JPH10500561A - ランダムフラグメント化および再組立によるdna変異誘発 - Google Patents

ランダムフラグメント化および再組立によるdna変異誘発

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JPH10500561A
JPH10500561A JP7521977A JP52197795A JPH10500561A JP H10500561 A JPH10500561 A JP H10500561A JP 7521977 A JP7521977 A JP 7521977A JP 52197795 A JP52197795 A JP 52197795A JP H10500561 A JPH10500561 A JP H10500561A
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アンドレアス クラメリ,
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アフィマックス テクノロジーズ エヌ. ブイ.
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Abstract

(57)【要約】 ランダムフラグメント化後のDNA再組立のための方法、およびインビトロまたはインビボにおける組換えによる核酸配列の変異誘発のためのその適用を開示する。詳細には、変異タンパク質をコードする核酸フラグメントまたはポリヌクレオチドの生成のための方法を開示する。本発明はまた、タンパク質のインビトロまたはインビボにおける直接的な分子進化を可能にする変異誘発、再編成および選択の反復サイクルの方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 ランダムフラグメント化および再組立によるDNA変異誘発 発明の背景 発明の分野 本発明は、所望の表現型を与えるポリヌクレオチドおよび/または選択可能な 有利な予め決定された特質を有するタンパク質をコードするポリヌクレオチドの 生成のための方法に関する。1つの局面において、本方法は変異タンパク質をコ ードする核酸フラグメントを生成および選択するために使用される。関連技術の説明 生体高分子(例えば、タンパク質、DNAなど)の活性配列の複雑さは、その情報 内容(information content)(「IC」;5-9)と呼ばれている。タンパク質の情報内 容はアミノ酸配列変異に対する活性タンパク質の抵抗性として定義され、同様の 機能を有する関連配列のファミリーを記載するために必要な最少数の不変アミノ 酸(ビット)から算定される(9、10)。ランダムな変異誘発に感受性であるタンパ ク質は、高い情報内容を有する。1974年に、この定義が作製された際、タンパク 質の多様性は、分類上の多様性としてしか存在していなかった。 分子ライブラリーのような分子生物学の発達は、かなり多数の変異しやすい塩 基の同定、およびランダムなライブラリーからの機能配列の選択さえ可能にして きた。大部分の残基が、典型的に全てが同時にではないにしても、変異され得、 配列の前後関係(context)の変化を補うことに依存している。従って、100アミノ 酸のタンパク質は、2,000個の異なる変異しかを含まないが、20100通りの可能な 変異の組み合わせを包含する。 情報密度は、配列の単位長当たりの情報内容である。酵素の活性部位は高い情 報密度を有する傾向がある。対照的に、酵素における可変リンカー(flexible li nker)は低い情報密度を有する(8)。 実験室形式で変異タンパク質を作製するために現在広く用いられている方法は 、誤りがち(error-prone)ポリメラーゼ連鎖反応(11、12、19)およびカセット変 異 誘発(8、20、21、22、40、41、42)であり、これらの方法では最適化しようとす る特定の領域が、合成上で変異誘発されるオリゴヌクレオチドで置換される。ど ちらの場合も、「変異体曇り(mutant cloud)」(4)は、元の配列における特定の部 位の周囲で生成される。 誤りがちなPCRは、長い配列にわたってランダムに低レベルの点変異を誘導す るために、低適合性の重合条件を使用する。誤りがちなPCRは、未知の配列のフ ラグメントの混合物を変異誘発するために使用され得る。しかし、コンピュータ ーによるシュミレーションは、点変異単独では、しばしばあまりにも緩やかで、 連続した配列進化に必要とされるブロック変化が可能でない場合もあることを示 唆した。公表されている誤りがちなPCRプロトコルは、0.5kb〜1.0kbより大きい のDNAフラグメントの増幅が不可能で、それらの実際的な適用は限られている。 さらに、誤りがちなPCRの反復サイクルは、中立変異の蓄積を導き、これは例え ば、タンパク質を免疫原性にし得る。 オリゴヌクレオチド直接変異誘発では、短い配列が合成上で変異誘発されるオ リゴヌクレオチドで置換される。このアプローチは遠位変異の組み合わせを生成 せず、従って組み合わせではない。莫大な配列長に関する制限されたライブラリ ーサイズは、タンパク質の最適化のために多数回の選択が避けられないことを意 味する。合成オリゴヌクレオチドを用いる変異誘発には、各回の選択の後に、個 々のクローンの配列決定をし、次いでファミリーに分類して、単一のファミリー を任意に選択し、そしてファミリーをコンセンサスモチーフに縮小する必要があ る。このコンセンサスモチーフは再合成され、そして単一の遺伝子中へ再挿入さ た後にさらなる選択を行う。このプロセスは統計的なボトルネック(statistical bottleneck)を構成し、多数回の変異誘発のためにはこのプロセスは労働力を必 要とし、そして実際的でない。 従って、誤りがちなPCRおよびオリゴヌクレオチド直接変異誘発は、単一サイ クルの配列微調整には有用であるが、多数サイクルに適用する場合、直ちに制限 されるようになる。 誤りがちなPCRは未知の配列のフラグメントの混合物を変異誘発するために使 用され得る(11、12)。しかし、公表されている誤りがちなPCRプロトコル(11、1 2)は、ポリメラーゼの低いプロセシビティー(processivity)を受ける。従って、 このプロトコルは平均的なサイズの遺伝子のランダムな変異誘発を生じ得ない。 このように能力がないことによって、誤りがちなPCRの実際的な適用が制限され る。 誤りがちなPCRのもう1つの重大な制限は、配列の情報内容に伴って下流変異 の速度が増すことである。ある情報内容、ライブラリーのサイズ、および変異誘 発速度、下流変異の上流変異に対するバランスは、統計的に、さらなる改良の選 択を阻害する(統計的最高限度)。 最後に、誤りがちなPCRの反復サイクルはまた、中立変異の蓄積を導き、例え ば、免疫原性に影響し得るが、結合アフィニティーには影響しない。 従って、誤りがちなPCRは、あまりにも緩やかで連続した配列進化に必要とさ れるブロック変化が可能でないことが見出された(1、2)。 カッセット変異誘発において、単一の鋳型の配列ブロックは、代表的に、(部 分的に)ランダム化された配列により置換される。従って、得られる最大情報内 容は、ランダムな配列の数(すなわち、ライブラリーのサイズ)により統計学的に 制限される。このことは統計的なボトルネックを構成し、現在のところ最適では ないが、より長期間のポテンシャルを有し得る他の配列ファミリーを排除する。 さらに、合成オリゴヌクレオチドでの変異誘発は、各回の選択の後に個々のク ローンの配列決定を必要とする(20)。従って、このアプローチは時間がかかり、 そして多数回の変異誘発には実際的でない。 従って、誤りがちなPCRおよびカセット変異が最も適しており、そして比較的 低い情報内容の範囲を微調整するために広く使用されてきた。1つの明白な例外 は、誤りがちなPCRによる多数回の増幅および選択を用いる、ランダムライブラ リーからのRNAリガーゼリボザイムの選択である(13)。 直鎖状の生物学的組換え配列(例えば、タンパク質、RNAおよびDNA)の設計のた めの手段は、天然に発達してきた手段ほど強力ではないことが、ますます明らか になっている。より良い変異体を見出すことは、より広いライブラリー内でより 多くの配列をサーチすることに依存しており、変異誘発性の増幅および選択のサ イクルの数を増加することが必要である。しかし、上記のように、広く用いられ ている現在の変異誘発方法には、反復サイクルのために使用される場合、明らか に制限がある。 大部分の生物の進化は自然淘汰および有性生殖により生じる。有性生殖は選択 された個体の子孫の遺伝子を混合および結合することを確実にする。減数分裂の 間、親由来の相同染色体を互いに並べ、そしてそれらの長さに沿って交差するこ とによって、遺伝子物質を交換する。このようなDNAの交換(swapping)または再 編成(shuffling)は、生物体がより迅速に進化することを可能にする(1、2)。 有性生殖において、挿入される配列は同種環境内で有用性が証明された配列なの で、一旦配列が新しい配列中へ挿入されても、実質的な情報内容を有する傾向が ある。 Martonら(27)は、直線的な反復配列を有するプラスミドにおける組換えをモニ ターするための、インビトロにおけるPCRの使用について記載している。Marton らは、DNAの切断またはニッキング(nicking)の結果として、PCR中に組換えが生 じることを開示している。これにより組換え分子が生じる。Meyerhansら(23)も また、インビトロにおけるPCR中にDNA組換えが存在することを開示している。 用語、適用された分子進化(「AME」)は、進化上の設計アルゴリズムの特定の有 用な目的に対する適用を意味する。AMEのための多くの異なるライブラリー形式 が、ポリヌクレオチド(3、11-14)、ペプチドおよびタンパク質(ファージ(15-17 )、lacI(18)およびポリソームについて報告されてきたが、これらの形式におい は、いずれも、組み合わせライブラリーを故意に作製するためのランダムな交差 による組換えを使用していない。 理論的には、100アミノ酸のタンパク質には2,000通りの異なる個々の変異体が 存在する。100個アミノ酸からなるタンパク質は、20100通りの可能な変異の組み 合わせを有するが、数が多すぎるので、従来の方法では徹底的に調査し得ない。 これらの可能な結合変異(combination mutation)の全てを生成およびスクリーニ ングすること可能にするようなシステムを開発することは有益である。 Winterおよび共同研究者らは(43,44)は、ファージシステムでの発現のために 、インビボ部位特異的組換えシステムを利用してL鎖抗体の遺伝子とH鎖抗体の 遺伝子とを結合した。しかし、彼らのシステムは組換えの特異的部位に依存して お り、それゆえ制限される。Hayashiら(48)は、重複伸長およびPCRによる単鎖抗体 (scFv)における抗体CDR領域の同時変異誘発を報告している。 Carenら(45)はランダムなインビボ組換えを使用する大規模集団の多重変異体 を生成する方法を記載している。しかし、彼らの方法は、プラスミドの2つの異 なるライブラリーの組み換えを必要としており、各ライブラリーは異なる選択マ ーカーを有している。従って、方法は存在する選択マーカーの数に等しい限られ た数の組換えに制限され、そして選択された配列(1つまたは複数)に連結するマ ーカー遺伝子の数を同時に直線的に増加する。 Calogeroら(46)およびGalizziら(47)は、相同であるがプラスミド上で端を切 り取った2つの昆虫トキシン遺伝子でのインビボ組換えによりハイブリッド遺伝 子を生成し得ることを報告している。Radmanら(49)は、欠損型ミスマッチ修復酵 素を有する宿主細胞において、実質的にミスマッチなDNA配列のインビボ組換え によりハイブリッド分子が形成されることを報告している。 変異タンパク質を生成する方法を開発することは有益であり、本方法は容易に サーチされる変異核酸配列の大規模ライブラリーをの開発を可能にした。本明細 書に記載の発明は、点変異誘発、核酸再編成および選択の反復サイクルを使用す ることに関し、タンパク質のような高度に複雑な直線配列のインビトロにおける 直接的な分子進化を、ランダム組換えによって可能にする。 それゆえに、変異DNA、RNAまたはタンパク質の大規模ライブラリーの生成を可 能にする方法および所望の目的のために特定の変異体を選択することを可能にす る方法を開発することは有益である。本明細書中に記載の発明は、DNA、RNAまた はタンパク質のような高度に複雑な直線配列のインビボにおける直接分子進化を 、組換えによって可能にする変異誘発、インビボ組換えおよび選択の反復サイク ルの使用に関する。 本発明のさらなる利点については、添付の図面を参考にして、本発明の以下の 記載から明らかになろう。 発明の要旨 本発明は、選択されるポリヌクレオチド配列または選択されるポリヌクレオチ ド配列の集団を、代表的には増幅されたポリヌクレオチドおよび/またはクロー ニングされたポリヌクレオチドの形態において生成する方法に関し、それによっ て選択されたポリヌクレオチド配列(1つまたは複数)は、選択され得る所望の表 現型の特徴(例えば、ポリペプチドをコードする、連結されたポリヌクレオチド の転写を促進する、タンパク質に結合するなどの特徴)を有する。所望の構造ま たは機能的特性(例えば、予め決定された生体高分子(例えば、レセプター)への 結合)を有するポリペプチドを同定する1つの方法は、ポリペプチドの大規模ラ イブラリーを、ポリペプチドのアミノ酸配列により与えられる所望の構造または 機能的特性を有する個々のライブラリーメンバーについてスクリーニングするこ とを包含する。 本発明は、アフィニティー相互作用スクリーニングまたは表現型スクリーニン グに適切なディスプレイされたポリペプチドまたはディスプレイされた抗体のラ イブラリーを生成する方法を提供する。本方法は、(1)ディスプレイされたポリ ペプチドまたはディスプレイされた抗体、および上記のディスプレイされたポリ ペプチドまたはディスプレイされた抗体をコードする関連性ポリヌクレオチドを 含む第1の複数の選択されたライブラリーメンバーを得、そして上記の関連性ポ リヌクレオチドまたはそのコピーを得る工程であって、ここで上記の関連性ポリ ヌクレオチドが実質的に同一の配列の領域を包含し、必要に応じて上記のポリヌ クレオチドまたはコピーに変異を導入する工程、および(2)代表的にはランダム に上記の関連性ポリヌクレオチドまたはコピーをプールし、そしてフラグメント 化してPCR増幅に適する条件下でそのフラグメントを形成し、PCR増幅および必要 に応じて変異誘発を実施し、それにより上記フラグメントを相同的に組換えて、 組換えポリヌクレオチドの再編成プールを形成し、それによって上記再編成プー ルの組換えポリヌクレオチドの実質的画分(例えば、10%を超える)が、第1の複 数の選択されたライブラリーメンバー中に存在せず、上記再編成プールは、アフ ィニティー相互作用スクリーニングに適切であるディスプレイされたポリペプチ ドまたはディスプレイされた抗体のライブラリーを構成する工程を包含する。必 要に応じて、本方法は再編成プールのライブラリーメンバーをスクリーニングす るさらなる工程を包含し、予め決定された高分子(例えば、タンパク質性レセプ ター、ペプチド、オリゴ糖、ビリオン、または他の予め決定された化合物または 構造)と結合または相互作用する能力を有する個々の再編成ライブラリーメンバ ー(例えば、触媒性抗体)を同定する。このようなライブラリーから同定されるデ ィスプレイされたポリペプチド、抗体、ペプチド類似体(peptidomimetic)抗体、 および可変領域配列は、治療、診断、研究、および関連する目的(例えば、触媒 、水性溶液の浸透性を増加するための溶質など)のために使用され得、および/ または再編成選択および/またはアフィニティー選択の1回以上のさらなるサイ クルを受け得る。方法は、選択の工程が、予め決定された分子に対する結合アフ ィニティー以外の表現型の特徴(例えば、触媒活性、安定性、酸化抵抗性、薬物 耐性、または宿主細胞上で与えられる検出可能な表現型)を対象とするように改 変され得る。 1つの実施態様において、第1の複数の選択されたライブラリーのメンバーは 、フラグメント化され、そしてインビトロにおいてPCRにより相同的に組換えら れる。 1つの実施態様において、第1の複数の選択されたライブラリーのメンバーは 、インビトロにおいてフラグメント化され、得られるフラグメントを宿主細胞ま たは生物体へ移し、そして相同組換えされ、インビボにおける再編成ライブラリ ーのメンバーを形成する。 1つの実施態様において、第1の複数の選択されたライブラリーのメンバーは 、エピソーム的に複製可能なベクター上でクローニングまたは増殖され、上記多 様なベクターは細胞へ移され、そして相同組換えされ、インビボにおける再編成 ライブラリーのメンバーを形成する。 1つの実施態様において、第1の複数の選択されたライブラリーのメンバーは フラグメント化されないが、直線的な反復としてエピソーム的に複製可能なベク ター上でクローニングまたは増殖され、各反復は、選択されたライブラリーのメ ンバー配列の異なる種を包含しており、上記ベクターは細胞内へ移され、そして ベクター内の組換えにより相同組換えされ、インビボにおける再編成ライブラリ ーのメンバーを形成する。 ある実施態様において、インビトロにおける再編成およびインビボにおける再 編成の組み合わせが、組み合わせの多様性を増強するために提供される。 本発明はアフィニティー相互作用スクリーニングに適するディスプレイされた 抗体のライブラリーを生成する方法を提供する。本方法は、(1)ディスプレイさ れた抗体、および上記のディスプレイされた抗体をコードする関連性ポリヌクレ オチドを含む第1の複数の選択されるライブラリーメンバーを得、そして上記の 関連性ポリヌクレオチドまたはそのコピーを得る工程であって、ここで上記の関 連性ポリヌクレオチドが実質的に同一な可変領域のフレームワーク(frame work) 配列の領域を包含する工程、および(2)上記の関連性ポリヌクレオチドまたはコ ピーをプールし、そしてフラグメント化してPCRの増幅に適する条件下でそのフ ラグメントを形成し、それにより上記フラグメントを相同組換して、CDRの新規 な組み合わせを包含する組換えポリヌクレオチドの再編成プールを形成し、それ によってCDRの組み合わせを包含する上記再編成プールの組換えポリヌクレオチ ドの実質的画分(例えば、10%を超える)が、第1の複数の選択されるライブラリ ーメンバー中に存在せず、上記再編成プールは、CDRの並べ替えを含み、そして アフィニティー相互作用スクリーニングに適切であるディスプレイされた抗体の ライブラリーを構成する工程を包含する。必要に応じて、再編成プールは予め決 定されたエピトープ(抗原)に結合する再編成ライブラリーメンバーを選択するた めに、アフィニティースクリーニングを受け、それゆえ複数の選択される再編成 ライブラリーのメンバーを選択する。必要に応じて、複数の選択される再編成ラ イブラリーのメンバーは、1〜約1000サイクルまたは所望の結合アフィニティー を有するライブラリーメンバーが得られるまで、所望により、繰り返し再編成お よびスクリーニングされ得る。 従って、本発明の1つの局面では、1つ以上の変異を鋳型2本鎖ポリヌクレオ チド中へ導入する方法が提供される(ここて鋳型2本鎖ポリヌクレオチドは所望 のサイズのランダムフラグメントに切断される)。本方法は、1つ以上の1本鎖 または2本鎖オリゴヌクレオチドを、得られる2本鎖フラグメントの集団に添加 する工程であって、ここで上記オリゴヌクレオチドは鋳型ポリヌクレオチドに同 一な範囲および非相同な範囲含む、工程;2本鎖のランダムフラグメントおよび オリゴヌクレオチドの得られる混合物を1本鎖フラグメントに変性する工程;上 記1本鎖フラグメント間の同一の領域で上記1本鎖フラグメントがアニールし、 そして変異誘発された2本鎖ポリヌクレオチドを形成する条件下で、得られる1 本鎖フラグメントの集団をポリメラーゼとともにインキュベートする工程;およ び所望により上記の工程を反復する工程によってなされる。 別の局面において、本発明は、野生型タンパク質をコードする2本鎖鋳型ポリ ヌクレオチドを含有するサンプルを、上記鋳型ポリヌクレオチドを所望のサイズ のランダムな2本鎖フラグメントに切断することを提供する条件下で処理する工 程;1つ以上の1本鎖または2本鎖オリゴヌクレオチドを、得られるランダムフ ラグメントの集団に添加する工程であって、ここで上記オリゴヌクレオチドは鋳 型ポリヌクレオチドに同一な範囲または非相同範囲を包含する、工程;2本鎖の フラグメントおよびオリゴヌクレオチドの得られる混合物を1本鎖フラグメント に変性する、工程;同一な範囲で上記1本鎖フラグメントがアニールし、そして 変異誘発された2本鎖ポリヌクレオチドを形成する条件下で、得られる1本鎖フ ラグメントの集団をポリメラーゼとともにインキュベートする工程;所望により 上記の工程を反復する工程;次いで、変異誘発された2本鎖ポリヌクレオチド配 列から組換えタンパク質を発現する工程により、生物学的活性を有する組換えタ ンパク質を生成する方法に関する。 本発明の第3の局面は、異なる2本鎖鋳型ポリヌクレオチドをを含有するサン プルを処理する工程であって、ここで上記の異なる鋳型ポリヌクレオチドが上記 鋳型ポリヌクレオチドを所望のサイズのランダムな2本鎖フラグメントに切断こ とを提供する条件下で、同一な範囲および非相同な範囲を包含する、工程;処理 サンプル中に含有の得られるランダムな2本鎖フラグメントを1本鎖フラグメン トに変性する工程;同一な範囲で該1本鎖フラグメントがアニールし、そして鋳 型ポリヌクレオチド配列を含有するキメラな2本鎖ポリヌクレオチド配列を形成 する条件下で、得られる1本鎖フラグメントの集団をポリメラーゼとともにイン キュベートする工程に;および所望により上記の工程を反復する工程により、キ メラなポリヌクレオチドを得る方法に関する。 本発明の第4の局面は、インビトロにおいて、1本鎖鋳型ポリヌクレオチドと 、鋳型ポリヌクレオチドを切断および変性することにより得られるランダムな1 本 鎖小フラグメントとを結合することにより、鋳型ポリヌクレオチドを複製し、そ して2本鎖鋳型ポリヌクレオチドの集団が形成されるような条件下、核酸ポリメ ラーゼの存在下で上記核酸フラグメントの混合物をインキュベートする方法に関 する。 本発明はまた、ポリペプチドをコードするポリヌクレオチドおよび/または転 写調節配列を含有するポリヌクレオチドを再編成するために、インビトロおよび /またはインビボにおけるポリヌクレオチド再編成の使用を提供する。 本発明はまた、ウイルス遺伝子(例えば、キャプシドタンパク質、スパイク糖 タンパク質、ポリメラーゼ、プロテアーゼなど)またはウイルスゲノム(例えば、 パラミキソウイルス(例えば、paramyxoviridae)、オルトミキソウイルス(orthom yxoviridae)、ヘルペスウイルス、レトロウイルス、レオウイルス、ライノウイ ルスなど)の集団を再編成するために、ポリヌクレオチド再編成の使用を提供す る。ある実施態様において、本発明は免疫原ウイルスタンパク質の全てまたは一 部をコードする配列を再編成して、新規の組み合わせのエピトープおよび組換え により作製される新規のエピトープを生成する方法を提供し、このような再編成 されたウイルスタンパク質は、ウイルス進化の結果として天然の環境において生 じがちなエピトープまたはエピトープの組み合わせを包含し得る(例えば、イン フルエンザウイルス株の組換えなど)。 本発明はまた、遺伝子治療ベクター、およびヒト遺伝子治療のために使用され 得る複製能欠損の遺伝子治療構築物(DNAに基づくワクチン注射のためのワクチン 注射ベクター、および抗新生物遺伝子治療ならびに他の遺伝子治療形式を含むが 、これらに限定されない)を生成するためのポリヌクレオチド配列の再編成に適 した方法を提供する。 図面の簡単な説明 図1は、変異誘発性の再編成と誤りがちなPCRとを比較する概略図である;(a) 初発ライブラリー;(b)1回目のアフィニティー選択において選択された配列の プール;(d)選択された配列のインビトロにおける組換え(「再編成」);(f)再編成 後の2回目のアフィニティー選択において選択された配列のプール;(c)誤りが ちなPCR;(e)誤りがちなPCR後の2回目のアフィニティー選択において選択され た配列のプール。 図2は、10bp〜50bpのランダムフラグメントからの1.0kb LacZα遺伝子フラグ メントの再組立(reassembly)を示す。(a)LacZα遺伝子を有するPCR増幅したゲル DNAフラグメントの写真。(b)DNアーゼI消化後のDNAフラグメントのゲルの写真。 (c)消化されたLacZα遺伝子DNAフラグメントから精製した10bp〜50bpのDNAフラ グメントのゲルの写真;(d)指示された数のサイクルのDNA再組立後の10bp〜50bp のDNAフラグメントのゲルの写真;(e)プライマーを用いたPCRによる増幅後の組 換え混合物のゲルの写真。 図3は、LacZα遺伝子の終止コドン変異体およびそれらのDNA配列の概略図で ある。四角枠の領域は非相同範囲であり、マーカーとして働く。終止コドンは小 さな四角枠内に位置するかまたは下線を付している。「+」は、野生型遺伝子を示 し、そして「−」は遺伝子における変異範囲を示す。 図4は、合成オリゴヌクレオチドをLacZα遺伝子の再組立プロセスへの導入ま たはスパイク(spiking)の概略図である。 図5は、E.coliの使用コドン(codon usage)を用いて、マウスIL1-B遺伝子(M) とヒトIL1-B遺伝子(H)との間の相同な領域を示す。非相同領域には四角枠を付す 。 図6は、抗ウサギIgG抗体(A10B)のscFvを使用した抗体CDR再編成モデルシステ ムの概略図である。 図7は、抗ウサギIgG抗体(A10B)のscFvの再編成DNAにおいて、観察されたCDR の特定の組み合わせが生じる頻度を示す。 図8は、DNA再編成および各サイクルの選択後のscFv抗ウサギIgG抗体の改良さ れた結合活性を示す。 図9は、pBR322-Sfi-BL-LA-Sfiおよびダイレクトリピートを介するインビボに おけるプラスミド内の組換え、および機能的なβラクタマーゼ遺伝子を再構築す るプラスミド内の組換えによるアンピシリン耐性コロニーの発生率を概略する。 図10は、pBR322-Sfi-2Bla-Sfiおよびダイレクトリピートを介するインビボに おけるプラスミド内の組換え、および機能的なβラクタマーゼ遺伝子を再構築す るインビボにおけるプラスミド内の組換えによるアンピシリン耐性コロニーの発 生率を概略する。 図11は、組換えタンパク質を生成するために、ポリヌクレオチドフラグメント を細胞に導入した後、多数回の相同組換えの効率を試験する方法を示す。 図12は、以下の座位でのカセットを再編成することによるベクターのライブラ リーの生成を概略する:プロモーター、リーダーペプチド、ターミネーター、選 択薬物耐性遺伝子、および複製開始点。各遺伝子座での複数の平行な線はそのカ セットについてのカセットの多様性を表す。 図13は、再編成により真核生物のベクターライブラリーを構築するために、種 々の遺伝子座における適切なカセットのいくつかの例を概略的に示す。 好ましい実施態様の説明 本発明は、DNA配列の変異誘発のためのランダムフラグメント化およびその適 用後に、核酸分子を再組立する方法に関する。増強される生物学的活性を有する 変異タンパク質をコードする核酸フラグメントを生成する方法もまた記載される 。特に、本発明はまた、増強された生物学的活性を有する変異タンパク質の作製 を可能にする変異誘発、核酸の再編成および選択の反復サイクルの方法に関する 。 本発明はDNA、RNA、またはタンパク質変異体の非常に大規模なライブラリーを 生成する方法に関する。この方法は、所望の核酸フラグメント(1つまたは複数) が選択され得る関連のあるDNAフラグメントの生成において特定の利点を有する 。特に本発明はまた、増強された生物学的活性を有する変異タンパク質作製を可 能にする変異誘発、相同組換えおよび選択の反復サイクルの方法に関する。 しかし、本発明をさらに詳細に考察する前に、まず以下の用語について定義す る。 定義 本明細書で使用される以下の用語は、以下の意味を有する: 用語「DNA再組立」は、同一の配列の間で組換えが生じる場合に使用される。 対照的に、用語「DNA再編成」は、実質的に相同であるが同一ではない配列の間 の組換えを示すために本明細書で使用され、いくつかの実施態様において、DNA 再編成は非相同な組換え(例えば、cre/loxおよび/またはflp/frtシステムなど) を介する交差を含み得る。 用語「増幅」は、核酸フラグメントのコピー数が増加されることを意味する。 用語「同一な」または「同一」は、2つの核酸配列が同じ配列または相補的な配列 を有することを意味する。従って、「同一の範囲」は、核酸フラグメントまたはポ リヌクレオチドの領域または範囲が別のポリヌクレオチドまたは核酸フラグメン トに同一または相補的であることを意味する。 用語「対応する」は、ポリヌクレオチド配列が参照ポリヌクレオチド配列の全て または一部分に相同である(すなわち同一であり、厳密には進化的に関連しない) こと、またはポリペプチド配列が参照ポリペプチド配列に同一であることを意味 するために本明細書において使用される。対照的に、用語「相補する」は、相補的 な配列が参照ポリヌクレオチド配列の全てまたは一部分に相同であることを意味 するために本明細書で使用される。例えば、核酸配列「TATAC」は、参照配列「TATA C」に対応し、そして参照配列「GTATA」に相補的である。 以下の用語は、2つ以上のポリヌクレオチド間での配列の関係を記載するため に使用される:「参照配列」、「比較領域(comparison window)」、「配列同一性」、「 配列同一性のパーセンテージ」、および「実質的同一性」。「参照配列」は、配列比 較のための基本として使用される規定の配列である;参照配列は、より大きな配 列のサブセット(例えば、配列表に示される全長cDNAまたは遺伝子配列のセグメ ント(例えば、図1または図2(b)のポリヌクレオチド配列))であり得、または参 照配列は完全なcDNAまたは遺伝子配列を含有し得る。一般的に、参照配列は少な くとも20ヌクレオチドの長さであり、頻繁には少なくとも25ヌクレオチドの長さ であり、そしてしばしば少なくとも50ヌクレオチドの長さである。2つのポリヌ クレオチドが、それぞれ(1)2つのポリヌクレオチド間で類似の配列(すなわち 、完全なポリヌクレオチド配列の一部分)を含有し得、そして(2)2つのポリヌ クレオチド間で互いに一致しない配列をさらに含有し得るので、2つ(またはそ れ以上)のポリヌクレオチド間の配列比較は、代表的には、「比較領域」にわたる 2つのポリヌクレオチドの配列を比較することにより実施され、配列が類似する 局 所領域を同定および比較する。 本明細書で使用される「比較領域」は、少なくとも20の隣接するヌクレオチドの 位置の概念のセグメントをいい、ここでポリヌクレオチド配列が少なくとも20の 隣接するヌクレオチドの参照配列と比較され得、そしてここでは比較領域におけ るポリヌクレオチド配列の部分が、2つの配列の最適アラインメントのために、 参照配列(付加または欠失を含まない)に比べて20%以下の付加または欠失(すなわ ちギャップ)を含み得る。比較領域を並べるための、配列の最適なアラインメン トは、SmithおよびWaterman(1981)Adv.Appl.Math. 2:482の局所相同性アルゴ リズムにより、NeedlemanおよびWunsch(1970)J.Mol.Biol. 48:443の相同性ア ラインメントアルゴリズムにより、PearsonおよびLipman(1988)Proc.Natl.Aca d.Sci. (U.S.A.)85:2444の類似度方法に関するサーチにより、これらのアルゴ リズム(Wisconsin Genetics Software Package Release 7.0,Genetics Compute r Group,575 Science Dr.,Madison,WIにおけるGAP、BESTFIT、FASTA、およびT FASTA)のコンピュータ実行により、または検査により行われ得、そして種々の方 法により生成される最も良いアラインメント(すなわち、比較領域にわたる最も 高い相同性パーセンテージを与える)が、選択される。 用語「配列同一性」は、2つのポリヌクレオチド配列が比較領域にわたって同一 である(すなわち、1ヌクレオチドずつに基づいて)ことを意味する。用語「配列 同一性のパーセンテージ」は、最適に並べられた2つの配列を比較領域にわたっ て比較し、同一の核酸塩基(例えば、A、T、C、G、U、またはI)が両方の配列にお いて生じる位置の数を測定し、一致した位置の数を得、一致した位置の数を比較 の領域における位置の全体数(すなわち、比較サイズ)で割り、そして結果に100 を掛けて、配列同一性のパーセンテージを得ることにより、算定される。本明細 書で使用される用語「実質的同一性」は、ポリヌクレオチド配列の特徴を示し、こ こではポリヌクレオチドは、少なくとも20の隣接するヌクレオチド位置の比較領 域にわたり、頻繁には少なくとも25〜50ヌクレオチドの領域にわたり参照配列と 比較して、少なくとも80%の配列同一性、好ましくは少なくとも85%の同一性、そ してしばしば90%〜95%パーセントの配列同一性、最も通常には少なくとも99%の 配列同一性を有する配列を包含し、ここでは配列同一性のパーセンテージは、ポ リヌクレオチド配列を参照配列と比べることにより算定され、このヌクレオチド 配列は、比較領域にわたり、全体で参照配列の20%以下の欠失または付加を含み 得る。 保存的アミノ酸置換は、類似側鎖を有する残基の互換性をいう。例えば、脂肪 族側鎖を有するアミノ酸のグループは、グリシン、アラニン、バリン、ロイシン 、およびイソロイシンであり;脂肪族ヒドロキシル側鎖を有するアミノ酸のグル ープはセリンおよびスレオニンであり;アミド含有側鎖を有するアミノ酸のグル ープはアスパラギンおよびグルタミンであり;芳香族側鎖を有するアミノ酸のグ ループは、フェニルアラニン、チロシン、およびトリプトファンであり;塩基性 側鎖を有するアミノ酸のグループはリジン、アルギニン、およびヒスチジンであ り;そしてイオウ含有側鎖を有するアミノ酸のグループはシステインおよびメチ オニンである。好ましい保存的アミノ酸の置換グループは:バリン-ロイシン-イ ソロイシン、フェニルアラニン-チロシン、リジン-アルギニン、アラニン-バリ ン、およびアスパラギン-グルタミンである。 用語「相同」または「同種(homeologous)」は、ある1本鎖核酸配列が相補的な1 本鎖核酸配列にハイブリダイズし得ることを意味する。ハイブリダイゼーション の程度は配列間の同一性の量およびハイブリダイゼーション条件(例えば、後述 するような温度および塩濃度)を包含する多数の要素に依存し得る。好ましくは 同一な領域は約5bpより多くであり、より好ましくは同一な領域は10bpより多く である。 用語「非相同」は、ある1本鎖核酸配列が別の1本鎖核酸配列またはその相補鎖 にハイブリダイズし得ないことをいう。従って非相同な範囲は、核酸フラグメン トまたはポリヌクレオチドが、別の核酸またはポリヌクレオチドにハイブリダイ ズし得ない範囲または領域を配列中に有することを意味する。このような領域ま たは範囲は、例えば、変異の範囲である。 本明細書で使用される用語「同族」は、種間で進化的におよび機能的に関連付け られる遺伝子配列をいう。これに限定されないが例えば、ヒトゲノムにおいては 、ヒトCD4遺伝子は、マウスCD4遺伝子の同族遺伝子である。なぜならこれらの2 つの遺伝子の配列および構造が、それらが高度に相同であることを示し、そして 両 方の遺伝子がMHCクラスII-制限抗原認識を介してT細胞活性化をシグナルするこ とに機能するタンパク質をコードしているからである。 用語「野生型」は、核酸フラグメントがいかなる変異も含まないことを意味する 。「野生型」タンパク質は、タンパク質が天然において見られる活性のレベルで活 性であり、そして天然において見られるアミノ酸配列を含有することを意味する 。 用語「関連ポリヌクレオチド」は、ポリヌクレオチドの領域または範囲が同一で あり、かつポリヌクレオチドの領域または範囲が非相同であることを意味する。 用語「キメラなポリヌクレオチド」は、ポリヌクレオチドが野生型である領域お よび変異を受けた領域を含むことを意味する。ポリヌクレオチドが、あるポリヌ クレオチドに由来する野生型領域および別の関連ポリヌクレオチドに由来する野 生型領域を含むこともまた意味する。 用語「切断」は、ポリヌクレオチドを酵素で消化することまたはポリヌクレオチ ドを切断することを意味する。 本明細書で使用される用語「集団」は、ポリヌクレオチド、核酸フラグメント、 またはタンパク質のような成分の集合を意味する。「混合集団」は、核酸またはタ ンパク質の同じファミリーに属する(すなわち関連する)が、それらの配列が異な り(すなわち同一ではない)、それゆえそれらの生物学的活性においても異なる成 分の集合を意味する。 用語「特定核酸フラグメント」は、特定の終点を有し、そして特定核酸配列を有 する核酸フラグメントを意味する。2つの核酸フラグメント(ここでは1つの核 酸フラグメントが第2の核酸フラグメントの一部分と同一の配列を有するが、異 なる末端を有する)は、2つの異なる特定核酸フラグメントを包含する。 用語「変異」は、野生型核酸配列の配列における変化、またはペプチドの配列に おける変化を意味する。このような変異は、塩基転位または塩基転換のような点 変異であり得る。変異は欠失、挿入、または重複であり得る。 本明細書で使用されるポリペプチド表記は、標準的な慣習および慣用に従い、 左側方向がアミノ末端方向であり、右側方向がカルボキシ末端方向である。同様 に、他で特定しないかぎり、1本鎖ポリヌクレオチド配列の左側の末端は5'末端 であり;2本鎖ポリヌクレオチド配列の左側方向は5'方向という。新生RNA転写 産物の5'から3'付加の方向を、転写方向といい;RNAと同じ配列を有し、およびR NA転写産物の5'末端の5'側にであるDNA鎖上の配列領域を「上流配列」といい;RNA と同じ配列を有し、およびコードRNAの転写産物の3'末端の3'側にあるDNA鎖上の 配列領域を「下流配列」という。 本明細書で使用される用語「天然に存在する」は、ある物体に適用されるように 、ある物体が天然において見出され得る事実をいう。例えば、供給源から天然に 単離され得、研究室においてヒトにより故意に改変されていない生物(ウイルス を含む)に存在するポリペプチドまたはポリヌクレオチド配列は、天然に存在す る配列である。一般的に、用語天然に存在するは、種に代表的であるような非病 的(非疾患)個体に存在する物体をいう。 本明細書で使用される用語「薬剤」は、化合物、化合物の混合物、場所的に局在 する化合物の配列(例えば、VLSIPSペプチド配列、ポリヌクレオチド配列、およ び/または結合小分子配列)、生体高分子、バクテリオファージのペプチドディ スプレイライブラリー、バクテリオファージ抗体(例えば、scFv)ディスプレイラ イブラリー、ポリソームペプチドディスプレイライブラリー、または細菌、植物 、真菌、または動物(特に哺乳動物)細胞または組織のような生体物質から作製さ れる抽出物を示す。薬剤は、本明細書の以下に記載されるスクリーニングアッセ イに含めることにより、抗新生物剤、抗炎症剤、またはアポトーシスモジュレー ターとしての潜在的活性について評価される。薬剤は、本明細書の以下に記載さ れるスクリーニングアッセイに含めることにより、特定のタンパク質相互作用の インヒビター(すなわち、2つの予め決定されたポリペプチド間の結合相互作用 を選択的に阻害するが、細胞の生存性を実質的に阻害しない薬剤)としての潜在 的活性について評価される。 本明細書て使用されるように、「実質的に純粋な」は、対象種が存在する優勢種 であること(すなわち、モル濃度に基づき、組成において他の任意の個々の高分 子種よりも豊富であること)を意味し、そして好ましくは実質的に精製された画 分は、対象種が、存在する全ての高分子種の少なくとも約50%(モルに基づき)を 含む組成である。一般的には、実質的に純粋な組成物は、組成物中に存在する全 高分子種の約80%〜90%より多くを含有する。最も好ましくは、対象種は本質的に 均質にまで精製され(汚染種が従来の検出方法により組成物中に検出され得ない) 、ここでは組成物は本質的に単一の高分子種からなる。溶媒種、小分子(<500ダ ルトン)、および元素イオン種は高分子種とは見なさない。 本明細書で使用される用語「生理学的条件」は、温度、pH、イオン強度、粘性率 、および同様の生物学的パラメーターであって、これらは生存可能な生物に適合 する、および/または生存可能な酵母培養細胞または哺乳動物培養細胞において 細胞内に代表的に存在する。例えば、代表的な実験培養条件下で増殖される酵母 細胞における細胞内条件は、生理学的条件である。インビトロ転写反応混液に適 切なインビトロ反応条件は、一般的に生理学的条件である。一般に、インビトロ 生理学的条件は50〜200mM NaClまたはKCl、pH6.5〜8.5、20〜45℃、および0.001 〜10mM 2価イオン(例えば、Mg++、Ca++);好ましくは約150mM NaClまたはKCl、 pH7.2〜7.6、5mM 二価カチオンを含有し、そしてしばしは0.01〜1.0%の非特異 的タンパク質(例えば、BSA)を含有する。非イオン性界面活性剤(Tween、NP-40、 Triton X-100)が、通常約0.001%〜2%、代表的には0.05%〜0.2%(v/v)でしばしば 存在し得る。特定の水性条件は従来の方法に従って当業者により選択され得る。 一般的な手引きのために、以下の緩衝化水性条件が適用可能であり得る:10〜25 0mM NaCl、5〜50mM Tris HCl、pH5-8、二価カチオン(1種類または複数)および /または金属キレート剤および/または非イオン性界面活性剤および/または膜 画分および/または消泡剤および/または発光剤(scintillant)の最適な添加を 有する。 本明細書において、特異的ハイブリダイゼーションは、第1のポリヌクレオチ ドと第2のポリヌクレオチド(例えば、第1のポリヌクレオチドと区別されるが 実質的には同一の配列を有するポリヌクレオチド)との間のハイブリッドの形成 として定義され、ここでは、実質的に関連のないポリヌクレオチド配列が混合物 中でハイブリッドを形成しないストリンジェントなハイブリダイゼーション条件 下で、第1のポリヌクレオチドは優先して第2のポリヌクレオチド配列にハイブ リダイズする。 本明細書で使用される用語「単鎖抗体」は、ポリペプチド結合においてVHドメイ ンおよびVLドメインを含むポリペプチドをいい、一般的にスペーサーペプチド (例えば、[Gly- Gly- Gly- Gly-Ser]x)を介して連接され、アミノ末端および/ またはカルボキシ末端で付加的なアミノ酸配列を含み得る。例えば、単鎖抗体は コード化ポリヌクレオチドに結合するために、つなぎ(tether)セグメントを含み 得る。一例として、scFvは、単鎖抗体である。単鎖抗体は一般に、免疫グロブリ ンスーパーファミリーの遺伝子により実質的にコードされる、少なくとも10個の 隣接するアミノ酸の1つ以上のポリペプチドセグメントからなるタンパク質であ る(例えば、The Immunoglobulin Gene Superfamily, A.F.WilliamsおよびA.N.Ba rclay,Immunoglobulin Genes, T.Honjo,F.W.Alt,およびT.H.Rabbitts編(198 9)Academic Press:San Diego,CA,361-387頁(本明細書中に参考として援用さ れる)を参照のこと)。最も頻繁には単鎖抗体は、齧歯類、ヒト以外の霊長類、ト リ、ブタ、ウシ、ヒツジ、ヤギ、またはヒトのH鎖遺伝子配列またはL鎖遺伝子 配列によりコードされる。一般に機能的な単鎖抗体は、免疫グロブリンスーパー ファミリー遺伝子産物の十分な部分を含有しており、特定標的分子(代表的には レセプターまたは抗原(エピトープ))に対する結合特性を保有する。 本明細書で使用されるように、用語「相補性決定領域」および「CDR」は、Kabatお よびChothiaにより例証される技術認識用語である。一般に、CDRの定義は、高頻 度可変領域または高頻度可変ループ(ChothiaおよびLesk(1987)J.Mol.Biol. 19 6 :901;Chothiaら(1989)Nature 342:877;E.A.Kabatら,Sequences of Prot eins Immunological Interest(National Institutes of Health,Bethesda,MD )(1987);およびTramontanoら(1990)J.Mol.Biol. 215:175)としてもまた知 られる。可変領域のドメインは、代表的に、天然に存在する免疫グロブリン鎖の アミノ末端の約105〜115アミノ酸(例えば、アミノ酸1〜110)を含むが、いくら か短いまたは長い可変ドメインはもまた、単鎖抗体の形成に適している。 免疫グロブリンのL鎖可変領域またはH鎖可変領域は、CDRとも呼ばれる3つ の高頻度可変領域により中断される「フレームワーク」領域からなる。フレームワ ーク領域およびCDRの範囲は正確に定義されている(「Sequences of Proteins of Immunological interset」E.Kabatら,第4版,U.S.Department of Health and Human Services,Bethesda,MD(1987)を参照のこと)。異なるL鎖またはH鎖の フレームワーク領域の配列は種内で比較的保存されている。本明細書で使用さ れる「ヒトフレームワーク領域」は、天然に存在するヒト免疫グロブリンのフレー ムワーク領域に実質的に同一(約85%以上、通常は90%〜95%以上)であるフレーム ワーク領域である。抗体のフレームワーク領域(すなわち、構成要素のL鎖およ びH鎖の結合フレームワーク領域)は、CDRの配置および配列に作用する。CDRが 主に、抗原のエピトープへの結合を担う。 本明細書で使用される用語「可変セグメント」は、ランダムな配列、偽似ランダ ムな配列、または規定の核配列を含む新生ペプチドの一部分をいう。可変セグメ ントは、可変領域位置および不変領域位置の両方を含み得、可変領域位置での残 基の変化の程度は制限され得る;両方の選択とも実施者の判断で選択される。代 表的に、可変セグメントは約5〜20アミノ酸残基の長さ(例えば、8〜10アミノ 酸)であるが、可変セグメントはより長くあり得、そして抗体位置またはレセプ ター位置(例えば、抗体フラグメント、核酸結合タンパク質、レセプタータンパ ク質など)を含み得る。 本明細書で使用される「ランダムペプチド配列」は、2つ以上のアミノ酸モノマ ーからなり、確率過程またはランダム過程により構築されるアミノ酸配列をいう 。ランダムなペプチドはフレームワークモチーフまたは骨組みモチーフを含み得 、不変配列を含み得る。 本明細書で使用される「ランダムペプチドライブラリー」は、一セットのランダ ムペプチドをコードするポリヌクレオチド配列のセットをいい、そしてこれらの ポリヌクレオチド配列によりコードされるランダムペプチドのセット、ならびに これらのランダムペプチドを含む融合タンパク質をいう。 本明細書で使用される用語「疑似ランダム」は、限定された可変性を有する配列 のセットをいい、これにより、例えば、ある位置の残基の可変性の程度が別の位 置の残基の可変性の程度と異なる。しかし任意の疑似ランダム位置は、ある程度 の残基の変化を可能にするが、制限される。 本明細書で使用される用語「規定の配列フレームワーク」は、一般的に実験デー タまたは構造データを基礎として、非ランダムに選択される規定の配列のセット をいい;例えば、規定の配列フレームワークは、βシート構造を形成すると予想 されるアミノ酸配列のセットを含み得、または他の変化の間にロイシンジッパー の7個の反復モチーフ、亜鉛フィンガードメインを含み得る。「規定の配列核」は 、可変性の制限範囲を含む配列のセットである。(1)20個の従来のアミノ酸の完 全にランダムな10マーの配列は、(20)10個の配列のいずれでもあり得、そして(2 )20個の従来のアミノ酸の疑似ランダムな10マーの配列は(20)10個の配列のいず れでもあり得るが、特定の位置および/または全体で特定の残基に偏りが表れる のに対し、一方(3)規定の配列核は、それぞれの残基位置が可能である20個の従 来のアミノ酸(および/または可能な比従来型のアミノ酸/イミノ酸)のいずれで もあることが可能とされた場合、可能な配列の最大数よりも少なくなる配列のサ ブセットである。一般に、規定の配列核は、個々の選択されたライブラリーメン バー配列のセグメントまたは全長のいずれかに、可変残基位置および不変残基位 置を含んだり、そして/またはアミノ酸残基の規定のサブセットから選択される 残基を含み得る可変残基位置を包んだりなどする。規定の配列核は、アミノ酸配 列またはポリヌクレオチド配列のいずれかをいい得る。これらに限定されないが 例えば、配列(NNK)10および(NNH)10は、配列核であると定義される(ここでNはA 、T、G、またはCを表し;Kは、GまたはTを表し;およびMはAまたはCを表す)。 本明細書で使用される「エピトープ」は、抗体の可変領域結合ポケットと相互作 用して結合相互作用を形成し得る抗原または他の高分子の一部分をいう。代表的 に、このような結合相互作用はCDRの1つ以上のアミノ酸残基の分子間接触とし て示される。 本明細書で使用される「レセプター」は、所定のリガンドにアフィニティーを有 する分子をいう。レセプターは天然に存在する分子または合成分子であり得る。 レセプターは不変状態においてまたは他の種とともに集合体として使用され得る 。レセプターは、共有結合的または非共有結合的に、直接または特異的な結合物 質を介してのいずれかで、結合メンバーに付着され得る。レセプターの例は、抗 体(特定の抗原決定基(例えば、ウイルス、細胞、または他の物質)と反応するモ ノクロール抗体および抗血清を包含する)、細胞膜レセプター、炭水化物および 糖タンパク質の複合体、酵素、およびホルモンレセプターを包含するがこれらに 限定されない。 本明細書で使用される「リガンド」は、ランダムペプチド配列または可変セグメ ント配列のような、特定のレセプターで認識される分子をいう。当業者の認識す るところによれば、分子(または高分子複合体)は、レセプターおよびリガンドの 両方であり得る。一般的に、小分子量を有する結合対をリガンドといい、そして 大きな分子量を有する結合対をレセプターという。 本明細書て使用される「リンカー」または「スペーサー」は、2つの分子(例えば 、DNA結合タンパク質およびランダムペプチド)を結合させる分子または分子のグ ループをいい、そして好ましい配置にその2つの分子を置くように供せられる。 これにより、例えば、ランダムペプチドは、DNA結合タンパク質から最少の立体 障害でレセプターに結合し得る。 本明細書で使用される用語「作動可能に連結される」は、機能的関係におけるポ リヌクレオチド要素の連結をいう。核酸が、別の核酸配列と機能的関係に置かれ る場合、核酸は「作動可能に連結される」。例えば、プロモーターまたはエンハン サーが、コード配列の転写に影響する場合、これはコード配列に作動可能に連結 される。作動可能に連結されるとは、代表的に、連結されるDNA配列が隣接され ることを意味し、2つのタンパク質コード領域を接続することが必要である場合 、隣接されかつリーディングフレーム内にある。方法論 核酸再編成は、インビトロまたはインビボにおいて核酸フラグメントまたはポ リヌクレオチドのプールを相同組換えする方法である。関連核酸配列またはポリ ヌクレオチドの混合物をランダムにフラグメント化し、そして再組立して、組換 え核酸分子またはポリヌクレオチドのライブラリーまたは混合集団を生じる。 カセット変異誘発とは対照に、再編成および誤りがちなPCRのみが、(プライマ ー以外の配列情報を用いずに)盲目的に配列のプールを変異させる。 反復選択について誤りがちなPCRのみよりも優れる本発明の変異性再編成の利 点は、抗体工学からの例を用いて最も良く説明され得る。図1に、本明細書で記 載されるDNA再編成の概略図が示される。開始ライブラリーは多様な起源の関連 配列(すなわち、天然mRNA由来の抗体)からなり得、または単一抗体遺伝子の任意 の型の変異誘発(再編成を包含する)により得られ得る。選択される相補性決定領 域(「CDR」)の集合は、一回目のアフィニティー選択後に得られる(図1)。図にお いて、太いCDRは、抗体分子に抗原への増加したアフィニティーを与える。再編 成は、全てのCDR1と全てのCDR2および全てのCDR3などとの自由な組み合わせの 結合を可能にする(図1)。 この方法は、逆鎖反応である点でPCRとは異なる。PCRでは、ポリメラーゼの開 始部位の数および分子の数は指数関数的に増加する。しかし、ポリメラーゼ開始 部位の配列および分子の配列は本質的に同じである。反対に、ランダムフラグメ ントの核酸再組立または再編成では、開始部位の数およびランダムフラグメント の数(サイズではない)は、時間がたつと減少する。全プラスミドに由来するフラ グメントについて、理論上の終点は、単一の大きな鎖状分子である。 相同な領域で交差が生じるので、組換えは主に同じ配列ファミリーのメンバー 間で生じる。このことは、ひどく不適合性である(例えば、同じ抗原の異なるエ ピトープに対する)CDRの組み合わせを防止する。配列の多数のファミリーが同じ 反応において再編成され得ることが意図される。さらに、再編成は相対的順位を 保存するので、例えば、CDR1は、CDR2の位置では見出されない。 優れた再編成体は多数の最も良い(例えば、最も高いアフィニティーの)CDRを 含み、そしてこれらの優れた再編成体はそれらの優れたアフィニティーに基づい て選択され得る(図1)。 100個の異なる選択される抗体配列のプールに由来するCDRは、1006通りまで順 序変えされ得る。この多数の順序変えはDNA配列の単一ライブラリーでは表し得 ない。従って、DNA再編成および選択の多数のサイクルは、配列の長さおよび所 望の配列の多様性に依存して要求され得ることが意図される。 反対に、誤りがちなPCRは全ての選択されるCDRを同じ関連配列中に保ち(図1) 、よりずっと小さな変異曇りを生成する。 本発明の方法において使用され得る鋳型ポリヌクレオチドはDNAまたはRNAであ り得る。それは、組換えまたは再組立される遺伝子またはDNAフラグメントの大 きさに依存して種々の長さであり得る。好ましくは、鋳型ポリヌクレオチドは50 bp〜50kbである。目的のタンパク質をコードする核酸を含有する完全なベクター が、本発明の方法において使用され得ることが意図され、そして実際に首尾良く 使用されている。 鋳型ポリヌクレオチドは、PCR反応(米国特許第4,683,202号および第4,683,195 号)または他の増幅方法またはクローニング方法を使用する増幅により得られ得 る。しかし、フラグメント化する前にPCR産物から遊離プライマーを除去すると 、より効率的な結果が提供される。プライマーの十分な除去を損なうと、低頻度 の交差クローンを導き得る。 鋳型ポリヌクレオチドはしばしば、2本鎖であるべきである。2本鎖核酸分子 は、得られる1本鎖核酸フラグメントの領域が互いに相補的で、従って、ハイブ リダイズして2本鎖分子を形成し得ることを確実にすることが要求される。 鋳型ポリヌクレオチドに同一な領域および鋳型ポリヌクレオチドに非相同な領 域を有する1本鎖または2本鎖核酸フラグメントが、この工程で、鋳型ポリヌク レオチドに添加され得ることが意図される。2つの異なるが関連したポリヌクレ オチド鋳型がこの工程で混合され得ることもまた意図される。 2本鎖ポリヌクレオチド鋳型および任意の添加される2本鎖フラグメントまた は1本鎖フラグメントは、約5bp〜5kb以上のフラグメントにランダムに消化さ れる。好ましくは、ランダムフラグメントの大きさは10bp〜1000bpであり、より 好ましくはDNAフラグメントの大きさは約20bp〜500bpである。 あるいは、多数のニックを有する2本鎖核酸は、本発明の方法において使用さ れ得る。ニックは2本鎖核酸の1本鎖における切れ目である。このようなニック 間の距離は好ましくは5bp〜5kbであり、より好ましくは10bp〜1000bpの間であ る。 核酸フラグメントは多数の異なる方法により消化され得る。核酸フラグメント はヌクレアーゼ(例えは、DNアーゼIまたはRNアーゼ)を用いて消化され得る。核 酸は、超音波処理方法によりまたは小穴を有するチューブの通過によりランダム に剪断され得る。 核酸が1つ以上の制限酵素を用いて部分的に消化され得、これにより特定の交 差点が統計的に保持され得ることもまた意図される。 任意の1つの特定核酸フラグメントの濃度は、全核酸の1重量%より大きいこ とはなく、より好ましくは、任意の1つの特定核酸フラグメントの濃度は、全核 酸の0.1重量%より大きいことはない。 混合物における異なる特定核酸フラグメントの数は少なくとも約100個であり 、好ましくは少なくとも500個であり、そしてより好ましくは少なくとも約1000 個である。 この工程で、1本鎖核酸フラグメントまたは2本鎖核酸フラグメントは、合成 または天然のいずれかで、核酸フラグメントの混合物の不均一性を増加するため に、ランダムな2本鎖核酸フラグメントに添加され得る。 2本鎖のランダムに切断された核酸フラグメントの集団が、この工程で混合さ れ得、または組み合わされ得ることもまた意図される。 鋳型ポリヌクレオチドへの変異の挿入が所望される場合、鋳型ポリヌクレオチ ドに同一な領域および鋳型ポリヌクレオチドに非相同な領域を有する1本鎖核酸 フラグメントまたは2本鎖核酸ラグメントは、全核酸に比べて20重量倍過剰に、 より好ましくは1本鎖核酸フラグメントが全核酸に比べて10重量倍過剰に添加さ れ得る。 異なるが関連した鋳型ポリヌクレオチドの混合物が所望される場合、鋳型のそ れぞれに由来する核酸フラグメントの集団が約1:100より少ない比率で組み合わ され得、より好ましくは、比率は約1:40より小さい。例えば、野生型ポリヌクレ オチドと変異ポリヌクレオチドの集団との戻し交雑が、中立変異(例えば、選択 される表現型の特性において実質のない変化を生じる変異)を除去するために所 望され得る。このような例では、ランダム消化変異ポリヌクレオチドフラグメン トに添加され得るランダム消化野生型ポリヌクレオチドフラグメントの比率は約 1:1から約100:1であり、そしてより好ましくは1:1から40:1である。 ランダム核酸フラグメントの混合集団は、変性されて1本鎖核酸フラグメント を形成し、次いで再びアニールされる。他の1本鎖核酸フラグメントに相同な領 域を有するこれらの1本鎖核酸フラグメントのみが、再びアニールされる。 ランダム核酸フラグメントは熱を加えることにより変性される。当業者は完全 に2本鎖核酸を変性するために必要な条件を決定し得る。好ましくは、温度は80 ℃〜100℃であり、より好ましくは温度は90℃〜96℃である。核酸フラグメント を変性するために使用され得る他の方法は、圧力(36)およびpHを包含する。 核酸フラグメントは冷却することにより再びアニールされ得る。好ましくは、 温度は20℃〜75℃であり、より好ましくは温度は40℃〜65℃である。高頻度の交 差が、平均して単に4つの連続した相同な塩基に基づいて必要される場合、組換 えは低いアニール温度を使用することにより増強され得るが、プロセスはより困 難になる。生じる再生の程度は、1本鎖核酸フラグメントの集団間の相同性の程 度に依存する。 再生はポリエチレングリコール(「PEG」)または塩の添加により加速され得る。 塩濃度は好ましくは0mM〜200mMであり、より好ましくは塩濃度は10mM〜100mMで ある。塩はKClまたはNo.Clであり得る。PEGの濃度は好ましくは0%〜20%であり 得、より好ましくは5%〜10%であり得る。 次に、アニールされた核酸フラグメントは、核酸ポリメラーゼおよびdNTP(す なわち、dATP、dCTP、dGTP、およびdTTP)の存在下でインキュベートされる。核 酸ポリメラーゼは、Klenowフラグメント、Taqポリメラーゼ、または当該分野に おいて知られる任意の他のDNAポリメラーゼであり得る。 再組立に使用されるアプローチは、それでもなお交差が生じるような最少の程 度の相同性に依存する。同一である範囲が広い場合、Taqポリメラーゼが45℃〜6 5℃の間のアニール温度を用いて使用され得る。同一である範囲が小さな場合、K lenowポリメラーゼが、20℃〜30℃の間のアニール温度を用いて使用され得る。 当業者は達成される交差の数を増加するためにアニールの温度を変化させ得る。 ポリメラーゼはアニーリングの前、アニーリングと同時に、またはアニーリン グの後にランダム核酸フラグメントに添加され得る。 ポリメラーゼの存在下での変性、再生、およびインキュベーションのサイクル は、本明細書では、核酸の再編成または再組立という。このサイクルは所望の回 数反復される。好ましくは、サイクルは2回〜50回反復され、より好ましくは10 回〜40回反復される。 得られる核酸は、約50bp〜約100kbのより大きな2本鎖ポリヌクレオチドであ り、好ましくはより大きなポリヌクレオチドは500bp〜50kbである。 このより大きなポリヌクレオチドフラグメントは、鋳型ポリヌクレオチドと同 じ大きさを有する核酸フラグメントの多くのコピーを直列して含有し得る。次い で、この鎖状フラグメントは鋳型ポリヌクレオチドの単一コピーに消化される。 結果は鋳型ポリヌクレオチドとほぼ同じ大きさの核酸フラグメントの集団である 。同一な範囲および非相同な範囲を有する1本鎖核酸フラグメントまたは2本鎖 核酸フラグメントが、再編成の前に鋳型ポリヌクレオチドに添加される場合、集 団は混合集団である。 次いで、これらのフラグメントは適切なベクターにクローン化され、そして細 菌を形質転換するためにライゲーション混合液が使用される。 単一の核酸フラグメントは、鎖状フラグメントを消化するのではなく、種々の 方法(PCR(米国特許第4,683,195号および4,683,202号)を包含する)によりクロー ン化される前に単一の核酸フラグメントを増幅することにより、より大きな鎖状 核酸フラグメントから得られ得ることが意図される。 クローン化に使用されるベクターは、ベクターが所望の大きさのDNAフラグメ ントを受容するのであれば決定的なものではない。DNAフラグメントの発現が所 望される場合、クローン化媒体は、宿主細胞におけるDNAフラグメントの発現を 可能にするように、DNAフラグメントの挿入部位の隣に転写シグナルおよび翻訳 シグナルをさらに含有する。好ましいベクターは、プラスミドのpUC系列およびp BR系列を包含する。 得られる細菌集団は、ランダムな変異を有する多くの組換えDNAフラグメント を含む。この混合集団は、所望の組換え核酸フラグメントを同定するために試験 され得る。選択の方法は所望のDNAフラグメントに依存する。 例えば、リガンドへの結合効率が増加されたタンパク質をコードするDNAフラ グメントが所望される場合、集団またはライブラリーにおいてそれぞれのDNAフ ラグメントにより発現されるタンパク質は、当該分野において公知の方法(すな わち、パンニング、アフィニティークロマトグラフィー)により、リガンドに結 合するそれらの能力について試験され得る。増加した薬物耐性を有するタンパク 質をコードするDNAフラグメントが所望される場合、集団またはライブラリーに おいてそれぞれのDNAフラグメントにより発現されるタンパク質は、宿主生物に 薬物耐性を与えるそれらの能力について試験され得る。所望されるタンパク質の 知識を与えられた当業者であれば、タンパク質に所望の特性を与えるDNAフラグ メントを同定するために、集団を容易に試験し得る。 当業者が、タンパク質のフラグメントがファージ表面上で融合タンパク質とし て発現されるようなファージディスプレイシステム(Pharmacia,Milwaukee WI) を使用し得ることが意図される。組換えDNA分子は、融合タンパク質(その一部分 は組換えDNA分子によりコードされる)の転写を生じるような部位で、ファージDN Aへクローン化される。組換え核酸分子を含有するファージは、細胞内で複製お よび転写を行う。融合タンパク質のリーダー配列は、融合タンパク質の輸送をフ ァージ粒子の先端部へと導く。従って、組換えDNA分子により部分的にコードさ れる融合タンパク質は、上記の方法による検出および選択のために、ファージ粒 子上にディスプレイされる。 核酸再編成の多くのサイクルが、第1の集団のサブ集団からの核酸フラグメン トを用いて実施され得ることがさらに意図され、サブ集団は所望の組換えタンパ ク質をコードするDNAを含む。このようにして、さらに高い結合アフィニティー または酵素活性を有するタンパク質が達成され得る。 核酸再編成の多くのサイクルが、サブ集団から任意のサイレント変異を取り除 くために、野生型核酸フラグメントおよび一回目のまたはそれに続く核酸再編成 に由来する核酸のサブ集団の混合物を用いて実施され得る。 核酸の任意の供給源が、精製された形態で出発核酸として利用される。従って 、プロセスはDNAまたはRNA(メッセンジャーRNAを含む)を使用し得、DNAまたはRN Aは、1本鎖または2本鎖であり得る。さらに、それぞれの片鎖を含むDNA-RNAの ハイブリッドが使用され得る。核酸配列は、変異される核酸配列の大きさに依存 して種々の長さであり得る。好ましくは、特定核酸配列は50〜50000塩基対であ る。目的のタンパク質をコードする核酸を含有する完全なベクターが本発明の方 法において使用され得ることが意図される。 核酸は任意の供給源から得られ得、例えば、pBR322のようなプラスミドから、 クローン化されたDNAまたはRNAから、または任意の供給源(細菌、酵母、ウイル スおよび植物または動物のような高等生物を含む)に由来する天然のDNAまたはRN Aから得られ得る。DNAまたはRNAは、血液または組織物質から抽出され得る。鋳 型ポリヌクレオチドはポリメラーゼ連鎖反応(PCR)(米国特許第4,683,202号およ び4,683,195号)を使用する増幅により得られ得る。あるいは、ポリヌクレオチド は細胞に存在するベクターに存在し得、そして十分な核酸が、細胞を培養し、そ して細胞から当該分野で公知の方法により核酸を抽出することにより得られ得る 。 任意の特定核酸配列が、本プロセスにより変異の集団を生成するために使用さ れ得る。特定核酸配列の変異配列の小さな集団が存在することまたは本プロセス の前に作製されることのみが必要とされる。 変異を有する特定核酸配列の初めの小さな集団が、多くの異なる方法により作 製され得る。変異は誤りがちなPCRにより作製され得る。誤りがちなPCRは、長い 配列にわたり、ランダムに低レベルで点変異を誘導するために、低忠実度の重合 条件を使用する。あるいは、オリゴヌクレオチドに特異的に変異を誘発すること により、変異は鋳型ポリヌクレオチドに導入され得る。オリゴヌクレオチドに特 異的に変異を誘発するにおいて、ポリヌクレオチドの短い配列が、制限酵素消化 を使用してポリヌクレオチドから除去され、そして種々の塩基が元の配列から変 化された合成オリゴヌクレオチドで置き換えられる。ポリヌクレオチド配列はま た、化学変異誘発により変化させられ得る。化学変異誘発物質は、例えば、重亜 硫酸ナトリウム、亜硝酸、ヒドロキシルアミン、ヒドラジン、またはギ酸を包含 する。ヌクレオチド前駆体のアナログである他の薬剤は、ニトロソグアニジン、 5-ブロモウラシル、2-アミノプリン、またはアクリジンを包含する。一般的に、 これらの薬剤はヌクレオチド前駆体の代わりにPCR反応に添加され、それゆえ配 列を変異させる。プロフラビン、アクリフラビン、キナクリンなどのような挿入 剤もまた使用され得る。ポリヌクレオチド配列のランダム変異誘発は、X線また は紫外線光を用いる照射によっても達成され得る。一般に、そのように変異が誘 発されたプラスミドDNAフラグメントまたはDNAフラグメントは、E.coliへ導入さ れ、そして変異のプラスミドのプールまたはライブラリーとして増殖される。 あるいは、特定核酸の小さな混合集団は、天然において見出され得うる。なぜ ならそれらが同じ遺伝子の異なる対立遺伝子、または異なる関連種に由来する同 じ遺伝子(すなわち、同族遺伝子)からなり得るからである。あるいは、特定核酸 配列の小さな混合集団は、1つの種(例えば、免疫グロブリン遺伝子)内に見出さ れる関連DNA配列であり得る。 一旦、特定核酸配列の混合集団が生成されたら、ポリヌクレオチドは、当業者 に周知の技術を使用して直接使用され得るか、または適切なクローニングベクタ ーに挿入され得る。 ベクターの選択はポリヌクレオチド配列の大きさ、および本発明の方法におい て使用される宿主細胞に依存する。本発明の鋳型はプラスミド、ファージ、コス ミド、ファージミド、ウイルス(例えば、レトロウイルス、パラインフルエンザ ウイルス、ヘルペスウイルス、レオウイルス、パラミキソウイルスなど)、また はその選択部分(例えば、コートタンパク質、スパイク糖タンパク質、キャプシ ドタンパク質)であり得る。例えば、変異特定核酸配列がより大きい場合、コス ミドおよびファージミドが好ましい。なぜならこれらのベクターは大きな核酸フ ラグメントを安定に増殖し得るからである。 特定核酸配列の混合集団がベクターにクローン化される場合、それぞれのベク ターを宿主細胞に挿入し、そして宿主細胞にベクターを増殖させることにより、 特定核酸配列の混合集団はクローン的に(clonally)増幅され得る。このことはク ローン増幅(clonal amplification)と呼ばれる。なぜなら核酸配列の絶対数は増 加されるが、変異体の数は増加しないからである。有用性 本発明のDNA再編成方法は、未知の配列のプール上で盲目的に実施され得る。 再組立の混合オリゴヌクレオチド(再組立される配列に相同である末端を有する) を添加することにより、任意の配列混合物が任意の特定位置で別の配列混合物中 に取り込まれ得る。従って、合成オリゴヌクレオチド、PCRフラグメント、また は全遺伝子の混合物が、規定の位置で別の配列ライブラリーへ混合され得る。1 つの配列(混合物)の挿入は、鋳型の別の部分における配列の挿入から独立する。 従って、組換えの程度、要求される相同性の程度、およびライブラリーの多様性 の程度は、再組立されるDNAの長さに従って独立してまたは同時に変化され得る 。 2つの遺伝子を混合するこのアプローチは、マウスハイブリドーマ由来の抗体 をヒト化するために有用であり得る。2つの遺伝子を混合するアプローチまたは 変異配列を遺伝子へ挿入するアプローチは、任意の治療学的に使用されるタンパ ク質(例えば、インターロイキンI、抗体、tPA、成長ホルモンなど)のために有用 であり得る。このアプローチは、任意の核酸(例えば、プロモーター、またはイ ントロン、または遺伝子の3'非翻訳領域または5'非翻訳領域)において、発現を 増加するためにまたはタンパク質の発現特異性を変えるためにもまた有用であり 得る。このアプローチはまた、リボザイムまたはアプタマー(aptamer)を変異す るためにもまた使用され得る。 再編成は、多様な領域を分離する相同な領域の存在を要求する。スカホールド 様タンパク質構造は、特に再編成に適し得る。保存されるスカホールドは、自己 会合により全体の折り畳みを決定するが、特異的結合を媒介する相対的に制限さ れないループをディスプレイする。このようなスカホールドの例は、免疫グロブ リンβバレル、および4ヘリックス束である(24)。この再編成は、結合について 変異配列の種々の組み合わせを有するスカホールド様タンパク質を作製するため に、使用され得る。 インビトロにおける再編成 同等のいくつかの標準的な遺伝子交配もまた、インビトロにおける再編成によ り実施され得る。例えば、「分子戻し交雑」は、目的の変異について選択しながら 、変異体の核酸と野生型核酸との混合を反復することにより実施され得る。従来 の育種におけるように、このアプローチは異なる供給源に由来する表現型を選択 されたバックグランドに組み合わせるために使用され得る。これは、例えば、選 択されない特徴(すなわち、免疫原性)に影響する中立変異を除去するために有用 である。従って、このアプローチは、タンパク質におけるどの変異が増強される 生物学的活性に関連するか関連しないかを決定するために有用であり得、誤りが ちな変異誘発方法またはカセット変異誘発方法により達成され得ない利点を決定 するために有用であり得る。 大きな機能的遺伝子は、小さなランダムフラグメントの混合物から正確に組立 され得る。この反応は、化石の高度にフラグメント化されたDNAから遺伝子を再 組立するために有用であり得る(25)。さらに、化石に由来するランダムな核酸フ ラグメントは、関連種に由来する類似遺伝子からの核酸フラグメントとともに組 み合わせられ得る。 本発明の方法は、種々の研究および診断的適用に必要とされるように、単一の 細胞から全ゲノムを、インビトロにおいて増幅するために使用され得る。PCRに よるDNA増幅は、実際、約40kbの長さに制限される。PCRによりE.coli(5,000kb) のような全ゲノムを増幅することは、125個の40kbのフラグメントを生じる約250 のプライマーを必要とする。このアプローチは、十分な配列データが利用できな いために実用的ではない。反対に、DNアーゼIを用いるゲノムのランダムな消化 、それに続く小フラグメントのゲル精製は、多数の可能なプライマーを提供する 。PCR反応においてこのランダム小フラグメントの混合物をプライマーとして単 独でまたは鋳型としての全ゲノムと共に使用すると、理論上、ゲノムの多くのコ ピーを含む単一の鎖状体を終点とする逆鎖反応が生じる。 ランダムフラグメントのみが使用される場合、コピー数において100倍の増幅 および50kbより大きい平均フラグメントサイズが得られ得る(実施例2を参照の こと)。より大きな鎖状体が、多くの小フラグメントの重複により生成されると 考えられる。合成プライマーを使用して得られる特定PCR産物の質は、増幅され ないDNAから得られる産物と区別されない。このアプローチはゲノムのマッピン グに有用であると期待される。 再編成されるポリヌクレオチドは、実施者の判断で、ランダムにまたは非ラン ダムにフラグメント化され得る。 インビボにおける再編成 インビボにおける再編成の1つの実施態様において、特定核酸配列の混合集団 は、各宿主細胞において、少なくとも2つの異なる核酸配列が存在する条件下で 、細菌細胞または真核細胞へ導入される。フラグメントは種々の異なる方法によ り、宿主細胞へ導入され得る。宿主細胞は、当業者に公知の方法(例えば、塩化 カルシウムを用いる処理)を使用してフラグメントで形質転換され得る。フラグ メントがファージゲノムに挿入される場合、宿主細胞は特定核酸配列を有する組 換えファージゲノムを用いてトランスフェクトされ得る。あるいは、核酸配列は 、エレクトロポレーション、トランスフェクション、リポフェクション、バイオ リス ティック(biolistic)、接合などを用いて宿主細胞へ導入され得る。 一般的に、この実施態様において、特定核酸配列は、宿主細胞において配列を 安定に複製し得るベクター中に存在する。さらに、ベクターを有する宿主細胞が 選択され得るように、ベクターがマーカー遺伝子をコードすることが意図される 。このことは、変異特定核酸配列が、宿主細胞へ導入された後に回収され得るこ とを確実にする。しかし、特定核酸配列の完全な混合集団がベクター配列上に存 在する必要がないことが意図される。むしろ、宿主細胞にフラグメントを導入し た後に、各宿主細胞が、少なくとも1つのそこに存在する特定核酸配列を有する 1つのベクターを含有することを確実にするために、十分な数だけの配列がベク ターにクローン化される必要がある。特定核酸配列の集団のサブセットをベクタ ーへクローン化させるよりも、このサブセットは宿主細胞に、すでに安定に組み 込まれ得ることもまた、意図される。 同一の領域を有する2つのフラグメントが、宿主細胞へ挿入される場合、2つ のフラグメント間に相同組換えが生じることが見出された。2つの変異特定核酸 配列間のこのような組換えで、いくつかの状況において二重変異体または三重変 異体を生じる。 いくつかの変異特定核酸配列が、直鎖上の核酸分子上に存在する場合、組換え の頻度が増加されることもまた見出された。従って、好ましい実施態様では、い くつかの特定核酸配列が直鎖状核酸フラグメント上に存在する。 形質転換の後に、宿主細胞形質転換体は、所望の特質を有する変異特定核酸配 列を含有するこれらの宿主細胞形質転換体を同定するために選択下におかれる。 例えば、特定の薬物に対して増加される耐性が所望される場合、形質転換された 宿主細胞は、特定の増加した薬物濃度を受け得、そして増加する薬物耐性を与え 得る変異タンパク質を産生する形質転換体が、選択され得る。特定タンパク質が レセプターに結合する能力の増強が所望される場合、タンパク質の発現は形質転 換体から誘導され得、そして得られるタンパク質は当業者に公知の方法によるリ ガンド結合アッセイにおいてアッセイされ、リガンドに対して増強される結合を 示す変異集団のサブセットを同定する。あるいは、タンパク質は、適切なプロセ シングを確実にするように、別のシステムにおいて発現され得る。 一旦、所望される特徴を有する第1の組換え特定核酸配列(娘配列)のサブセッ トが同定されると、次いで、それらは2回目の組換えを受ける。 組換えの2回目のサイクルにおいて、組換え特定核酸配列は、元の変異特定核 酸配列(親配列)とともに混合され得、そして上記のようにサイクルが反復され得 る。この方法では、増強される特性を有するかまたは増強される特性を有するタ ンパク質をコードする第2の組換え特定核酸配列のセットが同定され得る。この サイクルは所望される多数回反復され得る。 第2のまたはそれに続く組換えサイクルにおいて、戻し交雑が実施され得るこ ともまた意図される。分子の戻し交雑は、所望の特定核酸配列を多数の野生型配 列と混合することにより実施され得、それにより少なくとも1つの野生型核酸配 列および変異核酸配列が、形質転換後に、同じ宿主細胞中に存在する。野生型特 定核酸配列を用いる組換えは、免疫原性のような選択されない特徴に影響し得る が、選択される特徴には影響し得ないそれらの中立変異を除去する。 本発明の別の実施態様において、一回目の間、宿主細胞へ導入する前に、特定 核酸配列のサブセットがフラグメント化され得ることが意図される。フラグメン トの大きさは、他の配列と相同組換えできるように、他の配列に同一ないくつか の領域を含むのに十分な大きさでなくてはならない。フラグメントの大きさは0. 03kb〜100kbの範囲であり、より好ましくは0.2kb〜10kbの範囲である。それに続 くラウンドにおいて、以前のラウンドから選択される配列以外の全ての特定核酸 配列は、宿主細胞へ導入する前に切断されてフラグメント化され得る。 配列のフラグメント化は、当該分野において公知の種々の方法により達成され 得る。配列は、核酸配列中、ランダムにフラグメント化され得るか、または特定 部位でフラグメント化され得る。ランダムフラグメントは核酸の切断により、ま たは核酸を過酷な物理的処理(例えば、剪断または放射線照射)または過酷な化学 剤(例えば、遊離ラジカル;金属イオン;脱プリン;および切断するための酸処 理による)に核酸を曝露することにより得られ得る。DNAの場合、DNアーゼまたは 同様のヌクレアーゼを使用することによってもまた、ランダムフラグメントが得 られ得る。配列は、制限酵素の使用により、特定部位で切断され得る。フラグメ ント化配列は、1本鎖または2本鎖であり得る。配列が、本来1本鎖である場合 、 宿主細胞に挿入する前に、それらは熱、化学物質、または酵素で変性され得る。 核酸の鎖を分離するために適切な反応条件は、当該分野において周知である。 このプロセスの工程は、限界なく反復され得、達成され得る可能な変異体の数 によってのみ、制限される。一定の数のサイクル後、全ての可能な変異体が達成 され、そしてさらなるサイクルは余分になる。 ある実施態様において、同じ変異鋳型核酸が繰り返し組換えされて、そして得 られる組換え体が所望の特徴について選択される。 それゆえ、変異鋳型核酸の初めのプールまたは集団は、E.coliのような細菌に おいて複製可能なベクターへクローン化される。E.coliにおいて自律複製し得る かぎり、特定のベクターは必須ではない。好ましい実施態様において、ベクター は、ベクターに連結される変異特定核酸によりコードされる任意のタンパク質の 発現および生成を可能にするように設計される。ベクターが選択可能なマーカー をコードする遺伝子を含有することもまた、好ましい。 変異核酸配列のプールを含有するベクターの集団は、E.coli宿主細胞へ導入さ れる。ベクターの核酸配列は形質転換、トランスフェクションまたはファージの 場合は感染により導入され得る。細菌に形質転換するために使用されるベクター の濃度は、多くのベクターが各細胞へ導入され得る程度である。一旦、細胞中に 存在すると、相同組換えの効率は、相同組換えが種々のベクター間で生じる程度 である。このことにより、元の親変異配列と異なる変異の組み合わせを有する変 異体(娘)を生成する。 次いで、宿主細胞はクローン的に複製され、ベクター上に存在するマーカー遺 伝子について選択される。プラスミドを有するこれらの細胞のみが、選択下で増 殖する。 次いで、ベクターを含む宿主細胞は、好ましい変異の存在について試験される 。このような試験は、例えば、選択される遺伝子が改良される薬物耐性遺伝子で ある場合、細胞を選択圧下におくことからなり得る。ベクターが変異核酸配列に よりコードされるタンパク質の発現を可能にする場合、このような選択はコード されるタンパク質の発現を可能にし、タンパク質を単離し、そして、例えば、増 加された効率で目的のリガンドに結合するかどうかを決定するためにタンパク質 を 試験することを包含し得る。 一旦、所望の特徴を与える特定の娘変異核酸配列が同定されると、核酸は、す でにベクターに連結されているかまたはベクターから分離されているかのいずれ かで単離される。次いで、この核酸は核酸の第一集団または親集団と混合され、 そしてサイクルが反復される。 本方法により増強された所望の特性を有する核酸配列が選択され得ることが示 される。 別の実施態様において、変異体の第一世代は細胞内に保持され、親変異配列が 再び細胞に添加される。従って、実施態様Iの第一サイクルは上記のように実施 される。しかし、娘核酸配列が同定された後、これらの配列を含む宿主細胞が保 持される。 親の変異特定核酸集団は、フラグメントとしてまたは同じベクターへクローン 化されるかのいずれかで、既に娘核酸を含む宿主細胞へ導入される。組換えを細 胞において生じさせ、次世代の組換え体、または子孫が上記の方法により選択さ れる。 このサイクルは、所望の特徴を有する核酸またはペプチドが得られるまで、多 数回反復され得る。続くサイクルにおいて、好ましい変異体に添加される変異配 列の集団が、親変異体または任意の次の世代から生じ得る。 別の実施態様において、本発明は、任意の中立変異を除去するために、得られ る組換え特定核酸の「分子」戻し交雑を実施する方法を提供する。中立変異は、核 酸またはペプチドに所望の特性を与えない変異である。しかし、このような変異 は核酸またはペプチドに所望でない特徴を与え得る。従って、このような中立変 異を除去することが望ましい。本発明の方法は、そのように行う手段を提供する 。 この実施態様において、所望の特徴を有する変異体核酸が実施態様の方法によ り得られた後、核酸、核酸を有するベクター、またはベクターおよび核酸を含有 する宿主細胞が単離される。 次いで、核酸またはベクターはかなり過剰な野生型核酸とともに宿主細胞へ導 入される。変異体の核酸および野生型配列の核酸を、組換えに供する。得られる 組換え体は、変異体核酸と同じ選択下に置かれる。所望の特徴を有するこれらの 組換え体のみが選択される。所望の特徴を与えない任意のサイレント変異は野生 型DNAとの組換えを介して失われる。このサイクルは、全てのサイレント変異が 除去されるまで、多数回反復され得る。 従って、本発明の方法は、分子戻し交雑において、不必要な変異またはサイレ ント変異を除去するために使用され得る。有用性 本発明のインビボにおける組換え方法は、未知の変異体のプールまたは特定核 酸フラグメントまたは配列の対立遺伝子上で盲目的に実施され得る。しかし、特 定核酸フラグメントの実際のDNAまたはRNA配列を知る必要はない。 遺伝子の混合集団内で組換えを使用するアプローチは、任意の有用なタンパク 質(例えば、インターロイキンI、抗体、tPA、成長ホルモンなど)を生成するため に有用であり得る。本アプローチは、変化された特異性または活性を有するタン パク質を生成するために使用され得る。本アプローチは変異体核酸配列(例えば 、プロモーター領域、イントロン、エキソン、エンハンサー配列、遺伝子の3'非 翻訳領域または5'非翻訳領域)を生成するために有用であり得る。従って、本ア プローチは増加された発現率を有する遺伝子を生成するために使用され得る。本 アプローチは、反復性DNA配列の研究においてもまた有用であり得る。最後に本 アプローチは、リボザイムまたはアプタマーを変異させるのに有用であり得る。 タンパク質における多様性の領域を分離するスカホールド様領域は、本発明の 方法に特に適切であり得る。保存されたスカホールドは、自己結合により全体の 折り畳みを決定するが、特異的結合を媒介する比較的制限されていないループを ディスプレイする。このようなスカホールドの例は、免疫グロブリンβバレル、 および4へリックス束である。本発明の方法は、結合について変異配列の種々の 組み合わせを有するスカホールド様タンパク質を作製するために使用され得る。 いくつかの標準的な遺伝交配の等価物がまた、本発明の方法により実施され得 る。例えば、「分子」戻し交雑は、目的の変異を選択しながら、変異体の核酸を野 生型の核酸と繰り返し混合することにより実施され得る。従来の育種におけるよ うに、本アプローチは異なる供給源に由来する表現型を選択されるバックグラン ドへ組み合わせるために使用され得る。本アプローチでは、例えば、選択されな い特徴(例えば、免疫原性)に影響する中立変異を除去するために有用である。従 って、本アプローチは、タンパク質のどの変異が増強された生物学的活性に関連 するか、そしてどの変異が関連しないかを決定するために有用であり得る。 ペプチドディスプレイ法 本方法は、開示された方法のいずれかによるインビトロおよび/またはインビ ボにおける組換えにより、および任意の組み合わせで、ペプチドディスプレイ法 により選択されるポリヌクレオチド配列を再編成するために使用され得、ここで は会合されたポリヌクレオチドは、表現型(例えば、予め決定されたレセプター( リガンド)に対するアフィニティーについて)についてスクリーニングされるディ スプレイされたペプチドをコードする。 生物薬剤の開発および分子生物学の増々重要な局面は、生体高分子と相互作用 するペプチドまたはペプチド疑似体のペプチド構造(アミノ酸一次配列を包含す る)の同定である。所望の構造または所望の機能的特性(例えば、予め決定された 生体高分子(例えば、レセプター)に対する結合)を有するペプチドを同定する1 つの方法は、ペプチドのアミノ酸配列により与えられる所望の構造または所望の 機能的特性を有する個々のライブラリーメンバーについて、大規模なライブラリ ーまたはペプチドをスクリーニングすることを包含する。 ペプチドライブラリーを生成する直接化学合成方法に加えて、いくつかのDNA 組換え方法もまた報告されている。1つの型は、バクテリオファージ粒子または 細胞表面上のペプチド配列、抗体、または他のタンパク質のディスプレイを包含 する。一般に、これらの方法において、それぞれのバクテリオファージ粒子また は細胞は、天然のバクテリオファージまたは細胞のタンパク質配列に加えて、デ ィスプレイされたペプチドの単一種をディスプレイする個々のライブラリーメン バーとして供せられる。各バクテリオファージまたは細胞は、特定のディスプレ イされたペプチドの配列をコードする核酸配列情報を含有し;従って、ディスプ レイされたペプチド配列は、単離されたライブラリーメンバーのヌクレオチド配 列決定により確かめられ得る。 周知のペプチドディスプレイ方法は、繊維状バクテリオファージの表面上のペ プチド配列(代表的には、バクテリオファージコートタンパク質との融合物とし て)の提示を包含する。バクテリオファージライブラリーは固定化した予め決定 された高分子または小分子(例えば、レセプター)とともにインキュベートされ得 、それにより固定化高分子に結合するペプチド配列を提示するバクテリオファー ジ粒子が、予め決定された高分子に結合するペプチド配列を提示しないバクテリ オファージ粒子と差別的に区分され得る。次いで、固定化高分子に結合するバク テリオファージ粒子(すなわち、ライブラリーメンバー)は回収され、そして次の アフィニティー増強およびファージ複製ラウンドのため、複製されて、選択され るバクテリオファージサブ集団を増幅する。数ラウンドのアフィニティー増強お よびファージ複製の後、このように選択されたバクテリオファージライブラリー メンバーは単離され、そしてディスプレイされたペプチド配列をコードするヌク レオチド配列が決定され、これにより予め決定された高分子(例えば、レセプタ ー)に結合するペプチドの配列(1つまたは複数)を同定する。このような方法はP CT特許公開第91/17271号、同91/18980号、および同91/19818号ならびに93/08278 号においてさらに記載されている。 後者のPCT公開は、ペプチドリガンドのディスプレイのための組換えDNA方法が 、第1のポリペプチド部分(代表的には可変配列を含み、予め決定された高分子 への潜在的な結合に利用可能である)、および第2のポリペプチド部分(個々の融 合タンパク質をコードするDNAベクターのようなDNAに結合する)で構成される融 合タンパク質をそれぞれ有する融合タンパク質のライブラリーの生成を包含する ことを記載している。形質転換された宿主細胞が融合タンパク質の発現を可能に する条件下で培養される場合、融合タンパク質はそれをコードするDNAベクター に結合する。宿主細胞の溶解の際に、融合タンパク質/ベクターDNA複合体は、 バクテリオファージ粒子がファージに基づくディスプレイシステムにおいてスク リーニングされるのとほぼ同様にして、予め決定された高分子に対してスクリー ニングされ得、選択された融合タンパク質/ベクターDNA複合体におけるDNAベク ターの複製および配列決定が、選択されるライブラリーペプチド配列(1つまた は複数)の同定のための基礎として供せられる。 ペプチドおよび同様のポリマーのライブラリーを生成する他のシステムは、組 換え方法およびインビトロにおける化学合成方法の両方の局面を有する。これら のハイブリッド方法において、無細胞酵素機構がライブラリーメンバー(すなわ ち、ペプチドまたはポリヌクレオチド)のインビトロにおける合成を達成するた めに使用される。1つの型の方法において、予め決定されたタンパク質または予 め決定された色素分子を結合する能力を有するRNA分子が、選択およびPCR増幅を 交互に行うことにより選択された(TuerkおよびGold(1990)Science 249:505;E llingtonおよびSzostak(1990)Nature 346:818)。同様の技術が、予め決定され たヒト転写因子を結合するDNA配列を同定するために使用された(ThiesenおよびB ach(1990)Nucleic Acids Res. 18:3203;BeaudryおよびJoyce(1992)Science 257;635;PCT特許公開第92/05258号および第92/14843号)。同様の様式において 、インビトロにおける翻訳の技術が目的のタンパク質を合成するために使用され 、そしてペプチドの大規模なライブラリーを生成する方法として提案されてきた 。一般に安定化されたポリソーム複合体を含有するインビトロにおける翻訳に依 存するこれらの方法は、PCT特許出願第88/08453号、第90/05785号、第90/07003 号、第91/02076号、91/05058号、および92/02536号にさらに記載されている。出 願人らは、ライブラリーメンバーが、DNA結合活性を有する第1のポリペプチド 部分、およびライブラリーメンバーの独特のペプチド配列を有する第2のポリペ プチド部分を有する融合タンパク質を含む方法を記載し;このような方法は、無 細胞インビトロ選択形式における使用に、特に適切である。 ディスプレイされたペプチド配列は、代表的には3〜5000アミノ酸以上、頻繁 には5〜100アミノ酸、そしてしばしば約8〜15アミノ酸の種々の長さであり得 る。ライブラリーは、ディスプレイされたペプチド配列の種々の長さを有するラ イブラリーメンバーを含有し得るか、またはディスプレイされたペプチド配列の 固定した長さを有するライブラリーメンバーを含有し得る。ディスプレイされた ペプチド配列(1つまたは複数)の1部分または全ては、ランダムな配列、疑似ラ ンダムな配列、規定の核セットの配列、固定した配列などであり得る。本ディス プレイ方法は、ポリソーム上の新生scFvまたはファージ上に表示されたscFvのよ うな単鎖抗体のインビトロおよびインビボにおけるディスプレイの方法を包含し 、 広い多様性の可変領域配列および結合特異性を有するscFvライブラリーを、大規 模なスケールでスクリーニングし得る。 本発明はまた、ランダムな配列、疑似ランダムな配列、および規定の配列のフ レームワークペプチドライブラリーを提供し、および目的のレセプター分子また はエピトープ、またはペプチドを改変する遺伝子産物、またはRNAに所望の様式 で結合する有用な化合物(例えば、ペプチド、単鎖抗体を含む)を同定するために 、それらのライブラリーを生成し、スクリーニングする方法を提供する。ランダ ムな配列、疑似ランダムな配列、および規定の配列のフレームワークペプチドは 、ディスプレイされたペプチド、またはディスプレイされたペプチドが合成され たポリヌクレオチドの鋳型に付着するディスプレイされた単鎖抗体を含むペプチ ドライブラリーメンバーのライブラリーから生成される。付着の様式は、選択さ れた本発明の特定の実施態様に従って変化し得、そしてファージ粒子におけるキ ャプシドの包みこみ、または細胞における取り込みを包含し得る。 アフィニティー増強方法は、ペプチドおよび単鎖抗体のかなり大規模なライブ ラリーがスクリーニングされ、そして所望のペプチド(1つまたは複数)または単 鎖抗体をコードするポリヌクレオチド配列が選択されることを可能にする。次い で、ポリヌクレオチドは単離および再編成され得、選択されるペプチド(1つま たは複数)の(またはその予め決定された部分)または単鎖抗体(または、ちょうど そのVH、VL、またはCDR部分)のアミノ酸配列を組み合わせて組換えする。これら の方法を使用して、ペプチドまたは単鎖抗体を分子について所望の結合アフィニ ティーを有するとして同定し得、そして所望の高アフィニティーペプチドまたは scFvに迅速に集めるために再編成のプロセスを活用し得る。次いで、ペプチドま たは抗体は、任意の適切な使用(例えば、治療剤または診断剤として)のために、 従来の手段により大量に合成され得る。 本発明の著しい利点は、予想されるリガンド構造に関する以前の情報が目的の ペプチドリガンドまたは抗体を単離するために全く要求されないことである。同 定されたペプチドは、生物学的活性を有し得、このことは選択されるレセプター 分子に対する特異的な結合アフィニティーを少なくとも含むことが意味され、そ して、いくつかの例において、他の化合物の結合をブロックし、代謝経路を刺激 または阻害し、シグナルまたはメッセンジャーとして作用し、細胞活性を刺激ま たは阻害するなどの能力をさらに包含する。 本発明はまた、予め決定されたレセプター(例えば、哺乳動物タンパク質性レ セプター(例えば、ペプチド性ホルモンレセプター、細胞表面レセプター、他の タンパク質(1つまたは複数)に結合してヘテロダイマーのような細胞内タンパク 質複合体を形成する細胞内タンパク質など)、またはエピトープ(例えば、固定化 タンパク質、糖タンパク質、オリゴ糖など)に結合するライブラリーメンバーに ついて、新生ペプチド(単鎖抗体を包含する)をディスプレイするポリソームのラ イブラリーをアフィニティースクリーニングすることにより選択されるポリヌク レオチド配列のプールを再編成する方法もまた提供する。 これらの方法のいずれかにより、第1の選択ラウンド(代表的には、レセプタ ー(例えば、リガンド)に対する結合についてのアフィニティー選択による)にお いて選択されるポリヌクレオチド配列は、プールされ、そしてプール(単数また は複数)はインビトロおよび/またはインビボにおける組換えにより再編成され 、組換えられた選択ポリヌクレオチド配列の集団を含む再編成プールを生成する 。組換えられた選択ポリヌクレオチド配列は、少なくとも1回の続く選択ラウン ドにかけられる。続く選択ラウンド(1回または複数回)において選択されたポリ ヌクレオチド配列は、直接用いられ得、配列決定され得、そして/または、1回 以上のさらなるラウンドの再編成およびそれに続く選択にかけられ得る。選択さ れた配列は、中立配列(すなわち、結合において非実質的な機能的効果を有する) をコードするポリヌクレオチド配列と戻し交雑され(例えば、選択される配列に 実質的に同一な野生型または天然に存在する配列と戻し交雑することによる)、 免疫原性の低い天然様の機能的ペプチドを生成し得る。一般に、戻し交配の間、 続く選択は、予め決定されたレセプター(リガンド)への結合の特性を保有するよ うに適用される。 選択配列の再編成の前または同時に、配列が変異誘発され得る。1つの実施態 様において、選択されるライブラリーメンバーは、原核生物ベクター(例えば、 プラスミド、ファージミド、またはバクテリオファージ)中にクローン化され、 ここでは、別個のライブラリーメンバーを提示する個々のコロニー(またはプラ ーク)の集合が生成される。次いで、選択される個々のライブラリーメンバーは 操作され(例えば、部位特異的変異誘発、カセット変異誘発、化学変異誘発、PCR 変異誘発など)、選択されるライブラリーメンバーの配列に基づいて配列の多様 性のカーネル(kernal)を提示するライブラリーメンバーの集合を生成し得る。選 択される個々のライブラリーメンバーまたはプールの配列は操作され、ランダム 変異、疑似ランダムな変異、規定のカーネル変異(すなわち、可変残基位置およ び不変残基位置を含み、そして/またはアミノ酸残基の規定のサブセットから選 択される残基を含み得る可変残基位置を含む)、コドンに基づく変異などを、選 択される個々のライブラリーメンバー配列にセグメント的にまたは全長にわたっ てのいずれかで、組み込み得る。変異誘発された選択ライブラリーメンバーは、 次いで、本明細書で記載されるインビトロおよび/またはインビボにおける組換 え再編成により、再編成される。 本発明はまた、本発明の複数の個々のライブラリーメンバーを含むペプチドラ イブラリーを提供し、ここでは(1)上記複数のうち各個々のライブラリーメンバ ーが、選択される配列のプールの再編成により生成される配列を含有し、そして (2)各個々のライブラリーメンバーは、可変ペプチドセグメント配列または単鎖 抗体セグメント配列(これは、上記複数における他の個々のライブラリーメンバ ーの可変ペプチドセグメント配列または単鎖抗体配列から区別される)を含有す る(しかし、いくつかのライブラリーメンバーは、不均一な増幅、推計学的確率 などのために、ライブラリー当たり1コピー以上で存在し得る)。 本発明はまた、その方法によって作られるもの(product-by-prosess)を提供す る。ここでは、予め決定された結合特異性を有する(または予め決定された結合 特異性を有するペプチドをコードする)選択されたポリヌクレオチド配列が、以 下の工程により形成される:(1)ディスプレイペプチドまたはディスプレイ単鎖 抗体のライブラリーを予め決定されたレセプター(例えば、リガンド)またはエピ トープ(例えば、抗原高分子)に対してスクリーニングし、そして予め決定された レセプターまたはエピトープに結合するライブラリーメンバーを同定および/ま たは濃縮し、選択されたライブラリーメンバーのプールを生成する工程、(2)予 め決定されたエピトープを結合して、そしてそれによりライブラリーから単離お よび/または濃縮されて再編成ライブラリーを生成する選択されたライブラリー メンバー(または増幅またはクローン化されたそのコピー)を、組換えにより再編 成する工程、および(3)再編成ライブラリーを予め決定されたレセプター(例え ば、リガンド)またはエピトープ(例えば、抗原高分子)に対してスクリーニング し、そして予め決定されたレセプターまたはエピトープに結合する再編成ライブ ラリーメンバーを同定および/または濃縮し、選択された再編成ライブラリーメ ンバーのプールを生成する工程。 抗体ディスプレイおよびスクリーニング法 本発明の方法は、開示された方法のいずれかによるインビトロおよび/または インビボ組換えおよび任意の組み合わせにより、抗体ディスプレイ法により選択 されたポリヌクレオチド配列を再編成するために用いられ得る。ここで会合され たポリヌクレオチドは、表現型(例えば、予め決定された抗原(リガンド)への 結合についてのアフィニティー)についてスクリーニングされたディスプレイさ れた抗体をコードする。 種々の分子遺伝学的アプローチが、免疫グロブリン鎖中に存在し得る非常に多 数の異なる可変領域により表される広大な免疫学的レパートリーを捕獲するため に考案されている。天然に存在する生殖系列免疫グロブリンH鎖座位は、多様性 (D)セグメント遺伝子の直列の配列の上流に位置する可変性(V)セグメント遺 伝子の分離した直列の配列からなる。このDセグメント自身は、結合(J)領域遺 伝子の直列の配列の上流に位置し、J領域は、定常(CH)領域遺伝子の上流に位 置する。Bリンパ球の発達の間、V-D-J再配列が生じ、ここでH鎖可変領域遺伝子 (VH)は、融合したD-Jセグメントを形成するための再配列、それに続くV-D-J結 合産物遺伝子を形成するためのVセグメントとの再配列により形成され、生産的 に再配列される場合、このV-D-J結合産物遺伝子は、機能的なH鎖の可変領域(VH )をコードする。同様に、L鎖座位は、いくつかのJセグメントの1つといくつ かのVセグメントの1つを再配列し、L鎖の可変領域(VL)をコードする遺伝子 を形成する。 免疫グロブリン中にあり得る可変領域の広範なレパートリーは、B細胞発達に おける再配列の間のVセグメントとJセグメント(とDセグメント(H鎖座位である 場合))との結合の多数の組み合わせの可能性に部分的に由来する。H鎖可変領 域における付加的な配列多様性は、V-D-J結合の間のDセグメントの不均一な再配 列、およびN領域付加から生じる。さらに、特定のB細胞クローンの抗原選択は 、H鎖とL鎖の可変領域のいずれか1つまたは両方に非生殖系列変異を有する変 異体をより高いアフィニティーに関して選択する;この現象は、「アフィニティ ー成熟」または「アフィニティー鋭敏化(sharpening)」と呼ばれる。代表的に は、これらの「アフィニティー鋭敏化」変異は、可変領域の特定の範囲に、最も 一般的には相補性決定領域(CDR)中にクラスター形成する。 抗原刺激化B細胞の発達(すなわち、免疫化)を通して高アフィニティー免疫 グロブリンを産生および同定することにおける多くの制限を克服するために、特 異的な抗原に対する高アフィニティー抗体についてスクリーニングされ得る組み 合わせの抗体ライブラリーを作製するように操作され得る種々の原核生物の発現 システムが開発されている。Escherichia coliおよびバクテリオファージシステ ムにおける抗体の発現における最近の利点(以下の「別のペプチドディスプレイ 法」を参照のこと)は、実際に任意の特異性が、特徴づけられたハイブリドーマ から抗体遺伝子をクローニングするか、または抗体遺伝子ライブラリー(例えば 、Ig cDNAから)を用いる新規選択のいずれかにより得られ得るという可能性を 増加している。 抗体の組み合わせのライブラリーは、バクテリオファージプラークまたは溶原 菌のコロニーとしてスクリーニングされ得るバクテリオファージλ発現システム において生成されている(Huseら、(1989)Science 246: 1275; CatonおよびKopr owski(1990)Proc.Natl.Acad.Sci .(U.S.A.) 87: 6450; Mullinaxら、(1990)Pr oc.Natl.Acad.Sci.(U.S.A.)87: 8095; Perssonら、(1991)Proc.Natl.Acad.Sci .(U.S.A.) 88:2432)。バクテリオファージ抗体ディスプレイライブラリーおよ びλファージ発現ライブラリーの種々の実施様態が、記載されている(Kangら、 (1991)Proc.Natl.Acad.Sci .(U.S.A.) 88: 4363;Clacksonら、(1991)Nature 35 2 : 624;McCaffertyら、(1990)Nature 348: 552;Burtonら、(1991)Proc.Natl.A cad.Sci .(U.S.A.) 88: 10134;Hoogenboomら、(1991)Nucleic Acids Res. 19: 4133;Changら、(1991)J.Immunol. 147: 3610;Breitlingら、(1991) Gene 104: 147;Marksら、(1991)J.Mol.Biol. 222: 581;Barbasら、(1992)Proc .Natl.Acad.Sci .(U.S.A.) 89: 4457;HawkinsおよびWinter(1992)J.Immunol. 22: 867; Marksら、(1992)Biotechnology 10: 779;Marksら、(1992)J.Biol.Ch em. 267: 16007; Lowmanら、(1991)Biochemistry 30: 10832;Lernerら、(1992)Science 258: 1313は、参考として本明細書中に援用される)。代表的には、バ クテリオファージ抗体ディスプレイライブラリーは、固定化(例えば、アフィニ ティークロマトグラフィーにより反応性ファージについて富化するためのクロマ トグラフィー樹脂への共有結合による)および/または標識(例えば、プラーク またはコロニーリフトをスクリーニングするために)されているレセプター(例 えば、ポリペプチド、炭水化物、糖タンパク質、核酸)でスクリーニングされる 。 1つの特に有利なアプローチは、いわゆる単鎖フラグメント可変(scFv)ライ ブラリーの使用である(Marksら、(1992)Biotechnology 10: 779; Winter Gお よびMilstein C(1991)Nature 349:293;Clacksonら、(1991)前出;Marksら、( 1991)J.Mol.Biol. 222: 581;Chaudharyら、(1990)Proc.Natl.Acad.Sci .(USA) 87 : 1066;Chiswellら、(1992)TIBTECH 10: 80;McCaffertyら、(1990)前出;お よびHustonら、(1988)Proc.Natl.Acad.Sci .(USA) 85: 5879)。バクテリオファ ージコートタンパク質においてディスプレイされるscFvライブラリーの種々の実 施様態が記載されている。 1988年のはじめ、Fvフラグメントの単鎖アナログおよびそれらの融合タンパク 質が、抗体工学法により確実に生成されている。第1の工程は、一般に、所望の 結合特性を有するVHおよびVLドメインをコードする遺伝子を得ることを包含する ;これらのV遺伝子は、特定のハイブリドーマ細胞株から単離され得るか、組み 合わせのV遺伝子ライブラリーから選択され得るか、またはV遺伝子合成により作 製され得る。単鎖Fvは、成分V遺伝子と適切に設計されたリンカーペプチド(例 えば、(Gly-Gly-Gly-Gly-Ser)3または等価のリンカーペプチド(1つまたは複数) )をコードするオリゴヌクレオチドとを結合することにより形成される。リンカ ーは、VH-リンカー-VLまたはVL-リンカー-VHのいずれかの順序で第1のV領 域のC-末端、および第2のV領域のN-末端に橋を架ける。原則として、scFv結合 部位は、その親の抗体結合部位のアフィニティーおよび特異性の両方を正確に複 製し得る。 従って、scFvフラグメントは、柔軟なリンカーペプチドにより単一のポリペプ チド鎖に連結されたVHおよびVLドメインからなる。scFv遺伝子が組立てられた後 、それらは、ファージミド中にクローン化され、そしてバクテリオファージpIII (遺伝子3)コートタンパク質との融合タンパク質としてM13ファージ(または 類似の繊維状バクテリオファージ)の先端部で発現される。目的の抗体を発現す るファージの富化は、予め決定されたエピトープ(例えば、標的抗原、レセプタ ー)への結合についてscFv集団をディスプレイする組換えファージをパンニング することにより達成される。 ライブラリーメンバーの連結ポリヌクレオチドは、スクリーニング手順または 選択手順後のライブラリーメンバーの複製に関する基礎を提供し、そしてヌクレ オチド配列決定による、ディスプレイされたペプチド配列またはVHおよびVLアミ ノ酸配列の正体の決定のための基礎をも提供する。ディスプレイされたペプチド (1つまたは複数)または単鎖抗体(例えば、scFv)および/またはそのVHおよ びVLドメインあるいはそれらのCDRは、適切な発現システムにクローン化され得 、そして発現され得る。しばしば、単離されたVHおよびVLドメインをコードする ポリヌクレオチドは、定常領域(CHおよびCL)をコードするポリヌクレオチドに 連結され、完全な抗体(例えば、キメラ、または完全なヒトの抗体)、抗体フラ グメントなどをコードするポリヌクレオチドを形成する。しばしば、単離された CDRをコードするポリヌクレオチドは、適切な可変領域フレームワーク(および 随意に定常領域)をコードするポリヌクレオチドに融合され、完全な抗体(例え ば、ヒト化または完全なヒト抗体)、抗体フラグメントなどをコードするポリヌ クレオチドを形成する。抗体は、免疫アフィニティークロマトグラフィーにより 、調製量の抗原を単離するために用いられ得る。このような抗体の種々の他の使 用は、疾患(例えば、腫瘍形成)を診断/または段階づけすること、および治療 応用のために、疾患(例えば:腫瘍形成、自己免疫疾患、AIDS、心血管性疾患、 感染症など)を処置することである。 種々の方法が、scFvライブラリーの組み合わせの多様性の増加が、結合種のレ パートリー(イディオタイプスペクトル)を広げることについて報告されている 。PCRの使用は、可変領域を、特定のハイブリドーマ供給源からか、または非免 疫化細胞から遺伝子ライブラリーとして、迅速にクローン化することを可能にし 、これは組み合わされ得るVHおよびVLカセットの分類における組み合わせの多様 性を供給する。さらに、VHおよびVLカセットは、例えば、ランダムな変異誘発、 疑似ランダムな変異誘発、または定方向変異誘発(directed mutagenesis)によ り、それ自身多様化させられ得る。代表的には、VHおよびVLカセットは、相補性 決定領域(CDR)(しばしば第3のCDR、CDR3)内またはその近くにおいて多様化 される。酵素的インバースPCR変異誘発は、誤りがちなPCRおよび化学的変異誘発 がそうであるように(Dengら、(1994)J.Biol.Chem. 269:9533)、scFv部位特異 的変異体の比較的大きなライブラリーを構築することに関して単純かつ信頼し得 る方法であることが示されている(Stemmerら、(1993)Biotechniques 14: 256) 。Riechmannら、(1993)Biochemistry 32: 8848は、縮重オリゴヌクレオチドPCR および引き続いて結果として生じるscFv変異体のファージディスプレイによる部 位特異的ランダム化を用いる抗体scFvフラグメントの半合理的な設計を示した。 Barbasら、(1992)前出は、ヒト破傷風トキソイド結合Fabの合成CDR領域における 配列をランダム化することにより、偏った可変領域配列を用いることに起因する 制限されたレパートリーサイズの問題を回避することを試みた。 CDRランダム化は、H鎖CDR3のみについて約1×1020CDR、そしておおよそ類似 した数のH鎖CDR1およびCDR2の変異体、ならびにL鎖CDR1-3変異体を作製する潜 在力を有する。個々にまたは一緒に考慮すると、H鎖および/またはL鎖のCDR ランダム化の組み合わせは、全ての可能な組み合わせを提示するクローンライブ ラリーを作製するために、膨大な数のバクテリオファージクローン(それらのほ とんどは、非結合性である)の生成を必要とする。このような多数の初期形質転 換体の生成は、現在の形質転換技術およびバクテリオファージディスプレイシス テムでは、容易ではない。例えば、Barbasら、(1992)前出は、5×107の形質転換 体のみを生成し、これは、完全にランダム化されたCDRのライブラリーのごく小 さな割合の潜在的多様性のみを提示する。 これらの実質的な制限にも関わらず、scFvのバクテリオファージディスプレイ はすでに、種々の有用な抗体および抗体融合タンパク質を産生している。二特異 性の単鎖抗体は、効率的な腫瘍細胞溶解を仲介することが示されている(Gruber ら、(1994)J.Immunol. 152: 5368)。抗Rev scFvの細胞内発現は、インビトロで のHIV-1ウイルス複製を阻害することが示されており(Duanら、(1994)Proc.Natl .Acad.Sci .(USA) 91: 5075)、そして抗p21ras scFvの細胞内発現は、Xenopus 卵母細胞の減数分裂の成熟を阻害することが示されている(Bioccaら、(1993)Bi ochem .Biophys.Res.Commun. 197:422)。HIV感染を診断するために用いら得る 組換えscFvもまた、報告されており、scFvの診断上の利用性が示されている(Li lleyら、(1994)J.Immunol.Meth. 171;211)。scFvが第2のポリペプチド(例え ば、毒素または線維素溶解性活性化タンパク質)に連結している融合タンパク質 もまた報告されている(Holvostら、(1992)Eur.J.Biochem. 210: 945; Nicholls ら、(1993)J.Biol.Chem. 268: 5302)。 広範な抗体多様性を有し、そして潜在的な配列組み合わせの非常に小さい割合 のみをカバーし得る多くの従来のCDR変異誘発およびランダム化法の制限の多く を克服するscFvライブラリーを生成し得るならば、scFv抗体の数および質を治療 上および診断上の使用に適切に大幅に改善してもよい。これに取り組むために、 本発明のインビトロおよびインビボ再編成法が、選択されたディスプレイされた 抗体から得られた核酸から(代表的にPCR増幅またはクローン化により)得られ たCDRを組み換えるために用いられる。このようなディスプレイされた抗体は、 細胞、バクテリオファージ粒子、ポリソーム、または任意の適切な抗体ディスプ レイシステムにおいて、ディスプレイされ得る。ここで抗体が、それをコードす る核酸(1つまたは複数)と会合されている。ある改変例においては、CDRは最 初に、抗体産生細胞(例えば、第WO92/03918号、第WO93/12227号、および第WO94 /25585号に記載のように、免疫化した野生型マウス、ヒト、またはヒト抗体を作 製し得るトランスジェニックマウス由来の形質細胞/脾細胞)(これはそれに由 来するハイブリドーマを包含する)由来のmRNA(またはcDNA)から得られる。 これらの方法のいずれかにより第1の選択ラウンドにおいて選択された(代表 的には、ディスプレイされた抗体が抗原(例えば、リガンド)に結合することに 関するアフィニティー選択による)ポリヌクレオチド配列は、プールされ、そし てこのプール(1つまたは複数)は、インビトロおよび/またはインビボ組換え 、特にCDRの再編成により再編成され(代表的には、H鎖CDRが他のH鎖CDRで再 編成され、そしてL鎖CDRが他のL鎖CDRで再編成される)、組み換えられた選択 ポリヌクレオチド配列の集団を含有する再編成されたプールを作製する。組み換 えられた選択ポリヌクレオチド配列は、ディスプレイされた抗体のような選択様 式において発現され、そして少なくとも1回の引き続く選択ラウンドにかけられ る。引き続く選択ラウンド(1回または複数回)において選択されたポリヌクレ オチド配列は、直接使用され得、配列決定され得、そして/または所望の結合ア フィニティーを有する抗体が得られるまで1回またはそれ以上の更なる再編成お よび引き続く選択のラウンドにかけられ得る。選択された配列はまた、中立の抗 体フレームワーク配列をコードするポリヌクレオチド配列(すなわち、抗原結合 において非実質的な機能的効果を有する)と戻し交雑され(例えば、ヒト可変領 域フレームワークとの戻し交雑による)、ヒト様配列抗体を作製し得る。一般に 、戻し交雑の間、引き続く選択は、予め決定された抗原への結合の特性を保有す るように適用される。 あるいは、または公知の改変例との組み合わせにおいて、標的エピトープの結 合価は、選択されたscFvライブラリーメンバーの平均結合アフィニティーを調節 するように、改変され得る。標的エピトープは、例えば、競合エピトープを含有 すること、希釈、または当業者に公知の他の方法により、種々の密度で表面また は基質に結合され得る。予め決定されたエピトープの高密度(結合価)は、比較 的低いアフィニティーを有するscFvライブラリーメンバーについて富化するため に用いられ得る。一方、低密度(結合価)は、より高いアフィニティーについて scFvライブラリーメンバーを優先的に富化し得る。 多種多様な可変セグメントを生成するために、ペプチド配列のランダム、疑似 ランダム、または規定の配列のカーネルセットをコードする合成オリゴヌクレオ チドの集合は、予め決定された部位(例えば、CDR)への連結により挿入され得 る。同様に、単鎖抗体カセット(1つまたは複数)の1つまたはそれ以上のCDR の配列多様性は、部位特異的変異誘発、CDR置換などを用いてCDR(1つまたは複 数)を変異させることにより拡大され得る。生じるDNA分子は、再編成の前のク ローン化および増幅のために宿主において増殖され得るか、または直接使用され 得(すなわち、宿主細胞における増殖の際に生じ得る多様性の損失を回避し得る )、そして選択されたライブラリーメンバーは、引き続いて再編成される。 目的の可変セグメントペプチド配列または目的の単鎖抗体をコードするディス プレイされたペプチド/ポリヌクレオチド複合体(ライブラリーメンバー)は、 アフィニティー富化技術により、ライブラリーから選択される。これは、目的の ペプチド配列に特異的な固定化された高分子またはエピトープ(例えは、レセプ ター、他の高分子、または他のエピトープ種)により達成される。アフィニティ ー選択手順を繰り返すことにより、所望の配列をコードするライブラリーメンバ ーの富化物が提供され、次いでこの富化物は、プールおよび再編成、配列決定、 および/または更なる増殖およびアフィニティー富化のために単離され得る。 所望の特異性を有しないライブラリーメンバーは、洗浄により除去される。要 求される洗浄の度合およびストリンジェンシーは、目的のそれぞれのペプチド配 列または単鎖抗体、および固定化された予め決定された高分子またはエピトープ に関して決定される。調節の所定の度合は、結合のインキュベーションおよび引 き続く洗浄の条件を調整することにより、回収された新生のペプチド/DNA複合 体の結合特性に影響を及ぼし得る。温度、pH、イオン強度、二価陽イオン濃度、 および洗浄の容量および持続時間は、固定化高分子に対するアフィニティーの特 別な範囲内で、新生のペプチド/DNA複合体について選択される。通常、高アフ ィニティーの指標となる緩徐な解離速度に基づく選択は、しばしば最も実践的な 経路である。これは、飽和量の遊離した予め決定された高分子の存在下における 継続的なインキュベーション、または洗浄の容量、回数、および長さを増加させ ることのいずれかにより実施され得る。それぞれの場合において、解離した新生 ペプチド/DNAまたはペプチド/RNA複合体の再結合は防止され、そして時間の増 加とともに、徐々にアフィニティーが高くなる新生のペプチド/DNAまたはペプ チド/RNA複合体が回収される。 結合および洗浄の手順のさらなる改変は、特別な特徴を有するペプチドを見い 出すために適用され得る。いくつかのペプチドのアフィニティーは、イオン強度 または陽イオン濃度に依存する。これは、ペプチドからこのタンパク質を除去す るのに穏やかな条件が要求される場合の種々のタンパク質のアフィニティー精製 において用いられるペプチドについて有用な特徴である。 1つの改変例は、scFvライブラリーが、異なる結合特異性を有するscFvの多重 性について同時にスクリーニングされ得るような、多重結合標的(多重エピトー プ種、多重レセプター種)の使用を包含する。scFvライブラリーのサイズが、し はしば潜在的なscFv配列の多様性を制限すると仮定すると、一般に、可能な限り の大きなサイズのscFvライブラリーが本発明者らにとって望ましい。多数の非常 に大きなポリソームscFv-ディスプレイライブラリーを生成することの時間性お よび経済性の考慮は、障害になり得る。この実質的な問題を回避するために、多 重性を有する予め決められたエピトープ種(レセプター種)が、単一のライブラ リーにおいて同時にスクリーニングされ得るか、または多数のエピトープ種に対 する逐次スクリーニングが用いられ得る。1つの改変例において、それぞれ別個 のビーズ(またはビーズのサブセット)にコードされる多重標的エピトープ種は 、適切な結合条件下でポリソームディスプレイscFvライブラリーと混合およびイ ンキュベートされ得る。次いで多重エピトープ種を含有するビーズの集合は、ア フィニティー選択により、scFvライブラリーメンバーを単離するために用いられ 得る。一般に、引き続くアフィニティースクリーニングラウンドは、ビーズの同 一の混合物、それのサブセット、または1つのみまたは2つの個々のエピトープ 種を含有するビーズを包含し得る。このアプローチは、効率的なスクリーニング を提供し、そして研究自動化法、バッチプロセシング法、および高処理能力スク リーニング法と適合する。 種々の技術は、予め決定された高分子またはエピトープに対する十分な結合活 性を有するように、ペプチドライブラリーまたは単鎖抗体ライブラリーを多様化 するために、あるいは再編成の前または同時に、周囲の可変セグメントペプチド またはVH、VL、あるいはパンニングの初期のラウンドにおいて見い出されるCDR を多様化するために本発明において用いられ得る。1つのアプローチにおいて、 ポジティブに選択されたペプチド/ポリヌクレオチド複合体(アフィニティー富 化の初期のラウンドにおいて同定される複合体)は、活性ペプチドの正体を決定 す るために配列決定される。次いてオリゴヌクレオチドは、これらの活性ペプチド 配列に基づいて合成され、これはそれぞれの工程で取り込まれる全ての塩基を低 レベルで使用し、一次オリゴヌクレオチド配列の僅かな改変例を生じる。次いで この(僅かに)縮重したオリゴヌクレオチドの混合物は、適切な位置で可変セグ メント配列中にクローン化される。この方法は、開始ペプチド配列の規則正しい 調節された改変例を生じ、次いでこれらは再編成され得る。しかしこの方法は、 個々のポジティブ新生ペプチド/ポリヌクレオチド複合体が、変異誘発の前に配 列決定されることを要求し、従って少数の回収された複合体の多様性を拡大し、 そしてより高い結合アフィニティーおよび/またはより高い結合特異性を有する 変異体を選択するために有用である。変種の、ポジティブに選択された(特に可 変領域配列の)ペプチド/ポリヌクレオチド複合体の変異性PCR増幅において、 その増幅産物は、インビトロおよび/またはインビボで再編成され、そして1回 以上のさらなるスクリーニングのラウンドが、配列決定の前に実施される。同一 の一般的なアプローチは、多様性を拡大し、そして結合アフィニティー/特異性 を増強するために、代表的には、再編成の前または同時にCDRまたは隣接のフレ ームワーク領域を多様化することにより、単鎖抗体とともに用いられ得る。所望 であれば、再編成反応は、選択されたライブラリーメンバーとインビトロ組換え し得る変異原性オリゴヌクレオチドでスパイクされ得る。従って、合成オリゴヌ クレオチドおよびPCRフラグメント(誤りがちな方法または高度に忠実な方法に より合成された)の混合物がインビトロ再編成混合物に添加され、そして結果と して生じる再編成されたライブラリーメンバー(再編成体)中に取り込まれ得る 。 本発明の再編成は、CDR変異体単鎖抗体の広大なライブラリーの生成を可能に する。このような抗体を生成する1つの方法は、再編成の前または再編成と同時 に、単鎖抗体および/またはCDRのランダム化中に合成CDRを挿入することである 。合成CDRカセットの配列は、ヒトCDRの公知の配列データを参照することにより 選択され、そして以下のガイドラインに従って実施者の判断により選択される: 合成CDRは、公知のCDR配列に対して少なくとも40%の位置的な配列同一性を有し 、そして好ましくは、公知のCDR配列に対して少なくとも50〜70パーセントの位 置的な配列同一性を有する。例えば、合成CDR配列の集合は、Kabatら、(1991) に列挙された天然に存在するヒトCDR配列に基づいてオリゴヌクレオチド配列 の集合を合成することにより生成され得る;合成CDR配列のプール(1つまたは 複数)は、少なくとも一つの公知の天然に存在するヒトCDR配列に対して少なく とも40%の配列同一性を有するCDRペプチド配列をコードするように計算される 。あるいは、天然に存在するCDR配列の集合が比較され得、ある残基位置に頻繁 に(すなわち、公知のCDR配列の少なくとも5%において)用いられるアミノ酸 が、相当する位置(1つまたは複数)で合成CDR中に取り込まれるように、コン センサス配列を生成し得る。代表的には、いくつか(例えば、3〜約50)の公知 のCDR配列が比較され、そして公知のCDRの間の観測された天然配列の改変例が一 覧表にされ、そして観測された天然配列の改変例の全てまたはほとんどの順列を 包含するCDRペプチド配列をコードするオリゴヌクレオチドの集合が合成される 。限定されないが、例えば、ヒトVH CDR配列の集合が、Tyr、Val、Phe、またはA spのいずれかであるカルボキシ末端アミノ酸を有する場合、合成CDRオリゴヌク レオチド配列のプール(1つまたは複数)は、カルボキシ末端のCDR残基がこれ らのアミノ酸のいずれかであるように設計される。いくつかの実施様態では、CD R配列の集合においてある残基位置に天然に存在する残基以外の残基が取り込ま れる:保存的なアミノ酸置換は、頻繁に取り込まれ、そして公知の天然に存在す るCDR配列と比較して5残基位置までが、非保存的なアミノ酸置換が取り込まれ るように変動し得る。このようなCDR配列は、(第1ラウンドのスクリーニング の前の)最初のライブラリーメンバーにおいて用いられ、そして/または選択さ れたライブラリーメンバー配列のインビトロの再編成反応をスパイクするために 用いられ得る。規定の配列および/または縮重配列のこのようなプールの構築は 、当業者により容易に達成される。 合成CDR配列の集合は、天然に存在するCDR配列であるとして知られていない、 少なくとも1つのメンバーを含む。H鎖CDRにおけるN領域付加に相当するランダ ムまたは疑似ランダムな配列の一部を含有するかまたは含有しないかは、実施者 の判断内にある;N領域配列は、V-DおよびD-J結合部に存在する1ヌクレオチド 〜約4ヌクレオチドの範囲である。合成H鎖CDR配列の集合は、少なくとも約100 のユニークなCDR配列を含み、代表的には少なくとも約1,000のユニークCDR配列 を含み、好ましくは、少なくとも約10,000のユニークなCDR配列を含み、しばし ば50,000より多いユニークなCDR配列を含む;しかし、特に、保存的なアミノ酸 置換が、保存的なアミノ酸置換基が天然に存在するヒトCDRにおけるその位置に 存在しないか、またはまれに存在する(すなわち、0.1%未満)位置において許 容される場合、ときには1×107〜1×108のユニークなCDR配列が存在することも あるが、通常、せいぜい約1×106のユニークなCDR配列が集合中に含まれる。一 般に、ライブラリーに含まれるユニークなCDR配列の数は、ライブラリー中の最 初の形質転換体の予測される数を10倍(a factor of 10)を超えて超過するべき でない。このような単鎖抗体は、一般に、少なくとも約1×107M-1のアフィニテ ィーで、好ましくは少なくとも約5×107M-1のアフィニティーで、より好ましく は少なくとも1×108M-1〜1×109M-1またはそれ以上のアフィニティーで、ときに は1×1010M-1またはそれ以上のアフィニティーで、予め決定された抗原(例えば 、免疫原)に結合する。頻繁には、予め決定された抗原は、例えばヒト細胞表面 抗原(例えば、CD4、CD8、IL-2レセプター、EGFレセプター、PDGFレセプター) のようなヒトタンパク質、他のヒト生体高分子(例えば、トロンボモジュリン、 プロテインC、糖質抗原、シアリルLewis抗原、L-セレクチン)、または非ヒト 疾患関連高分子(例えば、細菌LPS、ビリオンカプシドタンパク質、またはエン ベロープ糖タンパク質)などである。 所望の特異性を有する高アフィニティー単鎖抗体は、種々のシステムにおいて 改変および発現される。例えば、scFvは、植物中で産生されており(Firekら、( 1993)Plant Mol .Biol. 23: 861)、そして原核生物系において容易に生成され 得る(Owens RJおよびYoung RJ(1994)J.Immunol.Meth. 168: 149; Johnson S およびBird RE(1991)Methods Enzymol. 203: 88)。さらに、単鎖抗体は、抗 体全体またはその種々のフラグメントを構築する基礎として用いられ得る(Kett leboroughら、(1994)Eur.J.Immunol. 24: 952)。可変領域をコードする配列は 、単離され得(例えば、PCR増幅またはサブクローン化により)、そして免疫原 性が好適に最小化されるヒトの治療的使用により適切なヒト配列抗体をコードす るように、所望のヒト定常領域をコードする配列にスプライシングされ得る。結 果として生じる完全なヒトコード配列(1つまたは複数)を有するポリヌクレオ チ ド(1つまたは複数)は、宿主細胞において発現され(例えば、哺乳動物細胞に おいて発現ベクターから)、そして製薬製造のために精製され得る。 DNA発現構築物は、代表的には、コード配列に作動可能に連結された発現調節D NA配列を含有し、この配列は、天然に会合したプロモーター領域、または異種の プロモーター領域を含む。好ましくは、発現調節配列は、真核生物宿主細胞を形 質転換またはトランスフェクトし得るベクターの真核生物プロモーターシステム である。一旦ベクターが適切な宿主中に取り込まれると、宿主は、ヌクレオチド 配列の高レベルの発現、ならびに変異「改変」抗体の収集および精製に適切な条件 下で維持される。 上述のように、DNA配列は、配列が発現調節配列に作動可能に連結された(す なわち、構造遺伝子の転写および翻訳を確実にするように位置された)後に、宿 主中で発現される。これらの発現ベクターは、代表的には、エピソームまたは宿 主の染色体DNAの必須部分として、この宿主生物において複製可能である。一般 に、発現ベクターは、所望のDNA配列で形質転換されたこれらの細胞の検出を可 能にするために、選択マーカー(例えば、テトラサイクリンまたはネオマイシン )を含有する(例えば、米国特許第4,704,362号を参照のこと。これは、参考と して本明細書中に援用される)。 真核の微生物(例えば、酵母)に加えて、哺乳動物の組織細胞培養物もまた、 本発明のポリペプチドを生成するために用いられ得る(Winnacker、「From Genes to Clones,」 VCH Publishers,N.Y.,N.Y.(1987)を参照のこと。これは参考 として本明細書中に援用される)。真核細胞は、実際に好ましい。なぜなら、無 傷の免疫グロブリンを分泌し得る多数の適切な宿主細胞株が当該分野で開発され ており、そしてこれは、CHO細胞株、種々のCOS細胞株、HeLa細胞、ミエローマ細 胞株などを含むが、形質転換されたB細胞またはハイブリドーマが好ましい。こ れらの細胞のための発現ベクターは、発現調節配列(例えば、複製起点、プロモ ーター、エンハンサー)(Queenら、(1986)Immunol.Rev.89: 49)、および必要と されるプロセシング情報部位(例えば、リボソーム結合部位、RNAスプライシン グ部位、ポリアデニル化部位、および転写終結配列)を含有する。好ましい発現 調節配列は、免疫グロブリン遺伝子、サイトメガロウイルス、SV40、アデノウ イルス、ウシパピローマウイルスなどに由来するプロモーターである。 真核生物のDNA転写は、ベクター中にエンハンサー配列を挿入することにより 増加され得る。エンハンサーは、プロモーターによる転写を増加する10bpと300b pとの間のシス作用性配列である。エンハンサーは、転写単位に対して5'または3 'のいずれかにある場合、転写を効率的に増加し得る。それらはまた、イントロ ン内、またはコード配列自身の内部に位置される場合にも効果的である。代表的 には、ウイルスのエンハンサーが使用され、これは、SV40エンハンサー、サイト メガロウイルスエンハンサー、ポリオーマエンハンサーおよびアデノウイルスエ ンハンサーが含まれる。マウス免疫グロブリンH鎖エンハンサーのような、哺乳 動物系由来のエンハンサー配列もまた、一般に使用される。 哺乳動物の発現ベクターシステムはまた、代表的に選択マーカー遺伝子を含有 する。適切なマーカーの例は、ジヒドロ葉酸レダクターゼ遺伝子(DHFR)、チミ ジンキナーゼ遺伝子(TK)、または薬物耐性を与える原核生物遺伝子を包含する 。最初の2つのマーカー遺伝子は、生育培地へのチミジンの添加をともなわずに 生育する能力を欠如する変異体細胞株の使用を好む。次いで、形質転換された細 胞は、非補充培地における生育能により同定され得る。マーカーとして有用な原 核生物の薬物耐性遺伝子の例は、G418、ミコフェノール酸、およびヒグロマイシ ンへの耐性を与える遺伝子を包含する。 目的のDNAセグメントを含有するベクターは、細胞の宿主タイプに依存して周 知の方法により宿主細胞中に導入され得る。例えば、塩化カルシウムトランスフ ェクションが、原核細胞に一般に利用されるが、リン酸カルシウム処理、リポフ ェクション、またはエレクトロポレーションは、他の細胞の宿主に用いられ得る 。哺乳動物を形質転換するために用いられる他の方法は、ポリブレン、プロトプ ラスト融合、リポソーム、エレクトロポレーション、およびマイクロインジェク ションの使用を含む(一般に、Sambrookら、前出を参照のこと)。 一旦発現されると、抗体、個々の変異免疫グロブリン鎖、変異抗体フラグメン ト、および本発明の他の免疫グロブリンポリペプチドは、当該分野の標準的な手 順に従って精製され得る。この手順は、硫酸アンモニウム沈澱、フラクションカ ラムクロマトグラフィー、ゲル電気泳動などを包含する(一般に、Scopes,R., Protein Purification,Springer-Verlag,N.Y.(1982)を参照のこと)。一旦部 分的にまたは所望の均一性まで精製されると、次いでポリペプチドは、治療的に 、またはアッセイ手順、免疫蛍光染色などの開発および実施において用いられ得 る(一般に、Immunological Methods、Iおよび11巻、LefkovitsおよびPernis編 、Academic Press,New York,N.Y.(1979および1981)を参照のこと)。 本発明の方法により生成される抗体は、診断および治療に用いられ得る。限定 のためではなく、説明のために、それらは、ガン、自己免疫疾患、またはウイル ス感染症を処置するために用いられ得る。ガンの処置について、抗体は、代表的 に癌細胞において優先的に発現される抗原(例えば、erbB-2、CEA、CD33、およ び当業者に周知の多数の他の抗原および結合メンバー)に結合する。 酵母ツーハイブリッドスクリーニングアッセイ 再編成はまたは、予め決定されたポリペプチド配列に結合するライブラリーメ ンバーを同定するためのツーハイブリッドスクリーニングシステムをスクリーニ ングすることにより得られた選択されたライブラリーメンバーのプールを組換え 的に多様化するために用いられ得る。選択されたライブラリーメンバーは、プー ルされ、そしてインビトロおよび/またはインビボ組換えにより再編成される。 次いで再編成されたプールは、前記の予め決定されたポリペプチド配列(例えば 、SH2ドメイン)に結合するライブラリーメンバー、または別の予め決定された ポリペプチド配列(例えば、他のタンパク質の種由来のSH2ドメイン)を選択す るために、酵母ツーハイブリッドシステムにおいてスクリーニングされ得る。 予め決定されたポリペプチド配列に結合するポリペプチド配列を同定するため の1つのアプローチは、予め決定されたポリペプチド配列が融合タンパク質中に 存在するいわゆる「ツーハイブリッド」システムを用いている(Chienら、(199 1)Proc.Natl.Acad.Sci .(USA) 88:9578)。このアプローチは、転写のアクティ ベーター(Fields SおよびSong O(1989)Nature 340:245)、酵母Ga14転写タン パク質の再構成を通して、インビボでのタンパク質−タンパク質の相互作用を同 定する。代表的には、この方法は、酵母Ga14タンパク質の特性に基づく。このタ ンパク質は、DNA結合および転写の活性化に機能する分離可能なドメインからな る。2つのハイブリッドタンパク質(一方は、公知のタンパク質のポリペプチド 配列に融合された酵母Ga14 DNA結合ドメインからなり、他方は、第2のタンパク 質のポリペプチド配列に融合されたGa14活性化ドメインからなる)をコードする ポリヌクレオチドが構築され、酵母宿主細胞に導入される。2つの融合タンパク 質間の分子間の結合は、Ga14 DNA結合ドメインとGa14活性化ドメインとを再構成 し、これはGa14結合部位に作動可能に連結されたレポーター遺伝子(例えば、la cZ、HIS3)の転写の活性化を導く。代表的に、ツーハイブリッド法は、公知のタ ンパク質に相互作用する新規のポリペプチト配列を同定するために用いられる( Silver SCおよびHunt SW(1993)Mol.Biol.Rep. 17: 155; Durfeeら、(1993)Gen es Devel. 7; 555; Yangら、(1992)Science 257: 680; Lubanら、(1993)Ce11 73 :1067; Hardyら、(1992)Genes Devel. 6; 801; Bartelら、(1993)Biotechniques 14: 920; およびVojtekら、(1993)Cell 74: 205)。しかし、ツーハイブリッド 法の変法が、第2の公知のタンパク質への結合に影響する公知のタンパク質の変 異を同定するために用いられている(Li BおよびFields S(1993)FASEB J. 7: 957; Laloら、(1993)Proc.Natl.Acad.Sci .(USA) 90: 5524; Jacksonら、(1993)Mol.Cell.Biol. 13; 2899;およびMaduraら、(1993)J.Biol.Chem. 268: 12046) 。ツーハイブリッドシステムはまた、2つの公知のタンパク質の相互作用する構 造ドメインを同定するため(Bardwellら、(1993)Med.Microbiol. 8: 1177; Chak rabortyら、(1992)J.Biol.Chem. 267: 17498; Staudingerら、(1993)J.Biol.Che m. 268: 4608; およびMilne GTおよびWeaver DT(1993)Genes Devel. 7; 1755 )、または単一のタンパク質のオリゴマー形成に機能するドメインを同定するた めにも用いられている(Iwabuchiら、(1993)Oncogene 8; 1693; Bogerdら、(199 3)J.Virol. 67: 5030)。ツーハイブリッドシステムの変法は、タンパク質分解 酵素のインビボでの活性を研究するために用いられている(Dasmahapatraら、(1 992)Proc.Natl.Acad.Sci. (USA) 89: 4159)。あるいは、E.coli/BCCP 相互作 用的スクリーニングシステム(Germinoら、(1993)Proc.Natl.Acad.Sci .(U.S.A. ) 90: 933; Guarente L(1993)Proc.Natl.Acad.Sci.(U.S.A.)90: 1639)は、 相互作用するタンパク質配列(すなわち、ヘテロ二量体化するか、またはより高 次のヘテロ多量体を形成するタンパク質配列)を同定するため に用いられ得る。ツーハイブリッドシステムにより選択された配列は、プールお よび再編成され、そして予め決定された結合配列を含有するハイブリッドに結合 するポリペプチド配列を同定するためのスクリーニングの1つ以上の引き続くラ ウンドのために、ツーハイブリッドシステムに導入され得る。このようにして同 定された配列は、コンセンサス配列およびコンセンサス配列カーネルを同定する ために比較され得る。 上述の開示から理解され得るように、本発明は、広範な応用を有する。従って 、以下の実施例は、説明のために提供され、制限のためではない。 以下の実施例において、以下の略語は以下の意味を有する。以下に定義されな い場合、その略語は当該分野で理解される意味を有する。 ml = ミリリットル μl = マイクロリットル μM = マイクロモル濃度 nM = ナノモル濃度 PBS = リン酸緩衝生理食塩水 ng = ナノグラム μg = マイクログラム IPTG = イソプロピルチオ-β-D-ガラクトシド bp = 塩基対 kb = キロ塩基対 dNTP = デオキシヌクレオシド3リン酸 PCR = ポリメラーゼ連鎖反応 X-gal = 5-ブロモ-4-クロロ-3-インドリル-β-D-ガラクトシド DNAseI = デオキシリボヌクレアーゼ PBS = リン酸緩衝生理食塩水 CDR = 相補性決定領域 MIC = 最小阻止濃度 scFv = 抗体の単鎖Fvフラグメント 一般に、組換えDNA工学の標準的な技術は、種々の出版物(例えば、Sambrook ら、1989,Molecular Cloning: A Laboratory Manual,Cold Spring Harbor Lab oratory; Ausubelら、1987,Current Protocols in Molecular Biology、1巻お よび2巻ならびに増補、ならびにBergerおよびKimmel、Methods in Enzymology ,Volume 152,Guide to Molecular Cloning Techniques (1987),Academic Pres s,Inc.,San Diego,CA、それぞれ参考として全体が本明細書中に援用される) に記載されている。制限酵素およびポリヌクレオチド修飾酵素を、製造業者の推 奨に従って用いた。オリゴヌクレオチドをApplied Biosystems Inc.Model 394 DNA合成機で、ABIの化学製品を用いて合成した。所望であれば、予め決定された DNA配列を増幅するためのPCRアンプリマー(amplimer)は、従事者の判断で選択 され得る。 実施例 実施例1.LacZα遺伝子の再組立 1)基質の調製 再組立反応のための基質は、pUC18由来の野生型LacZα遺伝子のdsDNAポリメラ ーゼ連鎖反応(「PCR」)産物であった(図2)(28; Gene Bank第XO2514号)。プラ イマー配列は、5'AAAGCGTCGATTTTTGTGAT3'(配列番号1)および5'ATGGGGTTCCGC GCACATTT3'(配列番号2)であった。遊離したプライマーを、製造業者の指示に 従い、Wizard PCR prep(Promega,Madison WI)によりPCR産物から除去した。 遊離したプライマーの除去は、重要であることが見い出された。 2)DNAseI消化 約5μgのDNA基質を、10〜20分間室温にて、100μlの[50mM Tris-HCl pH 7.4 ,1mM MgCl2]中で、0.15単位のDNAseI(Sigma,St.Louis MO)で消化した。消 化されたDNAを、2%低融点アガロースゲルで泳動した。10〜70塩基対(bp)の フラグメントを、DE81イオン交換紙(Whatman,Hillsborough OR)上への電気泳 動により2%低融点アガロースゲルから精製した。DNAフラグメントを、1M NaCl を用いてこの紙から溶出してエタノール沈澱した。 3)DNA再組立 精製されたフラグメントを、PCR Mix(0.2mM 各dNTP、2.2mM MgCl2、50mM KCl 、10mM Tris-HCl pH 9.0、0.1% Triton X-100、0.3μl Taq DNAポリメラーゼ、 50μlの総容量)中に10〜30ng/μlの濃度で再懸濁させた。この時点では、プラ イマーを添加しなかった。94℃60秒間、[94℃30秒間、50〜55℃30秒間、72℃30 秒間]の30〜45サイクル、および72℃5分間の再組立プログラムを、MJ Research (Watertown MA)PTC-150サーマルサイクラーにおいて用いた。より大きな配列 への小さなフラグメントのPCR再組立に続いて、再組立の25、30、35、40、およ び45サイクル後の反応のサンプルを採取した(図2)。 100〜200bpのフラグメントの再組立は、正確なサイズの単一のPCR産物を産生 し得るが、10〜50塩基のフラグメントは、代表的に正確なサイズのいくらかの産 物および不均一な分子量の産物を産生する。制限酵素消化後、正確なサイズの単 一のバンドが得られるので、このサイズ不均一性のほとんどは、産物の末端での 1本鎖配列に起因すると思われる。 4)プライマーを用いたPCR それぞれ0.8μMの上記のプライマー(配列番号1および2)を有するPCR Mix への再組立産物の希釈、および約15サイクルのPCR(それぞれのサイクルは、[94 ℃30秒間、50℃30秒間、および72℃30秒間]からなる)の後、正確なサイズの単 一の産物が得られた(図2)。 5)クローニングおよび分析 上記の工程4由来のPCR産物を、末端の制限酵素BamHIおよびEco0109で消化し 、そして上記の工程2に記載のようにゲル精製した。再組立されたフラグメント を、BamHIおよびEco0109で消化したpUC18に連結した。E.coliを、製造業者(St ratagene,San Diego CA)により推奨されるような標準的な条件下で、この連結 混合物を用いて形質転換し、そして100μg/mlアンピシリン、0.004% X-galおよ び2mM IPTGを有するアガープレートに播いた。++組換え体と判定されるHinDIII -NheIフラグメントを有する得られたコロニーを、それが青く見えることにより 同定した。 この実施例は、LacZα遺伝子を保有する1.0kbの配列が、10〜70bpのフラグメ ントに消化され得ること、およびこれらのゲル精製された10〜70bpのフラグメン トが、正確なサイズの単一の産物に再組立され得ることを説明する。ここで、得 られたコロニーの84%(N=377)がLacZ+である(再編成なしの場合の94%に対 して;図2)。 得られたLacZ-コロニー由来のLacZ遺伝子をコードするDNAを、製造業者の指示 に従い、配列決定キット(United States Biochemical Co.,Cleveland OH)で 配列決定し、そしてこの遺伝子が、再組立プロセスに起因する点変異を有するこ とを見い出した(表1)。11/12の型の置換が見い出され、そしてフレームシフ トは見い出されなかった。 10〜70bpの切片からのDNA再組立の間の点変異誘発率は、DNA配列決定から0.7 %(N=4,473)であると決定された。これは誤りがちなPCRと類似している。い かなる理論にも制限されることなく、より大きなフラグメントが再組立に用いら れる場合、または校正ポリメラーゼが添加される場合、点変異誘発率は、より低 くあり得ると考えられている。 14のこれらの点変異されたLacZ-コロニーのプラスミドDNAを、組合わせ、そし て再び上述の方法により再組立/再編成した場合、得られたコロニーの34%(N =291)がLacZ+であり、そしてこれらのコロニーは、おそらく異なるコロニー由 来のDNAの組換えにより生じたのであろう。 誤りがちなPCRによる単一の点変異の予測される回復率は、変異誘発率が0.7% (10)であると仮定すると、<1%であると予想される。 このようにして、大きなDNA配列は、驚くほど効率的および単純な反応により 、小さなフラグメントのランダムな混合物から再組立され得る。この技術の1つ の応用は、相同性に基づいた関連した配列の組換えまたは再編成である。実施例2.LacZ遺伝子およびプラスミドDNA全体の再編成 1)LacZ遺伝子再編成 2つのLacZ遺伝子構築物を用いて、75塩基離れた2つのマーカー間のクロスオ ーバーを計測した。終止コドンを、LacZα遺伝子の2つの離れた範囲に挿入し、 ネガティブマーカーとして用いた。それぞれのマーカーは、4つの終止コドンを 有する25bpの非相同配列であり、終止コドンのうち2つは、LacZ遺伝子のリーデ ィングフレーム内にある。25bpの非相同配列を、大きな四角により図3に示す。 終止コドンは、四角で囲むか、または下線を付すかした。+-および-+型のLacZα 遺伝子(図3)を含有する2つの1.0kbのLacZテンプレートの1:1混合物を、DNAs eIで消化し、そして100〜200bpのフラグメントを実施例1に記載のように精製し た。再編成プログラムを、0.5μlのポリメラーゼを添加し、そして全容量が100 μlであった以外は、実施例1における再組立について記載された条件と同様の 条件下で実施した。 クローニング後、得られた青色のコロニーの数は、24%;(N=386)であった。 これは青色のコロニーの理論的な最大数(すなわち25%)に近接しており、2つ のマーカー間の組換えが完全であったことを示した。10の青色のコロニーの全て は、予測されるHindIII-NheI制限フラグメントを含有した。 2)プラスミドDNA全体の再編成 2.7kbプラスミド全体(pUC18-+およびpUC18+-)もまた、試験した。+-および- +型のLacZα遺伝子(図3)を含有する2つの2.9kbのプラスミドの1:1混合物を 、DNAseIで消化し、そして100〜200bpのフラグメントを実施例1に記載のように 精製した。プログラムが[94℃30秒間、55℃30秒間、72℃30秒間]の60サイクルで あった以外は、上記の工程(1)における再組立について記載された条件と同様 の条件下で再編成プログラムを実施した。ゲル分析は,再編成プログラム後、産 物のほとんどが20kbよりも大きいことを示した。このようにして、2.7kbのプラ スミド全体(pUC18-+およびpUC18+-)を、プライマーの添加なしにランダムな10 0〜200bpのフラグメントから効率的に再組立した。 プラスミド上に唯一の部位を有する制限酵素(EcoO109)での消化後、産物の ほとんどは、予測されるサイズの単一のバンドからなっていた。このバンドをゲ ル精製し、再連結し、そしてこのDNAをE.coliの形質転換に用いた。実施例1に 記載のように、形質転換体を0.004% X-galプレート上に播いた。得られたプラ スミドの11%(N=328)は、青色すなわち++組換え体であった。 3)スパイクしたDNA再編成 再編成混合物中に混合されるオリゴヌクレオチドは、テンプレートDNAに対す るオリゴヌクレオチドのフランキング配列の相同性に基づき最終産物中に取り込 まれ得る(図4)。上述のLacZ-終止コドン変異体(pUC18-+)をDNAseI消化テン プレートとして用いた。両末端に野生型LacZ遺伝子に対する18塩基の相同性を含 有する66マーのオリゴヌクレオチドを、4倍モル濃度過剰量で反応物中に添加し 、本来の遺伝子中に存在する終止コドン変異を補正した。再編成反応を、上記の 工程2における条件と同様の条件下で実施した。得られた産物を消化し、連結し 、そして上述のようにE.coliに挿入した。 ssDNAは、dsDNAよりも効率的であるようであり、おそらくこれは競合的なハイ ブリダイゼーションに起因すると思われる。取り込みの度合は、モル濃度過剰量 、アニーリング温度、または相同性の長さを調整することにより、広範な範囲に 亘って変化し得る。実施例3.プライマーの完全な非存在下におけるDNA再組立 プラスミドpUC18を制限酵素EcoRI、Eco0109、XmnI、およびAlwNIで消化し、約 370、460、770、および1080bpのフラグメントを産生した。これらのフラグメン トを電気泳動し、そして2%低融点アガロースゲルから別々に精製した(370塩 基対のバンドと460塩基対のバンドは、分離され得なかった)。これにより、3 つの別個のチューブに、大きなフラグメント、中程度のフラグメント、および2 つの小さなフラグメントの混合物を得た。 それぞれのフラグメントを実施例1に記載のようにDNAseIで消化し、そして50 〜130bpのフラグメントを、それぞれの本来のフラグメントについて2%低融点 アガロースゲルから精製した。 PCR混合物(上述の実施例1に記載のような)を精製した消化フラグメントに 添加して、フラグメントの最終濃度を10ng/μlとした。プライマーを添加しなか った。再組立反応を、3つの消化したDNAフラグメント混合物それぞれについて 別々に[94℃30秒間、60℃30秒間]を75サイクル実施し、そして産物をアガロース ゲル電気泳動により分析した。 この結果は、1080bp、770bp、ならびに370bpおよび460bpのバンドが、精製さ れたフラグメントから効率的に再形成されたことを明確に示した。これは、再編 成がいかなるプライマーの使用をも全く必要としないことを示す。実施例4.IL-1β遺伝子再編成 この実施例は、15塩基よりも少ない相同性に基づいてクロスオーバーが得られ 得ることを説明する。例として、ヒトおよびマウスのIL-1β遺伝子を再編成した 。 マウスのIL-1β遺伝子(BBG49)およびE.coliのコドン使用頻度を有するヒト IL-1β遺伝子(BBG2; R&D Systems Inc.,Minneapolis MN)を再編成反応のテン プレートとして用いた。ヒトIL-1β配列とマウスIL-1β配列との間の完全に相同 な範囲は、平均してわずか4.1塩基の長さである(図5、非相同の領域を四角で 囲った)。 それぞれの遺伝子のdsDNA PCR産物の調製、プライマーの除去、10〜50bpフラ グメントのDNAseI消化および精製は、実施例1において上述されたものと同様で あった。PCR反応に用いられるプライマーの配列は、5'TTAGGCACCCCAGGCTTT3'( 配列番号3)および5'ATGTGCTGCAAGGCGATT3'(配列番号4)であった。 再編成反応の最初の15のサイクルは、DNAポリメラーゼIのKlenowフラグメント を用いて、それぞれのサイクル毎に1単位の新たな酵素を添加しながら、実施し た。DNAをポリメラーゼを含まない実施例1のPCR混合物に添加した。手動のプロ グラムは、94℃1分間、および次いで[95℃1分間、ドライアイス/エタノール 上に10秒間(凍結するまで)、25℃にて約20秒間インキュベート、1UのKlenowフ ラグメントの添加、および25℃にて2分間インキュベート]の15サイクルであっ た。変性工程後のそれぞれのサイクルにおいて、チューブをドライアイス/エタ ノール中で迅速に冷却し、そしてアニール温度まで再加熱した。次いで、熱不安 定性ポリメラーゼを添加した。この酵素は、全てのサイクルごとの添加を必要と する。このアプローチを用いることにより、わずか数塩基の連続した相同性に基 づいて、高レベルのクロスオーバーが得られた(図5、クロスオーバーの位置 これらの15回の手動のサイクルの後、Taqポリメラーゼを添加し、そしてさら なる22サイクルの再編成反応[94℃30秒間、35℃30秒間]をプライマーなしで実施 した。 次いで反応物を20倍に希釈した。以下のプライマーを、0.8μMの最終濃度で添 加した:5'AACGCCGCATGCAAGCTTGGATCCTTATT3'(配列番号5)および5'AAAGCCCTC TAGATGATTACGAATTCATAT3'(配列番号6)。そしてPCR反応を実施例1における上 述のように実施した。第2のプライマーペアは、制限部位の変化が必要であると 考えられるためだけで第1のペアと異なった。 XbaIおよびSphIでのPCR産物の消化の後、このフラグメントをXbaI-SphI消化pU C18に連結した。いくつかのコロニー由来の挿入物の配列を、製造業者の指示に 従い、ジデオキシDNA配列決定キット(United States Biochemical Co.,Clevel and OH)により決定した。 全部て17のクロスオーバーが、9つのコロニーのDNA配列決定により見い出さ れた。いくつかのクロスオーバーは、わずか1〜2塩基の連続した相同性に基づい ていた。 短い相同性に基づく効率的なクロスオーバーを強いるために、非常に低い効率 的なアニーリング温度が要求されることが見い出された。任意の熱安定性ポリメ ラーゼを用いて、PCR機械の冷却時間(1〜2℃/秒の94℃から25℃への)は、効果 的なアニーリング温度を設定されたアニール温度よりも高くする。従って、Taq ポリメラーゼに基づくプロトコルのいずれもが、IL-1β遺伝子の一方の10倍過剰 量を用いてもクロスオーバーを産生しなかった。対照的に、熱不安定性ポリメラ ーゼ(例えば、DNAポリメラーゼIのKlenowフラグメント)は、低いアニーリング 温度を正確に得るために用いられ得る。実施例5.TEM-1βラクタマーゼ遺伝子のDNA再編成 直接分子進化のための変異誘発DNA再編成の利用性を、βラクタマーゼモデル システムにおいて試験した。TEM-1βラクタマーゼは、非常に効率的な酵素であ り、主に拡散によりその反応速度は限定される。この実施例は、その反応特異性 を変化すること、および通常加水分解しない薬物セフォタキシムに対して耐性を 得ることが可能であるかを決定する。 プラスミドを含まない細菌性細胞におけるセフォタキシムの最小阻止濃度(MI C)を、E.coli XL1-blue細胞(Stratagene,San Diego CA)の一夜細菌培養物 の10-2希釈の10μl(約1000cfu)を、異なるレベルのセフォタキシム(Sigma,S t.Louis MO)を有するプレートに播き、続いて37℃で24時間インキュベートす ることにより決定した。 セフォタキシム上での生育は、細胞の密度に対して敏感であり、それ故類似の 数の細胞がそれぞれのプレートに播かれる必要がある(添加物非含有LBプレート に播くことにより得られる)。1000個の細胞のプレートが一貫して行われた。 1)最初のプラスミド構築 細菌のTEM-1βラクタマーゼ遺伝子を保有するpUC18誘導体を用いた(28)。TE M-1βラクタマーゼ遺伝子は、細菌に約0.02μg/mlのセフォタキシムに対する耐 性を与える。2つのプライマー: を用いるベクター配列のPCRおよび2つの他のプライマー: を用いるβラクタマーゼ配列のPCRにより、プロモーターの5'および遺伝子の末 端の3'にSfi1制限部位を付加した。 2つの反応産物をSfiIで消化し、混合し、連結し、そして細菌を形質転換する ために用いた。 得られたプラスミドは、pUC182Sfiであった。このプラスミドは、TEM-1遺伝子 およびP-3プロモーターを保有するSfi1フラグメントを含有する。 このプラスミドを保有するE.coli XL1-blue(Stratagene,San Diego CA)に 関するセフォタキシムの最小阻止濃度は、37℃で24時間後で0.02μg/mlであった 。 再編成なしに、セフォタキシムに対するβラクタマーゼ遺伝子の耐性を改変す る能力は、2倍に増加した薬物レベルへの細胞(約107cfu)の希釈したプールの 段階的な再プレートにより決定した。1.28μg/mlまでへの耐性が再編成なしに得 られ得た。これは、耐性の64倍の増加を表す。 2)DNAseI消化 第1の再編成反応のための基質は、プライマーCおよびD(両方ともSfiI部位を 含有する)を用いるpUC182SfiのPCRにより得られた0.9kbのdsDNAであった。 各サイクルごとにPCR産物から遊離プライマーをWizard PCR prep(Promega,M adison WI)により除去した。 約5μgのDNA基質を、10分間室温で、100μlの50mM Tris-HCl pH7.4、1mM Mg Cl2中て0.15単位のDNAseI(Sigma,St.Louis MO)で消化した。100〜300bpのフ ラグメントを、DE81イオン交換紙(Whatman,Hillsborough OR)への電気泳動、 1M NaClでの溶出、およびエタノール沈澱により、実施例1に記載の方法によっ て2%低融点アガロースゲルから精製した。 3)遺伝子再編成 精製したフラグメントを、10〜30ng/μlの濃度でPCR混合物(0.2mM 各dNTP、2 .2mM MgCl2、50mM KCl、10mM Tris-HCl pH 9.0、0.1% Triton X-100)に再懸濁 した。この時点でプライマーを添加しなかった。94℃60秒間、次いで[94℃30秒 間、50〜55℃30秒間、72℃30秒間]の40サイクル、そして次いで72℃5分間の再 組立プログラムを、MJ Research(Watertown MA)PTC-150サーマルサイクラーに おいて使用した。 4)プライマーを用いる再組立産物の増幅 0.8μMのそれぞれのプライマー(CおよびD)を有するPCR混合物への再組立産 物の希釈、および20のPCRサイクル[94℃30秒間、50℃30秒間、72℃30秒間]の後 、900bpのサイズの単一の産物を得た。 5)クローニングおよび分析 末端の制限酵素SfiIでの900bp産物の消化、およびアガロースゲル精製の後、9 00bp産物を、T4 DNAリガーゼ(BRL,Gaithersburg MD)を用いて唯一のSfiI部位 でベクターpUC182Sfiに連結した。混合物を、E.coli XL1-blue細胞にエレクト ロポレートし、そして0.32〜0.64μg/mlのセフォタキシム(Sigma,St.Louis M O)を有するLBプレートに播いた。細胞を、37℃て24時間まで増殖させ、得られ たコロニーをプールとしてプレートから掻き取り、そして次のラウンドの再編成 のためのPCRテンプレートとして用いた。 6)引き続く再組立ラウンド 3ラウンドの再編成のそれぞれの後に得られた形質転換体を、漸増するレベル のセフォタキシムに播いた。最も高いレベルのセフォタキシムを有するプレート 由来のコロニー(>100、多様性を維持するために)をプールし、次のラウンド のPCR反応のためのテンプレートとして用いた。 上記の工程(5)において0.32〜0.64μg/mlで得られたセフォタキシム耐性コ ロニーの混合物を次のラウンドの再編成のためのテンプレートして用いた。LBブ ロス中の10μlの細胞を、上述のように、99℃10分間、次いで[94℃30秒間、52℃ 30秒間、72℃30秒間]の35サイクル、および次いで72℃5分の再組立プログラム においてテンプレートとして用いた。 再組立産物を消化し、そして上記の工程(5)に記載のようにpUC182Sfiに連 結した。混合物をE.coli XL1-blue細胞にエレクトロポレートし、そして5〜10 μg/mlのセフォタキシムを有するLBプレートに播いた。 5〜10μg/mlで得られたコロニーを、細胞を80〜160μg/mlのセフォタキシムを 含有するLBプレートに播いた以外は第1および第2のラウンドと同様である第3 のラウンドに用いた。第3のラウンドの後、コロニーを、80〜160μg/mlで得、 そして漸増する濃度のセフォタキシムに再プレートした後、コロニーは、37℃で 24時間後、320μg/mlまでで得られた(MIC=320μg/ml)。 セフォタキシムにおける増殖は、細胞密度に依存し、全てのMICが規格化され ることを要求する(本発明者らの場合、プレートあたり約1,000細胞まで)。よ り高い細胞密度で、1280μg/mlまででの増殖が得られた。1,280μg/mlで増殖さ れた5つの最も大きいコロニーを、単一コロニーのために2回プレートし、そし てSfi1挿入物を、コロニーPCR産物の制限マッピングにより分析した。 セフォタキシムに対する耐性が16,000倍に増加した(MIC=0.02μg/mlからMIC =320μg/ml)1つの変異体が得られた。 選択後、選択されたクローンのプラスミドを野生型E.coli XL1-blue細胞(St ratagene,San Diego CA)に戻し、測定された薬剤耐性の全てが、染色体の変異 に起因しないことを確認した。 再編成および選択の3つのサイクルは、TEM-1βラクタマーゼに関する伸展し た幅広いスペクトラムの抗生物質であるセフォタキシムの最小阻止濃度における 1.6×104倍の増加を生じた。対照的に、再編成なしの繰り返しのプレーティング は、耐性のわずか16倍の増加のみを生じた(誤りがちなPCRまたはカセット変異 誘発)。 7)配列分析 1,280μg/mlで生育した5つの最も大きいコロニーの全ては、野生型TEM-1酵素 と同一な制限地図を有した。これらのコロニーの内の1つから得られたプラスミ ドのSfiI挿入物を、製造業者の指示に従い、ジデオキシDNA配列決定法(United States Biochemical Co.,Cleveland OH)により配列決定した。全ての塩基番号 は、改訂されたpBR322配列(29)に対応し、そしてアミノ酸番号は、ABL標準番 号付けスキーム(30)に対応する。アミノ酸は3文字表記で示され、そしてヌク レオチドは1文字表記で示される。用語G4205Aは、ヌクレトチド4205が、グアニ ジンからアデニンに変化したことを意味する。 9つの1塩基置換が見い出された。G4205Aは、βラクタマーゼP3プロモーター (31)の-35と-10部位との間に位置される。ChenおよびClowes(31)により観察 されたプロモーター上方変異体(up-mutant)は、本発明で用いられたSfi1フラ グメントの外側に位置され、従って検出され得なかった。4つの変異は、サイレ ント変異であり(A3689G、G3713A、G3934A、およびT3959A)、そして4つがアミ ノ酸変化を生じた(Gly238Serを生じるC3448T、Met182Thrを生じるA3615G、Glu1 04Lysを生じるC3850T、およびAla18Valを生じるG4107A)。 8)分子戻し交雑 次いで非必須変異を除去するために、過剰量の野生型DNAを用いた分子戻し交 雑を用いた。 分子戻し交雑は、DNAseI消化および再編成反応を40倍の過剰量の野生型TEM-1 遺伝子フラグメントの存在下で実施した以外は、上述したような通常の再編成と 同一な方法によりDNA再編成の第3のラウンドから選択されたプラスミドに対し て実施した。戻し交雑をより効率的にするために、非常に小さなDNAフラグメン ト(30〜100bp)を再編成反応に用いた。戻し交雑変異体を、80〜160μg/mlのセ フォタキシム(Sigma,St.Louis MO)を有するLBプレートで再び選択した。 この戻し交雑再編成を、40倍の過剰量の野生型TEM-1 DNAの存在下での第1の 戻し交雑ラウンドからのコロニー由来のDNAを用いて繰り返した。戻し交雑の効 率を増加させるために、小さなDNAフラグメント(30〜100bp)を用いた。第2の ラウンドの戻し交雑変異体を、80〜160μg/mlのセフォタキシムを有するLBプレ ートで再び選択した。 得られた形質転換体を160μg/mlのセフォタキシムに播き、そしてコロニーの プールを、1,280μg/mlまでの漸増するレベルのセフォタキシムに再プレートし た。1,280μg/mlで得られた最も大きなコロニーを、単一コロニーのために再プ レートした。 この戻し交雑変異体は、野生型よりも32,000倍高い耐性を示した(MIC=640μ g/ml)。変異体株は、以前に報告された臨床的TEM-1由来株または加工されたTEM -1由来株よりもセフォタキシムに対して64倍高い耐性である。従って、DNA再編 成は、少なくともいくつかのサイクルの定方向性分子進化のための迅速で強力な 手段であるようである。 戻し交雑された変異体のSfiI挿入物のDNA配列を、製造業者の指示に従いジデ オキシDNA配列決定キット(United States Biochemical Co.,Cleveland OH)を 用いて決定した(表3)。変異体は、9つの1塩基対変異を有した。予測される ように、以前に同定した4つのサイレント変異の全てが消失し、野生型遺伝子の 配列に戻っていた。プロモーター変異(G4205A)および4つのアミノ酸変異の内 の3つ(Glu104Lys、Met182Thr、およびGly238Ser)は、戻し交雑されたクロー ンに残っていた。このことは、それらが高レベルのセフォタキシム耐性のために 必須であることを示唆する。しかし、2つの新規のサイレント変異(T3842Cおよ びA3767G)ならびにアミノ酸変化を生じる3つの新規の変異(Arg241Hisを生じ るC3441T、Gly92Serを生じるC3886T、およびAla42Glyを生じるG4035C)が見い出 された。これらの2つのサイレント変異は、タンパク質の1次配列に影響しない が、タンパク質の発現レベル(例えばmRNAの構造により)、およびおそらくタン パク質の折り畳みにさえに影響し得る(コドン使用頻度を変化すること、および それゆえタンパク質の折り畳みに関係する休止部位を変化することによる)。 戻し交雑変異体および非戻し交雑変異体は両方とも1つのプロモーター変異( これは、単独または組み合わせにより発現レベルにおいて2〜3倍の増加を生じる )および3つの共通したアミノ酸変化(Glu104Lys、Met182Thr、およびGly238Se r)を有する。Glu104LysおよびGly238Serは、いくつかのセフォタキシム耐性TEM -1誘導体または他のTEM-1誘導体(表4)において存在する変異である。 9)発現レベル比較 野生型プラスミド、非戻し交雑変異体、および戻し交雑変異体におけるβラク タマーゼ遺伝子の発現レベルを、Witholt,B.(32)の方法に従い浸透圧ショック により調製された周辺質の抽出物のSDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動(4〜2 0%;Novex,San Diego CA)により比較した。 精製されたTEM-1βラクタマーゼ(Sigma,St.Louis MO)を、分子量基準とし て用い、そしてプラスミドを含まないE.coli XL1-blue細胞をネガティブコント ロールとして用いた。 変異体および戻し交雑された変異体は、野生型遺伝子と比較して2〜3倍高いレ ベルのβラクタマーゼタンパク質を産生するようであった。プロモーター変異は 、βラクタマーゼの2〜3倍の増加を生じるようであった。実施例6.TEM-1βラクタマーゼ遺伝子の変異体組み合わせ体の構築 変異の異なる組み合わせの耐性を決定するため、そして発表された変異体と新 規の変異体とを比較するために、いくつかの変異体を、同一のプラスミドバック グラウンド中に構築した。2つの変異(Glu104LysおよびGly238Ser)は、セフォ タキシム変異体として知られている。構築した全ての変異体の組み合わせは、プ ロモーター変異を有しており、これは選択された変異体の比較を可能にした。結 果を図4に示す。 変異の特定の組み合わせは、1変異当たり2つのオリゴヌクレオチドを用いて 、PCRにより野生型pUC182Sfi中に導入された。 以下の変異を得るためのオリゴヌクレオチドは以下のようであった: これらの個々のPCRフラグメントを、合成オリゴヌクレオチドからゲル精製し た。10ngのそれぞれのフラグメントを組み合わせ、そして再組立反応を、94℃1 分間、および次いで25サイクル;[94℃30秒間、50℃30秒間、および72℃45秒間] で実施した。PCRを、SfiI含有外側プライマー(実施例5のプライマーCおよびプ ライマーD)の存在下で25サイクルにわたって再組立産物に対して実施した。DNA をSfiIで消化し、そして野生型pUC182Sfiベクターに挿入した。以下の変異体組 み合わせが得られた(表4)。 保存された変異が、MICにおける15の倍加(doubling)の内の9つの原因である と結論づけられた。 Glu104Lys単独は、0.08μg/mlへのMICの倍加のみを生じることが示され、そし てGly238Ser(いくつかの状況において1つのさらなるアミノ酸変化を有する) は、0.16μg/mlのMICのみを生じた(26)。2重変異体Glu104Lys/Gly238Serは、 10μg/mlのMICを有する。この変異体は、TEM-15に相当する。 これらの同一のGlu104Lys変異およびGly238Ser変異は、Gln39Lys(TEM-3)ま たはThr263Met(TEM-4)と組み合わせて、高レベルの耐性(TEM-3について2〜32 μg/mlおよびTEM-4について8〜32μg/ml(34、35))を生じる。 戻し交雑後に保存された3つのアミノ酸変化(Glu104Lys/Met182Thr/Gly238Ser )を含有する変異体もまた、10μg/mlのMICを有した。これは、新規の選択された 変異体のそれぞれが、3つの公知の変異に加えてさらに有する変異が、セフォタ キシムに対する遺伝子の耐性のさらなる32〜64倍の増加の原因であることを意味 した。 天然に存在する、臨床的TEM-1由来酵素(TEM-1〜19)のそれぞれは、5〜7つの みの同一の変異の異なる組み合わせを含有する(総説)。これらの変異は、遺伝 子において十分に分離した位置に存在するので、高度なセフォタキシム耐性を有 する変異体は、単一の範囲のカセット変異誘発によっては得られ得ない。これは 、標準的なカセット変異誘発アプローチにより得られる最大MICが、わずか0.64 μg/mlである理由を説明し得る(26)。例えば、Glu104Lys変異およびGly238Ser 変異は両方とも0.16μg/ml未満のMICを有することが本研究において個々に見い 出された。DNA再編成の使用は、組み合わせを可能にし、それ故10μg/mlのMICを 有するGlu104Lys/Gly238Serの組み合わせが見い出された。 この実施例の重要な制限は、開始点としての単一の遺伝子の使用である。多数 の関連した天然に存在する遺伝子が再編成される場合、より良好な組み合わせが 見い出され得ることが意図される。このような混合物に存在する多様性は、変異 誘発再編成により産生されるランダムな変異よりも有意義である。例えば、単一 の種由来の関連した遺伝子のレパートリー(例えば、免疫系の既存の多様性)、 または多くの異なる種から得られる関連した遺伝子を使用し得ることが意図され る。実施例7.6つの変異体CDR全てのライブラリーのDNA再編成による抗体A10Bの改 善。 A10B scFv抗体、マウス抗ウサギIgGは、Pharmacia(Milwaukee WI)から寄贈 された。pCANTAB5ファージディスプレイベクターを使用する市販のPharmaciaフ ァージディスプレイシステムを使用した。 本来のA10B抗体は、低いアビディティのみを再現性よく有した。というのは、 (ファージELISA(Pharmaciaアッセイキット)またはファージタイターにより測定 したところ)固定化抗原(ウサギIgG)に弱く結合するクローンのみが得られた からである。競合アッセイにおいてA10B抗体結合の50%阻害を生じたウサギIgGの 濃度は、13ピコモル濃度であった。観察された低いアビディティはまた、A10Bク ローンの不安定さに起因し得る。 A10B scFv DNAを製造業者の指示に従い配列決定した(United States Biochem ical Co.,Cleveland OH)。Kabat(33)との比較に基づくと、この配列は、既 存の抗体と同様であった。 1)ファージDNAの調製 A10B野生型抗体遺伝子を有するファージDNA(10μl)を、99℃にて10分間イン キュベートし、次いで72℃にて2分間インキュベートした。PCR混合物(50mM KC l、10mM Tris-HCl pH 9.0、0.1% Triton X-100、200μM 各dNTP、1.9mM MgCl) 、0.6μmのそれぞれのプライマー、および0.5μl Taq DNAポリメラーゼ(Promeg a,Madison WI)をファージDNAに添加した。PCRプログラムを[94℃30秒間、45℃ 30秒間、72℃45秒間]の35サイクルにわたって実施した。用いたプライマーは: であった。 次いで850bpのPCR産物を電気泳動し、そして2%低融点アガロースゲルから精 製した。 2)フラグメント化 300ngのゲル精製した850bpのバンドを、20分間室温にて、50mM Tris-HCl pH 7 .5、10mM MgCl中で0.18単位のDNAse I(Sigma,St.Louis MO)で消化した。消 化したDNAを、2%低融点アガロースゲルにおいて分離し、そして50〜200bp間の バンドをゲルから精製した。 3)試験ライブラリーの構築 本実験の目的は、CDRの挿入が効果的であるか否かを試験することである。 内部に制限酵素部位を有する以下のCDR配列を合成した。「CDR H」は、抗体の H鎖におけるCDRを意味し、「CDR L」は、抗体のL鎖におけるCDRを意味する。 制限部位を有するCDRオリゴ: 上記工程(2)からの50〜200bpの精製A10B抗体DNAフラグメントにCDRオリゴを過 剰な10倍のモル量で添加した。PCR混合物(50mM KCl、10mM Tris-HCl pH9.0、0.1 % Triton X-100、1.9mM MgCl、200μmの各dNTP、0.3μl Taq DNAポリメラーゼ (Promega、Madison WI)、総容積50μl)を添加し、そして94℃で1分間、72℃で 1分間、次いで35サイクル:94℃で30秒間、55℃で30秒間、72℃で30秒間の再編 成プログラムを行った。 1μlの再編成混合液を100μlのPCR混合物(50mM KCl、10mM Tris-HCl pH9.0、 0.1% Triton X-100、200μmの各dNTP、1.9mM MgCl、それぞれ0.6μMの2つの外 側プライマー(配列番号26および27、下記参照のこと)、0.5μl Taq DNAポリメラ ーゼ)に添加し、そしてPCRプログラムを30サイクル[94℃で30秒間、45℃で30秒 間、72℃で45秒間]行った。得られる850塩基対サイズのDNAフラグメントの混合 液をフェノール/クロロホルム抽出し、そしてエタノール沈殿させた。 外側プライマーは: 850bpのPCR生成物を制限酵素SfiIおよびNotIで消化し、低融点アガロースゲル から精製し、そしてPharmacia、Milwaukee WIから得たpCANTAB5発現ベクターに 連結した。Invitrogen(San Diego CA)により記載される方法に従って、連結した ベクターをTG1細胞(Pharmacia、Milwaukee WI)にエレクトロポレートし、そして 単一のコロニーについてプレートした。 得られるコロニー由来のDNAを100μlのPCR混合物(50mM KCl、10mM Tris-HCl p H9.0、0.1% Triton X-100、200μmの各dNTP、1.9mM MgCl、0.6μMの外側プライ マー1(配列番号27、下記参照のこと)および6つの内側プライマー(配列番号40 〜45;下記参照のこと)、および0.5μlのTaq DNAポリメラーゼ)に添加し、そし て35サイクル[94℃で30秒間、45℃で30秒間、72℃で45秒間]でPCRプログラムを 行った。PCR生成物のサイズを、アガロースゲル電気泳動により測定し、そして 制限部位を有するどのCDRが挿入されたのかを決定するために用いた。 CDR内側プライマー: 6つの合成CDRは、野生型A10B抗体DNAの予想された位置に挿入された(図7)。 これらの研究は、特定のクローン中の6つのCDRはそれぞれ制限部位を有するCDR になるわずかな可能性を有するが、ほとんどのクローンは少なくとも1つの制限 部位を有するCDRを保有し、そして制限部位を有するCDRの可能な任意の組み合わ せが生成されたことを示した。 4)変異相補性決定領域(「CDR」)の構築 本発明者らの配列データに基づき、6つのCDRに対応する6オリゴヌクレオチ ドを作製した。CDR(Kabat定義)を70(個の存在塩基):10:10:10の比率で合成的に 変異を誘発し、そして約20塩基のフランキング配列により5'末端および3'末端側 に側面を接しさせた。このフランキング配列は、変異を誘発しない抗体遺伝子フ ラグメントの混合物に過剰なモル量で混合する場合、CDRの取り込みに対して相 同性を提供する。得られる変異配列を以下に示す。 CDRライブラリーのオリゴ 太字体かつ下線を付した配列は、70:10:10:10のヌクレオチド(ここで70%は野生 型ヌクレオチド)の混合物を用いて合成した変異配列であった。 過剰な10倍のモル量のCDR変異オリゴを、上記工程(2)からの長さ50〜200bpの 精製A10B抗体DNAフラグメントに添加した。PCR混合物(50mM KCl、10mM Tris-HCl pH9.0、0.1% Triton X-100、1.9mM MgCl、200μmの各dNTP、0.3μlのTaq DNAポ リメラーゼ(Promega、Madison WI)、総容積50μl)を添加し、そして94℃で1分 間、72℃で1分間、次いで35サイクル:[94℃で30秒、55℃で30秒、72℃で30秒] の再編成プログラムを行った。 1μlの再編成した混合物を100μlのPCR混合物(50mM KCl、10mM Tris-HCl pH9 .0、0.1% Triton X-100、200μmの各dNTP、1.9mM MgCl、それぞれ0.6μMの2つ の外側プライマー(配列番号26および27、下記参照のこと)、0.5μlのTaq DNAポ リメラーゼ)に添加し、そして30サイクル[94℃で30秒間、45℃で30秒間、72℃で 45 秒間]でPCRプログラムを行った。得られる850塩基対サイズのDNAフラグメントの 混合物をフェノール/クロロホルム抽出し、そしてエタノール沈殿させた。 外側プライマーは: 5)scFV抗体DNAのpCANTAB5へのクローニング 850bpのPCR生成物を制限酵素SfiIおよびNotIで消化し、低融点アガロースゲル から精製し、そしてPharmacia、Milwaukee WIから得たpCANTAB5発現ベクターに 連結した。Invitrogen(San Diego CA)により記載される方法に従って連結したベ クターをTG1細胞(Pharmacia Milwaukee WI)にエレクトロポレートし、そして製 造業者により推薦されるガイドラインに従ってヘルパーファージを用いてファー ジライブラリーを増殖させた。 この様式で生成したライブラリーを、6サイクルの選択を使用して、改善され た抗体の存在についてスクリーニングした。 6)高親和性クローンの選択 96ウェルのマイクロタイタープレートの15ウェルを、ウサギIgG(Jackson Immu noresearch、Bar Harbor ME)で10μg/ウェル、37℃で1時間コートし、次いでPB S中の2%のノンファットドライミルクで37℃で1時間ブロックした。 100μlのファージライブラリー(1×1010cfu)を100μlの2%のミルクで室温で 30分間ブロックし、次いて15ウェルのそれぞれに添加し、37℃で1時間インキュ ベートした。 次いで、0.5%のTween-20を含有するPBSを用い、37℃で1回の洗浄あたり10分 間でウェルを3回洗浄した。結合したファージを100μlの溶出緩衝液(Glycine-H Cl、pH2.2)で溶出し、続いて2MのTris pH7.4で迅速に中和し、そしてファージ生 産のためにトランスフェクションした。この選択サイクルを6回反復した。 6サイクルの後、個々のファージクローンを拾い、そしてファージELISAによ り相対的な親和性を比較し、そしてウサギIgGに対する特異性をPharmacia(Milwa ukee WI)製のキットを用いて製造業者により推薦される方法に従ってアッセイし た。 ウエスタンアッセイにより試験した場合、最良のクローンは、野生型A10Bと比 較して約100倍の改善された発現レベルを有した。最良のクローンを用いる競合 アッセイにおいて50%の阻害を生じたウサギIgGの濃度は1ピコモル濃度であった 。最良のクローンはウサギ抗原に対する特異性に再現性が認められた。ファージ によりディスプレイされる抗体のコピー数は増加するようてある。実施例8. 部分的遺伝子のダイレクトリピートによるインビボでの組換え プラスミドを2つの部分で構築した。この2つの部分は、これらの2つのダイ レクトリピートの共通範囲間の組換えが完全長の活性組換え遺伝子をもたらすこ とを示す同一遺伝子(β-ラクタマーゼ)の不活性コピーである。 細菌TEM-1βラクタマーゼ遺伝子を保有するpUC18誘導体を使用した(Yanish-Pe rronら、1985、Gene 33:103-119)。TEM-1βラクタマーゼ遺伝子(「Bla」)は、約 0.02μg/mlのセフォタキシムに対する耐性を細菌に与える。2つのプライマーを 用いるベクター配列のPCRにより、Sfi1制限部を、5'側のプロモーターとβラク タマーゼ遺伝子の3'末端とに加えた。 2つのプライマーの配列: および他の2つのプライマーを用いるβラクタマーゼ遺伝子配列のPCRによる場 合: 2つの反応生成物をSfi1で消化し、混合し、連結し、そしてこれを用いて以下 に記載される手順によりコンピテントなE.coli菌を形質転換した。得られたプラ スミドをpUC182Sfi-Bla-Sfiとした。このプラスミドはBLA遺伝子およびP-3プロ モーターを保有するSfi1フラグメントを含む。 pUC182Sfi-Bla-Sfiを保有するE.coli XL1-blue(Stratagen、San Diego CA)に 対するセフォタキシムの最小阻害濃度は、37℃、24時間後で0.02μg/mlであった 。 pBR322のテトラサイクリン遺伝子を相同性範囲を用いてpUC18Sfi-Bla-Sfiにク ローニングし、pBR322TetSfi-Bla-Sfiを得た。次いでSspIおよびFspIを用いるpB R322TetSfi-Bla-Sfiの制限消化および平滑末端連結によりTEM-1遺伝子を欠失さ せ、pUC322TetSfi-Sfiを得た。 TEM-1遺伝子の重複領域を標準的なPCR技術および以下のプライマーを用いて増 幅した: 2つの得られるDNAフラグメントをSfi1およびBstX1で消化し、pBR322TetSfi-S fiのSfi部位に連結した。得られるプラスミドをpBR322Sfi-BL-LA-Sfiとした。プ ラスミドの地図ならびに機能的β-ラクタマーゼのプラスミド内組換えおよび再 形成のスキームを図9に示す。 このプラスミドをTG-1細胞またはJC8679 E.coli細胞のいずれかにエレクトロ ポレートした。E.coli JC8679はRecBC sbcA(Olinerら、1993、NAR 21:5192)であ る。この細胞をテトラサイクリンを含有する固体寒天プレート上にプレートした 。次いで、増殖したこれらのコロニーを100μg/mlのアンピリシンを含有する個 体寒天プレート上にプレートし、そして生存するコロニーの数をカウントした。 アンピリシン耐性を示したこれらの形質転換体中のβ-ラクタマーゼ遺伝子挿入 物を、 て標準的なPCR技術により増幅し、そして挿入物の長さを測定した。1kbの挿入 物の存在は、図9および表5に示されるように遺伝子がうまく組換えられたこと を示す。 約17%〜25%のテトラサイクリン耐性コロニーはアンピシリン耐性でもあり、そ してすべてのアンピシリン耐性コロニーは、コロニーPCRにより決定されるよう に、正確に組換えられた。それゆえ、同じプラスミドに位置する部分的遺伝子は うまく組換えられて機能的遺伝子を作製する。実施例9. 完全長遺伝子のダイレクトリピートによるインビボ組換え β-ラクタマーゼ遺伝子の異なる対立遺伝子の2つの完全長コピーを有するプ ラスミドを構築した。2つの遺伝子の相同組換えによりこの遺伝子の1つの組換 え完全長コピーを得た。 pBR322TetSfi-SfiおよびpBR322TetSfi-Bla-Sfiの構築については上で述べた。 β-ラクタマーゼ遺伝子の2つの対立遺伝子を以下のように構築した。2つのP CR反応をpUC18Sfi-Bla-Sfiをテンプレートとして用いて行った。1つの反応は以 下のプライマーを用いて行った。 第2のPCR反応を以下のプライマーを用いて行った: これにより2つのBla遺伝子(一方のBla遺伝子は5'末端Sfi1部位および3'末端B stX1部位を有し、他方のBla遺伝子は5'末端BstX1部位および3'末端Sfi1部位を有 する)を得た。 これらの2つの遺伝子をBstX1およびSfi1で消化し、そしてSfi1消化プラスミ ドpBR322TetSfi-Sfiに連結した後、Bla遺伝子のタンデムリピートを有するプラ スミド(pBR322-Sfi-2BLA-Sfi)を得た。(図10を参照のこと) このプラスミドをE.coli細胞内にエレクトロポレートした。この細胞を15μg/ mlのテトラサイクリンを含有する固体寒天プレート上にプレートした。次いで増 殖したこれらのコロニーを100μg/mlのアンピシリンを含有する固体寒天プレー ト上にプレートし、そして生存するコロニーの数をカウントした。アンピシンリ ン耐性を示すこれらの形質転換体中のBla挿入物を、実施例8に記載される方法 およびプライマーを使用する標準的なPCR技術により増幅した。1kbの挿入物の 存在は、表6に示されるように重複遺伝子(duplicate gene)が組換えられたこと を示す。 コロニーPCRにより、タンデムリピートが効率的に組換えられて、単一の組換 え遺伝子を形成することを確認した。実施例10. 多数サイクルのプラスミド内のダイレクトリピート組換え さらに迅速に耐性細胞を生産するために多数サイクルの組換えを用い得るか否 かを決定するために、実施例9に記載される多数サイクルの方法を行った。 マイナスの組換えコントロールは、β-ラクタマーゼ遺伝子の1つのコピーか らなり、一方プラスの組換え実験は、ダイレクトリピートとしてのβ-ラクタマ ーゼの2つのコピーを挿入する工程からなった。テトラサイクリンマーカーを用 いて、各ラウンドにおいてセフォタキシム耐性について選択されたコロニーの数 を等しくして連結効率に対して補正をした。 第1ラウンドにおいて、pBR322TetSfi-Bla-SfiをEcrIで消化し、誤りがちなPC Rのための正常なPCR混合物とCadwell PCR混合物(CadwellおよびJoyce(1992)PCR Methods and Applications 2:28-33)との1:1の混合物(1ml)を用いてPCRにか けた。PCRプログラムは、最初に70℃で2分間、次いで94℃で30秒間、52℃で30 秒間、および72℃で3分間+6秒/1サイクルの30サイクルであり、続いて72℃ で10分間であった。 1つのBla遺伝子コントロールプラスミドを作製するためのPCR反応で使用され るプライマーは、プライマー2650(配列番号50)およびプライマー2719(配列番号5 5)5’TTAAGGGATTTTGGTCATGAGATT 3'であった。これはフラグメント#59としてひ とまとめに消化され、増幅されたDNAフラグメントの混合された集団を生じた。 これらのフラグメントは多くの異なる変異を有した。 2つのBla遺伝子プラスミドを作製するために2つの異なるPCR反応で使用され るプライマーは、第1の遺伝子についてはプライマー2650(配列番号50)およびプ ライマー2649(配列番号51)であり、そして第2の遺伝子についてはプライマー26 48(配列番号54)およびプライマー2719(配列番号55)であった。これは、2つの増 幅したDNAフラグメント:フラグメント#89(プライマー2648および2719で増幅し た)およびフラグメント#90(プライマー2650および2649で増幅した)それぞれの 混合された集団を生じた。それぞれの場合、多くの異なる変異体がそれぞれのフ ラグメントの混合された集団に導入された。 誤りがちなPCRの後、増幅されたDNAフラグメント#59の集団をSfi1で消化し、 次いでpBR322TetSfi-Sfi内にクローニングしてプラスミドpBR322Sfi-Bla-Sfi1の 混合された集団を作製した。 誤りがちなPCRの後、増幅されたDNAフラグメント#90および#89の集団をSfiI およびBstXIで50℃で消化し、そしてpBR322TetSfi-Sfiに連結してプラスミドpBR 322TetSfi-2Bla-Sfi1の混合された集団を作製した(図10)。 プラスミドpBR322Sfi-Bla-Sfi1およびpBR322Sfi-2Bla-Sfi1をE.coli JC8679内 にエレクトロポレートし、そして異なる濃度のセフォタキシムを有する寒天プレ ートに置いて耐性株について選択し、そしてテトラサイクリンプレートに置いて 力価を測定した。 等しい数のコロニーを(テトラサイクリン上で増殖するコロニーの数に基づい て)拾い、LB-tet中で増殖させ、そしてコロニーからDNAを抽出した。これは組換 えの1ラウンドである。このDNAをEcrIで消化し、そして上記のように第2ラウ ンドの誤りがちなPCRに用いた。 5ラウンド後、1つのフラグメントプラスミドに対するセフォタキシムのMIC( 最小阻害濃度)は0.32であったが、2つのフラグメントプラスミドについてのMIC は1.28であった。結果は、5サイクル後の組換えにより得られる耐性は、インビ ボ組換えの存在下では4倍高かったことを示す。実施例11. フラグメントのエレクトロポレーションによるインビボ組換え pUC18Sfi-Bla-Sfiを含む適切なE.coli細胞を記載のように調製した。プラスミ ドpUC18Sfi-Bla-Sfiは、前出に記載のような標準的なTEM-1 β-ラクタマーゼ遺 伝子を含有する。 pUC18Sfi-cef-Sfi(クローンST2)(Stemmer WPC(1994)Nature 370:389-91、本 明細書中で参考として援用される)由来のTEM-1由来セフォタキシム耐性遺伝子を 得た。このプラスミドは、このプラスミドを有するE.coliにセフォタキシムにつ いての640μg/mlのMICを与える。1つの実験において、完全なプラスミドpUC18S fi-cef-Sfi DNAを、プラスミドpUC18Sfi-Bla-Sfiを有するE.coli細胞内にエレク トロポレートした。 別の実験において、pUC18Sfi-cef-Sfi由来のセフォタキシム遺伝子を有するDN Aフラグメントを、プライマー2650(配列番号50)および2719(配列番号55)を用い るPCRにより増幅した。得られる1kbのPCR生成物をDNアーゼにより100bp未満のD NAフラグメントに消化し、そしてこれらのフラグメントをすでにpUC18Sfi-Bla-S fiを有するコンピテントなE.coli細胞内にエレクトロポレートした。 次いで、両方の実験からの形質転換された細胞を、セフォタキシムの種々の濃 度を有する寒天プレート上に形質転換された細胞をプレートすることによりその セフォタキシムに対する耐性についてアッセイした。結果を表7に示す。 結果から、エレクトロポレーション後、ST-2 Cef遺伝子全体が細菌ゲノムまた はプラスミドのいずれかに挿入されたように思われる。たいていの挿入物は相同 的であるため、この遺伝子がプラスミドに挿入され、野生型遺伝子を置換したこ とが予想される。ST-2由来のCef遺伝子のフラグメントはまた、効率的にプラス ミド中の野生型遺伝子内に挿入された。野生型遺伝子(全体またはフラグメント で)の導入を伴い、そして非DNAの導入を伴う場合は、セフォタキシム耐性の急激 な増加は観察されなかった。それゆえ、ST-2フラグメントが野生型フラグメント よりも極めて高いセフォタキシム耐性を生じることが示された。耐性を増加させ る遺伝子プールから調製されたフラグメントの反復された挿入物が、耐性の増加 をもたらすことが意図される。 従って、ST-2遺伝子フラグメントによりセフォタキシム耐性の増加を生じるこ れらのコロニーを単離し、そしてプラスミドDNAを抽出した。このDNAを上記の方 法によるPCRを用いて増幅した。増幅したDNAをDNアーゼで消化してフラグメント (<100bp)にし、そして2〜4μgのフラグメントを上記のようにすでにpUC322Sf i-Bla-Sfiを含有するコンピテントなE.coli細胞内にエレクトロポレートした。 形質転換された細胞を種々の濃度のセフォタキシムを含有する寒天上にプレート した。 コントロールとしてpUC18Sfi-Kan-Sfiを有するコンピテントなE.coliも使用し た。pUC18Sfi-cef-SfiのPCR生成物の消化物からのDNAフラグメントをこれらの細 胞内にエレクトロポレートした。カナマイシン遺伝子とβ-ラクタマーゼ遺伝子 との間には相同性は存在せず、従って組換えは起こらない。 この実験を2ラウンド反復した。結果を表8に示す。 実施例12 組換え形式の決定 本実験は、どの組換え形式が1サイクルあたり最大の組換え体を生成するかを 決定するために設計された。 第1のアプローチにおいて、ベクターpUC185Sfi-Bla-SfiをPCRプライマーで増 幅して、大フラグメントおよび小フラグメントを生成した。大フラグメントはプ ラスミドおよびBla遺伝子部分を有する末端を有し、そして小フラグメントはBla 遺伝子の中間部分をコードした。完全なBla遺伝子を有する第3のフラグメント を実施例8の方法によりPCRを使用して作製した。より大きなプラスミドフラグ メントおよび完全なBla遺伝子を有するフラグメントを上記の方法により同時にE coli JC8679細胞内にエレクトロポレートし、そして形質転換体を異なる濃度の セフォタキシム上にプレートした。 第2のアプローチにおいて、ベクターpUC18Sfi-Bla-Sfiを増幅して、上記第1 のアプローチにおけるように単離された大プラスミドフラグメントを生成した。 2つのフラグメントはそれぞれ完全なBla遺伝子の一部を有し、その結果2つの フラグメントが共になって完全なBla遺伝子にまたがる2つのフラグメントもま たPCRにより得た。大プラスミドフラグメントおよび2つのBla遺伝子フラグメン トをすべてコンピテントなE.coli JC8679細胞内にエレクトロポレートし、そし て形質転換体を種々の濃度のセフォタキシム上にプレートした。 第3のアプローチにおいて、ベクターとプラスミドとの両方をE.coli JC8679 細胞内にエレクトロポレートし、そして形質転換体を種々の濃度のセフォタキシ ム上にプレートした。 第4のアプローチにおいて、完全なBla遺伝子を、すでにベクターpUCSfi-Sfi を含むE.Coli JC8679細胞内にエレクトロポレートし、そして形質転換体を種々 の濃度のセフォタキシム上にプレートした。コントロールとしてE.coli JC8679 細胞を完全なBla遺伝子またはベクター単独のいずれかでエレクトロポレートし た。 結果を図11に表す。ベクターへの2つのフラグメントの挿入の効率は、完全な Bla遺伝子を有する1つのフラグメントが使用される場合より100倍低い。第3の アプローチは、挿入の効率は遊離DNA末端の存在に依存することを示した。なぜ なら、このアプローチでは組換え体が得られなかったからである。しかし、第3 のアプローチの結果もまた、ベクターのエレクトロポレーションの低効率による ものであった。発現ベクターがすでにコンピテントな細胞内にある場合、ベクタ ーのエレクトロポレーションの効率はもはや要因ではなく、効率的な相同組換え は非切断のベクターを用いてさえ達成され得る。実施例12. ベクターの性能を最適化するカセット再編成のためのキット 最適化された表現型(例えば、クローン化遺伝子のようなベクターがコードさ れる配列の最大の発現)を与え得るベクターを提供するために、再編成され得る 種々のカセットを含むキットが提供され、そして最適化された再編成体が選択さ れ得る。図12は、それぞれの遺伝子座が複数のカセットを有する1つの実施態様 を概略的に示す。例えば、細菌の発現システムにおいて、図13はそれぞれの遺伝 子座で使用される例示のカセットを示す。与えられた遺伝子座のそれぞれのカセ ット(例えば、本実施例のすべてのプロモーター)は、隣接する遺伝子座のカセッ トのフランキング配列に重複し得、そしてまた、好ましくは相同組換えまたは非 相同性組換えに関与し得る(例えば、lox/creまたはflp/frt系)実質的に同一な配 列と隣接し、遺伝子座内であるが実質的に遺伝子座間ではないカセットの再編成 を提供するようにする。 カセットはPCRフラグメントとしてキットに供給されるが、それぞれのタイプ のカセットまたは個々のカセットの種は個別のチューブにパッケージされる。ベ クターライブラリーは、それぞれの遺伝子座のカセットの重複フランキング配列 と隣接する遺伝子座のカセットとのハイブリダイゼーションによって、プラスミ ド全体またはその実質的な部分を組立てるチューブの内容物を組み合わせること により作製される。組立てられたベクターは目的の未定の遺伝子へ連結されてベ クターライブラリーを形成する。ここで、それぞれのライブラリーのメンバーは 目的の未決定の遺伝子およびカセットの結合により決定されるカセットの組み合 わせを含む。ベクターは適切な宿主細胞内に移され、そしてこの細胞は発現に適 切な条件下で培養され、そして所望の表現型が選択される。 本発明は、好適な実施例と考えられるものに関して記載されているが、本発明 が開示された実施例に制限されないことが理解されるべきである。反対に、本発 明は添付された請求の範囲の趣旨および範囲内に包含される種々の改変および同 等の組立てを包含することが意図されている。 すべての刊行物、特許、および特許出願は、それぞれ個々の刊行物、特許、ま たは特許出願が特別にかつ個々にその全体が参考として援用されると示される場 合と同じ程度に、本明細書中においてそれらの全体が参考として援用される。
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Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.1つ以上の変異を鋳型2本鎖ポリヌクレオチドへ導入するための方法であっ て、ここで該鋳型2本鎖ポリヌクレオチドは、所望の大きさの2本鎖のランダム フラグメントに切断され、以下の工程: a)得られる2本鎖フラグメントの集団に1つ以上の1本鎖オリゴヌクレオチド または2本鎖オリゴヌクレオチドを添加する工程であって、ここで該オリゴヌク レオチドが、鋳型ポリヌクレオチドに対して同一な範囲および非相同な範囲を含 む、工程; b)得られる2本鎖のランダムフラグメントおよびオリゴヌクレオチドの混合物 を1本鎖フラグメントに変性する工程; c)得られる1本鎖フラグメントの集団を、該1本鎖フラグメント間の同一の領 域で該1本鎖フラグメントがアニールし、そして変異誘発された2本鎖ポリヌク レオチドを形成する条件下で、ポリメラーゼとともにインキュベートする工程; および d)(b)および(c)の工程を反復する工程; を包含する、方法。 2.2本鎖フラグメントの混合物中の特定の2本鎖フラグメントの濃度が、全DN Aの1重量%よりも低い、請求項1に記載の方法。 3.異なる特定の2本鎖フラグメントの数が、少なくとも約100である、請求項 1に記載の方法。 4.2本鎖フラグメントの大きさが約5bp〜5kbである、請求項1に記載の方法 。 5.変異誘発される2本鎖ポリヌクレオチドの大きさが50bp〜100kbを包含する 、請求項1に記載の方法。 6.生物学的活性を有する組換えタンパク質を生成する方法であって、以下の工 程: a)野生型タンパク質をコードする2本鎖鋳型ポリヌクレオチドを含有するサン プルを、所望の大きさを有するランダムな2本鎖フラグメントへの該鋳型ポリヌ クレオチドの切断を提供するような条件下で処理する工程; b)得られるランダムフラグメントの集団に1つ以上の1本鎖オリゴヌクレオチ ドまたは2本鎖オリゴヌクレオチドを添加する工程であって、ここで該オリゴヌ クレオチドは鋳型ポリヌクレオチドに同一な範囲および非相同な範囲を含有する 、工程; c)得られる2本鎖のランダムフラグメントおよびオリゴヌクレオチドの混合物 を1本鎖フラグメントに変性する工程; d)得られる1本鎖フラグメントの集団を、該同一な範囲で該1本鎖フラグメン トがアニールし、そして変異誘発された2本鎖ポリヌクレオチドを形成する条件 下で、ポリメラーゼとともにインキュベートする工程; e)(c)および(d)の工程を反復する工程;および f)該変異誘発された2本鎖ポリヌクレオチドに由来する組換えタンパク質を発 現する工程; を包含する、方法。 7.工程(a)における2本鎖フラグメントの混合物中の特定の2本鎖フラグメン トの濃度が、全DNAの1重量%よりも低い、請求項6に記載の方法。 8.工程(a)における異なる特定の2本鎖フラグメントの数が、少なくとも約100 個である、請求項6に記載の方法。 9.2本鎖フラグメントの大きさが約5bp〜5kbである、請求項6に記載の方法 。 10.変異誘発される2本鎖ポリヌクレオチドの大きさが50bp〜100Kbである、 請求項6に記載の方法。 11.組換えタンパク質の集団に由来する所望の組換えタンパク質を選択する工 程をさらに包含する、請求項6に記載の方法。 12.キメラなポリペプチドを得る方法であって、以下の工程: a)異なる2本鎖鋳型ポリヌクレオチドを含有するサンプルを処理する工程、こ こで該異なる鋳型ポリヌクレオチドが、所望な大きさを有する2本鎖のランダム フラグメントへの該鋳型ポリヌクレオチドの切断を提供するような条件下で、同 一な範囲および非相同な範囲を含む、工程; b)工程(a)で生成される処理サンプルに含有の得られる2本鎖のランダムな鋳 型フラグメントを1本鎖フラグメントに変性する工程; c)該同一な範囲での標的1本鎖フラグメントのアニーリング、および鋳型ポリ ヌクレオチド配列を含有するキメラな2本鎖ポリヌクレオチド配列の形成を提供 する条件下で、得られる1本鎖フラグメントの集団をポリメラーゼとともにイン キュベートする工程;および d)所望により(b)および(c)の工程を反復する工程; を包含する、方法。 13.工程(a)における2本鎖フラグメントの混合物中の特定の2本鎖フラグメ ントの濃度が、全DNAの1重量%よりも低い、請求項12に記載の方法。 14.工程(a)における異なる特定の2本鎖フラグメントの数が、少なくとも100 個である、請求項12に記載の方法。 15.2本鎖フラグメントの大きさが約5bp〜5kbである、請求項12に記載の 方法。 16.変異誘発される2本鎖ポリヌクレオチドの大きさが50bp〜100kbを包含す る、請求項12に記載の方法。 17.鋳型ポリヌクレオチドを複製する方法であって、インビトロにおける1本 鎖鋳型ポリヌクレオチドと鋳型ポリヌクレオチドの切断および変性から得られる 小さなランダムな1本鎖フラグメントとを結合する工程、および2本鎖鋳型ポリ ヌクレオチドの集団が形成される条件下、核酸ポリメラーゼの存在下で核酸フラ グメントの該混合物をインキュベートする工程、 を包含する、方法。 18.アフィニティー相互作用スクリーニングまたは表現型のスクリーニングに 適切なディスプレイされたペプチドまたはディスプレイされた抗体のライブラリ ーを生成する方法であって、以下の工程: (1)ディスプレイされたペプチドまたはディスプレイされた抗体、および該デ ィスプレイされたペプチドまたはディスプレイされた抗体をコードする関連性ポ リヌクレオチドを包含する第1の複数の選択されるライブラリーメンバーを得、 そして該関連性ポリヌクレオチドまたはそのコピーを得る工程であって、ここで 該関連性ポリヌクレオチドが実質的に同一な配列の領域を含有する、工程、およ び (2)該関連性ポリヌクレオチドまたはコピーをプールし、そしてフラグメント 化して、PCR増幅に適切な条件下でそのフラグメントを形成し、PCR増幅を実施し 、そしてそれにより該フラグメントを相同組換えして組換えポリヌクレオチドの 再編成プールを形成する工程であって、それによって該再編成プールの組換えポ リヌクレオチドの実質画分が、該第1の複数の選択されるライブラリーメンバー に存在しない、工程、 を包含する方法。 19.前記ポリヌクレオチドまたはコピーに変異を導入する工程をさらに包含す る、請求項18に記載の方法。 20.前記変異がPCR増幅を実施することにより導入される、請求項19に記載 の方法。 21.前記PCR増幅が誤りがちなPCRである、請求項20に記載の方法 22.予め決定された高分子に結合する能力を有する個々の再編成ライブラリー メンバーを同定するために、再編成プールの前記ライブラリーメンバーをスクリ ーニングする、さらなる工程を包含する、請求項18に記載の方法。 23.前記第1の複数の選択されるライブラリーメンバーが、予め決定された分 子に対する結合アフィニティー以外の表現型の特徴について選択されることによ り得られる、請求項18に記載の方法。 24.前記第1の複数の選択されるライブラリーメンバーがプールされ、そして フラグメント化され、そしてインビトロにおけるPCRにより相同組換えされる、 請求項18に記載の方法。 25.前記第1の複数の選択されるライブラリーメンバーが、インビトロにおい てプールされ、そしてフラグメント化されて、得られるフラグメントが宿主細胞 または生物体へ移され、そして相同組換えされて、インビボにおける再編成ライ ブラリーメンバーを形成する、請求項18に記載の方法。 26.前記第1の複数の選択されるライブラリーメンバーがエピソーム的に複製 可能なベクターにクローニングされるかまたは増幅され、多数の該ベクターが細 胞内へ移され、そして相同組換えされて、インビボにおける再編成ライブラリー メンバーを形成する、請求項18に記載の方法。 27.アフィニティー相互作用スクリーニングまたは表現型のスクリーニングに 適切なディスプレイされたペプチドまたはディスプレイされた抗体のライブラリ ーを生成する方法であって、以下の工程: (1)ディスプレイされたペプチドまたはディスプレイされた抗体、および該デ ィスプレイされたペプチドまたはディスプレイされた抗体をコードする関連性ポ リヌクレオチドを包含する第1の複数の選択されるライブラリーメンバーを得、 そして該関連性ポリヌクレオチドまたはそのコピーを得る工程であって、ここで 該関連性ポリヌクレオチドが実質的に同一な配列の領域を含有する、工程、およ び (2)該関連性ポリヌクレオチドまたはコピーを、エピソーム的に複製可能なベ クターにクローン化するかまたは増幅し、そして多数の該ベクターを細胞内へ移 し、そして相同組換えして、インビボにおける再編成ライブラリーメンバーを形 成する工程、 を包含する方法。 28.前記ポリヌクレオチドまたはそのコピーに変異を導入する工程をさらに包 含する、請求項27に記載の方法。 29.前記エピソーム的に複製可能なベクターが、複数の関連性ポリヌクレオチ ドまたはそのコピーのダイレクトリピートを含有する、請求項27に記載の方法 。 30.アフィニティー相互作用スクリーニングに適切なディスプレイされた抗体 のライブラリーを生成する方法であって、以下の工程: (1)ディスプレイされた抗体、および該ディスプレイされた抗体をコードする 関連性ポリヌクレオチドを包含する第1の複数の選択されるライブラリーメンバ ーを得、そして該関連性ポリヌクレオチドまたはそのコピーを得る工程であって 、ここで該関連性ポリヌクレオチドが、実質的に同一な可変領域のフレームワー ク配列の領域を含有する、工程、および (2)該関連性ポリヌクレオチドまたはコピーをプールし、そしてフラグメント 化して、PCR増幅に適切な条件下でそのフラグメントを形成し、PCR増幅を実施し 、そしてそれにより該フラグメントを相同組換えしてCDRの新規の組み合わせを 包含する組換えポリヌクレオチドの再編成プールを形成する工程であって、そ れによっCDRの組み合わせを含む該再編成プールの組換えポリヌクレオチドの実 質画分が、該第1の複数の選択ライブラリーメンバーに存在しない、工程、 を包含する方法。 31.前記再編成プールがアフィニティースクリーニングを受けて、予め決定さ れたエピトープに結合する再編成ライブラリーメンバーを選択し、そしてそれに よって複数の選択される再編成ライブラリーメンバーを選択するさらる工程を包 含する、請求項30に記載の方法。 32.1〜約1000サイクルで、複数の選択される再編成ライブラリーメンバーを 再編成し、そしてスクリーニングする、さらなる工程を包含する、請求項31に 記載の方法。
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