WO2006106193A1 - Method for obtaining soluble or better expressed variants of a protein of interest - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to molecular biology and more particularly to the evolution of proteins in vitro.
- the subject of the invention is a method for selecting, from a mutant library of a protein generated in a first step, variants with improved solubility or higher level of expression.
- insolubility of recombinant proteins is a major problem in the field of biosciences: when expressed in bacteria, a large part of the proteins can not be expressed at a significant level without aggregating as inclusion bodies. They can not be purified and will be inactive in most cases.
- a eukaryotic protein especially a human protein
- the various processing steps do not take place.
- the protein therefore has a general structure quite far from its natural structure, and most often has a reduced solubility. In the case of bacterial recombinant proteins produced in bacteria, this phenomenon of insolubility is observed to a lesser extent.
- a fraction of the proteins aggregates there is a limiting concentration, a function of the solubility of the protein, which can not be exceeded without forming such bodies. 'inclusion.
- the nature of the aggregated proteins is sometimes reversible: if the inclusion bodies are treated in such a way as to dissolve them, either by using denaturants, or by modifying the pH or the temperature, then replacing the solution under conditions more physiological, we can find proteins in their native and soluble form, that is to say having recovered their functionalities. Nevertheless, most often only a very small fraction of the proteins can be recovered.
- the general approach is to look for variants of the protein having acquired better solubility, while having retained its other functionalities (its activity for an enzyme, its ability to bind an antigen for a recombinant antibody).
- mutants are generated from the gene encoding the starting protein.
- these mutants are screened to identify those with the best level of solubility or expression.
- the mutants having an improved level of solubility or expression are tested for their functionalities, in order to verify that the mutation (s) introduced have not affected them.
- mutagenesis techniques exist; they make it possible to artificially modify the nucleotide sequence of a DNA fragment. They can be divided into four major groups: random mutagenesis, gene recombination, site-directed mutagenesis, and massive mutagenesis TM (Massive Mutagenesis®).
- the targeted DNA (containing the gene to be mutated) is amplified under particular conditions altering the ability of the polymerase to faithfully replicate the DNA. This introduces mutations over cycles, that is to say differences with respect to the initial sequence. At the end of the reaction, a large number of copies of the initial molecule are obtained, each of these molecules having different mutations. These molecules are present in the form of a bank, that is to say a mixture of molecules of different nature (differing in the nature and position of their mutations). The DNA is then inserted into an expression vector.
- DNA recombination mutagenesis is inspired by the recombination process at work in Darwinian evolution. Mutagenesis by DNA blending involves recombining partially homologous sequences, isolated from different organisms. For example, if we are working on an enzyme, the first step of a DNA mixing approach will be to isolate a large number of genes homologous to this enzyme, either from collections of strains or from genes. directly isolated from natural samples (by an approach now described under the term "metagenome”). Different approaches then exist for mixing the domains of these homologous genes and generating a library of "chimeric" DNA molecules, that is to say made up of several domains having different provenances (US Patent 6,132,970; Stemmer WP.
- This recombinant DNA approach is based on the general idea that the novel combination of natural mutations, having thus been pre-screened by nature for the maintenance of enzyme activity, is more likely to 'to be a carrier of improvement than the introduction of mutations generated at random.
- the generation of diversity is restricted to a 'reasonable' sequence space because 'preselected', it is however limited by the original sequences, which must be physically possessed, by the necessity of using genes having a sufficient level of homology, and the impossibility of generating sequences other than combinations of the initial sequences.
- These DNA mixing approaches have been found to be particularly effective in the field of enzyme activity enhancement or stability.
- site-directed mutagenesis is to introduce one or a few mutations (substitutions, but also deletions or insertions) of known nature and position into a DNA fragment.
- An oligonucleotide is used to introduce this mutation.
- This oligonucleotide is conventionally composed of about thirty bases, and is homologous in every respect to the sequence targeted on the DNA fragment, with the exception of one or a few localized positions in its middle part.
- This oligonucleotide is then used to initiate a replication reaction using the DNA fragment as a template.
- a second oligonucleotide in the opposite sense, is used to improve the efficiency of replication.
- the DNA synthesized during this reaction is then selected, in particular according to the criterion of its content in methylated bases, so as to eliminate the non-mutant parental DNA.
- Different techniques of site-directed mutagenesis make it possible to obtain mutants quite rapidly, at a rate that remains limited, however: only a few mutants can be generated per day and per person.
- This low flow rate is only partially adapted to the problems of molecular evolution: it is indeed rare to be able to accurately predict the effect of introduced mutations and, when an improved mutant is sought on this or that criterion, it is generally better to generate a large number, most of which will not have the desired effect.
- Massive Mutagenesis® allows to realize in a very short time a large number of mutations directed on the same target DNA fragment.
- the template containing the target DNA is prepared, and mixed with the mutant oligonucleotides initially manufactured.
- the matrix is denatured by heat so as to temporarily dispose of single-stranded DNA.
- some or all of the oligonucleotides present in the mixture are fixed on the matrix at their site of homology. All the elements necessary to carry out a replication of the matrix from the mutant oligonucleotides are added, and in particular a polymerase, the buffer allowing its activity, nucleotide triphosphates in sufficient quantity, any necessary cofactors.
- the replication reaction then takes place under the temperature conditions corresponding to the maximum activity of the polymerase.
- the goal is to have mutants each containing a mutation or a combination of several different mutations.
- the average number of mutations per molecule can be modulated at will.
- the possible diversity increases very rapidly with the number of mutations per molecule: the use of Massive Mutagenesis® makes it possible to obtain very wide diversities.
- Fusion proteins have been used for many years in contexts other than the search for soluble variants: mainly, these fusion proteins are used to localize proteins at the cellular or intracellular level.
- One of the first fusion proteins to be used is ⁇ -galactosidase, whose activity converts X-gal, an unnatural sugar, into a blue compound. This activity can therefore easily be traced. (Casadaban MJ et al., Methods Enzymol., VoL100, p.293-308, 1983)
- CAT chloramphenicol acetyl transferase
- Chloramphenicol is an antibiotic that binds to the ribosomes of the bacteria, blocking the biosynthesis of proteins, resulting in rapid cell death.
- CAT is an enzyme that transfers an acetyl group from coenzyme A to chloramphenicol (which is then inactivated). From this difference of an acetyl group, colorimetric tests have been developed: the CAT activity is then traced by a yellow signal (Robben J. et al, Gene, vol. 126, p.109-113, 1993).
- GFP Green Fluorescent Protein
- Modified GFPs have been made to allow optimal expression in many organisms such as bacteria, yeasts, or mammalian cells, to enable studies in each of the commonly used systems in biology.
- the binding between the gene of interest and that encoding the reporter protein must be done without interrupting the reading phase. It is also necessary to take care of the steric constraints of both proteins. Indeed, it is possible that the fusion of the protein of interest and the reporter protein does not allow both to adopt their natural conformation. Their structure would be modified, and their activity canceled. In order to avoid this possible pitfall, it may be necessary to introduce a spacer between the gene coding for the protein of interest and that coding for the reporter protein. This spacer is a DNA sequence coding for a peptide with the most neutral structure possible, and not exhibiting any particular activity in itself. It is usually composed of 8 or 9 neutral amino acids that should not affect the protein structure and should not be targeted by proteases.
- the relative position of the protein of interest and the reporter protein is not neutral. In some cases, it is preferable that the fusion protein is positioned in
- N-terminal positioning is preferable.
- fusion proteins have also been used as a selection system for identifying more soluble variants of a protein: it has indeed been observed that when a protein of interest is fused to a reporter protein, the conformation of the one and the other are related. Incorrect conformation of the protein on the NH2 side is thus correlated with an equally incorrect conformation of the protein located at the COOH end. The opposite is generally not true: it is the conformation of the NH2 end of the protein which influences the whole.
- EP 1479694 there is described a method for isolating a soluble scFv fragment.
- the first step is to create a fragment mutant library.
- the genes of these variants are, in the first construct, fused with a part of the gene necessary for the expression of ⁇ -galactosidase.
- the second construct consists in fusing the gene coding for the corresponding antigen with the last part of the ⁇ -galactosidase gene.
- a promoter described as specifically activatable is used if soluble proteins are present in the bacterium.
- the reporter gene placed under the control of this particular promoter may for example be chosen to allow observation of a fluorescence signal. If the reporter gene encodes an enzyme, it will be necessary to quantify the product of enzymatic modifications of a substrate compound. The level of protease proteins produced will be directly proportional to the level of soluble proteins of interest in the cytoplasm.
- US Pat. No. 6,727,070 (Thomas PJ et al) describes a complementation system between two fragments of the same reporter protein: a fusion protein combining the protein of interest with the first fragment of a reporter protein which, by itself, same, is not active, is used.
- the second part of the marker is expressed within the host cell from the chromosome.
- This reporter protein can be an enzyme, a protein inhibitor, a fluorophore or a chromophore. Better solubility or increased level of expression can be detected using the necessary apparatus.
- the survival-based systems have the following superiority over those based on fluorescence or colorimetry: they do not require the measurement of a signal. They thus allow the direct selection of the desired mutants.
- the present invention is a technique for obtaining mutants of a protein or peptide of interest having improved solubility or associated with a higher level of expression.
- the method according to the invention is characterized by generating a mutant library of the gene encoding the protein or peptide of interest fused in phase with the kanamycin resistance gene, and by using it as a selective screen for a solid or liquid medium containing a stringy kanamycin concentration.
- Kanamycin is an inexpensive antibiotic and commonly used in research laboratories. It is a potent bactericide, acting independently of bacterial density, and having a very intense and very rapid effect in vitro.
- Kanamycin phosphotransferases by O-phosphorylation, and kanamycin acetyltransferases by N-acetylation are examples of kanamycin phosphotransferases by O-phosphorylation, and kanamycin acetyltransferases by N-acetylation.
- kanamycin nucleotidyltransferases The family most commonly encountered and used is the first family, that of kanamycin nucleotidyltransferases (Kat). These enzymes have very different structures and all confer resistance to kanamycin. The inventors have established that they are not all usable in the method of the present invention. Indeed, they do not all work when they are fused with a 5 'protein, even soluble. In particular, kanamycin nucleotidyltransferase (Kat) functions very poorly in the form of fusion whereas kanamycin phosphotransferase works very well. Therefore, the kanamycin resistance gene used in the present invention encodes kanamycin phosphotransferase.
- kanamycin phosphotransferase is kanamycin kinase II, a variant or functional fragment thereof.
- the variant is an improved kanamycin kinase, having for example greater resistance to the antibiotic.
- Kanamycin kinase II is meant the Klebsiella pneumoniae protein whose enzyme code is EC 2.7.1.95, the Genbank access number is U32991, and the SwissProt access number is P00552.
- Kanamycin kinase II is also called aminoglycoside-3 '-phospho-transferase-IIa, neomycin-kanamycin phosphotransferase II, APH (3') II, nptII or APH (3 ') - II.
- the protein has the sequence described in SEQ ID No. 14 and an exemplary nucleotide sequence coding for it is described in SEQ ID No. 13.
- a functional fragment is meant a fragment capable of ensuring resistance to kanamycin.
- the fragment comprises the catalytic site of the enzyme at position 190.
- the fragment comprises at least 100 consecutive amino acids.
- a preferred fragment may comprise residues 23-257 (APH-phosphotransferase domain).
- kanamycin kinase II may comprise a deletion of methionine at position 1. This kanamycin kinase II is described in SEQ ID Nos. 1 and 2.
- variant of kanamycin kinase II is meant a polypeptide capable of ensuring resistance to kanamycin, in particular capable of transferring a phosphate group to kanamycin, and which has at least 90% identity with kanamycin kinase II.
- the variant has at least 95%, 96%, 97%, 98% or 99% thereof or a sequence of 100, 150 or 200 consecutive amino acids thereof.
- the percentages of identity referred to here are established, as indicated above, using the BlastX software, using the default settings.
- the kanamycin kinase II used is an improved variant thereof to obtain resistance to kanamycin concentrations higher than the wild-type protein. More particularly, the kanamycin kinase II used is an improved kanamycin kinase II, variant or functional fragment thereof comprising at least one substitution selected from the group consisting of Q155W and Sl14H.
- Q155W it is understood that glutamine at position 155 in the sequence described SEQ ID No. 14, or in corresponding position in another sequence, is substituted with tryptophan.
- S114H is meant that the serine at position 114 in the sequence described SEQ ID No. 14, or in a corresponding position in another sequence, is substituted with a histidine.
- improved kanamycin kinase II comprises a Q 155 substitution.
- An example of kanamycin kinase II comprising a Q155W substitution is described in SEQ ID No 16.
- the sequence may further comprise another substitution, preferably S114H.
- enhanced kanamycin kinase II, a variant, or a functional fragment thereof comprises an S114H substitution.
- An example of kanamycin kinase II comprising an S114H substitution is described in SEQ ID No. 18.
- the sequence may further comprise another substitution, preferably Ql 55 W.
- Variants expressed in a soluble form allow the bacterium to survive in the presence of kanamycin. Surprisingly, unlike the CAT fusion system, this direct survival selection is remarkable in that a very clear discrimination is obtained between the different variants of the protein, which allows the direct selection of the clones expressing the soluble variants. or better expressed of the protein or peptide of interest.
- the present invention relates to a process for obtaining soluble or better expressed variants of a protein or peptide of interest, characterized by the generation of a mutant library of the gene coding for said protein or said peptide. interest fused to the kanamycin resistance gene in an expression vector, and by selecting mutant genes corresponding to more soluble or better expressed proteins or peptides by culturing the bacteria transformed by said expression vector library into a culture medium containing kanamycin.
- the kanamycin resistance gene is a polynucleotide encoding kanamycin phosphotransferase, preferably kanamycin kinase II, a variant or a functional fragment thereof.
- the kanamycin resistance gene is a polynucleotide encoding an improved kanamycin kinase II comprising at least one selected from the group consisting of Q 155 W and S114H.
- the gene codes for a protein of interest.
- the polypeptide of interest may be for example a cytokine, an enzyme, or any other polypeptide / protein of industrial or therapeutic interest.
- the expression vector is a prokaryotic expression vector. Optionally, this may include elements that also allow expression in a eukaryotic host.
- the method comprises: i) generating mutants of a gene encoding the protein or peptide of interest; ii) Preparation of a mutant library by cloning the mutants obtained in i) in phase with the kanamycin resistance gene in an expression vector; iii) transformation of competent bacteria by the mutant bank obtained in ii); and iv) selecting, using a kanamycin-containing culture medium, bacteria transformed by a vector comprising a mutant corresponding to a protein or peptide of mutant interest that is more soluble or better expressed than the starting protein of interest.
- the mutants are generated in step i) by random mutagenesis.
- the mutants are generated in step i) by recombination of genes.
- the method comprises: i) producing an expression vector containing the gene encoding the fusion protein or peptide of interest in phase with the kanamycin resistance gene; ii) generating a mutant library of the gene coding for the protein or peptide of interest on the expression vector obtained in i); iii) transformation of competent bacteria by the mutant bank obtained in ii); iv) Selection, using a culture medium containing kanamycin, of bacteria transformed by a vector comprising a mutant corresponding to a mutant protein or peptide of interest that is more soluble or better expressed than the starting protein of interest.
- the mutants are generated in step ii) by massive mutagenesis.
- the gene coding for the protein or peptide of interest and the kanamycin resistance gene are separated by a spacer that does not change the reading phase.
- the bacteria are transformed by electroporation or by thermal shock.
- the culture medium containing kanamycin may be solid or liquid.
- the culture medium contains a quantity of stringy kanamycin.
- the expression vector is a plasmid.
- the present invention further relates to the use of an expression vector encoding a fusion protein between a mutant of a protein or peptide of interest and the kanamycin resistance gene for selecting a variant of this protein or peptide having improved solubility or increased expression.
- the kanamycin resistance gene is a polynucleotide encoding a kanamycin phosphotransferase, preferably kanamycin kinase II, a variant or a functional fragment thereof.
- the kanamycin resistance gene is a polynucleotide encoding an improved kanamycin kinase II comprising at least one substitution selected from the group consisting of Q155W and Sl14H.
- the method of the invention is a process for obtaining or selecting mutants of a protein or peptide of interest that are more soluble or better expressed in bacteria, characterized in that it contains the following steps in In this order or in a different order: i) A plasmid containing the gene of interest fused to the kanamycin resistance gene is constructed. The whole is placed under the control of a bacterial promoter. ii) Mutations are introduced at the level of the gene of interest. iii) competent bacteria are transformed with these constructs, iv) The mutants having acquired an increased solubility or level of expression are selected using a stringant kanamycin concentration. In particular, steps i) and ii) can be reversed.
- step iii) bis before step iv) in order to preselect the bacteria having integrated a plasmid.
- Resistance to an antibiotic other than kanamycin, such as ampicillin, is then used.
- the vector used must therefore contain, in addition to the kanamycin resistance gene fused to mutant genes of interest, an expression cassette containing the antibiotic resistance gene retained (ampicillin by example), and the promoter by allowing the expression.
- the kanamycin resistance gene can be fused to the N-terminal or C-terminal protein (FIG. 1) of the protein of interest.
- this resistance gene is fused to the C-terminal of the protein of interest, the general conformation of the protein being mainly governed by its NH2 end.
- the coding sequence for the kanamycin resistance gene is well known to those skilled in the art. Examples of sequences useful in the present invention are given in SEQ ID NO: 1, 13, 15 and 17. It is understood that a variant or fragment retaining the biological activity of the kanamycin resistance gene may also be used in the process according to the present invention.
- a peptide spacer is inserted between the protein of interest and the expression product of the kanamycin resistance gene so that the two proteins are distant from one another and can fold back without interfere.
- step ii) The introduction of the mutations in step ii) can be carried out using one of the existing mutagenesis methods.
- random mutagenesis is used.
- Mutants are generated under form of a PCR amplification, intended then to be cloned in phase with the kanamycin resistance gene (FIG. 1). As in any double-strand ligation step, it can not be avoided that some of the clones obtained consist of a vector religated on itself.
- DNA recombination is used to generate the diversity.
- This approach is similar to random mutagenesis because we do not precisely control the diversity we introduce, but differs from it, however, because this diversity is selected to contain a high rate of enhancement mutations. Indeed, only mutations preselected by nature to retain at least part of the activity are retained. As in the case of random mutagenesis, a double-stranded ligation step is usually necessary, with the consequences in terms of the false positive rate described above.
- site-directed mutagenesis can be used to generate diversity. Site-directed mutagenesis makes it possible to introduce mutations in a perfectly precise manner, but at a low rate.
- Mutagenesis® (FR2813314). This method combines the advantages of site-directed mutagenesis (control of the nature of the modifications obtained at a given position), and random mutagenesis (obtaining a large number of different mutations distributed over many positions of the DNA fragment to be mutated. ). Like mutagenesis directed, this technique does not incorporate a double-stranded ligation step, which is positive in the context of the invention to avoid producing false-positive clones.
- step iii) the transformation can be carried out according to various techniques and mainly by using a thermal shock or electroporation approach. It is in particular the size of the diversity to be obtained that will focus on one or the other of these two approaches: the technique by electroporation makes it possible to obtain a higher number of transformants.
- E. coli Eryroxine
- Streptomyces Bacillus
- Bacillus Bacillus
- the choice will be made according to the culture conditions, the protein to be expressed and the quantity to be produced. In the most conventional embodiment, E. coli is most often used ( Figure 3).
- the stringency concentration of kanamycin to be added will have been determined beforehand. This concentration will be determined by tests using the plasmid construct containing the non-mutant gene of interest fused to the kanamycin resistance gene. The stringing concentration will be high enough to no longer allow the bacteria transformed by this construction to grow, or to allow them only slow growth. Under these conditions, bacteria expressing a more soluble variant will have an accelerated growth rate.
- the cultures of the transformed mutant library will be made in a liquid medium: the selection of the most soluble mutants will then be done according to the growth rate (FIG. 4). In a second embodiment, they can also be done in solid medium: the selection will be based on the number and size of colonies ( Figure 3).
- the mutagenesis is carried out by random mutation, and the fragment containing the mutant genes of interest is introduced in 5 'of the kanamycin resistance gene.
- a DNA molecule containing the gene to be mutated is amplified under particular conditions altering the ability of the enzyme to faithfully replicate the DNA. This introduces changes in the course of the cycles, that is to say differences with respect to the initial sequence.
- a large number of copies of the initial molecule is obtained, each of these molecules having different mutations.
- These molecules are present in the form of a bank, that is to say a mixture of molecules of different nature (differing in the nature and position of their mutations).
- This library of linear molecules is introduced in 5 'of the kanamycin resistance gene, taking care that the level of vector molecules religated on itself, capable of expressing the kanamycin resistance gene, is minimal.
- the bacteria After transformation, the bacteria are placed in the presence of a selective concentration of kanamycin to differentiate between soluble variants and insoluble variants, previously determined. Only cells expressing a soluble variant can survive.
- mutagenesis is performed using Massive Mutagenesis®.
- a plasmid is first constructed ( Figure 2), containing an origin of replication, an ampicillin resistance gene, and the gene of interest fused at 5 'and in phase with the kanamycin resistance gene.
- the template is prepared using a suitable plasmid DNA preparation kit.
- the mutant oligonucleotides are synthesized.
- the matrix is mixed with all the mutant oligonucleotides.
- the matrix is denatured by heat so as to temporarily dispose of single-stranded DNA.
- some or all of the oligonucleotides present in the mixture are fixed on the matrix at their site of homology.
- the bacteria thus preselected are then incubated in a medium containing a stringing concentration of kanamycin, so that only the cells expressing a variant with improved solubility or higher level of expression survive.
- the proteins or peptides of interest may be, for example, industrial enzymes, used in the textile, food and chemical industries in particular, or recombinant antibodies, in particular single-chain antibodies.
- Figure 1 Diagram showing the preparation of a mutant library of the protein or peptide of interest. Firstly, a mutant library is prepared (mutagenesis) and then this library is cloned in phase with the kanamycin resistance gene in a vector (insertion into a plasmid).
- Figure 2 Diagram showing the preparation of a mutant library of the protein or peptide of interest. Firstly, the gene coding for the protein or peptide of interest is cloned in phase with the kanamycin resistance gene in a vector (insertion into a plasmid), then a mutant library is prepared.
- Figure 3 Diagram showing the transformation of competent bacteria by the mutant library of the protein or peptide of interest followed by selective solid medium culture containing kanamycin.
- Figure 4 Diagram showing the transformation of competent bacteria by the mutant library of the protein or peptide of interest followed by selective liquid culture containing kanamycin.
- Figure 5 Diagram representing the negative control.
- Figure 6 Graph showing the resistance to kanamycin bacteria transformed with ContK, Pet23, TA2K or TB2K6 (results of Example 1).
- Figure 7 Chart showing the chloramphenicol resistance of the bacteria transformed with ContCam, Pet + Cam, TA2Cam or TB2Cam (results of the comparative example of Example 1).
- Figure 8 Table showing the results of Example 2.
- Figure 9 Diagram of the construction pETl 1-KanK.
- Figure 10 Growth of cells transformed with a plasmid encoding wild type or mutant kanamycin kinase II (Ql 55W) as a function of kanamycin concentration.
- Figure 11 Growth of cells transformed with a plasmid encoding wild type or mutant kanamycin kinase II (Q155W, S114H and Q155W + S114H) as a function of kanamycin concentration.
- Figure 12 Kanamycin resistance efficacy of Kat and KK as a fusion protein.
- Figure 13 Growth of cells transformed with a plasmid encoding a mutant Q1 55 W kanamycin kinase II and two TA or TB fusion proteins with mutant kanamycin kinase II Q155W as a function of kanamycin concentration.
- TB and TA respectively mean a soluble and insoluble variant of the FE65 protein.
- FE65-PTB2 were introduced into plasmid petl 1.
- the construct was made to fuse said protein to a kanamycin resistance gene in the absence of a peptide spacer.
- the vector also has a resistance gene at
- plasmid petl 1 which is at the base of the different constructions; it does not contain a kanamycin resistance gene and therefore serves as a negative control ( Figure 5).
- ContK plasmid petl 1 on which the kanamycin resistance gene has been cloned (SEQ ID Nos. 1 and 2); this construction serves as a positive control.
- TA2K plasmid petII on which was cloned a TA2 fusion protein-kanamycin resistance gene (SEQ ID Nos. 3 and 4); TA2 protein is an insoluble variant of the protein taken as a model.
- - TB2K plasmid petl 1 on which was cloned a fusion protein TB2-kanamycin resistance gene (SEQ ID Nos 5 and 6); the TB2 protein is a soluble variant of the protein taken as a model.
- E. coli BL21 DE3 bacteria were then transformed by heat shock and then incubated in a liquid medium containing ampicillin at 100 ⁇ l / ml at 37 ° C. for 12 h.
- a range of kanamycin antibiotics ranging from 100 ⁇ g / ml to 0.75 ⁇ g / ml were tested to find the stringency concentration for this set of mutants, i.e., the concentration to differentiate mutants with greater solubility.
- the cultures were incubated and the OD measured with a spectrophotometer at 600 nm to measure bacterial growth.
- Contcam plasmid petl I on which the chloramphenicol resistance gene has been cloned (SEQ ID Nos. 7 and 8); this construction serves as a positive control.
- TA2cam plasmid petl I on which was cloned a TA2 fusion protein-chloramphenicol resistance gene (SEQ ID Nos. 9 and 10); TA2 protein is an insoluble variant of the protein taken as a model.
- TB2cam plasmid petl I on which was cloned a TB2-chloramphenicol resistance gene fusion protein (SEQ ID Nos 11 and 12); the TB2 protein is a soluble variant of the protein taken as a model.
- the different bacterial cultures were seeded at 10 -4 UOD / ml (previously tested as minimum seeding).
- a range of chloramphenicol ranging from 100 ⁇ g / ml to 12.3 ⁇ g / ml was tested in order to find the stringering concentration for this mutant mixture, that is to say the concentration to differentiate the mutants with greater solubility.
- Cultures were incubated and OD measured spectrophotometer at 100 nm to measure bacterial growth.
- kanamycin resistance gene in particular kanamycin kinase II, can be used as a reporter for the solubility of a protein fused to it.
- the kanamycin resistance gene is much better than the chloramphenicol resistance gene, for which it is found that the window of variation of resistance of the two variants is not very extensive and thus does not allow the selection of mutants within 'a bank.
- Example 2 In order to apply the technique to the screening of a mutant library, the same experiment was performed as above but with a mixture combining the two variants: soluble and non-soluble.
- the stringency concentration of kanamycin determined in Example 1 is used to select only the mutants expressing the soluble protein.
- the cultures were carried out in solid medium in order to be able to count the colonies.
- a colony number was obtained proportional to the protein mixture: for an inoculation containing only clones expressing the soluble protein, 17,000 colonies were obtained; for inoculation containing only clones expressing the insoluble protein, 4 colonies were obtained; for seeding together 10% of clones expressing the soluble protein and 90% of clones expressing the insoluble protein, 4000 colonies were obtained.
- This technique has made it possible to demonstrate the presence of mutants expressing a soluble protein in a mixture of variants at a proportion that can be as low as 0.1%.
- a mutant library of a plasmid constructed in such a way that the kanamycin resistance gene is fused in phase and C-terminal to that of to express the protein of interest.
- the plasmid is mixed with a set of mutant oligonucleotides.
- the mixture is denatured by heat. All the elements necessary to perform a replication of the matrix from the mutant oligonucleotides are added.
- E. coli bacteria used as host cells are transformed by electroporation.
- the clones obtained are then cultured in a liquid medium in the presence of ampicillin, so as to preselect the bacteria that have actually integrated a plasmid.
- the culture is then used to inoculate a liquid medium containing a predetermined kanamycin stringing concentration so as to select the cells expressing a soluble variant.
- EXAMPLE 4 In order to identify soluble mutants of a protein of interest, diversity is first generated by random mutagenesis: a DNA molecule containing the gene to be mutated is amplified by error-prone PCR ". The molecules obtained are cloned into a plasmid constructed so that the mutant genes are fused in phase and 5 'of the kanamycin resistance gene. The mutant library is then screened as set forth in the previous example, or using a solid medium to differentiate on the number or size criterion the colonies corresponding to a more soluble variant of the protein of interest.
- a mutant library of a plasmid constructed such that the kanamycin resistance gene is fused to the C-terminal fused with that for expressing is made. the protein of interest.
- Mutations are carried out by recombination of DNA on the gene of interest:
- the DNA fragment obtained is cloned in such a way that the mutant genes are fused in phase and in 5 'to the kanamycin resistance gene present on the vector.
- the mutant bank is then screened as set forth in the previous example.
- a kanamycin kinase mutant library was then constructed using Massive Mutagenesis® technology (FR2813314): total diversity was introduced at each position 3 rounds of mutagenesis were performed to obtain a library with a final diversity of 5.10 6 clones.
- the strain used was E. coli DH10B. Sequencing of 24 randomly selected clones revealed an average number of mutations per molecule of 2.5. Moreover, there was no major bias in the sequences.
- the library was then transformed into E. coli strain BL21 (DE3) to allow the expression of kanamycin kinase and spread on different media: non-selective media: ampicillin 100 ⁇ g / ml and kanamycin 25 ⁇ g / ml to estimate transformation efficiency of the bank
- selection medium kanamycin 300 ⁇ g / ml to allow the selection of mutants resistant to high concentrations of kanamycin
- the number of clones after transformation was estimated at 1.10 6 by counting on ampicillin medium.
- the medium containing 300 ⁇ g / ml of kanamycin made it possible to select 170 clones.
- a sequencing step was performed using oligos T7pro and T7ter. The sequence of the 12 clones revealed a single mutation at position 155 where a glutamine residue is replaced by a tryptophan residue.
- the mutation can be placed in the structure of the enzyme.
- the residue Ql 55 is placed on a flexible loop (residues 151-166) which borders the fixing cavity of the kanamycin substrate.
- this loop there are also crucial residues for the activity of the enzyme such as D159 and E160. The proximity of this residue to the active site may therefore explain an increase in the activity of the enzyme.
- a new library was then constructed with the mutant pET11-KanK_Q155W as the starting template.
- the protocol followed is the same as during the first step of mutagenesis (3 successive rounds, sequencing 24 clones for quality control).
- the library was selected on 1 mg / ml kanamycin to isolate still resistant variants kanamycin as Q155W.
- a new mutation appears: the serine 114 is mutated into Histidine.
- LC50 for each clone was defined as the concentration of kanamycin for which the measured OD corresponds to 50% of the maximum OD.
- the improvement factor is important. Indeed, it is between 3 and 7 for single mutants and is greater than 14 for the double mutant. It should be noted that the effect of the two mutations is more than additive, it constitutes a synergy between the two mutations.
- kanamycin resistance efficacy of two types of kanamycin resistance genes namely Kat (kanamycin nucleotidyltransferase) and KK (kanamycin kinase II), in the form of fusion proteins with reporter genes (GFP or interferon gamma) was tested.
- Kat kanamycin nucleotidyltransferase
- KK kanamycin kinase II
- Example 8 The results presented here are based on the use of a protein encoded by the antibiotic resistance gene kanamycin (kanamycin kinase II gene) as a reporter for the solubility of a protein-target (Fe65) fused to the latter .
- This system is based on the assumption of transmitting the soluble or insoluble nature of the protein of interest to the protein conferring resistance to kanamycin.
- the purpose of the experiments presented here was to generate a mutant bank of the Fe65 protein of interest using Massive Mutagenesis® and to verify that the selection system through kanamycin resistance makes it possible to directly select variants that provide an improvement. of solubility.
- pET11 plasmid which is at the base of the different constructions; it's the negative control.
- pETHK plasmid pET11 in which the kanamycin resistance gene has been cloned. This construction serves as a positive control.
- TA2K plasmid pET11 in which was cloned the hybrid gene Fe65TA2-kanamycin resistance gene.
- TA2 protein is the insoluble variant of the model Fe65 protein.
- TB2K plasmid pET11 in which was cloned the hybrid gene Fe65TB2-kanamycin resistance gene.
- the TB2 protein is the soluble variant of the Fe65 protein.
- the colonies obtained were scraped off and a DNA preparation was made from these colonies.
- the DNA preparation corresponding to the library was then transformed into the E. coli strain. coli BL21 (DE3) to allow the expression of fusion proteins.
- the transformation result was spread on medium containing ampicillin 100 ⁇ g / ml (as a control of the transformation efficiency) and on a selective medium containing kanamycin at 50 ⁇ g / ml (which should make it possible to select only soluble mutants).
- TB soluble variant
- TA insoluble variant
- pET11_KanK Q155W: plasmid pET11 in which the sequence of the kanamycin kinase kinase at position 155 (Q 155W) is cloned
- pET11_TA-KanK Q155W: plasmid pET11 in which is cloned the insoluble variant of FE65 fused to the sequence of kanamycin kinase mutated on position 155 (Q155W)
- Q155W plasmid pET11 in which is cloned the soluble variant of FE65 fused to the sequence of the kanamycin kinase kinase at position 155 (Q155W)
- E. coli BL21 DE3 bacteria were then transformed by heat shock and then incubated in a liquid medium containing ampicillin at 100 ⁇ l / ml at 37 ° C. for 12 h.
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Abstract
Description
METHODE D'OBTENTION DE VARIANTS SOLUBLES OU MIEUX EXPRIMES D'UNE PROTEINE D'INTERET METHOD OF OBTAINING SOLUBLE OR BETTER EXPRESS VARIANTS OF A PROTEIN OF INTEREST
Introduction La présente invention concerne la biologie moléculaire et plus particulièrement l'évolution des protéines in vitro. La technologie a pour objet une méthode permettant la sélection, à partir d'une banque de mutants d'une protéine générée dans une première étape, des variants présentant une solubilité améliorée ou un niveau d'expression supérieur.Introduction The present invention relates to molecular biology and more particularly to the evolution of proteins in vitro. The subject of the invention is a method for selecting, from a mutant library of a protein generated in a first step, variants with improved solubility or higher level of expression.
L'insolubilité des protéines recombinantes constitue un problème majeur dans le domaine des biosciences : lorsque exprimées en bactéries, une grande parties des protéines ne peuvent être exprimées à un niveau important sans s'agréger sous forme de corps d'inclusion. Elles ne pourront alors pas être purifiées, et seront dans la plupart des cas inactives.The insolubility of recombinant proteins is a major problem in the field of biosciences: when expressed in bacteria, a large part of the proteins can not be expressed at a significant level without aggregating as inclusion bodies. They can not be purified and will be inactive in most cases.
Lorsque l'on exprime une protéine eucaryote (notamment une protéine humaine) dans un hôte procaryote, les différentes étapes de maturation (glycosylation, clivage de peptides, etc..) n'ont pas lieu. La protéine a donc une structure générale assez distante de sa structure naturelle, et présente le plus souvent une solubilité réduite. Dans le cas de protéines recombinantes bactériennes produites en bactéries, ce phénomène d'insolubilité n'est observé que dans une moindre mesure. Cependant, si l'on souhaite exprimer une grande quantité de la protéine, une fraction des protéines s'agrège : il existe une concentration limite, fonction de la solubilité de la protéine, que l'on ne peut dépasser sans former de tels corps d'inclusion. La nature des protéines agrégées est parfois réversible : si l'on traite les corps d'inclusion de façon à les dissoudre, soit en utilisant des dénaturants, soit en modifiant le pH ou la température, puis qu'on replace la solution dans des conditions plus physiologiques, on peut retrouver des protéines dans leur forme native et soluble, c'est- à-dire ayant récupéré leurs fonctionnalités. Néanmoins, le plus souvent, une fraction très minoritaire seulement des protéines peut ainsi être récupérée.When expressing a eukaryotic protein (especially a human protein) in a prokaryotic host, the various processing steps (glycosylation, peptide cleavage, etc.) do not take place. The protein therefore has a general structure quite far from its natural structure, and most often has a reduced solubility. In the case of bacterial recombinant proteins produced in bacteria, this phenomenon of insolubility is observed to a lesser extent. However, if it is desired to express a large quantity of the protein, a fraction of the proteins aggregates: there is a limiting concentration, a function of the solubility of the protein, which can not be exceeded without forming such bodies. 'inclusion. The nature of the aggregated proteins is sometimes reversible: if the inclusion bodies are treated in such a way as to dissolve them, either by using denaturants, or by modifying the pH or the temperature, then replacing the solution under conditions more physiological, we can find proteins in their native and soluble form, that is to say having recovered their functionalities. Nevertheless, most often only a very small fraction of the proteins can be recovered.
Cette limite à l'expression des protéines représente un obstacle lorsque l'on souhaite exprimer une protéine en grande quantité : c'est le cas notamment des enzymes industrielles, - utilisées dans les industries textiles, agroalimentaires et chimiques notamment -, ou celui des fragments d'anticorps recombinants à une seule chaîne, les ScFv. Cette dernière classe de molécules, qui s'expriment très mal en bactéries pour ces raisons de limite de solubilité, sont utilisables en thérapeutique humaine et doivent alors être produits dans des quantités non négligeables.This limit to the expression of proteins represents an obstacle when it is desired to express a protein in large quantities: this is the case in particular with enzymes industrial, - used in the textile, food and chemical industries in particular - or that of fragments of recombinant antibodies to a single chain, the ScFv. This last class of molecules, which are very poorly expressed in bacteria for these reasons of solubility limit, can be used in human therapy and must then be produced in significant amounts.
Cette limite à l'expression que représente l'insolubilité des protéines recombinantes est également un frein à l'expression des protéines utilisées en petite quantité à des fins de recherche. Par exemples, les cibles thérapeutiques doivent, pour être caractérisées, être produites en quantité suffisante pour permettre la réalisation d'études structurales. Ces études ne peuvent être réalisées sur des protéines insolubles car la formation des cristaux destinés à ces analyses se fait en milieu liquide. L'insolubilité des protéines est donc un phénomène qui limite les progrès dans la caractérisation de nombreuses protéines.This limitation on the expression of the insolubility of recombinant proteins is also a brake on the expression of proteins used in small quantities for research purposes. For example, the therapeutic targets must, in order to be characterized, be produced in sufficient quantity to allow structural studies to be carried out. These studies can not be carried out on insoluble proteins because the formation of the crystals intended for these analyzes is done in a liquid medium. The insolubility of proteins is therefore a phenomenon that limits progress in the characterization of many proteins.
Des efforts importants pour améliorer la production des protéines recombinantes ont été menées ces dernières années.Important efforts to improve the production of recombinant proteins have been conducted in recent years.
L'approche générale consiste à rechercher des variants de la protéine ayant acquis une meilleure solubilité, tout en ayant conservé ses autres fonctionnalités (son activité pour une enzyme, sa capacité à lier un antigène pour un anticorps recombinant). Dans une première étape, des mutants sont générés à partir du gène codant pour la protéine de départ. Dans un deuxième temps, ces mutants sont criblés pour identifier ceux qui présentent le meilleur niveau de solubilité ou d'expression. Dans un troisième temps, les mutants présentant un niveau de solubilité ou d'expression amélioré sont testés pour leurs fonctionnalités, afin de vérifier que la ou les mutations introduites ne les ont pas affectées.The general approach is to look for variants of the protein having acquired better solubility, while having retained its other functionalities (its activity for an enzyme, its ability to bind an antigen for a recombinant antibody). In a first step, mutants are generated from the gene encoding the starting protein. In a second step, these mutants are screened to identify those with the best level of solubility or expression. In a third step, the mutants having an improved level of solubility or expression are tested for their functionalities, in order to verify that the mutation (s) introduced have not affected them.
Différentes techniques de mutagenèse existent ; elles permettent de modifier artificiellement la séquence nucléotidique d'un fragment d'ADN. Elle peuvent être séparées en quatre grands groupes : la mutagenèse aléatoire, la recombinaison de gènes, la mutagenèse dirigée et la mutagenèse massive™ (Massive Mutagenesis®).Different mutagenesis techniques exist; they make it possible to artificially modify the nucleotide sequence of a DNA fragment. They can be divided into four major groups: random mutagenesis, gene recombination, site-directed mutagenesis, and massive mutagenesis ™ (Massive Mutagenesis®).
Dans la technique de mutagenèse aléatoire, l'ADN ciblé (contenant le gène à muter) est amplifié dans des conditions particulières altérant les capacités de la polymérase à répliquer fidèlement l'ADN. Celle-ci introduit des mutations au fil des cycles, c'est-à-dire des différences par rapport à la séquence initiale. A la fin de la réaction, un grand nombre de copies de la molécule initiale sont obtenues, chacune de ces molécules comportant des mutations différentes. Ces molécules sont présentes sous forme de banque, c'est-à-dire d'un mélange de molécules de nature différente (différant par la nature et la position de leurs mutations). L'ADN est ensuite inséré dans un vecteur d'expression.In the random mutagenesis technique, the targeted DNA (containing the gene to be mutated) is amplified under particular conditions altering the ability of the polymerase to faithfully replicate the DNA. This introduces mutations over cycles, that is to say differences with respect to the initial sequence. At the end of the reaction, a large number of copies of the initial molecule are obtained, each of these molecules having different mutations. These molecules are present in the form of a bank, that is to say a mixture of molecules of different nature (differing in the nature and position of their mutations). The DNA is then inserted into an expression vector.
La mutagenèse par recombinaison d'ADN s'inspire du processus de recombinaison à l'œuvre dans l'évolution Darwinienne. La mutagenèse par mélange d'ADN consiste à recombiner des séquences partiellement homologues, isolées à partir de différents organismes. Par exemple, si l'on travaille sur une enzyme, la première étape d'une approche par mélange d'ADN reviendra à isoler un grand nombre de gènes homologues à cette enzyme, soit à partir de collections de souches, soit à partir de gènes directement isolés à partir d'échantillons naturels (par une approche maintenant décrite sous le terme de « metagénome »). Différentes approches existent alors pour mélanger les domaines de ces gènes homologues et générer une banque de molécules d'ADN « chimériques », c'est-à-dire constituées de plusieurs domaines ayant des provenances différentes (Brevet US 6 132 970 ; Stemmer WP. et al, Nature, vol.370, p.389-391, 1994 ; Aguinaldo AM. et al, Methods Mol Biol., vol.192, p.235-239, 2002 ; Zhao H. et al, Nat Biotechnol., vol.16, p.258-261, 1998 ; Shao Z. et al, Nucleic Acids Res., vol.26, p.681-683, 1998 ; Kawarasaki Y. et al, Nucleic Acids Res., vol.31, 2003 ; Brevet US 5 965 408 ; Brevet WO 00 09 679 ; Brevet WO 02 48 351). Il est attendu que ces molécules contiennent ainsi des caractéristiques nouvelles, et notamment des propriétés cumulées de deux ou plusieurs gènes parentaux. Cette approche par recombinaison d'ADN est basée sur l'idée générale que la combinaison nouvelle de mutations naturelles,- ayant donc été pré-criblées par la nature pour le maintien de l'activité de l'enzyme -, a plus de chance d'être porteuse d'amélioration que l'introduction de mutations générées au hasard. En même temps que l'on restreint la génération de diversité à un espace de séquence 'raisonnable' car 'présélectionné', on est cependant limité par les séquences d'origine, qu'il faut posséder physiquement, par la nécessité d'utiliser des gènes ayant un niveau d'homologie suffisant, et par l'impossibilité de générer des séquences autres que des combinaisons des séquences initiales. Ces approches de mélange d'ADN se sont révélées être particulièrement efficaces dans le domaine de l'amélioration de l'activité ou de la stabilité des enzymes.DNA recombination mutagenesis is inspired by the recombination process at work in Darwinian evolution. Mutagenesis by DNA blending involves recombining partially homologous sequences, isolated from different organisms. For example, if we are working on an enzyme, the first step of a DNA mixing approach will be to isolate a large number of genes homologous to this enzyme, either from collections of strains or from genes. directly isolated from natural samples (by an approach now described under the term "metagenome"). Different approaches then exist for mixing the domains of these homologous genes and generating a library of "chimeric" DNA molecules, that is to say made up of several domains having different provenances (US Patent 6,132,970; Stemmer WP. et al., Nature, vol.370, p.389-391, 1994, Aguinaldo AM et al., Methods Mol Biol., vol.192, p.235-239, 2002, Zhao H. et al, Nat Biotechnol., vol.16, p.258-261, 1998, Shao Z. et al, Nucleic Acids Res., vol.26, p.681-683, 1998, Kawarasaki Y. et al, Nucleic Acids Res., vol.31, 2003; U.S. Patent 5,965,408; Patent WO 00/09679; Patent WO 02 48 351). It is expected that these molecules thus contain novel characteristics, and in particular cumulative properties of two or more parental genes. This recombinant DNA approach is based on the general idea that the novel combination of natural mutations, having thus been pre-screened by nature for the maintenance of enzyme activity, is more likely to 'to be a carrier of improvement than the introduction of mutations generated at random. At the same time that the generation of diversity is restricted to a 'reasonable' sequence space because 'preselected', it is however limited by the original sequences, which must be physically possessed, by the necessity of using genes having a sufficient level of homology, and the impossibility of generating sequences other than combinations of the initial sequences. These DNA mixing approaches have been found to be particularly effective in the field of enzyme activity enhancement or stability.
La mutagenèse dirigée vise à introduire une ou quelques mutations (substitutions, mais aussi délétions ou insertions) de nature et de position connue dans un fragment d'ADN. Un oligonucléotide est utilisé pour introduire cette mutation. Cet oligonucléotide est classiquement constitué d'une trentaine de bases, et est homologue en tout point à la séquence ciblée sur le fragment d'ADN, à l'exception d'une ou quelques positions localisées dans sa partie médiane. Cet oligonucléotide est ensuite utilisé pour amorcer une réaction de réplication en utilisant le fragment d'ADN comme matrice. Dans de nombreux protocoles, un second oligonucléotide, de sens opposé, est utilisé de façon à améliorer le rendement de la réplication. L' ADN synthétisé lors de cette réaction est ensuite sélectionné, notamment selon le critère de son contenu en bases méthylées, de façon à éliminer l'ADN parental non mutant. Différentes techniques de mutagenèse dirigée permettent d'obtenir assez rapidement des mutants, à un rythme qui reste cependant limité : seuls quelques mutants peuvent être générés par jour et par personne. Ce faible débit n'est que très partiellement adapté aux problématiques d'évolution moléculaire : il est en effet rare de pouvoir prédire précisément l'effet des mutations introduites et, lorsqu'on recherche un mutant amélioré sur tel ou tel critère, il est généralement préférable d'en générer un grand nombre dont la plupart n'auront pas l'effet escompté.The purpose of site-directed mutagenesis is to introduce one or a few mutations (substitutions, but also deletions or insertions) of known nature and position into a DNA fragment. An oligonucleotide is used to introduce this mutation. This oligonucleotide is conventionally composed of about thirty bases, and is homologous in every respect to the sequence targeted on the DNA fragment, with the exception of one or a few localized positions in its middle part. This oligonucleotide is then used to initiate a replication reaction using the DNA fragment as a template. In many protocols, a second oligonucleotide, in the opposite sense, is used to improve the efficiency of replication. The DNA synthesized during this reaction is then selected, in particular according to the criterion of its content in methylated bases, so as to eliminate the non-mutant parental DNA. Different techniques of site-directed mutagenesis make it possible to obtain mutants quite rapidly, at a rate that remains limited, however: only a few mutants can be generated per day and per person. This low flow rate is only partially adapted to the problems of molecular evolution: it is indeed rare to be able to accurately predict the effect of introduced mutations and, when an improved mutant is sought on this or that criterion, it is generally better to generate a large number, most of which will not have the desired effect.
La Massive Mutagenesis® permet de réaliser en un temps très court un grand nombre de mutations dirigées sur un même fragment d'ADN cible. La matrice contenant l'ADN cible est préparée, et mélangée avec les oligonucléotides mutants initialement fabriqués. La matrice est dénaturée par la chaleur de façon à disposer temporairement d'ADN simple brin. Lors du retour à une température plus basse, certains ou tous les oligonucléotides présents dans le mélange se fixent sur la matrice au niveau de leur site d'homologie. Tous les éléments nécessaires à réaliser une réplication de la matrice à partir des oligonucléotides mutants sont ajoutés, et notamment une polymérase, le tampon permettant son activité, des nucléotides triphosphates en quantité suffisante, les éventuels cofacteurs nécessaires. La réaction de réplication a ensuite lieu dans les conditions de température correspondant à l'activité maximale de la polymérase. L'objectif est de disposer de mutants contenant chacun une mutation ou une combinaison de plusieurs mutations différentes. Le nombre moyen de mutations par molécule est modulable à loisir. La diversité possible s'accroît très rapidement avec le nombre de mutations moyen par molécules : l'utilisation de Massive Mutagenesis® permet d'obtenir des diversités très larges. Ces diverses technologies permettent de générer de la diversité. Selon le contexte précis, l'une ou l'autre peut être préférée.Massive Mutagenesis® allows to realize in a very short time a large number of mutations directed on the same target DNA fragment. The template containing the target DNA is prepared, and mixed with the mutant oligonucleotides initially manufactured. The matrix is denatured by heat so as to temporarily dispose of single-stranded DNA. When returning to a lower temperature, some or all of the oligonucleotides present in the mixture are fixed on the matrix at their site of homology. All the elements necessary to carry out a replication of the matrix from the mutant oligonucleotides are added, and in particular a polymerase, the buffer allowing its activity, nucleotide triphosphates in sufficient quantity, any necessary cofactors. The replication reaction then takes place under the temperature conditions corresponding to the maximum activity of the polymerase. The goal is to have mutants each containing a mutation or a combination of several different mutations. The average number of mutations per molecule can be modulated at will. The possible diversity increases very rapidly with the number of mutations per molecule: the use of Massive Mutagenesis® makes it possible to obtain very wide diversities. These various technologies make it possible to generate diversity. Depending on the specific context, one or the other may be preferred.
Si l'on recherche des mutants présentant par rapport à la molécule d'origine une amélioration de solubilité ou d'expression, il est nécessaire de disposer d'une technologie permettant de mesurer rapidement cette caractéristique chez chacun des mutants générés. Bien entendu, on pourrait effectuer les mesures une par une en observant chez chacun des mutants le taux de protéines solubles. Cette approche serait cependant très laborieuse, et c'est pourquoi des techniques ont été développées pour permettre de tester ce paramètre de façon parallèle, directement à partir des banques de mutants.If one seeks mutants having an improvement in solubility or expression with respect to the original molecule, it is necessary to have a technology which makes it possible to rapidly measure this characteristic in each of the mutants generated. Of course, the measurements could be carried out one by one by observing in each of the mutants the level of soluble proteins. This approach would however be very laborious, and that is why techniques have been developed to allow this parameter to be tested in parallel, directly from the mutant libraries.
Ces techniques sont pour la plupart basées sur la fusion, en phase, d'une banque de mutants de la protéine d'intérêt d'une part, et d'autre part d'un gène rapporteur. Ces protéines de fusion sont ensuite criblées sur le critère de l'activité du gène rapporteur.These techniques are for the most part based on the fusion, in phase, of a mutant library of the protein of interest on the one hand, and on the other hand a reporter gene. These fusion proteins are then screened on the basis of the activity of the reporter gene.
Les protéines de fusion sont utilisées depuis de nombreuses années dans des contextes autres que celui de la recherche de variants solubles : principalement, ces protéines de fusion sont utilisées pour localiser les protéines au niveau cellulaire ou intracellulaire. Une des premières protéines de fusion à avoir été utilisées est la β- galactosidase, dont l'activité convertit le X-gal, un sucre non naturel, en un composé bleu. Cette activité peut donc facilement être tracée. (Casadaban MJ. et al, Methods Enzymol., VoLlOO, p.293-308, 1983)Fusion proteins have been used for many years in contexts other than the search for soluble variants: mainly, these fusion proteins are used to localize proteins at the cellular or intracellular level. One of the first fusion proteins to be used is β-galactosidase, whose activity converts X-gal, an unnatural sugar, into a blue compound. This activity can therefore easily be traced. (Casadaban MJ et al., Methods Enzymol., VoL100, p.293-308, 1983)
La CAT (chloramphénicol-acétyl-transférase) a également été utilisée dans ce contexte des protéines de fusion depuis de longues années. Le chloramphénicol est un antibiotique qui se lie aux ribosomes de la bactérie, et bloque ainsi la biosynthèse des protéines, ce qui entraîne rapidement la mort de la cellule. La CAT est une enzyme qui transfère un groupement acétyle d'un co-enzyme A sur le chloramphénicol (qui est alors inactivé). A partir de cette différence d'un groupement acétyle, des tests colorimétriques ont été mis au point : l'activité CAT est alors tracée par un signal jaune (Robben J. et al, Gène, vol.126, p.109-113, 1993).CAT (chloramphenicol acetyl transferase) has also been used in this context for fusion proteins for many years. Chloramphenicol is an antibiotic that binds to the ribosomes of the bacteria, blocking the biosynthesis of proteins, resulting in rapid cell death. CAT is an enzyme that transfers an acetyl group from coenzyme A to chloramphenicol (which is then inactivated). From this difference of an acetyl group, colorimetric tests have been developed: the CAT activity is then traced by a yellow signal (Robben J. et al, Gene, vol. 126, p.109-113, 1993).
Ces approches basées sur l'utilisation de protéines rapporteur enzymatiques présentent un obstacle non négligeable : le substrat doit pouvoir accéder au compartiment dans lequel se situe l'enzyme rapporteur. Dans de nombreux cas, le marquage en utilisant ces enzymes n'est donc pas possible. De plus, le produit coloré marqué par l'enzyme est une petite molécule chimique, qui a une tendance naturelle à la diffusion : la localisation intracellulaire des protéines de fusion est donc imprécise.These approaches based on the use of enzymatic reporter proteins present a significant obstacle: the substrate must be able to access the compartment in which the reporter enzyme is located. In many cases, the labeling using these enzymes is therefore not possible. In addition, the colored product labeled with the enzyme is a small chemical molecule, which has a natural tendency to diffusion: the intracellular localization of the fusion proteins is therefore imprecise.
C'est pour ces raisons qu'ont été développées des protéines de fusion naturellement fluorescentes. Le rapporteur le plus couramment utilisé est aujourd'hui la Green Fluorescent Protein (GFP) (Garamszegi N. et al, Biotechniques, vol.23, 1997). La GFP, isolée en 1962 et clonée en 1992, se compose de 238 acides aminés et est issue de la méduse Aequorea Victoria. Elle a pour caractéristique de posséder un chromophore lui permettant d'absorber les rayonnements bleus (400nm) et de re- émettre dans le vert (509nm). Il existe maintenant de nombreux variants de la GFP, qui fluorescent à d'autres longueurs d'ondes et émettent ainsi différentes couleurs (jaune, bleu, violet). Plusieurs protéines de fusion peuvent donc être observées simultanément. Une seconde protéine naturellement fluorescente a été isolée et clonée à partir de l'anémone de mer : le DsRed. Cette protéine émet naturellement un signal rouge. L'utilisation combinée de cette protéine et de la GFP permet là encore de tracer plusieurs protéines en même temps.It is for these reasons that naturally fluorescent fusion proteins have been developed. The most commonly used reporter is today Green Fluorescent Protein (GFP) (Garamszegi N. et al, Biotechniques, vol.23, 1997). GFP, isolated in 1962 and cloned in 1992, is composed of 238 amino acids and is derived from the jellyfish Aequorea Victoria. It has the characteristic to have a chromophore allowing it to absorb the blue radiations (400nm) and to emit in the green (509nm). There are now many variants of GFP, which fluoresce at other wavelengths and thus emit different colors (yellow, blue, purple). Several fusion proteins can therefore be observed simultaneously. A second naturally fluorescent protein was isolated and cloned from the sea anemone: DsRed. This protein naturally emits a red signal. The combined use of this protein and GFP again makes it possible to trace several proteins at the same time.
Des GFP modifiées ont été réalisées de façon à permettre une expression optimale chez de nombreux organismes tels que les bactéries, les levures, ou les cellules mammifères, afin de permettre les études dans chacun des système couramment employés en biologie.Modified GFPs have been made to allow optimal expression in many organisms such as bacteria, yeasts, or mammalian cells, to enable studies in each of the commonly used systems in biology.
Lorsqu'on réalise de telles protéines de fusion, la liaison entre le gène d'intérêt et celui codant pour la protéine rapporteur doit se faire sans interrompre la phase de lecture. Il est également nécessaire de prendre soin aux contraintes stériques de l'une et l'autre protéines. En effet, il est possible que la fusion de la protéine d'intérêt et de la protéine rapporteur ne permette pas à l'une et à l'autre d'adopter leur conformation naturelle. Leur structure en serait modifiée, et leur activité annulée. Afin d'éviter ce possible écueil, il peut être nécessaire d'introduire un espaceur entre le gène codant pour la protéine d'intérêt et celui codant pour la protéine rapporteur. Cet espaceur est une séquence d'ADN codant pour un peptide de structure la plus neutre possible, et ne présentant pas en lui-même d'activité particulière. Il est généralement composé de 8 ou 9 acides aminés neutres qui ne doivent pas influer sur la structure des protéines et ne doivent pas être la cible des protéases. Il est également préférable qu'il soit flexible et hydrophile (Sieber V., Methods Mol Biol., vol.230, ρ.45-55, 2003 ; Waldo G.S. et al, Brevet US 6,448,087, 1999). Ce fragment d'ADN doit bien entendu être introduit de telle sorte que la phase soit conservée sur l'ensemble constitué par la protéine d'intérêt, Pespaceur, et la protéine rapporteur.When making such fusion proteins, the binding between the gene of interest and that encoding the reporter protein must be done without interrupting the reading phase. It is also necessary to take care of the steric constraints of both proteins. Indeed, it is possible that the fusion of the protein of interest and the reporter protein does not allow both to adopt their natural conformation. Their structure would be modified, and their activity canceled. In order to avoid this possible pitfall, it may be necessary to introduce a spacer between the gene coding for the protein of interest and that coding for the reporter protein. This spacer is a DNA sequence coding for a peptide with the most neutral structure possible, and not exhibiting any particular activity in itself. It is usually composed of 8 or 9 neutral amino acids that should not affect the protein structure and should not be targeted by proteases. It is also preferable that it be flexible and hydrophilic (Sieber V., Methods Mol Biol., Vol.230, ρ.45-55, 2003, Waldo GS et al, U.S. Patent 6,448,087, 1999). This DNA fragment must of course be introduced in such a way that the phase is conserved on the set consisting of the protein of interest, the spacer, and the reporter protein.
La position relative de la protéine d'intérêt et de la protéine rapporteur n'est pas neutre. Dans certains cas, il est préférable que la protéine de fusion soit positionnée enThe relative position of the protein of interest and the reporter protein is not neutral. In some cases, it is preferable that the fusion protein is positioned in
C-terminal. Dans certains autres, le positionnement en N-terminal est préférable.C-terminal. In some others, N-terminal positioning is preferable.
Fréquemment, l'homme du métier effectue les deux constructions, et retient celle qui présente le meilleur signal à l'issue d'une étape expérimentale préliminaire.Frequently, the skilled person performs both constructions, and retains the one that has the best signal after a preliminary experimental step.
L'utilisation principale des protéines de fusion est donc associée à des travaux de localisation des protéines. Cependant, ces protéines de fusion ont également été utilisées comme système de sélection pour identifier des variants plus solubles d'une protéine : il a en effet été observé que lorsqu'on fusionne une protéine d'intérêt à une protéine rapporteur, la conformation de l'une et de l'autre sont liées. Une conformation incorrecte de la protéine située du côté NH2 est ainsi corrélée à une conformation également incorrecte de la protéine localisée à l'extrémité COOH. L'inverse n'est généralement pas vrai : c'est la conformation de l'extrémité NH2 de la protéine qui influe sur l'ensemble. La conformation de la protéine étant mise en place de façon concomitante à sa synthèse, et celle-ci ayant lieu de l'extrémité NH2 vers l'extrémité COOH, on peut comprendre que la conformation globale de la protéine dépend de la conformation acquise par le premier segment synthétisé. Ces effets de conformation lors de la synthèse sont parfois décrits sous le terme de « nucléation ».The main use of fusion proteins is therefore associated with protein localization work. However, these fusion proteins have also been used as a selection system for identifying more soluble variants of a protein: it has indeed been observed that when a protein of interest is fused to a reporter protein, the conformation of the one and the other are related. Incorrect conformation of the protein on the NH2 side is thus correlated with an equally incorrect conformation of the protein located at the COOH end. The opposite is generally not true: it is the conformation of the NH2 end of the protein which influences the whole. As the conformation of the protein is set up concomitantly with its synthesis, and this takes place from the NH 2 end to the COOH end, it can be understood that the overall conformation of the protein depends on the conformation acquired by the first segment synthesized. These conformational effects during synthesis are sometimes described as "nucleation".
Cette corrélation entre la conformation de la protéine d'intérêt et celle de la protéine lui étant fusionnée a donc pu être utilisée pour mettre en place des systèmes de sélection de variants plus solubles. C'est naturellement que les protéines de fusion les plus classiques ont été utilisées : la CAT, la β-galactosidase, et la GFP.This correlation between the conformation of the protein of interest and that of the protein being fused to it could thus be used to set up systems for selecting more soluble variants. Of course, the most traditional fusion proteins have been used: CAT, β-galactosidase, and GFP.
L'équipe de Maxwell et al. (Protein science, vol.8, p.1908-1911, 1999), a pu exprimer une protéine de fusion réunissant une protéine insoluble avec la CAT : le domaine catalytique d'une intégrase HFV insoluble a été fusionné au domaine N- terminal de l'enzyme. D'un autre côté, la même construction contenant cette fois-ci un mutant de la protéase plus soluble a été réalisée. Une augmentation significative de la résistance à l'antibiotique chloramphénicol est observée chez la forme mutée. Cette technique permettrait donc de sélectionner une protéine soluble au milieu d'un ensemble de protéines insolubles. Peu de publications décrivant des travaux basés sur cette approche ont été faites à ce jour.The team of Maxwell et al. (Protein science, vol. 8, p.1908-1911, 1999), was able to express a fusion protein comprising an insoluble protein with CAT: the catalytic domain of an insoluble HFV integrase was fused to the N-terminal domain of the enzyme. On the other hand, the same construct containing this time a mutant of the more soluble protease was made. A significant increase in resistance to the antibiotic chloramphenicol is observed in the mutated form. This technique would therefore make it possible to select a soluble protein in the middle of a set of insoluble proteins. Few publications describing work based on this approach have been made to date.
Dans le brevet EP 1479694, il est décrit une méthode pour isoler un fragment scFv soluble. La première étape consiste en la création d'une bibliothèque de mutants du fragment. Puis, il y a construction de deux types de protéines de fusion. Les gènes de ces variants sont, dans la première construction, fusionnés avec une partie du gène nécessaire à l'expression de la β-Galactosidase. La deuxième construction consiste à fusionner le gène codant pour l'antigène correspondant avec la dernière partie du gène de la β-Galactosidase. Ainsi, dans les conditions de sélection permettant l'expression de l'antigène et du ScFv mutant, seules les formes les plus solubles du ScFv présenteront une interaction et permettront le fonctionnement de la β-Galactosidase. La différenciation entre deux clones de solubilité différente repose ici sur le fait que la spécificité du fragment scFv est proportionnelle à sa solubilité. Plus le fragment sera soluble, plus la reconnaissance de l'antigène sera élevée et donc, plus la β-Galactosidase fonctionnera. Cette technique, basée sur la complémentation de deux domaines de la β- Galactosidase, est limitée à l'utilisation dans le cadre d'une liaison anticorps-antigène. La nécessité de co-transformer deux plasmides présente une complication additionnelle par rapport aux systèmes basés sur un seul plasmide. Par ailleurs, ce système sélectionne à la fois les ScFv plus solubles et ceux présentant une meilleure affinité pour l'antigène, ce qui peut introduire également une complexité non souhaitable.In EP 1479694, there is described a method for isolating a soluble scFv fragment. The first step is to create a fragment mutant library. Then, there is construction of two types of fusion proteins. The genes of these variants are, in the first construct, fused with a part of the gene necessary for the expression of β-galactosidase. The second construct consists in fusing the gene coding for the corresponding antigen with the last part of the β-galactosidase gene. Thus, under the selection conditions allowing the expression of the mutant antigen and ScFv, only the most soluble forms of ScFv will interact and allow the functioning of β-galactosidase. Differentiation between two different solubility clones here rests on the fact that the specificity of the scFv fragment is proportional to its solubility. The more soluble the fragment, the higher the recognition of the antigen and therefore the more β-Galactosidase will work. This technique, based on the complementation of two domains of β-galactosidase, is limited to use in the context of an antibody-antigen binding. The need to co-transform two plasmids presents an additional complication compared to systems based on a single plasmid. In addition, this system selects both the more soluble ScFvs and those with a better affinity for the antigen, which can also introduce an undesirable complexity.
Le système le plus utilisé aujourd'hui pour sélectionner les protéines plus solubles est basé sur l'utilisation de la GFP.The most used system today for selecting more soluble proteins is based on the use of GFP.
Dans le brevet US6448087 (Waldo G.S. et al), les auteurs décrivent une technique dans laquelle la GFP est fusionnée avec une banque de mutants d'une protéine d'intérêt. Les bactéries exprimant les gènes correspondant à des protéines plus solubles émettent la plus forte fluorescence, et peuvent aisément être sélectionnés en utilisant un trieur de cellules.In US6448087 (Waldo G.S. et al), the authors describe a technique in which GFP is fused with a mutant library of a protein of interest. Bacteria expressing the genes corresponding to more soluble proteins emit the strongest fluorescence, and can easily be selected using a cell sorter.
Cette approche a permis à plusieurs équipes d'obtenir des résultats positifs, c'est-à-dire d'identifier des mutants présentant une solubilité améliorée. Cependant, cette technique est limitée par le fait qu'il ne s'agit pas ici d'un système basé sur la survie des clones positifs, mais sur une variation d'un signal qui devra être mesurée en utilisant un appareillage complexe.This approach has allowed several teams to obtain positive results, that is, to identify mutants with improved solubility. However, this technique is limited by the fact that this is not a system based on the survival of the positive clones, but on a variation of a signal which will have to be measured using a complex apparatus.
Dans la demande de brevet 20040170976 (Scott L. A. et al), il est décrit un système dans lequel l'expression de la protéine d'intérêt sous forme insoluble entraîne un changement d'expression du gène rapporteur, en l'absence de protéine de fusion.In patent application 20040170976 (Scott LA et al), there is described a system in which the expression of the protein of interest in insoluble form causes a change in expression of the reporter gene, in the absence of fusion protein .
Pour ce faire, on utilise un promoteur décrit comme spécifiquement activable si des protéines solubles sont présentes dans la bactérie. Le gène rapporteur placé sous le contrôle de ce promoteur particulier peut être par exemple choisi pour permettre d'observer un signal de fluorescence. Si le gène rapporteur code pour une enzyme, il faudra quantifier le produit des modifications enzymatiques d'un composé substrat. Le taux de protéines rapporteur produites sera directement proportionnel au taux de protéines d'intérêt solubles dans le cytoplasme.To do this, a promoter described as specifically activatable is used if soluble proteins are present in the bacterium. The reporter gene placed under the control of this particular promoter may for example be chosen to allow observation of a fluorescence signal. If the reporter gene encodes an enzyme, it will be necessary to quantify the product of enzymatic modifications of a substrate compound. The level of protease proteins produced will be directly proportional to the level of soluble proteins of interest in the cytoplasm.
Le brevet US 6,727,070 (Thomas PJ. et al) décrit un système de complémentation entre deux fragments d'une même protéine rapporteur : une protéine de fusion réunissant la protéine d'intérêt avec le premier fragment d'une protéine rapporteur qui, par lui-même, n'est pas actif, est utilisée. La deuxième partie du marqueur est exprimée au sein de la cellule hôte à partir du chromosome. Il y a manifestation de l'expression de la protéine rapporteur dans le cas où les deux parties peuvent se complémenter. Cette protéine rapporteur peut être une enzyme, un inhibiteur de protéine, un fluorophore ou un chromophore. Une meilleure solubilité ou un niveau d'expression augmenté peuvent être détectés en utilisant les appareillages nécessaires.US Pat. No. 6,727,070 (Thomas PJ et al) describes a complementation system between two fragments of the same reporter protein: a fusion protein combining the protein of interest with the first fragment of a reporter protein which, by itself, same, is not active, is used. The second part of the marker is expressed within the host cell from the chromosome. There is manifestation of the expression of the reporter protein in the case where the two parts can complement each other. This reporter protein can be an enzyme, a protein inhibitor, a fluorophore or a chromophore. Better solubility or increased level of expression can be detected using the necessary apparatus.
Ainsi, donc, l'observation de la fluorescence, de l'expression d'une enzyme catalysant une réaction, ou la simple survie cellulaire, peut permettre de réaliser une ségrégation entre les types de variants solubles et insolubles d'une bibliothèque de mutants.Thus, the observation of fluorescence, the expression of an enzyme catalyzing a reaction, or simple cell survival, can make it possible to segregate between the types of soluble and insoluble variants of a library of mutants.
Les systèmes basés sur la survie ont sur ceux basés sur la fluorescence ou la colorimétrie la supériorité suivante : elles ne nécessitent pas la mesure d'un signal. Elles permettent donc la sélection directe des mutants souhaités.The survival-based systems have the following superiority over those based on fluorescence or colorimetry: they do not require the measurement of a signal. They thus allow the direct selection of the desired mutants.
La seule technique simple de sélection de mutants de solubilité ou d'expression à être basée sur la survie repose, dans l'art antérieur, sur l'utilisation du gène de résistance au chloramphénicol. Cette approche n'est apparue que dans très peu de documents, ce qui suggère une efficacité faible.The only simple technique for selecting solubility or expression mutants to be based on survival is based in the prior art on the use of the chloramphenicol resistance. This approach has only appeared in very few documents, suggesting low efficiency.
Il est donc utile de développer une technique simple permettant de sélectionner de façon sensible et fiable les mutants de solubilité ou d'expression présents dans une banque.It is therefore useful to develop a simple technique for the sensitive and reliable selection of the solubility or expression mutants present in a bank.
Description de l'inventionDescription of the invention
La présente invention est une technique permettant d'obtenir des mutants d'une protéine ou d'un peptide d'intérêt présentant une solubilité améliorée ou associés à un niveau d'expression supérieur. Le procédé selon l'invention est caractérisé par la génération d'une banque de mutants du gène encodant la protéine ou le peptide d'intérêt fusionné en phase avec le gène de résistance à la kanamycine, et par l'utilisation comme crible sélectif d'un milieu solide ou liquide contenant une concentration de kanamycine stringeante. La kanamycine est un antibiotique peu coûteux et couramment utilisé dans les laboratoires de recherche. Il s'agit d'un bactéricide puissant, agissant indépendamment de la densité bactérienne, et ayant un effet à la fois très intense et très rapide in vitro.The present invention is a technique for obtaining mutants of a protein or peptide of interest having improved solubility or associated with a higher level of expression. The method according to the invention is characterized by generating a mutant library of the gene encoding the protein or peptide of interest fused in phase with the kanamycin resistance gene, and by using it as a selective screen for a solid or liquid medium containing a stringy kanamycin concentration. Kanamycin is an inexpensive antibiotic and commonly used in research laboratories. It is a potent bactericide, acting independently of bacterial density, and having a very intense and very rapid effect in vitro.
De nombreuses familles de protéines peuvent conférer une résistance à l'antibiotique kanamycine par différents mécanismes. Parmi elles, trois familles de protéines agissent en modifiant directement l'antibiotique, détruisant ainsi son activité anti-bactérienne :Many protein families can confer resistance to the antibiotic kanamycin by various mechanisms. Among them, three families of proteins act by directly modifying the antibiotic, thus destroying its anti-bacterial activity:
- Les kanamycine nucléotidyltransférases par O-nucléotidylation,Kanamycin nucleotidyltransferases by O-nucleotidylation,
- Les kanamycine phosphotransférases par O-phosphorylation, et - Les kanamycine acétyltransférases par N-acétylation.Kanamycin phosphotransferases by O-phosphorylation, and kanamycin acetyltransferases by N-acetylation.
La famille la plus couramment rencontrée et utilisée est la première famille, celle des kanamycine nucléotidyltransférases (Kat). Ces enzymes ont des structures très différentes et bien que conférant toutes une résistance à la kanamycine. Les inventeurs ont établi qu'elles ne sont pas toutes utilisables dans la méthode de la présente invention. En effet, elles ne fonctionnent pas toutes lorsqu'elles sont fusionnées avec une protéine en 5', même soluble. Notamment, la kanamycine nucléotidyltransférase (Kat) fonctionne très mal sous forme de fusion alors que la kanamycine phosphotransférase fonctionne très bien. C'est pourquoi le gène de résistance à la kanamycine utilisé dans la présente invention code pour la kanamycine phosphotransférase. De préférence, la kanamycine phosphotransférase est la kanamycine kinase II, un variant ou un fragment fonctionnel de celle-ci. De préférence, le variant est une kanamycine kinase améliorée, présentant par exemple une plus grande résistance à l'antibiotique.The family most commonly encountered and used is the first family, that of kanamycin nucleotidyltransferases (Kat). These enzymes have very different structures and all confer resistance to kanamycin. The inventors have established that they are not all usable in the method of the present invention. Indeed, they do not all work when they are fused with a 5 'protein, even soluble. In particular, kanamycin nucleotidyltransferase (Kat) functions very poorly in the form of fusion whereas kanamycin phosphotransferase works very well. Therefore, the kanamycin resistance gene used in the present invention encodes kanamycin phosphotransferase. Preferably, kanamycin phosphotransferase is kanamycin kinase II, a variant or functional fragment thereof. Preferably, the variant is an improved kanamycin kinase, having for example greater resistance to the antibiotic.
Par « kanamycine kinase II » est entendue la protéine de Klebsiella pneumoniae dont le code enzyme est EC 2.7.1.95, le numéro d'accès Genbank est U32991, et le numéro d'accès SwissProt est P00552. La kanamycine kinase II est également appelé aminoglycoside-3 ' -phospho-transférase-Iia, néomycine-kanamycine phosphotransférase II, APH(3')II, nptll or APH(3')-II. De préférence, la protéine présente la séquence décrite dans la SEQ ID No 14 et un exemple de séquence nucléotidique codant pour celle-ci est décrit dans la SEQ ID No 13.By "kanamycin kinase II" is meant the Klebsiella pneumoniae protein whose enzyme code is EC 2.7.1.95, the Genbank access number is U32991, and the SwissProt access number is P00552. Kanamycin kinase II is also called aminoglycoside-3 '-phospho-transferase-IIa, neomycin-kanamycin phosphotransferase II, APH (3') II, nptII or APH (3 ') - II. Preferably, the protein has the sequence described in SEQ ID No. 14 and an exemplary nucleotide sequence coding for it is described in SEQ ID No. 13.
Par « fragment fonctionnel » est entendu un fragment capable d'assurer une résistance à la kanamycine. Notamment, comme la résistance à la kanamycine est due à la capacité de l'enzyme à transférer sur la kanamycine un groupement phosphate, un fragment fonctionnel est capable de phosphoryler la kanamycine. De préférence, le fragment comprend le site catalytique de l'enzyme en position 190. De préférence, le fragment comprend au moins 100 acides aminés consécutifs. En particulier, un fragment préféré peut comprendre les résidus 23-257 (domaine APH-phosphotransférase). Dans un mode de réalisation préféré, la kanamycine kinase II peut comprendre une délétion de la Méthionine en position 1. Cette kanamycine kinase II est décrite dans les SEQ ID Nos 1 et 2.By "functional fragment" is meant a fragment capable of ensuring resistance to kanamycin. In particular, since the resistance to kanamycin is due to the ability of the enzyme to transfer a phosphate group to kanamycin, a functional fragment is capable of phosphorylating kanamycin. Preferably, the fragment comprises the catalytic site of the enzyme at position 190. Preferably, the fragment comprises at least 100 consecutive amino acids. In particular, a preferred fragment may comprise residues 23-257 (APH-phosphotransferase domain). In a preferred embodiment, kanamycin kinase II may comprise a deletion of methionine at position 1. This kanamycin kinase II is described in SEQ ID Nos. 1 and 2.
Par « variant » de la kanamycine kinase II est entendu un polypeptide capable d'assurer une résistance à la kanamycine, notamment capable de transférer sur la kanamycine un groupement phosphate, et qui présente au moins 90 % d'identité avec la kanamycine kinase II de Klebsiella pneumoniae ou une séquence de 100, 150 ou 200 acides aminés consécutifs de celle-ci. De préférence, le variant présente au moins 95 %, 96 %, 97 %, 98 % ou 99% avec celle-ci ou une séquence de 100, 150 ou 200 acides aminés consécutifs de celle-ci. Les pourcentages d'identité auxquels il est fait référence ici sont établis, comme indiqué ci-dessus, à l'aide du logiciel BlastX, en utilisant les paramètres par défaut.By "variant" of kanamycin kinase II is meant a polypeptide capable of ensuring resistance to kanamycin, in particular capable of transferring a phosphate group to kanamycin, and which has at least 90% identity with kanamycin kinase II. Klebsiella pneumoniae or a sequence of 100, 150 or 200 consecutive amino acids thereof. Preferably, the variant has at least 95%, 96%, 97%, 98% or 99% thereof or a sequence of 100, 150 or 200 consecutive amino acids thereof. The percentages of identity referred to here are established, as indicated above, using the BlastX software, using the default settings.
Dans un mode de réalisation particulier de la présente invention, la kanamycine kinase II utilisée est un variant améliorée de celle-ci permettant d'obtenir une résistance à des concentrations de kanamycine supérieures à la protéine sauvage. Plus particulièrement, la kanamycine kinase II utilisée est une kanamycine kinase II améliorée, un variant ou un fragment fonctionnel de celle-ci comprenant au moins une substitution sélectionnée parmi le groupe consistant en Q155W et Sl 14H.In a particular embodiment of the present invention, the kanamycin kinase II used is an improved variant thereof to obtain resistance to kanamycin concentrations higher than the wild-type protein. More particularly, the kanamycin kinase II used is an improved kanamycin kinase II, variant or functional fragment thereof comprising at least one substitution selected from the group consisting of Q155W and Sl14H.
Par « Q155W » est entendu que la glutamine en position 155 dans la séquence décrite SEQ ID No 14, ou en position correspondante dans une autre séquence, est substituée par un tryptophane. Par « S114H » est entendu que la serine en position 114 dans la séquence décrite SEQ ID No 14, ou en position correspondante dans une autre séquence, est substituée par une histidine.By "Q155W" it is understood that glutamine at position 155 in the sequence described SEQ ID No. 14, or in corresponding position in another sequence, is substituted with tryptophan. By "S114H" is meant that the serine at position 114 in the sequence described SEQ ID No. 14, or in a corresponding position in another sequence, is substituted with a histidine.
Dans un premier mode de réalisation de la présente invention, la kanamycine kinase II améliorée, un variant ou un fragment fonctionnel de celle-ci comprend une substitution Q 155 W. Un exemple de kanamycine kinase II comprenant une substitution Q155W est décrite en SEQ ID No 16. La séquence peut comprendre en outre une autre substitution, de préférence S114H.In a first embodiment of the present invention, improved kanamycin kinase II, a variant or a functional fragment thereof comprises a Q 155 substitution. An example of kanamycin kinase II comprising a Q155W substitution is described in SEQ ID No 16. The sequence may further comprise another substitution, preferably S114H.
Dans un second mode de réalisation de la présente invention, la kanamycine kinase II améliorée, un variant ou un fragment fonctionnel de celle-ci comprend une substitution S114H. Un exemple de kanamycine kinase II comprenant une substitution S114H est décrite en SEQ ID No 18. La séquence peut comprendre en outre une autre substitution, de préférence Ql 55 W.In a second embodiment of the present invention, enhanced kanamycin kinase II, a variant, or a functional fragment thereof comprises an S114H substitution. An example of kanamycin kinase II comprising an S114H substitution is described in SEQ ID No. 18. The sequence may further comprise another substitution, preferably Ql 55 W.
Les variants exprimés sous une forme soluble permettent à la bactérie de survivre en présence de kanamycine. De manière surprenante, contrairement au système de fusion avec la CAT, cette sélection directe par survie est remarquable en ce qu'on obtient une discrimination très nette entre les différents variants de la protéine, ce qui permet la sélection directe des clones exprimant les variants solubles ou mieux exprimés de la protéine ou du peptide d'intérêt.Variants expressed in a soluble form allow the bacterium to survive in the presence of kanamycin. Surprisingly, unlike the CAT fusion system, this direct survival selection is remarkable in that a very clear discrimination is obtained between the different variants of the protein, which allows the direct selection of the clones expressing the soluble variants. or better expressed of the protein or peptide of interest.
Ainsi, la présente invention concerne un procédé d'obtention de variants solubles ou mieux exprimés d'une protéine ou d'un peptide d'intérêt, caractérisé par la génération d'une banque de mutants du gène codant pour ladite protéine ou ledit peptide d'intérêt fusionnés au gène de résistance à la kanamycine dans un vecteur d'expression, et par la sélection des gènes mutants correspondant à des protéines ou des peptides plus solubles ou mieux exprimées par culture des bactéries transformées par ladite banque de vecteurs d'expression dans un milieu de culture contenant de la kanamycine. De préférence, le gène de résistance à la kanamycine est un polynucléotide codant une kanamycine phosphotransférase, de préférence la kanamycine kinase II, un variant ou un fragment fonctionnel de celle-ci. Dans un mode de réalisation préféré, le gène de résistance à la kanamycine est un polynucléotide codant une kanamycine kinase II améliorée comprenant au moins une substitution sélectionnée parmi le groupe consistant en Q 155 W et S114H. De préférence, le gène code pour une protéine d'intérêt. Le polypeptide d'intérêt peut être par exemple une cytokine, une enzyme, ou tout autre polypeptide/protéine présentant une intérêt industriel ou thérapeutique. En particulier, le vecteur d'expression est un vecteur d'expression procaryote. Facultativement, celui-ci peut comprendre les éléments permettant également une expression dans un hôte eucaryote. Dans un mode de réalisation particulier, le procédé comprend : i) Génération de mutants d'un gène codant pour la protéine ou le peptide d'intérêt ; ii) Préparation d'une banque de mutants par clonage des mutants obtenus en i) en phase avec le gène de résistance à la kanamycine dans un vecteur d'expression ; iii) Transformation de bactéries compétentes par la banque de mutants obtenue en ii) ; et iv) Sélection, en utilisant un milieu de culture contenant de la kanamycine, des bactéries ayant été transformées par un vecteur comprenant un mutant correspondant à une protéine ou un peptide d'intérêt mutant(e) plus soluble ou mieux exprimé(e) que la protéine d'intérêt de départ.Thus, the present invention relates to a process for obtaining soluble or better expressed variants of a protein or peptide of interest, characterized by the generation of a mutant library of the gene coding for said protein or said peptide. interest fused to the kanamycin resistance gene in an expression vector, and by selecting mutant genes corresponding to more soluble or better expressed proteins or peptides by culturing the bacteria transformed by said expression vector library into a culture medium containing kanamycin. Preferably, the kanamycin resistance gene is a polynucleotide encoding kanamycin phosphotransferase, preferably kanamycin kinase II, a variant or a functional fragment thereof. In a preferred embodiment, the kanamycin resistance gene is a polynucleotide encoding an improved kanamycin kinase II comprising at least one selected from the group consisting of Q 155 W and S114H. Preferably, the gene codes for a protein of interest. The polypeptide of interest may be for example a cytokine, an enzyme, or any other polypeptide / protein of industrial or therapeutic interest. In particular, the expression vector is a prokaryotic expression vector. Optionally, this may include elements that also allow expression in a eukaryotic host. In a particular embodiment, the method comprises: i) generating mutants of a gene encoding the protein or peptide of interest; ii) Preparation of a mutant library by cloning the mutants obtained in i) in phase with the kanamycin resistance gene in an expression vector; iii) transformation of competent bacteria by the mutant bank obtained in ii); and iv) selecting, using a kanamycin-containing culture medium, bacteria transformed by a vector comprising a mutant corresponding to a protein or peptide of mutant interest that is more soluble or better expressed than the starting protein of interest.
De préférence, les mutants sont générés à l'étape i) par mutagenèse aléatoire. Dans une alternative également préférée, les mutants sont générés à l'étape i) par recombinaison de gènes.Preferably, the mutants are generated in step i) by random mutagenesis. In a also preferred alternative, the mutants are generated in step i) by recombination of genes.
Dans un autre mode de réalisation, le procédé comprend : i) Fabrication d'un vecteur d'expression contenant le gène codant pour la protéine ou le peptide d'intérêt fusionné en phase avec le gène de résistance à la kanamycine ; ii) Génération d'une banque de mutants du gène codant pour la protéine ou le peptide d'intérêt sur le vecteur d'expression obtenu en i) ; iii) Transformation de bactéries compétentes par la banque de mutants obtenue en ii) ; iv) Sélection, en utilisant un milieu de culture contenant de la kanamycine, des bactéries ayant été transformées par un vecteur comprenant un mutant correspondant à une protéine ou un peptide d'intérêt mutant(e) plus soluble ou mieux exprimé(e) que la protéine d'intérêt de départ.In another embodiment, the method comprises: i) producing an expression vector containing the gene encoding the fusion protein or peptide of interest in phase with the kanamycin resistance gene; ii) generating a mutant library of the gene coding for the protein or peptide of interest on the expression vector obtained in i); iii) transformation of competent bacteria by the mutant bank obtained in ii); iv) Selection, using a culture medium containing kanamycin, of bacteria transformed by a vector comprising a mutant corresponding to a mutant protein or peptide of interest that is more soluble or better expressed than the starting protein of interest.
De préférence, les mutants sont générés à l'étape ii) par mutagenèse massive. Facultativement, le gène codant pour la protéine ou le peptide d'intérêt et le gène de résistance à la kanamycine sont séparés par un espaceur ne changeant pas la phase de lecture.Preferably, the mutants are generated in step ii) by massive mutagenesis. Optionally, the gene coding for the protein or peptide of interest and the kanamycin resistance gene are separated by a spacer that does not change the reading phase.
De préférence, les bactéries sont transformées par électroporation ou par choc thermique. Le milieu de culture contenant de la kanamycine peut être solide ou liquide. De préférence, le milieu de culture contient une quantité de kanamycine stringeante. De préférence, le vecteur d' expression est un plasmide.Preferably, the bacteria are transformed by electroporation or by thermal shock. The culture medium containing kanamycin may be solid or liquid. Preferably, the culture medium contains a quantity of stringy kanamycin. Preferably, the expression vector is a plasmid.
La présente invention concerne en outre l'utilisation d'un vecteur d'expression codant une protéine de fusion entre un mutant d'une protéine ou d'un peptide d'intérêt et le gène de la résistance à la kanamycine pour sélectionner un variant de cette protéine ou de ce peptide présentant une solubilité améliorée ou une expression augmentée. De préférence, le gène de résistance à la kanamycine est un polynucléotide codant une kanamycine phosphotransférase, de préférence la kanamycine kinase II, un variant ou un fragment fonctionnel de celle-ci. Dans un mode de réalisation préféré, le gène de résistance à la kanamycine est un polynucléotide codant une kanamycine kinase II améliorée comprenant au moins une substitution sélectionnée parmi le groupe consistant en Q155W et Sl 14H.The present invention further relates to the use of an expression vector encoding a fusion protein between a mutant of a protein or peptide of interest and the kanamycin resistance gene for selecting a variant of this protein or peptide having improved solubility or increased expression. Preferably, the kanamycin resistance gene is a polynucleotide encoding a kanamycin phosphotransferase, preferably kanamycin kinase II, a variant or a functional fragment thereof. In a preferred embodiment, the kanamycin resistance gene is a polynucleotide encoding an improved kanamycin kinase II comprising at least one substitution selected from the group consisting of Q155W and Sl14H.
Le procédé de l'invention est un procédé d'obtention ou de sélection de mutants d'une protéine ou d'un peptide d'intérêt plus solubles ou mieux exprimés chez les bactéries, caractérisé par le fait qu'il contient les étapes suivantes dans cet ordre ou dans un ordre différent : i) On construit un plasmide contenant le gène d'intérêt, fusionné au gène de résistance à la kanamycine. L'ensemble est placé sous la dépendance d'un promoteur bactérien. ii) On introduit des mutations au niveau du gène d'intérêt. iii) On transforme des bactéries compétentes avec ces constructions, iv) On sélectionne, en utilisant une concentration de kanamycine stringeante, les mutants ayant acquis une solubilité ou un niveau d'expression augmentés. En particulier, les étapes i) et ii) peuvent être inversées.The method of the invention is a process for obtaining or selecting mutants of a protein or peptide of interest that are more soluble or better expressed in bacteria, characterized in that it contains the following steps in In this order or in a different order: i) A plasmid containing the gene of interest fused to the kanamycin resistance gene is constructed. The whole is placed under the control of a bacterial promoter. ii) Mutations are introduced at the level of the gene of interest. iii) competent bacteria are transformed with these constructs, iv) The mutants having acquired an increased solubility or level of expression are selected using a stringant kanamycin concentration. In particular, steps i) and ii) can be reversed.
Dans un mode de réalisation particulier, on peut éventuellement réaliser une étape supplémentaire iii)bis avant l'étape iv) afin de présélectionner les bactéries ayant intégré un plasmide. On utilise alors la résistance à un antibiotique autre que la kanamycine, tel que l'ampicilline. Dans ce mode de réalisation, le vecteur utilisé devra donc contenir, en plus du gène de résistance à la kanamycine fusionné aux gènes d'intérêt mutants, une cassette d'expression contenant le gène de résistance à l'antibiotique retenu (l'ampicilline par exemple), et le promoteur en permettant l'expression.In a particular embodiment, it is possible to carry out an additional step iii) bis before step iv) in order to preselect the bacteria having integrated a plasmid. Resistance to an antibiotic other than kanamycin, such as ampicillin, is then used. In this embodiment, the vector used must therefore contain, in addition to the kanamycin resistance gene fused to mutant genes of interest, an expression cassette containing the antibiotic resistance gene retained (ampicillin by example), and the promoter by allowing the expression.
Lors de l'étape i), le gène de résistance à la kanamycine peut être fusionné à la protéine en N-terminal ou en C-terminal (figure 1) de la protéine d'intérêt. Dans un mode de réalisation préféré, ce gène de résistance est fusionné en C-terminal de la protéine d'intérêt, la conformation générale de la protéine étant principalement gouvernée par son extrémité NH2. La séquence codante pour le gène de résistance à la kanamycine est bien connu de l'homme du métier. Des exemples de séquences utiles dans la présente invention sont donnés en SEQ ID No 1, 13, 15 et 17. Il est entendu qu'un variant ou un fragment conservant l'activité biologique du gène de résistance à la kanamycine peut également être utilisé dans le procédé selon la présente invention.In step i), the kanamycin resistance gene can be fused to the N-terminal or C-terminal protein (FIG. 1) of the protein of interest. In a preferred embodiment, this resistance gene is fused to the C-terminal of the protein of interest, the general conformation of the protein being mainly governed by its NH2 end. The coding sequence for the kanamycin resistance gene is well known to those skilled in the art. Examples of sequences useful in the present invention are given in SEQ ID NO: 1, 13, 15 and 17. It is understood that a variant or fragment retaining the biological activity of the kanamycin resistance gene may also be used in the process according to the present invention.
Dans un mode de réalisation particulier, on insère un espaceur peptidique entre la protéine d'intérêt et le produit d'expression du gène de résistance à la kanamycine afin que les deux protéines soient distantes l'une de l'autre et puissent se replier sans interférer.In a particular embodiment, a peptide spacer is inserted between the protein of interest and the expression product of the kanamycin resistance gene so that the two proteins are distant from one another and can fold back without interfere.
L'introduction des mutations à l'étape ii) peut être réalisée en utilisant l'une des méthodes de mutagenèse existantes.The introduction of the mutations in step ii) can be carried out using one of the existing mutagenesis methods.
Dans un premier mode de réalisation, on utilise la mutagenèse aléatoire. Dans le cas où aucun élément ne permet de définir a priori la nature et la position des changements susceptibles d'apporter une amélioration de la propriété physique étudiée, il est nécessaire de produire un grand nombre de molécules possédant des mutations de position et de nature différentes, afin de maximiser les chances que se trouve parmi elles une molécule correspondant à une solubilité améliorée. Les mutants sont générés sous forme d'un amplifiât PCR, destiné ensuite à être clone en phase avec le gène de résistance à la kanamycine (figure 1). Comme dans toute étape de ligation double-brin, on ne peut éviter que certains des clones obtenus soient constitués d'un vecteur religué sur lui-même. Ces clones sont ici très gênants, parce qu'ils seront associés à l'expression du gène de résistance à la kanamycine, et apparaîtront lors de l'étape ultérieure de sélection comme des faux positifs. Il est néanmoins possible de limiter ce taux de faux positifs en effectuant une stratégie de clonage telle que les clones religués sur eux-mêmes ne pourront pas s'exprimer, par manque de codon initiateur ou de promoteur, par exemple, ceux-ci étant alors présent dans le fragment à cloner. Ces méthodes sont bien connues de l'homme du métier. Cependant, ces manœuvres compliquent la stratégie de clonage.In a first embodiment, random mutagenesis is used. In the case where no element makes it possible to define a priori the nature and the position of the changes likely to bring about an improvement of the physical property studied, it is necessary to produce a large number of molecules having mutations of different position and nature. , in order to maximize the chances that there is among them a molecule corresponding to an improved solubility. Mutants are generated under form of a PCR amplification, intended then to be cloned in phase with the kanamycin resistance gene (FIG. 1). As in any double-strand ligation step, it can not be avoided that some of the clones obtained consist of a vector religated on itself. These clones are very troublesome here, because they will be associated with the expression of the kanamycin resistance gene, and will appear in the subsequent selection step as false positives. It is nevertheless possible to limit this rate of false positives by performing a cloning strategy such that the clones religated on themselves can not be expressed, for lack of initiator codon or promoter, for example, these being then present in the fragment to be cloned. These methods are well known to those skilled in the art. However, these maneuvers complicate the cloning strategy.
Dans un deuxième mode de réalisation, on utilise la recombinaison d'ADN pour générer la diversité. Cette approche s'apparente à la mutagenèse aléatoire parce qu'on ne maîtrise pas précisément la diversité que l'on introduit, mais en diffère cependant parce que ladite diversité est sélectionnée pour contenir un taux important de mutations améliorantes. En effet, seules les mutations présélectionnées par la nature pour conserver au moins une partie de l'activité sont retenues. Comme dans le cas de la mutagenèse aléatoire, une étape de ligation double-brin est généralement nécessaire, avec les conséquences en terme de taux de faux positifs décrits précédemment. Dans un troisième mode de réalisation, on peut utiliser la mutagenèse dirigée pour générer la diversité. La mutagenèse dirigée permet d'introduire des mutations d'une façon parfaitement précise, mais à un faible débit. Un avantage supplémentaire de la mutagenèse dirigée dans le contexte est l'absence d'étape de ligation double brin, et le taux de faux positifs est donc limité. Cependant, la génération des mutants un par un n'est pas vraiment adaptée à un système de criblage ultérieur par sélection directe sur le critère de la survie. De plus, la connaissance des sites de mutations pour l'augmentation de la solubilité d'une protéine est une situation peu courante. La mutagenèse dirigée n'est donc pas la technique idéale pour l'amélioration du caractère soluble d'un polypeptide. Dans un quatrième mode de réalisation, on peut utiliser la MassiveIn a second embodiment, DNA recombination is used to generate the diversity. This approach is similar to random mutagenesis because we do not precisely control the diversity we introduce, but differs from it, however, because this diversity is selected to contain a high rate of enhancement mutations. Indeed, only mutations preselected by nature to retain at least part of the activity are retained. As in the case of random mutagenesis, a double-stranded ligation step is usually necessary, with the consequences in terms of the false positive rate described above. In a third embodiment, site-directed mutagenesis can be used to generate diversity. Site-directed mutagenesis makes it possible to introduce mutations in a perfectly precise manner, but at a low rate. An additional advantage of context-directed mutagenesis is the absence of a double-stranded ligation step, and the rate of false positives is therefore limited. However, the generation of the mutants one by one is not really adapted to a subsequent screening system by direct selection on the criterion of survival. In addition, knowledge of mutation sites for increasing the solubility of a protein is an uncommon situation. Site-directed mutagenesis is therefore not the ideal technique for improving the soluble character of a polypeptide. In a fourth embodiment, the Massive can be used
Mutagenesis® (FR2813314). Ce procédé combine les avantages de la mutagenèse dirigée (contrôle de la nature des modifications obtenues en une position donnée), et de la mutagenèse aléatoire (obtention d'un grand nombre de mutations différentes réparties sur de nombreuses positions du fragment d'ADN à muter). Comme la mutagenèse dirigée, cette technique n'intègre pas d'étape de ligation double-brin, ce qui est positif dans le contexte de l'invention pour éviter de produire des clones faux-positifs.Mutagenesis® (FR2813314). This method combines the advantages of site-directed mutagenesis (control of the nature of the modifications obtained at a given position), and random mutagenesis (obtaining a large number of different mutations distributed over many positions of the DNA fragment to be mutated. ). Like mutagenesis directed, this technique does not incorporate a double-stranded ligation step, which is positive in the context of the invention to avoid producing false-positive clones.
Lors de l'étape iii), la transformation peut être réalisée selon différentes techniques et principalement en utilisant une approche par choc thermique ou par électroporation. C'est notamment la taille de la diversité à obtenir qui orientera sur l'une ou l'autre de ces deux approches : la technique par électroporation permet en effet d'obtenir un nombre de transformants supérieur.In step iii), the transformation can be carried out according to various techniques and mainly by using a thermal shock or electroporation approach. It is in particular the size of the diversity to be obtained that will focus on one or the other of these two approaches: the technique by electroporation makes it possible to obtain a higher number of transformants.
De même, différents types de bactéries peuvent être utilisés tels que E. coli, Streptomyces et Bacillus. Le choix se fera selon les conditions de culture, la protéine à exprimer et la quantité à produire. Dans le mode de réalisation le plus classique, c'est E. Coli qui est le plus souvent utilisé (figure 3).Likewise, different types of bacteria can be used such as E. coli, Streptomyces and Bacillus. The choice will be made according to the culture conditions, the protein to be expressed and the quantity to be produced. In the most conventional embodiment, E. coli is most often used (Figure 3).
A l'étape iv), on aura préalablement déterminé la concentration stringeante de kanamycine à ajouter. Cette concentration sera déterminée par des tests utilisant la construction plasmidique contenant le gène d'intérêt non mutant fusionné au gène de résistance à la kanamycine. La concentration stringeante sera suffisamment élevée pour ne plus permettre aux bactéries transformées par cette construction de pousser, ou pour ne leur permettre qu'une croissance ralentie. Dans ces conditions, les bactéries exprimant un variant plus soluble auront un taux de croissance accéléré. Dans un premier mode de réalisation, les cultures de la banque de mutants transformés seront faites en milieu liquide : la sélection des mutants les plus solubles se fera alors selon la vitesse de pousse (figure 4). Dans un deuxième mode de réalisation, elles peuvent aussi se faire en milieu solide : la sélection se fera en fonction du nombre et de la taille des colonies (figure 3).In step iv), the stringency concentration of kanamycin to be added will have been determined beforehand. This concentration will be determined by tests using the plasmid construct containing the non-mutant gene of interest fused to the kanamycin resistance gene. The stringing concentration will be high enough to no longer allow the bacteria transformed by this construction to grow, or to allow them only slow growth. Under these conditions, bacteria expressing a more soluble variant will have an accelerated growth rate. In a first embodiment, the cultures of the transformed mutant library will be made in a liquid medium: the selection of the most soluble mutants will then be done according to the growth rate (FIG. 4). In a second embodiment, they can also be done in solid medium: the selection will be based on the number and size of colonies (Figure 3).
Dans un premier mode de réalisation, la mutagenèse est réalisée par mutation aléatoire, et le fragment contenant les gènes d'intérêt mutants est introduit en 5' du gène de résistance à la kanamycine. Une molécule d'ADN contenant le gène à muter est amplifiée dans des conditions particulières altérant les capacités de l'enzyme à répliquer fidèlement l'ADN. Celle-ci introduit au fil des cycles des mutations, c'est-à-dire des différences par rapport à la séquence initiale. A la fin de la réaction, un grand nombre de copies de la molécule initiale est obtenu, chacune de ces molécules comportant des mutations différentes. Ces molécules sont présentes sous forme de banque, c'est-à-dire d'un mélange de molécules de nature différente (différant par la nature et la position de leurs mutations). Cette banque de molécules linéaires est introduite en 5' du gène de résistance à la kanamycine, en prenant garde à ce que le taux de molécules de vecteur religué sur lui même, susceptible d'exprimer le gène de résistance à la kanamycine, soit minimal.In a first embodiment, the mutagenesis is carried out by random mutation, and the fragment containing the mutant genes of interest is introduced in 5 'of the kanamycin resistance gene. A DNA molecule containing the gene to be mutated is amplified under particular conditions altering the ability of the enzyme to faithfully replicate the DNA. This introduces changes in the course of the cycles, that is to say differences with respect to the initial sequence. At the end of the reaction, a large number of copies of the initial molecule is obtained, each of these molecules having different mutations. These molecules are present in the form of a bank, that is to say a mixture of molecules of different nature (differing in the nature and position of their mutations). This library of linear molecules is introduced in 5 'of the kanamycin resistance gene, taking care that the level of vector molecules religated on itself, capable of expressing the kanamycin resistance gene, is minimal.
Après transformation, les bactéries sont mises en présence d'une concentration sélective de kanamycine permettant de différencier les variants solubles des variants insolubles, préalablement déterminée. Seules les cellules exprimant un variant soluble peuvent survivre.After transformation, the bacteria are placed in the presence of a selective concentration of kanamycin to differentiate between soluble variants and insoluble variants, previously determined. Only cells expressing a soluble variant can survive.
Dans un second mode de réalisation, la mutagenèse est réalisée en utilisant la Massive Mutagenesis®. Un plasmide est d'abord construit (figure 2), contenant une origine de réplication, un gène de résistance à Pampicilline, et le gène d'intérêt fusionné en 5' et en phase avec le gène de résistance à la kanamycine. - La matrice est préparée en utilisant un kit de préparation d'ADN plasmidique adapté.In a second embodiment, mutagenesis is performed using Massive Mutagenesis®. A plasmid is first constructed (Figure 2), containing an origin of replication, an ampicillin resistance gene, and the gene of interest fused at 5 'and in phase with the kanamycin resistance gene. The template is prepared using a suitable plasmid DNA preparation kit.
- Les oligonucléotides mutants sont synthétisés.The mutant oligonucleotides are synthesized.
- La matrice est mélangée avec l'ensemble des oligonucléotides mutants.The matrix is mixed with all the mutant oligonucleotides.
- La matrice est dénaturée par la chaleur de façon à disposer temporairement d'ADN simple-brin. Lors du retour à une température plus basse, certains ou tous les oligonucléotides présents dans le mélange se fixent sur la matrice au niveau de leur site d'homologie.The matrix is denatured by heat so as to temporarily dispose of single-stranded DNA. When returning to a lower temperature, some or all of the oligonucleotides present in the mixture are fixed on the matrix at their site of homology.
- Tous les éléments nécessaires pour réaliser une réplication de la matrice à partir des oligonucléotides mutants sont ajoutés, et notamment une polymérase, le tampon permettant son activité, des nucléotides triphosphates en quantité suffisante, les cofacteurs nécessaires. La réaction de réplication a ensuite lieu dans les conditions de température correspondant à l'activité maximale de la polymérase soit 680C. L'objectif est de disposer de mutants contenant chacun des combinaisons de plusieurs mutations dirigées différentes. Des bactéries E. coli utilisées comme cellules hôtes sont transformées. Les clones obtenus sont ensuite mis en culture dans un milieu contenant de Pampicilline afin de ne sélectionner que les bactéries ayant intégré un plasmide.- All the elements necessary to perform a replication of the matrix from the mutant oligonucleotides are added, and in particular a polymerase, the buffer allowing its activity, nucleotide triphosphates in sufficient quantity, the necessary cofactors. The replication reaction then takes place under the temperature conditions corresponding to the maximum activity of the polymerase, ie 68 ° C. The objective is to have mutants each containing combinations of several different directed mutations. E. coli bacteria used as host cells are transformed. The clones obtained are then cultured in a medium containing ampicillin in order to select only the bacteria having integrated a plasmid.
Les bactéries ainsi présélectionnées sont ensuite incubées dans un milieu contenant une concentration stringeante de kanamycine, de façon à ce que seules les cellules exprimant un variant présentant une solubilité améliorée ou un niveau d'expression supérieur survivent.The bacteria thus preselected are then incubated in a medium containing a stringing concentration of kanamycin, so that only the cells expressing a variant with improved solubility or higher level of expression survive.
Les protéines ou peptides d'intérêt peuvent être par exemple des enzymes industrielles, - utilisées dans les industries textiles, agroalimentaires et chimiques notamment -, ou des anticorps recombinants, en particulier des anticorps à chaîne unique.The proteins or peptides of interest may be, for example, industrial enzymes, used in the textile, food and chemical industries in particular, or recombinant antibodies, in particular single-chain antibodies.
Description des Figures : Figure 1 : Schéma représentant la préparation d'une banque de mutants de la protéine ou du peptide d'intérêt. Dans un premier temps, une banque de mutants est préparée (mutagenèse) puis cette banque est clonée en phase avec le gène de résistance à la kanamycine dans un vecteur (insertion dans un plasmide).Description of the Figures: Figure 1: Diagram showing the preparation of a mutant library of the protein or peptide of interest. Firstly, a mutant library is prepared (mutagenesis) and then this library is cloned in phase with the kanamycin resistance gene in a vector (insertion into a plasmid).
Figure 2 : Schéma représentant la préparation d'une banque de mutants de la protéine ou du peptide d'intérêt. Dans un premier temps, le gène codant la protéine ou le peptide d'intérêt est clone en phase avec le gène de résistance à la kanamycine dans un vecteur (insertion dans un plasmide), puis une banque de mutants est préparéeFigure 2: Diagram showing the preparation of a mutant library of the protein or peptide of interest. Firstly, the gene coding for the protein or peptide of interest is cloned in phase with the kanamycin resistance gene in a vector (insertion into a plasmid), then a mutant library is prepared.
(mutagenèse).(Mutagenesis).
Figure 3 : Schéma représentant la transformation des bactéries compétentes par la banque de mutants de la protéine ou du peptide d'intérêt suivie par la culture en milieu solide sélectif contenant la kanamycine.Figure 3: Diagram showing the transformation of competent bacteria by the mutant library of the protein or peptide of interest followed by selective solid medium culture containing kanamycin.
Figure 4 : Schéma représentant la transformation des bactéries compétentes par la banque de mutants de la protéine ou du peptide d'intérêt suivie par la culture en milieu liquide sélectif contenant la kanamycine. Figure 5 : Schéma représentant le contrôle négatif.Figure 4: Diagram showing the transformation of competent bacteria by the mutant library of the protein or peptide of interest followed by selective liquid culture containing kanamycin. Figure 5: Diagram representing the negative control.
Figure 6 : Graphique représentant la résistance à la kanamycine des bactéries transformées avec ContK, Pet23, TA2K ou TB2K6 (résultats de l'exemple 1).Figure 6: Graph showing the resistance to kanamycin bacteria transformed with ContK, Pet23, TA2K or TB2K6 (results of Example 1).
Figure 7 : Graphique représentant la résistance au chloramphénicol des bactéries transformées avec ContCam, Pet+Cam, TA2Cam ou TB2Cam (résultats de l'exemple comparatif de l'exemple 1).Figure 7: Chart showing the chloramphenicol resistance of the bacteria transformed with ContCam, Pet + Cam, TA2Cam or TB2Cam (results of the comparative example of Example 1).
Figure 8 : Tableau représentant les résultats de l'exemple 2. Figure 9 : Schéma de la construction pETl 1-KanK. Figure 10 : Croissance des cellules transformées par un plasmide codant une kanamycine kinase II sauvage ou mutante (Ql 55W) en fonction de la concentration en kanamycine.Figure 8: Table showing the results of Example 2. Figure 9: Diagram of the construction pETl 1-KanK. Figure 10: Growth of cells transformed with a plasmid encoding wild type or mutant kanamycin kinase II (Ql 55W) as a function of kanamycin concentration.
Figure 11 : Croissance des cellules transformées par un plasmide codant une kanamycine kinase II sauvage ou mutante (Q155W, S114H et Q155W+S114H) en fonction de la concentration en kanamycine.Figure 11: Growth of cells transformed with a plasmid encoding wild type or mutant kanamycin kinase II (Q155W, S114H and Q155W + S114H) as a function of kanamycin concentration.
Figure 12 : Efficacité de résistance à la kanamycine de Kat et KK sous forme de protéine de fusion.Figure 12: Kanamycin resistance efficacy of Kat and KK as a fusion protein.
Figure 13 : Croissance des cellules transformées par un plasmide codant une kanamycine kinase II mutante Ql 55 W et deux protéines de fusion TA ou TB avec la kanamycine kinase II mutante Q155W en fonction de la concentration en kanamycine. TB et TA signifient respectivement un variant soluble et insoluble de la protéine FE65.Figure 13: Growth of cells transformed with a plasmid encoding a mutant Q1 55 W kanamycin kinase II and two TA or TB fusion proteins with mutant kanamycin kinase II Q155W as a function of kanamycin concentration. TB and TA respectively mean a soluble and insoluble variant of the FE65 protein.
Les exemples qui suivent illustrent la présente demande.The following examples illustrate the present application.
ExemplesExamples
Exemple 1 : Ia protéine Fe65-PTB2Example 1 Fe65-PTB2 Protein
Les gènes codant pour un variant soluble et un variant insoluble de la protéineGenes encoding a soluble variant and an insoluble variant of the protein
FE65-PTB2 ont été introduits dans le plasmide petl l. La construction a été faite de façon à fusionner ladite protéine à un gène de résistance à la kanamycine, en l'absence d'espaceur peptidique. Le vecteur possède par ailleurs un gène de résistance àFE65-PTB2 were introduced into plasmid petl 1. The construct was made to fuse said protein to a kanamycin resistance gene in the absence of a peptide spacer. The vector also has a resistance gene at
Pampicilline.Ampicillin.
On a obtenu différentes constructions :We obtained different constructions:
- Pet : plasmide petl 1 qui est à la base des différentes constructions ; il ne contient pas de gène de résistance à la kanamycine et sert donc de contrôle négatif (figure 5).- Pet: plasmid petl 1 which is at the base of the different constructions; it does not contain a kanamycin resistance gene and therefore serves as a negative control (Figure 5).
- ContK : plasmide petl 1 sur lequel a été clone le gène de résistance à la kanamycine (SEQ ID Nos 1 et 2); cette construction sert de contrôle positif. - TA2K : plasmide petll sur lequel a été clone une protéine de fusion TA2-gène de résistance à la kanamycine (SEQ ID Nos 3 et 4); la protéine TA2 est un variant insoluble de la protéine prise comme modèle. - TB2K : plasmide petl 1 sur lequel a été clone une protéine fusion TB2-gène de résistance à la kanamycine (SEQ ID Nos 5 et 6); la protéine TB2 est un variant soluble de la protéine prise comme modèle.ContK: plasmid petl 1 on which the kanamycin resistance gene has been cloned (SEQ ID Nos. 1 and 2); this construction serves as a positive control. TA2K: plasmid petII on which was cloned a TA2 fusion protein-kanamycin resistance gene (SEQ ID Nos. 3 and 4); TA2 protein is an insoluble variant of the protein taken as a model. - TB2K: plasmid petl 1 on which was cloned a fusion protein TB2-kanamycin resistance gene (SEQ ID Nos 5 and 6); the TB2 protein is a soluble variant of the protein taken as a model.
Des bactéries E. CoIi BL21 DE3 ont ensuite été transformées par choc thermique, puis incubées en milieu liquide contenant de Pampicilline à lOOμl/ml à 37°C pendant 12h.E. coli BL21 DE3 bacteria were then transformed by heat shock and then incubated in a liquid medium containing ampicillin at 100 μl / ml at 37 ° C. for 12 h.
Après 12h de culture, 10"9 UOD ont été utilisées pour ensemencer des cultures contenant une concentration variable de kanamycine.After 12h of culture, 10 "9 UOD were seeded into cultures containing a kanamycin variable concentration.
On a testé une gamme d'antibiotique kanamycine allant de lOOμg/ml à 0,75μg/ml afin de trouver la concentration stringeante pour cet ensemble de mutants, c'est-à-dire la concentration permettant de différencier les mutants présentant une plus grande solubilité.A range of kanamycin antibiotics ranging from 100 μg / ml to 0.75 μg / ml were tested to find the stringency concentration for this set of mutants, i.e., the concentration to differentiate mutants with greater solubility.
On a incubé les cultures et mesuré la DO au spectrophotomètre à 600nm, de façon à mesurer la croissance bactérienne.The cultures were incubated and the OD measured with a spectrophotometer at 600 nm to measure bacterial growth.
On a alors constaté une différence de résistance d'un facteur 2,7 entre le variant soluble (demi-résistance = 90 μg / ml) et le variant insoluble (demi-résistance = 33 μg / ml) (figure 6).A difference of 2.7-fold in resistance was then observed between the soluble variant (half-strength = 90 μg / ml) and the insoluble variant (half-strength = 33 μg / ml) (Figure 6).
Afin de pouvoir réaliser une comparaison, on a effectué la même expérience avec le gène de résistance au chloramphénicol.In order to make a comparison, the same experiment was performed with the chloramphenicol resistance gene.
- Contcam : plasmide petl I sur lequel a été clone le gène de résistance au chloramphénicol (SEQ ID Nos 7 et 8); cette construction sert de contrôle positif. - TA2cam : plasmide petl I sur lequel a été clone une protéine de fusion TA2-gène de résistance au chloramphénicol (SEQ ID Nos 9 et 10); la protéine TA2 est un variant insoluble de la protéine prise comme modèle.Contcam: plasmid petl I on which the chloramphenicol resistance gene has been cloned (SEQ ID Nos. 7 and 8); this construction serves as a positive control. TA2cam: plasmid petl I on which was cloned a TA2 fusion protein-chloramphenicol resistance gene (SEQ ID Nos. 9 and 10); TA2 protein is an insoluble variant of the protein taken as a model.
- TB2cam : plasmide petl I sur lequel a été clone une protéine de fusion TB2-gène de résistance au chloramphénicol (SEQ ID Nos 11 et 12); la protéine TB2 est un variant soluble de la protéine prise comme modèle.- TB2cam: plasmid petl I on which was cloned a TB2-chloramphenicol resistance gene fusion protein (SEQ ID Nos 11 and 12); the TB2 protein is a soluble variant of the protein taken as a model.
L'expérience a été réalisée suivant les mêmes étapes que pour l'antibiotique kanamycine.The experiment was carried out following the same steps as for the antibiotic kanamycin.
Les différentes cultures bactériennes ont été ensemencées à 10"4 UOD / ml (préalablement testé comme représentant l'ensemencement minimum). Une gamme de chloramphénicol allant de lOOμg/ml à 12,3μg/ml a été testée afin de trouver la concentration stringeante pour ce mélange de mutants, c'est-à-dire la concentration permettant de différencier les mutants présentant une plus grande solubilité. Les cultures ont été incubées et la DO a été mesurée au spectrophotomètre à όOOnm, de façon à mesurer la croissance bactérienne.The different bacterial cultures were seeded at 10 -4 UOD / ml (previously tested as minimum seeding). A range of chloramphenicol ranging from 100 μg / ml to 12.3 μg / ml was tested in order to find the stringering concentration for this mutant mixture, that is to say the concentration to differentiate the mutants with greater solubility. Cultures were incubated and OD measured spectrophotometer at 100 nm to measure bacterial growth.
Dans cette expérience, on a constaté une résistance au chloramphénicol accrue d'un facteur 1,4 du variant soluble de la protéine (demi-résistance = 35μg/ml) par rapport au variant insoluble (demi-résistance = 25 μg/ml) (figure 7).In this experiment, a chloramphenicol resistance increased by a factor of 1.4 of the soluble variant of the protein (half-strength = 35 μg / ml) compared to the insoluble variant (half-strength = 25 μg / ml) ( Figure 7).
Ces résultats ont démontré que le gène de résistance à la kanamycine, en particulier la kanamycine kinase II, est utilisable comme rapporteur de la solubilité d'une protéine lui étant fusionnée. Le gène de résistance à la kanamycine est bien meilleur que le gène de résistance au chloramphénicol, pour lequel on constate que la fenêtre de variation de résistance des deux variants n'est pas très étendue et ne permet donc pas la sélection de mutants au sein d'une banque.These results demonstrated that the kanamycin resistance gene, in particular kanamycin kinase II, can be used as a reporter for the solubility of a protein fused to it. The kanamycin resistance gene is much better than the chloramphenicol resistance gene, for which it is found that the window of variation of resistance of the two variants is not very extensive and thus does not allow the selection of mutants within 'a bank.
Exemple 2 : Afin d'appliquer la technique au criblage d'une banque de mutants, on a réalisé la même expérience que précédemment mais avec un mélange réunissant les deux variants : soluble et non soluble.Example 2: In order to apply the technique to the screening of a mutant library, the same experiment was performed as above but with a mixture combining the two variants: soluble and non-soluble.
La concentration stringeante de kanamycine déterminée dans l'exemple 1 est utilisée afin de ne sélectionner que les mutants exprimant la protéine soluble. Les cultures ont été réalisées en milieu solide afin de pouvoir comptabiliser les colonies.The stringency concentration of kanamycin determined in Example 1 is used to select only the mutants expressing the soluble protein. The cultures were carried out in solid medium in order to be able to count the colonies.
Plusieurs types de cultures ont été réalisées : une culture avec uniquement le variant exprimant la protéine soluble, une culture avec uniquement le variant exprimant la protéine insoluble et plusieurs cultures avec des mélanges des deux variants dans différentes proportions (figure 8).Several types of cultures were performed: a culture with only the variant expressing the soluble protein, a culture with only the variant expressing the insoluble protein and several cultures with mixtures of the two variants in different proportions (Figure 8).
On a obtenu un nombre de colonies proportionnel au mélange de protéines : pour un ensemencement ne contenant que des clones exprimant la protéine soluble, on a obtenu 17000 colonies ; pour un ensemencement ne contenant que des clones exprimant la protéine non soluble, on a obtenu 4 colonies ; pour un ensemencement réunissant 10% de clones exprimant la protéine soluble et 90% de clones exprimant la protéine insoluble, on a obtenu 4000 colonies.A colony number was obtained proportional to the protein mixture: for an inoculation containing only clones expressing the soluble protein, 17,000 colonies were obtained; for inoculation containing only clones expressing the insoluble protein, 4 colonies were obtained; for seeding together 10% of clones expressing the soluble protein and 90% of clones expressing the insoluble protein, 4000 colonies were obtained.
Cette technique a permis de mettre en évidence la présence de mutants exprimant une protéine soluble dans un mélange de variants à une proportion pouvant descendre jusqu' à 0, 1 %.This technique has made it possible to demonstrate the presence of mutants expressing a soluble protein in a mixture of variants at a proportion that can be as low as 0.1%.
Exemple 3;Example 3;
Dans le but de créer des mutants solubles d'une protéine d'intérêt, on réalise une banque de mutants d'un plasmide construit de telle sorte que le gène de résistance à la kanamycine soit fusionné en phase et en C-terminal de celui permettant d'exprimer la protéine d'intérêt.In order to create soluble mutants of a protein of interest, a mutant library of a plasmid constructed in such a way that the kanamycin resistance gene is fused in phase and C-terminal to that of to express the protein of interest.
La mutagenèse est réalisée en utilisant la technologie Massive Mutagenesis® :Mutagenesis is performed using Massive Mutagenesis® technology:
- Le plasmide est mélangé avec un ensemble d'oligonucléotides mutants.The plasmid is mixed with a set of mutant oligonucleotides.
- Le mélange est dénaturé par la chaleur. - Tous les éléments nécessaires à réaliser une réplication de la matrice à partir des oligonucléotides mutants sont ajoutés.- The mixture is denatured by heat. All the elements necessary to perform a replication of the matrix from the mutant oligonucleotides are added.
Les bactéries E. coli utilisées comme cellules hôtes sont transformées par électroporation. Les clones obtenus sont ensuite mis en culture en milieu liquide en présence d'ampicilline, de façon à présélectionner les bactéries ayant effectivement intégré un plasmide. La culture est ensuite utilisée pour ensemencer un milieu liquide contenant une concentration stringeante de kanamycine, préalablement déterminée, de façon à sélectionner les cellules exprimant un variant soluble.E. coli bacteria used as host cells are transformed by electroporation. The clones obtained are then cultured in a liquid medium in the presence of ampicillin, so as to preselect the bacteria that have actually integrated a plasmid. The culture is then used to inoculate a liquid medium containing a predetermined kanamycin stringing concentration so as to select the cells expressing a soluble variant.
Exemple 4: Dans le but d'identifier des mutants solubles d'une protéine d'intérêt, on génère dans un premier temps de la diversité par mutagenèse aléatoire : une molécule d'ADN contenant le gène à muter est amplifiée par "error-prone PCR". Les molécules obtenues sont clonées dans un plasmide construit de façon à ce que les gènes mutants soient fusionnés en phase et en 5' du gène de résistance à la kanamycine. La banque de mutants est ensuite criblée comme exposé dans l'exemple précédent, ou en utilisant un milieu solide pour différencier sur le critère du nombre ou de la taille les colonies correspondant à un variant plus soluble de la protéine d'intérêt. Exemple 5 ;EXAMPLE 4 In order to identify soluble mutants of a protein of interest, diversity is first generated by random mutagenesis: a DNA molecule containing the gene to be mutated is amplified by error-prone PCR ". The molecules obtained are cloned into a plasmid constructed so that the mutant genes are fused in phase and 5 'of the kanamycin resistance gene. The mutant library is then screened as set forth in the previous example, or using a solid medium to differentiate on the number or size criterion the colonies corresponding to a more soluble variant of the protein of interest. Example 5;
Dans le but de créer des mutants solubles d'une protéine d'intérêt, on réalise une banque de mutants d'un plasmide construit de telle sorte que le gène de résistance à la kanamycine soit fusionné en C-terminal de celui permettant d'exprimer la protéine d'intérêt.In order to create soluble mutants of a protein of interest, a mutant library of a plasmid constructed such that the kanamycin resistance gene is fused to the C-terminal fused with that for expressing is made. the protein of interest.
On réalise des mutations par recombinaison d'ADN sur le gène d'intérêt :Mutations are carried out by recombination of DNA on the gene of interest:
- On isole plusieurs gènes homologues entre eux, correspondant à l'activité recherchée.Several homologous genes are isolated from each other, corresponding to the desired activity.
- On amplifie ces gènes au moyen d'oligonucléotides flanquants, en utilisant des cycles d'amplification très courts (STEP).These genes are amplified using flanking oligonucleotides, using very short amplification cycles (STEP).
- On clone le fragment d'ADN obtenu de telle sorte que les gènes mutants soient fusionnés en phase et en 5' du gène de résistance à la kanamycine présent sur le vecteur.The DNA fragment obtained is cloned in such a way that the mutant genes are fused in phase and in 5 'to the kanamycin resistance gene present on the vector.
La banque de mutants est ensuite criblée comme exposé dans l'exemple précédent.The mutant bank is then screened as set forth in the previous example.
Exemple 6 :Example 6
Le gène codant pour la kanamycine kinase II (APH(3')-ïïa) a été clone dans les sites Ncol et Notl du vecteur pETl 1 (Novagen) derrière le promoteur T7 pour donner la construction appelée pETl 1 -KanK (Figure 9).The gene coding for kanamycin kinase II (APH (3 ') -IIa) was cloned into the NcoI and NotI sites of the vector pET1 1 (Novagen) behind the T7 promoter to give the construct called pET1 1 -KanK (FIG. 9). .
Une banque de mutants de la kanamycine kinase a ensuite été construite grâce à la technologie Massive Mutagenesis® (FR2813314): une diversité totale a été introduite sur chaque position 3 tours de mutagenèse ont été réalisés pour obtenir une banque avec une diversité finale de 5.106 clones. La souche utilisée était E. coli DH10B. Le séquençage de 24 clones pris au hasard a mis en évidence un nombre moyen de mutations par molécule de 2,5. De plus, il n'y avait pas de biais majeur dans les séquences.A kanamycin kinase mutant library was then constructed using Massive Mutagenesis® technology (FR2813314): total diversity was introduced at each position 3 rounds of mutagenesis were performed to obtain a library with a final diversity of 5.10 6 clones. The strain used was E. coli DH10B. Sequencing of 24 randomly selected clones revealed an average number of mutations per molecule of 2.5. Moreover, there was no major bias in the sequences.
La banque a ensuite été transformée dans la souche E. coli BL21(DE3) pour permettre l'expression de la kanamycine kinase et étalée sur différents milieux : - milieux non sélectifs : ampicilline 100 μg/ml et kanamycine 25 μg/ml pour estimer l'efficacité de transformation de la banqueThe library was then transformed into E. coli strain BL21 (DE3) to allow the expression of kanamycin kinase and spread on different media: non-selective media: ampicillin 100 μg / ml and kanamycin 25 μg / ml to estimate transformation efficiency of the bank
- milieu de sélection : kanamycine 300 μg/ml pour permettre la sélection de mutants résistants à des concentrations élevées en kanamycine Le nombre de clones après transformation a été estimé à 1.106 par dénombrement sur milieu ampicilline. Le milieu contenant 300 μg/ml de kanamycine a permis de sélectionner 170 clones. Après minipréparation des plasmides isolés de 12 d'entre eux, une étape de séquençage a été réalisée grâce aux oligos T7pro et T7ter. La séquence des 12 clones a permis de mettre en évidence une seule et unique mutation sur la position 155 où un résidu glutamine est remplacé par un résidu tryptophane.selection medium: kanamycin 300 μg / ml to allow the selection of mutants resistant to high concentrations of kanamycin The number of clones after transformation was estimated at 1.10 6 by counting on ampicillin medium. The medium containing 300 μg / ml of kanamycin made it possible to select 170 clones. After minipreparation of the plasmids isolated from 12 of them, a sequencing step was performed using oligos T7pro and T7ter. The sequence of the 12 clones revealed a single mutation at position 155 where a glutamine residue is replaced by a tryptophan residue.
CAG → TGG GIn (Q) → Trp (W) Ce mutant Q155W a ensuite été reconstruit sur la matrice pETll-KanK par mutagénèse dirigée. La croissance en milieu liquide de ce mutant en présence de différentes concentrations en kanamycine a alors été comparée à celle du WT. Brièvement, des concentrations croissantes de kanamycine sont ajoutées à des cultures ά'Ecoli BL21(DE3) transformées par pETll, pETll-KanK et pETll-KanK_Q155W diluées jusqu'à une D06oonm de 10"4. Après 15h de croissance à 37°C, les DO des différentes cultures ont été mesurées.CAG → TGG Gin (Q) → Trp (W) This Q155W mutant was then reconstructed on the pET11-KanK template by site-directed mutagenesis. The growth in liquid medium of this mutant in the presence of different concentrations of kanamycin was then compared to that of WT. Briefly, increasing concentrations of kanamycin were added to cultures ά'Ecoli BL21 (DE3) transformed with pETll, pETll-Kank and pETll-KanK_Q155W diluted to a D0 6 oo nm of 10 "4. After 15h of growth at 37 ° C, the ODs of the different cultures were measured.
Le résultat est présenté dans la Figure 10.The result is shown in Figure 10.
La structure de la kanamycine kinase II étant connue (Nurizzo et al., 2003), on peut placer la mutation dans la structure de l'enzyme. Le résidu Ql 55 est placé sur une boucle flexible (résidus 151-166) qui borde la cavité de fixation du substrat kanamycine. Sur cette boucle, sont également présents des résidus cruciaux pour l'activité de l'enzyme comme D159 et E160. La proximité de ce résidu par rapport au site actif peut donc expliquer une augmentation de l'activité de l'enzyme.Since the structure of kanamycin kinase II is known (Nurizzo et al., 2003), the mutation can be placed in the structure of the enzyme. The residue Ql 55 is placed on a flexible loop (residues 151-166) which borders the fixing cavity of the kanamycin substrate. On this loop, there are also crucial residues for the activity of the enzyme such as D159 and E160. The proximity of this residue to the active site may therefore explain an increase in the activity of the enzyme.
Une nouvelle banque a ensuite été construite avec le mutant pETll- KanK_Q155W comme matrice de départ. Le protocole suivi est le même que lors de la première étape de mutagénèse (3 tours successifs, séquençage 24 clones pour le contrôle qualité). Après transformation en BL21(DE3)5 la banque a été sélectionnée sur 1 mg/ml de kanamycine pour isoler des variants encore résistants à la kanamycine que le Q155W. Après séquençage de quelques clones repiqués sur milieu sélectif, une nouvelle mutation apparaît : la serine 114 est mutée en Histidine.A new library was then constructed with the mutant pET11-KanK_Q155W as the starting template. The protocol followed is the same as during the first step of mutagenesis (3 successive rounds, sequencing 24 clones for quality control). After transformation into BL21 (DE3) 5 the library was selected on 1 mg / ml kanamycin to isolate still resistant variants kanamycin as Q155W. After sequencing a few clones transplanted on selective medium, a new mutation appears: the serine 114 is mutated into Histidine.
TCC → CAC Ser (S) → His (H) Ce nouveau mutant a été construit par mutagenèse dirigée sur une matrice pETll-KanK (simple mutant Sl 14H) et sur une matrice ρETll-KanK_Q155W (double mutant Q155W, Sl 14H). Le résultat du test de croissance en milieu liquide des différents mutants et du WT est présenté sur la Figure 11.TCC → CAC Ser (S) → His (H) This new mutant was constructed by directed mutagenesis on a pET11-KanK (single mutant Sl 14H) matrix and on a ρET11-KanK_Q155W matrix (double mutant Q155W, Sl14H). The result of the liquid growth test of the different mutants and WT is shown in Figure 11.
LΕC50 pour chaque clone a été définie comme la concentration de kanamycine pour laquelle la DO mesurée correspond à 50% de la DO maximale.LC50 for each clone was defined as the concentration of kanamycin for which the measured OD corresponds to 50% of the maximum OD.
Dans ces conditions (dilution 10'6 pour Pinoculum de départ), le calcul des EC50 est le suivant :Under these conditions (dilution 10 '6 for the starting pinoculum), the calculation of the EC50s is as follows:
Le facteur d'amélioration est important. En effet, il est compris entre 3 et 7 pour les mutants simples et est suprérieur à 14 pour le mutant double. Il est à noter que l'effet des deux mutations est plus qu'additif, il constitue une synergie entre les deux mutations.The improvement factor is important. Indeed, it is between 3 and 7 for single mutants and is greater than 14 for the double mutant. It should be noted that the effect of the two mutations is more than additive, it constitutes a synergy between the two mutations.
Exemple 7 :Example 7
L'efficacité de résistance à la kanamycine de deux types de gènes de résistance à la kanamycine, à savoir la Kat (kanamycine nucléotidyltransférase) et la KK (kanamycine kinase II), sous forme de protéines de fusion avec des gènes rapporteurs (GFP ou l'interféron gamma) a été testée. Le résultat est présenté dans la figure 12. On peut ainsi constater que, de manière surprenante, l'efficacité de résistance de Kat sous forme de protéine de fusion est sérieusement réduite, alors que l'efficacité de la KK est globalement préservée.The kanamycin resistance efficacy of two types of kanamycin resistance genes, namely Kat (kanamycin nucleotidyltransferase) and KK (kanamycin kinase II), in the form of fusion proteins with reporter genes (GFP or interferon gamma) was tested. The result is shown in Figure 12. It can thus be seen that, surprisingly, the resistance efficiency of Kat as a fusion protein is seriously reduced, while the efficiency of KK is generally preserved.
Exemple 8 : Les résultats présentés ici reposent sur utilisation d'une protéine codée par le gène de résistance à l'antibiotique kanamycine (gène de la kanamycine kinase II) comme rapporteur de solubilité d'une protéine-cible (Fe65) fusionnée à ce dernier. Ce système est fondé sur l'hypothèse de transmission du caractère soluble ou insoluble de la protéine d'intérêt à la protéine conférant la résistance à la kanamycine. Le but des expériences présentées ici était de générer une banque de mutants de la protéine d'intérêt Fe65 grâce à Massive Mutagenesis® et de vérifier que le système de sélection grâce à la résistance à la kanamycine permet de sélectionner directement des variants qui apportent une amélioration de solubilité.Example 8 The results presented here are based on the use of a protein encoded by the antibiotic resistance gene kanamycin (kanamycin kinase II gene) as a reporter for the solubility of a protein-target (Fe65) fused to the latter . This system is based on the assumption of transmitting the soluble or insoluble nature of the protein of interest to the protein conferring resistance to kanamycin. The purpose of the experiments presented here was to generate a mutant bank of the Fe65 protein of interest using Massive Mutagenesis® and to verify that the selection system through kanamycin resistance makes it possible to directly select variants that provide an improvement. of solubility.
Constructionsconstructions
Plusieurs constructions sont utilisées pour réaliser les tests : pETll : plasmide qui est à la base des différentes constructions ; c'est le contrôle négatif. pETHK : plasmide pETll dans lequel a été clonée le gène de résistance à la kanamycine. Cette construction sert de contrôle positif.Several constructs are used to carry out the tests: pET11: plasmid which is at the base of the different constructions; it's the negative control. pETHK: plasmid pET11 in which the kanamycin resistance gene has been cloned. This construction serves as a positive control.
TA2K : plasmide pETlldans lequel a été clone le gène hybride Fe65TA2-gène de résistance à la kanamycine. La protéine TA2 constitue le variant insoluble de la protéine Fe65 modèle. TB2K : plasmide pETll dans lequel a été clone le gène hybride Fe65TB2-gène de résistance à la kanamycine. La protéine TB2 est le variant soluble de la protéine Fe65.TA2K: plasmid pET11 in which was cloned the hybrid gene Fe65TA2-kanamycin resistance gene. TA2 protein is the insoluble variant of the model Fe65 protein. TB2K: plasmid pET11 in which was cloned the hybrid gene Fe65TB2-kanamycin resistance gene. The TB2 protein is the soluble variant of the Fe65 protein.
Conditions déterminées précédemment Concentration de kanamycine sélective pour discriminer les protéines solubles et insolubles (en milieux liquide et solide): 50 μg/mlConditions previously determined Concentration of kanamycin selective to discriminate between soluble and insoluble proteins (in liquid and solid media): 50 μg / ml
ExpériencesExperiences
Criblage d'une mini-banque Le but des expériences présentées ici était de réaliser une mini-banque de variants sur le gène codant pour la protéine modèle Fe65 insoluble (TA2) grâce à Massive Mutagenesis® et de vérifier que le système kanamycine permet de sélectionner directement le mutant soluble. Ce dernier était contenu dans les oligonucléotides choisis pour la mutagenèse.Screening of a mini-bank The purpose of the experiments presented here was to make a mini-bank of variants on the gene coding for the insoluble Fe65 model protein (TA2) using Massive Mutagenesis® and to verify that the kanamycin system makes it possible to select directly the soluble mutant. The latter was contained in the oligonucleotides chosen for mutagenesis.
-13 oligonucléotides introduisant des mutations ont été dessinés, un d'entre eux correspondant à la mutation TB2 (SolPhe). Oligonucléotides utilisés pour la construction de la banque : SoINOlD GGCAGCGCCTAAGGATGAGTTGGTC SEQ ID No 1913 oligonucleotides introducing mutations were drawn, one of them corresponding to the mutation TB2 (SolPhe). Oligonucleotides used for the construction of the library: SoINOID GGCAGCGCCTAAGGATGAGTTGGTC SEQ ID No. 19
SolQ02E GAATGAGTTGGTCGAGAAGTTCCAAGTC SEQ ID NO 20 SolN03V TATTACCTGGGGGTAGTACCTGTTGCTAA SEQ ID NO 21 SolN04D TAGATGTGATTGATGGGGCCCTCGAGT SEQ ID No 22 SolQ05E AGCAGCCGTGAAGAATGGACCCCAAG SEQ ID NO 23 S0IQO6E ACCATCTTGCACGAGCAGACAGAGGCAGT SEQ ID NO 24 SolQ07E ACCATCTTGCACCAGGAGACAGAGGCAGT SEQ ID NO 25 S0INO8D TTCTGGTGCGAGCCCGATGCTGCCAGC SEQ ID NO 26 SolQ09E TCAGAGGCTGTGGAGGCTGCGTGCAT SEQ ID No 27SolQ02E GAATGAGTTGGTCGAGAAGTTCCAAGTC SEQ ID NO 20 SolN03V TATTACCTGGGGGTAGTACCTGTTGCTAA SEQ ID NO 21 SolN04D TAGATGTGATTGATGGGGCCCTCGAGT SEQ ID No. 22 SolQ05E AGCAGCCGTGAAGAATGGACCCCAAG SEQ ID NO 23 S0IQO6E ACCATCTTGCACGAGCAGACAGAGGCAGT SEQ ID NO 24 SolQ07E ACCATCTTGCACCAGGAGACAGAGGCAGT SEQ ID NO 25 S0INO8D TTCTGGTGCGAGCCCGATGCTGCCAGC SEQ ID NO 26 SolQ09E TCAGAGGCTGTGGAGGCTGCGTGCAT SEQ ID No. 27
SoIQlOE ATGCTTCGCTACGAGAAGTGTGCGG SEQ ID No 28SoIQlOE ATGCTTCGCTACGAGAAGTGTGCGG SEQ ID NO 28
SoIQl IE TCAGAGGCTGTGGAGGCTGCGTGCAT SEQ ID No 29SoIQl IE TCAGAGGCTGTGGAGGCTGCGTGCAT SEQ ID NO 29
SolPhe AGTGTCGGGTGCGTTNNCTCTCCTTCCTGG SEQ ID NO 30SolPhe AGTGTCGGGTGCGTTNNCTCTCCTTCCTGG SEQ ID NO 30
SolPro ATGTCAGTGTGGCCCNNGCTACCCTCACCA SEQ ID No 31SolPro ATGTCAGTGTGGCCCNNGCTACCCTCACCA SEQ ID No 31
- Un tour de Massive Mutagenesis® (PLCR) a été réalisé sur la construction pETl 1TA2 avec les oligonucléotides décrits précédemment; le résultat de la réaction a été transformé dans la souche d'Escherichia coli DHlOB puis étalé sur boite contenant de l'ampicilline. Le comptage du nombre de colonies obtenues a permis de vérifier que toute la diversité de la banque était représentée.One round of Massive Mutagenesis® (PLCR) was carried out on the pET1 1TA2 construct with the oligonucleotides described above; the result of the reaction was transformed into the strain of Escherichia coli DH1OB and spread on a box containing ampicillin. Counting the number of colonies obtained made it possible to verify that all the diversity of the bank was represented.
- Les colonies obtenues ont été raclées et une préparation d'ADN a été réalisée à partir de ces colonies.The colonies obtained were scraped off and a DNA preparation was made from these colonies.
- La préparation d'ADN correspondant à la banque a ensuite été transformée dans la souche d'E. coli BL21 (DE3) pour permettre l'expression des protéines de fusion.The DNA preparation corresponding to the library was then transformed into the E. coli strain. coli BL21 (DE3) to allow the expression of fusion proteins.
- Le résultat de la transformation a été étalé sur milieu contenant de l'ampicilline 100 μg/ml (comme témoin de l'efficacité de transformation) et sur milieu sélectif contenant de la kanamycine à 50 μg/ml (qui doit permettre de sélectionner uniquement les mutants solubles).The transformation result was spread on medium containing ampicillin 100 μg / ml (as a control of the transformation efficiency) and on a selective medium containing kanamycin at 50 μg / ml (which should make it possible to select only soluble mutants).
Résultats : Sur milieu ampicilline, 1500 clones ont été comptés. La même quantité d'ADN transformée sur kanamycine a donné seulement 12 clones. Des minipréparations d'ADN ont été réalisées sur chacun des 12 clones et les gènes hybrides ont été séquences dans leur totalité pour déterminer quelles mutations ont été retenues.Results: On ampicillin medium, 1500 clones were counted. The same amount of DNA transformed on kanamycin yielded only 12 clones. DNA minipreparations were performed on each of the 12 clones and the hybrid genes were sequenced in their entirety to determine which mutations were retained.
Résultat : Sur les 12 clones séquences, 11 possédaient la mutation correspondant au variant TB2.Result: Of the 12 clones sequences, 11 had the mutation corresponding to variant TB2.
• 7 n'ont que la mutation TB2 (TTC→TCC: oligo SolPhe)• 7 have only TB2 mutation (TTC → TBI: oligo SolPhe)
• 3 ont TB2 + autre mutation (+ S0INO8D, SolQ09E, SoIQlOE)• 3 have TB2 + other mutation (+ S0INO8D, SolQ09E, SoIQlOE)
• l a une seule mutation autre que TB2 (SolQ09E)• One mutation other than TB2 (SolQ09E)
Exemple 9 :Example 9
Les gènes codant pour un variant soluble (TB) et un variant insoluble (TA) de la protéine FE65 ont été introduits dans le plasmide pETl 1. La construction a été faite de façon à fusionner ladite protéine à la kanamycine kinase possédant la mutation Ql 55 W. On a obtenu les constructions suivantes:The genes encoding a soluble variant (TB) and an insoluble variant (TA) of the FE65 protein were introduced into the plasmid pET1 1. The construct was made to fuse said protein with kanamycin kinase having the Q1 mutation. W. The following constructions were obtained:
- pETll_KanK:Q155W : plasmide pETll dans lequel est clonée la séquence de la kanamycine kinase mutée sur la position 155 (Q 155W)pET11_KanK: Q155W: plasmid pET11 in which the sequence of the kanamycin kinase kinase at position 155 (Q 155W) is cloned
- pETll_TA-KanK:Q155W : plasmide pETll dans lequel est clonée le variant insoluble de FE65 fusionné à la séquence de la kanamycine kinase mutée sur la position 155 (Q155W)pET11_TA-KanK: Q155W: plasmid pET11 in which is cloned the insoluble variant of FE65 fused to the sequence of kanamycin kinase mutated on position 155 (Q155W)
- pETl l_TB-KanK:Q155W : plasmide pETll dans lequel est clonée le variant soluble de FE65 fusionné à la séquence de la kanamycine kinase mutée sur la position 155 (Q155W)- pETl l_TB-KanK: Q155W: plasmid pET11 in which is cloned the soluble variant of FE65 fused to the sequence of the kanamycin kinase kinase at position 155 (Q155W)
Des bactéries E. CoIi BL21 DE3 ont ensuite été transformées par choc thermique, puis incubées en milieu liquide contenant de l'ampicilline à lOOμl/ml à 370C pendant 12h.E. coli BL21 DE3 bacteria were then transformed by heat shock and then incubated in a liquid medium containing ampicillin at 100 μl / ml at 37 ° C. for 12 h.
Après 12h de culture, 10'6 UOD ont été utilisées pour ensemencer des cultures contenant une concentration variable de kanamycine (gamme d'antibiotique kanamycine allant de 400μg/ml à 12,5μg/ml). On a incubé les cultures et mesuré la DO au spectrophotomètre à 600nm, de façon à mesurer la croissance bactérienne.After 12 hours of culture, 10 6 UOD were used to seed cultures containing a variable concentration of kanamycin (range of antibiotic kanamycin ranging from 400 .mu.g / ml to 12.5 .mu.g / ml). The cultures were incubated and the OD measured with a spectrophotometer at 600 nm to measure bacterial growth.
On a alors constaté une différence de résistance d'un facteur 4 entre le variant soluble (demi-résistance = 156 μg / ml) et le variant insoluble (demi-résistance = 39 μg / ml) (Figure 13). Ces résultats ont démontré que le gène de résistance à la kanamycine muté sur la position 155 est utilisable comme rapporteur de la solubilité d'une protéine lui étant fusionnée. La différence d'un facteur 4 entre le variant soluble et insoluble montre que le système est d'un grande sensibilité. A difference in resistance of a factor of 4 between the soluble variant (half-resistance = 156 μg / ml) and the insoluble variant (half-strength = 39 μg / ml) was then observed (Figure 13). These results demonstrated that the kanamycin resistance gene mutated at position 155 is useful as a reporter for the solubility of a protein fused to it. The difference of a factor 4 between the soluble and insoluble variant shows that the system is of great sensitivity.
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Citations (2)
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Also Published As
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