KR101360375B1 - Recombinant E. coli producing soluble BMP-2 and method for producing soluble BMP-2 using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수용성 BMP-2를 생산하는 재조합 대장균 및 이를 이용한 수용성 BMP-2의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 재조합 단백질의 제조방법을 이용하면 수용성의 생물학적 활성을 띄는 BMP-2를 생산할 수 있고, 이를 통해 골생성과 골재생 등 치료 목적으로 활용될 수 있다. The present invention relates to recombinant E. coli producing water-soluble BMP-2 and a method for producing water-soluble BMP-2 using the same. By using the recombinant protein production method according to the present invention, it is possible to produce BMP-2 having a water-soluble biological activity, and thus it can be utilized for therapeutic purposes such as bone formation and bone regeneration.

Description

수용성 BMP-2를 생산하는 재조합 대장균 및 이를 이용한 수용성 BMP-2의 제조방법 {Recombinant E. coli producing soluble BMP-2 and method for producing soluble BMP-2 using the same}[0001] The present invention relates to a recombinant E. coli producing BMP-2 and a method for producing the same using water-soluble BMP-2,

본 발명은 수용성 BMP-2를 생산하는 재조합 대장균 및 이를 이용한 수용성 BMP-2의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to recombinant E. coli producing water-soluble BMP-2 and a method for producing water-soluble BMP-2 using the same.

골 재생 단백질들은 뼈와 연골의 형성, 치아 형성, 골재생, 배아줄기세포의 발생 등 다양한 생물학적 기능을 유도하는 다기능 성장인자이다. 이들 단백질들은 동물의 일부 뼈의 제거된 부분으로부터의 추출물이 새로운 뼈 형성을 유도한다는 사실에서 처음 알려졌다. 지금까지 20종류의 BMP 단백질이 보고되었으며 분류상으로 TGF-b 군에 속하는 단백질 중에 하나로서 골재생 촉진 단백질-2(BMP-2)는 골재생과 골회복에 큰 효과를 보여 골절치료에 큰 역할을 할 수 있는 잘 알려진 대표적인 골재생 단백질이다(E.H. Riley et al., Bone morphogenetic protein-2: biology and applications, Clin. Orthop. Relat. Res. 324 (1996) 39-46).Bone regeneration proteins are multifunctional growth factors that induce various biological functions such as bone and cartilage formation, tooth formation, bone regeneration, and embryonic stem cell development . These proteins were first noticed in the fact that extracts from the removed parts of some bones in animals induce new bone formation . Twenty BMP proteins have been reported so far. As one of the proteins belonging to the TGF-b family as a class, bone regeneration promoting protein-2 (BMP-2) has a great effect on bone regeneration and bone recovery, (EH Riley et al., Bone morphogenetic protein-2: biology and applications, Clin. Orthop. Relat. Res. 324 (1996) 39-46).

골절치료와 관련하여 BMP-2의 치료목적으로의 다양한 도입을 위해서는 양적으로 다량의 생물학적으로 활성을 가지는 형태의 BMP-2가 요구된다. 소의 뼈로부터 추출하여 직접적인 분리로부터 BMP-2를 얻는 방법은 낮은 생산성과 재현성 부족 등의 이유로 문제점을 지닌다. 재조합 BMP-2는 지금까지 담배잎 식물(tobacco plant), CHO(chinese hamster ovary) cell, 대장균(E.coli) 등을 포함한 다양한 발현 시스템을 통하여 발현시켜 왔다(J.M. Wozney et al., Wang, Novel regulators of bone formation: molecular clones and activities, Science 242 (1988) 1528-1534). 전통적으로 대장균은 저비용 생산, 빠른 성장률, 타겟 단백질의 고효율 발현등과 같은 이점으로 인하여 재조합 발현의 초기적인 테스트에 많이 각광받는 시스템이었다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 대장균에서의 발현된 많은 이종의 단백질들은 불수용성의 응집체(inclusion body) 형태로 발현되는 상황을 보여 기존의 장점을 상쇄시키는 문제점을 지닌다. 따라서 현재는 거의 대장균에서 생산된 응집체를 풀어준 후 다시 재접힘(refolding) 하는 방법을 통해 기능적으로 활성을 가지는 BMP-2는 얻어지고 있다(R. Ruppert et al., Human bone morphogenetic protein 2 contains a heparin-binding site which modifies its biological activity, Eur. J. Biochem. 237 (1996) 295-302). 하지만 이러한 재접힘 방법은 재접힘 반응 규모(scale up)를 크게 높일 수 없는 어려움, 많은 시간이 소요되는 것, 경험에 기초한 과정이라는 것 등의 단점을 가지고 있다(L.D. Cabrita et al., Protein expression and refolding-a practical guide to getting the most out of inclusion bodies, Biotechnol. Annu. Rev. (2004) 10:31-50). 이와 같은 대장균에서 응집체 형태의 단백질이 발현되는 문제점을 극복하기 위하여 높은 수용성발현 촉진 단백질의 C-말단에 응집경향성 단백질들을 융합시키는 접근이 이루어지고 있다(P. Braun et al., High throughput protein production for functional proteomics, Trends Biotechnol. 21 (2003) 383-388). BMP-2 in the context of fracture treatment requires a large amount of biologically active form of BMP-2 for various therapeutic purposes. The method of obtaining BMP-2 from direct isolation from bovine bone has problems due to low productivity and lack of reproducibility. Recombinant BMP-2 has so far been expressed through various expression systems including tobacco plant, CHO (chinese hamster ovary) cell, E. coli , etc. (JM Wozney et al., Wang, Novel regulators of bone formation: molecular clones and activities, Science 242 (1988) 1528-1534). Traditionally, Escherichia coli has attracted much attention in early testing of recombinant expression due to its advantages such as low cost production, rapid growth rate, and high efficiency expression of target protein. Despite these advantages, however, many heterologous proteins expressed in Escherichia coli are expressed in the form of an insoluble inclusion body, which has the problem of offsetting the existing advantages. Therefore, BMP-2, which is currently functionally active through solubilization of aggregates produced in Escherichia coli and then refolding again, (R. Ruppert et al., Human bone morphogenetic protein 2 contains a heparin-binding site which modifies its biological activity, Eur. J. Biochem. 237 (1996) 295-302). However, these refolding methods have disadvantages such as difficulty in increasing scale up, difficult time, and experience-based processes (LD Cabrita et al., Protein expression and Refolding-a practical guide to getting the most out of inclusion bodies, Biotechnol. Annu Rev. (2004) 10: 31-50). In order to overcome the problem of expressing aggregate-type proteins in such E. coli, approaches to fusing aggregation-tendency proteins at the C-terminus of high water-soluble expression-promoting proteins have been made (P. Braun et al., High throughput protein production for functional proteomics, Trends Biotechnol. 21 (2003) 383-388).

이에 본 발명자들은 생물학적 활성을 띄는 BMP-2를 다량으로 생산할 수 있는 방법을 제공하고자 노력한 결과, 대장균에서 다양한 응집경향성 단백질들을 수용성으로 발현시킬 수 있는 강력한 수용성 유도체인 대장균 lysyl tRNA 합성효소(LysRS)에 BMP-2를 융합시킨 재조합 발현벡터를 완성하고 이를 발현시켜 수용성의 생물학적 활성을 띄는 BMP-2를 생산하게 되었다.
Therefore, the present inventors have made efforts to provide a method for producing a large amount of BMP-2 having biological activity. As a result, the present inventors have found that Escherichia coli lysyl tRNA synthetase (LysRS), which is a strong water-soluble derivative capable of expressing various flocculation- BMP-2 was fused to a recombinant expression vector, which was then expressed to produce BMP-2 having a water-soluble biological activity.

본 발명의 목적은 SUMMARY OF THE INVENTION

(a) 융합파트너로서 LysRS 유전자 및 외래 단백질로서 BMP-2 유전자를 연결한 발현벡터를 제조하는 단계;(a) preparing an expression vector comprising a LysRS gene as a fusion partner and a BMP-2 gene as a foreign protein;

(b) 상기 발현벡터를 숙주세포에 도입하여 형질전환체를 제조하는 단계; (b) introducing the expression vector into a host cell to produce a transformant;

(c) 상기 형질전환체를 배양하여 재조합 단백질의 발현을 유도하고 이를 수득하는 단계; 및(c) culturing the transformant to induce expression of the recombinant protein and obtaining the same; And

(d) 상기 재조합 단백질에 단백질 절단효소를 처리하여 재조합 융합 단백질로부터 외래 단백질을 분리하는 단계를 포함하는 외래 단백질의 제조방법을 제공하는 데 있다.
(d) treating the recombinant protein with a protein-cleaving enzyme to isolate the foreign protein from the recombinant fusion protein.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, (a) 수용성 발현 촉진 단백질을 코딩하는 유전자 및 외래 단백질을 코딩하는 유전자를 연결한 발현벡터를 제조하는 단계;(A) preparing an expression vector comprising a gene encoding a water-soluble expression-promoting protein and a gene encoding a foreign protein;

(b) 상기 발현벡터를 숙주세포에 도입하여 형질전환체를 제조하는 단계; 및(b) introducing the expression vector into a host cell to produce a transformant; And

(c) 상기 형질전환체를 배양하여 재조합 융합 단백질의 발현을 유도하고 이를 수득하는 단계를 포함하는 재조합 융합 단백질의 제조방법을 제공한다. (c) culturing the transformant to induce expression of the recombinant fusion protein and obtaining the recombinant fusion protein.

본 발명은 다른 구체예에서, (a) 수용성 발현 촉진 단백질을 코딩하는 유전자 및 외래 단백질을 코딩하는 유전자를 연결한 발현벡터를 제조하는 단계;According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing an expression vector comprising: (a) preparing an expression vector comprising a gene encoding a water-soluble expression-promoting protein and a gene encoding a foreign protein;

(b) 상기 발현벡터를 숙주세포에 도입하여 형질전환체를 제조하는 단계; (b) introducing the expression vector into a host cell to produce a transformant;

(c) 상기 형질전환체를 배양하여 재조합 융합 단백질의 발현을 유도하고 이를 수득하는 단계; 및(c) culturing the transformant to induce expression of the recombinant fusion protein and obtaining the same; And

(d) 상기 재조합 융합 단백질에 단백질 절단효소를 처리하여 재조합 융합 단백질로부터 외래 단백질을 분리하는 단계를 포함하는 외래 단백질의 제조방법을 제공한다. (d) separating the recombinant fusion protein from the recombinant fusion protein by treating the recombinant fusion protein with a protein-cleaving enzyme.

본 발명은 또 다른 구체예에서, 수용성 발현 촉진 단백질과 외래 단백질이 융합된 재조합 융합 단백질 및 상기 재조합 융합 단백질로부터 수용성 발현 촉진 단백질이 절단된 태그를 가지는 외래 단백질을 제공한다.In another embodiment, the present invention provides a recombinant fusion protein in which a water-soluble expression-promoting protein and a foreign protein are fused and an exogenous protein having a tag in which a water-soluble expression-promoting protein is cleaved from the recombinant fusion protein.

본 발명에 있어서, 상기 수용성 발현 촉진 단백질은 LysRS 또는 RBD인 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 외래 단백질은 BMP-2인 것을 특징으로 할 수 있다.In the present invention, the water-soluble expression-promoting protein may be LysRS or RBD, and the exogenous protein may be BMP-2.

또한, 상기 발현벡터는 수용성 발현 촉진 단백질을 코딩하는 유전자와 외래 단백질을 코딩하는 유전자 사이에 단백질 절단효소 인식 부위를 코딩하는 뉴클레오티드가 연결되어 있는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 수용성 발현 촉진 단백질은 외래 단백질의 N 말단에 연결되어 있는 것을 특징으로 할 수 있고, 숙주세포는 대장균인 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the expression vector may be characterized in that a nucleotide encoding a protein cleavage enzyme recognition site is linked between a gene encoding a water-soluble expression-promoting protein and a gene encoding a foreign protein, and the water-soluble expression- And the host cell may be characterized by being linked to the N-terminus of the protein, and the host cell may be characterized by being E. coli.

본 발명은 또 다른 구체예에서, 수용성 발현 촉진 단백질을 코딩하는 유전자 및 외래 단백질을 코딩하는 유전자를 포함하는 재조합 융합 단백질 생산용 발현벡터 및 상기 발현벡터로 형질전환된 미생물을 제공한다. In another embodiment, the present invention provides an expression vector for producing a recombinant fusion protein comprising a gene encoding a water-soluble expression-promoting protein and a gene encoding a foreign protein, and a microorganism transformed with the expression vector.

본 발명에서 사용된 용어 "외래 단백질"은 당업자가 다량으로 생산하고자 하는 단백질로서, 재조합 발현벡터에 상기 단백질을 코딩하는 뉴클레오티드를 삽입하여 형질전환체에서 발현이 가능한 모든 단백질을 의미한다. As used herein, the term "exogenous protein" refers to any protein that a person skilled in the art intends to produce in large quantities and which is capable of expression in a transformant by inserting a nucleotide encoding the protein into a recombinant expression vector.

본 발명에서 사용된 용어 "재조합 융합 단백질"은 원래의 외래단백질의 서열의 N 말단 또는 C 말단에 다른 단백질이 연결되거나 다른 아미노산 서열이 부가된 단백질을 의미한다. The term "recombinant fusion protein" as used herein refers to a protein to which another protein is linked or another amino acid sequence is added at the N-terminus or C-terminus of the original foreign protein sequence.

본 발명에서 사용된 용어 "발현벡터"는 발현벡터의 전사에 제공되는 추가단편에 작동가능하게 연결된 관심의 폴리펩티드를 암호화하는 단편으로 구성되는 선형 또는 원형의 DNA 분자이다. 그와 같은 추가단편은 프로모터 및 종료암호 서열을 포함한다. 발현벡터는 하나 이상의 복제 개시점, 하나 이상의 선택마커 등을 또한 포함한다. 발현벡터는 일반적으로 플라스미드 또는 바이러스 DNA로부터 유도되거나 또는 둘 다의 요소를 함유한다. The term "expression vector" as used herein is a linear or circular DNA molecule consisting of a fragment encoding a polypeptide of interest operably linked to an additional fragment provided in the transcription of an expression vector. Such additional fragments include promoter and termination coding sequences. The expression vector also includes one or more cloning start points, one or more selection markers, and the like. Expression vectors are generally derived from plasmid or viral DNA or contain both elements.

본 발명에서 사용된 용어 “수용성 발현 촉진 단백질”은 융합 단백질을 수용성 형태로 발현시킬 수 있다고 보고된 펩타이드를 말하고 GST(Glutathione S transferase), 말토오스 결합단백질, 유비퀴틴, 티오레독신 등이 포함되며, 본 발명에서는 이에 한정되지 않고 일반적으로 알려진 수용성 발현 촉진 단백질이면 제한없이 사용된다.
As used herein, the term " a water-soluble expression-promoting protein " refers to peptides reported to be capable of expressing a fusion protein in a water-soluble form and includes GST (Glutathione S transferase), maltose binding protein, ubiquitin, thioredoxin, The present invention is not limited thereto, and any water-soluble expression-promoting protein that is generally known can be used without limitation.

본 발명에 따른 재조합 단백질의 제조방법을 이용하면 수용성의 생물학적 활성을 띄는 BMP-2를 생산할 수 있고, 이를 통해 골생성과 골재생 등 치료 목적으로 활용될 수 있다.
By using the recombinant protein production method according to the present invention, it is possible to produce BMP-2 having a water-soluble biological activity, and thus it can be utilized for therapeutic purposes such as bone formation and bone regeneration.

도 1은 BMP-2 융합 단백질의 모식도(LysRS-BMP-2)를 나타낸 것이다.
도 2는 대장균에서의 BMP-2와 LysRS-BMP-2의 발현 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 LysRS-BMP-2의 니켈 친화성(affinity) 크로마토그래피를 이용한 정제 결과를 확인한 것이다.
도 4는 분리된 LysRS-BMP-2의 SDS-PAGE 분석결과를 나타낸 것이다.
도 5는 TEV의 처리에 의해 LysRS-BMP-2로부터 BMP-2이 효율적으로 분리된 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 세포 용해물 상태에서 TEV의 처리에 의해 BMP-2이 효율적으로 분리된 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 세포 용해물 상태에서 TEV 처리에 의해 분리된 BMP-2를 니켈 친화성 크로마토그래피를 통하여 분리 정제한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 세포 염색법에 기초한 분리된 BMP-2의 ALP 활성을 나타낸 것이다.
도 9는 스펙트로스코픽 측정법을 이용한 분리된 BMP-2의 ALP 활성을 나타낸 것이다.
1 is a schematic diagram of a BMP-2 fusion protein (LysRS-BMP-2).
Fig. 2 shows the results of expression of BMP-2 and LysRS-BMP-2 in E. coli.
FIG. 3 shows the results of purification using nickel affinity chromatography of LysRS-BMP-2.
Figure 4 shows the result of SDS-PAGE analysis of isolated LysRS-BMP-2.
Figure 5 shows the results of efficient isolation of BMP-2 from LysRS-BMP-2 by treatment with TEV.
FIG. 6 shows the results of efficient separation of BMP-2 by treatment with TEV in the cell lysate state.
FIG. 7 shows the results of separation and purification of BMP-2 isolated by TEV treatment in cell lysate through nickel affinity chromatography.
Figure 8 shows ALP activity of isolated BMP-2 based on cell staining.
Figure 9 shows ALP activity of isolated BMP-2 using spectroscopic assay.

재료의 준비Preparation of materials

DNA 재조합을 위한 제한효소는 NEB(영국)로부터 구매하였고, 대조군으로 사용하기 위한 재조합 사람 BMP-2는 R&D 시스템(미국)으로부터 구매하였다. 골수아 세포주(C2C12)는 American Type cell culture collection으로부터 얻었다. DMEM과 FBS는 Gibco 로부터 구매하였다.
Restriction enzymes for DNA recombination were purchased from NEB (UK), and recombinant human BMP-2 for use as a control was purchased from the R & D system (USA). Bone marrow cell line (C2C12) was obtained from the American Type cell culture collection. DMEM and FBS were purchased from Gibco.

단백질 발현 플라즈미드의 제작Fabrication of protein expression plasmids

BMP-2와 LysRS-BMP-2 융합 단백질을 발현시킬 수 있는 pGE-BMP-2, pGE-LysRS-BMP-2 발현 백터를 각각 특이적인 프라이머를 이용하여 PCR 방법으로 제작하였다. BMP-2 직접의 형태를 위한 프라이머 셋트는 다음과 같다. 5'-GTCA ATT AAT ATG ATG CAA GCC AAA CAC AAA CAG CG-3' (앞부분 프라이머), 5'-GTC ACT AAG CTT GCG ACA CCC ACA ACC CTC C-3' (뒷부분 primer). PCR 결과물은 AseI/Hind III로 절단하였고 이 DNA 조각을 pGEMEX-1(promega)로부터 유래된 pGE-lysRS(S.I. Choi et al., Protein solubility and folding enhancement by interaction with RNA, PLoS ONE 3 (2008) e2677)에 NdeI/HindIII 사이트로 넣어 pGE-BMP-2형태의 플라즈미드를 만들었다. LysRS-BMP-2의 경우는 앞부분 프라이머로 5'-GTC ACT GGT ACC CAA GCC AAA CAC AAA CAG CG-3'를 사용하였고, 뒷부분 프라이머는 직접적인 BMP-2와 같은 것을 사용하였다. PCR 결과물은 KpnI/Hind III로 절단하였고 이렇게 얻은 DNA 조각을 pGE-lysRS-3에 KpnII/HindIII 사이트로 넣어 pGE-LysRS-BMP-2형태의 플라즈미드를 만들었다. pGE-lysRS-3플라즈미드는 pGE-lysRS를 변형시킨 것으로 LysRS-단백질 절단 효소 TEV 절단 사이트-히스티딘꼬리(histidine tag)-MCS의 카세트의 형태를 띠고, MCS는 KpnI-BamHI-EcoRV-Sal I-HindIII로서 구성되었다. 이러한 플라즈미드의 단백질 발현은 T7 프로모터(promoter)에 의하여 조절 받는다.
The expression vectors pGE-BMP-2 and pGE-LysRS-BMP-2 capable of expressing the fusion proteins of BMP-2 and LysRS-BMP-2 were prepared by PCR using specific primers, respectively. The primer set for the direct form of BMP-2 is as follows. 5'-GTCA ATT AAT ATG ATG CAA GCC AAA CAC AAA CAG CG-3 '(front primer), 5'-GTC ACT AAG CTT GCG ACA CCC ACA ACC CTC C-3' (back primer). PCR products were digested with AseI / HindIII and the DNA fragments were ligated with pGE-lysRS (SI Choi et al., Protein solubility and folding enhancement by interaction with RNA, PLoS ONE 3 (2008) e2677 ) As an NdeI / HindIII site to construct a plasmid in the form of pGE-BMP-2. In the case of LysRS-BMP-2, 5'-GTC ACT GGT ACC CAA GCC AAA CAC AAA CAG CG-3 'was used as a front primer and the rear primer used was the same as that of direct BMP-2. The PCR product was digested with KpnI / HindIII and the thus obtained DNA fragment was inserted into KpnII / HindIII site in pGE-lysRS-3 to prepare a plasmid in the form of pGE-LysRS-BMP-2. The pGE-lysRS-3 plasmid was a modification of pGE-lysRS, which was in the form of a cassette of LysRS-protein cleaving enzyme TEV cleavage site-histidine tag-MCS, MCS was KpnI-BamHI-EcoRV-SalI-HindIII . Protein expression of these plasmids is regulated by the T7 promoter.

단백질 발현과 분리정제Protein expression and separation purification

각각의 플라즈미드로 형질전환된 대장균 HMS174(DE3)plysE (Novagen) 균주의 단일 콜로니(colony)를 50μg/ml 농도의 클로람페니콜(chloramphenicol)과 30μg/ml 농도의 엠피실린(ampicillin) 항생제가 포함되어 있는 2ml LB에 접종하여 37℃에서 밤새 배양하였다. 배양액의 1ml을 같은 농도의 항생제가 들어있는 새로운 20ml의 LB에 희석시켰다. BMP-2 단백질의 발현은 OD600에서의 세포의 밀도 0.5 값에서 1mM IPTG를 넣고 3시간 동안 배양시킴으로써 유도되었다. 10ml의 세포들을 원심분리법을 통하여 수확하였고 0.3ml PBS에 섞어서 풀어주었다. 세포의 초음파 분쇄(sonication)후, 4℃, 12000g 조건에서 10분간의 원심분리를 통해 단백질을 total(전체), soluble(수용성), insolublec(불수용성) 부분으로 나누었고 SDS-PAGE를 통해 분석하였다(S.I. Choi et al., Protein solubility and folding enhancement by interaction with RNA, PLoS ONE 3 (2008) e2677).Escherichia coli transformed with each plasmid A single colony of the HMS174 (DE3) plysE (Novagen) strain was inoculated into 2 ml LB containing chloramphenicol at a concentration of 50 μg / ml and ampicillin antibiotic at a concentration of 30 μg / ml, Lt; / RTI > 1 ml of the culture was diluted in fresh 20 ml of LB containing the same concentration of antibiotic. Expression of the BMP-2 protein was induced by incubation with 1 mM IPTG at a cell density of 0.5 at OD600 for 3 hours. 10 ml of cells were harvested by centrifugation and dissolved in 0.3 ml PBS. After sonication of the cells, the proteins were divided into total (total), soluble (soluble) and insolublec (insoluble) portions by centrifugation at 4 ° C and 12,000g for 10 minutes and analyzed by SDS-PAGE SI Choi et al., Protein solubility and folding enhancement by interaction with RNA, PLoS ONE 3 (2008) e2677).

LysRS-BMP-2와 LysRS-BMP-2로부터 단백질절단 효소 TEV처리에 의해 분리된 BMP-2는 니켈 크로마토그래피에 의해 분리, 정제되었다. 다음 [50mM Tris-HCl (pH 8.0), 500mM NaCl 및 10% glycerol] 조건의 버퍼로 니켈 컬럼(column)을 미리 적셔 균등하게 해준 후 같은 버퍼 조건의 단백질 수용액을 적용시켰다. 34.5mM의 이미다졸(imidazole)이 포함되어 있는 위 버퍼를 이용하여 세척을 진행한 후 이미다졸을 123mM부터 300mM까지 점진적으로 증가시킨 버퍼를 이용하여 단백질을 분리하였다. 분리된 단백질을 모아서 다음의 저장버퍼[50mM Tris-HCl (pH8.0), 1mM EDTA, 2mM β-mercaptoethanol 및 0.1% Tween-20]를 이용하여 투석하였다.
BMP-2 isolated from LysRS-BMP-2 and LysRS-BMP-2 by TEV treatment with protein-cleaving enzyme was isolated and purified by nickel chromatography. Next, the nickel column was pre-wetted and homogenized with a buffer of the condition [50 mM Tris-HCl (pH 8.0), 500 mM NaCl and 10% glycerol], and the protein solution of the same buffer condition was applied. After washing with 34.5 mM Imidazole buffer, the proteins were separated using imidazole buffer increasing gradually from 123 mM to 300 mM. The separated proteins were collected and dialyzed using the following storage buffer: 50 mM Tris-HCl (pH 8.0), 1 mM EDTA, 2 mM? -Mercaptoethanol and 0.1% Tween-20.

타바코 이치 바이러스(TEV) 단백질 절단효소를 통한 융합단백질의 절단Cutting of Fusion Proteins via Tobacco Vaccine (TEV) Protein Cleavage Enzyme

분리된 LysRS-BMP-2나, LysRS-BMP-2가 포함되어 있는 세포 용해체(cell lysate)에 재조합 단백질 절단효소 TEV(invitrogen)을 제조회사의 방법을 따라 다음의 버퍼 및 온도 조건 [50 mM Tris-Cl (pH 8.0), 0.5 mM EDTA, 1 mM DTT, 30도]에서 두 시간 동안 처리하였다.
Recombinant protein cleavage enzyme TEV (Invitrogen) was added to the cell lysate containing isolated LysRS-BMP-2 or LysRS-BMP-2 according to manufacturer's instructions in the following buffer and temperature conditions [50 mM Tris-Cl (pH 8.0), 0.5 mM EDTA, 1 mM DTT, 30 ° C] for two hours.

알칼라인 포스파테이즈(alkaline phosphatase (ALP)) 실험Alkaline phosphatase (ALP) experiments

BMP-2의 생물학적인 활성은 C2C12세포에 BMP-2를 처리한 후에 세포염색법과 스펙트로스코픽(spectroscopic)방법을 이용하여 ALP 활성을 측정하는 방법을 이용하여 평가되었다. ALP 키트는 세포 염색법을 이용하여 사용되었다. 간단히 1X05 C2C12 세포를 24 well 플레이트에 접종하여 하루 동안 배양하였다. PBS를 통해 세척한 후 세포에 BMP-2(본 발명에 따른 재조합 BMP-2 또는 대조군으로 사용하기 위한 상업적으로 파는 BMP-2)를 DMEM 배양액(FBS 최종농도 5%) 상태에서 처리하였다. 이틀 뒤 C2C12 세포를 Citrate-Acetone-Formaldehyde 고정 용액을 이용하여 고정하였고 알칼라인 용액을 이용하여 어두운 곳, 실온에서 30분 동안 염색시켰다. 염색된 세포는 사진을 통해 확인하였다.The biological activity of BMP-2 was evaluated using a method of measuring BMP-2 in C2C12 cells followed by measurement of ALP activity using cell staining and spectroscopic methods. The ALP kit was used using cytotoxicity. Simply inoculated 1X0 5 C2C12 cells in 24 well plates and cultured for one day. After washing through PBS, cells were treated with BMP-2 (recombinant BMP-2 according to the present invention or commercially available BMP-2 for use as a control) in DMEM culture medium (FBS final concentration 5%). Two days later, C2C12 cells were fixed with Citrate-Acetone-Formaldehyde fixative solution and stained with alkaline solution for 30 minutes at room temperature in the dark. The stained cells were confirmed by photographs.

제조회사의 방법에 따라 TRACP & ALP 키트(Takara)를 이용하여 ALP 활성을 측정하였다. 스펙트로스코픽(spectroscopic)방법을 위하여 4X03 C2C12 세포를 96 well 플레이트에 접종한 후 하루 동안 배양하였다. PBS 세척 후 BMP-2 혼합물을 처리하였다. 이틀 뒤 세포에 4℃에서 5분 동안 추출 버퍼를 처리해 주었고 그 다음 pNPP(p-nitro-phenyl phosphate) 기질이 포함되어 있는 ALP 버퍼를 넣어 37℃에서 1시간 동안 배양하였다. 반응을 0.9N NaOH를 통해 정지시켰고 405nm에서 흡광도를 측정하였다
ALP activity was measured using a TRACP & ALP kit (Takara) according to the manufacturer's method. For stereoscopic spectrometer (spectroscopic) method and then inoculated with 4X0 3 C2C12 cells in 96 well plates and cultured for one day. After washing with PBS, the BMP-2 mixture was treated. Two days later, the cells were treated with extraction buffer for 5 minutes at 4 ° C and then incubated at 37 ° C for 1 hour in an ALP buffer containing pNPP (p-nitro-phenyl phosphate) substrate. The reaction was quenched with 0.9N NaOH and the absorbance was measured at 405 nm

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

BMP-2 융합단백질의 대장균에서의 발현과 정제Expression and Purification of BMP-2 Fusion Protein in E. coli

대장균 세포질에서의 BMP-2 단백질의 수용성 발현을 위하여 LysRS의 C-말단에 BMP-2를 융합시켜 LysRS-BMP-2 형태로 만들었다. 추가적으로 단백질 절단효소 TEV 가 인식하는 사이트와 6개 히스티딘 꼬리표(histidine tag)를 LysRS와 BMP-2 사이에 연결 펩타이드 형태로 도입하여 도 1과 같이 디자인하였다. 이런 연결 펩타이드는 니켈 친화성(affinity) 크로마토그래피를 이용한 한 번의 정제와 그 이후의 단백질 절단효소 TEV의 절단을 통한 LysRS로부터의 BMP-2 분리를 위해 도입되었다. BMP-2와 LysRS-BMP-2는 37℃에서 발현되었다. 발현된 BMP-2와 LysRS-BMP-2 단백질의 수용성 정도는 SDS-PAGE를 통해 분석되었다. 직접적인 형태의 BMP-2가 거의 완전히 불수용성으로 발현한 것에 비하여 LysRS-BMP-2 융합 단백질은 90% 이상 수용성이었다(도 2). 이러한 결과는 LysRS가 높은 발현 정도를 유지시키는 동안 융합형태로 되어있는 BMP-2의 수용성을 극적으로 증가시킴을 나타낸다. 또한 이는 LysRS에 BMP-2를 융합시키는 방법이 대장균 시스템에서 BMP-2를 수용성으로 발현시킬 수 있는 효과적인 방법임을 의미한다. BMP-2 was fused to the C-terminus of LysRS to form LysRS-BMP-2 for the water-soluble expression of BMP-2 protein in E. coli cytoplasm. In addition, a site recognized by the protein cleavage enzyme TEV and six histidine tags were designed as shown in FIG. 1 by introducing them as a linking peptide between LysRS and BMP-2. These linked peptides were introduced for BMP-2 cleavage from LysRS through one purification using nickel affinity chromatography and subsequent cleavage of the proteolytic enzyme TEV. BMP-2 and LysRS-BMP-2 were expressed at 37 ° C. The degree of water solubility of the expressed BMP-2 and LysRS-BMP-2 proteins was analyzed by SDS-PAGE. The LysRS-BMP-2 fusion protein was more than 90% soluble (Figure 2), whereas the direct form of BMP-2 was almost completely water-insoluble. These results indicate that LysRS dramatically increases the solubility of BMP-2 in fusion form while maintaining high expression levels. This also means that the method of fusing BMP-2 to LysRS is an effective method for expressing BMP-2 in a soluble form in the E. coli system.

수용성 발현의 확인 후, LysRS-BMP-2 융합 단백질은 1L 배양을 통해 발현되었고 점진적인 이미다졸(imidazole) 농도 (123mM~300mM) 상황에서 단일단계 니켈 친화성(affinity) 크로마토그래피를 통하여 정제되었다(도 3). 분리정제 형태는 SDS-PAGE를 통해 분석되었고 #24~#35 분리 단편(fraction)을 모아 농축 및 저장 수용액(storage buffer)을 이용하여 투석하였다. 도 4와 같이 SDS-PAGE를 통해 확인해 본 결과 LysRS-BMP-2의 순도는 대략 90%였고, 전체적인 분리정제 효율은 대략 9.6mg/L였다.
After confirmation of aqueous expression, the LysRS-BMP-2 fusion protein was expressed in 1 L culture and purified through a single step nickel affinity chromatography at a progressive imidazole concentration (123 mM to 300 mM) 3). Separated tablet form was analyzed by SDS-PAGE and fractions # 24 to # 35 were collected and dialyzed using a storage buffer. As shown in FIG. 4, the purity of LysRS-BMP-2 was about 90% and the overall separation and purification efficiency was about 9.6 mg / L by SDS-PAGE.

융합단백질로부터 분리된 BMP-2의 정제Purification of BMP-2 isolated from fusion protein

예비실험 결과, 분리된 LysRS-BMP-2 융합 단백질은 활성을 보이지 않았는데 이는 아마도 융합형태에서 55 kDa 크기의 큰 LysRS의 구조가 기능적 활성이나, 생물학적 활성을 위해 요구되는 BMP-2의 이합체(dimer) 형성에 있어 부정적인 영향을 주었을 것이라 추정하였다. 이에 단백질 절단효소 TEV가 분리 정제된 LysRS-BMP-2 융합 단백질을 특이적이고 효율적으로 절단할 수 있는지 여부를 테스트하였다. 도 5를 통해 14.4 kDa의 BMP-2이 단백질 절단효소 TEV의 처리에 의해 융합단백질로부터 효율적으로 분리됨을 확인할 수 있었다. 추가적으로 LysRS-BMP-2 융합단백질이 단백질 분리정제 단계 전에 그대로의 세포 용해물(cell lysate, cell extract) 상태에서도 단백질 절단 효소 TEV가 작용하여 절단할 수 있는지 검증해 보았다. 그 결과, TEV 효소는 세포 용해물 상태에서도 효율적으로 융합단백질을 절단시켰다(도 6). 다음으로 세포 용해물 상태에서의 TEV 효소 처리를 통해 떨어져 나온 BMP-2를 도 7과 같이 한 번의 단계로 니켈 친화성 크로마토그래피를 통하여 분리 정제하였다. 분리 정제한 BMP-2 단백질은 활성테스트에 이용하였다. SDS-PAGE 분석을 통하여 단백질의 순도는 대략 50%라는 것을 알 수 있었고, 이는 65kDa 사이즈의 단백질이 섞여 있기 때문이라는 것을 확인하였다(도 7).
As a result of the preliminary experiments, the isolated LysRS-BMP-2 fusion protein did not show any activity, suggesting that the large LysRS structure of 55 kDa in the fusion form has functional activity, but dimer of BMP-2 required for biological activity. And that it would have had a negative impact on formation. It was tested whether the protein-cleaving enzyme TEV could specifically and efficiently cleave the purified LysRS-BMP-2 fusion protein. 5, it was confirmed that 14.4 kDa of BMP-2 was efficiently cleaved from the fusion protein by treatment with the protein-cleaving enzyme TEV. In addition, we examined the ability of the LysRS-BMP-2 fusion protein to cleave by the action of the protein cleavage enzyme TEV in the cell lysate (cell extract) state before the protein separation and purification step. As a result, the TEV enzyme efficiently cleaved the fusion protein even in a cell lysate state (Fig. 6). Next, BMP-2 released from TEV enzyme treatment in cell lysate was separated and purified by nickel affinity chromatography in one step as shown in FIG. The purified and purified BMP-2 protein was used for the activity test. The purity of the protein was found to be approximately 50% by SDS-PAGE analysis, and it was confirmed that this was due to the mixing of 65 kDa protein (Fig. 7).

재조합 BMP-2의 기능적 활성Functional activity of recombinant BMP-2

BMP-2는 알칼라인 포스파테이즈(alkaline phosphatase: ALP; orthophosphoric monoester phosphohydrolyase)의 발현을 촉진시킨다고 잘 알려져 있으며 ALP 활성 또한 골형성의 전형적인 표지로 잘 이용되어 왔다. 이에 ALP 활성은 BMP-2의 적절한 접힘(folding)을 통해 얻어지는 생물학적 활성을 검정하는데 중요한 테스트가 될 수 있기에, 본 발명에 따른 재조합 BMP-2의 활성을 대장균에서의 응집체(inclusion body)를 인위적으로 재접힘(refolding) 시켜 얻어진 상업적으로 파는 BMP-2(편의상 std-BMP-2로 표기)와 비교하였다.BMP-2 is well known to promote the expression of alkaline phosphatase (ALP; orthophosphoric monoester phosphohydrolyase) and ALP activity has also been well used as a typical marker of bone formation. Therefore, since the ALP activity can be an important test for verifying the biological activity obtained through proper folding of BMP-2, the activity of the recombinant BMP-2 according to the present invention can be artificially introduced into the inclusion body in E. coli And compared with commercially available BMP-2 (conveniently referred to as std-BMP-2) obtained by refolding.

C2C12 세포에 std-BMP-2와 재조합 BMP-2를 각각 7.3, 14.6, 29.3, 58.6, 117.2, 234.4 nM 농도로 처리하여 배양하였다. 세포염색을 적용해 본 결과 ALP 활성은 도 8과 같이 BMP-2농도에 비례하여 나타났다. 본 발명에 따른 재조합 BMP-2는 비록 std-BMP-2에 비하여 대략 2~4배 낮긴 하였지만 분명한 활성을 나타내었다. 단백질의 전체적은 순도를 고려했을 때, 재조합 BMP-2단백질의 생물학적인 활성은 대조군 std-BMP-2에 비하여 50~100% 범위에 해당하는 것으로 보인다(도 7). 대조군으로 세포에 물만 처리한 것, 저장 용액(storage buffer)만 처리한 것, 수용성 파트너인 LysRS만 처리한 것 등을 도입하였고 여기서는 ALP 활성을 찾아볼 수 없었다. 이러한 결과는 LysRS에 융합시킨 방법에서 얻어진 최종의 BMP-2 단백질이 생물학적으로 활성을 가진 형태로 올바르게 폴딩(folding) 되었음을 나타낸다. C2C12 cells were treated with std-BMP-2 and recombinant BMP-2 at concentrations of 7.3, 14.6, 29.3, 58.6, 117.2, and 234.4 nM, respectively. As a result of applying cell staining, the ALP activity was proportional to the BMP-2 concentration as shown in FIG. Recombinant BMP-2 according to the present invention showed a clear activity although it was about 2-4 times lower than std-BMP-2. Considering the overall purity of the protein, the biological activity of the recombinant BMP-2 protein appears to be in the range of 50-100% relative to the control std-BMP-2 (FIG. 7). As a control, cells were treated with only water, only with storage buffer, with LysRS only as a water soluble partner, and no ALP activity was found here. These results indicate that the final BMP-2 protein obtained by the method fused to LysRS has been correctly folded into a biologically active form.

보다 정량적인 분석을 위하여 추가적으로 BMP-2를 각각 4.9, 9.8, 19.5, 39.1, 78.1, 156.3nM로 처리한 C2C12 세포에서의 ALP 활성을 스펙트로스코픽 측정법 (spectroscopic measurement)을 이용하여 확인하였다. 도 9를 통해 알 수 있듯이 결과는 세포염색 분석법에서 얻어진 결과와 일치하는 모습을 보였다. 이 모든 결과를 통해 LysRS 융합 방법에서 얻어진 재조합 BMP-2가 중요하게 기능적 활성을 보임을 알 수 있었고, LysRS 융합하는 방법을 통해 생물학적으로 활성을 가진 BMP-2를 생산할 수 있음을 확인할 수 있었다.
For more quantitative analysis, ALP activity in C2C12 cells treated with BMP-2 at 4.9, 9.8, 19.5, 39.1, 78.1, and 156.3 nM, respectively, was also confirmed by spectroscopic measurements. As can be seen from FIG. 9, the results were consistent with those obtained by the cytotoxicity assay. From these results, it was found that the recombinant BMP-2 obtained by the LysRS fusion method showed significant functional activity, and it was confirmed that the LysRS fusion method can produce biologically active BMP-2.

[비교실험예 1][Comparative Experimental Example 1]

1-1: IL20-BMP-2 융합단백질의 발현 및 BMP-2의 활성 측정1-1: Expression of IL20-BMP-2 Fusion Protein and Measurement of BMP-2 Activity

BMP-2를 IL20(secretion enhancer)에 융합시켜 효모에서 발현 및 분리 정제한 다음, BMP-2의 생물학적 활성을 상기 실시예 3과 같이 측정한 결과, BMP-2는 활성을 거의 찾아볼 수 없었다(도 10).
BMP-2 was fused to IL20 (secretion enhancer) and expressed and purified in yeast. The biological activity of BMP-2 was measured in the same manner as in Example 3, and BMP-2 was found to have little activity 10).

1-2: DsbA-BMP-2 융합단백질 및 IL1RA-BMP-2 융합단백질의 발현 및 BMP-2의 활성 측정1-2: Expression of DsbA-BMP-2 Fusion Protein and IL1RA-BMP-2 Fusion Protein and Measurement of BMP-2 Activity

DsbA-BMP-2 융합단백질 및 IL1RA-BMP-2 융합단백질을 발현 및 분리 정제한 다음. BMP-2의 생물학적 활성을 상기 실시예 3과 같이 측정한 결과, BMP-2는 활성을 거의 찾아볼 수 없었다(도 11).
DsbA-BMP-2 fusion protein and IL1RA-BMP-2 fusion protein were expressed and purified. The biological activity of BMP-2 was measured in the same manner as in Example 3, and BMP-2 showed little activity (FIG. 11).

[비교실험예 2][Comparative Experimental Example 2]

RBD-BMP-2 융합단백질의 발현 및 활성 측정Expression and activity measurement of RBD-BMP-2 fusion protein

BMP-2를 인간 lysyl tRNA 합성효소 N 말단 도메인(RBD)에 융합시켜 발현 및 분리 정제한 다음. BMP-2의 생물학적 활성을 측정하였다. 그 결과, 분리된 BMP-2의 수용성 정도는 LysRS를 이용한 경우에 비해서는 조금 떨어지나 분명한 수용성 증진 효과를 나타내었고(도 12), 분리된 BMP-2는 LysRS를 이용한 경우와 마찬가지로 생물학적 활성을 나타내었다(도 13). 또한 BMP-2는 disulfide가 많은 단백질이기에 기존 disulfide bond 형성을 촉진 한다고 알려진 PDI를 RBD와 함께 융합하는 시도도 실시하였다. 그 결과 RBD와 함께 PDI를 융합시킨 경우에도 PDI에 상관없이 RBD에 의하여 BMP-2는 활성을 나타냄을 확인하였다(도 14).
BMP-2 was fused to the human lysyl tRNA synthetase N-terminal domain (RBD) and expressed and purified. The biological activity of BMP-2 was measured. As a result, the degree of water solubility of the isolated BMP-2 was slightly lower than that of the case using LysRS (FIG. 12), and the separated BMP-2 showed biological activity as in the case of using LysRS (Fig. 13). In addition, BMP-2 is a disulfide-rich protein, and PDI, which is known to promote the formation of disulfide bonds, was also fused with RBD. As a result, it was confirmed that BMP-2 was activated by RBD regardless of PDI even when PDI was fused together with RBD (FIG. 14).

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, those skilled in the art will appreciate that such specific embodiments are merely preferred embodiments and that the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. It is therefore intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto and their equivalents.

Claims (14)

(a) [수용성 발현 촉진 단백질을 코딩하는 유전자]-[단백질 절단효소 인식 부위를 코딩하는 뉴클레오티드]-[1개 내지 6개 히스티딘을 코딩하는 유전자]-[BMP-2을 코딩하는 유전자]의 순서대로 연결된 발현벡터를 제조하는 단계;
(b) 상기 발현벡터를 숙주세포에 도입하여 형질전환체를 제조하는 단계; 및
(c) 상기 형질전환체를 배양하여 재조합 융합 단백질의 발현을 유도하고 이를 수득하는 단계를 포함하는 재조합 융합 단백질의 제조방법.
(a) [gene encoding a water-soluble expression-promoting protein] - [nucleotide coding for a protein cleavage enzyme recognition site] - [gene encoding 1 to 6 histidine] - [gene encoding BMP-2] To produce an expression vector linked as described above;
(b) introducing the expression vector into a host cell to produce a transformant; And
(c) culturing the transformant to induce expression of the recombinant fusion protein and obtaining the recombinant fusion protein.
제 1항에 있어서,
상기 수용성 발현 촉진 단백질은 LysRS 또는 RBD인 것을 특징으로 하는 재조합 융합 단백질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the water-soluble expression-promoting protein is LysRS or RBD.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 수용성 발현 촉진 단백질은 BMP-2 단백질의 N 말단에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 재조합 융합 단백질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the water-soluble expression-promoting protein is linked to the N-terminus of the BMP-2 protein.
제 1항에 있어서,
상기 숙주세포는 대장균인 것을 특징으로 하는 재조합 융합 단백질의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the host cell is Escherichia coli.
(a) [수용성 발현 촉진 단백질을 코딩하는 유전자]-[단백질 절단효소 인식 부위를 코딩하는 뉴클레오티드]-[1개 내지 6개의 히스티딘을 코딩하는 유전자]-[BMP-2을 코딩하는 유전자]의 순서대로 연결된 발현벡터를 제조하는 단계;
(b) 상기 발현벡터를 숙주세포에 도입하여 형질전환체를 제조하는 단계;
(c) 상기 형질전환체를 배양하여 재조합 융합 단백질의 발현을 유도하고 이를 수득하는 단계; 및
(d) 상기 재조합 융합 단백질에 단백질 절단효소를 처리하여 재조합 융합 단백질로부터 BMP-2 단백질을 분리하는 단계를 포함하는 외래 단백질의 제조방법.
(a) [gene coding for a water-soluble expression-promoting protein] - [nucleotide coding for a protein-cleaving enzyme recognition site] - [gene coding for 1 to 6 histines] - [gene encoding BMP-2] To produce an expression vector linked as described above;
(b) introducing the expression vector into a host cell to produce a transformant;
(c) culturing the transformant to induce expression of the recombinant fusion protein and obtaining the same; And
(d) separating the BMP-2 protein from the recombinant fusion protein by treating the recombinant fusion protein with a protein-cleaving enzyme.
[수용성 발현 촉진 단백질을 코딩하는 유전자]-[단백질 절단효소 인식 부위를 코딩하는 뉴클레오티드]-[1개 내지 6개의 히스티딘을 코딩하는 유전자]-[BMP-2을 코딩하는 유전자]의 순서대로 유전자를 포함하는 재조합 융합 단백질 생산용 발현벡터.
[Gene coding for a water-soluble expression-promoting protein] - [nucleotide coding for a protein cleavage enzyme recognition site] - [gene coding for 1 to 6 histines] - [gene coding for BMP-2] An expression vector for producing a recombinant fusion protein.
제 8항의 발현벡터로 형질전환된 미생물.





9. A microorganism transformed with the expression vector of claim 8.





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