JPH02799A - 遺伝子工学的手法による抗体の製造法 - Google Patents

遺伝子工学的手法による抗体の製造法

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JPH02799A
JPH02799A JP63335695A JP33569588A JPH02799A JP H02799 A JPH02799 A JP H02799A JP 63335695 A JP63335695 A JP 63335695A JP 33569588 A JP33569588 A JP 33569588A JP H02799 A JPH02799 A JP H02799A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 酵母における抗体の発現については記述があるが(C,
R,Wood、 M、 A、 Boss、 J、 I1
、 Kenten、 J。
E、 Ca1vert、 N、 A、 Roberts
およびJ、 S。
Emtage: Nature 314.446 (1
985))、発現されたタンパク質のうちのごく一部が
機能することが証明されているにすぎない。大腸菌([
:、 coli)においては、今までのところ、抗体タ
ンパク質は変性したかたちでしか得ることができていな
い(M、 A。
Boss、 J、 H,にenten、 C,R,Wo
odおよびJ、 S。
Emtage: Nucleic Ac1ds Res
、 12.3791 (1984)、S、 Cabil
ly、 A、 D、 Rings、 H,Pande、
 J、 E。
5hively、 IJ、 E、 Holmes、 M
、 Rey、 L、 J、 Perry。
R,Wetzel  およびH,L、 Heyneke
r: Proc、 Natl。
Acad、 Sci、 u、s、A、 81.3273
 (1984))。酵母または池の微生物からの活性抗
体または抗体断片の精製については、開示されていなか
った。今日までに、タンパク質の折りたたみについての
試みによって、正しく折りたたまれた組換え抗体タンパ
ク質のごく僅かが得られたにすぎない。さらに、所望の
機能性タンパク質を不要の非機能性タンパク質から分離
することは難しい。これは、結合定数、折りたたみ率、
スペクトル的性質などの正確な測定、および治療や産業
における使用を妨げる。とくに、再折りたたみのための
確実な工程および測定方法がないことから、折りたたみ
条件を最適にすることはしたがってきわめて難しい。
完全な機能性抗体または抗体の機能性結合領域をm菌の
発現系において発現させることは、今日までに開示され
ておらず、その実施の見通しについての評価は悲観的で
ある(S、 L、 Morrison:5cience
 229.1202 (1985)、M、 A、 Bo
ssおよびC,R,Wood、 1mmuno1. T
oday 6.12 (1985))。
遺伝子工学的工程が、とくに大腸菌において、完全に確
立されていることから、そのような系は非常に望ましい
。迅速な増殖によって大量生産が促進され、これは、経
済面からきわめて重要なことである。
ゆえに、本発明は、機能性抗体、それらの機能性フラグ
メントまたは抗体領域と他のタンパク質とからなる融合
タンパク質を、細筒中、好ましくはグラム陰性細箇、と
くに大腸菌、中で製造することに間する。本発明による
製造法は、抗体分子またはフラグメントの個々の鎖をコ
ードする遺伝子と、細胞膜を通してポリペプチド鎖を輸
送し、かつ切り離し可能なシグナル配列とをそれぞれ連
結させること、遺伝子構造物を発現させること、および
ペリプラズム空間(periplasmic 5pac
e)またはメジウム(medium)から機能性タンパ
ク質を単離することからなる。本発明の好ましい態様は
、以下に詳記され、特許請求の範囲に定義される通りで
ある。
シグナル配列を備えた個々の鎖のための遺伝子の連結は
、好ましくは、共通の調節領域によって同時発現をもた
らす可調節オペロン系のかたちで起きる。このようにし
て、個々のタンパク質鎖はほぼ化学量論的比率で一緒に
発現されて、ペリプラズム空間内に輸送され、ここで結
合されて機能性分子の形成がなされる。タンパク質を、
公知の方法、例えは欧州特許明細書第0.006.69
4号に記載の方法などによって、細胞質から取り出す。
適当な調節領域としては、適当な調節可能な遺伝子調節
領域、例えば、Iac、tac、trpまたは合成配列
物(5equences)などのいかなるものでもよい
。特に好ましいものは確実に止めることができる調節領
域である。
集めた細胞に軽い浸透圧ショックを与えて、これによっ
て得られた液相を限外濾過または硫安などの塩による沈
澱によってvIAyaすることによって、タンパク質を
ペリプラズム空間から好ましくは単離する。
「軽い」浸透圧ショックによって、細胞膜はそのままで
ペリプラズム(pe口ρIasm)からの溢出が生じる
タンパク質濃縮物を、便宜的に透析した後、適当な抗原
またはハプテンを装填した吸着剤、有利にはアフィニテ
f−カラムにしたもの、に供する。
次いで、抗体または機能性抗体フラグメントを、適当な
溶出によって、有利には抗原またはハプテンとともに、
得る。
真核細胞においては、抗体は、小胞体の内腔において、
おそらくはジスルフィドイソメラーゼ、プロリンシス−
トランス−イソメラーゼおよび可能な他の酵素またはタ
ンパク質との共同作用によって、形成される。細菌細胞
もまた、二つの鎖をほぼ同じ化学量論的な量でつくり、
二つの前駆タンパク質をペリプラズム空間またはそれを
囲むメジウムに輸送し、シグナル配列を正しく除去し、
球状および可溶性領域を正しく折りたたみ、分子間のジ
スルフィド結合を形成し、さらに二つの鎖を合わせてヘ
テロダイマー(heterod imer)をつくると
いう能力を有することは、驚きであった。というのは、
*i細胞がこのような性質を有するまたは同じ効果をも
たらす酵素を具1省していることは有り得ないとみなさ
れるからである。このように、グラム陰性細菌の場合に
は、細菌ペリプラズムはこの点で機能的には真核細胞小
胞体の内腔と同等であることが驚いたことに明らかにな
った。
本発明による方法は、次のような多くの利点を有する。
既述したように簡単で低コストの大規模の細菌発酵が可
能であるということの他に、機能性タンパク質の直接形
成がある。これは、融合タンパク質の切断、それに続く
目的タンパク質またはタンパク質フラグメントの単離、
その酸化またはインビトロ両折りたたみの諸工程が避け
られることを意味する。
また、本発明の方法によると、細胞性プロテアーゼに間
する問題も見出されなかった。つまり、通常は細菌細胞
中では、これら細胞性プロテアーゼのためにタンパク質
は融合タンパク質のかたちで、とくに不溶性の封入体(
1nclusion body)として発現され、その
ために上記の複雑な諸工程が必要となることが知られて
いる。これに対して、本発明の製造法によると、均質物
の@離および精製は迅速で簡単である。
このように、本発明によると、抗体、それらの機能性フ
ラグメントならびに挿入、除去および/またはアミノ酸
の交換によって天然型抗体とは異なる修飾抗体、の調製
が容易である。したがって、例えは、不都合な折りたた
みを抑制するために、システィンの除去または他のアミ
ノ酸による置換などを行うことができる。全く同様にし
て、ネズミの抗体をヒトの抗体に変換したり、他の突然
変異を導入することも可能である。このように、可能な
薬理学的および産業的応用の他に、抗体の構造や機能の
研究および酵素的触媒の原理の研究が容易になる(V、
 Ra5oおよびB、 D、 5tollar:Bio
chemistry 14.584 (1975)、V
、 Ra5oおよびB、 D、 5tollar: B
iocbemistry 14.591 (1975)
、A、 Tramontano、に、 D、 Jand
aおよびR,A。
Lerner: 5cience 234、+566 
(1986)、S、 J。
Po1lack、 J、 W、 JacobsおよびP
、 G、 5chultz:5cience 234.
1570 (1986)、J、 Jacobs、 P、
 G。
5chults、 R,SugasawaraおよびM
、 Powell: J。
Am、 Chem、 Soc、 +09.21?4 (
1987))。
さらに、本発明は、試験系(分析)の適用を機能性抗体
を形成した細菌細胞に対して直接的に行うことができ、
その結果、oJ能な突然変異抗体の迅速な研究を可能に
する。
さらに、個々の、または二、三個の、アミノ酸の代替よ
る抗体分子の上記の変換の他に、他の遺伝子領域を抗体
遺伝子に挿入すること、または重要でない遺伝子領域を
部分的に交換することも可能である。この方法でマーカ
ー酵素(M、 S。
Neuberger、G、 T、 Williamsお
よびR0帆Fox :Nature 312.604 
(1984))、トキシン(G。
Moeller  (編集):  rAntibody
  carriers  of  drugsand 
toxins in tumor therapyJ 
、Immunol。
Rev、 62、Munksgaard、 Copen
hagen (1982))または他のクラスの免疫グ
ロブリン領域(M、 S。
Neuberger、G、 T、 Williams、
 E、 B+Mitchel1、S、 S、 Jouh
a1、j、 G、 FIana3anおよびT、 H。
Rabbitts: Nature 314.268 
(1985))または池の種の免疫グロブリン領域(P
、 T、 Jones、 P、 H。
Dear、 J、 Foote、 M、 S、 Neu
bergerおよびG。
Winter: Nature 321.522 (1
986))を抗体分子に連結させることが可能である。
本発明による製造法は、フォスフォリルコリン結合性抗
体骨髄腫タンパク質M c P C603の可変領域を
例にとって以下に説明する通りである。
このマウス免疫グロブリンへの三次構造は公知である(
D、 M、 Sega1、E、 A、 Padlan、
 G、 H。
Cohen、 S、 Rudikoff、 M、 Po
tterおよびり、 R。
Davies: Proc、 Nat1、 Acad、
 Sci、 7L 429B(1974))。可変軽鎖
■Lおよび可変重鎖■Hの合成遺伝子を用いた。このよ
うな合成遺伝子は独国特許公開第3,715,033号
明細書および公開された欧州特許出願第0.290,0
05号明細書および公開されたオーストラリア特許出願
第15631/88号明細書(その表1および2)に提
示されている。そのような合成遺伝子のうちのとくに適
切な遺伝子を表1に例示する。これには、完全な発現プ
ラスミドのDNA配列が示されており、二つの鎖のため
の遺伝子がアミノ酸を示すことによって強調して表わさ
れている。これらのDNA配列の構築においては、大腸
菌によつ゛C利用されるだけのコードンを除いた。さら
に、それぞれ唯一の制限酵素切断部位を取り入れ、ざら
にRNAの二次構造を考慮した。
モデルとした機能性抗体フラグメントにおいて、それぞ
れの領域は分子内ジスルフィドブリッジ(VL内のCy
s23からCys94までおよびV、内のCys22か
らCys9Bまで)を有する。
鎖の間にはジスルフィドブリッジはなく、また遊離のシ
スティンも存在しない。
用いた発現ベクター p A S K 22、は模式的
に次に示す通りである。
この中で、VしおよびvH領領域合成遺伝子は、一方を
外膜タンパク質A(otnpA)の細菌シグナル配列の
遺伝子断片に、他方を同じ断片のアルカリホスファター
ゼ(phoA)に連結されている。二つの前駆タンパク
質の遺伝子は、lacプロモーターの下流の合成オペロ
ン様構造内に位置している。これによって、両遺伝子の
同時誘導、同時発現および同時分泌が確実になる。
遺伝子発現の誘導の後、細胞を集めて軽い浸透圧ショッ
クを与える。このようにして得られたペリプラズムタン
パク質を含む液相を限外濾過で濃縮して、透析して、ア
フィニティージーガンドとしてフォスフォリルコリン誘
導体(B、 (11esebr。
およびH,Metzger: Biochemistr
y 11.766(1972))を含むアフィニティー
カラムに直接に供する。フォスフォリルコリンによる溶
出の結果、均質なFvフラグメントが得られた。このフ
ラグメントは、ゲル電気泳動的には均質である。SDS
ポリアクリルアミドゲルから、M製されたFvフラグメ
ントの二つの鎖は、分子比でl= 1で存在し、成熟タ
ンパク質の期待された分子I!: (vH:13.60
0ダルトン、VL:  12,400ダルトン)を有す
ることが推定された。二つのシグナル配列が正しく除去
されたことを証明するために、開鎖の6個のN−末端ア
ミノ酸の配列決定を行った。
その結果、開鎖は、成熟タンパク質の正しいN−末端配
列をそれぞれ有していることが明らかになった。このよ
うに、両方の異種構造のプレタンパク質(prepro
teins)は、細菌シグナルペプチダーゼによって正
しく切断された。不正確なプロセシングやN−末端崩壊
反応が起きたという明らかな証明は認められない。
M c P C603の組換えFvフラグメントのアフ
ィニティーコンスタントを平衡透析によって測定した。
これに用いた条件は、マウス腹水から単離した天然抗体
M c P C603のアフィニティーコンスタントの
測定において用いられたものと同じであった。Fvフラ
グメントについて得られた1 、21±0.06X10
5M−1は、実験精度の範囲内で、天然の抗体について
報告されている値の1.6±0.4X105M’と一致
している。
5catchard結合プロット(Ann、 N、 Y
、 Acad、 Sci。
51.660 (1949))は線状であって、外挿法
(extrapolation)によって約1molの
ハプテンがnot当りのFvフラグメントと結合してい
ることが示される。このことから、Fvフラグメント当
り唯一のタイプの結合部位しか存在しないこと、および
単離されたタンパク質には非活性の成分は存在しないこ
とが確認される。
このように、驚いたことに、完全に機能的で安定なタン
パク質として、抗体M c P C603のFvフラグ
メントを大腸菌において調製することが可能であること
が明らかになった。これは、細菌細胞のペリプラズムへ
の輸送が真核細胞の小胞体の内腔への輸送と機能的に対
等であることを示している。この対等性については、今
までに開示されておらず、示唆すらもない。というのは
、これまでにもっともよく特徴づけられており、かつペ
リプラズムにおいて可溶なヘテロダイマー(1+ete
rod imeric)のタンパク質と定義することが
できる細菌タンパク質−大腸菌ペニジリンアシラーゼ−
は、タンパク質分解的プロセシングによって単鎖前駆体
からペリプラズムにおいて産生される(G、 Schu
macher、 D、 Sizmann、 H,+Ia
nz、P。
Bucke lおよびA、 Boeck: Nucle
ic Ac1ds Res。
14.5713 (1986))。さらに、今日の知識
では、真核細胞において折りたたみに関与すると思われ
る酵素またはタンパク質を細菌は有しないことが既に指
摘されている。
また、M c P C603のFvフラグメントが、も
とのままの抗体M c P C603と実質的に同じフ
ォスフォリルコリンとのアフィニティーコンスタントを
有していることも驚くべきことである。
Fvフラグメントの機能性については文献的に論争があ
ることから(J、SenおよびS、 Beychok:
Proteins 1.256 (1986))、この
知見は予期外のものである。このことから、機能性は定
常領域(constant domains)の修飾ま
たは完全な欠失によっても保持できることが明らかであ
る。
Fvフラグメントの調製に用いられたこれまでの唯一の
方法、すなわち抗体のタンパク質分解、とは対照的に、
本発明の方法においては、非機能性で、間違って折りた
たまれた、間違って再結合されたまたは化学的に修飾さ
れたタンパク質に間して問題はない。さらに、抗原また
はハプテンを装填した吸着剤を用いる好ましい単離工程
は、公知の諸工程によって得られたFvフラグメントの
精製にも適している。というのは、そのような不純物は
結合されないかまたは溶出されないかのいずれかである
からである。
例1ニブラスミドp A S K 22の調製:発現プ
ラスミドp A S K 22を、pUc12の大きい
方のEcoRI−HindlIIフラグメント(C,V
anisch−Perron、 J、 V+eiraお
よびJ。
Messing: Gene 33.103 (198
5))から、ベクターp I NII[−0mpA 1
のフラグメント(Y、 Masui、J、 Colem
anおよびM、 1nouye:  rExperim
entamanipulation of gene 
expressionJ 、 M。
1nouye編集、Academic Press 1
983)から、およびp HI 61 (H,1nou
ye、W、 Barnesおよび、j。
Beckwith: J、 Bacterio1、 1
49.434 (1982))から、さらに種々の合成
りNAフラグメントから、公知の方法(T、 Mani
atis、 E、 F、 Fr1tsct1およびJ、
 Sambrook: Mo1ecular Clon
ing、 Co1d SpringHarbor 19
82)を用いていくつかの工程によって構築する。得ら
れるベクターp A S K 22の完全なりNA配列
が表1に示されている。
ライゲーション混合液を用いて、コンピテントにした大
腸菌細胞を形質転換させる。後者を、アンピシリン耐性
を指標にして選択する。所望の遺伝子構造を有するプラ
スミドを、制限酵素分析および重要な接合部位の配列決
定によって特徴づけする。
例2: Fvフラグメントの調製: p A S K 22で形質転換させた大腸菌W311
0株の培養物を100mg/リットルのアンピシリンを
含むLB培地で培養して、0Dssoを0.5にする。
IPTC;を最終濃度1mMになるように加えて、発現
を誘導する。45分の後、4.000Xgの遠心外1d
(10分間、4℃)によって細胞を集める。細胞ペレッ
トを原培養液1 リッ)IX当り10m1のTES緩?
tit&(0,2M)リスー塩故(pl(8,0)、0
.5mMEDTA、0.5Mシュークロース)に再懸濁
させて細胞の分画な行う。
水でl:4に希釈して2mMのフォスフォリルコリンを
含むTES緩衝液を原培養液1リヴ)11当り15m1
の1度になるように加えることによって、細胞に軽い浸
透圧ショックを与える。懸濁液を氷上で30分間インキ
ュベーションした後に、5.000Xgで10分間遠心
分離して、上清液を今度は48,000Xgで15分間
遠心分離する。
全可溶性ペリプラズムタンパク質を含む得られた1清液
を、限外濾過(RアミコンYM5膜)によって原培養液
117ツ)11当り約2.5mlの容量にまで濃縮して
、BBS緩衝jffl(0,2Mホウ酸/ N a O
H(pH8,0)、0.16M NaCl)に対して透
析する。この濃縮溶液を、フォスフォリルコリン誘導体
を装填したアフィニティーカラム(B。
ChesebroおよびI1、 Metzger:前出
)(ベツド容積1ml当り1〜4mlの溶液)に供する
。これをBBS緩衝液で洗浄して、純粋Fvフラグメン
トを1 mMフォスフォリルコリンのBBS緩衝液溶液
で溶出する。
例3:平衡透析: 膜の両側がそれぞれ100711の容量の透析チャンバ
ーにおいて、一方に50711の精製したFvフラグメ
ントのBBS緩衝液溶液を入れ、他方に50μmのフオ
スフォリル(メチル−14C)コリン(50mC1/m
mol)のBBS緩衝液溶液を入れた。
of)2ssの値6.85から決定されたFvフラグメ
ントの濃度は、0.22mg/mlであった(R,K。
5copes: Protein Purificat
ion −Pr1nciplesand Practi
ce、 Springer−Verlag%New Y
ork。
1982、ρ、241)。室温で22時間おいた後に、
平衡に達した。各溶液の20μlの試料を、シンチレー
ションカウンター(ベックマンLS1801)で測定し
て、データを5catchardブロツテイング(前出
)した。その結果得られた線の勾配から引き出されたア
フィニティーコンスタントKaは、1.21±0.06
X I O” M−1である。
表1 pASK22のDNA12列、およびOmpA−VHお
よびphOA−VLのアミノ酸配列 Glu?rpValArgGlnProProG1yL
yt入!”9L@uGlu〒rPXl龜^uaAla5
er入r9^snLymAspThrS@rGlnSa

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、機能性(functional)抗体、抗体の機能
    性フラグメントまたは抗体領域と他のタンパク質からな
    る融合タンパク質の遺伝子を、シグナル配列、すなわち
    細菌細胞の細胞膜を通してポリペプチドを輸送し、次い
    で除去されるところのもの、に連結させること、該遺伝
    子構造物を細菌中で発現させること、およびペリプラズ
    ム空間 (periplasmic space)またはメジウ
    ム(medium)から機能性タンパク質を単離するこ
    とからなる、機能性抗体、抗体の機能性フラグメントま
    たは抗体領域と他のタンパク質からなる融合タンパク質
    、の製造法。 2、細菌がグラム陰性細菌である、請求項1に記載の製
    造法。 3、細菌が大腸菌(E.coli)である、請求項2に
    記載の製造法。 4、二つのプレペプチドのための遺伝子を可調節性オペ
    ロン系のかたちで連結させることを特徴とする、請求項
    1、2または3のいずれか1項に記載の製造法。 5、機能性タンパク質をペリプラズム空間から単離する
    ために、ペリプラズム(periplasm)を溢出さ
    せるが細胞質をもとのままに保持するような浸透圧ショ
    ックを分離しておいた細菌に与えて、これによって得ら
    れた液相を遠心分離によって濃厚富化して、さらにこの
    濃縮物から所望のタンパク質を得ることを特徴とする、
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造法。 6、適当な抗原またはハプテンを装填した吸着剤に機能
    性タンパク質を含む溶液を供し、所望のタンパク質をこ
    の抗原またはハプテンを含む溶液にて溶出して単離する
    ことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載
    の製造法。
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