JP4730804B2 - Method - Google Patents

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    • G01N33/6803General methods of protein analysis not limited to specific proteins or families of proteins
    • G01N33/6845Methods of identifying protein-protein interactions in protein mixtures

Description

【0001】
本発明は、タンパク質発現アレイを作成する新規方法、及び迅速なスクリーニングにおけるこのようなアレイの使用に関する。
【0002】
ゲノムマッピング計画は、治療の標的を発見するプロセスとそれを用いた薬物を発見するプロセスとに革命を与えている。新規な治療の標的が同定されると、既存の化学物質ライブラリー及びコンビナトリアル化学物質ライブラリーの高速大量スクリーニングによって、これらの標的に対して活性な多くのリード化合物の候補が提示されるであろう。初期の臨床検査においてでさえ、全てのリード化合物を追求するのが不経済であることは明確であろう。しかしながら、今のところ、生物中に存在する全てのタンパク質に対する、それらが有し得る活性のプロフィールに関してこのようなリード化合物を評価するための迅速な方法は存在しない。もし利用できるのであれば、このような方法は、全てのリード化合物が有し得る毒性学的プロフィールを、初期の段階で評価することを可能とし、この情報によって、何れの化合物を追跡し、何れの化合物を除外すべきかを決定するプロセスが著しく促進されるであろう。
【0003】
製薬業界には、既存の薬物(既に市場に出回っているものとまだ開発中のものの両者)の標的を全て同定して、これにより、それらの作用機序を決定したいという補完的な需要が存在する。規制当局は、現在、作用機序についての知識が極めて重要であると考えていることが益々明らかとなっているので、このような情報が得られれば、新規薬物に対する規制当局の承認を得る工程が大幅に容易となるであろう。さらに、この種の情報によれば、改良された第2世代の薬物をデザインすることが可能となろう。これは、薬物の多くは、おそらくは薬物又はその代謝物が望ましくない標的に結合することによって生じる副作用を少なくとも僅かには有しているためである。改良された薬物をデザインするために必要な基準を確定するためには、これらの標的タンパク質が全て同定される必要がある。しかしながら、現在ところ、この情報を得るための簡易な方法は存在せず、単に作用の標的が分からないために、多くの何百万ドルもの薬物候補が不成功により断念している。
【0004】
タンパク質−タンパク質相互作用は、内的ストレスと外的ストレスの両者に対する細胞応答を支配する上で、極めて重要であると益々認識されるようになっている。それ故、特異的なタンパク質−タンパク質相互作用は、感染症やその他の病状における薬物を介した処置に対する標的の候補となる。現在のところ、酵母ツーハイブリッドアッセイが、タンパク質−タンパク質相互作用を評価するための唯一の信頼できる方法であるが、この種のインビボアッセイは、非高速大量フォーマットにおいてでさえ、タンパク質−タンパク質相互作用の特異的なアゴニスト又はアンタゴニストの同定には、余り適さないであろう。機能的プロテオーム発現アレイ、すなわち「プロテオームチップ」によれば、タンパク質−タンパク質相互作用の特異性、及び任意の薬物を介した効果の特異性をインビトロフォーマットで決定することが可能となるであろう。それ故、この研究分野に革命を与えるために、プロテオームアレイは莫大な可能性を有しているといえるだろう。
【0005】
機能的プロテオームアレイを作成し得る1つの方法は、特定のプロテオーム中に発現されている全てのタンパク質を各別にクローニングし、発現し、精製し、固定化することである。しかしながら、ゲノム全体の配列データの利用可能性についての考慮とともに、まず考慮すべき重要な事柄は、目的とするゲノムの絶対的なサイズである。これらの点について説明すると、典型的な細菌のゲノムは約5Mbpであり、今のところ、完全に配列が決定されたのは少数であり(例えば、Helicobacter pylori、Escherichia coli、及びMycobacterium tuberculosis)、真菌のゲノムは典型的には約40Mbp、哺乳類のゲノムは3Gbpであり、植物のゲノムは約10Gbpである。現在、ヒトゲノムの配列決定は2003年頃に完結すると推測されているが、この情報のうちどの程度が公共的なドメインに置かれるかは、大いに疑問とされねばならない。明らかに、代表的なモデル生物以外の全てのゲノムが、現実的な時間枠内に入手できるようになると予想するのは完全に非現実的であり、機能的なプロテオミクスの展望から、モデル動物の価値は限られたものである。それ故、原理的には、この4年以内に、ヒトゲノム中の約10万の各遺伝子をcDNAライブラリーからクローニングするためのプライマーをデザインし、合成することが可能となるかもしれないが、実際には、たとえ必要な配列データが入手できるとしても、これは極めて費用がかかり(プライマーの費用だけで、数百万ドルにのぼるであろう)、且つ著しく手間のかかる工程となろう。
【0006】
しかし、完全な配列データが得られないであろう製薬に適した生物はどうなるのであろうか? 機能的プロテオミクスからこれらを全く無視することはできないとして、何が代替物となるのであろうか。発現cDNAライブラリーは、原理的には、タンパク質のアレイを作成するために非特異的な固定化とともに使用することができるが、非特異的な固定化は、通常、タンパク質の折り畳みが破壊されるために、機能の喪失を伴うという事実によって、この技術は、著しく制限される。さらに、宿主の細胞タンパク質が固定化されると、少なくともS/N比が顕著に減少し、最悪の場合には、明確な結果が得られなくなってしまう。それ故、各タンパク質が特異的に固定化され、機能に影響を与えることなく、且つ全ゲノム配列についての知識を要せずに、共通のモチーフ又はタグを介して精製される機能的プロテオームアレイを作ることができれば、機能的プロテオミクスの分野に莫大な進歩を与えるであろう。
【0007】
本発明者らは、対応する遺伝子のDNA配列を予め知ることを必要とせずに、プロテオーム中の各タンパク質内の所定位置に共通のマーカーを付加させ得る方法を提供することによって、上記の課題を解決する新規アプローチを開発するに至った。この「タグ」は、続いて、その後の固定化及び精製操作に対して共通性と特異性を与えるために使用することができ、これにより、続いて、所定のプロテオームから得られた何千ものタンパク質がディスプレーされた空間的に規律されたアレイの作成が可能となる。
【0008】
ここで考慮すべき重要なことは、「タグ」を正確な場所に置くことである。もし前記タグが、何れかの遺伝子の不確定でランダムな位置にインフレームに挿入されれば、得られたタグ付加されたタンパク質は、不確定な態様で末端切断されると思われるので、多くの場合には、正しい折り畳みと機能が破壊されるであろう。ここに記載した方法は、各完全長のタグが付加されたタンパク質が正しく折り畳まれ、このため、アレイ中に特異的に固定化したときに機能が保持されるように、何れかの特定の遺伝子の開始コドンの直後又は停止コドンの直前に前記タグを挿入することによって、この課題を回避する。
【0009】
前記アレイ中の各タンパク質は完全に機能的であるはずなので、その後、アレイは、薬物の標的及び他の生物学的に関連する分子を同定するために直接スクリーニングすることができる。前記アレイが空間的に規定されていることによって、各タンパク質の表現型を直接その遺伝子型に関連付けて、「ヒット」を同定することが可能となるであろう。
【0010】
このように、第1の側面において、本発明は、各々N末端又はC末端の何れかにマーカー部分が付加された完全長のタンパク質として、1以上のタンパク質をクローニングし、発現することを備えたタンパク質アレイを作成する方法を提供する。
【0011】
前記マーカー部分は、ペプチド配列、例えばヘキサヒスチジンタグ、抗体のエピトープ、又はビオチン類似物(biotin mimic)、又は実際に完全なタンパク質、又はタンパク質ドメイン、例えばマルトース結合タンパク質ドメインの何れであってもよい。前記マーカー部分自体は、例えば、ビオチン又は脂質分子を付加することによって、翻訳後に修飾することができる。好ましい態様では、前記マーカー部分は、「タグ付加された」タンパク質の精製も可能とするであろう。
【0012】
このように、本発明の方法は、各遺伝子の配列についてのいかなる知見にも依拠しない態様で、1つのポットで、cDNAライブラリーの全てのメンバーを特異的に修飾することを可能とする。代わりに、本発明の方法は、全ての遺伝子中に存在する共通の開始又は停止コドンに基づいている。前記修飾は、必要に応じて、配列公知の付加すべきさらなるDNAを、各cDNAの開始コドンの直後か、又は停止コドンの直前の何れかに、インフレームで正確に挿入するという形態でなされるであろう。
【0013】
前記付加すべきDNAは、各cDNAの産物と同じリーディングフレーム中に存在するであろう公知のマーカー部分をコードするであろう。本発明の方法によって作成された各遺伝的に修飾されたcDNAは、このため、ここでは、そのN又はC末端の何れかに正確に融合された共通部分である「タグ」、例えばポリペプチドを有する各タンパク質をコードすることになろう。cDNAライブラリーの全てのメンバーは、正確に同じように修飾されると思われるので、前記cDNAライブラリーによってコードされる全てのタンパク質は、最終的な結果としては、この段階では、それらのN又はC末端の何れかに共通部分が付加されることになるだろう。
【0014】
一般的に、前記cDNAライブラリーから発現される前記タンパク質は「タグ付加」され、容易に同定し、単離することができるであろう。一度精製されると、タンパク質は、例えば、マイクロアレイに付着させることができる。付着は、タグ自体を通じて、あるいはタンパク質に最初に付着された別の部分を通じて行うことができる。
【0015】
本明細書に記載された方法によって形成されたアレイは、本発明の第2の側面を成す。このようなアレイは、通常は、固相支持体上に固定された、「タグ付加された」タンパク質の発現ライブラリーを備える。当業者であれば、アレイの分野において、固相支持体たり得る幅広い支持体が一般的に使用されており、これらの「基材(substrate)」を何れも、本発明のアレイの製造に使用できることが理解できるであろう。
【0016】
本明細書に記載されているように、本発明の方法は、あるプロテオーム中の全タンパク質のN末端又はC末端の何れかに特異的にタグを付加することを可能とする。タンパク質の中にはN末端の伸長が許容され得ないものも、C末端の伸長が許容され得ないものもあるが、殆どのタンパク質は、このような伸長の何れかを許容するであろう。しかしながら、完全長の、修飾されていないcDNAとして、又はランダムで殆ど不可避的に末端切断された、あるタンパク質パートナーへの融合物として遺伝子をクローニングするので、既存のライブラリークローニング法は、この課題を全く解決することができない。
【0017】
後者に比べて、本方法によれば、例えば、所望のペプチドパートナーへの融合物として、正確な、完全長のcDNAライブラリーを作成することが可能となる。前者に比べて、本明細書に記載したアレイ中にタンパク質を固定化する方法は、非特異的な相互作用よりも、特異的な相互作用を介し、これらの特異的な相互作用が、各cDNAの末端に付加されたタグの機能である。さらに、本明細書に記載された方法は、正確な折り畳みと翻訳後修飾を通じて機能の維持を補助するために細菌でない宿主生物で発現された、精製、固定化されたタンパク質をスクリーニングするために使用することができるのに対して、ファージディスプレー又はλ−cDNAライブラリーのような既存の方法は、誤った折り畳みか、又は不正確な翻訳後修飾の何れかのために、多くの真核細胞のタンパク質が非機能的な形態で合成される細菌宿主に限定される。
【0018】
本発明の方法は、大きく3つの主たる領域に分けることができる広い範囲にわたるインビトロでの使用可能性を有している。これらは、タンパク質−リガンド相互作用の研究、タンパク質−タンパク質相互作用の研究、及びタンパク質−DNA相互作用の研究である。
【0019】
タンパク質−リガンド相互作用
本明細書に記載した方法は、ある新規な化学物質とあるプロテオーム中の全タンパク質間の相互作用を迅速に描出することが可能であろう。これは、単に、逆高速大量スクリーニングと考え得る様々なストリンジェンシーで、NCEを用いて適切なプロテオームのアレイをプロービングすることによって達成され得る。このようなスクリーニングから読み取られた情報は、多くの場面(そのうちの幾つかは以下に記載されている)ですぐに役立つであろう。
【0020】
細胞又は完全な生物体に対して化合物のライブラリーを検査する高速大量スクリーニングプログラムは、しばしば、スクリーニング前にその標的を知ることなしに、表現型の変化をもたらす手がかりを同定する。しかしながら、その後の一次標的の同定は、極めて手間のかかるプロセスであり得る。当該種に対する機能的プロテオームアレイを作り出した後、リード化合物がプロテオーム中の何れのタンパク質を標的としているかを同定するために、リード化合物を用いてこのアレイをスクリーニングすることができると思われるので、本発明の方法は、この種の問題にそのまま適用することができる。タンパク質−リガンド相互作用を同定するためのこの大規模並列アプローチは、NCEの一次標的の決定を大幅にスピードアップさせ、且つ簡易化し、同じく重要であり得るより弱い二次的な相互作用の同定も可能にするであろう。さらに、本方法は、種の交叉反応性という問題にも直接適用できるので、例えば、ヒトのプロテオーム中の全タンパク質との相互作用について、例えば、抗真菌化合物の候補を迅速に評価することが可能となる。この種の情報は、リード化合物のその後のいかなる最適化においても、極めて有用であることが分かるであろう。
【0021】
高速大量スクリーニング法は、現在、それ自身以前に治療の標的の候補として同定されたあるタンパク質に結合する小分子の迅速な同定を可能にする。しかしながら、これらの方法は、あるリード化合物を追跡するかどうかを決定する上である相互作用がどの程度選択的であるかを知ることが重要であり得るにもかかわらず、この問いに応えるものではない。優れた者であれば単一のタンパク質を標的とする化合物は、多数の関連する、又は無関係なタンパク質にも遭遇する化合物よりも副作用が少ないと思われると主張するであろう。
【0022】
第3相臨床試験までは上手く進めたが、それらの主要な機序が不明であるために、規制当局の承認を勝ち得ることができない化合物の例が多数存在する。抗鬱薬であるミアンセリンとトラザドン、及びファイザーの抗関節炎薬テニダップは、この例であり、それぞれ、何億ドルもの投資に対する見返りが全く得られていない。本明細書に記載された方法は、このような薬物の主要な標的を発見し、続いて作用機序が明らかになれば、非常に高価な臨床試験データが、既に規制当局の承認のために使用できるようになるので、このような失敗に終わった薬物を復活させるのに使用することができるであろう。
【0023】
全ての既存の薬物は、多かれ少なかれ、副作用を有しているが、この例として、それ以外の面では魅力的な抗分裂病薬であるクロザピンである。このような副作用が由来する分子を決定することができれば、これによって、最小限の副作用と最適な主作用が組み合わされた未来の創薬のデザインが大きく促進されるであろう。化合物とプロテオーム中の全てのタンパク質との相互作用のプロフィールを作成する上で、異常な2次的相互作用が同定され、続いて、既知の副作用と関連しているかという見地から、これらを評価することができるので、本明細書に記載した方法は、ここでも、このような課題に直接適用することができる。
【0024】
本発明の方法は、一般的な阻害剤を備えたプロテオームアレイをスクリーニングすることによって、セリンプロテアーゼのようなタンパク質ファミリーを同定するためにも使用することができる。続いて、これによって、さらに集中したリード化合物のスクリーニングのために、その後、例えば、全てのヒトのセリンプロテアーゼ、あるいは、全てのキナーゼ、又は全てのp450酵素をディスプレーするバイオチップを開発することが可能となるであろう。例えば、p450チップによって媒介された水酸化は、代謝プロセスの最初の段階であることが多く、薬物応答における患者間の変動の主たる原因の1つであると考えられるので、p450バイオチップは、あるリード化合物が代謝されたかどうかを評価するのに有用であろう。現に、現在の薬物デザインの最終目標の1つは、第1に代謝されない化合物を作成することであり、この場合にも、p450チップは、顕著な有用性を有し得るであろう。
【0025】
タンパク質−タンパク質相互作用
タンパク質−タンパク質相互作用及び多タンパク質複合体は、細胞生物学において、特に重要である。例えば、シグナル伝達経路は、一般的に、細胞表面の受容体と外部のリガンドとの相互作用によって開始され、この後、タンパク質−タンパク質相互作用のカスケードが続き、最終的に特定遺伝子の活性化をもたらす。各タンパク質−タンパク質相互作用は、特定のリガンドの存在に依存し得、あるいは特定のリガンドによって遮断され得るが、多タンパク質複合体の中には、リガンド依存性の態様でのみ形成されるものもあるだろう。
【0026】
何千もの新しいタンパク質−タンパク質相互作用は、ツーハイブリッド手法を用いて同定されてきた。本明細書に記載された方法は、このような方法の限界を克服し、相互作用するパートナーのみならず、各相互作用の相対的な強度を明らかにするために、各標識されたタンパク質を用いてプロテオームアレイをスクリーニングするために使用することができる。本方法は、多タンパク質複合体の成分を同定し、さらには、それらの集合がどこでリガンド依存性であるのかを明らかにするためにも使用できる。
【0027】
新規タンパク質−タンパク質相互作用を明らかにする上での、このような本方法の使用例は、病状に関与していると考えられているある細胞表面受容体の細胞質ドメインのシグナル伝達パートナーの同定であろう。このようなタンパク質−タンパク質相互作用は、治療の標的の候補を直ちに示しすかもしれないので、このようなシグナル伝達パートナーの同定は、製薬の展望と直接関連するであろう。
【0028】
タンパク質−DNA相互作用
ヒトのゲノム中の全遺伝子のおよそ10%が転写因子をコードすると推測されているが、現在のところ、これらのうちの僅かな割合しか同定されていない。DNAエンハンサー要素への特異的な転写因子の結合(しばしば、外的な刺激に応答して起こる)は、エンハンセオソーム(enhanceosome)複合体の形成に不可欠であり、該複合体が、続いて、遺伝子発現のスイッチをオンにする。遺伝子の発現が、原理的に、薬物の投与によって影響を受け得る様々な点が存在する。薬物は、細胞表面受容体へのタンパク質又は小分子の結合を遮断し、これによって、最初からシグナル伝達カスケードを遮断し得る;薬物はタンパク質−タンパク質相互作用を遮断するか、又はシグナル伝達カスケード中の酵素活性を阻害し得る;あるいは、薬物は、エンハンセオソーム複合体中の特異的なタンパク質−DNA又はタンパク質−タンパク質相互作用の形成を遮断し得る。ここでの例としては、転写因子NF−κBは、免疫及び炎症反応、肢の発育、敗血性ショック、喘息、並びにHIVプロペプチドの産生にわたる様々な細胞のプロセスに関与している。NF−κBの活性化における細胞内シグナル伝達カスケードの大部分は、これらのプロセス全てに共通なので、処置のための実用的な標的とはならない。それ故、前記反応間の差は、最初のリガンド−受容体相互作用か、又は特異的なエンハンセオソーム複合体の形成の何れかに存する。NF−κBは、少なくとも14の異なるエンハンサー要素とエンハンセオソーム複合体に結合することが知られているので、治療のための標的の候補となる。しかしながら、各エンハンセオソーム複合体の描出には、関与する各DNA結合タンパク質の数とそれらの互いのタンパク質−タンパク質総合作用に関する知見が必要である。本方法は、これらの問題の何れをも直接解決するために使用することができる。プロテオームアレイは、新規DNA結合タンパク質を同定するための特異的なDNAプローブを用いてスクリーニングすることができる。あるいは、プロテオームアレイは、特定の転写因子のトランス活性化ドメインを用いてスクリーニングして、それと相互作用する他のタンパク質を同定することができる。このようなスクリーニングの相互相関によって、特定のエンハンセオソーム複合体の新規成分を同定することが可能となるはずである。
【0029】
本発明の方法によって作成されたタンパク質アレイは、アレイ中にディスプレイされた各タンパク質を認識する分子の選択も可能にするであろう。好ましい態様では、選択された分子は、抗体又は抗体様タンパク質であり、ファージ上若しくはリボソーム上にディスプレイされ、又はコードしているmRNAに共有結合しているであろう。
【0030】
このように、ファージにディスプレイされた抗体ライブラリーは、アレイ中の各固定化されたタンパク質に適用し、結合していない抗体は洗浄によって除去することができる。続いて、選択されたファージは回収して、通常の操作に従って、細菌を感染するために使用することができる。ファージに感染した細菌は、続いて、さらなるラウンドの選択用の前記選択した抗体をディスプレイするファージ粒子を産生するか、又は直接使用するための可溶性抗体断片を産生することができる。本明細書において、「抗体」又は「抗体断片」という語は、マウス、ヒト、ラクダ、又はその他の生物に由来する単一鎖のFvs、FAB断片、各軽鎖又は重鎖断片を意味する。
【0031】
好ましい態様では、前記タンパク質アレイは、選択工程後に、各ウェル(ここで、細菌細胞は前記選択したファージに感染するであろう)に適切の細菌細胞を加えることによってファージ粒子が回収できるように、マイクロウェルフォーマットの中に存在させ得るであろう。続いて、前記アレイ中の各固定化されたタンパク質に対して選択された抗体断片の物理的な分離を維持しながら、各ウェルに増殖培養液を加えて、感染した前記細菌を増殖させ、抗体断片を発現させることができる。所望であれば、感染した前記細菌によって産生された新規ファージ粒子は、続くラウンドの選択で使用することができる。このような操作は、現在では、単一の精製され、且つ固定化されたタンパク質に対するポリクローナル又はモノクローナル抗体断片を選択するための一般的な操作である。実際に、その後、前記元のタンパク質アレイは、その他は標準的なインビトロ抗体選択法を用いて、大量に並行して、正しく折り畳まれた何千ものタンパク質に対するポリクローナル又はモノクローナル抗体断片を作成することが可能であろう。
【0032】
元のアレイの各ウェルから得た前記選択され、可溶性に発現された抗体断片は、新しいアレイの各位置の中に存在する抗体断片が、前記元のアレイ中の単一の決まった位置に固定化されたタンパク質に対して選択されるように、それ自体を、新しい空間的に規定されたアレイの中に固定化することができる。このように作成された抗体のアレイは、可溶性抗体断片の固定化の前に行われた選択のラウンド回数に応じて、各位置にポリクローナル又はモノクローナル抗体断片の何れかを含有するであろう。
【0033】
このような抗体のアレイは、関連するプロテオームのディファレンシャル発現モニタリングのために、粗細胞又は組織可溶化液の各タンパク質を捕捉することを含む多数の潜在的な用途を有するであろう。あるいは、抗体によって捕捉されたタンパク質は、リガンド−結合機能について直接スクリーニングされ得る。一般的に、あるモノクローナル抗体は、タンパク質の機能を遮断するように標的タンパク質に結合し得るが、別のモノクローナル抗体は機能を遮断せずに結合し得る。大規模並列アプローチでは、プロテオーム中の全てのタンパク質に対する全てのモノクローナル抗体が機能に影響を与えずに結合する能力を各別に評価することは明らかに非現実的である。しかしながら、プロテオーム中の全てのタンパク質に対する一群のポリクローナル抗体は、機能に影響を与えずに結合する所望の能力を有する各抗体を含有しているかもしれず、さらには、あるタンパク質の全ての翻訳後修飾を認識する各抗体を含有している可能性がある。このため、一般的には、既述のごとく作成したモノクローナル抗体のアレイよりもポリクローナル抗体のアレイの方が、捕捉されたタンパク質の機能について直接スクリーニングするのに有利であろう。
【0034】
元のタンパク質アレイと比べて、本明細書に記載した方法によって作成した抗体アレイは、アレイ上に固定化された全てのタンパク質が、類似の条件下で安定であるであろうという利点を有するだろう。粗細胞又は組織可溶化液から捕捉された前記タンパク質は組換え体ではなく、天然に発現されているものであろう。さらに、前記捕捉されたタンパク質は、前記粗細胞又は組織可溶化液からの捕捉後に、直接、機能又はリガンド結合などについてスクリーニングすることができ、これは機能の維持を補助するはずである。
【0035】
このように、さらなる側面では、本発明は、
(1)1以上の化合物の生物学的活性をスクリーニングする方法であって、前記1以上の化合物を、本明細書に記載のタンパク質アレイと接触させる工程と、前記アレイ中の前記タンパク質への前記1以上の化合物の結合を測定する工程とを備えた方法;
(2)1以上のタンパク質の特異的なタンパク質−タンパク質相互作用をスクリーニングする方法であって、前記1以上のタンパク質、例えば、細胞表面受容体を、本明細書に記載のアレイと接触させる工程と、前記1以上の特異的なタンパク質の前記アレイの前記タンパク質との結合を測定する工程とを備えた方法;
(3)1以上のタンパク質の特異的なタンパク質−核酸相互作用をスクリーニングする方法であって、前記1以上の核酸プローブを、本明細書に記載のアレイと接触させる工程と、前記プローブの前記アレイ中の前記タンパク質への結合を測定する工程とを備えた方法;
(4)化合物、タンパク質、又は核酸の迅速なスクリーニングにおける本明細書に記載のアレイの使用;
(5)アレイ中の各タンパク質を認識する分子のスクリーニングにおける本明細書に記載のアレイの使用であって、前記分子が好ましくは抗体である使用;
(6)抗体アレイを作成する方法であって、タンパク質アレイ中の1以上のタンパク質が抗体ライブラリー中の少なくとも1つの抗体に結合するように、本明細書に記載のタンパク質アレイを、抗体ライブラリーと接触させることと、結合していない全ての抗体を除去することと;前記タンパク質アレイ中のタンパク質に結合した抗体の固定化とを備えた方法:及び
(7)タンパク質の機能又は存在量をスクリーニングする方法であって、本明細書に記載の抗体アレイを1以上のタンパク質の混合物と接触させる工程を備えた方法を提供する。
【0036】
方法(1)、(2)、(3)、及び(6)は、まず、1以上の本発明の方法によるアレイを提供する工程を含んでもよい。
【0037】
本発明の各側面の好ましい特徴は、必要な変更を加えれば、互いの側面に当てはまる。
【0038】
ここで、以下の例を参照しながら本発明を記載するが、本例は、いかなる意味においても、本発明の範囲を限定するものと解してはならない。
【0039】
例1
(a)ベクターの構築(図1a参照)
我々は、プロモーター配列のすぐ下流のNcoI部位中にクローニングされた遺伝子発現を誘導するための強力なハイブリッドプロモーター(Ptrc)を含有するpUC19に由来するベクターpMM106Hを構築した。我々は、NcoI部位と下流のHpaI部位の間にあるスタッファー断片(stuffer frgment)として、676bpのナンセンスDNA配列を挿入した。HpaIは平滑断端切断酵素であり、読み取り枠が前記平滑断端の最初の塩基上にあれば、前記下流のDNAがポリアスパラギン、ヘキサヒスチジンペプチドをコードするように、ベクターを切除するように配置されている。ヘキサヒスチジンタグの後には、アンバー停止コドン(TAG)があり、クラゲAequorea victoriaの緑色蛍光タンパク質(GFP)をコードする遺伝子が続いている。pMM106H中にNcoI/平滑断端断片としてクローニングされた遺伝子は、クローニングの間にHpaI部位に正しい読み取り枠が作出されたときにのみ、HisタグとGFPへの融合体をもたらす。ここでは、GFPは、Hisタグを発現するクローンの可視的なスクリーニングを促進するためにレポーター遺伝子として使用されるが、GFPは、正しいコンフォメーションに折り畳まれたときだけ活性となるので、融合タンパク質の正しい折り畳みの指標も与える。前記アンバー停止コドンは、緑のコロニーを可視化するための少量の完全長融合タンパク質をもたらすであろうが、融合タンパク質の多くはHisタグの直後で終結すると思われるので、その後固定化と酵素アッセイに使用することができる。pMM106Hの構築は配列決定によって確認された。
【0040】
我々は、まず、プライマー「GTSfwd2」(5’−ATG CTG CAG ACG TCA ACA GTA TCC ATG GCC CCT ATA CTA GG−3’)及び「GSTHindIII」(5’−GCG AGG AAG CTT GTC AAT CAG TCA CGA TGA ATT CCC G−3’)を用いて、標準的な条件下で、Schistosoma japonicumのグルタチオンSトランスフェラーゼ(GST)遺伝子をpGEX−2T(Pharmacia)からPCR増幅することによって第2のベクターpGSTNを構築した。これらのプライマーは、GSTの開始コドンにNcoI制限部位を導入し、GSTの2番目の残基をセリンからアラニンに変異させ、HindIII制限部位が続くGST遺伝子の3’にある多重クローニング部位の中に停止コドンを導入する。続いて、標準的な条件下で、pGSTNを作成するために予めNcoI/HindIIIで消化したpTrcHisA(Invitrogen)の中に、NcoI/HindIII断片として、前記PCR産物をクローニングした。
【0041】
(b)タグを付加する前の遺伝子のPCR増幅及びエキソヌクレアーゼ消化(図1b参照)
我々は、それぞれ、ベクターの開始コドンの156bp上流及び停止コドンの84bp下流に結合するベクター特異的な特注プライマー「STフォワード」(5’−ATG CTG ACG TCA TGA GGC CCA TGG GGC CCG GAT AAC AAT TTC ACA CAG G−3’)と「STリバース」(5’−GCG GAT CCT TGC GGC CGC CAG GCA AAT TCT GTT T−3’)によるポリメラーゼ連鎖反応を用いて、前記構築物pGSTNからGST遺伝子を増幅した。4つの別個の100μLの反応中で、30サイクルのPCR(94℃1分;57℃1分;72℃2分)を行った。各PCR反応は、約20ngのテンプレートDNA、50pmolの各プライマー、及び2.5ユニットのPwoポリメラーゼを含有していた。各PCR反応は、標準的な緩衝液(lOmM Tris.HCl pH8.8、25mM KCl、5mM (NHSO、2mM MgSO、10% DMSO)中で行った。続いて、4つのPCR反応は、それぞれ、以下のような、標準的でないデオキシヌクレオチド三リン酸ミックスも含有していた。
【0042】
反応1) 200μM dATP、200μM dTTP、200μM dCTP、150μM dGTP、50μM α−S−dGTP;
反応2) 200μM dATP、200μM dTTP、20OμM dGTP、150μM dCTP、50μM α−S−dCTP;
反応3) 200μM dATP、200μM dGTP、200μM dCTP、150μM dTTP、50μM α−S−dTTP;
反応4) 200μM dGTP、200μM dTTP、20OμM dCTP、150μM dATP、50μM α−S−dATP。
【0043】
それぞれの特異的なPCRミックスに単一のα−チオデオキシヌクレオチド三リン酸を含有させると、前記特異的な最終PCR産物中に適切なα−S−dNTPをランダムであるが統計的に取り込ませる。続いて、前記4つの各PCRミックスをプールし、標準的な条件下で、QIAクイックPCRクリーンアップキット(Qiagen)を用いて精製し、制限酵素AatIIで完全に消化した。得られた約1000bpのPCR産物を続いてゲル精製した。
【0044】
続いて、50μLの反応液中において、37℃で45分間、375ユニットのエキソンクレアーゼIIIとともに、5μgの前記消化したPCR産物をインキュベートした。ExoIII消化は、標準的な反応緩衝液(66mM Tris.HCl pH8.0、6.6mM MgCl、5mM DTT、50μg/mL ウシ血清アルブミン)中で行った。これらの条件は、ExoIIIによる消化は確実に完結させる。続いて、75℃まで15分間加熱することによって、酵素を不活化する。ExoIII消化の産物は、PCR産物の3’末端から得られた欠失物の入れ子状態のセット(nested set)である。AatIIによる制限は、その後エキソヌクレアーゼIII活性に対して抵抗する3’突出部を残すので、PCR産物の5’末端は、消化から保護される。
【0045】
エキソヌクレアーゼIIIは、α−チオ含有ヌクレオチドを加水分解することができない非前進性の3’から5’へのエキソヌクレアーゼなので、本プロトコールでは、ExoIIIがα−チオ−デオキシヌクレオチド塩基に達する毎に、進行するPCR産物の陥凹した3’末端の切断が停止する。このため、初期の段階に各α−S−dNTPがランダムに取り込まれる結果として、最終的には、欠失物の入れ子状態のセットが得られる。元のPCR増幅で使用したdNTPに対するα−S−dNTPの比率は、入れ子状態の欠失のエンベロープが、元の完全長PCR産物より約100bp短いものを中心とする400bpのサイズのウインドウに及ぶように、経験的に決定した。我々は、ExoIIIミックスの一部を取り、マング・ビーンのヌクレアーゼで入れ子状態の欠失を処理することによって、これを確認した。このプロセスによって、5’及び3’突出部が除去されて、平滑断端産物が得られ、続いて、100bpのDNAラダーを標準として用いて、1%のアガロース/TBEゲル上で該産物のサイズを決定した。
【0046】
明らかに、上記の操作において、入れ子状態の3’が陥凹した欠失物の必要なセットを作成するために、多くの異なる3’から5’へのヌクレアーゼ活性を使用することができる;これらには、エキソヌクレアーゼIII、E.ColiのDNAポリメラーゼI、T4 DNAポリメラーゼ、T7 DNAポリメラーゼが含まれるが、これらに限定されるものではない。
【0047】
(C)タグを導入するための特異的な連結とPCR増幅(図1c参照)
約25倍モル過剰の「オリゴミックス」の存在下で、5μLのExoIII反応ミックスをT4 DNAリガーゼ緩衝液中に希釈した。前記「オリゴミックス」は、2つの異なるオリゴヌクレオチドプールのうちの何れか1つからなる。第1のプール、「オリゴミックスA」は、3つの可能な各停止コドンが5’末端に提示され、直後に縮重塩基が続く12のオリゴヌクレオチドを含有している。各オリゴの残りの領域は、12のケース全てにおいて同じであり、3’末端にプライマー「LBM2」に対する相補的な制限配列(5’−GTA AAA CGA CGG CCA GT−3’)が続いた2つのIIS型制限酵素部位(SapI及びBpmI)以外は、効果的にランダムな配列である。12のオリゴの配列は以下のとおりである。
【0048】
【表1】

Figure 0004730804
【0049】
第2のプール「オリゴミックスB」は、3組のオリゴヌクレオチドからなり、それぞれは、5’末端に存在する3つの停止コドンのうち1つを有し、その直後に6つの縮重した残基が続いている。各オリゴの残りの領域は、3つの組全てで同じであり、2つのIIS型制限酵素部位(BpmIとBseRI)を含有し、3’末端にプライマー「LMB2」に対する相補的な認識配列が続いている。3組のオリゴの配列は以下のとおりである。
【0050】
【表2】
Figure 0004730804
【0051】
ExoIIIミックス+オリゴミックスA又はオリゴミックスBの何れかを、16℃で30分間アニールした後、400ユニットのT4 DNAリガーゼを加え、その後16℃で一晩反応液をインキュベートした。標準条件下で、QIAクイック PCRクリーンアップキット(Qiagen)を用いて連結産物を精製し、プライマー「STフォワード」と「LMB2」により、Pwoポリメラーゼを用いる標準的なPCR反応におけるテンプレートとして使用した。30サイクルのPCR(94℃、1分;57℃1分;72℃2分)を実施して、1000bpに及ぶPCR産物を生成させた。
【0052】
オリゴミックスAとオリゴミックスBは何れも、前の工程で実施された二重鎖のうちの1つの鎖のExoIIIによる加水分解によって露出された元のテンプレートの一本鎖DNA領域に拮抗的にアニールすることができる。アニーリングに続いて、何れかのオリゴとテンプレートとの間で上手く連結が起こるためには、オリゴがその5’末端で絶対的な相補性をもってアニールし、さらに、前記二重鎖テンプレートの陥凹した3’残基が、特異的にアニールされたオリゴの5’残基と直接隣接していることを要する。新しく連結されたオリゴに結合する第1のプライマーと二重鎖テンプレートの5’末端に結合する第2のプライマーを用いたPCRは、その後、このような連結を受けた二重鎖のみを選択的且つ特異的に増幅する。オリゴミックスA中の前記12の各オリゴの5’末端は、停止コドンに対応するので、図1cに示されているように、このミックス中に含まれる12のオリゴのうち、その5’末端に、GSTの第1のインフレーム停止コドンと該停止コドンのすぐ3’にある塩基とを含む4つの塩基対認識配列に対して絶対的な相補性を有する1つだけがアニールすることができる。残りの11のオリゴは、それらの5’末端において、前記欠失物の入れ子状態のセットの内部の別の場所に完全にアニールし得るが、これら他の特異的なアニーリング現象は、GST遺伝子中のアウトオブフレームの停止コドン又は最初のインフレーム停止コドンの下流にある停止コドンでしか起こらない。新しくアニールしたオリゴがどこで、二重鎖テンプレートの3’陥凹した残基に直接隣接していても、連結が起こり得る。この段階のPCRは、それ故、正確な、完全長の遺伝子のみならず、末端切断され、且つ伸長された産物のセットも増幅するであろう。オリゴミックスB中のオリゴは、同様に反応すると予想される。前記プール中の前記3組の各オリゴの5’末端は、停止コドンに対応し、効果的にランダムである6つの残基が続く。それ故、前記プールは、停止コドンと次の6つの残基が目的の遺伝子の下流にある残基と完全にマッチする1つの順列を含有するであろう。4と比べて、9つのヌクレオチド上に相補部分が伸長しているので、このオリゴは、12のオリゴのプールから得られた対応するオリゴより高い特異性で結合するであろう。
【0053】
オリゴミックスAとオリゴミックスBとの理論的な差は、各オリゴの5’末端にある停止コドンの直後にある配列中に存在する。オリゴミックスAでは、単一の縮重する塩基の後にはナンセンスであるが、決まった単一のDNA配列が続いているので、この決まった領域は、各オリゴの5’末端での4つのデザインされた塩基対の相互作用を超えて、意図的にではないが塩基対の相補性をさらに与えることによって、何れかの特定の遺伝子内の各「停止」コドン(インフレームであるとアウトオブフレームであるとを問わない)を優先するように、オリゴミックスのアニーリングを偏らせることができる。アニーリング中の何れの偏りも、各停止コドン(インフレームであるとアウトオブフレームであるとを問わない)の特異的な切り出しと置換が起こったクローンに対する偏りの下流に現れ得る。このような異なる停止コドンにおける修飾の頻度の偏りは、望ましくないかもしれないので、オリゴミックスBは、以下のように、これを回避するためにデザインされている。各遺伝子又はライブラリー内の停止コドンは何れも、そのすぐ後に、確定しているが、未知の配列が続いているであろう。3つの停止コドンは全て、オリゴミックスBの中に提示されており、遺伝子又はライブラリー内の何れの停止コドンに対しても、前記停止コドンとその正確な下流の配列と正確にマッチするオリゴがオリゴミックスBの中に1つ存在し、全体で9塩基対の相補性が得られるように、それぞれは、全ての可能なヘキサヌクレオチド配列(すなわち、ランダムヘキサマー配列によって)が直後に続いている。これは全ての停止コドンについて当てはまると思われるので、オリゴミックスBは、それ故、オリゴミックスAで起こり得るこの種の偏りからは、何れも解放されるはずである。
【0054】
我々は、前記オリゴミックスのExoIII消化、アニーリング、及び連結、並びに特異的なPCR増幅の全プロセスが、高度に再現性を有することを見出した。この操作における対照として、エキソヌクレアーゼIII、T4 DNAリガーゼ、又は何れかのオリゴミックスのうち何れか1つを省略すると、PCR産物が全く得られないことを示した。このことは、このプロセスが高度に選択的であることを示している。
【0055】
T4 DNAリガーゼは、異なる特異性を示し得る多数の異なるDNAリガーゼ、例えば、TaqDNAリガーゼ、又はTsc DNAリガーゼによって置き換え得ることも理解できるであろう。
【0056】
(d)操作の変形
明らかに、上記の操作において、3’陥凹した欠失物の必要な入れ子状態のセットを作成するために、多数の異なる3’から5’へのヌクレアーゼ活性を使用することができる。これらには、エキソヌクレアーゼIII、E.coli DNAポリメラーゼI、T4 DNAポリメラーゼ、T7 DNAポリメラーゼが含まれるが、これらに限定されることはない。
【0057】
停止コドン又は開始コドンが正確に除去された完全長の挿入物を作成するための前記元の操作に対する明確な変形には、コード配列を包含するPCR産物中に、5’が陥凹した欠失物の入れ子状態のセットを製造することが含まれる。これは、λエキソヌクレアーゼ、E.coli DNAポリメラーゼI、Taq DNAポリメラーゼ、T7遺伝子6エキソンクレアーゼのようなヌクレアーゼを用いて行うことができるであろう。このように、例えば、前記元のPCR産物は、5’から3’方向にdsDNAの1つの鎖からヌクレオチドを除去するλエキソヌクレアーゼを用いて消化することができる。前記酵素は、5’リン酸基のみを基質として認識するので、2つの鎖のうち1つは、最初のPCR増幅において適切なプライマーの末端に5’水酸基を取り込むことによって保護され得る。欠失物の入れ子状態のセットは、このように、5’が陥凹した末端を残すように反対鎖が消化されることを除き、エキソヌクレアーゼIIIについて上記したように作成することができる。続いて、停止コドンの相補部分が前記オリゴの3’末端に存在し、すぐ直前に6つのランダム化された残基が先行し、その前にIIS型制限部位をコードする所定配列が先行するオリゴの混合物を、前記露出した1本鎖領域にアニールすることができる。前記混合物からの1つのオリゴは、各露出された停止コドンに特異的にアニールし、5’から3’の方向にポリメライズするE.coliのDNAポリメラーゼIに対するプライマーとした働き、その5’から3’へのエキソヌクレアーゼ活性で、その前にある鎖を消化するであろう。この新しい二重鎖DNA断片は、続いて、元のPCR産物の5’末端に結合するプライマーと新しくアニール、伸長されたオリゴに特異的に結合するプライマーとを用いて、特異的に増幅することができる。この操作では、前記アニールされたオリゴの3’末端は、二重鎖テンプレートの5’が陥凹した残基に直接隣接することを要しない。前記混合物からのオリゴは、ランダムなヘキサマープライミングと類似した態様で、前記露出した1本鎖DNAテンプレート上の任意の相補領域にアニールすることができるが、重要なことに、鎖の伸長は、3’末端が絶対的な相補性をもってアニールし、前記混合物中のオリゴの3’末端が停止コドンのみに相補的であるようにデザインされている場合だけに起こるであろう。このように、オリゴの3’末端が一致する停止コドンに特異的に結合するときだけ、プライマーの伸長とその後のPCR増幅が起こるであろう。アウトオブフレームの停止コドンと目的の遺伝子の真の停止コドンの下流にあるコドンへの結合も起こり、正確な完全長の遺伝子のみならず、一群の末端切断され、伸長された産物のPCR増幅が得られる。
【0058】
(e)PCR産物のクローニングと分析(図1d参照)
QIAquick PCR精製キット(Qiagen)を用いて、サイズが800〜1000bpにわたるPCR産物(約5μg)を精製した後、IIS型制限酵素BpmIを用いて完全に消化した。この酵素は、一方の鎖中に存在するその認識配列から離れた14の塩基と他方の鎖上の16bpを遠隔的だが特異的に切断して、3’陥凹した末端を残す。このため、この制限修飾は、前記PCR産物から停止コドン(前記「オリゴミックス」から各オリゴの5’末端は、前の工程において、ここにアニールし、適切に連結される)を特異的に切り出す。
【0059】
続いて、マング・ビーンヌクレアーゼを用いて、標準的な条件下で、前記消化された産物の陥凹した3’末端を除去し、PCR産物の3’末端に平滑断端を作出する。標準的な条件下で、QIAquick PCR精製キット(Qiagen)を用いて、DNAを精製し、続いて、制限酵素NcoIを用いて完全に消化した。続いて、QIAquickゲル抽出キット(Qiagen)を用いて、1%アガロース/TBEゲル上で、800bp〜1000bpにわたる制限DNA断片を精製した。制限酵素NcoIとHpaIでベクターpMM106H(3μg)を完全に消化し、2870bpの骨格断片をゲルで精製した。続いて、標準的な条件下で、ベクターDNAと制限PCR産物を互いに連結させ、連結混合物を用いてE.coli DH5α細胞を形質転換した後、これを回収し、100μg/mLのカルベニシリンを含有するLBプレート上に播種した。
【0060】
このクローニング操作は、前工程で得られたPCR産物の完全なセットに対して行った。しかしながら、最初のインフレーム停止コドンへのオリゴの特異的なアニーリングと連結に由来するPCR産物のみが、この操作を介したクローニング工程後に、ヘキサヒスチジンタグとGFPへのインフレーム融合物を生じることができるはずである。このようにしてクローニングされた他の全てのPCR産物は、ヘキサヒスチジンタグとGFPへのアウトオブフレーム融合物を誘導するにすぎないはずである。PCR産物の平滑断端の、ベクターの平滑断端への連結が、下流ベクターDNAの読み取り枠の翻訳が切り出された停止コドンの元の読み取り枠によって指示される遺伝的融合物もたらすので、このようなことが起こる。もし、停止コドンがGST遺伝子に関してアウトオブフレームであれば、新しく付加されたヘキサヒスチジンをコードする配列も、GST遺伝子に対してアウトオブフレームになるものと思われるが、停止コドンがGSTに関してインフレームであれば、新しく付加されたヘキサヒスチジンをコードする配列もGST遺伝子に関してインフレームとなるであろう。しかしながら、特異的に切り出された停止コドンがGSTの最初のインフレーム停止コドンであったPCR産物のみが、前記DNAが転写、翻訳されるときに、ヘキサヒスチジン(とGFP)が付加されたGST融合タンパク質を生じ得る。上記特異的工程全体から生じ得る唯一のヘキサヒスチジン(とGFP)が付加されたタンパク質は、それ故、必ず、ポリアスパラギン、ヘキサヒスチジンへの完全長のGST融合物であろう。
【0061】
上述したクローニング操作から得られたコロニーは、緑色の蛍光のコロニーを同定するために、365nmで可視化された。90のコロニー(白と緑の両者)をランダムに選んで、レプリカプレーティングを行い、抗Hisタグと抗GST抗体を用いた標準的な条件下でコロニーウェスタンブロットによって分析した。抗Hisタグ抗体は、ヘキサヒスチジンが付加されたタンパク質を発現するコロニーに結合するだけであると思われるので、ウェスタンブロットは、ヘキサヒスチジンタグへのインフレーム融合物を発現するコロニーの数についての直接的な情報を与える。これに対して、抗GST抗体は、GSTタンパク質のC末端付近に結合するので、完全長又はほぼ完全長のGSTタンパク質を発現するコロニーのみを認識する。我々は、抗Hisタグと抗GST抗体の両者によって陽性に認識されたタンパク質を含有するコロニーを同定した。これらのコロニーからのDNAを増幅、精製、及び配列決定した。配列決定データによって、完全長のGSTへの2つの完全なインフレーム融合物(すなわち、元のGST遺伝子の最初のインフレーム停止コドンが特異的に切り出され、インフレームのポリアスパラギン、ヘキサヒスチジンタグによって置き換えられたクローン)の存在が確認された。この操作全体を介して我々が取得した修飾の成功率は、それ故、約2.2%である。両陽性クローンは、十分な量の完全長のGST−ヘキサヒスチジン−GFP融合物が発現されるために、長波長の紫外光に暴露すると、緑の蛍光を発することが見出された。それ故、さらなる全ての実験において、ウェスタンブロットによるさらなる分析のためには、緑の蛍光を発するコロニーのみを選択した。我々は、約70〜80%の緑の蛍光を発するコロニーが、抗Hisタグ抗体によって認識されるタンパク質を発現することを見出した。残りの20〜30%のケースでは、おそらくは、クローニングされた挿入物によって導入された偽リボソーム結合部位の助けによって、ヘキサヒスチジンタグとは独立に、GFP遺伝子の最初のATGから翻訳が開始している。
【0062】
我々は、抗Hisタグと抗GST抗体の両者によって認識されるタンパク質を発現している緑の蛍光を発するコロニーからプラスミドDNAを増幅、精製、配列決定した。オリゴミックスAとオリゴミックスBの両者を用いて調製した挿入物に関しては、修飾の成功率は、全ての緑のコロニーの約25%であることが分かった。それ故、GFP遺伝子をインフレーム融合物に対するマーカーとして使用すると、正しいクローンを検出する効率が約10倍増加する。
【0063】
マング・ビーンヌクレアーゼは、異なる特異性を示すかもしれない多数の異なる1本鎖ヌクレアーゼ、例えばS1ヌクレアーゼ又はRNaseTによって置き換えることができ、適切な位置に置かれた多数の異なるIIS型制限酵素、例えばSapIを、BpmIの代わりに使用し得ることも理解できるであろう。
【0064】
(f)タグ付加されたタンパク質の固定化と機能的な分析(図1e参照)
上記の方法によって作成された完全長のヘキサヒスチジンが付加されたGSTプラスミドのうちの1つで、E.coli DH5α細胞を形質転換した。10mLの液体培地中において、中期対数期まで、単一のカルベニシリン耐性コロニーを増殖させた後、100μMのIPTGを補充して、ヘキサヒスチジンが付加されたGSTの発現を誘導する。さらに4時間増殖させた後、細胞を採集し、凍結融解/リゾチームによって溶解した。粗可溶化液のSDS−PAGEは、予想されたサイズ(27kDa)の過剰発現したタンパク質(全可溶性タンパク質の約20%を占めた)とともに、アンバーの抑制によって生じた少量の54kDaのGST−ヘキサヒスチジン−GFP融合物を示した。続いて、粗可溶化液(500μL;100μg)をニッケル−NTA磁気ビーズ(50μL;結合能15μgのヘキサヒスチジンが付加されたタンパク質)と混合し、磁場の下での沈降によって前記ビーズを回収した。上清を捨て、ビーズを洗浄した後、各1mMのグルタチオンと1−クロロ−2,4−ジニトロベンゼンを含有するグルタチオンSトランスフェラーゼアッセイ緩衝液中に再懸濁した。340nmの吸光度を測定することによって、室温で30分後に終末点のアッセイデータを集めた。この波長は、GSTによって触媒される反応の産物のλmaxに相当する。
【0065】
対照として、親ベクター(pMM106H)又は無関係のHis付加タンパク質(アラニンラセマーゼ)をコードするプラスミドの何れかを含有するDH5αの培養物を平行して増殖、誘導、採集、溶解し、アッセイした。GST活性は、Hisを付加されたGSTを含有する粗可溶化液と混合されたビーズ上のみに検出され、明らかに、観察されたGST活性が、固定化されたHis付加GSTから特異的に得られたものであり、さらに、該タンパク質が特異的に固定化されたときに、活性を保持していることが実証された。
【0066】
酵素アッセイの完了後に、100mMのイミダゾールを含有する緩衝液を添加することによって、磁気ビーズからタンパク質を溶出し、SDS−PAGEによって分析した。これによって、陽性活性のアッセイ結果が得られたサンプルが、グルタチオンSトランスフェラーゼに対して予想された正確なサイズ(27kDa)の単一の固定化されたタンパク質を含有することが示され、このため、前記ビーズ上に観察された活性が、この組み換えHis付加タンパク質のみによることが確認された。
【0067】
例2
(a)2つの異なるタグを用いたGSTの修飾、固定化、及びアッセイ
ヘキサヒスチジンタグによるグルタチオン−S−トランスフェラーゼの修飾について例1で記載した操作に従って、我々は、該操作が、加えたタグの正確な性状の影響を受けないことを実証した。
【0068】
まず、676bpのNcoI/HpaIナンセンスDNAスタッファー断片が、Escherichia coli gdhA遺伝子に由来する300bpのNcoI/HpaI断片に置き換えられ、ヘキサヒスチジンタグがFLAGペプチド(エピトープタグ)とStrepIIタグ(ストレプトアビジンに特異的に、且つ高い親和性で結合する)の何れかによって置き換えられていることを除いて、pMM106Hと同一である2つのさらなるベクターを構築した。これらのベクターは、それぞれ、pMM104F及びpMM104Sと表記された。NcoIとHpaIを用いて、これらのベクター(それぞれ3μg)を別々に完全消化し、2870bpの骨格断片をゲル精製し、例1に記載したようにオリゴミックスAから生じたGST断片に連結した。抗FLAG及び抗GST抗体の組み合わせを使用した後、配列決定し、FLAGタグへの前記完全長のGST遺伝子の完全なインフレーム融合物を含有するクローンを同定した。同様に、抗GST抗体とストレプトアビジン−西洋ワサビペルオキシダーゼ接合体の組み合わせを用いた後、配列決定し、StrepIIタグへの前記完全長のGST遺伝子の完全なインフレーム融合物を含有するクローンが同定された。何れの例においても、完全長のインフレーム融合物が見出される頻度は、例1で決定したものと同じ(実験誤差の範囲内)であった。
【0069】
固定化基材が、それぞれ抗FLAG抗体をコートした96ウェルのプレートとストレプトアビジンコートされた磁気ビーズであることを除き、実質的に例1に記載されているように、これらのクローンを固定化実験で使用した。例1における如く、我々は、これらのタグを介した融合タンパク質の特異的な固定化を実証することができ、さらに、我々は、FLAG又はStrepタグの何れかを介して固定化したときに、GST融合物がその活性を保持することを示すことができた。
【0070】
例3
(a)ヘキサヒスチジンタグを用いた別のタンパク質の修飾
グルタチオン−S−トランスフェラーゼについて例1に記載した操作に従って、我々は、この操作が、扱っている正確な遺伝子の影響を受けないことを実証した。
【0071】
このように、ヒト転写因子NF−κB p50をコードするプラスミドから開始し、特に明記されていなければ、例1に記載されている操作(オリゴミックスAを用いる)に正確に従って、我々は、最初のインフレーム停止コドンが特異的に切り出され、ポリアスパラギン、ヘキサヒスチジンタグをコードするDNAへのインフレーム融合物によって置き換えられているようにNF−κB p50が修飾されることを実証することができた。抗Hisタグ抗体を用いたコロニーウェスタンブロットによって、ヘキサヒスチジンが付加されたタンパク質を発現するクローンの同定が可能となった。これらのコロニーからのDNAを増幅、精製、配列決定した。配列データによって、幾つかのクローンは、完全長のNF−κBへの完全なインフレーム融合物(すなわち、前記停止コドンが特異的に切り出され、インフレームヘキサヒスチジンタグによって置き換えられたクローン)をコードすることが確認された。NF−κB p50のケースで、完全長のインフレーム融合物が見出される頻度は1.1%であり、GSTについて例1で決定したものと近く、実験誤差の範囲内にある。
【0072】
(b)ヘキサヒスチジンが付加されたNF−κB p50の固定化と機能分析 上記方法によって作成した完全長のヘキサヒスチジンが付加されたNF−κBプラスミドのうちの1つで、E.Coli DH5α細胞を形質転換した。10mLの液体培地中において、中期対数期まで、単一のカルベニシリン耐性コロニーを増殖させた後、100μMのIPTGを補充して、ヘキサヒスチジンが付加されたNF−κB p50の発現を誘導する。さらに4時間増殖させた後、細胞を採集し、音波処理によって溶解した。粗可溶化液のSDS−PAGEは、予想されたサイズ(38kDa)の過剰発現したタンパク質(全可溶性タンパク質の約5%を占めた)とともに、アンバーの抑制によって生じた少量の65kDaのNF−κB p50−ヘキサヒスチジン−GFP融合物を示した。
【0073】
【表3】
Figure 0004730804
【0074】
標準的な条件下で3末端トランスフェラーゼ(Boehringer Mannheim)を用いて、二重鎖オリゴヌクレオチド「κBモチーフ」(NF−κB p50に対するパリンドローム結合部位を含有する)の3’塩基をジゴキシゲニンで標識した。
【0075】
5mMのβ−メルカプトエタノールを含有するPBS(リン酸緩衝化された生理的食塩水pH7.5)中でのリゾチーム/凍結溶解法を用いて、タンパク質溶解物を調製した。各クローンからの可溶性タンパク質溶解物200μLをNi−NTAコートしたマイクロウェルに加え、室温で45分間インキュベートした。インキュベーション時間の終了時に、PBST(0.02%のTriton X−100を含有するPBS)でウェルを3回洗浄して、結合していないタンパク質を全て除去した。DNA結合緩衝液(5mMのβ−メルカプトエタノールを含有する10mM Tris.HCl pH 7.4、75mM KCl)を用いて、1分の浸漬時間で、ウェルを3回洗浄した。3’ジゴキシゲニンを標識したκBモチーフ(2pmol)を、1μgのポリ(dI−dC)非特異的DNAを含有するDNA結合緩衝液200μL中にウェルに加えた。さらに30分インキュベートした後、0.02%のTriton X−100を含有する10mM Tris.HCl pH 7.4、25mM KClで3回ウェルを洗浄することによって、結合していないDNAを除去した。抗ジゴキシゲニン抗体−アルカリホスファターゼ接合体を、0.2%のウシ血清アルブミンが補充された「抗体希釈緩衝液」(10mM Tris.HCl pH 7.4、25mM KCl)の中に、150mU/mLになるように希釈した。続いて、希釈した抗体(200μL)をマイクロウェルに加えた。室温で30分間放置した後、0.02%のTriton X−100が補充された「抗体希釈緩衝液」(3×350μL)でマイクロウェルを洗浄することによって、結合していない抗体を除去した。続いて、アルカリホスファターゼの基質である250μMのp−ニトロフェニルリン酸(pNPP)を含有する200μLの緩衝液(100mM Tris.HCl pH9.5、100mM NaCl、50mM MgCl)をウェルに加え、室温で一晩反応を進行させ、その後、各ウェル中の黄色の呈色(産物の形成に相当する、p−ニトロフェノール)を405nmで定量した。基質pNPPの加水分解のバックグラウンド速度は低いので、ウェル中に黄色が出現することから、直ちに、陽性のアッセイ結果が明らかとなった。
このアッセイの対照として、我々は、粗可溶化液、又は標識されたオリゴヌクレオチド、又は抗体の何れかを省略し、又は20倍過剰の未標識の二重鎖オリゴを加え、又は粗可溶化液を含有するヘキサヒスチジンが付加されたNF−κB p50を、同じベクターのバックグラウンド中でヘキサヒスチジンが付加されたGSTを発現しているDH5α細胞から得た等量の粗細胞可溶化液で置き換えた。
【0076】
このアッセイでは、NF−κB p50は、まず、特異的な結合部位を介して標識されたオリゴヌクレオチドに結合する。続いて、ヘキサヒスチジンタグを介して、マイクロウェル中に該タンパク質−DNA複合体を固定化し、全ての結合していない標識されたオリゴとともに、(前記標識されたオリゴと粗可溶化液中に存在する他のDNA結合タンパク質との複合体を含む)他の全てのタンパク質を洗浄除去した。抗体−接合体は前記オリゴ上の標識を認識するが、ヘキサヒスチジンが付加されたタンパク質を認識しないので、タグを介してNF−κB p50を固定化したときに、NF−κB p50−DNA相互作用が維持されれば、アッセイ中の陽性シグナルのみを観察することができる。この相互作用が維持されなければ、前記オリゴは、洗浄工程の間に失われ、色の変化は観察されないであろう。
【0077】
我々は、黄色の産物は、ヘキサヒスチジンが付加されたNF−κB p50粗可溶化液とジゴキシゲニン標識されたオリゴヌクレオチドを含有するマイクロウェル中のみで検出されことを見出し、これに抗ジゴキシゲニン抗体−アルカリホスファターゼ接合体を添加した。これにより、観察された色の変化は、固定化されたNF−κB p50オリゴヌクレオチド複合体から特異的に得られたものであり、さらに、特異的な固定化のときに、NF−κB p50が活性を保持していることが実証された。
【0078】
例4
停止コドンが正確に除去された完全長の遺伝子又はcDNAを作成するための別の操作は、コード配列を包含するPCR産物において、5’が陥凹した欠失物の鎖特異的な入れ子状態のセットを作成することが含まれる。これは、λエキソヌクレアーゼ、E.coli DNAポリメラーゼI、Taq DNAポリメラーゼ、又はT7遺伝子6エキソンクレアーゼのようなヌクレアーゼを用いて行うことができるであろう。このように、例えば、前記元のPCR産物は、任意の5’から3’方向へのエキソヌクレアーゼを用いて行うことができるであろう。5’が陥凹した欠失物の入れ子状態のセットが一度作成されると、オリゴミックスは、露出した1本鎖領域にアニールすることができる。該オリゴミックスは、各停止コドンの相補部分が3’末端に存在し、すぐ直前に6つのランダムな残基が先行し、その前にIIS型制限部位をコードする所定配列とプライマー「LBM2」(例1参照)に対する相補性認識配列が先行する1群のオリゴからなる。このため、前記オリゴ群の配列は、以下のとおりである。
【0079】
【表4】
Figure 0004730804
【0080】
前記混合物からの1つのオリゴは、センス鎖上に露出された各停止コドンに特異的にアニールし、Taqポリメラーゼのように、又はE.coliのDNAポリメラーゼIのような5’から3’へのエキソヌクレアーゼ活性のように何れかの鎖を置き換える活性を有するDNAポリメラーゼに対するプライマーとなるであろう。新しく生じた二重鎖DNA断片は、続いて、元のPCR産物の5’末端に結合するプライマーと新しくアニール、伸長されたオリゴに特異的に結合するプライマーとを用いて、特異的に増幅することができる。この操作では、前記アニールされたオリゴの3’末端は、二重鎖テンプレートの5’が陥凹した残基に直接隣接することを要しない。前記混合物からのオリゴは、ランダムなヘキサマープライミングと類似した態様で、前記露出した1本鎖DNAテンプレート上の任意の相補領域にアニールすることができるが、重要なことに、鎖の伸長は、3’末端が絶対的な相補性をもってアニールする場合だけに起こるであろう。前記混合物中のオリゴの3’末端は、停止コドンに相補的であるようにデザインされているので、オリゴの3’末端が一致する停止コドンに特異的に結合するときだけ、プライマーの伸長とその後のPCR増幅が起こるであろう。アウトオブフレームの停止コドンと目的の遺伝子の真の停止コドンの下流にあるコドンへの結合も起こり、正確な完全長の遺伝子のみならず、一群の末端切断され、伸長された産物のPCR増幅が得られる。しかしながら、これらは、ペプチドタグへのインフレーム融合物を生じないと思われるので、続く工程で容易にスクリーニングすることができる。
【0081】
記載のごとく5’欠失物の入れ子状態のセットに対してアニーリングと伸長操作を行うことは、全コード領域を包含する完全に1本鎖のDNA又はRNA分子に対してアニーリングと伸長操作を行うことに比べて、著しい利点を有する。これは、伸長の前に、プライマーが特異的にアニールすることができる部位の数が、前記欠失物の入れ子状態のセットの2本鎖部分の存在によって大きく制限されることによるものである。欠失物の入れ子状態のセットの1本鎖部分は、主として、前記遺伝子の3’未翻訳領域を包含し、これは、コード配列の外にある停止コドンを優先して、さらにはより長い伸長産物を優先して、前記伸長産物に強く偏らせる効果を有するであろう。これらの因子は、最初のインフレーム停止コドンが操作全体によって特異的に除去される頻度を著しく増加させるように作用するであろう。実際に、我々は、完全に1本鎖のコード領域テンプレートを用いて、以下の工程(b)に記載したオリゴをアニールし、伸長することを試みたが、我々は、その実験からは、正しく修飾された完全長のクローンを何ら同定できなかった。これに対して、以下に詳述されている操作の結果は、アニーリングと伸長工程のためのテンプレートとして5’欠失物の入れ子状態のセットの使用が、コード配列の最初のインフレーム停止コドンの特異的な除去を促進して、ポリペプチドタグへの完全長のインフレーム融合物を得る上で効果的且つ効率的であることを明らかに実証している。
【0082】
(a)タグ付加に先立つ遺伝子のPCR増幅とエキソヌクレアーゼ消化
このように、我々は、前記増幅において、ここでは「STリバース」プライマーが5’リン酸化されていることを除いて、正確に、例1の工程(a)と(b)に記載されているように、まずGST遺伝子の最初のPCR増幅を行った。続いて、2.5ユニットのλエキソヌクレアーゼ(Novagen Strandaseキット)を用い、標準的な反応緩衝液(67mM グリシン−KOH pH9.4、2.5mM MgCl、50μg/mL ウシ血清アルブミン)中において、精製されたPCR産物を37℃で40分間消化した。続いて、15分間75℃に加熱することによって該酵素を不活性化した。λエキソヌクレアーゼ酵素は、5’リン酸基のみを基質として認識するので、センス鎖は消化から保護され、それ故、消化産物は、前記PCR産物のアンチセンス鎖の5’末端から得られる欠失物の入れ子状態のセットである。
【0083】
(b)タグを導入するための特異的な連結、伸長、及び増幅
250μMのdNTPと約25倍モル過剰の下記の縮重オリゴ群の存在下で、E.coli DNAポリメラーゼI反応緩衝液中に、5μLのλエキソヌクレアーゼ反応ミックスを希釈した。
【0084】
【表5】
Figure 0004730804
【0085】
消化された断片とオリゴを37℃で30分間アニールした後、5ユニットのE.coli DNAポリメラーゼIを加え、その後37℃で3時間反応液をインキュベートした。標準的な条件下で、QIAクイック PCRクリーンアップキット(Qiagen)を用いて伸長産物を精製し、プライマー「STフォワード」と「LMB2」により、Pwoポリメラーゼを用いる標準的なPCR反応におけるテンプレートとして使用した。30サイクルのPCR(94℃、1分;57℃1分;72℃2分)を実施して、1000bpに及ぶPCR産物を生成させた。
【0086】
上記操作から生じたPCR産物を消化し、例1の工程(e)で記載されているベクターpMM106H中にクローニングした。クローニング操作から得られたコロニーを365nmで可視化して、緑の蛍光を発するコロニーを同定した。73のこのようなコロニーを選択し、レプリカプレーティングを行い、抗Hisタグと抗GST抗体を用いた標準的な条件下でコロニーウェスタンブロットによって分析した。緑の蛍光を発するコロニーのうち58%が、抗Hisタグと抗GST抗体の両者によって陽性に認識されるタンパク質を発現していた。抗Hisと抗GSTの両者に陽性であった15のコロニーからのDNAを増幅、精製、配列決定した。配列決定データによって、完全長のGSTへの10個の完全なインフレーム融合物(すなわち、元のGST遺伝子の最初のインフレーム停止コドンが特異的に切り出され、インフレームのポリアスパラギン、ヘキサヒスチジンタグによって置き換えられたクローン)の存在が確認された。この操作全体を介して我々が取得した修飾の成功率は、それ故、緑の蛍光を発するコロニーの総数の39%である。
【0087】
例5
(a)11の遺伝子のプールから得られたあるタンパク質の同定
我々は、下表に列記された11の異なる遺伝子のプールに特定されていることを除き、正確に例1に記載されているように前記操作を適用した。我々は、アレイ中の各位置が、該操作の結果として付加されたタグを通じて固定化された単一の組換えタンパク質に対応するように、得られた特異的に修飾されたタンパク質のアレイを作成した。続いて、我々は、機能的アッセイによって該アレイをスクリーニングし、前記プールの各タンパク質成分を首尾良く同定した。
【0088】
【表6】
Figure 0004730804
【0089】
とりわけ、cDNAライブラリーで遭遇する状況を模倣するために、まず、11の遺伝子を全て、同じpTrcHisAベクター骨格の中にサブクローニングした。例1に記載されたプライマー「STフォワード」と「STリバース」は、pTrcHisAベクター骨格内にコードされた遺伝子を増幅するための万能プライマーとなるようにデザインした。
プライマー「STフォワード」は、以下のように、多数の制限部位をコードするようにデザインされた。
【0090】
【表7】
Figure 0004730804
【0091】
このように、エキソヌクレアーゼを保護するための3’突出部を作成する目的で、制限酵素AatIIかSfiIのうち何れかを使用することができる。修飾操作の最後に定方向のクローニングを行う目的で、本例では、統計的にはライブラリー中をより高い頻度で切断すると思われるので、ここで使用したタグベクターpMM106H中のNcoIクローニング部位と適合する粘着末端を作出し、本プール中の11の何れの遺伝子の内部も切断しないので、我々はBspHIを使用することを選択した。明らかに、原則的としては、タグベクターがプロモーターの下流にある均等なクローニング部位を含有していれば、制限部位をコードする任意のプライマーを使用することができる。SfiIは、8bpの認識配列を有し、このため、ある遺伝子内のSfiI部位のランダムな発生頻度が、BspHIのような6bp認識配列の頻度(1/4096)と比べてずっと低い(1/6.5×10)ので、より大きなライブラリーフォーマットにおいてこの点で著しい利点を有するであろう。
【0092】
タグベクターpMM106Hは「ATG」ベクターである、すなわち、5’クローニング部位(NcoI)が、ネイティブタンパク質を発現するためのリボソーム結合部位(RBS)の下流に位置するATG開始コドンと重なっている。しかしながら、ここに記載した操作では、我々は、開始コドンに共通の制限部位を有するクローニングされた遺伝子には頼らない。代わりに、我々は、単に、クローニングされた遺伝子自体によって翻訳の開始に必要なシグナルが提供されるように、mRNAを生成するための転写を開始するベクターにコードされたプロモーターに頼っている。このように、この例では、元のプール中の全ての遺伝子は、ATGに位置するクローニング部位の存在又は不存在にかかわらず、RBSが直前に存在する開始コドンを有する。プライマー「STフォワード」は、11の最初のクローン全てで、RBSの上流に結合するので、制限部位をコードする何れかのプライマーを用いたその後の修飾後クローニングは、それらの元のRBSとATGとともに、タグベクターの中に新しく修飾された遺伝子を導入し、このため、翻訳の開始が確実となるであろう。cDNAライブラリーフォーマットでは、全ての完全長のcDNAが、真核細胞の翻訳開始シグナルを含有するそれ自身の5’未翻訳領域(UTR)を有すると思われる点で、同じ状況が当てはまる。続いて、この場合に適切な翻訳の開始を得るためには、転写開始シグナルをこのようにもう一度与える真核細胞ベクターの中に、その5’UTRとともに、修飾されたcDNAをクローニングすることのみが必要である。それ故、この例で使用したプライマーと均等な万能PCRプライマー群を使用することができる。
【0093】
以下の修飾を用いて、例1で記載したように修飾操作を実施した。プライマー「STフォワード」と「STリバース」を用いる最初のPCR増幅のテンプレートとして、11の遺伝子全ての等モルのプールを使用し、その後、SfiI酵素は8bpの認識配列を有し、11の遺伝子のうち何れの遺伝子の内部も切断しないので、SfiIで断片を消化して5’末端を保護した。アニーリング工程では、オリゴミックスA(例1参照)を使用した。第2のPCR増幅後に、修飾された断片を2つのポットに分け、これをBpmIとSapIで別個に消化した。統計的には、何れのライブラリー中の遺伝子も、僅かな割合で、SapI部位(7bp認識配列;ランダムな発生確率=1/16,384)又はBpmI部位(6bp認識配列;ランダムな発生確率=1/4,096)の何れかを含有していると思われるが、両者を含有する割合はずっと少ないであろう(ランダムな発生確率=1/6.7×10)。2つのII型制限酵素は、このように、任意のある完全長の遺伝子の特異的な修飾が、その遺伝子内の1又は他の制限部位の存在によって除外されないことを効果的に確実にするために、別個に使用した。
【0094】
続いて、マング・ビーンヌクレーゼによる処理及びBspHIによる消化のために、前記2つのポットからの消化された断片をプールした。得られた断片を4つの異なるサイズ範囲に、ゲルで精製し、より小さな挿入物が優先的に連結されるのを避けるために、ベクターpMM106H(それ自身、NcoIとHpaIで完全に消化され、ゲルで精製された)に別々に連結した。UV光(365nm)下で、形質転換された細胞を可視化し、ウェスタンブロットによる分析のために、肉眼で、緑の蛍光を発するコロニーを選別した。形質転換されたコロニーの総数の約30%が緑の蛍光を発し、そのうち、73%が、抗Hisタグ抗体によって認識されるタンパク質を発現していた。深い96ウェルのブロック中の液体培地1.5mLの中に、190の緑のHis陽性コロニーを植え付け、一晩増殖させた。遠心によって細胞を採集し、凍結融解/リゾチームによって溶解した。続いて、ニッケルNTAでコートされた96ウェルプレートの各ウェルに粗可溶化液を加え、洗浄によって未結合のタンパク質を除去して、His付加された組換えタンパク質をウェルに固定化した。続いて、例2に記載したアッセイを用いて固定化したタンパク質のNF−κB活性をアッセイし、黄色の呈色の出現によって、陽性の「ヒット」を含有するウェルを同定した。3つのクローンが、陽性の「κB―モチーフ」DNA結合活性を示した。該陽性のクローンのさらなる性質決定によって、1つのクローンが、予想通り、ヘキサヒスチジンタグへのNF−κB p50遺伝子の正確な完全長インフレーム融合物をコードすることが示された。残りの2つのクローンは、結合親和性はより低いが、NF−κB p50として同じDNA結合特異性を共有することが知られている関連するDNA結合タンパク質をコードすることが分かった。
【0095】
それ故、本結果は、この操作によって作成されたアレイの機能的な検査により、特異的な相互作用とこれより弱いが特異的且つ生物学的に関連した相互作用の両者を同定できることを実証している。我々は、それ故、マイクロウェルフォーマットで機能的なタンパク質のアレイを作るためにこの操作を使用し、これらのアレイを用いて、我々は、特異的なタンパク質−リガンド相互作用に基づいて、小さなプールから、各タンパク質を同定することに成功した。
【図面の簡単な説明】
【図1a】 ベクターpMM106Hの構築を示す図。
【図1b】 タグ付加に先立つ、一例の遺伝子(GST)のPCR増幅とエキソヌクレアーゼによる消化の詳細を示す図。
【図1c】 タグを導入するための特異的な連結とPCR増幅の詳細を示す図。
【図1d】 PCR産物のクローニングの詳細を示す図。
【図1e】 GSTによって触媒された、グルタチオンと1−クロロ−2,4−ジニトロベンゼンとの間の反応を示す図。[0001]
The present invention relates to a novel method of creating protein expression arrays and the use of such arrays in rapid screening.
[0002]
The genome mapping project is revolutionizing the process of discovering therapeutic targets and drug discovery using them. Once new therapeutic targets are identified, rapid mass screening of existing and combinatorial chemical libraries will present many lead candidates that are active against these targets . It will be clear that it is uneconomical to pursue all lead compounds, even in early laboratory tests. However, there is currently no rapid method for assessing such lead compounds with respect to the activity profile they may have on all proteins present in the organism. If available, such methods allow early assessment of the toxicological profile that all lead compounds may have, and with this information, which compounds can be tracked and which The process of determining whether to exclude certain compounds will be significantly facilitated.
[0003]
The pharmaceutical industry has the complementary demand to identify all the targets of existing drugs (both those already on the market and those still in development) and thereby determine their mechanism of action. To do. It is becoming increasingly clear that regulators now believe that knowledge of the mechanism of action is crucial, so once this information is available, the process of obtaining regulatory approval for new drugs Will be much easier. In addition, this type of information would allow the design of improved second generation drugs. This is because many of the drugs probably have at least slight side effects caused by binding of the drug or its metabolites to undesirable targets. All these target proteins need to be identified in order to establish the criteria necessary to design improved drugs. At present, however, there is no simple way to obtain this information, and many millions of drug candidates have been abandoned due to unsuccessfulness simply because the target of action is unknown.
[0004]
Protein-protein interactions are increasingly recognized as extremely important in governing cellular responses to both internal and external stresses. Therefore, specific protein-protein interactions are potential targets for drug-mediated treatment in infections and other medical conditions. At present, the yeast two-hybrid assay is the only reliable method for assessing protein-protein interactions, but this type of in vivo assay is capable of protein-protein interactions even in non-fast mass formats. It would not be very suitable for identifying specific agonists or antagonists. A functional proteome expression array, or “proteome chip”, would be able to determine the specificity of protein-protein interactions and the specificity of any drug-mediated effect in an in vitro format. Therefore, it can be said that the proteome array has enormous potential to revolutionize this field of research.
[0005]
One way in which a functional proteome array can be created is to clone, express, purify, and immobilize all proteins expressed in a particular proteome separately. However, along with consideration of the availability of sequence data for the entire genome, the first important thing to consider is the absolute size of the target genome. To explain these points, the typical bacterial genome is about 5 Mbp, and so far only a few have been fully sequenced (eg, Helicobacter pylori, Escherichia coli, and Mycobacterium tuberculosis), fungi The genome of is typically about 40 Mbp, the mammalian genome is 3 Gbp, and the plant genome is about 10 Gbp. Currently, it is estimated that the sequencing of the human genome will be completed around 2003, but the extent to which this information is placed in the public domain must be questioned greatly. Obviously, it is completely unrealistic to expect that all genomes other than the representative model organism will be available within a realistic time frame, and from a functional proteomics perspective, The value is limited. Therefore, in principle, it may be possible to design and synthesize primers for cloning about 100,000 genes in the human genome from a cDNA library within the past four years. For some, even if the necessary sequence data is available, this would be extremely expensive (primer costs alone would cost millions of dollars) and would be a very laborious process.
[0006]
But what about pharmacologically suitable organisms that will not have complete sequence data? What could be an alternative if they cannot be completely ignored from functional proteomics? Expression cDNA libraries can in principle be used with nonspecific immobilization to create protein arrays, but nonspecific immobilization usually disrupts protein folding Thus, this technique is severely limited by the fact that it involves loss of function. Furthermore, when the host cell protein is immobilized, at least the S / N ratio is significantly reduced, and in the worst case, a clear result cannot be obtained. Therefore, a functional proteome array in which each protein is specifically immobilized and purified via a common motif or tag without affecting function and without requiring knowledge of the entire genome sequence. If it can be made, it will make tremendous progress in the field of functional proteomics.
[0007]
The present inventors have solved the above problem by providing a method capable of adding a common marker to a predetermined position in each protein in the proteome without requiring prior knowledge of the DNA sequence of the corresponding gene. It led to the development of a new approach to solve. This “tag” can then be used to confer commonality and specificity for subsequent immobilization and purification operations, which can subsequently result in thousands of gains from a given proteome. It is possible to create a spatially ordered array in which proteins are displayed.
[0008]
The important thing to consider here is to place the “tag” in the correct location. If the tag is inserted in-frame at an indeterminate and random position of any gene, the resulting tagged protein will be cleaved in an indeterminate manner. In this case, the correct folding and function will be destroyed. The method described here uses any particular gene so that each full-length tagged protein is correctly folded and thus retains its function when specifically immobilized in the array. This problem is avoided by inserting the tag immediately after the start codon or immediately before the stop codon.
[0009]
Since each protein in the array should be fully functional, the array can then be screened directly to identify drug targets and other biologically relevant molecules. The spatial definition of the array will allow the phenotype of each protein to be directly associated with its genotype to identify “hits”.
[0010]
Thus, in the first aspect, the present invention comprises cloning and expressing one or more proteins as full-length proteins each having a marker moiety added to either the N-terminus or C-terminus. A method of creating a protein array is provided.
[0011]
The marker moiety may be any peptide sequence, such as a hexahistidine tag, an antibody epitope, or a biotin mimic, or indeed a complete protein, or a protein domain, such as a maltose binding protein domain. The marker moiety itself can be post-translationally modified, for example by adding biotin or lipid molecules. In a preferred embodiment, the marker moiety will also allow for the purification of “tagged” proteins.
[0012]
Thus, the method of the present invention allows all members of a cDNA library to be specifically modified in one pot in a manner that does not rely on any knowledge about the sequence of each gene. Instead, the method of the invention is based on a common start or stop codon that is present in all genes. The modification is made in the form of accurately inserting in-frame additional DNA to be added with a known sequence, either immediately after the start codon of each cDNA or just before the stop codon, if necessary. Will.
[0013]
The DNA to be added will encode a known marker moiety that will be present in the same reading frame as the product of each cDNA. Each genetically modified cDNA produced by the method of the present invention thus comprises a “tag”, eg, a polypeptide, which is a common part precisely fused to either its N or C terminus. Will encode each protein it has. Since all members of a cDNA library appear to be modified in exactly the same way, all proteins encoded by the cDNA library will eventually have their N or A common part will be added to any of the C-termini.
[0014]
In general, the protein expressed from the cDNA library will be “tagged” and will be easily identified and isolated. Once purified, the protein can be attached to, for example, a microarray. Attachment can be through the tag itself or through another part that was first attached to the protein.
[0015]
Arrays formed by the methods described herein form a second aspect of the present invention. Such arrays typically comprise an expression library of “tagged” proteins immobilized on a solid support. Those skilled in the art generally use a wide range of supports that can be solid supports in the field of arrays, and any of these “substrates” can be used to produce the arrays of the present invention. You will understand what you can do.
[0016]
As described herein, the method of the present invention allows for a specific tag to be added to either the N-terminus or C-terminus of all proteins in a proteome. Some proteins cannot tolerate an N-terminal extension, and some proteins cannot tolerate a C-terminal extension, but most proteins will tolerate any such extension. However, existing library cloning methods address this challenge because they clone genes as full-length, unmodified cDNA, or as fusions to certain protein partners that are almost unavoidably truncated at random. It cannot be solved at all.
[0017]
Compared to the latter, according to the present method, it is possible to create an accurate, full-length cDNA library, for example, as a fusion to a desired peptide partner. Compared to the former, the method of immobilizing proteins in the arrays described herein allows these specific interactions to occur in each cDNA rather than through non-specific interactions. This is a function of a tag added to the end of the. Furthermore, the methods described herein can be used to screen purified, immobilized proteins expressed in non-bacterial host organisms to help maintain function through correct folding and post-translational modifications. Whereas existing methods such as phage display or λ-cDNA libraries can be used in many eukaryotic cells due to either misfolding or incorrect post-translational modifications. Limited to bacterial hosts where the protein is synthesized in a non-functional form.
[0018]
The method of the present invention has a wide range of in vitro applicability that can be broadly divided into three main regions. These are protein-ligand interaction studies, protein-protein interaction studies, and protein-DNA interaction studies.
[0019]
Protein-ligand interaction
The methods described herein will be able to rapidly delineate the interaction between a new chemical and all proteins in a proteome. This can be accomplished simply by probing an array of appropriate proteomes with NCE at various stringencies that can be considered reverse fast mass screening. Information read from such screening will be immediately useful in many situations, some of which are described below.
[0020]
Rapid mass screening programs that examine libraries of compounds against cells or complete organisms often identify cues that cause phenotypic changes without knowing their target prior to screening. However, subsequent identification of the primary target can be a very laborious process. After creating a functional proteome array for the species, it is likely that the lead compound can be used to screen this array to identify which protein in the proteome is targeted. The inventive method can be applied directly to this type of problem. This massively parallel approach to identifying protein-ligand interactions greatly speeds up and simplifies the determination of NCE primary targets and also identifies weaker secondary interactions that may also be important. Will make it possible. In addition, the method can be directly applied to the problem of species cross-reactivity, for example, allowing rapid assessment of antifungal compound candidates, for example, for interactions with all proteins in the human proteome. It becomes. It will be appreciated that this type of information is extremely useful in any subsequent optimization of the lead compound.
[0021]
Fast mass screening methods now allow rapid identification of small molecules that bind to certain proteins that have previously been identified as potential therapeutic targets. However, these methods do not answer this question, although it may be important to know how selective an interaction is in determining whether to track a lead compound. Absent. A superior would argue that a compound targeting a single protein appears to have fewer side effects than a compound that also encounters many related or unrelated proteins.
[0022]
Although well underway to Phase 3 clinical trials, there are many examples of compounds that cannot be approved by regulatory authorities because their primary mechanism is unknown. The antidepressants Mianserin and Trazadone, and Pfizer's anti-arthritic drug Tenidap are examples of this, each with no return on the billions of dollars invested. If the methods described herein find major targets for such drugs, and then the mechanism of action becomes clear, very expensive clinical trial data is already available for regulatory approval. As it becomes available, it could be used to revive such failed drugs.
[0023]
All existing drugs have more or less side effects, but for this example is clozapine, an otherwise attractive anti-schizophrenic drug. If the molecules from which such side effects are derived can be determined, this will greatly facilitate the design of future drug discovery that combines minimal side effects and optimal main effects. In creating a profile of the interaction of a compound with all proteins in the proteome, abnormal secondary interactions are identified and subsequently evaluated in terms of whether they are associated with known side effects As such, the methods described herein can again be applied directly to such challenges.
[0024]
The methods of the invention can also be used to identify protein families such as serine proteases by screening proteome arrays with common inhibitors. This allows subsequent development of biochips that display, for example, all human serine proteases, or all kinases, or all p450 enzymes, for further focused lead screening. It will be. For example, the p450 biochip is because the hydroxylation mediated by the p450 chip is often the first step in the metabolic process and is considered one of the main causes of inter-patient variation in drug response It may be useful to assess whether the lead compound has been metabolized. In fact, one of the ultimate goals of current drug design is to create compounds that are not first metabolized, and again, the p450 chip could have significant utility.
[0025]
Protein-protein interaction
Protein-protein interactions and multiprotein complexes are particularly important in cell biology. For example, signal transduction pathways are generally initiated by the interaction of cell surface receptors with external ligands, followed by a cascade of protein-protein interactions, ultimately activating specific genes. Bring. Each protein-protein interaction can depend on the presence of a specific ligand or can be blocked by a specific ligand, although some multiprotein complexes are formed only in a ligand-dependent manner. right.
[0026]
Thousands of new protein-protein interactions have been identified using a two-hybrid approach. The methods described herein use each labeled protein to overcome the limitations of such methods and reveal the relative strength of each interaction as well as the interacting partners. Can be used to screen proteome arrays. The method can also be used to identify components of multiprotein complexes and to further elucidate where their collection is ligand dependent.
[0027]
An example of the use of this method to elucidate novel protein-protein interactions is the identification of signaling partners in the cytoplasmic domain of certain cell surface receptors that are thought to be involved in disease states. I will. Since such protein-protein interactions may immediately indicate potential therapeutic targets, the identification of such signaling partners will be directly related to the pharmaceutical perspective.
[0028]
Protein-DNA interaction
Although approximately 10% of all genes in the human genome are estimated to encode transcription factors, only a small percentage of these have been identified so far. Binding of specific transcription factors to DNA enhancer elements (often occurring in response to external stimuli) is essential for the formation of an enhancesome complex, which is Switch on gene expression. There are various points where gene expression can in principle be affected by the administration of a drug. Drugs can block protein or small molecule binding to cell surface receptors, thereby blocking the signal transduction cascade from the beginning; drugs can block protein-protein interactions or be in signal transduction cascades Alternatively, the enzyme activity can be inhibited; alternatively, the drug can block the formation of specific protein-DNA or protein-protein interactions in the enhanceosome complex. As an example here, the transcription factor NF-κB is involved in various cellular processes ranging from immune and inflammatory responses, limb development, septic shock, asthma, and production of HIV propeptides. Most of the intracellular signaling cascades in NF-κB activation are common to all these processes and are therefore not a practical target for treatment. Therefore, the difference between the reactions lies in either the initial ligand-receptor interaction or the formation of a specific enhanceosome complex. NF-κB is a candidate target for therapy because it is known to bind to at least 14 different enhancer elements and enhanceosome complexes. However, visualization of each enhanceosome complex requires knowledge of the number of each DNA binding protein involved and their mutual protein-protein action. The method can be used to directly solve any of these problems. Proteome arrays can be screened with specific DNA probes to identify novel DNA binding proteins. Alternatively, the proteome array can be screened with the transactivation domain of a particular transcription factor to identify other proteins that interact with it. Such screening cross-correlation should be able to identify novel components of specific enhanceosome complexes.
[0029]
The protein array created by the method of the present invention will also allow the selection of molecules that recognize each protein displayed in the array. In a preferred embodiment, the selected molecule is an antibody or antibody-like protein and will be covalently linked to the mRNA displayed or encoded on the phage or ribosome.
[0030]
Thus, the antibody library displayed on the phage is applied to each immobilized protein in the array, and unbound antibodies can be removed by washing. Subsequently, the selected phage can be recovered and used to infect bacteria according to normal procedures. Bacteria infected with phage can subsequently produce phage particles that display the selected antibody for further rounds of selection, or produce soluble antibody fragments for direct use. As used herein, the term “antibody” or “antibody fragment” means a single chain Fvs, FAB fragment, each light chain or heavy chain fragment derived from a mouse, human, camel, or other organism.
[0031]
In a preferred embodiment, the protein array is such that after the selection step, phage particles can be recovered by adding appropriate bacterial cells to each well, where the bacterial cells will be infected with the selected phage. It could be present in a microwell format. Subsequently, while maintaining the physical separation of the antibody fragments selected for each immobilized protein in the array, a growth medium is added to each well to propagate the infected bacteria and antibody Fragments can be expressed. If desired, new phage particles produced by the infected bacteria can be used in subsequent rounds of selection. Such an operation is now a common operation for selecting polyclonal or monoclonal antibody fragments against a single purified and immobilized protein. In fact, the original protein array can then be used to generate polyclonal or monoclonal antibody fragments against thousands of correctly folded proteins in parallel, in large numbers using otherwise standard in vitro antibody selection methods. It will be possible.
[0032]
The selected, soluble and expressed antibody fragments obtained from each well of the original array are fixed at a single fixed position in the original array with the antibody fragments present in each position of the new array. As such, it can be immobilized in a new spatially defined array so that it is selected for the conjugated protein. The array of antibodies thus produced will contain either polyclonal or monoclonal antibody fragments at each position, depending on the number of rounds of selection performed prior to immobilization of the soluble antibody fragments.
[0033]
Such an array of antibodies will have a number of potential uses, including capturing each protein of the crude cell or tissue lysate for differential expression monitoring of the relevant proteome. Alternatively, proteins captured by antibodies can be screened directly for ligand-binding function. In general, one monoclonal antibody can bind to a target protein so as to block the function of the protein, while another monoclonal antibody can bind without blocking function. In a massively parallel approach, it is clearly impractical to separately assess the ability of all monoclonal antibodies to all proteins in the proteome to bind without affecting function. However, a group of polyclonal antibodies against all proteins in the proteome may contain each antibody with the desired ability to bind without affecting function, and even all post-translational modifications of a protein. Each antibody that recognizes. For this reason, in general, an array of polyclonal antibodies would be advantageous for direct screening for the function of the captured protein rather than an array of monoclonal antibodies prepared as described above.
[0034]
Compared to the original protein array, an antibody array made by the method described herein will have the advantage that all proteins immobilized on the array will be stable under similar conditions. Let's go. The protein captured from the crude cell or tissue lysate will be naturally expressed rather than recombinant. Furthermore, the captured proteins can be screened directly for function or ligand binding, etc., after capture from the crude cell or tissue lysate, which should help maintain function.
[0035]
Thus, in a further aspect, the present invention provides:
(1) A method for screening the biological activity of one or more compounds, the step of contacting said one or more compounds with a protein array as described herein, and said protein to said protein in said array Measuring the binding of one or more compounds;
(2) A method of screening for a specific protein-protein interaction of one or more proteins, wherein the one or more proteins, eg, cell surface receptors, are contacted with an array described herein; Measuring the binding of the one or more specific proteins to the protein of the array;
(3) A method of screening for specific protein-nucleic acid interactions of one or more proteins, the step of contacting said one or more nucleic acid probes with an array described herein, and said array of said probes Measuring the binding of said protein to said protein;
(4) use of the arrays described herein in rapid screening of compounds, proteins, or nucleic acids;
(5) Use of the array described herein in screening for molecules that recognize each protein in the array, wherein said molecule is preferably an antibody;
(6) A method of making an antibody array, wherein the protein array described herein is bound to an antibody library such that one or more proteins in the protein array bind to at least one antibody in the antibody library. And removing all unbound antibodies; and immobilizing antibodies bound to proteins in said protein array: and
(7) A method of screening for protein function or abundance, comprising the step of contacting the antibody array described herein with a mixture of one or more proteins.
[0036]
Methods (1), (2), (3), and (6) may first include providing an array according to one or more methods of the present invention.
[0037]
Preferred features of each aspect of the invention apply to each other, mutatis mutandis.
[0038]
The present invention will now be described with reference to the following examples, which should not be construed as limiting the scope of the invention in any way.
[0039]
Example 1
(A) Construction of vector (see FIG. 1a)
We constructed a vector pMM106H derived from pUC19 containing a strong hybrid promoter (Ptrc) to induce gene expression cloned into the NcoI site immediately downstream of the promoter sequence. We inserted a 676 bp nonsense DNA sequence as a stuffer fragment between the NcoI site and the downstream HpaI site. HpaI is a blunt end cleaving enzyme, and if the reading frame is on the first base of the blunt end, it is arranged to excise the vector so that the downstream DNA encodes polyasparagine and hexahistidine peptide Has been. The hexahistidine tag is followed by an amber stop codon (TAG) followed by a gene encoding the green fluorescent protein (GFP) of the jellyfish Aequorea victoria. A gene cloned as an NcoI / blunt end fragment in pMM106H will only yield a fusion to the His tag and GFP when the correct reading frame is created at the HpaI site during cloning. Here, GFP is used as a reporter gene to facilitate the visual screening of clones expressing His tags, but since GFP is active only when folded into the correct conformation, It also gives the correct folding indicator. The amber stop codon will result in a small amount of full-length fusion protein to visualize green colonies, but many of the fusion proteins appear to terminate immediately after the His tag so that they can then be used for immobilization and enzyme assays. Can be used. The construction of pMM106H was confirmed by sequencing.
[0040]
We first prepared the primers “GTSfwd2” (5′-ATG CTG CAG ACG TCA ACA GTA TCC ATG GCC CCT ATA CTA GG-3 ′) and “GSTHindIII” (5′-GCG AGG AAG CTT GTC AAT CAGT GATC A A second vector pGSTN was constructed by PCR amplification of the Glutathione S transferase (GST) gene of Schistosoma japonicum from pGEX-2T (Pharmacia) using CCC G-3 ′) under standard conditions. These primers introduce an NcoI restriction site at the start codon of GST, mutate the second residue of GST from serine to alanine, and within the multiple cloning site 3 'of the GST gene followed by a HindIII restriction site. Introduce a stop codon. Subsequently, the PCR product was cloned as an NcoI / HindIII fragment into pTrcHisA (Invitrogen) previously digested with NcoI / HindIII to generate pGSTN under standard conditions.
[0041]
(B) PCR amplification and exonuclease digestion of gene before tag addition (see FIG. 1b)
We have custom-designed primers “ST forward” (5′-ATG CTG ACG TCA TGA GGC CCA TGG GGC CCG GAT AAC AAT TTC ACA that bind 156 bp upstream of the vector start codon and 84 bp downstream of the stop codon, respectively. The GST gene was amplified from the construct pGSTN using polymerase chain reaction with CAG G-3 ′) and “ST reverse” (5′-GCG GAT CCT TGC GGC CGC CAG GCA AAT TCT GTT T-3 ′). 30 cycles of PCR (94 ° C. 1 min; 57 ° C. 1 min; 72 ° C. 2 min) were performed in 4 separate 100 μL reactions. Each PCR reaction contained approximately 20 ng template DNA, 50 pmol of each primer, and 2.5 units of Pwo polymerase. Each PCR reaction was performed using standard buffer (10 mM Tris.HCl pH 8.8, 25 mM KCl, 5 mM (NH 4 ) 2 SO 4 2 mM MgSO 4 10% DMSO). Subsequently, each of the four PCR reactions also contained a non-standard deoxynucleotide triphosphate mix as follows:
[0042]
Reaction 1) 200 μM dATP, 200 μM dTTP, 200 μM dCTP, 150 μM dGTP, 50 μM α-S-dGTP;
Reaction 2) 200 μM dATP, 200 μM dTTP, 20 OμM dGTP, 150 μM dCTP, 50 μM α-S-dCTP;
Reaction 3) 200 μM dATP, 200 μM dGTP, 200 μM dCTP, 150 μM dTTP, 50 μM α-S-dTTP;
Reaction 4) 200 μM dGTP, 200 μM dTTP, 20 OμM dCTP, 150 μM dATP, 50 μM α-S-dATP.
[0043]
Inclusion of a single α-thiodeoxynucleotide triphosphate in each specific PCR mix allows random but statistical incorporation of the appropriate α-S-dNTP into the specific final PCR product . Subsequently, each of the four PCR mixes was pooled, purified using the QIA quick PCR cleanup kit (Qiagen) under standard conditions, and completely digested with the restriction enzyme AatII. The resulting approximately 1000 bp PCR product was subsequently gel purified.
[0044]
Subsequently, 5 μg of the digested PCR product was incubated with 375 units of exon clease III for 45 minutes at 37 ° C. in a 50 μL reaction. ExoIII digestion was performed using standard reaction buffer (66 mM Tris.HCl pH 8.0, 6.6 mM MgCl 2 5 mM DTT, 50 μg / mL bovine serum albumin). These conditions ensure complete digestion with ExoIII. Subsequently, the enzyme is inactivated by heating to 75 ° C. for 15 minutes. The product of ExoIII digestion is a nested set of deletions obtained from the 3 ′ end of the PCR product. Restriction with AatII then leaves a 3 ′ overhang that resists exonuclease III activity, thus protecting the 5 ′ end of the PCR product from digestion.
[0045]
Since exonuclease III is a non-progressive 3 ′ to 5 ′ exonuclease that is not able to hydrolyze α-thio containing nucleotides, in this protocol, every time ExoIII reaches an α-thio-deoxynucleotide base, The cleavage of the recessed 3 ′ end of the progressing PCR product stops. Thus, as a result of the random incorporation of each α-S-dNTP in the initial stage, a final nested set of deletions is obtained. The ratio of α-S-dNTP to dNTP used in the original PCR amplification is such that the nested deletion envelope spans a 400 bp sized window centered about 100 bp shorter than the original full length PCR product. And determined empirically. We confirmed this by taking a portion of the ExoIII mix and treating the nested deletion with Mung Bean nuclease. This process removes the 5 ′ and 3 ′ overhangs to give a blunt end product, followed by the size of the product on a 1% agarose / TBE gel using a 100 bp DNA ladder as a standard. It was determined.
[0046]
Obviously, in the above operations, many different 3 ′ to 5 ′ nuclease activities can be used to create the necessary set of nested 3 ′ recessed deletions; Are exonuclease III, E.I. Coli's DNA polymerase I, T4 DNA polymerase, T7 DNA polymerase, but are not limited thereto.
[0047]
(C) Specific ligation and PCR amplification to introduce a tag (see FIG. 1c)
In the presence of an approximately 25-fold molar excess of “oligomix”, 5 μL of ExoIII reaction mix was diluted in T4 DNA ligase buffer. The “oligomix” consists of any one of two different oligonucleotide pools. The first pool, “Oligomix A”, contains 12 oligonucleotides, each of which 3 possible stop codons are presented at the 5 ′ end, followed immediately by a degenerate base. The remaining region of each oligo is the same in all 12 cases, two 2 ′ followed by a complementary restriction sequence (5′-GTA AAA CGA CGG CCA GT-3 ′) to the primer “LBM2” at the 3 ′ end. Except for the type IIS restriction enzyme sites (SapI and BpmI), the sequence is effectively random. The sequence of 12 oligos is as follows.
[0048]
[Table 1]
Figure 0004730804
[0049]
The second pool “Oligomix B” consists of three sets of oligonucleotides, each having one of the three stop codons present at the 5 ′ end, immediately followed by six degenerate residues. It is continuing. The remaining region of each oligo is the same in all three sets, contains two type IIS restriction enzyme sites (BpmI and BseRI), followed by a complementary recognition sequence for primer “LMB2” at the 3 ′ end. Yes. The sequences of the three sets of oligos are as follows:
[0050]
[Table 2]
Figure 0004730804
[0051]
Either ExoIII mix + Oligomix A or Oligomix B was annealed at 16 ° C. for 30 minutes, then 400 units of T4 DNA ligase was added, and then the reaction was incubated overnight at 16 ° C. Under standard conditions, the ligation product was purified using the QIA quick PCR cleanup kit (Qiagen) and used as a template in a standard PCR reaction using Pwo polymerase with primers “ST forward” and “LMB2”. Thirty cycles of PCR (94 ° C., 1 minute; 57 ° C., 1 minute; 72 ° C., 2 minutes) were performed to generate PCR products spanning 1000 bp.
[0052]
Both Oligomix A and Oligomix B are antagonistically annealed to the single-stranded DNA region of the original template exposed by ExoIII hydrolysis of one of the duplexes performed in the previous step. can do. Following successful annealing, in order for a successful ligation between any oligo and the template to occur, the oligo anneals with absolute complementarity at its 5 'end, and the duplex template is recessed. It requires that the 3 ′ residue is directly adjacent to the 5 ′ residue of the specifically annealed oligo. PCR using a first primer that binds to the newly ligated oligo and a second primer that binds to the 5 ′ end of the duplex template then selects only the duplex that has undergone such ligation. And it amplifies specifically. Since the 5 ′ end of each of the 12 oligos in the oligo mix A corresponds to a stop codon, as shown in FIG. 1c, among the 12 oligos contained in this mix, at the 5 ′ end Only one that has absolute complementarity to the four base pair recognition sequences, including the first in-frame stop codon of GST and the base immediately 3 ′ of the stop codon, can anneal. The remaining eleven oligos can anneal completely at their 5 'end to another location within the nested set of deletions, although these other specific annealing events are found in the GST gene. Occurs only with an out-of-frame stop codon or a stop codon downstream of the first in-frame stop codon. Ligation can occur wherever the newly annealed oligo is directly adjacent to the 3 ′ recessed residue of the duplex template. This stage of PCR will therefore amplify not only the correct, full-length gene, but also the truncated and extended set of products. The oligos in Oligomix B are expected to react similarly. The 5 ′ end of each of the three sets of oligos in the pool corresponds to a stop codon and is followed by 6 residues that are effectively random. Therefore, the pool will contain a stop codon and one permutation in which the next six residues are perfectly matched to residues downstream of the gene of interest. Compared to 4, this oligo will bind with higher specificity than the corresponding oligo from a pool of 12 oligos, since the complementary portion extends over 9 nucleotides.
[0053]
The theoretical difference between Oligomix A and Oligomix B is in the sequence immediately following the stop codon at the 5 'end of each oligo. In Oligomix A, a single degenerate base is nonsense but followed by a fixed single DNA sequence, so this fixed region consists of four designs at the 5 'end of each oligo. Each “stop” codon within any particular gene (out-of-frame as in-frame) by providing additional, but not intentional, base-pair complementarity beyond The annealing of the oligo mix can be biased so as to give priority to (whether or not). Any bias during annealing can appear downstream of the bias for clones where specific excision and replacement of each stop codon (whether in-frame or out-of-frame) has occurred. Since this frequency of modification at different stop codons may not be desirable, Oligomix B is designed to avoid this as follows. Any stop codon in each gene or library is immediately followed, but will be followed by an unknown sequence. All three stop codons are presented in Oligomix B, and for any stop codon in the gene or library, an oligo that exactly matches the stop codon and its exact downstream sequence Each is immediately followed by all possible hexanucleotide sequences (ie, by random hexamer sequences) so that there is one in oligomix B and a total of 9 base pair complementarity is obtained. . Since this seems to be true for all stop codons, Oligomix B should therefore be free from any such bias that can occur with Oligomix A.
[0054]
We have found that the entire process of ExoIII digestion, annealing and ligation and specific PCR amplification of the oligomix is highly reproducible. As a control in this operation, it was shown that if any one of exonuclease III, T4 DNA ligase, or any oligomix was omitted, no PCR product was obtained. This indicates that this process is highly selective.
[0055]
It will also be appreciated that T4 DNA ligase can be replaced by a number of different DNA ligases that may exhibit different specificities, such as Taq DNA ligase, or Tsc DNA ligase.
[0056]
(D) Deformation of operation
Obviously, a number of different 3 ′ to 5 ′ nuclease activities can be used in the above procedure to create the necessary nested set of 3 ′ recessed deletions. These include exonuclease III, E.I. Examples include, but are not limited to, E. coli DNA polymerase I, T4 DNA polymerase, and T7 DNA polymerase.
[0057]
A clear variation on the original procedure to create a full-length insert in which the stop or start codon has been correctly removed is a 5 'recessed deletion in the PCR product containing the coding sequence. Manufacturing a nested set of. This is known as lambda exonuclease, E. coli. It could be performed using nucleases such as E. coli DNA polymerase I, Taq DNA polymerase, T7 gene 6 exon clease. Thus, for example, the original PCR product can be digested with λ exonuclease that removes nucleotides from one strand of dsDNA in the 5 ′ to 3 ′ direction. Since the enzyme recognizes only the 5 ′ phosphate group as a substrate, one of the two strands can be protected by incorporating a 5 ′ hydroxyl group at the end of the appropriate primer in the first PCR amplification. A nested set of deletions can thus be made as described above for exonuclease III, except that the opposite strand is digested to leave a 5 ′ recessed end. Subsequently, the complementary part of the stop codon is present at the 3 ′ end of the oligo, immediately preceded by 6 randomized residues, and preceded by a predetermined sequence encoding a type IIS restriction site. Can be annealed to the exposed single stranded region. One oligo from the mixture specifically anneals to each exposed stop codon and polymerizes in the 5 ′ to 3 ′ direction. It acts as a primer for E. coli DNA polymerase I and its 5 ′ to 3 ′ exonuclease activity will digest the preceding strand. This new double-stranded DNA fragment is then specifically amplified using a primer that binds to the 5 'end of the original PCR product and a primer that specifically binds to the newly annealed and extended oligo. Can do. In this operation, the 3 ′ end of the annealed oligo does not need to be directly adjacent to the residue in which the 5 ′ of the duplex template is recessed. Oligo from the mixture can anneal to any complementary region on the exposed single stranded DNA template in a manner similar to random hexamer priming, but importantly, strand extension is This will only occur if the 3 'end anneals with absolute complementarity and the 3' end of the oligo in the mixture is designed to be complementary only to the stop codon. Thus, primer extension and subsequent PCR amplification will occur only when the 3 ′ end of the oligo specifically binds to the matching stop codon. Coupling of the out-of-frame stop codon to the codon downstream of the true stop codon of the gene of interest also occurs, not only the exact full-length gene, but also PCR amplification of a group of truncated and extended products. can get.
[0058]
(E) Cloning and analysis of PCR products (see FIG. 1d)
A PCR product (approximately 5 μg) ranging in size from 800 to 1000 bp was purified using the QIAquick PCR purification kit (Qiagen) and then completely digested using the type IIS restriction enzyme BpmI. This enzyme remotely but specifically cleaves 14 bases away from its recognition sequence present in one strand and 16 bp on the other strand, leaving a 3 ′ recessed end. For this reason, this restriction modification specifically excises a stop codon from the PCR product (from the “oligomix” the 5 ′ end of each oligo is annealed and appropriately ligated here in the previous step). .
[0059]
Subsequently, Mung Bean Nuclease is used to remove the recessed 3 ′ end of the digested product under standard conditions, creating a blunt end at the 3 ′ end of the PCR product. Under standard conditions, DNA was purified using the QIAquick PCR purification kit (Qiagen) followed by complete digestion with the restriction enzyme NcoI. Subsequently, restriction DNA fragments ranging from 800 bp to 1000 bp were purified on a 1% agarose / TBE gel using the QIAquick gel extraction kit (Qiagen). The vector pMM106H (3 μg) was completely digested with the restriction enzymes NcoI and HpaI, and the 2870 bp backbone fragment was purified by gel. Subsequently, the vector DNA and the restriction PCR product are ligated together under standard conditions and E. coli is used with the ligation mixture. After transformation of E. coli DH5α cells, they were harvested and seeded on LB plates containing 100 μg / mL carbenicillin.
[0060]
This cloning operation was performed on the complete set of PCR products obtained in the previous step. However, only PCR products derived from the specific annealing and ligation of the oligo to the first in-frame stop codon can result in an in-frame fusion to the hexahistidine tag and GFP after the cloning step via this procedure. It should be possible. All other PCR products cloned in this way should only induce an out-of-frame fusion to the hexahistidine tag and GFP. This is because the ligation of the blunt end of the PCR product to the blunt end of the vector results in a genetic fusion directed by the original open reading frame of the stop codon from which the translation of the open reading frame of the downstream vector DNA was excised. Something happens. If the stop codon is out-of-frame with respect to the GST gene, the newly added sequence encoding hexahistidine will also be out-of-frame with respect to the GST gene, but the stop codon is in-frame with respect to GST. If so, the sequence encoding the newly added hexahistidine would also be in-frame with respect to the GST gene. However, only the PCR product in which the specifically excised stop codon was the first in-frame stop codon of GST was added with hexahistidine (and GFP) when the DNA was transcribed and translated. Can produce protein. The only protein with added hexahistidine (and GFP) that can result from the entire specific process will therefore necessarily be a full-length GST fusion to polyasparagine, hexahistidine.
[0061]
Colonies obtained from the cloning operation described above were visualized at 365 nm to identify green fluorescent colonies. Ninety colonies (both white and green) were randomly picked, replica plated, and analyzed by colony western blot under standard conditions using anti-His tag and anti-GST antibody. Since the anti-His tag antibody appears to only bind to colonies that express proteins with added hexahistidine, Western blots are directly related to the number of colonies expressing in-frame fusions to the hexahistidine tag. Information. In contrast, the anti-GST antibody binds near the C-terminus of the GST protein, and therefore recognizes only colonies that express full-length or almost full-length GST protein. We identified colonies containing proteins that were positively recognized by both anti-His tag and anti-GST antibody. DNA from these colonies was amplified, purified, and sequenced. The sequencing data specifically cuts out two complete in-frame fusions to full-length GST (ie, the first in-frame stop codon of the original GST gene, and the in-frame polyasparagine, hexahistidine tag The presence of the replaced clone) was confirmed. The success rate of modification we obtained through this entire operation is therefore about 2.2%. Both positive clones were found to fluoresce green when exposed to long-wavelength ultraviolet light because a sufficient amount of full-length GST-hexahistidine-GFP fusion was expressed. Therefore, in all further experiments, only colonies emitting green fluorescence were selected for further analysis by Western blot. We have found that approximately 70-80% green fluorescent colonies express proteins that are recognized by anti-His tag antibodies. In the remaining 20-30% cases, translation is initiated from the first ATG of the GFP gene, possibly independent of the hexahistidine tag, with the aid of a pseudo-ribosome binding site introduced by the cloned insert. .
[0062]
We have amplified, purified and sequenced plasmid DNA from green fluorescent colonies expressing proteins recognized by both anti-His tag and anti-GST antibody. For inserts prepared using both Oligomix A and Oligomix B, the success rate of modification was found to be about 25% of all green colonies. Therefore, using the GFP gene as a marker for in-frame fusions increases the efficiency of detecting the correct clone by about 10-fold.
[0063]
Mang bean nuclease can be replaced by a number of different single-stranded nucleases that may exhibit different specificities, such as S1 nuclease or RNase T, and a number of different type IIS restriction enzymes, such as SapI, placed in the appropriate positions. It will also be appreciated that can be used in place of BpmI.
[0064]
(F) Immobilization and functional analysis of tagged proteins (see FIG. 1e)
One of the GST plasmids added with full-length hexahistidine prepared by the method described above. E. coli DH5α cells were transformed. After growing a single carbenicillin resistant colony in 10 mL liquid medium to mid-log phase, supplement with 100 μM IPTG to induce the expression of GST with added hexahistidine. After an additional 4 hours of growth, cells were harvested and lysed by freeze-thawing / lysozyme. The crude lysate SDS-PAGE, along with the oversized protein of the expected size (27 kDa) (accounted for about 20% of the total soluble protein), together with the small amount of 54 kDa GST-hexahistidine produced by the suppression of amber. -GFP fusion was shown. Subsequently, the crude solubilized solution (500 μL; 100 μg) was mixed with nickel-NTA magnetic beads (50 μL; protein to which 15 μg of binding ability of hexahistidine was added), and the beads were recovered by sedimentation under a magnetic field. The supernatant was discarded and the beads were washed and then resuspended in glutathione S transferase assay buffer containing 1 mM glutathione and 1-chloro-2,4-dinitrobenzene. End point assay data was collected after 30 minutes at room temperature by measuring absorbance at 340 nm. This wavelength is the λ of the product of the reaction catalyzed by GST. max It corresponds to.
[0065]
As controls, cultures of DH5α containing either the parent vector (pMM106H) or a plasmid encoding an irrelevant His-added protein (alanine racemase) were grown, induced, harvested, lysed and assayed in parallel. GST activity was detected only on beads mixed with a crude lysate containing His-added GST, and clearly the observed GST activity was specifically obtained from immobilized His-added GST. Furthermore, it was demonstrated that the protein retains its activity when specifically immobilized.
[0066]
After completion of the enzyme assay, proteins were eluted from the magnetic beads by adding a buffer containing 100 mM imidazole and analyzed by SDS-PAGE. This indicates that the sample with a positive activity assay result contains a single immobilized protein of the exact size (27 kDa) expected for glutathione S-transferase, It was confirmed that the activity observed on the beads was solely due to this recombinant His-added protein.
[0067]
Example 2
(A) Modification, immobilization, and assay of GST using two different tags
Following the procedure described in Example 1 for modification of glutathione-S-transferase with a hexahistidine tag, we demonstrated that the procedure was not affected by the exact nature of the tag added.
[0068]
First, the 676 bp NcoI / HpaI nonsense DNA stuffer fragment was replaced with a 300 bp NcoI / HpaI fragment derived from the Escherichia coli gdhA gene, and the hexahistidine tag was specific to the FLAG peptide (epitope tag) and the StrepII tag (streptavidin). Two additional vectors identical to pMM106H were constructed, except that they were replaced by either These vectors were designated pMM104F and pMM104S, respectively. These vectors (3 μg each) were separately digested separately using NcoI and HpaI, the 2870 bp backbone fragment was gel purified and ligated to the GST fragment resulting from Oligomix A as described in Example 1. After using a combination of anti-FLAG and anti-GST antibodies, sequencing was performed and clones were identified that contained a complete in-frame fusion of the full-length GST gene to the FLAG tag. Similarly, after using a combination of an anti-GST antibody and a streptavidin-horseradish peroxidase conjugate, a clone was identified that contained a complete in-frame fusion of the full-length GST gene to a StrepII tag. It was. In all examples, the frequency with which full-length in-frame fusions were found was the same as that determined in Example 1 (within experimental error).
[0069]
Immobilize these clones substantially as described in Example 1 except that the immobilization substrates were 96-well plates each coated with anti-FLAG antibody and streptavidin-coated magnetic beads. Used in experiments. As in Example 1, we can demonstrate the specific immobilization of the fusion protein via these tags, and when we immobilize via either the FLAG or Strep tag, It could be shown that the GST fusion retains its activity.
[0070]
Example 3
(A) Modification of another protein using a hexahistidine tag
Following the procedure described in Example 1 for glutathione-S-transferase, we demonstrated that this procedure was not affected by the exact gene being handled.
[0071]
Thus, starting from a plasmid encoding the human transcription factor NF-κB p50, and unless otherwise specified, following the procedure described in Example 1 (using Oligomix A), we We were able to demonstrate that NF-κB p50 was modified such that the in-frame stop codon was specifically excised and replaced by an in-frame fusion to DNA encoding a polyasparagine, hexahistidine tag. . Colony Western blots using anti-His tag antibodies allowed identification of clones expressing proteins with added hexahistidine. DNA from these colonies was amplified, purified and sequenced. By sequence data, some clones encode complete in-frame fusions to full-length NF-κB (ie, clones in which the stop codon was specifically excised and replaced by an in-frame hexahistidine tag). Confirmed to do. In the case of NF-κB p50, the frequency at which full-length in-frame fusions are found is 1.1%, which is close to that determined in Example 1 for GST and within experimental error.
[0072]
(B) Immobilization and functional analysis of NF-κB p50 to which hexahistidine was added. One of the NF-κB plasmids to which full-length hexahistidine was added prepared by the above-described method. Coli DH5α cells were transformed. Single carbenicillin resistant colonies are grown in 10 mL liquid medium until mid-log phase and then supplemented with 100 μM IPTG to induce the expression of NF-κB p50 supplemented with hexahistidine. After an additional 4 hours of growth, the cells were collected and lysed by sonication. The crude lysate SDS-PAGE showed the oversized protein of the expected size (38 kDa) (accounting for about 5% of the total soluble protein) as well as the small amount of 65 kDa NF-κB p50 produced by amber suppression. -Hexahistidine-GFP fusion was shown.
[0073]
[Table 3]
Figure 0004730804
[0074]
The 3 ′ base of the double-stranded oligonucleotide “κB motif” (containing the palindromic binding site for NF-κB p50) was labeled with digoxigenin using a 3 terminal transferase (Boehringer Mannheim) under standard conditions.
[0075]
Protein lysates were prepared using the lysozyme / freeze lysis method in PBS (phosphate buffered saline pH 7.5) containing 5 mM β-mercaptoethanol. 200 μL of soluble protein lysate from each clone was added to Ni-NTA coated microwells and incubated for 45 minutes at room temperature. At the end of the incubation period, the wells were washed 3 times with PBST (PBS containing 0.02% Triton X-100) to remove any unbound protein. The wells were washed 3 times with a DNA binding buffer (10 mM Tris.HCl pH 7.4, 75 mM KCl containing 5 mM β-mercaptoethanol) with a 1 minute soak time. A κB motif (2 pmol) labeled with 3 ′ digoxigenin was added to the wells in 200 μL of DNA binding buffer containing 1 μg of poly (dI-dC) non-specific DNA. After further incubation for 30 minutes, 10 mM Tris. Containing 0.02% Triton X-100. Unbound DNA was removed by washing the wells 3 times with HCl pH 7.4, 25 mM KCl. The anti-digoxigenin antibody-alkaline phosphatase conjugate is 150 mU / mL in “antibody dilution buffer” (10 mM Tris.HCl pH 7.4, 25 mM KCl) supplemented with 0.2% bovine serum albumin. Diluted. Subsequently, diluted antibody (200 μL) was added to the microwells. After leaving at room temperature for 30 minutes, unbound antibody was removed by washing the microwells with “antibody dilution buffer” (3 × 350 μL) supplemented with 0.02% Triton X-100. Subsequently, 200 μL of buffer (100 mM Tris.HCl pH 9.5, 100 mM NaCl, 50 mM MgCl) containing 250 μM p-nitrophenyl phosphate (pNPP) which is a substrate for alkaline phosphatase. 2 ) Were added to the wells and the reaction was allowed to proceed overnight at room temperature, after which the yellow color (p-nitrophenol, corresponding to product formation) in each well was quantified at 405 nm. Since the background rate of hydrolysis of the substrate pNPP was low, the appearance of a yellow color in the wells immediately revealed a positive assay result.
As a control for this assay, we omitted either the crude lysate, or labeled oligonucleotide, or antibody, or added a 20-fold excess of unlabeled double-stranded oligo, or crude lysate. NF-κB p50 supplemented with hexahistidine containing HT5 was replaced with an equal amount of crude cell lysate obtained from DH5α cells expressing GST supplemented with hexahistidine in the same vector background .
[0076]
In this assay, NF-κB p50 first binds to the labeled oligonucleotide through a specific binding site. Subsequently, the protein-DNA complex was immobilized in a microwell via a hexahistidine tag, and all unbound labeled oligos were present (in the labeled oligo and the crude lysate). All other proteins (including complexes with other DNA binding proteins) were washed away. The antibody-conjugate recognizes the label on the oligo, but does not recognize the protein to which hexahistidine is added, so when NF-κB p50 is immobilized via the tag, the NF-κB p50-DNA interaction Is maintained, only positive signals in the assay can be observed. If this interaction is not maintained, the oligo will be lost during the washing step and no color change will be observed.
[0077]
We have found that the yellow product is detected only in microwells containing NF-κB p50 crude lysate with hexahistidine added and digoxigenin-labeled oligonucleotide, which contains anti-digoxigenin antibody-alkaline A phosphatase conjugate was added. As a result, the observed color change was specifically obtained from the immobilized NF-κB p50 oligonucleotide complex. Further, when the NF-κB p50 was specifically immobilized, It has been demonstrated to retain activity.
[0078]
Example 4
Another operation to generate a full-length gene or cDNA with the stop codon removed correctly is to set a strand-specific nested state of the 5′-recessed deletion in the PCR product containing the coding sequence. Includes creating. This is known as lambda exonuclease, E. coli. It could be done using a nuclease such as E. coli DNA polymerase I, Taq DNA polymerase, or T7 gene 6 exon clease. Thus, for example, the original PCR product could be performed using any 5 ′ to 3 ′ exonuclease. Once a nested set of deletions that are 5 ′ recessed is created, the oligomix can be annealed to the exposed single-stranded region. In the oligomix, the complementary portion of each stop codon is present at the 3 ′ end, immediately preceded by 6 random residues, and preceded by a predetermined sequence encoding a type IIS restriction site and the primer “LBM2” ( Complementary recognition sequences for (see Example 1) consist of a group of preceding oligos. For this reason, the sequences of the oligo groups are as follows.
[0079]
[Table 4]
Figure 0004730804
[0080]
One oligo from the mixture specifically anneals to each stop codon exposed on the sense strand, like Taq polymerase, or E. coli. It would be a primer for a DNA polymerase that has activity to displace either strand, such as 5 'to 3' exonuclease activity, such as E. coli DNA polymerase I. The newly generated double-stranded DNA fragment is then specifically amplified using a primer that binds to the 5 ′ end of the original PCR product and a primer that specifically binds to the newly annealed and extended oligo. be able to. In this operation, the 3 ′ end of the annealed oligo does not need to be directly adjacent to the residue in which the 5 ′ of the duplex template is recessed. Oligo from the mixture can anneal to any complementary region on the exposed single stranded DNA template in a manner similar to random hexamer priming, but importantly, strand extension is This will only occur if the 3 'end anneals with absolute complementarity. Since the 3 ′ end of the oligo in the mixture is designed to be complementary to the stop codon, primer extension and subsequent only when the 3 ′ end of the oligo specifically binds to the matching stop codon. PCR amplification will occur. Coupling of the out-of-frame stop codon to the codon downstream of the true stop codon of the gene of interest also occurs, not only the exact full-length gene, but also PCR amplification of a group of truncated and extended products. can get. However, they do not appear to produce in-frame fusions to the peptide tag and can therefore be easily screened in subsequent steps.
[0081]
As described, performing annealing and extension operations on a nested set of 5 ′ deletions will perform annealing and extension operations on a completely single-stranded DNA or RNA molecule encompassing the entire coding region. There are significant advantages over This is due to the fact that the number of sites that the primer can specifically anneal before extension is greatly limited by the presence of the double stranded portion of the nested set of deletions. The single stranded portion of the nested set of deletions mainly includes the 3 ′ untranslated region of the gene, which favors stop codons outside the coding sequence and even longer extension products. Will have an effect of strongly biasing the extension product. These factors will act to significantly increase the frequency with which the first in-frame stop codon is specifically removed by the entire procedure. In fact, we tried to anneal and extend the oligo described in step (b) below using a fully single-stranded coding region template, No modified full-length clones could be identified. In contrast, the results of the operations detailed below show that the use of a nested set of 5 'deletions as a template for the annealing and extension steps makes it possible to identify the first in-frame stop codon of the coding sequence. Clearly demonstrates effective and efficient in promoting full removal to obtain full length in-frame fusions to polypeptide tags.
[0082]
(A) PCR amplification and exonuclease digestion of genes prior to tag addition
Thus, we have described exactly in steps (a) and (b) of Example 1 in the amplification, except here the “ST reverse” primer is 5 ′ phosphorylated. First, the first PCR amplification of the GST gene was performed. Subsequently, standard reaction buffer (67 mM glycine-KOH pH 9.4, 2.5 mM MgCl) was used using 2.5 units of λ exonuclease (Novagen Strandase kit). 2 , 50 μg / mL bovine serum albumin), the purified PCR product was digested at 37 ° C. for 40 minutes. Subsequently, the enzyme was inactivated by heating to 75 ° C. for 15 minutes. Since the λ exonuclease enzyme recognizes only the 5 ′ phosphate group as a substrate, the sense strand is protected from digestion, so the digestion product is a deletion obtained from the 5 ′ end of the antisense strand of the PCR product. Is a set of nested states.
[0083]
(B) Specific ligation, extension, and amplification to introduce a tag
In the presence of 250 μM dNTPs and about 25-fold molar excess of the following degenerate oligos group, 5 μL of λ exonuclease reaction mix was diluted in E. coli DNA polymerase I reaction buffer.
[0084]
[Table 5]
Figure 0004730804
[0085]
After annealing the digested fragments and oligos at 37 ° C. for 30 minutes, 5 units of E. coli. E. coli DNA polymerase I was added, and then the reaction solution was incubated at 37 ° C. for 3 hours. Under standard conditions, the extension product was purified using the QIA Quick PCR Cleanup Kit (Qiagen) and used as a template in a standard PCR reaction using Pwo polymerase with primers “ST Forward” and “LMB2”. . Thirty cycles of PCR (94 ° C., 1 minute; 57 ° C., 1 minute; 72 ° C., 2 minutes) were performed to generate PCR products spanning 1000 bp.
[0086]
The PCR product resulting from the above operation was digested and cloned into the vector pMM106H described in step (e) of Example 1. Colonies obtained from the cloning operation were visualized at 365 nm to identify colonies emitting green fluorescence. 73 such colonies were selected, replica plated, and analyzed by colony western blot under standard conditions using anti-His tag and anti-GST antibody. Of the green fluorescent colonies, 58% expressed a protein that was positively recognized by both anti-His tag and anti-GST antibody. DNA from 15 colonies that were positive for both anti-His and anti-GST was amplified, purified and sequenced. Sequencing data specifically cuts out 10 complete in-frame fusions to full-length GST (ie, the first in-frame stop codon of the original GST gene, in-frame polyasparagine, hexahistidine tag The presence of clones replaced by The success rate of modification we obtained through this entire operation is therefore 39% of the total number of colonies that fluoresce green.
[0087]
Example 5
(A) Identification of a protein obtained from a pool of 11 genes
We applied the above procedure exactly as described in Example 1 except that it was identified in 11 different gene pools listed in the table below. We create the resulting array of specifically modified proteins so that each position in the array corresponds to a single recombinant protein immobilized through a tag added as a result of the manipulation did. Subsequently, we screened the array by functional assay and successfully identified each protein component of the pool.
[0088]
[Table 6]
Figure 0004730804
[0089]
In particular, to mimic the situation encountered in a cDNA library, all 11 genes were first subcloned into the same pTrcHisA vector backbone. The primers “ST forward” and “ST reverse” described in Example 1 were designed to be universal primers for amplifying the gene encoded in the pTrcHisA vector backbone.
The primer “ST forward” was designed to encode a number of restriction sites as follows.
[0090]
[Table 7]
Figure 0004730804
[0091]
Thus, either the restriction enzyme AatII or SfiI can be used for the purpose of creating a 3 ′ overhang for protecting the exonuclease. For the purpose of performing directed cloning at the end of the modification operation, in this example, it seems statistically more likely to cleave in the library, so it matches the NcoI cloning site in the tag vector pMM106H used here. We chose to use BspHI because it produces sticky ends that do not cleave inside any of the 11 genes in this pool. Obviously, in principle, any primer encoding a restriction site can be used provided that the tag vector contains an equivalent cloning site downstream of the promoter. SfiI has an 8 bp recognition sequence, so the random frequency of SfiI sites within a gene is much lower (1/6) compared to the frequency of 6 bp recognition sequences such as BspHI (1/4096). .5x10 4 So will have significant advantages in this regard in larger library formats.
[0092]
Tag vector pMM106H is an “ATG” vector, ie, the 5 ′ cloning site (NcoI) overlaps with the ATG start codon located downstream of the ribosome binding site (RBS) for expressing the native protein. However, in the procedure described here, we do not rely on cloned genes that have a common restriction site at the start codon. Instead, we simply rely on a promoter encoded in the vector that initiates transcription to generate mRNA so that the cloned gene itself provides the signals necessary for initiation of translation. Thus, in this example, all genes in the original pool have a start codon immediately preceding the RBS, regardless of the presence or absence of a cloning site located in the ATG. Primer “ST forward” binds upstream of RBS in all 11 first clones, so subsequent post-modification cloning with any primer encoding a restriction site along with their original RBS and ATG Introduce a newly modified gene into the tag vector, thus ensuring translation initiation. In the cDNA library format, the same situation applies in that all full-length cDNAs appear to have their own 5 ′ untranslated region (UTR) containing the eukaryotic translation initiation signal. Subsequently, in order to obtain an appropriate translation start in this case, it is only necessary to clone the modified cDNA together with its 5′UTR into a eukaryotic vector thus once again giving a transcription initiation signal. is necessary. Therefore, universal PCR primer groups equivalent to the primers used in this example can be used.
[0093]
The modification operation was performed as described in Example 1 using the following modifications. As an initial PCR amplification template using primers “ST forward” and “ST reverse”, an equimolar pool of all 11 genes was used, after which the SfiI enzyme had an 8 bp recognition sequence and Since neither gene was cleaved, the fragment was digested with SfiI to protect the 5 ′ end. In the annealing step, Oligomix A (see Example 1) was used. After the second PCR amplification, the modified fragment was divided into two pots, which were digested separately with BpmI and SapI. Statistically, genes in any library have a small percentage of SapI sites (7 bp recognition sequence; random occurrence probability = 1 / 16,384) or BpmI sites (6 bp recognition sequence; random occurrence probability = 1/4, 096), but the proportion of both will be much less (random probability = 1 / 6.7 × 10 7 ). Two Type II restriction enzymes thus effectively ensure that any specific modification of any full-length gene is not ruled out by the presence of one or other restriction sites within that gene. Used separately.
[0094]
Subsequently, the digested fragments from the two pots were pooled for treatment with Mung Bean Nuclese and digestion with BspHI. The resulting fragment was gel-purified into four different size ranges and the vector pMM106H (by itself, completely digested with NcoI and HpaI to avoid preferential ligation of the smaller insert, Purified separately). Transformed cells were visualized under UV light (365 nm), and green fluorescent colonies were selected with the naked eye for analysis by Western blot. Approximately 30% of the total number of transformed colonies emitted green fluorescence, of which 73% expressed a protein that was recognized by the anti-His tag antibody. 190 green His-positive colonies were planted in 1.5 mL liquid medium in a deep 96-well block and grown overnight. Cells were harvested by centrifugation and lysed by freeze-thawing / lysozyme. Subsequently, a crude lysate was added to each well of a nickel NTA-coated 96-well plate, unbound protein was removed by washing, and the His-added recombinant protein was immobilized on the well. Subsequently, NF-κB activity of the immobilized protein was assayed using the assay described in Example 2 and wells containing positive “hits” were identified by the appearance of a yellow coloration. Three clones showed positive “κB-motif” DNA binding activity. Further characterization of the positive clone showed that one clone, as expected, encoded the correct full-length in-frame fusion of the NF-κB p50 gene to the hexahistidine tag. The remaining two clones were found to encode related DNA binding proteins that have lower binding affinity but are known to share the same DNA binding specificity as NF-κB p50.
[0095]
Therefore, the results demonstrate that functional testing of the array created by this operation can identify both specific interactions and weaker but specific and biologically relevant interactions. ing. We therefore use this manipulation to create functional protein arrays in a microwell format, and with these arrays we use small pools based on specific protein-ligand interactions. From these results, each protein was successfully identified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1a shows the construction of vector pMM106H.
FIG. 1b shows details of PCR amplification and exonuclease digestion of an example gene (GST) prior to tagging.
FIG. 1c shows details of specific ligation and PCR amplification for introducing tags.
FIG. 1d shows details of PCR product cloning.
FIG. 1e shows the reaction between glutathione and 1-chloro-2,4-dinitrobenzene catalyzed by GST.

Claims (11)

(a)各々のタンパク質がN末端又はC末端の何れかにおいてマーカー部分によりタグ付加されたタンパク質をコードする複数のcDNA分子を提供すること;
(b)個々のタグ付加されたタンパク質を、空間的に分離されたフォーマットで発現させること;
(c)各々のタグ付加されたタンパク質を、空間的に規定されたフォーマットで精製、固定して、タンパク質アレイを固体支持体上に作成し、ここで、前記精製および固定の両方においてタグと固体支持体との間の特異的な相互作用を使用すること
を備えたタンパク質アレイを作成する方法。
(A) providing a plurality of cDNA molecules encoding a protein in which each protein is tagged with a marker moiety at either the N-terminus or C-terminus;
(B) expressing individual tagged proteins in a spatially separated format;
(C) Each tagged protein is purified and immobilized in a spatially defined format to create a protein array on a solid support , where the tag and solid are both in said purification and immobilization. A method of making a protein array comprising using a specific interaction with a support .
前記マーカー部分が、
(a)ヘキサヒスチジンタグ;
(b)完全なタンパク質又はタンパク質ドメイン;
(c)抗体のエピトープ;
(d)ビオチン類似物;および
(e)マルトース結合タンパク質ドメイン
からなる群より選択されるペプチド配列である、請求項1に記載の方法。
The marker portion is
(A) a hexahistidine tag;
(B) a complete protein or protein domain;
(C) the epitope of the antibody;
2. The method of claim 1, wherein the peptide sequence is selected from the group consisting of (d) a biotin analog; and (e) a maltose binding protein domain.
前記マーカー部分が、翻訳後修飾されている、請求項1または2に記載の方法。The method of claim 1 or 2 , wherein the marker moiety is post-translationally modified. 前記翻訳後修飾が、ビオチンまたは脂質分子の付加を含む、請求項3に記載の方法。4. The method of claim 3 , wherein the post-translational modification comprises the addition of biotin or lipid molecules. 前記タグ付加されたタンパク質が、正しく折り畳まれ、機能を維持している、請求項1〜4の何れか1項に記載の方法。The method according to any one of claims 1 to 4 , wherein the tagged protein is correctly folded and maintains its function. 前記タグ付加されたタンパク質が、完全長である、請求項1〜5の何れか1項に記載の方法。6. The method of any one of claims 1-5 , wherein the tagged protein is full length. タグ付加されたタンパク質をコードする前記cDNA分子が、前記1以上のDNA分子に存在する開始コドンの直後または停止コドンの直前の何れかに、マーカー部分をコードする追加の公知のDNA配列を挿入することを含む、以下の工程を備えた方法により作成される、請求項1〜6の何れか1項に記載の方法:
(a)前記1以上のDNA分子から入れ子状態の欠失物のセットを作成する工程;
(b)入れ子状態の欠失物のセットに、オリゴヌクレオチドの第一または第二のセットをアニーリングし、ライゲートする工程;ここで、
(i)3つの可能な停止コドンの一または複数の配列または相補配列は、オリゴヌクレオチドの第一のセットの混合物の中に提示され、
(ii)3つの主要な開始コドンの一または複数の配列または相補配列は、オリゴヌクレオチドの第二のセットの混合物の中に提示され、
(c)オリゴヌクレオチドの第一または第二のセットに相補的になるように選択されたオリゴヌクレオチドプライマーを用いたプライマー伸張反応により、ライゲート産物を特異的に増幅する工程。
The cDNA molecule encoding the tagged protein inserts an additional known DNA sequence encoding a marker moiety either immediately after the start codon or immediately before the stop codon present in the one or more DNA molecules. The method according to any one of claims 1 to 6 , which is prepared by a method comprising the following steps:
(A) creating a set of nested deletions from the one or more DNA molecules;
(B) annealing and ligating a first or second set of oligonucleotides to a set of nested deletions;
(I) one or more sequences or complementary sequences of the three possible stop codons are presented in a mixture of the first set of oligonucleotides;
(Ii) one or more sequences or complementary sequences of the three major start codons are presented in a mixture of the second set of oligonucleotides;
(C) specifically amplifying the ligated product by a primer extension reaction using oligonucleotide primers selected to be complementary to the first or second set of oligonucleotides.
請求項1〜6の何れか1項に記載の方法であって、1以上のテスト化合物を、前記タンパク質アレイと接触させる工程と、前記アレイ中の前記タンパク質への前記1以上の化合物の結合を測定し、これにより前記1以上の化合物を生物学的活性についてスクリーニングする工程とを更に備えた方法。7. The method according to any one of claims 1-6 , comprising contacting one or more test compounds with the protein array, and binding of the one or more compounds to the protein in the array. Measuring and thereby screening said one or more compounds for biological activity. 請求項1〜6の何れか1項に記載の方法であって、1以上のタンパク質、例えば、細胞表面受容体を、前記タンパク質アレイと接触させる工程と、前記1以上の特異的なタンパク質の、前記アレイの前記タンパク質との結合を測定し、これにより1以上のタンパク質を特異的なタンパク質−タンパク質相互作用についてスクリーニングする工程とを更に備えた方法。7. The method according to any one of claims 1-6 , wherein one or more proteins, for example, cell surface receptors, are contacted with the protein array, and the one or more specific proteins. Measuring the binding of the array to the protein, thereby screening one or more proteins for specific protein-protein interactions. 請求項1〜6の何れか1項に記載の方法であって、1以上の核酸プローブを、前記タンパク質アレイと接触させる工程と、前記プローブの、前記アレイ中の前記タンパク質への結合を測定し、これにより1以上のタンパク質を特異的なタンパク質−核酸相互作用についてスクリーニングする工程とを更に備えた方法。 The method according to claim 1 , wherein one or more nucleic acid probes are brought into contact with the protein array, and the binding of the probes to the protein in the array is measured. And thereby screening one or more proteins for specific protein-nucleic acid interactions. 請求項1〜6の何れか1項に記載の方法であって、前記タンパク質アレイ中の1以上のタンパク質が抗体ライブラリー中の少なくとも1つの抗体に結合するように、前記タンパク質アレイを、抗体ライブラリーと接触させる工程と、結合していない全ての抗体を除去する工程と;前記タンパク質アレイ中のタンパク質に結合した抗体を固定化し、これにより抗体アレイを作成する工程とを更に備えた方法。7. The method of any one of claims 1-6 , wherein the protein array is antibody live such that one or more proteins in the protein array bind to at least one antibody in an antibody library. And a step of removing all unbound antibodies; and immobilizing antibodies bound to the proteins in the protein array, thereby producing an antibody array.
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