KR20010083086A - Expression of Functional Eukaryotic Proteins - Google Patents

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KR20010083086A
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추후제출
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Abstract

본 발명은 통상적 또는 용이한(facile) 발현시스템에서 진핵세포 효소, 특히 퍼록시다아제(peroxidase) 효소를 암호화하는 개량된(evolved) 폴리뉴클레오티드 및 폴리펩티드 서열의 개선된 발현에 관계된 것이다. 폴리뉴클레오티드 서열의 의도적 개량(directed evolution)을 위한 다양한 방법이 개선된 서열을 획득하기 위해 사용될 수 있다. 이 방법으로 발생한 폴리펩티드 또는 단백질의 개선된 특징은 봉입체(inclusion body) 형성없이 개선된 접힘(folding), 기능적 활성의 유지를 포함한다. 특별한 실시태양에서, 본 발명은 서양고추냉이 퍼록시다아제 (horseradish peroxidase) 유전자 및 서양고추냉이 퍼록시다아제 효소의 개선된 발현에 관계된다.The present invention relates to improved expression of evolved polynucleotide and polypeptide sequences encoding eukaryotic enzymes, in particular peroxidase enzymes, in conventional or facile expression systems. Various methods for directed evolution of polynucleotide sequences can be used to obtain improved sequences. Improved characteristics of polypeptides or proteins generated in this way include improved folding, maintenance of functional activity without inclusion body formation. In a particular embodiment, the present invention relates to improved expression of horseradish peroxidase gene and horseradish peroxidase enzyme.

Description

기능적 진핵세포 단백질의 발현{Expression of Functional Eukaryotic Proteins}Expression of Functional Eukaryotic Proteins

여기서 언급되고 부록 문헌목록에 기재된 간행물 및 참고 자료들은 온전한 상태로서 참고 문헌목록에 각각 포함되어 있다. 본문 및 하기 문헌목록에 숫자로서 언급되어 있다.The publications and references mentioned herein and listed in the Annex Bibliography are intact and included in the Bibliography, respectively. References are made to numbers in the text and in the following bibliography.

관심 대상의 많은 단백질들이 "진핵(eukaryotic)"세포를 갖는 개체에 의해 생성된다. 이것은 막으로 둘러싸인 핵을 갖고, 염색체라 불리우는 구조안에 DNA를 포함하는 세포이다. 인간, 동물과 같은 모든 다세포 개체와 많은 단세포 동물이 진핵세포를 가지고 있다. 세균과 같은 단세포개체는 "원핵(prokaryotic)"세포이다. 이 세포는 경계가 정해진 구조 안에 DNA를 가진 원시적 핵을 가지고 있으나, 크로모좀 및 진핵세포의 특징인 핵막이 없다. 원핵세포 개체는 일반적으로 성장시키고, 유지하고, 조작하는데 있어서 진핵세포보다 훨씬 쉽고 비용이 적게 든다.Many proteins of interest are produced by individuals with "eukaryotic" cells. It is a cell with a nucleus surrounded by a membrane and containing DNA in a structure called a chromosome. All multicellular individuals, such as humans and animals, and many unicellular animals have eukaryotic cells. Single cell entities, such as bacteria, are "prokaryotic" cells. The cell has a primitive nucleus with DNA in a bounded structure, but lacks a nuclear membrane that is characteristic of chromosomes and eukaryotic cells. Prokaryotic individuals are generally much easier and less expensive than eukaryotic cells to grow, maintain, and manipulate.

유전공학 및 재조합 DNA, RNA 기술에 의해, "팩토리(factory)" 또는 숙주세포 발현시스템으로서 다른 개체의 세포를 사용하여, 어느 한 개체에 고유한 단백질, 호르몬 및 효소를 생성하는 것이 가능해졌다. 특히, 원핵세포는 원하는 외부 단백질의 많은 양을 생성하도록 동일한 세포들을 매우 많은 양으로 키울 수 있기 때문에, 원핵 숙주세포에서 진핵세포 기원의 단백질을 발현하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 어떤 인간 단백질이 단백질결핍을 가진 환자에게 충분한 양으로 적용될 수 있다면 그것은 약으로서 유용할 수 있다. 그러한 단백질은 인간세포로부터의분리에 의해 쉽게 또는 윤리적으로 획득될 수 없고, 조직배양이나 직접적인 화학합성에 의해 쉽게 제조될 수 없다. 다른 단백질 및 효소들이 산업에서 유용하다. 예를 들어, 어떤 효소들은 음식 생산물을 분해할 수 있고 세탁합성세제로서 유용하다. 그러나, 상업적 응용은 많은 양의 단백질 및 고도의 통제를 필요로 한다.Genetic engineering and recombinant DNA and RNA techniques have made it possible to produce proteins, hormones and enzymes unique to any individual, using cells of another individual as a "factory" or host cell expression system. In particular, it is desirable to express proteins of eukaryotic origin in prokaryotic host cells because prokaryotic cells can grow the same cells in very large amounts to produce large amounts of the desired foreign protein. For example, if a human protein can be applied in a sufficient amount to a patient with protein deficiency it can be useful as a drug. Such proteins cannot be easily or ethically obtained by separation from human cells, and cannot be easily produced by tissue culture or direct chemical synthesis. Other proteins and enzymes are useful in the industry. For example, some enzymes can degrade food products and are useful as laundry detergents. However, commercial applications require large amounts of protein and a high degree of control.

이러한 문제를 해결하기 위해, 재조합 유전공학 기술이 인간 및 다른 단백질들을 생산하기 위한 세균이나 효모같은 세포의 유전적 기구를 사용하도록 개발되었다. 원하는 단백질을 암호화하는 폴리뉴클레오티드 등의 유전적 물질이 숙주세포내의 유전적물질과 재조합하여, 숙주세포가 도입된 외부 유전물질을 발현하고 원하는 폴리펩티드 및 단백질을 생산한다. 세균 및 효모는 다량으로 성장시키고 유지하는데 쉽고 경제적이기 때문에, 숙주세포로서 적당하며 외부 단백질을 신뢰도 있고 반복적으로 생산하는데 이용될 수 있다.To address this problem, recombinant genetic engineering techniques have been developed to use the genetic machinery of cells such as bacteria and yeast to produce human and other proteins. Genetic materials such as polynucleotides encoding a desired protein are recombined with the genetic material in the host cell to express the foreign genetic material into which the host cell is introduced, and to produce the desired polypeptide and protein. Because bacteria and yeast are easy and economical to grow and maintain in large quantities, they are suitable as host cells and can be used to reliably and repeatedly produce foreign proteins.

그러나, 많은 단백질이 세균이나 효모를 포함한 숙주세포에서 쉽게 발현될 수 없다. 그러한 발현저항성 폴리펩티드 또는 단백질은 전혀 발현되지 않거나, 매우 낮은 수율로서 비효율적으로 발현된다. 단백질이 발현되어도, 일부 또는 전체 기능을 손실할 수 있다. 어떤 경우에는 , 발현된 단백질이 그것의 활성적 입체구조의 일부 또는 전부를 손실하고, 심지어는 변성이 되어 완전하게 불활성화될 수 있다. 발현된 단백질은 또한 숙주세포내의 봉입체에 둘러싸일 수 있다. 이것은 세포의 나머지 부분과 분리된, 덩어리 또는 불활성형의 발현 단백질을 포함한 입자 또는 작은 구(globule)이다. 이것은 분리 및 정제 기술이 어렵고, 비효율적이며, 시간이 많이 소요되며, 값이 비싸기 때문에 숙주세포로부터의 생성단백질 회수를어렵게 한다. 발현저항성 단백질을 활성화형 및 기능적 형태로서 높은 수율로 생산하려는 노력이 지난 수년간 있어 왔으며 성공적이지 못하였다. 특히, 서양고추냉이 퍼록시다아제 등의 상업적으로 중요한 발현저항성 효소가 높은 수율로서 또는 숙주세포에서 간편하고, 경제적이며 용이하게 발현되지 않았다. 그대신, 이러한 효소들은 봉입체와 같은 비기능적이고 비활성적인 형태로 생산되며 상대적으로 빈약한 수율로서 활성화 효소를 얻기 위해 조작되고 다시 복원된다.However, many proteins cannot be easily expressed in host cells, including bacteria and yeast. Such expression resistant polypeptides or proteins are not expressed at all or are inefficiently expressed in very low yields. Even if the protein is expressed, some or all of its function may be lost. In some cases, the expressed protein may lose some or all of its active conformation and even become denatured and completely inactivated. The expressed protein may also be surrounded by inclusion bodies in the host cell. It is a particle or globule containing agglomerates or inactive expression proteins isolated from the rest of the cell. This makes recovery of production proteins from host cells difficult because separation and purification techniques are difficult, inefficient, time consuming and expensive. Efforts to produce high levels of expression resistant proteins as active and functional forms have been in the past few years and have not been successful. In particular, commercially important expression resistant enzymes, such as horseradish peroxidase, have not been expressed in high yield or simply, economically and easily in host cells. Instead, these enzymes are produced in nonfunctional and inactive forms such as inclusion bodies and are manipulated and restored to obtain activating enzymes in relatively poor yields.

세포에 의해 만들어지는 어떤 단백질은 세포밖으로 분비되거나 전달되는데, 이것은 곧이은 분리 및 정제 단계의 수율 및 효율을 개선시킨다. 그러나, 많은 단백질들이 본질적으로 분비되지 않으며, 세포막을 쉽게 가로지르는 화학기(chemical group)를 포함하지 않기 때문에 인공적으로 분비시키기도 어렵다. 특히, 봉입체를 형성하려는 경향을 가진 단백질을 분비시키는 숙주세포 및 그것과 양립할 수 있는 단백질을 설계하는 것은 어렵다. 그러므로, 외부단백질, 특히 진핵세포 기원의 단백질, 기능 또는 활성의 손실없이 높은 수율로 숙주세포에 의해 분비되는 재조합 단백질을 발현하는 보다 향상된 기술의 개발이 요구된다.Some proteins made by cells are secreted or delivered extracellularly, which improves the yield and efficiency of subsequent separation and purification steps. However, many proteins are not secreted intrinsically and are difficult to artificially secrete because they do not contain chemical groups that easily cross the cell membrane. In particular, it is difficult to design host cells that secrete proteins that tend to form inclusion bodies and proteins that are compatible with them. Therefore, there is a need for the development of more advanced techniques for expressing exogenous proteins, particularly proteins of eukaryotic origin, recombinant proteins secreted by host cells in high yield without loss of function or activity.

상기 토론과 같이, 숙주세포 발현시스템에서 외부 단백질을 생산할때의 특별한 도전점은,E.coli나 효모같은 일반적인 재조합용 숙주를 사용할 때, 많은 외부단백질이 기능적 단백질 구조로 올바르게 접힘(folding)되지 않는 능력에 있다(참조: 1-4). 그 결과, 재조합 숙주세포 시스템에서 생산된 폴리펩티드는 봉입체내에서 합성 또는 축적시 종종 분해된다. 이것은 이황화결합(disulfide bond)을 가지거나 또는 당쇄가 붙어 있는 진핵세포 단백질에 대해서 사실이다. 명확히 이해되지 않고 아마도 여러 가지 요인이 있을 것으로 여겨지는 밑바닥에 깔린 이유로는, 단백질이 축적되는 부자연스런 재조합 환경(참조: 35) 및E.coli숙주내의 분자 샤페론(molecular chaperone) 등의 올바른 단백질 접힘 조인자(cofactor)의 결핍 등이 있다(참조: 3). 부가적으로, 당쇄화(glycosylation)는 진핵세포에서 세균에는 존재하지 않는 단백질 접힘에 연루되어 있다(참조: 36).As discussed above, a particular challenge in producing foreign proteins in host cell expression systems is that when using conventional recombinant hosts such as E. coli or yeast, many foreign proteins do not fold correctly into functional protein structures. In ability (cf. 1-4). As a result, polypeptides produced in recombinant host cell systems are often degraded upon synthesis or accumulation in inclusion bodies. This is true for eukaryotic proteins with disulfide bonds or sugar chains. Underlying reasons, which are not clearly understood and possibly due to various factors, are the correct protein folding cofactors, such as the unnatural recombination environment in which proteins accumulate (35) and the molecular chaperone in the E. coli host. lack of cofactors (3). In addition, glycosylation has been implicated in protein folding that is absent in bacteria in eukaryotic cells (36).

접힘문제는 약학적 또는 산업적 응용을 위한 대량규모 단백질 생산에 장애가 될 수 있다. 고효율 발현시스템의 결핍은 또한 원하는 용도에 부합되는 단백질 및 반응조건의 최적화를 위한 의도적 개량기술(directed evolution technique)을 적용하는데 있어 병목현상이 되어왔다. 무작위 돌연변이 및 유전자 재조합, 그에 따르는 선택 및 스크리닝을 이용하여, 규제 개량기술이 산업적 응용에 필수적인 효소의 성질들(예를 들어 기질특이성, 유기용매에서의 활성 및 높은 온도에서의 안정성)을 개선하는데 성공적으로 적용되어 왔다(참조: 5). 진핵세포 효소는 수많은 응용에 사용될 수 있으나, 규제 개량기술에 의한 전기 단백질의 개선은 용이한 재조합 숙주에서 그것을 기능적으로 발현시키지 못하는 능력에 의해 제한된다.Folding problems can impede the production of large scale proteins for pharmaceutical or industrial applications. The lack of high efficiency expression systems has also been a bottleneck in applying directed evolution techniques to optimize proteins and reaction conditions for desired applications. Using random mutations and genetic recombination, followed by selection and screening, regulatory improvement techniques have been successful in improving the properties of enzymes necessary for industrial applications (eg substrate specificity, activity in organic solvents and stability at elevated temperatures). Has been applied (cf. 5). Eukaryotic enzymes can be used in numerous applications, but the improvement of electrical proteins by regulatory improvement techniques is limited by their ability to not functionally express it in easy recombinant hosts.

예를 들어, 용이한 발현숙주내 퍼록시다아제 효소 발현의 난관은 생촉매(biocatalyst)로서 퍼록시다아제의 잠재력을 현실화하는데 적어도 두 가지의 기술적 도전점을 제시하였다. 첫째, 산업적 응용을 위해 단백질공학에 의한 전기 효소의 변형 노력은 방해를 받았다. 예를 들어, 규제 개량기술은 매우 많은 돌연변이 및 변형체가 만들어질 수 있는E. coli, S. cerevisiae같은 숙주 내 발현을 개발했다. 둘째, 적당한 외래 숙주내에서의 효율적 발현 결핍때문에, 경제적으로이러한 단백질을 대량생산하는 것이 불가능하다.For example, the difficulties of expression of peroxidase enzymes in easy expression hosts have presented at least two technical challenges in realizing the potential of peroxidase as a biocatalyst. First, the modification of electroenzymes by protein engineering for industrial applications has been hindered. For example, regulatory improvements have developed expressions in hosts such as E. coli and S. cerevisiae , in which a large number of mutations and variants can be made. Second, due to the lack of efficient expression in a suitable foreign host, it is impossible to mass produce such proteins economically.

재조합 발현단백질의 활성형을 획득하는 한가지 방법은 봉입체로부터 실험실적 조건에서 재조합발현단백질을 재접힘(refolding)하는 것이나, 이러한 과정은 많은 노동력을 필요로 하며 비효율적이다(참조: 1-3). 더군더나, 이것은 수만개의 돌연변이체를 스크리닝하는 과정이 필요한 의도적 개량 기술(directed evolution technique)에 실행가능한 조건은 아니다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 보다 바람직한 방법은 숙주세포환경에서 접힘을 용이하게 하는 표적유전자 내의 돌연변이를 식별하는 것이다. 수많은 연구결과 아미노산 서열의 몇몇 잔기들이 단백질 접힘 그 자체에 심오한 영향을 미치는 것이 점차적으로 밝혀졌다. 따라서, 과학자들이 숙주세포환경에서 단백질 접힘을 용이하게 하는 표적유전자내의 돌연변이를 식별할 수 있다면 매우 유리할 것이다. 이것은 봉입체 장애물을 피할 수 있으나, 그러한 기술은 특별한 돌연변이의 발견, 식별, 사용을 필요로 한다.One way to obtain an active form of recombinant expression protein is to refold the recombinant expression protein from the inclusion body under laboratory conditions, but this process is labor intensive and inefficient (cf. 1-3). Furthermore, this is not a viable condition for directed evolution techniques that require the process of screening tens of thousands of mutants. A more preferred way to solve this problem is to identify mutations in the target gene that facilitate folding in the host cell environment. Numerous studies have gradually revealed that some residues in the amino acid sequence have profound effects on the protein folding itself. Thus, it would be advantageous if scientists could identify mutations in the target gene that facilitate protein folding in the host cell environment. This can avoid inclusion body obstructions, but such techniques require the discovery, identification and use of special mutations.

예를 들어, 킹(King) 및 공동연구자들의 일련의 연구에서, 몇 개의 아미노산 치환이 생체내 조건의 제한온도에서 파아지 p22 꼬리 단백질의 접힘을 방해하는 것이 밝혀졌고, 이차 부위 억압 돌연변이(second site suppresser mutation)가 접힘돌연변이의 결핍을 보충할 수 있는 것이 밝혀졌다(참조: 6). 또 다른 연구에서, 소 췌장 트립신 억제단백질(bovine pancreatic trypsin inhibitor) 내의 35번 티로신을 류신으로 대체한 결과, 실험실적 조건에서 접힘과정의 동역학적 함정(kinetic trap)을 제거함이 밝혀졌다(참조: 7). 더 나아가서, 몇 개의 선택적 아미노산 잔기의 카세트 돌연변이 발생(cassette mutagenesis)에 의한 인간 인터류킨 1 의 몇개의 돌연변이가E. coli에서 용해된 형태로서 발현이 되는 반면, 야생형은 대개 비용해성이며 봉입체를 형성하는 것이 보고되었다(참조: 8). 또 다른 연구에서, 한 군데의 부위 특이적 돌연변이(site-directed mutation)가 재조합 항체의 접힘수율을 향상시키는 것이 발견되었다(참조: 9).For example, in a series of studies by King and co-workers, several amino acid substitutions have been shown to interfere with the folding of the phage p22 tail protein at the limit of in vivo conditions, and a second site suppressor mutation It has been found that mutations can compensate for the lack of folding mutations (6). In another study, the replacement of tyrosine 35 with leucine in a bovine pancreatic trypsin inhibitor has been shown to remove kinetic traps in the folding process under laboratory conditions. ). Furthermore, while several mutations of human interleukin 1 due to cassette mutagenesis of several selective amino acid residues are expressed in lysed form in E. coli , the wild type is usually insoluble and forms inclusion bodies. Reported (8). In another study, one site-directed mutation was found to improve the folding yield of recombinant antibodies (9).

어떤 아미노산 잔기가 접힘은 말할 것도 없이, 단백질의 기능 또는 안정성에 필수적인지 예측하는 것은 어렵다. 따라서, 생물학적 활성의 손실없이, 단백질의 발현 및 접힘에 혜택을 주는 돌연변이를 체계적으로 찾아내는 방법이 있다면 바람직한 일일 것이다. 의도적 개량기술이 이 목표를 달성하는데 유용할 지도 모른다. 이 개량적 접근법은 야생형 단백질에 대하여 향상된 원하는 성질을 갖는 변형체를 만들어내기 위해 무작위 돌연변이와 재조합을 동시에 일으키는 DNA 무작위혼합(shuffling)을 사용한다. 핵산염기서열의 재조립과 연관된 Taq 중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR)의 본질적인 부정확성에 기인한 포인트 돌연변이(point mutation)가 발생한다. 한 예를 들어, 스테머(Stemmer)와 공동연구자들은 이 기술을 녹색형광단백질(green fluorescence protein, GFP)을 암호화하는 유전자에 적용하여E. coli에서 야생형보다 훨씬 더 잘 접힘되는 단백질을 만들어냈다(참조: 10).It is difficult to predict which amino acid residues are necessary for the function or stability of the protein, not to mention the folding. Thus, it would be desirable to have a way to systematically find mutations that benefit the expression and folding of proteins without loss of biological activity. Intentional improvement techniques may be useful to achieve this goal. This improved approach uses DNA shuffling to simultaneously generate random mutations and recombination to produce variants with improved desired properties for wild-type proteins. Point mutations occur due to the intrinsic inaccuracy of Taq polymerase chain reaction (PCR) associated with reassembly of nucleic acid sequences. For example, Stemmer and co-workers applied the technique to genes encoding green fluorescence protein (GFP) to produce proteins that fold much better than wild-type in E. coli . Reference: 10).

특별한 관심을 모으는 한가지 단백질 군은 헴(heme) 단백질, 즉, 헴 그룹을 포함한 철을 가지고 있는 단백질이다. 이 단백질은 많은 생물학 및 생화학적 용도를 가지고 있으며, 과산화수소가 반응물인 산화 또는 환원 반응을 원활하게 반응시키는 퍼록시다아제란 효소를 포함한다. 과산화물(peroxide)이란, 분자산소이외에,산소원자가 서로서로 연결된 화합물을 말한다. 예를 들어, 헴효소인 서양고추냉이 퍼록시다아제(horseradish peroxidase, HRP)는 진단검정법에 있어서 리포터(reporter)로 널리 사용된다. HRP는 초기반응물 또는 기질을 과산화수소(H2O2)같은 과산화물의 존재하에 화학적으로 결합시키고 물(H2O)을 부산물로 생성하는 반응을 촉진시킨다. 이 반응은 관심대상의 다른 반응이 일어났는지의 여부, 또는 HRP 초기반응물같은 어떤 물질이 혼합물 또는 시료에 존재하는지의 여부를 암시하는데 사용될 수 있다. 원핵세포 발현시스템같은 효율적이고 값이 적게드는 시스템을 사용하여 많은 양의 HRP 및 다른 헴 또는 퍼록시다아제 효소를 생산하는 방법을 제공하는 것은 모두에게 혜택이 되는 일일 것이다. 그러나, 자연산 HRP는 4개의 이황화결합(disulfide bond)을 포함하고 있고, 비록 당부분이 활성이나 안정성에 별다른 영향을 미치고 있지 않다 하더라도(참조: 11), 당쇄를 가지고 있다(~21%). 그 결과, 세균에서 HRP를 발현하려는 이전의 노력들은 아무런 기능적 발현이 없는 봉입체를 생성했다. 본 발명 이전에, 효모에서 성공적인 발현을 위한 노력도 달성되지 않았다(참조: 12-14).One group of proteins of particular interest is heme proteins, that is, proteins that contain iron, including heme groups. This protein has many biological and biochemical uses and includes an enzyme called peroxidase that facilitates the oxidation or reduction of hydrogen peroxide as a reactant. Peroxide refers to a compound in which oxygen atoms are connected to each other in addition to molecular oxygen. For example, horseradish peroxidase (HRP), a heme enzyme, is widely used as a reporter in diagnostic assays. HRP chemically binds the initial reactant or substrate in the presence of peroxides such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and catalyzes the reaction to produce water (H 2 O) as a byproduct. This reaction can be used to suggest whether other reactions of interest have occurred, or whether some substance such as the HRP initial reactant is present in the mixture or sample. It would be beneficial for everyone to provide a method for producing large amounts of HRP and other heme or peroxidase enzymes using efficient and inexpensive systems such as prokaryotic expression systems. However, native HRP contains four disulfide bonds and has sugar chains (~ 21%), although the sugar moiety does not significantly affect activity or stability (11). As a result, previous efforts to express HRP in bacteria have produced inclusion bodies with no functional expression. Prior to the present invention, no effort for successful expression in yeast was achieved (cf. 12-14).

따라서, 실험실적 조건에서 노력만 많이 드는 재접힘 방법에 대한 요구를 제거하기 위하여, 보통조건에서 발현되기 어려운 단백질을 발현시키는 새롭고 개선된 방법의 개발이 절실히 요구된다. 특히, 의도적 개량기술과 관련된 용도에 아주 적합한 단백질 발현방법이 요구된다.Thus, in order to eliminate the need for laborious refolding methods in laboratory conditions, there is an urgent need for the development of new and improved methods for expressing proteins that are difficult to express under normal conditions. In particular, there is a need for protein expression methods that are well suited for use in connection with intentional improvement techniques.

특히, 본 발명은 세균(E. coli, B.subtilis) 및 효모(S. cerevisiae)에서의기능적 발현을 용이케하는 돌연변이를 식별하기 위하여 에러 프론 중합효소연쇄반응(error prone polymerase chain reaction, PCR) 및 DNA 무작위혼합(shuffling)에 의해 생성된 HRP 돌연변이들의 라이브러리(library)를 스크리닝하는 방법을 기술한다. 본 발명의 한 실시태양에서, 본 발명의 변형체는 약 110μg/L의 양으로 봉입체의 형성없이E.coli에서 발현되는 기능적이고 활성적인 HRP이다. 이것은 선행기술에서 봉입체로부터 HRP 효소를 회수하는데 사용되고, 훨씬 더 많은 가격, 시간 및 노력이 소비되는 실험실적 조건에서의 재접힘 기술로부터 얻어진 양에 필적한다.In particular, the present invention relates to error prone polymerase chain reaction (PCR) and to identify mutations that facilitate functional expression in bacteria ( E. coli, B. subtilis ) and yeast ( S. cerevisiae ) and A method of screening a library of HRP mutations generated by DNA shuffling is described. In one embodiment of the invention, the variant of the invention is a functional and active HRP expressed in E. coli without formation of inclusion bodies in an amount of about 110 μg / L. This is comparable to the amount obtained from refolding techniques in laboratory conditions, which are used in the prior art to recover HRP enzymes from inclusion bodies, and at a much higher cost, time and effort.

발명의 요약Summary of the Invention

자연산 단백질의 사용에 대한 지금까지 관찰된 제한점은 개량의 결과라고 여겨진다. 단백질은 실험실 또는 산업 조건이 아닌 생명조건에서 특정한 생물학적 기능을 수행하기 위해 살아 있는 개체의 환경 및 배경에서 개량하여 왔다. 어떤 경우에는, 개량은 최적화 효율의 효소보다 훨씬 선호되지 않거나 필요로 하지 않게 되었다. 알려진 발현 시스템의 산출(output), 효율, 작업조건, 안정성 및 다른 성질들은 변하지 않을 것이라 생각되지 않으며, 세포발현시스템의 본성에 고유한 것처럼 보이는 제한점도 없다. 이러한 시스템에서 사용된 단백질이 실험실적 조건에서 개량할 수 있는게 가능하며, 다르게는 단백질의 성질을 변경하거나 개선하기 위하여, 예를 들어 단백질 활성은 유지하면서 보다 효율적인 발현, 접힘, 분비를 획득하기 위한 비슷한 단백질이 개발되는 것이 가능하다. 개선된 단백질은 자연산 개체 또는 발현된 유전자 라이브러리의 배양액을 스크리닝함으로써 획득될 수도 있다(참조: 3).The limitations observed so far for the use of native proteins are believed to be the result of improvements. Proteins have been modified in the environment and background of living individuals to perform specific biological functions in living conditions, not laboratory or industrial conditions. In some cases, improvements are not much preferred or needed over enzymes of optimized efficiency. The output, efficiency, working conditions, stability, and other properties of known expression systems are not expected to change, and there are no limitations that appear to be inherent in the nature of cell expression systems. It is possible that the proteins used in these systems can be improved under laboratory conditions, alternatively to alter or improve the properties of the protein, for example, to obtain more efficient expression, folding and secretion while maintaining protein activity. It is possible for proteins to be developed. Improved proteins can also be obtained by screening cultures of native individuals or expressed gene libraries (3).

E.coli같은 용이한 발현시스템을 사용하여 발현하였을때, 많은 단백질이 봉입체를 형성하며, 올바르게 접힘되지 못함으로서 불활성이 된다. 본 발명은 불활성 또는 봉입체의 형성 없이 발현시스템에서 증가된 생산능을 가지는 기능적 돌연변이 단백질을 암호화하는 새로운 폴리뉴클레오티드를 창조해내는 의도적 개량기술을 이용한다. 바람직한 실시태양에서, 단백질은 세포밖으로 분비된다.When expressed using an easy expression system such as E. coli , many proteins form inclusion bodies and become inert by failing to fold correctly. The present invention utilizes intentional refinement techniques to create new polynucleotides encoding functional mutant proteins with increased production capacity in expression systems without inactivation or inclusion body formation. In a preferred embodiment, the protein is secreted extracellularly.

많은 경우에 있어서, 원하는 기질이 쉽게E.coli의 세포막을 통과하지 못하기 때문에, 세균으로부터 단백질을 배양액으로 분비시키는 것은 몇 개의 이점을 가지고 있다. 분비된 효소가 배양액상에서 반응을 촉진하게 함으로써, 세포안으로 들어갈 수 없는 기질이 사용될 수 있기 때문에, 효소분비는 의도적 개량연구에 있어 스크리닝을 쉽게 하여준다. 분비정도가 매우 충분하다면, 배양상등액은 대개 오염물질이 없기 때문에, 효소분비는 재조합단백질의 생산을 상당히 단순화시킨다. 그럼에도 불구하고, 세균으로부터 배양액으로의 단백질 분비는, 헴같은 커다란 보결족을 갖고 있는 효소에 대해서는 매우 어려운 문제로 남아 있다.In many cases, secreting proteins from the bacteria into the culture has several advantages because the desired substrate does not readily cross the cell membranes of E. coli . Enzyme secretion facilitates screening in intentional improvement studies because the secreted enzyme promotes the reaction in the culture medium, so that substrates that cannot enter the cell can be used. If the degree of secretion is very sufficient, enzyme secretion greatly simplifies the production of recombinant proteins, since the culture supernatant is usually free of contaminants. Nevertheless, protein secretion from bacteria to cultures remains a very difficult problem for enzymes with large subgroups such as heme.

HRP 또는 CCP같은 퍼록시다아제의 배양액으로의 분비를 효과적으로 조절하기 위하여, 어위니아 카로토보라(Erwinia carotovora)의 펙테이트 리아제 B(pectate lyase B, PelB)의 시그널 같은 적당한 시그널 펩티드를 사용함으로써 이 문제를 해결할 수 있다. 이 시그널 펩티드는 시토크롬 P450 퍼록시다아제 및 다른 퍼록시다아제같은 헴 보결족을 포함한 다른 단백질에도 일반적으로 적용된다.In order to effectively regulate secretion of peroxidases such as HRP or CCP into cultures, this can be achieved by using appropriate signal peptides such as signals of pectate lyase B (PelB) from Erwinia carotovora . You can solve the problem. This signal peptide generally applies to other proteins, including heme complements such as cytochrome P450 peroxidase and other peroxidases.

본 발명의 한 실시태양에 의하면,E. coli같은 원핵세포발현시스템 및 효모에서 발현후 쉽게 접힘되는, 그리고 그러한 발현시스템에 의해 생산되는 단백질의 기대량만큼 숙주세포밖으로 쉽게 분비되는 단백질을 실험실적 조건에서 생산하는데 의도적 개량 또는 무작위 돌연변이법이 사용이 된다. 더 나아가서, 이러한 단백질의 활성은 적당한 선택후의 돌연변이화 단계에 의해 달성되지 않는다.According to one embodiment of the present invention, a probiotic cell expression system such as E. coli and proteins that are easily folded after expression in yeast and that are readily secreted out of the host cell by the expected amount of protein produced by such expression system are in a laboratory condition. Intentional refinement or random mutagenesis is used for production in Furthermore, the activity of these proteins is not achieved by the mutagenesis step after proper selection.

따라서, 본 발명은 의도적 개량기술을 사용함으로써 퍼록시다아제 효소를 암호화한 폴리뉴클레오티드 및 통상적인 발현시스템에서 개선된 발현을 나타내는 서양고추냉이 퍼록시다아제 변형체를 암호화한 폴리뉴클레오티드의 발현을 개선시키는 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention improves the expression of polynucleotides encoding peroxidase enzymes and polynucleotides encoding horseradish peroxidase variants that exhibit improved expression in conventional expression systems by using intentional refinement techniques. Provide a method.

본 발명의 상기 측면과 많은 부수적인 이점들이 하기 자세한 기술을 해당 도면과 연결하여 참조함으로써 보다 더 이해될 수가 있다.These and many additional advantages of the present invention can be further understood by reference to the following detailed description in conjunction with the accompanying drawings.

정부는 본 발명에 대하여 미합중국 해군에 의해 수여된 지원번호 N0014-96-1-0340 및 N00014-98-1-0657에 따르는 권리를 갖는다.The Government has the rights under the support numbers N0014-96-1-0340 and N00014-98-1-0657 awarded by the United States Navy to the present invention.

본 출원은 1998년 11월 3일자 출원된 미합중국 특허출원 제 60/106,840호 및 1998년 7월 28일자 출원된 미합중국 특허출원 제 60/094,403호에 의거하여 우선권을 주장한다.This application claims priority under United States Patent Application No. 60 / 106,840, filed November 3, 1998 and United States Patent Application No. 60 / 094,403, filed July 28, 1998.

본 발명은 특별히 용이(facile)한 숙주세포 발현시스템에서 기능적 폴리펩티드 또는 단백질, 특히 진핵세포 단백질을 암호화하는 폴리뉴클레오티드의 선택 및 제조에 관한 것이다. 용이한 발현시스템은 강한 원핵세포(예를 들어, 세균) 및 진핵세포(예를 들어, 효모)를 포함한다. 특히, 본 발명은 활성감소, 변성, 봉입체(inclusion body) 또는 다른 구조나 기능의 손실 없이 높은 수율로 숙주세포에 의한 발현저항성 기능적 진핵세포 단백질의 재조합생산에 관계된다. 바람직한 실시태양에서, 발현된 단백질은 숙주세포에 의해 분비된다. 본 발명의 바람직한 단백질의 예로는 서양고추냉이 퍼록시다아제(horseradish peroxidase), 시토크롬 c 퍼록시다아제(cytochrome c peroxidase, CCP)와 같은 퍼록시다아제 및 헴(heme)을 갖고 있는 단백질들을 포함한다. 재조합 숙주세포 발현시스템에서 전기 단백질을암호화하고 발현하는 폴리뉴클레오티드가 또한 본 발명에 포함된다.The present invention relates to the selection and preparation of functional polypeptides or proteins, in particular polynucleotides encoding eukaryotic proteins, in particularly facile host cell expression systems. Easy expression systems include strong prokaryotic cells (eg, bacteria) and eukaryotic cells (eg, yeast). In particular, the present invention relates to the recombinant production of expression resistant functional eukaryotic proteins by host cells in high yields without reduced activity, denaturation, inclusion bodies or other structures or functions. In a preferred embodiment, the expressed protein is secreted by the host cell. Examples of preferred proteins of the present invention include proteins having horseradish peroxidase, peroxidase such as cytochrome c peroxidase (CCP) and heme do. Polynucleotides that encode and express electric proteins in recombinant host cell expression systems are also included in the present invention.

도 1A는E.coliHRP 발현벡터 pETHRP인 플라스미드 pETpelBHRP를 나타낸 모식도이다. HRP 유전자(N-말단에 추가적인 메티오닌 잔기를 가지고 있는)가 어위니아 카로토보라(Erwinia carotovora)의 펙테이트 리아제 B(pectate lyase B, PelB)의 시그널 서열 바로 아래에 있도록 pET-22b(+)에 삽입되었다. 발현은 T7 프로모터의 지배하에 있다.Figure 1A is a schematic diagram showing the plasmid pETpelBHRP, which is an E. coli HRP expression vector pETHRP. The HRP gene (with an additional methionine residue at the N-terminus) is placed on pET-22b (+) so that it is directly below the signal sequence of pectate lyase B (PelB) of Erwinia carotovora . Inserted. Expression is under the control of the T7 promoter.

도 1B는 피키아. 파스토리스(P. pastoris) 발현벡터 pPICZαB-HRP를 나타낸 모식도이다. HRP 유전자가 플라스미드의 α-인자 시그널 바로 아래에 있도록 삽입되었다. 발현은 메탄올에 의해 유도되는 Paox1프로모터의 지배하에 있다.1B is Pichia. It is a schematic diagram showing P. pastoris expression vector pPICZαB-HRP. The HRP gene was inserted so that it was directly below the α-factor signal of the plasmid. Expression is under the control of the P aox1 promoter induced by methanol.

도 2는 pelB 시그널 펩티드의 핵산 및 아미노산 서열을 나타낸 도이다(서열번호 1 및 서열번호 2).Figure 2 shows the nucleic acid and amino acid sequence of the pelB signal peptide (SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2).

도 3은 HRP1A6라고 명명된 HRP 효소 변형체를 암호화하는 핵산 및 아미노산 서열을 나타낸 도이다(서열번호 3 및 서열번호 4).Figure 3 is a diagram showing the nucleic acid and amino acid sequence encoding the HRP enzyme variant named HRP1A6 (SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4).

도 4는 발현벡터 pETpelBHRP1A6의 지도이다.4 is a map of the expression vector pETpelBHRP1A6.

도 5A는 야생형 및E.coli에서 개량된 HRP 돌연변이(1A6)의 상대적 활성을 나타낸 그래프이다.5A is a graph showing the relative activity of improved HRP mutations (1A6) in wild type and E. coli .

도 5B는 활성감소순으로 분류된 1세대 HRP 돌연변이의 전망을 나타낸 그래프이다. 활성은 야생형에 대하여 표준화되었다.5B is a graph showing the prospects of first generation HRP mutations sorted by decreasing activity. Activity was normalized to wild type.

도 6은 다양한 IPTG 농도에서 돌연변이 HRP1A6의 활성수준을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing the activity level of mutant HRP1A6 at various IPTG concentrations.

도 7은 HRP1A6 돌연변이의 표면 루프(loop)에 있는 Asn255의 Asp로의 치환위치를 보여주는 HRP의 구조도이다. 이 구조도는 인사이트 II(Insight II, Molecular Biosystems) 프로그램을 사용하여 출판된 HRP 동등체(참조: 34)로부터 발생되었다.7 is a structural diagram of HRP showing the substitution position of Asn255 with Asp in the surface loop of the HRP1A6 mutant. This schematic was generated from an HRP equivalent (34) published using Insight II (Molecular Biosystems) program.

도 8은 분비 플라스미드 pYEX-S1으로 클론된 HRP의 암호화서열을 포함하는 pYEXS1-HRP 발현벡터의 지도이다.8 is a map of the pYEXS1-HRP expression vector containing the coding sequence of HRP cloned into the secretion plasmid pYEX-S1.

도 9는 의도적 개량에 의해S. cerevisiae에서 획득된 HRP1A6 및 다른 3개의 돌연변이(HRP1-77E2, HRP1-117G4, HRP2-28D6)의 활성수준을 나타내는 그래프이다. 이 그래프에서 HRP1A6는 HRP1-77E2 및 HRP1-117G4의 모체인 반면 HRP1-117G4는 HRP2-28D6의 모체이다.9 is a graph showing the activity levels of HRP1A6 and three other mutations (HRP1-77E2, HRP1-117G4, HRP2-28D6) obtained in S. cerevisiae by intentional improvement. In this graph, HRP1A6 is the parent of HRP1-77E2 and HRP1-117G4, while HRP1-117G4 is the parent of HRP2-28D6.

도 10은 돌연변이의 상대적 열안정성을 나타내는 열불활성 곡선에서 온도의 함수로서 몇개의 HRP 돌연변이의 잔여활성을 나타낸 그래프이다.10 is a graph showing the residual activity of several HRP mutations as a function of temperature in a thermal inactivation curve showing the relative thermal stability of the mutations.

도 11은 돌연변이의 과산화수소의 존재하 상대적 분해 저항성을 나타내는 적정곡선에서, 과산화수소 농도의 함수로서 몇개의 HRP 돌연변이의 잔여활성을 나타낸 그래프이다.FIG. 11 is a graph showing the residual activity of several HRP mutations as a function of hydrogen peroxide concentration in a titration curve showing relative degradation resistance in the presence of hydrogen peroxide of the mutation.

도 12는 HRP1-77E2라고 명명된 HRP 효소변형체의 뉴클레오티드 및 아미노산 서열을 나타낸 도이다(서열번호 5 및 서열번호 6).Figure 12 shows the nucleotide and amino acid sequences of the HRP enzyme variant named HRP1-77E2 (SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6).

도 13은 HRP1-4B6라고 명명된 HRP 효소변형체의 뉴클레오티드 및 아미노산 서열을 나타낸 도이다(서열번호 7 및 서열번호 8).Figure 13 is a diagram showing the nucleotide and amino acid sequence of the HRP enzyme variant named HRP1-4B6 (SEQ ID NO: 7 and SEQ ID NO: 8).

도 14는 HRP1-28B11라고 명명된 HRP 효소변형체의 뉴클레오티드 및 아미노산 서열을 나타낸 도이다(서열번호 9 및 서열번호 10).Figure 14 shows the nucleotide and amino acid sequence of the HRP enzyme variant named HRP1-28B11 (SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: 10).

도 15는 HRP1-24D11라고 명명된 HRP 효소변형체의 뉴클레오티드 및 아미노산 서열을 나타낸 도이다(서열번호 11 및 서열번호 12).Figure 15 shows the nucleotide and amino acid sequence of the HRP enzyme variant named HRP1-24D11 (SEQ ID NO: 11 and SEQ ID NO: 12).

도 16은 HRP1-117G4라고 명명된 HRP 효소변형체의 뉴클레오티드 및 아미노산 서열을 나타낸 도이다(서열번호 12 및 서열번호 13).Figure 16 shows the nucleotide and amino acid sequence of the HRP enzyme variant named HRP1-117G4 (SEQ ID NO: 12 and SEQ ID NO: 13).

도 17은 HRP1-80C12라고 명명된 HRP 효소변형체의 뉴클레오티드 및 아미노산 서열을 나타낸 도이다(서열번호 17 및 서열번호 18).Figure 17 shows the nucleotide and amino acid sequence of the HRP enzyme variant named HRP1-80C12 (SEQ ID NO: 17 and SEQ ID NO: 18).

도 18은 HRP2-28D6라고 명명된 HRP 효소변형체의 뉴클레오티드 및 아미노산 서열을 나타낸 도이다(서열번호 19 및 서열번호 20).Figure 18 shows the nucleotide and amino acid sequences of the HRP enzyme variant named HRP2-28D6 (SEQ ID NO: 19 and SEQ ID NO: 20).

도 19는 HRP2-13A10라고 명명된 HRP 효소변형체의 뉴클레오티드 및 아미노산 서열을 나타낸 도이다(서열번호 21 및 서열번호 22).Figure 19 shows the nucleotide and amino acid sequence of the HRP enzyme variant named HRP2-13A10 (SEQ ID NO: 21 and SEQ ID NO: 22).

도 20은 HRP3-17E12라고 명명된 HRP 효소변형체의 뉴클레오티드 및 아미노산 서열을 나타낸 도이다(서열번호 23 및 서열번호 24).20 is a diagram showing the nucleotide and amino acid sequence of the HRP enzyme variant named HRP3-17E12 (SEQ ID NO: 23 and SEQ ID NO: 24).

도 21은 야생형, 모체(HRP1A6) 및S. cerevisiae균주 BJ5465에서 개량된 HRP 돌연변이의 활성을 나타낸 그래프이다. 측정값은 ABTS 검정법에 의해 측정되었다. 세포는 30oC에서 64시간동안 셰이킹 플라스크(shaking flask)에서 성장시켰다.21 is a graph showing the activity of improved HRP mutations in wild type, parent (HRP1A6) and S. cerevisiae strain BJ5465. The measured value was measured by ABTS assay. Cells were grown in shaking flasks at 30 ° C. for 64 hours.

도 22는 HRP 돌연변이의 반응성 및 안정성(Aresid/Ai) 사이의 상관관계를 나타낸 그래프이다.22 is a graph showing the correlation between reactivity and stability (A resid / A i ) of HRP mutations.

도 23은 유기용매/물 시스템에서 HRP 돌연변이의 반응성을 나타낸 그래프이다.FIG. 23 is a graph showing the reactivity of HRP mutations in an organic solvent / water system.

도 24는 돌연변이의 혈통을 나타낸 가계도이다. 뉴클레오티드 치환이 동등한 아미노산 치환 바로 다음 괄호안에 나타나 있다. 각 세대에 있어서, 새로운 돌연변이는 "*"으로 표시되어 있다.24 is a family tree showing the lineage of the mutations. Nucleotide substitutions are shown in parentheses immediately following equivalent amino acid substitutions. For each generation, new mutations are marked with "*".

도 25는 피키아(Pichia)로부터의 변형체 HRP3-17E2에 대한 분비된 HRP 활성축적을 나타낸 그래프이다.25 is a graph showing secreted HRP activity accumulation for variant HRP3-17E2 from Pichia .

도 26은 효모 시토크롬 c 퍼록시다아제 발현벡터 pETCCP의 모식도이다.Fig. 26 is a schematic diagram of the yeast cytochrome c peroxidase expression vector pETCCP.

본 발명은 통상적인 발현시스템을 사용하여, 봉입체를 형성하거나 발현시스템 환경에서 올바르게 접힘되지 못하여 합성되자마자 분해되는 단백질 발현을 개선시키는 방법에 관계된다.The present invention relates to methods of improving protein expression that degrade as soon as they are synthesized, using conventional expression systems, to form inclusion bodies or fail to fold correctly in the expression system environment.

정의Justice

여기에 사용된 대로, "약(about)" 또는 "근사적으로(approximately)"라는 용어는 주어진 값 또는 범위의 20% 이내, 바람직하게는 10%이내, 보다 바람직하게는 5% 이내를 의미한다.As used herein, the term "about" or "approximately" means within 20%, preferably within 10%, more preferably within 5% of a given value or range. .

"기질(substrate)"이라는 용어는 효소촉매에 의하여 다른 화합물로 바뀌거나 바뀌어지는 것으로 해석되는 어떠한 물질 또는 화합물을 의미한다. 이 용어는 지방족 및 방향족 화합물을 포함하며, 한개의 화합물만이 아니라, 적어도 한개의 기질을 포함하는 용액, 혼합물 및 그 밖의 다른 물질같은 화합물의 조합을 포함한다.The term "substrate" means any substance or compound that is interpreted as being converted or changed into another compound by an enzyme catalyst. The term includes aliphatic and aromatic compounds and includes combinations of compounds, such as solutions, mixtures and other materials containing not only one compound but at least one substrate.

여기에 사용된대로, "산화반응(oxidation reaction)" 또는 "산소공급반응(oxygenation reaction)"이라는 용어는 산소를 첨가시키거나 혹은 산화된 기질 또는 생성물을 형성하도록 기질에 산소를 공급하는 것을 포함한 화학적 또는 생화학적 반응이다. 산화반응은 전형적으로 환원반응과 같이 일어난다(그러므로, 산화 및 환원 모두를 위한 "redox"라는 용어). 화합물은 산소를 얻거나 전자를 잃을때 "산화되었다(oxidized)"고 한다. 화합물이 산소를 잃거나 전자를 얻을때 "환원되었다(reduced)"라고 한다.As used herein, the term "oxidation reaction" or "oxygenation reaction" refers to chemicals that involve adding oxygen or supplying oxygen to a substrate to form an oxidized substrate or product. Or a biochemical reaction. Oxidation reactions typically occur like reduction reactions (hence the term "redox" for both oxidation and reduction). Compounds are said to be "oxidized" when they gain oxygen or lose electrons. When a compound loses oxygen or gains electrons it is said to be "reduced".

"효소(enzyme)"라는 용어는 다소 특이적으로 하나 또는 그 이상의 화학적 또는 생화학적 반응을 촉진시키는 단백질 또는 폴리펩티드로 전부 또는 거의 대부분 구성되는 물질을 의미한다.The term “enzyme” refers to a substance that is more or less entirely composed of proteins or polypeptides that more or less specifically promote one or more chemical or biochemical reactions.

"폴리펩티드(polypeptide)"라는 용어는 펩티드 결합이라 불리는 화학결합에 의해 함께 연결된, 아미노산이라 불리는 화학구조단위(chemical building block)의 사슬이다. 효소를 포함한 단백질 또는 폴리펩티드는 "자연적(native)" 또는 "야생형(wild-type)"일 수 있는데, 이것은 단백질 또는 폴리펩티드의 자연계에 존재하는 형태를 의미한다; 혹은 단백질 또는 폴리펩티드는 "돌연변이(mutant)", "변형체(variant)" 또는 "변형된(modified)"일 수 있는데, 이것은 자연적 단백질또는 다른 돌연변이 단백질로부터 만들어지거나, 변형되거나, 유도되거나 약간 다르거나 변화된 것을 의미한다. "모체(parent)" 폴리펩티드 또는 효소는 어떠한 방법, 도구 또는 기술을 사용하여 그것으로부터 다른 폴리펩티드 또는 효소가 유도되거나 만들어지는 임의의 폴리펩티드 또는 효소이며 모체 자체가 자연적 또는 돌연변이 폴리펩티드 또는 효소일 수 있다. 모체 폴리뉴클레오티드는 모체 폴리펩티드를 암호화하는 것이다. "시험효소(test enzyme)"란 그것이 효소의 성질을 가지고 있는지 여부를 시험하는 단백질을 포함하는 물질이다. "효소(enzyme)"라는 용어는 또한 촉매 폴리뉴클레오티드(DNA 또는 RNA)를 언급할 수 있다.The term "polypeptide" is a chain of chemical building blocks called amino acids linked together by chemical bonds called peptide bonds. Proteins or polypeptides, including enzymes, may be "native" or "wild-type", meaning the forms present in nature of the protein or polypeptide; Or the protein or polypeptide may be “mutant”, “variant” or “modified”, which may be made, modified, derived, slightly different or changed from a natural protein or other mutant protein. Means that. A “parent” polypeptide or enzyme is any polypeptide or enzyme from which other polypeptides or enzymes are derived or made from any method, tool or technique and the parent itself may be a natural or mutant polypeptide or enzyme. A parent polynucleotide is one that encodes a parent polypeptide. A "test enzyme" is a substance that contains a protein that tests whether it has the properties of an enzyme. The term "enzyme" may also refer to catalytic polynucleotides (DNA or RNA).

효소의 "활성(activity)"이란 반응을 촉매하는 능력의 측정이며, 반응 생성물이 생성되는 속도로서 표현될 수 있다. 예를 들어, 효소활성은 시간단위, 효소단위(농도 및 중량) 마다 생성된 생성물의 양으로서 나타낼 수 있다. 효소의 "안정성(stability)"은 특별한 환경 및 조건 하에서 시간경과에 따른 작용할수 있는 능력을 의미한다. 안정성을 평가하는 한가지 방법은 주어진 환경에서 시간경과에 따른 활성손실에 대한 저항성을 측정하는 것이다. 효소안정성은 또한 다른 방법으로 평가될 수 있는데, 예를 들어 효소가 접힘된 상태 또는 비접힘된 상태에서 상대적 활성도를 결정하는 것이다. 따라서, 한 효소가 다른 효소보다 같은 조건에서 활성손실이 훨씬 적거나, 변성에 대한 저항을 갖거나 다른 적합한 방법에 의해 보다 내구성이 있을때, 이 효소는 다른 효소보다 보다 안정적이거나 향상된 안정성을 가지고 있다. 예를 들어, 보다 "열안정적(thermostable)"인 효소는 열이나 온도상승에 노출되었을때 구조의 손실(unfolding) 또는 기능의 손실(enzyme activity)에대하여 보다 큰 저항성을 갖는 것이다. 이것을 평가하는 한가지 방법은 단백질의 "녹는 온도(melting temperature)" 또는 Tm을 결정하는 것이다. 중간점(midpoint)이라 불리는 녹는 온도는 단백질의 절반이 완전히 접힘된 상태에서 변성된 상태로 되는 온도이다. 중간점은 전형적으로 온도의 함수로서의 단백질 변성 적정곡선의 중간점을 계산함으로써 결정할 수 있다. 따라서, 보다 높은 Tm을 가지는 단백질은 변성을 일으키는데 보다 많은 열을 필요로 하며 보다 더 열안정적이다. 다른 방법으로 언급하면, 보다 높은 Tm을 가지는 단백질은 보다 낮은 Tm을 가지는 단백질에 비해 같은 온도에서 변성되는 단백질 분자의 수가 훨씬 적으며, 변성에 대한 저항성을 가지는 단백질이 보다 더 안정적인 것을 의미한다(같은 온도에서 변성이 훨씬 적게 일어난다.). 안정성의 또다른 측정법은 T1/2인데, 이것은 온도의 함수로서의 단백질 불활성화 곡선의 중간전이점이다. T1/2은 단백질이 절반의 활성을 손실하는 온도이다. 따라서, 보다 높은 T1/2을 가지는 단백질은 그것을 불활성화시키는데 보다 많은 열을 필요로 하며, 보다 더 열안정적이다. 다른 방법으로 언급하면, 보다 높은 T1/2을 가지는 단백질은 보다 낮은 T1/2을 가지는 단백질에 비해 같은 온도에서 불활성화되는 단백질 분자의 수가 훨씬 적으며, 불활성화에 대한 저항성을 가지는 단백질이 보다 더 안정적인 것을 의미한다(같은 온도에서 보다 많은 활성을 나타낸다.). 이러한 검정법은 "열이동(thermal shift)" 검정법이라 불리는데, 그 이유는 온도에 대해 그려진 불활성화 또는 변성 곡선이 안정성이 증가 또는 감소했을때,보다 높은 또는 보다 낮은 온도로 "이동(shift)"하기 때문이다. 열안정성은 또한 다른 방법으로 측정될 수 있다. 예를 들어, 높은 온도에서 효소활성에 대한 보다 긴 반감기(t1/2)는 열안정성의 지표이다.An “activity” of an enzyme is a measure of the ability to catalyze a reaction and can be expressed as the rate at which the reaction product is produced. For example, enzymatic activity can be expressed as the amount of product produced per time unit, enzyme unit (concentration and weight). "Stability" of an enzyme refers to its ability to act over time under particular circumstances and conditions. One way to assess stability is to measure the resistance to activity loss over time in a given environment. Enzyme stability can also be assessed by other methods, such as determining relative activity in the folded or unfolded state of the enzyme. Thus, when one enzyme has much less activity loss under the same conditions than another enzyme, has resistance to denaturation or is more durable by other suitable methods, the enzyme is more stable or has improved stability than other enzymes. For example, more "thermostable" enzymes have greater resistance to unfolding or loss of function when exposed to heat or temperature rise. One way to evaluate this is to determine the "melting temperature" or T m of the protein. The melting temperature, called the midpoint, is the temperature at which half of the protein is fully folded and denatured. The midpoint can typically be determined by calculating the midpoint of the protein denaturation titration curve as a function of temperature. Thus, proteins with higher T m require more heat and are more thermostable to cause denaturation. Stated another way, a protein with a higher T m has a much smaller number of protein molecules denatured at the same temperature than a protein with a lower T m , meaning that a protein with resistance to denaturation is more stable. (Much less denaturation occurs at the same temperature). Another measure of stability is T 1/2, which is the middle transition point of the protein inactivation curve as a function of temperature. T 1/2 is the temperature at which a protein loses half its activity. Thus, a protein with a higher T 1/2 requires more heat and is more thermostable to inactivate it. Stated another way, a protein with a higher T 1/2 has a much smaller number of protein molecules that are inactivated at the same temperature than a protein with a lower T 1/2 and a protein that is resistant to inactivation. More stable (more active at the same temperature). Such assays are called "thermal shift" assays because the inactivation or denaturation curves plotted against temperature "shift" to higher or lower temperatures when stability increases or decreases. Because. Thermal stability can also be measured in other ways. For example, the longer half-life (t 1/2 ) for enzymatic activity at high temperatures is an indicator of thermal stability.

"산화효소(oxidation enzyme)"란 전형적으로 제공자(donor)로부터 기질로 산소를 첨가하거나 삽입하거나 출자하거나 옮김으로써 하나 또는 그 이상의 산화반응을 촉진하는 효소이다. 그러한 효소는 또한 옥시도리럭타아제(oxidoreductase) 또는 레독스(redox) 효소라고도 불리며, 옥시게나아제(oxygenase), 하이드로게나아제(hydrogenase) 또는 리덕타아제(reductase), 옥시다아제(oxidase) 및 퍼록시다아제(peroxidase)를 포함한다.An "oxidation enzyme" is an enzyme that typically promotes one or more oxidation reactions by adding, inserting, investing or transferring oxygen from a donor to a substrate. Such enzymes are also called oxidoreductase or redox enzymes, and are oxygenase, hydrogenase or reductase, oxidase and peroxidase. Peroxidase.

"산소제공자(oxygen donor)", "산화제(oxidizing agent, oxidant)"란 용어는 산화반응에 있어서 기질에 산소를 공급하는 물질, 분자 또는 화합물을 의미한다. 전형적으로, 산화제는 환원된다(전자를 받아들인다.). 산소제공자의 예로는 산소분자 또는 t-부틸 퍼록사이드(t-butyl peroxide)를 포함한 알킬 과산화물(alkyl peroxide) 및 가장 바람직하게는 과산화수소(H2O2)를 포함하나 여기에 한정된 것은 아니다. 과산화물이란 서로 연결된 두개의 산소분자를 가지는 화합물을 말한다.The terms "oxygen donor" and "oxidizing agent (oxidant)" refer to a substance, molecule or compound that supplies oxygen to a substrate in an oxidation reaction. Typically, the oxidant is reduced (accepts electrons). Examples of oxygen providers include, but are not limited to, oxygen molecules or alkyl peroxides including t-butyl peroxide and most preferably hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). Peroxide refers to a compound having two oxygen molecules connected to each other.

"발광(luminescent)" 물질이란 색깔 변화, 자외선 흡수, 형광(fluorescence) 및 인광(phosphorescence)을 포함하는 메카니즘에 의해 검출될 수 있는 전자기파(electromagnetic radiation), 또는 전자기파의 변화, 가장 현저하게 가시광선을 생산하는 물질을 의미한다. 바람직하게는, 본 발명에 의한 발광물질은 검출할 수 있는 색깔, 형광 및 자외선 흡수를 나타낸다.A "luminescent" material refers to electromagnetic radiation that can be detected by mechanisms including color changes, ultraviolet absorption, fluorescence and phosphorescence, or changes in electromagnetic waves, most notably visible light. Means the material produced. Preferably, the luminescent material according to the invention exhibits detectable color, fluorescence and ultraviolet absorption.

"화학발광제(chemiluminescent agent)" 란 신호의 강도나 존속기를 증가시킴으로써 발광신호(예를 들어 형광같은)의 검출능을 개선시키는 물질을 의미한다. 한가지 예 및 바람직한 화학발광제로는 5-아미노-2,3-디하이드로-1,4-프탈라진디온(5-amino-2,3-dihydro-1,4-phthalazinedione, luminol) 및 그들의 유사체가 있다. 다른 화학발광제는 테트라메틸-1,2-디옥세탄(tetramethyl-1,2-dioxetane, TMD), 1,2-디옥세타논(1,2-dioxetanones) 및 1,2-디옥세탄디온(1,2-dioxetanedione)같은 1,2-디옥세탄(1,2-dioxetane)을 포함한다.By "chemiluminescent agent" is meant a substance that improves the detectability of a luminescent signal (such as fluorescence) by increasing the intensity or duration of the signal. One example and preferred chemiluminescent agent is 5-amino-2,3-dihydro-1,4-phthalazinedione (5-amino-2,3-dihydro-1,4-phthalazinedione, luminol) and their analogs. have. Other chemiluminescent agents are tetramethyl-1,2-dioxetane (TMD), 1,2-dioxetanones and 1,2-dioxetanedione (1). 1,2-dioxetane, such as, 2-dioxetanedione).

"중합체(polymer)"라는 용어는 두 개 또는 그 이상의 구조 단위(building block, mers)가 서로 반복적으로 연결되어 있는 화합물을 의미한다. 예를 들어, "이량체(dimer)"란 두개의 구조 단위가 서로 연결된 화합물이다.The term "polymer" means a compound in which two or more building blocks (mers) are repeatedly connected to each other. For example, a "dimer" is a compound in which two structural units are linked to each other.

"보조인자(cofactor)"란 효소의 활성에 있어서 반드시 필수적인 비단백질 물질을 의미한다. "조효소(coenzyme)"란 효소와 직접 상호작용하거나 효소에 의해 매개되는 반응을 촉진시키는 보조인자를 의미한다. 많은 조효소들이 담체로서 그 역할을 수행한다. 예를 들어, NAD+및 NADP+는 한 효소에서 다른 것으로 수소원자를 운반한다. "보조단백질(ancillary protein)"은 효소의 활성에 필수적인 단백질을 의미한다."Cofactor" means a nonprotein material that is essential for the activity of an enzyme. "Coenzyme" refers to a cofactor that interacts directly with an enzyme or promotes an enzyme mediated reaction. Many coenzymes serve as carriers. For example, NAD + and NADP + carry hydrogen atoms from one enzyme to another. "Ancillary protein" means a protein essential for the activity of an enzyme.

"숙주세포(host cell)"란 용어는 세포에 의한 물질의 생산을 위해(예를 들어세포에 의한 유전자, DNA 또는 RNA 서열, 단백질 또는 효소의 발현) 어떠한 방법으로든 선택되고, 변형되고, 형질전환되고, 성장하고, 사용되고, 조작되는 개체의 세포를 의미한다.The term “host cell” is selected, modified and transformed in any way for the production of a substance by a cell (eg, the expression of a gene, DNA or RNA sequence, protein or enzyme by a cell). Cell of an individual being grown, grown, used and manipulated.

"DNA(deoxyribonucleic acid)"란 뉴클레오티드 염기라 불리는 화학적 구조단위인 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T)이 데옥시리보오스 당의 뼈대위에서 서로 연결된 서열 또는 사슬을 의미한다. DNA는 한가닥의 뉴클레오티드 염기를 가지거나 또는 이중나선구조를 이루는 두 개의 상보적 가닥을 가진다. "RNA(ribonucleic acid)"란 뉴클레오티드 염기라 불리는 화학적 구조단위인 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 우라실(U)이 리보오스 당의 뼈대위에서 서로 연결된 서열 또는 사슬을 의미한다. RNA는 전형적으로 한가닥의 뉴클레오티드 염기를 가진다."DNA (deoxyribonucleic acid)" refers to a sequence or chain in which chemical structural units, called nucleotide bases, adenine (A), guanine (G), cytosine (C) and thymine (T) are connected to each other at the backbone of the deoxyribose sugar. . DNA has one strand of nucleotide base or two complementary strands forming a double helix. "RNA (ribonucleic acid)" refers to a sequence or chain in which chemical structural units, called nucleotide bases, adenine (A), guanine (G), cytosine (C), and uracil (U) are connected to each other on the backbone of a ribose sugar. RNA typically has one nucleotide base.

"폴리뉴클레오티드(polynucleotide)" 또는 "뉴클레오티드 서열(nucleotide sequence)"란 DNA 및 RNA 상에서 일련의 연속적인 뉴클레오티드 염기(또는 "뉴클레오티드"라고도 불리우는)이며 두 개 또는 그 이상의 뉴클레오티드 사슬을 의미한다. 뉴클레오티드 서열은 전형적으로 세포기구에 의해 단백질 및 효소를 만드는데 사용되는 정보를 포함한 유전정보를 가지고 있다. 이 용어는 두 가닥 또는 한 가닥의 게놈 또는 cDNA, RNA, 유전학적으로 조작된 합성 뉴클레오티드, sense 및 anti-sense 폴리뉴클레오티드(비록 여기서는 sense 가닥만 나타내었어도)를 포함한다. 이것은 한 가닥 분자 및 두 가닥 분자, 즉, 염기를 아미노산 뼈대에 접합시킨 "protein nucleic acids(PNA)"뿐만 아니라, DNA-DNA, DNA-RNA, RNA-RNA 하이브리드를 포함한다. 이것은 또한 티오-우라실(thio-uracil), 티오-구아닌(thio-guanine) 및 플루오로-우라실(fluoro-uracil) 등의 변형된 염기를 갖고 있는 핵산을 포함한다.A "polynucleotide" or "nucleotide sequence" is a series of consecutive nucleotide bases (also called "nucleotides") on DNA and RNA and refers to two or more nucleotide chains. Nucleotide sequences typically carry genetic information, including information used to make proteins and enzymes by cellular machinery. The term includes two or one strand of genome or cDNA, RNA, genetically engineered synthetic nucleotides, sense and anti-sense polynucleotides (although here only the sense strands are shown). This includes DNA-DNA, DNA-RNA, RNA-RNA hybrids as well as one- and two-stranded molecules, ie, "protein nucleic acids" (PNAs) in which bases are conjugated to amino acid backbones. It also includes nucleic acids with modified bases such as thio-uracil, thio-guanine and fluoro-uracil.

여기서의 폴리뉴클레오티드는 자연적인 조절서열에 접할 수 있으며, 또한 프로모터, 인핸서(enhancer), 반응요소(response element), 시그널 서열, 폴리아데닐레이션 서열(polyadenylation sequence), 인트론(intron), 5' 및 3'-비암호화 영역(non-coding region) 등의 이종 서열(heterologous sequence)과 연관될 수 있다. 핵산은 또한 당기술에 알려진 많은 방법에 의해 변형될 수 있다. 그러한 변형의 예로는 메틸레이션(methylation), "캡(cap)", 하나 또는 그 이상의 자연발생적 뉴클레오티드를 유사체로 치환, 전기를 띠지 않은 연결(methyl phosphonates, phosphotriesters, phosphoroamidates, carbamates) 및 전기를 띤 연결(phosphorothioates, phosphorodithioates)같은 뉴클레오티드 상호간의 변형을 포함하나 여기에 한정된 것은 아니다. 폴리뉴클레오티드는 단백질(nuclease, toxin, antibody, signal peptide, poly-L-lysine 등), 인터칼레이터(intercalator; acridine, psoralen 등), 킬레이터(chelator; metal, radioactive metal, iron, oxidative metal 등) 및 알킬레이터(alkylator)같은 하나 또는 그 이상의 공유결합으로 연결된 부가적 부분을 포함할 수 있다. 폴리뉴클레오티드는 메틸 또는 에틸 포스포트리에스터(phosphotriester) 결합 또는 알킬 포스포라미데이트(phosphoramidate) 연결의 형성에 의해 유도될 수도 있다. 더 나아가서, 여기서의 폴리뉴클레오티드는 직접 또는 간접적으로 검출신호를 제공할 수있는 꼬리표를 가지도록 변형될 수 있다. 꼬리표의 예로는 방사성동위원소, 형광물질, 비오틴(biotin) 등을 포함한다.Polynucleotides herein may be exposed to natural regulatory sequences, and may also include promoters, enhancers, response elements, signal sequences, polyadenylation sequences, introns, 5 'and 3 Heterologous sequences, such as non-coding regions. Nucleic acids can also be modified by many methods known in the art. Examples of such modifications include methylation, "cap", substitution of one or more naturally occurring nucleotides with analogues, non-electrical linkages (methyl phosphonates, phosphotriesters, phosphoroamidates, carbamates) and electrically linkages. nucleotide-to-nucleotide modifications such as (phosphorothioates, phosphorodithioates), including but not limited to. Polynucleotides include proteins (nucleases, toxins, antibodies, signal peptides, poly-L-lysine, etc.), intercalators (acridine, psoralen, etc.), chelators (metals, radioactive metals, iron, oxidative metals, etc.) And additional moieties joined by one or more covalent bonds, such as alkylators. Polynucleotides may also be induced by the formation of methyl or ethyl phosphotriester bonds or alkyl phosphoramidate linkages. Furthermore, the polynucleotide herein can be modified to have a tag that can provide a detection signal either directly or indirectly. Examples of tags include radioisotopes, fluorescent materials, biotin, and the like.

단백질 및 효소는 유전암호에 따라서 DNA, RNA의 정보에 의해 숙주세포에서 만들어진다. 일반적으로, 특별한 단백질 및 효소의 정보를 가진 DNA 서열은 해당서열의 RNA로 "전사된다(transcribed)". 다시 RNA 서열은 단백질 또는 효소를 형성하는 아미노산 서열로 "번역된다(translated)". "아미노산 서열(amino acid sequence)"이란 두 개 또는 그 이상의 아미노산의 사슬이다. 각각의 아미노산은 DNA 또는 RNA에서 한 개 또는 그 이상의 뉴클레오티드 트리플렛(triplet)으로 나타내어진다. 각각의 트리플렛은 한 개의 아미노산에 해당하는 한 개의 코돈(codon)을 만들어낸다. 예를 들어, 아미노산 리신(lysine)은 뉴클레오티드 트리플렛 또는 코돈 AAA 혹은 코돈 AAG로서 암호화되어 있다(유전 코드는 축퇴(degeneracy)라 불리는 약간의 반복성을 가지고 있는데, 이것은 대부분의 아미노산이 한개 이상의 해당코돈을 가지고 있다는 것을 의미한다.). DNA 및 RNA 서열의 뉴클레오티드가 단백질 생산을 위해 3개로 구성되는 그룹으로 해독되기 때문에, 올바른 트리플렛이 해독되도록 올바른 아미노산에서 서열해독을 시작하는 것이 중요하다. 뉴클레오티드 서열이 코돈으로 그룹지어지는 방식을 "해독틀(reading frame)"이라고 부른다.Proteins and enzymes are made in the host cell by DNA and RNA information according to the genetic code. In general, DNA sequences with information of particular proteins and enzymes are "transcribed" into the RNA of that sequence. Again the RNA sequence is "translated" to an amino acid sequence that forms a protein or enzyme. An "amino acid sequence" is a chain of two or more amino acids. Each amino acid is represented by one or more nucleotide triplets in DNA or RNA. Each triplet produces one codon corresponding to one amino acid. For example, the amino acid lysine is encoded as a nucleotide triplet or codon AAA or codon AAG (the genetic code has some repeatability called degeneracy, which means that most amino acids have one or more corresponding codons). Means there is). Since the nucleotides of the DNA and RNA sequences are translated into three groups for protein production, it is important to start sequencing at the correct amino acids so that the correct triplet is translated. The manner in which nucleotide sequences are grouped into codons is called a "reading frame."

"유전자(gene)" 또는 "구조유전자(structural gene)"라는 용어는 하나 또는 그 이상의 단백질의 전체 혹은 일부분을 포함하는 아미노산의 특정서열에 해당하거나 암호화하는 DNA 서열을 의미하며, 유전자가 발현되는 조건을 결정하는 프로모터같은 조절 DNA 서열을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 구조유전자가 아닌 어떤 유전자는 DNA로부터 RNA로 전사될 수 있으나 아미노산 서열로 번역되지 않는다. 다른 유전자는 구조유전자의 조절인자 또는 DNA 전사의 조절인자로서 작용할 수 있다.The term "gene" or "structural gene" refers to a DNA sequence that corresponds to or encodes a specific sequence of amino acids that includes all or part of one or more proteins, and the conditions under which the gene is expressed. It may or may not include regulatory DNA sequences, such as promoters, which determine. Some genes that are not structural genes can be transcribed from DNA into RNA but are not translated into amino acid sequences. Other genes can act as regulators of structural genes or regulators of DNA transcription.

"암호화 서열(coding sequence)" 또는 폴리펩티드, 단백질, 효소를 "암호화하는(encoding)" 서열이란 발현되었을때, 전기 폴리펩티드, 단백질, 효소의 생성으로 귀결되는 뉴클레오티드 서열이다. 즉, 전기 폴리펩티드, 단백질, 효소에 대한 아미노산 서열을 암호화하는 뉴클레오티드 서열이다. RNA 중합효소(polymerase)가 암호화서열을 전사하여 mRNA를 만들고, 그 다음 mRNA는 trans-RNA로 스플라이싱(splicing)되고 암호화서열에 의한 단백질로 번역될 때, 암호화서열은 세포내에서 전사 및 번역 통제서열(transcriptional and translational control sequence)의 "통제하(under the control)"에 있다. 바람직하게는, 암호화서열은 적당한 조절서열의 통제하에 있을때in vitro또는in vivo세포내에서 전사되고 단백질로 번역되는 이중가닥 DNA이다. 암호화서열의 경계는 5'말단 시작코돈과 3'말단 번역종료코돈에 의해 결정된다. 암호화서열은 원핵세포 서열, 진핵세포 mRNA로부터의 cDNA, 진핵세포(예를 들어, 포유동물) DNA의 게놈 DNA 서열 및 합성 DNA 서열을 포함하나 여기에 국한된 것은 아니다. 암호화서열이 진핵세포에서 발현되도록 하려면, 폴리아데닐레이션 신호 및 전사종료서열이 대개 암호화서열의 3'말단에 위치하게 된다.A “coding sequence” or sequence that “encodes” a polypeptide, protein, or enzyme is a nucleotide sequence that, when expressed, results in the generation of the electrical polypeptide, protein, or enzyme. That is, the nucleotide sequence encoding the amino acid sequence for the polypeptide, protein, enzyme. When an RNA polymerase transcribes a coding sequence to make an mRNA, and then the mRNA is spliced into trans-RNA and translated into a protein by the coding sequence, the coding sequence is transcribed and translated in the cell. Under the control of the transcriptional and translational control sequence. Preferably, the coding sequence is double-stranded DNA that is transcribed and translated into protein in vitro or in vivo cells under the control of appropriate regulatory sequences. The boundary of the coding sequence is determined by the 5 'end codon and the 3' end translation codon. Coding sequences include, but are not limited to, prokaryotic sequences, cDNAs from eukaryotic mRNAs, genomic DNA sequences of eukaryotic (eg, mammalian) DNA, and synthetic DNA sequences. In order for the coding sequence to be expressed in eukaryotic cells, the polyadenylation signal and transcription termination sequence are usually located at the 3 'end of the coding sequence.

전사 및 번역 통제서열은 프로모터, 인핸서, 터미네이터 같이 숙주세포에서 암호화서열의 발현을 위해 제공되는 DNA 조절서열이다. 진핵세포에서, 폴리아데닐레이션 서열은 통제서열이다.Transcription and translation control sequences are DNA regulatory sequences provided for expression of coding sequences in host cells such as promoters, enhancers, terminators. In eukaryotic cells, the polyadenylation sequence is a control sequence.

"프로모터 서열(promoter sequence)"은 세포에서 RNA 중합효소와 결합하여 암호화서열의 3'방향으로 전사를 개시할 수 있는 DNA 조절영역이다. 본 발명을 정의할 목적으로, 프로모터 서열은 3'말단에서 전사개시부위(transcription initiation site)에 의해 경계를 가지며 백그라운드(background) 수준 이상으로 전사를 개시하는데 필요한 최소 숫자의 염기 및 요소를 포함하도록 5'방향으로 확장된다. 프로모터 서열내에, RNA 중합효소가 결합하는 단백질 결합 도메인(consensus sequence)뿐만 아니라 전사개시부위(nuclease S1 mapping에 의해 쉽게 정의되는)가 발견된다. 상기와 같이, 프로모터 DNA는 DNA의 발현을 개시하고, 조절하고, 매개하고, 통제하는 DNA 서열이다. 프로모터는 "유도될 수(inducible)"있는데, 이것은 "유도제(inducer)"라 불리는 다른 화합물의 존재 및 양에 의해 영향을 받는 것을 의미한다. 예를 들어, 유도적 프로모터는 특정한 유도 화합물의 존재하에 아래쪽 암호화서열의 발현을 개시하거나 증가시키는 프로모터를 포함한다. "릭키(leaky)" 유도적 프로모터란 유도 화합물의 존재하에 매우 높은 발현 수준을 제공하고, 유도제가 없을때는 비교적 매우 낮은 발현수준 또는 최소의 발현 수준을 제공하는 프로모터이다.A "promoter sequence" is a DNA regulatory region capable of incorporating RNA polymerase in a cell to initiate transcription in the 3 'direction of the coding sequence. For purposes of defining the present invention, the promoter sequence is bounded by a transcription initiation site at the 3 'end and includes a minimum number of bases and elements necessary to initiate transcription above the background level. 'Expand in the direction. Within the promoter sequence, transcriptional initiation sites (as easily defined by the nuclease S1 mapping) are found, as well as protein consensus sequences to which RNA polymerase binds. As above, promoter DNA is a DNA sequence that initiates, regulates, mediates and controls the expression of DNA. Promoters can be "inducible", meaning that they are affected by the presence and amount of other compounds called "inducers." For example, an inducible promoter includes a promoter that initiates or increases the expression of the bottom coding sequence in the presence of a specific inducing compound. A "leaky" inducible promoter is a promoter that provides very high expression levels in the presence of an inducible compound and provides relatively very low or minimal expression levels in the absence of inducers.

"시그널 서열(signal sequence)"이 세포밖 또는 주변세포질공간(periplasmic space)에서 발현되는 단백질 암호화 서열의 앞부분에 포함될 수 있다. 이 서열은 성숙한 폴리펩티드의 N-말단에 존재하며 숙주세포가 폴리펩티드 이동을 조절하도록 시그널 펩티드를 암호화한다. "이동 시그널 서열(translocation signal squence)"이란 용어가 또한 시그널 서열을 언급하기 위해 사용된다. 이동 시그널 서열은 원핵 및 진핵세포에 고유한 다양한 단백질과 연관하여 발견되며, 두 종류의 개체에 있어서 또한 기능을 발휘한다. 숙주세포 밖으로 단백질의 분비를 인도하는 서열을 가함으로써 본 발명의 단백질을 더 변형시키고 개선시킬 수 있다. 시그널 서열의 첨가는 분비된 단백질의 접힘을 방해하지 않으며, 그것의 증거는 당업계에 잘 알려진 기술의 사용으로 단백질에 따라 쉽게 검증될 수 있다(예를 들어, 변형후 주어진 단백질의 활성시험).A "signal sequence" can be included at the beginning of a protein coding sequence that is expressed in extracellular or periplasmic space. This sequence is present at the N-terminus of the mature polypeptide and encodes a signal peptide so that the host cell regulates polypeptide migration. The term "translocation signal squence" is also used to refer to a signal sequence. Transfer signal sequences are found in association with a variety of proteins unique to prokaryotic and eukaryotic cells, and also function in both kinds of individuals. By adding sequences that direct the secretion of proteins out of the host cell, the proteins of the invention can be further modified and improved. The addition of the signal sequence does not interfere with the folding of the secreted protein, and its evidence can be readily verified according to the protein using techniques well known in the art (eg, testing the activity of a given protein after modification).

본 발명의 바람직한 시그널 서열은 pelB 시그널 서열을 포함하는데, 이것은 세균의 안쪽 및 바깥쪽 세포막 사이의 주변세포질공간으로 단백질을 인도한다. 다른 시그널 서열은, 예를 들어, ompA 및 ompT를 포함한다(참조: 52). 시그널 서열은 발현후 단백질 N-말단에 존재하도록 단백질을 암호화하는 뉴클레오티드 서열의 위쪽(5'쪽)에 연결된다. 통상적인 클로닝 기술이 기술된대로 사용될 수 있다. 어떤 주어진 단백질에 시그널 서열의 첨가를 최적화하기 위해서 당업계의 숙련된 전문가의 범위에서 약간의 반복적인 실험이 필요하다.Preferred signal sequences of the present invention include pelB signal sequences, which lead to proteins in the peripheral cytoplasmic space between the inner and outer cell membranes of bacteria. Other signal sequences include, for example, ompA and ompT (see 52). The signal sequence is linked to the top (5 'side) of the nucleotide sequence encoding the protein so that it is present at the protein N-terminus after expression. Conventional cloning techniques can be used as described. In order to optimize the addition of signal sequences to any given protein, some repetitive experimentation is needed within the scope of those skilled in the art.

"발현하다(express)" 및 "발현(expression)"이라는 용어는 유전자 또는 DNA 서열내의 정보가 표명되도록, 예를 들어 전기 유전자 또는 DNA 서열의 전사 및 번역에 관계된 세포기능을 활성화하여 단백질을 생산하도록 하는, 하는 것을 의미한다. DNA 서열은 단백질같은 "발현생성물(expression product)"을 형성하도록 세포내 또는 세포에 의해 발현된다. 발현생성물 그 자체는 세포에 의해 "발현되었다(expressed)"라고 말할 수 있다. 예를 들어, 폴리뉴클레오티드 또는폴리펩티드가 외부 또는 고유의 프로모터 통제하에 외래숙주세포에서 발현되거나 생성될 때, 또는 외부 프로모터의 통제하에 고유숙주세포에서 발현되거나 생성될 때, 그것은 재조합으로 발현되었다고 말한다.The terms “express” and “expression” are used to produce information by expressing information in a gene or DNA sequence, for example, by activating cellular functions involved in the transcription and translation of an electrical gene or DNA sequence. It means to do. DNA sequences are expressed intracellularly or by cells to form "expression products" such as proteins. The expression product itself may be said to be "expressed" by the cell. For example, when a polynucleotide or polypeptide is expressed or produced in an exogenous host cell under the control of an external or intrinsic promoter, or when it is expressed or produced in the native host cell under the control of an external promoter, it is said to be expressed recombinantly.

폴리뉴클레오티드 및 폴리펩티드가 자연계에서 일어나는 수율같은 기본수율보다 상당히 매우 높은 양 또는 수율로 발현되거나 생성되었을 때 "과발현된(over-expressed)"이라는 용어를 사용한다. 예를 들어, 폴리펩티드가 과발현되었을때, 수율은 고유숙주세포의 생활사에 적합한 조건에서 고유숙주세포내에서 발현된 폴리펩티드의 표준, 평균 또는 기본수율보다 상당히 매우 크다. 폴리펩티드의 과발현은 예를 들어 한개 또는 그 이상의 하기 조건을 변경시킴으로써 획득될 수 있다: (a)숙주세포의 성장 및 생활 환경; (b)과발현될 폴리펩티드를 암호화하는 폴리뉴클레오티드; (c)폴리뉴클레오티드의 발현을 조절하는 프로모터; 및 (d)숙주세포 그 자체. 이것은 상대적이며, 따라서 "과발현"은 폴리펩티드가 자연산인가 또는 자연산 폴리뉴클레오티드에 의해 암호화되는가에 상관없이, 다른 폴리펩티드에 대해 어느 한 폴리펩티드의 발현수준을 비교하고 구별하는데 사용될 수 있다. 전형적으로, 과발현은 표준, 평균 또는 기본수율의 적어도 약 2배 이상 되는 수율을 의미한다. 따라서, 폴리펩티드가 같은 조건에서 모체폴리펩티드의 양 또는 수율보다 상당히 높은 양 또는 수율로 생성되었을때 과발현되었다고 한다. 비슷한 식으로, 폴리펩티드가 같은 조건에서 모체폴리펩티드의 양 또는 수율보다 상당히 낮은 양 또는 수율, 예를 들어 기본수율의 절반, 로 생성되었을때 저발현(under-expressed)되었다고 한다. 이러한 문맥에서, 발현 수준 또는 수율은 발현된 폴리펩티드, 또는생성된 폴리펩티드(즉, 발현생성물)의 양 또는 농도를 언급한다(활성형이건 아니건). 한 보기로서, 폴리뉴클레오티드 및 폴리펩티드는 유도화합물의 비존재하에 유도없이 유도적 프로모터의 통제하에 겨우 검출될 만한 양으로 발현되었을때, 저발현되었다고 한다.The term "over-expressed" is used when polynucleotides and polypeptides are expressed or produced in amounts or yields significantly higher than the basic yields such as those in nature. For example, when a polypeptide is overexpressed, the yield is significantly greater than the standard, average or base yield of the polypeptide expressed in the native host cell under conditions suitable for the life history of the native host cell. Overexpression of polypeptides can be obtained, for example, by altering one or more of the following conditions: (a) growth and living environment of host cells; (b) a polynucleotide encoding a polypeptide to be overexpressed; (c) a promoter that regulates expression of the polynucleotide; And (d) the host cell itself. This is relative and thus "overexpression" can be used to compare and distinguish between expression levels of either polypeptide relative to another polypeptide, whether the polypeptide is native or encoded by the native polynucleotide. Typically, overexpression refers to yields that are at least about twice or more than standard, average, or basic yields. Thus, the polypeptide is said to be overexpressed when produced in an amount or yield that is significantly higher than the amount or yield of the parent polypeptide at the same conditions. Similarly, it is said that a polypeptide is under-expressed when produced in an amount or yield, for example half the base yield, which is significantly lower than the amount or yield of the parent polypeptide at the same conditions. In this context, expression level or yield refers to the amount or concentration of the expressed polypeptide, or generated polypeptide (ie, expression product) (whether active or not). As an example, polynucleotides and polypeptides are said to be underexpressed when expressed in an amount detectable only under the control of an inducible promoter without induction in the absence of an inducer.

발현생성물은 세포내, 세포밖 또는 분비되는 것으로 특징지울 수 있다. "세포내(intracellular)"라는 용어는 어떤 것이 세포 안에 있는 것을 의미한다. "세포밖(extracellular)"이라는 용어는 어떤 것이 세포 밖에 있는 것을 의미한다. 물질이 세포안의 어딘가로부터 세포밖 또는 주변세포질(periplasm)로 전달되었을때 세포에 의해 "분비되었다(secreted)"고 한다.Expression products may be characterized as intracellular, extracellular or secreted. The term "intracellular" means that something is in the cell. The term "extracellular" means that something is outside the cell. When a substance is transferred from somewhere within the cell to the extracellular or periplasm, it is said to be "secreted" by the cell.

여기서 사용된대로, "발현저항성 폴리펩티드(expression-resistant polypeptide)" 및 "기능적 발현에 저항하는(resistant to functional expression)"이라는 용어는 동의어이며 선택되는 숙주세포에서 기능적으로 발현되기 어려운 폴리펩티드를 언급한다. 예를 들어, 발현저항성 폴리펩티드는 그것을 암호화하는 폴리뉴클레오티드가 용이한 숙주세포 발현시스템으로 도입되거나 형질전환되었을 때, 생성되지 않거나, 매우 낮은 수율로 생성되거나 또는 비기능적형태로 생성된다.As used herein, the terms "expression-resistant polypeptide" and "resistant to functional expression" are synonymous and refer to polypeptides that are difficult to be functionally expressed in the host cell of choice. For example, expression resistant polypeptides are not produced, produced in very low yields, or produced in non-functional form when the polynucleotides encoding them are introduced or transformed into an easy host cell expression system.

이러한 폴리펩티드의 예로는 많은 서브유니트(subunit)로 구성되는 이황화결합을 가지거나 당쇄화(glycosylation)를 필요로 하는 폴리펩티드이다. 발현저항성 폴리펩티드는 접힘 및 비접힘 조건, 특히 온도, pH 및 단백질농도, 보조인자, 조효소, 보조단백질 등의 존재 또는 비존재같은 세포내 조건에 민감한 폴리펩티드를 포함한다. 발현저항성 폴리펩티드는 또한 특정 발현시스템에서 특정 프로모터 또는시그널 서열에 민감한 폴리뉴클레오티드에 의해 암호화된 폴리펩티드를 포함한다. 게다가, 발현저항성 폴리펩티드는 서로 응집되어 봉입체를 형성하는 경향이 있거나 불활성형 또는 비접힘형으로 생성되는 폴리펩티드를 포함한다.Examples of such polypeptides are those that have disulfide bonds or require glycosylation, which consists of many subunits. Expression resistant polypeptides include polypeptides that are sensitive to folding and non-folding conditions, particularly intracellular conditions such as temperature, pH and protein concentration, cofactors, coenzymes, coproteins, or the absence or the like. Expression resistant polypeptides also include polypeptides encoded by polynucleotides that are sensitive to a particular promoter or signal sequence in a particular expression system. In addition, expression resistant polypeptides include polypeptides that tend to agglomerate with one another to form inclusion bodies or are produced in an inactive or unfolded form.

본 발명의 발현저항성 모체 폴리펩티드로서 사용하기에 적합한 폴리펩티드는 매우 높은 수율로 발현되었을때(예를 들어, 과발현되었을때) 불활성되나(예를 들어, 응집이 되는), 매우 낮은 수율로 발현되었을때(예를 들어, 저발현되었을때) 활성적인 폴리펩티드이다. 이것의 예로는 하기의 폴리펩티드를 포함한다: (a)유도적 프로모터의 통제하에 있는 폴리뉴클레오티드에 의해 유도제의 존재하에 발현되었을때, 응집하여 봉입체를 형성하거나 불활성이거나 비접힘되는 경향이 있는; 및 (b)유도적 프로모터의 통제하에 있는 폴리뉴클레오티드에 의해 유도제 없이 발현되었을때, 응집하지 않거나 활성적인 경향이 있는 폴리펩티드. 이러한 프로모터가 알려져 있고, "릭키(leaky)" 프로모터라고 부른다.Polypeptides suitable for use as the expression resistant parent polypeptide of the present invention are inactive (eg, aggregated) when expressed in very high yields (e.g., overexpressed) but expressed in very low yields (e.g., aggregated). For example, when expressed low). Examples thereof include the following polypeptides: (a) when expressed in the presence of an inducer by a polynucleotide under the control of an inducible promoter, they tend to aggregate to form inclusion bodies or to be inactive or unfolded; And (b) polypeptides that do not aggregate or tend to be active when expressed without inducing agents by polynucleotides under the control of an inducible promoter. Such promoters are known and are called "leaky" promoters.

헴 그룹을 포함하거나, 병합하거나 연관되어 있는 폴리펩티드는 또한 발현저항성 폴리펩티드의 예이다. 본 발명의 특정한 발현저항성 폴리펩티드의 예로는 서양고추냉이 퍼록시다아제 효소같은 퍼록시다아제 효소이다. "발현저항성 폴리뉴클레오티드"는 발현저항성 폴리펩티드를 암호화하는 폴리뉴클레오티드이다.Polypeptides comprising, merging or associated with heme groups are also examples of expression resistant polypeptides. Examples of specific expression resistant polypeptides of the invention are peroxidase enzymes, such as horseradish peroxidase enzymes. An "expression resistant polynucleotide" is a polynucleotide encoding an expression resistant polypeptide.

게놈 DNA이건 cDNA이건간에, 발현시스템에서의 사용을 위한 본 발명의 단백질을 암호화하는 유전자는 임의의 원천(source), 특히 인간 cDNA 또는 게놈 라이브러리로부터 분리될 수 있다. 유전자를 획득하는 방법은 Sambrook et al.(참조: 19)같은 기술에서 당업계에 잘 알려져 있다.Whether genomic DNA or cDNA, the gene encoding a protein of the invention for use in an expression system can be isolated from any source, in particular human cDNA or genomic libraries. Methods for obtaining genes are well known in the art in techniques such as Sambrook et al. (19).

따라서, 어떠한 동물세포도 관심대상의 유전자를 클로닝하는데 핵산의 원천이 될 수 있다. DNA는 클론된 DNA(예를 들어, DNA 라이브러리), 단백질을 고발현하는 조직으로부터 제조된 cDNA 라이브러리, 화학적합성, cDNA 클로닝, 게놈 DNA 또는 원하는 세포로부터 분리된 그것의 절편의 클로닝같은 당업계에 잘 알려진 표준 과정에 의해 획득될 수 있다(참조: 19, 51). 게놈 DNA로부터 유래된 클론은 암호화 영역외에도 조절 및 인트론 DNA 영역을 포함할 수 있다; cDNA로부터 유래된 클론은 인트론 서열을 포함하지 않는다.Thus, any animal cell can be a source of nucleic acid for cloning a gene of interest. DNA is well known in the art, such as cloned DNA (eg, DNA libraries), cDNA libraries prepared from tissues expressing proteins, chemical synthesis, cDNA cloning, genomic DNA, or cloning of fragments thereof isolated from desired cells. Can be obtained by known standard procedures (19, 51). Clones derived from genomic DNA may include regulatory and intron DNA regions in addition to coding regions; Clones derived from cDNA do not include intron sequences.

게놈 DNA로부터 유전자의 클로닝에 있어서, DNA 절편이 발생하며, 그것들 중 일부는 원하는 유전자를 암호화하고 있다. DNA는 다양한 제한효소를 사용하여 특정부위에서 잘라질 수 있다. 선택적으로, DNA를 조각내기위해 망간(manganese)의 존재하에 DNAse를 사용할 수 있다. 또는 DNA는 소니케이션(sonication)에 의해 물리적으로 잘라질 수도 있다. 선형 DNA 절편을 아가로오스 및 폴리아크릴아미드 겔 전기영동 및 컬럼 크로마토그래피를 포함한 표준기술에 의해 크기에 따라 분리할 수 있으나 여기에 한정된 것은 아니다.In cloning genes from genomic DNA, DNA fragments occur, some of which encode the desired genes. DNA can be cut at specific sites using a variety of restriction enzymes. Alternatively, DNAse can be used in the presence of manganese to fragment the DNA. Alternatively, DNA may be physically cut by sonication. Linear DNA fragments can be separated by size by standard techniques, including but not limited to agarose and polyacrylamide gel electrophoresis and column chromatography.

"형질전환(transformation)"이라는 용어는 외부 유전자, DNA, RNA서열을 숙주세포에 도입하여, 숙주세포가 도입된 유전자 또는 서열에 의해 암호화된 단백질 또는 효소같은 원하는 물질을 생성하도록 발현하는 것을 의미한다. 도입된 유전자 또는 서열은 "클론된(cloned)" 또는 "외부(foreign)" 유전자 또는 서열이라 불리며, 세포의 유전기구에 의해 사용되는 개시, 종료, 프로모터, 신호, 분비 또는 그 밖의 서열같은 조절 또는 통제 서열을 포함할 수 있다. 유전자 또는 서열은 비기능적 서열 및 아직 알려지지 않은 기능을 가지는 서열을 포함할 수 있다. 도입된 DNA 또는 RNA를 수용하여 발현하는 숙주세포를 "형질전환되었다(transformed)"고 하고 "형질전환체(transformant)" 또는 "클론(clone)"이라고 한다. 숙주세포에 도입되는 DNA 또는 RNA는 숙주세포와 같은 속(genus) 또는 종(species)의 세포, 또는 다른 속(genus) 또는 종(species)의 세포를 포함하는 어떠한 원천으로부터 올 수 있다.The term "transformation" refers to the introduction of foreign genes, DNA, RNA sequences into the host cell, expressing the host cell to produce a desired substance, such as a protein or enzyme encoded by the introduced gene or sequence. . The introduced gene or sequence is called a "cloned" or "foreign" gene or sequence, and controls such as initiation, termination, promoter, signal, secretion or other sequences used by the genetic machinery of the cell or Control sequences may be included. The gene or sequence may comprise a nonfunctional sequence and a sequence with unknown functions. Host cells that receive and express the introduced DNA or RNA are referred to as "transformed" and are referred to as "transformant" or "clone". DNA or RNA introduced into a host cell can come from any source, including cells of the same genus or species as the host cell, or cells of other genus or species.

"벡터(vector)", "클로닝 벡터(cloning vector)" 및 "발현벡터(expression vector)"같은 용어는 숙주를 형질전환시켜 도입된 서열의 발현(예를 들어 전사 및 번역)을 촉진하도록 숙주세포내로 도입될 수 있는 DNA 또는 RNA 서열(예를 들어, 외부 유전자)을 운반하는 운반체를 의미한다.Terms such as "vector", "cloning vector" and "expression vector" are used to transform a host cell to promote expression (e.g., transcription and translation) of the introduced sequence. By a carrier that carries a DNA or RNA sequence (eg, an external gene) that can be introduced into it.

벡터는 전형적으로 외부 DNA가 삽입될 수 있는 전달 DNA를 포함한다. 한 DNA 절편을 다른 DNA절편에 삽입하는 보통 방법은 제한부위라 불리우는 특정부위(뉴클레오티드의 특정그룹)에서 DNA를 자르는 제한효소라 불리우는 효소의 사용을 포함한다. 일반적으로, 외부 DNA는 벡터 DNA의 하나 또는 그 이상의 제한부위에 삽입되며, 전달 벡터 DNA와 같이 숙주세포속으로 벡터에 의해 전달된다. 발현벡터와 같이 삽입되거나 첨가된 DNA 절편 또는 서열을 갖는 DNA를 "DNA 구조물(DNA construct)"라고 부른다.Vectors typically include delivery DNA into which external DNA can be inserted. The usual way to insert one DNA fragment into another DNA fragment involves the use of an enzyme called a restriction enzyme that cuts DNA at a specific site (a specific group of nucleotides) called a restriction site. Generally, foreign DNA is inserted at one or more restriction sites of the vector DNA and delivered by the vector into a host cell, such as a transfer vector DNA. DNA having a DNA fragment or sequence inserted or added together with an expression vector is called a "DNA construct".

벡터의 일반적 형태는 "플라스미드(plasmid)"인데, 이것은 일반적으로 외부 DNA를 쉽게 받아들이고 적당한 숙주세포로 쉽게 도입될 수 있는 원형의 이중가닥 DNA 분자이다. 플라스미드 벡터는 암호화 DNA 및 프로모터 DNA를 포함하며 외부DNA를 삽입하는데 적당한 하나 또는 그 이상의 제한부위를 가지고 있다. 프로모터 DNA 및 암호화 DNA는 같은 유전자 또는 다른 유전자로부터 올 수 있으며, 같은 또는 다른 개체에서 올 수 있다. 플라스미드 및 곰팡이 벡터를 포함하는 수많은 벡터가 다양한 원핵 및 진핵세포 숙주에서 복제 및/또는 발현을 위해 기술되었다. 플라스미드 예로는 여기에 한정되는 것은 아니지만, pKK 플라스미드(Clonetech), pUC 플라스미드, pET 플라스미드(Novagen, Inc., Madison, WI), pRSET 또는 pREP 플라스미드(Invitrogen, San Diego, CA), 또는 pMAL 플라스미드(New England Biolabs, Beverly, MA)를 포함하며, 많은 적절한 숙주세포가 여기에 개시 또는 인용되고 다르게는 당업계의 전문가들에게 널리 알려져 있다. 재조합 클로닝 벡터는 보통 클로닝 또는 발현을 위한 하나 또는 그 이상의 복제시스템, 숙주세포에서의 선택을 위한 항생제 저항성같은 마아커(marker) 및 하나 또는 그 이상의 발현 카세트를 포함한다. 바람직한 벡터는 실시예에 가술되어 있으며, pcWori, pET-26b(+), pXTD14, pYEX-S1, pMAL 및 pET22-b(+)를 포함한다. 다른 벡터는 당업계의 전문가에 의해 원하는대로 사용될 수 있다. 실시예에 기술된 것과 다르더라도, 본 발명에 가장 적합한 벡터를 결정하는데 바이오기술의 반복적인 실험법이 사용될 수 있다. 일반적으로, 벡터의 선택은 폴리뉴클레오티드의 크기 및 본 발명의 방법에 사용될 숙주세포에 의한다.The general form of the vector is a "plasmid," which is generally a circular double-stranded DNA molecule that can readily accept foreign DNA and be easily introduced into suitable host cells. Plasmid vectors contain coding DNA and promoter DNA and have one or more restriction sites suitable for inserting external DNA. Promoter DNA and coding DNA may come from the same gene or from different genes, and may come from the same or different individuals. Numerous vectors, including plasmids and fungal vectors, have been described for replication and / or expression in a variety of prokaryotic and eukaryotic hosts. Examples of plasmids include, but are not limited to, pKK plasmid (Clonetech), pUC plasmid, pET plasmid (Novagen, Inc., Madison, WI), pRSET or pREP plasmid (Invitrogen, San Diego, CA), or pMAL plasmid (New England Biolabs, Beverly, Mass.), And many suitable host cells are disclosed or cited herein and are otherwise well known to those skilled in the art. Recombinant cloning vectors usually include one or more replication systems for cloning or expression, markers such as antibiotic resistance for selection in host cells, and one or more expression cassettes. Preferred vectors are described in the Examples and include pcWori, pET-26b (+), pXTD14, pYEX-S1, pMAL and pET22-b (+). Other vectors can be used as desired by one of ordinary skill in the art. Although different from that described in the examples, iterative testing of biotechnology can be used to determine the vector that is most suitable for the present invention. In general, the choice of vector depends on the size of the polynucleotide and the host cell to be used in the method of the invention.

"카세트(cassette)"란 벡터의 특정 제한부위에 삽입될 수 있는 DNA의 절편을 언급한다. DNA 절편은 관심대상의 폴리펩티드를 암호화하며, 카세트 및 제한부위는 전사 및 번역에 대한 올바른 해독틀에서의 카세트 삽입을 확실하게 하도록 고안된다."Cassette" refers to a segment of DNA that can be inserted at a specific restriction site of a vector. DNA fragments encode polypeptides of interest, and cassettes and restriction sites are designed to ensure cassette insertion in the correct translation frame for transcription and translation.

"발현시스템(expression system)"은 숙주세포로 도입된 벡터상의 외부 DNA가 암호화한 단백질의 적당한 발현조건에서 숙주세포와 그것과 양립하는 벡터를 의미한다. 보통의 발현시스템은 세균(E.coliB.subtilis) 또는 효모(S.cerevisiae) 숙주세포 및 플라스미드세포, 곤충숙주세포 및 배큘로바이러스(baculovirus)를 포함한다. 여기서 사용된대로, "용이한 발현시스템(facile expression system)"이란 선택되는 폴리뉴클레오티드 또는 폴리펩티드에 대하여 외래적이고(foreign) 이종적이며(heterologous), 전기 폴리뉴클레오티드 및 펩티드에 대하여 고유하거나(native) 이종적인 세포보다 훨씬 유리하게 성장하거나 유지될 수 있는 숙주세포를 사용하거나, 또는 폴리펩티드를 보다 효율적으로 또는 보다 높은 수율로 생성할 수 있는 발현시스템을 의미한다. 예를 들어, 진핵세포기원의 단백질을 발현하는 강건한 원핵세포의 사용은 용이한 발현시스템일 것이다. 바람직한 용이한 발현시스템은E.coli, B.subtilisS.cerevisiae숙주세포 및 적당한 벡터를 포함한다.An "expression system" means a vector compatible with a host cell under appropriate expression conditions of a protein encoded by an external DNA on the vector introduced into the host cell. Common expression systems include bacteria ( E. coli and B. subtilis ) or yeast ( S. cerevisiae ) host cells and plasmid cells, insect host cells and baculoviruses. As used herein, “facile expression system” is foreign and heterologous to the selected polynucleotide or polypeptide, and native or heterologous to the electrical polynucleotide and peptide. By an expression system that can use a host cell that can be grown or maintained more advantageously than a normal cell, or can produce a polypeptide more efficiently or in a higher yield. For example, the use of robust prokaryotic cells expressing eukaryotic protein may be an easy expression system. Preferred easy expression systems include E. coli, B. subtilis and S. cerevisiae host cells and suitable vectors.

"돌연변이체(mutant)" 및 "돌연변이(mutation)"라는 용어는 DNA같은 유전물질의 검출되는 변화 또는, 그러한 변화의 과정, 메카니즘 또는 결과를 의미한다. 이것은 유전자구조(예를 들어, DNA 서열)가 변경되는 유전자 돌연변이, 돌연변이 과정으로부터 생기는 유전자 또는 DNA 및 변형된 유전자 또는 DNA 서열에 의해 발현되는 발현생성물(예를 들어, 단백질 또는 효소)을 포함한다. "변형체(variant)"란 용어는 변형되거나 변경된 유전자, DNA 서열, 효소, 세포 등 어떠한 종류의 돌연변이체를 암시하는데 또한 사용될 수 있다.The terms "mutant" and "mutation" refer to the detected change in the genetic material, such as DNA, or the process, mechanism or result of such a change. This includes gene mutations in which the genetic structure (eg DNA sequence) is altered, genes or DNA resulting from the mutation process and expression products (eg proteins or enzymes) expressed by the modified gene or DNA sequence. The term "variant" can also be used to imply any type of mutant, such as a modified or altered gene, DNA sequence, enzyme, cell, or the like.

폴리뉴클레오티드 서열의 "서열보존 변형체(sequence-conservative variant)"는 주어진 코돈위치내의 하나 또는 그 이상의 뉴클레오티드 변화가 그 위치에서 암호화된 아미노산에 아무런 변화가 없는 변형체이다.A "sequence-conservative variant" of a polynucleotide sequence is a variant in which one or more nucleotide changes within a given codon position have no change in the amino acid encoded at that position.

"기능보존 변형체(function-conservative variant)"란 단백질 또는 효소의 주어진 아미노산 잔기가, 폴리펩티드의 전체구조 및 기능변화없이 비슷한 성질을 가지는 다른 아미노산(예를 들어, 산성, 염기성, 소수성같은)으로 대체되는 것을 포함하여 여기에 국한되지 않는 변화가 일어난 것을 의미한다. 비슷한 성질을 가지는 아미노산은 당업계에 잘 알려져 있다. 예를 들어, 아르기닌, 히스티딘 및 리신은 친수성 염기 아미노산이고 상호교환될 수 있다. 비슷하게, 소수성 아미노산인 이소류신은 류신, 메티오닌 또는 발린으로 대체될 수 있다. 보존적으로 암시된 아미노산외의 다른 아미노산은 단백질 또는 효소마다 다르고, 따라서 비슷한 기능을 가진 두 단백질 사이의 아미노산 서열유사성 백분율이 변화하며, 유사성이 MEGALIGN 알고리즘에 기초한 클러스터 법(Cluster Method) 같은 정렬법에 따라 결정된 것처럼 백분율은 70% 내지 99%이다. 기능보존 변형체는 BLAST 또는 FASTA 알고리즘에 의해 결정된 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 75%, 보다 바람직하게는 적어도 85%, 가장 바람직하게는 적어도 90%의 아미노산 동일성을 갖고, 전기 변형체와 비교될 수 있는 자연적 혹은 모체 단백질 또는 효소와 같거나 상당히 유사한 성질 및 기능을 가지는 폴리펩티드 또는 효소를 포함한다."Function-conservative variant" means that a given amino acid residue of a protein or enzyme is replaced with another amino acid (eg, acidic, basic, hydrophobic) with similar properties without altering the overall structure and function of the polypeptide. Changes, including but not limited to, have occurred. Amino acids with similar properties are well known in the art. For example, arginine, histidine and lysine are hydrophilic base amino acids and may be interchanged. Similarly, the hydrophobic amino acid isoleucine may be replaced with leucine, methionine or valine. Amino acids other than conservatively implied amino acids differ between proteins or enzymes, and therefore the percentage of amino acid sequence similarity between two proteins with similar functions changes, and the similarity is determined by an alignment method such as the Cluster Method based on the MEGALIGN algorithm. As such, the percentage is between 70% and 99%. The functional preservation variant has an amino acid identity of at least 60%, preferably at least 75%, more preferably at least 85%, most preferably at least 90%, as determined by the BLAST or FASTA algorithm, and can be compared with the electrical variant. Polypeptides or enzymes with the same or substantially similar properties and functions as natural or maternal proteins or enzymes are included.

"DNA 재조립(DNA reassembly)"이라는 용어는 동일한 서열 사이에 재조합이일어났을 때 사용된다. "DNA 무작위혼합(DNA shuffling)"이라는 용어는 동일하지 않은 서열을 제외한 상당히 유사한 서열 사이의 재조합을 암시한다.The term "DNA reassembly" is used when recombination occurs between the same sequences. The term “DNA shuffling” suggests recombination between fairly similar sequences except for sequences that are not identical.

폴리펩티드 또는 효소의 "분리(isolation)" 또는 "정제(purification)"는 초기환경으로부터 폴리펩티드를 제거하여 그것을 유도하는 것을 언급한다(예를 들어, 그것이 자연적으로 발생한 것이면 자연적 환경으로부터, 재조합 DNA 법에 의해 생성된다면 숙주세포로부터). 폴리펩티드 정제방법은 프렙 디스크 겔(preparative disc-gel) 전기영동, 등전집속(isoelectric focusing), HPLC, 역상 HPLC, 겔 필트레이션, 이온교환 및 분배 크로마토그래피, 역류분포(countercurrent distribution)를 포함하나 여기에 국한되지 않은 방법을 포함한 당업계에 잘 알려진 방법이다. 어떤 목적으로는, 폴리히스티딘 서열같은 정제를 용이하게 하는 부가적인 서열꼬리표를 포함한 폴리펩티드를 재조합시스템에서 생성하는 것이 바람직하나 여기에 국한된 것은 아니다. 폴리펩티드는 적당한 고체상 매질위에서 크로마토그래피에 의해 숙주세포의 미정제 용해액으로부터 정제될 수 있다. 선택적으로, 단백질 또는 그것으로부터 유래된 펩티드에 대해 생성된 항체가 정제물질로서 사용될 수 있다. 다른 정제법이 또한 가능하다. 정제된 폴리뉴클레오티드 및 폴리펩티드는 약 50%, 바람직하게는 약 75%, 가장 바람직하게는 약 90% 보다 적은 세포구성물을 포함한다. "상당히 순수한(substantially pure)" 효소는 당업계에 잘 알려진 통상적인 정제기술을 사용하여 달성될 수 있는 가장 높은 정도의 정제도를 암시한다."Isolation" or "purification" of a polypeptide or enzyme refers to the removal of a polypeptide from its initial environment and induction of it (e.g., from a natural environment, if it is naturally occurring, by recombinant DNA methods). From host cells if produced). Polypeptide purification methods include preparative disc-gel electrophoresis, isoelectric focusing, HPLC, reversed phase HPLC, gel filtration, ion exchange and distribution chromatography, countercurrent distribution Methods are well known in the art, including but not limited to. For some purposes, it is desirable to generate, but is not limited to, polypeptides comprising additional sequence tags that facilitate purification, such as polyhistidine sequences. The polypeptide can be purified from crude lysate of the host cell by chromatography on a suitable solid phase medium. Alternatively, antibodies generated against proteins or peptides derived therefrom can be used as purification materials. Other purification methods are also possible. Purified polynucleotides and polypeptides comprise less than about 50%, preferably about 75%, most preferably less than about 90% cellular constructs. "Substantially pure" enzymes suggest the highest degree of purity that can be achieved using conventional purification techniques well known in the art.

한가닥의 폴리뉴클레오티드가 엄격한 조건하에서 다른 폴리뉴클레오티드에어닐링(annealing)할 수 있을때 폴리뉴클레오티드는 서로 "혼성화(hybridize)"되었다고 한다. 혼성화의 엄격한 조건은 하기와 같은 예에 의해 결정된다: (a)혼성화 및/또는 세척이 행해지는 온도; (b)다른 척도는 말할 것도 없이 혼성화 및 세척용액의 이온화세기 및 극성(예를 들어, 포름아미드(formamide)). 혼성화는 두 개의 폴리뉴클레오티드가 상보적 서열을 포함하고 있어야 일어난다; 그러나, 혼성화의 엄격한 조건에 따라, 부적당한 혼성도 용납될 수 있다. 전형적으로, 매우 엄격한 조건(예를 들어, 65oC에서 0.5X SSC 수용액같은)에서 두 서열의 혼성화가 일어나려면 두 서열이 전체서열에 대하여 상당히 높은 정도의 상보성을 가지고 있어야 한다. 중간정도의 엄격한 조건(예를 들어, 65oC에서 0.2X SSC 수용액같은) 및 낮은 정도의 엄격한 조건(예를 들어, 55oC에서 0.2X SSC 수용액같은)에서는, 혼성화서열사이의 보다 낮은 상보성을 필요로 한다. (1X SSC는 0.15M NaCl, 0.015M Na citrate이다.) 여기서, 폴리뉴클레오티드에 "혼성화"하는 폴리뉴클레오티드는 어떤 길이라도 좋다. 어느 한 실시태양에서 그러한 폴리뉴클레오티드는 적어도 10개, 바람직하게는 적어도 15개, 가장 바람직하게는 적어도 20개의 길이를 갖는다. 또 다른 실시태양에서, 혼성화하는 폴리뉴클레오티드는 대략 같은 길이이다. 또 다른 실시태양에서, 혼성화하는 폴리뉴클레오티드는 산화를 촉진하는 능력, 옥시게나아제 또는 본 발명의 커플링 반응(coupling reaction)같은 기능을 가지는 폴리펩티드 또는 효소를 암호화하며 적당히 엄격한 조건에서 어닐링할 수 있는 폴리뉴클레오티드를 포함한다.Polynucleotides are said to “hybridize” with each other when a strand of polynucleotides can anneal to another polynucleotide under stringent conditions. Stringent conditions of hybridization are determined by the following examples: (a) the temperature at which hybridization and / or washing is performed; (b) Ionization strength and polarity of hybridization and wash solutions, not to mention other measures (eg formamide). Hybridization occurs only when two polynucleotides contain complementary sequences; However, depending on the stringent conditions of hybridization, inappropriate hybridization may also be tolerated. Typically, in order to hybridize two sequences under very stringent conditions (eg, 0.5 × SSC aqueous solution at 65 ° C.), the two sequences must have a fairly high degree of complementarity to the entire sequence. Under moderate stringency conditions (eg 0.2X SSC aqueous solution at 65 o C) and low stringency conditions (eg 0.2X SSC aqueous solution at 55 o C), lower complementarity between hybridization sequences need. (1X SSC is 0.15M NaCl, 0.015M Na citrate) Here, the polynucleotide "hybridizing" the polynucleotide may be any length. In one embodiment such polynucleotides are at least 10, preferably at least 15, most preferably at least 20 in length. In another embodiment, the polynucleotides that hybridize are about the same length. In another embodiment, the hybridizing polynucleotide encodes a polypeptide or enzyme having the ability to promote oxidation, such as an oxygenase or a coupling reaction of the present invention, and a poly that can be annealed under moderately stringent conditions. Nucleotides.

형질전환 및 발현, 숙주세포의 사용, 벡터, 발현시스템 등을 포함하여 여기서 토론된 일반적인 유전공학 도구 및 기술은 당업계에 잘 알려져 있다.General genetic engineering tools and techniques discussed herein are well known in the art, including transformation and expression, use of host cells, vectors, expression systems, and the like.

단백질의 돌연변이 유도 및 의도적 개량Mutation Induction and Intentional Improvement of Proteins

통상적인 발현시스템을 사용하여 단백질발현을 개선시키기 위하여, 본 발명은 통상적인 또는 용이한 발현시스템에서 자연적 단백질에 비해 비슷하거나 훨씬 높은 활성을 가지는 기능적 단백질을 발현하는 폴리뉴클레오티드 돌연변이 라이브러리를 발생시키는데 의도적 개량기술이 사용될 수 있다는 것을 발견했다. 이황화결합을 가지는 단백질을 발현할때 흔히 형성되고, 노력이 많이 드는 재접힘 과정이 필요한 봉입체가 의도적 개량기술에 의해 제거될 수 있다.In order to improve protein expression using conventional expression systems, the present invention is intentionally refined to generate polynucleotide mutant libraries that express functional proteins with similar or much higher activity than natural proteins in conventional or easy expression systems. It has been found that the technique can be used. Inclusion bodies, which are often formed when expressing proteins with disulfide bonds and require an expensive refolding process, can be removed by intentional refinement techniques.

본 발명에 의하면, 용이한 유전자 발현시스템에서 보다 쉽게 발현될 수 있는 단백질은, 선택을 위한 라이브러리 형태로 돌연변이 폴리뉴클레오티드를 발생시키는 의도적 개량기술에 의해 획득될 수 있다. 의도적 개량기술을 사용한 본 발명에 따라 라이브러리를 발생시키고 개선된 단백질("변형체"라고도 기술되는)을 분리하며 식별하는 일반적인 방법이 하기에 간단히 기술되어 있으며, 미합중국특허 제 5,741,691호 및 제 5,811,238호에 보다 자세하게 개시되어 있다. 발현시스템에서 사용되는 개량된 폴리뉴클레오티드를 제공하는 폴리뉴클레오티드 서열의 돌연변이 발생을 위해 어떠한 방법도 사용될 수 있다는 것을 이해해야만 한다. 의도적 개량기술에 의해 생성된 단백질은 통상적인 방법에 따라, 개선된 발현, 접힘, 분비 및 기능에 대하여 스크리닝을 한다.According to the present invention, proteins that can be more easily expressed in an easy gene expression system can be obtained by intentional refinement to generate mutant polynucleotides in the form of libraries for selection. General methods for generating libraries and separating and identifying improved proteins (also referred to as "variants") in accordance with the present invention using intentional refinements are briefly described below, as described in US Pat. Nos. 5,741,691 and 5,811,238. It is disclosed in detail. It should be understood that any method may be used for mutagenesis of the polynucleotide sequence to provide an improved polynucleotide for use in the expression system. Proteins produced by intentional improvement techniques are screened for improved expression, folding, secretion and function according to conventional methods.

임의의 원천으로부터의 정제된 형태의 핵산이 시작 핵산으로서 사용될 수 있다. 따라서, mRNA를 포함한 한가닥, 또는 두가닥의 DNA 또는 RNA가 사용될 수 있다. 부가적으로, 각각 한가닥씩 존재하는 DNA-RNA 혼성체가 사용될 수 있다. 핵산서열은 돌연변이되는 핵산의 크기에 따라 다양한 길이를 갖는다. 바람직하게는 특정핵산서열은 50 내지 50,000 염기쌍을 갖는다. 관심대상의 단백질을 암호화하는 핵산을 포함하는 벡터가 본 발명의 방법에서 사용될 수 있을지는 심사숙고해야 한다.Nucleic acid in purified form from any source can be used as the starting nucleic acid. Thus, one or two strands of DNA or RNA including mRNA can be used. Additionally, DNA-RNA hybrids, each present in one strand, can be used. Nucleic acid sequences vary in length depending on the size of the nucleic acid being mutated. Preferably the specific nucleic acid sequence has 50 to 50,000 base pairs. Consideration should be given to whether a vector comprising a nucleic acid encoding a protein of interest can be used in the methods of the invention.

임의의 특정 핵산서열이 본 발명에 의해 돌연변이군을 생성하는데 사용될 수 있다. 돌연변이를 가지는 특정핵산서열의 초기 군이 하기에 설명된 방법을 포함한 여러가지 서로 다른 알려진 방법에 의해 만들어질 수 있다.Any particular nucleic acid sequence can be used to generate a mutation group by the present invention. An initial group of specific nucleic acid sequences with mutations can be made by several different known methods, including those described below.

최적화된 특정영역을 합성된 돌연변이 올리고뉴클레오티드로 대체시키는 에러-프론 중합효소연쇄반응(error-prone polymerase chain reaction, PCR; 참조: 20, 45, 46) 및 카세트 돌연변이 유도법(참조: 38-44)이 본 발명에 사용되었다. 에러-프론 PCR은 미지 서열의 절편혼합물을 돌연변이시키는데 사용될 수 있다. 이러한 기술은 긴 서열상의 무작위 포인트 돌연변이(point mutation)를 낮은 수준으로 도입하거나, 미지 서열의 절편혼합물을 돌연변이시키는 낮은 정확성의 중합조건에서 사용될 수 있다.Error-prone polymerase chain reaction (PCR) (see 20, 45, 46) and cassette mutation induction (38-44) are used to replace optimized specific regions with synthetic mutant oligonucleotides. Used in the present invention. Error-pron PCR can be used to mutate fragment mixtures of unknown sequences. This technique can be used in low accuracy polymerization conditions to introduce low levels of random point mutations on long sequences or to mutate fragment mixtures of unknown sequences.

합성된 돌연변이 올리고뉴클레오티드로 짧은 서열을 대체하는 올리고뉴클레오티드 규제 돌연변이 유도(oligonucleotide-directed mutagenesis)는 개선된 발현을 갖는 개량된 폴리뉴클레오티드를 발생시키는데 사용될 수 있다.Oligonucleotide-directed mutagenesis, which replaces short sequences with synthesized mutant oligonucleotides, can be used to generate improved polynucleotides with improved expression.

선택적으로, 핵산절편, 또는 폴리뉴클레오티드 풀(pool)의in vivo또는in vitro상동성재조합(homologous recombination) 법을 사용하는 핵산 또는 DNA의 무작위혼합(shuffling)법이 본 발명의 변형체 서열을 가지는 폴리뉴클레오티드 서열을 발생시키는데 사용될 수 있다.Optionally, the nucleic acid fragments or shuffling methods of nucleic acids or DNA using in vivo or in vitro homologous recombination methods of polynucleotide pools are polynucleotides having the variant sequences of the present invention. Can be used to generate sequences.

평행적 PCR(parallel PCR)은 통상적인 발현시스템에서 개선된 발현을 위한 폴리뉴클레오티드를 개량시키는데 사용될 수 있는데, 이것은 한 반응의 생성물이 다른 반응을 개시하도록 같은 용기내에서 평행적으로 일어나는 수많은 서로 다른 PCR 반응을 사용한다. 무작위 절단 및 상호 프라이밍(priming)에 의한 절편의 재조립에 의해 다양한 수준에서 서열이 무작위로 돌연변이될 수 있다. 돌연변이 유도 올리고뉴클레오티드 존재하에 주형(template)을 무작위로 잘라 절편을 재조합시킴으로써 긴 서열에 부위-규제 돌연변이(site-directed mutation)가 도입될 수 있다.Parallel PCR can be used to improve polynucleotides for improved expression in a conventional expression system, which involves numerous different PCRs occurring in parallel in the same vessel so that the product of one reaction initiates another reaction. Use the reaction. Reassembly of fragments by random cleavage and mutual priming can result in random mutation of sequences at various levels. Site-directed mutations can be introduced in long sequences by randomly cutting the template in the presence of mutation-inducing oligonucleotides and recombining the fragments.

본 발명에서 사용될 수 있는 평행적 PCR의 특별히 유용한 적용을 유성 PCR(sexual PCR)이라 부른다. DNA 무작위혼합이라고도 알려져 있는 유성 PCR에서, 평행적 PCR이 DNA 서열 풀(pool)의in vitro재조합을 수행하는데 사용된다. 유성 PCR은 또한 서로 다른 종으로부터의 유전자 키메라(chimera) 라이브러리를 구축하는데 사용될 수 있다.A particularly useful application of parallel PCR that can be used in the present invention is called sexual PCR. In voiced PCR, also known as DNA randomization, parallel PCR is used to perform in vitro recombination of a pool of DNA sequences. Sexual PCR can also be used to build gene chimera libraries from different species.

본 발명에 사용되는 폴리뉴클레오티드는 화학적 돌연변이(chemical mutagenesis)에 의해서도 변형될 수 있다. 예를 들어, 화학적 돌연변이 유도제(chemical mutagen)는 아황산수소 나트륨(sodium bisulfite),아질산(nitrous acid), 하이드록실아민(hydroxylamine), 히드라진(hydrazine) 및 포름산(formic acid)을 포함한다. 뉴클레오티드 전구체(precursor)의 유사체인 다른 화합물로는 니트로소구아니딘(nitrosoguanidine), 5-브로모우라실(5-bromouracil), 2-아미노퓨린(2-aminopurine) 또는 아크리딘(acridine)을 포함한다. 일반적으로, 이러한 화합물이 뉴클레오티드 전구체 대신에 PCR 반응에 첨가되어 서열을 돌연변이시킨다. 프로플라빈(proflavin), 아크리플라빈(acriflavin), 퀴나크린(quinacrine) 등의 인터칼레이팅(intercalating) 제가 또한 사용될 수 있다. X-선 또는 자외선 조사 또는 DNA 손상 수리기구가 결핍된 숙주(예를 들어,E.coli)에서 폴리뉴클레오티드를 복제시킴으로써 폴리뉴클레오티드 서열의 무작위 돌연변이가 달성될 수 있다. 일반적으로, 이렇게 돌연변이된 플라스미드 DNA 또는 DNA 절편이E.coli에 도입되어 돌연변이 플라스미드의 풀(pool) 또는 라이브러리로서 복제된다.Polynucleotides used in the present invention can also be modified by chemical mutagenesis. For example, chemical mutagens include sodium bisulfite, nitrous acid, hydroxylamine, hydrazine and formic acid. Other compounds that are analogs of nucleotide precursors include nitrosoguanidine, 5-bromouracil, 2-aminopurine, or acridine. Generally, such compounds are added to the PCR reaction instead of nucleotide precursors to mutate the sequence. Intercalating agents such as proflavin, acriflavin, quinacrine and the like can also be used. Random mutations in polynucleotide sequences can be achieved by replicating polynucleotides in a host (eg, E. coli ) lacking X-ray or ultraviolet radiation or DNA damage repair machinery. Generally, such mutated plasmid DNA or DNA fragments are introduced into E. coli and replicated as a pool or library of mutant plasmids.

선택적으로, 같은 유전자의 서로 다른 대립형질체(allele) 또는 서로 연관된 다른 종으로부터의 같은 유전자(cognate gene)로 구성되는 특정핵산의 혼합된 군이 자연계에서 발견될 수 있다. 선택적으로, 특정핵산의 혼합된 군은 퍼록시다아제 유전자 군같은 한 종 내에서 발견되는 서로 연관된 DNA 서열일 수 있다. 일단 특정핵산 서열의 혼합된 군이 발생하면, 폴리뉴클레오티드는 당업계에 잘 알려진 기술을 이용하여 적당한 클로닝 벡터에 삽입될 수 있다.Alternatively, a mixed group of specific nucleic acids may be found in nature consisting of different alleles of the same gene or cognate genes from different species that are associated with each other. Alternatively, the mixed group of specific nucleic acids may be interrelated DNA sequences found within one species, such as a group of peroxidase genes. Once a mixed group of specific nucleic acid sequences occurs, the polynucleotides can be inserted into suitable cloning vectors using techniques well known in the art.

일단, 개량된 폴리뉴클레오티드 분자가 발생하면, 그것은 당업계에 잘 알려진 방법에 따라 전문가에 의해 선택되는 적당한 벡터로 클론될 수 있다.Once the improved polynucleotide molecule occurs, it can be cloned into a suitable vector selected by a specialist according to methods well known in the art.

특정핵산의 혼합된 군이 벡터로 클론되면, 각각의 벡터를 숙주세포에 삽입하고 숙주세포가 벡터를 증폭하게 함으로써 특정핵산의 혼합된 군을 증폭시킬 수 있다. 선택(selection) 방법은 원하는 DNA 절편에 따라 다르다. 예를 들어, 본 발명에서 개선된 접힘 성질을 가지는 단백질을 암호화하는 DNA 절편을 단백질의 기능적 활성 및 봉입체 형성의 부재에 대한 시험결과로 결정할 수 있다. 그러한 시험법은 당업계에 잘 알려져 있다.When a mixed group of specific nucleic acids is cloned into a vector, the mixed group of specific nucleic acids can be amplified by inserting each vector into a host cell and allowing the host cell to amplify the vector. The selection method depends on the DNA fragment desired. For example, in the present invention, DNA fragments encoding proteins having improved folding properties can be determined by test results for the functional activity of the protein and the absence of inclusion body formation. Such assays are well known in the art.

의도적 개량기술을 이용하여, 본 발명은E.coli또는 효모같은 통상적 또는 용이한 발현시스템에서 올바르게 접힘되고, 기능적이며 용해성인 단백질을 생성하기 위한 새로운 방법을 제공한다. 발현시스템으로부터 생성된 관심대상의 단백질이 개선된 발현, 접힘 및/또는 기능적 성질을 가지고 있는지 결정하는데 통상적인 시험법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 의도적 개량기술을 적용받아 외부숙주세포에서 발현된 폴리뉴클레오티드가 개선된 접힘을 가지는 단백질을 생성하는지 여부를 결정하기 위하여, 당업계의 전문가는 단백질의 기능적활성을 시험하도록 고안된 실험을 수행할 수 있다. 간단히 말하면, 개량된 단백질은 빠르게 스크리닝되어 분비된 발현시스템 또는 배지로부터 쉽게 분리되고 정제될 수 있다. 그것은 곧바로 자연적 형태의 특별한 단백질의 기능적 활성을 시험하도록 고안된 검정법에 적용될 수 있다. 다양한 단백질에 대한 그러한 실험법이 당업계에 잘 알려져 있으며, 하기 실시예에서 논의된다.Using intentional refinements, the present invention provides new methods for producing correctly folded, functional and soluble proteins in conventional or easy expression systems such as E. coli or yeast. Conventional assays can be used to determine whether the protein of interest produced from the expression system has improved expression, folding and / or functional properties. For example, in order to determine whether a polynucleotide expressed in an external host cell produces a protein with improved folds by applying intentional refinement techniques, experts in the art perform experiments designed to test the functional activity of the protein. can do. In short, the improved protein can be quickly screened and easily isolated and purified from the secreted expression system or medium. It can be immediately applied to assays designed to test the functional activity of particular proteins in their natural form. Such assays for various proteins are well known in the art and are discussed in the Examples below.

하나의 구체적 실시태양에서, 본 발명은 헴단백질의 변형체를 암호화하는 폴리뉴클레오티드의 사용을 심사숙고한다. 따라서, 본 발명은 발현시스템에 사용된숙주세포(예를 들어,E.coli)에서 올바르게 접힘되고, 기능적 활성을 유지하며, 봉입체 형성문제를 제거한 HRP같은 새로운 퍼록시다아제 효소를 발생시키기 위해 의도적 개량기술을 사용한다.In one specific embodiment, the present invention contemplates the use of a polynucleotide encoding a variant of heme protein. Thus, the present invention is intentional to generate new peroxidase enzymes such as HRP that fold correctly, maintain functional activity, and eliminate inclusion body formation problems in host cells (eg, E. coli ) used in expression systems. Use improved technology.

본 발명은 또한 숙주세포, 프로모터 및 시그널 서열의 선택을 포함하는 발현시스템을 선택하거나 최적화하기 위하여 적용될 수 있다. 발현조건이 또한 본 발명에 따라서 최적화될 수 있다.The invention can also be applied to select or optimize expression systems, including the selection of host cells, promoters and signal sequences. Expression conditions can also be optimized in accordance with the present invention.

하기 실시예는 본 발명의 방법을 기술하는데, 특히, 통상적 발현시스템을 사용하여 발현되었을때, 봉입체를 형성하지 않고 기능적 활성을 유지하는 HRP 변형체를 발생시키는 의도적 개량기술의 사용을 가르친다. 보통, 동일한 자연적 단백질은 통상적 발현시스템에서 발현후 봉입체를 형성하며 기능적 활성을 거의 유지하지 않는다.The following examples describe the methods of the present invention, and in particular, teach the use of intentional refinements to generate HRP variants that, when expressed using conventional expression systems, do not form inclusion bodies and maintain functional activity. Usually, the same natural protein forms a post-expression inclusion body in a conventional expression system and maintains little functional activity.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples in accordance with the gist of the present invention. .

실시예 1:E.coli및 효모에서 서양고추냉이 퍼록시다아제(horseradish peroxidase, HRP)의 기능적 발현 Example 1 Functional Expression of Horseradish Peroxidase (HRP) in E. coli and Yeast

산업적 생촉매로 사용되는 진핵세포 퍼록시다아제를 개발하는데 많은 관심이 집중되고 있다. 그러나, 특정한 성질을 개선하려는 단백질공학 및 의도적 개량 기술이 용이한 재조합 발현시스템의 부족으로 곤란하게 되었다. 돌연변이 HRP의 대량 스크리닝에 적합한 세균 발현시스템을 개발하려는 노력에서, 본 발명의 실시예는 시그널 펩티드 pelB에 HRP같은 헴 단백질 유전자를 삽입하여, 그것의 발현을 위한 세균 발현시스템 개발을 기술한다. 부가적으로, 이러한 유전자를 의도적 개량기술에 적용함으로써 헴 단백질이E.coli에서 보다 효과적으로 접힘하여 열 및 과산화수소(H2O2)에 대한 저항성을 갖도록 한다. 본 실시예는 산업적 생촉매로서 유망하나 봉입체 형성 및 세포에 의한 비효율적인 분비때문에 적합한 세균 또는 효모 발현시스템이 부족한 많은 효소들을 미세조정하는 노력을 매우 쉽게 해주는 접근법을 제공한다.Much attention has been focused on developing eukaryotic peroxidases that are used as industrial biocatalysts. However, protein engineering and intentional improvement techniques to improve certain properties have been difficult due to the lack of easy recombinant expression systems. In an effort to develop a bacterial expression system suitable for mass screening of mutant HRP, an embodiment of the present invention describes the development of a bacterial expression system for its expression by inserting a heme protein gene such as HRP into the signal peptide pelB. In addition, the application of these genes to intentional retrofitting allows the heme protein to fold more effectively in E. coli to resist heat and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). This example provides an approach that makes it very easy to fine tune many enzymes that are promising as industrial biocatalysts but lack adequate bacterial or yeast expression systems due to inclusion body formation and inefficient secretion by cells.

HRP의 클로닝Cloning of HRP

HRP 유전자(N-말단에 메티오닌이 추가된)는 PCR법에 의해 개시코돈에 AatII 부위 및 종료코돈 바로 아래쪽에 HindIII 부위를 도입한 플라스미드 pBBG10으로부터 클론되었다. 이 플라스미드는 Smith et al.(참조: 13)에 기술된 합성 HRP 유전자를 포함하고 있는데, 이것의 DNA 서열은 HRP 단백질에 대한 아미노산 서열에 기초한다(참조: 49). pBBG10은 잘 알려진 플라스미드 pUC19의 폴리링커 HindIII 및EcoRI 부위 사이에 HRP 서열을 삽입함으로써 만들어졌다. 이 플라스미드로부터 획득된 PCR 생성물을 AatII로 자르고, t4DNA 중합효소로 blunt-end를 만들고, HindIII로 잘랐다. 잘라진 생성물을 McsI 및 HindIII 처리된 pET-22b(+)(Novagen)에 연결시켜 벡터 pETpelBHRP를 만들었다. 이 발현벡터의 지도가 도 1에 개시되어 있다. 이 구조물에서, HRP 유전자는 T7 프로모터의 조절하에 있으며, 이론적으로 주변세포질공간(periplasmic space), 즉, 세포원형질 밖으로 단백질의 이동을 안내하는 pelB 시그널 서열(참조: 27)과 해독틀이 맞도록 융합되었다(참조: 서열번호 1, 서열번호 2 및 도 2). 연결생성물을 1mM IPTG(isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside)에 의한 유도의 존재 또는 비존재하에 단백질의 발현을 위해E.coli균주 BL21(DE3)에 형질전환하였다.The HRP gene (with methionine added to the N-terminus) was cloned from plasmid pBBG10, which introduced the AatII site to the initiation codon and the HindIII site just below the termination codon by PCR. This plasmid contains the synthetic HRP gene described in Smith et al. (13), whose DNA sequence is based on the amino acid sequence for the HRP protein (49). pBBG10 was made by inserting an HRP sequence between the polylinker HindIII and EcoRI sites of the well known plasmid pUC19. PCR products obtained from this plasmid were cut with AatII, blunt-end with t4DNA polymerase, and cut with HindIII. The cleaved product was linked to McsI and HindIII treated pET-22b (+) (Novagen) to create the vector pETpelBHRP. A map of this expression vector is shown in FIG. In this construct, the HRP gene is under the control of the T7 promoter and theoretically fused to fit the reading frame with the periplasmic space, the pelB signal sequence (27) that guides the transport of proteins out of the cytoplasm. (See SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 2 and FIG. 2). The ligation product was transformed into E. coli strain BL21 (DE3) for expression of the protein in the presence or absence of induction by 1 mM IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside).

IPTG로 유도된 세포에선, 비록 HRP 폴리펩티드가 전체 세포단백질의 20%이상을 차지하더라도, BL21(DE3)세포 및 pET-22b(+)를 갖고 있는 BL21(DE3) 세포에 대해 백그라운드 이상의 퍼록시다아제 활성이 검출되지 않았다. 이것은 선행기술의 관찰결과와 잘 일치한다(참조: 12-14).In IPTG-induced cells, even if HRP polypeptides make up more than 20% of the total cellular protein, background or more peroxidase against BL21 (DE3) cells and BL21 (DE3) cells with pET-22b (+) No activity was detected. This is in good agreement with the observations of the prior art (cf. 12-14).

IPTG로 유도되지 않은 세포에서, ABTS(azino-di-(ethylbenzthiazoline sulfonate)에 대하여 약하긴 하지만 측정할 수 있는 활성을 보이는 클론이 발견되었다.In cells not induced with IPTG, clones were found that showed weak but measurable activity against azino-di- (ethylbenzthiazoline sulfonate).

pET-22b(+) 벡터의 T7 프로모터는 릭키(leaky)한 것으로 알려져 있으며(참조: 31), 이론적으로 기본수준으로 생성되는 HRP 폴리펩티드의 일부가 자연적 형태로 접힘될 수 있는 것이 가능하다. 반대로, IPTG의 첨가는 높은 수준의 HRP 합성을 유도하지만, 사슬의 응집으로 인해 올바른 접힘이 일어나지 못하게 한다. 그 결과, 무작위 돌연변이 및 스크리닝이 보다 높은 HRP 활성 발현을 이끄는 돌연변이를 식별하기 위해 사용되었다.The T7 promoter of the pET-22b (+) vector is known to be leaky (31), and it is possible that part of the HRP polypeptide produced theoretically at baseline can be folded into its natural form. In contrast, the addition of IPTG induces high levels of HRP synthesis but prevents correct folding due to aggregation of the chains. As a result, random mutations and screening were used to identify mutations that lead to higher HRP activity expression.

따라서, 본 발명의 한가지 측면은 어떤 조건에서는 적은 양의 폴리펩티드를 생성하고, 다른 조건에서는 많은 양의 폴리펩티드를 생성하는 프로모터의 사용을 포함한다. 예를 들어, "릭키(leaky)" 유도적 프로모터가 사용될 수 있다. 이러한 형의 프로모터는 유도화합물의 존재하에서는 특정단백질의 많은 양을 생성하지만, 유도제가 없을때는 훨씬 적은 양의 단백질을 만든다. 한 가지 구체적 실시태양에서, 폴리펩티드는 어떤 조건(예를 들어, 유도제의 존재하)에서 과발현되고, 다른 조건(예를 들어, 유도제의 비존재하)에서는 저발현될 수 있다. 보통 또는 과발현되었을때 불활성이나 저발현되었을때 활성적인 폴리펩티드는 본 발명의 모체 폴리펩티드로서의 사용에 특히 적합하다. 그러한 발현저항성 폴리펩티드는 본 발명의 방법을 사용하여 높은 수율과 활성을 나타내는 기능적이고 활성적인 발현을 제공하도록 개선될 수 있다.Thus, one aspect of the invention involves the use of a promoter that produces a small amount of polypeptide under some conditions and a large amount of polypeptide under other conditions. For example, a "leaky" inducible promoter can be used. This type of promoter produces a large amount of a specific protein in the presence of an inducer, but in the absence of an inducer it produces much less protein. In one specific embodiment, the polypeptide may be overexpressed under certain conditions (eg in the presence of an inducing agent) and underexpressed under other conditions (eg without the inducing agent). Polypeptides that are inert when under or overexpressed or active when underexpressed are particularly suitable for use as the parent polypeptide of the invention. Such expression resistant polypeptides can be improved to provide functional and active expression that exhibits high yields and activities using the methods of the invention.

무작위 라이브러리의 발생 및 스크리닝Generation and Screening of Random Libraries

검출될만한 퍼록시다아제 활성을 나타내는 HRP 클론중의 하나가 에러-프론 PCR 돌연변이법의 1세대로 사용되었다. 무작위 라이브러리가 상기 기술된 에러-프론 PCR 실험법의 변형(참조: 20, 21, 22)에 의해 발생되었다(0.15mM MnCl2가 0.5mMMnCl2대신 사용되었다.). 이 실험법은 망간이온과 불균형 뉴클레오티드를 병합하며 전이(transition) 및 트랜스버젼(transversion) 모두를 발생시켜 아미노산 변화의 보다 넓은 범위를 제공한다(참조: 50).One of the HRP clones showing detectable peroxidase activity was used as the first generation of error-pron PCR mutagenesis. Random libraries were generated by the modifications of the error-pron PCR assay described above (20, 21, 22) (0.15 mM MnCl 2 was used in place of 0.5 mMnCl 2 ). This assay incorporates manganese ions and unbalanced nucleotides and gives rise to both transition and transversion to provide a broader range of amino acid changes (50).

간단히 말해서, PCR 반응용액은 100μl 부피에 20fmole의 주형, 각각 30pmole의 두 개의 프라이머, 7mM MgCl2, 50mM KCl, 10mM Tris-HCl(pH 8.3), 0.01% 겔라틴, 0.2mM dATP, 1mM dCTP, 1mM dTTP, 0.15mM MnCl2및 5 유닛의 Taq 중합효소를 포함하였다. PCR 반응은 다음과 같은 척도를 사용하여 MJ PTC-200 순환기(MJ Research, MA)에서 30회 수행되었다: 94oC에서 1분, 50oC에서 1분 및 72oC에서 1분. 사용된 프라이머는 다음과 같다:In brief, the PCR reaction solution contains 20fmole template in 100μl volume, two primers of 30pmole each, 7mM MgCl 2 , 50mM KCl, 10mM Tris-HCl (pH 8.3), 0.01% gelatin, 0.2mM dATP, 1mM dCTP, 1mM dTTP, 0.15 mM MnCl 2 and 5 units of Taq polymerase were included. PCR reactions were performed 30 times in an MJ PTC-200 circulator (MJ Research, MA) using the following measures: 1 minute at 94 o C, 1 minute at 50 o C and 1 minute at 72 o C. The primers used are as follows:

5'-TTATTGCTCAGCGGTGGCAGCAGC(서열번호 15), 및5'-TTATTGCTCAGCGGTGGCAGCAGC (SEQ ID NO: 15), and

5'-AAGCGCTCATGAGCCCGAAGTGGC(서열번호 16)5'-AAGCGCTCATGAGCCCGAAGTGGC (SEQ ID NO: 16)

PCR 생성물은 프로메가 위자드(Promega Wizard) PCR 키트를 사용하여 정제되었고 NdeI 및 HindIII로 잘리었다. 잘린 생성물을 QIAEX II 겔 추출 키트를 사용하여 정제하였고, HRP 절편이 비슷하게 잘리고 정제된 pET-22b(+) 벡터에 연결되었다. 연결혼합물을 진 펄서(Gene Pulser II, Bio-Rad)를 사용하여 BL21(DE3)에 일렉트로포레이션시켜 형질전환시키었다. 세포의 성장 및 발현은 LB 배지에서 30oC 온도로 96웰 또는 384웰 플레이트에서 수행되었다. 퍼록시다아제 활성은 H2O2및 ABTS를 가지고 수행되었다(참조: 26).PCR products were purified using the Promega Wizard PCR kit and cut with NdeI and HindIII. The truncated product was purified using a QIAEX II gel extraction kit and the HRP fragments were similarly cut and linked to the purified pET-22b (+) vector. The linkage mixture was transformed by electroporation on BL21 (DE3) using Gene Pulser II, Bio-Rad. Cell growth and expression were performed in 96-well or 384-well plates at 30 ° C. in LB medium. Peroxidase activity was performed with H 2 O 2 and ABTS (26).

각각의 세대에 대하여, 전형적으로 12,000 내지 15,000 개의 콜로니를 택하여 96웰 플레이트에서 스크리닝하였다. 이 숫자는 한 개의 돌연변이에 대해 어떠한 돌연변이도 95%의 확룰로 적어도 한 번 샘플링 될 수 있는 모든 접근 가능한 수치이다(참조: 25). 콜로니를 손으로 따거나 Caltech, Q-bot(Genetix, UK) 자동화 콜로니 집게를 이용하여 딴다. 도 5A 및 5B에서 보듯이, 스크리닝된 (IPTG가 첨가되지 않은) 12,000개 콜로니 중에서, HRP1A6라 명명된 돌연변이가 모체 클론보다 10 내지 14배 높은 퍼록시다아제 활성을 보였다. 도 6에서 보듯이, 이 돌연변이 클론은 5μM의 IPTG가 첨가되었을때, 상당히 저하된 활성을 나타내었다. Sigma는 서양고추냉이(horseradish)로부터의 정제된 HRP 1mg이 ABTS 검정법에 의해 1000 유닛의 활성을 가지고 있다고 보고하였다. 다른 연구자들도 비슷한 결과를 보고하였다(참조: 13). 이 자료에 기초하여, 활성 HRP의 농도는 100μg/L인 것으로 추산된다. HRP1A6는 100유닛/L보다 훨씬 더 큰 활성을 나타내었다. 이것은 실험실적 조건에서 응집된 HRP 사슬을 재접힘함으로써 얻는 수율과 비교할 만하다(참조: 13). HRP 돌연변이에 대한 이러한 수준의 발현은E.coli에서 세 개의 이황화결합을 가지는 비당쇄 단백질인 소 췌장 트립신 억제제(bovine pancreatic trypsin inhibitor)에 대한 발현수준과 비슷하다(참조: 32). ABTS 활성에 의해 판단된 HRP 활성의 95% 이상이 LB 배양배지에 있는 것이 발견되었다.For each generation, typically 12,000-15,000 colonies were taken and screened in 96 well plates. This number is all accessible values for which one mutation can be sampled at least once with 95% probability (25). Pick colonies by hand or use Caltech, Q-bot (Genetix, UK) automated colony forceps. As shown in FIGS. 5A and 5B, out of 12,000 colonies screened (no IPTG added), a mutation named HRP1A6 showed 10-14 times higher peroxidase activity than the parent clone. As shown in FIG. 6, this mutant clone showed significantly lowered activity when 5 μM of IPTG was added. Sigma reported that 1 mg of purified HRP from horseradish had 1000 units of activity by the ABTS assay. Other researchers reported similar results (13). Based on this data, the concentration of active HRP is estimated to be 100 μg / L. HRP1A6 showed much greater activity than 100 units / L. This is comparable to the yield obtained by refolding aggregated HRP chains under laboratory conditions (13). This level of expression for HRP mutations is comparable to that of the bovine pancreatic trypsin inhibitor, a non-sugar chain protein with three disulfide bonds in E. coli (32). It was found that more than 95% of the HRP activity determined by ABTS activity was in LB culture medium.

돌연변이 HRP는 4oC에서 1주일동안 안정하였다. IPTG는 특별하게 명시되지 않는 한, 모든 HRP 발현실험에서 제외하였다. HRP에 대한 퍼록시다아제 활성시험은 고전적인 퍼록시다아제 검정법인, ABTS와 과산화수소를 가지고 수행되었다(참조: 26). 마이크로플레이트에서 15μl의 세포현택액을 ABTS/H2O2(2.9mM ABTS, 0.5mM H2O2,pH 4.5) 140μl와 혼합하고 활성은 25oC에서 스펙트라맥스(SpectraMax plate reader, Molecular Devices, Sunnyvale, CA) 리더를 사용하여 결정하였다. HRP 1 유닛은 검정조건에서 1분당 1μmole의 ABTS를 산화시키는 효소의 양으로서 정의된다.Mutant HRP was stable at 4 o C for 1 week. IPTG was excluded from all HRP expression experiments unless otherwise specified. The peroxidase activity test for HRP was performed with the classic peroxidase assay, ABTS and hydrogen peroxide (26). In a microplate, 15 μl of cell suspension was mixed with 140 μl of ABTS / H 2 O 2 (2.9 mM ABTS, 0.5 mM H 2 O 2, pH 4.5) and the activity was measured at 25 ° C. by SpectraMax plate reader, Molecular Devices, The decision was made using a Sunnyvale, CA) reader. One HRP unit is defined as the amount of enzyme that oxidizes 1 μmole of ABTS per minute in assay conditions.

돌연변이 유전자의 서열결정을 한 결과, 아미노산 아스파라긴(Asp 또는 N)에 대한 코돈 AAC가 아미노산 아스파틱 산(Asp 또는 D)에 대한 코돈 GAC로 바뀌는 255번 위치의 돌연변이가 발견되었다. 이 잔기는 잠정적인 당쇄화 부위이며, 단백질의 표면에 위치해 있다. 이 돌연변이 HRP1A6의 서열이 도 3(서열번호 3)에 나타나 있다. 이 돌연변이를 포함한 플라스미드 pETpelBHRP1A6의 지도가 도 4에 나타나 있다. Asn255Asp 돌연변이를 보여주는 HRP 돌연변이의 구조도가 도 7에 나타나 있다.Sequencing of the mutant gene revealed a mutation at position 255 where the codon AAC for amino acid asparagine (Asp or N) is replaced with a codon GAC for amino acid aspartic acid (Asp or D). This residue is a potential glycosylation site and is located on the surface of the protein. The sequence of this mutant HRP1A6 is shown in Figure 3 (SEQ ID NO: 3). A map of plasmid pETpelBHRP1A6 containing this mutation is shown in FIG. 4. The structural diagram of the HRP mutation showing Asn255Asp mutation is shown in FIG. 7.

효모에서의 HRP 기능적발현HRP Functional Expression in Yeast

자연적 HRP 단백질은 4개의 이황화결합을 포함하고 있으며,E.coli는 제한된 이황화결합 형성 능력을 가지고 있다. 이론적으로, HRP(및 다른 식물 퍼록시다아제)내의 잘 보존된 이황화결합은 단백질의 구조통합에 중요한 것으로 여겨지며 돌연변이에 의해 대체되어서는 안 될 것이다. 효모는 훨씬 많은 이황화결합 형성능력을 가지고 있다. 따라서,E.coli에서 이황화결합 형성의 제한에 의해 부과된 HRP 접힘에 대한 명백한 한계를 경감하길 원하면 특히 효모는E.coli대신 적당한 발현숙주로 사용될 수 있다. 예를 들어,S.cerevisiae는 돌연변이 HRP 유전자 및 단백질의 발현을 위한 숙주로서 사용될 수 있다.Natural HRP proteins contain four disulfide bonds, and E. coli has a limited ability to form disulfide bonds. In theory, well-conserved disulfide bonds in HRP (and other plant peroxidases) are considered important for structural integration of proteins and should not be replaced by mutations. Yeast has much more ability to form disulfide bonds. Therefore, if you want to reduce the apparent limit to the HRP folding imposed by the limitations of the E.coli disulfide bond formation in particular yeast it can be used in place of a suitable expression host E.coli. For example, S. cerevisiae can be used as a host for the expression of mutant HRP genes and proteins.

HRP 돌연변이(HRP1A6)는 Clonetech(Palo Alto, CA)로부터 얻은 분비벡터 pYEX-S1로 클로닝되어, pYEXS1-HRP를 만들어냈다(참조: 도 8). 이 벡터는 포스포글라이세레이트 키나아제(phosphoglycerate kinase) 프로모터 및 클루베로마이시스 락티스(Kluveromyces lactis)의 분비시그널 펩티드를 이용한다. 플라스미드는 먼저E.coli에서 증폭되었으며, 그 다음에 Yeast Genetic Stock Center(YGSC, University of California, Berkeley)로부터 얻은S. cerevisiae균주 BJ5465에 LiAc 방법(참조: 36)을 사용하여 형질전환시키었다. BJ5465는 프로타아제(protease)가 결핍되어 분비에 적합한 것으로 알려져 있다.The HRP mutation (HRP1A6) was cloned into the secretion vector pYEX-S1 obtained from Clonetech (Palo Alto, Calif.), Resulting in pYEXS1-HRP (see Figure 8). This vector utilizes a phosphoglycerate kinase promoter and secretory signal peptide of Kluveromyces lactis. The plasmid was first amplified in E. coli and then transformed into S. cerevisiae strain BJ5465 obtained from Yeast Genetic Stock Center (YGSC, University of California, Berkeley) using the LiAc method (36). BJ5465 is known to be suitable for secretion due to a lack of protease.

효모에서 HRP 에러-프론 PCR의 1세대가 수행되었다. 처음 스크리닝된 7400개의 돌연변이중에서, 4개의 변형체가 효모에서 HRP1A6보다 400% 높은 활성을 나타내었다. 보다 자세한 사항 및 결과가 실시예 2에 나타나 있다.First generation of HRP error-pron PCR in yeast was performed. Of the 7400 mutations initially screened, four variants showed 400% higher activity than HRP1A6 in yeast. More details and results are shown in Example 2.

실시예 2: 의도적 개량기술을 통한 효모에서의 HRP 기능적 발현 Example 2 Functional Expression of HRP in Yeast Through Intentional Improvement Techniques

본 실시예는 HRP의 기능적 발현을 더 개선시키는 의도적 개량기술의 사용을 기술한다. 실시예 1에서 설명된 것처럼, HRP1A6 변형체가 분리되었다. HRP는 4개의 이황화결합을 가지고 있고,E.coli는 제한된 이황화결합 형성능력을 가지고 있기 때문에,E.coli에서 HRP의 발현을 더 개선시키는 것은 시스테인을 포함하는 이황화결합의 올바른 짝짓기에 의해 제한을 받는다.S. cerevisiae같은 효모 세포는 훨씬 더 큰 이황화결합 형성능력을 가지고 있으며, 퍼록시다아제 효소의 이황화결합을 수용하는데 유리하다. 이론적으로, HRP 및 다른 식물 퍼록시다아제의 잘 보존된 이황화결합은 단백질의 구조통합에 중요한 것으로 여겨지며 돌연변이에 의해 대체되어서는 안 될 것이다. 따라서,E.coli에서 이황화결합 형성의 제한에 의해 부과된 HRP 접힘에 대한 명백한 한계를 경감하길 원하면 특히 효모는E.coli대신 적당한 발현숙주로 사용될 수 있다.This example describes the use of intentional refinements to further improve the functional expression of HRP. As described in Example 1, the HRP1A6 variant was isolated. Since HRP has four disulfide bonds and E. coli has limited disulfide bond formation capacity, further improvement of HRP expression in E. coli is limited by the correct pairing of disulfide bonds containing cysteine. . Yeast cells, such as S. cerevisiae, have a much larger disulfide bond forming capacity and are advantageous for accepting disulfide bonds of peroxidase enzymes. In theory, well-preserved disulfide bonds of HRP and other plant peroxidases are considered important for structural integration of proteins and should not be replaced by mutations. Therefore, if you want to reduce the apparent limit to the HRP folding imposed by the limitations of the E.coli disulfide bond formation in particular yeast it can be used in place of a suitable expression host E.coli.

따라서,S. cerevisiae가 HRP의 발현을 위한 선택적 숙주로서 선발되었다.S. cerevisiae는 미생물이며 진핵세포이고, 폴리펩티드의 이황화결합 형성 및 당쇄화를 촉진할 수 있는 소포체(endoplasmic reticulum, ER) 및 골지체(Golgi complex)같은 진핵세포 단백질의 번역후 변형기구 및 분비기구를 가지고 있다. 유전자 조작 기술(특히, 유전자 형질전환)을 또한 쉽게 이용할 수 있다. 결점은 효모가 단백질을 거의 분비하지 않는다는 것이다. 더군다나, 효모의 당쇄화는 보다 고등한 진핵생물의 당쇄화와 상당히 다르며, 이것은 당단백질의 분비에 문제점을 제공할 수 있다(참조: 4). 그럼에도 불구하고, 몇개의 단백질은 효모로부터 효율적으로 분비되었다(참조: 4). 전략적으로, 본 실시예의 실험은 의도적 개량기술을 통하여 당쇄화 인자를 미세조정하는 반면, 이황화결합의 형성을 촉진하는 효모의 능력을 이용하였다.Thus, S. cerevisiae was selected as the selective host for the expression of HRP. S. cerevisiae are microorganisms and eukaryotic cells, with post-translational and secretory mechanisms of eukaryotic proteins such as endoplasmic reticulum (ER) and Golgi complex that can promote disulfide bond formation and glycosylation of polypeptides. have. Genetic engineering techniques (particularly gene transformations) are also readily available. The drawback is that yeast secretes little protein. Moreover, the glycosylation of yeast differs significantly from that of higher eukaryotes, which may present a problem in the secretion of glycoproteins (cf. 4). Nevertheless, several proteins were efficiently secreted from yeast (4). Strategically, the experiments of this example utilized the yeast's ability to promote the formation of disulfide bonds, while fine-tuning glycosylation factors through intentional refinement techniques.

HRP 효모 발현시스템의 구축Construction of HRP Yeast Expression System

실시예 1로부터의 HRP 돌연변이 HRP1A6는 Clonetech(Palo Alto, CA)로부터 얻은 분비벡터 pYEX-S1로 클로닝되어, pYEXS1-HRP를 만들어냈다(참조: 도 8). 이 벡터는 포스포글라이세레이트 키나아제(phosphoglycerate kinase) 프로모터 및 클루베로마이시스 락티스(Kluveromyces lactis)의 분비시그널 펩티드를 이용한다. pYEX-S1을 SacI으로 잘라 T4 DNA 중합효소로 blunt-end를 만들었다. 성숙한 HRP1A6 유전자는 blunt-end 생성물을 만드는 교정 중합효소(proofreading polymerase) pfu(Stratagene, CA)를 사용하여 PCR 법으로 pETpelBHRP1A6로부터 클로닝되었다. 사용된 앞쪽 및 반대쪽 프라이머는 각각 5'-CAGTTAACCCCTACATTC-3'(서열번호 25) 및 5'-TCATTAAGAGTTGCTGTTGAC-3'(서열번호 26)이었다. PCR 절편은 pYEX-S1의 잘려진 부위로 연결되어E.coliDH5α로 형질전환되었다. 수많은 콜로니들을 따서 하기 두 개의 프라이머를 가지고 콜로니 PCR반응에 의해 HRP 유전자 존재여부에 대해 스크리닝하였다: 5'-CGTAGTTTTTCAAGTTCTTAG-3'(서열번호 27) 및 5'-TCCTTACCTTCCAATAATTC-3'(서열번호 28). HRP 유전자의 올바른 방향을 시퀀싱을 통하여 확인하였다. 이 효모 발현벡터는 여기서부터 pYEXS1-HRP(참조: 도 8)이라고 언급된다. 이 구조물에서, HRP 유전자는 클루베로마이시스 락티스(Kluveromyces lactis)의 분비시그널 펩티드 바로 아래에 위치하고, 발현은 포스포글라이세레이트 키나아제(phosphoglycerate kinase) 프로모터의 통제하에 있다. 벡터는 또한 효모의 선택 마아커인leu2-d및 URA3 뿐만 아니라E.coli의 Amp저항성 유전자도 가지고 있다(참조: 47).The HRP mutant HRP1A6 from Example 1 was cloned into the secretion vector pYEX-S1 obtained from Clonetech (Palo Alto, Calif.), Resulting in pYEXS1-HRP (see Figure 8). This vector utilizes a phosphoglycerate kinase promoter and secretory signal peptide of Kluveromyces lactis. pYEX-S1 was cut with SacI to make blunt-ends with T4 DNA polymerase. The mature HRP1A6 gene was cloned from pETpelBHRP1A6 by PCR using a proofreading polymerase pfu (Stratagene, CA) to produce blunt-end products. The front and reverse primers used were 5'-CAGTTAACCCCTACATTC-3 '(SEQ ID NO: 25) and 5'-TCATTAAGAGTTGCTGTTGAC-3' (SEQ ID NO: 26), respectively. PCR fragments were linked to the truncated site of pYEX-S1 and transformed with E. coli DH5α. Numerous colonies were screened for the presence of the HRP gene by colony PCR with the following two primers: 5'-CGTAGTTTTTCAAGTTCTTAG-3 '(SEQ ID NO: 27) and 5'-TCCTTACCTTCCAATAATTC-3' (SEQ ID NO: 28). The correct orientation of the HRP gene was confirmed by sequencing. This yeast expression vector is referred to here as pYEXS1-HRP (see FIG. 8). In this construct, the HRP gene is located directly below the secretory signal peptide of Kluveromyces lactis and the expression is under the control of the phosphoglycerate kinase promoter. The vector also contains the Amp resistance genes of E. coli , as well as leu2-d and URA3, markers of selection in yeast (47).

발현실험에서, 플라스미드는 먼저E.coliDH5α에서 증폭되었으며, 그 다음에 Yeast Genetic Stock Center(YGSC, University of California, Berkeley)로부터 얻은S. cerevisiae균주 BJ5465에, Gietz et al.(참조: 48)에 의해 기술된대로 한 가닥 DNA를 사용하는 LiAc 방법을 사용하여 형질전환시키었다. BJ5465는 프로타아제(protease)가 결핍되어 분비에 적합한 것으로 알려져 있다. 형질전환후, 세포를 20μg/ml 류신, 20μg/ml 히스티딘, 20μg/ml 아데닌 및 20μg/ml 트립토판이 첨가된 YNB 선택배지에 도말하였다. 콜로니를 택하고 2일 16시간동안 공기순환배양기에서 30oC 온도로 YEPD 배지에서 96웰 마이크로플레이트에서 성장시키었다. HRP활성평가는 고전적인 퍼록시다아제 검정법인, ABTS 및 과산화수소를 사용하여 수행되었다(참조: 26). 효모에서 획득한 HRP1A6의 활성은E.coli로부터 얻은 것의 약 1/10밖에 안 되었으며, 이 구조물에서 야생형에 대해 얻은 값보다도 약간 작았다.In expression experiments, plasmids were first amplified in E. coli DH5α, and then in S. cerevisiae strain BJ5465 obtained from Yeast Genetic Stock Center (YGSC, University of California, Berkeley), Gietz et al. (48). Transformation was performed using the LiAc method using single stranded DNA as described. BJ5465 is known to be suitable for secretion due to a lack of protease. After transformation, cells were plated in YNB selective medium to which 20 μg / ml leucine, 20 μg / ml histidine, 20 μg / ml adenine and 20 μg / ml tryptophan were added. Colonies were taken and grown in 96-well microplates in YEPD medium at 30 ° C. in an air circulation incubator for 16 hours for 2 days. HRP activity evaluation was performed using ABTS and hydrogen peroxide, a classic peroxidase assay (26). The activity of HRP1A6 obtained in yeast was only about 1/10 of that obtained from E. coli , slightly less than that obtained for wild type in this construct.

HRP 돌연변이의 발생 및 스크리닝Generation and Screening of HRP Mutations

HRP 돌연변이 라이브러리는 HRP 유전자에 접한 하기 두 개의 프라이머가 돌연변이 PCR 반응에 사용된 것을 제외하면, 기술된대로(참조: 53) 에러-프론 PCR(참조: 20)에 의해 구축되었다: 5'-CAGTTAACCCCTACATTC-3'(서열번호 25) 및 5'-TGATGCTGTCGCCGAAGAAG-3'(서열번호 29). 또한, 열순환조건은 다음과 같다: 95oC 2분, (94oC 1분, 50oC 1분, 72oC 1분, 30 주기).The HRP mutation library was constructed by error-pron PCR (20) as described (53), except that the following two primers in contact with the HRP gene were used for the mutant PCR reaction: 5'-CAGTTAACCCCTACATTC- 3 '(SEQ ID NO: 25) and 5'-TGATGCTGTCGCCGAAGAAG-3' (SEQ ID NO: 29). The thermocycling conditions are as follows: 95 o C 2 min, (94 o C 1 min, 50 o C 1 min, 72 o C 1 min, 30 cycles).

PCR 생성물은 프로메가 위자드(Promega Wizard) PCR 키트(Madison, WI)를 사용하여 정제되었고, SacI 및 BamHI로 잘리었다(HRP의 처음 27개 아미노산은 변형되지 않은 상태로 놔두었다). 잘린 생성물을 QIAEX II 겔 추출 키트(QIAGEN, Valencia, CA)를 사용하여 정제하였고, HRP 절편이 비슷하게 잘리고 정제된 pYEXS1-HRP1A6 벡터에 연결되었다. 연결혼합물을 진 펄서(Gene Pulser II, Bio-Rad)를 사용하여E.coliHB101에 일렉트로포레이션시켜 형질전환시키고, 100mg/ml 암피실린이 첨가된 LB 배지에서 선택되었다. 콜로니는 LB 플레이트에서 직접 수확되었다. 이 플라스미드 DNA는 상기 기술된대로 효모 BJ5465를 형질전환시키는데 사용되었다.PCR products were purified using the Promega Wizard PCR kit (Madison, WI) and cut with SacI and BamHI (the first 27 amino acids of HRP were left unmodified). The truncated product was purified using QIAEX II gel extraction kit (QIAGEN, Valencia, Calif.) And the HRP fragments were similarly cut and linked to the purified pYEXS1-HRP1A6 vector. The linkage mixture was transformed by electroporation to E. coli HB101 using Gene Pulser II, Bio-Rad, and selected in LB medium with 100 mg / ml ampicillin. Colonies were harvested directly on LB plates. This plasmid DNA was used to transform yeast BJ5465 as described above.

YEPD 배지(1% yeast extract, 1% peptone, 2% glucose)를 포함한 96웰 마이크로플레이트에서 30oC, 64시간동안 배양기에서 배양하여 YNB 플레이트로부터 한 개의 콜로니를 땄다. 마이크로플레이트를 1500g에서 10분간 원심분리하여 각 웰의 상등액 10ml을 베크먼 96 채널 피페팅 스테이션(Beckman 96-channel pipetting station)을 가진 새로운 마이크로플레이트로 옮기고 전체 HRP 활성을 검정하였다. 이 실험법의 전체 표준편차(약 2% 정도 되는 피페팅 에러까지 포함하여)는 10%를 넘지 않았다. 개선된 돌연변이(가장 높은 전체 HRP 활성을 나타내는)를 직접 마이크로플레이트에서 회수하여 멸균된 과산화수소로 3번 세척하고 YNB 선택배지에서 다시 성장시켰다. HRP 돌연변이를 포함하는 플라스미드는 Zymo 효소 플라스미드 미니프렙 키트(Zymo Research, Orange, CA)를 가지고 효모세포로부터 추출되었으며, 증폭 및 제조분리를 위해E.coliX10-Gold로 되돌려 형질전환시키었다.One colony was removed from the YNB plate by incubating in a 96-well microplate containing YEPD medium (1% yeast extract, 1% peptone, 2% glucose) at 30 ° C. for 64 hours. The microplates were centrifuged at 1500 g for 10 minutes to transfer 10 ml of supernatant from each well to a new microplate with a Beckman 96-channel pipetting station and assayed for total HRP activity. The overall standard deviation of the test method (including about 2% pipetting error) did not exceed 10%. Improved mutations (which show the highest overall HRP activity) were recovered directly from microplates, washed three times with sterile hydrogen peroxide and grown again in YNB selection medium. Plasmids containing HRP mutations were extracted from yeast cells with the Zymo enzyme plasmid miniprep kit (Zymo Research, Orange, Calif.) And transformed back to E. coli X10-Gold for amplification and preparative separation.

HRP-발현 효모클론의 사전 스크리닝은 하기와 같이 실행되었다. YNB 플레이트의 콜로니를 MS1 지지 니트로셀룰로오스 막(Micron Separations Inc., Westboro, MA)에 복사하여 신선한 YEPD 한천에서 34시간동안 30oC에서 자라게 하였다. 막을 TMB 기질(0.8mM TMB, 2.9mM H2O2, 0.12%(w/v) dextran sulfate as enhancer) 100ml에 5분동안 담그어서 색깔이 발색되도록 하였다. 밝은 녹색을 나타내는 효모클론을 원래의 YNB 플레이트에서 추적하여 콜로니를 따고 상기에 기술된대로 스크리닝을 위해 YEPD에서 성장시키었다.Pre-screening of HRP-expressing yeast clones was performed as follows. Colonies of YNB plates were copied to MS1-supported nitrocellulose membranes (Micron Separations Inc., Westboro, Mass.) And grown at 30 ° C. for 34 hours on fresh YEPD agar. The membrane was soaked in 100 ml of TMB substrate (0.8 mM TMB, 2.9 mM H 2 O 2 , 0.12% (w / v) dextran sulfate as enhancer) for 5 minutes to allow color development. Yeast clones showing bright green were traced in the original YNB plates to pick colonies and grown in YEPD for screening as described above.

개선된 발현을 위한 효모에서의 1세대 HRP 돌연변이 유도Induction of first generation HRP mutations in yeast for improved expression

효모에서의 HRP1A6의 에러-프론 PCR의 제 1세대는 발현수준을 증가시키는데 에 목표가 있다. 전에 기술된대로, 뉴클레오티드 농도 및 망간이온 사이의 불균형을 병합하는 에러-프론 PCR이 사용되었다(참조: 20, 21). 이 실험법은 보다 넓은 범위의 아미노산 변화를 가능케 하는 무작위 돌연변이(random mutation)를 발생시킨다. 사용된 망간 이온의 농도는 100μM인데, 이것은 평균적으로 유전자마다 근사적으로 1 내지 2 돌연변이의 에러 속도를 나타내었다(참조: 22). PCR 생성물은 프로메가 위자드(Promega Wizard) 키트를 사용하여 정제되었고 SacI 및 BamHI로 잘리었다(HRP의 처음 27개 아미노산은 변형되지 않은 상태로 놔두었다.). 잘린 생성물을 QIAEX II 겔 추출 키트를 사용하여 정제하였고, HRP 절편이 비슷하게 잘리고정제된 pEXS1-HRP1A6 벡터에 연결되었다. 연결혼합물을 진 펄서(Gene Pulser II, Bio-Rad)를 사용하여E.coliHB101에 일렉트로포레이션시켜 형질전환시켰다.E.coli플레이트로부터 콜로니를 긁어서 LB 배지에 현탁시키고, 이것으로부터 플라스미드를 제조하였다. 이 플라스미드를 효모에 형질전환시켜 효모 콜로니를 얻고 상기와 같이 성장시키었다.The first generation of error-pron PCR of HRP1A6 in yeast is aimed at increasing expression levels. As previously described, error-pron PCR was used that incorporates an imbalance between nucleotide concentration and manganese ions (20, 21). This method generates random mutations that allow a wider range of amino acid changes. The concentration of manganese ions used was 100 μM, which on average represented an error rate of 1 to 2 mutations per gene, approximately 22. PCR products were purified using the Promega Wizard kit and cut with SacI and BamHI (the first 27 amino acids of HRP were left unmodified). The truncated product was purified using a QIAEX II gel extraction kit and the HRP fragments were similarly cut and linked to the purified pEXS1-HRP1A6 vector. The linkage mixture was transformed by electroporation to E. coli HB101 using Gene Pulser II, Bio-Rad. Colonies were scraped from E. coli plates and suspended in LB medium, from which plasmids were prepared. This plasmid was transformed into yeast to obtain yeast colonies and grown as above.

약 14,000 개의 콜로니를 택하여 스크리닝하였다. 이 숫자는 한 개의 돌연변이에 대해 어떠한 돌연변이도 95%의 확룰로 적어도 한 번 샘플링 될 수 있는 모든 접근 가능한 수치이다(참조: 25). 이 콜로니들 중에서, 수많은 돌연변이가 효모에서 모체(HRP1A6)보다 상당히 높은 활성을 나타내었다. 두 개의 예시적인 개선된 돌연변이를 HRP1-117G4(서열번호 12 및 서열번호 13) 및 HRP1-77E2(서열번호 5 및 서열번호 6)라고 명명하였다. HRP1-117G4는 모체보다 16배 높은 활성을 나타내었으며, 전체 활성은 약 220유닛/L이다(참조: 도 9). HRP1-77E2은 약 147유닛/L의 전체활성을 나타내었다. 이 두 개는 모두E.coli에서 얻은 최고로 높은 수준보다도 높다(참조: 도 12(HRP1-77E2) 및 도 16(HRP1-117G4)).Approximately 14,000 colonies were selected and screened. This number is all accessible values for which one mutation can be sampled at least once with 95% probability (25). Among these colonies, numerous mutations showed significantly higher activity in the yeast than the parent (HRP1A6). Two exemplary improved mutations were named HRP1-117G4 (SEQ ID NO: 12 and SEQ ID NO: 13) and HRP1-77E2 (SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6). HRP1-117G4 showed 16-fold higher activity than the parent, with a total activity of about 220 units / L (see Figure 9). HRP1-77E2 showed a total activity of about 147 units / L. Both are above the highest levels obtained in E. coli (see Figure 12 (HRP1-77E2) and Figure 16 (HRP1-117G4)).

개선된 발현을 위한 효모에서의 2세대 HRP 돌연변이 유도Induction of Second Generation HRP Mutations in Yeast for Improved Expression

에러-프론 PCR의 제 2세대는 HRP1-117G4를 모체로 사용하였다. 이 세대를 위해서, 더 높은 농도의 망간 이온이 돌연변이 비율을 높이기 위해 사용되었다. 이 변화는 하기 사항을 고려하여 만들어졌다. 스크리닝은 현재 약 104내지 105의돌연변이 라이브러리를 취급할 수 있기 때문에, 돌연변이 속도는 과거에 하나의 우위적인 돌연변이를 창조하는데에 상당히 제한되어 있었다(참조: 15). 본 실시예에서, 주어진 세대에 대해 모체보다 보다 활성적인 클론의 분획이 유전자마다 6개까지의 에러율로 상대적으로 일정하였다. 보다 높은 에러율을 이용하는 잇점은 스크리닝중에 분리된 혜택적인 돌연변이와 함께 중성적 돌연변이(neutral mutation)가 존재하도록 할 수 있다는 것이다. 이렇게 생긴 중성적 돌연변이는 새로운 형태의 돌연변이를 발생시키는데 교량역할을 하거나 새롭게 창조된 돌연변이와 상승적 상호작용을 함으로써 그 다음 세대에 유용할 수 있다. 이 세대에서 사용된 망간이온의 농도는 350μM이었으며, 이것은 평균적으로 유전자마다 근사적으로 4 내지 5 돌연변이의 에러 속도를 나타내었다(참조: 22).The second generation of error-pron PCR used HRP1-117G4 as a parent. For this generation, higher concentrations of manganese ions were used to increase the mutation rate. This change was made in consideration of the following. Since screening can now handle about 10 4 to 10 5 mutant libraries, mutation rates have been significantly limited in creating one dominant mutation in the past (15). In this example, the fraction of clones more active than the parent for a given generation was relatively constant with error rates of up to six per gene. The advantage of using a higher error rate is that neutral mutations can be present with beneficial mutations isolated during screening. These neutral mutations can be useful for the next generation by bridging new mutations or synergistically interacting with newly created mutations. The concentration of manganese ions used in this generation was 350 μM, which averaged an error rate of 4-5 mutations per gene on average (22).

부가적으로, 니트로셀룰로오스 막을 이용한 콜로니의 선스크리닝이 실행되었다. 이것은 보다 높은 에러율이 모체와 비슷하거나 모체보다 더 뛰어난 활성을 보이는 콜로니의 숫자를 감소시키기 때문에 가능하다. 콜로니를 니트로셀룰로오스 막에 복사하여 YEPD 플레이트에서 30시간동안 30oC에서 자라게 하였다. 막을 플레이트로부터 회수하여 TMB(tetramethylbenzidine) 및 과산화수소의 혼합물에 담궜다. 가장 밝은 색을 나타내는 콜로니를 식별하고, 동일한 모체 콜로니를 따서 마스터 플레이트에서 자라게 하였다. 이 세대에서, 약 120,000 콜로니가 스크리닝되었고(약 5,000개는 실제로 따서 성장시켰다.), 돌연변이 HRP2-28D6가 획득되었다. 이것은 모체 HRP1-117G4보다 85% 높은 활성을 나타내며, 410유닛/L의 전체활성을가진다(참조: 도 9).In addition, sunscreening of colonies with nitrocellulose membranes was performed. This is possible because higher error rates reduce the number of colonies that show similar or better activity than the parent. Colonies were copied to nitrocellulose membranes and grown at 30 ° C. for 30 hours on YEPD plates. The membrane was recovered from the plate and immersed in a mixture of tetramethylbenzidine (TMB) and hydrogen peroxide. The brightest color colonies were identified and grown in master plates following the same parental colonies. In this generation, about 120,000 colonies were screened (about 5,000 actually picked up) and mutant HRP2-28D6 was obtained. It exhibits 85% higher activity than the parent HRP1-117G4 and has a total activity of 410 units / L (see FIG. 9).

개선된 발현을 위한 효모에서의 3세대 HRP 돌연변이 유도Induction of Third Generation HRP Mutations in Yeast for Improved Expression

무작위 돌연변이의 3회전이 HRP2-28D6를 모체로 하여 비슷한 조건에서 실행되었다. 이 세대에서는, 전부 90,000개의 콜로니가 스크리닝되고, 3000개를 따서 성장시켰다. 최고의 돌연변이 HRP3-17E12가 1080유닛/L의 발현수준을 나타내었으며, 모체 HRP2-28D6보다 160% 증가하였으며, 시작 돌연변이인 HRP1A6보다 85배 증가한 수치이다.Three rounds of random mutations were performed under similar conditions using HRP2-28D6 as parent. In this generation, a total of 90,000 colonies were screened and grown 3,000. The highest mutant HRP3-17E12 showed an expression level of 1080 units / L, 160% higher than the parental HRP2-28D6, and 85 times higher than the starting mutation HRP1A6.

개선된 안정성을 위한 효모에서의 3세대 HRP 돌연변이 유도Induction of Third Generation HRP Mutations in Yeast for Improved Stability

열안정성 및 과산화수소에 대한 저항성을 개선하려는 HRP 무작위 돌연변이 1세대가 HRP1-77E2를 모체로 하여 실행되었다. 무작위 돌연변이(100μM 망간) 및 세포의 성장은 본질적으로 상기와 같이(선스크리닝없이) 수행되었다. 열안정성 시험은 73oC에서 10분의 배양시간동안 MJ-PTC-200 cycler(MJ Research, MA)를 사용하여 수행되었다. 과산화수소 저항성 시험은 실온에서 25mM H2O2및 선배양시간 30분, 25mM H2O2에서 ABTS 스크리닝에 의해 따로 수행되었다. 모체보다 보다 열안정적이거나 화학적으로 안정한(H2O2저항성) 돌연변이는 다양한 온도(열안정성을 위한) 또는 과산화수소 농도(H2O2안정성을 위한)에서 분석되었다.A first generation of HRP random mutants to improve thermostability and resistance to hydrogen peroxide were carried out with HRP1-77E2 as parent. Random mutations (100 μM manganese) and cell growth were performed essentially as above (without sunscreening). Thermostability testing was performed using a MJ-PTC-200 cycler (MJ Research, Mass.) For a 10 min incubation time at 73 ° C. Hydrogen peroxide resistance tests were performed separately by ABTS screening at 25 mM H 2 O 2 and preincubation time 30 minutes, 25 mM H 2 O 2 at room temperature. More thermostable or chemically stable (H 2 O 2 resistant) mutations than the parent were analyzed at various temperatures (for heat stability) or hydrogen peroxide concentration (for H 2 O 2 stability).

스크리닝된 3,000개의 콜로니 중에서, 열안정적인 돌연변이 HRP1-4B6가 모체의 T1/2(T1/2은 온도의 함수로서 HRP 불활성 곡선의 중간 전이점이다.) 보다 6oC 높은 T1/2값을 나타내었다(참조: 도 10). 또 다른 돌연변이인 HRP1-24D11은 모체 HRP1-77E2보다 뛰어나게 열안정적이지는 않으나, 과산화수소 분해에 대해 보다 저항적이었다(HRP 효소에 공통된 피드백 메카니즘은 HRP가 촉진시키는 효소반응의 반응물인 과산화수소에 의해 그것이 분해된다는 것이다.). HRP1-24D11 돌연변이는 25mM H2O2애서 30분동안 배양후 약 60%의 활성을 유지한 반면, 모체는 같은 조건에서 42%의 잔여활성을 나타내었다(참조: 도 11).From among the 3,000 colonies screened, the heat stable mutations HRP1-4B6 the matrix T 1/2 (T 1/2 is an intermediate transition point of the inert HRP curve as a function of temperature) than the 6 o C higher T 1/2 value (See FIG. 10). Another mutation, HRP1-24D11, was not as thermally stable as the parent HRP1-77E2, but was more resistant to hydrogen peroxide degradation. (The feedback mechanism common to HRP enzymes is that it is degraded by hydrogen peroxide, the reactant of HRP's enzymatic reaction. Will be). The HRP1-24D11 mutant maintained about 60% activity after incubation for 30 minutes in 25mM H 2 O 2 , while the mother showed 42% residual activity under the same conditions (see FIG. 11).

Pichia pastorisPichia pastoris 에서 HRP 발현벡터의 구축HRP Expression Vector

개선된 HRP 돌연변이는 생화학적 분석을 위한 돌연변이의 생산을 용이하게 하기 위해Pichia발현벡터 pPIZaB(Invitrogen Corp., Carlsbad, CA)로 클로닝되었다(참조: 54). 이 벡터는 C-말단 분비신호에 4개의 스페이서(spacer) 잔기 서열 Glu-Ala-Glu-Ala을 포함하는 a-인자 시그널 펩티드 및 메탄올에 의해 유도되는 Paox1프로모터를 가지고 있다. pPIZaB를 PstI으로 먼저 자르고, T4 중합효소에 의해 blunt-end로 만든 다음 EcoRI으로 잘랐다. 시료는 프로메가 DNA 정제 키트를 가지고 정제하였다. HRP 변형체의 암호화서열은 교정중합효소 pfu를 사용하여 PCR 법으로 pYEXS1-HRP부터 획득되었다. PCR 반응에 하기 두 개의 프라이머가 사용되었다: 5'-TCAGTTAACCCCTACATTC-3'(앞쪽, 서열번호 30) 및 5'-CCACCACCAGTAGAGACATGG-3'(뒤쪽, 서열번호 31). PCR 생성물을 EcoRI으로 자르고, 정제된 pPIZaB에 연결시켜 pPIZaB-HRP(도 1b)를 만들었는데 HRP 유전자는 a-인자 시그널의 바로 아래에 위치한다. 연결생성물을 처음에E.coliXL10-Gold에 형질전환시키고, 25mg/ml zeocin(Cayla, toulouse cedex, France)이 첨가된 저염LB 배지(1% 트립토판, 0.5% 효모 추출물, 0.5%NaCl, pH 7.5)에서 선택되었다. 하기 두 개의 프라이머를 가지고 콜로니 PCR 반응을 통해 콜로니의 HRP 유전자의 존재여부를 스크리닝하였다(참조: 55): 5'-GAGAAAAGAGAGGCTGAAGCTC-3'(앞쪽, 서열번호 32) 및 5'-TCCTTACCTTCCAATAATTC-3'(뒤쪽, 서열번호 33). 앞쪽 프라이머는 시그널 서열의 마지막 3개의 뉴클레오티드 및 HRP 서열의 첫번째 뉴클레오티드를 포함하며(밑줄친 부분), 이것은 양성반응 콜로니가 HRP 유전자의 전체길이를 올바른 방향으로 가지고 있다는 것을 확실하게 하여 준다. 플라스미드를 QIAgen 미니프렙 키트를 이용하여 양성형질전환체의 배양액으로부터 분리하였고, HRP 발현을 위한Pichia로 형질전환시키는데 사용되었다.Improved HRP mutations were cloned into Pichia expression vector pPIZaB (Invitrogen Corp., Carlsbad, Calif.) To facilitate the production of mutations for biochemical analysis (54). This vector has a P aox1 promoter induced by methanol and an a-factor signal peptide comprising four spacer residue sequences Glu-Ala-Glu-Ala in the C-terminal secretion signal. pPIZaB was first cut with PstI, blunt-end by T4 polymerase and then cut with EcoRI. Samples were purified with Promega DNA Purification Kit. The coding sequence of the HRP variant was obtained from pYEXS1-HRP by PCR using calibration polymerase pfu. Two primers were used for the PCR reaction: 5'-TCAGTTAACCCCTACATTC-3 '(front, SEQ ID NO: 30) and 5'-CCACCACCAGTAGAGACATGG-3' (back, SEQ ID NO: 31). The PCR product was cut with EcoRI and linked to purified pPIZaB to make pPIZaB-HRP (FIG. 1B) where the HRP gene is located just below the a-factor signal. The ligation product was first transformed into E. coli XL10-Gold, low salt LB medium (1% tryptophan, 0.5% yeast extract, 0.5% NaCl, pH 7.5) with 25 mg / ml zeocin (Cayla, toulouse cedex, France). ) Was selected. The presence of the HRP gene of the colonies was screened by colony PCR with the following two primers (see 55): 5'-GAGAAAAGAGAGGCTGAA GCTC- 3 '(front, SEQ ID NO: 32) and 5'-TCCTTACCTTCCAATAATTC-3' (Back, SEQ ID NO: 33). The front primer contains the last three nucleotides of the signal sequence and the first nucleotide of the HRP sequence (underlined), which ensures that the positive colonies have the full length of the HRP gene in the right direction. Plasmids were isolated from the culture of positive transformants using the QIAgen miniprep kit and used to transform with Pichia for HRP expression.

Pichia의 형질전환은 제조사의 방법에 따라(Invitrogen), 일렉트로포레이션으로 수행되었다. 형질전환전에, 플라스미드를 PmeI으로 잘라 선형으로 만들고, 프로메가 DNA 정제 키트를 이용하여 정제한 후, 이차증류수로 평형된 프린스턴 센트리-셉(Princeton Centri-Sep) 컬럼에 처리하여 잔여불순물을 제거하였다. Pichia transformation was performed by electroporation according to the manufacturer's method (Invitrogen). Prior to transformation, the plasmids were cut linearly with PmeI, purified using a Promega DNA purification kit, and then treated on a Princeton Centri-Sep column equilibrated with secondary distilled water to remove residual impurities.

형질전환 DNA와Pichia게놈 사이의 상동성재조합에 의해서 선형화 DNA를Pichia게놈으로 병합시켰다. 형질전환된 세포를 100mg/ml zeocin이 첨가된YPDS(1% yeast extract, 2% peptone, 2% glucose, 1M sorbitol)에 도말하였다. 특징적인 HRP 돌연변이를 포함하는 각각의 구조물에 대해서, 4 내지 6개의 형질전환체를 따서 상글 콜로니를 분리하기 위해 새로운 YPDS 플레이트(100mg/ml zeocin이 첨가된)에 도말하였고, 가장 높은 발현 수준을 나타내는 콜로니를 식별하도록 스크리닝하였다.PichiaX-33이 모든 발현시험에서 사용되었다. 초기실험에서PichiaX-33(Mut+) 균주가 KM17(Muts)보다 훨씬 좋은 HRP 발현을 나타내었다.Linearization DNA was incorporated into the Pichia genome by homologous recombination between the transforming DNA and the Pichia genome. Transformed cells were plated in YPDS (1% yeast extract, 2% peptone, 2% glucose, 1M sorbitol) to which 100 mg / ml zeocin was added. For each construct containing the characteristic HRP mutation, 4 to 6 transformants were plated on new YPDS plates (with 100 mg / ml zeocin added) to separate the Sangle colonies, showing the highest expression levels. Screened to identify colonies. Pichia X-33 was used in all expression tests. In early experiments, Pichia X-33 (Mut +) strains showed much better HRP expression than KM17 (Muts).

Pichia pastorisPichia pastoris 에서 HRP 발현HRP expression in

Pichia세포의 성장은 30oC 셰이커에서 수행되었다. pPIZaB-HRP를 갖고 있는 세포를 1% casamino acid가 첨가된 BMGY(1% yeast extract, 2% peptone, 100mM potassium phosphate, pH 6.0, 1.34% YNB, 4X10-5% biotin, 1% glycerol) 배지에서 O.D.6001.2-1.6이 될 때까지 성장시켰다. 세포의 pellet을 모아서 1% casamino acid가 첨가된 BMMY(BMGY와 같으나 1% glycerol 대신에 0.5% 메탄올을 첨가)에 O.D.6001.0이 되도록 현탁시켰다. 54 내지 72시간동안 세포를 성장시켰다. 유도 조건을 유지하기 위해 24시간마다 멸균된 메탄올을 첨가하였다. 상등액의 HRP 활성은 유도후 54 내지 60시간에서 최고조에 달하였다(O.D.600이 8.0 내지 10.0에 도달하는 시간이다.) 가능하면, 유도제 첨가시, 1.0mM 비타민 B1, 1.0mM d-ALA 및 0.5ml/L 희귀원소 혼합체(0.5g/L MgCl2, 30g/L FeCl26H2O, 1g/L ZnCl24H2O, 0.2g/LCoCl26H2O, 1g/L Na2MoO42H2O, 0.5g/L CaCl22H2O, 1g/L CuCl2및 0.2g/L H2BO3)를 성장배지에 첨가하였다. Pichia cell growth was performed in a 30 ° C shaker. Cells with pPIZaB-HRP were OD in BMGY (1% yeast extract, 2% peptone, 100 mM potassium phosphate, pH 6.0, 1.34% YNB, 4X10-5% biotin, 1% glycerol) medium supplemented with 1% casamino acid. Growing until 600 1.2-1.6. The pellets of cells were collected and suspended in BMMY with 1% casamino acid (the same as BMGY but with 0.5% methanol instead of 1% glycerol) to OD 600 1.0. Cells were grown for 54-72 hours. Sterilized methanol was added every 24 hours to maintain induction conditions. The HRP activity of the supernatant peaked at 54 to 60 hours post-induction (the time at which the OD 600 reached 8.0 to 10.0). If possible, 1.0 mM vitamin B1, 1.0 mM d-ALA and 0.5 ml with induction / L Rare Element Mixture (0.5g / L MgCl 2 , 30g / L FeCl 2 6H 2 O, 1g / L ZnCl 2 4H 2 O, 0.2g / LCoCl 2 6H 2 O, 1g / L Na 2 MoO 4 2H 2 O , 0.5 g / L CaCl 2 2H 2 O, 1 g / L CuCl 2 and 0.2 g / LH 2 BO 3 ) were added to the growth medium.

퍼록시다아제 활성 검정법Peroxidase Activity Assay

HRP에 대한 퍼록시다아제 활성평가는 고전적인 퍼록시다아제 검정법인 ABTS와 과산화수소를 사용하여 수행되었다(참조: 26). 10μl(또는 15μl)의 세포현탁액을 ABTS/H2O2(각각 0.5mM, 2.9mM, pH 4.5) 140μl(또는 150μl)와 마이크로플레이트에서 혼합하여, 405nm에서 흡광도 증가(산화된 ABTS의 e값은 34.700cm-1M-1)를 스펙트라 맥스 플레이트 리더(SpectraMax plate reader, Molecular Devices, Sunnyvale, CA)로 25OC에서 결정하였다. HRP의 1 유닛은 검정법 조건에서 1분당 1 μmole의 ABTS를 산화시키는 효소의 양으로 정의된다.Peroxidase activity evaluation on HRP was performed using the classic peroxidase assay ABTS and hydrogen peroxide (26). 10 μl (or 15 μl) of cell suspension was mixed with 140 μl (or 150 μl) of ABTS / H 2 O 2 (0.5 mM, 2.9 mM, pH 4.5) in a microplate to increase absorbance at 405 nm (e value of oxidized ABTS was the 34.700cm -1 M -1) to spectra max plate reader (SpectraMax plate reader, Molecular Devices, Sunnyvale, CA) was determined at 25 O C. One unit of HRP is defined as the amount of enzyme that oxidizes 1 μmole of ABTS per minute under assay conditions.

Guajacol 검정법Guajacol Assay

이 검정법은 50mM 인산완충액(pH 7.0)내의 1mM H2O2, 5mM Guajacol로 수행되며, 효모 상등액을 더한 후 470nm에서 흡광도 증가를 결정한다(470nm에서 산화된 생성물의 ε값은 26.000cm-1M-1이다.).This assay is performed with 1 mM H 2 O 2 , 5 mM Guajacol in 50 mM phosphate buffer (pH 7.0), and the addition of the yeast supernatant determines the increase in absorbance at 470 nm (ε value of oxidized product at 470 nm is 26.000 cm -1 M -1 .)

돌연변이의 안정성은 ABTS를 기질로 하여 상기 기술된대로 수행하여, 초기활성(Ai) 및 잔여활성(Aresid)에 대한 검정법을 사용하여 평가된다. Aresid은 H2O2가 없는 또는 1mM H2O2를 포함한 NaOAc 완충액(pH 4.5)에 HRP 돌연변이를 50oC에서 10분간 배양한 후 측정된다.Stability of the mutations is assessed using assays for initial activity (A i ) and residual activity (A resid ), performed as described above with ABTS as substrate. A resid is measured after incubating HRP mutations at 50 o C for 10 minutes in NaOAc buffer (pH 4.5) without H 2 O 2 or with 1 mM H 2 O 2 .

유기용매/완충액(NaOAc 완충액 50mM pH 4.5)혼합물에서의 안정성 검정법은 1mM H2O2및 2mM ABTS를 가지고 dioxane/완충액(20/80)에 효모에서 발현된 HRP 돌연변이 상등액(10μl)를 사용하여 수행된다.Stability assay in an organic solvent / buffer (NaOAc buffer 50 mM pH 4.5) mixture was carried out using HRP mutant supernatant (10 μl) expressed in yeast in dioxane / buffer (20/80) with 1 mM H 2 O 2 and 2 mM ABTS do.

PichiaPichia 에서 HRP 돌연변이의 생산Production of HRP Mutants in the

정제된 효소의 충분한 양을 얻기 위해,Pichia가 HRP 돌연변이의 생산을 증가시키려는 노력으로 사용되었다. HRP-C(야생형), HRP2-13A10(도 19, 서열번호 21 및 서열번호 22) 및 HRP3-17E12(도 20, 서열번호 23 및 서열번호 24)를Pichia분비벡터 pPICZaB에 클로닝하였다. 이 구조물(pPICZaB-HRP, 도 1b)에서, HRP는 a-인자 시그널 펩티드에 융합되었고, 발현은 메탄올로 유도되었다. 전형적인 발현 곡선이 도 25에 나타나 있다. HRP3-17E12에 대해, 55시간 배양후, 6,500유닛/L의 HRP 활성이 상등액에서 검출되었고(도 25, 흰 사각형), 효모로부터 얻어진 것의 6.5배이다. 본 실험실뿐만 아니라 타 연구자들의 연구에서도, 희귀금속원소(trace metal element), 헴 합성 중간체인 아미노레불리닉 산(aminolevulinic acid) 및 비타민 첨가물(티아민(thiamine)같은)을 배양배지에 첨가한 결과E.coli에서 헴을 포함하는 단백질의 수율에 엄청난 증가가 있었다(참조: 59-62). 본 실험에서 이러한 첨가물을Pichia배양배지에 첨가한 결과, 상등액에서 HRP3-17E12 활성의 32% 증가가 검출되었다(도 25, 검은 사각형).To obtain a sufficient amount of purified enzyme, Pichia was used in an effort to increase the production of HRP mutations. HRP-C (wild type), HRP2-13A10 (FIG. 19, SEQ ID NO: 21 and SEQ ID NO: 22), and HRP3-17E12 (FIG. 20, SEQ ID NO: 23, and SEQ ID NO: 24) were cloned into Pichia secretion vector pPICZaB. In this construct (pPICZaB-HRP, FIG. 1B), HRP was fused to a-factor signal peptide and expression was directed to methanol. Typical expression curves are shown in FIG. 25. For HRP3-17E12, after 55 hours of incubation, 6,500 units / L of HRP activity was detected in the supernatant (FIG. 25, white square), 6.5 times that obtained from yeast. After a as well as the laboratory was added in studies by other investigators, a rare metal element (trace metal element), heme synthesis intermediate amino LES disadvantage Nick acid (aminolevulinic acid), and (as thiamin (thiamine)) vitamin additives to the culture medium E There was a tremendous increase in the yield of heme-containing proteins in .coli (59-62). The addition of these additives to the Pichia culture medium in this experiment resulted in a 32% increase in HRP3-17E12 activity in the supernatant (FIG. 25, black square).

염기서열 결정자료Sequence Determination

염기서열을 결정한 결과, 열 및 과산화수소 안정성 연구에 사용된 모체인 HRP1-77E2는 D255가 N255(GAC → AAC), 두번째 돌연변이 L371(TTA → ATA)를 가지고 있었다. 이 잔기는 헬릭스(helix) 2의 일부이며, 헴 주머니 근처에 있다(참조 34; 도 12, 서열번호 5 및 서열번호 6).As a result of sequencing, HRP1-77E2, the parent for the thermal and hydrogen peroxide stability studies, had D255 of N255 (GAC → AAC) and the second mutation L371 (TTA → ATA). This residue is part of helix 2 and is near the heme sac (see 34; Fig. 12, SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6).

돌연변이 HRP1-4B6는 L371 뿐만 아니라 K232M(AAG → ATG)를 가지고 있다. 이 잔기는 헬릭스 14의 부분이며, 표면의 용매에 노출되어 있다(참조: 도 13, 서열번호 7 및 서열번호 8).Mutant HRP1-4B6 has K232M (AAG → ATG) as well as L371. This residue is part of Helix 14 and is exposed to a surface solvent (see Figure 13, SEQ ID NO: 7 and SEQ ID NO: 8).

HRP1-77E2 및 HRP1-4B6 사이의 열안정성을 가지는 돌연변이 HRP1-28B11은 L371외에 F221L(TTT → TTA)의 돌연변이를 가지고 있다. 이 잔기는 구조적 루프(loop)에 있으며, 기질접근채널의 부분이다(참조: 도 14, 서열번호 9 및 서열번호 10).The thermostable mutation HRP1-28B11 between HRP1-77E2 and HRP1-4B6 has a mutation of F221L (TTT → TTA) in addition to L371. This residue is in a structural loop and is part of the substrate access channel (FIG. 14, SEQ ID NO: 9 and SEQ ID NO: 10).

돌연변이 HRP1-24D11은 L371외에 L131P(CTA → CCA)의 돌연변이를 가지고 있다. 이 잔기는 헬릭스 7의 끝에 있으며, 표면에 노출되어 있다(참조: 도 15, 서열번호 11 및 서열번호 12).Mutant HRP1-24D11 has a mutation of L131P (CTA-> CCA) in addition to L371. This residue is at the end of helix 7 and is exposed on the surface (see Figure 15, SEQ ID NO: 11 and SEQ ID NO: 12).

전체활성면에서 1세대에서 가장 바람직한 돌연변이인 HRP1-117G4는 모체에 대하여 5개의 돌연변이를 포함한다: (1)D255 → N255(GAC → AAC)(야생형 서열); (2)L131P(CTA → CCA); (3)L223Q(CTG → CAG); silent mutation (4)N135(AAC →AAT) 및 (5)T257(ACT → ACA). L223Q 돌연변이에 대해서, 이 아미노산 잔기는 루프에 있고 용매에 노출되어 있다(참조: 도 16, 서열번호 13 및 서열번호 14).HRP1-117G4, the most preferred mutation in the first generation in terms of total activity, contains five mutations for the parent: (1) D255 → N255 (GAC → AAC) (wild-type sequence); (2) L131P (CTA-> CCA); (3) L223Q (CTG → CAG); silent mutations (4) N135 (AAC → AAT) and (5) T257 (ACT → ACA). For the L223Q mutation, this amino acid residue is in a loop and exposed to the solvent (see Figure 16, SEQ ID NO: 13 and SEQ ID NO: 14).

놀랍게도, 개선된 HRP 돌연변이, HRP1-80C12(참조: 도 17, 서열번호 17 및 서열번호 18) 및 HRP1-77E2(참조: 도 20, 서열번호 23 및 서열번호 24)도 또한 D255 → N255(GAC → AAC)를 가지고 있다. 부가적으로, HRP1-80C12는 HRP1-77G4에서 발견되는 L131P(CTA → CCA)를 포함하고 있다. 반면, HRP-77E2는 L371(TTA → ATA) 돌연변이를 가지고 있으며, 이것은 헬릭스 B, 헴 주머니의 일부이며 아마도 용매가 접근가능하다.Surprisingly, the improved HRP mutations, HRP1-80C12 (see Figure 17, SEQ ID NO: 17 and SEQ ID NO: 18) and HRP1-77E2 (see Figure 20, SEQ ID NO: 23 and SEQ ID NO: 24) are also D255 → N255 (GAC → AAC) In addition, HRP1-80C12 contains L131P (CTA-> CCA) found in HRP1-77G4. HRP-77E2, on the other hand, has a L371 (TTA → ATA) mutation, which is part of helix B, the heme pouch and is probably solvent accessible.

HRP2-28D6(참조: 도 18, 서열번호 19 및 서열번호 20)은 HRP1-117G4에 대하여 두 개의 추가적인 돌연변이를 포함한다: T102A(ACT →GCT) 및 P226Q(CCA →CAA). T102A는 헬릭스 D의 일부분이며, 구조의 내부에 파묻힌 유일한 돌연변이이다. P226Q는 L223Q와 같은 루프에 위치한다. 반면, HRP2-13A10은 HRP1-117G4에 대해 4개의 돌연변이를 더 포함한다: R93L(CGA →CTA); T102A(ACT →GCT); K241(AAA →ACA); 및 V303E(GTG →GAG). 용매접근가능한 R93L은 헬릭스 C와 D를 연결하는 구조 루프에 있다. K241T는 헬릭스 G와 H를 연결하는 구조루프에 있다. 이 잔기는 다시 용매에 노출되어 있다. 마지막으로, V303E는 헬릭스G로부터 단백질의 C말단으로 뻗는 긴 가닥의 일부이다. 이 3개의 돌연변이는 이 돌연변이체가 다른 것들에 비하여 증가된 안정성을 갖는데 공헌하는 것처럼 보인다.HRP2-28D6 (see FIG. 18, SEQ ID NO: 19 and SEQ ID NO: 20) contains two additional mutations for HRP1-117G4: T102A (ACT → GCT) and P226Q (CCA → CAA). T102A is part of Helix D and is the only mutation buried inside the structure. P226Q is in the same loop as the L223Q. In contrast, HRP2-13A10 further comprises four mutations for HRP1-117G4: R93L (CGA → CTA); T102A (ACT → GCT); K241 (AAA → ACA); And V303E (GTG → GAG). Solvent accessible R93L is in the structural loop connecting Helix C and D. K241T is in a structural loop that connects Helix G and H. This residue is again exposed to the solvent. Finally, V303E is part of a long strand that extends from Helix G to the C terminus of the protein. These three mutations seem to contribute to the mutant's increased stability over others.

HRP3-17E12는 HRP2-28D6와 비교하여 3개의 돌연변이를 더 가지고 있다: N47S(AAT →AGT); K241T(AAA →ACA); 및 silent mutation G121(GGT →GGC). K241T가 HRP2-13A10에서도 발견되는 것이 주목할만하다. N47S는 헬릭스 B 및 a3-헬릭스를 연결하는 구조 루프에 위치해 있고 용매접근가능하다.HRP3-17E12 has three more mutations compared to HRP2-28D6: N47S (AAT → AGT); K241T (AAA → ACA); And silent mutation G121 (GGT → GGC). It is noteworthy that K241T is also found in HRP2-13A10. N47S is located in the structural loop connecting Helix B and a3-helix and is solvent accessible.

돌연변이의 분석Analysis of the mutation

1세대에서 3개의 개선된 돌연변이 형은 모체 HRP1A6에 비하여 D255N을 가지고 있었다. 이것은 HRP상의 당쇄화 부위가 접힘 및 발현에 혜택을 주는 것을 제안한다. 단백질의 당쇄의 기능은 흥미있는 문제지만, 단백질 접힘, 변형 및 분비에 있어 그것의 역할이 점차적으로 인식되고 있다(참조: 56-58).Three improved mutations in the first generation had D255N compared to the parental HRP1A6. This suggests that glycosylation sites on HRP benefit folding and expression. The function of sugar chains in proteins is an interesting problem, but its role in protein folding, modification and secretion is increasingly recognized (56-58).

3개의 동일한 돌연변이는 코돈사용의 변화에 의해 쉽게 설명될 수 없다(참조: 63). N135(AAC →AAT), T257(ACT →ACA)는 사용빈도에 있어 변화가 거의 없지만, G121(GGT →GGC)에서, 보다 흔히 사용되는 코돈인 GGT(61%)가 사용빈도가 낮은 GGC(16%)로 대체되었다. 그러나, 이 치환이 어떻게 HRP mRNA의 번역에 영향을 미치는지는 불분명하다.Three identical mutations cannot be easily explained by changes in codon usage (63). N135 (AAC → AAT) and T257 (ACT → ACA) show little change in frequency of use, but in G121 (GGT → GGC), GGT (61%), which is a more commonly used codon, has a lower frequency of use. %). However, it is unclear how this substitution affects the translation of HRP mRNA.

반응성 및 안정성에 관계된 돌연변이의 분석Analysis of mutations related to reactivity and stability

ABTS 검정법 외에, HRP 돌연변이에 대한 두 번째의 독립적인 활성검정법인 guajacol 시스템이 사용되었다(참조: 도 21). 두 개의 검정법은 돌연변이의 활성에 대해 아주 좋은 상관관계를 나타낸다.In addition to the ABTS assay, the guajacol system, a second independent activity assay for HRP mutations, was used (see Figure 21). Both assays show a very good correlation with the activity of the mutations.

도 22a 및 도 22b는 H2O2가 없을때(a)와 1mM H2O2가 있을때(b) 50oC에서 배양후 반응성 및 안정성 사이의 상관관계를 나타낸다. 양쪽 경우에서, HRP2-13A10 돌연변이가 좋은 반응성과 조화하여 가장 높은 안정성을 나타내었다. 서열결정에 의해 밝혀진 것처럼, 3개의 아미노산 변화가 이러한 안정성을 나타내는 것으로 보인다.Figure 22a and Figure 22b is a time when the H 2 O 2 is not (a) and 1mM H 2 O 2 is (b) after incubation at 50 o C shows a correlation between the reactivity and stability. In both cases, the HRP2-13A10 mutation showed the highest stability in combination with good reactivity. As revealed by sequencing, three amino acid changes appear to exhibit this stability.

안정성의 비슷한 패턴이 유기용매 시스템에서 관찰되는데(참조 : 도 23), 여기서 HRP2-13A10 돌연변이가 완충액 대 dioxane/완충액에서 가장 우수한 활성비를 나타내었다.A similar pattern of stability was observed in organic solvent systems (FIG. 23), where the HRP2-13A10 mutation showed the best activity ratio in buffer to dioxane / buffer.

실시예 3:E.coli에서 CCP의 발현 및 분비 Example 3 Expression and Secretion of CCP in E. coli

CCP발현벡터 구축CCP expression vector construction

Dave Goodin 박사(The Scripps Research Institute, La Jolla, CA)로부터 제공된 pT7CCP로부터의S.cerevisiae시토크롬 c 퍼록시다아제(cytochrome c peroxidase)를 PCR 법에 의해 개시코돈에 MscI 부위 및 종료코돈 바로 아래에 HindIII 부위를 도입하도록 재클로닝하였다. PCR 생성물을 McsI 및 HindIII로 잘라, 비슷하게 잘라진 pET-22b(+)에 연결하여, pETCCP(참조: 도 26)을 만들었다. pT7CCP는 Goodin et al.(참조: 17) 및 Fitzgerald et al.(참조: 16)에 의해 기술된 것처럼, N-말단 서열이 아미노산 Met-Lys-Thr을 암호화하도록 변형된 CCP 유전자를 가지고 있다. 따라서, 이 구조물에서, CCP 유전자는 T7 프로모터의 통제하에 있으며, 주변세포질로 위치시키는 pelB 시그널 서열과 해독틀이 맞게 융합되었다. S.cerevisiae cytochrome c peroxidase from pT7CCP provided by Dr. Dave Goodin (The Scripps Research Institute, La Jolla, Calif.) Was shown by HindIII directly below the MscI site and termination codon at the initiation codon by PCR. Recloning to introduce site. PCR products were cut with McsI and HindIII and linked to similarly cut pET-22b (+) to make pETCCP (see FIG. 26). pT7CCP has a CCP gene whose N-terminal sequence is modified to encode amino acid Met-Lys-Thr, as described by Goodin et al. (17) and Fitzgerald et al. (16). Thus, in this construct, the CCP gene is under the control of the T7 promoter and has been fused to the translation frame with the pelB signal sequence located in the periplasm.

CCP의 발현Expression of CCP

E.coliBL21(DE3)에서의 CCP발현실험이 100μg/ml 암피실린을 포함하는 LB 배지에서 수행되었다. 세포를 37oC에서 A600이 0.7 내지 0.8이 될때까지 성장시키고, 이 때 T7 프로모터로부터 CCP의 합성을 유도하도록 IPTG를 최종농도 1 mM이 되도록 첨가하였다. 30oC에서 20시간동안 더 성장을 시키었으며, 원심분리에 의해 세포 및 상등액을 수확하였다.CCP expression experiments in E. coli BL21 (DE3) were performed in LB medium containing 100 μg / ml ampicillin. The cells were grown at 37 ° C. until A 600 became 0.7-0.8, at which time IPTG was added to a final concentration of 1 mM to induce the synthesis of CCP from the T7 promoter. The cells were further grown at 30 ° C. for 20 hours, and cells and supernatants were harvested by centrifugation.

CCP는E.coli안에서 직접 접힌다는 것이 알려져 있다. 놀랍게도, 95% 이상의 CCP 단백질이 매우 높은 수준(SDS-PAGE에 의해 근사적으로 100mg/L)으로 LB 배지 배양액에서 발견되었다. 단백질은 ABTS에 대하여 활성을 나타내었으며, 분비된 CCP가 올바르게 접히고 헴을 포함하고 있다는 것을 나타낸다.It is known that CCP is folded directly in E. coli . Surprisingly, more than 95% of the CCP protein was found in LB medium culture at very high levels (approximately 100 mg / L by SDS-PAGE). The protein was active against ABTS, indicating that the secreted CCP is correctly folded and contains heme.

지금까지 본 발명의 실시태양을 기술하였으나, 여기에 개시된 것은 단지 예시적일 뿐이며, 본 발명의 범위 하에 본 발명이 다양하게 변형, 선택 및 적용될 수 있다는 것은 당업계에 통상적인 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 사실일 것이다. 예를 들어, 본 발명을 실시하기 위해, 특별한 순서가 필요하지 않거나, 본래 갖추어져 있지 않거나, 절대적이지 않다면, 본 발명의 어떠한 방법의 단계는 어떤 순서이어도 무방하다(동시에 하는 것을 포함한)는 것을 본 발명의 실시자는 이해해야 할 것이다. 따라서, 본 발명은 여기에 구체화된 어떤 특정한 실시태양이나 실례에국한되지 않는다. 본 발명은 청구범위에 따라 정의되며, 오직 청구범위에 의해 제한을 받는다.While the embodiments of the present invention have been described so far, those disclosed herein are merely exemplary, and it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be variously modified, selected, and applied within the scope of the present invention. It will be true. For example, in order to practice the present invention, the steps of any method of the present invention may be in any order, including at the same time, unless a particular order is necessary, inherently equipped, or absolute. The implementer of should understand. Accordingly, the present invention is not limited to any particular embodiment or illustration herein. The invention is defined in accordance with the claims and is limited only by the claims.

문헌목록Bibliography

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Claims (33)

하기의 각 단계를 포함하는 발현저항성(expression-resistant) 폴리펩티드의 생산 및 개량 방법:A method for producing and improving expression-resistant polypeptides comprising the following steps: (i) 선택되는 숙주세포내에서 기능적 발현저항성 모체 폴리펩티드를 암호화하는 적어도 하나의 모체 폴리뉴클레오티드를 제공하는 단계;(i) providing at least one parent polynucleotide encoding a functional expression resistant parent polypeptide in a selected host cell; (ii) 모집단 돌연변이 폴리펩티드를 생산하기 위한 모체 폴리누클레오 티드의 염기서열을 변경하는 단계;(ii) altering the nucleotide sequence of the parent polynucleotide to produce a population mutant polypeptide; (iii) 돌연변이 폴리펩티드를 발현하도록 숙주세포를 형질전환하는 단계; 및(iii) transforming the host cell to express the mutant polypeptide; And (iv) 봉입체(inclusion body) 형성없이 개선된 발현 또는 접힘의 적어 도 한 가지 성질을 가지는 숙주세포에 의해 야기된 기능적 돌연 변이를 스크리닝하는 단계.(iv) screening for functional mutations caused by host cells having at least one property of improved expression or folding without inclusion body formation. -- 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 모체 폴리펩티드는 숙주세포에서 과발현되었을때 봉입체를 형성하는 것을 특징으로 하는The parent polypeptide forms an inclusion body when overexpressed in the host cell. 방법.Way. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 모체 폴리펩티드는 이황화 결합구조 및 당쇄 구조의 적어도 하나를 가지는 것을 특징으로 하는The parent polypeptide has at least one of a disulfide bond structure and a sugar chain structure 방법.Way. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 모체 폴리펩티드는 적어도 하나의 헴(heme) 그룹을 가지고 있거나 연 관되어 있는 것을 특징으로 하는The parent polypeptide has or is associated with at least one heme group 방법.Way. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 모체 폴리펩티드는 숙주세포에서 과발현되었을때 비기능적 형태로 생성되며, 숙주세포에서 저발현되었을때 기능적 형태로 생성되는 것을 특징으로 하는The parent polypeptide is produced in a nonfunctional form when overexpressed in the host cell, and is produced in a functional form when it is underexpressed in the host cell. 방법.Way. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 모체 폴리펩티드는 유도제(inducer) 존재하에 유도적 프로모터의 통제 아래서 과발현되고, 유도제 비존재하에 유도적 프로모터의 통제아래서 저발현되는 것을 특징으로 하는The parent polypeptide is overexpressed under the control of an inducible promoter in the presence of an inducer and underexpressed under the control of an inducible promoter in the absence of an inducer. 방법.Way. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 각 주기(cycle)의 모체 폴리뉴클레오티드는 이전 주기로부터의 돌연변이 폴리뉴클레오티드인 제 1항의 방법을 수많은 주기로 반복하 는 것을 특징으로 하는The parental polynucleotide of each cycle is characterized by repeating the method of claim 1, which is a mutant polynucleotide from a previous cycle, in a number of cycles. 방법.Way. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 뉴클레오티드 서열을 변경시키는 단계는 무작위 돌연변이, 부위-특이 적 돌연변이 및 DNA 무작위혼합의 적어도 한 가지 방법에 수행되는 것 을 특징으로 하는Altering the nucleotide sequence is carried out in at least one method of random mutation, site-specific mutation and DNA randomization. 방법.Way. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 뉴클레오티드 서열을 변경시키는 단계는 무작위 돌연변이, 부위-특이 적 돌연변이 및 DNA 무작위혼합의 적어도 한 가지 방법에 수행되는 것 을 특징으로 하는Altering the nucleotide sequence is carried out in at least one method of random mutation, site-specific mutation and DNA randomization. 방법.Way. 제 1항의 방법에 따라 개량된 폴리뉴클레오티드.A polynucleotide improved according to the method of claim 1. 제 7항의 방법에 따라 개량된 폴리뉴클레오티드.A polynucleotide improved according to the method of claim 7. 제 9항의 방법에 따라 개량된 폴리뉴클레오티드.A polynucleotide modified according to the method of claim 9. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 숙주세포는 돌연변이 폴리뉴클레오티드에 의해 암호화된 폴리펩티드 분비를 인도하는 시그널 서열을 가지는 벡터로 형질전환시킨 것을 특징으로 하는The host cell is transformed with a vector having a signal sequence that directs the secretion of the polypeptide encoded by the mutant polynucleotides. 방법.Way. 제 13항에 있어서,The method of claim 13, 시그널 서열은 PelB인 것을 특징으로 하는The signal sequence is characterized in that the PelB 방법.Way. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 숙주세포는 용이한(facile) 숙주 세포인 것을 특징으로 하는The host cell is characterized in that the facile host cell 방법.Way. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 숙주세포는 효모 및 세균으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는The host cell is characterized in that selected from yeast and bacteria 방법.Way. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 숙주세포는 효모 및 세균으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는The host cell is characterized in that selected from yeast and bacteria 방법.Way. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 숙주세포는 효모 및 세균으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는The host cell is characterized in that selected from yeast and bacteria 방법.Way. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 숙주세포는E. coli세포인 것을 특징으로 하는The host cell is characterized in that the E. coli cells 방법.Way. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 숙주세포는S. cerevisiae세포인 것을 특징으로 하는The host cell is characterized in that the S. cerevisiae cells 방법.Way. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 숙주세포는P. pastoris세포인 것을 특징으로 하는The host cell is characterized in that the P. pastoris cells 방법.Way. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 숙주세포는E. coli세포인 것을특징으로 하는Characterized in that the host cell is an E. coli cell. 방법.Way. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 숙주세포는S. cerevisiae세포인 것을 특징으로 하는The host cell is characterized in that the S. cerevisiae cells 방법.Way. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 숙주세포는P. pastoris세포인 것을 특징으로 하는The host cell is characterized in that the P. pastoris cells 방법.Way. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 폴리펩티드는 헴(heme)을 포함하는 단백질인 것을 특징으로 하는The polypeptide is characterized in that the protein containing heme (heme) 방법.Way. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 폴리펩티드는 헴(heme)을 포함하는 단백질인 것을 특징으로 하는The polypeptide is characterized in that the protein containing heme (heme) 방법.Way. 제 18항에 있어서,The method of claim 18, 폴리펩티드는 헴(heme)을 포함하는 단백질인 것을 특징으로 하는The polypeptide is characterized in that the protein containing heme (heme) 방법.Way. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 폴리펩티드는 퍼록시다아제 효소인 것을 특징으로 하는The polypeptide is characterized in that the peroxidase enzyme 방법.Way. 제 9항에 있어서,The method of claim 9, 폴리펩티드는 퍼록시다아제 효소인 것을 특징으로 하는The polypeptide is characterized in that the peroxidase enzyme 방법.Way. 제 18항에 있어서,The method of claim 18, 폴리펩티드는 퍼록시다아제 효소인 것을 특징으로 하는The polypeptide is characterized in that the peroxidase enzyme 방법.Way. 제 26항에 있어서,The method of claim 26, 폴리펩티드는 서양고추냉이 퍼록시다아제인 것을 특징으로 하는The polypeptide is characterized in that the horseradish peroxidase 방법.Way. 제 27항에 있어서,The method of claim 27, 폴리펩티드는 서양고추냉이 퍼록시다아제인 것을 특징으로 하는The polypeptide is characterized in that the horseradish peroxidase 방법.Way. 제 28항에 있어서,The method of claim 28, 폴리펩티드는 서양고추냉이 퍼록시다아제인 것을 특징으로 하는The polypeptide is characterized in that the horseradish peroxidase 방법.Way.
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