JP4568723B2 - Artificial gene and artificial protein populations by random polymerization of multiple motif sequences - Google Patents

Artificial gene and artificial protein populations by random polymerization of multiple motif sequences Download PDF

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Description

本発明は、機能性人工遺伝子或いは機能性人工タンパク質の創出を目的とする、多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団、該人工遺伝子集団がコードする人工タンパク質集団、及びその作製法に関する。   The present invention relates to an artificial gene group in which multiple types of motif sequences are randomly polymerized, an artificial protein group encoded by the artificial gene group, and a method for producing the same, for the purpose of creating functional artificial genes or functional artificial proteins.

近年、創薬分野等への利用を中心に、ヒトゲノム遺伝子やタンパク質の機能解明の研究が進む中で、ポストゲノム研究として、新規遺伝子の機能の解析とタンパク質の機能解明が大規模に進行しつつあり、その成果として多くの遺伝子やタンパク質の機能が明らかにされつつある。この遺伝子やタンパク質の機能の解明により、その知識が蓄積するに伴って、合理的に新しい機能を持った人工の遺伝子及びタンパク質をデザイン・創製することへの期待と機運が高まってきた。この「合理的に新しい機能を持った人工の遺伝子及びタンパク質をデザイン・創製する」ことへの研究は、1980年代に蛋白工学(プロテイン・エンジニアリング)として誕生した(Science,219,666-671,1983)。しかし、その後、いくつかの人工タンパク質が創製されたものの、いまだに自由に新しいタンパク質をデザインできるといったレベルには達していない。   In recent years, research on elucidating the functions of human genome genes and proteins has been progressing mainly in the field of drug discovery, etc. As post-genomic research, analysis of new gene functions and protein functions have progressed on a large scale. As a result, the functions of many genes and proteins are being clarified. With the elucidation of the functions of genes and proteins, expectations and motivation to design and create artificial genes and proteins with reasonably new functions have increased with the accumulation of knowledge. This research into “designing and creating artificial genes and proteins with reasonably new functions” was born as protein engineering in the 1980s (Science, 219, 666-671, 1983). However, although several artificial proteins have been created since then, they have not yet reached the level where new proteins can be freely designed.

1990年代に入り、進化分子工学(試験管内分子進化法)が、人工分子の創製分野で大きな流れとなった。この進化分子工学においては、合理的に人工分子を設計するのではなく、予め無作為に準備したランダムな配列集団の中から、「選択」により目的とする機能・活性をもつ分子を得る戦略が採用されている(科学、67,938-947,1997)。すなわち、進化分子工学とは、(1)様々な配列多様性を持つコンビナトリアルな分子集団(DNAやタンパク質)から、目的の活性を持つわずかな分子を選択し、(2)その遺伝子を遺伝子増幅反応(PCR)により増幅した後に同様の反応を繰り返し、(3)目的の反応活性を有する人工分子を進化させるという手法である。現在この手法では、リボソームディスプレイやmRNAディスプレイなどの遺伝子-タンパク質融合技術を利用して機能性人工タンパク質の創製が試みられている。しかしながら従来の技術には以下のような問題点が存在する。(i)配列多様性を持ち、かつ目的の実験に適したDNA集団の有効な構築手法が確立されていない、(ii)リボソーム(mRNA)ディスプレイで選択できる人工タンパク質は、標的分子に結合する物質に限られ酵素活性や生体内で機能する分子の選択には不適である。   In the 1990s, evolutionary molecular engineering (in vitro molecular evolution) has become a major trend in the field of artificial molecule creation. In this evolutionary molecular engineering, instead of rationally designing artificial molecules, there is a strategy to obtain a molecule with the desired function / activity by “selection” from a random sequence group prepared in advance. Has been adopted (Science, 67,938-947,1997). In other words, evolutionary molecular engineering is: (1) Select a few molecules with the desired activity from a combinatorial molecular population (DNA or protein) with various sequence diversity; (2) Gene amplification reaction of the gene The same reaction is repeated after amplification by (PCR), and (3) an artificial molecule having the desired reaction activity is evolved. At present, this technique is attempting to create functional artificial proteins using gene-protein fusion technologies such as ribosome display and mRNA display. However, the conventional techniques have the following problems. (I) An artificial protein that has sequence diversity and has not yet been established as an effective construction method of a DNA population suitable for a target experiment is (ii) an artificial protein that can be selected by ribosome (mRNA) display; However, it is not suitable for the selection of molecules that are limited to enzyme activity and function in vivo.

天然には存在しない非凡な機能を持った人工タンパク質を進化分子工学的に創製する場合には、スクリーニングの母集団となる人工遺伝子多様性集団(ライブラリー)を、いかに巧妙に調製するかが成功の鍵を握る。このため、機能性分子を効果的に創出することを目的とした、人工遺伝子及び人工タンパク質集団作成法の開発が不可欠となる。人工遺伝子集団の調製法としては、error prone PCR法(PCR Methods Appl, 2:28-33, 1992)、DNA シャフリング法(Nature, 370:389-391, 1994)、又は、天然の遺伝子配列の一部若しくは全てをランダマイズ化した化学合成法が現在汎用されている。   Successful creation of an artificial genetic diversity population (library) that serves as the screening population when creating artificial proteins with unusual functions that do not exist in nature through evolutionary molecular engineering Hold the key. For this reason, it is indispensable to develop artificial genes and artificial protein population creation methods for the purpose of effectively creating functional molecules. Methods for preparing artificial gene populations include error prone PCR (PCR Methods Appl, 2: 28-33, 1992), DNA shuffling (Nature, 370: 389-391, 1994), or natural gene sequences. Chemical synthesis methods in which some or all are randomized are currently widely used.

error prone PCR法は、親遺伝子を鋳型としてマンガンイオン存在下でPCR増幅をおこなうことにより、親遺伝子にランダムに塩基置換を導入して変異体集団を調製する方法である。しかし、error prone PCR法で塩基置換変異導入効率を上げた場合に、アミノ酸置換のみならず、アミノ酸をコードするコドンがストップコドンに置換されてしまう確率も高くなってしまうといった問題が存在する。また、このerror prone PCR法では、変異の割合を上昇させるような条件では意図しない欠失変異が起こりやすく( Trends Biochem. Sci. 26:100-106, 2001)、その結果、他の読み枠にコードされているストップコドンが出現してしまう問題点を有している。そのため、error prone PCR法は、通常は低い変異導入率、すなわち、遺伝子あたり2から3塩基の置換、アミノ酸として1残基の変異率が導入されるような条件で行われる。このため、機能や基質親和性を大きく変化させる人工分子を創出することは難しいと考えられる。   The error prone PCR method is a method of preparing a mutant population by randomly introducing base substitutions into a parent gene by PCR amplification in the presence of manganese ions using the parent gene as a template. However, when the base substitution mutation introduction efficiency is increased by the error prone PCR method, there is a problem that not only amino acid substitution but also the probability that a codon encoding an amino acid is replaced with a stop codon is increased. In addition, in this error prone PCR method, unintended deletion mutations are likely to occur under conditions that increase the mutation rate (Trends Biochem. Sci. 26: 100-106, 2001). There is a problem that the coded stop codon appears. For this reason, the error prone PCR method is usually performed under such a condition that a mutation introduction rate is low, that is, a substitution rate of 2 to 3 bases per gene and a mutation rate of 1 residue as an amino acid are introduced. For this reason, it is considered difficult to create an artificial molecule that greatly changes its function and substrate affinity.

DNAシャッフリング法は、あるタンパク質をコードする遺伝子DNA及び配列相同性を持つ1つまたは複数の類似DNAを用いて、それらを試験管内で相同組み換えさせることにより、変異体集団を調製することができる。しかしながら、DNAシャッフリング法は相同組み換えを基本としているため、比較的類似した配列間での組み換えに限定される。即ち、配列類似性の低いDNA間でシャッフリングさせることは困難である。さらに、目的の変異体集団を得るためには、DNAの切断、連結といった一連の煩雑な操作が要求される。   In the DNA shuffling method, a mutant population can be prepared by homologous recombination in vitro using a gene DNA encoding a protein and one or more similar DNAs having sequence homology. However, since the DNA shuffling method is based on homologous recombination, it is limited to recombination between relatively similar sequences. That is, it is difficult to shuffle between DNAs having low sequence similarity. Furthermore, in order to obtain the target mutant population, a series of complicated operations such as DNA cleavage and ligation are required.

化学合成により天然の遺伝子配列の一部もしくは全てをランダマイズ化した遺伝子集団を用いる手法は、人工RNA酵素(リボザイム)など機能性核酸の作成において有効な効果を示しているが、機能性人工タンパク質の創製には至っていない。その理由としては、(1)ランダムに変異を導入した集団には、タンパク質翻訳を停止するストップコドンが高頻度で出現するため、長いORF(Open Reading Frame)をもつ遺伝子の作製は難しい、(2)20種類のタンパク質が構成する配列空間は、4種類の塩基から構成される核酸の配列空間と比較して広大なために、ランダムな配列集団から機能性タンパク質を選択することが極めて困難である、ことなどが挙げられる。   The method of using a gene population in which part or all of the natural gene sequence is randomized by chemical synthesis has been effective in the production of functional nucleic acids such as artificial RNA enzymes (ribozymes). It has not yet been created. The reasons for this are as follows: (1) Genes with long ORFs (Open Reading Frames) are difficult because stop codons that stop protein translation appear frequently in populations with random mutations. (2 ) Since the sequence space composed of 20 types of proteins is vast compared to the sequence space of nucleic acids composed of 4 types of bases, it is extremely difficult to select a functional protein from a random sequence population. , And so on.

近年、核酸やタンパク質の機能や構造に重要な役割を果たす短い配列(モチーフ配列)の役割に注目が集まっている。モチーフ配列を利用して人工遺伝子集団を作成する手法として、本発明者の発明した高分子マイクロ遺伝子重合体の作製手法(特許3415995号公報; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94:3805-3810, 1997)が挙げられる。この手法を用いることにより、全ての翻訳読み枠のストップコドンが排除された人工遺伝子を準備することができる。この方法は、あらかじめ終止コドンが排除された短いDNA配列(マイクロ遺伝子)をタンデムに重合し大きな翻訳読み枠を調製する方法である。更に、繰り返しの単位となるマイクロ遺伝子を、本発明者の発明した多機能塩基配列設計法(特開2001−352990号公報)を用い、三つの読み枠に目的の機能や構造に対応したモチーフ配列をコードするようにデザインすることから、潜在能力の高い人工遺伝子集団を調製することができる。   In recent years, attention has been focused on the role of short sequences (motif sequences) that play an important role in the function and structure of nucleic acids and proteins. As a technique for creating an artificial gene population using a motif sequence, a technique for producing a polymer microgene polymer invented by the present inventor (Japanese Patent No. 34159995; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94: 3805- 3810, 1997). By using this technique, it is possible to prepare an artificial gene from which all the translation reading frame stop codons are excluded. This method is a method of preparing a large translation reading frame by polymerizing a short DNA sequence (microgene) from which a stop codon has been eliminated in advance in tandem. Furthermore, a microgene serving as a repetitive unit is a motif sequence corresponding to a desired function or structure in three reading frames using the multifunctional base sequence design method invented by the present inventor (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-352990). Therefore, an artificial gene population with high potential can be prepared.

しかしながら克服すべき課題として、(1)人工遺伝子集団に導入できるモチーフの数が、読み枠の数に対応した三つに限定される、(2)配列多様性をもつ人工遺伝子集団作成のためには、マイクロ遺伝子重合反応の際に生じるランダムなフレームシフトに依存する、(3)目的の実験に応じてモチーフ配列の出現頻度を調節することが困難である、ことが挙げられる。 また、上記のマイクロ遺伝子重合体の作製手法(特許3415995号公報)は、マイクロ遺伝子の繰り返し重合体の作成を目的とするため、複数種のモチーフ配列をランダムに重合した遺伝子集団を作製するには至っていない。   However, problems to be overcome include: (1) The number of motifs that can be introduced into an artificial gene population is limited to three corresponding to the number of reading frames; (2) To create an artificial gene population with sequence diversity Depends on random frame shifts that occur during the microgene polymerization reaction, and (3) it is difficult to adjust the appearance frequency of motif sequences according to the target experiment. In addition, since the above-described microgene polymer production method (Japanese Patent No. 3419995) aims to create a repetitive polymer of microgenes, a gene population in which a plurality of types of motif sequences are randomly polymerized is produced. Not reached.

以上の背景から、天然には存在しない非凡な機能を持った人工タンパク質を進化分子工学的に創製する場合の成功の鍵となる人工遺伝子多様性集団(ライブラリー)を効果的に創出するために、複数種のモチーフ配列を少なくともその一部でコードするDNAのランダムな組み替え技術で、かつ用いるDNAの全体にわたっての配列類似性を必要としない組み替え技術及び長い翻訳読枠(Open Reading Frame;ORF)を有し、目的の実験に適応して自在にモチーフ配列の出現頻度を制御できるコンビナトリアルな人工遺伝子集団及び人工タンパク質集団作成技術の開発が求められている。   From the above background, in order to effectively create artificial gene diversity populations (libraries) that are the key to success when creating artificial proteins with unusual functions that do not exist in nature through evolutionary molecular engineering A random recombination technique for DNA encoding at least a part of a plurality of motif sequences, and a recombination technique and an open reading frame (ORF) that does not require sequence similarity throughout the DNA used Development of a combinatorial artificial gene population and artificial protein population creation technology that can freely control the appearance frequency of a motif sequence in accordance with a target experiment is required.

特許3415995号公報。Japanese Patent No. 3415999. 特開2001−352990号公報。JP 2001-352990 A. Science,219,666-671,1983。Science, 219, 666-671, 1983. 科学、67,938-947,1997。Science, 67,938-947,1997. PCR Methods Appl, 2:28-33, 1992。PCR Methods Appl, 2: 28-33, 1992. Nature, 370:389-391, 1994。Nature, 370: 389-391, 1994. Trends Biochem. Sci. 26:100-106, 2001。Trends Biochem. Sci. 26: 100-106, 2001. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94:3805-3810, 1997。Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94: 3805-3810, 1997.

本発明の課題は、機能性人工遺伝子或いは機能性人工タンパク質の効果的な創出を目的として、多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団、該人工遺伝子集団がコードする人工タンパク質集団、及びその作製法を提供すること、更には、少なくともその一部でモチーフ配列をコードし、全体にわたっての高い配列類似性を条件としないDNAをランダムに重合することができ、かつ、ストップコドンの出現を回避した一本鎖DNAをランダムに重合することで、長い翻訳読枠(ORF)を有するDNA配列のランダム重合を可能とした、コンビナトリアルな人工遺伝子及び人工タンパク質集団の作製方法を提供することにある。   An object of the present invention is to effectively create a functional artificial gene or a functional artificial protein, an artificial gene group in which multiple types of motif sequences are randomly polymerized, an artificial protein group encoded by the artificial gene group, and the Providing a production method, and furthermore, at least part of it encodes a motif sequence, can randomly polymerize DNA that is not subject to high overall sequence similarity, and avoids the appearance of stop codons It is an object of the present invention to provide a method for producing a combinatorial artificial gene and an artificial protein population that can randomly polymerize DNA sequences having a long translation reading frame (ORF) by randomly polymerizing the single-stranded DNA.

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討の結果、任意のモチーフ配列をコードする配列を含む一本鎖DNAを少なくても3種以上構築し、その一本鎖DNA配列の末端配列の一部に互いに相補的塩基対を形成できるような塩基配列を導入し、該多種の一本鎖DNAを任意の割合で混合して、DNAポリメラーゼを作用させることにより、相補的塩基対の組合わせと多種の一本鎖DNAのそれぞれの濃度等による塩基対の形成の頻度により、多数種のモチーフ配列をコードするDNA間でのランダムな重合反応を進行させることが可能であり、かつ、全体にわたっての高い配列類似性を条件としない、少なくともその一部でモチーフ配列をコードするDNA間でのランダムな組み替え、及び長い翻訳読枠(ORF)を有するDNA配列のランダム重合が可能であることを見い出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventor constructed at least three kinds of single-stranded DNAs containing sequences encoding arbitrary motif sequences, and determined the terminal sequence of the single-stranded DNA sequence. Complementary base pair combinations by introducing base sequences that can form complementary base pairs with each other, mixing the various single-stranded DNAs at an arbitrary ratio, and allowing DNA polymerase to act It is possible to proceed a random polymerization reaction between DNAs encoding many types of motif sequences depending on the frequency of base pair formation depending on the concentration of each of the various single-stranded DNAs, etc. A DNA sequence having a long translational reading frame (ORF) and random recombination between DNAs encoding a motif sequence in at least a part thereof, which is not subject to high sequence similarity. It found that dam polymerization is possible, thereby completing the present invention.

すなわち、本発明は、任意のモチーフ配列をコードする配列を含む一本鎖DNAの少なくても3種以上のDNA配列を構築し、該一本鎖DNA配列の末端配列の一部が互いに相補的塩基対を形成できるように、相補的塩基配列を導入し、該方法により構築した多種の一本鎖DNAを任意の割合で混合した反応液にDNAポリメラーゼを作用させることにより、モチーフ配列をコードするDNA間でのランダムな重合反応を進行させ、多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団を作製することからなる。本発明におけるのモチーフ配列としては、少なくても3種以上、望ましくは4種以上のモチーフ配列をそれぞれ存在させた一本鎖DNAを構築することが望ましい。   That is, the present invention constructs at least three or more DNA sequences of single-stranded DNA containing a sequence encoding an arbitrary motif sequence, and part of the terminal sequences of the single-stranded DNA sequence are complementary to each other. A complementary base sequence is introduced so that base pairs can be formed, and a DNA polymerase is allowed to act on a reaction mixture in which various single-stranded DNAs constructed by the method are mixed at an arbitrary ratio, thereby encoding a motif sequence. The process consists of proceeding a random polymerization reaction between DNAs to produce an artificial gene group in which a large number of motif sequences are randomly polymerized. As the motif sequence in the present invention, it is desirable to construct a single-stranded DNA in which at least 3 types, preferably 4 or more types of motif sequences exist, respectively.

本発明において、一本鎖DNA配列の末端配列の一部の相補的塩基対は、通常、3´末端に導入することができ、該相補的塩基対の数は6塩基以上であることが好ましい。該相補的塩基対の両端には、相手の塩基と対にならない塩基を1塩基以上、好ましくは1〜3の範囲で存在させ、DNAポリメラーゼによる重合反応の効率を上げることができる。本発明において、任意のモチーフ配列をコードする配列を含む一本鎖DNAは、機能モチーフ配列、構造モチーフ配列、進化分子工学的に取得された人工ペプチド配列、又はタンパク質工学的な知識に基いてデザインされた配列に基いて構築されたマイクロ遺伝子であることができ、該マイクロ遺伝子の構築に際しては、合成する一本鎖DNA配列内で、予め各翻訳読み枠で、停止コドンを排除しておくことができる。また、本発明においては、多数種モチーフ配列をコードする一本鎖DNAに制限酵素認識配列を付加することで、ランダム重合反応で利用されるモチーフ配列の出現頻度を制限酵素反応により直接モニターできるように人工遺伝子集団の作製を行うことができる。   In the present invention, a part of the complementary base pair of the terminal sequence of the single-stranded DNA sequence can usually be introduced at the 3 ′ end, and the number of the complementary base pairs is preferably 6 bases or more. . At both ends of the complementary base pair, one or more bases that are not paired with the partner base are present in the range of 1 to 3 bases, preferably in the range of 1 to 3, thereby increasing the efficiency of the polymerization reaction by the DNA polymerase. In the present invention, a single-stranded DNA containing a sequence encoding an arbitrary motif sequence is designed based on a functional motif sequence, a structural motif sequence, an artificial peptide sequence obtained by evolutionary molecular engineering, or protein engineering knowledge. A microgene constructed on the basis of the determined sequence. When constructing the microgene, the stop codon is excluded in advance in each translation reading frame within the single-stranded DNA sequence to be synthesized. Can do. Further, in the present invention, by adding a restriction enzyme recognition sequence to a single-stranded DNA encoding many kinds of motif sequences, the frequency of appearance of motif sequences used in random polymerization reactions can be directly monitored by restriction enzyme reactions. In addition, an artificial gene population can be prepared.

本発明の、多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法により作製された人工遺伝子集団は、更に、この人工遺伝子集団を翻訳し、人工タンパク質に変換することで、多数種モチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団を作製することができる。該人工タンパク質集団の作製に際して、本発明においては、多数種モチーフ配列をコードする一本鎖DNAを塩基変異、欠損を挿入することなくランダムに重合して人工遺伝子集団を作製し、該人工遺伝子集団を翻訳することでフレームシフトに依存せずに、多数種モチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団を作製することができる。また、本発明においては、多数種モチーフ配列をコードする一本鎖DNAを塩基変異、欠損を挿入しつつランダムに重合して人工遺伝子集団を作製し、該人工遺伝子集団を翻訳することでフレームシフトに依存して、多数種モチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団を作製することができる。このようにして、調製される本発明の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団、或いは、多種のモチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団は、それらの集団について、機能性遺伝子或いは機能性タンパク質をスクリーニングすることにより機能性人工遺伝子又は機能性人工タンパク質を創出することができる。   The artificial gene population produced by the method for producing an artificial gene population in which a large number of motif sequences are randomly polymerized according to the present invention is further translated by translating the artificial gene population into an artificial protein. It is possible to produce an artificial protein population in which is inserted randomly. In producing the artificial protein population, in the present invention, an artificial gene population is prepared by randomly polymerizing single-stranded DNAs encoding multiple types of motif sequences without inserting base mutations or deletions. By translating, an artificial protein population in which a large number of motif sequences are randomly inserted can be produced without depending on frame shift. Further, in the present invention, a single-stranded DNA encoding a plurality of motif sequences is randomly polymerized while inserting base mutations and deletions to produce an artificial gene population, and the artificial gene population is translated to produce frame shifts. Depending on the above, an artificial protein population in which a large number of motif sequences are randomly inserted can be prepared. Thus prepared artificial gene populations in which multiple types of motif sequences of the present invention are randomly polymerized, or artificial protein populations into which various motif sequences are randomly inserted, functional genes or functions for those populations. Functional artificial genes or functional artificial proteins can be created by screening sex proteins.

すなわち具体的には本発明は、[1](1)任意のモチーフ配列をコードする配列を含む一本鎖DNAの少なくても3種以上のDNA配列を構築し、(2)該一本鎖DNA配列の3´末端配列の一部が互いに相補的塩基対を形成し、かつ該相補的塩基対の両端に相手の塩基と対にならない塩基が1塩基以上存在するように、相補的塩基配列を導入し、(3)該方法により構築した多種の一本鎖DNAを調節された濃度で混合した反応液にDNAポリメラーゼを作用させることにより、モチーフ配列をコードするDNA間でのランダムな重合反応をランダム重合反応で利用されるモチーフ配列の出現頻度をコントロールして進行させることを特徴とする多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法や、[2]任意のモチーフ配列をコードする配列を含む一本鎖DNAの少なくても4種以上のDNA配列を構築し、該一本鎖DNAを調節された濃度で混合した反応液にDNAポリメラーゼを作用させることにより、モチーフ配列をコードするDNA間でのランダムな重合反応を進行させることを特徴とする前記[1]記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法や、[]相補的塩基対の数が、6塩基以上であることを特徴とする前記[1]又は[2]記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法や、[]相補的塩基対の両端に、相手の塩基と対にならない塩基を1〜3のいずれかの塩基数、存在させたことを特徴とする前記[1]〜[3]のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法、[]また多種の一本鎖DNAの相補的塩基対の組合わせを調節して、ランダム重合反応で利用されるモチーフ配列の出現頻度をコントロールすることを特徴とする前記[1]〜[]のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法や、[]ランダム重合反応系に加えられる多種の一本鎖DNAの濃度が、0.2μM〜20μMの範囲で変動することを特徴とする前記[1]〜[]のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法からなる。 That is, the present invention specifically relates to [1] (1) constructing at least three kinds of DNA sequences of a single-stranded DNA containing a sequence encoding an arbitrary motif sequence, and (2) the single-stranded DNA. Complementary base sequence so that part of the 3 'end sequence of the DNA sequence forms a complementary base pair with each other , and at least one base that does not pair with the partner base exists at both ends of the complementary base pair. (3) Random polymerization reaction between DNAs encoding motif sequences by allowing a DNA polymerase to act on a reaction mixture in which various single-stranded DNAs constructed by the method are mixed at a controlled concentration A method for producing an artificial gene group in which a large number of motif sequences are randomly polymerized, wherein the occurrence frequency of motif sequences used in random polymerization reactions is controlled, and [2] arbitrary mochi By constructing at least 4 types of DNA sequences of single-stranded DNA containing a sequence encoding a sequence, and allowing a DNA polymerase to act on a reaction mixture in which the single-stranded DNA is mixed at a controlled concentration, A method for producing an artificial gene population in which a large number of motif sequences are randomly polymerized, or [ 3 ] complementary bases, wherein random polymerization reaction is performed between DNAs encoding motif sequences The number of pairs is 6 bases or more, and a method for producing an artificial gene group in which a large number of motif sequences according to [1] or [2] are randomly polymerized, or [ 4 ] complementary base pairs The multiple species motif sequence according to any one of [1] to [3] above, wherein the bases that do not pair with the partner base are present at both ends in any number of bases 1 to 3. Heavy The method for manufacturing a artificial gene population, and characterized in that to control the frequency of occurrence of [5] also by adjusting the combination of complementary base pairs of single-stranded DNA of a wide, motif sequences utilized by random polymerization reaction A method for producing an artificial gene group in which the multiple motif sequences according to any one of [1] to [ 4 ] are randomly polymerized, and [ 6 ] the concentration of various single-stranded DNAs added to the random polymerization reaction system. The method comprises a method for producing an artificial gene population in which a large number of motif sequences according to any one of [1] to [ 5 ] are randomly polymerized, which varies within a range of 0.2 μM to 20 μM.

また本発明は、[]構築した多種の一本鎖DNAを反応液に混合し、該導入した一本鎖DNAの相補的塩基配列を鋳型として、3´末端から5´末端方向に作用するエキソヌクレアーゼ活性を含む耐熱性DNAポリメラーゼを作用させることにより、モチーフ配列をコードするDNA間でのランダムな重合反応を進行させることを特徴とする前記[1]〜[]のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法や、[]任意のモチーフ配列をコードする配列を含む一本鎖DNAが、機能モチーフ配列、構造モチーフ配列、進化分子工学的に取得された人工ペプチド配列、又はタンパク質工学的な知識に基いてデザインされた配列に基いて構築されたマイクロ遺伝子であることを特徴とする前記[1]〜[]のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法や、[]マイクロ遺伝子の構築に際して、合成する一本鎖DNA配列内で、予め各翻訳読み枠で、停止コドンを排除しておくことを特徴とする前記[]記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法および[10]任意のモチーフ配列をコードする配列を含む一本鎖DNAが、多数種モチーフ配列をコードする一本鎖DNAに制限酵素認識配列を付加することで、ランダム重合反応で利用されるモチーフ配列の出現頻度を制限酵素反応により直接モニターできるように構築されていることを特徴とする前記[1]〜[]のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法からなる。 In the present invention, [ 7 ] various constructed single-stranded DNAs are mixed with the reaction solution, and the complementary base sequence of the introduced single-stranded DNA is used as a template to act from the 3 ′ end to the 5 ′ end. A large number of the above-mentioned [1] to [ 6 ], wherein a random polymerization reaction is allowed to proceed between DNAs encoding motif sequences by the action of a thermostable DNA polymerase having an exonuclease activity. [ 8 ] A single-stranded DNA containing a sequence encoding an arbitrary motif sequence has been obtained from functional motif sequences, structural motif sequences, and evolutionary molecular engineering. [1] characterized in that it is a microgene constructed based on an artificial peptide sequence or a sequence designed based on protein engineering knowledge. ] To [ 7 ] a method for preparing an artificial gene population in which a large number of motif sequences are randomly polymerized, or [ 9 ] a single-stranded DNA sequence to be synthesized in the course of constructing a microgene. A method for producing an artificial gene population in which a large number of motif sequences according to [ 8 ] are randomly polymerized and [ 10 ] a sequence encoding an arbitrary motif sequence, wherein a stop codon is excluded in frame By adding a restriction enzyme recognition sequence to a single-stranded DNA that encodes multiple types of motif sequences, single-stranded DNA can directly monitor the frequency of occurrence of motif sequences used in random polymerization reactions. Construction of an artificial gene population in which a large number of motif sequences according to any one of the above [1] to [ 9 ] are randomly polymerized, which is constructed METHODS or Ranaru.

更に本発明は、[11]前記[1]〜[10]のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法により作製した遺伝子を組込んだベクターを、宿主細胞に導入し、発現することを特徴とする多種のモチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団の作製方法や、[12]多数種モチーフ配列をコードする一本鎖DNAを塩基変異、欠損を挿入することなくランダムに重合して人工遺伝子集団を作製し、該人工遺伝子集団を翻訳することでフレームシフトに依存せず多様性分子集団をえることを特徴とする前記[11]記載の多種のモチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団の作製方法や、[13]多数種モチーフ配列をコードする一本鎖DNAを塩基変異、欠損を挿入しつつランダムに重合して人工遺伝子集団を作製し、該人工遺伝子集団を翻訳することでフレームシフトに依存して多様性分子集団をえることを特徴とする前記[11]記載の多種のモチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団の作製方法および[14]前記[1]〜[10]のいずれか記載の作製方法により作製された、多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団、又は前記[11]〜[13]のいずれか記載の多種のモチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団について、機能性遺伝子或いは機能性タンパク質をスクリーニングすることを特徴とする機能性人工遺伝子又は機能性人工タンパク質の創出方法からなる。 Furthermore, the present invention provides a host cell with a vector incorporating a gene produced by a method for producing an artificial gene population in which a large number of motif sequences according to any one of [ 11 ] and [1] to [ 10 ] are randomly polymerized. [ 12 ] Inserting nucleotide mutations and deletions into single-stranded DNAs encoding multiple types of motif sequences, or a method for preparing artificial protein populations that are randomly inserted with various motif sequences characterized by introduction and expression A plurality of motif sequences according to the above [ 11 ], wherein the artificial gene population is prepared by random polymerization and the artificial gene population is translated to obtain a diverse molecule population independent of frame shift. A method for preparing randomly inserted artificial protein populations, [ 13 ] single-stranded DNA encoding multiple motif sequences, inserting nucleotide mutations and deletions, A variety of motif sequences according to the above [ 11 ], wherein an artificial gene population is produced by random polymerization and a diversity molecular population is obtained depending on a frame shift by translating the artificial gene population. inserted a manufacturing method and an artificial protein population [14] the [1] to [10] produced by the manufacturing method of any one of a number species motif sequence was randomly polymerized artificial gene cluster, or the A functional artificial gene or functional artificial protein characterized by screening a functional gene or a functional protein for an artificial protein population into which various motif sequences according to any one of [11] to [13] are randomly inserted It consists of the creation method.

本発明のモチーフ配列を利用した人工タンパク質集団作製の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of artificial protein population preparation using the motif arrangement | sequence of this invention. 本発明の実施例における、制限酵素認識配列を含む一本鎖DNAのデザイン (上)及びランダム重合反応の電気泳動図を示す図である。KY−1354の3´端が、KY−1355−KY−1357の3´端と相補的塩基対を形成するようにデザインした。電気泳動の結果、KY−1354のみでは、重合反応は進行しないが(レーン1)、種々の組み合わせでDNAを混合することで、重合反応が進行した(レーン2−6)。Mは、マーカーDNAを表す。In the Example of this invention, it is a figure which shows the electrophoretic diagram of the design (upper) of single stranded DNA containing a restriction enzyme recognition sequence, and random polymerization reaction. The 3 ′ end of KY-1354 was designed to form a complementary base pair with the 3 ′ end of KY-1355-KY-1357. As a result of electrophoresis, the polymerization reaction did not proceed with KY-1354 alone (lane 1), but the polymerization reaction proceeded by mixing DNA in various combinations (lanes 2-6). M represents a marker DNA. 本発明の実施例において、制限酵素反応による複数種DNAランダム重合の確認の結果を示す図である。In the Example of this invention, it is a figure which shows the result of confirmation of multiple types of DNA random polymerization by a restriction enzyme reaction. 本発明の実施例における、制限酵素認識モチーフをもつDNA重合産物の配列を示す図である。It is a figure which shows the arrangement | sequence of the DNA polymerization product which has a restriction enzyme recognition motif in the Example of this invention. 本発明の実施例における、アポトーシス制御型タンパク質に存在するBH1−BH4モチーフをもつ一本鎖DNAのデザイン(A)とデザイン(B)を示す図である。デザインAでは、KY−1372の3´端が、KY−1374、KY−1375、KY−1377の3´端と相補的塩基対を形成するようにデザインした。デザインBでは、KY−1372及びKY−1379の3´端が、KY−1374 及びKY−1375の3´端と相補的塩基対を形成するようにデザインした。In the Example of this invention, it is a figure which shows the design (A) and design (B) of single stranded DNA which has BH1-BH4 motif which exists in the apoptosis control type | mold protein. In design A, the 3 ′ end of KY-1372 was designed to form a complementary base pair with the 3 ′ ends of KY-1374, KY-1375, and KY-1377. In design B, the 3 ′ ends of KY-1372 and KY-1379 were designed to form complementary base pairs with the 3 ′ ends of KY-1374 and KY-1375. 本発明の実施例における、BH1−BH4モチーフを含む一本鎖DNA重合反応の電気泳動図を示す図である。。デザインA及びデザインBで合成された4種一本鎖DNAは、ともに重合反応を進行させることを確認した。It is a figure which shows the electrophoretic diagram of the single strand DNA polymerization reaction containing the BH1-BH4 motif in the Example of this invention. . It was confirmed that the four types of single-stranded DNA synthesized in Design A and Design B both proceeded with the polymerization reaction. 本発明の実施例における、制限酵素反応によるBH1−BH4モチーフを含む一本鎖DNAランダム重合の確認の結果を示す図である。制限酵素反応後の電気泳動図により、それぞれのモチーフがランダムに重合することを確認した。In the Example of this invention, it is a figure which shows the result of the confirmation of the single strand DNA random polymerization containing the BH1-BH4 motif by a restriction enzyme reaction. It was confirmed from the electrophoretic diagram after the restriction enzyme reaction that each motif was polymerized randomly. a,b,cは、本発明の実施例におけるデザインAにより得られた人工遺伝子集団及びその翻訳産物である人工タンパク質集団の配列を示す図である。a, b and c are diagrams showing sequences of an artificial gene population obtained by design A and an artificial protein population which is a translation product thereof, according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例における、人工タンパク質の哺乳類細胞での発現の確認の結果を示す図である。デザインAにより得られた人工タンパク質A6の遺伝子を乳癌細胞株MCF−7に導入し、その発現をAlexa-His抗体による免疫染色で確認した。これら人工タンパク質は、ミトコンドリアに局在して発現することがわかった。It is a figure which shows the result of the confirmation of the expression in the mammalian cell of the artificial protein in the Example of this invention. The gene for artificial protein A6 obtained by design A was introduced into breast cancer cell line MCF-7, and its expression was confirmed by immunostaining with Alexa-His antibody. These artificial proteins were found to be localized and expressed in mitochondria. 本発明の実施例において、デザインBにより得られた人工遺伝子集団及びその翻訳産物である人工タンパク質集団の配列を示す図である。In the Example of this invention, it is a figure which shows the arrangement | sequence of the artificial protein group which is the artificial gene group obtained by the design B, and its translation product. 本発明の実施例において、アポトーシス制御型タンパク質に存在するBH1−BH4モチーフをもつ一本鎖DNAのデザイン(C、D)及び一本鎖DNA重合反応の電気泳動図の結果を示す図である。デザイン(C)では、4種類一本鎖DNA(KY−1372、KY−1389、KY−1391)を等量混合し、重合させたのに対し、デザイン(D)では、KY−1372:KY−1389:KY−1390:KY−1391=2:2:0.4:0.3のように、BH4とBH3モチーフをコードするKY−1372とKY−1389の割合を多くして重合反応系に加えた。In the Example of this invention, it is a figure which shows the result of the electrophoretic diagram of the design (C, D) of a single strand DNA which has BH1-BH4 motif which exists in an apoptosis control type protein, and a single strand DNA polymerization reaction. In design (C), four types of single-stranded DNA (KY-1372, KY-1389, KY-1391) were mixed in equal amounts and polymerized, whereas in design (D), KY-1372: KY- 1389: KY-1390: KY-1391 = 2: 2: 0.4: 0.3 The ratio of KY-1372 and KY-1389 encoding the BH4 and BH3 motifs was increased and added to the polymerization reaction system. It was. 本発明の実施例において、制限酵素反応によるBH1−BH4モチーフを含む一本鎖DNAランダム重合の確認結果を示す図である。デザインC及びDにおいて、三つの制限酵素による部分的切断が確認された。In the Example of this invention, it is a figure which shows the confirmation result of the single strand DNA random polymerization containing the BH1-BH4 motif by a restriction enzyme reaction. In designs C and D, partial cleavage by three restriction enzymes was confirmed. a,bは、本発明の実施例においてデザインCにより得られた人工遺伝子集団及びその翻訳産物である人工タンパク質集団の配列を示す図である。FIGS. 4A and 4B are diagrams showing sequences of an artificial gene population obtained by design C and an artificial protein population that is a translation product of the artificial gene population in Examples of the present invention. a,b,cは、本発明の実施例においてデザインDにより得られた人工遺伝子集団及びその翻訳産物である人工タンパク質集団の配列を示す図である。a, b, and c are diagrams showing sequences of an artificial gene population obtained by design D and an artificial protein population that is a translation product thereof, according to an example of the present invention. 本発明の実施例において、人工タンパク質集団(C)と人工タンパク質集団(D)におけるBH1−BH3モチーフの出現頻度を比較した結果を示す図である。BH3モチーフをコードする一本鎖DNA(KY−1389)の濃度を高くして調製したタンパク質集団(D)では、BH3モチーフの出現頻度が上昇した。In the Example of this invention, it is a figure which shows the result of having compared the appearance frequency of the BH1-BH3 motif in an artificial protein population (C) and an artificial protein population (D). In the protein population (D) prepared by increasing the concentration of single-stranded DNA (KY-1389) encoding the BH3 motif, the appearance frequency of the BH3 motif increased. 本発明の実施例における、人工タンパク質のヒト癌細胞内部での様々な局在パターンを示す図である。It is a figure which shows the various localization patterns in the human cancer cell of the artificial protein in the Example of this invention. 本発明の実施例において、取得した人工タンパク質D29をコードする遺伝子の導入により、乳癌細胞株MCF−7に誘導されたアポトーシス細胞の数を定量した図である。その効果は天然のアポトーシス誘導型タンパク質Baxと同等であり、約30%の細胞がアポトーシス陽性細胞であった。コントロール人工タンパク質A10の遺伝子を導入した細胞では、そのようなアポトーシス陽性細胞は確認されないことがわかった。In the Example of this invention, it is the figure which quantified the number of the apoptotic cells induced | guided | derived to the breast cancer cell line MCF-7 by introduction | transduction of the gene which codes the acquired artificial protein D29. The effect was equivalent to the natural apoptosis-inducing protein Bax, and about 30% of the cells were apoptosis-positive cells. It was found that such apoptosis-positive cells were not confirmed in the cells into which the gene for the control artificial protein A10 was introduced. 本発明の実施例において、D29を発現する細胞でアポトーシスが効果的に誘導されていることを示す図である。共焦点顕微鏡による二重染色(緑;発現したタンパク質、赤;アポトーシス陽性細胞)により、D29を発現した細胞とアポトーシス陽性細胞の相関が確認できた。コントロール人工タンパク質A10を発現した細胞では、アポトーシスは誘導されないことがわかった。In the Example of this invention, it is a figure which shows that apoptosis is induced | guided | derived effectively in the cell which expresses D29. A double staining by a confocal microscope (green; expressed protein, red; apoptosis-positive cells) confirmed the correlation between cells expressing D29 and apoptosis-positive cells. It was found that apoptosis was not induced in cells expressing the control artificial protein A10. 本発明の実施例において、取得した人工タンパク質A10またはD16をコードする遺伝子の導入により、子宮頸癌細胞株HeLaに誘導された増殖阻害の抑制活性を定量した図である。天然型アポトーシス誘導タンパク質BIM、または抗癌剤エトポシド(VP-16)、スタウロスポリン(STS)によりHeLaの細胞数は減少するが(WST−1により定量、コントロールpcDNA参照)、A10またはD16遺伝子の導入により、増殖活性は部分的に回復した。この増殖阻害抑制効果は、天然のアポトーシス抑制型タンパク質であるBcl−xLの遺伝子をコードするプラスミドを導入した細胞でも同様に観察できた。In the Example of this invention, it is the figure which quantified the inhibitory activity of the growth inhibition induced | guided | derived to the cervical cancer cell line HeLa by introduction | transduction of the gene which codes the obtained artificial protein A10 or D16. Although the number of HeLa cells is decreased by natural apoptosis-inducing protein BIM, or anticancer drugs etoposide (VP-16) or staurosporine (STS) (quantified by WST-1, see control pcDNA), the introduction of A10 or D16 gene Proliferative activity was partially restored. This growth inhibitory inhibitory effect could be observed in the same manner even in cells into which a plasmid encoding the gene of Bcl-xL, which is a natural apoptosis inhibitory protein, was introduced. 本発明の実施例において、取得した人工タンパク質A10またはD16が、STSにより誘導されたアポトーシスを抑制できることを示した図である。遺伝子導入後24時間で125nM濃度のSTSを含む培地に交換し、細胞をさらに23時間培養した。アポトーシス細胞をTUNEL法で染色した結果(赤)、コントロールのpcDNAやD29を導入した細胞では、効果的にアポトーシスが誘導されているのに対し、アポトーシス抑制型Bcl−xL遺伝子を導入した細胞ではTUNEL陽性細胞数が減少した。A10やD16の遺伝子を導入した細胞では、アポトーシスが部分的に抑制された。In the Example of this invention, it was the figure which showed that the obtained artificial protein A10 or D16 can suppress the apoptosis induced by STS. 24 hours after the gene transfer, the medium was replaced with a medium containing 125 nM STS, and the cells were further cultured for 23 hours. As a result of staining the apoptotic cells by the TUNEL method (red), apoptosis was effectively induced in the cells into which the control pcDNA or D29 was introduced, whereas in the cells into which the apoptosis-inhibiting Bcl-xL gene was introduced, TUNEL The number of positive cells decreased. Apoptosis was partially suppressed in the cells into which the A10 or D16 gene was introduced. 本発明の実施例において、取得した人工タンパク質D16を発現した細胞が、アポトーシス陰性になることを示した図である。図20と同様にSTS投与後23時間経過した細胞を固定した後、人工タンパク質をMyc一次抗体とFITC二次抗体により緑で染色し、アポトーシス細胞をTMR−red標識(赤)で二重染色した。D16やBcl−xLを発現した細胞では、アポトーシスが抑制されることがわかった。D29を発現した細胞では、アポトーシス陽性になることが確認できた。In the Example of this invention, it is the figure which showed that the cell which expressed the artificial protein D16 acquired becomes apoptosis negative. As in FIG. 20, after fixing the cells 23 hours after STS administration, the artificial protein was stained green with Myc primary antibody and FITC secondary antibody, and apoptotic cells were double stained with TMR-red label (red). . It was found that apoptosis was suppressed in cells expressing D16 or Bcl-xL. It was confirmed that apoptosis was positive in cells expressing D29.

本発明は、機能性人工遺伝子或いは機能性人工タンパク質の効果的な創出を目的として、多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団、該人工遺伝子集団がコードする人工タンパク質集団、及びその作製法を提供することからなる。本発明の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法は、(1)任意のモチーフ配列をコードする配列を含む一本鎖DNAの少なくても3種以上のDNA配列を構築し、(2)該一本鎖DNA配列の末端配列の一部が互いに相補的塩基対を形成できるように、相補的塩基配列を導入し、(3)該方法により構築した多種の一本鎖DNAを任意の割合で混合した反応液にDNAポリメラーゼを作用させることにより、モチーフ配列をコードするDNA間でのランダムな重合反応を進行させることにより、多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団を作製することからなる。   The present invention relates to an artificial gene population in which a large number of motif sequences are randomly polymerized for the purpose of effectively creating a functional artificial gene or functional artificial protein, an artificial protein population encoded by the artificial gene population, and a method for producing the same To provide. The method for producing an artificial gene population in which a large number of motif sequences are randomly polymerized according to the present invention includes (1) constructing at least three or more DNA sequences of a single-stranded DNA containing a sequence encoding an arbitrary motif sequence. (2) introducing complementary base sequences so that part of the terminal sequences of the single-stranded DNA sequences can form complementary base pairs with each other, and (3) various single-stranded DNAs constructed by the method DNA polymerase is allowed to act on the reaction mixture mixed at an arbitrary ratio, and a random polymerization reaction between the DNAs encoding the motif sequences is allowed to proceed. It consists of making.

本発明の人工遺伝子集団の作製方法を、操作に沿って、例を挙げながら具体的に説明する。図1に示すように、まず目的のモチーフ配列を含む複数種(多数種)の一本鎖DNAを合成する。本発明では、複数種の一本鎖DNAの3´側の配列の一部が相補的塩基対を形成できるように合成する。相補的塩基対の数は、6塩基以上が望ましい。但し相補的塩基対の両端には、相手の塩基と対にならない塩基を1塩基以上(好ましくは1−3塩基)存在するように合成する。この操作により、重合反応の効率を上昇することができる。また、加える複数種の一本鎖DNAの種類、配列、長さ、組み合わせに制限はなく、任意の配列をコードする複数種の一本鎖DNAを本反応に利用することができる。更に、相補的塩基対を形成する一本鎖DNAの組み合わせにも制限はない。   The method for producing the artificial gene population of the present invention will be specifically described along with the operations with examples. As shown in FIG. 1, first, a plurality of types (multiple types) of single-stranded DNAs containing a target motif sequence are synthesized. In the present invention, synthesis is performed so that a part of the 3′-side sequences of plural kinds of single-stranded DNAs can form complementary base pairs. The number of complementary base pairs is preferably 6 bases or more. However, synthesis is performed so that one or more bases (preferably 1-3 bases) that do not pair with the partner base exist at both ends of the complementary base pair. By this operation, the efficiency of the polymerization reaction can be increased. Moreover, there is no restriction | limiting in the kind, arrangement | sequence, length, and combination of multiple types of single stranded DNA to add, The multiple types of single stranded DNA which codes arbitrary sequences can be utilized for this reaction. Furthermore, there is no limitation on the combination of single-stranded DNAs that form complementary base pairs.

例えば、4種類の一本鎖DNAを用いて反応させる場合、一種類の一本鎖DNAの3´配列に対し、残り3種類の一本鎖DNAの3´配列が相補的配列を形成してもよいし、相同な3´末端配列をもつ二種類の一本鎖DNAに対し、残りの二種類の一本鎖DNAの3´配列が均等に相補的配列を形成できるようにデザインしてもよい。また、反応系に加える一本鎖DNAの濃度は、0.2μM〜20μMで変動することが可能であり、より重合反応に利用したい一本鎖DNAの濃度を高くして、反応系に加える。即ち、相補的塩基対の組み合わせと一本鎖DNA濃度を調節することで、ランダム重合反応で利用されるモチーフ配列の出現頻度をコントロールすることができる。また、複数種の一本鎖DNAの設計の際、それぞれの配列の長さ及びTmを近い値にすることが望ましい。   For example, when the reaction is performed using four types of single-stranded DNA, the 3 ′ sequences of the remaining three types of single-stranded DNA form complementary sequences with respect to the 3 ′ sequence of one type of single-stranded DNA. Alternatively, it may be designed so that the 3 ′ sequences of the remaining two types of single-stranded DNA can form a complementary sequence equally to two types of single-stranded DNA having a homologous 3 ′ end sequence. Good. The concentration of single-stranded DNA added to the reaction system can vary from 0.2 μM to 20 μM, and the concentration of single-stranded DNA desired to be used for the polymerization reaction is increased and added to the reaction system. That is, by adjusting the combination of complementary base pairs and the single-stranded DNA concentration, the appearance frequency of the motif sequence used in the random polymerization reaction can be controlled. In designing a plurality of types of single-stranded DNAs, it is desirable that the length and Tm of each sequence be close to each other.

これら複数種の一本鎖DNAの相補した領域が耐熱性ポリメラーゼを利用したPCR反応の鋳型として機能する。このような複数種の一本鎖DNA存在下で3´末端から5´末端方向に作用する(3´→5´)エキソヌクレアーゼ活性を含む耐熱性DNAポリメラーゼを作用させてPCR反応を行うと、モチーフ配列を含む複数種の一本鎖DNAがランダムに伸長、連結した二本鎖DNA重合体集団が合成される。PCRの条件は、DNAポリメラーゼ(例えば、Ventポリメラーゼ)を用いて、例えば94℃で10秒、及び55−75℃で60秒を1サイクルとして、これをDNA重合が確認できるまで(30〜65サイクル)、最後に69℃で7分行う。上記反応を行う前に、更に94℃で10分、及び69℃で10分の反応を行うのが好ましい。さらに、伸長反応温度は、一本鎖DNAのTm−5℃に近い値を設定することが好ましい。   These complementary regions of single-stranded DNA function as a template for PCR reaction using a thermostable polymerase. When a PCR reaction is carried out by acting a thermostable DNA polymerase containing an exonuclease activity that acts in the direction from the 3 ′ end to the 5 ′ end in the presence of such multiple single-stranded DNAs (3 ′ → 5 ′), A double-stranded DNA polymer population in which a plurality of types of single-stranded DNA containing a motif sequence are randomly extended and linked is synthesized. The PCR conditions are as follows: DNA polymerase (for example, Vent polymerase) is used, for example, at 94 ° C. for 10 seconds and at 55-75 ° C. for 60 seconds until DNA polymerization can be confirmed (30 to 65 cycles). ) Finally, carry out at 69 ° C. for 7 minutes. Before performing the above reaction, it is preferable to further carry out the reaction at 94 ° C. for 10 minutes and at 69 ° C. for 10 minutes. Furthermore, the elongation reaction temperature is preferably set to a value close to Tm-5 ° C. of the single-stranded DNA.

このようにして、複数種の一本鎖DNAの相補した領域がランダムな組み合わせで塩基対を形成し、伸長、重合反応を繰り返す結果、モチーフ配列をコードするDNAがランダムにシャフリングされた、二本鎖人工DNA集団が作製される。なお、本発明の方法では、本発明者の発明した高分子マイクロ遺伝子重合体の作製手法(特許3415995号公報; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94:3805-3810, 1997)とは異なり、重合反応の際DNA鎖間で生じる塩基の置換、挿入、欠損に依存せずに配列多様性集団を作製することができる。   In this way, complementary regions of multiple types of single-stranded DNA form base pairs in a random combination, and as a result of repeating extension and polymerization reactions, the DNA encoding the motif sequence is randomly shuffled. A double-stranded artificial DNA population is created. The method of the present invention is different from the method for producing a polymer microgene polymer invented by the present inventor (Japanese Patent No. 3415995; Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94: 3805-3810, 1997). A sequence diversity population can be generated without depending on base substitution, insertion, or deletion that occurs between DNA strands during the polymerization reaction.

以上に、本発明の人工遺伝子集団の作製方法について、例を挙げて具体的に説明したが、本発明の人工遺伝子集団の作製方法では、上記のように多種の一本鎖DNAの相補的塩基対の組合わせ及び/又は多種の一本鎖DNAのそれぞれの濃度を調節して、ランダム重合反応で利用されるモチーフ配列の出現頻度をコントロールすることが可能である。また、本発明の人工遺伝子集団の作製方法においては、多数種のモチーフ配列を任意に選定し、ランダムに重合して、人工遺伝子集団、及び、人工タンパク質集団を作製するに際し、任意のモチーフ配列を、機能モチーフ配列、構造モチーフ配列、進化分子工学的に取得された人工ペプチド配列、又はタンパク質工学的な知識に基いてデザインされた配列のような配列に基いて構築し、人工遺伝子集団の作製に際して、ある程度の機能を合理性をもって予測して、人工遺伝子集団の作製を行うことが可能となる。   The method for producing the artificial gene population of the present invention has been specifically described above with examples. However, in the method for producing the artificial gene population of the present invention, as described above, complementary bases of various single-stranded DNAs can be used. It is possible to control the appearance frequency of the motif sequence used in the random polymerization reaction by adjusting the combination of pairs and / or the concentration of each type of single-stranded DNA. In addition, in the method for producing an artificial gene population of the present invention, a large number of motif sequences are arbitrarily selected and randomly polymerized to produce an artificial gene population and an artificial protein population. When constructing artificial gene populations, constructing based on sequences such as functional motif sequences, structural motif sequences, artificial peptide sequences obtained from evolutionary molecular engineering, or sequences designed based on protein engineering knowledge It is possible to produce an artificial gene population by predicting a certain degree of function with reasonableness.

本発明の人工遺伝子集団の作製方法により作製した、多種のモチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団は、該遺伝子を組込んだベクターを、宿主細胞に導入し、発現することにより、多種のモチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団を作製することができる。該人工タンパク質集団の作製に用いられるベクター、宿主細胞及びその遺伝子の発現方法は、この分野で公知のベクター、宿主細胞、及び遺伝子の発現方法が用いられる。本発明の方法により作製された多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団、或いは、多種のモチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団は、該人工遺伝子集団或いは人工タンパク質集団について、機能性遺伝子或いは機能性タンパク質をスクリーニングすることにより、機能性人工遺伝子又は機能性人工タンパク質の創出を行うことができる。   An artificial protein population produced by the method for producing an artificial gene population of the present invention, into which various motif sequences are randomly inserted, is introduced into a host cell and expressed by introducing a vector incorporating the gene into various motifs. Artificial protein populations with randomly inserted sequences can be generated. Vectors, host cells, and gene expression methods known in this field are used as vectors, host cells, and gene expression methods used in the production of the artificial protein population. An artificial gene population in which a large number of motif sequences prepared by the method of the present invention are randomly polymerized or an artificial protein population into which various motif sequences are randomly inserted is a functional gene for the artificial gene population or artificial protein population. Alternatively, functional artificial genes or functional artificial proteins can be created by screening functional proteins.

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの例示に限定されるものではない。
なお、実施例の記載に先立って、本発明のモチーフ配列を利用した人工タンパク質集団作製の戦略を図1に示す。本手法は、(1)モチーフ配列をコードする複数種1本鎖DNAのデザイン、(2)複数種1本鎖DNA間でのランダム重合反応、(3)制限酵素切断反応によるランダム重合反応効率の検討、(4)ランダム重合体の大腸菌への形質転換及び配列決定、(5)大腸菌または哺乳類細胞での人工タンパク質発現及び機能性人工タンパク質のスクリーニング、の5スキームより構成される。人工遺伝子集団を得たい時(人工タンパク質の発現を必要としない場合)は、(1)−(4)までのステップで反応は完了する。本実施例では、一般的に4種類のモチーフ配列のランダム重合による人工遺伝子及び人工タンパク質集団作製を試みているが、反応に利用できるモチーフの数は4種類に限定されない(それ以上の数も理論上可能である)。以下具体的実験例を挙げる。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention more concretely, the technical scope of this invention is not limited to these illustrations.
Prior to describing the examples, FIG. 1 shows a strategy for producing an artificial protein population using the motif sequence of the present invention. This method consists of (1) design of multiple types of single stranded DNA encoding motif sequences, (2) random polymerization reaction between multiple types of single stranded DNA, and (3) efficiency of random polymerization reaction by restriction enzyme cleavage reaction. It consists of five schemes: study, (4) transformation and sequencing of random polymers into E. coli, and (5) expression of artificial proteins and screening of functional artificial proteins in E. coli or mammalian cells. When it is desired to obtain an artificial gene population (when the expression of an artificial protein is not required), the reaction is completed in steps (1) to (4). In this example, an artificial gene and an artificial protein population are generally prepared by random polymerization of four types of motif sequences. However, the number of motifs that can be used in the reaction is not limited to four types (the number of the larger number is also theoretical). Is possible). Specific experimental examples are given below.

[制限酵素認識モチーフを含む4種1本鎖DNAのランダム重合による人工遺伝子集団の作製]
(制限酵素認識配列を含む一本鎖DNAのデザイン)
機能性配列を含む一本鎖DNAとして、制限酵素認識配列を含む4種類の一本鎖DNAを以下のように合成した。KY−1354(配列番号1: 5’-GGGGAATTCGGC GGGA-3’)、KY−1355(配列番号2: 5’-GGGAAGCTTACCCGCCA-3’)、KY−1356(配列番号3: 5’-GGGTCTAGAACCCGCCA-3’)、KY−1357(配列番号4: 5’-GGGAGATCTACCCGCCA-3’)。ここで、KY−1354、KY−1355、KY−1356、KY−1357の第4番目〜9番目の配列(下線部)は、それぞれ制限酵素認識配列GAATTC (EcoRI)、AAGCTT (HindIII)、TCTAGA (XbaI)、AGATCT (BglII)を含むように設計した。また、KY−1354の第10番目〜15番目の6塩基(5’-GGCGGG-3’)が、KY−1355、KY−1356、KY−1357の第11番目〜16番目の6塩基(5’-CCCGCC-3’)と相補的塩基対を形成するように設計した。また、KY−1355、KY−1356、KY−1357の3´末端及び第10番目には、KY−1354と6塩基以上の相補的塩基対を形成できないようにアデニン(A)を導入した。更に、これら4種類の一本鎖DNAの長さ(16−17塩基)、Tm(〜58℃)、GC含量(65−69%)がそれぞれ近い値をとるように4種類の一本鎖DNAを設計した。
[Preparation of artificial gene population by random polymerization of four kinds of single-stranded DNA containing restriction enzyme recognition motif]
(Design of single-stranded DNA containing restriction enzyme recognition sequence)
As single-stranded DNA containing a functional sequence, four types of single-stranded DNA containing a restriction enzyme recognition sequence were synthesized as follows. KY-1354 (SEQ ID NO: 5'-GGG GAATTC GGC GGGA-3 '), KY-1355 (SEQ ID NO: 5'-GGG AAGCTT ACCCGCCA-3'), KY-1356 (SEQ ID NO: 5'- GGG TCTAGA ACCCGCCA-3 '), KY-1357 (SEQ ID NO: 5'-GGG AGATCT ACCCGCCA-3'). Here, the fourth to ninth sequences (underlined) of KY-1354, KY-1355, KY-1356, and KY-1357 are the restriction enzyme recognition sequences GAATTC (EcoRI), AAGCTT (HindIII), TCTAGA ( XbaI) and AGATCT (BglII). In addition, the 10th to 15th 6 bases (5'-GGCGGG-3 ') of KY-1354 are the 11th to 16th 6 bases (5'-GGCGGG-3') of KY-1355, KY-1356 and KY-1357 (5 ' It was designed to form complementary base pairs with -CCCGCC-3 '). In addition, adenine (A) was introduced at the 3 ′ end of KY-1355, KY-1356, and KY-1357 and at the 10th position so that a complementary base pair of 6 bases or more could not be formed with KY-1354. In addition, the four types of single-stranded DNA are such that the lengths (16-17 bases), Tm (˜58 ° C.), and GC content (65-69%) of these four types of single-stranded DNAs are close to each other. Designed.

(制限酵素認識配列を含む一本鎖DNAのランダム重合反応)
まず、上記一本鎖DNAのランダム重合反応液50μLを調整した。この反応液には、10 x ThermoPol Reaction Buffer (NEW ENGLAND BioLabs,1x ThermoPol Reaction Buffer:20mM 2−アミノ−2−ヒドロキシメチル−1,3、−プロパンジオール塩酸塩(以下トリス塩酸)pH 8.8、10mM 塩化カリウム、10mM 硫酸アンモニウム、2mM 硫酸マグネシウム、0.1% トライトンX−100)を5μL、350μMdNTP、3´→5´エクソヌクレアーゼ活性をもつVent DNA polymerases(2 units/μL、NEW ENGLAND BioLabs)を2.6μL、及び4種類の一本鎖DNA(KY−1354−KY−1357)を以下6種類の割合で混合した。(1)KY−1354:20 pmolのみ (DNA1種)、(2)KY−1354:20 pmol+KY−1355:20 pmol (DNA2種)、(3)KY−1354:20 pmol+KY−1356:20 pmol (DNA2種)、(4)KY−1354:20 pmol+KY−1357:20 pmol (DNA2種)、(5)KY−1354:20 pmol+KY−1355:10 pmol +KY−1356:10 pmol(DNA3種)、(6)KY−1354:20 pmol+KY−1355:6.7 pmol+KY−1356:6.7 pmol+KY−1357:6.7 pmol(DNA4種)。
(Random polymerization reaction of single-stranded DNA containing restriction enzyme recognition sequence)
First, 50 μL of the single-stranded DNA random polymerization reaction solution was prepared. This reaction solution contains 10 x ThermoPol Reaction Buffer (NEW ENGLAND BioLabs, 1x ThermoPol Reaction Buffer: 20 mM 2-amino-2-hydroxymethyl-1,3, -propanediol hydrochloride (hereinafter tris-hydrochloric acid) pH 8.8, 2 Vent DNA polymerases (2 units / μL, NEW ENGLAND BioLabs) with 5 μL, 350 μM dNTP, 3 ′ → 5 ′ exonuclease activity, 10 mM potassium chloride, 10 mM ammonium sulfate, 2 mM magnesium sulfate, 0.1% Triton X-100) 6 μL and 4 types of single-stranded DNA (KY-1354-KY-1357) were mixed in the following 6 types. (1) KY-1354: 20 pmol only (1 DNA), (2) KY-1354: 20 pmol + KY-1355: 20 pmol (2 DNA), (3) KY-1354: 20 pmol + KY-1356: 20 pmol (DNA2 Species), (4) KY-1354: 20 pmol + KY-1357: 20 pmol (2 types of DNA), (5) KY-1354: 20 pmol + KY-1355: 10 pmol + KY-1356: 10 pmol (3 types of DNA), (6) KY-1354: 20 pmol + KY-1355: 6.7 pmol + KY-1356: 6.7 pmol + KY-1357: 6.7 pmol (4 types of DNA).

これら反応液を200μL thin wall PCRチューブ (東洋紡績,大阪)に入れ、サーマルサイクラーPCR−2400(パーキンエルマー, Norwalk)による温度サイクルで上記複数種一本鎖DNA間での重合反応をおこなった。重合反応の前処理として、94℃で10分、69℃で10分の反応を行った。重合反応温度は、KY−1354−1357のTm値(58℃)以下になることを考慮して、55℃に設定した。重合反応サイクルは、94℃で10秒、55℃で60秒行い、40サイクルの反応を進行させた。重合反応終了後69℃ で7minの伸長停止反応を行った。DNA重合産物を1.0% TAE アガロースゲル(アガロースME 岩井化学 東京),及びMupid 電気泳動装置 (コスモバイオ、東京)を用いて、100V、15分で泳動させ、重合反応を確認した(図2)。本反応により、数キロ塩基対以上にも及ぶDNAがこの方法により重合されたことを確認した。   These reaction solutions were put into a 200 μL thin wall PCR tube (Toyobo, Osaka), and a polymerization reaction was performed between the above-mentioned single-stranded DNAs by a temperature cycle with a thermal cycler PCR-2400 (Perkin Elmer, Norwalk). As a pretreatment for the polymerization reaction, a reaction was performed at 94 ° C. for 10 minutes and at 69 ° C. for 10 minutes. The polymerization reaction temperature was set to 55 ° C. in consideration of being below the Tm value (58 ° C.) of KY-134-1357. The polymerization reaction cycle was performed at 94 ° C. for 10 seconds and at 55 ° C. for 60 seconds, and 40 cycles of the reaction proceeded. After completion of the polymerization reaction, an elongation termination reaction was carried out at 69 ° C. for 7 minutes. The DNA polymerization product was electrophoresed at 100 V for 15 minutes using a 1.0% TAE agarose gel (Agarose ME Iwai Chemical Tokyo) and a Mupid electrophoresis apparatus (Cosmo Bio, Tokyo) to confirm the polymerization reaction (FIG. 2). ). By this reaction, it was confirmed that DNA of several kilobase pairs or more was polymerized by this method.

(制限酵素反応による複数種DNAランダム重合の確認)
制限酵素認識配列を含む一本鎖DNAのランダムな重合を確認するため、任意の制限酵素を用いてDNA重合体の切断反応を行った。異なる制限酵素を含む5種類の反応溶液50μLを以下のように調整した。上記DNAの重合反応液5μL、10x制限酵素buffer B (HindIII, EcoRI)、又はM(BglII)、又はH(XbaI)を5μL、(ロシュダイアグノスティック社, Basel)、制限酵素(ロシュダイアグノスティック社, Basel)は、5類の反応溶液に対しそれぞれ、(1)酵素なし、(2)HindIII(10units/μL)を2μL、(3)BglII(10units/μL)を2μL、(4)XbaI(40units/μL)を2μL、(5)EcoRI(10units/μL)を2μL、という条件で加えた。切断反応は、37℃、90分で進行させた。DNA切断反応を確認するため、50μLの反応液から5μLを抽出し、1.0%TAEアガロースゲルによる電気泳動(100V、15分)を行った。(図3)。図3により、1−2におけるDNA重合体は、重合反応に利用した任意の一本鎖DNAに含まれる制限酵素配列で切断されること、また複数種一本鎖DNAから構成されたDNA重合体は、複数種制限酵素で切断されることを確認した。このことから、制限酵素認識モチーフを含む一本鎖DNA間でのランダムな重合、伸長反応が生じることがわかった。
(Confirmation of random DNA polymerization by restriction enzyme reaction)
In order to confirm random polymerization of single-stranded DNA containing a restriction enzyme recognition sequence, the DNA polymer was cleaved using an arbitrary restriction enzyme. 50 μL of five types of reaction solutions containing different restriction enzymes were prepared as follows. 5 μL of the above DNA polymerization reaction solution, 10 × restriction enzyme buffer B (HindIII, EcoRI), M (BglII), or H (XbaI) 5 μL (Roche Diagnostics, Basel), restriction enzyme (Roche Diagnostics) Basel) (1) no enzyme, (2) HindIII (10 units / μL) 2 μL, (3) BglII (10 units / μL) 2 μL, (4) XbaI ( 40 units / μL) was added at 2 μL, and (5) EcoRI (10 units / μL) was added at 2 μL. The cleavage reaction was allowed to proceed at 37 ° C. for 90 minutes. In order to confirm the DNA cleavage reaction, 5 μL was extracted from the 50 μL reaction solution and subjected to electrophoresis (100 V, 15 minutes) using a 1.0% TAE agarose gel. (Figure 3). As shown in FIG. 3, the DNA polymer in 1-2 is cleaved with a restriction enzyme sequence contained in any single-stranded DNA used for the polymerization reaction, and a DNA polymer composed of a plurality of types of single-stranded DNA. Confirmed that it was cleaved by multiple restriction enzymes. From this, it was found that random polymerization and extension reaction occur between single-stranded DNAs containing restriction enzyme recognition motifs.

(大腸菌への形質転換及びDNA重合産物の配列決定)
上記のDNA配列間でのランダムな重合反応液を市販のZero Blunt TOPO PCR Cloning Kit (Invitrogen, CA)を利用してクローニング及び配列決定を行った。ライゲーション反応は6μLの反応スケールで行い、この反応液には、DNA重合産物1μL、Salt Solution 1μL、TOPO vector 1μL、超純水3μL が含まれる。以上反応液を室温30分で反応させた後、2μL反応液をTop−10cell(Invitrogen)に混合し、形質転換した。インサートを含む18クローンを選択し、そのプラスミドをQIAGEN mini kit(キアゲン)により精製し、DTCS cycle sequence reaction kit(ベックマン)を用いたダイターミネイト法によりキャピラリーシーケンサーCEQ2000XL DNA analyzer(ベックマン)で配列を決定した。KY−1354、KY−1355、KY−1357、の3種一本鎖DNAを混合した重合体から得られたクローン一つ(EHB#7:配列番号5)と、KY−1354、KY−1355、KY−1356、KY−1357の4種一本鎖DNAを混合した重合体から得られたクローン三つ(EHBX1〜EHBX3:配列番号6、7、8)を図4に示す。図4で示されるように、3又は4種類の制限酵素認識配列を含むDNAが任意の割合でランダム重合した、人工遺伝子集団を得ることができた。
(Transformation to E. coli and sequencing of DNA polymerization products)
The random polymerization reaction solution between the above DNA sequences was cloned and sequenced using a commercially available Zero Blunt TOPO PCR Cloning Kit (Invitrogen, CA). The ligation reaction is performed on a reaction scale of 6 μL, and this reaction solution contains 1 μL of DNA polymerization product, 1 μL of Salt Solution, 1 μL of TOPO vector, and 3 μL of ultrapure water. After the reaction solution was reacted at room temperature for 30 minutes, 2 μL of the reaction solution was mixed with Top-10 cell (Invitrogen) and transformed. 18 clones containing the insert were selected, the plasmid was purified by QIAGEN mini kit (Qiagen), and the sequence was determined by the capillary sequencer CEQ2000XL DNA analyzer (Beckman) by the dye termination method using DTCS cycle sequence reaction kit (Beckman). . One clone (EHB # 7: SEQ ID NO: 5) obtained from a polymer obtained by mixing three kinds of single-stranded DNAs of KY-1354, KY-1355, and KY-1357, KY-1354, KY-1355, FIG. 4 shows three clones (EHBX1 to EHBX3: SEQ ID NOs: 6, 7, and 8) obtained from a polymer in which four kinds of single-stranded DNAs of KY-1356 and KY-1357 were mixed. As shown in FIG. 4, an artificial gene population in which DNAs containing 3 or 4 types of restriction enzyme recognition sequences were randomly polymerized at an arbitrary ratio could be obtained.

[アポトーシス制御型タンパク質に存在するBH1−BH4モチーフ配列ランダム重合による人工タンパク質集団(A)の作製]
(アポトーシス制御モチーフBH1−BH4の選択)
プログラムされた自発的細胞死(アポトーシス)を制御する天然タンパク質として、Bcl-2 familyタンパク質ファミリーが知られている。そのファミリーに属するBcl-xlはアポトーシス抑制に、Noxaは、アポトーシス促進に重要であることがわかっている。ここでは、human Bcl-xlタンパク質に内在するBH1、BH2、BH4モチーフの一部配列、及びhuman Noxaタンパク質に内在するBH3モチーフの一部配列を、人工タンパク質集団作成のモチーフ配列として利用することを試みた。以下のペプチド配列をコードする部分をBH1−BH4モチーフからそれぞれ選択した。BH1:ELFRDGVN、BH2:ENGGWDTF、BH3:LRRFGDKLN、BH4:RELVVDFL。
[Production of artificial protein population (A) by random polymerization of BH1-BH4 motif sequence present in apoptosis-regulated protein]
(Selection of apoptosis control motif BH1-BH4)
The Bcl-2 family protein family is known as a natural protein that controls programmed spontaneous cell death (apoptosis). Bcl-xl belonging to the family is known to be important for suppressing apoptosis, and Noxa is important for promoting apoptosis. Here, we try to use the partial sequence of BH1, BH2, and BH4 motifs in human Bcl-xl protein and the partial sequence of BH3 motif in human Noxa protein as motif sequences for creating artificial protein populations. It was. Portions encoding the following peptide sequences were selected from the BH1-BH4 motif, respectively. BH1: ELFRDGVN, BH2: ENGGWDTF, BH3: LRRFGDKLN, BH4: RELVVDFL.

(BH1−BH4モチーフ配列をコードする一本鎖DNAのデザイン:A)
BH1−BH4モチーフから構成される人工タンパク質集団Aを作成するために、各翻訳読み枠の停止コドンを排除した一本鎖DNAを芝らの発明した多機能塩基配列設計法(特開2001−352990)によりデザインした。ここでは、BH1−BH4モチーフをコードする遺伝子の別の読み枠には、人工タンパク質の安定化を助けるために、α−ヘリックス性の高いペプチドがコードされるように4種類一本鎖DNAをデザインした(図5)。ここで、KY−1372(配列番号9)、KY−1377(配列番号10)、KY−1375(配列番号11)、KY−1374(配列番号12)は、それぞれ制限酵素認識配列GTCGAC (SalI)、AAGCTT(HindIII)、AGATCT (BglII)、GAATTC (EcoRI)を含むように設計した(図5、デザインA、下線)。
(Design of single-stranded DNA encoding BH1-BH4 motif sequence: A)
In order to create an artificial protein group A composed of BH1-BH4 motifs, a multi-functional nucleotide sequence design method invented by Shiba et al. ). Here, four types of single-stranded DNA are designed in another reading frame of the gene encoding the BH1-BH4 motif so as to encode a peptide having a high α-helix property to help stabilize the artificial protein. (FIG. 5). Here, KY-1372 (SEQ ID NO: 9), KY-1377 (SEQ ID NO: 10), KY-1375 (SEQ ID NO: 11), and KY-1374 (SEQ ID NO: 12) are the restriction enzyme recognition sequence GTCGAC (SalI), It was designed to include AAGCTT (HindIII), AGATCT (BglII), and GAATTC (EcoRI) (FIG. 5, design A, underlined).

また、KY−1372の3´端7塩基(5’-GGCGGGG-3’)が、KY−1377、KY−1375、KY−1374の3´端7塩基(5’-CCCCGCC-3’)と相補的塩基対を形成するように設計した。また、KY−1372の3´末端及び3´末端から9番目の塩基には、7塩基対以上の相互作用が形成されないようにアデニン(A)及びシトシン(C)をそれぞれ挿入した。さらに、これら4種類の一本鎖DNA設計の際に、その長さ(40−45)、GC塩基の含有度(55−65%)、分子内ヘアピン形成能、Tmがそれぞれ近い値をとるように設計した。   Also, the 3 ′ end 7 bases (5′-GGCGGGG-3 ′) of KY-1372 are complementary to the 3 ′ end 7 bases (5′-CCCCGCC-3 ′) of KY-1377, KY-1375, and KY-1374. It was designed to form a target base pair. In addition, adenine (A) and cytosine (C) were inserted into the 9 ′ base from the 3 ′ end and the 3 ′ end of KY-1372 so that an interaction of 7 base pairs or more was not formed. Furthermore, when designing these four types of single-stranded DNA, the length (40-45), GC base content (55-65%), intramolecular hairpin formation ability, and Tm are close to each other. Designed.

(BH1−BH4モチーフを含む一本鎖DNAのランダム重合反応)
まず、上記一本鎖DNAのランダム重合反応液50μLを調整した。この反応液組成は、10 x ThermoPol Reaction Buffer(実施例1と同様)を5μL、350μM dNTP、Vent DNA polymerases (2 units/μL, NEW ENGLAND BioLabs)を2.6μL、及び4種類の一本鎖DNA(KY−1372、KY−1377、KY−1375、KY−1374)を種々の割合で混合し、実施例1と同様のDNAランダム重合反応を行った。重合反応の前処理として、94℃で10分、69℃で10分の反応を行った。重合反応温度は、72℃に設定した。重合反応サイクルは、94℃で10秒、55℃で60秒行い、40サイクルの反応を進行させた。
(Random polymerization reaction of single-stranded DNA containing BH1-BH4 motif)
First, 50 μL of the single-stranded DNA random polymerization reaction solution was prepared. The composition of this reaction solution is 5 μL of 10 × ThermoPol Reaction Buffer (same as in Example 1), 350 μM dNTP, 2.6 μL of Vent DNA polymerases (2 units / μL, NEW ENGLAND BioLabs), and 4 types of single-stranded DNA. (KY-1372, KY-1377, KY-1375, KY-1374) were mixed at various ratios, and the same DNA random polymerization reaction as in Example 1 was performed. As a pretreatment for the polymerization reaction, a reaction was performed at 94 ° C. for 10 minutes and at 69 ° C. for 10 minutes. The polymerization reaction temperature was set to 72 ° C. The polymerization reaction cycle was performed at 94 ° C. for 10 seconds and at 55 ° C. for 60 seconds, and 40 cycles of the reaction proceeded.

重合反応終了後69℃で7minの伸長停止反応を行った。DNA重合産物を1.0%TAEアガロースゲル(アガロースME 岩井化学 東京)、及びMupid 電気泳動装置 (コスモバイオ、東京)を用いて、100V、15分で泳動させ、重合反応を確認した(図6)。また、BH1−BH4モチーフをコードする一本鎖DNAがそれぞれ類似の頻度でランダム重合するように、反応の最適化を行った結果、KY−1374:KY−1375:KY−1377:KY−1372=2:1:100:100のように一本鎖DNA量比を設定した。本反応により、数キロ塩基対以上にも及ぶDNAがこの方法により重合されたことを確認した。   After completion of the polymerization reaction, an elongation termination reaction was carried out at 69 ° C. for 7 minutes. The DNA polymerization product was electrophoresed at 100 V for 15 minutes using a 1.0% TAE agarose gel (Agarose ME Iwai Chemical Tokyo) and a Mupid electrophoresis apparatus (Cosmo Bio, Tokyo) to confirm the polymerization reaction (FIG. 6). ). Further, as a result of optimization of the reaction so that single-stranded DNAs encoding BH1-BH4 motifs were randomly polymerized at similar frequencies, KY-1374: KY-1375: KY-1377: KY-1372 = The single-stranded DNA amount ratio was set to 2: 1: 100: 100. By this reaction, it was confirmed that DNA of several kilobase pairs or more was polymerized by this method.

(制限酵素反応によるBH1−BH4モチーフを含むDNAランダム重合の確認)
BH1−BH4モチーフ配列を含む一本鎖DNAのランダムな重合を確認するため、任意の制限酵素を用いてDNA重合体の切断反応を行った。異なる制限酵素を含む5種類の反応溶液50μLを以下のように調整した。DNA重合反応液5μL、10x制限酵素buffer H(SalI, or EcoRI)、又はM(HindIII,or BglII)を5μL、(ロシュダイアグノスティック社, Basel)、制限酵素(ロシュダイアグノスティック社, Basel)は、5類の反応溶液に対しそれぞれ、(1)酵素なし、(2)SalI (40units/μL)を2μL、(3)HindIII(10units/μL)を2μL、(4)EcoRI(10units/μL)を2μL、(5)BglII(10units/μL)を2μLという条件で加えた。切断反応は、37℃、90分で進行させた。DNA切断反応を確認するため、50μLの反応液から5μLを抽出し、1.0%TAEアガロースゲルによる電気泳動(100V、15分)を行った(図7)。図7のように、BH1−BH4モチーフ配列を含む一本鎖DNAから構成されたDNA重合体が、用いた全ての制限酵素で部分的に切断されることがわかった。このことから、4種類一本鎖DNA間でのランダムな重合反応が確認できた。
(Confirmation of random DNA polymerization containing BH1-BH4 motif by restriction enzyme reaction)
In order to confirm the random polymerization of the single-stranded DNA containing the BH1-BH4 motif sequence, the DNA polymer was cleaved using an arbitrary restriction enzyme. 50 μL of five types of reaction solutions containing different restriction enzymes were prepared as follows. 5 μL of DNA polymerization reaction solution, 10 × restriction enzyme buffer H (SalI, or EcoRI), or 5 μL of M (HindIII, or BglII), (Roche Diagnostics, Basel), restriction enzyme (Roche Diagnostics, Basel) (2) SalI (40 units / μL) 2 μL, (3) HindIII (10 units / μL) 2 μL, (4) EcoRI (10 units / μL) Was added under the condition of 2 μL, and (5) BglII (10 units / μL) was added at 2 μL. The cleavage reaction was allowed to proceed at 37 ° C. for 90 minutes. In order to confirm the DNA cleavage reaction, 5 μL was extracted from the 50 μL reaction solution and subjected to electrophoresis (100 V, 15 minutes) using a 1.0% TAE agarose gel (FIG. 7). As shown in FIG. 7, it was found that a DNA polymer composed of single-stranded DNA containing a BH1-BH4 motif sequence was partially cleaved by all the restriction enzymes used. From this, a random polymerization reaction was confirmed between the four types of single-stranded DNA.

(大腸菌への形質転換、スクリーニング、及びDNA重合産物の配列決定)
上記BH1−BH4モチーフを含むDNA重合反応産物を市販のpcDNA3.1Directional TOPO Expression Kit (Invitrogen, CA)を利用してクローニング及び配列決定を行った。ここでは、哺乳類細胞系での機能性人工タンパク質スクリーニングのために、哺乳類発現ベクター(pcDNA3.1D/V5-His-TOPO, Invitrogen)に人工遺伝子をライゲーションした。ライゲーション反応は6μLのスケールで行い、この反応液には、DNA重合反応産物1μL、Salt Solution 1μL、TOPO vector 1μL、超純水3μLが含まれる。以上反応液を室温30分で反応させた後、2μLの反応液をTop−10cell(Invitrogen)に混合し、氷上に30min静地したのち形質転換した。スクリーニングPCRより、インサートを含むクローンから10種を選択し、そのプラスミドをQIAGEN mini kit(キアゲン)により精製し、DTCS cycle sequence reaction kit(ベックマン)を用いたダイターミネイト法によりキャピラリーシーケンサーCEQ2000XL DNA analyzer(ベックマン)で配列を決定した(配列番号13−42)。
(Transformation to E. coli, screening, and sequencing of DNA polymerization products)
The DNA polymerization reaction product containing the BH1-BH4 motif was cloned and sequenced using a commercially available pcDNA3.1Directional TOPO Expression Kit (Invitrogen, CA). Here, an artificial gene was ligated to a mammalian expression vector (pcDNA3.1D / V5-His-TOPO, Invitrogen) for screening of a functional artificial protein in a mammalian cell system. The ligation reaction is performed on a 6 μL scale, and this reaction solution contains 1 μL of DNA polymerization reaction product, 1 μL of Salt Solution, 1 μL of TOPO vector, and 3 μL of ultrapure water. After the reaction solution was reacted at room temperature for 30 minutes, 2 μL of the reaction solution was mixed with Top-10 cell (Invitrogen), allowed to stand on ice for 30 minutes, and transformed. From the screening PCR, 10 types of clones containing the insert were selected, the plasmid was purified by QIAGEN mini kit (Qiagen), and the capillary sequencer CEQ2000XL DNA analyzer (Beckman) by the dye termination method using DTCS cycle sequence reaction kit (Beckman). ) To determine the sequence (SEQ ID NOs: 13-42).

得られた人工タンパク質の遺伝子配列及びアミノ酸配列を図8(配列番号13−42)に示す。図8から、BH1−BH4モチーフをコードする人工DNAがランダムに挿入した人工タンパク質集団を作成できることがわかった。また、「BH1−BH4モチーフ配列を含む一本鎖DNAのデザインA」においては、より配列多様性の高いライブラリー作製のために、DNA重合反応の際に生じるフレームシフトに依存してモチーフが導入されるように遺伝子をデザインした (フレームシフトが起きなければ読み枠がずれる)。図8に示すように、BH1−BH4モチーフをコードする読み枠とは別の読み枠配列が多く出現した。このように本手法では、複数種モチーフ配列を利用してライブラリーを作製できるが、別の翻訳読み枠の配列を利用することで配列多様性を増加させることが可能である。   The gene sequence and amino acid sequence of the obtained artificial protein are shown in FIG. 8 (SEQ ID NOs: 13-42). From FIG. 8, it was found that an artificial protein population in which artificial DNAs encoding BH1-BH4 motifs were randomly inserted could be created. In addition, in “Design A of single-stranded DNA containing BH1-BH4 motif sequence”, a motif is introduced depending on the frame shift that occurs during DNA polymerization reaction in order to create a library with higher sequence diversity. The gene was designed in such a way (if the frame shift does not occur, the reading frame will shift). As shown in FIG. 8, many reading frame arrangements different from the reading frame encoding the BH1-BH4 motif appeared. As described above, in this method, a library can be prepared using a plurality of motif sequences, but it is possible to increase sequence diversity by using a sequence of another translation reading frame.

(人工タンパク質の哺乳類細胞での発現の確認)
上記配列決定した人工タンパク質の哺乳類細胞での発現を確認するため、MxA6(図8、a,b、c参照)の遺伝子をコードするプラスミドを代表的ヒト乳癌細胞株の一つであるMCF−7に遺伝子導入した。コントロールとしては、人工タンパク質をコードしないpcDNAベクター(Invitrogen)を細胞に導入した。遺伝子導入24時間後にMCF−7をメタノール固定し、ヒスチジン-タグのついた人工タンパク質の発現をAlexa-His-抗体(キアゲン社)による免疫染色で確認した(図9)。図9のように、コントロールでは発現が認められないのに対しMxA6の遺伝子を導入した細胞では、人工タンパク質の発現が認められ、またその局在は、ミトコンドリアに一致することがわかった。このような哺乳類細胞系または大腸菌の発現系を利用して、人工タンパク質集団の発現及び機能性人工タンパク質のスクリーニングを行うことができる。
(Confirmation of expression of artificial protein in mammalian cells)
In order to confirm the expression of the sequenced artificial protein in mammalian cells, a plasmid encoding the gene of MxA6 (see FIGS. 8, a, b, and c) is used as MCF-7, which is one of representative human breast cancer cell lines. The gene was introduced into. As a control, a pcDNA vector (Invitrogen) that does not encode an artificial protein was introduced into cells. MCF-7 was fixed with methanol 24 hours after gene introduction, and the expression of the histidine-tagged artificial protein was confirmed by immunostaining with Alexa-His-antibody (Qiagen) (FIG. 9). As shown in FIG. 9, the expression of the artificial protein was observed in the cells into which the MxA6 gene was introduced, whereas the expression was not observed in the control, and the localization thereof was found to match that of the mitochondria. Using such mammalian cell systems or E. coli expression systems, expression of artificial protein populations and screening of functional artificial proteins can be performed.

[アポトーシス制御型タンパク質に存在するBH1−BH4モチーフ配列ランダム重合による人工タンパク質集団(B)の作製]
実施例2の人工タンパク質集団(A)の作製 では、BH4モチーフをコードするKY−1372がBH3、BH2又はBH1モチーフをコードする一本鎖DNA(KY−1377、KY−1375、KY−1374)と相補的塩基対を形成するようにデザインした(1:3対応)。人工タンパク質集団(B)の作製 では、BH3又はBH4モチーフをコードする一本鎖DNAが、BH2又はBH1モチーフをコードする一本鎖DNAと相補的塩基対を形成するようにデザインする(2:2対応)(図5)。このように、相補的塩基対を形成する一本鎖DNAの比は、自在に調節することができる。他の手法は基本的に人工タンパク質集団(A)の作製と同様である。
[Production of artificial protein population (B) by random polymerization of BH1-BH4 motif sequence present in apoptosis-regulated protein]
In the production of the artificial protein population (A) of Example 2, KY-1372 encoding a BH4 motif is a single-stranded DNA (KY-1377, KY-1375, KY-1374) encoding a BH3, BH2 or BH1 motif. Designed to form complementary base pairs (1: 3 correspondence). In the production of the artificial protein population (B), the single-stranded DNA encoding the BH3 or BH4 motif is designed to form a complementary base pair with the single-stranded DNA encoding the BH2 or BH1 motif (2: 2). (Correspondence) (Figure 5). Thus, the ratio of single-stranded DNAs forming complementary base pairs can be freely adjusted. Other methods are basically the same as the production of the artificial protein population (A).

(BH1−BH4モチーフ配列を含む一本鎖DNAのデザイン:B)
BH1−BH4モチーフから構成される人工タンパク質集団Bを作成するために、4種類の一本鎖DNAKY−1372、KY−1379(BH3モチーフ、配列番号43)、KY−1375、KY−1374を芝らの発明した多機能塩基配列設計法(特開2001−352990)によりデザインした。ここで、KY−1372、KY−1379、KY−1375、KY−1374は、それぞれ制限酵素認識配列GTCGAC (SalI), CTCGAG(XhoI), AGATCT (BglII), GAATTC (EcoRI)を含むように設計した(図5デザインB、下線)。また、KY−1372又はKY−1379の3´端7塩基(5’-GGCGGGG-3’)が、KY−1375及びKY−1374の3´端7塩基(5’-CCCCGCC-3’)と相補的塩基対を形成するように設計した。また、KY−1372及びKY−1379の3´末端及び3´末端から9番目の塩基には、7塩基対以上の相互作用が形成されないようにアデニン(A)及びシトシン(C)をそれぞれ挿入した。
(Design of single-stranded DNA containing BH1-BH4 motif sequence: B)
In order to create an artificial protein population B composed of BH1-BH4 motifs, four types of single-stranded DNAs KY-1372, KY-1379 (BH3 motif, SEQ ID NO: 43), KY-1375, and KY-1374 were used as Shiba et al. It was designed by the multifunctional base sequence design method invented in (JP 2001-352990). Here, KY-1372, KY-1379, KY-1375, and KY-1374 were designed to include restriction enzyme recognition sequences GTCGAC (SalI), CTCGAG (XhoI), AGATCT (BglII), and GAATTC (EcoRI), respectively. (Figure 5 Design B, underlined). Also, KY-1372 or KY-1379 3 ′ end 7 bases (5′-GGCGGGG-3 ′) is complementary to KY-1375 and KY-1374 3 ′ end 7 bases (5′-CCCCGCC-3 ′) It was designed to form a target base pair. In addition, adenine (A) and cytosine (C) were inserted into the 9th base from the 3 ′ end and the 3 ′ end of KY-1372 and KY-1379, respectively, so that an interaction of 7 base pairs or more was not formed. .

(BH1−BH4モチーフを含む一本鎖DNAのランダム重合反応)
まず、上記一本鎖DNAのランダム重合反応液50μLを調整した。XhoIをコードするKY−1379の重合反応検討のためにXhoIを利用したことを除いて、人工タンパク質集団(A)の作製の項と同様に調整した。重合反応は、1%アガロースゲルにより確認した。
(Random polymerization reaction of single-stranded DNA containing BH1-BH4 motif)
First, 50 μL of the single-stranded DNA random polymerization reaction solution was prepared. Except that XhoI was used for examining the polymerization reaction of KY-1379 encoding XhoI, the preparation was performed in the same manner as in the section on preparation of artificial protein population (A). The polymerization reaction was confirmed by 1% agarose gel.

(図6)。また、BH1−BH4モチーフがそれぞれ類似の頻度でランダム重合するように、反応の最適化を行った結果KY−1374:KY−1375:KY−1379:KY−1372=4:1:10:1のようにBH1−BH4量比を設定した。  (Figure 6). Moreover, as a result of optimizing the reaction so that the BH1-BH4 motifs were randomly polymerized at similar frequencies, KY-1374: KY-1375: KY-1379: KY-1372 = 4: 1: 10: 1 Thus, the BH1-BH4 amount ratio was set.

(制限酵素反応によるBH1−BH4モチーフを含むDNAランダム重合の確認)
BH1−BH4モチーフ配列を含む一本鎖DNAのランダムな重合を確認するため、任意の制限酵素を用いてDNA重合体の切断反応を行った。制限酵素にXhoIを加えたことを除いて、反応は人工タンパク質集団(A)の作製の項と同様である。5類の反応溶液に対しそれぞれ、(1)酵素なし、(2)SalI(40units/μL)を2μL、(3)XhoI(10units/μL)を2μL(4)EcoRI(10units/μL)を2μL、(5)BglII(10units/μL)を2μLという条件で加えた。切断反応は、37℃、90分で進行させた。DNA切断反応を確認するため、50μLの反応液から5μLを抽出し、1.0%TAEアガロースゲルによる電気泳動(100V、15分)を行った。(図7)。図7のように、BH1−BH4モチーフ配列を含む一本鎖DNAから構成されたDNA重合体が、用いた全ての制限酵素で部分的に切断されることがわかった。このことから、4種一本鎖DNAのランダムな重合反応が確認できた。
(Confirmation of random DNA polymerization containing BH1-BH4 motif by restriction enzyme reaction)
In order to confirm the random polymerization of the single-stranded DNA containing the BH1-BH4 motif sequence, the DNA polymer was cleaved using an arbitrary restriction enzyme. The reaction is the same as in the section on the production of the artificial protein population (A) except that XhoI was added to the restriction enzyme. For each of the five reaction solutions, (1) no enzyme, (2) SalI (40 units / μL) 2 μL, (3) XhoI (10 units / μL) 2 μL (4) EcoRI (10 units / μL) 2 μL, (5) BglII (10 units / μL) was added under the condition of 2 μL. The cleavage reaction was allowed to proceed at 37 ° C. for 90 minutes. In order to confirm the DNA cleavage reaction, 5 μL was extracted from the 50 μL reaction solution and subjected to electrophoresis (100 V, 15 minutes) using a 1.0% TAE agarose gel. (Figure 7). As shown in FIG. 7, it was found that a DNA polymer composed of single-stranded DNA containing a BH1-BH4 motif sequence was partially cleaved by all the restriction enzymes used. From this, a random polymerization reaction of four kinds of single-stranded DNAs could be confirmed.

(大腸菌への形質転換、スクリーニング、及びDNA重合産物の配列決定)
人工タンパク質集団(A)の作製の項と同様に形質転換及び配列決定を行った。人工タンパク質の遺伝子配列及びアミノ酸配列を図10(配列番号44−53)に示す。
(Transformation to E. coli, screening, and sequencing of DNA polymerization products)
Transformation and sequencing were performed in the same manner as in the section on the production of the artificial protein population (A). The gene sequence and amino acid sequence of the artificial protein are shown in FIG. 10 (SEQ ID NOs: 44-53).

[アポトーシス制御型タンパク質に存在するBH1−BH4モチーフ配列ランダム重合による人工タンパク質集団(C)の作製]
実施例2及び実施例3における人工タンパク質集団(A、B)の作製では、DNA重合反応の際に生じるランダムな塩基欠損もしくは挿入に起因するフレームシフトに依存して、BH1−BH4モチーフが人工タンパク質集団にランダム挿入された。このため、BH1−BH4モチーフの出現頻度が比較的少なかった(違う翻訳読み枠が多く出現する)。ここではフレームシフトに依存せずに、BH1−BH4モチーフがランダム重合するように一本鎖DNAのデザインを改変した。他の手法は基本的に人工タンパク質集団(A)の作製と同様である。フレームシフトに依存せず、より多くのBH1−BH4モチーフが人工タンパク質集団に出現することが実施例4では期待される。
[Production of artificial protein population (C) by random polymerization of BH1-BH4 motif sequence present in apoptosis-regulated protein]
In the production of the artificial protein populations (A, B) in Example 2 and Example 3, the BH1-BH4 motif is an artificial protein depending on the frame shift caused by random base deletion or insertion occurring during the DNA polymerization reaction. Randomly inserted into the population. For this reason, the appearance frequency of the BH1-BH4 motif was relatively low (a lot of different translation reading frames appear). Here, the design of the single-stranded DNA was modified so that the BH1-BH4 motif was randomly polymerized without depending on the frame shift. Other methods are basically the same as the production of the artificial protein population (A). In Example 4, it is expected that more BH1-BH4 motifs appear in the artificial protein population without depending on the frame shift.

(BH1−BH4モチーフ配列を含む一本鎖DNAのデザイン:C)
BH1−BH4モチーフから構成される人工タンパク質集団Cを作成するために、4種類の一本鎖DNA KY−1372、KY−1389(配列番号54)、KY−1390(配列番号55)、KY−1391(配列番号56)をデザインした(図11、KY−1372:BH4モチーフ、KY−1389:BH3モチーフ、KY−1390:BH1モチーフ、KY−1391:BH2モチーフ)。KY−1389、KY−1390、KY−1391はそれぞれKY−1377、KY−1374、KY−1375の5´末端にCCを付加した配列である。これにより、フレームシフトに依存せずに、ランダム重合したBH1−BH4モチーフが人工タンパク質集団に出現する。KY−1372、KY−1389、KY−1390、KY−1391は、それぞれ制限酵素認識配列GTCGAC (SalI), AAGCTT (HindIII), GAATTC (EcoRI), AGATCT (BglII)を含むように設計した(図11デザインC、下線)。また、KY−1372の3´端7塩基(5’-GGCGGGG-3’)が、KY−1389−KY−1391の3´端7塩基(5’-CCCCGCC-3’)と相補的塩基対を形成するように設計した。また、KY−1372の3´末端及び3´末端から9番目の塩基には、7塩基対以上の相互作用が形成されないようにアデニン(A)及びシトシン(C)をそれぞれ挿入した。
(Design of single-stranded DNA containing BH1-BH4 motif sequence: C)
In order to create an artificial protein group C composed of BH1-BH4 motifs, four types of single-stranded DNAs KY-1372, KY-1389 (SEQ ID NO: 54), KY-1390 (SEQ ID NO: 55), KY-1391 (SEQ ID NO: 56) was designed (FIG. 11, KY-1372: BH4 motif, KY-1389: BH3 motif, KY-1390: BH1 motif, KY-1391: BH2 motif). KY-1389, KY-1390, and KY-1391 are sequences in which CC is added to the 5 ′ end of KY-1377, KY-1374, and KY-1375, respectively. As a result, the randomly polymerized BH1-BH4 motif appears in the artificial protein population without depending on the frame shift. KY-1372, KY-1389, KY-1390, and KY-1391 were designed to contain restriction enzyme recognition sequences GTCGAC (SalI), AAGCTT (HindIII), GAATTC (EcoRI), and AGATCT (BglII), respectively (FIG. 11). Design C, underlined). In addition, the 3 ′ end 7 bases (5′-GGCGGGG-3 ′) of KY-1372 has a complementary base pair with the 3 ′ end 7 bases (5′-CCCCGCC-3 ′) of KY-1389-KY-1391. Designed to form. In addition, adenine (A) and cytosine (C) were inserted into the 9th base from the 3 ′ end and the 3 ′ end of KY-1372 so that an interaction of 7 base pairs or more was not formed.

(BH1−BH4モチーフを含む一本鎖DNAのランダム重合反応)
上記一本鎖DNAのランダム重合反応液50μLを人工タンパク質集団(A)の作製の項と同様に調整した。加える一本鎖DNAは、KY−1372:KY−1389:KY−1390:KY−1391=1:1:1:1のようにそれぞれ等量の一本鎖DNAを重合反応系に加えた。重合反応は、72℃、45サイクルで行い、1%アガロースゲルにより重合を確認した(図11)。
(Random polymerization reaction of single-stranded DNA containing BH1-BH4 motif)
50 μL of the single-stranded DNA random polymerization reaction solution was prepared in the same manner as in the preparation of the artificial protein population (A). As for the single-stranded DNA to be added, an equal amount of single-stranded DNA was added to the polymerization reaction system such that KY-1372: KY-1389: KY-1390: KY-1391 = 1: 1: 1: 1. The polymerization reaction was carried out at 72 ° C. and 45 cycles, and the polymerization was confirmed by 1% agarose gel (FIG. 11).

(制限酵素反応によるBH1−BH4モチーフを含むDNAランダム重合の確認)
BH1−BH4モチーフ配列を含む一本鎖DNAのランダムな重合を確認するため、任意の制限酵素を用いてDNA重合体の切断反応を行った。反応条件は人工タンパク質集団(A)の作製の項と同様である。5類の反応溶液に対しそれぞれ、(1)酵素なし、(2)HindIII(10units/μL)を2μL、(3)EcoRI(10units/μL)を2μL、(4)BglII(10units/μL)を2μL、という条件で加えた。図12のように、BH1−BH4モチーフ配列を含む一本鎖DNAから構成されたDNA重合体が、用いた全ての制限酵素で部分的に切断されることがわかった。このことから、4種一本鎖DNAのランダムな重合反応が確認できた。
(Confirmation of random DNA polymerization containing BH1-BH4 motif by restriction enzyme reaction)
In order to confirm the random polymerization of the single-stranded DNA containing the BH1-BH4 motif sequence, the DNA polymer was cleaved using an arbitrary restriction enzyme. The reaction conditions are the same as in the section for producing the artificial protein population (A). For each of the five reaction solutions, (1) no enzyme, (2) HindIII (10 units / μL) 2 μL, (3) EcoRI (10 units / μL) 2 μL, (4) BglII (10 units / μL) 2 μL It was added on condition that. As shown in FIG. 12, it was found that a DNA polymer composed of single-stranded DNA containing a BH1-BH4 motif sequence was partially cleaved by all the restriction enzymes used. From this, a random polymerization reaction of four kinds of single-stranded DNAs could be confirmed.

(大腸菌への形質転換、スクリーニング、及びDNA重合産物の配列決定)
人工タンパク質集団(A)の作製の項と同様に形質転換及び配列決定を行った。デザインCにより得られた人工タンパク質の遺伝子及びアミノ酸配列を図13a,bに示す(配列番号57−74)。図13のように4つのBH1−BH4モチーフ配列が高頻度で出現する人工タンパク質集団をえることに成功した。
(Transformation to E. coli, screening, and sequencing of DNA polymerization products)
Transformation and sequencing were performed in the same manner as in the section on the production of the artificial protein population (A). The gene and amino acid sequence of the artificial protein obtained by Design C are shown in FIGS. 13a and 13b (SEQ ID NOs: 57-74). As shown in FIG. 13, the present inventors succeeded in obtaining an artificial protein population in which four BH1-BH4 motif sequences appear with high frequency.

[アポトーシス制御型タンパク質に存在するBH1−BH4モチーフ配列ランダム重合による人工タンパク質集団(D)の作製]
実施例4の人工タンパク質集団(C)の作製の結果、得られたタンパク質集団は、比較的BH3モチーフの出現頻度が低いという結果が得られた。よって実施例5では、DNA重合反応に加える一本鎖DNAの量比は、KY−1372:KY−1389:KY−1390:KY−1391=2:2:0.4:0.3のように、BH4とBH3モチーフをコードするKY−1372とKY−1389の割合を多くして重合反応系に加えた。以外全ての反応条件は、実施例4の人工タンパク質集団(C)の作製と同様の条件で行った。図11にランダム重合体の電気泳動図、図12に制限酵素による切断、図14a,b,cに得られた人工タンパク質の遺伝子及びアミノ酸配列をそれぞれ示す(配列番号75−100)。図14に示すように、4つのモチーフが高頻度で出現し、特にBH4−BH3モチーフの出現頻度が高い人工タンパク質集団の作成に成功した。このように、DNA重合反応の際に混合する一本鎖DNAの量比を変化させることで、人工タンパク質集団に含まれるモチーフの割合を制御することができる。人工タンパク質集団(C)と人工タンパク質集団(D)におけるBH1−BH3モチーフの出現頻度を比較したものを図15に示す。
[Production of artificial protein population (D) by random polymerization of BH1-BH4 motif sequence present in apoptosis-regulated protein]
As a result of the production of the artificial protein population (C) of Example 4, it was found that the obtained protein population had a relatively low frequency of appearance of the BH3 motif. Therefore, in Example 5, the amount ratio of the single-stranded DNA added to the DNA polymerization reaction is as follows: KY-1372: KY-1389: KY-1390: KY-1391 = 2: 2: 0.4: 0.3 The proportion of KY-1372 and KY-1389 encoding BH4 and BH3 motifs was increased and added to the polymerization reaction system. All the reaction conditions were the same as in the production of the artificial protein population (C) in Example 4. FIG. 11 shows an electrophoretogram of the random polymer, FIG. 12 shows the digestion with restriction enzymes, and FIGS. 14a, 14b, and 14c show the gene and amino acid sequence of the obtained artificial protein (SEQ ID NOs: 75-100), respectively. As shown in FIG. 14, four motifs appeared with high frequency, and in particular, an artificial protein population with a high appearance frequency of BH4-BH3 motif was successfully created. Thus, the ratio of the motif contained in the artificial protein population can be controlled by changing the amount ratio of the single-stranded DNA mixed in the DNA polymerization reaction. FIG. 15 shows a comparison of the appearance frequency of the BH1-BH3 motif in the artificial protein population (C) and the artificial protein population (D).

[人工タンパク質のヒト癌細胞での発現及び局在多様性]
実施例2、3、4、及び5で作製した人工タンパク質集団A、B、C、及びDの中から無作為に41クローンを選択し、その遺伝子をヒト乳癌細胞株MCF−7に導入した。遺伝子導入24時間後にMCF−7をメタノール固定し、Mycエピトープタグ(EQKLISEEDL;配列番号101)のついた人工タンパク質の発現をMyc抗体による免疫染色で確認した。その結果、41クローン中28クローン(68%)で、タンパク質の効果的発現がヒト細胞内で観察できた。また、その細胞内局在を検討した結果、細胞質に存在するもの(11クローン)、核に存在するもの(5クローン)、ミトコンドリアに存在するもの(5クローン)、それ以外(7クローン)と非常に多様であることがわかった(図16)。このように、本手法により得られた人工タンパク質は、哺乳類細胞内で効果的に発現し、細胞内で様々なオルガネラに局在できる能力をもつことがわかった。
[Expression and localization diversity of artificial proteins in human cancer cells]
Forty-one clones were randomly selected from the artificial protein populations A, B, C, and D prepared in Examples 2, 3, 4, and 5, and the gene was introduced into the human breast cancer cell line MCF-7. MCF-7 was fixed in methanol 24 hours after gene introduction, and the expression of an artificial protein with a Myc epitope tag (EQKLISEEDL; SEQ ID NO: 101) was confirmed by immunostaining with Myc antibody. As a result, 28 out of 41 clones (68%), the effective expression of the protein could be observed in human cells. In addition, as a result of examining its intracellular localization, it was found that there were those present in the cytoplasm (11 clones), those present in the nucleus (5 clones), those present in mitochondria (5 clones), and others (7 clones). (Fig. 16). As described above, it was found that the artificial protein obtained by this method is effectively expressed in mammalian cells and has the ability to localize to various organelles in the cells.

[癌細胞に細胞死を誘導する機能性人工タンパク質の創出]
実施例6において、タンパク質発現を確認した28クローンの遺伝子をヒト乳癌細胞株MCF−7に導入し、MCF−7の増殖に及ぼす効果を検討した。96ウエルの細胞培養プレートに、1ウエルあたり1x10のMCF−7を播種し、37度で24時間培養した。その後、28クローンの遺伝子をコードするプラスミド0.2μgをリポフェクタミン2000(Invitrogen)を用いてMCF−7内に導入した。遺伝子導入48時間後に、増殖活性をミトコンドリアの代謝活性の指標であるテトラゾリウム塩WST−1を用いて定量した(Roche)。コントロールであるタンパク質をコードしない空ベクターを導入した場合の増殖活性と比較した結果、28種のクローン中一つのクローンD29が、有為にMCF−7の増殖を阻害することがわかった(コントロールに対し約40%の増殖阻害効果)。
[Creation of functional artificial proteins that induce cell death in cancer cells]
In Example 6, 28 clone genes whose protein expression was confirmed were introduced into human breast cancer cell line MCF-7, and the effect on the growth of MCF-7 was examined. A 96-well cell culture plate was seeded with 1 × 10 4 MCF-7 per well and cultured at 37 ° C. for 24 hours. Thereafter, 0.2 μg of a plasmid encoding the gene of 28 clones was introduced into MCF-7 using Lipofectamine 2000 (Invitrogen). 48 hours after gene introduction, the proliferation activity was quantified using the tetrazolium salt WST-1 which is an indicator of mitochondrial metabolic activity (Roche). As a result of comparison with the growth activity when an empty vector not encoding a control protein was introduced, it was found that one clone out of 28 clones, D29, significantly inhibited the growth of MCF-7 (as a control). About 40% growth inhibitory effect).

この増殖阻害活性が、プログラムされた自発的細胞死(アポトーシス)によるものかどうかを検討するため、アポトーシス細胞を検出する指標であるTUNEL染色をおこなった(Roche)。TUNEL染色では、アポトーシス初期での断片化されたDNAを蛍光標識したヌクレオチドにより検出することができる。この結果、D29は天然細胞死誘導タンパク質Baxと同等の程度MCF−7にアポトーシスを誘導できることがわかった(図17)。これに対し、WST−1により細胞増殖阻害が認められなかったクローンの一つA10は、MCF−7にアポトーシスを誘導できないことがわかった。さらに共焦点顕微鏡をもちいて人工タンパク質を発現している細胞の状態を詳しく検討した結果、D29を発現している細胞とTUNEL陽性細胞の明確な相関が認められた(図18)。このように、本手法によりアポトーシス制御型モチーフ配列のランダム重合により作製した人工タンパク質集団は、乳癌細胞にアポトーシスを誘導できる機能性人工タンパク質を含むことがわかった。   In order to examine whether this growth inhibitory activity is due to programmed spontaneous cell death (apoptosis), TUNEL staining, which is an index for detecting apoptotic cells, was performed (Roche). In TUNEL staining, fragmented DNA in the early stage of apoptosis can be detected with fluorescently labeled nucleotides. As a result, it was found that D29 can induce apoptosis in MCF-7 to the same extent as the natural cell death-inducing protein Bax (FIG. 17). On the other hand, it was found that one of the clones A10 in which cell growth inhibition was not observed by WST-1 could not induce apoptosis in MCF-7. Furthermore, as a result of examining the state of cells expressing the artificial protein in detail using a confocal microscope, a clear correlation between cells expressing D29 and TUNEL positive cells was observed (FIG. 18). Thus, it was found that the artificial protein population prepared by random polymerization of the apoptosis-control motif sequence by this method contains functional artificial proteins that can induce apoptosis in breast cancer cells.

[同一タンパク質集団を利用した細胞死抑制型機能性人工タンパク質の創出]
実施例6において発現を確認したクローンは、細胞死促進型BH3モチーフと同様に細胞死抑制型BH4モチーフも含んでいる。よってこれらクローンから、実施例7の細胞死促進型人工タンパク質とは逆の機能をもつ、細胞死抑制型機能性タンパク質を取得できる可能性を検討した。タンパク質発現を確認した28クローンの遺伝子及び天然の細胞死促進型タンパク質BIMの遺伝子をヒト子宮頸癌細胞株HeLaに導入し、BIMの増殖阻害活性に及ぼすクローンの効果を検討した。96ウエルの細胞培養プレートに、1ウエルあたり0.5x10のHeLaを播種し、37度で24時間培養した。その後、28クローンの遺伝子をコードするプラスミド100ng、及びBIMをコードするプラスミド50ngをリポフェクタミン2000(Invitrogen)を用いてHeLa内に導入した。遺伝子導入48時間後に、増殖活性をテトラゾリウム塩WST−1により定量した(Roche)。コントロールであるGFPをコードしたベクターを導入した場合の増殖活性と比較した結果、28種のクローン中二つのクローンA10及びD16が、有為にBIMによる増殖阻害を抑制することがわかった(図19)。このような増殖阻害抑制効果は、天然のアポトーシス抑制型タンパク質であるBcl−xLの遺伝子をコードするプラスミドを導入した細胞でも観察できた。さらに、二種類の抗癌剤、エトポサイド(VP-16)とスタウロスポリン(STS)による増殖阻害が、A10及びD16を導入したHaLa細胞で部分的に抑制されたることもわかった(図19)。
[Creation of cell death-suppressing functional artificial protein using the same protein population]
The clone whose expression was confirmed in Example 6 contained a cell death-suppressing BH4 motif as well as a cell death promoting BH3 motif. Therefore, the possibility of acquiring a cell death-suppressing functional protein having a function opposite to that of the cell death promoting artificial protein of Example 7 from these clones was examined. The genes of 28 clones whose protein expression was confirmed and the natural cell death promoting protein BIM were introduced into the human cervical cancer cell line HeLa, and the effect of the clones on the growth inhibitory activity of BIM was examined. A 96-well cell culture plate was seeded with 0.5 × 10 4 HeLa per well and cultured at 37 ° C. for 24 hours. Thereafter, 100 ng of a plasmid encoding 28 clone genes and 50 ng of a plasmid encoding BIM were introduced into HeLa using Lipofectamine 2000 (Invitrogen). Proliferation activity was quantified with tetrazolium salt WST-1 48 hours after gene transfer (Roche). As a result of comparison with the growth activity when a vector encoding GFP as a control was introduced, it was found that two clones A10 and D16 out of 28 clones significantly suppressed the growth inhibition by BIM (FIG. 19). ). Such a growth inhibition inhibitory effect could be observed even in cells into which a plasmid encoding the gene of Bcl-xL, which is a natural apoptosis inhibitory protein, was introduced. Furthermore, it was also found that growth inhibition by two types of anticancer agents, etoposide (VP-16) and staurosporine (STS), was partially suppressed in HaLa cells into which A10 and D16 were introduced (FIG. 19).

この細胞死抑制活性が、アポトーシスの抑制によるものかどうかを検討するため、TUNEL染色をおこなった(Roche)。約1x10のHeLa細胞に人工タンパク質をコードするプラスミド0.4μgを遺伝子導入し、24時間後に125nMのSTSを含む培地に交換し、さらに23時間インキュベートした。この結果、A10またはD16を導入したHeLa細胞では、STSによるアポトーシスが有為に抑制されることがわかった(図20)。これに対し、空ベクターpcDNAやD29をコードするプラスミドを導入したほぼ全ての細胞は、TUNEL陽性であった。さらに共焦点顕微鏡をもちいて人工タンパク質を発現している細胞の状態を詳しく検討した結果、D16を発現している細胞とTUNEL陰性細胞の明確な相関が認められた(図21)。このアポトーシス抑制効果は、天然のアポトーシス抑制型タンパク質であるBcl−xLを発現する細胞でも同様に認められた。このように、本手法により作製した人工タンパク質集団は、アポトーシス誘導型だけではなく、抑制型機能性人工タンパク質も創出できることがわかった。In order to examine whether this cell death inhibitory activity is due to inhibition of apoptosis, TUNEL staining was performed (Roche). About 1 × 10 5 HeLa cells were transfected with 0.4 μg of the plasmid encoding the artificial protein, 24 hours later, the medium was replaced with a medium containing 125 nM STS, and further incubated for 23 hours. As a result, it was found that apoptosis induced by STS was significantly suppressed in HeLa cells into which A10 or D16 had been introduced (FIG. 20). In contrast, almost all cells into which the plasmids encoding empty vector pcDNA and D29 were introduced were TUNEL positive. Furthermore, as a result of examining the state of cells expressing the artificial protein in detail using a confocal microscope, a clear correlation between cells expressing D16 and TUNEL-negative cells was observed (FIG. 21). This apoptosis inhibitory effect was also observed in cells expressing Bcl-xL, a natural apoptosis inhibitor protein. Thus, it was found that the artificial protein population produced by this method can create not only an apoptosis-inducing type but also a suppressive functional artificial protein.

本発明の人工遺伝子集団の作製方法により、従来の人工遺伝子集団の作製方法ではできなかった、多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団を作製することが可能となった。また、該人工遺伝子集団を用いて、該人工遺伝子集団がコードする人工タンパク質集団を作製することが可能となった。本発明の人工遺伝子集団の作製方法により、モチーフ配列を少なくともその一部でコードする全体にわたっての高い配列類似性を条件としない複数種のDNAをランダムに重合することが可能となり、かつ、ストップコドンの出現を回避した一本鎖DNAをランダムに重合することで、長い翻訳読枠(ORF)を有するDNA配列のランダム重合が可能となった。更に、任意のモチーフ配列を、機能モチーフ配列、構造モチーフ配列、進化分子工学的に取得された人工ペプチド配列、又はタンパク質工学的な知識に基いてデザインされた配列のような配列に基いて構築し、多数種のモチーフ配列を任意に選定し、ランダムに重合して、人工遺伝子集団、及び、人工タンパク質集団を作製することにより、機能性について合理的予測性を加味し、多数種モチーフ配列をランダムに重合した人工遺伝子集団、及び、人工タンパク質集団の作製が可能となった。   The method for producing an artificial gene population of the present invention makes it possible to produce an artificial gene population in which a large number of motif sequences are randomly polymerized, which was not possible with the conventional method for producing an artificial gene population. Moreover, it has become possible to produce an artificial protein population encoded by the artificial gene population using the artificial gene population. According to the method for producing an artificial gene population of the present invention, it becomes possible to randomly polymerize a plurality of types of DNAs that do not require high sequence similarity over the entire coding sequence of a motif sequence, and a stop codon. By randomly polymerizing single-stranded DNA that avoids the appearance of DNA, random polymerization of DNA sequences having a long translation reading frame (ORF) became possible. Furthermore, arbitrary motif sequences are constructed based on sequences such as functional motif sequences, structural motif sequences, artificial peptide sequences obtained from evolutionary molecular engineering, or sequences designed based on protein engineering knowledge. By randomly selecting many types of motif sequences and randomly polymerizing them to create artificial gene populations and artificial protein populations, we add rational predictability to functionality and randomly select multiple types of motif sequences. It was possible to produce artificial gene populations and artificial protein populations that were polymerized in the same manner.

このことから、天然には存在しない非凡な機能を持った人工タンパク質を進化分子工学的に創製する場合の成功の鍵となる有力な人工遺伝子多様性集団(ライブラリー)の創出の可能性を飛躍的に増大した。更に、本発明においては、多数種モチーフ配列の機能の選定と共に、多種の一本鎖DNAの相補的塩基対の組合わせ及び/又は多種の一本鎖DNAのそれぞれの濃度を調節して、ランダム重合反応で利用されるモチーフ配列の出現頻度をコントロールすることが可能となり、人工遺伝子集団の作製に際して、ある程度の機能を予測してランダム重合反応調節し、人工遺伝子集団の作製を行うことが可能となった。   From this, the possibility of creating a powerful artificial gene diversity group (library) that is the key to success in the creation of artificial proteins with extraordinary functions that do not exist in nature through evolutionary molecular engineering Increased. Furthermore, in the present invention, the function of multiple motif sequences is selected, the combination of complementary base pairs of various single-stranded DNAs and / or the concentration of each of various single-stranded DNAs are adjusted, and randomly selected. It is possible to control the appearance frequency of motif sequences used in polymerization reactions, and to create artificial gene populations by predicting certain functions and controlling random polymerization reactions. became.

Claims (14)

(1)任意のモチーフ配列をコードする配列を含む一本鎖DNAの少なくても3種以上のDNA配列を構築し、(2)該一本鎖DNA配列の3´末端配列の一部が互いに相補的塩基対を形成し、かつ該相補的塩基対の両端に相手の塩基と対にならない塩基が1塩基以上存在するように、相補的塩基配列を導入し、(3)該方法により構築した多種の一本鎖DNAを調節された濃度で混合した反応液にDNAポリメラーゼを作用させることにより、モチーフ配列をコードするDNA間でのランダムな重合反応をランダム重合反応で利用されるモチーフ配列の出現頻度をコントロールして進行させることを特徴とする多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法。(1) constructing at least three kinds of DNA sequences of single-stranded DNA containing a sequence encoding an arbitrary motif sequence, and (2) part of 3 ′ terminal sequences of the single-stranded DNA sequences are mutually A complementary base sequence was introduced so that one or more bases forming a complementary base pair and not paired with the other base existed at both ends of the complementary base pair , and (3) constructed by the method Appearance of motif sequences that are used in random polymerization reactions by random polymerization reaction between DNAs encoding motif sequences by allowing DNA polymerase to act on a reaction mixture in which various single-stranded DNAs are mixed at controlled concentrations A method for producing an artificial gene population in which a large number of motif sequences are randomly polymerized, wherein the frequency is controlled to proceed. 任意のモチーフ配列をコードする配列を含む一本鎖DNAの少なくても4種以上のDNA配列を構築し、該一本鎖DNAを調節された濃度で混合した反応液にDNAポリメラーゼを作用させることにより、モチーフ配列をコードするDNA間でのランダムな重合反応を進行させることを特徴とする請求項1記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法。Constructing at least four kinds of single-stranded DNA containing a sequence encoding an arbitrary motif sequence, and allowing DNA polymerase to act on a reaction mixture in which the single-stranded DNA is mixed at a controlled concentration The method for producing an artificial gene population in which a large number of motif sequences are randomly polymerized according to claim 1, wherein random polymerization reaction between DNAs encoding the motif sequences is allowed to proceed. 相補的塩基対の数が、6塩基以上であることを特徴とする請求項1又は2記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法。The number of complementary base pairs is 6 bases or more, The method for producing an artificial gene population in which a large number of motif sequences are randomly polymerized according to claim 1 or 2 . 相補的塩基対の両端に、相手の塩基と対にならない塩基を1〜3のいずれかの塩基数、存在させたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法。The multi-motif sequence according to any one of claims 1 to 3, wherein a base that does not pair with the partner base is present at both ends of the complementary base pair in any number of bases of 1 to 3. A method for producing a randomly polymerized artificial gene population. 多種の一本鎖DNAの相補的塩基対の組合わせを調節して、ランダム重合反応で利用されるモチーフ配列の出現頻度をコントロールすることを特徴とする請求項1〜のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法。Adjust the combination of complementary base pairs of single-stranded DNA of a wide, numerous according to any one of claims 1-4, characterized in that to control the frequency of occurrence of the motif sequences utilized by random polymerization reaction A method for producing an artificial gene population in which seed motif sequences are randomly polymerized. ランダム重合反応系に加えられる多種の一本鎖DNAの濃度が、0.2μM〜20μMの範囲で変動することを特徴とする請求項1〜のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法。The multiple motif sequences according to any one of claims 1 to 5 , wherein the concentration of various single-stranded DNAs added to the random polymerization reaction system varies within a range of 0.2 to 20 µM. Method for producing artificial gene populations. 構築した多種の一本鎖DNAを反応液に混合し、該導入した一本鎖DNAの相補的塩基配列を鋳型として、3´末端から5´末端方向に作用するエキソヌクレアーゼ活性を含む耐熱性DNAポリメラーゼを作用させることにより、モチーフ配列をコードするDNA間でのランダムな重合反応を進行させることを特徴とする請求項1〜のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法。Heat-resistant DNA containing exonuclease activity acting from the 3 ′ end to the 5 ′ end using the constructed single-stranded DNA mixed with the reaction solution and using the complementary base sequence of the introduced single-stranded DNA as a template The artificial gene population in which the multiple motif sequences according to any one of claims 1 to 6 are randomly polymerized by allowing a polymerase to act to cause random polymerization reaction between DNAs encoding the motif sequences. Manufacturing method. 任意のモチーフ配列をコードする配列を含む一本鎖DNAが、機能モチーフ配列、構造モチーフ配列、進化分子工学的に取得された人工ペプチド配列、又はタンパク質工学的な知識に基いてデザインされた配列に基いて構築されたマイクロ遺伝子であることを特徴とする請求項1〜のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法。A single-stranded DNA containing a sequence encoding an arbitrary motif sequence is converted into a functional motif sequence, a structural motif sequence, an artificial peptide sequence obtained from evolutionary molecular engineering, or a sequence designed based on protein engineering knowledge. The method for producing an artificial gene population in which a large number of motif sequences are randomly polymerized according to any one of claims 1 to 7 , wherein the gene is a microgene constructed based on the gene. マイクロ遺伝子の構築に際して、合成する一本鎖DNA配列内で、予め各翻訳読み枠で、停止コドンを排除しておくことを特徴とする請求項記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法。In the construction of micro-gene, in a single-stranded DNA sequence to synthesize, advance in the translation reading frame, a number species motif sequence of claim 8, wherein the keep eliminate stop codons are randomly polymerized artificial How to create a gene population. 任意のモチーフ配列をコードする配列を含む一本鎖DNAが、多数種モチーフ配列をコードする一本鎖DNAに制限酵素認識配列を付加することで、ランダム重合反応で利用されるモチーフ配列の出現頻度を制限酵素反応により直接モニターできるように構築されていることを特徴とする請求項1〜のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法。Frequency of appearance of motif sequences used in random polymerization reactions by adding restriction enzyme recognition sequences to single-stranded DNAs containing sequences encoding arbitrary motif sequences to single-stranded DNAs encoding multiple types of motif sequences 10. The method for producing an artificial gene population in which a large number of motif sequences are randomly polymerized according to any one of claims 1 to 9 , which is constructed so that can be directly monitored by restriction enzyme reaction. 請求項1〜10のいずれか記載の多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団の作製方法により作製した遺伝子を組込んだベクターを、宿主細胞に導入し、発現することを特徴とする多種のモチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団の作製方法。A vector incorporating a gene produced by the method for producing an artificial gene population in which the multiple motif sequences of any one of claims 1 to 10 are randomly polymerized is introduced into a host cell and expressed. Of artificial protein population in which the motif sequences are randomly inserted. 多数種モチーフ配列をコードする一本鎖DNAを塩基変異、欠損を挿入することなくランダムに重合して人工遺伝子集団を作製し、該人工遺伝子集団を翻訳することでフレームシフトに依存せず多様性分子集団をえることを特徴とする請求項11記載の多種のモチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団の作製方法。A single-stranded DNA encoding multiple motif sequences is randomly polymerized without insertion of base mutations or deletions, and an artificial gene population is created. 12. The method for producing an artificial protein population in which various motif sequences are randomly inserted according to claim 11 , wherein a molecular population is obtained. 多数種モチーフ配列をコードする一本鎖DNAを塩基変異、欠損を挿入しつつランダムに重合して人工遺伝子集団を作製し、該人工遺伝子集団を翻訳することでフレームシフトに依存して多様性分子集団をえることを特徴とする請求項11記載の多種のモチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団の作製方法。Diversity molecules depending on the frameshift by creating an artificial gene population by randomly polymerizing single-stranded DNA encoding multiple types of motif sequences while inserting base mutations and deletions, and translating the artificial gene population 12. The method for producing an artificial protein population in which various motif sequences are randomly inserted according to claim 11, wherein the population is obtained. 請求項1〜10のいずれか記載の作製方法により作製された、多数種モチーフ配列がランダムに重合した人工遺伝子集団、又は請求項11〜13のいずれか記載の方法により作製された、多種のモチーフ配列をランダムに挿入した人工タンパク質集団について、機能性遺伝子或いは機能性タンパク質をスクリーニングすることを特徴とする機能性人工遺伝子又は機能性人工タンパク質の創出方法。 An artificial gene group in which a large number of motif sequences are randomly polymerized, produced by the production method according to any one of claims 1 to 10 , or various motifs produced by the method according to any one of claims 11 to 13. A method for creating a functional artificial gene or a functional artificial protein, comprising screening a functional gene or a functional protein for an artificial protein population into which sequences are randomly inserted .
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