JPH08509619A

JPH08509619A - 多酵素及びｃｍｐ−シアル酸再生系を使用するオリゴ糖のワンポット合成

Info

Publication number: JPH08509619A
Application number: JP6524667A
Authority: JP
Inventors: チヒューイウォン; フェデリコシーエイガエイタ
Original assignee: Scripps Research Institute
Current assignee: Scripps Research Institute
Priority date: 1993-05-04
Filing date: 1994-05-04
Publication date: 1996-10-15
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: WO1994025614A1; EP0698112A4; DE69430241D1; US5374541A; ATE215127T1; EP0698112A1; JP3759603B2; EP0698112B1; AU6827694A

Abstract

(57)【要約】シアリル化ガラクトシドの合成のための単一反応容器方法が開示される。その合成はガラクトース含有基質とアクセプターの反応を触媒作用するβ−ガラクトシダーゼを使用して新規なガラクトシルグリコシドを生成し、次いでサイクルの多酵素合成系を使用してそれをシアリル化してCMP-シアル酸を生成し、これがα−シアリルトランスフェラーゼの存在下で生成されたガラクトシルグリコシドをシアリル化する。α−シアリルトランスフェラーゼの基質としての生成されたガラクトシルグリコシドに関するＫ_m／Ｖ_maxの値は、α−シアリルトランスフェラーゼのガラクトース含有基質に関するＫ_m／Ｖ_max値の1/3未満である。

Description

【発明の詳細な説明】多酵素及びCMP-シアル酸再生系を使用するオリゴ糖のワンポット合成技術分野本発明は、シアリル化グリコシドの合成、特に、連結されたサイクル反応におけるβ−ガラクトシダーゼ及びシアリルトランスフエラーゼを含む多酵素を使用するこのような物質のワンポット合成に関する。背景技術シアリルオリゴ糖はセレクチン類のリガンド［（a）Phillipsら，Science，25 0:1130（1990）；（b）Loweら，Cell，63:475（1990）；（c）Lasky，Science， 258:964（1992）］として、また種々の細胞の表面における重要な認識要素［Mag naniら，Cancer Res.，46:5489（1983）］としてのそれらの機能のために次第に重要になってきている。これらの化合物の合成の酵素的アプローチ、特に、糖ヌクレオチドのin situ再生と対にされたグリコシルトランスフェラーゼに基く酵素的アプローチは有益であることが判明した［（a）Ishikawaら，Anal.Biochem. ，202:215（1992）；（b）Tooneら，Tetrahedron，45:5365（1989）；（c）Davi dら，Adv.Carbohydr.Chem.Biochem.，49:175（1991）］。Wongら，J.Org.Chem. ，47:5416（1982）；Wongら，J.Org.Chem.，57:4343（1992）；Augeら，Carbohy dr.Res.，151:147（1986）；Thiemら，Angew.Chem.Int.Ed.Engl.，30:1164（199 1）；Thiemら，Synthesis，141（1992）；Ichikawaら，J.Am.Chem.Soc.，113:47 68（1991）；Ichikawaら，J.Am.Chem.Soc.，113:6300（1991）；Ichikawaら，J. Am.Chem.Soc.，114:9283（1992）を参照のこと。ガラクトシルトランスフェラーゼ及びシアリルトランスフェラーゼを使用することにより、例えば、シアリルＮ −アセチルラクトサミンが適度の収率で得られた。Ichikawaら，J.Am.Chem.Soc. ，113:6300（1991）を参照のこと。また、グリコシダーゼがグリコシル化に使用されていた。しかしながら、収率が比較的低く、かつ位置選択性がしばしば調節し難い［（a）Nilssonら，TIBTEC H，6:256（1988）；（b）Kobayashiら，J.Am.Chem.Soc.，113:3079（1991）；（ c）Chaplinら，J.Am.Chem.Soc.PerkinTrans.，1:235（1992）；（d）Lookら，Te trahedron Lett.，33:4253（1992）；（e）Sakaiら，J.Carbohyd.Chem.，11:553 （1992）；（f）Vanderkerckhoveら，Glycobiology，2:541（（1992）；（g）Ki tahataら，Agric.Biol.Chem.，55:2433（1991）］が、或る種のグリコシダーゼが位置選択性トランスグリコシル化を触媒作用する。Sakaiら，J.Carbohyd.Chem .，11:553（1992）；Vanderkerckhoveら，Glycobiology，2:541（（1992）を参照のこと。グリコシダーゼの使用による別の問題は、その反応の生成物が酵素的開裂を受けて、その方法を調節し難くすることである。こうして、グリコシル転移反応の生成物それ自体がその酵素の基質であり、開裂される。例えば、Nilsson，Carbohyd.Res.，188:9-17（1989）は、トランスグリコシル化においてβ−ガラクトシダーゼを使用してわずかに約10-35％の収率を報告した。このようなトランスグリコシル化によりつくられた幾つかの単離生成物はまたCMP-Neu5Ac及びα（2,3）シアリルトランスフェラーゼを使用して別々にシアル酸化された。要約シアリルα（2→3/6）β−ガラクトシドの生成方法がこうして意図されている。その方法は、単一容器中で下記の成分を混合して反応混合物を生成する工程：（ｉ）触媒量のβ−ガラクトシダーゼ；（ii）触媒量のα（2,3/6）シアリルトランスフェラーゼ；（iii） β−ガラクトシダーゼのβ−ガラクトース含有ドナー基質；（iv）β−ガラクトシダーゼのアクセプター基質；（ｖ）シアル酸；（vi）シアル酸各１モル当たり少なくとも２モルのホスホエノールピルベート、並びに触媒量のATP、ミオキナーゼ、ピルベートキナーゼ、無機ピロホスファターゼ、CMP-シアル酸シンセターゼ及びα（2,3/6）シアリルトランスフェラーゼを含むCMP-シアル酸再生系；及び（vii）前記酵素のための酵素上充分な量の金属イオンコファクターを含み、かつ約６〜約８のpH値を有する水性緩衝液、その反応混合物を、ガラクトース含有ドナー基質とアクセプター基質のβ−ガラクトシダーゼ触媒反応により生成されるβ−ガラクトシルグリコシドがシアリル化されるのに充分な期間にわたって約０℃〜約45℃の温度に保つ工程を含む。生成されたガラクトシルグリコシドは、シアリルトランスフェラーゼの β−ガラクトース含有ドナー基質のＫ_m／Ｖ_max値の1/3未満であるシアリルトランスフェラーゼの基質としてのＫ_m／Ｖ_max値を有する。オリゴ糖は、還元末端にある糖が実際に還元糖であるか、否かを問わないで、還元末端及び非還元末端を有するものと考えられる。容認された命名法に従って、オリゴ糖は左に非還元末端、そして右に還元末端でもって本明細書に示される。本明細書に記載された全てのオリゴ糖は、こうして、非還元糖の名称又は略号（例えば、Gal）、続いてグリコシド結合の配置（α又はβ）、環結合（１又は２）、その結合に関与する還元糖の環位置（２、３、４、６又は８）、そして次に還元糖の名称又は略号（例えば、GlcNAc）により記載される。グリコシド連鎖の結合位置が、夫々の環位置を分離する矢印により示される。夫々の糖単位はピラノースである。略号 Gal ＝ガラクトシル； GalNAc＝Ｎ−アセチルガラクト； Glc ＝グルコシル； GlcNAc＝Ｎ−アセチルグルコ； Lac ＝ラクトース； LacNAc＝Ｎ−アセチルラクトサミン； Man ＝マンノース； ManNAc＝Ｎ−アセチルマンノサミン；そして Neu5Ac＝シアリル（Ｎ−５アセチルノイラミニル）図面の簡単な説明本発明の一部を形成する図面において、図１は本発明において使用された対の反応のスキーム１としての図を示す。図２は本発明において使用された特別に対にされた反応のスキーム２としての図を示す。図３は本発明において使用されたその他の特別に対にされた反応のスキーム３としての図を示す。発明の詳細な説明一つの反応容器中で均一の溶液中でグリコシダーゼ、続いてグリコシルトランスフェラーゼを使用する二つのグリコシド結合の逐次形成は、最早グリコシダーゼの基質ではないオリゴ糖を提供し、グリコシル転移のためのグリコシダーゼの使用に関連する問題を解消することが考えられた。以下に記載されるこのような方法を使用して、細胞付着リガンド、例えば、シアリルLe^x及びシアリルLe^aの三糖前駆体、並びにこのような前駆体の類縁体を調製することができる。例示の三糖前駆体は化合物５（シアリルLe^x）、化合物６（シアリルLe^a）及び化合物７（類縁体）として以下に示される。適当なブロッキング後の公知の酵素的合成手段又は化学的合成手段によるフコシル化はシアル酸化ルイスリガンド及び相当するリガンドを与える。以下の説明は、スキーム１（図１）に一般に示されるようなCMP-シアル酸（CM P-Neu5Ac）のin situ再生と対にされたβ−ガラクトシダーゼ及びα−シアリル −トランスフェラーゼに基くα（2,6）-及びα（2,3）シアリルガラクトシルβ −ガラクトシドの合成によるその概念を示す。こうして、スキーム１（図１）に示された全般の反応順序に従って、β−ガラクトース含有ドナー基質及びアクセプター基質がβ−ガラクトシダーゼの存在下で反応させられてそのアクセプターを含む新規なβ−ガラクトシルグリコシドを生成する。また、加水分解産物がドナーのガラクトシル結合開裂により生成される。こうして生成されたβ−ガラクトシルグリコシドがα−シアリルトランスフェラーゼの存在下でCMP-シアル酸と反応してα−シアル酸化-β−ガラクトシルグリコシド生成物及びCMPを生成する。CMPはCMP-Neu5Ac循環酵素を使用して循環されてβ−ガラクトシルグリコシドの多くと反応し得るCMP-シアル酸を再生する。特定の反応順序がスキーム２（図２）に示される。化合物１又は２のフコシル化がELAM-1又はGMP 140レセプターを含む細胞への細胞間の付着を抑制するシアリルLe^xの類縁体を与える。また、アクセプター基質としてGlcNAcに代えてGlcNAcβ0 アリルを使用して同様に調製されたシアル酸化化合物２だけでなく、アクセプター基質としてGlcNAc に代えて（5-チオGlc）及び（2-N₃）Glcを使用してβ（1,4）ガラクトシダーゼにより調製された化合物３及び化合物４が以下に説明される。化合物３はその反応においてシアル酸化されず、また化合物４はシアル酸化されたが、不十分であった。スキーム２（図２）に続くスキーム３（図３）は、再度ガラクトシルアクセプターとしてGlcNAcβ0 アリル（化合物８）を使用してGal α1→4GlcNAc β0 アリル、化合物９を生成する。次いで化合物９はα（2,3）シアリルトランスフェラーゼを使用して同様にシアル酸化されて化合物10、Neu5Acα2→3Galβ1→4Glc NAc β0 アリルを生成した。 β−ガラクトシダーゼ（0.02セント／単位）により触媒作用されるスキーム２（図２）中のLacNAcの合成は安価なラクトース及びGlcNAcで開始し、しかもその方法は高価なβ（1,4）-ガラクトシルトランスフェラーゼ（13ドル／単位）を必要としない。β−ガラクトシダーゼ反応は可逆性であるが、生成されたLacNAcはシアリルトランスフェラーゼで不可逆にシアリル化される。何となれば、シアリル化糖は最早LacNAcのようなβ−ガラクトシダーゼの基質ではないからである。スキーム３（図３）の化合物10のフコシル化は、ELAM 1レセプターを含む活性化内皮細胞及びシアリルルイスＸを発現する細胞、例えば、好中球のような細胞により細胞間の結合を抑制するシアリルルイスＸ類縁体を与える。 B.方法意図される方法は単一反応容器中で行われ、このような方法はしばしば当業界で“ワンポット”方法と称される。このようなものとして、酵素、及び出発薬品を含む全ての試薬が実質的に同時に、かつ単一反応媒体中で一緒に混合される。こうして、シアリルα（2→3/6）β−ガラクトシドの生成方法が意図される。その方法は、単一容器中で下記の成分を混合して反応混合物を生成する工程：（ｉ）触媒量のβ−ガラクトシダーゼ；（ii）触媒量のα（2,3/6）シアリルトランスフェラーゼ；（iii） β−ガラクトシダーゼのβ−ガラクトース含有ドナー基質；（iv）β−ガラクトシダーゼのアクセプター基質；（ｖ）シアル酸；（vi）シアル酸各１モル当たり少なくとも２モルのホスホエノールピルベート、並びに触媒量のATP、ミオキナーゼ、ピルベートキナーゼ、無機ピロホスファターゼ、CMP-シアル酸シンセターゼを含むCMP-シアル酸再生系；及び（vii）前記酵素のための酵素上充分な量の金属イオンコファクターを含み、かつ約６〜約８のpH値を有する水性緩衝液、その反応混合物を、ガラクトース含有ドナー基質と前記アクセプター基質のβ −ガラクトシダーゼ触媒反応により生成されるβ−ガラクトシルグリコシドがシアリル化されるのに充分な期間にわたって約０℃〜約45℃の温度に保つ工程を含む。生成されたガラクトシルグリコシドは、シアリルトランスフェラーゼのβ− ガラクトース含有ドナー基質のＫ_m／Ｖ_max値の1/3未満であるシアリルトランスフェラーゼの基質としてのＫ_m／Ｖ_max値を有する。Ｋ_mはモル／リットルの単位のミカエリス定数である。Ｖ_maxは一定濃度の酵素における反応速度であり、酵素単位／mgの単位であり、１酵素単位は最適条件下で毎分基質１μモルの変換を触媒作用する酵素の量である。Ｋ_m／Ｖ_maxの値はラインウェーバー−ブークプロットから得られた直線の傾きである。 α−シアリルトランスフェラーゼは、本発明で使用される３種の主酵素の一つである。この酵素はシアル酸をGalに転移し、２種の糖の間にα−連鎖を形成する。糖の間の結合（連鎖）はNeu5Acの２位とGalの３位又は６位の間である。それ故、α−シアリルトランスフェラーゼは、時折、α（2,3/6）シアリルトランスフェラーゼ又はガラクトシルα（2,3/6）シアリルトランスフェラーゼと一般に称されて、両方の型の酵素が使用し得ること及びシアリル基が転移される部分を示す。例示のα−シアリルトランスフェラーゼはα（2,3）シアリルトランスフェラーゼ（EC 2.4.99.6）と称され、シアル酸をGal β1→3GlcNAc又はGalβ1→4GlcN AcグリコシドのGalに転移する［Wenら，J.Biol.Chem.，267:21011（1992）］。この酵素は糖タンパク質中のアスパラギン連鎖オリゴ糖のシアリル化を担うと考えられ、ラットの肝臓から単離し得る［Weinsteinら，J.Biol.Chem.，257:13845 （1982）］。別の例示のα-2,3- ジアリルトランスフェラーゼ（EC 2.4.99.4）は、シアル酸をGal β1→3GalNAcグリコシドのGalに転移する［Gillespieら，J. Biol.Chem，267:21004（1992）］。この酵素は糖タンパク質中のセリン又はスレオニン連鎖オリゴ糖のシアリル化を担うと考えられ、ブタの下あご腺から単離し得る［Rearickら，J.Biol.Chem.，254:4444（1979）］。ここで例示的に使用され、α（2,6）シアリルトランスフェラーゼ（EC 2.4.99.1）と称されるウシの初乳から最初に単離された酵素は、シアル酸をGal β1→4GlcNAc（LacNAc）の６位に転移する［Beyerら，Adv.Enzymol.，52:23-175（1981）］。同様の特異性並びにわずかに異なるＫ_m値及びＶ_max値を有する酵素がまたWeinsteinらによりラットの肝臓から単離された（上記文献を参照のこと）。 CMP-シアル酸シンセターゼは、以下に詳細に説明されるCMP-シアル酸再生系中で使用される酵素である。例えば、CMP-シアル酸シンセターゼは、当業界で公知の操作によりそのシンセターゼ酵素を含む細胞及び組織から単離、精製し得る［例えば、Grossら，Eur.J.Biochem.，168:595（1987）；Vijayら，J.Biol.Chem. ，250（1）:164（1975）；Zapataら，J.Biol.Chem.，264（25）:14769（1989）及びHigaら，J.Biol.Chem.，260（15）:8838（1985）を参照のこと］。また、この酵素の遺伝子が配列決定されていた［Vannら，J.Biol.Chem.，262:17556（198 7）を参照のこと］。また、ShamesらはCMP-Neu5Acのグラム規模の合成に使用するためのその遺伝子の過剰発現を最近報告した［Glycobiology，1:187（1991）を参照のこと］。また、この酵素は市販されている。意図されるβ−ガラクトシダーゼはガラクトシドの非還元末端からβ一結合Ga l単位を開裂し、そして新規なβ（1→3）-もしくはβ（1→4）-又はβ（1→6）ガラクトシドを生成することができる。β（1→3）-β（1→4）結合の形成が好ましく、そして好ましい酵素がβ（1→3/4）ガラクトシダーゼとしばしば称される。例示のβ（1→4）ガラクトシダーゼは、バチルス・サーキュランス（Bacillus circulans）により産生されたガラクトシダーゼ（EC 3.2.1.23）［Sakaiら，J. Carbohyd.Chem.，11:553（1992）］である。本発明で例示的に使用されるこの酵素はラクトース中のグリコシジル結合を開裂し、そしてGlcNAcの存在下で使用されてGal β（1→4）GlcNAc（LacNAc）を生成し得る。このβ−ガラクトシダーゼがβ（1→4）結合の形成におけるその高い位置選択性のために特に好ましい。別の例示β−ガラクトシダーゼはウシの睾丸からのβ（1→3）ガラクトシダーゼである。この酵素はアクセプターとしてGlcNAcβ-OMeを使用してβ（1→3）結合形成に高い位置選択性を与えることができる［Nilsson，Carbohydr.Res.，188 :917（1989）］。 E.coliのβ−ガラクトシダーゼは殆ど専らGal β（1→6）GlcNAcを生成する。それ故、この酵素の使用は本発明では好ましくない。 β−ガラクトシダーゼのβ−ガラクトース含有ドナー基質は本発明で使用される反応体の一つである。この物質は、ここで例示的に使用されるようなグルコースの如き別の糖のような脱離基、又はｐ−ニトロフェニル基にβ−結合されたガラクトシル糖単位を含む。本発明の方法の特別な利点の一つは、それが比較的安価な前駆体、例えば、ラクトース及びβ−ガラクトシダーゼを使用して、ここではLacNAcの如き更にコストのかかるβ−ガラクトシルガラクトシド（これはそれ自体シアリル化されて生成物を生成する）を調製し得ることである。こうして、ラクトースは特に好ましいガラクトース含有ドナー基質である。 β−ガラクトシダーゼのアクセプター基質は、この方法の別の反応体である。また、このアクセプターは、解糖ではなくトランスグリコシル化に使用される場合にβ−ガラクトシダーゼの基質であり、それ故、本発明において例示的に使用されるGalNAcのように使用されるβ−ガラクトシダーゼに適した３位、４位又は６位にヒドロキシル基を含む必要がある。この方法の使用において顕著な点は、β−ガラクトース含有ドナー基質とアクセプター基質に関するβ−ガラクトシド反応により生成されるβ−ガラクトシルグリコシドに関するＫ_m／Ｖ_maxの値が、α−シアリルトランスフェラーゼにより触媒作用されるシアリル化反応に関するβ−ガラクトース含有ドナーのＫ_m／Ｖ_m _ax 値の1/3未満、好ましくは約1/10未満、更に好ましくは約1/50未満、最も好ましくは約1/100未満であることである。こうして、β−ガラクトース含有ドナー基質及び生成されたガラクトシルグリコシドの両方が同時に同じ容器中に存在し、また前者が通常高濃度で存在するので、その前者のドナー基質がその反応生成物に優先してシアリル化され得る。適当なドナー基質及びアクセプター基質並びにそれらの濃度の選択は、適当なα−シアリル化酵素の選択と対にされて、所望のシアリル化生成物が調製されることを確実にすることを助ける。幾つかのガラクトシルグリコシドに関するＫ_m及びＶ_maxの値が公表された文献で入手でき、また公知の酵素技術を使用して得られる。幾つかのドナー／ガラクトシルグリコシドに関する例示の値が下記の表１にリストされ、そのデータがBe yerら，Adv.Enzymol.，52:23-175（1981）及びWeinsteinら，J.Biol.Chem.，257 :13845（1982）から引用され、この場合、両方の型のガラクトシドがα−シアリルトランスフェラーゼの“アクセプター”と称される。上記データ又は同様のデータに留意して、Gal β1→4GlcNAc及びα（2,6）シアリルトランスフェラーゼ（EC 2.4.99.1）と一緒にドナーとしてのラクトース（Gal β1→4Glc）の例示の使用は、約30倍より大きく異なるＫ_m／Ｖ_maxの値を有する反応体及び中間体ガラクトシルグリコシドを与えることがわかる。同様に、ドナーとしての容易に入手し得るラクト-N-テトラオースはアクセプターとしてのGalNAc、ウシの睾丸のβ−ガラクトシダーゼ及びα（2,3）シアリルトランスフェラーゼ（EC 2.4.99.4）と一緒に使用されてガラクトシルグリコシドとしてGal β1→3GalNAcを生成し、これがシアリル化されてNeu5Acα2→3GalβGalNA c（化合物７）を生成する。同様に、ラクトースはウシの睾丸のβ−ガラクトシダーゼ及びアクセプターとしてのGlcNAc、α（2,3）シアリルトランスフェラーゼ（EC 2.4.99.4）と一緒にドナーとして使用されてGal β1→3GlcNAcそして次にNeu5Acα2→3Galβ1→3GalNAc（化合物６）を生成する。また、ラクトース及びGlcNAcは、Gal β1→3/4GlcNAc基を含む基質のシアリル化に優位を示すα（2,3）シアリルトランスフェラーゼ（EC 2.4.99.6）及び上記 β−ガラクトシダーゼ酵素のいずれかと一緒にドナー及びアクセプターとして使用し得る。こうして、ラクトース、GlcNAc及びEC2.4.99.6と一緒にB.サーキュランス β−ガラクトシダーゼの使用は、Neu5Acα2→3Galβ1→4GlcNAc（化合物５）を与える。特別なβ−ガラクトシダーゼに有益なガラクトース含有基質はα−シアリルトランスフェラーゼにより結合されなくてもよく、また非常に不十分に結合されてもよく、また結合されたとしても、シアリル化されなくてもよく、又は非常に遅くシアリル化されてもよいことが理解されるべきである。その化合物及び生成されたグリコシルグリコシドのＫ_m／Ｖ_max値は殆ど無限の差を示し得る。また、シアル酸（Neu5Ac、そしてまた時々略号AcNeu、NeuAc又はNANAと称される）が必要とされる。前記のように、スキーム１（図１）のシアリルドナーを再生するためのシアル酸の使用は、所望のシアリル化生成物をつくることに向かってトランスシアリダーゼ触媒平衡反応を誘導する。意図されるシアル酸はシアル酸それ自体（５−Ｎ−アセチルアミノ−３，５− ジデオキシ−Ｄ−グリセロ−Ｄ−ガラクト−２−ノヌロソン酸；Neu5Ac）を含むだけでなく、９−置換シアル酸、例えば、９−Ｏ−ラクチル-Neu5Ac又は９−Ｏ −アセチル−Neu5Acのような９−Ｏ−C₁-C₆アシル-Neu5Ac、９−デオキシ−９− フルオロ−Neu5Ac及び９−アジド−９−デオキシ-Neu5Acを含む。その他の位置における変化を有するシアル酸類縁体の使用は、本発明において使用される一種以上の酵素の活性を損なう。シアリル化操作におけるこれらの化合物の合成及び使用が1992年10月１日に公表された国際特許出願WO 92/16640に開示されている。 CMP-シアル酸循環系は前記CMP-シアル酸シンセターゼを使用する。スキーム２（図２）に示されるように、CMP-シアル酸（CMP-Neu5Acとしてそのスキームに示される）はα（2,6）シアリルトランスフェラーゼ（α（2,6）シアリルトランスフェラーゼとしてそのスキームに示される）の存在下で生成されたガラクトシルグリコシド（Gal β1→4GlcNAcとしてそのスキームに示される）と反応してシアリル化生成物を生成する。CMP-シアル酸のこの再生及び使用が、所望のシアリル化生成物、例えば、化合物１の完全な生成に向けてガラクトシルグリコシドの変換を誘導する。同様のCMP-シアル酸循環系がスキーム３（図３）に示される。本発明の方法に使用されるCMP-シアル酸再生系は、シチジンモノホスフェート（CMP）、ヌクレオシドトリホスフェート、ホスフェートドナー、ホスフェートをホスフェートドナーからヌクレオシドジホスフェートに転移できるキナーゼ及び末端ホスフェートをヌクレオシドトリホスフェートからCMPに転移できるヌクレオシドモノホスフェートキナーゼを含む。 CMP-シアル酸再生系による使用に適したヌクレオシドトリホスフェートは、アデノシントリホスフェート（ATP）、シチジントリホスフェート（CTP）、ウリジントリホスフェート（UTP）、グアノシントリホスフェート（GTP）、イノシントリホスフェート（ITP）及びチミジントリホスフェート（TTP）である。好ましいヌクレオシドトリホスフェートはATPである。ヌクレオシドモノホスフェートキナーゼは、ヌクレオシドモノホスフェートのホスホリル化を触媒作用する酵素である。本発明のCMP-シアル酸再生系により使用されるヌクレオシドモノホスフェートキナーゼ（NMK）又はミオキナーゼ（MK ；EC 2.7.4.3）は、CMPのホスホリル化を触媒作用するのに使用される。NMK類は市販されている（シグマ・ケミカル社、セントルイス、MO；ベーリンガー・マンハイム、インジアナポリス、IN）。ホスフェートドナー及びそのホスフェートドナーから活性化ヌクレオシドへのホスフェートの転移を触媒作用する触媒量のキナーゼがまたCMP-シアル酸再生系の一部である。再生系のホスフェートドナーはホスホリル化化合物であり、そのホスフェート基はヌクレオシドホスフェートをホスホリル化するのに使用し得る。ホスフェートドナーの選択に関する唯一の制限は、ホスフェートドナーのホスホリル化形態又は脱ホスホリル化形態のいずれもがシアリル化ガラクトシルグリコシドの生成に関与する反応のいずれをも実質的に妨害し得ないことである。好ましいホスフェートドナーはホスホエノールピルベート（PEP）及びアセチルホスフェートである。特に好ましいホスフェートドナーはPEPである。本発明による使用に関する特別なキナーゼの選択は、使用されるホスフェートドナーに依存する。アセチルホスフェートがホスフェートドナーとして使用される場合、そのキナーゼはアセチルキナーゼである。PEPがホスフェートドナーとして使用される場合、そのキナーゼはピルベートキナーゼ（PK；EC 2.7.1.40）である。その他のキナーゼが、当業者に公知であるようにその他のホスフェートドナーと一緒に使用し得る。キナーゼは市販されている（シグマ・ケミカル社、セントルイス、MO；ベーリンガー・マンハイム、インジアナポリス、IN）。このグルコシル化方法の自己に含まれ、かつサイクルの特徴のために、全ての反応体及び酵素が一旦存在すると、その反応は、化学量論量の基質（例えば、遊離Neu5Ac及びPEP）の最初のものが消費されるまで続く。こうして、シアリル化の例において、CMPがCDPに変換され、その変換が添加AT Pの存在下でヌクレオシドモノホスフェートキナーゼにより触媒作用される。ATP は添加ホスホエノールピルベート（PEP）の存在下でピルベートキナーゼ（PK）によりその副生物、ADPから触媒により再生される。CDPは更にCTPに変換され、その変換がPEPの存在下でPKにより触媒作用される。CTPはシアル酸と反応して無機ピロホスフェート（PPi）及びCMP-シアル酸を生成し、後の反応がCMP-シアル酸シンセターゼにより触媒作用される。ガラクトシルグリコシドのシアリル化後に、放出されたCMPが再生系に再度入ってCDP、CTP及びCMP-シアル酸を再生する。生成されたPPiは以下に説明されるように脱除され、そして副生物として無機ホスフェート（Pi）を生成する。また、ピルベートが副生物である。また、副生物ピルベートが別の反応に使用でき、その反応でＮ−アセチルマンノサミン（ManNAc）及びピルベートがNeuAcアルドラーゼ（EC 4.1.3.3）の存在下で反応させられてシアル酸を生成する。こうして、シアル酸がManNAc及び触媒量のNeuAcアルドラーゼにより置換し得る。また、NeuAcアルドラーゼは可逆反応（NeuAcからManNAc及びピルベートへ）を触媒作用するが、生成されたNeuAcは放出された無機ピロホスフェートの無機ピロホスファターゼ（PPase）触媒分解と対にされたCMP-シアル酸シンセターゼにより触媒作用されたCMP-NeuAcにより反応サイクルに不可逆的にとり込まれる。シアル酸及びその９−置換誘導体のこの酵素的合成及び異なるシアリル化反応スキームにおける得られるシアル酸の使用が、1992年10月１日に公表された国際特許出願WO 92/16640に開示されている。本明細書に使用される“ピロホスフェート脱除剤”という用語は、本発明の反応混合物から無機ピロホスフェートを除去するのに利用できる物質を表す。無機ピロホスフェート（PPi）はCMP-Neu5Acの調製の副生物である。生成されたPPiは、グリコシル化が減少されるようにその他の酵素を抑制するためにフィードバックし得る。しかしながら、PPiは酵素により分解され、又はP Pi結合物質による隔絶の如き物理的手段により分解し得る。PPiは無機ピロホスファターゼ（PPase；EC 3.6.1.1）、市販のPPi異化酵素（シグマ・ケミカル社、セントルイス、MO；ベーリンガー・マンハイム、インジアナポリス、IN）を使用する加水分解により除去され、そしてその酵素又は同様の酵素がピロホスフェート脱除剤として利用できる。 CMP-シアル酸再生系の使用は予備生成されたCMP-シアル酸の使用よりも少なくとも二つの利点を与える。第一に、CMP-シアル酸は比較的調製し難い高価な試薬である。第二に、CMP-シアル酸は、ここで使用されるような水性緩衝液中でわずかに２、３時間の半減期を有する。その結果として、多量のその試薬が使用されることが必要とされ、そしてその後でさえも、CMP-シアル酸が反応中に１回より多く反応混合物に添加されることをしばしば必要とする。また、前記α（2,3/6）シアリルトランスフェラーゼはCMP-シアル酸循環系中に形式上含まれていてもよい。しかしながら、その酵素は既に説明されているので、それはここでは含まれない。この方法に使用される種々の反応体の濃度又は量は、反応条件、例えば、温度及びpH値、並びにドナー又はアクセプター糖の選択及び量を含む多数の因子に依存する。しかしながら、ドナー濃度は、Ｋ_m／Ｖ_max値の差がドナー濃度により圧倒されない程大きくない限り、ドナー及びアクセプターの相対量が重要ではないことが明らかである。α−シアリルトランスフェラーゼにつきドナー及びガラクトシルグリコシドに関するＫ_m／Ｖ_max値の差が大きい程、ドナー基質の濃度が大きいことがある。この方法は活性化ヌクレオチド、活性化ドナーNeu5Acの再生及び触媒量の酵素の存在下で生成されたPPiの脱除を可能にするので、その方法は前記化学量論量の基質の濃度又は量により制限される。本発明の方法に従って使用し得る反応体の濃度の上限は、このような反応体の溶解性により決められる。活性化ヌクレオチド、ホスフェートドナー、アクセプター糖及び酵素の濃度は、シアル酸が消費されるまでその方法が進行するように選択されることが好ましい。例えば、シアル酸の濃度が約20mMである場合、その他の非酵素反応体の好ましい濃度はβ−ガラクトース含有ドナー基質につき約250mM、アクセプター基質につき約600mM、CMPにつき約２mM、ヌクレオシドトリホスフェート（ATP）につき約0.2mM、そしてホスフェートドナー（PEP）につき約40mMである。こうして、３種の糖（シアル酸：ドナー基質：アクセプター基質）アクセプターの濃度の比は約20:250:600である。CMPはシアル酸の約1/10の量で存在し、またATPはCMPの量の約1/10で存在する。ホスフェートドナーはシアル酸の濃度の少なくとも約２倍で存在する。ホスフェートドナーがシアル酸の濃度の少なくとも２倍で存在する限り、シアル酸は化学量論量の制限を与える。それ以外に、相対濃度は前記のように重要ではないことが明らかである。シアル酸がＮ−アセチルマンノサミンからin situで調製される場合、前記のように、シアル酸の相対量は使用されるＮ −アセチルマンノサミンを基準とし得る。夫々の酵素は触媒量で存在する。本明細書に使用される“触媒量”という用語は、生成物へのその酵素の基質の変換を、非速度制限様式で、触媒作用するのに少なくとも充分な酵素の量を意味する。特別な酵素の触媒量は、その酵素の基質の濃度だけでなく、反応条件、例えば、温度、時間及びpH値に応じて変化する。前もって選択された基質濃度及び反応条件のもとに所定の酵素の触媒量を決める手段は、当業者に公知である。 CMP及びCTPだけでなく、シアル酸及びCMP-シアル酸が意図される方法において循環されることが思い出されるべきである。その事実の結果として、反応を前記のようにCMP及びCTPのいずれか、又は両方、並びにシアル酸及びCMP-シアル酸のいずれか、又は両方、並びにＮ−アセチルマンノサミン及びNeuAcアルドラーゼで開始し得る。こうして、上記の比はこれらの物質の全濃度に関してである。使用することの選択はコスト及び入手容易性の問題であり、最も安価で、最も入手し易い試薬が典型的にえり抜きの試薬である。CMP及びシアル酸はこれらの対の中で最も安価で、最も入手し易いものであるので、これらの試薬が反応を開始するのに使用され、前記の量は使用される夫々の対の合計量に関する量である。上記成分が水性緩衝液（反応媒体）中で混合により合わされる。その緩衝媒体は約６〜約８のpH値を有する。その緩衝液は、酵素コファクター、例えば、Mg⁺² 又はMn⁺²（これらは特別な酵素により必要とされる場合に存在する）を結合するキレート剤を含まない。緩衝液の選択は、pH値を所望のレベルに保つ緩衝液の能力に基いている。pH値が約7.5である場合、好ましい緩衝剤はHEPESである。使用される水性緩衝液又は反応媒体は洗剤又はその他の有機溶剤、例えば、エタノールもしくはメタノールを含まないことが好ましい。加えて、酵素、特に、 β−ガラクトシダーゼ及びα−シアリルトランスフェラーゼが遊離形態で使用され、そしてポリマーの如き担体に結合されないことが好ましく、その結果、反応媒体は、若干の沈殿が反応中に生成し得るような、少なくとも初期に、実質的に均一である。上記方法が行われる温度は、凍結の丁度上から最も感受性の酵素が変性する温度までの範囲であり得る。その温度範囲は約０℃から約45℃までであることが好ましく、約20℃から約30℃までであることが更に好ましい。こうして生成された反応混合物は、β−ガラクトシルグリコシドがβ−ガラクトース含有ドナー基質とアクセプター基質のβ−ガラクトシダーゼ触媒反応により生成されるのに充分な期間にわたって維持される。その生成物の一部がしばしば２、３時間後に脱着されることがあり、回収可能な量が通常24時間以内に得られる。その方法の収率を最適にすることが好ましく、その維持時間は通常約36時間〜約120時間である。生成されたα−シアリルβ−ガラクトシルグリコシドは精製しないで使用し得る。しかしながら、生成物を回収することが通常好ましい。シアリル化糖の回収のための通常の公知の技術、例えば、薄層又は厚層クロマトグラフィー或いはイオン交換クロマトグラフィーが使用し得る。以下に説明され、また本明細書で引用された文献に説明されるように、回収のために一つ以上のクロマトグラフィー技術を使用することが好ましい。結果 Neu5Acα（2,6）-LacNAc（化合物１）の代表的な合成が以下に説明される。Ne u5Ac（20mM； U.Kragl博士、リサーチセンター、ジューリッヒ、ドイツから提供された）12.3mg、Lac（250mM）180mg、GlcNAc（600mM）265mg、PEP（三ナトリウム塩、40mM）30.2mg、CMP（2mM）及びATP（0.2mM）を含むHEPES緩衝液（0.2M、2 0mMのMgCl₂、5.3mMのMnC1₂、20mMのKCI、pH7.5）1.07mLに、ミオキナーゼ（MK、EC 2.7.4.3；6 U）、ピルベートキナーゼ（PK、EC 2.7.1.40；80 U）、無機ピロホスファターゼ（PPase、EC 3.6.1.1;4 U）、CMP-Neu5Acシンセターゼ（E C 2.7.43； 0.32 U）、α（2,6）シアリルトランスフェラーゼ（EC 2.4.99.1； 0.052 U）及びバチルス・サーキュランス（ダイワ・カセイKK、大阪、日本）からの粗β−ガラクトシダーゼ（EC 3.2.1.23）１mgを添加した。合計容積を２mL に調節した。その反応をアルゴン雰囲気下で室温で91時間行い、シリカゲル60によるTLCにより監視した（Ｒ_f：Lac、0.16；LacAc、0.27；Gal、0.29；Glc、0.37；α（2,6 ）シアリル-LacNAc、0.45；Neu5Ac、0.54；GlcNAc、0.54、7:2:1（v/v/v）のiPr OH/H₂O/NH₄OH中）。その反応混合物を遠心分離し、溶離剤として水を用いてその上澄みをバイオゲルP2カラム（200-400メッシュ、43x2cm）に直接適用した。三糖を含む画分を溜め、凍結乾燥して化合物１：Neu5Ac（2,6）Galβ（l,4）GlcNAc 6.8mg（収率26 ％）を得た。 ¹H NMRスペクトルは報告されたもの［Ichikawaら，J.Am.Chem.Soc.，113:4768 （1991）］と同一であった。その他のシアリル化生成物を検出することができなかった。出発物質の一つであるLac又はβ−ガラクトシダーゼ反応の副生物であるGal β1→6GlcNAc［Sakaiら，J.Carbohydr.Chem.，11:553（1992）］のいずれもが、夫々高いＫ_m値（390mM）及び低いＶ_max値（3％）のためにα（2,6）シアリルトランスフェラーゼの基質ではない［α（2,6）シアリルトランスフェラーゼの詳細な速度論的研究につき、Pulsonら，J.Biol.Chem，252:2363（1977）を参照のこと；Gal β1→4GlcNAc：Ｖ_max=1.00、Ｋ_m=12mM； Gal β1→6GlcNAc：Ｖ_max=0 .03、Ｋ_m=140mM；Gal β1→4Glc：Ｖ_max=1.02、Ｋ_m=390mM］。しかし異なることに、ここで使用されるβ−ガラクトシルグリコシド［Gal β1→4GlcNAc］に関するＫ_m／Ｖ_maxの値12mMは、その他の２種の可能なβ−ガラクトシルグリコシド［ Gal β1→6GlcNAc及びGal β1→4Glc］に関するＫ_m／Ｖ_maxの値夫々約4667mM及び390mMの1/10よりも小さい。研究した幾つかのガラクトシドの中で、ラクトースがB.サーキュランスβ−ガラクトシダーゼの最良の基質であることがわかった。そのβ−ガラクトシダーゼは、示された括弧内の相対比率で下記の基質を受容する：Lac（100）、ｏ−ニトロフェニルβ−ガラクトシド（10.6）、メチルβ−ガラクトシド（1）。同様の方法で、またシアリル化糖（化合物２）を調製した。化合物３及び化合物４をガラクトシダーゼで約20％の収率で別々に調製した。しかしながら、化合物３はシアリルトランスフェラーゼの基質ではなく、また化合物４は非常に弱い基質であった。化合物10を以下のようにして調製した。 HEPES緩衝液（200mM、４mL）中のアリル２−アセトアミド−２−デオキシ−β −Ｄ−グルコピラノシド（26mg、100μモル）、ラクトース（34mg、100μモル）、Ｎ−アセチルノイラミン酸（31mg、100μモル）、ホスホ（エノール）ピルベート三ナトリウム塩（48.6mg、200μモル）、CMP（3.2mg、10μモル）、ATP（5. 5mg、10μモル）、MgCl₂・6H₂O（16.3mg、80μモル；20mM）、MnCl₂・4H₂O（4.0 mg、20μモル；5mM）、KCl（6.9mg、80μモル；20mM）、及びDTT（0.l2mg、0.8 μモル；0.2mM）の溶液のpH値をM NaOHにより7.5に調節した。その溶液に、下記の酵素：ピルベートキナーゼ（EC 2.7.1.40；500 U）、ヌクレオシドモノホスフェートキナーゼ（EC 2.7.4.4；5 U）、無機ピロホスファターゼ（EC 3.6.1.1；1 0 U）、β−ガラクトシダーゼ（EC 3.2.1.23；バチルス・サーキュランスから； 1.0mg）、CMP-Neu5Acシンセターゼ（EC 2.7.743；0.3 U）、及びα2,3 シアリルトランスフェラーゼ（EC 2.4.99.6；1 U）を添加し、その反応混合物をアルゴン雰囲気下で室温で穏やかに２日間攪拌し、約10〜15％の化合物10の収率を得た。その生成物をIch-ikawaら，J.Am.Chem.Soc.，114:9283（1992）に記載されたのと同様の方法で単離した。要するに、シアリル−三糖の合成の新規な有効な操作が示された。その合成は β−ガラクトシダーゼ及びシアリルトランスフェラーゼを使用し、夫々の酵素がワンポットで逐次的かつ選択的に作用してシアリルＮ−アセチルラクトサミンを生成した。グリコシダーゼは可逆反応（即ち、グリコシド結合加水分解反応及びグリコシド結合形成反応）を触媒作用するが、ワンポット中のこれらの２種の酵素の組み合わせた使用は不可逆様式でシアリル三糖の合成を可能にする。加えて、シアリル化反応において２種のキナーゼ及びCMP-Neu5Acシンセターゼにより触媒作用されたCMPからのCMP-Neu5Acの再生がその方法のコスト及びCMPにより生じる生成物抑制の問題を低減する。分析データ ¹H NMR Neu5Ac α（2→6）Gal β（1→4）GlcNAc（化合物１）：δ1.677（1H ，t，J=12.5 Hz，Neu5AcのH-3ax），1.985（3H，s，GlcNAcのNHAc），2.022（3H ，s，Neu5AcのNHAc），2.628（1H，dd，J-5 Hz，12.5 Hz，Neu5AcのH-3eq），4. 409（1H，d，J=8 Hz，GalのH-1），4.780（0.5H，d，J=9 Hz，GlcNAcのH-1b）， 5.154（0.5H，d，J=2.5 Hz，GlcNAcのH-1a）。 ¹H NMR Neu5Ac α（2→6）Gal β（1→4）GlcNAcβ0 アリル（化合物２）：δ 1.672（1H，t，J=12.5 Hz，Neu5AcのH-3ax），1.984（3H，s，GlcNAcのNHAc）， 2.015（3H，s，Neu5AcのNHAc），2.623（1H，m，J=4.5，12.25 Hz，Neu5AcのH-3 eq），4.130（1H，m，アリル），4.294（1H，m,アリル），4.403（1H，d，J=8 H z，GalのH-1），4.569（0.5 H，d，J=8.5 Hz，GlcNAcのH-1b），5.221（1H，m，アリル），5.268（1H，m，アリル），5.872（1H，m，アリル）；Ｒ_f 0.50、7:2: 1（v/v/v）のiPrOH/H₂O/NH₄OH中。 Gal β1→4（5-チオ）Glc（化合物３）の¹H NMRスペクトルは既に報告されたものと同一であった（Gautheron-Le Narvorら，J.Chem.Soc.，Chem.Commun.，11 30（1991））。 ¹H NMR Galβ1→4（2-N₃）Glc（化合物４）：δ3.27（dd，J=8.32，9.82Hz，H -2b），4.42（dd，J=7.75 Hz，H-1'b），4.69（d，J=8.72 Hz，H-1b），5.31（d ，J=3.50 Hz，H-1a）。化合物４の¹H NMRスペクトルは化合物４のアリルグリコシド誘導体のスペクトル［Ichikawaら，J.Am.Chem.Soc.，114:9283（1982）］と良く一致した。以上は本発明の例示として意図されるものであり、限定するものではない。本発明の新規な概念の真の精神及び範囲から逸脱しないで、多数の変化及び改良が行い得る。

Claims

【特許請求の範囲】１．単一容器中で下記の成分を混合して反応混合物を生成する工程：（ｉ）触媒量のβ−ガラクトシダーゼ；（ii）触媒量のα（2,6）-又はα（2,3）シアリルトランスフェラーゼ；（iii）前記β−ガラクトシダーゼのβ−ガラクトース含有ドナー基質；（iv）前記β−ガラクトシダーゼのアクセプター基質；（ｖ）シアル酸；（vi）前記シアル酸各１モル当たり少なくとも２モルのホスホエノールピルベート、並びに触媒量のATP、ミオキナーゼ、ピルベートキナーゼ、無機ピロホスファターゼ、及びCMP-シアル酸シンセターゼを含むCMP-シアル酸再生系；及び（vii）前記酵素のための酵素上充分な量の金属イオンコファクターを含み、かつ約６〜約８のpH値を有する水性緩衝液、前記反応混合物を、前記ガラクトース含有ドナー基質と前記アクセプター基質のβ−ガラクトシダーゼ触媒反応により生成されるβ−ガラクトシルグリコシドがシアリル化されるのに充分な期間にわたって約０℃〜約45℃の温度に保つ工程、を含み、前記ガラクトシルグリコシドが前記シアリルトランスフェラーゼの前記ガラクトース含有ドナー基質のＫ_m／Ｖ_max値の1/3未満である前記シアリルトランスフェラーゼの基質としてのＫ_m／Ｖ_max値を有することを特徴とするα−シアリル化ガラクトシルグリコシドの生成方法。２．前記の生成されたシアリル化ガラクトシルグリコシドを回収する別の工程を含む請求の範囲第１項に記載の方法。３．前記シアリル化ガラクトシルグリコシドがNeu5Acα2→6Galβ1→4GlcNAc又はNeu5Acα2-6Galβ1→4GlcNAc-O-アリルである請求の範囲第１項に記載の方法。４．前記ガラクトース含有ドナー基質（iii）がラクトースである請求の範囲第１項に記載の方法。５．前記β−ガラクトシダーゼの前記アクセプター基質がGlcNAcである請求の範囲第１項に記載の方法。６．前記β−ガラクトシダーゼがバチルス・サーキュランスのβ（1,4）ガラクトシダーゼである請求の範囲第１項に記載の方法。７．前記シアリルトランスフェラーゼがα（2,6）シアリルトランスフェラーゼである請求の範囲第１項に記載の方法。８．前記シアリルトランスフェラーゼがα（2,3）シアリルトランスフェラーゼである請求の範囲第１項に記載の方法。９．前記ガラクトシルグリコシドが前記シアリルトランスフェラーゼの前記ガラクトース含有ドナー基質のＫ_m／Ｖ_max値の1/10未満である前記シアリルトランスフェラーゼの基質としてのＫ_m／Ｖ_max値を有する請求の範囲第１項に記載の方法。 10．単一容器中で下記の成分を混合して反応混合物を生成する工程：（ｉ）触媒量のバチルス・サーキュランスβ（1,4）−ガラクトシダーゼ；（ii）触媒量のα（2,3）シアリルトランスフェラーゼ又はα（2,6）シアリルトランスフェラーゼ；（iii）前記β（1,4）−ガラクトシダーゼのドナー基質としてのラクトース；（iv）前記β（1,4）−ガラクトシダーゼのアクセプター基質としてのＮ− アセチルグルコサミン又はアリルＮ−アセチルグルコサミングリコシド；（ｖ）シアル酸；（vi）前記シアル酸各１モル当たり少なくとも２モルのホスホエノールピルベート、並びに触媒量のATP、ミオキナーゼ、ピルベートキナーゼ、無機ピロホスファターゼ及びCMP-シアル酸シンセターゼを含むCMP-シアル酸再生系；及び（vii）前記酵素のための酵素上充分な量の金属イオンコファクターを含み、かつ約６〜約８のpH値を有する水性緩衝液、前記反応混合物を、前記ドナー基質と前記アクセプター基質のβ−ガラクトシダーゼ触媒反応により生成されたＮ−アセチルラクトサミン又はアリルＮ−アセチルラクトサミングリコシドがシアリル化されてα−シアリル化ガラクトシルグリコシドを生成するのに充分な期間にわたって約０℃〜約45℃の温度に保つ工程、を含むことを特徴とするα−シアリル化ガラクトシルグリコシドの生成方法。 11．前記の生成されたシアリル化ガラクトシルグリコシドを回収する別の工程を含む請求の範囲第10項に記載の方法。