋白質変異体生産法により生産することができる新規な蛋白質変異体を提供する。蛋白質変異体としては、FGFファミリーに属する因子またはその近縁の因子の変異体、ヘパリン結合性増殖因子ファミリーに属する因子またはその近縁の因子の変異体などを挙げることができる。例えば、上記(a)〜(f)の蛋白質の変異体、具体的には、配列番号25、27、29、31、33または35のアミノ酸配列を含むFGF-1変異体を挙げることができる。
以下、本発明を詳細に説明する。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明において、アミノ酸またはペプチドを導入する蛋白質としてはいかなる蛋白質であってもよい。また、導入するアミノ酸またはペプチドとしてはいかなるアミノ酸またはペプチドであってもよい。
以下、具体例として、ヘパリン結合性増殖因子 FGF-1に糖鎖結合配列を含むペプチドを導入する例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
ペプチドを導入する蛋白質としては、例えば、以下の(a)〜(f)のいずれかの蛋白質であるとよい。
【0019】
(a)配列番号2(FGF-1a)のアミノ酸配列からなる蛋白質。
(b)配列番号2のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換、付加若しくは修飾されたアミノ酸配列からなり、FGF-1活性を有する蛋白質。
(c)配列番号4(FGF-6/1a)のアミノ酸配列からなる蛋白質。
(d)配列番号4のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換、付加若しくは修飾されたアミノ酸配列からなり、FGF-6/1a活性を有する蛋白質。
(e)配列番号6(secFGF-1)のアミノ酸配列からなる蛋白質。
(f)配列番号6のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換、付加若しくは修飾されたアミノ酸配列からなり、secFGF-1活性を有する蛋白質。
【0020】
配列番号2、4、および6のアミノ酸配列を有する蛋白質は、例えば、配列番号1、3、および5のDNA配列によりそれぞれコードされる。
これらの蛋白質は、FGFファミリーに属する因子のペプチド配列の他、糖鎖の付加を受けることができるペプチド配列やシグナルペプチドの配列を含んでいるものもある。
本明細書でいうヘパリン結合性蛋白質及びFGFは、配列表に記載されたcDNAが一次的に規定する蛋白質に加え、細胞から分泌される際にそのアミノ末端に存するシグナルペプチドと呼ばれる分泌の為のペプチド配列が切断された形の蛋白質を含む。
【0021】
以下、具体例として、糖鎖結合配列を含むペプチドを導入する例を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
蛋白質に共有結合した糖鎖としてはヘパラン硫酸やコンドロイチン硫酸などの硫酸化多糖、グリコサミノグリカン、N-型糖鎖、およびO-型糖鎖を例示することができるが、これらに限定されることはない。
本明細書でいう硫酸化多糖とは、蛋白質の一次構造に存するセリン残基に結合したキシロースを起点として伸長する、もしくは後述のN-型糖鎖やO-型糖鎖の非還元末端側に伸長する、あるいは遊離状態で存在する多様な糖鎖構造を総称するものであり、その多くはアミノ糖とウロン酸(またはガラクトース)の二糖単位の繰り返し構造をもち、いくつかの水酸基あるいはアミノ基が硫酸基で置換されているものをいう。
【0022】
また、グリコサミノグリカンとは、同様の構造を有するものであるが、硫酸基での置換がないものも含む。本明細書では、これらを総称して、硫酸化多糖等と記す。具体的な構造は、「糖鎖の細胞における運命」(永井・箱守・木幡編、講談社サイエンティフィック)などに記載されており、代表的な糖鎖配列を図1に示す。
本明細書でいうN-型糖鎖とは、蛋白質の一次構造に存するアスパラギン残基に結合したN-アセチルグルコサミンを起点として伸長する多様な糖鎖構造を総称するものである。具体的な構造は、「糖鎖の細胞における運命」(永井・箱守・木幡編、講談社サイエンティフィック)などに記載されており、代表的な糖鎖配列を図2に示す。
【0023】
本明細書でいうO-型糖鎖とは、蛋白質の一次構造に存するセリン残基またはスレオニン残基に結合したN-アセチルガラクトサミンを起点として伸長する多様な糖鎖構造を総称するものである。具体的な構造は、「糖鎖の細胞における運命」(永井・箱守・木幡編、講談社サイエンティフィック)などに記載されており、代表的な糖鎖配列を図3に示す。
これらの硫酸化多糖等、N-型糖鎖およびO-型糖鎖は、その機能を発揮する限りにおいて、その糖鎖配列の一部に、付加、欠失、置換または修飾があってもよい。
【0024】
本明細書において、「機能改変」とは、対象の蛋白質の活性が変化することを意味する。機能改変の例として、生理活性(増殖促進活性、分化促進活性等)の単純な改変のみならず、活性発現に要求される補因子の必要性の変化や、熱、酸またはアルカリに対する抵抗性の変化といった物理的安定性の変化、血中半減期の変化等によって示される生物学的安定性の変化などが挙げられる。
糖鎖付加配列を含むペプチドを分泌型FGF-1に導入し、糖鎖付加型FGF-1を製造する方法の一例を以下に説明する。
【0025】
ペプチドを導入する蛋白質のcDNAは、DDBJ (日本DNAデータバンク)など遺伝子バンクに登録された配列から適当なプライマーを設計し、当該動物の当該組織の mRNA より RT-PCR (逆転写 PCR )を行うことによって、取得できる。
得られたcDNAを適当なプラスミドに結合することによって、蛋白質をコードする遺伝子の構築が完成する。cDNAを組み込むプラスミドとしては、宿主内で複製保持されるものであれば、いずれも使用することができるが、例えば大腸菌由来の pBR322、pUC18 、及びこれらを基に構築されたpET-3cなどを挙げることができる。
【0026】
また、該蛋白質が、分泌シグナルを持たない非分泌型蛋白質である場合には、適当な分泌シグナルをその 5'-末端に付加することにより、分泌型蛋白質とすることができ、糖鎖付加経路にのせることができるとともに、精製、活性確認を容易にすることができる。適当な分泌シグナルとしては、例えば、典型的な分泌型糖蛋白質のアミノ末端を利用することができ、具体的には、マウス FGF-6のN-末端より40残基のアミノ酸などが挙げられる。
【0027】
得られたプラスミドに、適当な処理を施すことにより、当該ベクターを任意の部位で一カ所切断することができる。この処理としては、 10 mM Mg2+存在下での DNase I処理や超音波処理などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。10 mM Mg2+存在下での DNase I処理を37度、5分間以内とすると、プラスミド内での2カ所以上の切断の頻度を押さえることができる。
切断されたベクターは、例えばアガロース電気泳動等に供することにより、未切断ベクターと分離することができる。
【0028】
導入するペプチドをコードするDNAは、アミノ酸翻訳コドン表に基づき、任意に合成することによって取得できる。あるいは、天然に存在する機能性ペプチドをコードする cDNA を前述の方法によって取得することによっても可能である。
例えば、N-型糖鎖付加を受けるアミノ酸配列としては、Asn-X-Thr、Asn-X-Ser(配列中、X は任意のアミノ酸である。) が挙げられ、これをコードするDNAとしては、例えば、配列番号7に示すDNA配列を含むDNAが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0029】
例えば、O-型糖鎖付加を受けるアミノ酸配列としては、X-Thr-Pro-X-Pro(配列中、X は任意のアミノ酸である。)が挙げられ、これをコードするDNAとしては、例えば、配列番号8に示すDNA配列を含むDNAが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
例えば、グリコサミノグリカン付加を受けるアミノ酸配列としては、 Ser-Glyの繰り返し配列が挙げられ、これをコードするDNAとしては、例えば、配列番号9に示すDNA配列を含むDNAが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【0030】
例えば、グリコサミノグリカン付加を受ける別のアミノ酸配列としては、プロテオグリカンのコアタンパク質の部分配列が挙げられ、これをコードするDNAとしては、例えば、配列番号10に示すDNA配列を含むDNAが挙げられるが、これらに限定されるものではない。配列番号10に示すDNA配列がコードするアミノ酸配列を配列番号11に示す。
当該ペプチドをコードするDNAの両端、あるいは一端、あるいは内部に選択マーカー遺伝子(例えば、薬剤耐性遺伝子)を融合することにより、導入変異体の選別を容易にすることができる。このとき適当なアダプター配列を用いることができる。内部に選択マーカー遺伝子を融合する場合には、それを除去したのちセルフライゲーションを施すことにより、当該ペプチドをコードするDNA配列になるように設計することができる。
【0031】
さらに、当該ペプチドをコードするDNAと選択マーカー遺伝子との融合遺伝子の両端、あるいは一端にその塩基数の和が3n(nは整数)となる個数のヌクレオチドを付加したものの混合物を用いることにより、当該蛋白質の遺伝子の読み枠をそろえることも可能となる。
当該ペプチドをコードするDNAと選択マーカー遺伝子との融合遺伝子の断片を、一カ所で切断されたベクターと結合することにより、蛋白質遺伝子中へのペプチドをコードするcDNAの導入が完成する。この結合方法としては、例えばT. Maniatisら、Molecular Cloning, Cold Spring Harbor Laboratory, p. 239 (1982)に記載の方法などが挙げられ、具体的には、DNA リガーゼを用いる方法等、分子生物学で一般的に用いられる方法を適用することができる。
【0032】
得られたベクターを適当な宿主に導入した後、選択薬剤存在下で培養することにより、当該遺伝子と結合したベクターを含む大腸菌のみが生菌として得られる。
宿主としては、大腸菌 DH5α株などを例示することができる。選択マーカー遺伝子としては、アンピシリン耐性遺伝子(Amp)、クロラムフェニコール耐性遺伝子(Cm)、テトラサイクリン耐性遺伝子(Tc)、カナマイシン耐性遺伝子(Km)等を例示することができる。
【0033】
得られた形質転換体の混合物からプラスミドを回収し、制限酵素処理によって薬剤耐性マーカー遺伝子を除去した後、セルフライゲーションを生じせしめることにより、ペプチド導入蛋白質遺伝子ライブラリーの構築が完成する。
上記のようにして作製したプラスミドライブラリーから、分泌シグナル、導入ペプチドおよび被導入蛋白質をコードする塩基配列を含む領域(以下、「導入変異型蛋白質をコードする塩基配列を含む領域」と記す。) を切り出し、これを発現に適したベクター中のプロモーターの下流に連結することにより、発現型ベクターライブラリーを得ることができる。
【0034】
上記の導入変異型蛋白質をコードする塩基配列を含む領域はその 5'-末端に翻訳開始コドンとしてのATG を有し、また3'-末端には翻訳終始コドンとしてのTAA
、TGA またはTAG を有してもよい。
さらに該コーディング領域にコードされている蛋白質を発現させるにはその上流にプロモーターを接続する。
本発明で用いられるプロモーターとしては、遺伝子の発現に用いる宿主に対応して適切なプロモーターであればいかなるものでもよい。形質転換する宿主が枯草菌である場合には、SP01プロモーター、SP02プロモーター、penPプロモーターなど、宿主が酵母である場合には、PHO5プロモーター、PGK プロモーター、GAP プロモーター、ADH プロモーターなどが挙げられる。また、宿主が動物細胞である場合には、SV40由来のプロモーター、レトロウイルスのプロモーターが挙げられる。
【0035】
上記の組み換えDNAを含むベクターを宿主細胞に導入することにより、該ベクターを保持する形質転換体を製造する。
宿主細胞としては、目的に適切なものならば、いかなるものであってもよい。例えば、糖鎖付加配列ペプチドの導入による糖鎖付加変異蛋白質の発現を目的とする際には、蛋白質への糖鎖付加経路を有するもの、例えば、酵母 (例えばPichia pasto ris, Saccharomyces cerevisiae) 、動物細胞(例えばCOS cell, CHO cell, BHK cell, NIH3T3 cell, BALB/c3T3 cell, HUVE cell, LEII cell)、昆虫細胞(例えば、Sf-9 cell 、Tn cell )などを例示することができる。しかし、これらに限定されることはない。
【0036】
上記の形質転換は、それぞれの宿主について一般的に行われている方法で行う。また、一般的でなくとも適用可能な方法ならばよい。例としては、宿主が酵母であればリチウム法その他の方法により作成したコンピータント細胞に組み換え DNAを含むベクターを温度ショック法あるいはエレクトロポレーション法により導入する。宿主が動物細胞であれば、増殖期等の細胞に組み換え DNAを含むベクターをリン酸カルシウム法、リポフェクション法あるいはエレクトロポレーション法により導入する。
【0037】
このようにして得られた形質転換体を培地にて培養することにより、変異体蛋白質を産生させる。
形質転換体を培養する場合、培養に使用される培地としては、それぞれの宿主について一般的に用いられているものを用いる。または一般的でなくとも適用可能な培地ならば良い。例としては、宿主が酵母であればYPD培地などを用いる。宿主が動物細胞であれば、Dulbecco's MEMに動物血清を加えたものなどを用いる。
【0038】
培養は、それぞれの宿主について一般的に用いられている条件で行う。また一般的でなくとも適用可能な条件ならばよい。例としては、宿主が酵母であれば約25〜37℃で、約12時間〜2週間行い、必要により通気や撹拌を加えることができる。宿主が動物細胞であれば約32〜37℃で、5% CO2、100%湿度の条件で約24時間〜2週間行い、必要により気相の条件を変えたり撹拌を加えることができる。
【0039】
当該発現型ベクターライブラリーの中から、機能改変変異体を選択する際には、該蛋白質の性質に基づき、適当な方法を選択する。
例えば、FGF-1蛋白質にペプチドを導入し、増殖因子活性の変化した変異体を選択する際には、次に示す一連の手法を適用するが、これに限定されるものではない。
まず、FGF-1特異的な増殖を示す浮遊細胞株を取得し、これを宿主として発現型ベクターライブラリーを遺伝子導入し、これを以下の機能改変変異型 FGF-1選択系に供する。
【0040】
FGF-1特異的な増殖を示す細胞株としては、FGFレセプターを遺伝子導入したマウス(pro B 細胞株) Ba/F3などが挙げられるが、これに限定されるわけではない。
上記の発現型ベクターライブラリーを遺伝子導入した細胞株を限界希釈し、ヘパリンおよびウシ胎児血清を含む液体培地中で培養すると、機能改変変異型 FGF-1分泌クローンはオートクラインもしくはパラクラインによって、コロニーを形成する。
当該クローンを選択後、RT-PCR等によって、発現 FGFの遺伝子配列を解析することによって、機能改変 FGF-1の構造すなわち導入ペプチドの至適部位を決定することができる。
【0041】
得られた機能改変変異型 FGF-1分泌株から機能改変変異型 FGF-1を得るには、培養液中に放出されたものを、遠心分離後の上澄み液から直接回収できる。また、培養菌体あるいは細胞から抽出する場合には、培養後、ホモジェナイザー、フレンチプレス、超音波、リゾチームおよび/または凍結融解によって菌体あるいは細胞を破壊することにより菌体外に目的のタンパク質を溶出させ、可溶性の画分から該タンパク質を得ることができる。また目的のタンパク質が不溶性画分に含まれる場合は菌体あるいは細胞を破壊後、遠心分離により不溶性画分を回収し、塩酸グアニジンなどを含む緩衝液などによって可溶性にして回収する方法も用いうる。このほか塩酸グアニジンなどのタンパク質変性剤を含む緩衝液によって直接菌体あるいは細胞を破壊し、菌体外に目的のタンパク質を溶出させる方法もある。
【0042】
上記上澄み液から機能改変変異型 FGF-1を精製するには、公知の分離・精製法を適切に組み合わせて行うことができる。これらの公知の分離、精製法としては、塩析、溶媒沈殿、透析、限外濾過、ゲル濾過、SDSポリアクリルアミドゲル電気泳動、イオン交換クロマトグラフィー、アフィニティークロマトグラフィー、逆相高速液体クロマトグラフィー、等電点電気泳動などが使用されうる。さらに、多くのヘパリン結合性タンパク質については、ヘパリンセファロースを担体としたアフィニティークロマトグラフィー法が適用できる。
【0043】
このようにして得られた標品は機能改変変異型 FGF-1の活性が損なわれない限りにおいて透析、凍結乾燥を行い、乾燥粉末とすることもできる。さらに、担体として血清アルブミンなどを添加して保存することは、標品の容器への吸着を防ぐのに有効である。
また、精製過程、あるいは保存過程での微量の還元剤の共存は、該標品の酸化を防ぐのに好適である。還元剤としては、βメルカプトエタノール、ジチオスレイトール、グルタチンなどが挙げられる。
本発明の機能改変変異型FGF-1は、化学的な方法でペプチドを蛋白質に導入することにより、製造することもできる。
以上、機能改変変異型FGF-1を例にとり本発明を説明したが、ヘパリン結合性タンパク質以外の蛋白質についても無作為な部位にアミノ酸またはペプチドを導入することができる。
【0044】
【微生物の寄託】
本発明の機能改変変異型FGF-1をコードする遺伝子(配列番号24、26、28、30、32および34のDNA配列をそれぞれ有する。)を組み込んだプラスミドpMEXneoを含む大腸菌DH5α株は、工業技術院生命工学工業技術研究所に寄託番号FERM P-17181、FERM P-17182、FERM P-17183、FERM P-17184、FERM P-17185およびFERM P-17186にて、平成11年1月28日に寄託された。
【0045】
【実施例】
以下、実施例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
〔実施例〕
[1]実施例の概要
以下、実施例として、N-型糖鎖付加を受ける配列を、繊維芽細胞増殖因子 FGF-1の一次構造上の無作為な位置に導入する方法を示し、本発明を具体的に説明する。
【0046】
[2]ペプチド挿入変異体 secFGF-1 cDNAの構築
1)secFGF-1プラスミドの構築
1. FGF-1a/pBluescript II (KS+)プラスミドの作成
ヒト FGF-1 cDNAを、J. Exp. Med. (1992), 175 (4), 1073-1080に従い、ヒトcDNAライブラリーより単離した。単離されたヒト FGF-1 cDNAを鋳型とし、# 967 (5'-GCG TCG ACA GCG CTA ATT ACA AGA AGC CCA AAC TC-3')(配列番号12)および # 630 (5'-CCG AAT TCG AAT TCT TTA ATC AGA AGA GAC TGG-3')(配列番号13)をプライマーとして PCR反応を行った。特異的に増幅された 434塩基対のバンドを電気泳動により分離し、これを抽出後、 EcoR I および Sal Iで二重切断した。得られた、422 塩基対のバンドを分離抽出し、これを、EcoR I, Sal I で二重切断した pBluescript II (KS+) クローニングベクター (2934塩基対、Stratageneより購入) に挿入して、FGF-1a/pBluescript II (KS+) を得た。
FGF-1a/pBluescript II (KS+) を Aor51H I および Sal Iで順次消化し、得られた2626塩基対のバンドを分離抽出し、以下に示す連結反応に用いた。
【0047】
2.マウス FGF-6<NQ> cDNA 断片の作成
マウス FGF-6 cDNAを、Oncogene (1990), 5(6), 823-31に従い、マウスcDNAライブラリーより単離した。単離したマウス FGF-6 cDNAを鋳型とし、# 105 (5'-GCG TCG ACC CAC CAT GTC-3')(配列番号14)および # 124 (5'-GCG ATA TCC AGT AGC GTG CCT TGG GCG CG-3') (配列番号15)をプライマーとして PCR反応を行った。特異的に増幅された 138塩基対のバンドを電気泳動により分離し、これを抽出後、EcoR Vおよび Sal Iで二重切断した。得られた、130 塩基対のバンドを分離抽出し、以下に示す連結反応に用いた。
【0048】
3. secFGF-1 遺伝子の作成
マウス FGF-6の PCR産物の EcoR V/Sal I 断片、及び FGF-1a/pBluescript II (KS+)の Aor51H I/Sal I 断片を DNA連結反応に供し、secFGF-1/pBluescript II (KS+)ベクターを得た。さらにこれを、EcoR Iおよび Sal Iで二重切断し、得られた、540 塩基対のバンドを分離抽出した。これを、EcoR I, Sal I で二重切断した pMEXneo発現ベクター (5916塩基対、Dr. M. Barbacid, Mol. Cell. Biol. (1989) 9(1), 24-33)に挿入して、この工程の最終産物である secFGF-1 遺伝子を得た。この発現型ベクターは、配列番号5の塩基配列を含む。
【0049】
2)DNase I による一カ所切断
上記により得られた sec FGF-1/pBluescript II (KS+) プラスミド 10 ugを 10 mM MgCl2を含む溶液中で、DNase I (400 pg)で 37 度 5分間処理した。反応生成物を 1.4 %アガロースゲル電気泳動により分離し、3474塩基対の位置に泳動される DNA断片を回収、精製し、以下に示す連結反応に用いた。
【0050】
3)NLS-Cm断片の作成
NLS-Cm断片はフレーム1、2、3の3通りを作成した。これは、導入ペプチドのフレームがそれを導入される蛋白質のフレームと一致するクローンを多数取得するためである。
【0051】
1. NLS-Cmフレーム1の作成
クロラムフェニコール耐性遺伝子を含むプラスミド pCmを鋳型として、# 3n+1F (5'-gcgcgcgtttaaacttaagcatcggcacgtaagaggttccaactt-3')(配列番号16)、および# 3n+1R (5'-atatatatcccgggcttaagttacgccccgccctgccactca-3')(配列番号17)をプライマーとして PCR反応を行った。特異的に増幅された741塩基対のバンドを電気泳動により分離し、これを抽出後、Pme I および Sma I で二重切断した。得られた、720塩基対のバンドを分離抽出し、NLS-Cmフレーム1を得て、以下に示す連結反応に用いた。
【0052】
2. NLS-Cmフレーム2の作成
pCm を鋳型として、# 3n+2F (5'-atatatcgcgaacttaagcatcggcacgtaagaggttccaac-3')(配列番号18)、および# 3n+2R (5'-atatatatgccggcttaagttacgccccgccctgccactca-3')(配列番号19)をプライマーとして PCR反応を行った。特異的に増幅された739塩基対のバンドを電気泳動により分離し、これを抽出後、Nae I および Nru Iで二重切断した。得られた、720塩基対のバンドを分離抽出し、NLS-Cmフレーム2を得て、以下に示す連結反応に用いた。
【0053】
3. NLS-Cmフレーム3の作成
pCm を鋳型として、# 3nF (5'-gcgcgcgttaacttaagcatcggcacgtaagaggttccaactt-3')(配列番号20)、および# 3nR (5'-atataagcgcttaagttacgccccgccctgccactca-3')(配列番号21)をプライマーとして PCR反応を行った。特異的に増幅された734塩基対のバンドを電気泳動により分離し、これを抽出後、Hinc II および Aor51H I で二重切断した。得られた、717塩基対のバンドを分離抽出し、NLS-Cmフレーム3を得て、以下に示す連結反応に用いた。
【0054】
4)ライゲーション
DNase I処理した secFGF-1/pBluescript II (KS+)プラスミド、及び、NLS-Cmフレーム1あるいはNLS-Cmフレーム2あるいはNLS-Cmフレーム3を DNAリガーゼを用いた DNA連結反応に供した。
反応生成物を用いて、大腸菌 DH5αを形質転換し、これを 30 ug/ml のクロラムフェニコール、 50 ug/ml のアンピシリンを含む LB 培地中で18時間、培養した。
【0055】
増殖した大腸菌からプラスミドを回収、精製し、制限酵素 Afl II で切断した。反応生成物を 1.4 %アガロースゲル電気泳動により分離し、4194あるいは4191塩基対の位置に泳動される DNA断片を回収、精製し、DNA リガーゼを用いた DNA連結反応を行うことによりセルフライゲーション(自己結合)させた。これを用いて、再び大腸菌 DH5αを形質転換し、 50 ug/ml のアンピシリンを含む LB 培地中で18時間、培養した。
【0056】
増殖した大腸菌のうち6種を選択し、その大腸菌からプラスミド DNA (A, B, C, D, E及びF)を回収、精製し、そのヌクレオチド配列をサイクルシークエンス法によって解読した。その結果、N-型糖鎖付加を受ける配列をコードする DNAが導入された secFGF-1 の構造(配列番号24、26、28、30、32および34の DNA配列をそれぞれ有する。)が明らかになった。これらプラスミドに含まれる糖鎖付加配列導入 secFGF-1 cDNAを以下に示すように発現ベクターへの組み込みに用いた。なお、配列番号24、26、28、30、32および34の DNA配列配列がコードするアミノ酸配列を配列番号25、27、29、31、33および35にそれぞれ示す。
以上の操作の概略を図4に示す。
【0057】
5)発現ベクターへの組み込み
得られたプラスミドA、B、C、D、E及びFを、EcoR Iおよび Sal Iで二重切断し、アガロースゲル電気泳動上、552あるいは549塩基対のバンドを分離抽出した。これを、EcoR I、 Sal Iで二重切断した pMEXneo発現ベクター (5916塩基対) に挿入して、G、H、I、J、K及びLを得た。
【0058】
[3]挿入配列の機能性の確認
secFGF-1の一次構造上の無作為な位置に導入されたN-型糖鎖付加を受ける配列が機能していることを以下の方法により確認した。N-型糖鎖付加を受ける配列をコードする DNAが導入された secFGF-1 発現ベクターG、H、I、J、K及びLを、マウスpro B 細胞株Ba/F3 に遺伝子導入し、ジェネテイシン存在下で培養することによって遺伝子導入細胞を選択し、単一クローンを得た。これらの細胞抽出液を調製し、発現された蛋白質を含むこの抽出液の一部をN-型糖鎖を特異的に切断する酵素であるN-グリカナーゼで消化した。未処理のものと消化物をそれぞれSDSポリアクリルアミドゲル電気泳動、イムノブロットにより解析した。図5に示すように、6種のベクターの発現産物であるそれぞれの蛋白質が全て N-グリカナーゼにより低分子量化したことから、N-型糖鎖による修飾を受けたことが確認された。図5中、(-)は未処理、(+)は酵素処理後の各機能改変変異型 FGF-1のイムノブロットを示す。白三角は secFGF-1 の蛋白質骨格のサイズを示す。1はFERM P-17185、2はFERM P-17182、3はFERM P-17181、4はFERM P-17183、5はFERM P-17186、6はFERM P-17184のcDNA配列の発現産物である。N-グリカナーゼ処理によりsecFGF-1の蛋白質骨格のサイズに低分子量化したことから、すべての機能改変変異型 FGF-1が N-型糖鎖修飾を受けたことが確認された。
【0059】
[4]機能改変変異型 FGF-1の選択
1)FGF 特異的標的細胞株の作成
FGFレセプター(サブタイプ R1c)の発現ベクター (Dr. D.M. Ornitzより供与、J. Biol. Chem. (1996) 271(25), 15292-15297) を、マウスpro B 細胞株Ba/F3 (理化学研究所 細胞開発銀行 RCB No. 0805)に遺伝子導入し、ジェネテイシン存在下で培養することによって遺伝子導入細胞(FGF-R1c/BaF3細胞) を選択した。IL-3非存在下、10 ng/ml FGF-1、10 ug/mlヘパリン、10 %牛胎児血清を含む RPMI 1640培地中で増殖する単一クローンを用いて以下の実験に用いる。
【0060】
2)発現ベクターへの組み込み
得られたプラスミドを、EcoRIおよびSalIで2重切断し、アガロースゲル電気泳動上、552あるいは549塩基対のバンドを分離抽出した。これを、EcoRI、SalIで2重切断したpMEXneo発現ベクター(5916塩基対)に挿入して、NLS secFGF-1/pMEXneoを得た。
【0061】
3)当該標的細胞株への遺伝子導入
得られた NLS sec FGF-1/pMEXneoベクターをエレクトロポレーション法によって FGF-R1c/BaF3細胞に遺伝子導入し、100 ug/ml ヘパリン、10 %牛胎児血清を含む RPMI 1640培地中で培養する。14日後、コロニーを形成したクローンを選択し、このクローンが生産、分泌する機能改変変異体 secFGF-1 を、以下の解析に用いる。
【0062】
4)機能改変変異型 secFGF-1 の遺伝子の取得
当該クローンを通常培地(IL-3源として 10 % WEHI培養上清、10 %牛胎児血清を含む RPMI 1640培地)中で培養し、グアニジンイソチアネート法によって、その total RNAを回収する。これをランダムヘキサマーをプライマーとする逆転写反応に供し、得られた cDNA を鋳型として #956 (5'-TCTTCCgATAgACTgCgTCg-3')(配列番号22)及び #957 (5'-CATTCTAgTTgTggTTTgTCC-3') (配列番号23)をプライマーとして PCR反応を行う。この反応生成物を EcoR I、 Sal Iで二重切断し、EcoR I、 Sal Iで二重切断した pMEXneoベクター (5916塩基対) に挿入して、NLS-secFGF-1/pMEXneoを得た。その DNA配列をサイクルシークエンス法によって解読し、機能改変変異型 FGF-1の構造が得られた。そのDNA配列は配列番号30および32に示すものであった。
【0063】
[3]機能改変変異型 FGF-1の生産
1)遺伝子導入と大量生産
配列番号30および32に示すDNA配列を含む発現ベクターをリポフェクション法によってCHO-K1細胞(チャイニーズハムスター卵巣細胞 K1 亜株、理化学研究所 細胞開発銀行 RCB 0285)に遺伝子導入し、ジェネテイシン存在下で培養することによって遺伝子導入細胞を選択した。得られる細胞を培養皿ほぼいっぱいになるまで増やし、培地を無血清培地に交換することによって物質生産量を増大させた。2日毎に培地を交換し、得られた馴化培地は低速遠心分離した後、その上清を4℃で保存した。
【0064】
2)機能改変変異型 FGF-1の精製
機能改変変異型 FGF-1分泌細胞の馴化培地にヘパリンセファロースビーズを加え、4℃で2時間以上攪拌した。低速遠心によって沈降するビーズを回収し、生理的リン酸緩衝液( PBS : phosphate buffered saline, pH 7.4)で十分に洗浄後、2.5 M NaClを含む PBSによってヘパリン固定化ビーズに結合した蛋白質を溶出した。さらにこの溶出液に蒸留水を加え塩濃度を低下させた後、再び、ヘパリン親和性アフィニテイービーズを充填した高速液体クロマトグラフィーに供し、NaClの濃度勾配によって機能改変変異型 FGF-1を溶出した。
【0065】
〔試験例1〕
FGFレセプター発現細胞株FGF-R1c/BaF3に対するDNA合成促進活性
FGF-R1c/BaF3の培養液から、IL-3を除去後、直ちに機能改変変異型 FGF-1および10 ug/mlヘパリン、10 %ウシ胎児血清を含む培地を加える。36時間培養後、放射標識されたチミジンを4時間取り込ませ、この間に DNA中に取り込まれた放射能によって新たに合成された DNA量とする。
【0066】
〔試験例2〕
ヒト血管内皮細胞の増殖促進におけるヘパリン依存性
HUVEC(ヒト臍帯由来血管内皮細胞)は 15 % 血清存在下でもFGFなどの増殖因子が欠乏すると細胞周期が停止する。このような状態においたHUVEC(Exp. Cell Res. (1987) 172, 92-100に従って調製した。) に機能改変変異型 FGF-1を添加し、18時間後、放射標識されたチミジンを6時間取り込ませて、この間にDNA 中に取り込まれた放射能によって新たに合成された DNA量とする。
【0067】
[試験例3]
細胞表面レクチン結合活性
糖鎖を認識する細胞表面膜タンパク質に対する結合活性を評価した。非還元末端ガラクトースを認識するマクロファージレクチン (ML) の cDNA の発現ベクター(J. Biochem., (1992) 111, 331-336に従い、マウス腹腔マクロファージ cDNA ライブラリーより単離し、pMEXneoベクターに組み込んだ。)をFGFレセプターを持たない Ba/F3細胞に遺伝子導入し、ジェネテイシン存在下で培養することによって遺伝子導入細胞を選択した (ML/BaF3 細胞)。この ML/BaF3細胞を標識された機能改変変異型 FGF-1と混合し、インキュベーション後、遠心により細胞を回収し、培地で洗浄し、細胞に結合している機能改変変異型 FGF-1の量を測定した。特異的に結合している量は、ラクトースを含む培地によって解離する量として評価した。その結果、機能改変変異型FGF-1 は、糖鎖の効果として細胞表面に結合する量が有為に多いことが示された。
【0068】
[試験例4]
肝細胞に対する結合活性、細胞内移行活性と細胞増殖促進活性
糖鎖を認識する性質のある膜タンパク質を細胞表面に有する細胞に対する結合活性、細胞内移行活性および増殖促進活性を評価した。肝細胞は、その細胞表面に FGFレセプターと、非還元末端ガラクトースを認識するアシアロ糖蛋白質レセプターをもつ。肝細胞及びその類縁細胞に機能改変変異型 FGF-1を添加し、試験例3と同様に結合量を測定した。その結果、機能改変変異型 FGF-1は、糖鎖の効果として細胞表面に結合する量が有為に多いことが示された。また細胞内に取り込まれた量を測定した。その結果、機能改変変異型 FGF-1は、糖鎖の効果として細胞内に取り込まれる量が有為に多いことが示された。また細胞を標識されていない機能改変変異型 FGF-1と混合し、18時間後、細胞増殖をあらわすDNA合成量を放射標識されたチミジンの取り込みによって評価した。その結果、機能改変変異型 FGF-1は、糖鎖の効果として細胞増殖促進活性が有為に変化していることが示された。
【0069】
【発明の効果】
本発明により、蛋白質一次配列上の無作為な位置にペプチドを挿入する技術が提供された。この技術は、蛋白質に人為的に変異を導入する際の、導入部位の至適化に有効な手段となる。これによって、試行錯誤的な変異導入を行わずとも、系統的な変異体の作成が可能となる。
【0070】
【配列表】

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【0071】
【配列表フリーテキスト】
配列番号7は、アミノ酸配列Asn-leu-Serをコードするヌクレオチド配列を示す。
配列番号8は、アミノ酸配列Ala-Thr-Pro-Ala-Proをコードするヌクレオチド配列を示す。
配列番号9は、アミノ酸配列Ser-Gly-Ser-Glyをコードするヌクレオチド配列を示す。
配列番号10は、プロテオグリカンのコアタンパク質の部分配列をコードするヌクレオチド配列を示す。
【0072】
配列番号12は、#967プライマーのヌクレオチド配列を示す。
配列番号13は、#630プライマーのヌクレオチド配列を示す。
配列番号14は、#105プライマーのヌクレオチド配列を示す。
配列番号15は、#124プライマーのヌクレオチド配列を示す。
配列番号16は、#3n+1Fプライマーのヌクレオチド配列を示す。
配列番号17は、#3n+1Rプライマーのヌクレオチド配列を示す。
【0073】
配列番号18は、#3n+2Fプライマーのヌクレオチド配列を示す。
配列番号19は、#3n+2Rプライマーのヌクレオチド配列を示す。
配列番号20は、#3nFプライマーのヌクレオチド配列を示す。
配列番号21は、#3nRプライマーのヌクレオチド配列を示す。
配列番号22は、#956プライマーのヌクレオチド配列を示す。
配列番号23は、#957プライマーのヌクレオチド配列を示す。
【0074】
配列番号24は、FERM P-17181に導入されている変異型FGF-1遺伝子のヌクレオチド配列を示す。
配列番号26は、FERM P-17182に導入されている変異型FGF-1遺伝子のヌクレオチド配列を示す。
配列番号28は、FERM P-17183に導入されている変異型FGF-1遺伝子のヌクレオチド配列を示す。
配列番号30は、FERM P-17184に導入されている変異型FGF-1遺伝子のヌクレオチド配列を示す。
配列番号32は、FERM P-17185に導入されている変異型FGF-1遺伝子のヌクレオチド配列を示す。
配列番号34は、FERM P-17186に導入されている変異型FGF-1遺伝子のヌクレオチド配列を示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、代表的硫酸化多糖・グリコサミノグリカン糖鎖の構造を示す。
【図2】図2は、代表的N-型糖鎖の構造を示す。G はガラクトース、GNはN-アセチルグルコサミン、M はマンノース、F はフコース、Sia はシアル酸を示す。
【図3】図3は、代表的O-型糖鎖構造を示す。G はガラクトース、GalNAcはN-アセチルガラクトサミンを示す。
【図4】図4は、ペプチド挿入変異体secFGF-1 cDNAの構築を示す。
【図5】図5は、FERM P-17185、FERM P-17182、FERM P-17181、FERM P-17183、FERM P-17186およびFERM P-17184に導入された変異型FGF-1のcDNAの発現産物の未処理(−)、N-グリカナーゼによる処理後(+)のイムノブロットを示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a mutant protein in which an arbitrary amino acid or peptide is introduced at a random site on the primary structure of the protein, a method for producing a library of the mutant protein, and live performance of cDNA encoding the mutant protein. The present invention relates to a method for manufacturing a rally.
[0002]
[Prior art]
In order to modify the primary structure of a protein that is a linear polymer of amino acids, a genetic engineering technique has been conventionally used in addition to a chemical technique. Modification of protein structure using genetic engineering techniques may result in amino acid substitution, deletion, or introduction by translating the base substitution, deletion, or introduction into the DNA structure. It has been done in general.
However, the introduction of such mutations can only introduce specific mutations at the intended specific site, and cannot be introduced at unintended random sites.
[0003]
In addition, in the prior art, in order to produce various mutant proteins, it was necessary to individually create and isolate cDNAs encoding the respective mutant proteins.
In recent years, elucidation of functional domains has progressed through the study of protein structure-activity relationships, and techniques have been developed to introduce heterogeneous peptides having various functions on the primary structure of any protein. In order to determine the introduction position, it had to be by trial and error.
[0004]
Furthermore, in recent years, with the understanding of the importance of sugar chains of glycoproteins on the function of the protein part, peptides having a sequence that can add sugar chains onto the primary structure of known proteins are introduced to introduce sugar chains. Although the technology for generating the amino acid was developed, the optimization of the introduction position of the glycosylated sequence amino acid was only by trial and error.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to obtain a protein having no modified structure-activity relationship information that leads to functional modification or a protein having a modified function by modifying the structure of a protein for which functional modification cannot be predicted. The object is to provide a technique for producing a protein variant library in which an arbitrary amino acid or peptide is introduced at a site. It is another object of the present invention to provide a technique for optimizing an amino acid or peptide introduction site for obtaining an intended function-modified protein by selecting a protein having a desired function from the mutant library.
[0006]
Another object of the present invention is to obtain a protein having a modified function by introducing a sugar chain modification into a protein having no structure-activity relationship information that leads to functional modification or a protein for which functional modification cannot be predicted. It is an object of the present invention to provide a technique for producing a sugar chain-modified protein mutant library in which sugar chain-modified amino acids or peptides are introduced at random sites. Furthermore, by selecting a glycoprotein that has changed to a desired function from this glycosylated mutant library, the glycosylated amino acid or peptide introduction site for obtaining the intended functionally modified glycoprotein is optimized. To provide technology.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors cut a circular plasmid containing cDNA encoding a protein at a random position at one position, and DNA encoding an amino acid or peptide at this site. Through the introduction, a technique for introducing an amino acid or a peptide at an arbitrary position on the primary structure of the translated protein was completed. This makes it possible to construct a mutant library in which amino acids or peptides are introduced at various sites on the primary structure of the protein.
[0008]
The present inventors succeeded in producing secFGF-1 as a sugar chain-modified protein by applying the technique to the secreted simple protein secFGF-1 and introducing various glycosylated amino acids. In the present specification, “FGF” refers to fibroblast growth factor.
Furthermore, the present inventors also completed a technique for selecting a functionally modified secFGF-1 from the library, and as a result, completed a technique for completing a functional modification by introducing a mutation into a protein in a single step.
The present invention has been completed based on such findings.
[0009]
That is, the present invention is characterized in that a cDNA encoding a protein is incorporated into a circular plasmid, the circular plasmid is cleaved at one position at random positions, and a DNA encoding an amino acid or peptide is introduced into this cleavage site. The present invention provides a method for preparing a library of cDNAs encoding variants in which amino acids or peptides are introduced at random sites on the primary structure of proteins. In the present specification, “a library of cDNA encoding variants in which amino acids or peptides are introduced at random sites on the primary structure of a protein” refers to amino acids or random sites on the primary structure of a protein. A group of cDNAs encoding various mutants into which peptides have been introduced. These cDNAs are usually in a state of being incorporated into a vector such as a plasmid or a virus.
[0010]
The cDNA library production method of the present invention comprises the following steps:
(A) incorporating a cDNA encoding the protein into a circular plasmid;
(B) cleaving the circular plasmid at one position at random positions;
(C) DNA encoding an amino acid or peptide is introduced into the cleavage site of the plasmid, where an additional nucleotide is added to the 5 ′ end side and / or 3 ′ end side of the DNA encoding the amino acid or peptide. Making it possible to obtain a clone whose amino acid or peptide frame matches the frame of the protein into which it is introduced,
(D) introducing a plasmid into which a DNA encoding the amino acid or peptide is introduced into a host cell to obtain a transformant;
(E) recovering the plasmid from the transformant;
(F) a step of cutting out DNA in a region containing DNA encoding an amino acid or peptide and cDNA encoding a protein from the recovered plasmid;
(G) a step of incorporating the excised DNA into an expression vector;
(H) introducing the expression vector into a host cell; and
(I) a step of expressing a protein variant in the host cell
May be included. In step (c), DNA encoding an amino acid or peptide is introduced into the plasmid cleavage site in a state of being linked to the selection marker gene, and in step (d), based on the expression of the selection marker gene. A transformant is selected and the selection marker gene is removed in the step (f).
[0011]
The present invention also provides a library of cDNA encoding variants in which amino acids or peptides are introduced at random sites on the primary structure of the protein, and the protein mutations encoded by the cDNA in this library Provided is a method for producing a library of protein variants, characterized by expressing a body. In the present specification, the “protein variant library” refers to a group of various protein variants.
[0012]
Furthermore, the present invention creates a library of cDNAs encoding variants in which amino acids or peptides are introduced at random sites on the primary structure of the protein, and protein mutations encoded by the cDNAs in this library The present invention provides a method for producing a protein variant, characterized by selecting a cell expressing the body, expressing a cell expressing the target protein variant, and causing the cell to produce the protein variant. The protein variant production method of the present invention comprises the following steps:
(A) preparing a cell line showing a specific response to a protein;
(B) a step of preparing a cDNA library by introducing into the cell line an expression vector incorporating a cDNA encoding a variant having an amino acid or peptide introduced at a random site on the primary structure of the protein;
(C) detecting the response and selecting a cell that exhibits the response; and
(D) A step of culturing the selected cells and recovering the target protein variant from the culture solution and / or the cultured cells.
May be included.
[0013]
Any protein may be used as a protein to be mutated. Examples include factors belonging to the FGF family and related factors, factors belonging to the heparin-binding growth factor family, and related factors, and more specifically, the following (a) to (f ) Protein.
(A) A protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 (FGF-1a).
(B) A protein having an FGF-1 activity, comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, added or modified in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2.
[0014]
(C) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 (FGF-6 / 1a).
(D) A protein having an FGF-6 / 1a activity, comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, added or modified in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4.
(E) A protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 6 (secFGF-1).
(F) A protein having a secFGF-1 activity, comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, added or modified in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 6.
[0015]
The amino acid or peptide to be introduced may be any amino acid or any peptide consisting of two or more amino acids, and in particular, a functional peptide is preferable because it can be expected to alter the protein function.
For example, a glycosylation mutant can be created by introducing an amino acid or peptide capable of undergoing glycosylation.
Peptides that can undergo addition of sugar chains include Asn-X-Ser, Asn-X-Thr, Y-Thr-Pro-Z-Pro, Ser-Gly (X, Y, and Z are any amino acids), etc. And a wide variety of peptides containing these are included.
[0016]
When the sugar chain is a sulfated polysaccharide or glycosaminoglycan, the peptide capable of undergoing addition of the sugar chain may be a proteoglycan core protein or a part thereof. When the sugar chain is an N-type sugar chain (asparagine-linked sugar chain), the peptide capable of undergoing addition of the sugar chain is preferably a peptide containing an N-type sugar chain-added amino acid sequence. When the sugar chain is an O-type sugar chain (serine / threonine-linked sugar chain), the peptide capable of undergoing addition of the sugar chain is preferably a peptide containing an O-type sugar chain-added amino acid sequence.
[0017]
Furthermore, the present invention provides a novel protein variant that can be produced by the above protein variant production method. Examples of protein mutants include mutants of factors belonging to the FGF family or related factors, factors belonging to the heparin-binding growth factor family, or mutants of similar factors. For example, mutants of the proteins (a) to (f) above, specifically, FGF-1 mutants containing the amino acid sequence of SEQ ID NO: 25, 27, 29, 31, 33, or 35 can be mentioned.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, any protein may be used as a protein into which an amino acid or peptide is introduced. The amino acid or peptide to be introduced may be any amino acid or peptide.
Hereinafter, as a specific example, an example in which a peptide containing a sugar chain-binding sequence is introduced into heparin-binding growth factor FGF-1 is shown, but the present invention is not limited thereto.
As a protein into which a peptide is introduced, for example, any one of the following proteins (a) to (f) may be used.
[0019]
(A) A protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2 (FGF-1a).
(B) A protein having an FGF-1 activity, comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, added or modified in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2.
(C) a protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4 (FGF-6 / 1a).
(D) A protein having an FGF-6 / 1a activity, comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, added or modified in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 4.
(E) A protein comprising the amino acid sequence of SEQ ID NO: 6 (secFGF-1).
(F) A protein having a secFGF-1 activity, comprising an amino acid sequence in which one or several amino acids are deleted, substituted, added or modified in the amino acid sequence of SEQ ID NO: 6.
[0020]
The proteins having the amino acid sequences of SEQ ID NOs: 2, 4, and 6 are encoded by the DNA sequences of SEQ ID NOs: 1, 3, and 5, respectively.
Some of these proteins include peptide sequences capable of undergoing addition of sugar chains and signal peptide sequences in addition to peptide sequences of factors belonging to the FGF family.
The heparin-binding protein and FGF referred to in the present specification are for the purpose of secretion called a signal peptide that is present at the amino terminus when secreted from cells, in addition to the protein that is primarily defined by the cDNA described in the sequence listing. It includes proteins in the form of truncated peptide sequences.
[0021]
Hereinafter, although the example which introduce | transduces the peptide containing a sugar_chain | carbohydrate coupling | bonding sequence is shown as a specific example, this invention is not limited to this.
Examples of sugar chains covalently bound to proteins include sulfated polysaccharides such as heparan sulfate and chondroitin sulfate, glycosaminoglycans, N-type sugar chains, and O-type sugar chains, but are not limited thereto. There is nothing.
The sulfated polysaccharide as used in the present specification refers to an extension starting from xylose bound to a serine residue existing in the primary structure of a protein, or to the non-reducing end side of an N-type sugar chain or an O-type sugar chain described later. It is a collective term for various sugar chain structures that extend or exist in a free state, many of which have a repeating structure of disaccharide units of amino sugar and uronic acid (or galactose), and several hydroxyl groups or amino groups Is substituted with a sulfate group.
[0022]
Further, glycosaminoglycans include those having the same structure but not substituted with sulfate groups. In the present specification, these are collectively referred to as sulfated polysaccharides and the like. The specific structure is described in “Fate of sugar chains in cells” (Nagai, Hakomori, Kiso, Kodansha Scientific), and a typical sugar chain sequence is shown in FIG.
The N-type sugar chain as used herein is a general term for various sugar chain structures extending from N-acetylglucosamine bound to an asparagine residue existing in the primary structure of a protein. The specific structure is described in “Fate of sugar chain in cells” (Nagai, Hakomori, Kiso, Kodansha Scientific), and a typical sugar chain sequence is shown in FIG.
[0023]
The O-type sugar chain as used herein is a general term for various sugar chain structures extending from N-acetylgalactosamine bound to a serine residue or threonine residue in the primary structure of a protein. The specific structure is described in “Fate of sugar chains in cells” (Nagai, Hakomori, Kiso, Kodansha Scientific), and a typical sugar chain sequence is shown in FIG.
These sulfated polysaccharides, such as N-type sugar chains and O-type sugar chains, may have additions, deletions, substitutions or modifications as part of their sugar chain sequences as long as they function. .
[0024]
In the present specification, “functional modification” means that the activity of a target protein is changed. Examples of functional modifications include not only simple modification of physiological activity (proliferation promoting activity, differentiation promoting activity, etc.), but also changes in the necessity of cofactors required for activity expression, resistance to heat, acid or alkali Examples include changes in physical stability such as changes, changes in biological stability indicated by changes in blood half-life, and the like.
An example of a method for producing a glycosylated FGF-1 by introducing a peptide containing a glycosylated sequence into secretory FGF-1 will be described below.
[0025]
For the cDNA of the protein into which the peptide is introduced, design appropriate primers from sequences registered in gene banks such as DDBJ (Japan DNA Data Bank), and perform RT-PCR (reverse transcription PCR) from the mRNA of the tissue of the animal. Can be obtained.
By ligating the obtained cDNA to an appropriate plasmid, the construction of the gene encoding the protein is completed. Any plasmid can be used as long as it can be replicated and maintained in the host. Examples include pBR322 and pUC18 derived from E. coli, and pET-3c constructed based on these plasmids. be able to.
[0026]
In addition, when the protein is a non-secretory protein that does not have a secretion signal, a secretory protein can be obtained by adding an appropriate secretion signal to the 5′-terminus, and the glycosylation pathway. In addition, it is possible to facilitate purification and activity confirmation. As an appropriate secretion signal, for example, the amino terminus of a typical secretory glycoprotein can be used, and specific examples include an amino acid having 40 residues from the N-terminus of mouse FGF-6.
[0027]
By subjecting the obtained plasmid to an appropriate treatment, the vector can be cleaved at one site at an arbitrary site. This treatment includes 10 mM Mg 2+ Examples include, but are not limited to, DNase I treatment and sonication in the presence. 10 mM Mg 2+ If DNase I treatment in the presence is 37 ° C within 5 minutes, the frequency of cleavage at two or more sites in the plasmid can be suppressed.
The cleaved vector can be separated from the uncut vector by, for example, subjecting it to agarose electrophoresis or the like.
[0028]
DNA encoding the peptide to be introduced can be obtained by arbitrary synthesis based on the amino acid translation codon table. Alternatively, it is also possible to obtain cDNA encoding a naturally occurring functional peptide by the method described above.
For example, amino acid sequences that undergo N-type glycosylation include Asn-X-Thr and Asn-X-Ser (wherein X is an arbitrary amino acid). Examples thereof include, but are not limited to, DNA containing the DNA sequence shown in SEQ ID NO: 7.
[0029]
For example, the amino acid sequence that undergoes O-type glycosylation includes X-Thr-Pro-X-Pro (wherein X is an arbitrary amino acid). Although the DNA containing the DNA sequence shown in SEQ ID NO: 8 is exemplified, it is not limited thereto.
For example, the amino acid sequence that undergoes glycosaminoglycan addition includes the Ser-Gly repeat sequence, and the DNA encoding this includes, for example, the DNA comprising the DNA sequence shown in SEQ ID NO: 9, It is not limited to.
[0030]
For example, another amino acid sequence that undergoes glycosaminoglycan addition includes a partial sequence of the core protein of proteoglycan, and examples of DNA encoding this include DNA containing the DNA sequence shown in SEQ ID NO: 10. However, it is not limited to these. The amino acid sequence encoded by the DNA sequence shown in SEQ ID NO: 10 is shown in SEQ ID NO: 11.
Selection of the introduced mutant can be facilitated by fusing a selection marker gene (for example, a drug resistance gene) to both ends, one end, or the inside of the DNA encoding the peptide. At this time, an appropriate adapter sequence can be used. When a selectable marker gene is fused inside, it can be designed to be a DNA sequence encoding the peptide by removing it and then performing self-ligation.
[0031]
Furthermore, by using a mixture of the fusion gene of DNA encoding the peptide and the selection marker gene, or a mixture obtained by adding a nucleotide having the number of bases of 3n (n is an integer) at one end, It is also possible to align the reading frame of protein genes.
By introducing a fragment of the fusion gene between the DNA encoding the peptide and the selectable marker gene with a vector cleaved at one place, the introduction of the cDNA encoding the peptide into the protein gene is completed. Examples of this binding method include the method described in T. Maniatis et al., Molecular Cloning, Cold Spring Harbor Laboratory, p. 239 (1982), and specifically, molecular biology such as a method using DNA ligase. It is possible to apply a method generally used in the above.
[0032]
After introducing the obtained vector into a suitable host and culturing in the presence of a selective drug, only E. coli containing the vector bound to the gene can be obtained as a living cell.
Examples of the host include E. coli DH5α strain. Examples of selectable marker genes include ampicillin resistance gene (Amp), chloramphenicol resistance gene (Cm), tetracycline resistance gene (Tc), kanamycin resistance gene (Km), and the like.
[0033]
The plasmid is recovered from the obtained mixture of transformants, the drug resistance marker gene is removed by restriction enzyme treatment, and self-ligation is caused to complete the construction of the peptide-introduced protein gene library.
From the plasmid library prepared as described above, a region containing a base sequence encoding a secretory signal, an introduced peptide and a protein to be introduced (hereinafter referred to as “region containing a base sequence encoding an introduced mutant protein”). Is cut out and ligated downstream of a promoter in a vector suitable for expression, whereby an expression vector library can be obtained.
[0034]
The region containing the base sequence encoding the introduced mutant protein has ATG as a translation initiation codon at the 5′-end, and TAA as a translation termination codon at the 3′-end.
, TGA or TAG.
Furthermore, in order to express the protein encoded by the coding region, a promoter is connected upstream thereof.
The promoter used in the present invention may be any promoter as long as it is suitable for the host used for gene expression. When the host to be transformed is Bacillus subtilis, examples include SP01 promoter, SP02 promoter, penP promoter, and when the host is yeast, examples include PHO5 promoter, PGK promoter, GAP promoter, ADH promoter and the like. When the host is an animal cell, examples include SV40-derived promoters and retrovirus promoters.
[0035]
By introducing a vector containing the above recombinant DNA into a host cell, a transformant carrying the vector is produced.
Any host cell may be used as long as it is suitable for the purpose. For example, when the purpose is to express a glycosylation mutant protein by introducing a glycosylated sequence peptide, those having a glycosylation pathway to the protein, such as yeast (for example, Pichia pasto ris, Saccharomyces cerevisiae), animals Examples include cells (for example, COS cells, CHO cells, BHK cells, NIH3T3 cells, BALB / c3T3 cells, HUVE cells, LEII cells), insect cells (for example, Sf-9 cells, Tn cells) and the like. However, it is not limited to these.
[0036]
The transformation is performed by a method generally performed for each host. Any method that can be applied may be used if it is not general. For example, if the host is yeast, a vector containing the recombinant DNA is introduced into a competent cell prepared by the lithium method or other methods by a temperature shock method or an electroporation method. If the host is an animal cell, a vector containing recombinant DNA is introduced into cells in the growth phase or the like by the calcium phosphate method, lipofection method or electroporation method.
[0037]
A mutant protein is produced by culturing the transformant thus obtained in a medium.
When the transformant is cultured, a medium generally used for each host is used as the medium used for the culture. Or, if it is not general, it may be an applicable medium. As an example, if the host is yeast, YPD medium or the like is used. If the host is an animal cell, use Dulbecco's MEM supplemented with animal serum.
[0038]
Culturing is performed under conditions generally used for each host. Moreover, it is sufficient if the condition is applicable even if it is not general. As an example, if the host is yeast, it is carried out at about 25 to 37 ° C. for about 12 hours to 2 weeks, and if necessary, aeration or stirring can be added. If the host is an animal cell, at about 32-37 ° C, 5% CO 2 It can be carried out under conditions of 100% humidity for about 24 hours to 2 weeks. If necessary, the gas phase conditions can be changed and stirring can be added.
[0039]
When selecting a function-modified mutant from the expression vector library, an appropriate method is selected based on the properties of the protein.
For example, when a peptide is introduced into the FGF-1 protein and a mutant having altered growth factor activity is selected, the following series of techniques are applied, but the present invention is not limited thereto.
First, a floating cell line exhibiting FGF-1-specific growth is obtained, and this is used as a host for gene transfer of an expression vector library, which is then subjected to the following function-modified mutant FGF-1 selection system.
[0040]
Examples of cell lines exhibiting FGF-1 specific proliferation include, but are not limited to, mouse (pro B cell line) Ba / F3 into which FGF receptor has been introduced.
When the cell line transfected with the above expression vector library is serially diluted and cultured in a liquid medium containing heparin and fetal calf serum, the function-modified mutant FGF-1 secreting clone is colonized by autocrine or paracrine. Form.
After selecting the clone, the structure of the function-modified FGF-1, that is, the optimal site of the introduced peptide can be determined by analyzing the gene sequence of the expressed FGF by RT-PCR or the like.
[0041]
In order to obtain the function-modified mutant FGF-1 from the obtained function-modified mutant FGF-1 secreting strain, one released in the culture medium can be directly recovered from the supernatant after centrifugation. In addition, when extracting from cultured cells or cells, the target protein is removed from the cells by culturing the cells or cells by homogenizer, French press, ultrasonic wave, lysozyme and / or freeze-thawing. And the protein can be obtained from the soluble fraction. In addition, when the target protein is contained in the insoluble fraction, a method in which the cells or cells are destroyed, the insoluble fraction is collected by centrifugation, and is made soluble by a buffer solution containing guanidine hydrochloride or the like and collected. In addition, there is a method in which cells or cells are directly destroyed with a buffer solution containing a protein denaturant such as guanidine hydrochloride, and the target protein is eluted outside the cells.
[0042]
In order to purify the function-modified mutant FGF-1 from the supernatant, known separation and purification methods can be combined appropriately. These known separation and purification methods include salting out, solvent precipitation, dialysis, ultrafiltration, gel filtration, SDS polyacrylamide gel electrophoresis, ion exchange chromatography, affinity chromatography, reverse phase high performance liquid chromatography, etc. Electric point electrophoresis or the like can be used. Furthermore, for many heparin-binding proteins, affinity chromatography methods using heparin sepharose as a carrier can be applied.
[0043]
The preparation thus obtained can be dialyzed and freeze-dried to obtain a dry powder as long as the activity of the function-modified mutant FGF-1 is not impaired. Furthermore, adding serum albumin or the like as a carrier and storing it is effective for preventing adsorption of the sample to the container.
Further, the coexistence of a trace amount of reducing agent in the purification process or storage process is suitable for preventing oxidation of the sample. Examples of the reducing agent include β-mercaptoethanol, dithiothreitol, glutatin and the like.
The function-modified mutant FGF-1 of the present invention can also be produced by introducing a peptide into a protein by a chemical method.
As described above, the present invention has been described taking the function-modified mutant FGF-1 as an example. However, amino acids or peptides can be introduced at random sites in proteins other than heparin-binding proteins.
[0044]
[Deposit of microorganisms]
The Escherichia coli DH5α strain containing the plasmid pMEXneo incorporating the gene encoding the function-modified mutant FGF-1 of the present invention (having the DNA sequences of SEQ ID NOs: 24, 26, 28, 30, 32 and 34, respectively) On January 28, 1999 at the Institute of Biotechnology, National Institute of Biotechnology, with deposit numbers FERM P-17181, FERM P-17182, FERM P-17183, FERM P-17184, FERM P-17185 and FERM P-17186 Deposited.
[0045]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is shown and this invention is demonstrated concretely, this invention is not restrict | limited to the following Example.
〔Example〕
[1] Outline of the embodiment
Hereinafter, as an example, a method for introducing a sequence undergoing N-type glycosylation to a random position on the primary structure of the fibroblast growth factor FGF-1 will be described to specifically explain the present invention.
[0046]
[2] Construction of peptide insertion mutant secFGF-1 cDNA
1) Construction of secFGF-1 plasmid
1. Preparation of FGF-1a / pBluescript II (KS +) plasmid
Human FGF-1 cDNA was isolated from a human cDNA library according to J. Exp. Med. (1992), 175 (4), 1073-1080. Using isolated human FGF-1 cDNA as a template, # 967 (5'-GCG TCG ACA GCG CTA ATT ACA AGA AGC CCA AAC TC-3 ') (SEQ ID NO: 12) and # 630 (5'-CCG AAT TCG PCR reaction was performed using AAT TCT TTA ATC AGA AGA GAC TGG-3 ′) (SEQ ID NO: 13) as a primer. The specifically amplified 434 base pair band was separated by electrophoresis, extracted, and then double cut with EcoR I and Sal I. The resulting 422 base pair band was separated and extracted and inserted into pBluescript II (KS +) cloning vector (2934 base pairs, purchased from Stratagene) double-cut with EcoR I and Sal I. 1a / pBluescript II (KS +) was obtained.
FGF-1a / pBluescript II (KS +) was sequentially digested with Aor51H I and Sal I, and the resulting 2626 base pair band was separated and extracted and used in the ligation reaction shown below.
[0047]
2.Mouse FGF-6 <NQ> Creation of cDNA fragment
Mouse FGF-6 cDNA was isolated from a mouse cDNA library according to Oncogene (1990), 5 (6), 823-31. Using isolated mouse FGF-6 cDNA as a template, # 105 (5'-GCG TCG ACC CAC CAT GTC-3 ') (SEQ ID NO: 14) and # 124 (5'-GCG ATA TCC AGT AGC GTG CCT TGG GCG CG -3 ′) PCR reaction was performed using (SEQ ID NO: 15) as a primer. The specifically amplified 138 base pair band was separated by electrophoresis, extracted, and then double cut with EcoR V and Sal I. The resulting 130 base pair band was separated and extracted and used for the ligation reaction shown below.
[0048]
3. Creation of secFGF-1 gene
The mouse FGF-6 PCR product EcoR V / Sal I fragment and the FGF-1a / pBluescript II (KS +) Aor51H I / Sal I fragment were subjected to DNA ligation, and the secFGF-1 / pBluescript II (KS +) vector was used. Obtained. Furthermore, this was double-cut with EcoR I and Sal I, and the resulting band of 540 base pairs was separated and extracted. This was inserted into pMEXneo expression vector (5916 base pairs, Dr. M. Barbacid, Mol. Cell. Biol. (1989) 9 (1), 24-33) double-cut with EcoR I and Sal I, The final product of this process, secFGF-1 gene, was obtained. This expression vector includes the base sequence of SEQ ID NO: 5.
[0049]
2) One-point cutting with DNase I
10 ug of sec FGF-1 / pBluescript II (KS +) plasmid obtained as above was added to 10 mM MgCl 2 The solution was treated with DNase I (400 pg) at 37 degrees for 5 minutes. The reaction products were separated by 1.4% agarose gel electrophoresis, and the DNA fragment migrated at the position of 3474 base pairs was recovered and purified, and used for the ligation shown below.
[0050]
3) Creation of NLS-Cm fragment
NLS-Cm fragments were created in three ways: frames 1, 2, and 3. This is because a large number of clones in which the frame of the introduced peptide matches the frame of the protein into which it is introduced are obtained.
[0051]
1. Creation of NLS-Cm frame 1
Using plasmid pCm containing the chloramphenicol resistance gene as a template, # 3n + 1F (5'-gcgcgcgtttaaacttaagcatcggcacgtaagaggttccaactt-3 ') (SEQ ID NO: 16) and # 3n + 1R (5'-atatatatcccgggcttaagttacgccccgccctgccactca-3') sequence PCR reaction was performed using 17) as a primer. The specifically amplified 741 base pair band was separated by electrophoresis, extracted, and then double-cut with Pme I and Sma I. The obtained band of 720 base pairs was separated and extracted to obtain NLS-Cm frame 1, which was used for the ligation reaction shown below.
[0052]
2. Creation of NLS-Cm frame 2
PCR reaction was performed using pCm as a template and # 3n + 2F (5'-atatatcgcgaacttaagcatcggcacgtaagaggttccaac-3 ') (SEQ ID NO: 18) and # 3n + 2R (5'-atatatatgccggcttaagttacgccccgccctgccactca-3') (SEQ ID NO: 19) as primers. It was. The specifically amplified 739 base pair band was separated by electrophoresis, extracted, and then double-cut with Nae I and Nru I. The obtained band of 720 base pairs was separated and extracted to obtain NLS-Cm frame 2, which was used for the ligation reaction shown below.
[0053]
3. Creation of NLS-Cm frame 3
PCR reaction was performed using pCm as a template and # 3nF (5'-gcgcgcgttaacttaagcatcggcacgtaagaggttccaactt-3 ') (SEQ ID NO: 20) and # 3nR (5'-atataagcgcttaagttacgccccgccctgccactca-3') (SEQ ID NO: 21) as primers. The specifically amplified 734 base pair band was separated by electrophoresis, extracted, and then double cut with Hinc II and Aor51H I. The obtained band of 717 base pairs was separated and extracted to obtain NLS-Cm frame 3, which was used for the ligation reaction shown below.
[0054]
4) Ligation
The DNase I-treated secFGF-1 / pBluescript II (KS +) plasmid and NLS-Cm frame 1, NLS-Cm frame 2, or NLS-Cm frame 3 were subjected to a DNA ligation reaction using DNA ligase.
The reaction product was used to transform E. coli DH5α, which was cultured for 18 hours in LB medium containing 30 ug / ml chloramphenicol and 50 ug / ml ampicillin.
[0055]
The plasmid was recovered from the grown Escherichia coli, purified, and cleaved with the restriction enzyme Afl II. Separation of reaction products by 1.4% agarose gel electrophoresis, recovery and purification of DNA fragments migrating to 4194 or 4191 base pairs, and self-ligation by DNA ligation using DNA ligase ) Using this, Escherichia coli DH5α was transformed again and cultured in LB medium containing 50 ug / ml ampicillin for 18 hours.
[0056]
Six types of Escherichia coli grown were selected, plasmid DNA (A, B, C, D, E and F) was collected from the E. coli and purified, and the nucleotide sequence was decoded by the cycle sequence method. As a result, the structure of secFGF-1 (having the DNA sequences of SEQ ID NOs: 24, 26, 28, 30, 32, and 34, respectively) into which DNA encoding a sequence that undergoes N-type glycosylation has been introduced is apparent. became. The glycosylated sequence-introduced secFGF-1 cDNA contained in these plasmids was used for incorporation into an expression vector as shown below. The amino acid sequences encoded by the DNA sequence sequences of SEQ ID NOs: 24, 26, 28, 30, 32 and 34 are shown in SEQ ID NOs: 25, 27, 29, 31, 33 and 35, respectively.
The outline of the above operation is shown in FIG.
[0057]
5) Incorporation into expression vector
The resulting plasmids A, B, C, D, E and F were double-cut with EcoR I and Sal I, and 552 or 549 base pair bands were separated and extracted on agarose gel electrophoresis. This was inserted into a pMEXneo expression vector (5916 base pairs) double-cut with EcoR I and Sal I to obtain G, H, I, J, K and L.
[0058]
[3] Confirmation of functionality of inserted sequence
It was confirmed by the following method that the sequence receiving N-type glycosylation introduced at random positions on the primary structure of secFGF-1 was functioning. Introducing secFGF-1 expression vectors G, H, I, J, K, and L, into which DNA encoding a sequence that undergoes N-type glycosylation has been introduced, into mouse pro B cell line Ba / F3 Transgenic cells were selected by culturing in the presence of single clones. These cell extracts were prepared, and a part of this extract containing the expressed protein was digested with N-glycanase, an enzyme that specifically cleaves N-type sugar chains. Untreated and digested samples were analyzed by SDS polyacrylamide gel electrophoresis and immunoblotting, respectively. As shown in FIG. 5, since all the proteins that are expression products of the six types of vectors were reduced in molecular weight by N-glycanase, it was confirmed that they were modified by N-type sugar chains. In FIG. 5, (−) indicates untreated, and (+) indicates an immunoblot of each function-modified mutant FGF-1 after enzyme treatment. The white triangle indicates the size of the protein backbone of secFGF-1. 1 is FERM P-17185, 2 is FERM P-17182, 3 is FERM P-17181, 4 is FERM P-17183, 5 is FERM P-17186, 6 is the expression product of the cDNA sequence of FERM P-17184. Since the molecular weight of the protein backbone of secFGF-1 was reduced by N-glycanase treatment, it was confirmed that all function-modified mutant FGF-1 was modified with N-glycans.
[0059]
[4] Selection of function-modified mutant FGF-1
1) Creation of FGF-specific target cell lines
An FGF receptor (subtype R1c) expression vector (provided by Dr. DM Ornitz, J. Biol. Chem. (1996) 271 (25), 15292-15297) was obtained from the mouse pro B cell line Ba / F3 (RIKEN) Gene-transfected cells (FGF-R1c / BaF3 cells) were selected by introducing the gene into Cell Development Bank RCB No. 0805) and culturing in the presence of geneticin. A single clone growing in RPMI 1640 medium containing 10 ng / ml FGF-1, 10 ug / ml heparin, 10% fetal calf serum in the absence of IL-3 is used for the following experiments.
[0060]
2) Integration into expression vectors
The obtained plasmid was double-cut with EcoRI and SalI, and a band of 552 or 549 base pairs was separated and extracted on agarose gel electrophoresis. This was inserted into a pMEXneo expression vector (5916 base pairs) double-cut with EcoRI and SalI to obtain NLS secFGF-1 / pMEXneo.
[0061]
3) Gene transfer to the target cell line
The obtained NLS sec FGF-1 / pMEXneo vector is transfected into FGF-R1c / BaF3 cells by electroporation and cultured in RPMI 1640 medium containing 100 ug / ml heparin and 10% fetal bovine serum. After 14 days, a clone forming a colony is selected, and the function-modified mutant secFGF-1 produced and secreted by this clone is used for the following analysis.
[0062]
4) Acquisition of the gene of the function-modified mutant secFGF-1
The clone is cultured in a normal medium (RPM 1640 medium containing 10% WEHI culture supernatant and 10% fetal calf serum as an IL-3 source), and its total RNA is recovered by the guanidine isothiocyanate method. This was subjected to a reverse transcription reaction using random hexamers as primers, and the resulting cDNA was used as a template for # 956 (5'-TCTTCCgATAgACTgCgTCg-3 ') (SEQ ID NO: 22) and # 957 (5'-CATTCTAgTTgTggTTTgTCC-3') PCR reaction is performed using (SEQ ID NO: 23) as a primer. This reaction product was double-cut with EcoR I and Sal I and inserted into a pMEXneo vector (5916 base pairs) double-cut with EcoR I and Sal I to obtain NLS-secFGF-1 / pMEXneo. The DNA sequence was decoded by cycle sequencing, and the structure of the function-modified mutant FGF-1 was obtained. The DNA sequences were shown in SEQ ID NOs: 30 and 32.
[0063]
[3] Production of function-modified mutant FGF-1
1) Gene transfer and mass production
An expression vector containing the DNA sequences shown in SEQ ID NOs: 30 and 32 is introduced into CHO-K1 cells (Chinese hamster ovary cell K1 sub-line, RIKEN Cell Development Bank RCB 0285) by lipofection and cultured in the presence of geneticin. By doing so, transgenic cells were selected. The obtained cells were increased until the culture dish was almost full, and the substance production was increased by replacing the medium with a serum-free medium. The medium was changed every two days, and the conditioned medium obtained was centrifuged at low speed, and the supernatant was stored at 4 ° C.
[0064]
2) Purification of function-modified mutant FGF-1
Heparin sepharose beads were added to the conditioned medium of the functionally modified mutant FGF-1 secreting cells and stirred at 4 ° C. for 2 hours or more. The beads that settled by low-speed centrifugation were collected, washed thoroughly with physiological phosphate buffer (PBS: phosphate buffered saline, pH 7.4), and then the protein bound to the heparin-immobilized beads was eluted with PBS containing 2.5 M NaCl. . Distilled water was added to the eluate to reduce the salt concentration, and then the sample was again subjected to high performance liquid chromatography packed with heparin affinity affinity beads, and the function-modified mutant FGF-1 was eluted with a NaCl concentration gradient. did.
[0065]
[Test Example 1]
DNA synthesis promoting activity against FGF receptor-expressing cell line FGF-R1c / BaF3
Immediately after removing IL-3 from the culture solution of FGF-R1c / BaF3, a medium containing a function-modified mutant FGF-1, 10 ug / ml heparin, and 10% fetal bovine serum is added. After culturing for 36 hours, radiolabeled thymidine is incorporated for 4 hours, and the amount of DNA newly synthesized by the radioactivity incorporated into DNA during this period is obtained.
[0066]
[Test Example 2]
Heparin dependence in promoting proliferation of human vascular endothelial cells
HUVECs (human umbilical cord-derived vascular endothelial cells) stop the cell cycle when growth factors such as FGF are deficient even in the presence of 15% serum. HUVEC (Exp. Cell Res. (1987) 172 , 92-100. ) After adding the functionally-modified mutant FGF-1, the radiolabeled thymidine is incorporated for 6 hours, and the amount of DNA newly synthesized by the radioactivity incorporated into the DNA during this period is obtained.
[0067]
[Test Example 3]
Cell surface lectin binding activity
The binding activity to cell surface membrane proteins that recognize sugar chains was evaluated. Macrophage lectin (ML) cDNA expression vector that recognizes non-reducing terminal galactose (isolated from mouse peritoneal macrophage cDNA library according to J. Biochem., (1992) 111, 331-336 and incorporated into pMEXneo vector) Was introduced into Ba / F3 cells without FGF receptor and cultured in the presence of geneticin to select transgenic cells (ML / BaF3 cells). The ML / BaF3 cells are mixed with labeled functionally modified mutant FGF-1, and after incubation, the cells are collected by centrifugation, washed with medium, and the amount of functionally modified mutant FGF-1 bound to the cells. Was measured. The amount specifically bound was evaluated as the amount dissociated by the medium containing lactose. As a result, it was shown that the function-modified mutant FGF-1 has a significant amount of binding to the cell surface as an effect of the sugar chain.
[0068]
[Test Example 4]
Binding activity to hepatocytes, intracellular translocation activity and cell growth promoting activity
Binding activity, intracellular translocation activity, and growth promoting activity for cells having a membrane protein having a property of recognizing a sugar chain on the cell surface were evaluated. Hepatocytes have an FGF receptor and an asialoglycoprotein receptor that recognizes non-reducing terminal galactose on the cell surface. Function-modified mutant FGF-1 was added to hepatocytes and their related cells, and the amount of binding was measured in the same manner as in Test Example 3. As a result, it was shown that the amount of the function-modified mutant FGF-1 bound to the cell surface was significantly large as an effect of the sugar chain. The amount taken up into the cells was also measured. As a result, it was shown that the amount of function-modified mutant FGF-1 incorporated into cells as a sugar chain effect was significantly large. In addition, the cells were mixed with unlabeled function-modified mutant FGF-1, and 18 hours later, the amount of DNA synthesis representing cell proliferation was evaluated by incorporation of radiolabeled thymidine. As a result, it was shown that the cell growth promoting activity of the function-modified mutant FGF-1 significantly changed as an effect of the sugar chain.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, a technique for inserting a peptide at a random position on a protein primary sequence is provided. This technique is an effective means for optimizing the introduction site when artificially introducing a mutation into a protein. This makes it possible to create systematic mutants without trial and error.
[0070]
[Sequence Listing]
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[0071]
[Sequence Listing Free Text]
SEQ ID NO: 7 shows the nucleotide sequence encoding the amino acid sequence Asn-leu-Ser.
SEQ ID NO: 8 shows the nucleotide sequence encoding the amino acid sequence Ala-Thr-Pro-Ala-Pro.
SEQ ID NO: 9 shows the nucleotide sequence encoding the amino acid sequence Ser-Gly-Ser-Gly.
SEQ ID NO: 10 shows a nucleotide sequence encoding a partial sequence of the core protein of proteoglycan.
[0072]
SEQ ID NO: 12 shows the nucleotide sequence of # 967 primer.
SEQ ID NO: 13 shows the nucleotide sequence of # 630 primer.
SEQ ID NO: 14 shows the nucleotide sequence of # 105 primer.
SEQ ID NO: 15 shows the nucleotide sequence of # 124 primer.
SEQ ID NO: 16 shows the nucleotide sequence of # 3n + 1F primer.
SEQ ID NO: 17 shows the nucleotide sequence of # 3n + 1R primer.
[0073]
SEQ ID NO: 18 shows the nucleotide sequence of # 3n + 2F primer.
SEQ ID NO: 19 shows the nucleotide sequence of # 3n + 2R primer.
SEQ ID NO: 20 shows the nucleotide sequence of # 3nF primer.
SEQ ID NO: 21 shows the nucleotide sequence of # 3nR primer.
SEQ ID NO: 22 shows the nucleotide sequence of # 956 primer.
SEQ ID NO: 23 shows the nucleotide sequence of the # 957 primer.
[0074]
SEQ ID NO: 24 shows the nucleotide sequence of the mutant FGF-1 gene introduced into FERM P-17181.
SEQ ID NO: 26 shows the nucleotide sequence of the mutant FGF-1 gene introduced into FERM P-17182.
SEQ ID NO: 28 shows the nucleotide sequence of the mutant FGF-1 gene introduced into FERM P-17183.
SEQ ID NO: 30 shows the nucleotide sequence of the mutant FGF-1 gene introduced into FERM P-17184.
SEQ ID NO: 32 shows the nucleotide sequence of the mutant FGF-1 gene introduced into FERM P-17185.
SEQ ID NO: 34 shows the nucleotide sequence of the mutant FGF-1 gene introduced into FERM P-17186.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the structure of a representative sulfated polysaccharide / glycosaminoglycan sugar chain.
FIG. 2 shows the structure of a typical N-type sugar chain. G represents galactose, GN represents N-acetylglucosamine, M represents mannose, F represents fucose, and Sia represents sialic acid.
FIG. 3 shows a representative O-type sugar chain structure. G represents galactose, and GalNAc represents N-acetylgalactosamine.
FIG. 4 shows the construction of peptide insertion mutant secFGF-1 cDNA.
FIG. 5 shows the expression of cDNA of mutant FGF-1 introduced into FERM P-17185, FERM P-17182, FERM P-17181, FERM P-17183, FERM P-17186 and FERM P-17184. Shown are immunoblots of the product untreated (-) and after treatment with N-glycanase (+).

Claims (1)

蛋白質をコードするcDNAを環状プラスミドに組み込み、この環状プラスミドを10mM Mg+2存在下でDNaseI処理を37度、5分間以内の条件で処理して無作為な位置切断し、一カ所のみで切断された切断部位に、Asn-X-Ser、Asn-X-Thr、Y-Thr-Pro-Z-Pro及びSer-Glyからなる群(X、Y及びZは任意のアミノ酸)から選ばれる少なくとも1つの糖鎖結合アミノ酸配列をコードするDNA断片を導入する際に、そのDNA断片として、(1)糖鎖結合アミノ酸配列をコードするDNAの5’末端側に3n個のヌクレオチドを、3’末端側に3n個のヌクレオチドを付加したDNA断片、(2)糖鎖結合アミノ酸配列をコードするDNAの5’末端側に3n+1個のヌクレオチドを、3’末端側に3n+2個のヌクレオチドを付加したDNA断片、(3)糖鎖結合アミノ酸配列をコードするDNAの5’末端側に3n+2個のヌクレオチドを、3’末端側に3n+1個のヌクレオチドを付加したDNA断片、の混合物(上記(1)〜(3)において n は整数)を用いることにより、糖鎖結合部位のフレームがそれを導入される蛋白質のフレームと一致するクローンを取得できるようにすることを特徴とする、蛋白質の一次構造上の無作為な一カ所に糖鎖結合部位が導入された変異体をコードするcDNAのライブラリーを作製する方法。The cDNA encoding the protein is incorporated into a circular plasmid, and this circular plasmid is treated with DNaseI treatment in the presence of 10 mM Mg +2 at 37 ° C for 5 minutes or less , cutting at random positions and cutting only at one location. At least one selected from the group consisting of Asn-X-Ser, Asn-X-Thr, Y-Thr-Pro-Z-Pro and Ser-Gly (X, Y and Z are arbitrary amino acids) When introducing a DNA fragment encoding one sugar chain-binding amino acid sequence, (1) 3n nucleotides on the 5 ′ end side of the DNA encoding the sugar chain-binding amino acid sequence, DNA fragment with 3n nucleotides added to (2), 3n + 1 nucleotides added to the 5 'end of the DNA encoding the sugar chain-binding amino acid sequence, and 3n + 2 nucleotides added to the 3' end (3) 3n + 2 nucleotides at the 5 ′ end of the DNA encoding the sugar chain-binding amino acid sequence, and the 3 ′ end By using a mixture of DNA fragments added with 3n + 1 nucleotides on the end side ( where n is an integer in (1) to (3) above), the frame of the sugar chain binding site of the protein into which it is introduced A method for preparing a library of cDNAs encoding variants in which a sugar chain-binding site has been introduced at one random place on the primary structure of a protein, characterized in that clones matching the frame can be obtained .
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