JP7762935B2 - Recombinant cells, expression constructs, and methods for producing recombinant proteins - Google Patents
Recombinant cells, expression constructs, and methods for producing recombinant proteinsInfo
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Description
本発明は、組換え細胞、発現構築物、及び組換えタンパク質の製造方法に関する。 The present invention relates to recombinant cells, expression constructs, and methods for producing recombinant proteins.
研究用途、産業用途又は医療用途(例えば、酵素、ワクチン、構造タンパク質、ホルモン及び生物医薬タンパク質)に必要とされる多くのタンパク質は、組換え細胞を利用して工業的に産生される。例えば、細菌細胞(特に大腸菌細胞)は、安価な培地中で高い細胞密度まで迅速に増殖することから、組換えタンパク質をより大規模で産生するのに特に適している。 Many proteins needed for research, industrial, or medical applications (e.g., enzymes, vaccines, structural proteins, hormones, and biopharmaceutical proteins) are produced industrially using recombinant cells. For example, bacterial cells (especially E. coli cells) grow rapidly to high cell densities in inexpensive media, making them particularly suitable for large-scale production of recombinant proteins.
大量の組換えタンパク質を製造するためには、タンパク質をコードするポリヌクレオチド配列及びその発現を制御する配列(例えば、プロモーター)を有する発現カセットを設計する際にいくつかの側面を考慮する必要がある。例えば、組換えタンパク質の製造に用いられる宿主細胞において、目的タンパク質をコードするポリヌクレオチド配列のコドンの最適化が行われている。また、目的タンパク質をコードするポリヌクレオチド配列の転写において強力なプロモーター及び有効なターミネーターの制御下に置くこと、又は適切なリボソーム結合部位を導入することによって翻訳を最適化することなどの工夫もなされている。さらに、宿主細胞中のポリヌクレオチド配列のコピー数を増加させることも行われている。 To produce large quantities of recombinant proteins, several aspects must be considered when designing an expression cassette containing a polynucleotide sequence encoding the protein and a sequence (e.g., a promoter) that controls its expression. For example, in host cells used to produce recombinant proteins, codon optimization of the polynucleotide sequence encoding the target protein has been performed. Other approaches include placing the transcription of the polynucleotide sequence encoding the target protein under the control of a strong promoter and an effective terminator, or optimizing translation by introducing an appropriate ribosome binding site. Furthermore, attempts have been made to increase the copy number of the polynucleotide sequence in the host cell.
また、発現カセットをプラスミドに組み込んだ場合には、宿主細胞の細胞分裂の際に失われる問題があることから、相同組換え等により当該発現カセットを宿主細胞のゲノムDNA中に組み込む工夫も行われている(例えば、特許文献1)。 Furthermore, when an expression cassette is incorporated into a plasmid, there is a problem that it is lost during cell division of the host cell, so efforts have been made to incorporate the expression cassette into the genomic DNA of the host cell using methods such as homologous recombination (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、外来遺伝子による組換えタンパク質の高い発現は、宿主細胞の生存にとっては有害である。例えば、宿主細胞中に多数の外来遺伝子のコピーが生成されると、それによってタンパク質発現のための資源(RNA及びタンパク質原料、転写及び翻訳のための細胞内機構)が不足し、宿主細胞における代謝負荷が増加する。その結果、組換えタンパク質の収量は抑制される。すなわち、組換えタンパク質の収量が一定量に到達した後に組換えタンパク質の生産能は徐々に減少していく。したがって、組換え細胞における持続的な生産能力の維持は、組換えタンパク質の生産(特に連続培養又は流加培養方式による長時間の組換えタンパク質の生産)において大きな課題である。 However, high expression of recombinant proteins from foreign genes is detrimental to the survival of host cells. For example, when many copies of a foreign gene are produced in a host cell, it can cause a shortage of resources for protein expression (RNA and protein raw materials, the intracellular machinery for transcription and translation), increasing the metabolic burden on the host cell. As a result, recombinant protein yield is suppressed. That is, once the recombinant protein yield reaches a certain level, the recombinant protein production capacity gradually decreases. Therefore, maintaining sustainable production capacity in recombinant cells is a major challenge in recombinant protein production (especially in long-term recombinant protein production using continuous culture or fed-batch culture methods).
本発明は、組換えタンパク質の発現量が増加した組換え細胞を提供することを目的とする。本発明はまた、組換えタンパク質の発現量が増加した発現構築物を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a recombinant cell that expresses an increased amount of a recombinant protein. Another object of the present invention is to provide an expression construct that expresses an increased amount of a recombinant protein.
本発明は、例えば以下の各発明に関する。
[1]
第一のプロモーターに作動可能に連結された組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含む第一の発現カセット、及び上記第一のプロモーターとは異なる第二のプロモーターに作動可能に連結された上記組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含む第二の発現カセットを有する、組換え細胞。
[2]
上記第二のプロモーターの転写活性が、上記第一のプロモーターの転写活性よりも弱い、[1]に記載の組換え細胞。
[3]
上記第一のプロモーターと上記第二のプロモーターのポリヌクレオチド配列が少なくとも80%の配列同一性を有する、[1]又は[2]に記載の組換え細胞。
[4]
上記第一のプロモーターが、T7プロモーターである、[1]~[3]のいずれかに記載の組換え細胞。
[5]
上記第二のプロモーターが、配列番号2で示される塩基配列、及び配列番号3で示される塩基配列から選択される塩基配列を含む、[1]~[4]のいずれかに記載の組換え細胞。
[6]
第三のプロモーターに作動可能に連結された上記組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含む第三の発現カセットを更に有する、[1]~[5]のいずれかに記載の組換え細胞。
[7]
上記第三のプロモーターが、上記第一のプロモーター、又は上記第二のプロモーターと同じである、[6]に記載の組換え細胞。
[8]
上記組換えタンパク質がフィブロインである、[1]~[7]のいずれかに記載の組換え細胞。
[9]
上記第一の発現カセット及び上記第二の発現カセットが、宿主ゲノムDNA中に組み込まれている、[1]~[8]のいずれかに記載の組換え細胞。
[10]
第一のプロモーターに作動可能に連結された組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含む第一の発現カセット、及び上記第一のプロモーターとは異なる第二のプロモーターに作動可能に連結された上記組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含む第二の発現カセットを有する、発現構築物。
[11]
上記第二のプロモーターの転写活性が、上記第一のプロモーターの転写活性よりも弱い、[10]に記載の発現構築物。
[12]
上記第一のプロモーターと上記第二のプロモーターのポリヌクレオチド配列が少なくとも80%の配列同一性を有する、[10]又は[11]に記載の発現構築物。
[13]
上記第一のプロモーターが、T7プロモーターである、[10]~[12]のいずれかに記載の組換え細胞。
[14]
上記第二のプロモーターが、配列番号2で示される塩基配列、及び配列番号3で示される塩基配列から選択される塩基配列を含む、[10]~[13]のいずれかに記載の組換え細胞。
[15]
第三のプロモーターに作動可能に連結された上記組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含む第三の発現カセットを更に有する、[10]~[14]のいずれかに記載の発現構築物。
[16]
上記第三のプロモーターが、上記第一のプロモーター、又は上記第二のプロモーターと同じである、[15]に記載の発現構築物。
[17]
第一のプロモーターに作動可能に連結された組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含む第一の発現カセット、及び上記第一のプロモーターとは異なる第二のプロモーターに作動可能に連結された上記組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含む第二の発現カセットを有する組換え細胞をタンパク質生産培地中で培養する生産工程を備える、上記組換えタンパク質の製造方法。
[18]
上記生産工程において、上記組換え細胞を連続培養又は流加培養で培養する、[17]に記載の製造方法。
[19]
上記生産工程は、発現誘導剤を上記タンパク質生産培地に添加して上記組換えタンパク質の発現誘導を行う発現誘導ステップを含む、[17]又は[18]に記載の製造方法。
[20]
上記生産工程は、発現誘導剤を上記タンパク質生産培地に添加して上記組換えタンパク質の発現誘導を行った後、9時間以上培養を行うことを含む、[17]~[19]のいずれかに記載の製造方法。
The present invention relates to, for example, the following inventions.
[1]
A recombinant cell having a first expression cassette comprising a polynucleotide sequence encoding a recombinant protein operably linked to a first promoter, and a second expression cassette comprising a polynucleotide sequence encoding the recombinant protein operably linked to a second promoter different from the first promoter.
[2]
The recombinant cell according to [1], wherein the transcriptional activity of the second promoter is weaker than the transcriptional activity of the first promoter.
[3]
The recombinant cell according to [1] or [2], wherein the polynucleotide sequences of the first promoter and the second promoter have at least 80% sequence identity.
[4]
The recombinant cell according to any one of [1] to [3], wherein the first promoter is a T7 promoter.
[5]
The recombinant cell according to any one of [1] to [4], wherein the second promoter comprises a base sequence selected from the base sequence shown in SEQ ID NO: 2 and the base sequence shown in SEQ ID NO: 3.
[6]
The recombinant cell according to any one of [1] to [5], further comprising a third expression cassette comprising a polynucleotide sequence encoding the recombinant protein operably linked to a third promoter.
[7]
The recombinant cell according to [6], wherein the third promoter is the same as the first promoter or the second promoter.
[8]
The recombinant cell according to any one of [1] to [7], wherein the recombinant protein is fibroin.
[9]
The recombinant cell according to any one of [1] to [8], wherein the first expression cassette and the second expression cassette are integrated into host genomic DNA.
[10]
An expression construct having a first expression cassette comprising a polynucleotide sequence encoding a recombinant protein operably linked to a first promoter, and a second expression cassette comprising a polynucleotide sequence encoding the recombinant protein operably linked to a second promoter different from the first promoter.
[11]
The expression construct according to [10], wherein the transcriptional activity of the second promoter is weaker than the transcriptional activity of the first promoter.
[12]
The expression construct according to [10] or [11], wherein the polynucleotide sequences of the first promoter and the second promoter have at least 80% sequence identity.
[13]
The recombinant cell according to any one of [10] to [12], wherein the first promoter is a T7 promoter.
[14]
The recombinant cell according to any one of [10] to [13], wherein the second promoter comprises a base sequence selected from the base sequence shown in SEQ ID NO: 2 and the base sequence shown in SEQ ID NO: 3.
[15]
The expression construct according to any one of [10] to [14], further comprising a third expression cassette comprising a polynucleotide sequence encoding the recombinant protein operably linked to a third promoter.
[16]
[16] The expression construct according to [15], wherein the third promoter is the same as the first promoter or the second promoter.
[17]
A method for producing the above-mentioned recombinant protein, comprising a production step of culturing in a protein production medium a recombinant cell having a first expression cassette containing a polynucleotide sequence encoding the recombinant protein operably linked to a first promoter, and a second expression cassette containing a polynucleotide sequence encoding the recombinant protein operably linked to a second promoter different from the first promoter.
[18]
The method according to [17], wherein the recombinant cells are cultured by continuous culture or fed-batch culture in the production process.
[19]
The method according to [17] or [18], wherein the production process includes an expression induction step of inducing expression of the recombinant protein by adding an expression inducer to the protein production medium.
[20]
The production method according to any one of [17] to [19], wherein the production step comprises adding an expression inducer to the protein production medium to induce expression of the recombinant protein, followed by culturing for 9 hours or more.
本発明によれば、組換えタンパク質の発現量が増加した組換え細胞を提供することが可能となる。本発明によればまた、組換えタンパク質の発現量が増加した発現構築物を提供することが可能となる。 The present invention makes it possible to provide recombinant cells that express increased amounts of recombinant proteins. The present invention also makes it possible to provide expression constructs that express increased amounts of recombinant proteins.
以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 The following describes in detail the embodiments of the present invention. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
〔組換え細胞〕
本実施形態に係る組換え細胞は、第一のプロモーターに作動可能に連結された組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含む第一の発現カセット、及び第一のプロモーターとは異なる第二のプロモーターに作動可能に連結された組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含む第二の発現カセットを有する。
[Recombinant cells]
The recombinant cell of this embodiment has a first expression cassette comprising a polynucleotide sequence encoding a recombinant protein operably linked to a first promoter, and a second expression cassette comprising a polynucleotide sequence encoding a recombinant protein operably linked to a second promoter different from the first promoter.
(第一の発現カセット)
第一の発現カセットは、少なくとも第一のプロモーターと、当該第一のプロモーターに作動可能に連結された組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含むものである。第一の発現カセットは、第一のプロモーター及び組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列に作動可能に連結された1又は複数の調節配列を更に含むものであってもよい。
(First Expression Cassette)
The first expression cassette comprises at least a first promoter and a polynucleotide sequence encoding a recombinant protein operably linked to the first promoter. The first expression cassette may further comprise one or more regulatory sequences operably linked to the first promoter and the polynucleotide sequence encoding the recombinant protein.
調節配列は、宿主における組換えタンパク質(目的タンパク質)の発現を制御する配列(プロモーター以外には、例えば、エンハンサー、リボソーム結合配列、転写終結配列等)であり、宿主の種類に応じて適宜選択することができる。調節配列は、外来性のものであってもよく、内在性のもの(宿主由来の調節配列)であってもよい。 Regulatory sequences are sequences that control the expression of a recombinant protein (target protein) in a host (e.g., enhancers, ribosome binding sequences, transcription termination sequences, etc., in addition to promoters), and can be selected appropriately depending on the type of host. Regulatory sequences may be exogenous or endogenous (host-derived regulatory sequences).
第一のプロモーターは、使用する宿主に応じて、当該宿主において機能するプロモーターを用いることができる。プロモーターの具体例は、後述するとおりである。なお、本発明において使用されるプロモーターは、天然に存在するものであっても、人工的に作製されたものであってもよい。本発明においては、少なくとも2つの異なる転写活性を有するプロモーターが使用されるが、これらのプロモーターは由来の異なるものであっても、共通するものであってもよい。 The first promoter can be a promoter that functions in the host used, depending on the host. Specific examples of promoters are described below. The promoter used in the present invention may be a naturally occurring promoter or an artificially produced promoter. In the present invention, promoters with at least two different transcriptional activities are used, and these promoters may be of different origins or may be of the same origin.
(第二の発現カセット)
第二の発現カセットは、少なくとも第二のプロモーターと、当該第二のプロモーターに作動可能に連結された組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含むものである。第二のプロモーターは、第一のプロモーターとは異なる(塩基配列が異なる)ものである。第二の発現カセットで発現される組換えタンパク質は、第一の発現カセットで発現される組換えタンパク質と同じものであるのが好ましい。
(Second Expression Cassette)
The second expression cassette comprises at least a second promoter and a polynucleotide sequence encoding a recombinant protein operably linked to the second promoter. The second promoter is different (has a different nucleotide sequence) from the first promoter. The recombinant protein expressed by the second expression cassette is preferably the same as the recombinant protein expressed by the first expression cassette.
第二の発現カセットは、第二のプロモーター及び組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列に作動可能に連結された1又は複数の調節配列を更に含むものであってもよい。調節配列は上述したものである。 The second expression cassette may further comprise one or more regulatory sequences operably linked to the second promoter and the polynucleotide sequence encoding the recombinant protein. The regulatory sequences are as described above.
第二のプロモーターは、使用する宿主に応じて、当該宿主において機能するプロモーターを用いることができる。プロモーターの具体例は、後述するとおりである。 The second promoter can be a promoter that functions in the host used, depending on the host. Specific examples of promoters are described below.
(第一及び第二のプロモーター)
第二のプロモーターは、その転写活性が、第一のプロモーターの転写活性よりも弱いプロモーターであるのが好ましい。第二のプロモーターは、その転写活性が、第一のプロモーターの転写活性を100としたときに、50以下であることが好ましく、25以下であることがより好ましく、10以下であることが更に好ましく、5以下であることが更により好ましく、1以下であることが特に好ましい。プロモーターの転写活性は、後述する実施例に記載の方法により、測定することができる。
(First and second promoters)
The second promoter is preferably a promoter whose transcription activity is weaker than that of the first promoter. The transcription activity of the second promoter is preferably 50 or less, more preferably 25 or less, even more preferably 10 or less, even more preferably 5 or less, and particularly preferably 1 or less, when the transcription activity of the first promoter is taken as 100. The transcription activity of the promoter can be measured by the method described in the Examples below.
本発明の一実施形態において、第一のプロモーター及び第二のプロモーターは、汎用されるプロモーターとその変異型プロモーターの関係であってもよく、野生型プロモーターとその変異型プロモーターの関係であってもよい。 In one embodiment of the present invention, the first promoter and the second promoter may be in the relationship of a commonly used promoter and its mutant promoter, or in the relationship of a wild-type promoter and its mutant promoter.
変異型プロモーターは、汎用されるプロモーター又は野生型プロモーターのポリヌクレオチド配列と比較して、1又は複数の残基を置換、欠失、挿入及び/又は付加したことに相当するポリヌクレオチド配列を有するプロモーターを意味する。変異型プロモーターは、例えば、遺伝子工学的手法により、作製することができる。 A mutant promoter refers to a promoter having a polynucleotide sequence in which one or more residues have been substituted, deleted, inserted, and/or added compared to the polynucleotide sequence of a commonly used promoter or a wild-type promoter. Mutant promoters can be produced, for example, by genetic engineering techniques.
本発明の一実施形態において、第一のプロモーターのポリヌクレオチド配列と第二のプロモーターのポリヌクレオチド配列は、少なくとも80%の配列同一性を有していてもよく、85%以上の配列同一性を有していてもよく、90%以上の配列同一性を有していてもよく、95%以上の配列同一性を有していてもよく、98%以上の配列同一性を有していてもよく、99%以上の配列同一性を有していてもよい。 In one embodiment of the present invention, the polynucleotide sequence of the first promoter and the polynucleotide sequence of the second promoter may have at least 80% sequence identity, may have 85% or more sequence identity, may have 90% or more sequence identity, may have 95% or more sequence identity, may have 98% or more sequence identity, or may have 99% or more sequence identity.
本発明の一実施形態において、第一のプロモーターは、宿主細胞中で強力な転写活性を有するプロモーターであり、第二のプロモーターは、転写活性が弱められた当該第一のプロモーターの変異型プロモーターであってもよい。宿主細胞中で強力な転写活性を有するプロモーターは、当業者には公知であり、例えば、大腸菌等の原核細胞を宿主とする場合、T7プロモーター(配列番号1)等が挙げられる。第二のプロモーターは、例えば、転写活性が弱められたT7プロモーターの変異型プロモーターであるT7.5プロモーター(配列番号2)、T7.51(配列番号3)、及びSPT3プロモーター(配列番号4)等が挙げられる。 In one embodiment of the present invention, the first promoter may be a promoter that has strong transcriptional activity in a host cell, and the second promoter may be a mutant promoter of the first promoter with attenuated transcriptional activity. Promoters that have strong transcriptional activity in a host cell are known to those skilled in the art, and examples thereof include the T7 promoter (SEQ ID NO: 1) when a prokaryotic cell such as Escherichia coli is used as the host. Examples of the second promoter include the T7.5 promoter (SEQ ID NO: 2), T7.51 (SEQ ID NO: 3), and SPT3 promoter (SEQ ID NO: 4), which are mutant promoters of the T7 promoter with attenuated transcriptional activity.
第一のプロモーターと、第二のプロモーターの組み合わせの具体例として、第一のプロモーターがT7プロモーターであり、第二のプロモーターが配列番号2で示される塩基配列及び配列番号3で示される塩基配列から選択される塩基配列を含むプロモーターである組み合わせを挙げることができる。配列番号2(T7.5プロモーター)で示される塩基配列及び配列番号3(T7.51プロモーター)で示される塩基配列は、野生型T7プロモーター(配列番号1)に対して、変異を導入することで、転写活性が弱められたプロモーターである。 A specific example of a combination of a first promoter and a second promoter is a combination in which the first promoter is a T7 promoter and the second promoter is a promoter containing a base sequence selected from the base sequences shown in SEQ ID NO: 2 and SEQ ID NO: 3. The base sequences shown in SEQ ID NO: 2 (T7.5 promoter) and SEQ ID NO: 3 (T7.51 promoter) are promoters whose transcriptional activity has been weakened by introducing a mutation into the wild-type T7 promoter (SEQ ID NO: 1).
(第三以降の発現カセット)
本実施形態に係る組換え細胞は、第一及び第二の発現カセットに加えて、更に1又は複数の発現カセット(第三の発現カセット、第四の発現カセット、・・・第Nの発現カセット、・・・)を含むものであってもよい。
(Third and subsequent expression cassettes)
The recombinant cell of this embodiment may further comprise one or more expression cassettes (a third expression cassette, a fourth expression cassette, ... an Nth expression cassette, ...) in addition to the first and second expression cassettes.
第Nの発現カセットは、少なくとも第Nのプロモーターと、当該第Nのプロモーターに作動可能に連結された組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含むものである。第Nの発現カセットで発現される組換えタンパク質は、第一の発現カセットで発現される組換えタンパク質と同じものであるのが好ましい。第Nの発現カセットは、第Nのプロモーター及び組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列に作動可能に連結された1又は複数の調節配列を更に含むものであってもよい。調節配列は上述したものである。 The Nth expression cassette includes at least the Nth promoter and a polynucleotide sequence encoding a recombinant protein operably linked to the Nth promoter. The recombinant protein expressed by the Nth expression cassette is preferably the same as the recombinant protein expressed by the first expression cassette. The Nth expression cassette may further include one or more regulatory sequences operably linked to the Nth promoter and the polynucleotide sequence encoding the recombinant protein. The regulatory sequences are as described above.
第Nのプロモーターは、第一のプロモーター及び第二のプロモーターと異なるものであってもよく、第一のプロモーター又は第二のプロモーターと同じであってもよいが、第Nのプロモーターは、転写活性の弱いプロモーター(例えば、第二のプロモーター)と同じであることが好ましい。これにより、本発明による効果がより一層顕著になる。例えば、組換え細胞が、第一、第二及び第三の発現カセットを有するものである場合、第二のプロモーターの転写活性が、第一のプロモーターの転写活性よりも弱いものであり、かつ第三のプロモーターが第二のプロモーターと同じであることが好ましい。 The Nth promoter may be different from the first promoter and the second promoter, or may be the same as the first promoter or the second promoter; however, it is preferable that the Nth promoter be the same as a promoter with weaker transcriptional activity (e.g., the second promoter). This will make the effects of the present invention even more pronounced. For example, if a recombinant cell has first, second, and third expression cassettes, it is preferable that the transcriptional activity of the second promoter be weaker than the transcriptional activity of the first promoter, and that the third promoter be the same as the second promoter.
(組換えタンパク質)
本発明に係る組換え細胞で生産する組換えタンパク質(以下、「目的タンパク質」ともいう。)は、特に制限されず、任意のタンパク質を使用することができる。目的タンパク質としては、工業規模での製造が好ましい任意のタンパク質を挙げることができ、例えば、工業用に利用できるタンパク質、医療用に利用できるタンパク質、及び構造タンパク質等を挙げることができる。工業用又は医療用に利用できるタンパク質の具体例としては、酵素、制御タンパク質、受容体、ペプチドホルモン、サイトカイン、膜又は輸送タンパク質、予防接種に使用する抗原、ワクチン、抗原結合タンパク質、免疫刺激タンパク質、アレルゲン、及び完全長抗体又は抗体フラグメント若しくは誘導体等を挙げることができる。構造タンパク質の具体例としては、フィブロイン(例えば、スパイダーシルク、カイコシルク等)、ケラチン、コラ-ゲン、エラスチン、レシリン、及びこれらタンパク質の断片、並びにこれら由来のタンパク質等を挙げることができる。
(recombinant protein)
The recombinant protein (hereinafter also referred to as "target protein") produced by the recombinant cell of the present invention is not particularly limited, and any protein can be used. Examples of target proteins include any protein that is preferably produced on an industrial scale, such as proteins that can be used for industrial or medical purposes, and structural proteins. Specific examples of proteins that can be used for industrial or medical purposes include enzymes, regulatory proteins, receptors, peptide hormones, cytokines, membrane or transport proteins, antigens used in vaccinations, vaccines, antigen-binding proteins, immunostimulatory proteins, allergens, and full-length antibodies or antibody fragments or derivatives. Specific examples of structural proteins include fibroin (e.g., spider silk, silkworm silk, etc.), keratin, collagen, elastin, resilin, and fragments of these proteins, as well as proteins derived therefrom.
本明細書においてフィブロインは、天然由来のフィブロインと改変フィブロインとを含む。本明細書において「天然由来のフィブロイン」とは、天然由来のフィブロインと同一のアミノ酸配列を有するフィブロインを意味し、「改変フィブロイン」とは、天然由来のフィブロインとは異なるアミノ酸配列を有するフィブロインを意味する。 As used herein, fibroin includes naturally occurring fibroin and modified fibroin. As used herein, "naturally occurring fibroin" refers to fibroin having the same amino acid sequence as naturally occurring fibroin, and "modified fibroin" refers to fibroin having an amino acid sequence different from that of naturally occurring fibroin.
フィブロインは、クモ糸フィブロインであってよい。「クモ糸フィブロイン」には、天然クモ糸フィブロイン、及び天然クモ糸フィブロインに由来する改変フィブロインが含まれる。天然クモ糸フィブロインとしては、例えば、クモ類が産生するスパイダーシルクタンパク質(SSP)が挙げられる。 The fibroin may be spider silk fibroin. "Spider silk fibroin" includes natural spider silk fibroin and modified fibroins derived from natural spider silk fibroin. Examples of natural spider silk fibroin include spider silk proteins (SSPs) produced by spiders.
フィブロインは、例えば、式1:[(A)nモチーフ-REP]m、又は式2:[(A)nモチーフ-REP]m-(A)nモチーフで表されるドメイン配列を含むタンパク質であってもよい。本実施形態に係るフィブロインは、ドメイン配列のN末端側及びC末端側のいずれか一方又は両方に更にアミノ酸配列(N末端配列及びC末端配列)が付加されていてもよい。N末端配列及びC末端配列は、これに限定されるものではないが、典型的には、フィブロインに特徴的なアミノ酸モチーフの反復を有さない領域であり、100残基程度のアミノ酸からなる。 Fibroin may be, for example, a protein containing a domain sequence represented by formula 1: [(A) n motif-REP] m or formula 2: [(A) n motif-REP] m- (A) n motif. The fibroin according to this embodiment may have further amino acid sequences (N-terminal sequence and C-terminal sequence) added to either or both of the N-terminal and C-terminal sides of the domain sequence. The N-terminal sequence and C-terminal sequence are typically, but are not limited to, regions that do not have repetitions of the amino acid motif characteristic of fibroin and consist of about 100 amino acid residues.
本明細書において「ドメイン配列」とは、フィブロイン特有の結晶領域(典型的には、アミノ酸配列の(A)nモチーフに相当する。)と非晶領域(典型的には、アミノ酸配列のREPに相当する。)を生じるアミノ酸配列であり、式1:[(A)nモチーフ-REP]m、又は式2:[(A)nモチーフ-REP]m-(A)nモチーフで表されるアミノ酸配列を意味する。ここで、(A)nモチーフは、アラニン残基を主とするアミノ酸配列を示し、アミノ酸残基数は2~27である。(A)nモチーフのアミノ酸残基数は、2~20、4~27、4~20、8~20、10~20、4~16、8~16、又は10~16の整数であってよい。また、(A)nモチーフ中の全アミノ酸残基数に対するアラニン残基数の割合は40%以上であればよく、60%以上、70%以上、80%以上、83%以上、85%以上、86%以上、90%以上、95%以上、又は100%(アラニン残基のみで構成されることを意味する。)であってもよい。ドメイン配列中に複数存在する(A)nモチーフは、少なくとも7つがアラニン残基のみで構成されてもよい。REPは2~200アミノ酸残基から構成されるアミノ酸配列を示す。REPは、10~200アミノ酸残基から構成されるアミノ酸配列であってもよい。mは2~300の整数を示し、10~300の整数であってもよい。複数存在する(A)nモチーフは、互いに同一のアミノ酸配列でもよく、異なるアミノ酸配列でもよい。複数存在するREPは、互いに同一のアミノ酸配列でもよく、異なるアミノ酸配列でもよい。 As used herein, the term "domain sequence" refers to an amino acid sequence that generates a crystalline region (typically corresponding to the (A) n motif in the amino acid sequence) and an amorphous region (typically corresponding to REP in the amino acid sequence) that are specific to fibroin, and refers to an amino acid sequence represented by formula 1: [(A) n motif-REP] m or formula 2: [(A) n motif-REP] m- (A) n motif. Here, the (A) n motif represents an amino acid sequence mainly composed of alanine residues, and has 2 to 27 amino acid residues. The number of amino acid residues in the (A) n motif may be an integer of 2 to 20, 4 to 27, 4 to 20, 8 to 20, 10 to 20, 4 to 16, 8 to 16, or 10 to 16. Furthermore, the ratio of the number of alanine residues to the total number of amino acid residues in the (A) n motif may be 40% or more, and may be 60% or more, 70% or more, 80% or more, 83% or more, 85% or more, 86% or more, 90% or more, 95% or more, or 100% (meaning that the motif is composed only of alanine residues). At least seven of the (A) n motifs present in multiple instances in the domain sequence may be composed only of alanine residues. REP represents an amino acid sequence composed of 2 to 200 amino acid residues. REP may also be an amino acid sequence composed of 10 to 200 amino acid residues. m represents an integer of 2 to 300, and may be an integer of 10 to 300. The multiple (A) n motifs may be the same amino acid sequence as each other or different amino acid sequences. The multiple REPs present may be the same amino acid sequence as each other or different amino acid sequences.
天然由来のフィブロインとしては、例えば、式1:[(A)nモチーフ-REP]m、又は式2:[(A)nモチーフ-REP]m-(A)nモチーフで表されるドメイン配列を含むタンパク質を挙げることができる。天然由来のフィブロインの具体例としては、例えば、昆虫又はクモ類が産生するフィブロインが挙げられる。 Examples of naturally occurring fibroins include proteins containing a domain sequence represented by Formula 1: [(A) n motif-REP] m or Formula 2: [(A) n motif-REP] m -(A) n motif. Specific examples of naturally occurring fibroins include fibroins produced by insects or arachnids.
昆虫が産生するフィブロインとしては、例えば、ボンビックス・モリ(Bombyx mori)、クワコ(Bombyx mandarina)、天蚕(Antheraea yamamai)、柞蚕(Anteraea pernyi)、楓蚕(Eriogyna pyretorum)、蓖蚕(Pilosamia Cynthia ricini)、樗蚕(Samia cynthia)、栗虫(Caligura japonica)、チュッサー蚕(Antheraea mylitta)、ムガ蚕(Antheraea assama)等のカイコが産生する絹タンパク質、及びスズメバチ(Vespa simillima xanthoptera)の幼虫が吐出するホーネットシルクタンパク質が挙げられる。 Fibroin produced by insects includes, for example, Bombyx mori, Bombyx mandarina, Antheraea yamamai, Anteraea pernyi, Eriogyna pyretorum, Pilosamia cynthia ricini, Samia cynthia, Caligrassworm, Antheraea mylitta, and Antheraea japonica. Examples include silk proteins produced by silkworms such as silkworms (Bombyx mori), and hornet silk proteins excreted by hornet larvae (Vespa simillima xanthoptera).
昆虫が産生するフィブロインのより具体的な例としては、例えば、カイコ・フィブロインL鎖(GenBankアクセッション番号M76430(塩基配列)、及びAAA27840.1(アミノ酸配列))が挙げられる。 A more specific example of fibroin produced by insects is silkworm fibroin L chain (GenBank accession numbers M76430 (nucleotide sequence) and AAA27840.1 (amino acid sequence)).
クモ類が産生するフィブロインとしては、例えば、オニグモ、ニワオニグモ、アカオニグモ、アオオニグモ及びマメオニグモ等のオニグモ属(Araneus属)に属するクモ、ヤマシロオニグモ、イエオニグモ、ドヨウオニグモ及びサツマノミダマシ等のヒメオニグモ属(Neoscona属)に属するクモ、コオニグモモドキ等のコオニグモモドキ属(Pronus属)に属するクモ、トリノフンダマシ及びオオトリノフンダマシ等のトリノフンダマシ属(Cyrtarachne属)に属するクモ、トゲグモ及びチブサトゲグモ等のトゲグモ属(Gasteracantha属)に属するクモ、マメイタイセキグモ及びムツトゲイセキグモ等のイセキグモ属(Ordgarius属)に属するクモ、コガネグモ、コガタコガネグモ及びナガコガネグモ等のコガネグモ属(Argiope属)に属するクモ、キジロオヒキグモ等のオヒキグモ属(Arachnura属)に属するクモ、ハツリグモ等のハツリグモ属(Acusilas属)に属するクモ、スズミグモ、キヌアミグモ及びハラビロスズミグモ等のスズミグモ属(Cytophora属)に属するクモ、ゲホウグモ等のゲホウグモ属(Poltys属)に属するクモ、ゴミグモ、ヨツデゴミグモ、マルゴミグモ及びカラスゴミグモ等のゴミグモ属(Cyclosa属)に属するクモ、及びヤマトカナエグモ等のカナエグモ属(Chorizopes属)に属するクモが産生するスパイダーシルクタンパク質、並びにアシナガグモ、ヤサガタアシナガグモ、ハラビロアシダカグモ及びウロコアシナガグモ等のアシナガグモ属(Tetragnatha属)に属するクモ、オオシロカネグモ、チュウガタシロカネグモ及びコシロカネグモ等のシロカネグモ属(Leucauge属)に属するクモ、ジョロウグモ及びオオジョロウグモ等のジョロウグモ属(Nephila属)に属するクモ、キンヨウグモ等のアズミグモ属(Menosira属)に属するクモ、ヒメアシナガグモ等のヒメアシナガグモ属(Dyschiriognatha属)に属するクモ、クロゴケグモ、セアカゴケグモ、ハイイロゴケグモ及びジュウサンボシゴケグモ等のゴケグモ属(Latrodectus属)に属するクモ、及びユープロステノプス属(Euprosthenops属)に属するクモ等のアシナガグモ科(Tetragnathidae科)に属するクモが産生するスパイダーシルクタンパク質が挙げられる。スパイダーシルクタンパク質としては、例えば、MaSp(MaSp1及びMaSp2)、ADF(ADF3及びADF4)等の牽引糸タンパク質、MiSp(MiSp1及びMiSp2)等が挙げられる。 Fibroin produced by spiders includes, for example, spiders belonging to the Araneus genus, such as the orb spider, the garden spider, the red orb spider, the green orb spider, and the bean spider; spiders belonging to the Neoscona genus, such as the mountain orb spider, the house spider, the dun orb spider, and the Satsuma spider; spiders belonging to the Pronus genus, such as the little orb spider; spiders belonging to the Cyrtarachne genus, such as the Japanese orb spider and the large orb spider; spiders belonging to the Gaster genus, such as the spiny orb spider and the Japanese orb spider; spiders belonging to the genus Acantha, spiders belonging to the genus Ordgarius such as the orb-weaver spider and the black widow spider, spiders belonging to the genus Argiope such as the orb-weaver spider, spiders belonging to the genus Arachnura such as the brown recluse spider, spiders belonging to the genus Acusilas such as the scraping spider, spiders belonging to the genus Cytophora such as the orb-weaver spider, the orb-weaver spider and the black widow spider, spiders belonging to the genus Poltys such as the house spider spider silk proteins produced by spiders belonging to the genus Cyclosa, such as the dung beetle, four-headed dung beetle, brown dung beetle, and black dung beetle, and spiders belonging to the genus Chorizopes, such as the Japanese canary spider; spiders belonging to the genus Tetragnatha, such as the long-legged spider, the long-legged spider, the broad-legged spider, and the scaly canary spider; spiders belonging to the genus Leucauge, such as the large white weaver spider, the medium-sized weaver spider, and the small white weaver spider; spider silk proteins produced by spiders belonging to the genus Orb spider, the giant orb spider, and the like. Examples of spider silk proteins include those produced by spiders belonging to the genus Nephila, spiders belonging to the genus Menosira such as the golden orb spider, spiders belonging to the genus Dyschiriognatha such as the small brown recluse spider, spiders belonging to the genus Latrodectus such as the black widow spider, redback spider, grey widow spider and ten-spotted latrodectus, and spiders belonging to the family Tetragnathiidae such as spiders belonging to the genus Euprosthenops. Examples of spider silk proteins include dragline proteins such as MaSp (MaSp1 and MaSp2) and ADF (ADF3 and ADF4), and MiSp (MiSp1 and MiSp2).
ケラチン由来のタンパク質として、例えば、カプラ・ヒルクス(Capra hircus)のタイプIケラチン等を挙げることができる。 Examples of keratin-derived proteins include type I keratin from Capra hircus.
コラーゲン由来のタンパク質としては、例えば、式3:[REP2]pで表されるドメイン配列を含むタンパク質(ここで、式3中、pは5~300の整数を示す。REP2は、Gly-X-Yから構成されるアミノ酸配列を示し、X及びYはGly以外の任意のアミノ酸残基を示す。複数存在するREP2は、互いに同一のアミノ酸配列でもよく、異なるアミノ酸配列でもよい。)を挙げることができる。 An example of a collagen-derived protein is a protein comprising a domain sequence represented by formula 3: [REP2] p (wherein, in formula 3, p represents an integer of 5 to 300. REP2 represents an amino acid sequence composed of Gly-X-Y, where X and Y represent any amino acid residues other than Gly. Multiple REP2s may have the same amino acid sequence or different amino acid sequences).
エラスチン由来のタンパク質としては、例えば、NCBIのGenBankのアクセッション番号AAC98395(ヒト)、I47076(ヒツジ)、NP786966(ウシ)等のアミノ酸配列を有するタンパク質を挙げることができる。 Examples of proteins derived from elastin include proteins having amino acid sequences such as those in NCBI GenBank accession numbers AAC98395 (human), I47076 (ovine), and NP786966 (bovine).
レシリン由来のタンパク質としては、例えば、式4:[REP3]qで表されるドメイン配列を含むタンパク質(ここで、式4中、qは4~300の整数を示す。REP3はSer-J-J-Tyr-Gly-U-Proから構成されるアミノ酸配列を示す。Jは任意アミノ酸残基を示し、特にAsp、Ser及びThrからなる群から選ばれるアミノ酸残基であることが好ましい。Uは任意のアミノ酸残基を示し、特にPro、Ala、Thr及びSerからなる群から選ばれるアミノ酸残基であることが好ましい。複数存在するREP4は、互いに同一のアミノ酸配列でもよく、異なるアミノ酸配列でもよい。)を挙げることができる。 An example of a protein derived from resilin is a protein comprising a domain sequence represented by formula 4: [REP3] q (wherein, in formula 4, q is an integer of 4 to 300. REP3 is an amino acid sequence consisting of Ser-J-J-Tyr-Gly-U-Pro. J is any amino acid residue, and is particularly preferably an amino acid residue selected from the group consisting of Asp, Ser, and Thr. U is any amino acid residue, and is particularly preferably an amino acid residue selected from the group consisting of Pro, Ala, Thr, and Ser. Multiple REP4s may have the same amino acid sequence or different amino acid sequences).
目的タンパク質は、親水性タンパク質であってもよく、疎水性タンパク質であってもよい。目的タンパク質としては、目的タンパク質を構成する全てのアミノ酸残基の疎水性指標(ハイドロパシー・インデックス、HI)の総和を求め、次にその総和を全アミノ酸残基数で除した値(平均HI、以下「疎水度」とも表す。)が-1.0以上であるものが好ましい。アミノ酸残基の疎水性指標については、公知の指標(Hydropathy index:Kyte J,&Doolittle R(1982)“A simple method for displaying the hydropathic character of a protein”,J.Mol.Biol.,157,pp.105-132)を使用する。具体的には、各アミノ酸の疎水性指標は、下記表1に示すとおりである。 The target protein may be either a hydrophilic or hydrophobic protein. The target protein is preferably one whose average HI (hereinafter also referred to as "hydrophobicity"), calculated by summing the hydrophobicity index (HI) of all amino acid residues constituting the target protein and then dividing this sum by the total number of amino acid residues, is -1.0 or greater. The hydrophobicity index of amino acid residues is determined using a known index (Hydrophobicity index: Kyte J, & Doolittle R (1982) "A simple method for displaying the hydropathic character of a protein", J. Mol. Biol., 157, pp. 105-132). Specifically, the hydrophobicity index of each amino acid is as shown in Table 1 below.
本発明の一実施形態において、目的タンパク質の疎水度は、-0.9以上、-0.8以上、-0.7以上、-0.6以上、-0.5以上、-0.4以上、-0.3以上、-0.2以上、-0.1以上、0以上、0.1以上、0.2以上、0.3以上、又は0.4以上であってよく、また、目的タンパク質の疎水度は、1.0以下、0.9以下、0.8以下、0.7以下、0.6以下、又は0.5以下であってよい。 In one embodiment of the present invention, the hydrophobicity of the target protein may be -0.9 or greater, -0.8 or greater, -0.7 or greater, -0.6 or greater, -0.5 or greater, -0.4 or greater, -0.3 or greater, -0.2 or greater, -0.1 or greater, 0 or greater, 0.1 or greater, 0.2 or greater, 0.3 or greater, or 0.4 or greater. The hydrophobicity of the target protein may be 1.0 or less, 0.9 or less, 0.8 or less, 0.7 or less, 0.6 or less, or 0.5 or less.
目的タンパク質の分子量は、特に限定されないが、例えば、10kDa以上700kDa以下であってよい。目的タンパク質の分子量は、例えば、20kDa以上、30kDa以上、40kDa以上、50kDa以上、60kDa以上、70kDa以上、80kDa以上、90kDa以上、又は100kDa以上であってよく、例えば、600kDa以下、500kDa以下、400kDa以下、300kDa以下、又は200kDa以下であってよい。 The molecular weight of the target protein is not particularly limited, and may be, for example, 10 kDa or more and 700 kDa or less. The molecular weight of the target protein may be, for example, 20 kDa or more, 30 kDa or more, 40 kDa or more, 50 kDa or more, 60 kDa or more, 70 kDa or more, 80 kDa or more, 90 kDa or more, or 100 kDa or more, and may be, for example, 600 kDa or less, 500 kDa or less, 400 kDa or less, 300 kDa or less, or 200 kDa or less.
(組換え細胞の作製)
本発明の一実施形態に係る組換え細胞は、例えば、第一の発現カセット及び第二の発現カセット(並びに、必要に応じて、第三の発現カセット、第四の発現カセット、・・・)(以下、まとめて「発現カセット」ともいう。)を宿主細胞に導入することにより得ることができる。
(Preparation of recombinant cells)
A recombinant cell according to one embodiment of the present invention can be obtained, for example, by introducing a first expression cassette and a second expression cassette (and, if necessary, a third expression cassette, a fourth expression cassette, ...) (hereinafter collectively referred to as "expression cassettes") into a host cell.
本実施形態に係る組換え細胞は、例えば、発現カセットを有する発現ベクターで宿主細胞を形質転換する方法により得ることができる。本実施形態に係る組換え細胞は、発現カセットをゲノムDNA外に有するものであってもよく、発現カセットがゲノムDNA中に組み込まれたものであってもよいが、発現カセットがゲノムDNA中に組み込まれたものであるのが好ましい。 The recombinant cell of this embodiment can be obtained, for example, by transforming a host cell with an expression vector having an expression cassette. The recombinant cell of this embodiment may have the expression cassette outside of the genomic DNA, or may have the expression cassette integrated into the genomic DNA, but it is preferable that the expression cassette be integrated into the genomic DNA.
宿主細胞を形質転換する方法としては、公知の方法を使用することができ、例えば、プラスミドベクターを用いて宿主細胞を形質転換することが挙げられる。 Known methods can be used to transform host cells, such as transforming host cells with a plasmid vector.
発現カセットをゲノムDNA中へ組み込む方法としては、公知の方法を使用することができ、例えば、λファージの2重鎖切断修復における組換え機構を応用したλred法、Red/ET相同組換え法、pUT-mini Tn5を用いたトランスポゾン活性を利用した転移法が挙げられる。例えば、バイオメダル社の「トランスポゾンによる遺伝子導入キット:pUTmini-Tn5 Kit」等を用い、キットに記載の方法に準じて、発現カセットを宿主細胞のゲノムDNA中に組み込むことができる。このとき、少なくとも目的タンパク質をコードする核酸配列を含むDNA断片を宿主細胞のゲノムDNA中の1又は複数の調節配列と作動可能に連結するように組み換えることで、発現カセットを宿主細胞のゲノムDNA中に組み込んでもよい。 Methods for incorporating an expression cassette into genomic DNA can be known, including the λred method, which applies the recombination mechanism used in double-strand break repair in λ phage; the Red/ET homologous recombination method; and transposition using pUT-mini Tn5, which utilizes transposon activity. For example, using Biomedal's "Transposon-Mediated Gene Transfer Kit: pUTmini-Tn5 Kit," the expression cassette can be incorporated into the genomic DNA of the host cell according to the method described in the kit. In this case, the expression cassette may be incorporated into the genomic DNA of the host cell by recombining a DNA fragment containing at least a nucleic acid sequence encoding the target protein so that it is operably linked to one or more regulatory sequences in the genomic DNA of the host cell.
宿主細胞を形質転換する方法としては、λファージのインテグラーゼにより宿主細胞のゲノムDNA中のアタッチメント・サイト(attB部位)とベクター上のアタッチメント・サイト(attP部位)を介して発現カセットを宿主細胞のゲノムDNA中に組み込む方法、及び相同組換えに不可欠な3つの遺伝子エキソ(exo)、ベータ(bet)、ガンマ(gam)遺伝子を有するヘルパープラスミドpKD46を用いたレッド-リコンビナーゼ・システムを使用して発現カセットを宿主細胞のゲノムDNA中に組み込む方法が好ましい。 Preferred methods for transforming host cells include integrating an expression cassette into the host cell's genomic DNA using λ phage integrase via an attachment site (attB site) in the host cell's genomic DNA and an attachment site (attP site) on the vector, and integrating an expression cassette into the host cell's genomic DNA using the Red-recombinase system with the helper plasmid pKD46, which contains three genes essential for homologous recombination: exo, bet, and gamma.
宿主細胞として、細菌等の原核生物の細胞、並びに酵母細胞、糸状真菌細胞、昆虫細胞、動物細胞、及び植物細胞等の真核生物の細胞のいずれも用いることができる。ただし、増殖が速くかつ培養コストを削減する観点から、宿主細胞は細菌等の原核細胞であることが好ましい。 As host cells, any of the following can be used: prokaryotic cells such as bacteria; and eukaryotic cells such as yeast cells, filamentous fungal cells, insect cells, animal cells, and plant cells. However, from the viewpoint of rapid growth and reduced culture costs, prokaryotic cells such as bacteria are preferred as host cells.
細菌等の原核生物の宿主細胞としては、エシェリヒア属、ブレビバチルス属、セラチア属、バチルス属、ミクロバクテリウム属、ブレビバクテリウム属、コリネバクテリウム属及びシュードモナス属等に属する微生物を挙げることができる。原核生物の好ましい例としては、例えば、大腸菌、バチルス・ズブチリス、シュードモナス、コリネバクテリウム、及びラクトコッカス等を挙げることができる。宿主細胞は、エシェリヒア属に属する微生物、特に大腸菌(Escherichia coli)であることが好ましい。 Prokaryotic host cells such as bacteria include microorganisms belonging to the genera Escherichia, Brevibacillus, Serratia, Bacillus, Microbacterium, Brevibacterium, Corynebacterium, and Pseudomonas. Preferred examples of prokaryotes include Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas, Corynebacterium, and Lactococcus. It is preferred that the host cell be a microorganism belonging to the genus Escherichia, particularly Escherichia coli.
エシェリヒア属に属する微生物として、例えば、エシェリヒア・コリ BL21(ノバジェン社)、エシェリヒア・コリ BL21(DE3)(ライフテクノロジーズ社)、エシェリヒア・コリ BLR(DE3)(メルクミリポア社)、エシェリヒア・コリ DH1、エシェリヒア・コリ GI698、エシェリヒア・コリ HB101、エシェリヒア・コリ JM109、エシェリヒア・コリ K5(ATCC 23506)、エシェリヒア・コリ KY3276、エシェリヒア・コリ MC1000、エシェリヒア・コリ MG1655(ATCC 47076)、エシェリヒア・コリ No.49、エシェリヒア・コリ Rosetta(DE3)(ノバジェン社)、エシェリヒア・コリ TB1、エシェリヒア・コリ Tuner(ノバジェン社)、エシェリヒア・コリ Tuner(DE3)(ノバジェン社)、エシェリヒア・コリ W1485、エシェリヒア・コリ W3110(ATCC 27325)、エシェリヒア・コリ(Escherichia coli)XL1-Blue、エシェリヒア・コリ XL2-Blue等を挙げることができる。宿主細胞は、大腸菌(Escherichia coli)であることが好ましい。 Examples of microorganisms belonging to the genus Escherichia include Escherichia coli BL21 (Novagen), Escherichia coli BL21(DE3) (Life Technologies), Escherichia coli BLR(DE3) (Merck Millipore), Escherichia coli DH1, Escherichia coli GI698, Escherichia coli HB101, Escherichia coli JM109, Escherichia coli K5 (ATCC 23506), Escherichia coli KY3276, Escherichia coli MC1000, Escherichia coli MG1655 (ATCC 47076), and Escherichia coli No. Examples of suitable host cells include Escherichia coli Rosetta (DE3) (Novagen), Escherichia coli TB1, Escherichia coli Tuner (Novagen), Escherichia coli Tuner (DE3) (Novagen), Escherichia coli W1485, Escherichia coli W3110 (ATCC 27325), Escherichia coli XL1-Blue, and Escherichia coli XL2-Blue. The host cell is preferably Escherichia coli.
上記宿主細胞を形質転換する方法としては、上記宿主細胞へDNAを導入する方法であればいずれも用いることができる。例えば、カルシウムイオンを用いる方法〔Proc.Natl.Acad.Sci.USA,69,2110(1972)〕、プロトプラスト法(特開昭63-248394号公報)、又はGene,17,107(1982)やMolecular & General Genetics,168,111(1979)に記載の方法等を挙げることができる。 The host cells can be transformed by any method that involves introducing DNA into the host cells. Examples include the calcium ion method [Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 69, 2110 (1972)], the protoplast method (JP 63-248394 A), or the methods described in Gene, 17, 107 (1982) and Molecular & General Genetics, 168, 111 (1979).
ブレビバチルス属に属する微生物の形質転換は、例えば、Takahashiらの方法(J.Bacteriol.,1983,156:1130-1134)や、Takagiらの方法(Agric.Biol.Chem.,1989,53:3099-3100)、又はOkamotoらの方法(Biosci.Biotechnol.Biochem.,1997,61:202-203)により実施することができる。 Transformation of microorganisms belonging to the genus Brevibacillus can be carried out, for example, by the method of Takahashi et al. (J. Bacteriol., 1983, 156:1130-1134), the method of Takagi et al. (Agric. Biol. Chem., 1989, 53:3099-3100), or the method of Okamoto et al. (Biosci. Biotechnol. Biochem., 1997, 61:202-203).
形質転換に使用するベクター(以下、単に「ベクター」という。)の種類は、プラスミドベクター、ウイルスベクター、コスミドベクター、フォスミドベクター、人工染色体ベクター等、宿主の種類に応じて適宜選択することができる。ベクターとしては、例えば、pBTrp2、pBTac1、pBTac2(いずれもベーリンガーマンハイム社より市販)、pKK233-2(Pharmacia社製)、pSE280(Invitrogen社製)、pGEMEX-1(Promega社製)、pQE-8(QIAGEN社製)、pKYP10(特開昭58-110600号公報)、pKYP200〔Agric.Biol.Chem.,48,669(1984)〕、pLSA1〔Agric.Biol.Chem.,53,277(1989)〕、pGEL1〔Proc.Natl.Acad.Sci.USA,82,4306(1985)〕、pBluescript II SK(-)(Stratagene社製)、pTrs30〔Escherichiacoli JM109/pTrS30(FERM BP-5407)より調製〕、pTrs32〔Escherichia coli JM109/pTrS32(FERM BP-5408)より調製〕、pGHA2〔Escherichia coli IGHA2(FERM B-400)より調製、特開昭60-221091号公報〕、pGKA2〔Escherichia coli IGKA2(FERM BP-6798)より調製、特開昭60-221091号公報〕、pTerm2(米国特許4686191号、米国特許4939094号、米国特許5160735号)、pSupex、pUB110、pTP5、pC194、pEG400〔J.Bacteriol.,172,2392(1990)〕、pGEX(Pharmacia社製)、pETシステム(Novagen社製)等を挙げることができる。 The type of vector used for transformation (hereinafter simply referred to as "vector") can be selected appropriately depending on the type of host, such as a plasmid vector, viral vector, cosmid vector, fosmid vector, or artificial chromosome vector. Examples of vectors include pBTrp2, pBTac1, and pBTac2 (all commercially available from Boehringer Mannheim), pKK233-2 (Pharmacia), pSE280 (Invitrogen), pGEMEX-1 (Promega), pQE-8 (QIAGEN), pKYP10 (JP 58-110600 A), pKYP200 [Agric. Biol. Chem., 48, 669 (1984)], and pLSA1 [Agric. Biol. Chem., 48, 669 (1984)]. , 53, 277 (1989)], pGEL1 [Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 82, 4306 (1985)], pBluescript II SK(-) (Stratagene), pTrs30 [prepared from Escherichia coli JM109/pTrS30 (FERM BP-5407)], pTrs32 [prepared from Escherichia coli JM109/pTrS32 (FERM BP-5408)], pGHA2 [prepared from Escherichia coli IGHA2 (FERM B-400), JP-A-60-221091], pGKA2 [prepared from Escherichia coli IGKA2 (FERM Examples of suitable vectors include pTerm2 (US Patent Nos. 4,686,191, 4,939,094, and 5,160,735), pSupex, pUB110, pTP5, pC194, and pEG400 (J. Bacteriol., 172, 2392 (1990)), pGEX (Pharmacia), and the pET system (Novagen).
宿主細胞として大腸菌を用いる場合は、pUC18、pBluescriptII、pSupex、pET22b、pCold等を好適なベクターとして挙げることができる。 When E. coli is used as the host cell, suitable vectors include pUC18, pBluescript II, pSupex, pET22b, and pCold.
ブレビバチルス属に属する微生物に好適なベクターの具体例として、枯草菌ベクターとして公知であるpUB110、又はpHY500(特開平2-31682号公報)、pNY700(特開平4-278091号公報)、pHY4831(J.Bacteriol.,1987,1239-1245)、pNU200(鵜高重三、日本農芸化学会誌1987,61:669-676)、pNU100(Appl.Microbiol.Biotechnol.,1989,30:75-80)、pNU211(J.Biochem.,1992,112:488-491)、pNU211R2L5(特開平7-170984号公報)、pNH301(Appl.Environ.Microbiol.,1992,58:525-531)、pNH326、pNH400(J.Bacteriol.,1995,177:745-749)、pHT210(特開平6-133782号公報)、pHT110R2L5(Appl.Microbiol.Biotechnol.,1994,42:358-363)、又は大腸菌とブレビバチルス属に属する微生物とのシャトルベクターであるpNCO2(特開2002-238569号公報)等を挙げることができる。 Specific examples of vectors suitable for microorganisms belonging to the genus Brevibacillus include pUB110, which is known as a Bacillus subtilis vector, or pHY500 (JP Patent Publication No. 2-31682), pNY700 (JP Patent Publication No. 4-278091), pHY4831 (J. Bacteriol., 1987, pp. 1239-1245), pNU200 (Udaka Shigezo, Journal of the Japanese Society of Agricultural Chemistry, 1987, 61: 669-676), pNU100 (Appl. Microbiol. Biotechnol., 1989, 30: 75-80), pNU211 (J. Biochem., 1992, 112: 488-491), and pNU2 Examples of such vectors include 11R2L5 (JP 7-170984 A), pNH301 (Appl. Environ. Microbiol., 1992, 58:525-531), pNH326, pNH400 (J. Bacteriol., 1995, 177:745-749), pHT210 (JP 6-133782 A), pHT110R2L5 (Appl. Microbiol. Biotechnol., 1994, 42:358-363), and pNCO2 (JP 2002-238569 A), a shuttle vector between Escherichia coli and microorganisms belonging to the genus Brevibacillus.
プロモーターとしては、上述した条件を満たし、かつ宿主細胞中で機能するものであれば制限されない。例えば、trpプロモーター(Ptrp)、lacプロモーター、PLプロモーター、PRプロモーター、T7プロモーター等の大腸菌又はファージ等に由来するプロモーターを挙げることができる。またPtrpを2つ直列させたプロモーター(Ptrp×2)、tacプロモーター、lacT7プロモーター、let Iプロモーターのように人為的に設計改変されたプロモーター等も用いることができる。 There are no limitations on the promoter, so long as it meets the above-mentioned conditions and functions in the host cell. Examples include promoters derived from E. coli or phages, such as the trp promoter (Ptrp), lac promoter, PL promoter, PR promoter, and T7 promoter. Artificially designed and modified promoters such as a promoter with two Ptrp promoters in tandem (Ptrp x 2), the tac promoter, the lacT7 promoter, and the let I promoter can also be used.
リボソーム結合配列であるシャイン-ダルガノ(Shine-Dalgarno)配列と開始コドンとの間を適当な距離(例えば6~18塩基)に調節したプラスミドを用いることが好ましい。転写終結配列は必ずしも必要ではないが、目的タンパク質をコードする遺伝子の直下に転写終結配列を配置することが好ましい。 It is preferable to use a plasmid in which the distance between the Shine-Dalgarno sequence (a ribosome binding sequence) and the start codon has been adjusted to an appropriate value (e.g., 6 to 18 bases). A transcription termination sequence is not necessarily required, but it is preferable to place one immediately downstream of the gene encoding the target protein.
真核生物の宿主細胞としては、例えば、酵母及び糸状真菌(カビ等)を挙げることができる。 Eukaryotic host cells include, for example, yeast and filamentous fungi (molds, etc.).
酵母としては、例えば、サッカロマイセス(Saccharomyces)属、シゾサッカロマイセス(Schizosaccharomyces)属、クリベロマイセス(Kluyveromyces)属、トリコスポロン(Trichosporon)属、シワニオミセス(Schwanniomyces)属、ピキア(Pichia)属、キャンディダ(Candida)属、ヤロウィア属及びハンゼヌラ属等に属する酵母を挙げることができる。 Examples of yeast include yeasts belonging to the genera Saccharomyces, Schizosaccharomyces, Kluyveromyces, Trichosporon, Schwanniomyces, Pichia, Candida, Yarrowia, and Hansenula.
酵母を宿主細胞として用いる場合のベクターは通常、複製起点(宿主細胞における増幅が必要である場合)及び大腸菌中でのベクターの増殖のための選抜マーカー、酵母における組換えタンパク質発現のための誘導性プロモーター及びターミネータ、並びに酵母のための選抜マーカーを含むことが好ましい。 When yeast is used as a host cell, the vector typically preferably contains an origin of replication (if amplification in the host cell is required) and a selectable marker for propagation of the vector in E. coli, an inducible promoter and terminator for recombinant protein expression in yeast, and a selectable marker for yeast.
ベクターが非組込みベクターの場合、さらに自己複製配列(ARS)を含むことが好ましい。これにより細胞内におけるベクターの安定性を向上させることができる(Myers、A.M.、et al.(1986)Gene 45:299-310)。 If the vector is a non-integrating vector, it preferably further contains an autonomously replicating sequence (ARS). This can improve the stability of the vector within the cell (Myers, A.M., et al. (1986) Gene 45:299-310).
酵母を宿主細胞として用いる場合のベクターとしては、例えば、YEP13(ATCC37115)、YEp24(ATCC37051)、YCp50(ATCC37419)、YIp、pHS19、pHS15、pA0804、pHIL3Ol、pHIL-S1、pPIC9K、pPICZα、pGAPZα、pPICZ B等を挙げることができる。 When yeast is used as a host cell, examples of vectors include YEP13 (ATCC37115), YEp24 (ATCC37051), YCp50 (ATCC37419), YIp, pHS19, pHS15, pA0804, pHIL3Ol, pHIL-S1, pPIC9K, pPICZα, pGAPZα, and pPICZ B.
酵母を宿主細胞とした場合のプロモーターは、上述した条件を満たすものであれば特に制限されない。プロモーターの具体例として、ガラクトース誘導性のgal 1プロモーター及びgal 10プロモーター;銅誘導性のCUP 1プロモーター;チアミン誘導性のnmt1プロモーター;並びにメタノール誘導性のAOX1プロモーター、AOX2プロモーター、DHASプロモーター、DASプロモーター、FDHプロモーター、FMDHプロモーター、MOXプロモーター、ZZA1、PEX5-、PEX8-及びPEX14-プロモーター等を挙げることができる。 When yeast is used as a host cell, the promoter is not particularly limited as long as it meets the above-mentioned conditions. Specific examples of promoters include the galactose-inducible gal 1 promoter and gal 10 promoter; the copper-inducible CUP 1 promoter; the thiamine-inducible nmt 1 promoter; and the methanol-inducible AOX 1 promoter, AOX 2 promoter, DHAS promoter, DAS promoter, FDH promoter, FMDH promoter, MOX promoter, ZZA 1, PEX 5-, PEX 8-, and PEX 14-promoters.
酵母へのベクターの導入方法としては、酵母にDNAを導入する方法であればいずれも用いることができ、例えば、エレクトロポレーション法(Methods Enzymol.,194,182(1990))、スフェロプラスト法(Proc.Natl.Acad.Sci.,USA,81,4889(1984))、酢酸リチウム法(J.Bacteriol.,153,163(1983))、Proc.Natl.Acad.Sci.USA,75,1929(1978)記載の方法等を挙げることができる。 Any method for introducing DNA into yeast can be used to introduce a vector into yeast, including, for example, electroporation (Methods Enzymol., 194, 182 (1990)), the spheroplast method (Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 81, 4889 (1984)), the lithium acetate method (J. Bacteriol., 153, 163 (1983)), and the method described in Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 75, 1929 (1978).
糸状真菌としては、例えば、アクレモニウム(Acremonium)属、アスペルギルス(Aspergillus)属、ウスチラーゴ(Ustilago)属、トリコデルマ(Trichoderma)属、ノイロスポラ(Neurospora)属、フザリウム(Fusarium)属、フミコーラ(Humicola)属、ペニシリウム(Penicillium)属、マイセリオフトラ(Myceliophtora)属、ボトリティス(Botryts)属、マグナポルサ(Magnaporthe)属、ムコア(Mucor)属、メタリチウム(Metarhizium)属、モナスカス(Monascus)属、リゾプス(Rhizopus)属、及びリゾムコア属に属する菌等を挙げることができる。 Examples of filamentous fungi include the genus Acremonium, Aspergillus, Ustilago, Trichoderma, Neurospora, Fusarium, Humicola, and Penicillium. Examples of fungi that can be used include those belonging to the genera Illium, Myceliophtora, Botrytis, Magnaporthe, Mucor, Metarhizium, Monascus, Rhizopus, and Rhizomucor.
糸状真菌を宿主細胞とした場合のプロモーターは、上述した条件を満たすものであれば特に制限されない。プロモーターの具体例として、サリチル酸誘導性PR1aプロモーター;シクロヘキシミド誘導性Placcプロモーター;及びキナ酸誘導性Pqa-2プロモーター等を挙げることができる。 When using a filamentous fungus as a host cell, the promoter is not particularly limited as long as it meets the above-mentioned conditions. Specific examples of promoters include the salicylic acid-inducible PR1a promoter; the cycloheximide-inducible Placc promoter; and the quinic acid-inducible Pqa-2 promoter.
糸状真菌へのベクターの導入は,従来公知の方法を用いて行うことができる。例えば、Cohenらの方法(塩化カルシウム法)[Proc.Natl.Acad.Sci.USA,69:2110(1972)]、プロトプラスト法[Mol.Gen.Genet.,168:111(1979)]、コンピテント法[J.Mol.Biol.,56:209(1971)]、エレクトロポレーション法等が挙げられる。 Vectors can be introduced into filamentous fungi using conventional methods. Examples include the method of Cohen et al. (calcium chloride method) [Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 69:2110 (1972)], the protoplast method [Mol. Gen. Genet., 168:111 (1979)], the competent method [J. Mol. Biol., 56:209 (1971)], and electroporation.
〔組換えタンパク質の製造方法〕
本実施形態に係る組換えタンパク質の製造方法は、少なくとも生産工程を備える。生産工程は、本発明に係る組換え細胞をタンパク質生産培地中で培養する工程である。本実施形態に係る組換えタンパク質の製造方法は、生産工程の前に、上述した組換え細胞を前培養培地で培養する前培養工程を更に備えるものであってもよい。
[Method for producing recombinant proteins]
The method for producing a recombinant protein according to this embodiment includes at least a production step. The production step is a step of culturing the recombinant cell according to the present invention in a protein production medium. The method for producing a recombinant protein according to this embodiment may further include a pre-culture step of culturing the recombinant cell in a pre-culture medium prior to the production step.
組換え細胞を培養するためのタンパク質生産培地は特に限定されず、組換え細胞の種類に応じて、公知の天然培地又は合成培地から選択することができる。タンパク質生産培地としては、例えば、炭素源、窒素源、リン酸源、硫黄源、ビタミン類、ミネラル、栄養要求性により要求される栄養素、及びその他の各種有機成分や無機成分から選択される成分を必要に応じて含有する液体培地を用いることができる。培地成分の種類や濃度は、当業者が適宜設定してよい。 The protein production medium for culturing recombinant cells is not particularly limited and can be selected from known natural or synthetic media depending on the type of recombinant cell. For example, a liquid medium containing components selected from a carbon source, nitrogen source, phosphate source, sulfur source, vitamins, minerals, nutrients required for auxotrophy, and various other organic and inorganic components as needed can be used as the protein production medium. The types and concentrations of medium components can be determined appropriately by those skilled in the art.
タンパク質生産培地は、天然由来成分を含むことが好ましい。天然由来成分は、天然物(例えば、酵母)そのもの、天然物からの抽出物(例えば、Yeast Extract)等の成分を意味する。天然由来成分は、通常、含まれる成分の種類及びそれぞれの含有量は完全に特定されていないものである。天然由来成分は、例えば、ビタミン類、低分子のペプチド(例えば、アミノ酸残基数2~20のペプチド)及びアミノ酸からなる群より選択される少なくとも1種を含む。 The protein production medium preferably contains naturally occurring components. Naturally occurring components refer to components such as natural products (e.g., yeast) themselves, extracts from natural products (e.g., yeast extract), etc. The types and amounts of naturally occurring components typically are not fully specified. Naturally occurring components include, for example, at least one selected from the group consisting of vitamins, low-molecular-weight peptides (e.g., peptides with 2 to 20 amino acid residues), and amino acids.
炭素源としては、グルコース、シュクロース、ラクトース、ガラクトース、フラクトースやでんぷんの加水分解物等の糖類、グリセロール、ソルビトール等のアルコール類、フマール酸、クエン酸、コハク酸等の有機酸類が挙げられる。 Carbon sources include sugars such as glucose, sucrose, lactose, galactose, fructose, and starch hydrolysates; alcohols such as glycerol and sorbitol; and organic acids such as fumaric acid, citric acid, and succinic acid.
炭素源としては、1種類であってもよく、2種類以上の炭素源を任意の比率で混合してもよい。タンパク質生産培地における炭素源の濃度は、0.1w/v%~50w/v%程度、好ましくは0.5w/v%~40w/v%程度、より好ましくは1w/v%~30w/v%程度、特に好ましくは5w/v%~20w/v%程度であってよい。本実施形態において、炭素源としてグリセロール又はグルコースを用いることが好ましく、グリセロール又はグルコースと他の炭素源とを任意の比率で混合してもよい。炭素源中のグリセロール又はグルコースの比率は、好ましくは10重量%以上、より好ましくは50重量%以上、特に好ましくは70重量%以上であることが望ましい。培養開始時の炭素源の好ましい初発濃度は上記のとおりであるが、培養中の炭素源の消費に応じて、炭素源を適宜に添加してもよい。 The carbon source may be a single type, or two or more types may be mixed in any ratio. The concentration of the carbon source in the protein production medium may be approximately 0.1 w/v% to 50 w/v%, preferably approximately 0.5 w/v% to 40 w/v%, more preferably approximately 1 w/v% to 30 w/v%, and particularly preferably approximately 5 w/v% to 20 w/v%. In this embodiment, glycerol or glucose is preferably used as the carbon source, and glycerol or glucose may be mixed with other carbon sources in any ratio. The ratio of glycerol or glucose in the carbon source is preferably 10 wt% or more, more preferably 50 wt% or more, and particularly preferably 70 wt% or more. The preferred initial concentration of the carbon source at the start of cultivation is as described above, but the carbon source may be added appropriately depending on the consumption of the carbon source during cultivation.
窒素源としては、硝酸塩、アンモニウム塩、アンモニアガス、アンモニア水等の無機窒素塩、アミノ酸、ペプトン、エキス類、コーンスターチ製造工業における副産物であるコーンスティープリカー(CSL)等の有機窒素源が挙げられる。ペプトン類としては、カゼインペプトン、獣肉ペプトン、心筋ペプトン、ゼラチンペプトン、又は大豆ペプトン等が挙げられる。エキス類としては、肉エキス、酵母エキス、心臓浸出液(ハートインフュージョン)等が挙げられる。アミノ酸又はペプチドを含む窒素源としては、より低分子のペプチド及びアミノ酸の含有量が高いほうが好ましい。 Nitrogen sources include inorganic nitrogen salts such as nitrates, ammonium salts, ammonia gas, and aqueous ammonia, as well as organic nitrogen sources such as amino acids, peptones, extracts, and corn steep liquor (CSL), a by-product of the cornstarch manufacturing industry. Examples of peptones include casein peptone, meat peptone, myocardial peptone, gelatin peptone, and soybean peptone. Examples of extracts include meat extract, yeast extract, and heart infusion. Nitrogen sources containing amino acids or peptides preferably contain a high content of lower molecular weight peptides and amino acids.
リン酸源としては、リン酸2水素カリウム、リン酸水素2カリウム等のリン酸塩、ピロリン酸等のリン酸ポリマーが挙げられる。 Phosphate sources include phosphate salts such as potassium dihydrogen phosphate and dipotassium hydrogen phosphate, and phosphate polymers such as pyrophosphate.
硫黄源としては、硫酸塩、チオ硫酸塩、亜硫酸塩等の無機硫黄化合物、システイン、シスチン、グルタチオン等の含硫アミノ酸が挙げられる。 Sulfur sources include inorganic sulfur compounds such as sulfate, thiosulfate, and sulfite, and sulfur-containing amino acids such as cysteine, cystine, and glutathione.
ビタミン類としては、ビオチン、塩化コリン、シアノコバラミン、葉酸、イノシトール、ニコチン酸、4-アミノ安息香酸、パントテン酸、ピリドキシン、リボフラビン、チアンミン、チムジン等が挙げられる。ビタミン類の源としては、麦芽エキス、ポテトエキス、トマトジュース等の各種エキスが挙げられる。 Vitamins include biotin, choline chloride, cyanocobalamin, folic acid, inositol, nicotinic acid, 4-aminobenzoic acid, pantothenic acid, pyridoxine, riboflavin, thianmine, and thymidine. Sources of vitamins include various extracts such as malt extract, potato extract, and tomato juice.
ミネラルとしては、リン(P)の他に、イオウ(S)、カリウム(K)、カルシウム(Ca)、マグネシウム(Mg)、鉄(Fe)、ナトリウム(Na)等が挙げられる。 Minerals include phosphorus (P), sulfur (S), potassium (K), calcium (Ca), magnesium (Mg), iron (Fe), sodium (Na), etc.
生産工程における培養は、例えば、通気培養又は振盪培養により、好気的に行うことができる。培養は、回分培養(batch culture)、流加培養(fed-batch culture)、連続培養(continuous culture)、又はそれらの組み合わせにより実施することができる。本発明に係る組換え細胞は、組換えタンパク質の生産能力を長時間維持できることから、生産工程における培養は、連続培養又は流加培養であることが好ましい。 The culture in the production process can be carried out aerobically, for example, by aeration culture or shaking culture. The culture can be carried out by batch culture, fed-batch culture, continuous culture, or a combination of these. Because the recombinant cells of the present invention can maintain the ability to produce recombinant proteins for long periods of time, the culture in the production process is preferably continuous culture or fed-batch culture.
タンパク質生産培地のpHは、例えば、3.0~9.0であってよい。培養温度は、例えば、15~40℃であってよい。培養時間は、例えば、1~60時間であってよい。 The pH of the protein production medium may be, for example, 3.0 to 9.0. The culture temperature may be, for example, 15 to 40°C. The culture time may be, for example, 1 to 60 hours.
培養条件は、上記組換え細胞が増殖でき、かつ目的タンパク質を発現している組換え細胞において目的タンパク質を蓄積させることができる限り、特に制限されない。なお、目的タンパク質が発現している期間においては、組換え細胞は増殖してもよく、しなくてもよい。培養条件は、目的タンパク質が発現する前の期間と発現を開始した後の期間において同一であってもよく、同一でなくてもよい。 There are no particular limitations on the culture conditions, so long as they allow the recombinant cells to grow and allow the target protein to accumulate in the recombinant cells expressing the target protein. During the period in which the target protein is expressed, the recombinant cells may or may not grow. The culture conditions may or may not be the same before and after the target protein begins to be expressed.
培養温度は、通常、細胞の増殖に対して大きな影響を与える。一般的にいえば、増殖の下限の温度は細胞中の水分の凍結温度である0℃又はそれよりやや低い温度であり、上限の温度はタンパク質、核酸などの高分子化合物の変性温度で定まる。ある菌株について増殖可能な温度範囲は比較的せまく、例えば、大腸菌では増殖の下限温度は0~15℃、上限は46℃、増殖至適温度は36~42℃付近にある。増殖至適温度によって微生物を分類すると、20℃以下に至適温度のある好低温菌、20~45℃に至適温度のある好中温菌、45℃以上に至適温度のある好熱菌にわけられる。ここで増殖至適温度とは、培養する微生物が最大の比増殖速度を得られる温度をいい、また、比増殖速度とは、単位微生物量あたりの増殖速度をいい、微生物に固有の値で、培養条件により変化する。 Cultivation temperature typically has a significant impact on cell growth. Generally speaking, the lower limit of growth is 0°C or slightly lower, which is the freezing point of water in cells, while the upper limit is determined by the denaturation temperature of high-molecular-weight compounds such as proteins and nucleic acids. The temperature range in which a given strain can grow is relatively narrow. For example, the lower limit of growth for Escherichia coli is 0-15°C, the upper limit is 46°C, and the optimum temperature for growth is around 36-42°C. Microorganisms can be classified by their optimum growth temperature into psychrophiles with an optimum temperature below 20°C, mesophiles with an optimum temperature between 20-45°C, and thermophiles with an optimum temperature above 45°C. Here, the optimum growth temperature refers to the temperature at which the microorganism being cultured achieves its maximum specific growth rate. Furthermore, the specific growth rate refers to the growth rate per unit of microbial mass; it is a value specific to each microorganism and varies depending on the culture conditions.
本発明の一実施形態において、「増殖至適温度」とは、pH、溶存酸素濃度などの培養温度以外の条件が、培養開始時に一定の場合に、微生物が最大の比増殖速度を得ることができる温度をいう。本発明の一実施形態において、組換え細胞が目的タンパク質を発現している際(目的タンパク質の発現が誘導性の場合には発現誘導後)に、培養温度の調整等により、組換え細胞の増殖至適温度よりも低い温度に上記組換え細胞を冷却又は維持することで、組換え細胞において目的タンパク質の発現量を増加させることができる。組換え細胞の増殖至適温度よりも低い温度とは、例えば、組換え細胞の増殖至適温度の下限値よりも3~25℃低い温度であってよく、8~20℃低い温度であってよく、10~18℃低い温度であってよく、12℃~18℃低い温度であってよく、14℃~17℃低い温度であってよく、3~10℃低い温度であってよく、5~8℃低い温度であってよい。 In one embodiment of the present invention, the "optimal growth temperature" refers to the temperature at which a microorganism can achieve the maximum specific growth rate when conditions other than the culture temperature, such as pH and dissolved oxygen concentration, are constant at the start of culture. In one embodiment of the present invention, while the recombinant cells are expressing a target protein (or after induction of expression if the expression of the target protein is inducible), the expression level of the target protein in the recombinant cells can be increased by cooling or maintaining the recombinant cells at a temperature lower than the optimal growth temperature of the recombinant cells, for example, by adjusting the culture temperature. A temperature lower than the optimal growth temperature of the recombinant cells may be, for example, 3 to 25°C lower, 8 to 20°C lower, 10 to 18°C lower, 12 to 18°C lower, 14 to 17°C lower, 3 to 10°C lower, or 5 to 8°C lower than the lower limit of the optimal growth temperature of the recombinant cells.
(組換えタンパク質の発現誘導)
本実施形態に係る組換え細胞は、組換えタンパク質(目的タンパク質)の発現が誘導できるものであってもよい。組換えタンパク質の発現の誘導は、誘導性プロモーターによる転写(目的とするタンパク質をコードする核酸の転写)を活性化することにより行われる。誘導性プロモーターの活性化は、誘導性プロモーターの種類に応じて、当該技術分野で公知の方法に従って行うことができる。
(Induction of recombinant protein expression)
The recombinant cell according to this embodiment may be one in which expression of a recombinant protein (target protein) can be induced. Expression of the recombinant protein is induced by activating transcription (transcription of a nucleic acid encoding the target protein) by an inducible promoter. Activation of the inducible promoter can be performed according to methods known in the art, depending on the type of inducible promoter.
例えば、イソプロピル-β-チオガラクトピラノシド(IPTG)等の誘導物質(発現誘導剤)の存在により活性化される誘導性プロモーターを使用した場合、当該誘導物質を培養液に添加することにより、組換えタンパク質の発現を誘導することができる。誘導物質は、1度に、又は複数回に分けて培養液に添加してもよく、また、連続フィードにより培養液に添加してもよい。流加基質溶液に誘導物質を含有させてフィードしてもよい。添加する誘導物質の量は、誘導物質及び誘導性プロモーターの種類に応じて設定することができるが、例えば、組換え細胞の乾燥重量1g当たり0.1~30μgの範囲とすることができ、好ましくは、0.5~20μgの範囲である。 For example, when using an inducible promoter that is activated in the presence of an inducer (expression inducer) such as isopropyl-β-thiogalactopyranoside (IPTG), recombinant protein expression can be induced by adding the inducer to the culture medium. The inducer may be added to the culture medium all at once or in multiple batches, or it may be added to the culture medium by continuous feeding. The inducer may also be added to the fed-batch substrate solution. The amount of inducer added can be determined depending on the type of inducer and inducible promoter, but can be, for example, in the range of 0.1 to 30 μg per gram of dry weight of recombinant cells, preferably 0.5 to 20 μg.
また例えば、温度の上昇又は低下により活性化される誘導性プロモーターを使用した場合、培養液の温度を上昇又は低下させることにより、組換えタンパク質の発現を誘導することができる。例えば、温度上昇により活性化されるλファージのPRプロモーター又はPLプロモーターを使用した場合、増殖時の培養液の温度を20~37℃の範囲とすることで増殖時の組換えタンパク質の発現は抑えられ、次いで培養液の温度を38~44℃に上昇させることにより、組換えタンパク質の発現を誘導させることができる。このときに熱ショックタンパク質による影響を緩和させるために、特開平6-292563号公報に記載のように増殖時の培養液のpHを6.5~7.5とし、組換えタンパク質の発現誘導を開始する時点で培養液のpHを4.5~6.5と変動させることにより、より安定した発現誘導を行うことができる。 Furthermore, for example, when an inducible promoter that is activated by an increase or decrease in temperature is used, recombinant protein expression can be induced by increasing or decreasing the temperature of the culture medium. For example, when using the λ phage PR promoter or PL promoter, which is activated by an increase in temperature, recombinant protein expression during growth can be suppressed by setting the culture medium temperature during growth in the range of 20-37°C, and then recombinant protein expression can be induced by raising the culture medium temperature to 38-44°C. In order to mitigate the effects of heat shock proteins, as described in JP 6-292563 A, the pH of the culture medium during growth can be set to 6.5-7.5, and then the pH of the culture medium can be changed to 4.5-6.5 at the time of starting the induction of recombinant protein expression, thereby enabling more stable expression induction.
組換え細胞の増殖を行う段階から、組換えタンパク質の発現を誘導する段階へ移行する時期には、特に制限はなく、培養システムの構成、生産プロセスの設計に応じて適宜設定することができる。組換えタンパク質の生産を効率よく行う観点からは、組換え細胞の増殖が対数増殖期の中期~後期に達した時に、組換えタンパク質の発現の誘導を開始するのが好ましい。 There are no particular limitations on the timing of the transition from the stage of growing recombinant cells to the stage of inducing recombinant protein expression, and this can be set appropriately depending on the configuration of the culture system and the design of the production process. From the perspective of efficient recombinant protein production, it is preferable to start inducing recombinant protein expression when recombinant cell growth has reached the mid- to late-logarithmic growth phase.
組換え細胞の増殖は、遅延期又は誘導期(培養初期の細胞数の増加が遅い時期)から始まり、対数増殖期(単位時間ごとに細胞数が2倍と対数的に増加する時期)を経て、定常期(細胞の正味の数に変動の見られない時期)に至る。対数増殖期の中期とは、遅延期における細胞数と定常期における細胞数の中間程度の細胞数になる時期をいい、対数増殖期の後期とは、中期から定常期までの時期をいう。組換えタンパク質の発現の誘導を開始する時期の具体例として、例えば、定常期におけるOD600の値が約150になる組換え細胞の場合、OD600の値が30~110に達した時期であるのが好ましく、40~90に達した時期であるのがより好ましく、50~80に達した時期であるのが更に好ましい。 The growth of recombinant cells begins with a lag phase or induction phase (a period in which the cell number increases slowly in the early stages of culture), passes through a logarithmic growth phase (a period in which the cell number doubles logarithmically per unit time), and reaches a stationary phase (a period in which no fluctuations in the net number of cells are observed). The mid-logarithmic growth phase refers to the period in which the cell number is intermediate between the lag phase and the stationary phase, and the late logarithmic growth phase refers to the period from the mid-logarithmic growth phase to the stationary phase. As a specific example of the time to start inducing recombinant protein expression, for example, in the case of recombinant cells whose OD600 value in the stationary phase is approximately 150, it is preferably when the OD600 value reaches 30 to 110, more preferably when it reaches 40 to 90, and even more preferably when it reaches 50 to 80.
組換えタンパク質の発現を誘導する時間は、使用する宿主、目的タンパク質の種類に応じて、設定した生産量に達するまで行えばよい。培養液の温度等の培養条件により生産速度は変化するため、組換えタンパク質の発現を誘導する時間を一義的に決める必要はない。次工程の組換えタンパク質の分離及び精製の進行に合わせて組換えタンパク質の発現を誘導する時間を設定してもよい。また、並行して行っている組換え細胞の増殖、及び当該増殖した組換え細胞の移送に影響がないように組換えタンパク質の発現を誘導する時間を設定することが、工業的生産においては好ましい。なお、本発明に係る組換え細胞は、組換えタンパク質の生産能力を長時間維持できることから、組換えタンパク質の発現を誘導する時間を長くする程有利である。したがって、一態様として、これに限定されるものではないが、生産工程は、発現誘導剤をタンパク質生産培地に添加して組換えタンパク質の発現誘導を行った後、9時間以上培養を行うものであってよく、12時間以上培養を行うものであってもよく、15時間以上培養を行うものであってもよい。 The time for inducing recombinant protein expression may be determined depending on the host used and the type of target protein, and may be until a set production amount is reached. Because the production rate varies depending on culture conditions such as the temperature of the culture medium, there is no need to uniquely determine the time for inducing recombinant protein expression. The time for inducing recombinant protein expression may be set in accordance with the progress of the subsequent process of recombinant protein isolation and purification. In industrial production, it is preferable to set the time for inducing recombinant protein expression so as not to affect the parallel growth of recombinant cells or the transportation of the grown recombinant cells. Since the recombinant cells of the present invention can maintain their recombinant protein production ability for an extended period of time, the longer the time for inducing recombinant protein expression, the more advantageous it is. Therefore, in one embodiment, but not limited to, the production process may involve adding an expression inducer to a protein production medium to induce recombinant protein expression, followed by culturing for 9 hours or more, 12 hours or more, or 15 hours or more.
(前培養工程)
前培養工程は、生産工程の前に、組換え細胞を前培養培地で培養する工程である。前培養培地の具体的な態様は、上述したタンパク質生産培地で説明した態様と同様である。前培養培地は、タンパク質生産培地と同じであってもよく、異なっていてもよい。
(Preculture step)
The pre-culture step is a step of culturing recombinant cells in a pre-culture medium prior to the production step. Specific aspects of the pre-culture medium are the same as those described above for the protein production medium. The pre-culture medium may be the same as or different from the protein production medium.
〔発現構築物〕
本実施形態に係る発現構築物は、第一のプロモーターに作動可能に連結された組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含む第一の発現カセット、及び前記第一のプロモーターとは異なる第二のプロモーターに作動可能に連結された前記組換えタンパク質をコードするポリヌクレオチド配列を含む第二の発現カセットを有する。
Expression constructs
The expression construct of this embodiment has a first expression cassette comprising a polynucleotide sequence encoding a recombinant protein operably linked to a first promoter, and a second expression cassette comprising a polynucleotide sequence encoding the recombinant protein operably linked to a second promoter different from the first promoter.
本明細書において、「発現構築物」とは、目的タンパク質(組換えタンパク質)の発現を可能とする核酸を意味する。本実施形態に係る発現構築物は、例えば、必要最小限の構成を有する直鎖DNAの形態等であってもよく、ベクター等に必要最小限の構成が組み込まれた形態等であってよい。本実施形態に係る発現構築物の具体的な態様等は、組換え細胞で説明した態様等と同様である。 As used herein, the term "expression construct" refers to a nucleic acid that enables the expression of a target protein (recombinant protein). The expression construct of this embodiment may be, for example, in the form of linear DNA having the minimum necessary components, or in the form in which the minimum necessary components are incorporated into a vector or the like. Specific aspects of the expression construct of this embodiment are the same as those described for recombinant cells.
本実施形態に係る発現構築物は、宿主細胞に導入して、in vivoで目的タンパク質を発現するものであってもよく、無細胞でin vitroで目的タンパク質を発現するものであってもよい。 The expression construct of this embodiment may be introduced into a host cell to express a target protein in vivo, or may be a cell-free construct to express a target protein in vitro.
本実施形態に係る発現構築物を使用して、無細胞でin vitroで目的タンパク質を発現する場合は、本実施形態に係る発現構築物と、無細胞タンパク質合成用キットに通常含まれる各種成分とを含む、キットとして提供されてもよい。無細胞タンパク質合成用キットに通常含まれる各種成分としては、例えば、細胞抽出物、目的タンパク質合成のための基質、及び/又はエネルギー源、RNAポリメラーゼ、ポリアミン類、塩、酸化/還元調整剤等が挙げられる。これらの成分は、予め混合されていてもよく、独立してキットに含まれていてもよい。 When the expression construct of this embodiment is used to express a target protein in vitro in a cell-free environment, the expression construct of this embodiment may be provided as a kit containing the expression construct of this embodiment and various components typically included in cell-free protein synthesis kits. Examples of the various components typically included in cell-free protein synthesis kits include cell extracts, substrates and/or energy sources for target protein synthesis, RNA polymerase, polyamines, salts, and oxidation/reduction regulators. These components may be premixed or individually included in the kit.
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
(1)変異型T7プロモーターの作製
T7プロモーターに遺伝子工学的な手法を用いて変異を導入して、T7プロモーターよりも転写活性の弱まった変異型プロモーター(T7.5プロモーター:配列番号2、及びT7.51プロモーター:配列番号3)を取得した。
(1) Preparation of mutant T7 promoters Mutations were introduced into the T7 promoter using genetic engineering techniques to obtain mutant promoters (T7.5 promoter: SEQ ID NO: 2, and T7.51 promoter: SEQ ID NO: 3) with weaker transcription activity than the T7 promoter.
T7プロモーター、T7.5プロモーター、T7.51プロモーター及びT3プロモーターの転写活性を定量PCR法により測定した。具体的には、ReverTra Ace(登録商標)(TRT-101/TOYOBO)を用いて、付属のマニュアルに従って、転写活性を測定した。転写活性検出用プライマーとして、目的タンパク質(PRT799)をコードする塩基配列の部分配列に対応するGizaQ Cterm_F01(配列番号7)及びGizaQ Cterm_R01(配列番号8)のセットを使用し、対照用プライマーとして、定常発現遺伝子の部分配列に対応するrrsA F(配列番号9)及びrrsA R(配列番号10)のセットを使用した。 The transcriptional activity of the T7 promoter, T7.5 promoter, T7.51 promoter, and T3 promoter was measured by quantitative PCR. Specifically, transcriptional activity was measured using ReverTra Ace (registered trademark) (TRT-101/TOYOBO) according to the accompanying manual. The primers used to detect transcriptional activity were a set of GizaQ Cterm_F01 (SEQ ID NO: 7) and GizaQ Cterm_R01 (SEQ ID NO: 8), which correspond to a partial sequence of the nucleotide sequence encoding the target protein (PRT799), and the control primers used were a set of rrsA F (SEQ ID NO: 9) and rrsA R (SEQ ID NO: 10), which correspond to a partial sequence of a constitutively expressed gene.
図1は、T7プロモーター(配列番号1)、T7.5プロモーター(配列番号2)、T7.51プロモーター(配列番号3)及びSPT3プロモーター(配列番号4)の転写活性を定量PCR法により測定した結果を示すグラフである。グラフの縦軸は、定常発現遺伝子に対する目的タンパク質遺伝子の転写活性の比率(この比率は、目的タンパク質をコードするポリヌクレオチド配列の転写活性値Cq1と、定常発現遺伝子であるリボソームをコードするポリヌクレオチド配列の転写活性値Cqrを用いて、2^(Cqr-Cq1)という計算式で算出したもの)を表す。グラフの横軸は、発現誘導後の時間である。図1に示すように、T7.5プロモーターは、T7プロモーターよりも転写活性が弱く、また転写活性を長時間維持できなかった。また、T7.51プロモーターは、T7プロモーターよりも転写活性が著しく弱くほとんど転写活性を検出できなかった。 Figure 1 is a graph showing the results of quantitative PCR assays of the transcriptional activity of the T7 promoter (SEQ ID NO: 1), T7.5 promoter (SEQ ID NO: 2), T7.51 promoter (SEQ ID NO: 3), and SPT3 promoter (SEQ ID NO: 4). The vertical axis of the graph represents the ratio of the transcriptional activity of the target protein gene to the constitutively expressed gene (this ratio was calculated using the formula 2^(Cqr-Cq1), where Cq1 is the transcriptional activity value of the polynucleotide sequence encoding the target protein and Cqr is the transcriptional activity value of the polynucleotide sequence encoding the ribosome, a constitutively expressed gene). The horizontal axis of the graph represents the time after induction of expression. As shown in Figure 1, the T7.5 promoter had weaker transcriptional activity than the T7 promoter and was unable to maintain transcriptional activity for long periods of time. Furthermore, the T7.51 promoter had significantly weaker transcriptional activity than the T7 promoter, with barely detectable transcriptional activity.
(2)組換え細胞(改変フィブロインを発現する大腸菌株)の作製
(目的タンパク質)
ネフィラ・クラビペス(Nephila clavipes)由来のフィブロイン(GenBankアクセッション番号:P46804.1、GI:1174415)の塩基配列及びアミノ酸配列に基づき、配列番号5で示されるアミノ酸配列を有する改変フィブロイン(以下、「PRT799」ともいう。)を設計した。配列番号5で示されるアミノ酸配列は、ネフィラ・クラビペス由来のフィブロインのアミノ酸配列に対して、生産性の向上を目的としてアミノ酸残基の置換、挿入及び欠失を施したアミノ酸配列を有し、さらにN末端に配列番号6で示されるアミノ酸配列(タグ配列及びヒンジ配列)が付加されている。
(2) Preparation of recombinant cells (E. coli strain expressing modified fibroin) (target protein)
A modified fibroin (hereinafter also referred to as "PRT799") having the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 5 was designed based on the nucleotide sequence and amino acid sequence of fibroin derived from Nephila clavipes (GenBank accession number: P46804.1, GI: 1174415). The amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 5 has an amino acid sequence in which amino acid residues have been substituted, inserted, and deleted with the aim of improving productivity compared to the amino acid sequence of fibroin derived from Nephila clavipes, and further has the amino acid sequence shown in SEQ ID NO: 6 (tag sequence and hinge sequence) added to the N-terminus.
次に、PRT799をコードする核酸を合成した。当該核酸には、5’末端にNdeIサイト、終止コドン下流にEcoRIサイトを付加した。この核酸をクローニングベクター(pUC118)にクローニングした。その後、同核酸をNdeI及びEcoRIで制限酵素処理して切り出した後、pET-22b(+)ベクターに組み換えて、pET-22(+)/PRT799ベクターを得た。 Next, a nucleic acid encoding PRT799 was synthesized. An NdeI site was added to the 5' end of the nucleic acid, and an EcoRI site was added downstream of the stop codon. This nucleic acid was cloned into a cloning vector (pUC118). The nucleic acid was then excised using restriction enzymes NdeI and EcoRI, and then recombined into the pET-22b(+) vector to obtain the pET-22(+)/PRT799 vector.
(改変フィブロイン発現カセットの宿主染色体上への組込み)
宿主として大腸菌(Escherichia coli)BL21(DE3)株を用い、以下(a)~(c)の手法を用いて改変フィブロイン発現カセットを染色体上の3箇所に組み込み、改変フィブロイン発現カセットを3つ有する組換え細胞を取得した。
(Integration of modified fibroin expression cassette into host chromosome)
Using Escherichia coli BL21 (DE3) strain as a host, modified fibroin expression cassettes were integrated into three locations on the chromosome using the following methods (a) to (c), and recombinant cells carrying three modified fibroin expression cassettes were obtained.
(a)attHK022
1つ目の改変フィブロイン発現カセットは、HK022ファージが溶原化する機構を利用して宿主染色体上に組み込んだ。当該機構は、宿主染色体の特定部位(attBサイト)とファージゲノムの特定部位(attP(HK022)サイト)との間での配列特異的な組み換えである。
(a) attHK022
The first modified fibroin expression cassette was integrated into the host chromosome by utilizing the lysogeny mechanism of the HK022 phage, which involves sequence-specific recombination between a specific site on the host chromosome (attB site) and a specific site on the phage genome (attP(HK022) site).
図2は、HK022ファージが溶原化する機構を利用して、改変フィブロイン発現カセットを宿主染色体上に組み込む方法の概要を示す概略図である。まず、pET-22(+)/PRT799ベクターからNdeI及びEcoRIで制限酵素処理して、PRT799をコードする核酸を切り出した後、attP(HK022)サイトを有するプラスミドベクターattHK022-Cm2-T7(T7プロモーター)又はattHK022-Cm2-T7.51(T7.51プロモーター)に組み換えて、attHK022-T7p-PRT799-T7t-FRT-Cm2-ori_R6K-FRTベクター又はattHK022-T7.51p-PRT799-T7t-FRT-Cm2-ori_R6K-FRTベクターを得た。次に、attHK022-T7p-PRT799-T7t-FRT-Cm2-ori_R6K-FRTベクター又はattHK022-T7.51p-PRT799-T7t-FRT-Cm2-ori_R6K-FRTベクターをそれぞれ宿主に導入して、宿主染色体上のattBサイトと同ベクターのattP(HK022)サイトとの間での配列特異的な組み換えにより改変フィブロイン(PRT799)発現カセットを宿主染色体上に組み込んだ。なお、宿主には、あらかじめint遺伝子を有するヘルパープラスミドpAH69(J.Bact 183:6384-6393)を導入してインテグラーゼを発現させた。その後、ヘルパープラスミドpCP20(Proc.Natl.Acad.Sci.USA,97: 6640-6645)を導入してFLPを発現させることにより、FRT配列で挟まれたクロラムフェニコール耐性遺伝子とori_R6K領域を除去した。 Figure 2 is a schematic diagram outlining a method for integrating a modified fibroin expression cassette into a host chromosome using the lysogenization mechanism of the HK022 phage. First, the nucleic acid encoding PRT799 was excised from the pET-22(+)/PRT799 vector by restriction enzyme digestion with NdeI and EcoRI. This was then recombined with the attP(HK022) site-containing plasmid vector attHK022-Cm2-T7 (T7 promoter) or attHK022-Cm2-T7.51 (T7.51 promoter), to obtain the attHK022-T7p-PRT799-T7t-FRT-Cm2-ori_R6K-FRT vector or the attHK022-T7.51p-PRT799-T7t-FRT-Cm2-ori_R6K-FRT vector. Next, the attHK022-T7p-PRT799-T7t-FRT-Cm2-ori_R6K-FRT vector or the attHK022-T7.51p-PRT799-T7t-FRT-Cm2-ori_R6K-FRT vector was introduced into the host, and the modified fibroin (PRT799) expression cassette was integrated into the host chromosome by sequence-specific recombination between the attB site on the host chromosome and the attP (HK022) site of the same vector. The host was previously introduced with a helper plasmid pAH69 (J. Bact 183: 6384-6393) containing the int gene to express integrase. The helper plasmid pCP20 (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97: 6640-6645) was then introduced to express FLP, thereby removing the chloramphenicol resistance gene flanked by FRT sequences and the ori_R6K region.
(b)attφ80
2つ目の改変フィブロイン発現カセットは、φ80ファージが溶原化する機構を利用して宿主染色体上に組み込んだ。当該機構は、宿主染色体の特定部位(attBサイト)とファージゲノムの特定部位(attPサイト)との間での配列特異的な組み換えである。
(b) attφ80
The second modified fibroin expression cassette was integrated into the host chromosome by utilizing the phage phage lysogenization mechanism, which involves sequence-specific recombination between a specific site on the host chromosome (attB site) and a specific site on the phage genome (attP site).
図3は、φ80ファージが溶原化する機構を利用して、改変フィブロイン発現カセットを宿主染色体上に組み込む方法の概要を示す概略図である。まず、pET-22(+)/PRT799ベクターからNdeI及びEcoRIで制限酵素処理して、PRT799をコードする核酸を切り出した後、attP(φ80)サイトを有するプラスミドベクターattφ80-Km1_1-T7(T7プロモーター)又はattφ80-Km1_1-T7.51(T7.51プロモーター)に組み換えて、attφ80-ori_R6K-FRT-Km1-FRT-T7p-PRT799-T7t-FRTベクター又はattφ80-ori_R6K-FRT-Km1-FRT-T7.51p-PRT799-T7t-FRTベクターを得た。次に、上記(a)の方法で1つ目の改変フィブロイン発現カセットを組み込んだ宿主にattφ80-ori_R6K-FRT-Km1-FRT-T7p-PRT799-T7t-FRTベクター又はattφ80-ori_R6K-FRT-Km1-FRT-T7.51p-PRT799-T7t-FRTベクターをそれぞれ導入して、宿主染色体上のattBサイトと同ベクターのattP(φ80)サイトとの間での配列特異的な組み換えにより2つ目の改変フィブロイン(PRT799)発現カセットを宿主染色体上に組み込んだ。その後、ヘルパープラスミドpCP20を導入してFLPを発現させることにより、FRT配列で挟まれたカナマイシン耐性遺伝子を除去した。 Figure 3 is a schematic diagram outlining a method for integrating a modified fibroin expression cassette into a host chromosome using the φ80 phage lysogenization mechanism. First, the nucleic acid encoding PRT799 was excised from the pET-22(+)/PRT799 vector by restriction enzyme digestion with NdeI and EcoRI. This was then recombined with the attP(φ80) site-containing plasmid vector attφ80-Km1_1-T7 (T7 promoter) or attφ80-Km1_1-T7.51 (T7.51 promoter), yielding the attφ80-ori_R6K-FRT-Km1-FRT-T7p-PRT799-T7t-FRT vector or the attφ80-ori_R6K-FRT-Km1-FRT-T7.51p-PRT799-T7t-FRT vector. Next, the attφ80-ori_R6K-FRT-Km1-FRT-T7p-PRT799-T7t-FRT vector or the attφ80-ori_R6K-FRT-Km1-FRT-T7.51p-PRT799-T7t-FRT vector was introduced into the host into which the first modified fibroin expression cassette had been integrated using method (a) above, and the second modified fibroin (PRT799) expression cassette was integrated into the host chromosome by sequence-specific recombination between the attB site on the host chromosome and the attP(φ80) site of the same vector. The kanamycin resistance gene flanked by FRT sequences was then removed by introducing the helper plasmid pCP20 and expressing FLP.
(c)λRed_manX
3つ目の改変フィブロイン発現カセットは、λファージが有する相同組換えシステムを利用して宿主染色体上に組み込んだ。当該相同組換えシステムは、ファージゲノムのRed領域にあるexo、bet、gam遺伝子産物により相同組換えを生じるものである。
(c) λRed_manX
The third modified fibroin expression cassette was integrated into the host chromosome using the homologous recombination system of λ phage, which causes homologous recombination via the exo, bet, and gam gene products in the Red region of the phage genome.
図4は、λファージが有する相同組換えシステムを利用して、改変フィブロイン発現カセットを宿主染色体上に組み込む方法の概要を示す概略図である。まず、pET-22(+)/PRT799ベクターを鋳型としてT7プロモーターに改変を導入するプライマーを用いたPCR法により改変フィブロイン発現カセット(manX5’相同配列-SPT3プロモーター-PRT799-T7ターミネータ-をこの順に含む。)を増幅した。同様に、pKD13-Cmベクターを鋳型としてPCR法によりクロラムフェニコール耐性遺伝子発現カセット(T7ターミネーター相同配列-FRT-クロラムフェニコール耐性遺伝子-FRT-manX3’相同配列をこの順に含む。)を増幅した。両PCR産物をIn-Fusion(登録商標)クローニングシステム(タカラバイオ株式会社製)を使用して連結した。次に、上記(a)及び(b)の方法で1つ目の改変フィブロイン発現カセット及び2つ目の改変フィブロイン発現カセットを組み込んだ宿主に連結したDNA断片を導入して、宿主染色体上のmanX5’相同配列とDNA断片上のmanX5’相同配列との間の相同組み換え、及び宿主染色体上のmanX3’相同配列とDNA断片上のmanX3’相同配列との間の相同組み換えにより、3つ目の改変フィブロイン(PRT799)発現カセットを宿主染色体上に組み込んだ。なお、宿主には、あらかじめexo、bet及びgam遺伝子をもつヘルパープラスミドpKD46(Proc.Natl.Acad.Sci.USA,97:6640-6645)を導入して、それぞれの遺伝子を発現させた。その後、ヘルパープラスミドpCP20を導入してFLPを発現させることにより、FRT配列で挟まれたクロラムフェニコール耐性遺伝子を除去した。 Figure 4 is a schematic diagram outlining a method for integrating a modified fibroin expression cassette into a host chromosome using the homologous recombination system of λ phage. First, the modified fibroin expression cassette (containing the manX5' homologous sequence, SPT3 promoter, PRT799, and T7 terminator, in this order) was amplified by PCR using primers that introduce modifications into the T7 promoter, with the pET-22(+)/PRT799 vector as a template. Similarly, the chloramphenicol resistance gene expression cassette (containing the T7 terminator homologous sequence, FRT, chloramphenicol resistance gene, FRT, and manX3' homologous sequence, in this order) was amplified by PCR using the pKD13-Cm vector as a template. Both PCR products were ligated using the In-Fusion® Cloning System (Takara Bio Inc.). Next, the linked DNA fragment was introduced into a host incorporating the first and second modified fibroin expression cassettes using methods (a) and (b) above, and the third modified fibroin (PRT799) expression cassette was integrated into the host chromosome by homologous recombination between the manX5' homologous sequence on the host chromosome and the manX5' homologous sequence on the DNA fragment, and by homologous recombination between the manX3' homologous sequence on the host chromosome and the manX3' homologous sequence on the DNA fragment. The host was previously introduced with the helper plasmid pKD46 (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97:6640-6645) containing the exo, bet, and gam genes to express each gene. The chloramphenicol resistance gene flanked by FRT sequences was then removed by introducing the helper plasmid pCP20 to express FLP.
(3)改変フィブロインの発現及び評価
上記(2)の方法で取得した組換え細胞2種を使用し、改変フィブロイン(PRT799)の発現量を評価した。使用した2種の組換え細胞は、3つの改変フィブロイン発現カセットがいずれもT7プロモーターを有する組換え細胞(以下、「T7-T7-T7株」ともいう。)と、3つの改変フィブロイン発現カセットのうち、1つがT7プロモーターを有し、残りの2つがT7.51プロモーターを有する組換え細胞(以下、「T7-T7.51-T7.51株」ともいう。)である。
(3) Expression and Evaluation of Modified Fibroin The expression level of modified fibroin (PRT799) was evaluated using two types of recombinant cells obtained by the method in (2) above. The two types of recombinant cells used were a recombinant cell in which all three modified fibroin expression cassettes had a T7 promoter (hereinafter also referred to as the "T7-T7-T7 strain"), and a recombinant cell in which one of the three modified fibroin expression cassettes had a T7 promoter and the remaining two had T7.51 promoters (hereinafter also referred to as the "T7-T7.51-T7.51 strain").
T7-T7-T7株及びT7-T7.51-T7.51株は、それぞれ2mLのLB培地で15時間培養した。当該培養液を、100mLのシード培養用培地(表2)にOD600が0.005となるように添加した。培養液温度を30℃に保ち、OD600が5になるまでフラスコ培養を行い(約15時間)、シード培養液を得た。
当該シード培養液を500mLの生産培地(表3)を添加したジャーファーメンターにOD600が0.05となるように添加した。培養液温度を37℃に保ち、pH6.9で一定に制御して培養した。また培養液中の溶存酸素濃度を、溶存酸素飽和濃度の20%に維持するようにした。 The seed culture was added to a jar fermenter containing 500 mL of production medium (Table 3) so that the OD 600 was 0.05. The culture temperature was maintained at 37°C, and the pH was controlled to a constant 6.9. The dissolved oxygen concentration in the culture was maintained at 20% of the dissolved oxygen saturation concentration.
生産培地中のグルコースが完全に消費された直後に、フィード液(表4の流加基質溶液)を6g/時間の速度で添加した。培養液温度を37℃に保ち、pH6.9で一定に制御して培養した。また培養液中の溶存酸素濃度を、溶存酸素飽和濃度の20%に維持するようにし、16時間培養を行った。その後、1Mのイソプロピル-β-チオガラクトピラノシド(IPTG)を培養液に対して終濃度0.1mMになるよう添加し、改変フィブロインを発現誘導させた。IPTG添加前とIPTG添加後の培養液から調製した菌体を用いてSDS-PAGEを行い、IPTG添加に依存した目的とする改変フィブロインサイズのバンドの出現により、目的とする改変フィブロインの発現を確認した。 Immediately after the glucose in the production medium was completely consumed, the feed solution (the fed-batch substrate solution in Table 4) was added at a rate of 6 g/hour. The culture temperature was maintained at 37°C, and the culture was controlled at a constant pH of 6.9. The dissolved oxygen concentration in the culture was maintained at 20% of the dissolved oxygen saturation concentration, and the culture was continued for 16 hours. 1 M isopropyl-β-thiogalactopyranoside (IPTG) was then added to the culture to a final concentration of 0.1 mM to induce expression of the modified fibroin. SDS-PAGE was performed using cells prepared from the culture medium before and after IPTG addition, and the appearance of a band of the desired modified fibroin size, which was dependent on IPTG addition, confirmed the expression of the desired modified fibroin.
回収した菌体を20mM Tris-HCl buffer(pH7.4)で洗浄した。洗浄後の菌体を約1mMのPMSFを含む20mM Tris-HCl緩衝液(pH7.4)に懸濁させ、高圧ホモジナイザー(GEA Niro Soavi社製)で細胞を破砕した。破砕した細胞を遠心分離し、沈殿物を得た。得られた沈殿物を、高純度になるまで20mM Tris-HCl緩衝液(pH7.4)で洗浄した。洗浄後の沈殿物を100mg/mLの濃度になるように8M グアニジン緩衝液(8M グアニジン塩酸塩、10mM リン酸二水素ナトリウム、20mM NaCl、1mM Tris-HCl、pH7.0)で懸濁し、60℃で30分間、スターラーで撹拌し、溶解させた。溶解後、透析チューブ(三光純薬株式会社製のセルロースチューブ36/32)を用いて水で透析を行った。透析後に得られた白色の凝集タンパク質を遠心分離により回収し、凍結乾燥機で水分を除き、凍結乾燥粉末を回収することにより、改変フィブロイン(PRT799)を得た。 The collected cells were washed with 20 mM Tris-HCl buffer (pH 7.4). The washed cells were suspended in 20 mM Tris-HCl buffer (pH 7.4) containing approximately 1 mM PMSF, and the cells were disrupted using a high-pressure homogenizer (GEA Niro Soavi). The disrupted cells were centrifuged to obtain a precipitate. The resulting precipitate was washed with 20 mM Tris-HCl buffer (pH 7.4) until highly purified. The washed precipitate was suspended in 8 M guanidine buffer (8 M guanidine hydrochloride, 10 mM sodium dihydrogen phosphate, 20 mM NaCl, 1 mM Tris-HCl, pH 7.0) to a concentration of 100 mg/mL, and dissolved by stirring at 60°C for 30 minutes. After dissolution, the solution was dialyzed against water using a dialysis tube (Cellulose tube 36/32 manufactured by Sanko Junyaku Co., Ltd.). The white aggregated protein obtained after dialysis was collected by centrifugation, and the water was removed using a freeze-dryer. The freeze-dried powder was collected to obtain modified fibroin (PRT799).
得られた凍結乾燥粉末に対して、ポリアクリルアミドゲル電気泳動を行い、Totallab(nonlinear dynamics ltd.)を用いて画像解析を行い、改変フィブロインの生産量を評価した。凍結乾燥粉末の重量から計算した各改変フィブロインの生産量(細胞あたりの生産量)を、T7-T7-T7株における誘導時間15時間の値を100%としたときの相対値として、算出した。 The resulting freeze-dried powder was subjected to polyacrylamide gel electrophoresis, and image analysis was performed using Totallab (nonlinear dynamics ltd.) to evaluate the amount of modified fibroin produced. The amount of each modified fibroin produced (per cell) was calculated from the weight of the freeze-dried powder, and expressed as a relative value, with the value after 15 hours of induction in the T7-T7-T7 strain set at 100%.
(4)結果
図5は、T7-T7-T7株及びT7-T7.51-T7.51株のタンパク質(改変フィブロイン)生産量を評価した結果を示すグラフである。図5に示すように、3つの改変フィブロイン遺伝子の発現がいずれもT7プロモーターで駆動されるT7-T7-T7株よりも、3つの改変フィブロイン遺伝子の発現がそれぞれT7プロモーター又はT7.51プロモーターで駆動されるT7-T7.51-T7.51株の方が、タンパク質(改変フィブロイン)生産量が優れていた。また、誘導後の時間の経過と共にその差が大きくなっていた。これは、T7-T7.51-T7.51株が、組換えタンパク質の生産能力を長時間維持できることを反映していると考えられる。
(4) Results Figure 5 is a graph showing the results of evaluating the protein (modified fibroin) production yields of the T7-T7-T7 strain and the T7-T7.51-T7.51 strain. As shown in Figure 5, the T7-T7.51-T7.51 strain, in which expression of the three modified fibroin genes was driven by the T7 promoter or the T7.51 promoter, respectively, had a higher protein (modified fibroin) production yield than the T7-T7-T7 strain, in which expression of all three modified fibroin genes was driven by the T7 promoter. Furthermore, the difference in protein (modified fibroin) production yields increased with the passage of time after induction. This is thought to reflect the ability of the T7-T7.51-T7.51 strain to maintain its ability to produce recombinant proteins for a long period of time.
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