KR100284036B1 - 재조합 인간 형질전환 성장인자-베타 유전자, 그의 발현벡터 및 인간 형질전환 성장인자-베타의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인체내에서 중요한 역할을 하는 TGF-β의 효모내 대량 발현을 위한, XbaI 제한효소 인지부위를 포함하는 염기서열, 발현되는 형질전환 성장인자-베타(TGF-β)의 아미노산 서열은 천연 TGF-β와 같도록 하되 그 염기서열을 효모의 선호 코돈으로 변형시킨 TGF-β 유전자의 염기서열, 및 종료 코돈 TAA, TAG 및 SalI 제한효소 인지부위를 포함하는 염기서열을 5′ → 3′ 방향으로 차례로 포함하는 재조합 인간 형질전환 성장인자-베타 (TGF-β)유전자, 상기 유전자를 갖는 효모 발현 벡터, 이에 의해 형질전환된 미생물, 및 이로 부터 제조된 재조합 단백질, 인간 형질전환 성장인자-β 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

Description

재조합 인간 형질전환 성장인자-베타 유전자, 그의 발현벡터 및 인간 형질전환 성장인자-베타의 제조방법

제1도는 효모내 발현을 목적으로 고안된, 벡터내 클로닝의 편이를 위해 5′ 말단과 3′ 말단에 제한 효소 인지 부위를 포함하는 전체 인간 형질전환 성장인자-베타(TGF-β) 유전자의 염기 서열을 나타낸 것이고,

제2도는 제1도의 TGF-β 유전자를 만들기 위해 합성한 올리고머 1,2,3,4,5 및 6 의 염기서열을 나타낸 것이고,

제3도는 본 발명에 따른 효모 발현 운반체로의 클로닝 과정을 도시한 것이고,

제4도는 TGF-β 발현벡터 pYLBC A/G- αF-TGF-β를 함유하는 효모의 농축 배양액을 변성 폴리아크릴아마이드겔 전기 영동한 결과를 나타낸 것이다.

본 발명은 유전공학적인 방법에 의해 인간 형질 전환 성장인자-베타(Transforming Growth Factor, TGF-β) 유전자를 합성하고, 이를 효모 발현 벡터에 클로닝하여 인간 체내에서와 동일한 TGF-β를 생산하는 방법에 관한 것이다.

동물 세포 배양시 가역적인 표현 형질 전환(phenotypic transformation)을 유도하는 단백질인 TGF[Roberts, A.B., et al., Fed. Proc. 42, 2621 (1983)]의 일종인 TGF-β는 암세포, 정상세포 및 신장, 혈소판등에서 추출할 수 있는 25000 달톤크기의 상동 이중체로서, 환원되었을 때 각각 112 개의 아미노산으로 구성된 12000 달톤의 2 개의 단백질로 나누어진다[Assoian, R.K. et al., J. Biol. Chem. 258, 7155(1983)]. cDNA 염기 서열 분석 결과 전구체로 391 개 아미노산으로 이루어진 단백질로 생성된 후 단백질 분해 효소에 의해 절단되어 카복시 말단을 갖는 112 개 아미노산의 TGF-β가 생성된다고 밝혀졌다[Rik Derynck, et al., Nature 316, 701 (1985)].

이 단백질은 특히 혈소판에 대량 존재하여 상처 회복에 관여하는 것으로 알려져 있고[Sporn, M. B., et al., Science 219, 1329(1983)], 또한 다양한 인간 종양 세포들의 고착성장(anchorage-dependent growth)을 억제할 뿐만 아니라 [Roberts, A.B., et al., Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A., 82, 119(1985)], 종양억제 인자인 TIF-1 과 많은 공통된 성질을 갖는것으로 보고되었다[Iwata, K., et al., Cancer Res., 45, 2689(1985)]. 이외에도 상기 TGF-β 단백질은 염증 치료제, 심장병 치료제로서 연구중에 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 재조합 인간 형질 전환 성질인자 베타 유전자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명의 재조합 유전자를 포함하는 발현벡터를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 본 발명의 발현벡터로 미생물을 형질 전환시켜 인간 형질 전환 성장 인자-베타를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자는 인체 내에서 중요한 역할을 하는 TGF-β의 효모내 대량 발현을 목적으로, 생성되는 TGF-β의 아미노산 서열은 기존의 알려진 천연 TGF-β와 같도록 하되 유전자의 염기 서열을 효모 선호코돈[Bennetzen, J. M. ＆ Hall, B. D., J. Biol. Chem., 257, vol 6, 3026 (1982)]으로 변형시킴과 동시에 RNA 가 번역(translation)될 때 영향을 미치는 RNA 의 2 차 구조[Baim, S. B., et al., Mol. Cell Biol., 5, 1839(1985)]를 최소화하기 위해 컴퓨터 프로그램을 이용하여 효모에서 발현되기에 최적의 염기 서열을 고안하였으며, 포스포 아미다이트 방법을 통한 뉴클레오티드 화학 합성 및 핵산 중합 효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction; [Saiki, et al., Science, 230, 1350(1985)])을 이용하여 TGF-β유전자 핵산을 합성하였다. 이렇게 합성된 핵산의 5′ 말단은 클로닝시 효모의 α - 인자 분비[Kurijan, J., et al., Cell, 30, 333(1982)] 체계를 이용하기 위해 Xba I 제한 효소 절단부위를 포함하는 α - 인자 전구 서열 일부를 포함시켰고 3′ 말단에는 번역 종결을 알리는 두개의 종료 코돈(TAA, TAG)과 SalI 제한 효소 절단 부위를 갖는다.

이 재조합 유전자를 효모 발현 벡터에 클로닝하기 위해, 본 출원인의 대한민국 특허출원 제 90-22193 호 “인간 인슐린 유사 성장 인자-I-의 발현벡터”의 벡터 pYLBC- A/G-αF-TGF-I의 작동자와 종결자사이에 위치하는 IGF-I 유전자를 제한효소를 이용하여 제거하고 TGF-β 유전자로 대체하여 얻은 인간 TGF-β 발현벡터 pYLBC A/G-αF-TGF-β를 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

이미 알려진 112 개의 TGF-β 의 아미노산 서열을 이용하여 염기서열을 고안한 후, 5′ 말단에는 XbaI 제한효소인지 부위를 포함하는 16 개의 염기를, 3′ 말단에는 종료코돈인 TAA, TAG 및 SalI 제한효소 인지 부위를 포함하는 14 개의 염기를 접합시켜 합성할 염기서열을 완성한다. 이 유전자를 합성하기 위해 서로 15 개 정도의 염기가 상보적으로 중첩이 되는 윗가닥 3 개, 아랫가닥 3 개의 올리고뉴클레오티드를 고안하여 핵산합성기로 합성하고, 이렇게 하여 수득된 단일 가닥의 올리고뉴클레오티드를 사용하여 중합효소 연쇄 반응을 수행한 결과 354 염기쌍으로 이루어진 이중나선의 최종 전체 핵산을 얻는다(제1도). 이를 제한효소 XbaI, SalI 으로 절단하여, 동일 효소로 절단된 M13mp18 핵산에 클로닝한 후 디데옥시 핵산 서열분석 방법으로 염기서열을 확인하여 제1도에 나타낸 바와같은 본 발명의 염기서열로 이루어진 유전자를 갖는 M13 벡터를 선별하였다. 그런 후에, XbaI, SalI 제한 효소로 상기 벡터를 절단하여 효모 발현벡터 pYLBC A/G-αF-TGF-I 의 IGF-1 위치에 상기에서 얻은 354 염기쌍의 TGF-β 유전자를 치환시켜 TGF-β의 발현벡터 이 pYLBC A/G-αF-TGF-β를 얻고 이를 이용하여 효모 균주를 형질전환시킨다. 형질전환된 효모를 배양하여 그 배양액을 SDS-폴리아크릴 아미이드 겔 전기 영동하여 TGF-β의 발현을 확인할 수 있다.

본 출원인은 본 발명과 관련된 TGF-β 유전자를 함유하는 운반체를 pYLBC A/G-αF-TGF-β 라 명명하여 이를 1993 년 1 월 4 일에 유전자은행에 기탁번호 KCTC 0072BP 로 기탁하였다.

이하, 본 발명을 실시예에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며 본 발명의 범주를 제한하지 않는다.

[실시예 1]

[TGF-β유전자의 염기서열 고안 및 합성]

이미 알려진 112 개의 TGF-β의 아미노산 서열[Rik Derynck, et al., Nature, 316, 701 (1985)]로 부터, 발현되는 TGF-β 단백질의 아미노산 서열은 천연 TGF-β의 서열과 같도록 하되 그 염기서열은 효모에서 발현이 많이 되는 단백질에 주로 사용되는 핵산 코돈으로 변형시킨 후, 전사(transcription)되었을 때 생성될 수 있는 안정한 2 차 구조를 최소화하기 위해 Microgenie (Beckman, U.S.A) 프로그램을 이용하였는데 티노코등(Tinoco et al.) [Nature New Biol. 246, 40(1973)]의 규칙에 따라 역 반복(inverted repeat)되는 핵산의 자유에너지(G)값이 전체 염기 서열에 걸쳐 - 7KCal/mole 이하가 되도록 핵산 서열을 교정하여 최종 TGF-β 유전자의 염기 서열을 고안하였다. 그런 후에 상기 염기서열로 구성된 유전자를 발현벡터에 용이하게 클로닝하기 위해, 효모의 교배에 관여하는 알파 인자의 전구 서열의 카복시 말단에 있는 XbaI 제한 효소 인지 부위를 포함하는 16 개의 염기를 TGF-β 유전자의 5′ 말단에 접합시키고 TGF-β 유전자의 3′ 말단에 서로 다른 두개의 종료 코돈인 TAA, TAG, 및 SalI 제한 효소 인지 부위를 포함하는 14 개의 염기를 접합시켜 합성할 염기서열을 완성하였다(제1도).

이어서, 상기 유전자를 합성하기 위해 서로 15 개 정도의 염기가 상보적으로 중첩이 되는 윗가닥 3 개, 아랫가닥 3 개의 올리고뉴클레오티드를 설계하였다(제2도).

이 올리고머를 자동화된 고체상 포스포아미다이트 케미스트리(solid phase phosphoamidite chemistry)를 이용하여 DNA 합성기 (Applied Biosystem, 380B, U.S.A)로 합성한 후, 변성 폴리아크릴아마이드겔 (2M 우레아, 50mM 트리스중의 12% 아크릴아미드 : 비스아크릴아미드(29:1, w/w), 50mM 붕산, 1mM EDTA) 을 이용한 전기 영동으로 분리한 후, C18 컬럼인 SEP-PAK(Waters Inc., U.S.A.)에 올리고머를 부착시키고 50% 아세토니트릴로 용출시켜 순수 정제하였다. 260nm 에서의 흡광도를 측정하여 농도를 결정한 후 각 올리고머를 5 0D260/ml 의 농도가 되도록 준비하였다.

[실시예 2]

[핵산 중합 효소 연쇄 반응에 의한 이중 나선의 전체 염기 합성후 합성된 유전자의 M13mp18 벡터로의 클로닝 및 염기 서열분석]

상기 실시예 1에서 얻은 단일 가닥 올리고머 중 2 번 올리고머와 3 번 올리고머를 각각 100 배 희석하여 다음의 중합 효소 연쇄 반응에 사용하였다. 10㎕ 의 10X Taq 중합 효소 완충액 (10mM 트리스-Cl (pH 8.3), 500mM KCl, 15mM MgCl₂, 0.1% 젤라틴), 10㎕의 dNTP 혼합액(dGTP, dATP, dTTP, dCTP가 각각 1.25mM), 5㎕의 1 번 올리고머 (0.8㎍), 5㎍의 4 번 올리고머, 100 배 희석한 2 번과 3 번 올리고머 각각 1㎕(1.6ng) 및 67㎕의 증류수의 혼합물에 0.5㎕의 AmpliTaq 핵산 중합효소를 넣고 잘 혼합시켰다. 여기에 용액의 증발을 막기 위해 50㎕의 광유를 첨가하였다. 온도 순환기(thermocycler)를 이용하여 94℃, 30 초; 45℃, 30 초; 72℃, 1 분간의 순환을 25 회 반복하고 마지막으로 72℃에서 10 분간 추가 반응시키는 순환프로그램을 수행하였다. 이렇게 해서 얻은 249 염기쌍의 연결된 이중나선 핵산을 주형으로 하여 올리고머 1 번 가닥과 6 번 가닥 그리고 100 배 희석한 올리고머 5 번 가닥을 이용하여 위와 동일 조건하에서 다시 핵산 중합효소연쇄 반응을 수행한 결과 366 염기쌍의 최종 이중나선 전체 염기를 합성하였다. 중합 효소를 제거하기 위해 반응 혼합물에 동일 부피의 페놀/클로로포름을 넣고 잘 혼합한 후 원심 분리하였다. 상징액을 새 튜브에 옮기고 1/10 부피의 3M 아세트산 나트륨, 2.5 배 부피의 100% 에탄올을 넣고 혼합하여 2 시간동안 - 70℃에서 방치한 후, 원심 분리하여 전체 이중나선 핵산을 얻었다. 이 핵산을 20㎕ 의 TE 완충액 (10mM 트리스-Cl (pH7.5), 1mM EDTA)에 용해시켜 이중 10㎕에 3㎕의 10X 중간염 완충액 (10mM 트리스-Cl (pH 7.0) 10mM MgCl₂, 50mM NaCl, 1mM DTT), 16㎕ 의 증류수와 1㎕ 의 XbaI 제한효소(20 유니트/㎕)를 가하여 37 ℃ 에서 1 시간이상 반응시킨 후, 여기에 다시 3㎕의 10X 고 염 완충액 (50mM 트리스-Cl (pH7.9), 10mM MgCl₂, 100mM NaCl, 1mM DTT), 16㎕의 증류수와 1㎕의 SalI 제한효소 (15유니트/㎕)를 첨가하고 37 ℃에서 1 시간이상 반응시켰다. 5% 아크릴아마이드 겔 전기영동하여 354 염기쌍의 절단된 절편을 전기 영동에 의한 겔로부터의 핵산 추출 방법으로 분리한 후 일루팁-디 (Elutip-D; Schleicher ＆ Schuell, U.S.A)를 이용하여 순수정제하였다.

정제된 핵산 절편을 10㎕의 증류수에 용해한 후 접합 반응에 이용하였다. 위와 동일한 방법으로 벡터 M13mp18(New England Biolabs, U.S.A.)을 제한 효소 XbaI, SalI으로 동시 절단하고 그 절편을 순수 분리하였다. 2㎕의 10X 접합 완충액 (660mM 트리스-Cl (pH7.6), 66mM MgCl₂, 100mM DTT), 2㎕의 10mM ATP, 2㎕의 TGF-β 핵산 절편 (0.2㎍), 1㎕의 XbaI 과 SalI 으로 절단된 M13mp18 핵산(약 0.1㎍), 12㎕의 증류수중의 1㎕의 T4 DNA 리가제 (1 유니트/㎕)를 16 ℃에서 2 시간정도 반응시켰다. 이중 10㎕를 사용하여 대장균 JM 105(ATCC 47016)를 하나한(Hanahan)의 방법[J. Mol. Biol., 116, 557(1983)]으로 형질 전환시켰다.

형질 전환된 대장균에 7.5㎕의 0.2M IPTG를 넣고 3ml의 2XYT 연성 아가(16g 박토트립톤, 10g 효모 추출물, 5g NaCl, 6g 박토아가/1 ℓ)와 25㎕의 4% X-갈 용액을 혼합한 후 최소 A 플레이트 (1ℓ당 10.5g K₂HPO₄, 4.5g KH₂PO₂, 1g (NH₄)₂SO₄, 0.5g Na-시트레이트, 12g 박토아가, 1ml 의 20% MgSO₄, 0.5ml의 1% 비타민 B, 10ml 의 50% 글루코즈)위에 평판시켰다. 이로부터 생성된 무색 플라크로 부터 단일 가닥 핵산을 추출한 후, 시쿼나제(sequenase) (United States Biochemicals, U.S A.)를 이용한 디데옥시 DNA 서열 분석[Tabor, S., et al., Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A,, 84, 4767 (1987)] 방법으로 재조합 합성 TGF-β 유전자의 염기서열을 분석하였고, 제1도에 나타낸 바와같은 염기 서열로 이루어진 유전자를 갖는 백터 DNA를 선별하여 이를 M13mp18 TGF-β 라 명명하였다.

[실시예 3]

[M13 벡터로부터 TGF-β의 효모 세포의 분비를 위한 효모 발현 벡터 pYLBC-A/G-αF-TGF-β로의 클로닝]

상기 실시예 2에서 제작한 인간 TGF-β 유전자 클로닝된 M13mp18 TGF-β 벡터를 XbaI, SalI 제한 효소로 절단하여 354 염기쌍으로 이루어진 유전자를 상기 핵산 추출 및 정제 방법으로 순수분리하였다.

본 출원인의 대한민국 특허출원 제 90- 22193 호의 “인간 인슐린 유사 성장 인자 - 1 의 발현벡터에서의 벡터 pYLBC A/G-αF-IGF-I 을 PstI, XbaI 으로 절단하여 ADH/GAPDH 혼성 작동자와 알파 인자 전구서열을 갖는 4500 염기쌍의 핵산 절편을 순수 분리하고, 또 동일 벡터를 PstI, SalI 으로 동시 절단하여 GAPHD 종결자 서열을 갖고 있는 9750 염기쌍의 핵산 절편을 얻어 앞에서 얻은 TGF-β 유전자와 동일 몰 비율로 혼합한 후 10 배 농도의 2㎕ 접합 완충액, 2㎕ 10mM ATP, 1㎕의 1 유니트 T4 DNA 리가제와 함께 물을 20㎕가 되게 넣고 14 ℃에서 2 시간 이상 반응시켰다, 그런후에 이 접합 반응액을 이. 콜라이 HB101 (ATCC 33694) 컴피턴트 세포에 첨가시켜 주고 하나한의 방법에 따라 형질 전환시킨 후 LB-암피실린 함유 플레이트에서 선별하여 인간 형질전환 성장 인자의 발현 벡터 pYLBC A/G-αF-TGF-β를 제조하였다. 이와 같은 효모 발현 운반체로의 클로닝 과정을 첨부한 도면의 제3도에 도시하였다.

[실시예 4]

[발현 벡터에 의한 효모내 형질 전환 및 변성 SDS-폴리아크릴아마이드 겔 전기 영동에 의한 발현 단백질의 확인]

효모 균주 DC04(Yeast Genetic Stock Center, Univ. of California, Berkeley, CA. U.S.A)를 힌넨(Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A)방법에 따라 자이 몰레이즈를 이용해 구형질(spheroplast)을 만든 후 발현벡터 pYLBC A/G-αF-TGF-β 로 형질 전환시키고, 루이신 결핍 아가 함유 플레이트(아미노산 결핍 효모 질소 기질 6.7g, 182g 솔비톨, 2% 글루코즈, 0.25% 루이신 보충배지, 20g 박토 아가)에 평판하여 30℃에서 3 내지 5 일간 배양한 후, 성장한 콜로니를 선별하였다. 발현벡터 pYLBC A/G-αF-TGF-β 로 형질 전환된 효모 균주를 20ml 의 YEPD 배양액 (2% 펩톤, 1% 효모 추출물, 2% 글루코즈)에 접종하여 30℃에서 3 일간 배양하였다, 이때, 최종 흡광도는 650nm에서 25 정도였으며, 배양액 1ml를 원심 분리하여 효모가 제거된 상징액을 취하여 5 배 농도의 단백질 침전 용액 (50% 트리클로로아세트산, 2% 데옥시클로레이트) 250㎕를 가하고 빙욕에서 10 분간 방치한 다음, 14000rpm으로 원심분리하여 얻어진 침전물을 1ml 의 아세톤으로 세척한 후 재원심분리하였다. 이렇게 얻어진 단백질 침전물을 20㎕의 TE 완충액에 용해시킨 후 3 배 농도의 10㎕ 람리 시료 완충액[Laemmli, D.K., Nature, 227, 680(1970)]을 가하고, 100℃ 에서 3 분간 비등시킨 다음 15% 변성 SDS - 폴리아크릴아마이드 겔 전기 영동시켰다. 그 결과를 제4도에 나타내었다.

제4도에서, 제1 레인은 TGF-β 유전자를 함유하지 않은 효모의 표준 시료이고 2 레인 부터 9 레인 까지는 본 실시예에서 얻어진 pYLBC A/G-αF-TGF-β 발현벡터를 함유하는 효모 배양액 500㎕의 농축시료이고, 제10 레인은 표준 분자량의 단백질 마커(Bio-Rad Inc., U.S.A)로서 위로 부터 43000, 29000, 18400, 14300, 6200 및 3800 달톤 크기를 나타내고 있다.

제4도에서 보는 바와같이 제1 레인의 유전자를 함유하고 있지 않는 통상의 효모의 경우와는 달리 인간 형질 전환 성장 인자 발현 벡터를 함유하는 효모의 배양액에는 원래 단백질이 변성 폴리아크릴아마이드겔상에 나타나는 위치, 즉 분자량 12500 달톤에 상응하는 위치에 단백질 띠가 보이고 있는 바, 본 발명의 벡터로 형질 전환된 효모로 부터 인간 형질 전환 성장 인자-베타가 효모 내에서 발현되어 세포외로 분비되었음을 확인할 수 있었다.

이상에서 본 바와같이 본 발명의 인간 TGF-β 의 합성 유전자 및 이의 발현 벡터는 효모에 의한 인간 형질 전환 성장 인자-베타의 대량 생산에 적합하다.

Claims (4)

1. XbaI 제한효소 인지부위를 포함하는 염기서열, 발현되는 형질전환 성장 인자-베타(TGF-β)의 아미노산 서열은 천연 TGF-β와 같도록 하되 그 염기서열을 효모의 선호 코돈으로 변형시킨 TGF-β 유전자의 염기서열, 및 종료코돈 TAA, TAG 및 SalI 제한효소 인지부위를 포함하는 염기서열을 5′ → 3′ 방향으로 차례로 포함하는 재조합 인간 형질전환 성장인자-베타(TGF-β) 유전자.
2. 제1항에 있어서, 하기 뉴클레오티드 서열을 갖는 재조합 인간 TGF-β 유전자.
3. 제1항 또는 제2항의 재조합 인간 TGF-β 유전자를 포함하는 효모 발현 벡터(KCTC 0072BP).
4. 제3항의 발현벡터로 효모를 형질전환시키는 단계, 형질전환된 효모를 배양하는 단계 및 배양물로부터 인간 형질전환 성장 인자-베타를 수득하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 인간 형질전환 성장 인자-베타의 제조 방법.