JPH07184643A - 遺伝子操作により改変されたボルデテラ(Bordetella)菌株 - Google Patents

遺伝子操作により改変されたボルデテラ(Bordetella)菌株

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JPH07184643A
JPH07184643A JP6335163A JP33516394A JPH07184643A JP H07184643 A JPH07184643 A JP H07184643A JP 6335163 A JP6335163 A JP 6335163A JP 33516394 A JP33516394 A JP 33516394A JP H07184643 A JPH07184643 A JP H07184643A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 百日咳用ワクチンの成分として利用される抗
原生産に有用な遺伝操作により改変された菌株を提供す
る。 【構成】 百日咳菌から遺伝子操作によってFHAを欠
失させ、さらに菌無毒化された変異TOX遺伝子(TO
*)を導入するか、あるいは百日咳菌におけるPRN
遺伝子のプロモータ部分をFHAのプロモーターで置換
した融合遺伝子を百日咳菌に導入する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、遺伝子操作により改変
されたボルデテラ属菌株に関する。
【0002】
【従来の技術】ヒト百日咳は、ボルデテラ属の菌、特に
ボルデテラ・ペルツシスによって起こる。この細菌に感
染したり、ワクチン接種をすると、細菌が生産する数種
のタンパク、特にペルツシス毒素(PT)、フィラメン
ト状ヘマグルチニン(FHA)、69kDa外膜タンパ
ク(69kDまたはパ−タクチン)および房状縁アグル
チノ−ゲンに対する抗体が形成される。PTは主要な防
御抗原であるとともに、毒素でもある。これらの抗原を
用い、単一成分または複合成分を含むペルツシスワクチ
ンの製剤化が報告されている。そのためには、効率的な
生産および精製がきわめて重要な要素である。
【0003】
【発明が解決しようとしている課題】ボルデテラ・ペル
ツシスを用いた醗酵の過程で、69kDまたはPTに比
較してそれぞれ7倍および10倍も高いFHAが生産さ
れることが認められている。
【0004】したがって、ワクチン成分の生産という点
では、PTおよびパ−タクチンは量的に制限された抗原
である。さらに、FHAの生産量が比較的過剰であるた
め、低レベルで生産されるその他の抗原の精製が困難で
ある。特にPTの場合、精製法によってはFHAの精製
時にある程度精製されるが、それ以上の精製は困難であ
る。また、活性なPTがFHA調製物中に混在する恐れ
があるので、これらの元から存在する少量の毒素を化学
的に無毒化する必要がある。
【0005】遺伝学的に無毒化したペルツシス毒素(ヨ
−ロッパ特許出願番号0322115およびその米国特
許番号5,085,862;出願人:本出願人と同一;
参照文献:Loosmoreら、Infect.Imm
un.,58,3653[1990])の場合、このよ
うな問題はない。いずれの場合にも、FHAを生産しな
いボルデテラ・ペルツシス菌株またはPTを生産しない
菌株またはその両者があれば、ワクチン生産の観点から
きわめて有利である。例えば、その他のいずれの抗原
も、FHA遺伝子欠失菌株FHA- を用い、最適醗酵、
精製条件下で生産することができる。同様に、PT-
株を使用することにより、ペルツシス毒素が混在しない
FHAを製造することができる。
【0006】ボルデテラ・ペルツシスの遺伝子より生産
される物質の中には、百日咳用ワクチンには必要ないも
の、例えば皮膚壊死毒素(DNT)ならびに多分アデニ
レ−ト シクラ−ゼ毒素も含まれている。このような物
質をコ−ドした遺伝子座は、菌株が生存し、その他の抗
原も満足できる量を生産している限り、ワクチン生産菌
株には必要ないものと考えられる。このような不要な遺
伝子を除去するためには、除去遺伝子座にin sit
で遺伝子を挿入することにより、さらに遺伝子操作を
行う必要がある。例えば、アデニレ−ト シクラ−ゼ遺
伝子(CYA)を除去し、さらにワクチンとして使用し
たい抗原遺伝子のうち1個の遺伝子の1個以上のコピー
をCYA遺伝子座に挿入することができる。この遺伝子
は、除去遺伝子のin situにおける直接遺伝子挿
入へのフランキングシーケンスを用いた同種組換えによ
り導入することができる。別の方法としては、縦列挿入
または複製プラスミッドの導入により、遺伝子のコピー
を染色体に導入することができる。抗原の発現を改良す
るために、virレギュロンBvq等の調節遺伝子の複
数のコピーも導入することができる。
【0007】欠失菌株の例として、TOX -FHA -
PRN -CYA -DNT -またはこれらの遺伝子欠失
の組合せまたは別の遺伝子欠失との組合せが考えられ
る。挿入遺伝子としては、TOXFHAPRNのい
ずれか、またはその他の在来遺伝子、突然変異遺伝子ま
たはハイブリッド遺伝子を挙げることができ、1個以上
のコピーを縦列または別々に挿入することができる。別
の遺伝子の除去に関係なく、このように遺伝子コピー数
の増加を目的とした遺伝子操作を行うことにより、ボル
デテラの抗原生産性を著しく増進し、抗原精製の最適化
が可能となる。
【0008】Leeら(1989,infect.Im
mun.,57:1413−1418)は、複数のコピ
ーを行う複製プラスミッドからのTOXオペロンを発現
させることにより、ボルデテラ・ペルツシスの高毒素生
産性菌株を作ることを試みている。しかし、PT生産性
の増加は認められず、プラスミッドは再配列され、TO
Xオペロンは欠失し、トランス配列体は無毒性に変換さ
れた。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明によって、遺伝操
作により改変された百日咳用ワクチンの成分として利用
される抗原生産に有用な新規な菌株が提供される。この
菌株には、無毒化された変異TOX遺伝子(TOX *
を含み、FHAが欠失した菌株、及びFHAのプロモー
ターにPRNを融合させたハイブリッド遺伝子を有する
菌株が含まれる。百日咳用ワクチンの成分として利用さ
れる抗原生産に有用な新規な菌株が提供される。これら
の菌株の代表例としては、ボルデテラ・ペルツシス(Bo
rdetellapertusis)490−324株及び591−47
3株がある。
【0010】PT(TOX)、FHA(FHA)、パー
タクチン(PRN)およびアデニレート シクラーゼ
(CYA)の遺伝子をクーロン化し、配列した(Nic
osiaら、Proc.Natl.Acad.Sci.
U.S.A.,83,4631[1986];Loos
moreら、Nucl.Acids Res.,17,
8365[1989];Relmanら、Proc.N
atl.Acad.Sci.U.S.A.,86,26
37[1989];Charlesら、Proc.Na
tl.Acad.Sci.U.S.A.,86,355
4[1989];Glaserら、Molec.Mic
robiol.2,19[1988])。ペルツシス毒
素は6個のポリペプチドからなる複合タンパクであり、
単一なプロモーターから発現される5種類の構造遺伝子
によりコード化されている。その酵素的およびそのほと
んどの毒性はそのサブユニットS1により調節され、そ
の細胞結合性および分裂特性はB−サブユニットを形成
する別のサブユニットによる。S1またはBサブユニッ
ト遺伝子上の特定の遺伝暗号の部位特異的突然変異によ
り、完全毒素が無毒化される(ヨーロッパ特許3221
15、米国特許5,085,862およびLoosmo
reら、Infect.Immun.58,3653
[1990])。
【0011】同種異形組替えを行ったのち、エレクトロ
ポーレーションでボルデテラ・ペルツシスに形質転換を
行うことにより、TOXオペロンを除去する方法がヨー
ロッパ特許322,115および米国特許5,085,
862で公開されている。端的にいうと、S12/Te
R遺伝子カセットを用いてボルデテラ・ペルツシス菌
のストレプトマイシン耐性株の遺伝子を除去すると、ス
トレプトマイシン感受性で、テトラサイクリン耐性の表
現型が得られる。さらに一連の組替えを行って選択可能
カートリッジを置き換えることにより、ストレプトマイ
シン耐性となる。このような手順により、抗生物質耐性
遺伝子の集積をみることなく、ボルデテラ・ペルツシス
における特定遺伝子を置換することが可能である。S1
2/TetR遺伝子カセットは、TOX5’-フランキン
グ部位の2.9kb Sau3AI/EcoRIフラグ
メントおよびTOX3’-フランキング部位の5kb
EcoRI/SalIフラグメントを用いた対立遺伝子
交換により、TOX遺伝子座に導入することができる。
in vitroにおいて突然変異を起こした対立遺伝
子による遺伝子カセットの置換については、すでに報告
されている(ヨーロッパ特許322,115、米国特許
5,085,862;Pizzaら、Science,
246,497[1989]; Zealeyら、Bio
/Technology,,1025[199
0])。FHAおよびPNR遺伝子の除去も同様な手順
を用いて行われている。ここでも、これらの手順を用い
て、元の、または新規の遺伝子座にコピー遺伝子を有す
るボルデテラ・ペルツシス菌株を遺伝子工学的に創製し
た(表1(A)および(B))。これらの実験はコノー
ト バイオセーフティ委員会により承認され、レベル2
または3の封じ込め施設で行った。
【0012】ボルデテラ・ペルツシス29−8株(AT
CC登録番号53973)は、コノートのワクチン菌株
10536に由来する菌株であり、TOXオペロンを欠
失し、大腸菌S12遺伝子およびテトラサイクリン耐性
遺伝子を含むカッセトで置換された菌株である(Zea
leyら、Bio/Technology,,102
5[1990];ヨーロッパ特許322,115,米国
特許5,085,862)。同種異形遺伝子組替えによ
り、S12/TetR遺伝子カッセトをTOX遺伝子の
縦列コピーで置換し、野生型に比較してPT生産能が約
2〜3倍高い菌株(1190−74)を創製する。同様
に、S1サブユニットにArg9→Lys9およびGl
y129→Glu129突然変異を有する遺伝学的に無
毒化したPT類縁体(PTアナログ)を遺伝子工学的に
創製するように突然変異を起させた縦列TOX *オペロ
ンを29−8株に導入し(Loosmoreら、Inf
ect.Immun.,58,3653[199
0])、191−134株を創製した(ATCC登録番
号55205)。
【0013】390−101株(ATCC登録番号55
157)は、コノートのワクチン菌株10536に由来
する菌株であり、FHA遺伝子座がS12/TetR
伝子カッセトで置換された菌株である。この菌株のFH
遺伝子座に別のTOXオペロンを挿入し、PT生産能
が10536株よりも約2倍高く、FHAを全く生産し
ない590−208株が創製されている。
【0014】989−56株(ATCC登録番号539
75)は、10536株に由来する菌株であり、S1サ
ブユニットにLys9Gly129突然変異を有するP
T類縁体を発現する(米国特許出願番号589,42
3、出願日:1990年9月18日)。そのFHA遺伝
子をS12/TetR遺伝子カッセトで置換することに
より、TOX*/FHA菌株490−324が得られ
る。さらに2個の縦列TOX *オペロンをFHA遺伝子
座に導入することにより3個のTOX *遺伝子コピーを
有する890−393株(ATCC登録番号5520
6)を創製することができ、この菌株は約3倍も高いP
T類縁体を発現する。
【0015】同じ手法を用いて10536株からPRN
遺伝子を取り除くことにより、1090−108−3株
(ATCC登録番号55156)を創製した。PRN
伝子座は、同様にPRN遺伝子の重複コピーまたはハイ
ブリッドオペロンの導入にも使用することができる。ハ
イブリッドオペロンの遺伝子工学的創製法については、
我々のヨーロッパ特許出願番号EPO 453,216
およびその米国特許出願番号687,231、出願日1
991年4月18日に記載されている。端的に説明する
と、ハイブリッドオペロンは、ボルデテラの構造遺伝子
からなり、その別の遺伝子プロモーターにより調節され
ている。FHAプロモーターの調節下にあるパータクチ
ン構造遺伝子で構成されているハイブリッド遺伝子の縦
列コピーをPRN遺伝子座に導入することにより、10
91−297株が得られ、この菌株は野生型に比較して
約20倍も高いパータクチンを発現する。
【0016】我々は、ボルデテラ・ペルツシスの遺伝子
コピー数を増加することにより、特定の抗原の生産能を
除去し、特定の抗原の生産能を高めるようにボルデテラ
・ペルツシスを遺伝子工学的に改良することができた。
そのほかの遺伝子コピーは、同種異形遺伝子組替えによ
り天然または新規の遺伝子座に単一または重複コピーす
ることができる。それらの遺伝子は、天然遺伝子または
突然変異遺伝子または新規なハイブリッド遺伝子でもよ
い。また、それらの遺伝子は、別の細菌種から得た異種
同形遺伝子でもよい。遺伝子を除去したのち、天然また
は新規な遺伝子を単一または重複挿入する方法を用いる
ことにより、新規なワクチン製剤に使用できる抗原の生
産能を高めることができる。ここに記載した手法を用い
ることにより、望ましくない遺伝子を除去し、生産量が
限られている抗原の発現を増強し、精製工程を単純化す
ることができる。特定の抗原の発現が効果的に行われる
ので、ある種の成長促進添加物も添加する必要がないも
のと考えられる。
【0017】
【実施例】本明細書および以下の実施例では、使用した
分子遺伝学、タンパク生化学および発酵の方法ならびに
ハイブリドーマの手法は必ずしも詳細に記載されていな
いが、これらは学術文献に詳細に記載されており、当該
分野の専門知識を有する者には容易に類推できるもので
ある。 実施例1 本実施例は、ベクターおよび菌株の構造ならびにそれら
の分子の特徴づけを説明するものである。
【0018】DNA操作、サザーンブロット分析および
プローブのニックトランスレーションはSambroo
kら(分子クローニング:実験マニュアル、第2版、C
old Spring Harbor Laborat
ory,Cold Spring Harbor,N.
Y.[1989])に従って行った。制限酵素は、製造
業者の指針に従って使用した。遺伝子は、Λシャロン3
5で調製したボルデテラ・ペルツシス10536ゲノム
ライブラリーからクーロン化した(ヨーロッパ特許32
2,115および米国特許5,085,862に記
載)。エレクトロポーレーション転換用のDNAプラス
ミッドは、Ish−HorowiczおよびBurke
(Nucl.Acids Res.,,2989[1
988])に従って調製した。サザーンブロッティング
用の染色体DNAはYacoobおよびZealey
(Nucl.Acid Res.,16,1639[1
988])に従って調製した。 実施例2 本実施例では、無指定の対立遺伝子交換によるボルデテ
ラ・ペルツシス染色体における遺伝子の置換法を説明す
る。
【0019】特定の遺伝子の除去および別の遺伝子の挿
入とも、同じ原理を適用した。特定の遺伝子の除去は、
マーカーカセットの挿入によって行う。ボルデテラ・ペ
ルツシスの形質転換は、Zealeyらが報告した(B
io/Technology,,1025[199
0])エレクトロポーレーションによって行った。簡単
に説明すると、ヘプタキス(2,6−o−ジメチル)β-
シクロデキストリンを添加したStainer Sch
olte培地(Imaizumiら、Infect.I
mmun.,41,1138[1983])1l中で細
胞数が約5x109個/mlに達するまで培養したの
ち、遠心分離(5000×g、15分間、4℃)により
細胞を集めた。細胞を500mlの蒸留水で2回、50
mlの10%グリセロールで1回洗い、10%グリセロ
ール10mlに懸濁させ、小分けして-70℃で凍結し
た。形質転換にあたって、細胞懸濁液200μlを採
り、直線状のDNA10〜50μgまたは螺旋状のDN
Aプラスミッド5μgと混合し、氷上で10分間インキ
ュベーションした。Power Plusユニットを装
着したBTXトランスフェクター100(Biotec
hnologies and Experimenta
l Research,San Diego,CA)を
用い、0.8mmの電極間間隙からこの混合液に650
Vの指数関数形崩壊パルスを照射した。細胞に1mlの
培地を添加し、さらに36℃で振とう培養した。TOX
-菌株のTOX遺伝子座にTOX対立遺伝子を集積させ
るため、直線状のDNAで細胞の転換を行った。形質転
換後さらに1時間非選択的に培養したのち、培地にアン
ピシリンを50μg/mlの割合で添加し、さらに36
℃で15〜24時間培養した。これより1mlを採り、
100μg/mlのストレプトマイシンを含むBord
et−Gengou培地に接種したのち、36℃で3〜
5日間培養し、形質転換体を発現させた。
【0020】FHA遺伝子座に正しく集積する割合を増
すために、FHA欠失ボルデテラ・ペルツシス菌株は2
段階で形質転換させた。螺旋形DNAプラスミッドのエ
レクトロポーレーションを行い、アンピシリン培地(5
0μg/ml)で培養し、プラスミッド集積菌株を選抜
した。ApR、TetR、StrS形質転換体は、DNA
頻度約500/μgで得られ、TOXまたはFHA遺伝
子座のいずれかに全プラスミッドが集積したためと推定
された。ストレプトマイシンを含む培地にこれらの一次
形質転換体をストリークすると、StrRコロニーが得
られ、分子間組替えによりそのS12/TetR遺伝子
カセットをTOXオペロンで置換した。 実施例3 本実施例は、菌株の培養および抗原の特性化について説
明するものである。
【0021】菌株は、温度、pHおよび溶存酸素調整下
でヘプタキス(2,6−o−ジメチル)β-シクロデキ
ストリンを含む改良Stainer−Scholte培
地を用い、10リットルのChemApバイオリアクタ
ーまたは10mlの培地で定常的に培養した(Imai
zumiら、Infect.Immun.,41,11
38[1983])。抗原生産能は、培地の上清を採
り、単一特異性ポリクロナール抗体またはモノクロナー
ル抗体を用い、抗原特異性ELISA中で検定した。
【0022】PTは、Loosmoreら(Infec
t.Immun.,58,3653[1990])に従
ってフェテュイン捕捉ELISA中で測定した。FHA
はマウスの腹水から精製したモノクロナール抗FHA抗
体により捕捉し、第2の抗体としてセイヨウワサビのパ
ーオキシダーゼに抱合させたウサギのポリクロナールI
gG抗FHAを用いた。標準として精製した抗原を用い
た。
【0023】ペルツシス毒素はヨーロッパ特許322,
115、米国特許5,085,862および米国特許
4,997,915の記載に従って精製した。989−
56菌株および3重コピーTOX *株890−393が
生産したPT類縁体を比較分析したところ、図8に示す
ごとく、SDS−PAGEパターンおよびHPLCプロ
フィールに差は認められなかった。野生型および遺伝子
工学により改良した菌株により生産された在来のPTお
よびPT類縁体の生物学的特性を表2に示す。その結果
から、単一コピーまたは重複コピー菌株により分泌され
たPTは機能的に同等であることが認められた。 実施例4 本実施例では、FHA欠失菌株390−101の創製に
ついて説明する。
【0024】元来、FHAオペロンは2段階でクーロン
化した。FHA B構造遺伝子の4.5kb BamH/
BamHIフラグメント内部は、プローブとしてポリク
ロナール抗FHA抗体を用い、pEV発現ライブラリー
からクーロン化した(R.Crowlら、Gene 3
8,31[1985])。ついで、このフラグメントに
ついてニックトランスレーションを行い、全オペロンを
クーロン化するためのCharonファージ ペルツシ
ス ゲノム ライブラリーのプローブとして使用した。
【0025】FHA構造遺伝子の11kb 内部Eco
RI/EcoRIフラグメントを除去し、S12/Te
R遺伝子カセットで置換し、pGZ71プラスミッド
を得た。したがって、このプラスミッドは、2.5kb
のBg1II/EcoRI5’-FHAフランキングシ
ーケンスと1.7kbのEcoRI/ClaI3’−
HAフランキングシーケンスを有している(図1)。
【0026】図2はpGZ71プラスミッドの構造を示
している。簡単に説明すると、プラスミッドS−222
4−1はFHAオペロンの3’−Bg1II/EcoR
I部分を代表する染色体クーロンを含み、プラスミッド
S−3595−9−1はFHAオペロンの5’−Eco
RI/Bg1II部分を代表する染色体クーロンを含ん
でいる。両クーロンが部位Bg1IIで一緒になると、
完全なFHA構造遺伝子が再構築される。S−2224
−1プラスミッドをBg1IIおよびEcoRIで解裂
させると、1.7kbのFHA3’-フランキング部位
(3’FHA)を含むpBR322ベクターフラグメン
トが得られる。S−3595−9−1プラスミッドをB
g1IIおよびEcoRIで消化し、FHA 5’-フラ
ンキングシーケンス(5’FHA)を含む2.5kbの
フラグメントをS−2224−1ベクターの破片で結さ
くすると、S−3616−2プラスミッドが得られる。
プラスミッドpGZ62はpBR322プラスミッドに
おけるS12/TetR 遺伝子カセットを含み、ヨーロ
ッパ特許322,115および米国特許5,085,8
62に詳しく記載されている。S−3616−2プラス
ミッドはEcoRIで消化し、Klenowポリメラー
ゼを用いて充填し、仔牛のアルカリホスファターゼ(C
AP)で脱リン酸した。pGZ62プラスミッドはEc
oRIおよびBa1Iで消化したのち、充填した。S−
3616−2ベクターフラグメントおよびPgz62挿
入フラグメントを結さくし、Pgz71を得た。Eco
RIおよびBalI部位を充填することによって、Ec
oRI部位が再生する。
【0027】偶発的に生成するストレプトマイシン耐性
ボルデテラ・ペルツシス10536菌株、すなわちボル
デテラ・ペルツシスstr29株(ATCC登録番号5
3972)は、直線型pGZ71でエレクトロポーレシ
ョン転換すると、対立遺伝子交換によりFHA構造遺伝
子を失い、FHA -の390−101株(ATCC登録
番号55157)が得られる。FHA遺伝子の欠失はサ
ザーンブロット分析およびFHA特異性ELISAで確
認した。同様に、pGZ71プラスミッドを用いて、
OX *オペロンを含むボルデテラ・ペルツシス989−
56株からFHA遺伝子を除去し、ボルデテラ・ペルツ
シス490−324株を創製した。 実施例5 本実施例では、異なった遺伝子座に2個のTOX遺伝子
コピーを含むFHA欠失株590−208の創製につい
て記載する。
【0028】実施例4に記載したように、FHAフラン
キング部位の間に4.7kb EcoRI/EcoRI
TOX オペロンの単一コピーを含むpBR322プラ
スミッド(S−3741−2)を構築した。図2にS−
3741−2プラスミッドの構造を示す。簡単に説明す
ると、S−3616−2をEcoRIで消化し、FHA
フランキング部位の間のプラスミッドを解放し、CAP
で脱リン酸した。プラスミッドJ−169−1はTOX
のpUCクーロンであり、それをEcoRIで消化して
EcoRI/EcoRI TOXフラグメントを作製し
た。結さくすることにより、FHAフランキング部位の
間に野生型TOXオペロンの単一コピーを含むS−37
41−2が得られる。
【0029】エレクトロポーレンションによりS−37
41−2をFHA欠失株390−101に導入すると、
2個のTOX非縦列コピーを有する株590−208が
得られる。590−208株のゲノムDNAをサザーン
ブロット法で分析し、別のTOXオペロンがFHA遺伝
子座に正しく配置されていることを確認した。
【0030】液体培地で培養すると、図1および図2に
示すように、在来株に比較してPTの収量が2培であっ
たが、予期したごとく、FHAの生産は認められなかっ
た。S−3741−2プラスミッドはATCCに登録し
た(登録番号75031)。 実施例6 本実施例は、TOX *オペロンの3個のコピーを含む
HA欠失株890−393の創製について説明するもの
である。
【0031】pBR322プラスミッド(S−3822
−10)は、実施例4に記載したごとく、FHAフラン
キング部位間に2個の4.7kb EcoRI/Eco
RITOX *オペロンコピーを有するように構築した。
S−3822−10の構造を図3に示す。簡単に説明す
ると、S−3484−3−15プラスミッドは、突然変
異を起こしたTOXオペロン(TOX *)の周りにTO
X 5’− および3’−フランキングシーケンスを含む
pUCベクターである。TOX *は、S1サブユニット
にLys9Gly129置換を有する無毒なPT類縁体
を生産するように設計された突然変異を含んでいる(L
oosmoreら、Infect.Immun.,5
8, 3653[1990])。S−3616−2はEc
oRIで消化し、脱リン酸した。S−3484−3−1
5はEcoRIで消化したのち、TOX *フラグメント
を解裂させた。結さく反応には、EcoRI-EcoR
TOX *挿入の5モル過剰量を使用して縦列遺伝子コ
ピーを助長し、S−3822−10プラスミッドを得
た。このプラスミッドはFHA遺伝子フランキング部位
の間に2個の隣接したTOX *コピーを有することが、
制限酵素分析で確認された。
【0032】989−56株(ATCC登録番号539
75)は野生株10536に由来するもので、Lys9
Gly19 PT類縁体を発現する(図6)。
【0033】pGZ71を用いて989−56株からF
HA構造遺伝子を除去し、TOX * FHAの490−3
24株を得た。S−3822−10を490−324に
導入することにより、FHA遺伝子座に2個および元の
TOX遺伝子座に1個、合計3個のTOX *オペロンコ
ピーを有する890−393株を創製した(図6)。実
施例3に従って液体培地で培養すると、表1(A)およ
び(B)に示すように、10536株に比較して3〜4
倍高いPT類縁体の発現が認められた。ボルデテラ・ペ
ルツシス890−393株によるPT類縁体発現の推移
を図7に示す。
【0034】図6は、890−393株のゲノムDNA
をサザーンブロット分析の結果を示す。染色体DNAを
分離し、Bg1IIおよびC1aIで同時に制限分解
し、ニックトランスレーションTOX特異的プローブで
実証した。ボルデテラ・ペルツシス890−393株の
制限分解ゲノムDNAのハイブリッドパターン(4列
目)を10536株から得たDNA(1列目)および9
89−56株(2列目)と比較し、在来のTOXオペロ
ンに特異的である3.3および13kbのTOX特異性
フラグメントの存在が認められる。しかし、890−3
93株では、さらに5.3、5.0および3.7kbの
TOX特異性フラグメントも認められる。
【0035】ハイブリッド化のパターンから、この菌株
TOX遺伝子座に1個のTOX *オペロンを有し、
HA遺伝子座にさらに2個の縦列コピーを有することが
認められた。890−393株はATCCに登録した
(登録番号55206)。 実施例7 本実施例では、 TOX遺伝子座に2個のTOX *縦列コ
ピーを有する191−134株の創製について説明する
ものである。
【0036】pUCプラスミッド(S−4000−5)
は、5’−および3’−TOXフランキング部位間に2
個の縦列TOX *オペロンコピーを有するように構築し
た。4.7kb EcoRI/EcoRI TOX *フラ
グメントをオペロンとし、在来TOXオペロンの2.9
kb SmaI/EcoRI 5’−フランキング部位お
よび4kb EcoRI/SalI 3’−フランキング
部位を用いて縦列遺伝子をTOX遺伝子座に定位させた
(図1参照)。TOXフランキング部位については、ヨ
ーロッパ特許322,115および米国特許5,08
5,862に詳しく記載されている。
【0037】S−4000−5プラスミッドの構造を図
3に示す。簡単に説明すると、pUCをベースとするS
−3484−3−15プラスミッドはTOXフランキン
グ部位間にTOX *オペロンを含み、KpnIで直線化
し、脱リン酸した。S−3822−10はFHAフラン
キング部位間に縦列TOX *オペロンを含み、KpnI
で制限分解し、4.6kb KpnI/KpnIフラグ
メントを除去した。これらの断片を結さくすることによ
り、TOXフランキング部位間に2個のTOX *縦列コ
ピーを含むS−4000−5プラスミッドが得られた。
【0038】S−4000−5はHindIIIで直線
化し、29−8菌株はエレクトロポーレーションにより
転換して191−134株を得た。191−134株の
ゲノムDNAをサザーンブロット法で分析したところ、
図6および図7に示したように、縦列TOX *オペロン
TOX遺伝子座のin situで正しい場所に位置
していることが確認された。191−134株から得た
染色体DNAをBg1IIおよびClaIで同時に消化
した。TOX特異性プローブでハイブリッド化すると、
TOX遺伝子座にTOXの単一コピーが存在することを
示唆する13および3.3kbのバンドが認められた
が、別に5.0kbのバンドも検出された。このパター
ンはTOX遺伝子座に2個のTOX *縦列コピーが存在
していることを示している。液体培地で培養すると、表
1(A)および(B)に示すごとく、191−134株
によるPT類縁体の生産速度は在来株と同様であった
が、生産量は2〜3倍高かった。191−134株はA
TCCに登録した(登録番号55205)。 実施例8 本実施例では、TOX遺伝子座に集積した野生型TOX
オペロンの2個の縦列コピーを含む1190−74株の
遺伝子工学的創製および特性化について記載する。
【0039】pUCプラスミッド(S−3980−9)
を構築した。このプラスミッドは、S−4000−5と
同様に2個のTOX *縦列コピーを含む(実施例7)
が、TOXオペロンは野生型である。S−3980−9
はHindIIIで直線化し、エレクトロポーレーショ
ンによる転移でTOX欠失株29−8に導入し、119
0−74株を得た。1190−74株のゲノムDNAを
サザーンブロット法で分析したところ、縦列オペロンは
in situで正しい場所に位置していることが確認
された。
【0040】液体培地で培養すると、表1(A)および
(B)に示すように、1190−74株のPT生産速度
は在来株と同じであったが、PT生産量は2〜3倍高か
った。プラスミッドS−3980−9はATCCに登録
した(登録番号75033)。 実施例9 本実施例は、培地中のシクロデキストリン必要量に対す
るPT生産過剰の影響について説明するものである。
【0041】在来株におけるPT発現を最適化するた
め、典型的な例として0.2%のデキストリン誘導体
(ヘプタキス(2,6−o−ジメチル)β−シクロデキ
ストリン)を培地に添加した(Imaizumiら、I
nfect.Immun.41,1138[198
3])。図9から、野性型の10536株では、シクロ
デキストリンを培地中に添加することにより、PTの濃
度が著しく増加することが実証された。1190−74
株は野性型のTOXオペロンの縦列コピー2個を含んで
いる。0.2%のヘプタキス(2,6−o−ジメチル)
β−シクロデキストリン)を含まない培地で培養する
と、図10に示すごとく、PTの発現にはほとんど影響
が認められない。PT類縁体を生産する菌株でも、同様
な結果が認められた。さらに、PTまたはPT類縁体の
生産が過剰であっても、FHA、アグルチノ−ゲンまた
はパ−タクチン等の抗原の発現にも影響はなかった。 実施例10 本実施例では、PRN欠失株1090−108−3の創
製について説明する。
【0042】PRN遺伝子部位は、特異的オリゴヌクレ
オチドプロ−ブを用いて、Charonファ−ジ ペル
ツシス ライブラリ−から11.3kbのフラグメント
としてク−ロン化した。オリゴヌクレオチドの配列は、
それぞれAATGAACATGTCTCTGTCACG
CCATTGTCAAおよびTTCCACGCGGGC
TACCGGTACAGCTGGTAAであり、発表さ
れているPRNシ−ケンスの塩基144から塩基173
および塩基2848から塩基2877に相当する(Ch
arlesら、Proc.Natl.Acad.Sc
i.86,3554[1989])。S−3596−4
およびS−3770−4プラスミッドは完全なパ−タク
チン遺伝子部位PRNの染色体サブク−ロンである(図
4)。S−3770−4をCalIで消化することによ
り、コ−ド配列の7kb内部CalI/CalIフラグ
メントを除去し、再結さつしてS−3818−1プラス
ミッドを得た。このpUCプラスミッドはPRNから
1.6kbのSau3AI/CalI 5’−フランキ
ングシ−ケンスおよび3.5kbのSau3AI/Ca
lI 3’−フランキングシ−ケンスを含んでいる。S
−3818−1をEcoRIおよびClaIで消化し、
Klenowポリメラ−ゼを用いて充填し、脱リン酸し
た。プラスミッドpGZ62はEcoRIおよびBal
Iで消化してS12/TetR遺伝子カセットを除去し
たのち、充填した。フラグメントを結さつして、PRN
フランキング部位の間に特定のカセットを含むpRY4
6−10を得た(図1)。
【0043】直線化したpRY46−10をstr29
株(野性型、ATCC登録番号53972)に導入する
と、PRN遺伝子部位を欠く1090−108−3株が
得られた。サザ−ンブロット分析により、PRN遺伝子
カセットがS12/TetR遺伝子カセットにより置換
されていることが確認された。パ−タクチン特異性EL
ISAを用いた分析で、1090−108−3株はこの
抗原を生産しないことが確認された。1090−108
−3株はATCCに登録した(登録番号55156)。 実施例11 本実施例では、PRN遺伝子座に集積したFHApPR
N対立遺伝子の縦列コピー2個を含むボルデテラ・ペル
ツシス1091−297株の創製について説明する。
【0044】PRNの5’−と3’−フランキング部位
ではさまれた2個のFHApPRNハイブリッド遺伝子
コピーを含むpUCプラスミッド(S−4258−7)
を構築した。図5にS−4258−7プラスミッドの構
造を示す。ハイブリッド遺伝子の構造は、ヨ−ロッパ特
許453,216および米国特許出願687,231に
詳細に記載されている。簡単に説明すると、S−359
5−9−1プラスミッドは、FHA5’−フランキング
部位およびFHAプロモ−タ−部位を含むFHABの
5’−部分の染色体サブク−ロンである。S−3595
−1−1プラスミッドはフランキング部位を含むPRN
遺伝子座の染色体サブク−ロンである。
【0045】S−3595−9−1プラスミッドをEc
oRIおよびHinfIで消化して、FHAプロモ−タ
−のほとんど大部分を含む240bpのEcoRI/H
infIフラグメントを創製した。S−3596−1−
1プラスミッドはEcoRIおよびNcoIで消化し
て、PRNの3’−フランキング部位の一部とpUCを
含む4kb断片を得た。93bp HinfI/Nco
Iオリゴヌクレオチドを用いてフラグメントを接続し、
S−4116−7プラスミッドを得た。したがって、こ
のプラスミッドはFHAプロモ−タ−全体とPRNシグ
ナルシ−ケンスのNcoI部位までの部分を含んでい
る。S−3596−1−1はNcoIで消化し、PRN
構造遺伝子のほとんどを含む2.2kbフラグメントを
得た。S−4116−7プラスミッドはNcoIを用い
て直線化し、仔牛アルカリホスファタ−ゼを用いて脱リ
ン酸した。構造遺伝子フラグメントをFHAプロモ−タ
−の後で結さつすることにより、S−4131−9プラ
スミッドを得た。S−4131−9プラスミッドはフラ
ンキング部位を含むPRN遺伝子座の染色体サブク−ロ
ンである。S−3770−4をKpnIおよびEcoR
Iで消化して天然のPRNプロモ−タ−と構造遺伝子の
一部を除去した。S−4131−9プラスミッドEco
RIおよびKpnIで消化し、FHAプロモ−タ−およ
PRN構造遺伝子の5’−半分を含むフラグメントを
S−3770−4ベクタ−フラグメントに結さつしてS
−4143−1プラスミッドを得た。したがって、この
プラスミッドはFHApPRNハイブリッド遺伝子のコ
ピー1個を含んでいる。S4143−1をBamHIお
よびHindIIIで消化し、5’−PRNおよびFH
ApPRNハイブリッド遺伝子を含む5.6kbのフラ
グメントを、BamHIおよびHindIIIで消化し
たpUCに挿入し、EcoRI部位間にハイブリッド遺
伝子を有するプラスミッドS−4250−1−5を得
た。プラスミッドS−4143−1はEcoRで直線化
し、脱リン酸した。S−4250−1はEcoRIで消
化し、ハイブリッド遺伝子を遊離させ、S−4143−
1のEcoRI部位に結さつし、反対に向いた2個のハ
イブリッド遺伝子の縦列コピーを有するS−4258−
7プラスミッドを得た。
【0046】プラスミッドS−4258−7を用いて2
段階でPRN欠失1090−108−3株の転換を行っ
た。円形プラスミッドDNAのエレクトロポ−レ−ショ
ンを行い、アンピシリンおよびテトラサイクリン耐性に
より選抜した全プラスミッドの挿入を行った。ストレプ
トマイシンを含む培地にこれらの一次転換体をストリ−
クすると、分子間組換えによりS12/TetR 遺伝子
カセットがFHApPRNハイブリッドで置換されたS
trRコロニ−を得た。このようにして、FHApPR
ハイブリッド遺伝子の2個の縦列コピーを含むボルデ
テラ・ペルツシス1091−297株を得た。サザ−ン
ブロット分析の結果、図11に示したように、2個のハ
イブリッド遺伝子がPRN遺伝子座に正しく位置してい
ることが確認された。液体培地で培養すると、パ−タク
チンの生産速度は野生株と同じであったが、タンパクの
総収率は約20倍高かった(表3)。 実施例12 本実施例では、ペルツシス毒素およびパ−タクチンを過
剰生産するボルデテラ・ペルツシス株の構造について説
明する。
【0047】本発明者らは、ヨ−ロッパ特許453,2
16および米国特許出願687,231で抗原の発現を
改良する手段として,ハイブリッド遺伝子の創製につい
て記載している。上記の実施例11には、FHApPR
ハイブリッド遺伝子を含むS−4143−1プラスミ
ッドの構造について記載した。プラスミッドS−414
3−1を用いてPRN欠失ボルデテラ・ペルツシス10
90−108−3株(ATCC登録番号55156)の
転換を行い、PRN遺伝子座にFHApPRNハイブリ
ッド遺伝子の単一コピーを有する591−473株(A
TCC登録番号55,321)を創製した。上記の実施
例4で記載したように、ボルデテラ・ペルツシス591
−473株のTOXオペロンを選択性のS12/Tet
Rカセットで置換し、ボルデテラ・ペルツシス891−
98株を得た。上記の実施例7および実施例8に記載し
たように、それぞれS−3980−9またはS−400
0−5プラスミッドで転換することにより、野生型TO
遺伝子または突然変異TOX *遺伝子の縦列コピーを
TOX遺伝子座に集積させた。このようにして得られた
ボルデテラ・ペルツシス1091−107株(ATCC
登録番号55,313)は野生型PTおよびパ−タクチ
ンを過剰生産し、1091−359株(ATCC登録番
号55,312)はLys9GGly129 PT類縁
体およびパ−タクチンを過剰発現する。図12および1
3に1091−107株および1091−359株を1
0リットルのファ−メンタ−で培養した場合の抗原生産
量を示す。
【0048】TOXオペロンの改良が効果的であること
を実証する例として、表1(A)、(B)に数種のボル
デテラ・ペルツシス株によるPTおよびFHA生産の詳
細を示す。複数の遺伝子コピーが存在することにより、
抗原の生産が効果的に行われることがこれらのデ−タか
ら明らかでである(実施例7および実施例8を参照)。
表1においては、菌株は野生型TOXオペロンまたは
OXまたはFHA遺伝子座に位置する遺伝学的に無毒化
したLys9Gly129対立形質を含む。菌株は表1
(A)においては10mlの振とうフラスコで、表1
(B)においては10リットルのバイオリアクターで培
養した。培養上清中の抗原は該抗原に特異的なELIS
Aによって定量した。
【0049】
【表1】
【0050】
【表2】 数種のボルデテラ・ペルツシス菌株について、生物学的
特性の詳細を表2に示す。すなわち、PTを過剰に生産
するボルデテラ・ペルツシス菌株から得られたPTアナ
ログの生物学的特性を調べた。
【0051】
【表3】 PRNオペロンの改良が効果的であったことを実証する
ために、数種のボルデテラ・ペルツシス株について、P
TおよびFHA生産の詳細を表3に示す。すなわち、
RN遺伝子座にハイブリッドPRN対立形質の1または
2個のコピーを含むボルデテラ・ペルツシス菌株による
PT、FHA及びペルタクチンの生産を調べた。これら
のデ−タから、複数のハイブリッド遺伝子が存在するこ
とによって、抗原の生産が効果的に行われることが明ら
かである(実施例11参照)。菌株は10mlの振とう
フラスコで培養した。培養上清中の抗原のレベルは該抗
原に特異的なELISAによって定量した。
【0052】
【表4】 ここに記載したコピー数の異なるボルデテラ菌株の創製
に使用したプラスミッドを図1〜5示す。図2、3、4
および5にそれらの構造を示す。pGZ71は、米国特
許5,085,862に記載されているように、FHA
遺伝子フランキング部位の間にはさまれた大腸菌S12
およびテトラサイクリン耐性遺伝子カセットを含んでい
る。プラスミッドS−3741−2(ATCC登録番号
75031)は、5’−と3’−FHA遺伝子フランキ
ング部位の間にはさまれたTOX遺伝子の単一コピーを
含んでいる。プラスミッドS−3822−10はFHA
フランキング部位の間にはさまれ、Lys9Gly12
9 PT類縁体をコード化した突然変異TOXオペロン
(TOX*)の縦列コピーを含んでいる。プラスミッド
S−3980−9およびS−4000−5は、5’と
3’TOXフランキング部位の間に、それぞれTOX
たはTOX *の縦列コピーを含んでいる。
【0053】プラスミッドpRY46−10は、5’と
3’PRNフランキング部位の間にS12/TetR
セットを含んでいる。パータクチンの生産量を増加させ
るため、ヨーロッパ特許出願番号453,216に記載
されているように、天然のプロモーターをFHAプロモ
ーターで置換し、ハイブリッド遺伝子FHApPRN
得た。プラスミッドS−4258−7はFHApPRN
ハイブリッド遺伝子の縦列コピーを含んでいる。
【0054】図2は実施例4および5に記載したプラス
ミッドpGZ71およびS−3741−2の構造を示し
ている。図3は実施例6および7に記載したプラスミッ
ドS−3822−10およびS−4000−5の構造を
示している。図4は実施例10に記載したプラスミッド
pRY46−10の構造を示している。図5は実施例1
1に記載したプラスミッドS−4258−7の構造を示
す。制限酵素による分解部位は、B、BamHI;Ba
l、BalI;Bg、BglII; C、ClaI;H、H
indIII;K、KpnI;Nco、NcoI;R、E
coRI; S、SalI;Sm、SmaI;およびSu、
Sau3Aである。
【0055】図6はボルデテラ・ペルツシス1053
6、989−56、191−134および890−39
3株のTOXおよびFHA遺伝子座に存在する遺伝子の
模式図およびサザーンブロット分析の結果を示す。La
ne 1は親株の野生型(wt)10536株;Lan
e 2はTOX * コピー1個を有する989−56株;
Lane 3はTOX遺伝子座にTOX * の縦列コピー
を有する191−134株;Lane 4はTOX遺伝
子座に1個およびFHA遺伝子座に縦列コピー、計3個
TOX * を有する890−393株である。DNAは
BglIIおよびClaIで消化し、完全なTOXオペ
ロンを有するTOX特異性DNAフラグメントで実証し
た。野生型のパターンに重なるように新しいTOX特異
性ハイブリッドフラグメントがみられることから、さら
TOXオペロンが集積していることが判る。制限分解
部位は、Bg、BglII;C,ClaI;およびR、E
coRIである。
【0056】図7は、10リットルのバイオリアクタ−
を用いた場合の10536株(wt)および890−3
93株(3 TOX * )によるPTおよびPT類縁体の
発現速度を示す。
【0057】図8は、989−56株(TOX * )およ
び890−393株(3 TOX *)の培地上清から精
製したペルツシス毒素類縁体(S1Lys9Gly12
9)が構造的に異なることを示す逆相HPLCおよびS
DS−PAGEによる分析結果の比較を示す。
【0058】図9は、10リットルの培養槽で培養した
場合の10536株のPT発現に及ぼすヘプタキス
(2,6−o−ジメチル)β−シクロデキストリンの影
響を示す。図10は、10リットルの培養槽で培養した
場合の1190−74(2 TOX)株に及ぼすβ−シ
クロデキストリンの影響を示す。
【0059】図11は、PRN遺伝子座およびFHAp
PRNハイブリッド遺伝子の模式図およびボルデテラ・
ペルツシス10536、1090−108−3、591
−473および1091−297株のサザ−ンブロット
分析の結果を示す。Lane1および3はそれぞれDd
e IおよびSalIで消化した野生型親株の1053
6株;Lane 2および5はDdeIおよびSalI
で消化したFHApPRN遺伝子の1個のコピーを含む
591−473株;Lane 4はSalIで消化した
S12/TetRカセットを含む1090−108−3
株;Lane 6はSalIで消化したFHApPRN
ハイブリッド遺伝子のコピーを2個含む1091−29
7株である。制限分解DNAは完全なPRN遺伝子を含
むPRN特異性DNAフラグメントで実証した。野生型
のパターンに重なるように新しいPRN特異性ハイブリ
ッドフラグメントがみられることから、FHApPRN
ハイブリッド遺伝子が集積していることが判る。制限分
解部位は、A、Apa I;C、ClaI;D、Dde;お
よびS、SalIである。
【0060】図12は、10リットルのバイオリアクタ
−を用いた場合のボルデテラ・ペルツシス1091−1
07株の抗原発現速度を示す。1091−107株は
OX遺伝子座に集積した2個の野生型TOXオペロンと
PRN遺伝子座に集積した1個のFHApPRNハイブ
リッド遺伝子のコピーを含む。図13は、10リットル
のバイオリアクタ−を用いた場合のボルデテラ・ペルツ
シス1091−359株の抗原発現速度を示す。109
1−359株はTOX遺伝子座にLys9Gly129
PT類縁体をコード化している2個のTOXオペロン
コピーとPRN遺伝子座に集積しているFHApPRN
ハイブリッド遺伝子1個のコピーを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【図1】コピー数の異なる菌株の創製に使用したプラス
ミッドの構築過程を示す図である。
【図2】pGZ71およびS−3741−2の構築過程
を示す図である。
【図3】S−3822−10およびS−4000−5の
構築過程を示す図である。
【図4】pRY46−10の構築過程を示す図である。
【図5】S−4258−7の構築過程を示す図である。
【図6】複数TOXコピーを有する株のサザ−ンブロッ
ト分析の結果を示す図である。
【図7】PTの過剰生産速度を示すグラフである。
【図8】TOX単一コピーおよびコピー数3の株により
生産されたLys9Gly129の逆相HPLCおよび
SDS−PAGEによる分析結果の比較を示す図であ
る。
【図9】ボルデテラ・ペルツシス10536(wt)株
によるPT生産に及ぼすβ−シクロデキストリンの影響
を示すグラフである。
【図10】ボルデテラ・ペルツシス1190−74(2
TOX wtFHA+)株の抗原生産に及ぼすシクロ
デキストリンの影響を示すグラフである。
【図11】複数PRN遺伝子を有する菌株のサザーンブ
ロット分析を示す図である。
【図12】ボルデテラ・ペルツシス1091−107
(2TOXwt FHApPRN)株の抗原生産速度を
示すグラフである。
【図13】ボルデテラ・ペルツシス1091−359
(2TOXLys9Gly129FHApPRN)株の
抗原生産速度を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C12R 1:01) (72)発明者 ガヴィン ズィーリー カナダ国 エル4ジェイ 6エイチ7 オ ンタリオ州 ソーンヒル チャールトン アヴェニュー 348 (72)発明者 レイザー ヤコーブ カナダ国 エル5エイ 2エス1 オンタ リオ州 ミシソーガ オールド フィーサ ント ロード 2354 (72)発明者 マイケル クライン カナダ国 エム2ピー 1ビー9 オンタ リオ州 ウィロウダール マンロー ブー ルヴァード 16

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゲノムからFHA遺伝子が欠失してお
    り、かつ遺伝子的に無毒化された変異TOX*遺伝子を
    有することを特徴とする遺伝子的に改変されたボルデテ
    ラ菌株。
  2. 【請求項2】 前記遺伝子的に無毒化された変異TOX
    *遺伝子が、ペルツシス毒素のS1サブユニットにおい
    てGlu129→Gly129及びArg9→Lys9
    の変異を有するペルツシス毒素アナログをコ−ドしてい
    る請求項1に記載のボルデテラ菌株。
  3. 【請求項3】 ボルデテラ・ペルツシス 490−32
    4株である請求項1に記載のボルデテラ菌株。
  4. 【請求項4】 FHAプロモーターによって制御される
    PRN構造遺伝子を有するハイブリッド遺伝子のコピー
    を1つ有することを特徴とするボルデテラ・ペルツシス
    591−473株(ATCC 55321)。
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