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JP2001504325A - A method for optimization of gene therapy by recursive sequence shuffling and selection - Google Patents

A method for optimization of gene therapy by recursive sequence shuffling and selection

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JP2001504325A
JP2001504325A JP51594198A JP51594198A JP2001504325A JP 2001504325 A JP2001504325 A JP 2001504325A JP 51594198 A JP51594198 A JP 51594198A JP 51594198 A JP51594198 A JP 51594198A JP 2001504325 A JP2001504325 A JP 2001504325A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、再帰配列組換え(recursive sequence combination)によって、遺伝子治療に使用するための核酸を進化させる方法を提供する。本方法の多くは、ベクター(ウイルスベクターおよび非ウイルスベクターの両方)を、改善された特性を有するように進化させる。例えば、ベクターを、ウイルス価、感染性、ベクター内の遺伝子の発現、組織特異性、ウイルスゲノム収容量、エピソーム保持、ベクターもしくはその発現産物の免疫原性の欠失、部位特異的組込み、増大した安定性、または微生物感染に対する細胞耐性を付与する能力といった改善された特性を有するように進化させる。本発明はさらに、アデノウイルスおよびファージf1複製起源を含む、10キロベースを超える一本鎖DNAを生じ得るファージミドアデノウイルスを提供する。   (57) [Summary] The present invention provides a method for evolving nucleic acids for use in gene therapy by recursive sequence combination. Many of the methods evolve vectors (both viral and non-viral vectors) to have improved properties. For example, a vector may have a viral titer, infectivity, expression of a gene in the vector, tissue specificity, viral genome capacity, episomal retention, loss of immunogenicity of the vector or its expression product, site-specific integration, increased Evolve to have improved properties such as stability or the ability to confer cell resistance to microbial infection. The present invention further provides phagemid adenoviruses capable of producing more than 10 kilobases of single-stranded DNA, including adenovirus and phage f1 origin of replication.

Description

【発明の詳細な説明】 回帰的配列シャフリングおよび選択による遺伝子治療の最適化のための方法 本出願は、1996年9月27日に出願され、合衆国法典第35巻§111(b)および連邦 法施行規則第37巻§1.53(b)(2)により仮出願番号第60/037,742号に変更された米 国特許出願番号(「USSN」)08/721,824号;および1996年9月27日に出願されたUSSN 08/722,660号の一部継続出願である。先に述べた出願の各々は、本明細書に、そ れらの全体およびすべての目的について、参考として明示的に援用される。 発明の分野 本発明は、遺伝子治療における使用のためのベクターおよびその他の核酸の改 良のための分子遺伝学の分野に適用される。改良は、回帰的配列組換えにより達 成される。 関連する技術の背景および説明 遺伝子治療は、特定の治療目的のための核酸を発現するための患者の細胞中へ の核酸の導入である。すなわち、核酸自身が薬物として用いられる。例えば、適 切な遺伝子が、嚢胞性線維症のような、劣性の遺伝的疾患をもつ患者に送達され 、遺伝子欠陥を矯正し、そして疾患状態を治療し得る。その他の適用では、癌細 胞を殺するためにトキシン(例えばジフテリアトキシン、リシン、tk)をコードす る遺伝子の送達が用いられ得、そして感染性生物を殺すために他の遺伝子が特異 的に仕立てられ得る。その他の適用は、内因性遺伝子近傍の調節配列の取り込み を含む。これらの異なる適用は、多くの様式の送達(例えば、インビトロ、エク スビボ、インサイチュ、静脈内、および生殖系列改変)で多くの異なる標的細胞 に関する。 遺伝子治療のパワーは、多くの大きな製薬製造業者およびいくつかのより小さ なバイオテクノロジー会社を、ヒト疾患を処置することへの実行可能な治療的ア プローチとして、遺伝子治療を開発するための実質的な財政的および技術的供給 源を集中することに導いた。理論的には単純であるが、遺伝子治療に、技術的困 難があるわけではない。任意の遺伝子治療の開発には、標的としての細胞タイプ の同定、これら細胞中へのDNAの侵入のための手段、適切な期間にわたり遺伝 子産物の有用なレベルを発現するための手段、および遺伝子治療剤に対する宿主 免疫応答のシャッフリングを必要とする。 任意の特定の適用に対する必要条件は、開発されかつ試験されるべきベクター の選択を大いに変動させかつ深く影響する。異なる適用における可能な変数は、 遺伝子移入の効率、遺伝子発現の効率、遺伝子発現の持続期間、繰り返し用量の 可能性、および適切な細胞を標的にし、そして不適切な細胞を避ける能力を含む 。生じ得る混乱する素因は、ウイルスまたは送達ビヒクルが特定細胞に侵入する か、または特定細胞の染色体中に組み込まれる能力のないこと、転写プロモータ ーのシャットダウン、インプットDNAの損失、処置細胞の破壊、およびインプ ットウイルスまたは遺伝子産物の中和を含む。これら素因のすべては、ウイルス ベクターまたは非ウイルス送達系の選択、および宿主がこのウイルスまたは送達 系に応答する能力に依存する。 遺伝子治療ベクターを構築するために現在利用可能な成分の大部分は、遺伝子 治療のために進化または開発されておらず、それ故、多くの所望されない性質を 有し得、そして所望の遺伝子治療適用における有効性を欠き得る。例えば、大部 分の真核生物ウイルスは、毒力(virulence)およびウイルス再生産を最適化する ために進化され、そして大部分の非ウイルスDNA送達系は、ヒトに投与するた めではなく、研究室条件における実験的トランスフェクションのために用いられ るように設計された。 上記の困難および非効率に対する解決が、遺伝子治療が従来の疾患をもつ多く の患者の日常的な処置に効果的になる前に必要である。本発明は、この必要性お よびその他の必要性を、とりわけ、回帰的配列組換えにより遺伝子治療で用いら れるベクターおよびその他の核酸を改良するための方法を提供することにより満 たす。 発明の要旨 本発明は、回帰的配列組換えによる遺伝子治療における使用のための核酸を進 化させる方法を提供する。この方法は、少なくとも2つのヌクレオチド中の互い に異なるセグメントの少なくとも第1の形態と第2の形態を組換えることを引き 起こし、組換えセグメントのライブラリーを生成する。次いで、このライブラリ ーからの少なくとも1つの組換えセグメントが、遺伝子治療に有用な性質につい てスクリーニングされる。次いで、このスクリーニングにより同定された少なく とも1つの組換えセグメントが、上記第1および第2形態と同じかまたは異なる 、上記セグメントのさらなる形態と組換えられ、組換えセグメントのさらなるラ イブラリーを生成する。次いで、このさらなるライブラリーは、スクリーニング されて、遺伝子治療にために有用な性質における改良のために、このさらなるラ イブラリーから少なくとも1つのさらなる組換えセグメントを同定する。組換え およびスクリーニングのさらなるサイクルが、必要に応じて、さらなる組換えセ グメントが、遺伝子治療のために有用な性質の所望のレベルの性質を与えるまで 実施される。 1つの実施態様で、本発明は、回帰的配列組換えにより遺伝子治療における使 用のための核酸セグメントを修飾するための方法を提供し、この方法は、以下の 工程:(1)少なくとも2つの位置で異なるセグメントの少なくとも第1および第 2の形態を組換え、第1のセットの組換えセグメントを生成する工程:(2)遺伝 子治療に有用な性質について少なくとも1つの組換えセグメントをスクリーニン グする工程;(3)工程(1)および(2)により生成された少なくとも1つの組換えセ グメントを、上記第1または第2の形態と同じかまたは異なる、上記セグメント の改変体形態と組換え、第2のセットの組換えセグメントを生成する工程;およ び(4)上記第2の組換えセットから、少なくとも1つの組換えセグメントを、遺 伝子治療のために有用な性質についてスクリーニングする工程を包含する。この 方法のさらなる実施態様では、工程(1)から(4)が、回帰的に組換えられたセグメ ントが遺伝子治療に有用な性質を与えるまで繰り返される。この方法のさらなる 実施態様では、核酸セグメントは、ウイルス核酸セグメントであり得るか、ウイ ルス核酸セグメントは、ウイルスベクターを含み得るか、または少なくとも1つ の組換え工程がインビボまたはインビトロで生じる。 1つの実施態様では、得られるべき所望の性質は、改善されたウイルス力価で ある。ここで、組換えセグメントは、複数世代に対する細胞上のウイルスの増殖 および子孫ウイルスの単離によりウイルスの成分としてスクリーニングされ、子 孫ウイルスは、改善された力価の性質を与える組換えセグメントを有するウイル スについて富化されている。 第2の実施態様では、所望の性質は、改善されたウイルス感染性である。組換 えセグメントは、ウイルスにより感染された細胞の集団の割合を決定することに よりウイルスの成分としてスクリーニングされ得る。 第3の実施態様では、所望の性質は、核酸セグメント内の遺伝子の改善された 発現である。組換えセグメントは、細胞内の組換えセグメントの発現を検出する ことによりスクリーニングされ得る。 第4の実施態様では、所望の性質は、改善または改変された薬物耐性である。 組換えセグメントは、細胞を薬物に曝すこと、および生存細胞を選択することに よりスクリーニングされ得、上記生存細胞は、改善または改変された薬物耐性の 性質を有する組換えセグメントについて濃縮されている。 第5の実施態様では、所望の性質は、改善されたまたは改変された組織特異性 である。組換えセグメントは、ウイルスを、ウイルスによる感染性の性質が所望 される細胞の第1の集団、およびウイルスによる感染の性質が所望されない細胞 の第2の集団と接触すること、および上記細胞の第1の集団から子孫ウイルスを 単離することによりウイルスの成分としてスクリーニングされ得、上記子孫ウイ ルスは、上記細胞の第1のサブ集団に対する感染性の性質を与える組換えセグメ ントについて富化されている。 第6の実施態様では、所望の性質は、改善されたウイルスキャプシドのパッケ ージング能力である。組換えセグメントは、ウイルスを細胞上で増殖させること 、および組換えセグメントを含む子孫ウイルスを単離することによりウイルスの 成分としてスクリーニングされ得る。組換えセグメントを含むウイルスキャプシ ドのパッケージング能力は、連続的スクリーニング工程の間で増加する。 第7の実施態様において、所望の性質はエピソームの保持である。組換えセグ メントを含む細胞は、組換えセグメントに対する選択なしに細胞を増殖させるこ と、次いで組換えセグメントに対する選択とともに細胞を増殖させることにより スクリーニングされ得、選択に生存する細胞は、改善されたエピソームの保持の 性質を有する組換えセグメントを保持する細胞について富化されている。 第8の実施態様では、所望の性質は、組換えセグメントまたはその発現産物の の低下した免疫原性である。組換えセグメントは、組換えセグメントを哺乳動物 中に導入すること、および所定の期間後に生存する組換えセグメントを回収する ことよりスクリーニングされ得る。 第9の実施態様では、所望の性質は部位特異的組み込みである。組換えセグメ ントは、それらを細胞中に導入すること、および所望の組み込み部位を含む細胞 DNAの領域を回収することによりスクリーニングされ得、この領域は、部位特 異的組み込みの性質を有する組換えセグメントについて富化されている。 第10の実施態様では、所望の性質は増加した安定性である。組換えセグメン トは、ウイルスを不安定化条件に供すること、および生存ウイルスを回収するこ とによりウイルスの成分としてスクリーニングされ得、これらのウイルスは、こ の性質を与える組換えセグメントにつして富化されている。 第11の実施態様では、性質は微生物感染に対して細胞性耐性を与える能力で ある。組換えセグメントを含む細胞は、微生物による感染を生存する能力につい てスクリーニングされ得る。 第12の実施態様では、本発明の方法は、非ウイルス形態で標的細胞への導入 のためのベクターを進化させる。組換えセグメントは、組換えセグメントを哺乳 動物中導入すること、このセグメントが組み込まれかつ発現されてタンパク質ま たはアンチセンスRNAを産生する哺乳動物から細胞を回収すること、およびこ の細胞から組換えセグメントを回収することにより選択され得る。 第13の実施熊様では、本発明は、パッケージング細胞株における発現のため に、アデノ随伴ウイルスタンパク質repおよびcapを改善する方法を提供する。こ れら遺伝子の組換えセグメントを含む細胞を、末端反復配列(ITR)により隣接さ れるマーカー遺伝子を含む組換えAAV(rAAV)およびアデノウイルスのようなヘル パーウイルスで感染する。異なる細胞により産生される子孫rAAVおよびヘルパー ウイルスの収率が決定され、そしてヘルパーウイルスに対するrAAVの高い相対収 率を有する細胞が選択される。 第14の実施態様では、核酸セグメントは、タンパク質またはアンチセンスR NAをコードするコード配列を含み、それは、哺乳動物細胞のゲノムDNA中へ のセグメントの組み込みの後発現され得る。 第15の実施態様では、核酸セグメントはウイルスタンパク質をコードし、そ して上記性質は、この核酸セグメントを含む細胞株の、細胞株中にトランスフェ クトされたウイルスDNAをパッケージングする能力である。 第16の実施態様では、核酸セグメントはDNA結合タンパク質をコードし、 増大される性質は、DNA結合タンパク質をコードするベクターのレシピエント 細胞による取り込みである。 第17の実施態様では、本発明は、配列番号1の核酸配列によりコードされる 配列番号2のアミノ酸配列とともに、図5に示されるような、単離された組換え O6-メチルグアニン-DNAメチルトランスフェラーゼ(MGMT)酵素を提供する。 この酵素は、天然のヒトMGMTコード配列中に存在し、そして天然の非ヒトMGMTコ ード配列中には存在しない少なくとも1つのアミノ酸セグメントを有し、そして 天然の非ヒトMGMTコード配列中に存在し、そして天然のヒトMGMTコード配列中に は存在しない少なくとも1つのアミノ酸セグメントを有し得る。 別の実施態様では、本発明は、アデノウイルスおよびファージf1複製開始点を 含む10キロベースより大きい一本鎖DNAを生成し得るファージミド-アデノウ イルスを提供する。 図面の簡単な説明 図1:遺伝子の、インビトロシャフリング、「回帰的配列組換え」のためのス キームである。 図2:レシピエント細胞による増強されたDNA取り込みを与えるDNA結合 タンパク質を選択するためのスキームである。 図3:本発明の回帰的組換え方法を用いる、MGMTの組換え形態を生成するため に用いたオリゴヌクレオチド。 図4:5つの既知の哺乳動物アルキルトランスフェラーゼーヒト、ラット、マ ウス、ハムスター、およびウサギの天然の多様性を例示する。この多様性を用い て、改善されたヒトMGMT遺伝子における配列多様性を生成する。 図5:本発明の方法により生成された、改善されたヒトMGMT遺伝子のヌクレオ チド配列(配列番号1)およびアミノ酸配列(配列番号2)を図示する。 図6:新規アデノウイルス-ファージミドの構造を図示する。 定義 用語「スクリーニング」は、一般に、2段階プロセスであって、1つは、最初 に、どの細胞がスクリーニングマーカーを発現し、そして発現しないかを決定し 、次いで所望の性質を有する細胞を物理的に分離するものを記載する。選択は、 同定および物理的分離が選択マーカーの発現により同時に達成されるスクリーニ ングの形態であり、それは、いくつかの遺伝的状況では、マーカーを発現する細 胞を生存させ、その一方、他の細胞は死滅させる(またはその逆である)。スクリ ーニングマーカーは、ルシフェラーゼ、β-ガラクトシダーゼ、および緑色蛍光 タンパク質を含む。選択マーカーは、薬物およびトキシン耐性遺伝子を含む。自 発的選択は、自然の進化の過程で生じ得、かつ生じるが、本発明の方法では、選 択がヒトにより実施される。 用語「外因性DNAセグメント」は、細胞にとって外来または異質であるか、 あるいは細胞にとって同質であるが、エレメントが通常に見出されない宿主細胞 核酸内の位置にあるDNAセグメントをいう。 用語「遺伝子」は、生物学的機能に関連するDNAの任意のセグメントを広く いうために用いられる。従って、遺伝子は、コード配列および/またはそれらの 発現に必要な調節配列を含む。遺伝子はまた、例えば、他のタンパク質に対する 認識配列を形成する非発現DNAセグメントを含む。 用語「%配列同一性」、「配列同一性」、「配列類似性」または「構造類似性 」は、比較のウインドウ上に最適に並べられた2つの配列を比較すること、両方 の配列で生じる同一の核酸塩基の位置の数を決定し、一致した位置の数を生成す ること、比較のウインドウにおける位置の総数により一致した位置の数を徐する ことにより計算または決定される。比較ウインドウを整列するための配列の最 適アラインメントは、Wisconsin Genetics Software Package Release 7.0、Gen etics Computer Group、575 Science Dr.,Madison,WI中のアルゴリズムGAP 、BESTFIT、FASTAおよびTFASTAのコンピュータ化された履行 により実施され得る。 用語「天然に存在する」は、ヒトにより人工的に生成されていることから別で あるとして天然に見出され得る対照物を記載するために用いられる。例えば、天 然にある供給源から単離され得る生物(ウイルスを含む)中に存在し、そして実験 室においてヒトにより意図的に改変されていないポリペプチドまたはポリヌクレ オチド配列は、天然に存在する。一般に、用語、天然に存在する、は、種に代表 的であるような、非病原性(疾患のない)個体中に存在するような目的物をいう。 用語「単離された」、「精製された」または「生物学的に純粋な」は、その天 然状態で見出されるような、通常それにともなう成分を実質的にまたは本質的に 含まない物質をいう。 核酸は、それが、別の核酸配列と機能的関係に配置される場合、作動可能に連 結されている。例えば、プロモーターまたはエンハンサーは、それが、コード配 列の転写を増大する場合、コード配列に作動可能に連結されている。作動可能に 連結された、は、連結されているDNA配列が、代表的には連続しており、そし て2つのタンパク質コード領域を接続する必要がある場合、連続的でかつ読読み とり枠であることを意味する。しかし、一般に、エンハンサーは、プロモーター から数キロベース分離される場合機能し、そしてイントロン配列が可変的な長さ の配列であり得るので、いくつかのポリヌクレオチドエレメントは、作動可能に 連結され得るが、連続的ではない。 2つの分子間、例えば、リガンドとレセプターとの間の特異的結合親和性は、 分子の混合物における別の分子に対する1つの分子の優先的結合を意味する。分 子の結合は、結合親和性が約1×104M-1〜約1×106M-1またはそれより大きい場 合特異的であると考えられ得る。 発明の詳細な説明 I. 概論 本発明は、遺伝子治療において有用な特性または特徴における改善の取得のた めに核酸を進化(すなわち改変)させる方法を提供する。この改変、または進化 のための基質は、獲得または改善することが求められる特性が異なるように、種 々の適用において異なる。特性の獲得または特性における改善のための候補基質 の例は、遺伝子治療において使用されるウイルスおよび非ウイルスベクターを含 む。方法は、少なくとも2つの改変体形態の開始基質を必要とする。改変形態の 候補基質は、互いに実質的な配列類似性または二次構造類似性を示し得るが、そ れらはまた少なくとも2つの位置で異なるはずである。形態間の初期の多様性は 、天然のバリエーションの結果であり得、例えば、種々の改変体形態(ホモログ )は、生物の種々の個体または株(地理的改変体を含む)から得られるか、また は同一の生物からの関連した配列を構成する(例えば、対立遺伝子改変)。ある いは、初期の多様性が誘導され得、例えば、第2の改変体形態は、第1の改変体 形態の誤りがちな(error-prone)転写(例えば、誤りがちなPCR)またはプルーフ リーディング活性を欠失したポリメラーゼの使用(Liao(1990)Gene 88:107-11 1を参照のこと)、あるいはミューテーター株(ミューテーター宿主細胞は、以 下にさらに詳細に考察される)における第1の形態の複製によって産生され得る 。基質間の最初の多様性は、後の回帰的配列組換えの工程において大いに増強さ れる。 獲得または改善することが求められ得る特性または特徴は広範に変化し、当然 基質の選択に依存する。例えば、ウイルスおよび非ウイルスベクター配列につい ては、改善の目的としては、より高度な力価、より安定な発現、向上した安定性 、より高い特異的標的、より高い頻度の組み込み、ベクター配列またはその発現 産物の減少した免疫原性、およびより高い遺伝子産物の発現が挙げられる。遺伝 子治療において使用されるウイルスベクターをパッケージングするのに使用され るパッケージング細胞株由来のゲノムDNAについては、改善の目的としては、細 胞株によって産生されるウイルスの力価を増大させることが挙げられる。 特性における改善または特性の獲得は、回帰的配列組換えによって達成される 。回帰的配列組換えは、以下にさらに詳細に記載されるように、多くの異なる様 式および様式の順序で達成され得る。これらの様式は、いくつかの共通の原理を 分 かち合う。回帰的配列組換えは、分子多様性を産生するために連続的サイクルの 組換えを課する。すなわち、互いにいくつかの配列同一性を示す核酸分子のファ ミリーを産生するが、変異の存在で異なる。任意の一定のサイクルにおいて、組 換えは、インビボまたはインビトロ、細胞内または細胞外で生じ得る。さらに、 組換えから生じる多様性は、組換えのために基質または産物のいずれかに変異誘 発の従来法(例えば、誤りがちなPCRまたはカセット変異誘発)を適用すること によって任意のサイクルにおいて増強され得る。いくつかの場合において、新規 のもしくは改善された特性または特徴は、生物の種々の個体または株に由来する ホモログのような種々の改変体形態の配列、あるいは対立遺伝子のような同一の 生物由来の関連配列を用いる場合に、インビボまたはインビトロ組換えの1回の サイクルのみの後に達成され得る。 組換えサイクルには、通常、所望の特性または特徴を有する分子についての少 なくとも1サイクルのスクリーニングまたは選択が続く。組換えサイクルがイン ビトロで行われる場合、組換えの産物(すなわち、組換え体セグメント)は、時 には、スクリーニング工程の前に細胞に導入される。組換えセグメントはまた、 スクリーニングの前に、適切なベクターまたは他の調節配列に連結され得る。あ るいは、インビトロで産生された組換えの産物は、時には、スクリーニングの前 にウイルスとしてパッケージングされる。組換えがインビボで行われる場合、組 換え産物は、時には、組換えが生じた細胞においてスクリーニングされ得る。他 の適用において、組換えセグメントは、細胞から抽出され、そして必要に応じて スクリーニングの前にウイルスとしてパッケージングされる。 スクリーニングまたは選択の性質は、獲得されるべき特性または特徴または改 善が求められる特性または特徴に依存し、そして多くの例が以下に考察される。 それによって組換えの特定の産物(組換え体セグメント)が、開始物質と比較し て新規もしくは改善した特性または特徴を獲得した分子基礎を理解することは、 通常は必要または所望されない。例えば、遺伝子治療ベクターは、種々の意図さ れる役割を各々有する多くの成分配列を有し得る(例えば、コード配列、調節配 列、標的配列、安定性付与配列、および組み込み配列)。これらの成分配列の各 々は、同時に変化および組換えられ得る。次いで、スクリーニング/選択が、 例えば、このような改善をベクターの個々の成分配列のいずれかのせいにする必 要を伴わない標的細胞において発現の安定性を増大した組換え体セグメントにつ いて行われ得る。 スクリーニングの最初の回は、しばしば、高度なトランスフェクション効率お よび培養の容易さに起因して、細菌細胞において行われる。後の回は、それらの 意図される使用の環境に近接した環境における使用のために組換え体セグメント を至適化するように哺乳動物細胞において行われ得る。スクリーニングの最後の 回は、意図される使用の正確な細胞型(例えば、幹細胞)において行われ得る。 いくつかの場合において、この幹細胞は、例えば、この患者において免疫原性の 問題を最小化する目的で処置されるべき患者から得られ得る。いくつかの方法に おいて、処置における遺伝子治療ベクターの使用は、それ自身スクリーニングの 回として使用される。すなわち、ある患者の意図される標的細胞によって持続的 に取り込まれるか、組み込まれるか、そして/または発現される遺伝子治療ベク ターが、その標的細胞から回収され、そして別の患者を処置するために使用され る。ある患者の意図される標的細胞から回収される遺伝子治療ベクターは、進化 された(すなわち、特異的取り込み、組み込みおよび/または発現についての改 善されたまたは新規特性もしくは特徴に向かって、回帰的組換えによって改変さ れた)ベクターについて富化される。 スクリーニングまたは選択の工程は、遺伝子治療に有用である新規または改善 された所望の特性の獲得に向かって進化した組換え体セグメントの亜集団を同定 する。スクリーニングに依存して、組換え体セグメントは、細胞の成分、ウイル スの成分または遊離形態として同定され得る。1つより多い回のスクリーニング または選択が組換えの各回の後に行われ得る。 スクリーニング/選択を生存した組換え体セグメントの少なくとも1つ、そし て通常1つの回収物は、さらなる回の組換えに曝される。これらの組換え体セグ メントは、互いに、または本来の基質を示す外来セグメントまたはさらなるその 改変体と組換えられ得る。さらに、組換えは、インビトロまたはインビボで行わ れ得る。以前のスクリーニング工程が、細胞の成分として所望の組換え体セグメ ントを同定する場合、その成分は、インビボでのさらなる組換えに曝され得るか 、 またはインビトロのさらなる組換えに曝され得るか、またはインビトロ組換えの 回を行う前に単離され得る。逆に、以前のスクリーニング工程が裸の形態で、ま たはウイルスの成分として所望の組換え体セグメント同定する場合、これらのセ グメントは、インビボ組換えの回を行うために細胞に導入され得る。どのように 行われるかに関係なく、組換えの第2の回は、以前の回から生じる組換え体セグ メントに存在するよりも、さらなる多様性を含むさらなる組換え体セグメントを 産生する。 組換えの第2の回には、第1の回に関する上記の原理に従ってスクリーニング /選択のさらなる回が続き得る。スクリーニング/選択のストリンジェンシーは、 回間で増大され得る。さらに、スクリーニングの性質およびスクリーニングされ るべき特性は、1より多いの特性における改善が所望される場合、または1より 多いの新規の特性を獲得することが所望される場合に回間で変化し得る。次いで 、組換えおよびスクリーニングのさらなる回は、組換え体セグメントが所望の新 規のまたは改善された特性または機能を獲得するように十分に進化するまで行わ れ得る。 II.回帰的配列組換えについての様式 回帰的配列組換えを用いるための例示の様式および例は、時には、DNAシャッ フリング、セクシャルPCRまたは分子ブリーディングと呼ばれ、1996年3月25日 に出願された同時係属出願米国出願番号(USSN)08/621,859、代理人管理番号16 528A-014612;1995年2月17日に出願された、WO 95/22625として公開された国際 出願PCT/US95/02126;Stemmer(1995)Science 270:1510;Stemmer(1995)Gene 164:49-53;Stemmer(1995)Bio/Technology 13:549-553;Stemmer(1994)Proc.N atl.Acad.Sci.USA 91:10747-10751;Stemmer(1994)Nature 370:389-391;Cramer i(1996)Nature Medicine 2:1-3;Crameri(1996)Nature Biotechnology 14:31 5-319に本発明者および共同研究者によって記載されている。(1)インビトロフォーマット インビトロでDNA配列をシャッフリングするための1つの実施態様は図1に示さ れる。組換えの最初の基質は、関連する配列(例えば、種々の生物の個体または 株由来のホモログのような種々の改変体形態、または対立遺伝子改変体のような 、同一生物由来の関連配列)のプールである。図1、パネルAのXは、配列が異 なる部位を示す。配列はDNAまたはRNAであり得、そして組換えられるかもしくは 再構築される遺伝子またはDNAフラグメントの大きさに依存して種々の長さであ り得る。好ましくは、配列は、50bp〜50kbである。 関連する基質のプールは、図1、パネルBにおいて示されるように、約5bp〜5 kb以上のオーバーラップするフラグメントに変換される。しばしば、例えば、フ ラグメントのサイズは、約10bp〜1000bpであり、そして時には、DNAフラグメン トのサイズは、約100bp〜500bpである。この変換は、多数の異なる方法(例えば 、DNase IまたはRNAse消化、ランダム剪断、または部分的制限酵素消化)によっ てもたらされ得る。核酸の単離、操作、酵素処理などのプロトコールの考察につ いては、例えば、Sambrook,Molecular Cloning:A LABORATORY MANUAL(第2版) 、1〜3巻、Cold Spring Harbor Laboratory,(1989)(Sambrook)、およびCURRENT PROTOCOLS IN MOLECULAR BIOLOGY,Ausubel編、Greene Publishing and Wiley- Interscience,New York(1987)(Ausubel)を参照のこと。特定の長さおよび配 列の核酸フラグメントの濃度は、しばしば、総核酸重量の0.1%または1%より 少ない。異なる特定の核酸フラグメントの数は、通常、少なくとも約100、500、 または1000である。 核酸フラグメントの混合集団は、種々の技術(例えば、加熱、化学変性、DNA 結合タンパク質の使用などを含む)を用いて少なくとも部分的な一本鎖核酸形態 に変換される。変換は、一本鎖核酸フラグメントを形成するために約80℃〜100 ℃、より好ましくは90℃〜96℃まで加熱し、次いで再度アニーリングすることに よってもたらされ得る。変換はまた、一本鎖DNA結合タンパク質(Wold(1997)A nnu.Rev.Biochem.66:61-92を参照のこと)またはrecAタンパク質(Kiianitsa( 1997)Proc.Natl.Acad.Sci.USA 94:7837-7840を参照のこと)での処理によって もたらされ得る。次いで、他の一本鎖核酸フラグメントとの配列同一性を有する 一本鎖核酸フラグメントは、20℃〜75℃および好ましくは40℃〜65℃まで冷却す ることによって再度アニーリングされ得る。再生は、ポリエチレングリコール (PEG)、他の容積排除試薬または塩の添加によって加速され得る。塩濃度は、 好ましくは、0mM〜200mM、より好ましくは、塩濃度は、10mM〜100mMである。塩 は、KClまたはNaClであり得る。PEGの濃度は、好ましくは、0%〜20%であり、 より好ましくは5%〜10%である。再度アニールするフラグメントは、図1、パ ネルCにおいて示されるように、異なる基質由来であり得る。アニールした核酸 フラグメントは、核酸ポリメラーゼ(例えば、TaqまたはKlenow)およびdNTP( すなわち、dATP、dCTP、dGTP、およびdTTP)の存在下でインキュベートされる。 配列同一性の領域が大きい場合、Taqポリメラーゼは、45〜65℃の間のアニーリ ング温度で使用され得る。同一性の領域が小さい場合、Klenowポリメラーゼが、 20〜30℃の間のアニーリング温度で使用され得る。ポリメラーゼは、アニーリン グの前に、アニーリングと同時に、またはアニーリング後にランダムな核酸フラ グメントに添加され得る。 異なる順列のフラグメントを含有するポリヌクレオチドの収集物を産生するた めのポリメラーゼの存在下におけるオーバーラップするフラグメントの変性、再 生、そしてインキュベーションのプロセスは、時に、インビトロでの核酸のシャ ッフリングといわれる。このサイクルは、所望の回数繰り返される。好ましくは 、サイクルは、2〜100回繰り返し、より好ましくは、配列を10〜40回繰り返さ れる。生じる核酸は、図1パネルDで示されるように、約50bp〜約100kb、好ま しくは500bp〜50kbの二本鎖ポリヌクレオチドのファミリーである。集団は、出 発基質に実賀的な配列同一性を示す改変体を表すが、またいくつかの位置で異な る。集団は、出発基質より多くのメンバーを有する。シャッフリングから生じる フラグメントの集団は、必要に応じてベクターへのクローニングの後に、宿主細 胞を形質転換するために使用される。 インビトロシャッフリングを利用する1つの実施熊様において、組換え基質の 連続が、実質的なフラクション、代表的には、少なくとも20%以上の不完全に伸 長した増幅産物を産生する条件下で全長配列を増幅することによって産生され得 る。別の実施態様は、全長未満の増幅産物を産生するためにテンプレートDNAを プライムするプライマーを使用する。増幅産物(これは不完全に伸長された増幅 産物を含む)は変性され、そして少なくとも1回の追加の再アニーリングそして 増幅のサイクルに供される。少なくとも1回の再度のアニーリングおよび増幅が 不完全な伸長産物の実質的なフラクションを提供するこの改変を、「スタッタリ ング(stuttering)」と名付ける。後続の増幅ラウンドにおいて、部分的な伸長 (全長未満)産物は再度アニールし、そして異なる配列関連テンプレート種上で 伸長をプライムする。別の実施態様において、フラグメントへの基質の変換は、 基質の部分的PCR増幅によってもたらされ得る。 別の実施態様において、フラグメントの混合物は、1以上のオリゴヌクレオチ ドでスパイクされる。オリゴヌクレオチドは、野生型配列の予め特徴付けられた 変異、または個体もしくは種間の天然の改変の部位を含むように設計され得る。 オリゴヌクレオチドはまた、野生型フラグメントとのアニーリングを可能にする このような変異または改変に隣接する十分な配列または構造相同性を含む。アニ ーリング温度は、相同性の長さに応じて調整され得る。 さらなる実施態様において、組換えは、テンプレートスイッチング(例えば、 あるテンプレートに由来するDNAフラグメントが、関連するが異なるテンプレー トの相同位置上でプライミングする場合)によって少なくとも1つのサイクルに おいて生じる。テンプレートスイッチングは、増幅混合物へのrecA(Kiianitsa( 1997)前出を参照のこと)rad51(Namsaraev(1997)Mol.Cell.Biol.17:5359-536 8を参照のこと),rad55(Clever(1997)EMBO J.16:2535-2544を参照のこと),r ad57(Sung(1997)Genes Dev.11:1111-1121を参照のこと)または他のポリメラ ーゼ(例えば、ウイルスポリメラーゼ、逆転写酵素)の付加によって誘導され得る 。テンプレートスイッチングはまた、DNAテンプレート濃度を増大させることに よって増大され得る。 別の実施態様は、少なくとも1つのサイクルの増幅を利用する。これは、関連 配列、および異なる長さの重複する一本鎖DNAフラグメントの収集物を使用して 行われ得る。フラグメントは、一本鎖DNAファージ(M13(Wang(1997)Biochemis try 36:9486-9492を参照のこと))を用いて調製され得る。各々のフラグメント は、収集物由来の第2のフラグメントにハイブリダイズし、そしてポリヌクレオ チド鎖伸長をプライミングし、従って配列組換えポリヌクレオチドを形成する。 さらなる改変において、可変長のssDNAフラグメントが、第1のDNAテンプレート 上のPfu、Taq、Vent、Deep Vent、U1Tma DNAポリメラーゼまたは他のDNAポリメ ラーゼによって単一プライマーから作成され得る(Cline(1996)Nucleic Acids Res.24:3546-3551を参照のこと)。一本鎖DNAフラグメントが第2のKunkel型 のテンプレートのためのプライマーとして使用される。これはウラシル含有環状 ssDNAからなる。これは、第2テンプレート中への第1のテンプレートの複数の 置換を生じる。Levichkin(1995)、Mol.Biology,29,572-577;Jung(1992)Gen e 121:17-24を参照のこと。インビトロでシャッフルされた遺伝子の細胞への再導入 さらなる実施態様において、全体の細胞および生物が、インビトロシャッフリ ングの回帰的サイクルによって、その細胞および生物内の移入遺伝子を進化させ ることによって改善され得る。移入遺伝子は、本発明の回帰的組換え法に曝され 、そしてシャッフルされた配列ライブラリーは、選択のために細胞/生物に戻さ れる。改変された移入遺伝子の複数のコピーが細胞に再組込みされる場合には、 この方法は有用であり、一方、この選択アッセイの好ましい改変において、単一 コピーのみの改変移入遺伝子が各々細胞に挿入される。この選択アッセイの別の 好ましい改変は、改変移入遺伝子の転写の発現可変性を減少させることを含む。 これは、組込み部位の染色体位置における差異から生じ得る。これは、規定され た、改変された移入遺伝子の部位特異的組込みの手段を必要とする。これらの方 法は、染色体に部位特異的に組込み得るエピソームベクター(細胞内で複製し得 る)を進化させるために使用され得る。 選択のために改変された移入遺伝子を細胞に戻すためのレトロウイルスの使用 は、それらが単一コピーとして組込みを行う利点を有する。しかし、この挿入は 、部位特異的ではなく、すなわち、レトロウイルスは染色体のランダムな位置に 挿入する。アデノウイルスおよびarsプラスミドはまた、改変された移入遺伝子 をシャトルするために使用されるが、それらは複数コピーとして組込みを行う。 野生型AAVは、単一コピーとして染色体q19に組込みを行うが、一般に使用される 改変型のAAVは行わない。相同性組換えもまた、改変された組換え体セグメント (移入遺伝子)を染色体に挿入するために使用されるが、この方法は、不十分で あり得、そして染色体の組に2コピーの組込みを生じ得る。これらの問題を解消 するために、本発明の1つの実施態様は、ゲノムの特異的な定常位置に移入遺伝 子を標的化する部位特異的組込み系を利用する。好ましい実施態様は、Cre/LoxP または関連するFLP/FRT部位特異的組込み系を利用する。Cre/LoxP系は、Creリコ ンビナーゼ酵素を使用して、部位特異的挿入および「LoxP部位」と呼ばれる特定 のパリンドローム34塩基対配列にウイルスまたはファージベクターの切り出しを 媒介する。LoxP部位は、選択の哺乳動物ゲノムに挿入されて、例えば、相同性組 換え(Rohlmann(1996)Nature Biotech.14:1562-1565を参照のこと)によって 、LoxP部位を含有するトランスジェニック動物を作製し得る。ゲノムが所望の位 置にLoxP部位を含むように操作される場合、Creリコンビナーゼの遺伝子を保有 するベクターでのこのような細胞の感染は、移入遺伝子含有ベクターのLoxP部位 への効率的な部位特異的組込みを生じる。このアプローチは、サイクル間で再現 可能であり、そして一定の、規定された位置で改変された移入遺伝子(組換え体 配列)の単一コピーを提供する。従って、目的の移入遺伝子は、本発明の回帰的 配列組換え法を用いてインビトロで改変され得、そして最小のノイズをともなう 最適な方法で新規または改善された特性についてのインビボ/インサイチュ選択 のために細胞に再挿入され得る。この技術はまた、以下に考察されるようにイン ビボで使用され得る。例えば、Agah(1997)J.Clin.Invest.100:169-179;Akagi (1997)Nucleic Acids Res.25:1766-1773;Xiao(1997)Nucleic Acids Res 25 :2985-2991;Jiang(1997)Curr Biol 7:321-R323,Rohlmann(1996)Nature Bio tech.14:1562-1565;Siegal(1996)Genetics 144:715-726;Wild(1996)Gene 1 79:181-188を参照のこと。Creの進化は、以下にさらに詳細に考察される。(2) インビボフォーマット (a) プラスミド−プラスミド組換え 本発明の回帰的組換え方法は、プラスミド−プラスミド組換えを包含する。本 実施態様および他の実施態様では、組換えのための最初の基質は、目的の核酸( 例えば、遺伝子、ベクター、転写調節配列など)の変異形態を含むポリヌクレオ チドの収集物である。変異形熊は、互いに実質的な配列同一性;例えば、基質間 での相同組換えを可能にするに十分な配列同一性を有する(Datta(1997)Proc. Natl.Acad.Sci.USA 94:9757-9762;Shimizu(1997)J.Mol.Biol.266:297-30 5;Watt(1985)Proc.Natl.Acad.Sci.USA 82:4768-4772を参照のこと)。ポリ ヌクレオチド間の多様性は、天然のもの(例えば、対立形質または種改変体)、誘 導されたもの(例えば、誤りがちなPCRによるようなインビトロで産生されたもの 、Light(1995)Bioorg.Med.Chem.3:955-957を参照のこと)、またはインビトロ 組換えの結果である。多様性はまた、代替および/または混合コドン使用を伴う 天然タンパク質をコードする遺伝子の再合成から生じ得る。基質間には、少なく とも、組換えによって開始物質よりも多様な産物が生じ得る、十分な多様性が存 在しなければならない。少なくとも2つの位置で異なる少なくとも2つの基質が 存在しなければならない。しかし、別の実施態様では、103〜108メンバーの基質 のライブラリーが使用される。多様性の程度は、組み換えられている基質の長さ および進化されるべき機能的変化の範囲に依存する。0.1〜50%の間の位置での 多様性が、典型的である。 本発明の方法により改変された多様な出発基質または組換えセグメントが、プ ラスミドに取り込まれ得る。1つの実施態様では、プラスミドは、標準的なクロ ーニングベクター(例えば、細菌のマルチコピープラスミド)である。しかし、以 下に記載する別の実施態様では、プラスミドは、動員機能を含む。出発基質また は組換えセグメントは、同じまたは異なるプラスミドに取り込まれ得る。しばし ば、異なるタイプの選択マーカーを有する少なくとも2つの異なるタイプのプラ スミドが、少なくとも2つのタイプのベクターを含む細胞の選択を可能にするた めに用いられる。また、異なるタイプのプラスミドが用いられる場合、異なるプ ラスミドが、2つの別個の不適合な群から得られて、細胞内での2つの異なるプ ラスミドの安定な共存を可能にし得る。それにもかかわらず、同じ不適合な群由 来のプラスミドが、相同組換えを生じさせるに十分な時間、同じ細胞内で共存し 得る。 多様な基質を含むプラスミドは、まず、任意のトランスフェクション法(例え ば、化学的な形質転換、天然の能力、エレクトロポレーション、ウイルス形質導 入または微粒子銃)によって原核生物細胞または真核生物細胞に導入される(例 えば、DNAの細胞への導入の詳細な説明に関しては、Sambrookを参照のこと;Hap ala(1997)Crit.Rev.Biotechnol.17:105-122)。しばしば、プラスミドは、飽 和濃度(最大トランスフェクション能力に関して)またはその付近で存在して、同 じ細胞への1つより多くのプラスミドが侵入する確率を増大させる。種々の基質 または組換えセグメントを含むプラスミドは、同時にまたは複数回、トランスフ ェクトされ得る。例えば、後者のアプローチにおいて、細胞はプラスミドの第1 のアリコートでトランスフェクトされて、トランスフェクタントは選択されそし て増殖され、次いでプラスミドの第2のアリコートで感染され得る。 プラスミドが細胞内へ導入されると、組換え遺伝子または他の核酸セグメント を生成するための基質間の組換えは、単に細胞内でプラスミドを増殖させること によって、複数の異なるプラスミドを含む細胞内で起こる。しかし、たった1つ のプラスミドしか受容していない細胞は、組換えに関与し得ず、そしてこれらの プラスミドは、ミューテーター細胞(下述)において増殖されるかまたはそうで なければ点変異を蓄積する(すなわち、紫外線照射処理によって)場合、新規な 配列多様性に寄与し得るが、進化のためのこのようなプラスミドに対する基質の 潜在的な寄与(配列改変)は、充分に利用できない。進化の割合(すなわち、本 発明の方法による核酸配列の改変)は、全ての基質を組換えに関与させることに よって、増加され得る。1つの実施態様では、これは、トランスフェクトされた 細胞をエレクトロポレーションに供することによって達成される。エレクトロポ レーションの条件は、外来DNAを細胞に導入するために従来使用されているもの と同一である(例えば、1,000〜2,500ボルト、400μF、および1〜2mM gap)。こ れらの条件下で、プラスミドは、細胞間で交換され、これにより全ての基質を組 換えに関与させることが可能になる。さらに、組換えの産物は、互いまたは元の 基質とのさらなる回の組換えを受け得る。 別の実施態様では、進化の割合(すなわち、回帰的配列改変の割合)はまた、 接合性転移(conjugative transfar)の使用によって増大され得る。接合性転移を 利用するために、基質を、MOB遺伝子を有するプラスミド中にクローニングし、 そしてtra遺伝子がまた、MOB遺伝子に対してシスまたはトランスで提供される。 接合性転移の効果は、プラスミドが細胞間で移動することを可能にし、そして任 意の基質間での組換えを可能にし、そして以前の組換えの産物が単に培養物を増 殖させることによって起こるという点で、エレクトロポレーションに非常に類似 している。これらのベクターにおいて接合性転移がどのように活用されるかの詳 細は、以下により詳細に議論される(例えば、Cabezon(1997)Mol.Gen.Genet. 254:400-406もまた参照のこと)。 進化の割合はまた、細胞を融合してプラスミドまたは染色体の交換を誘導する ことによって増大され得る。融合は、化学薬剤(例えば、PEG)、またはウイル スまたはウイルスタンパク質(例えば、インフルエンザウイルスヘマグルチニン 、HSV-1 gBおよびgD、または融合誘導リポソーム(fusigenic liposome))によっ て誘導され得る(Dzau(1996)Proc.Natl.Acad.Sci.USA 93:11421-11425を参 照のこと)。 進化の割合はまた、ミューテーター宿主細胞(例えば、細菌Mut L、S、D、T 、Hミューテーター細胞、昆虫(Drosophila)およびマウスミューテーター細胞、 および欠損DNA修復機構を有するヒト細胞株(例えば、毛細管拡張性運動失調(ata xia telengiectasia)患者由来の細胞)の使用によって増大され得る(Morgan(199 7)Cancer Res.57:3386-3389;Greener(1997)Mol.Biotechnol.7:189-195;Maso n(1997)Genetics 146:1381-1397;Aronshtam(1996)Nucleic.Acids Res 24:2498- 2504;Seong(1995)Int.J.Radiat.Oncol.Biol.Phys.33:869-874;Wu(1994) J.Bacteriol.176:5393-5400;Rewinski(1987)Nucleic.Acids Res.15:8205-8 215;Aizawa(1986)Jpn.J.Cancer Res.77:327-329を参照のこと)。 細胞が増殖しそして組み換えが生じる時間は、もちろん、細胞タイプに伴って 変化し得るが、一般的には重大ではない。なぜなら、わずかな程度の組換えさえ 、開始物質に比較して多様性を実質的に増大させ得るからである。組換え遺伝子 を含むプラスミドを有する細胞が、所望の機能についてのスクリーニングまたは 選択に供される。例えば、進化している基質が薬物耐性遺伝子を含む場合、薬物 耐性について選択する。スクリーニングまたは選択を生き残った細胞は、一回以 上のスクリーニング/選択、続く組換えに供され得るか、またはさらなる回数の 組換えに直接供され得る。 組換えの次の回は、以前の回に依存していくつかの異なるフォーマットによっ て達成され得る。例えば、1つの実施態様では、組換えのさらなる回が、単に上 記のプラスミドのエレクトロポレーションまたは接合媒介性細胞間転移を再開( 反復)することによってなされ得る。別の実施態様では、新鮮な基質(前の基質 と同じまたは異なる)は、選択/スクリーニングを生き残っている細胞にトランス フェクトされ得る。新しい基質は、異なる選択的(選択)マーカーを有するプラ スミドベクターおよび/またはもとのプラスミドと異なる不適合なグループから のプラスミドベクターに含まれ得る。選択マーカーは、形質転換細胞に選択可能 な表現型を与える。例えば、マーカーは、抗生物質耐性、特にクロラムフェニコ ール、カナマイシン、G418、ブレオマイシンおよびヒグロマイシンへの耐性をコ ードして、所望のDNA配列で形質転換されたそれらの細胞の選択を可能にし得る 。例えば、Blondelet-Rouault(1997)Gene 190:315-317を参照のこと。ネオマイ シンまたはヒグロマイシンのような基質への耐性を与える選択可能なマーカー遺 伝子は、組織培養物においてのみ使用され得るので、化学耐性遺伝子もまた、イ ンビトロおよびインビボで選択可能マーカーとして使用され得る。種々の標的細 胞が、P-糖タンパク質、多重薬物耐性関連タンパク質トランスポーター、ジヒド ロ葉酸レダクターゼ、グルタチオン-S-トランスフェラーゼ、06-アルキルグアニ ンDNAアルキルトランスフェラーゼ(Tano(1997)J.Biol.Chem.272:13250-13254 )、またはアルデヒドレダクターゼ(Licht(1997)Stem Cells 15:104−111)など をコードする化学耐性遺伝子の移入によって、抗癌薬に耐性とされる。 さらなる実施態様として、選択/スクリーニングを生き残っている細胞が、2 つの部分集団に細分割され得、1方の部分集団からのプラスミドDNAがもう一方 にトランスフェクトされる。ここで、2つの部分集団からのプラスミド由来の基 質はさらなる回の組換えを受ける。後者の2つの実施態様のいずれかにおいて、 進化の割合は、DNA抽出、エレクトロポレーション、接合、またはミューテータ ー細胞を含む上記の技術のいずれかの使用によって増大され得る。なおさらなる 実施態様では、スクリーニング/選択を生き残っている細胞由来のDNAは、抽出さ れ得、そしてインビトロDNAシャッフリングに供され得る。 第2回目の組換え後、さらなる回のスクリーニング/選択が行われ得る。1つ の実施態様では、スクリーニングまたは選択は、ストリンジェンシーを増大させ た条件下で行われる。所望であれば、さらなる回の組換えおよび選択/スクリー ニングが、第2回目で用いたのと同じストラテジーを用いて行われ得る。組換え および選択/スクリーニングの次の回を用いて、生き残っている組換え基質は、 所望の表現型または特性を獲得するように進化する。代表的には、本発明のこの 組換え方法および他の回帰的組換え方法において、所望の表現型を獲得した組換 えの最終産物は、開始(出発)物質と0.1%〜25%の位置で異なり得る。本発明 の方法は、天然に獲得される変異について算出された割合(世代あたり10-9位置 あたり約1つの変異、Anderson、(1996)Proc.Natl.Acad.Sci.USA 93,906 -907を参照のこと)より多い大きさの割合の程度(例えば、少なくとも10倍、100 倍、1000倍または10,000倍)で、核酸配列を進化/改変し得る。 (b) ウイルス−プラスミド組換え 本発明の回帰的組換え方法は、ウイルス−プラスミド組換えを包含する。プラ スミド−プラスミド組換えに用いられるストラテジーはまた、ウイルス−プラス ミド組換えまたはファージ−プラスミド組換えを含む、本発明の他の実施態様に おいて使用され得る。しかし、特にウイルスの使用に関するいくつかのさらなる 注釈が適切である。組換えのための最初の基質は、プラスミドおよびウイルスベ クターの両方にクローニングされる。どの基質がウイルスベクターに挿入され、 そしてどの基質がプラスミドに挿入されるかということは、通常重要ではないが 、通常ウイルスベクターは、プラスミド由来の異なる基質を含むはずである。以 前のように、プラスミド(およびウイルス)は、代表的には、選択マーカーを含 む。プラスミドおよびウイルスベクターは共に、上記のように、トランスフェク ションによって細胞に導入され得る。しかし、より効率的な手順は、プラスミド で細胞をトランスフェクトし、トランスフェクタントを選択し、そしてウイルス でトランスフェクタントを感染させることである。多くのウイルスの感染の効率 は、細胞の100%にほぼ等しいので、この経路でトランスフェクションされそし て感染されたほとんどの細胞は、異なる基質を有するプラスミドおよびウイルス の両方を含む。 相同組換えは、プラスミドとウイルスとの間で起こり、組換えプラスミドおよ び組換えウイルスの両方を生成する。細胞内DNAが二本鎖および一本鎖の形態の 両方で存在する、フィラメント様ファージのようないくつかのウイルスについて は、その両方が組換えに関与し得る。ウイルスが迅速に細胞を殺すものでなけれ ば、組換えは、エレクトロポレーションまたは接合の使用によって増大されて、 細胞間でプラスミドを移動させ得る。組換えはまた、1つの細胞由来の子孫ウイ ルスが他の細胞に再感染することを可能にすることによって、ウイルスのいくつ かのタイプを増大させ得る。いくつかのウイルスのタイプについては、ウイルス 感染細胞は、重複感染に耐性を示す。しかし、このような耐性は、高多重度での 感染により、および/または重複感染に対する耐性が低下しているウイルスの変 異株を用いて克服され得る。 プラスミド含有細胞をウイルスで感染させた結果は、ウイルスの性質に依存す る。いくつかのウイルス(例えば、フィラメント様ファージ)は、細胞内でプラス ミドと共に安定に存在し、そしてまた細胞から子孫ファージを押し出す(Russel (1997)Gene 192:23-32を参照のこと)。他のウイルス(例えば、コスミドゲノ ムを有するλ)は、プラスミドのように、子孫ビリオンを産生することなく細胞 中に安定に存在する。他のウイルス(例えば、Tファージおよび溶解性λ)は、プ ラスミドとの組換えを受けるが、最終的には宿主細胞を殺しそしてプラスミドDN Aを破壊する。宿主を殺すことなく細胞に感染するウイルスについては、組換え プラスミドおよびウイルスを含む細胞が、プラスミド−プラスミド組換えと同様 のアプローチを使用して、スクリーニング/選択され得る。選択/スクリーニング を生き残った細胞によって押し出された子孫ウイルスはまた、回収されそして組 換えの次の回の基質として使用され得る。宿主細胞を殺すウイルスについては、 組換えから得られた組換え遺伝子は、子孫ウイルスにのみ残る。スクリーニング または選択アッセイが、細胞内での組換え遺伝子の発現を必要とする場合、組換 え遺伝子は、子孫ウイルスから別のベクター(例えば、プラスミドベクター)に移 され、そして選択/スクリーニングが行われる前に、細胞に再トランスフェクト されなければならない。 フィラメント様ファージについては、組換えの産物は、組換えを生き残ってい る細胞およびこれらの細胞から押し出されたファージの両方に存在する。組換え 産物の二元的な供給源は、プラスミド−プラスミド組換えと比較して、いくつか のさらなる選択肢を提供する。1つの実施態様では、DNAは、インビトロ組換え の回で使用するためにファージ粒子から単離され得る。別の実施態様では、子孫 ファージは、前の回のスクリーニング/組換えを生き残っている細胞、または組 換えのために新鮮な基質でトランスフェクトされた新鮮な細胞を、トランスフェ クトまたは感染するために使用され得る。 (c) ウイルス−ウイルス組換え 本発明の回帰的組換え方法はまた、ウイルス−ウイルス組換えを包含する。プ ラスミド−プラスミド組換えおよびプラスミド−ウイルス組換えについて記載し た原理は、いくつかの改変を加えて、ウイルス−ウイルス組換えに適用され得る 。組換えのための最初の基質は、ウイルスベクターにクローニングされる。好ま しい実施態様では、全ての基質について同じベクターが使用される。好ましくは 、ウイルスは、本来、または変異の結果、細胞を殺さないウイルスである。挿入 後、いくつかのウイルスゲノムは、インビトロでパッケージされ得る。パッケー ジされたウイルスは、高多重度で細胞を感染するために使用され、従って、細胞 が異なる基質を保有する複数のウイルスを受容する確率は高い。 初回の感染後の、次の工程は、前節で議論したような感染の性質に依存する。 例えば、ウイルスが、λコスミドまたはM13、FlまたはFdファージミドのような ファージミドゲノムを有する場合、ファージミドは、細胞内でプラスミドのよう に挙動し、そして単に細胞を増殖させることによって組換えを受ける。組換えは 、細胞内DNAの一本鎖の形態の間で特に効率的である。組換えは、細胞のエレク トロポレーションによって増大され得る。選択/スクリーニングに続いて、組換 え遺伝子を含むコスミドは、生き残っている細胞から(例えば、cos-溶原性宿主 細胞の熱誘導によって)回収され、インビトロで再パッケージされ、そしてさら なる回の組換えのために高多重度で新鮮な細胞を感染させるために使用され得る 。 ウイルスがフィラメント様ファージである場合、複製している形態のDNAの組 換えは、感染させた細胞の培養物を増殖させることによって起こる。選択/スク リーニングによって、特性が改善された組換え遺伝子を有するウイルスベクター を含む細胞のコロニーが、このような細胞から押し出されたファージと共に同定 される。次の選択肢は、プラスミド−ウイルス組換えと本質的に同じである。 (d) 染色体−プラスミド組換え 本発明の回帰的組換え方法はまた、染色体−プラスミド組換えを包含する。こ のフォーマットは、染色体およびプラスミドを保有する基質の両方を進化させる ために使用され得る。このフォーマットは、多くの染色体遺伝子が表現型に寄与 する状況、または進化させるべき染色体遺伝子の正確な位置が不明である状況で 、特に有用である。組換えのための最初の基質が、プラスミドベクターにクロー ニングされる。進化させる染色体遺伝子が既知である場合、基質は、高い程度の 配列同一性を示すが、染色体遺伝子といくらかの多様性を示す配列のファミリー を構成する。進化させる染色体遺伝子が位置づけされていない場合、最初の基質 は、通常、ごく少数のみしか進化させるべき遺伝子に対する配列同一性を示さな いDNAセグメントのライブラリーを構成する。プラスミド保有基質と染色体遺伝 子との間の多様性は、上記のように、変異誘発によって誘導され得るか、または 染色体を保有する細胞の種とは異なる種からプラスミド保有基質を得ることによ って誘導され得る。 組換えのための基質を保有するプラスミドが、新規なまたは改変された形質を 獲得するように進化/改変される染色体遺伝子を有する細胞にトランスフェクト される。回帰的組換えによる進化は、単に培養物を増殖させることによって起こ り得る。別の実施態様では、核酸配列改変は、接合またはエレクトロポレーショ ンによって細胞間でプラスミドを移動させることによって加速され得る。さらな る実施態様では、回帰的組換えによる進化は、ミューテーター宿主細胞の使用に よって、またはミューテーター性宿主細胞と共に進化している非ミューテーター 宿主細胞を播種しそしてエレクトロポレーションまたは接合によりプラスミドの 細胞内転移を誘導することによって、さらに加速され得る。好ましくは、播種に 用いられるミューテーター宿主細胞は、進化している非ミューテーター細胞の純 粋な培養物の単離を容易にするために、ネガティブな選択マーカーを含む。選択 /スクリーニングによって、所望の特性または機能を獲得または改変するように 進化した染色体および/またはプラスミドを保有する細胞が同定される。 組換えおよび選択/スクリーニングの次の回は、プラスミド−プラスミド組換 えについて記載した様式と同様の様式で進行する。例えば、さらなる組換えは、 プラスミドのエレクトロポレーションまたは接合の転移と組み合わせて、組換え を生き残っている細胞を増殖させることによってなされ得る。あるいは、組換え のためのさらなる基質を保有するプラスミドが、生き残っている細胞に導入され 得る。好ましくは、このようなプラスミドは、異なる不適合な群由来であり、そ して元のプラスミドと異なる選択マーカーを保有し、少なくとも2つの異なるプ ラスミドを含む細胞の選択を可能にする。さらなる代替として、プラスミドおよ び/または染色体DNAは、生き残っている細胞の部分集団から単離され、そして 第2の部分集団にトランスフェクトされ得る。染色体DNAは、トランスフェクシ ョンの前に、プラスミドベクターにクローニングされ得る。 (e) ウイルス−染色体組換え 本発明の回帰的組換え方法はまた、染色体−ウイルス組換えを包含する。先に 記載された実施態様におけるように、ウイルスは、通常、細胞を殺さないウイル スであり、そしてしばしばファージまたはファージミドである。手順は、実質的 にプラスミド−染色体組換えと同じである。組換えのための基質が、ベクター中 にクローニングされる。次いで、基質を含むベクターが、細胞へトランスフェク トされるか、またはインビトロでパッケージされ、そして感染によって細胞に導 入され得る。ウイルスゲノムは、単に培養物を増殖させることによって、宿主染 色体と組換わる。進化は、エレクトロポレーションによるウイルスゲノムに細胞 内で転移されることによって、または子孫ビリオンによる細胞の再感染によって 、加速され得る。スクリーニング/選択によって、新規なもしくは改変された特 性または所望の機能を獲得するように進化した染色体および/またはウイルスゲ ノムを有する細胞が同定される。 組換えの次の回について、いくつかの選択肢が存在する。例えば、ウイルスゲ ノムを、エレクトロポレーションによって選択/組換えを生き残っている細胞間 を移動させ得る。あるいは、選択/スクリーニングを生き残っている細胞から押 し出されたウイルスはプールされ、そして高多重度で細胞を重複感染させるため に使用され得る。あるいは、組換えのための新鮮な基質が、プラスミドまたはウ イルスベクターのいずれかで、細胞内に導入され得る。III .遺伝子治療において用いられるベクター 本発明は、遺伝子治療において用いるための回帰的組換えによってベクターを 改変する方法を提供する。広範にいえば、遺伝子治療ベクターは、移入される哺 乳動物細胞に対して医学的に有用な表現型効果を生じる外因性ポリヌクレオチド である。ベクターは、複製起点を有しても有さなくてもよい。例えば、患者への 投与の前のベクターの増殖のために、ベクター中に複製起点を含むことが有用で ある。しかし、複製起点は、ベクターが宿主染色体DNA中に組み込むかまたは宿 主mRNAまたはDNAに結合するように設計される場合、しばしば投与前に除去され 得る。遺伝子治療において用いられるベクターは、ウイルスまたは非ウイルスで あり得る。ウイルスベクターは、通常、ウイルスの成分として患者に導入される 。本発明の回帰的組換え方法によって改変される核酸を取り込む例示のベクター は、例えば、アデノウイルスに基づくベクター(Cantwell(1996)Blood 88:4676- 4683;Ohashi(1997)Proc Natl Acad Svi USA 94:1287-1292)、エプスタインバ ールウイルスに基づくベクター(Mazda(1997)J Immunol Methods 203:143-151) 、アデノウイルス随伴ウイルスベクター、シンドビスウイルスベクター(Strong (1997)Gene Ther 4:624-627)、単純ヘルペスウイルスベクター(Kennedy(199 7)Brain 120-1245-1259)およびレトロウイルスベクター(Schubert(1997)Curr Eye Res 16:656-662)を含む。 非ウイルスベクター(代表的には、dsDNA)は、裸のDNAとして移入され得るか 、または移入増強ビヒクル(例えば、レセプター認識タンパク質、リポソーム、 リポアミン、またはカチオン性脂質)と関連され得る。このDNAは、当該分野で 周知の種々の技術を用いて細胞に移入され得る。例えば、裸のDNAは、細胞膜と 融合するかまたは飲食作用を受けるリポソームの使用により(すなわち、飲食作 用を生じる細胞の表面膜タンパク質レセプターに結合する、リポソームに付着さ れたまたはDNAに直接付着されたリガンドを用いることにより)、送達され得る 。あるいは、細胞は、宿主細胞を損傷することなく細胞へのDNAの輸送を増強す る ために透過処理され得る。当業者は、DNAを細胞に輸送することが知られるDNA結 合タンパク質(例えば、HBGF-1)を使用し得る。裸のDNAを細胞に送達するため のこれらの手順は、インビボで有用である。例えば、リポソームを用いることに より、特に、リポソーム表面が標的細胞に特異的なリガンドを有する場合、そう でなければ特定の器官に優先的に指向される場合、当業者は、インビボでの標的 細胞/器官へのDNAの導入を提供し得る。 A.ウイルスに基づく方法 種々のウイルスベクター(例えば、レトロウイルス、アデノウイルス、アデノ 随伴ウイルスおよびヘルペスウイルス)は、遺伝子治療において用いられる。そ れらは、しばしば2つの成分、改変ウイルスゲノムおよびそれを取り巻く外被構 造で構成される(一般には、Smith(1995)Annu.Rev.Microblol.49,807-838 を参照のこと)が、時にウイルスベクターは裸形態で導入され得るか、またはウ イルスタンパク質以外のタンパク質で被覆されている。ほとんどの近年のベクタ 一は、野生型ウイルスに類似の外被構造を有する。この構造は、ウイルス核酸を パッケージして保護し、そして標的細胞に結合し侵入する手段を提供する。しか し、遺伝子治療のために設計されたベクター中のウイルス核酸は、多様に変化さ れ得る。これらの変化の目標は、利用可能なパッケージング細胞またはヘルパー 細胞におけるベクター形態での増殖能を維持しながら標的細胞におけるウイルス の増殖を不能にすること、外因性DNA配列の挿入のためにウイルスゲノム内に間 隙を提供すること、および目的の遺伝子をコードする新規な配列を取り込み、そ の適切な発現を可能にすることである。従って、ベクター核酸は、一般に、2つ の成分を含む:ヘルパー株における複製およびパッケージング用の必須シス作用 ウイルス配列および外因性遺伝子のための転写単位。他のウイルス機能は、特定 のパッケージング細胞株またはヘルパー細胞株においてトランスで発現される。 (1) レトロウイルス レトロウイルスは、ウイルスゲノムとして一本鎖RNAを含む大きなクラスの包 膜ウイルスを含む。正常なウイルス生活環の間、ウイルスRNAは逆転写されて、 宿主ゲノムに組み込み、そして長期にわたって発現される二本鎖DNAを生じる。 結果として、感染細胞は、宿主細胞に明らかに有害なことなくウイルスを連続的 に脱屑する。ウイルスゲノムは小さく(約10kb)、そしてそのプロトタイプ編成 は極度に単純であり、gag、群特異的抗原、またはコアタンパク質;pol、逆転写 酵素;およびenv、ウイルスエンベロープタンパク質をコードする3つの遺伝子 を含む。RNAゲノムの末端は、長末端反復(LTR)と呼ばれ、そしてプロモーター およびエンハンサー活性および組み込みに関与する配列を含む。ゲノムはまた、 別個のエンベロープmRNAの生成のために、ウイルスRNAのパッケージングに必要 な配列およびスプライスアクセプターおよびドナー部位を含む。ほとんどのレト ロウイルスは複製細胞にのみ組み込み得るが、ヒト免疫不全ウイルス(HIV)は 例外であるようである。この特性は、遺伝子治療のためのベクターとしてレトロ ウイルスの使用を制限し得る。 レトロウイルスベクターは、比較的単純であり、5'および3'LTR、パッケージ ング配列、および目的の遺伝子で構成される転写単位(これは典型的には発現カ セットである)を含む。このようなベクターを増殖するために、いわゆるパッケ ージング細胞株を用いて欠失ウイルス機能をトランスで提供しなければならない 。このような細胞は、gag、polおよびenvの組み込みコピーを含むが、どのヘル パーウイルス配列もキャプシド化されないようにパッケージングシグナルを欠く ように操作される。ベクターおよびパッケージング細胞に付加されるかまたはそ こから除去されるさらなる特徴は、ベクターをより効果的にするかまたはヘルパ ーウイルスによる共存の可能性を減少させる試みを反映する。 レトロウイルスベクターの主な利点は、それらが染色体に組み込み、従って潜 在的に長期発現を可能にし得ることである。それらは、比較的多い量の増殖され 得るが、ヘルパーウイルスが存在しないことを確実にするための注意が必要とさ れる。 (2) アデノウイルス アデノウイルスは、線状二本鎖DNAを含む大きなクラスの非包膜ウイルスを含 む。このウイルスの正常な生活環は、細胞分裂を必要としないが、許容細胞にお ける増殖的感染を包含し、この間、大量のウイルスが蓄積する。増殖的感染周期 は、細胞培養において約32〜36時間かかり、二相(初期相は、ウイルスDNA合成 前であり、そして後期相は、構造タンパク質およびウイルスDNAが合成されてビ リオンに構築される間である)を含む。一般に、アデノウイルス感染は、ヒトに おける軽度の疾患に関連する。 アデノウイルスベクターは、レトロウイルスまたはAAVベクターより幾分大き くかつより複雑である。これは、部分的には、ウイルスゲノムのほんの少しの割 合のみが現行のほとんどのベクターから取り出されるためである。さらなる遺伝 子が取り出される場合、それらは、ベクターを生成するためにトランスで提供さ れる。このことは、これまで困難であることが分かっている。代わりに、アデノ ウイルスに基づくベクターの2つの一般的なタイプが研究されている(E3欠失ベ クターおよびE1欠失ベクター)。野生型の実験ストックにおけるいくつかのウイ ルスはE3領域を欠き、そしてヘルパーの不在下で増殖し得る。この能力は、E3遺 伝子産物が野生型では必要とされないことを意味しているのではなく、単に、培 養細胞における複製がそれらを必要としないことを意味している。E3領域の欠失 は、増殖的感染を可能にするベクターを生成するための外因性DNA配列の挿入お よび比較的大量のコードタンパク質の一過性の合成を可能にする。 E1領域の欠失は、アデノウイルスを不能にするが、このようなベクターはなお 増殖され得る。これは、Ad5のE1領域を含み、かつE1タンパク質を構成的に発現 する樹立ヒト細胞株(「293」と称する)が存在するからである。アデノウイル スを包含するほとんどの近年の遺伝子治療適用は、291細胞において増殖したE1 置換ベクターを使用している。 アデノウイルスベクターの主な利点は、それらが、広範な細胞および組織にお ける効率的なエピソーム遺伝子移入を可能にすること、およびそれらが容易に大 量に増殖することである。主な欠点は、ウイルスに対する宿主応答が、発現の期 間および投与を繰り返す能力を制限するようであり、少なくとも高用量の第一世 代ベクターを必要とする。 別の実施態様では、本発明の回帰的組換え方法は、大きさが10kbを超えるDNA 挿入片をパッケージングし得る新規なアデノウイルス−ファージミドを構築する ために用いられる。本発明の方法を用いるプラスミドにおけるファージf1起点の 取り込みはまた、ウイルスの全ゲノム(例えば、ヒトアデノウイルスの36kbファ ミリー)を進化させ得る新規なインビボシャッフリングフォーマットを生成する 。 広範に用いられているヒトアデノウイルス5型(Ad5)は、36kbのゲノムサイズ を有する。この大きなゲノムを、インビトロで、高い割合の非生存組換え改変体 を引き起こし得る過剰な数の変化を生じさせることなくシャッフリングすること は困難である。この問題を最小にし、Ad5の全ゲノムシャッフリングを達成する ために、アデノウイルス−ファージミドが構築された。本発明のAd-ファージミ ドは、15kbおよび24kb程度の大きさの挿入片を受容し、そしてそのサイズのssDN Aを有効に生成することが示された。さらなる実施態様では、より大きなDNA挿入 片(50〜100kb程度の大きさ)が本発明のAd-ファージミドに挿入される;それら の大きな挿入片に相当する全長ssDNAを生成する。このような大きなssDNAフラグ メントの生成は、全ウイルスゲノムを進化させる(すなわち、本発明の回帰的組 換え方法により改変する)手段を提供する。従って、本発明は、大きなDNA挿入 片(>10KB)をクローニングし得、そしてそれらの大きな挿入片に相当して、ss DNAを、インビトロおよびインビボで生成し得る独特のファージミド系を初めて 提供する。 ヒトアデノウイルスの関連する血清型のゲノムは、実施例4に記載され、そし て図6に例示されるように、この特有のファージミド系を用いてインビボでシャ ッフリングされる。ゲノムDNAは、最初にファージミドベクターにクローニング され、そして得られるプラスミド(「Admid」と称する)を用い、ヘルパーM13を 用いることにより、一本鎖(ss)Admidファージを作製し得る。インビボ組換え を達成するために、同種ヒトアデノウイルスのゲノムを含有するssAdmidファー ジを用いて、F+mutS E.coli細胞に高い感染多重度(MOI)を果たす。ssDNAは、R ecAのような組換え酵素のより良好な基質である。高いMOIは、感染したssAdmid DNAのコピー間の複数の交差が高い確率を確実にする。シャッフルされたアデノ ウイルスゲノムは、感染細胞からの二本鎖Admid DNAの精製により作製され、そ して許容性ヒト細胞株に導入されてアデノウイルスライブラリーを生成する。こ のゲノムシャッフリングストラテジーは、複数の遺伝子に変更を有する組換えア デノウイルス改変体の作製のために有用である。このことは、複数の遺伝子にお ける改変の組合せから生じる組換え改変体表現型のスクリーニングまたは選択を 可能にする。(3) アデノ随伴ウイルス(AAV) AAVは、線状一本鎖DNAを含有する、小さく単純な非自律性ウイルスである。Mu zycka,Current Topics Microbiol.Immmunol.158,97-129(1992)を参照のこと 。このウイルスは、複製するために、アデノウイルスまたは特定の他のウイルス の同時感染を必要とする。AAVは、ウイルスに対する抗体により証明されるよう に、ヒト集団に広く行き渡っているが、任意の公知の疾患には関連しない。AAV ゲノム構成は、2つの遺伝子(repおよびcap)のみを含み、単純である。ゲノム の末端は、約145ヌクレオチドの末端反復(ITR)配列を含む。 AAVベースのベクターは、代表的には、目的の転写皐位に隣接するITR配列のみ を含む。ベクターDNAの長さは、4680ヌクレオチドのウイルスゲノムの長さを大 幅には超え得ない。現在、AAVベクターの増殖は、厄介であり、そしてベクター 自体だけでなくヘルパー機能を提供するrepおよびcapをコードするプラスミドも 宿主細胞中に導入することを含む。ヘルパープラスミドはITRを欠き、結果的に 複製およびパッケージングし得ない。さらに、アデノウイルスのようなヘルパー ウイルスがしばしば必要とされる。AAVベクターの潜在的な利点は、これらが、 必ずしもそうであるとはかぎらないがおそらく分裂していない細胞において長期 発現をし得るようであることである。なぜなら、ウイルスDNAが組み込まれるか らである。ベクターは、構造的に単純であり、それゆえこれらはアデノウイルス よりも少ない宿主細胞応答を誘発し得る。現在の主要な制限は、AAVベクターを 大量に増殖させることが非常に困難であることである。 B.非ウイルス遺伝子移入方法 遺伝子治療に用いられる非ウイルス核酸ベクターは、プラスミド、RNA、アン チセンスオリゴヌクレオチド(例えば、メチルホスホネートまたはホスホロチオ エート)、ポリアミド核酸、および酵母人工染色体(YAC)を含む。このような ベクターは、代表的に、タンパク質またはRNAを発現するための発現カセットを 含む。このような発現カセットにおけるプロモーターは、構成的、細胞型特異的 、段階特異的、および/または調節性(例えば、グルココルチコイドのようなホ ルモン;MMTVプロモーターによる)であり得る。転写は、ベクター中にエンハン サー配列を挿入することにより、増加し得る。エンハンサーは、プロモーターに よ る転写を増加させる10〜300塩基対の間のシス作用性配列である。エンハンサー は、転写単位に対して5'または3'のいずれかの場合に転写を有効に増加させ得る 。これらはまた、イントロン内またはコード配列自体の内に位置する場合、有効 である。代表的には、ウイルスエンハンサーが用いられ、これらは、SV40エンハ ンサー、サイトメガロウイルスエンハンサー、ポリオーマエンハンサー、および アデノウイルスエンハンサーを含む。哺乳動物系からのエンハンサー配列(例え ば、マウス免疫グロブリン重鎖エンハンサー)もまた、通常使用される。 全ての種類の遺伝子治療ベクターはまた、選択マーカー遺伝子を含む。適切な マーカーの例は、ジヒドロ葉酸レダクターゼ遺伝子(DHFR)、チミジンキナーゼ 遺伝子(TK)、または薬物耐性を与える原核生物遺伝子gpt(ミコフェノール酸 (mycophenolic acid)で選択し得るキサンチングアニンホスホリボシルトラン スフェラーゼ;G418、ハイグロマイシン、またはプロマイシンで選択され得るne o(ネオマイシンホスホトランスフェラーゼ);およびメトトレキサートで選択 され得るDHFR(ジヒドロ葉酸レダクターゼ))を含む(MulliganおよびBerg,Pr oc.Natl.Acad.Sci.(U.S.A.)78,2072(1981);SouthernおよびBerg,J.Mol .Appl.Genet.1,327(1982))。 組込み前に、ベクターは、今までに発現されたDNAの単に非常に微量の画分し かもたらし得ない多くの障壁を通過しなければならない。高レベルの遺伝子発現 に対する制限は、以下を含む:血液および組織中に存在するヌクレアーゼによる ベクターの喪失;細胞への非効率的な侵入;細胞の核へのDNAの非効率的な侵入 および他の区画へのDNAの優先度;核におけるDNA安定性の欠如(核安定性を制限 する因子は、他の細胞区画および細胞外区画に影響を与える因子とは異なり得る )、染色体への組込みの効率;ならびに組込み部位。 これらの潜在的な効率の喪失は、さらなる配列を、治療に影響を与える産物が 発現される発現カセット以外の非ウイルス性ベクター中に含ませることにより取 り組まれ得る。さらなる配列は、細胞の外側および内側の両方での安定性を与え ること、細胞中に侵入するのを媒介すること、細胞の核に侵入するのを媒介する こと、および核DNA内での組込みを媒介することに役割を有し得る。例えば、ア プタマー用DNA構造または他のタンパク質結合部位を用いて、細胞表面レセプタ ーまたはレセプターに結合する血清タンパク質へのベクターの結合を媒介し、そ れにより、細胞内へのDNA移入の効率を増加させ得る。 他のDNA配列は、特定の区画のシャッフリング、および核への逸脱または侵入 がより効率的である他の区画への優先を直接的または間接的にもたらす。他のDN A部位および構造は、直接的または間接的に、核膜におけるレセプターまたは核 に入る他のタンパク質に結合し、それによりベクターの核取り込みを容易にする 。他のDNA配列は、直接的または間接的に組み込みの効率に影響を与える。相同 組換えによる組込みについて、重要な因子は、染色体配列に対する相同性の程度 および長さ、ならびにゲノム中のこのような配列の頻度(例えば、alu反復)で ある。相同組換えを媒介する特異的配列もまた重要である。なぜなら、組込みは 、転写活性なDNAにおいてずっと容易に生じるからである。相同標的化構築物を 構築するための方法および材料は、例えば、Mansour(1988)Nature 336:348;Br adley(1992)Bio/Technology 10:534により記載される。 非相同性の非正統的かつ部位特異的組換えについて、組換えは、上記でインビ トロの系について議論したように、細胞がコードする組換えタンパク質(例えば 、Cre/LoxおよびFlp/Frt系)と相互作用する治療ベクター上の特定の部位に媒介 される。LoxP部位を含むベクターが、Cre組換え酵素の存在下で染色体DNA中のLo xP部位で組み込まれるようになることを報告する、Baubonis(1993)Nucleic Ac ids Res.21:2025-2029もまた参照のこと。 遺伝子治療において有用な産物をコードする非ウイルス性ベクターは、リポフ ェクション、遺伝子銃(biolistic)、ウイロソーム(virosome)、リポソーム 、免疫リポソーム、ポリカチオン:核酸結合体、裸のDNA、人工ビリオン、DNAの 薬剤増強取り込み、エクスビボ形質導入のような手段により動物に導入され得る 。リポフェクションは、例えば、米国特許第5,049,386号、米国特許第4,946,787 号;および米国特許第4,897,355号に記載され、そしてリポフェクション試薬は 、市販されている(例えば、TransfectamTMおよびLipofectinTM)。ポリヌクレ オチドの効率的なレセプター認識リポフェクションに適切であるカチオン性脂質 および中性脂質は、Felgner,WO 91/17424,WO 91/16024の脂質を含む。 パッケージングビリオン粒子のサイズ制限により比較的小さな非ウイルス性ポ リヌクレオチド配列しかウイルスゲノム中に挿入し得ない現存するウイルスベー ス遺伝子治療ベクターとは異なり、裸のDNAまたはリポフェクション複合体を用 いて、大きな(例えば、50〜5,000kb)外因性ポリヌクレオチドを細胞中に移入 し得る。非ウイルス性ベクターのこの特性は、特に有利である。なぜなら、治療 により送達され得る多くの遺伝子は、100キロベースにわたり(例えば、アミロ イド前駆体タンパク質(APP)遺伝子、ハンチントン舞踏病遺伝子)、そして大 きな相同標的化構築物またはトランスジーンは、効率的な組込みのために必要と され得る。必要に応じて、このような大きな遺伝子は、標的細胞に、2つ以上の フラグメントとして送達され得、そして細胞内の相同組換えにより再構築され得 る(WO 92/03917を参照のこと)。 C.遺伝子治療の適用 遺伝子治療ベクターは、個々の患者への投与、代表的には全身投与(例えば、 静脈内、腹腔内、筋肉内、皮下、頭蓋内)または局所適用によりインビボで送達 され得る。あるいは、ベクターは、個々の患者から外植された細胞(例えば、リ ンパ球、骨髄吸引物、組織生検)または汎用ドナー造血幹細胞のような細胞にエ クスビボで送達され、続いて、通常、ベクターを取り込んだ細胞についての選択 後に患者への細胞に再移植され得る。 重要な適用は、特に、劣性遺伝子の野生型対立遺伝子を両方欠く患者における 先天性疾患の処置である。ベクターは、患者における対応する遺伝子産物が存在 しないのを代償する、この産物の合成を可能にする遺伝子の野生型対立遺伝子を 導入する。劣性疾患の例は、鎌状赤血球貧血、βサラセミア、フェニルケトン尿 症、ガラクトース血症、ウィルソン病、ヘモクロマトーシス、重症複合免疫不全 、α-1-アンチトリプシン欠損症、白皮症、アルカプトン尿症、リソソーム蓄積 症、エーレルス-ダンロー症候群、血友病、無ガンマグロブリン血症、尿崩症、 レッシュ-ナイハン症候群、筋ジストロフィー、ヴィスコット-オールドリッチ症 候群、ファブリー病、および脆弱X症候群を含む。 遺伝子治療の別の適用は、病原性生物による感染に対する細胞の耐性を増加さ せる遺伝子を導入することである。遺伝子は、患者のゲノムに見出されない微生 物における配列に対するアンチセンスRNAをコードし得る。あるいは、遺伝子は 、 微生物に対して阻害性のタンパク質をコードし得る。遺伝子治療により阻害され 得る微生物の例は、ウイルス性疾患(例えば、肝炎(A型、B型、またはC型) 、ヘルペスウイルス(例えば、VZV、HSV-1、HAV-6、HSV-II、CMV、およびEBV) 、HIV、アデノウイルス、インフルエンザウイルス、フラビウイルス、ECHOウイ ルス、ライノウイルス、コクサッキーウイルス、コロナウイルス(cornovirus) 、RSウイルス、流行性耳下腺炎ウイルス、ロタウイルス、麻疹ウイルス、風疹ウ イルス、パルボウイルス、ワクシニアウイルス、HTLVウイルス、デングウイルス 、乳頭腫ウイルス、軟ゆうウイルス、ポリオウイルス、狂犬病ウイルス、JCウイ ルス、およびアルボウイルス脳炎ウイルス)ならびに病原性細菌(例えば、クラ ミジア属、リケッチア属細菌、ミコバクテリア属、ブドウ球菌、肺炎球菌、髄膜 炎菌、および円錐球菌(conococci)、クレブシエラ属、プロテウス属、セラチ ア属、シュードモナス属、レジオネラ属、ジフテリア、サルモネラ属、バチルス 属、コレラ、破傷風、炭痕、ペスト、レプトスピラ症、およびライム病細菌)を 含む。例えば、HIV配列TatおよびRev(Maliamら,Nature 338,254(1989))は、 アンチセンスRNAまたはRNA結合タンパク質に適切な標的である。 遺伝子治療のさらなる適用は、患者におけるガン細胞への薬物の選択的毒性を 増加させる目的での患者における非ガン性細胞への薬物耐性遺伝子の送達である 。例えば、化学療法剤への耐性を与えるポリヌクレオチド(例えば、hALDH-1ま たはhALDH-2遺伝子の構成的発現を駆動する発現カセットは、シクロホスファミ ドへの耐性を与え得る)は、非腫瘍性細胞、特に造血細胞に移入され得る。 別の適用では、遺伝子治療ベクターを用いて、ネガティブな選択遺伝子が、選 択除去が所望される患者の細胞(例えば、ガン細胞または病原の細胞)に送達さ れる。ネガティブ選択遺伝子の例は、リシンまたはジフテリア毒素、およびHSV チミジンキナーゼ(tk)を含む。このような遺伝子を有するベクターは、ベクタ ーが特異的親和性を有する細胞表面レセプターを介して標的細胞に選択的に導入 され得る。ネガティブ選択遺伝子の発現は、(HSV tkの場合ガンシクロビルの存 在下で)遺伝子を有する細胞を殺傷する。 別の適用では、遺伝子治療ベクターを、感染の危険性がある被験体に保護を与 えるため、またはすでに感染した被験体を処置するためのワクチンとして用い得 る。このようなベクターは、病原性微生物の免疫原性エピトープをコードし、そ して患者においてエピトープ、特に最初に感染の危険性がある標的組織(例えば 、口腔粘膜および生殖器粘膜)において発現する。III .遺伝子治療への回帰的配列組換えの適用 本発明の方法は、遺伝子治療に用いられる方法および材料(インビボ、エクス ビボ、およびインビトロ系で使用するための動物、細胞、およびベクターを含む )を進化または改善するために使用され得る。本節は、遺伝子治療における特定 の目標のための回帰的配列組換えの適用を議論する。これらの目標の多くは、遺 伝子治療に用いられるベクターの改善に関する。他に示さない限り、この方法は 、ウイルスベクターおよび非ウイルス性ベクターの両方に適用可能である。 (A) ウイルスベクターの改善された力価 1つの実施態様では、改善された力価を有するウイルスは、本発明の回帰的組 換え方法を用いて進化され得る。高いウイルス力価の特性は、遺伝子治療におい て薬剤としてインビトロで用いるための多量のウイルスを増殖させるという利点 であり得る。この特性はまた、ウイルスが宿主組織において複製し、その結果、 子孫ウイルスが最初に感染した細胞を取り囲む細胞を感染することが所望される 場合、有用である。ウイルスの力価は、回帰的配列組換えにより改善され得る。 組換えの最初の基質は、天然の改変または誘導された改変の結果として配列分岐 を示すウイルスゲノムであり得る。基質は、全ゲノムまたはウイルスゲノムの一 部が高い力価を与える際に特に重要であることが公知であるそのフラグメントで あり得る。基質は、インビトロで組換えされ得るか、または細胞に導入されてそ してインビボで組換えられ得る。インビボでの組換えは、直接スクリーニングさ れ得る子孫ウイルスを作製するために用いられ得る。しかし、インビトロでの組 換えは、組換えゲノムまたはそのフラグメントを導く。全組換えゲノムは、パッ ケージング細胞株またはインビトロのパッケージング系を用いてウイルスにパッ ケージングされ得る。ゲノムのフラグメントは、通常、最初にDNA連結によりア センブルされ得る。続いて、これらは、パッケージングの前にウイルスゲノムに 挿入される。正確な経路とは無関係に、そのゲノムの少なくとも一部が組換えセ グメントを構成するゲノムを有するウイルス集団に達し得る。 組換えゲノムを有するウイルスの収集は、単にウイルスを細胞培養物中で数世 代増殖させることによりスクリーニングされ得る。それにより、最大の力価を有 するウイルスは、子孫ウイルスの間で最大の提示を獲得する。所望の場合、ウイ ルスは、プラーク精製され得、そして個々のウイルスの力価が比較されて極めて 最良の力価のウイルスを、1回の組換えから同定し得る。あるいは、ウイルスは 、系列希釈により精製されて極めて最良の力価ウイルスを1回の組換えから決定 し得る。 スクリーニングを切り抜けたウイルスからのゲノムは、さらに1回の組換えに 供され、これは再度インビボまたはインビトロで実施され得る。インビボでの組 換えについては、組換えセグメントを含有するゲノムを有するウイルスは、例え ば、高い多重度で細胞に感染され得る。インビボでの組換えについては、ウイル スDNAを有するウイルスから単離される。スクリーニングを切り抜けたウイルス からのゲノムは、相互に、または最初の基質と類似の供給源からの新たな基質と 組換えられ得る。いくつかの組換え工程では、サイレント変異を減少させるため に、過剰の野生型版のウイルスゲノムを含めることが望ましい。さらに、組換え は、全ゲノムまたはそのフラグメントで実施され得る。選択が以前のように繰り 返される。 数回の組換えおよび選択の後、所望の力価を生じ得るウイルス変異体またはク ローンが得られ得る。例えば、感染細胞培養の濃縮を伴わずに、少なくとも106 、108、または1010ウイルス/mlの進化したウイルスの濃縮を達成することが可 能である。 (B) ウイルスの改善された感染性 ウイルスの感染性は、ウイルス接種物が過剰の細胞と接触した際に細胞に感染 するウイルスの%を意味する。高い感染性を得ることは、意図される標的細胞型 に関して特に重要である。従って、ウイルスベクターは、有益な発現産物を標的 組織(例えば、機能的内因性CFTR遺伝子を欠く肺細胞)に送達するために用いら れ、出来る限り高い%のウイルスがその細胞型に感染することが通常望ましい。 組換えの基質および手段の選択は、改善されたウイルス力価についての議論と 同じ原理に従う。しかし、組換えゲノムを有するウイルスをスクリーニングする 手段は、通常異なる。以前の選択は、高い感染性を有するウイルスを必ずしも選 択しない。なぜなら、高い力価はまた、1細胞あたりの高い放出量により与えら れ得るからである。高い感染性について、より詳細にスクリーニングするために 、組換えセグメントを有するウイルスのクローン単離物を用いて、細胞の別々の 培養物に感染させる。次いで、ウイルス感染細胞の%は、例えば、感染の過程で ウイルスにより発現されるマーカーを発現する細胞を計数することにより決定さ れ得る。数回の組換えおよびスクリーニングの後、標的細胞の50、75、95、また は99%に感染し得る組換えゲノムを有するウイルスが得られる。(C)ウイルスの改良されたパッケージング能力 漸増容量の組換え核酸配列を組み込む能力を有するのウイルスおよびベクター (例えば、ウイルスキャプシド内の改良されたパッケージング能力を有する)は 、本発明の再帰組換え方法を用いて進化され得る。上記のように、遺伝子治療に おいて一般に使用されるウイルスは、制限されたゲノム長のみをパッケージング し得、従って、大きな挿入物を収容するウイルスの能力を制限し得る。ウイルス の能力は、上記に議論した原理に類似の原理を使用して改良され得る。これらの 方法において、延長されるウイルスゲノムは、他のウイルス機能に影響すること なく核酸の漸増長が連続的な回数のスクリーニングにおいて挿入され得る部位を 有するべきである。まず、あわせたゲノムの長さがウイルスの存在する最大の能 力に近いような挿入物を有するウイルスゲノムで開始し得る。他の方法における ように、組換え開始物質は、改変ウイルスゲノムである。改変体は、通常、長さ を付与する挿入物以外で生じる。なぜなら、この挿入物は、ベクターの実際の使 用において置換されるからである。出発物質の1つの供給源は、進化されるウイ ルスに類似する配列を示すことが公知であるが、より大きなゲノムのパッケージ ング容量を有するウイルスゲノムであり得る。組換えは、上記に考証されるのと 同様の様式で進行する。次いで、組換えゲノムを有するウイルスを、上記のよう に力価または感染性についてスクリーニングする。最良の力価および/または感 染性を有するウイルス由来の組換えゲノムを操作して、ゲノム長を増大させるた めにさらなる挿入物を導入する。ウイルスが所望の大きさの挿入物を収容し得る こ とを達成するまで、組換え、スクリーニング、およびゲノム長の増大のさらなる サイクルを続ける。例えば、存在する最大のアデノ随伴ウイルスベクターにおい て使用される最大の挿入物の大きさは、約5kbであり、これは、10、15、20、ま たは50kb以上にまで増大し得る。 (D)ウイルスの安定性の改良 改良された安定性を有するウイルスは、本発明の再帰組換え方法を用いて進化 され得る。遺伝子治療における使用のためのウイルスの安定性は、製造と投与と の間の薬物としてのウイルスの寿命を延長すること、および続いて標的に達する 前の細胞の分解機構に抵抗するためのウイルスの能力の両方において重要である 。出発物質および組換えの実施の選択のための原則は、上記に記載される他の方 法と同様である。進化されてより大きな安定性を獲得した組換えゲノムを有する ウイルスは、ウイルスを不安定化条件に曝し、そして生存ウイルスを回収するこ とにより選択され得る。例えば、温度(熱いか冷たいか)、機械的破壊(例えば 、遠心分離または超音波処理)、化学薬品への曝露または生物学的分解剤(例え ば血清プロテアーゼのようなプロテアーゼ)への曝露である。不安定化条件への 曝露に生き残ったウイルスは、処理したウイルスの増殖および子孫の収集により 同定される。ときどき、1世代または限定数の世代の間だけ増殖が進行する。な ぜなら、そうでなければ、子孫ウイルスは、安定性を付与するゲノムを有するウ イルスに加えて高力価に好都合なゲノムを有するウイルスに偏向されるからであ る。 (E)ベクターコード配列の改良された発現または発現調節 目的の遺伝子配列の発現の改良は、本発明の再帰配列組換え方法を実施するこ とにより達成され得る。通常、遺伝子治療において使用されるウイルスベクター または非ウイルスベクターは、意図される標的細胞において発現される産物をコ ードする。産物は、タンパク質またはRNAであり得、例えば、アンチセンスRNAま たは標的タンパク質に特異的に結合するRNA(すなわち、アプタマー)であり得 る。通常、コード配列は、さらなる配列(例えば、制御配列)に作動可能に連結 されて、その発現を確実にする。例えば、以下のいくつかまたは全ての配列であ る:エンハンサー、プロモーター、シグナルペプチド配列、イントロンおよび/ またはポリアデニル化配列である。所望の目的は、従来のベクターで達成される 発現レベルと比較しての、機能性発現産物の発現レベルを上昇させることである 。発現は、種々の手段(発現産物の産生速度の上昇、発現産物の分解速度の減少 、または意図される機能を実施する発現産物の能力の改良を含む)により効率的 に改良され得る。 選択マーカーの発現の改良は、再帰配列組換えを実施することにより達成され 得る。選択の目的のために、ベクターから発現される遺伝子産物は、ときとして 、実際の治療目的を有する産物よりも容易に検出されるマーカー(例えば、グリ ーン蛍光タンパク質(Crameri(1996)Nature Biotech,14:315-319を参照のこ と))または細胞表面タンパク質である。しかし、治療目的を有するいくつかの 遺伝子(例えば、薬物耐性遺伝子)自身は、選択マーカーを提供し、そしてさら なるまたは代替のマーカーを必要としない。あるいは、遺伝子産物は、検出マー カーおよび選択マーカーの任意の組合せを含む融合タンパク質であり得る。 組換えのための物質は、コード配列および/またはそのコード配列に作動可能 に連結した制御配列を含む全長ベクターまたはそのフラグメントであり得る。こ の物質は、ベクターに存在する制御配列および/またはコード配列のいずれかの 改変体を含み得る。組換えがフラグメントのレベルで達成される場合、組換えセ グメントは、スクリーニングの前にベクターに再び挿入されるべきである。組換 えがインビトロで進行する場合、組換えセグメントを含むベクターは、通常スク リーニングの前に細胞に導入される。組換えセグメントを含む細胞は、選択マー カーによりコードされる遺伝子の発現を検出することによりスクリーニングされ 得る。内部参照マーカー遺伝子が、コピー数または挿入部位における変異を検出 しそして補正するためにベクターに含まれ得る。例えば、このマーカーがグリー ン蛍光タンパク質である場合、最高の発現レベルを有する細胞は、FACSTMにより 同定され得る。マーカーが細胞表面タンパク質である場合、細胞は、そのタンパ ク質と親和性を有する試薬(例えば、抗体)で染色され、そして再びFACSTMによ り分析される。最高の発現を示す細胞からの組換えセグメントは、次の回のスク リーニングにおけるいくつかのまたはすべての物質として使用される。 サイトメガロウイルス転写制御エレメントの開発 サイトメガロウイルス(CMV)の主要な前初期(IE)領域転写制御エレメント (プロモーター配列およびエンハンサー配列(プロモーター/エンハンサー領域 )を含む)は、遺伝子治療のために使用されるベクターにおける転写を制御する ために広範に使用されている。なぜなら、これは、広範な細胞型において非常に 活性であるからである。導入遺伝子のレベルの増加を指向する最適化されたCMV 転写制御エレメントは、本発明の再帰組換え方法により生成され、これは遺伝子 治療の効力を改良する。CMVプロモーターおよびエンハンサーがヒト細胞および 動物細胞において活性であるので、改良されたCMVプロモーター/エンハンサー エレメントを使用して、動物モデルおよび臨床適用の両方において、外来遺伝子 を発現させる。 キメラ転写制御エレメントのライブラリーは、CMVの5つの関連する株由来の 野生型配列のDNAシャフリングにより作製される。IE領域のプロモーター配列、 エンハンサー配列、および第一のイントロン配列は、CMV株からのPCRにより得ら れる:ヒトVR-538株AD169(Rowe(1956)Proc.Soc.Exp.Biol.Med.92:418;ヒトV-97 7株Towne(Plotkin(1975)Infect.Immunol.12:521-527);アカゲザルVR-677株68-1 (Asher(1969)Bacteriol.Proc.269:91);ベルベットVR-706株CSG(Black(1963)Pro c.Soc.Exp.Biol.Med.112:601)およびリスザルVR-1398株SqSHV(Rangan(1980)Lab. Animal Sci.30:532)。ヒトCMV株のプロモーター/エンハンサー配列は、サル単 離物の配列と、95%相同であり、そして70%の相同性を有する。これは、ライブ ラリーの多大な多様性を生成するためのファミリーシャフリングの使用を可能に する。シャフリングの後、ライブラリーをプラスミド骨格にクローニングし、そ してこれを使用して哺乳動物細胞におけるマーカー遺伝子の転写を指向させる。 天然のプロモーターの制御下の内部マーカーは、プラスミドベクターに含まれ得 る。発現マーカー(例えば、グリーン蛍光タンパク質(GFP)およびCD86(B7.2 としても知られる、Freeman(1993)J.Exp.Med.178:2185,Chen(1994)J.Immunol.15 2:4929を参照のこと)もまた使用され得る。さらに、SV40T抗原形質転換細胞の トランスフェクションを使用して、SV40複製起点を含むベクターを増幅し得る。 トランスフェクトされた細胞は、高レベルのマーカー遺伝子を発現する細胞を同 定するために、1細胞あたりのベクターコピー数における差異について考慮して 内部マーカーに対して標準化したFACS分類によりスクリーニングされる。所望で あれば、最適の、再帰組換えプロモーター配列を有するベクターを回収し、そし てさらなるサイクルのシャフリングおよび選択に供する。 (F)薬物耐性酵素の活性および薬物耐性配列の発現の改良 本発明の再帰組換え方法はまた、薬物耐性配列/タンパク質の発現を改良する ための手段を提供する。多くの処置養生法は、体内の特定の細胞型における副作 用を有する薬物の投与を包含する。例えば、化学療法は、標的のガン細胞以外の 細胞も殺傷することで悪名高い。Llcht(1995)Cytokines&Molecular Therapy 1:1 1-20を参照のこと。骨髄抑制、すなわち骨髄の毒性は、多くの化学療法剤に対し て容量を限定する。これは、危険な副作用であるだけでなく、化学療法の有効性 をも制限する。実際、化学療法は、血液細胞機能の欠失により直接または白血病 のような二次性ガンを生じることにより間接的に致命的であり得る。遺伝子治療 を介して薬物耐性タンパク質を送達することにより造血細胞を保護することが可 能である。この原理は、多数の研究により実証されている。ここで、マウス骨髄 細胞は、化学療法アルキル化剤に対して、保護性アルキルトランスフェラーゼの 過剰発現により保護された。他の薬物耐性タンパク質は、正常組織の化学的保護 のために使用され得、そして本発明の方法を使用する発現の改良のための標的と なり得る。これらには、例えば、グルタチオン-S−トランスフエラーゼ、ジヒド ロ葉酸レダクターゼ、およびスーパーオキサイドジスムターゼが挙げられる。 アルキル化剤は、造血系に対して特に毒性であり、これは、用量限定的な副作 用である骨髄抑制を伴う。造血細胞は、アルキル化剤に対して非常に感受性であ るので、医原性白血病が共通の症状になる。アルキル化治療はまた、重篤な肺毒 性を生じ得る。この限定的な感受性は、造血細胞におけるDNA修復タンパク質O6- メチルグアニン-DNAメチルトランスフェラーゼ(これはまた、O6-アルキルグア ニン-DNAアルキルトランスフェラーゼ、MGMT、またはアルキルトランスフェラー ゼ;EC.2.1.1.63)の低発現に起因し得る。アルキル化剤、特にニトロソ尿素は 、単独で、または他の薬物との組合せで使用されて、多くの型のガン、例えば、 ホジキンリンパ腫および非ホジキンリンパ腫、多発性骨髄腫、悪性黒色腫、脳腫 瘍、消化器官丸、および肺ガンを処置する。これらの場合を総合すると、すべて の診断されるガンの三分のーを超えるガンを構成する。従って、アルキル剤ベー スの 化学療法養生法の有効性を改良することおよび毒性を減少させることは、保健医 療における深遠な効果を有する。 MGMTのような薬物耐性遺伝子の骨髄幹細胞または肺細胞への遺伝子治療を介す る導入は、化学療法剤の毒性により生じる治療的な制限を克服するための一つの 方法である。1つの戦略は、患者の造血前駆体細胞または肺細胞をエキソビボで 形質導入し、化学療法の前または後でのこれらの細胞を用いて骨髄を増殖させる である。一般には、Dunbar(1996)Annu.Rev.Med.47,11-20を参照のこと。骨髄は 、抽出、操作、および体内への再導入をするのが比較的容易な組織である。肺細 胞もまた、抽出され得、操作され得、次いで吸入送達系により再導入され得る。 あるいは、遺伝子は、スプレー送達系(例えば、Eastman(1997)Hum.Gene Ther.8 :765-773(1996)Hum.Gene Ther.7:1701-1717に記載されるようなカチオン性脂質 を使用する導入遺伝子のエアロゾル送達;またはアデノウイルスベクターのアエ ロゾル送達、MacDonald(1997)Hum.Gene Ther.8:411-422を参照のこと)の使用に よりインビボで肺胞細胞に直接導入され得る。 MGMTは、すべての試験された生物で見い出されており、化学療法アルキル化剤 の変異原性、細胞傷害性、および発癌性効果を予防する。MGMTは、グアニンのO6 位からこのような化学薬品によって結合したアルキル基を除去する。これらのア ルキル基は、MGMTタンパク質の活性部位におけるシステインに不可逆的に移入さ れ、アルキルトランスフェラーゼを不活化する。従って、この酵素は、自殺酵素 であり、そして化学量論的でのみ作用し得る。これは、MGMTの改良にとって重要 な障壁である。各タンパク質モジュールは、自殺様式で一回のみ作用するので、 与えられる保護は、MGMTの活性(質)のみならず、MGMT分子の数によってもまた 決定される。骨髄細胞のような、ほとんどまたは全くアルキルトランスフェラー ゼを発現しない細胞は、研究室用のアルキル化剤(例えば、N-メチル-N'-ニトロ -N-ニトロソグアニジン(MNNG))(Day(1980)Nature 288:724-727))および臨床 で使用されるニトロソ尿素(Erickson(1980)Nature 288:727-729)に非常に感受 性が高い。従って、骨髄抑制は、アルキル化ベースの化学療法養生法における重 篤な問題である(DeVita(1993)Cancer:Principles and Practice of Oncology) が、野生型ヒト、マウス、または細菌アルキルトランスフェラーゼ遺伝子が ヒトおよびマウス造血細胞へ形質導入される実験において克服されている。レト ロウイルスベクター上に保有される遺伝子の過剰発現は、培養物における幹細胞 をニトロソ尿素による殺傷から保護した(Allay(1995)Blood85:3342-3351:Mori tz(1995)Cancer Res.55:2608-2614)。さらに、これらの細胞がマウスの骨髄に 移植される場合、保護は、インビボで長期にわたることが証明された(Maze(199 6)Proc.Natl.Acad.Sci.USA93:206-210)。同様の効果が、骨髄ではなく肝臓およ び胸腺でも標的化された場合に観察された(Dumenco(1993)Science 259:219-222 ;およびNakatsuru(1993)Proc.Natl.Acad.Sci.USA90:6468-6472)。 MGMTのこの保護効果は、いくつかの点で再帰配列組換えにより改良され得る。 第一に、より高い比活性(すなわち、細胞傷害性アルキル化誘導障害のより迅速 な修復)を有する新規の改変体を選択し得る。従って、所定の発現レベルのため に、骨髄細胞がより良好に保護される。従来のカセット変異誘発を使用するMGMT におけるいくつかの改良が報告されている(Christians(1996)Proc.Natl.Acad.S ci.USA 93:6124-6128)。第二に、新規の改変体を、O6-ベンジルグアニンのよう な野生型アルキルトランスフェラーゼの阻害に対する耐性について選択する。こ のようなインヒビターは、ときとして、ガン細胞に存在する内因性アルキルトラ ンスフェラーゼを抑制するために使用される(Pegg(1995)Progress in Nucleic Acid Res.and Molec.Biol.51:167-223)。インヒビター耐性MGMTを使用して 、アルキル化剤とアルキルトランスフェラーゼのインヒビターとを組み合わせる 処置プロトコルにおいて骨髄をトランスフェクトさせる。第三に、コード配列お よび/または作動可能に連結される制御配列の新規の改変体を、MGMTの発現の改 良について選択し得る。第四に、DNAからのアルキル付加物に結合するが除去し ないMGMTの改変体を選択し得、これは、アルキル付加物単独よりも細胞に対して より毒性であるDNA−タンパク質架橋を生じる。変異改変体を発現するベクター は、アルキル化基質での処置の前にガン細胞に対して標的化され得る。第五に、 MGMT改変体は、臨床的に関連のあるニトロソ尿素に対する咄乳動物細胞の保護に ついて選択され得る。この目的について、選択は、細菌細胞よりは、むしろ哺乳 動物細胞において実施されることが好ましいはずである。なぜなら、ニトロソ尿 素に対するMGMTの保護効果は、哺乳動物細胞における方がより強力だからである 。少 なくとも、選択の最終回は、通常、幹細胞で実施される。なぜなら、薬物耐性の 終点に寄与するいくつかの成分因子は、細胞型依存性であり得るからである。 発現レベルが保護効果のために重要であるので、MGMTをコードする配列以外の ベクター配列の操作が改良の重要な源を提供する。ベクターは、所望の目的(例 えば、アルキル化剤から細胞を保護する能力)に基づき選択される。目的は、推 定するのには複雑すぎる種々成分およびその組合せ(形質導入の増強、ベクター の安定性の改善、およびMGMT活性の改良に加えての遺伝子の転写の改良を含む) により達成される。 遺伝子治療のときとしての低いトランスフェクション効率は、エキソビボ方法 における主要な制限ではない。なぜなら、アルキル化処理は、トランスフェクト された細胞のためのポジティブ選択として効率的に作用するからである。対照的 に、低いトランスフェクション効率は、インビボ遺伝子置換治療において問題で あり得る。なぜなら、一般的なポジティブ選択が存在せず、腫瘍殺傷遺伝子治療 によるネガティブ選択のみが存在するからである。インビボ遺伝子置換治療につ いてのポジティブ選択の手段の改良は、例えば、比較的少数の化学耐性造血細胞 の骨髄への再増殖を可能にする。 本発明の方法を用いる改良のための出発物質としての薬物耐性遺伝子は、多剤 耐性遺伝子MDR-1である。MDR-1は、「P-糖タンパク質(Pgp)」を呼ばれる血漿 膜糖タンパク質であり、これは、ATP依存性薬物流出ポンプとして作用し、そし て広範な種々の薬物に対する化学耐性を付与する(Chin(1993)Adv.Cancer Res.6 0:157)。MDR-1を発現しない細胞は、ビンクリスチン、エトポキシド、およびコ ルヒチンのような薬物には、見事に感受性である。腫瘍細胞によって発現される 場合化学治療の努力を台無しにし得る、この同様の化学耐性特性は、ポジティブ な選択マーカーとして使用される場合、利点となり得る。Metz(1996)Virology 2 17:230-241は、MDR1発現について選択する場合、neo選択と比較して20倍高いス トリンジェンシーを報告した。P-糖タンパク質は、少なくとも2つの異なる遺伝 子疾患、ファブリ病(Suglmoto(1995)Human Gene Therapy 6:905-915)および慢 性肉芽腫症(Sokolic(1996)Blood 87:42-50)からの細胞のインビトロ補正にお ける形質転換細胞について、ポジティブに選択することが実証されている。し かし、自然が人為的薬物に対する活性についてMDR1を最適化したと考える理由は 存在しない。再帰組換えによるMDR-1を改良して、エトポシドおよびコルヒチン のような薬物からの細胞の保護を改良することにより、より高度なレベルのこの ような選択剤の使用を可能にし、選択ストリンジェンシーを増大させ、そして形 質転換と非形質転換細胞との間をより良好に差別化する。 MDR-1は、DNAシャフリングに続き哺乳動物細胞においてポジティブ選択するこ とにより改良/改変される。MDR-1の無作為変異のプールを適切なベクター(例 えば、レトロウイルスベクター、アデノウイルスベクター)に挿入し、そして薬 物耐性細胞へと形質転換させる。コルヒチンおよび/またはエトポシドおよび/ またはビンクリスチンでの選択は、活性MDR-1改変体を同定する。MDR-1遺伝子を 、生存細胞からレスキューして、そして漸増用量の薬物でのさらなる回の組換え および選択に供する。 いくつかの哺乳動物細胞が、すでに、高レベルのP-糖タンパク質を発現してい るので、改良されたMDR-1導入遺伝子がこれらの細胞において発現するか否かを 決定することは難しくあり得る(すなわち、バックグラウンドが高い)。この場 合、内因性P-糖タンパク質は、十分に特徴付けされたインヒビター(例えば、ベ ラパミル)で不活化され、そしてインヒビターに耐性であるがなお細胞傷害性薬 物に対して非常に活性である変異型P-糖タンパク質をコードするマーカーMDR-1 導入遺伝子で形質転換する。このような改変体は、インヒビターおよび細胞傷害 性薬物(例えば、コルヒチン)の両方の存在下でMDR-1変異体プールを選択する ことにより選択される。例えば、本発明の方法を使用して、細胞傷害性化学薬品 N-メチル-N-ニトロ-N-ニトロソグアニン(MNNG)に対して超活性で、そしてアル キルトランスフェラーゼインヒビターベンジルグアニジンに対して完全に耐性で あるアルキルトランスフェラーゼ変異体を作製する。 従って、ポジティブ選択マーカーとして最適化されたMDR-1を、えり抜きのベ クターに挿入する。ベクターはまた、DNAシャフリング、それ自身またはMDR-1変 異誘発(単位としてシャフルされたMDR-1およびベクター)との組合せにより最 適化され得る。構築物の全体をシャフルすることにより、多くのパラメーターを 一回で試験することが可能になる。二シストロン配列(同一のプロモーターから 1つのmRNAとして転写されるが別々のリボソーム結合部位から転写される2つの 遺伝子)が使用され得る(Sugimoto(1995)Human Gene Ther.前出)。配列全体ま たは構築物の全体をシャフルすることを使用して、第二の下流の遺伝子の翻訳を 改良するニシストロン性mRNAの二次構造を最適化し得る。例えば、MDR-1および 遺伝的欠損を補完する遺伝子をコードする二シストロンレトロウイルスベクター は、本発明の方法を用いて構築され得、そして最適化され得る。ベクター全体は 、DNAシャフリングおよび再構成により変異誘発され得る。さらに、ベクターは 、パッケージング細胞株によりウイルスとしてパッケージされ得、欠損細胞にト ランスフェクトされ得、そしてコルヒチンで選択され得る。選択は、生存細胞を 遺伝子欠損の補完について分析することにより達成される。 MDR-1は、それがすでに認識する薬物(例えば、エトポシド)に対する保護の 改良を付与するのみならず、野生型MDR-1によっては認識されない薬物に対する 保護を付与するように進化/改変され得る。例えば、MDR-1遺伝子を、再帰組換 え改変して(進化して)細胞の外へアルキル化剤を排出し得、従って、MGMT(以 上に記載)の補完物として作用し得る。例えば、MGMTおよびMDR-1遺伝子の両方 を、組合せ化学療法(薬物のうちの一つがアルキル化剤である)の前に幹細胞へ と形質転換し得る。幹細胞を野生型MDR-1遺伝子で形質転換させた研究は、アル キル化剤についてのMGMTで上記の結果に類似の結果を与えた(Sorrentino(1992) Science 257:99)。 本発明の方法を用いる進化/改変のための別の適切な遺伝子は、グルタチオンS -トランスフェラーゼであり、これは細胞質におけるアルキル化薬物を解毒し、M GMTを補完する。これは、薬物が核に入り、そしてDNAを損傷した後に薬物に作用 する。細菌における従来のカセット変異誘発から得られるグルタチオンS-トラン スフェラーゼにおけるいくつかの改良は、すでに報告されている(Gulick(1995 )Prod.Natl.Acad.Sci.USA 92:8140-8144)。回帰的配列組換えによるさら なる進化は、さらなる改良を提供する。次いで改良された遺伝子は、それ自体ま たはMGMTとの組み合わせにおいて幹細胞または肺細胞中にトランスフェクトされ 得る。 他の薬物耐性遺伝子は、他の組織における副作用を抑制することにおける使用 についての進化のための候補者である。例えば、ブレオマイシンは、その主要毒 性が肺細胞に対してである、抗悪性肺瘍薬である。タンパク質ブレオマイシン加 水分解酵素は、細胞をブレオマイシンから保護し得、そしてヒト遺伝子が、近年 クローン化された(Bromme(1996)Biochemistry 35:6706-714)。遺伝子は、遺 伝子シャッフルにより改良され、そしてガン患者における肺細胞の保護のために 使用され得る。 他の実施態様において、改良のための候補遺伝子には、DNAリガーゼおよび電 離放射線から保護するためのトポイソメラーゼ(Boothman(1994)Cancer Res.54 :4618-4626)をコードする遺伝子、UV放射および皮膚ガンから保護するためのT4 エンドヌクレアーゼVのようなヌクレオチド切断修復酵素をコードする遺伝子、 および塩基切断修復経路(これは、多くの型のガンを起こしたり老化を速めると 考えられている、酸化的DNA病変の影響を防ぐのに重要である)を改良するため のアルカリホスファターゼエンドヌクレアーゼおよびグリコシラーゼをコードす る遺伝子が含まれる。 本発明の方法を用いる、薬物耐性遺伝子および関連した調節配列の進化/改変 は、遺伝子発現を改良するための上記の一般的なアプローチ下にある。しかし、 薬物耐性遺伝子を進化されることにおいて、時々、遺伝子の発現を改良すること のみでなく、特定の薬物での遺伝子産物により与えられる耐性度を増加させるこ とが所望される。この状況において、耐性遺伝子が発現されるべき遺伝的状況に おいて進化し得るように、組換えのための基質が、薬物耐性遺伝子ならびに関連 した調節配列を含むことが好ましい。最初の基質間の多様性は、誘導された変異 、種々の供給源からの天然の薬物耐性遺伝子、および改良された特性を与えるこ とが既に知られている変異の結果であり得る。 例えば、MGMTの5つの異なる哺乳動物種(ヒト、ラット、マウス、ハムスター 、およびウサギ)のcDNA配列が、図4に示すように非常に広範囲な相同性(変異 体が存在する)にもかかわらず、報告されている。以下は、一番上の段にヒトア ミノ酸配列、ヒトの配列の下に天然に存在する他のアミノ酸配列を示すアライメ ントである。 天然の改変は、実施例3で議論されるように、ヒトおよび非ヒト型に特有の天 然のセグメントを含むMGMTの組換え形態を作製するための、II節で議論された任 意の形式により組み込まれ得る。例えば、オリゴヌクレオチドは、天然の改変体 の全ての種々の組み合わせをコードするように設計され得、そしてこれらのオリ ゴヌクレオチドは、フラグメント化された野生型ヒト遺伝子と混合される。驚い たことに、少数のオリゴヌクレオチド(21)は、2より多くのアミノ酸が天然に 存在する位置で縮重する場合、使用され得る(図3を参照のこと)。図3に示さ れるオリゴヌクレオチドは、ヒトMGMT配列と完全に一致した20塩基配列によりい ずれかの側に隣接されたヒト配列に相同でない21塩基までを含む。「オリゴスパ イキング」の別の使用は、野生型タンパク質を改良することが実証されている( Christians(1996)Prod.Natl.Acad.Sci.USA93,6124-6128)V139F変異か、ま たはO6-ベンジルグアニン耐性を与える変異のような既知の所望の変異に対して シャッフルされた遺伝子プールに偏向させるためのものである。 「オリゴスパイキング」の代替は、全ての個々のcDNAを得、そしてそれらを混 ぜ合わせることである。この選択は、ヒト遺伝子治療に用いる場合、プールを免 疫原性問題に導くというヒトの性質を緩和するいくらかの傾向を有するが、この 問題は、有用でない変異を除去するために、野生型ヒト遺伝子との変異体を逆交 差することによって克服され得る。 組み換えられた薬物耐性遺伝子およびそれをコードするベクターは、改良され た発現のために容易にスクリーニングされ得る。組換えセグメントを含むベクタ ーを含有する細胞は、薬物および回収された生存細胞に曝される。これらの細胞 は、薬物に対して改良された耐性を与える組換えセグメントが豊富である。スク リーニングを、薬物濃度またはそれへの暴露時間を増大することによって、連続 的な回においてよりストリンジェントにされ得る。 (G)哺乳動物幹細胞における組込みおよび安定な発現のための形質導入ベク ターの進化 感染、組込み、および造血幹細胞においてそれ自体を発現するための新規およ び/または改良された能力を有するベクターを、本発明の回帰的組換え方法を用 いて進化し得る。遺伝子治療の主要な目標は、ヒト幹細胞に効果的にDNA構築物 を組み込むための実用的な方法を進化することである。幹細胞にレトロウイルス を効果的に組込むための実用的な方法は、目的の特性を有して遺伝的に改変され た骨髄を自家移植した患者の再生(repopulation)を可能にする。例えば、幹細 胞を、ウイルス複製を妨害するトランス優性因子を発現するように操作する。幹 細胞を、野生型、または規定された遺伝子欠損(例えば、ゴーシェ病)を補足す る操作されたトランス遺伝子を発現するように操作する。MDR遺伝子またはアル カリトランスフェラーゼ遺伝子を、化学治療薬剤に対して耐性を与えるように幹 細胞に挿入する。目的のガンまたは病原体エピトープに特異的なT細胞レセプタ ーをコードする遺伝子を、幹細胞の成熟の際の発現のために挿入する。 しかし、幹細胞は、インビトロで増殖させた場合、精製するのが難しく、そし てその多能性の表現型を迅速に消失する。レトロウイルスは、一般的に非分裂細 胞(特に幹細胞)への組込みにおいて非常に非効率である。従って、1つの因子 または因子のセット(組込みの前のレトロウイルス遺伝子での感染およびその発 現の際に、幹細胞をレトロウイルス組込みに一時的または永久に感受性にさせ、 同時に多能性のままである)を進化させるために使用される回帰的組換えを使用 する。 1つの実施態様において、一時的に幹細胞をかき乱すための候補因子を発現し 、その結果レトロウイルス組込みを促進する、大きなライブラリー(>106)の レトロウイルスを作製する。このような因子には、HIVマトリックス、HIV vpr、 HIVのランダムフラグメント、および他のレンチウイルス(非分裂細胞に効果的 に導入し得る唯一のレトロウイルスのクラス);幹細胞由来のcDNA;間質細胞培 養物由来のcDNA(これは、幹細胞分化状態に作用する因子を作製し、そして組換 え形態の産生または進化は所望の効果を発揮する);または、任意の他のサイト カインまたは増殖因子が挙げられるが、これらに限定されない。このようなライ ブラリーを、一般に上記のように、本発明のインビトロおよびインビボでの回帰 的組換え方法で使用し、非分裂幹細胞において目的の配列およびタンパク質を効 率的に感染、組込み、および発現し得るレトロウイルスを作製する。 別の実施態様により、上記の方法によってレトロウイルスを改変することによ り形質導入されたSCIDまたはSCID/NODマウスを、ヒト幹細胞を用いて再増殖する 。最初のレトロウイルス組換えセグメントライブラリーのメンバーにより首尾良 く形質導入された幹細胞由来のレトロウイルスの子孫を、回収する。選択マーカ ー(例えば、グリーン蛍光タンパク質(GFP)、薬物マーカー、またはセルソー ター(FACS)マーカー)を形質導入レトロウイルスにコードさせ、レトロウイル ス構築物で形質導入された幹細胞の再増殖の回収を容易にし得る。進化/改変さ れるべき因子、または組込まれたレトロウイルスゲノム全体をコードする配列を 回収し得る。さらなる回数の回帰的配列組換えを、所望の効率/幹細胞形質導入 の効率が達成されるまで反復し得る。 原始的なヒト造血幹細胞で再増殖し得るマウスSCID/NOD免疫欠損系を使用し得 る(Dick(1996)CSH Gene Therapy、要約#11)。レトロウイルスは、これらの 幹細胞に、非常に低いが検出可能な効率で感染し得る。組込まれたレトロウイル スを有する前駆細胞を、このSCID/NOD再増殖モデルにおける末梢血細胞から回収 し得る。それゆえ、この再増殖および類似の再増殖系は、原始的な多能性細胞へ の組込みの改良された効率を有するレトロウイルスを選択するための基礎を形成 する。上記のように、ベクター中にGFPを含むことは、再増殖の後にレトロウイ ルスコードタンパク質を発現する細胞のFACS精製を可能にする。再増殖が最初に 非常に非効率である場合、形質導入細胞を選択的に培養するための選択可能な遺 伝子(例えば、NeoまたはTK)もまた発現される。 別の実施態様において、感染幹細胞を除去し、そして回帰的組換えのさらなる 回のためにレトロウイルス配列を単離することよりも、組換え配列を有する致死 的に照射されたレトロウイルス産生ヘルパー株を、SCID/NOD骨髄に注入する。こ の技術を用いて、回帰的組換えがインビボで起こる;幹細胞は骨髄の特別の環境 (インビトロで模倣することが不可能であることを立証し得る環境)において存 続する。 さらなる実施態様において、回帰的組換えを使用して、非分裂細胞に組込むた めの手段を正常に欠除し得ないウイルスによる手段を開発する。この方法は、HI Vが非分裂細胞に組込むことが必要とされるHIVタンパク質を、目的の他のベクタ ーに組み込む。例えば、インテグラーゼ(宿主細胞染色体においてウイルスゲノ ムの組込みを媒介することを担う酵素)は、HIV-1組込み前複合体を細胞核輸入 機構と結合するのに十分であり得る。ウイルスマトリックスおよびVprタンパク 質もまた、HIVが非分裂細胞に組込む能力において、重要な役割を果たす。Galla y(1997)Proc.Natl.Acad.Sci.USA 94:9825-9830を参照のこと。DNAシャッ フルのような回帰的組換えの反復サイクルを、所望の特性を目的のベクターまた は配列に与えるまで実施する。 別の実施態様において、回帰的組換えの前に、長期骨髄培養物を刺激してイン ビトロでサイクルする。これは、マウスSCID/Beige再増殖アッセイの両方におい て(Agatsuma(1997)Antiviral Res.34:121-130)、形質導入した骨髄細胞に よる末期のヒト骨髄肺患者の幹細胞再増殖において、幹細胞の増加したレトロウ イルス形質導入を生じる。サイクル幹細胞は、より形質導入により感受性である 。従って、幹細胞は刺激され得、レトロウイルス形質導入により感受性であって 、なお多能性を維持し得る。(H)ベクターの改良された組織特異性 新規および/または改良された組織特異性(組織向性)を有するベクターを、 本発明の回帰的組換え方法を用いて進化し得る。ほとんどの遺伝子治療適用にお いて、遺伝子治療ベクターが特定の組織型に高度な特異性で送達されることが所 望である。特異的な細胞標的は、インビボ遺伝子治療のために、これらのベクタ ーの安全性および実用性に影響を及ぼ重要な問題である。従って、特異的な遺伝 子治療ベクター(例えば、アデノウイルス)の特異性を制限するおよび/または 再指向する必要性がある。 遺伝子治療ベクターを特定の組織型に送達する必要性を示す1つの例は、野生 型CFTR遺伝子を嚢胞性線維症患者に送達する工程を包含する。CFTR遺伝子は、主 に肺組織に送達されるべきである。2番目の例において、遺伝子治療ベクターが 化学治療薬剤をコードする場合、その薬剤は、正常細胞ではなく新生物性細胞に 送達されることが所望である。 基質選択および組換えフォーマット選択におけるストラテジーは、一般的に上 記のストラテジーと同様である。組換えのための基質は、ウイルスゲノム全体で あり得るか、または細胞のレセプターと相互作用すると考えられるウイルスタン パク質をコードするフラグメントであり得る。このようなフラグメントが組換え られる場合、組換え産物はウイルスゲノムに再挿入され、そしてゲノムは被包さ れてスクリーニングの前にウイルスを形成するべきである。 例えば、新規の標的細胞を感染するための水疱性口内炎ウイルス(VSV)の進 化のために、回帰的組換えは、Gタンパク質配列に焦点を当てられるべきである 。なぜなら、Gタンパク質はキャプシドの外表面で発現されるからである(Schne ll(1996)Proc.Natl.Acad.Sci.USA 93:11359-11365)。さらに、水疱性口 内炎ウイルスGタンパク質(VSV-G)をコードするウイルスを作製することは、技 術的に困難である。なぜなら、それは宿主細胞に対して毒性が強く、ウイルス増 殖が不可能であるからである(Yoshida(1997)Biochem.Biophys.Res.Commun .232:379-382)。従って、本発明の方法を、改変VSV Gタンパク質を作製するた めに使用し、それにより組換えVSVのための新規な標的細胞を作製し得る。 組織特異的アデノウイルスを作製するための必要性もまた存在する。アデノウ イルスの向性は非選択的であるので、全身投与されたベクターの組織特異的発現 は、組織特異的プロモーター/エンハンサー(これは、十分に小さく、ベクター の挿入能力に適合する)の使用によってのみ達成され得る。あるいは、組織特異 的発現は、アデノウイルスの天然の乱交雑的向性の除去、および本発明の方法を 用いる新規の組織特異的ドメインの構築により生成される。回帰的配列組換えに よる組織特異的アデノウイルスの生成は、遺伝子治療でのベクターの使用におい て、天然アデノウイルスのこの非選択的向性制限を克服する。 アデノウイルスは、その正二十面体キャプシドの12の頂点の各々から突き出た 「繊維タンパク質」を用いて真核生物細胞に結合する。血清学的および変異誘発 研究は、「スタッフ」および「ノブ」ドメインからなる繊維のホモトリマーが、 細胞のレセプターと相互作用することを明らかにする。ノブ構造は、Xia(1994 )Structure 2:1259-1270により報告されている。R.D.Gerardは、ヘテロトリ マー性ノブの構造を、レセプターへの結合を減少する変異について、この構造を SDMによってスキャンするために使用した(私的通信、1996 CSH Gene Therapy会 議)。これらの研究は、天然のレセプター(多くの組織型に発現されることが知 られている)を用いる感染能力を排除したかまたはかなり減少した能力を有する 変異体の構築を可能にする。これは、細胞のレセプターに結合するアデノウイル ス繊維に対する新規の組織特異性を発展するためのものからの出発点(すなわち 、本発明の回帰的配列組換え法を使用する)である。V.Legrand(CSHポスター1 84)およびDan von Seggery(CSHポスター#223)は、小さな容易に操作されるS V40ベースベクターの繊維タンパク質オフの変異体の発現のための系を報告した 。これらの構築物は、繊維遺伝子を欠損したアデノウイルスによるプラーク形成 を指示する。Lcgrandは、11アミノ酸ガストリン放出ペプチド(GRP)を、繊維遺 伝子のC末端に融合するためにこの系を使用した。この融合タンパク質を発現す るLacZ+アデノウイルス変異体は、可溶性ノブタンパク質(CSHポスター184)に よりたった60%が阻害可能であるが、野生型タンパク質を発現したウイルスは、 約90%阻害可能である様式で、GPRレセプターを発現する細胞を感染し得る。こ れは、GRPのそのレセプターとの相互作用が、宿主細胞の感染を支持するという 証拠として与えられた。 1つの例示的な実施態様において、本発明の方法を用いてこのアデノウイルス 系を改良するために、変異繊維タンパク質、またはその天然レセプターに結合す る能力を欠除したノブを置換したドメインを作製する。回帰的組換えにより進化 した繊維配列の生成は、新規のアデノウイルス繊維、または新規の特異性を有す るノブ結合リガンドを生成する。あるいは、変異配列のライブラリーは、上記の GRP構築物に類似の様式で、ノブのC末端に挿入され得る。潜在的なリガンドの ライブラリーを、「スタッフ」および/または「ノブ」ドメイン全体的に無作為 に挿入し得る。ノブ全体を、無作為に変異誘発し、そして所望の標的の感染のた めに選択し得る。他の曝されたウイルスタンパク質(例えば、ペントンまたはヘ キソンタンパク質)を、挿入変異体のライブラリーで変異し得る。短いタンパク 質配列をコードするライブラリーを、アデノウイルスヘキソンタンパク質に挿入 し、そしてヘキソンの一部としてアデノウイルスビリオンの表面に発現し得る( Crompton(1994)J.Gen.Virol.75:133−139)。次いで、これらの回帰的に進 化したウイルスタンパク質を含むこれらの変異ウイルスを、標的細胞を感染する ために使用する。アデノウイルス向性に影響を及ぼすウイルスタンパク質におけ る多様性および改変を、プラーク形成により、または細胞ソート(FACS)(これ は、レポーター遺伝子(例えば、GFP)の一時的な発現に基づき得る)により選 択する。 繊維ペントンタンパク質の、標的細胞表面上のインテグリン(α-v-インテグ リン)との相互作用は、細胞-ウイルス安定化相互作用(可溶性繊維ノブタンパ ク質を用いてアデノウイルス相互作用を完全に阻害し得ないことが知られている )を提供する。繊維ペントン-細胞インテグリン相互作用の非存在下では、ウイ ルス感染は低レベルである。アデノウイルスに対する細胞特異性を決定するメカ ニズムにおけるこの複雑さの結果として、標的細胞上でその同族レセプター(例 えば、標的α-v-インテグリンと相互作用するペントン繊維ドメイン)と相互作 用するアデノウイルスにおける複数の遺伝子またはドメインを同時進化させるた めに本発明の方法を使用する。従って、選択したウイルス遺伝子またはウイルス 全体の回帰的配列組換えは、組織特異的アデノウイルスを迅速に進化させるため の、特に有用な道具である。 別の例示的な実施態様において、高度に進化されたM13技術を、標的細胞上の 目的のレセプターのペプチドリガンドを発達させるために使用する。標準的なフ ァージ提示ライブラリー技術を、精製レセプターに結合し得るペプチドリガンド のスクリーニングのために使用する。あるいは、ライブラリーを、細胞に対して パニングするためにスクリーニングし得る。これらのリガンドの親和性を、M13 において迅速に進化させる。次いで発達したリガンドのプールを、アデノウイル スの標的部位(例えば、繊維タンパク質のC末端融合)に移植する。これは、ア デノウイルス系に対するM13選択性の力を組込みし、それが、M13単独で作成し得 ないこのサイズのライブラリーを作製することを可能にする。 組換えセグメントを含むウイルスを、ウイルスによる感染を所望する第1の細 胞集団、および感染が所望でない第2の細胞集団に接触させることにより、スク リーニングを達成する。第1の細胞集団から回収したウイルスゲノムは、その細 胞型に特異性を与える組換えセグメントが豊富である。細胞の第1および第2の 集団は、生物体の異なった組織内に存在し得る。例えば、生物全体をウイルスに より感染し、そして血液細胞のサブセット(これは、感染が所望である細胞型で ある)から組換えセグメントを回収し得る。あるいは、天然または誘導されたガ ンに罹患した、ヒトを含む生物全体をウイルスにより感染し、そしてガン細胞か ら組換えセグメントを回収し得る。さらなる改変において、第1および第2の細 胞集団を、混和した細胞培養物中でウイルスと共に同時培養する。2つの細胞型 (それらが顕微鏡観察により容易に区別されない場合)を、マーカー(グリーン 蛍光タンパク質またはある細胞型における細胞表面レセプター)の発現により区 別し得る。スクリーニングの最初の回において、存在する宿主細胞は、通常過剰 に存在する(例えば、10%の所望の標的細胞に対して90%の存在宿主細胞の比) 。所望の標的細胞集団は、連続的な回で増加し得る。 感染が望まれる細胞の集団から回収した組換えセグメントを、次の回の組換え における基質として使用する。引き続く回のスクリーニングを、同じ原理で行う 。 上記のアプローチの改変において、真核生物または細菌ウイルスを、ウイルス コートタンパク質との融合タンパク質としてのリガンドをウイルスの外表面上に 発現することによって、所定の細胞型に対する特異性を有するように改変する。 リガンドを、目的の細胞型上に存在することが公知であるレセプターに対するア フィニティーを有するように選択する。例えば、タンパク質のEGFファミリーは 、いくつかのポリペプチド(例えば、上皮細胞成長因子(EGF)、トランスフォ ーミング成長因子α(TGFα)、アンフィレグリン(amphiregulin)(AR)、およ びヘレグリン(heregulin)(HRG-β1))を包含し、これらは膜レセプターとの 相互作用を介する乳ガン細胞における増殖を調節する。Han(1995)Proc.Natl.A cad.Sci.USA 92:9747-9751は、モロニーマウス白血病ウイルスが、gp70に融合 したヒトヘレグリンを発現するように改変され得ること、および組換えウイルス が、ヒト上皮細胞成長因子レセプターを発現する特定のヒト乳ガン細胞を感染す ることを報告した。 この原理は、リガンド融合タンパク質を発現するウイルスおよびレセプターを 発現する標的細胞の他の対に拡張され得る。例えば、繊維状ファージは、実質的 に任意の選択された細胞性レセプターに対する特定の結合アフィニティーを有す る抗体フラグメント(例えば、FabまたはFv)を提示するように操作され得る。 リガンドのレセプターに対する結合特異性は、リガンドをコードするウイルスゲ ノムのセグメントの回帰的な組換えによって、そして上記のような細胞の第一お よび第二の集団を用いてスクリーニングすることによって最適化され得る。 ウイルスベクターは、新たな、または変化した組織特異性を獲得するための、 進化/回帰的組換えに最も敏感であるが、同じ原理は非ウイルスベクターに適用 され得る。このようなベクターは、特定の標的細胞による取り込みに有利である と考えられる特定の取り込み配列を含有するように操作され得る。あるいは、非 ウイルスベクターの改変体は、取り込みを媒介し得る配列の前知識なしで組換え し得る。例えば、開始基質は、ランダムな配列であり得る。組換え産物は、上記 の細胞の第一および第二の集団と、ベクターの使用について意図されるものと類 似の条件下で接触される。例えば、リポソームにパッケージングされたベクター が使用される場合には、リポソームとしてパッケージングされた組換えセグメン トを含有するベクターでスクリーニングが行われる。再び、組換えセグメントを 含有するベクターが標的細胞の集団から回収され、そしてこれらのセグメントが 、組換えの次の回において使用される。(I) 進化したDNA結合タンパク質によって媒介される改善されたDNAの取り込み 所定の細胞型によるベクター核酸取り込みの取り込み効率および特異性は、核 酸に結合する進化した/回帰的に組み換えた、そして改変されたタンパク質でベ クターをコートすることによって改善され得る。ベクターは、改変されたタンパ ク質と、インビトロまたはインビボで接触され得る。後者の状況において、タン パク質は、ベクターを含有する細胞内で、必要に応じてベクター内のコード配列 から発現される。通常進化される核酸結合タンパク質は、核酸結合活性を有する が、核酸DNA取り込みを増強または変更する任意の公知の能力を必ずしも有さな い。 この実施態様において、本発明の方法によって改変されるDNA結合タンパク質 には、転写調節因子、DNA複製および組換えに関与する酵素(例えば、recA)、 ならびにDNAにおいて構造機能を作用するタンパク質(例えば、ヒストン、プロ タミン)が含まれる。他のDNA結合タンパク質には、ファージ434リプレッサー、 λファージcIおよびcroリプレッサー、E.coli CAPタンパク質、myc、ロイシン ジッパーを有するタンパク質、ならびにfosおよびjunのようなDNA結合塩基性ド メイン;「POU」ドメインを有するタンパク質(例えば、Drosophila対合タンパ ク質);その構造が金属イオンのキレート化に依存するドメインを有するタンパ ク質(例えば、TFIIIAに見出されるCyS2-HiS2ジンクフィンガー、酵母Gal4に見 出されるようなZn2(Cys)6クラスター、レトロウイルスヌクレオキャプシドタン パク質に見出されるCys3Hisボックス、および核ホルモンレセプター型タンパク 質に見出されるZn2(CyS)8クラスター);ファージP22ArcおよびMntリプレッサー (Knight(1989)J.Biol.Chem.264:3639-3642;Bowie(1989)J.Biol.Chem.264: 7596-7602を参照のこと)が含まれる。RNA結合タンパク質は、Burd(1994)Science 265:615-651に総説され、そしてHIV TatおよびRevを含む。 本発明の他の実施態様におけると同様に、DNA結合タンパク質の、改善された か、または変化した取り込み効率の獲得に向かっての進化は、組換えおよびスク リーニングの回帰的なサイクルによってもたらされる。開始基質は、天然である か、または上記のような核酸結合タンパク質の1つの誘導された改変体であるタ ンパク質をコードする核酸セグメントであり得る。核酸セグメントは、ベクター において、または組み換え工程についての単離された形熊で存在し得る。組換え は、セクションIIに記載される形式の任意のものによって進行され得る。 スクリーニングの目的のためには、組換え核酸セグメントは、組換え工程の間 に、ベクターに(そのようなベクター中に存在していない場合には)挿入される べきである。ベクターは、取り込みが所望される細胞型において発現され得る選 択マーカーをコードする。進化されているDNA結合タンパク質が特定の結合部位 を認識する(すなわち、lacI結合タンパク質がlacOを認識する)場合には、この 結合部位は、ベクターに含められ得る。必要に応じて、ベクターは、多数の結合 部位をタンデムに含み得る。 異なる組換えセグメントを含有するベクターは、宿主細胞(通常E.coli)中に 形質転換され、組換えタンパク質が発現され、そしてその遺伝物質をコードする ベクターに結合される。ほとんどの細胞が、単一のベクターのみを取り込み、そ してそのような形質転換は、細胞の集団を生じ、そのほとんどはベクターの単一 の種を含有する。発現および結合を可能にする適切な期間の後に、ベクターのDN A結合タンパク質への結合を破壊しない温和な条件下で細胞を溶解する。例えば 、35mM HEPES{KOHでpH7.5}、0.1mM EDTA、100mMグルタミン酸Na、5%グリセ ロール、0.3mg/ml BSA、1mM DTT、および0.1mM PMSF)ならびにリゾチーム(10 mg/mlで0.3ml)の溶解緩衝液は、適切である(Schatzら、米国特許第5,338,665 号を参照のこと)。次いで、ベクターおよび核酸結合タンパク質の複合体は、取 り込みに有利な条件下で、改善された取り込みまたは変更された取り込みが所望 される型の細胞と接触される(例えば、真核生物細胞については、レシピエント 細胞が、リン酸カルシウムで処理され得るか、またはエレクトロポレーションに 供され得る)。適切なレシピエント細胞には、本出願において他の箇所で議論さ れる遺伝子治療において一般的な標的であるヒト細胞型が含まれる。 インキュベーションの後、組換えセグメントを含有するベクター中に存在する 選択マーカーの発現について選択して細胞をプレートする。マーカーを発現して いる細胞を回収する。これらの細胞を、それぞれの組換えセグメントをコードす るベクターの取り込みを増強する核酸結合タンパク質をコードする組換えセグメ ントについて富化する。次いで、マーカーを発現する細胞からの組換えセグメン トを、さらなる回の選択に供し得る。通常、組換えセグメントをまず、(例えば 、PCR増幅によって)細胞から回収する。次いで、組換えセグメントを、互いに 、またはDNA結合タンパク質改変体の他の供給源と組み換えて、さらなる組換え セグメントを生成し得る。さらなる組換えセグメントを、以前と同じ様式でスク リーニングする。 上記の手順の改変において、DNA結合タンパク質によって認識される結合部位 が、DNA結合タンパク質の代わりに、またはDNA結合タンパク質も同様に進化され 得る。DNA結合部位は、開始基質が、改変体結合部位を含有し、そしてこれらの 部位の組換え形態が、同様にDNA結合タンパク質をコードするベクターの成分と してスクリーニングされることを除き、DNA結合タンパク質に類似の手順によっ て進化される。 DNA結合タンパク質をコードする進化した核酸セグメント、および/または進化 したDNA結合部位は、遺伝子治療ベクターに含められ得る。DNA結合タンパク質の アフィニティーが公知のDNA結合部位に特異的である場合、その結合部位およびD NA結合タンパク質をコードする配列を、遺伝子治療ベクター中に、遺伝子治療を もたらすために必要であるこのようなコード配列および調節配列とともに含める ことが充分である。いくつかの場合には、進化したDNA結合タンパク質は、高度 な配列特異性を有しないかもしれず、そしてスクリーニングに使用されるベクタ ー上の正確にどの部位がタンパク質によって結合されるかは未知であり得る。こ れらの状況において、遺伝子治療ベクターは、全てまたはほとんどのスクリーニ ングベクター配列を遺伝子治療をもたらすために必要とされるさらなる配列とと もに含むべきである。 例示的な選択スキームを図2に示す。図の左下部分は、2つのベクターを示し 、それぞれは、同一のマーカーおよびDNA結合部位を有し、ベクターは、DNA結合 タンパク質をコードする組換えセグメントにおいて異なる。ベクターは、E.col i細胞中にトランスフェクトされる。ベクターは、細胞において発現され、DNA結 合タンパク質を産生し、これは異なる細胞間で異なる。組換え結合タンパク質は 、それをコードするベクターと複合体化し、そしてこれらの複合体は細胞溶解後 に保存される。次いで、複合体をレシピエントの真核生物と接触させる。真核生 物 は、いくつかの異なる細胞表面レセプターを有し、その1つはDNA結合タンパク 質の1つと相互作用して、DNAの取り込みを容易にし得る。ベクター上の選択マ ーカーの発現についての選択により、ベクターで形質転換された細胞が同定され る。これらの細胞は、増強されたDNA取り込みを与える組換えセグメントについ て富化される。 (J)ベクターの改善された細胞内安定性 より大きく、そして改善された細胞維持、細胞内安定性、および発現特性を有 するベクターは、本発明の回帰的組換え法を使用して進化され得る。多くの遺伝 子治療法において、ベクターは、標的細胞において安定に維持され、そしてそれ により無限の発現が可能であることが望ましい。これは、ウイルスおよび非ウイ ルスベクターの両方の場合にあてはまる。改善された維持に向かうベクターの進 化のための基質および組換え形式は、上記の原理に従って選択され得る。基質が ベクターゲノムのフラグメントである場合、組換え産物は、スクリーニング前に ベクターゲノム中に再挿入される。ベクターゲノムは、実際の使用においてベク ターに保有される治療的コード配列を置換するかまたはそれに融合される選択マ ーカーをしばしば含有し得る。スクリーニングのために、ベクターゲノムがイン ビボ組換えの結果としてすでに存在していない場合には、組換えセグメントを含 有するベクターゲノムは、細胞中に導入される。細胞を、選択マーカーなしで多 数の継代増殖させ、それによりインビボの状況を反映させる。そこでは、代表的 には、治療遺伝子の維持について選択することは可能ではない。適切な期間の増 殖の後、マーカーについての選択を適用し、そして生存する細胞を回収する。こ れらの細胞は、細胞における改善された維持の特性を与える組換えセグメント( すなわち、安定に維持される組換えセグメント)を有するベクターを含有し得る 。いくつかの場合には、少なくとも部分的に改善された維持の特性、細胞性ゲノ ム中への改善された、より安定な組み込みの結果を生じる。改善された複製、維 持および/または安定性の特性を有する組換えセグメントは、細胞から回収され 、そして互いとのおよび/またはさらなる組換えセグメントを生成するための新 鮮な基質とともにのいずれかで、さらなる回の組換えに供される。これらは、以 前の組換えセグメントと同じ様式でスクリーニングされる。(K)ベクターの低減された免疫原性 低減された免疫原性を有するタンパク質および核酸配列は、本発明の回帰的組 換え法を使用して進化され得る。免疫原性は、ウイルスベクターで特に考慮すべ きである。なぜなら、宿主の免疫応答(CTL媒介性および体液性応答を含む)は 、ウイルスがその意図される標的に到達するのを、特に反復された投与において 、防止し得るからである。ウイルスがその意図される標的に到達するのを妨げる 細胞性免疫応答はまた、裸の形態でか、またはリポソームのようなコートにシー ルドされて投与される非ウイルスベクターに対して誘導され得る。 感染された細胞を排除する宿主の免疫応答はまた、遺伝子治療において主要な 問題である。CTLは、主に、感染された細胞の排除を担うが、問題はまた、部分 的または完全に抗体媒介性であり得る。本発明の回帰的組換え法は、ウイルスに 感染した細胞に対する、この(特に、細胞性)免疫を低減するように、ウイルス を改変するために使用され得る。この実施態様の改変において、アデノウイルス 媒介性遺伝子移入について、アデノウイスル後期遺伝子発現は、ウイルス感染細 胞の排除に寄与するCTL応答を低減するように、本発明の方法によって誘導され る変異によって低減される。従って、アデノウイルス媒介性遺伝子移入に見られ 得るウイルスの一過的な維持の問題は、軽減される。 組換えのための基質および形式は、一般に上記の原理に従う。一般に、外表面 タンパク質をコードするウイルスゲノムの領域は、低減された免疫原性に向かう 進化のための最も開始基質らしい基質を提供する。あるいは、ベクターゲノムの 全体が、組換えのための開始基質として含められ得る。組換えウイルスゲノムは 、スクリーニングの前にウイルスとしてパッケージされるべきであり、そして非 ウイルスゲノムは、治療的投与のための提案された組成物(例えば、リポソーム )中に調製されるべきである。 適切に処方された組換えゲノムまたは非ウイルスゲノムを含有するウイルスは 、哺乳動物(例えば、マウス、ラット、ウサギ、ブタ、ウマ、霊長類、またはヒ ト)に投与され、そして生存ウイルスまたは非ウイルスゲノムは、適切な時間間 隔の後に回収される。しばしば、投与は静脈内であり、そして生存ウイルスおよ び非ウイルスゲノムは、血液から回収される。生存ウイルスおよび非ウイルスゲ ノムは、低減された免疫原性の特性を与える組換えセグメントについて富化され る。これらの組換えセグメントは、次の回の組換えにおいて基質のいくつかまた は全てとして使用される。引き続く回の選択は、同じ形式に従う。 上記の形式の改変において、抗体は、ウイルスライブラリーで免疫化された哺 乳動物から回収され、そしてカラムに固定化される。次いで、ウイルスライブラ リー、またはさらなる回の組換えから生じる誘導体ライブラリーの別のアリコー トが、カラムに適用され、そしてカラムを通ったウイルスが回収され得る。これ らのウイルスは、低免疫原性を有するウイルスについて富化される。 非ウイルスベクターについてのこの方法の改変において、ベクターの治療的発 現産物は、ベクター上の配列にアフィニティーを有するDNA結合タンパク質に連 結した融合タンパク質として発現される。このようにして、少なくともいくつか の発現産物が、それを産生するベクターと物理的に近くに維持される。従って、 発現産物に対する免疫応答はまた、ベクター配列を除去する。従って、動物中で 一定の時間生存するベクター配列の回収により、それ自体低免疫原性を有するベ クター配列および低免疫原性を有する発現産物をコードする配列の両方を富化す る。 (L)ベクターの低減された毒性 低減された細胞毒性を有するタンパク質および核酸配列は、本発明の回帰的組 換え法を使用して進化され得る。ウイルス遺伝子の発現によって生じる毒性は、 ウイルスベクターを遺伝子治療に使用する場合に、ときどき懸念となる。本発明 の方法は、インビボでのウイルスDNA複製および遺伝子発現をブロックする変異 の多数の組み合わせを誘導および選択するために使用され得る。インビトロで不 活化ウイルスを産生するために、これらの変異は、変異体ウイルスが、許容条件 下でインビトロで増殖され得るように、温度感受性またはナンセンス変異のよう な条件的な変異であるべきである。条件的変異の多重度および従って縮重は、変 異体ウイルスが、野生型遺伝子型または表現型に戻るのを防止する。 (M)組み込みの改善された特異性 組み込みの改善された特異性を有するウイルス配列は、本発明の回帰的組換え 法を使用して進化され得る。例えば、AAVは、優先的に19q13.3染色体中の部位に 組み込まれることが公知である。この部位での組み込みは、この部位での外因性 DNA配列の存在が、内因性細胞遺伝子の発現に対して何ら有害な効果を有さない ようなので有利である。それゆえ、この部位に対するAAVの特異性を増大し得る ことが望ましい。 組換えのための開始物質は、少なくともITR、および必要に応じてrep遺伝子を 包含するAAVベクターである。なぜなら、後者は、部位特異的組換えにおいて、 役割を有し得るからである。部位特異的組み込みにおいて役割を有することが公 知であるか、または有すると考えられている他のウイルス由来の遺伝子もまた包 含され得る。好ましくは、ゲノムは、マーカー配列を含む。組換えは、そのゲノ ム中で異なるウイルスセグメントを有するAAVウイルスのライブラリーを産生す ることが以前に議論された任意の組換え形式を介して進行する。AAVウイルスは 、適切な標的細胞を感染させるために使用される。AAV DNAを取り込んだ細胞は 、マーカーの発現から認識され得る。ゲノムDNAは、これらの細胞から単離され 、そして組み込みの意図される部位の中央の領域が、PCRによって増幅される。 増幅された領域は、部位特異的組換えの所望の特性を与える組換えセグメントに ついて富化される。これらの組換えセグメントは、次の回の組換えのための開始 材料を形成する。 類似の原理が、他のウイルスベクター、そして実際に非ウイルス配列およびベ クターに適用される。例えば、上記のように、本発明の1つの実施態様は、部位 特異的組み込み系を使用して、目的の組換え配列を、ゲノムの特異的な、定常位 置に標的化する。好ましい実施態様は、Cre/LoxPまたは関連するFLP/FRT部位特 異的組み込み系を使用する。Cre/LoxP系は、Creリコンビナーゼ酵素を使用して 、部位特異的挿入およびウイルスまたはファージベクターの特異的回文構造の34 塩基対配列(「LoxP部位」)への切除を媒介する。本発明の回帰的配列組換え法 は、これらの系を改変するために(例えば、組み込みの特異性を改善するため、 組み込みの代替の特異的部位を作製するため、リコンビナーゼ活性を改変するた めなどに)使用され得る。 さらなる実施態様において、開始ベクターが任意の好ましい組み込み部位を有 することは必ずしも必要ではない。この場合には、他の遺伝子の発現を妨害しな いようである適切な染色体部位が選択され、そして引き続く組換えおよび選択の サイクルが、ベクターが優先的にその部位で組み込まれるように進化するまで行 われる。(N)微生物に対する改善された耐性 本発明の回帰的組換え法は、微生物およびウイルス感染の新たなインヒビター 開発するために、または微生物およびウイルス感染の公知のインヒビター(微生 物およびウイルス複製ならびに遺伝子発現のトランス優性インヒビターを含む) を改善するために使用され得る。いくつかの遺伝子治療適用において、ベクター は、ウイルスのような微生物に対するインヒビターである産物をコードし得る。 ウイルスのライフサイクルの複雑性およびウイルスの固有の変異性のために、回 帰的配列組換えは、改善された能力および/または新規な特異性もしくは改善さ れた特異性を有する防護的な抗ウイルス構築物を進化させるための実践的な道具 である。これは、任意の種々の機構を使用して達成され得る。例えば、遺伝子治 療ベクターは、ウイルスまたは他の病原体のmRNAの発現をブロックするアンチセ ンスRNAをコードし得る。アンチセンスRNAは、重要な調節配列(例えば、プロモ ーター)に、またはコード配列に、またはその両方に結合するように設計され得 る。あるいは、ベクターは、病原体の複製または遺伝子発現に対して阻害性のタ ンパク質をコードし得る。例えば、多くの遺伝子治療ストラテジーは、成熟T細 胞におけるHIV-1複製を阻害する目的で設計されている。T細胞が血液リンパ球 の分化の産物であるので、抗ウイルス遺伝子の造血幹細胞への挿入は、形質導入 された幹細胞由来の始原T細胞において長期の防御を与えるビヒクルとして作用 する。1つのこのような「細胞免疫化」ストラテジーは、HIV-1 revトランス優 性変異体タンパク質RevM10をコードする遺伝子を利用する。RevM 10は、T細胞 株および一次T細胞においてHIV-1複製を阻害することが実証されている;Bonyh adi(1997)J.Virol.71:4707-4716;Nabel(1996)Gene Therapy,abstract 361 ,CSHに記載される。HIV-1 tatおよびrev変異体はまた、HIV-1複製の潜在的な細 胞内の、トランス優性インヒビターであると示唆されている(Caputo(1997)Ge ne Ther.4:288-295)。本発明の方法による進化のための別の候補は、トランス 作用性転写調節タンパク質IκBαであり、これはHIV転写に対するその効果に 非依存的な機構により、ヒトレトロウイルス複製の細胞性インヒビターとして作 用し得る(Wu(1995)Proc.Natl.Acad.Sci.USA 92:1480-1484を参照のこと )。ウイルスフラグメント由来のインヒビターの反復(例えば、ポリTAR構築物 )はまた、HIV-1遺伝子発現のインヒビターとして使用され得る。TARは、HIV遺 伝子発現の活性化因子またはインヒビターによって結合されるRNAステムループ 構造である。TARは、細胞性因子/RNA相互作用を媒介(例えば、飽和)するため に使用され得、そしてこのことは、転写活性化因子(例えば、Tat)作用が、イ ンビボでのこのような競合するTAR反応によって阻害され得ることを示唆してい る;Baker(1994)Nucleic Acids Res.22:3365-3372を参照のこと。本発明の回 帰的組換え法は、これらおよび関連の細胞内阻害系を進化および改善し得る。 1つのウイルスまたはウイルス産物由来のタンパク質が、他の発生に対して阻 害性であり得る多くの例もまた存在する。Woffendin(1994)Proc.Natl.Acad .Sci.USA 91:11581-11585。特に、アデノ随伴ウイルス(AAV)由来の少なくとも 1つのタンパク質は、HIVに対して阻害性であることが公知である。AAVの大きな rep遺伝子産物(Rep78およびRep68)は、AAVのDNA複製およびAAV遺伝子発現のトラ ンス調節に必要とされる多面的エフェクタータンパク質である。これらの本質的 な機能とは別に、これらのrep産物は、HIV-1および多くのDNAウイルスの複製お よび遺伝子発現を阻害し得る。Batchu(1995)FEBS Lett.367:267-271;Antoni (1991)J.Virol.65:396-404。本発明の回帰的組換え方法は、これらのウイル ス間阻害タンパク質を新しく開発し得、そしてそれを改良し得る。 本発明は、アンチセンスRNAおよび上記のタンパク質の阻害の質を改善するた め、そしてまた新規な阻害剤を同定するための手段を提供する。公知の阻害試薬 に対する改良は、いくつかの局面(例えば、改善した発現、改善した安定性、ま たはわずかに変換した結合特異性)において存在し得る。本発明の方法において 、これらの寄与特性のどれが改善されているかを知る必要はなく;むしろ、選択 は、微生物耐性の究極的に所望される特性についてである。 公知の阻害剤の進展のために、組換えおよび組換え形式のための基質を上記の 原理に従って選択する。基質は、阻害剤をコードするウイルスベクターゲノムま たはその一部、および関連する調節配列であり得る。組換え基質における初期の 多様性は、天然のものかまたは誘発され得る。組換えのラウンド後、細胞中に導 入し(それらが、インビボ組換えの結果として細胞内にまだ存在しない場合)、 そして細胞を、その保護が所望される微生物と接触させる。微生物に対する曝露 を生き残った細胞を、微生物に対する耐性を与える組換えセグメントについて富 化する。これらの組換えセグメントは、次のラウンドの組換えのための基質のい くつかまたはすべてを形成する。 同様の原理は、遺伝子治療ベクターから発現されるはずである阻害剤の新規な 同定に適用され得る。より多くのラウンドの組換えおよびスクリーニングは、十 分な結果を得るために必要とされ得る。例えば、阻害されるべきウイルスまたは 他のウイルス由来のウイルスタンパク質をコードする配列は、組換えのための適 切な初期の基質を提供する。コード配列は、同じまたは異なるウイルスから得ら れ得、そして天然の多様性は、さらなる変異を誘導することによって(例えば、 誤差の多いPCRによって)上記のように増大され得る。組換えおよびスクリーニ ングはまた、上記のように実施される。 例示的な実施態様において、変異体のライブラリーが、候補構築物(単数また は複数)(その例は上記である)に基づいて構築される。ライブラリは、標的細 胞中に形質導入またはトランスフェクトされる。細胞を目的の微生物で攻撃する 。例えば、細胞壊死性ウイルスに対する生存、またはウイルスコード遺伝子の発 現の欠如に基づいて、耐性細胞を単離する。それは、GFPのような挿入されたマ ーカー遺伝子を含み得る。これらの方法を用いて、ウイルス複製または遺伝子発 現がブロックされた細胞を検出する。FACS、またはウイルスコード表面エピトー プあるいは誘発表面エピトープに対する抗体とのパニングを、陽性選択工程にお いて使用する。耐性因子をコードする遺伝子を、例えばPCRによって回収する。 微生物に対する所望の保護レベルが達成されるまで、回収した遺伝子を、上記の ようなさらなるラウンドの回帰的配列組換えに供し得る。 本発明の方法によって改良され得る抗ウイルス機構のさらなる例示的な例は、 抗ウイルスリボザイム系を含む。例えば、1つ以上のリボザイムを、ウイルスRN Aに対して標的化し得る。アデノウイルスは、抗C型肝炎リボザイムを送達する ために使用されている;Lieber(1996)J.Virol.70:8782-8791;Ohkawa(199 7)J.Hepatol.27:78-84を参照のこと。HIV-1 Rev応答エレメント(RRE)領域特異 的ハンマーヘッドリボザイムは、HIV-1複製を完全に阻害する(Duran(1997)Ge ne Ther 4:533-543を参照のこと。Sendaiウイルス多シストロン性P/C mRNAはま た、リボザイムによって切断され得る;Gavin(1997)J.Blol.Chem.272:1461 -1472。 抗ウイルスサイトカインはまた、本発明の方法によって改良され得る。例えば 、野生型インターフェロンの野生型またはキメラ(例えば、IFNα17構築物、IFN β構築物、およびIFNγ構築物)は、回帰的な配列組換えに供され得る。これら の配列は、ウイルス活性化プロモーター(例えばHIVミニLTR)の制御下に置かれ得 る;Mehtali(1996)Gene Therapy,abstract#364,CSHを参照のこと。例えば、 HIV-1 Tatタンパク質のポジティブコントロール下でIFNトランスジーンを安定に 有する細胞株は、インビトロでのHIV-1複製に対して非常に耐性である。この抗 ウイルス耐性は、ウイルス感染直後のIFN合成の強い誘導と関連する。しかし、I FN-γ-トランスフェクト細胞は、高レベルのIFN-γ分泌の誘導にもかかわらずイ ンビボでのHIV-1感染を可能にした(Sanhadji(1997)AIDS 11:977-986を参照の こと)。本発明の方法を用いて、インビボでの作用強度および効果について抗ウ イルス系を開発し得る。 本発明の方法を用いて、ウイルス成分に細胞内に指向される単一鎖またはFab 抗体フラグメントを開発し得る;Marasco(1996)Gene Therapy,abstract 160 ,CSHを参照のこと。例えば、HIV-1感染を処置するための体細胞性遺伝子治療の ための1つの戦略は、抗HIV-1 Rev単一鎖可変フラグメント(Sfv)のの細胞内発現 による;Duan(1997)Gene Ther,前出。HIVインテグラーゼ触媒ドメインおよび カルボキシ末端ドメインの細胞内発現は、生産的なHIV-1感染に対する耐性を生 じる。このHIV-1複製の阻害は、細胞の細胞質区画または核区画のいずれかに局 在化するSfvに関して観察される。Levy-Mintz(1996)J.Virol.70:8821-8832 を参照のこと。Tリンパ球細胞における抗逆転写酵素(RT)Sfvの発現は、組込み 前の段階においてRT活性を特異的に中和し、そして逆転写プロセス(HIV-1ライ フサイクルの早期の事象)に影響を及ぼす。これらの早期の段階でウイルスをブ ロックすることは、HIV-1増殖、ならびに感受性ヒトTリンパ球におけるHIV-1誘 発細胞壊死性効果を、プロウイルスDNAの形成を妨害することによって劇的に減 少させる。Shaheen(1996)J.Virol.70:3392-3400を参照のこと。さらに本発 明の方法は、そのような抗ウイルス細胞内抗体フラグメントの作用強度および範 囲を発展し得る。 上記のような、改良されたウイルス結合アプタマーまたはウイルス成分に指向 されたペプチドリガンドはまた、本発明の方法によってさらに発達され得る。例 えば、ヒトHIV-1Revのぺプチドフラグメントを認識するRNAアプタマーは、天然 のRNAリガンド(Rev結合エレメント)より強固に遊離のペプチドに結合すること が見出された(Xu(1996)Proc.Natl.Acad.Sci.USA 93:7475-7480;Symensm a(1996)J.Virol 70:179-187を参照のこと。一本鎖DNA調製物から単離される アプタマー配列はトロンビン阻害活性を有し、このことは、トロンビン阻害アプ タマーが哺乳動物ゲノムに存在し、そして内因性抗トロンビン系を構築し得るこ とを示す。同様に、本発明の回帰的配列方法を用いて、抗微生物剤として、また は一般には遺伝子治療のために有用なアプタマー配列をさらに同定、開発、そし て改良し得る。 (O)ウイルスパッケージング細胞株 本発明の回帰的配列組換え方法はまた、新規かつ改良されたウイルスパッケー ジング細胞株を開発するために使用され得る。遺伝子治療において使用されるウ イルスベクターは、通常、パッケージング細胞株によってウイルス粒子中にパッ ケージングされる。代表的には、ベクターは、パッケージングおよび続く宿主へ の組込みのために必要とされる最小のウイルス配列を含み、他のウイルス配列は 、タンパク質が発現されるための発現カセットによって置換される。欠損したウ イルス機能は、パッケージング細胞株によってトランスで供給される。例えば、 遺伝子治療において使用されるAAVベクターは、代表的にはパッケージングおよ び宿主ゲノム中への組込みのために必要とされるAAVゲノム由来のITR配列のみを 有する。ウイルスDNAを細胞株にパッケージングする。この細胞株は、他のAAV遺 伝子(すなわち、repおよびcap)をコードするヘルパープラスミドを含むが、ITR 配列を欠く。細胞株をまた、ヘルパーとしてアデノウイルスに感染させる。ヘル パーウイルスは、AAVベクターの複製を促進し、そしてヘルパープラスミド由来 のA AV遺伝子の発現を促進する。ヘルパープラスミドは、ITR配列の欠損に起因して 有意な量でパッケージングされない。アデノウイルスに関する夾雑物は、例えば アデノウイルスがAAVより感受性である熱処理によって低減され得る。AAV組換え 体は、一般に一過性の同時トランスフェクション方法によって産生される。なぜ なら、それは、安定なパッケージング細胞株を生成することは困難であると判明 しているからである(Maxwell(1997)J.Virol.Methods 63:129-136)。 パッケージング細胞株の改良における目的は、安定なパッケージング細胞株を 生成すること;パッケージングされるAAVベクターの収量を増加させること;ヘ ルパーウイルスに対するAAV子孫の比を減少させること;およびパッケージング 細胞に対するrep遺伝子の毒性を減少させ、今度はAAVのより多くの収量を導くこ とを含む。本発明の方法による進展/改変のためのリーディング候補遺伝子は、 AAV複製(rep)およびキャプシド(cap)遺伝子であり、これはAAVヘルパープラスミ ド上に存在し得る。rep遺伝子の過剰発現は、AAV DNA複製を減少させ得、そして cap遺伝子発現を強度に阻害し得、そして減少したrepレベルは、cap遺伝子発現 を増強し、そして正常なrAAV DNA複製を支持する。従って、rep遺伝子の回帰的 組換え改変およびそれらの発現は、増加したAAVベクター産生を生じ得る(Li(1 997)J.Virol.71:5236-5243を参照のこと)。 これらの配列および関連する配列を、議論される一般的な原理に従って、回帰 的配列組換えに供し得る。すなわち、これらの遺伝子の変異形態を、インビボま たはインビトロのいずれかで組換え、そして組換えから生じる組換えセグメント を含む細胞を、所望の特性(例えば、安定なパッケージング細胞株;パッケージ ングされたAAVの収量;細胞の増加した生存率;またはパッケージングされたAAV と比較して、ヘルペスウイルスの低い収量)についてスクリーニングする。同じ 原理を適用して、ヘルパープラスミド上のAAV遺伝子の進展と同時またはそれに 引き続いてのいずれかで、ヘルパーアデノウイルス中の遺伝子を進展し得る。 パッケージングに影響を及ぼすパッケージング細胞株中の細胞遺伝子もまた、 これらの遺伝子が何であるかを知ることなしに進展され得る。このことは、パッ ケージング細胞株を遺伝子のライブラリーで形質転換することにより達成され、 ライブラリーのいくつかは、パッケージング細胞株中の同族の遺伝子との組換え を行う。遺伝子のライブラリーは、細胞の別の型もしくは種から得られ得るか、 またはいくつかの型および種の混合物であり得、そして/または例えば誤差の多 いPCRのようなプロセスによって誘発される多様性を有し得る。組換え遺伝子を 含む細胞を、改善したパッケージング特性(例えば、AAVウイルスの増加した収 量)についてスクリーニングする。必要に応じて、さらなるライブラリーを、以 前のラウンドにおけるスクリーニングを生き残る細胞中に形質転換し得る。ある いは、生き残る細胞のプールを2つに分け、そしてDNAを半分から単離し、そし てそれを用いてもう半分を形質転換し得る。この方法において、最初のラウンド のスクリーニングにおいて同定される最も良好な組換えセグメントは、第2のラ ウンドの組換えにおいて互いとの組換えを行う。 実施例 実施例1:M13 scFvライブラリー 本実施例は、所定の細胞型(例えば異種間新生物)に対する局在化のためのsc Fvを提示するバクテリオファージのライブラリーのインビボパニングを示す。sc Fv抗体-ファージ提示ライブラリーをCrameri(1996)Nature Medicine 2:100-10 2において記載のように構築した。50μg/mlカナマイシンを含むLB中のE.coli T G1上のファージライブラリーの増殖後、細菌細胞を遠心分離によって取り出し、 そしてファージを、4%までのPEGの添加、および0.5Mの最終濃度までのNaClの 添加によって沈殿させた。氷上での1時間のインキュベーション後、溶液を8000 ×gで30分間遠心分離し、そしてペレットを、ダルベッコリン酸緩衝化生理食塩 水(DPBS)中に再懸濁した。 雄Sprague-Dawleyラットを麻酔し、そしてファージを静脈内注射し、そして血 液を同側大腿動脈カテーテルを介して動脈からサンプリングした。EDTAを血液サ ンプルにおいて使用し、凝血を減少させた。血液サンプルを、ファージの投与直 前、ならびに7.6×1011コロニー形成単位の注射後の5、30、60、120、および24 0分で採取した。ファージ力価を、DPBS中の全血の希釈およびE.coli TG1の感染 によって決定し、M13のコロニー形成単位をアッセイした。プロトコルの4反復 を実施した。M13バクテリオファージが、インビボ注射後ラット血液において6 時間という半減期で安定であり、そして感染性(E.coliに対して)のままであ ることを見出した。実施例2:特異的の局在化のためのM13 scFvライブラリーのパニング scFv抗体ファージ提示ライブラリーを、移植可能なヒト腫瘍移植片を有するマ ウスに投与する。適切なインキュベーション時間後、腫瘍組織を収集し、そして ファージを組織サンプルの均質化によって収集した組織から溶出する。 回収したファージのアリコートを、少なくともさらに1サイクルの投与、およ び同じプロトコルによるインビボ選択に供する。 回収したファージのアリコートを使用してDNAを精製し、そして回収したDNAを インビボでのシャッフリングによって回帰的に組み換え、そしてシャッフリング したM13ゲノムの得られる集団をE.coli中に導入し、そしてパッケージングし; シャッフリングしたM13種のライブラリーを回収し、少なくともさらなる1サイ クルの投与および同じプロトコルによるインビボ選択のためにマウスに投与する 。 回収したファージのアリコートを使用し、複数回の感染でE.coliを感染し、 シャッフリングによってインビボでM13ゲノムを回帰的に組換え、そしてシャッ フリングしたM13ゲノムの得られる集団をE.coli中に導入し、そしてパッケージ ングし;混合したM13種のライブラリーを回収し、そして少なくともさらなる1 サイクルの投与および同じプロトコルによるインビボ選択のためにマウスに投与 する。実施例3:MGMT遺伝子の進展 本実施例は、ヒト骨髄のアルキル化薬剤に対する保護のための改善した特性を 与えるMGMT遺伝子の進展を例示する。高コピー数プラスミド上の野生型ヒトMGMT cDNAをPCRによって増幅し、そしてDNaseでランダムに断片化した。小フラグメ ント(50〜100bp)をTaq DNAポリメラーゼによって、開始フラグメントのサイズに 比例する速度で点変異を誘発するプロセスにおいて外側のプライマーなしに、全 長フラグメントに再アセンブリした(Stemmer(1994)Proc.Natl.Acad.Sci. USA 91:10747-10751を参照のこと)。207アミノ酸をコードする全遺伝子をシ ャッフリングすることは、機能的に重要なDNA結合領域を含むタンパク質のすべ ての領域の変異誘発を可能にする(Kanugula(1995)Biochemistry 34:7113-7119 )。全長フラグメントをベクター中にクローニングし、そしてアルキルトランス フェラーゼ欠損E.coli(GWR111株、ada ogt)中に形質転換した(Rebeck(1991) J.Bacteriol.173:2068-2076)。比較的大多数の変異体を作製し、多様性を増加 した。なぜなら、不活化変異体は、アルキル化剤によるストリンジェントな遺伝 子選択で除去され得るからである。この選択は、細菌をメチル化剤MNNGで3連続 回処理する工程を含み、それぞれは、1時間の回収時間によって分けられ、その 間に細菌により多くのMGMTを作製させる。3連の選択は、不活化MGMTを有する細 胞を殺傷し、そしてMGMTの改良された発現および/または活性を有するタンパク 質について優先的に選択する。 改良されたヒトMGMT遺伝子をまた、天然および非天然の両方のコード配列多様 性を用いて生成した。非天然多様性を、ヒトMGMTのランダムな断片化によって作 製した(野生型MGMTcDNAは、S.Mitra博士(University of Texas,Galveston) の好意によって提供された;cDNAおよびタンパク質配列について、ならびに残基 番号付けについては、Tano(1990)「06-アルキルグアニンについてのヒトDNA修 復タンパク質をコードするcDNAクローンの単離および構造的特徴」Proc.Natl. Acad.Sci.USA 87:686-690を参照のこと)。この後、変異誘発DNAシャッフリン グ反応におけるフラグメントの再アセンブリが続く。アルキルトランスフェラー ゼ欠損E.coliに対するMNNG耐性を与えるそれらの能力について選択した活性な変 異体をプールし、再変異し、そして続くサイクルのシャッフリングにおいて再結 合した(アルキルトランスフェラーゼ欠損(ada ogt)E.coli GWR111株は、L.Sam son,Harvard University,Cambridge,MA;Rebeck(1991)J.Bacteriol.173:206 8-2076によって提供された)。2サイクルの簡便なDNAシャッフリングを用いて 、非天然多様性を構築した。 野生型ヒトアルキルトランスフェラーゼ(MGMT)cDNAを、pUC118プラスミド(N ew England Biolabs,Beverly,MA)に、そしてコードヌクレオチド残基番号380 にて作製された翻訳的にサイレントなXhoI部位中にサブクローン化した。隣接す る非コード配列をその構築物から取り出し、そしてE.coliリボソーム結合部 位をオリゴ1および2(以下を参照のこと)を用いるPCR増幅を介して付加し、 そしてpUC118のEcoRI-HinDIII部位中に挿入した。 この構築物を「pFC14」と命名する。pFC14中の全MGMT遺伝子の配列を、GWR111 を相補するその能力を検証したように検証した。非機能的なダミーベクターを、 XhoI部位とPinAI部位との間の活性部位コード領域(ヌクレオチド残基番号380〜 521(Tano(1990)前出、残基番号付けについて))を、オリゴ3および4(以下 )をアニーリングすることによって作製された合成の詰めもの(stuffer)二重 鎖で置換することによって構築した。 この遺伝子の不活性を、GWR111を相補しないその能力によって検証した。短縮型 MGMTを除去したダミーベクターを、ライブラリー構築のためのクローニングベク ターとして使用し、野生型MGMTによる夾雑の可能性を減少させた。 ランダムな断片化および再アセンブリによってランダム化された遺伝子ライブ ラリーを作製するための一般的な手順を、Stemmer(1994)Proc.Natl.Acad.Sci .USA 91:10747-10751;およびStemmer(1994)Nature 370:389-391において記 載されるように使用した。開始材料は、pFC14から作製された1.2kbp(キロベー スペア)PCR産物であり、外側のプライマーであるオリゴ#5:5'-AAGAGCGCCCAATA CGCAAA-3'およびオリゴ#6:5'-TAGCGGTCACGCTGCGCGTAA-3'、ならびにTaq DNAポ リメラーゼ(Promega)を用いて産生された。この産物は、ヒトMGMT+pFC14隣接配 列を含んでおり、それから、Stemmer(1994)Proc.Natl.Acad.Sci.USA、前 出、およびStemmer(1994)Nature,前出のように、50〜300bpのランダムなフラ グメントを調整し、そしてTaq DNAポリメラーゼで再アセンブリした。ネスティ ッドプライマーである、オリゴ#7:5'-ATGCAGCTGGCACGACAGGTTT-3'およびオリゴ #8:5'-TACAGGGCGCGTACTATGGTT-3'を用いた再増幅は、EcoRIおよびHinDIIIで処 理した980bpのフラグメントを与えた。得られる650bpのフラグメントを、上記の ダミーベクター中に連結した。連結混合物を、GWR111中にエレクトロポレート し、1サイクル当たり約105のライブラリーを生じ、これから活性なクローンを 選択した。選択を、インデューサーであるイソプロピル-β-チオガラクトピラノ シドの省略を除いて、Christians(1996)Proc.Natl.Acad.Sci.USA 93:6124 -6128に記載のように実行した。培養物中の細菌を3連続のMNNGの用量で処理し 、それぞれは1時間の回収時間で分けた。第3の用量の後、すべての細胞をプレ ート上に拡げた。翌日、コロニーをプールし、そして次のサイクルのためのMGMT DNAをオリゴ#5および#6(上記)を用いるPCRによって調製した。この手順を、 全部で6サイクル繰り返した。MNNG処理を、シャッフリングを進行するにつれて よりストリンジェントに進行的に、3×10ug/ml MNNGで開始し、後半のサイクル において50ug/mlまで達するように行った。同様に、より少ないコロニーを、後 半のサイクルにおけるシャッフリングのために釣り上げた。 4つの既知の哺乳動物アルキルトランスフェラーゼ(ラット、マウス、ハムス ター、およびウサギ)の天然の多様性をまた使用して、改良されたヒトMGMT遺伝 子における配列多様性を生成した。図4に示されるように、それらのタンパク質 配列のアラインメントは、広範な相同性の領域ならびに多様性の領域を示す。2 ×1028の哺乳動物アルキルトランスフエラーゼからの既知の天然アミノ酸置換の 組み合わせが存在する(2アミノ酸を有する52位置、3アミノ酸を有する24位置 、および4アミノ酸を有する2位置=252×324×42)。この多様性を、21の縮重オ リゴヌクレオチドの使用を通して使用した(図3)これらのオリゴを等しい比で 共に混合して、第3および第4のサイクルで再会合反応の間にDNAフラグメント と混合される1つの多様なプールを作製した。いくつかの異なるモル比のオリゴ :フラグメントを作製し、そして高濃度のオリゴヌクレオチドが再会合を阻害す ることを観察した。なぜなら、おそらく多数の塩基対ミスマッチがポリメラーゼ を圧倒するからである。適切な再会合を生じるこれらの混合物は、再増幅後の正 しい産物のサイズによって判定されるので、オリゴの最も高い比率である1オリ ゴ:4フラグメントのモル比を含む混合物が、さらなるサイクルのために選択さ れた。各オリゴヌクレオチドのヒト由来MGMT配列へのアニーリングを、縮重また は非ヒト配列に隣接する両側に対する20ヌクレオチドの相同性によって可能にし た。コントロールPCRは、全てのオリゴヌクレオチドが、ヒト配列にほぼ等しく ハイブリダイズし得ることを示した。 第3回のシャッフリングにおいて、このオリゴヌクレオチドを、「非天然の多 様性」、すなわちサイクル2で残存したプールされたヒトMGMTクローンを有する オリゴヌクレオチドによって、生成された配列と組み合わせた。条件は、会合産 物の正しいサイズを維持する間に、オリゴヌクレオチドを組み込み、そして多様 性を最大にするための試みにおいて変化した。正確な会合を可能にするためのオ リゴヌクレオチド:フラグメントの最大のモル比は、1:4であった。比率の制 限のために、「オリゴスパイキング」を、サイクル4において繰り返した。従っ て、サイクル3および4におけるプールは、ランダムに変異されたヒト由来配列 、ならびに哺乳動物MGMT遺伝子セグメントの別々の組み合わせを含むハイブリッ ドであった。これらのプールを、サイクル間の選択に供した。さらなるオリゴヌ クレオチドを有さない「通常のシャッフリング」の2つの最終回(サイクル5お よびサイクル6)を、ハイブリッドタンパク質をさらに進化させる試みにおいて 実施した。 後のサイクルで残存した個々のクローンを、単一の40ug/ml用量のMNNGでそれ らを処理し、そして未処理サンプルとの残存を比較することによる改良のために スクリーニングした。サイクル4からの最も優れたクローンは、この用量で野生 型を10倍超える改良を示した。図5(配列番号2)に示されるその推定されたタ ンパク質(アミノ酸)配列は、野生型ヒトアルキルトランスフェラーゼから7ア ミノ酸の差異(図5の7つの円で囲ったアミノ酸残基を参照のこと)、他の哺乳 動物アルキルトランスフエラーゼにおいて見出された5残基(図4の四角で囲ま れた残基)を含む改良された(進化した)ヌクレオチド配列(配列番号1)に基 づく。これらの5アミノ酸変化は、サイクル3および4の間にスパイクされたオ リゴヌクレオチドによってコードされたようである。5つ全ては、同じ縮重オリ ゴヌクレオチドプール(図3の#7)によってコードされた。他のアミノ酸変化 (残基番号72でのQ(gln)からR(arg)(Q72R)、残基番号173でのG(gly)からD(as p)(G173D))(Tano(1990)前出)は、天然の多様性において示されず、従って変異 シャッフリングプロセスによって生成された。さらに、(野生型に由来する)2 つの翻訳的にサイレントなヌクレオチド変化を検出した(図5の2つの下 線を引いた核酸残基を参照のこと)。 このシャッフリング変異体は、E.coliにおけるその活性についてより徹底的に 特徴づけした。一組の実験において、細胞を段階的用量のMNNGで処理し、そして 生存画分を決定した。MNNG処理で生存した個々のクローンから単離されたプラス ミドを、GWR111へ形質転換した。再形質転換クローンを、単一の40ug/mlの用量 のMNNGでそれらを処理することによって別々にスクリーニングした。最も優れた クローンを、さらに以下の3つの方法で分析した:(i)全MGMT DNA配列を、蛍光 色素ターミネーターサイクル配列決定法(Applied Biosystems 373A Autosequenc er,Foster City,CA)を用いて二方向でDNA標的を配列決定することによって得 た;(ii)殺傷曲線を、イソプロピル-β-チオガラクトピラノシドの非存在下で対 数的に増殖している細胞を段階的な単一用量のMNNGで処理し、そして未処理コン トロールに対するコロニー形成能を測定することによって確立した。野生型遺伝 子(pFC14)またはV139F変異体(Cristians(1996)Prod.Natl.Acad.Sci.USA,前出 )を有する細胞を、比較のために平行して処理した;(iii)細菌抽出物のアルキ ルトランスフェラーゼ活性を、Bobola(1995)Molec.Carcinogen 13:70-80に記載 のように、O6−[3H]メチルグアニンを含むウシ胸腺DNAへインビトロで曝露する ことによって定量した。いくつかの抽出物を、哺乳動物アルキルトランスフェラ ーゼインヒビターO6-ベンジルグアニンとともにプレインキュベーションした。 生存物は、野生型ヒトMGMTまたはV139F変異体のいずれかを有する細胞より大 きかった。LD10、すなわち10%生存を与えるMNNGの用量は、野生型、17.5ug/ml ;V139F、25ug/ml;および、サイクル4シャッフリング変異体、33ug/mlであっ た。第二組の実験において、細菌抽出物を、過剰の[3H]メチル化DNA基質(主と してO6-メチルグアニンの形態において)へインビトロで曝露して、全アルキル トランスフェラーゼ活性を測定した。全タンパク質の1ugあたりの1分あたりの 平均不溶性カウントは:野生型、126;V139F、58;およびサイクル4シャッフリ ング変異体、52であった。3つ全てのタンパク質は、インヒビターO6-ベンジル グアニンに感受性であった。 従って、本発明の回帰的配列組換え法は、新しくかつ改良されたヒトアルキル トランスフェラーゼタンパク質を首尾良く生成した。変異シャッフリングプロセ スによって生成されたランダムな多様性は、天然によって提供される多様性によ って増大された。天然の多様性は、ヒト遺伝子のフラグメントを、既知の哺乳動 物アミノ酸置換の全てをコードするオリゴヌクレオチドと単にシャッフリングす ることによって利用され得る。多様性の領域に隣接した配列におけるヒト遺伝子 に対する相同性は、オリゴヌクレオチドの組み込みを促進した。最も優れた変異 体は、図5(配列番号1)に示されるように、ヒトアルキルトランスフェラーゼ から7アミノ酸の差異を有するハイブリッドであった。変異体のうちの2つは、 シャッフリングの間に自然に生じ、そして他の5つは、天然の多様性、特にアミ ノ酸位置50に架橋された「スパイクオリゴ」の1つによってコードされた。全て のオリゴは、PCRによってヒト配列にハイブリダイズし得ることが示されたので 、全てが少なくともある程度はプールに組み込まれたようである。 異なる系を用いた以前の研究はまた、そのような反応における合成オリゴが、 ほぼ期待された割合で組み込まれることを確認した(Crameri(1996)Nature Me dicine,前出)。天然の多様性を組み込むための別の方法は、各種由来のcDNAを 単離または合成すること、および全コード配列を共にシャッフリングすることで ある。天然の多様性を増殖するこの回帰的方法は、異なる生物および生物内の遺 伝子ファミリーに由来する多くの関連遺伝子を改良する。さらに、それは、構造 的または機能的のいずれかで関連するモチーフを有する複数のタンパク質へ適用 され得る。 どのようにシャッフリング変異体におけるアミノ酸置換がE.coliにおいてその 活性を増加するかを機械的に合理化することは困難である。唯一のアルキルトラ ンスフェラーゼ結晶構造(細菌性Adaタンパク質C末端フラグメント(Wibley(19 95)Cancer Drug Design 10:75-95;Moore(1994)EMBO J.13:1495-1501))に基 づくヒトアルキルトランスフェラーゼのコンピューターモデルにおける機能を指 定されるシャッフリング変異体において変異されたアミノ酸位置はなかった。位 置50周辺の5つの変異のクラスター形成は著しいが、このタンパク質のこの領域 に起因する既知の機能はなかった。これらの5つの置換のうちの3つは、全ての 他の哺乳動物アルキルトランスフェラーゼにおいて見出されている。いくつかの 置換は、戻し交配によって回答され得る中性の可能性であり得るが、もう一方 は、特に電位変化を含む置換と相乗的であり得る。位置番号173でのG(gly)から D(asp)への変異(G173D)(残基のナンバリングについて、Tano(1990)前出を参照 のこと)の残基番号172での保存的E(glu)(E172)との近似は、E172による重大な 塩関連相互作用において有意な所定の提唱された関与をであり得る。この領域に おけるさらなる酸性残基は、この効果を増強し得る。 DNAシャッフリングの力は、詳細に作用を作るべきでない多くのそのような複 雑な作用を漸進的に改良する変異の組みあわせを可能にする分子増殖プロセスで ある。本発明者らは、この特性を開拓して、天然の酵素または任意の報告された 変異体よりインビボで強力なアルキルトランスフェラーゼへ進化させる。この進 化された変異体は、遺伝子治療による化学的保護に非常に有用である。野生型ア ルキルトランスフェラーゼを超える改良は、患者への毒性と一致することなくア ルキル化剤の用量の増大を可能にすることによって臨床医に非常に有用である。 重篤な骨髄毒性のために使用されないアルキル化剤が一度見込めると、現在臨床 的に受容可能になり得る。インビボでのアルキルトランスフエラーゼのわずかな 改良でさえ、比較的少数の耐性細胞が骨髄を再増殖するのを可能にするポジティ ブ選択を与えるのに有用である。このアルキルトランスフェラーゼはさらに改変 されて、O6-ベンジルグアニン耐性のようなさらなる特徴を組み込まれる。この アルキルトランスフェラーゼはまた、さらなるDNAシャッフリングに供され得、 そして改良された核局在化、または真核生物クロマチン構造とのよりよい相互作 用のような哺乳動物細胞におけるさらなる改良された活性について選択され得る 。実施例4:アデノウイルス−ファージミドを用いたインビトロ組換えによるウイ ルスの全ゲノムシャッフリング 本実施例は、10キロベースを超えるサイズのDNAインサートをパッケージング し得る本発明の回帰的組換え法を用いる、新規のアデノウイルスファージミドの 構築物を示す。本発明の方法を用いたファージf1開始点の組み込みはまた、ヒト アデノウイルスの36kbファミリーのようなウイルスの全ゲノムを進化させ得る新 規のインビボシャッフリング形式を作製する。 広範に使用されるヒト5型アデノウイルス(Ad5)は、36kbのゲノムサイズを有 する。高い割合の非製造組換え改変体を生じ得る過剰な数の変化を作製すること なく、インビトロでこの大きなゲノムをシャッフリングすることは困難である。 この問題を最小化し、そしてAd5の全ゲノムのシャッフリングを達成するために 、アデノウイルス−ファージミドを、本発明の方法を用いて構築した。 図6に概説されるように、36kb Ad5ゲノムを、制限消化によって2つの重複部 分へ分割した。2つの半分のそれぞれを、pBR322にサブクローン化し;得られた 2つのプラスミドをpAd-Rおよびp-AdLと称した。詳細には、EcoRIのできあいの アダプターを、直鎖状36kbゲノムDNAの各末端に対して最初に連結した。次いで 、この連結産物をBamHIで消化して、Ad5ゲノムの右半分(ヌクレオチド21,562〜 35,935)を生成し;そしてEcoRIで切断してゲノムの左半分(ヌクレオチド1〜27 ,331)を生成した。次いで、14.3kb BamHI/EcoRIフラグメントの右半分をBamHI/E coRI消化pBR322と連結してAd-Rを作製し、そして27.3kb EcoRIフラグメントをEc oRI消化pBR322と連結してpAd-Lを作製した。遺伝子移入および安全性の理由のた めに、次いで、Ad5 E1領域を:まず部位特異的変異誘発を用いて(457位のG残 基をT残基へ、および459位のC残基をA残基へ変更することによって)ヌクレ オチド455でAflII部位を作製し;次いで、他のAflII部位がプラスミド中に存在 するので、AflII部分消化を実施することによって、pAd-Lから削除した。24.3kd AflIIフラグメントをゲル精製し、DNAポリメラーゼIで埋めて、平滑末端を作製 した。次いで、それをSwaIリンカーと連結して、ヌクレオチド458と3533の間のE 1領域を同時に削除し、そして外来遺伝子の挿入のためにユニークなSwaI部位を 挿入した。 ファージミドを構築するために、ssDNAファージf1複製開始点を、pBluescript II KS(-)ファージミド(Stratagene,San Diego,CA)からPCRによって入手し、そ して図6に例示されるように、組換えDNA技術によってAdプラスミド(pAD-Rおよ びpAD-L-1)のClaI部位へ連結した。次いで、得られたAdファージミドを、変異株 mutD5(Degnen(1974)J.Bacteriol.117:477-487を参照のこと)へ導入して、変 異体を得、それによって多様性を増大した。mutD5の自然変異率は、約1.8×10-6 /塩基対/細胞/世代であり(FiJalkowska(1996)Proc.Natl.Aca.Sci.USA 93: 2856-2861を参照のこと)、これはインビトロシャッフリングの変異率より約10 0倍低い(Stemmer(1994)Proc.Natl.Aca.Sci.USA93:2856-2861を参照のこと)。 ファージミドファージを調製するために、これらの変異されたAdファージミド を、mutD5細胞より精製し、次いでF+recAl株(XL-1 Blue,Stratagene.San Dieg o,CA)へ導入し、そして得られた形質転換体を、ヘルパーM13ファージ(VCSM13, Stratagene.San Diego.CA)で10の感染多重度(MOI)で感染させた。RecA(Clark (1965)Proc.Natl.Aca.Sci.USA 53:451-459を参照のこと)のリコンビナーゼ活 性を破壊するrecA1変異は、ヘルパーファージ感染の間の29kb pAd-L-f1の安定性 に必須である。Adファージミドファージの安定な高力価(1mlあたり1010以上の 形質導入単位)ストックが得られた。次いで、Adゲノムを有するこれらのssDNA ファージを使用して、高い多重度でmutS 201:Tn5株(Siegel(1982)Mutat.Res .93:25-33)へ感染させ、インビボでの組換えを促進した。相同性組換えは、細 胞内DNAの一本鎖形態間で特に有効である。複製後、細胞内のファージミドは、 通常のプラスミドとして挙動し、そして続いての細胞増殖の間にさらなるプラス ミド−プラスミド組換えを受ける。シャッフリングAdファージミドを、細胞から 最終的に回収および精製し、そしてHela細胞をトランスフェクトするために用い て、高力価ライブラリーを生成した。 ファージミドベクターは、ペプチドディスプレー、cDNAクローニング、および 部位特異的変異誘発のために広範に使用されている(総説についてmMead(1988) Biotechnol.10:85-102を参照のこと)。しかし、ファージミドベクターは大きな サイズ(インサート)のDNAでは使用されていない。従来のファージミド系は、1 0キロベース以上のDNAフラグメントのクローニングのためまたは大きなサイズ( 10kb以上)のssDNAの生成のためには使用されていない。本発明のAdファージミ ドは、15および24キロベースと同じくらい大きい挿入物を受け入れ、そしてその サイズのssDNAを効率的に生成することが示されている。さらに好ましい実施態 様において、50〜100kbと同じくらいの大きいより大きなDNA挿入物が、本発明の Adファージミドに挿入され;これらの大きな挿入物に対応する全長のssDNAを生 成する。このような大きなssDNAフラグメントの生成は、ウイルスゲノム全体進 化(すなわち、本発明の回帰的組換え法による改変)させるのための手段を提供 する。従って、本発明は、大きなDNA挿入物(10KB以上)をクローン化し、そ してこれらの大きな挿入物に対応するssDNAをインビトロおよびインビボで生成 し得るユニークなファージミド系を最初に提供する。 本発明の好ましい実施態様の上述の記載は、例示および説明の目的で提示され ている。これらは、開示される正確な形態にたいして本発明を網羅することも、 また限定することも意図せず、そして多くの改変および変形が上記の教示を鑑み て、可能である。当業者に明らかであり得るこのような改変および変形は、本発 明の範囲内であることが意図される。上記で引用された全ての特許文献および刊 行物は、その事項が別々に記載されるように、同じ範囲の全ての目的でそれらの 全体が参考として援用される。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION   A method for optimization of gene therapy by recursive sequence shuffling and selection   This application was filed on September 27, 1996, and issued under 35 U.S.C. §111 (b) U.S.A. changed to Provisional Application No. 60 / 037,742 under 37th §1.53 (b) (2) US Patent Application No. (“USSN”) 08 / 721,824; and USSN filed September 27, 1996 A continuation-in-part of 08 / 722,660. Each of the above-mentioned applications is hereby incorporated by reference. For their entirety and all purposes, they are expressly incorporated by reference.                                Field of the invention   The present invention relates to the modification of vectors and other nucleic acids for use in gene therapy. Applied in the field of molecular genetics for good. Improvements achieved by recursive sequence recombination Is done.                       Background and description of related technologies   Gene therapy is used to express nucleic acids for specific therapeutic purposes into a patient's cells. Is the introduction of a nucleic acid. That is, the nucleic acid itself is used as a drug. For example, Smart genes are delivered to patients with a recessive genetic disorder, such as cystic fibrosis. Can correct genetic defects and treat disease states. In other applications, Encodes toxins (e.g., diphtheria toxin, ricin, tk) to kill vesicles Gene delivery can be used, and other genes specific to kill infectious organisms Can be tailored. Other applications include incorporation of regulatory sequences near endogenous genes including. These different applications have many modes of delivery (e.g., in vitro, Many different target cells in vivo, in situ, intravenous, and germline modified About.   Gene therapy has the power of many large pharmaceutical manufacturers and some smaller Biotech companies into viable therapeutic approaches to treating human diseases Substantial financial and technical supply to develop gene therapy as a approach Led to focus the source. Although simple in theory, there are technical difficulties in gene therapy. There is no difficulty. Cell type as a target for the development of any gene therapy Identification of DNA, means for entry of DNA into these cells, Means for expressing useful levels of progeny products and hosts for gene therapy agents Requires shuffling of the immune response.   The requirements for any particular application depend on the vector to be developed and tested. Greatly influence the choice and profound effect. Possible variables in different applications are Gene transfer efficiency, gene expression efficiency, gene expression duration, Possibilities, including the ability to target appropriate cells and avoid inappropriate cells . A possible confounding predisposition is that the virus or delivery vehicle enters certain cells Or the inability to integrate into the chromosome of a particular cell, a transcriptional promoter Shutdown, loss of input DNA, destruction of treated cells, and Virus or gene product neutralization. All of these predispositions are viruses Choice of vector or non-viral delivery system, and the host Depends on the ability to respond to the system.   Most of the currently available components for constructing gene therapy vectors Have not evolved or been developed for therapy and therefore have many undesirable properties And may lack efficacy in the desired gene therapy application. For example, most Min eukaryotic virus optimizes virulence and virus reproduction Most non-viral DNA delivery systems have been developed for administration to humans. But not for experimental transfection in laboratory conditions. Designed to be.   The solution to the above difficulties and inefficiencies is that gene therapy has many of the Is necessary before it can be effective in the routine treatment of patients. The present invention addresses this need. And other needs, among others, used in gene therapy by recursive sequence recombination. By providing improved methods for improving vectors and other nucleic acids. Add                                Summary of the Invention   The present invention advances nucleic acids for use in gene therapy by recursive sequence recombination. Provide a way to The method involves the use of each other in at least two nucleotides. Recombining at least the first and second forms of the different segments To generate a library of recombinant segments. Then this library At least one recombinant segment from a gene for properties useful for gene therapy. Screened. Then, the lesser number identified by this screening Both one recombinant segments are the same as or different from the first and second forms Is recombined with a further form of the segment, and further Generate an library. This further library is then screened. This additional line has been developed for improvements in properties useful for gene therapy. At least one additional recombinant segment is identified from the library. Recombinant And additional cycles of screening, if necessary, Until it provides the desired level of properties useful for gene therapy Will be implemented.   In one embodiment, the invention relates to the use in gene therapy by recursive sequence recombination. Provide a method for modifying a nucleic acid segment for use, comprising: Steps: (1) At least first and first segments different at at least two positions Recombination of the two forms to produce a first set of recombinant segments: (2) Genetics Screening at least one recombinant segment for properties useful for offspring treatment (3) at least one recombinant cell generated by steps (1) and (2); Segment, the same as or different from the first or second form, Generating a second set of recombinant segments with the variant form of And (4) removing at least one recombination segment from the second recombination set Screening for properties useful for gene therapy. this In a further embodiment of the method, steps (1) to (4) are performed in which the Is repeated until the drug conferred properties useful for gene therapy. More of this method In embodiments, the nucleic acid segment can be a viral nucleic acid segment, or The viral nucleic acid segment may comprise a viral vector, or may comprise at least one Occurs in vivo or in vitro.   In one embodiment, the desired property to be obtained is at an improved virus titer. is there. Here, the recombinant segment is the growth of the virus on the cell for multiple generations. And screening as a component of the virus by isolation of progeny virus Progeny virus is a virus having a recombinant segment that confers improved titer properties Have been enriched.   In a second embodiment, the desired property is improved viral infectivity. Recombination Segment determines the percentage of the population of cells infected by the virus. It can be screened as a more viral component.   In a third embodiment, the desired property is an improved gene within the nucleic acid segment. Expression. The recombinant segment detects the expression of the recombinant segment in the cell Can be screened.   In a fourth embodiment, the desired property is improved or altered drug resistance. Recombinant segments involve exposing cells to drugs and selecting viable cells The surviving cells can be screened for improved or altered drug resistance. It is enriched for recombinant segments with properties.   In a fifth embodiment, the desired property is an improved or altered tissue specificity It is. Recombinant segments require the virus to be infectious by the virus A first population of cells to be infected and cells for which the nature of the infection by the virus is not desired Contacting a progeny virus from said first population of cells. By isolation, it can be screened as a component of the virus. Lus is a recombinant segment that confers infectious properties on a first subpopulation of the cells. Have been enriched.   In a sixth embodiment, the desired property is an improved viral capsid package. Aging ability. Recombinant segments allow the virus to grow on cells , And the progeny virus containing the recombinant segment by isolating the virus It can be screened as a component. Virus capsi containing recombinant segment The packaging capacity of the code increases during successive screening steps.   In a seventh embodiment, the desired property is episomal retention. Recombinant segment Cells containing the cells can be grown without selection for the recombinant segment. And then growing the cells with selection for the recombinant segment Cells that can be screened and survive selection will have improved episomal retention. It is enriched for cells that carry a recombinant segment with properties.   In an eighth embodiment, the desired property is that of the recombinant segment or its expression product. Of reduced immunogenicity. The recombinant segment is a mammalian segment And recovering the recombinant segments that survive after a predetermined period of time Can be screened.   In a ninth embodiment, the desired property is site-specific integration. Recombinant Segume Can be introduced into cells, and cells containing the desired integration site Screening can be performed by recovering a region of the DNA, which region is It is enriched for recombinant segments with heterologous integration properties.   In a tenth embodiment, the desired property is increased stability. Recombinant segment Subject the virus to destabilizing conditions and recover viable virus. And can be screened as components of the virus. Enriched for recombinant segments that confer the properties of   In an eleventh embodiment, the property is the ability to confer cellular resistance to a microbial infection. is there. Cells containing the recombinant segment are not capable of surviving infection by the microorganism. Can be screened.   In a twelfth embodiment, a method of the invention comprises introducing a non-viral form into a target cell. Evolve vector for The recombinant segment is a mammal Introduction into animals, this segment is integrated and expressed to Recovering cells from mammals that produce antisense or antisense RNA; and By recovering the recombinant segments from the cells.   In a thirteenth embodiment, the present invention provides a method for expression in a packaging cell line. Provides a method for improving the adeno-associated virus proteins rep and cap. This Cells containing the recombinant segments of these genes are flanked by terminal repeats (ITRs). Recombinant AAV (rAAV) containing marker genes Infect with par virus. Progeny rAAV and helpers produced by different cells Virus yield was determined and high relative yield of rAAV to helper virus Cells with a rate are selected.   In a fourteenth embodiment, the nucleic acid segment is a protein or an antisense R A coding sequence encoding NA, which is inserted into the genomic DNA of a mammalian cell. After integration of the segment.   In a fifteenth embodiment, the nucleic acid segment encodes a viral protein; In addition, the above-described properties allow the transfer of the cell line containing the nucleic acid segment into the cell line. Ability to package isolated viral DNA.   In a sixteenth embodiment, the nucleic acid segment encodes a DNA binding protein, The increased properties are dependent on the recipient of the vector encoding the DNA binding protein. Uptake by cells.   In a seventeenth embodiment, the invention is encoded by the nucleic acid sequence of SEQ ID NO: 1. With the amino acid sequence of SEQ ID NO: 2, the isolated recombinant as shown in FIG. O6-Methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) enzyme. This enzyme is present in the native human MGMT coding sequence, and Has at least one amino acid segment not present in the nucleotide sequence, and Present in the native non-human MGMT coding sequence and in the native human MGMT coding sequence May have at least one amino acid segment that is not present.   In another embodiment, the invention provides an adenovirus and phage f1 origin of replication. Phagemid-adenovirus capable of producing single-stranded DNA greater than 10 kilobases Provide irs.                             BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES   Figure 1: In vitro shuffling of genes, a tool for “recursive sequence recombination”. It is a chime.   Figure 2: DNA binding conferring enhanced DNA uptake by recipient cells 3 is a scheme for selecting a protein.   Figure 3: To generate a recombinant form of MGMT using the recursive recombination method of the present invention. Oligonucleotide used for   Figure 4: Five known mammalian alkyltransferases-human, rat, ma 1 illustrates the natural diversity of mouse, hamster, and rabbit. Using this diversity To generate improved sequence diversity in the human MGMT gene.   Figure 5: Nucleotide of the improved human MGMT gene generated by the method of the present invention FIG. 3 illustrates the tide sequence (SEQ ID NO: 1) and amino acid sequence (SEQ ID NO: 2).   FIG. 6: illustrates the structure of the novel adenovirus-phagemid.                                   Definition   The term “screening” is generally a two-step process, where First, determine which cells express and do not express the screening marker. Then, those which physically separate cells having desired properties are described. The choice is Screenini where identification and physical separation are achieved simultaneously by expression of a selectable marker Is a form of signaling that, in some genetic situations, is a cell that expresses a marker. Survival the vesicles while killing other cells (or vice versa). Screw Luciferase, β-galactosidase, and green fluorescent markers Contains protein. Selectable markers include drug and toxin resistance genes. Self Although spontaneous selection can and does occur in the course of natural evolution, the method of the present invention provides Selection is performed by a human.   The term “exogenous DNA segment” is foreign or foreign to a cell, Alternatively, a host cell that is homologous to the cell but for which the element is not normally found A DNA segment located at a position within a nucleic acid.   The term "gene" broadens any segment of DNA that is associated with a biological function. Used to say. Thus, the genes may have a coding sequence and / or their Contains regulatory sequences required for expression. Genes can also be used, for example, for other proteins. Contains non-expressed DNA segments that form the recognition sequence.   The term "% sequence identity", "sequence identity", "sequence similarity" or "structural similarity" "Compares two sequences that are optimally aligned on a comparison window, both Determine the number of identical nucleobase positions occurring in the sequence and generate the number of matched positions Reduce the number of matched positions by the total number of positions in the comparison window Calculated or determined. Array alignment to align the comparison window Suitable alignment is Wisconsin Genetics Software Package Release 7.0, Gen Algorithm GAP in etics Computer Group, 575 Science Dr., Madison, WI , BESTFIT, FASTA and TFASTA Computerized Implementation Can be implemented.   The term "naturally occurring" is another term because it is artificially produced by humans. Used to describe controls that can be found naturally as being. For example, heaven Present in organisms (including viruses) that can be isolated from certain sources, and Polypeptide or polynucleotide not intentionally modified by a human in the laboratory Otide sequences occur naturally. In general, the term naturally occurring is representative of a species Refers to an object that is present in a non-pathogenic (disease-free) individual, such as is targeted.   The terms "isolated," "purified," or "biologically pure" The components usually associated therewith, substantially or essentially, as found in the natural state. Refers to substances that do not contain.   A nucleic acid is operably linked when it is placed into a functional relationship with another nucleic acid sequence. Is tied. For example, a promoter or enhancer If it increases the transcription of a row, it is operably linked to the coding sequence. Ready for operation Linked means that the DNA sequences being linked are typically contiguous, and If the two protein coding regions need to be connected It means that it is a frame. However, in general, an enhancer is a promoter Works when separated by a few kilobases from, and the intron sequence is of variable length Some polynucleotide elements may be operable because Can be linked, but not continuous.   The specific binding affinity between two molecules, for example, between a ligand and a receptor, is It refers to the preferential binding of one molecule to another in a mixture of molecules. Minute The binding of the offspring has a binding affinity of about 1 × 10FourM-1~ About 1 × 106M-1Or larger Can be considered to be specific.                             Detailed description of the invention I. Introduction   The present invention is directed to obtaining improvements in properties or characteristics useful in gene therapy. Methods for evolving (ie, modifying) nucleic acids are provided. This modification or evolution The substrates for Different in each application. Candidate substrates for property acquisition or improvement in properties Examples include viral and non-viral vectors used in gene therapy. No. The method requires at least two variant forms of the starting substrate. Modified form Candidate substrates can exhibit substantial sequence or secondary structure similarity to each other, but They should also differ in at least two positions. The initial diversity between forms Can be the result of natural variations, for example, various variant forms (homologs) ) Can be obtained from various individuals or strains of the organism, including geographic variants, Constitute related sequences from the same organism (eg, allelic modification). is there Alternatively, an initial diversity can be induced, for example, the second variant form comprises the first variant Error-prone transcription (eg, error-prone PCR) or proofing Use of polymerase lacking reading activity (Liao (1990) Gene 88: 107-11 1) or a mutator strain (mutator host cells are (Discussed in more detail below) can be produced by replication of the first form . Initial diversity between substrates is greatly enhanced in subsequent recursive sequence recombination steps. It is.   The characteristics or characteristics that may be required to be acquired or improved vary widely, and Depends on the choice of substrate. For example, for viral and non-viral vector sequences The objectives of improvement are higher titer, more stable expression, and improved stability. , Higher specific target, higher frequency of integration, vector sequence or its expression Reduced immunogenicity of the product and higher expression of the gene product. Heredity Used to package viral vectors used in child therapy Genomic DNA from packaging cell lines Increasing the titer of the virus produced by the vesicle strain.   An improvement in or acquisition of a property is achieved by recursive sequence recombination . Recursive sequence recombination can occur in many different ways, as described in more detail below. It can be achieved in the order of formula and style. These modalities share some common principles. Minute To share. Recursive sequence recombination is a series of successive cycles to produce molecular diversity. Imposing recombination. That is, nucleic acid molecules that exhibit some sequence identity to one another. Produces millies, but differs in the presence of the mutation. In any given cycle, the set Transposition can occur in vivo or in vitro, intracellularly or extracellularly. further, The diversity arising from recombination can be mutated to either the substrate or the product for recombination. Applying conventional methods (eg, error-prone PCR or cassette mutagenesis) Can be enhanced in any cycle. In some cases, new Or improved properties or characteristics are from different individuals or strains of the organism Sequences of various variant forms, such as homologs, or identical When using related sequences from organisms, one round of in vivo or in vitro recombination It can be achieved after only a cycle.   Recombination cycles usually involve a small number of molecules with the desired properties or characteristics. At least one cycle of screening or selection follows. Recombination cycle in When performed in vitro, the products of recombination (ie, the recombinant segments) Is introduced into the cells prior to the screening step. The recombinant segment also Prior to screening, they may be ligated to a suitable vector or other regulatory sequence. Ah Alternatively, recombinant products produced in vitro may sometimes be obtained prior to screening. Packaged as a virus. When recombination is performed in vivo, Recombinant products can sometimes be screened in cells where recombination has occurred. other In the application of the recombinant segment is extracted from the cells and optionally Packaged as a virus before screening.   The nature of the screening or selection depends on the characteristics or characteristics to be The good will depend on the property or characteristic sought, and many examples are discussed below. The specific product of the recombination (recombinant segment) is thereby compared to the starting material. Understanding the molecular basis that has acquired new or improved properties or characteristics Usually not needed or desired. For example, gene therapy vectors have a variety of (Eg, coding sequences, regulatory sequences). Sequence, target sequence, stabilization sequence, and integration sequence). Each of these component arrays They can be changed and recombined simultaneously. Then, screening / selection For example, such improvements need to be attributed to any of the individual component sequences of the vector. Recombinant segments with increased expression stability in unneeded target cells Can be performed.   The first round of screening often involves high transfection efficiency and And in bacterial cells due to the ease of culture. Later times, those Recombinant segments for use in environments proximate to the intended environment of use Can be performed in mammalian cells to optimize At the end of screening Rounds can be performed on the correct cell type for the intended use (eg, stem cells). In some cases, the stem cells are, for example, immunogenic in the patient. Obtained from the patient to be treated for the purpose of minimizing the problem. In several ways In addition, the use of gene therapy vectors in treatment is itself a screening Used as times. In other words, persistent by the intended target cells of a patient Gene therapy vectors that are incorporated, integrated, and / or expressed in Is recovered from its target cells and used to treat another patient. You. Gene therapy vectors recovered from a patient's intended target cells have evolved (I.e., modified for specific uptake, integration and / or expression) Modified by recursive recombination towards improved or new properties or characteristics Enriched for the vector.   Screening or selection steps may be useful for gene therapy Identify Subpopulations of Recombinant Segments Evolved to Obtain the Desired Properties I do. Depending on the screen, the recombinant segments may be Component or free form. More than one screening Alternatively, a selection can be made after each round of recombination.   Screening / selection of at least one of the surviving recombinant segments, and Usually one harvest is exposed to a further round of recombination. These recombinant segs Can be either extrinsic segments that represent each other or the original substrate or additional It can be recombined with a variant. In addition, recombination can take place in vitro or in vivo. Can be A previous screening step required the desired recombinant segment as a component of the cell. If a component is identified, can the component be exposed to further recombination in vivo? , Or may be exposed to further recombination in vitro, or It can be isolated before performing the round. Conversely, the previous screening step was These components may be used to identify the desired recombinant segments as components of the virus or virus. Fragment can be introduced into cells to perform a round of in vivo recombination. How Regardless of whether it is performed, the second round of recombination is performed on the recombinant segment resulting from the previous round. Additional recombinant segments containing more diversity than exist in the Produce.   The second round of recombination is screened according to the principles described above for the first round / Further rounds of selection may follow. The stringency of screening / selection is Can be increased between times. In addition, the nature of the screening and the screening The property to be used is if an improvement in more than one property is desired, or It may change from time to time if it is desired to acquire many new properties. Then In a further round of recombination and screening, the recombinant segment is Done until it has evolved sufficiently to obtain a regular or improved property or function Can be II.Format for recursive sequence recombination   Illustrative formats and examples for using recursive sequence recombination are, at times, DNA shuffling. Called fling, sexual PCR or molecular bleeding, March 25, 1996 Co-pending application filed with United States Application No. (USSN) 08 / 621,859, Agent Control Number 16 528A-014612; International published as WO 95/22625, filed February 17, 1995 Application PCT / US95 / 02126; Stemmer (1995) Science 270: 1510; Stemmer (1995) Gene 164: 49-53; Stemmer (1995) Bio / Technology 13: 549-553; Stemmer (1994) Proc. N atl.Acad.Sci.USA 91: 10747-10751; Stemmer (1994) Nature 370: 389-391; Cramer i (1996) Nature Medicine 2: 1-3; Crameri (1996) Nature Biotechnology 14:31 5-319 describes the present inventors and co-workers.(1) In vitro format One embodiment for shuffling DNA sequences in vitro is shown in FIG. It is. The first substrate for recombination is the sequence involved (eg, from an individual or a variety of organisms). Various variant forms such as homologs from strains, or allelic variants , Related sequences from the same organism). In FIG. 1, panel A, X Indicates the site where The sequence can be DNA or RNA and is either recombined or Depending on the size of the gene or DNA fragment to be reconstructed Can get. Preferably, the sequence is between 50 bp and 50 kb.   The pool of related substrates is about 5 bp to 5 bp, as shown in FIG. Converted to overlapping fragments of kb or more. Often, for example, The size of the fragments is about 10 bp to 1000 bp, and sometimes DNA fragment The size of the target is about 100 bp to 500 bp. This conversion can be done in a number of different ways (eg, , DNase I or RNAse digestion, random shear, or partial restriction enzyme digestion). Can be brought. Consideration of protocols for nucleic acid isolation, manipulation, enzyme treatment, etc. For example, see Sambrook, Molecular Cloning: A LABORATORY MANUAL (second edition) , 1-3, Cold Spring Harbor Laboratory, (1989) (Sambrook), and CURRENT  PROTOCOLS IN MOLECULAR BIOLOGY, Ausubel, Greene Publishing and Wiley- See Interscience, New York (1987) (Ausubel). Specific length and distribution The concentration of nucleic acid fragments in a row is often less than 0.1% or 1% of the total nucleic acid weight. Few. The number of different specific nucleic acid fragments is usually at least about 100, 500, Or 1000.   Mixed populations of nucleic acid fragments can be prepared using a variety of techniques (eg, heating, chemical denaturation, DNA At least partially single-stranded nucleic acid forms (including use of binding proteins, etc.) Is converted to The conversion is performed at about 80 ° C. to 100 ° C. to form a single-stranded nucleic acid fragment. C., more preferably to 90-96.degree. C., and then annealing again. Can be brought about. The conversion also involves single-stranded DNA binding protein (Wold (1997) A nnu.Rev.Biochem. 66: 61-92) or the recA protein (Kiianitsa ( 1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94: 7837-7840). Can be brought. Then has sequence identity with other single-stranded nucleic acid fragments The single-stranded nucleic acid fragment is cooled to 20 ° C to 75 ° C and preferably to 40 ° C to 65 ° C. Can be annealed again. Regeneration is polyethylene glycol (PEG), other volume exclusion reagents or salts can be accelerated. The salt concentration is Preferably, the salt concentration is between 0 mM and 200 mM, more preferably the salt concentration is between 10 mM and 100 mM. salt Can be KCl or NaCl. The concentration of PEG is preferably between 0% and 20%, More preferably, it is 5% to 10%. The fragment that anneals again is shown in FIG. As shown in panel C, it can be from a different substrate. Annealed nucleic acids Fragments are made of nucleic acid polymerases (eg, Taq or Klenow) and dNTPs (eg, That is, it is incubated in the presence of dATP, dCTP, dGTP, and dTTP). If the region of sequence identity is large, Taq polymerase should be annealed between 45-65 ° C. Can be used at the operating temperature. If the region of identity is small, Klenow polymerase An annealing temperature between 20 and 30 ° C can be used. Polymerase, Anilin Random nucleic acid fragments before, simultaneously with, or after annealing To the cement.   To produce a collection of polynucleotides containing fragments of different permutations Denaturation of overlapping fragments in the presence of polymerase The production and incubation processes sometimes involve the shaking of nucleic acids in vitro. It is called ruffling. This cycle is repeated a desired number of times. Preferably The cycle is repeated 2 to 100 times, more preferably the sequence is repeated 10 to 40 times It is. The resulting nucleic acid is preferably between about 50 bp and about 100 kb, as shown in FIG. Or a family of 500 bp to 50 kb double-stranded polynucleotides. The group is out Represents a variant that shows a similar identity to the substrate, but also differs at some positions. You. The population has more members than the starting substrate. Arising from shuffling The population of fragments is cloned into a vector, if necessary, and Used to transform cells.   In one embodiment utilizing in vitro shuffling, the use of recombinant substrates If the run is a substantial fraction, typically incompletely stretched by at least 20% or more Can be produced by amplifying the full-length sequence under conditions that produce a longer amplification product. You. Another embodiment uses template DNA to produce less than full-length amplification products. Use primers to prime. Amplification product (this is an incompletely expanded amplification Product) is denatured and at least one additional reannealing and It is subjected to a cycle of amplification. At least one re-annealing and amplification This modification, which provides a substantial fraction of incomplete extension products, is referred to as (Stuttering) ". Partial extension in subsequent amplification rounds The product (less than full length) will anneal again and on different sequence related template species Prime extension. In another embodiment, the conversion of the substrate to a fragment comprises: It can result from partial PCR amplification of the substrate.   In another embodiment, the mixture of fragments comprises one or more oligonucleotides. Spiked with Oligonucleotides were pre-characterized of the wild-type sequence It can be designed to include sites for mutation, or natural modification between individuals or species. Oligonucleotides also allow annealing with wild-type fragments Includes sufficient sequence or structural homology to flank such mutations or modifications. Ani The cooling temperature can be adjusted according to the length of homology.   In a further embodiment, the recombination comprises template switching (eg, DNA fragments from one template are related but different templates At least in one cycle) Occur in Template switching is performed using recA (Kiianitsa ( 1997) supra) rad51 (Namsaraev (1997) Mol. Cell. Biol. 17: 5359-536). 8), rad55 (see Clever (1997) EMBO J. 16: 2535-2544), r ad57 (see Sung (1997) Genes Dev. 11: 1111-1121) or other polymer (E.g., viral polymerase, reverse transcriptase) . Template switching also involves increasing DNA template concentration Thus it can be increased.   Another embodiment utilizes at least one cycle of amplification. This is related Using a sequence and a collection of overlapping single-stranded DNA fragments of different lengths Can be done. The fragment was a single-stranded DNA phage (M13 (Wang (1997) Biochemis). try 36: 9486-9492))). Each fragment Hybridized to a second fragment from the collection, and Priming the pseudostrand extension, thus forming a sequence-recombinant polynucleotide. In a further modification, the variable length ssDNA fragment comprises a first DNA template. Pfu, Taq, Vent, Deep Vent, U1Tma DNA polymerase or other DNA Can be made from a single primer by the enzyme (Cline (1996) Nucleic Acids  Res. 24: 3546-3551). The single-stranded DNA fragment is the second Kunkel type Used as a primer for the template. This is a uracil-containing ring Consists of ssDNA. This is the multiple of the first template into the second template. Causes a substitution. Levichkin (1995), Mol. Biology, 29, 572-577; Jung (1992) Gen See e 121: 17-24.Reintroducing shuffled genes into cells in vitro   In a further embodiment, the whole cell and organism is an in vitro shuffle. Regression cycle evolves the transgene in its cells and organisms Can be improved. The transferred gene is exposed to the recurrent recombination method of the present invention. And the shuffled sequence library is returned to the cell / organism for selection. It is. If multiple copies of the modified transgene are reintegrated into the cell, This method is useful, while in a preferred modification of this selection assay, A copy-only modified transgene is inserted into each cell. Another of this selection assay Preferred modifications include reducing the expression variability of transcription of the modified transgene. This can result from differences in the chromosomal location of the integration site. It is prescribed It also requires a means for site-specific integration of the modified transgene. These people The method uses an episomal vector that can integrate site-specifically into the chromosome Can be used to evolve   Use of a retrovirus to return a transgene modified for selection to cells Have the advantage that they integrate as a single copy. But this insertion , Not site-specific, that is, retroviruses insert. Adenovirus and ars plasmids also contain modified transgenes , But they integrate as multiple copies. Wild-type AAV integrates into chromosome q19 as a single copy, but is commonly used No modified AAV is performed. Homologous recombination can also be a modified recombinant segment (Transgene) to be inserted into the chromosome, but this method is not Yes, and can result in two copies of integration into a set of chromosomes. Eliminate these problems In order to achieve this, one embodiment of the present invention provides for the transfer of genes to specific constant locations in the genome. Utilizes a site-specific integration system to target offspring. A preferred embodiment is Cre / LoxP Alternatively, use the relevant FLP / FRT site-specific integration system. Cre / LoxP system is Cre Rico Using site specific insertion and identification called "LoxP site" using the enzyme Excision of viral or phage vector into the palindrome 34 base pair sequence Mediate. A LoxP site is inserted into the mammalian genome of choice, for example, in a homology set. Permutation (see Rohlmann (1996) Nature Biotech. 14: 1562-1565). A transgenic animal containing a LoxP site can be generated. Genome is in desired position Possesses the Cre recombinase gene when manipulated to include a LoxP site Infection of such cells with the transfected vector is performed by Efficient site-specific integration into DNA. This approach replicates between cycles Possible and modified transgenes at certain, defined locations (recombinant Sequence). Therefore, the transgene of interest is Can be modified in vitro using sequence recombination techniques and with minimal noise In vivo / in situ selection for new or improved properties in an optimal way Can be re-inserted into the cell. This technique is also used as discussed below. Can be used in vivo. For example, Agah (1997) J. Clin. Invest. 100: 169-179; Akagi (1997) Nucleic Acids Res. 25: 1766-1773; Xiao (1997) Nucleic Acids Res 25 : 2985-2991; Jiang (1997) Curr Biol 7: 321-R323, Rohlmann (1996) Nature Bio tech. 14: 1562-1565; Siegal (1996) Genetics 144: 715-726; Wild (1996) Gene 1 See 79: 181-188. The evolution of Cre is discussed in further detail below.(2) In vivo format (a) Plasmid-plasmid recombination   The recursive recombination method of the present invention involves plasmid-plasmid recombination. Book In embodiments and other embodiments, the first substrate for recombination is a nucleic acid of interest (eg, For example, genes, vectors, transcription regulatory sequences, etc.) A collection of pride. Mutant bears have substantial sequence identity to each other; eg, between substrates Have sufficient sequence identity to allow homologous recombination at (Datta (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94: 9757-9762; Shimizu (1997) J. Am. Mol. Biol. 266: 297-30 5; Watt (1985) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 82: 4768-4772). Poly The diversity between the nucleotides may be natural (e.g., allelic or species variant), induced, Derived (e.g., produced in vitro, such as by error-prone PCR) , Light (1995) Bioorg. Med. Chem. 3: 955-957), or in vitro It is the result of the recombination. Diversity also involves alternative and / or mixed codon usage It can result from the resynthesis of the gene encoding the native protein. Between substrates Both have sufficient diversity that recombination can produce more diverse products than the starting material. Must be present. At least two substrates differing in at least two positions Must exist. However, in another embodiment, 10Three~Ten8Member substrate Libraries are used. The degree of diversity depends on the length of the substrate being recombined And the extent of the functional changes to be evolved. In the position between 0.1-50% Diversity is typical.   A variety of starting substrates or recombinant segments modified by the methods of the present invention It can be incorporated into rathmids. In one embodiment, the plasmid is a standard clone. A vector (eg, a bacterial multicopy plasmid). However, In another embodiment described below, the plasmid comprises a recruitment function. Starting substrate or The recombinant segments can be incorporated into the same or different plasmids. For a while For example, at least two different types of plasmids with different types of selectable markers Sumid allows selection of cells containing at least two types of vectors Used for Also, if different types of plasmids are used, different Rasmids were obtained from two separate mismatched groups and were given two different intracellular It may allow stable coexistence of Rasmid. Nevertheless, the same incompatible group If the original plasmid coexists in the same cell for a time sufficient to cause homologous recombination, obtain.   Plasmids containing a variety of substrates may be first prepared by any transfection method (e.g., Chemical transformation, natural capacity, electroporation, viral transduction Introduced into prokaryotic or eukaryotic cells (e.g., See, for example, Sambrook for a detailed description of introducing DNA into cells; Hap ala (1997) Crit. Rev. Biotechnol. 17: 105-122). Often, plasmids At or near the sum concentration (for maximum transfection capacity) Increases the probability that more than one plasmid will enter the same cell. Various substrates Alternatively, the plasmid containing the recombinant segment may be transferred simultaneously or multiple times. Can be controlled. For example, in the latter approach, the cell is the first of the plasmid. Transfectants are selected and transfected. And then infected with a second aliquot of the plasmid.   When the plasmid is introduced into the cell, the recombinant gene or other nucleic acid segment Recombination between the substrates to produce Occurs in cells containing multiple different plasmids. But only one Cells that have received only one plasmid cannot participate in recombination, and Plasmids are propagated in mutator cells (described below) or Otherwise, if point mutations accumulate (ie, Substrates for such plasmids that can contribute to sequence diversity but for evolution The potential contribution (sequence modification) is not fully available. Rate of evolution (ie, book Modification of the nucleic acid sequence by the method of the invention) involves involving all substrates in recombination. Thus, it can be increased. In one embodiment, this is the transfected This is achieved by subjecting the cells to electroporation. Electropo The conditions for the translation are those conventionally used to introduce foreign DNA into cells. (Eg, 1,000-2,500 volts, 400 μF, and 1-2 mM gap). This Under these conditions, the plasmid is exchanged between cells, thereby assembling all substrates. It becomes possible to be involved in exchange. In addition, the products of the recombinants Further rounds of recombination with the substrate may be performed.   In another embodiment, the rate of evolution (ie, the rate of recursive sequence modification) is also It can be augmented by the use of a conjugative transfar. Zygotic transition To utilize, the substrate is cloned into a plasmid carrying the MOB gene, And the tra gene is also provided in cis or trans to the MOB gene. The effect of conjugative transfer allows the plasmid to move between cells and Allows recombination between any substrates, and the products of previous recombination simply increase the culture. Very similar to electroporation in that it occurs by propagation are doing. Learn more about how conjugative transfer is exploited in these vectors Details are discussed in more detail below (see, eg, Cabezon (1997) Mol. Gen. Genet. 254: 400-406).   Rate of evolution also fuses cells to induce plasmid or chromosome exchange Can be increased. The fusion can be a chemical agent (eg, PEG), or a virus. Virus or viral proteins (eg, influenza virus hemagglutinin , HSV-1 gB and gD, or fusogenic liposome (See Dzau (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93: 11421-11425). See).   The rate of evolution can also be determined by mutator host cells (eg, bacteria Mut L, S, D, T H mutator cells, insect (Drosophila) and mouse mutator cells, And human cell lines with defective DNA repair mechanisms (e.g., telangiectasia ataxia (ata xia telengiectasia) (cells from patients) (Morgan (199 7) Cancer Res. 57: 3386-3389; Greener (1997) Mol. Biotechnol. 7: 189-195; Maso n (1997) Genetics 146: 1381-1397; Aronshtam (1996) Nucleic. Acids Res 24: 2498- 2504; Seong (1995) Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 33: 869-874; Wu (1994) J. Bacteriol. 176: 5393-5400; Rewinski (1987) Nucleic. Acids Res. 15: 8205-8 215; Aizawa (1986) Jpn. J. Cancer Res. 77: 327-329).   The time at which cells grow and recombination occurs, of course, depends on the cell type Can vary, but is generally not critical. Because even a small degree of recombination Because it can substantially increase the diversity compared to the starting material. Recombinant gene A cell having a plasmid containing is screened for a desired function or Served for selection. For example, if the evolving substrate contains a drug resistance gene, Select for resistance. Cells that survive screening or selection should be Can be subjected to the above screening / selection, subsequent recombination, or an additional number of It can be directly subjected to recombination.   The next round of recombination may take several different formats depending on the previous round. Can be achieved. For example, in one embodiment, a further round of recombination is simply Resume electroporation or conjugation-mediated cell-to-cell transfer of the plasmid ( Repetition). In another embodiment, the fresh substrate (previous substrate (Same as or different from) transfect cells surviving selection / screening Can be effected. New substrates can be used for plasmids with different selective (selection) markers. From an incompatible group that differs from the sumid vector and / or the original plasmid In a plasmid vector. Selectable marker can be selected for transformed cells Phenotype. For example, markers may be antibiotic resistance, especially chloramphenic , Kanamycin, G418, bleomycin and hygromycin To allow selection of those cells that have been transformed with the desired DNA sequence. . See, for example, Blondelet-Rouault (1997) Gene 190: 315-317. Neo Mai A selectable marker that confers resistance to a substrate such as syn or hygromycin Since the gene can only be used in tissue culture, chemical resistance genes are also It can be used as a selectable marker in vitro and in vivo. Various target details Vesicles are P-glycoprotein, multiple drug resistance-related protein transporter, dihydrogen Lofolate reductase, glutathione-S-transferase, 06-alkylguani DNA alkyltransferase (Tano (1997) J. Biol. Chem. 272: 13250-13254) ) Or aldehyde reductase (Licht (1997) Stem Cells 15: 104-111) Is made resistant to an anticancer drug by transfer of a chemical resistance gene encoding   In a further embodiment, the cells surviving the selection / screening are 2 Can be subdivided into two subpopulations and plasmid DNA from one subpopulation Transfected. Here, plasmid-derived groups from the two subpopulations The quality undergoes further rounds of recombination. In either of the latter two embodiments, Evolution rate can be DNA extraction, electroporation, conjugation, or mutator -Can be increased by the use of any of the above techniques involving cells. Still further In embodiments, DNA from cells surviving the screening / selection is extracted. And can be subjected to in vitro DNA shuffling.   After the second round of recombination, additional rounds of screening / selection may be performed. One In certain embodiments, the screening or selection increases stringency. The reaction is performed under the following conditions. If desired, additional rounds of recombination and selection / screening Can be performed using the same strategy used in the second round. Recombinant And using the next round of selection / screening, the surviving recombinant substrate Evolve to obtain the desired phenotype or trait. Typically, this of the present invention Recombination that has achieved the desired phenotype in recombination methods and other recursive recombination methods The final product may differ from the starting (starting) material by 0.1% to 25%. The present invention Method is based on the calculated ratio of naturally acquired mutations (10 per generation).-9position About one mutation per Anderson, (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93,906 (See -907) Larger percentage of magnitude (e.g., at least 10 times, 100 (1000-fold, 1000-fold or 10,000-fold) nucleic acid sequences can be evolved / altered.   (b) Virus-plasmid recombination   The recursive recombination method of the invention involves virus-plasmid recombination. Plastic The strategy used for sumid-plasmid recombination is also viral-plus In another embodiment of the present invention, which includes mid recombination or phage-plasmid recombination. Can be used in However, some additional, especially regarding the use of viruses The annotation is appropriate. The first substrates for recombination are plasmid and viral vectors. Cloned into both Which substrate is inserted into the viral vector, And which substrate is inserted into the plasmid is usually not important, Usually, viral vectors will contain different substrates from the plasmid. Less than As before, plasmids (and viruses) typically contain a selectable marker. No. Both plasmid and viral vectors are transfected as described above. Can be introduced into the cells by the application. However, a more efficient procedure is to use a plasmid Transfect cells, select transfectants, and To infect transfectants. Efficiency of infection of many viruses Is approximately equal to 100% of the cells, Most cells infected with plasmids and plasmids with different substrates Including both.   Homologous recombination occurs between the plasmid and the virus, And recombinant virus. Intracellular DNA in double- and single-stranded form For some viruses, such as filament-like phages, that are present on both Can both be involved in recombination. Viruses must kill cells quickly If recombination is increased by the use of electroporation or conjugation, Plasmids can be transferred between cells. Recombination can also be performed by progeny from one cell. By allowing the virus to reinfect other cells, Types can be increased. For some virus types, virus Infected cells show resistance to superinfection. However, such resistance is not Infections and / or alterations in viruses that have reduced resistance to superinfection It can be overcome with a heterologous strain.   The result of infecting plasmid-containing cells with a virus depends on the nature of the virus. You. Some viruses (e.g., filamentous phage) are positive in cells. Stably with the amide, and also extrude progeny phage from the cells (Russel (1997) Gene 192: 23-32.). Other viruses (e.g., cosmidgeno (Lambda) with a cell, as in a plasmid, without producing progeny virions. It is stable inside. Other viruses (eg, T phage and soluble λ) Undergoes recombination with the rasmid, but ultimately kills the host cell and the plasmid DN Destroy A. For viruses that infect cells without killing the host, recombinant Cells containing plasmids and viruses can be used as in plasmid-plasmid recombination Can be screened / selected using this approach. Selection / Screening Progeny virus extruded by cells that survived is also recovered and paired. It can be used as a substrate for the next round of replacement. For viruses that kill host cells, The recombinant gene obtained from the recombination remains only in the progeny virus. screening Or, if the selection assay requires expression of the recombinant gene in cells, Genes are transferred from the progeny virus to another vector (e.g., a plasmid vector). And transfect cells before selection / screening It must be.   For filamentous phage, the product of the recombination has survived the recombination Cells and phages extruded from these cells. Recombinant The dual source of product is several compared to plasmid-plasmid recombination. To provide further options. In one embodiment, the DNA is in vitro recombinant. Can be isolated from phage particles for use in a single round. In another embodiment, the offspring The phage is the cells or cells that survived the previous round of screening / recombination. Fresh cells transfected with fresh substrate for Can be used to infect or infect.   (c) Virus-virus recombination   The recursive recombination method of the invention also includes virus-virus recombination. Step Rasmid-plasmid recombination and plasmid-virus recombination are described. Principles can be applied to virus-virus recombination with some modifications . The first substrate for recombination is cloned into a viral vector. Like In a preferred embodiment, the same vector is used for all substrates. Preferably A virus is a virus that does not kill cells, either naturally or as a result of mutation. Insert Later, some viral genomes can be packaged in vitro. Package The virus is used to infect cells at high multiplicity, Are more likely to accept multiple viruses carrying different substrates.   After the initial infection, the next steps depend on the nature of the infection as discussed in the previous section. For example, if the virus is a λ cosmid or M13, Fl or Fd phagemid If you have a phagemid genome, the phagemid will appear intracellularly like a plasmid. And undergo recombination simply by growing the cells. Recombination is It is particularly efficient among single-stranded forms of intracellular DNA. Recombination of the cell It can be increased by troporation. Recombination following selection / screening Cosmids containing the gene from the surviving cells (e.g., cos-lysogenic host Harvested (by heat induction of cells), repackaged in vitro, and further Can be used to infect fresh cells at high multiplicity for any round of recombination .   If the virus is a filamentous phage, a set of replicating forms of DNA Transposition occurs by growing a culture of infected cells. Select / Screen Virus vector having recombinant gene with improved properties by leaning Cell colonies containing phage were identified along with phage extruded from such cells Is done. The next option is essentially the same as plasmid-viral recombination.   (d) Chromosome-plasmid recombination   The recursive recombination method of the present invention also includes chromosome-plasmid recombination. This Format evolves both chromosome and plasmid-carrying substrates Can be used for In this format, many chromosomal genes contribute to the phenotype Or where the exact location of the chromosomal gene to evolve is unknown. Especially useful. The first substrate for recombination is cloned into a plasmid vector. Be tuned. If the chromosomal gene to be evolved is known, the substrate A family of sequences that show sequence identity but show some diversity with chromosomal genes Is composed. If the chromosomal gene to be evolved is not located, the first substrate Usually show no sequence identity to genes that should be evolved in only a small number. A library of different DNA segments. Plasmid carrying substrate and chromosome inheritance Diversity between offspring can be induced by mutagenesis, as described above, or By obtaining a plasmid-carrying substrate from a different species than the chromosome-carrying cell species Can be induced.   Plasmids carrying substrates for recombination can be used to create new or modified traits Transfect cells with chromosomal genes that are evolved / altered to acquire Is done. Evolution by recursive recombination occurs simply by growing the culture. Can get. In another embodiment, the nucleic acid sequence modification is conjugation or electroporation. Can be accelerated by transferring the plasmid from one cell to another. Sarana In some embodiments, evolution by recursive recombination is performed using mutator host cells. Thus, or a non-mutator evolving with a mutator host cell The host cells are seeded and the plasmid is plated by electroporation or conjugation. It can be further accelerated by inducing intracellular metastasis. Preferably for sowing The mutator host cells used are purely evolving non-mutator cells. A negative selectable marker is included to facilitate the isolation of a successful culture. Choice / Screening to obtain or modify desired properties or functions Cells carrying the evolved chromosomes and / or plasmids are identified.   The next round of recombination and selection / screening was performed with plasmid-plasmid recombination. And proceed in a similar manner to that described above. For example, further recombination Recombination in combination with plasmid electroporation or conjugation transfer By growing the surviving cells. Alternatively, recombination A plasmid carrying additional substrate for is introduced into surviving cells obtain. Preferably, such plasmids are from different mismatched groups and Carrying a selectable marker different from the original plasmid and at least two different Allows selection of cells containing rasmid. As a further alternative, plasmids and And / or chromosomal DNA is isolated from a subpopulation of surviving cells, and A second subpopulation can be transfected. Chromosomal DNA is transfected Prior to cloning, it can be cloned into a plasmid vector.   (e) Virus-chromosome recombination   The recursive recombination method of the invention also includes chromosome-viral recombination. First As in the described embodiment, the virus usually does not kill cells. And often phage or phagemid. Procedure is substantial This is the same as plasmid-chromosome recombination. Substrate for recombination is in the vector Cloned. The vector containing the substrate is then transfected into the cells. Or packaged in vitro and transferred to cells by infection Can be entered. The viral genome is used to grow host cultures simply by growing the culture. Replaces with color body. Evolution is based on electroporation of viral genome into cells By metastasis in cells or by reinfection of cells with progeny virions Can be accelerated. Screening / selection allows new or modified features Chromosomes and / or viral genes that have evolved to acquire sex or a desired function Nome-bearing cells are identified.   There are several options for the next round of recombination. For example, Nom is selected by electroporation / between cells surviving recombination Can be moved. Alternatively, push selection / screening from surviving cells. The released viruses are pooled and used to superinfect cells at high multiplicity. Can be used for Alternatively, a fresh substrate for recombination is Any of the ils vectors can be introduced into cells.III . Vectors used in gene therapy   The present invention provides vectors by recursive recombination for use in gene therapy. A method for modifying is provided. Broadly, gene therapy vectors are Exogenous polynucleotides produce medically useful phenotypic effects on mammalian cells It is. Vectors may or may not have an origin of replication. For example, to patients For propagation of the vector prior to administration, it is useful to include an origin of replication in the vector. is there. However, the origin of replication does not allow the vector to integrate into the host chromosomal DNA or When designed to bind to primary mRNA or DNA, they are often removed before administration. obtain. Vectors used in gene therapy can be viral or non-viral possible. Viral vectors are usually introduced into patients as components of the virus . Exemplary Vector Incorporating a Nucleic Acid Modified by the Recursive Recombination Method of the Invention Are, for example, vectors based on adenovirus (Cantwell (1996) Blood 88: 4676- 4683; Ohashi (1997) Proc Natl Acad Svi USA 94: 1287-1292), Epstein Bar Virus-based vectors (Mazda (1997) J Immunol Methods 203: 143-151) , Adenovirus-associated virus vector, Sindbis virus vector (Strong (1997) Gene Ther 4: 624-627), herpes simplex virus vector (Kennedy (199 7) Brain 120-1245-1259) and retroviral vectors (Schubert (1997) Curr Eye Res 16: 656-662).   Can non-viral vectors (typically dsDNA) be transferred as naked DNA? Or transfer enhancing vehicles (eg, receptor recognition proteins, liposomes, Lipoamines, or cationic lipids). This DNA is Cells can be transferred using a variety of well-known techniques. For example, naked DNA interacts with the cell membrane Through the use of liposomes that fuse or undergo phagocytosis (ie, Attached to liposomes, which bind to cell surface membrane protein receptors that generate (Or by using a ligand attached or directly attached to DNA) . Alternatively, the cell enhances transport of DNA into the cell without damaging the host cell To For transmission. Those skilled in the art will recognize that DNA transfer is known to transport DNA into cells. Synthetic proteins (eg, HBGF-1) may be used. To deliver naked DNA to cells These procedures are useful in vivo. For example, using liposomes More so, especially if the liposome surface has a ligand specific for the target cell. If otherwise preferentially directed to a particular organ, those skilled in the art It may provide for the introduction of DNA into cells / organs.   A. Virus-based method   Various viral vectors (eg, retrovirus, adenovirus, adenovirus) Associated virus and herpes virus) are used in gene therapy. So They often contain two components, the modified viral genome and the envelope structure surrounding it. (Generally, Smith (1995) Annu. Rev. Microblol. 49, 807-838) However, sometimes viral vectors can be introduced in a naked form, or Coated with proteins other than the ils protein. Most recent vectors One has a coat structure similar to the wild-type virus. This structure holds the viral nucleic acid It is packaged and protected, and provides a means for binding and invading target cells. Only However, viral nucleic acids in vectors designed for gene therapy can vary widely. Can be The goal of these changes is to use available packaging cells or helpers. Virus in target cells while maintaining the ability to grow in vector form in cells Dissemination of the exogenous DNA sequence into the viral genome Providing a space and incorporating new sequences encoding the gene of interest. To enable proper expression of Therefore, a vector nucleic acid generally comprises two Contains: Essential cis Action for Replication and Packaging in Helper Strains Transcription units for viral sequences and exogenous genes. Other virus functions specific Expressed in trans in a packaging or helper cell line.     (1) Retro virus   Retroviruses are large classes of packages that contain single-stranded RNA as the viral genome. Including membrane viruses. During the normal viral life cycle, viral RNA is reverse transcribed, The resulting double-stranded DNA integrates into the host genome and is expressed over time. As a result, infected cells can continuously transmit the virus without apparent harm to the host cells. To scrap. The viral genome is small (about 10kb) and its prototype organization Is extremely simple, gag, group-specific antigen, or core protein; pol, reverse transcription Enzymes; and env, three genes encoding viral envelope proteins including. The end of the RNA genome is called the long terminal repeat (LTR), and the promoter And sequences involved in enhancer activity and integration. The genome also Required for packaging viral RNA for production of separate envelope mRNA Sequences and splice acceptor and donor sites. Most leto Virus can only integrate into replicating cells, whereas human immunodeficiency virus (HIV) Seems to be an exception. This property makes it a retrograde vector for gene therapy. It may limit the use of the virus.   Retroviral vectors are relatively simple, 5 'and 3' LTR, packaged And a transcription unit composed of the gene of interest (this is typically the expression Is a set). In order to propagate such vectors, so-called package Deleting virus function must be provided in trans using a soaking cell line . Such cells contain integrated copies of gag, pol and env, Parvirus sequences also lack packaging signals so that they are not encapsidated Is operated as follows. Added to or added to vector and packaging cells Additional features removed from this may make the vector more effective or helper -Reflects attempts to reduce the likelihood of coexistence by the virus.   The main advantage of retroviral vectors is that they integrate into the chromosome and thus It is possible to enable long-term expression in some cases. They are grown in relatively large amounts But requires care to ensure that no helper virus is present It is.     (2) Adenovirus   Adenoviruses include a large class of non-enveloped viruses containing linear double-stranded DNA. No. The normal life cycle of the virus does not require cell division, but imposes on permissive cells. Productive infections during which large amounts of virus accumulate. Productive infection cycle Takes about 32-36 hours in cell culture and is biphasic (early phase Before and during the late phase, the synthesis of structural proteins and viral DNA While being built on the lion). In general, adenovirus infection affects humans Associated with mild illness in   Adenovirus vectors are somewhat larger than retrovirus or AAV vectors And more complex. This is, in part, a small fraction of the viral genome. Only the case is taken from most current vectors. More inheritance If the children are removed, they are provided in trans to generate the vector. It is. This has hitherto proved difficult. Instead, adeno Two general types of virus-based vectors have been studied (E3 deletion vectors). Vector and E1 deletion vector). Some worms in wild-type experimental stock Ruth lacks the E3 region and can grow in the absence of helpers. This ability is available at E3 It does not mean that the gene product is not required in the wild type, but simply It means that replication in feeder cells does not require them. Deletion of E3 region Is the insertion and insertion of exogenous DNA sequences to generate a vector that allows productive infection. And the transient synthesis of relatively large amounts of the encoded protein.   Deletion of the E1 region disables adenovirus, but such vectors are still Can be propagated. It contains the E1 region of Ad5 and constitutively expresses the E1 protein This is because there are established established human cell lines (referred to as “293”). Adenovirus Most modern gene therapy applications, including E1 Using a replacement vector.   The main advantage of adenovirus vectors is that they can be used in a wide range of cells and tissues. And efficient episomal gene transfer in Is to multiply in quantity. The main drawback is that the host response to the virus Appear to limit the ability to repeat Requires a progeny vector.   In another embodiment, the recursive recombination method of the invention comprises a DNA having a size greater than 10 kb. Construct a novel adenovirus-phagemid capable of packaging inserts Used for The origin of the phage f1 origin in the plasmid using the method of the invention Incorporation also involves the entire genome of the virus (eg, the 36 kb fragment of human adenovirus). Create a new in vivo shuffling format that can evolve . The widely used human adenovirus type 5 (Ad5) has a genome size of 36 kb Having. This large genome is transformed in vitro with a high percentage of non-viable recombinant variants. Shuffling without causing an excessive number of changes that can cause It is difficult. Minimize this problem and achieve Ad5 whole-genome shuffling To this end, an adenovirus-phagemid was constructed. Ad-phage mi of the present invention Accepts inserts as large as 15 kb and 24 kb, and ssDN of that size It was shown to produce A effectively. In a further embodiment, a larger DNA insert Pieces (about 50-100 kb in size) are inserted into the Ad-phagemid of the invention; To generate a full-length ssDNA corresponding to a large insert. Such a big ssDNA flag The generation of a fragment evolves the entire viral genome (ie, the recursive set of the present invention). Means for modifying by a replacement method). Therefore, the present invention Pieces (> 10 KB) can be cloned and corresponding to their large insert, ss First unique phagemid system capable of producing DNA in vitro and in vivo provide.   The genome of the relevant serotype of human adenovirus is described in Example 4, and As illustrated in FIG. 6, this unique phagemid system is used to shut down in vivo. It is ruffling. Genomic DNA is first cloned into a phagemid vector And using the resulting plasmid (designated "Admid"), a helper M13 By using it, a single-stranded (ss) Admid phage can be produced. In vivo recombination SsAdmid fur containing allogeneic human adenovirus genome to achieve A high multiplicity of infection (MOI) is achieved in F + mutS E. coli cells using di. ssDNA is R It is a better substrate for a recombinant enzyme such as ecA. High MOI, infected ssAdmid Multiple crossovers between copies of the DNA ensure a high probability. Shuffled adeno The viral genome is produced by purification of double-stranded Admid DNA from infected cells, And introduced into a permissive human cell line to generate an adenovirus library. This Genomic shuffling strategy is a recombinant Useful for the production of denovirus variants. This means that multiple genes Screening or selection of recombinant variant phenotypes resulting from the combination of modifications enable.(3) Adeno-associated virus (AAV)   AAV is a small, simple, non-autonomous virus containing linear, single-stranded DNA. Mu zycka, Current Topics Microbiol. Immmunol. 158, 97-129 (1992) . This virus is an adenovirus or certain other virus to replicate Requires co-infection. AAV as evidenced by antibodies to the virus In addition, it is widespread in the human population but is not associated with any known disease. AAV The genomic organization is simple, containing only two genes (rep and cap). genome Contains a terminal repeat (ITR) sequence of about 145 nucleotides.   AAV-based vectors typically contain only the ITR sequence adjacent to the target transcription position. including. The length of the vector DNA increases the length of the viral genome of 4680 nucleotides. It cannot exceed the width. At present, propagation of AAV vectors is cumbersome, and vector Plasmids encoding rep and cap that provide helper functions And introduction into a host cell. Helper plasmids lack ITRs and consequently Cannot be replicated and packaged. In addition, helpers like adenovirus Viruses are often required. The potential advantages of AAV vectors are that Long-term in cells that are not always, but probably not dividing, It seems to be capable of expression. Because viral DNA is incorporated It is. Vectors are structurally simple, therefore they are adenovirus It can elicit fewer host cell responses. The current major limitation is that AAV vectors It is very difficult to grow in large quantities.     B. Non-viral gene transfer method   Non-viral nucleic acid vectors used for gene therapy include plasmids, RNA, Thisense oligonucleotides (eg, methylphosphonate or phosphorothio Eat), polyamide nucleic acids, and yeast artificial chromosomes (YAC). like this Vectors typically contain an expression cassette for expressing the protein or RNA. Including. Promoters in such expression cassettes are constitutive, cell type specific , Stage-specific, and / or regulatory (eg, such as glucocorticoids) Remont; by the MMTV promoter). Transcription is enhanced in the vector. It can be increased by inserting a sir sequence. Enhancer is a promoter Yo Cis-acting sequences between 10 and 300 base pairs that increase transcription. Enhancer Can effectively increase transcription when either 5 'or 3' to the transcription unit . These are also useful when located within an intron or within the coding sequence itself. It is. Typically, viral enhancers are used, these are SV40 enhancers. Enhancer, cytomegalovirus enhancer, polyoma enhancer, and Includes adenovirus enhancer. Enhancer sequences from mammalian systems (eg, For example, mouse immunoglobulin heavy chain enhancer) is also commonly used.   All types of gene therapy vectors also contain a selectable marker gene. Appropriate Examples of markers include dihydrofolate reductase gene (DHFR), thymidine kinase Gene (TK) or the prokaryotic gene gpt (mycophenolic acid Xanthine guanine phosphoribosyl tran selectable with (mycophenolic acid) Spherase; ne that can be selected with G418, hygromycin, or puromycin o (neomycin phosphotransferase); and selected with methotrexate DHFR (dihydrofolate reductase)) (Mulligan and Berg, Pr. oc. Natl. Acad. Sci. (U.S.A.) 78, 2072 (1981); Southern and Berg, J. et al. Mol . Appl. Genet. 1, 327 (1982)).   Prior to integration, the vector is simply a very small fraction of the DNA expressed to date. Have to go through many barriers that cannot be achieved. High levels of gene expression Limitations include: Due to nucleases present in blood and tissues Loss of vector; inefficient entry into cells; inefficient entry of DNA into the nucleus of cells And priority of DNA to other compartments; lack of DNA stability in the nucleus (limited nuclear stability) Factors can be different from factors affecting other cellular and extracellular compartments ), The efficiency of chromosomal integration; and the site of integration.   These potential efficiencies can lead to additional sequences, Included in non-viral vectors other than the expression cassette to be expressed Can be reassembled. Additional sequences confer stability both outside and inside the cell Mediates entry into cells, mediates cell nuclei And mediate integration in nuclear DNA. For example, Cell surface receptors using peptidic DNA structures or other protein binding sites Mediates the binding of the vector to serum proteins that bind to Thereby, the efficiency of DNA transfer into cells can be increased.   Other DNA sequences may shuffle specific compartments and escape or penetrate the nucleus Provides a direct or indirect preference to other compartments that are more efficient. Other DN The A site and structure, directly or indirectly, Binds to other proteins that enter it, thereby facilitating nuclear uptake of the vector . Other DNA sequences directly or indirectly affect the efficiency of integration. same An important factor for recombination integration is the degree of homology to the chromosomal sequence. And length, and the frequency of such sequences in the genome (eg, alu repeats) is there. Specific sequences that mediate homologous recombination are also important. Because embedding is Because it occurs much more readily in transcriptionally active DNA. Homologous targeting constructs Methods and materials for construction are described, for example, in Mansour (1988) Nature 336: 348; adley (1992) Bio / Technology 10: 534.   For heterologous, unorthodox and site-specific recombination, recombination is As discussed for the Toro system, recombinant cells encoded by cells (eg, , Cre / Lox and Flp / Frt systems interact with specific sites on therapeutic vectors Is done. A vector containing a LoxP site is used to control the Lo in the chromosomal DNA in the presence of Cre recombinase. Baubonis (1993) Nucleic Ac reports that it becomes incorporated at the xP site ids Res. See also 21: 2025-2029.   Non-viral vectors encoding products useful in gene therapy are available from Lipof. Injection, gene gun (biolistic), virosome, liposome , Immunoliposomes, polycations: nucleic acid conjugates, naked DNA, artificial virions, DNA Can be introduced into animals by means such as drug-enhanced uptake, ex vivo transduction . Lipofection is described, for example, in U.S. Pat.No. 5,049,386, U.S. Pat. And US Patent No. 4,897,355, and the lipofection reagent is Commercially available (for example, TransfectamTMAnd LipofectinTM). Polynucleus Cationic lipids suitable for efficient receptor recognition lipofection of otide And neutral lipids include those of Felgner, WO 91/17424, WO 91/16024.   Due to the packaging virion particle size limitations, relatively small non-viral Existing viral vectors that can only insert the nucleotide sequence into the viral genome Uses naked DNA or lipofection complexes, unlike gene therapy vectors And transfer large (eg, 50-5,000 kb) exogenous polynucleotide into cells I can do it. This property of non-viral vectors is particularly advantageous. Because treatment Many genes that can be delivered by Id precursor protein (APP) gene, Huntington's disease gene), and Homologous targeting constructs or transgenes are required for efficient integration Can be done. Optionally, such large genes can be used to target cells to two or more Can be delivered as a fragment and reconstituted by intracellular homologous recombination (See WO 92/03917).   C. Gene therapy applications   Gene therapy vectors can be administered to individual patients, typically systemically (eg, In vivo by intravenous, intraperitoneal, intramuscular, subcutaneous, intracranial) or topical application Can be done. Alternatively, the vector may be a cell explanted from an individual patient (eg, Cells such as lymphocytes, bone marrow aspirates, tissue biopsies) or universal donor hematopoietic stem cells. Selection for cells delivered ex vivo, usually followed by the vector It can later be re-implanted into cells for the patient.   Important applications are especially in patients lacking both wild-type alleles of recessive genes. Treatment of congenital diseases. Vectors have the corresponding gene product in the patient The wild-type allele of the gene that allows for the synthesis of this product Introduce. Examples of recessive disorders include sickle cell anemia, beta thalassemia, phenylketonuria Disease, galactosemia, Wilson disease, hemochromatosis, severe combined immunodeficiency , Α-1-antitrypsin deficiency, albinism, alkaptonuria, lysosomal accumulation Syndrome, Ehrles-Danlo syndrome, hemophilia, agammaglobulinemia, diabetes insipidus, Resh-Nyhan syndrome, muscular dystrophy, Viscott-Aldrich disease Syndrome, Fabry disease, and Fragile X syndrome.   Another application of gene therapy increases the resistance of cells to infection by pathogenic organisms. Is to introduce a gene that causes Genes are microbes not found in the patient's genome May encode an antisense RNA to a sequence in the product. Alternatively, the gene , It may encode a protein that is inhibitory to microorganisms. Inhibited by gene therapy Examples of microorganisms that can be obtained are viral diseases (eg, hepatitis (type A, B, or C)) , Herpes virus (eg, VZV, HSV-1, HAV-6, HSV-II, CMV, and EBV) , HIV, adenovirus, influenza virus, flavivirus, ECHO virus Lus, rhinovirus, coxsackievirus, coronavirus , RS virus, mumps virus, rotavirus, measles virus, rubella Ils, parvovirus, vaccinia virus, HTLV virus, dengue virus , Papilloma virus, soft yu virus, polio virus, rabies virus, JC And arbovirus encephalitis virus) and pathogenic bacteria (eg, Mygia, Rickettsia, Mycobacterium, Staphylococcus, Pneumococcus, Meninges Bacillus, and conococci, Klebsiella, Proteus, Serachi A, Pseudomonas, Legionella, Diphtheria, Salmonella, Bacillus Genus, cholera, tetanus, charcoal marks, plague, leptospirosis, and Lyme disease bacteria) Including. For example, the HIV sequences Tat and Rev (Maliam et al., Nature 338, 254 (1989)) Suitable targets for antisense RNA or RNA binding proteins.   Further applications of gene therapy will increase the selective toxicity of drugs to cancer cells in patients. Delivery of drug resistance genes to non-cancerous cells in patients with the aim of increasing . For example, polynucleotides that confer resistance to chemotherapeutic agents (eg, hALDH-1 or Alternatively, the expression cassette that drives constitutive expression of the hALDH-2 gene is a cyclophosphamide Can confer resistance to non-neoplastic cells, especially hematopoietic cells.   In another application, a negative selection gene is selected using a gene therapy vector. Delivered to the patient's cells (eg, cancer cells or pathogenic cells) where selective removal is desired. It is. Examples of negative selection genes are ricin or diphtheria toxin, and HSV Including thymidine kinase (tk). A vector having such a gene is a vector Is selectively introduced into target cells via cell surface receptors with specific affinity Can be done. The expression of the negative selection gene was determined by the presence of ganciclovir in the case of HSV tk. Kills cells carrying the gene).   In another application, gene therapy vectors provide protection to subjects at risk of infection. Or as a vaccine to treat already infected subjects. You. Such vectors encode immunogenic epitopes of pathogenic microorganisms and In patients, particularly target tissues that are initially at risk of infection (eg, , Oral mucosa and genital mucosa).III . Application of recursive sequence recombination to gene therapy   The method of the present invention relates to methods and materials (in vivo, ex vivo) used for gene therapy. Includes animals, cells, and vectors for use in vivo and in vitro systems ) Can be used to evolve or improve. This section is specific to gene therapy. Discuss the application of recursive sequence recombination for the goal of Many of these goals are The present invention relates to improvements in vectors used for gene therapy. Unless otherwise indicated, this method , Both viral and non-viral vectors.   (A) Improved titer of viral vectors   In one embodiment, the virus with improved titer is a recurrent set of the invention. It can be evolved using replacement methods. High viral titer properties are a factor in gene therapy. Of multiplying large amounts of virus for use in vitro as a drug Can be This property also indicates that the virus replicates in the host tissue, It is desired that the progeny virus infect cells surrounding the originally infected cell If useful. Virus titers can be improved by recursive sequence recombination. The first substrate for recombination is sequence divergence as a result of natural or induced modifications. May be the viral genome. Substrates can be whole or viral genomes. Part of which is known to be particularly important in giving high titers possible. The substrate can be recombined in vitro or introduced into a cell and And can be recombined in vivo. In vivo recombination is directly screened. Can be used to generate progeny viruses that can be used. However, in vitro pairs The recombination leads to a recombinant genome or a fragment thereof. The entire recombinant genome is Virus is packaged using a caging cell line or in vitro packaging system. Can be caging. Genomic fragments are usually opened first by DNA ligation. Can be assembled. These are then added to the viral genome before packaging. Inserted. Regardless of the exact pathway, at least part of the genome Virus populations with the genomes that make up these fragments.   Harvesting a virus with a recombinant genome simply involves transferring the virus for several generations in cell culture. It can be screened by subculture. This has the highest titer Viruses gain the greatest presentation among progeny viruses. If desired, Lus can be plaque purified and the titers of individual viruses compared to The best titer virus can be identified from a single recombination. Alternatively, the virus Determines the best titer virus purified by serial dilution from a single recombination I can do it.   Genomes from viruses that survive screening can be used for one more round of recombination. This can again be performed in vivo or in vitro. In vivo pairs For recombination, a virus with a genome containing the recombination segment is, for example, If so, cells can be infected at a high multiplicity. For recombination in vivo, see Will Isolated from viruses with DNA. Viruses that survived screening Genomes from each other or new substrates from sources similar to the first substrate It can be recombined. Some recombination steps are used to reduce silent mutations It is desirable to include an excess of the wild-type version of the viral genome. In addition, recombinant Can be performed on the whole genome or a fragment thereof. The selection continues as before returned.   After several rounds of recombination and selection, a viral mutant or clone that can produce the desired titer A loan can be obtained. For example, at least 10% without enrichment of the infected cell culture6 ,Ten8Or 10TenConcentration of virus / ml evolved virus can be achieved Noh.   (B) Improved infectivity of the virus   Virus infectivity is transmitted to cells when the virus inoculum contacts excess cells Means the% of the virus you want. Obtaining high infectivity depends on the intended target cell type Is particularly important with respect to Thus, viral vectors target valuable expression products Used to deliver tissue (eg, lung cells that lack a functional endogenous CFTR gene) It is usually desirable that the highest percentage of virus infect the cell type.   The choice of substrates and means of recombination will be discussed and discussed for improved virus titers. Follow the same principle. However, screening for viruses with recombinant genomes The means are usually different. Previous selections do not necessarily select highly infectious viruses. Do not select. Because high titers are also given by the high release per cell Because it can be done. For more detailed screening for high infectivity Using a clonal isolate of the virus with a recombinant segment, separate Infect the culture. The percentage of virus-infected cells is then, for example, Determined by counting cells expressing the marker expressed by the virus Can be After several rounds of recombination and screening, 50, 75, 95, or Gives a virus with a recombinant genome that can infect 99%.(C) Improved packaging capacity of the virus   Viruses and vectors capable of incorporating increasing amounts of recombinant nucleic acid sequences (Eg, having improved packaging capabilities within the viral capsid) Can be evolved using the recursive recombination method of the invention. As mentioned above, gene therapy Commonly used viruses package only a limited genome length And thus limit the ability of the virus to accommodate large inserts. Virus Can be improved using principles similar to those discussed above. these In the method, the extended viral genome affects other viral functions Sites where increasing lengths of nucleic acids can be inserted in successive rounds of screening Should have. First, the length of the combined genome is the maximum capacity of the virus. One can start with a viral genome that has an insert that is near force. In other ways As such, the recombination starting material is a modified viral genome. Variants are usually of length Occurs outside of the insert that imparts Because this insert is This is because it is replaced in the application. One source of starting material is the evolved window. But known to display similar sequences It may be a viral genome having a carrying capacity. Recombination is as demonstrated above. Proceed in a similar fashion. The virus having the recombinant genome is then transformed as described above. Are screened for titer or infectivity. Best titer and / or feel Manipulating recombinant genomes from infectious viruses to increase genome length A further insert is introduced for the purpose. Virus can accommodate inserts of desired size This Until further achievement of recombination, screening, and increased genome length Continue the cycle. For example, in the largest adeno-associated virus vector The largest insert used is approximately 5 kb, which is 10, 15, 20, or even Or up to 50 kb or more.   (D) Improvement of virus stability   Viruses with improved stability are evolved using the recursive recombination method of the invention Can be done. The stability of the virus for use in gene therapy depends on its production and administration. Extending the life of the virus as a drug during and subsequently reaching the target Important in both the ability of the virus to resist previous cellular degradation mechanisms . The principles for the choice of starting material and the implementation of the recombination will depend on the other Same as the law. Has a recombinant genome that has evolved to achieve greater stability The virus exposes the virus to destabilizing conditions and recovers viable virus. And can be selected by For example, temperature (hot or cold), mechanical destruction (eg, , Centrifugation or sonication), exposure to chemicals or biological degradants (eg Exposure to proteases (eg, serum proteases). To destabilizing conditions The virus that survived the exposure was due to growth of the treated virus and collection of progeny. Identified. Occasionally, proliferation will progress for only one generation or a limited number of generations. What If not, then the progeny virus has a genome with a conferring genome. Because the virus is biased to have a genome that favors high titers in addition to ills. You.   (E)Improved expression or regulation of expression of vector coding sequences   Improvement of the expression of the target gene sequence can be achieved by implementing the recursive sequence recombination method of the present invention. And can be achieved. Viral vectors usually used in gene therapy Alternatively, non-viral vectors contain products expressed in the intended target cell. To load. The product can be a protein or RNA, for example, an antisense RNA or Or RNA that specifically binds to the target protein (ie, an aptamer) You. Usually, a coding sequence is operably linked to a further sequence (eg, a control sequence). To ensure its expression. For example, some or all of the following sequences: : Enhancers, promoters, signal peptide sequences, introns and / or Or a polyadenylation sequence. The desired purpose is achieved with a conventional vector To increase the expression level of a functional expression product as compared to the expression level . Expression can be achieved by various means (increase in production rate of expression product, decrease in degradation rate of expression product). Or improved expression product's ability to perform its intended function) Can be improved.   Improved expression of the selectable marker is achieved by performing recursive sequence recombination. obtain. For selection purposes, gene products expressed from vectors are sometimes Markers that are more easily detected than products with actual therapeutic purpose (eg, Fluorescent protein (see Crameri (1996) Nature Biotech, 14: 315-319). )) Or a cell surface protein. But some with therapeutic purposes The gene (eg, a drug resistance gene) itself provides a selectable marker and No need for or replacement markers. Alternatively, the gene product is It may be a fusion protein comprising any combination of Kerr and a selectable marker.   The material for recombination can operate on the coding sequence and / or the coding sequence It may be a full-length vector containing a control sequence linked to or a fragment thereof. This Of any of the control and / or coding sequences present in the vector It may include variants. If recombination is achieved at the fragment level, The fragment should be reinserted into the vector before screening. Recombination When the vector proceeds in vitro, the vector containing the recombinant segment is usually screened. It is introduced into cells before leaning. Cells containing the recombinant segment are Screened by detecting the expression of the gene encoded by Kerr obtain. Internal reference marker gene detects mutations in copy number or insertion site And can be included in the vector to correct. For example, if this marker is green If it is a fluorescent protein, cells with the highest expression levelsTMBy Can be identified. If the marker is a cell surface protein, the cell Stained with a reagent (eg, an antibody) that has affinity forTMBy Analyzed. Recombinant segments from cells with the highest expression are Used as some or all substances in leaning.   Development of cytomegalovirus transcription control elements   Major immediate early (IE) region transcription control elements of cytomegalovirus (CMV) (Promoter sequence and enhancer sequence (promoter / enhancer region ) Regulates transcription in vectors used for gene therapy Widely used for. Because this is very Because it is active. Optimized CMV for increased transgene levels Transcriptional control elements are produced by the recursive recombination method of the invention, Improve the efficacy of treatment. CMV promoter and enhancer are used in human cells and Improved CMV promoter / enhancer as active in animal cells Use elements to control foreign genes in both animal models and clinical applications. Is expressed.   A library of chimeric transcription control elements was derived from five related strains of CMV. Produced by DNA shuffling of wild-type sequences. IE region promoter sequence, The enhancer sequence and the first intron sequence were obtained by PCR from a CMV strain. Biol. Med. 92: 418; Human V-97 strain AD169 (Rowe (1956) Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 92: 418) 7 Towne (Plotkin (1975) Infect. Immunol. 12: 521-527); Rhesus monkey VR-677 strain 68-1 (Asher (1969) Bacteriol. Proc. 269: 91); Velvet VR-706 strain CSG (Black (1963) Pro c.Soc.Exp.Biol.Med.112: 601) and squirrel monkey VR-1398 strain SqSHV (Rangan (1980) Lab. Animal Sci. 30: 532). The promoter / enhancer sequence of the human CMV strain It is 95% homologous and 70% homologous to the sequence of the isolate. This is live Enables the use of family shuffling to generate a great variety of rallies I do. After shuffling, the library was cloned into a plasmid backbone and This is used to direct transcription of the marker gene in mammalian cells. Internal markers under the control of the native promoter can be included in the plasmid vector. You. Expression markers such as green fluorescent protein (GFP) and CD86 (B7.2 Freeman (1993) J. Exp.Med. 178: 2185, Chen (1994) J. Immunol. 15 2: 4929) can also be used. In addition, SV40T antigen-transformed cells Transfection can be used to amplify a vector containing the SV40 origin of replication. Transfected cells are those that express high levels of the marker gene. To account for differences in vector copy number per cell Screened by FACS classification normalized to internal markers. As desired If so, recover the optimal vector containing the recurrent recombination promoter sequence, and For further cycles of shuffling and selection.   (F) Improved activity of drug-resistant enzymes and expression of drug-resistant sequences   The recursive recombination method of the invention also improves the expression of drug resistance sequences / proteins To provide the means for: Many treatment regimens rely on side effects on specific cell types in the body. Administration of a drug having a specific purpose. For example, chemotherapy can Notorious for killing cells. Llcht (1995) Cytokines & Molecular Therapy 1: 1 See 1-20. Myelosuppression, or bone marrow toxicity, is associated with many chemotherapeutic agents. To limit the capacity. This is not only a dangerous side effect, but also the effectiveness of chemotherapy Also restrict. In fact, chemotherapy can be performed directly or by leukemia due to a loss of blood cell function. Can be indirectly fatal by producing secondary cancers such as Gene therapy Can protect hematopoietic cells by delivering drug-resistant proteins via Noh. This principle has been demonstrated by numerous studies. Where the mouse bone marrow Cells are treated with a protective alkyltransferase for chemotherapy alkylating agents. Protected by overexpression. Other drug resistance proteins protect the normal tissue And a target for improved expression using the methods of the invention. Can be. These include, for example, glutathione-S-transferase, dihydrogen Lofolate reductase, and superoxide dismutase.   Alkylating agents are particularly toxic to the hematopoietic system, With myelosuppression. Hematopoietic cells are very sensitive to alkylating agents. Thus, iatrogenic leukemia is a common symptom. Alkylation treatment can also cause severe lung poisoning Can occur. This limited sensitivity is associated with the DNA repair protein O in hematopoietic cells.6- Methylguanine-DNA methyltransferase (which is also6-Alkyl gua Nin-DNA alkyltransferase, MGMT, or alkyltransferer Ze; EC.2.1.1.63). Alkylating agents, especially nitrosoureas, Used alone or in combination with other drugs, many types of cancer, for example, Hodgkin's and non-Hodgkin's lymphoma, multiple myeloma, malignant melanoma, brain tumor Treat ulcers, gastrointestinal pills, and lung cancer. Taken together, these are all It constitutes more than one-third of cancers diagnosed. Therefore, the alkyl agent base Of Improving the effectiveness and reducing toxicity of chemotherapy regimens has been It has a profound effect on treatment.   Via gene therapy of bone marrow stem cells or lung cells for drug resistance genes such as MGMT Is one way to overcome the therapeutic limitations imposed by the toxicity of chemotherapeutic agents. Is the way. One strategy is to explant the patient's hematopoietic progenitor cells or lung cells ex vivo. Transduce and grow bone marrow using these cells before or after chemotherapy It is. See generally Dunbar (1996) Annu. Rev. Med. 47, 11-20. Bone marrow A tissue that is relatively easy to extract, manipulate, and reintroduce into the body. Lung Vesicles can also be extracted, manipulated, and then reintroduced by an inhalation delivery system. Alternatively, the gene may be delivered by a spray delivery system (eg, Eastman (1997) Hum. Gene Ther. 8 : 765-773 (1996) Hum. Gene Ther. 7: 1701-1717 Aerosol delivery of transgenes using DNA; or adenovirus vector For delivery of sols, see MacDonald (1997) Hum. Gene Ther. 8: 411-422) It can be introduced directly into alveolar cells more in vivo.   MGMT has been found in all tested organisms and is a chemotherapeutic alkylating agent. Prevent mutagenic, cytotoxic, and carcinogenic effects of MGMT, O of guanine6 The alkyl group bound by such chemicals is removed from the position. These The alkyl group is irreversibly transferred to cysteine in the active site of the MGMT protein. And inactivate the alkyltransferase. Therefore, this enzyme is a suicide enzyme And can only work stoichiometrically. This is important for MGMT improvement Barrier. Each protein module acts only once in a suicide manner, The protection afforded depends not only on the activity (quality) of MGMT, but also on the number of MGMT molecules. It is determined. Little or no alkyl transferers, such as bone marrow cells Cells that do not express the enzyme can be used with laboratory alkylating agents (eg, N-methyl-N'-nitro -N-nitrosoguanidine (MNNG)) (Day (1980) Nature 288: 724-727) and clinical Very sensitive to nitrosourea (Erickson (1980) Nature 288: 727-729) used in High in nature. Therefore, myelosuppression is an important part of alkylation-based chemotherapy regimens. Serious problem (DeVita (1993) Cancer: Principles and Practice of Oncology) Has a wild-type human, mouse, or bacterial alkyltransferase gene It has been overcome in experiments transducing human and mouse hematopoietic cells. Leto Overexpression of genes carried on rovirus vectors can Was protected from killing by nitrosoureas (Allay (1995) Blood 85: 3342-3351: Mori tz (1995) Cancer Res. 55: 2608-2614). In addition, these cells are found in the bone marrow of mice. When implanted, protection has been demonstrated to be long lasting in vivo (Maze (199 6) Proc.Natl.Acad.Sci.USA93: 206-210). A similar effect occurs on the liver and the bone rather than the bone marrow. (Dumenco (1993) Science 259: 219-222) And Nakatsuru (1993) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 6468-6472).   This protective effect of MGMT can be improved in some ways by recursive sequence recombination. First, the higher the specific activity (ie, the faster the cytotoxic alkylation-induced damage New variants with good repair) can be selected. Therefore, for a given expression level In addition, bone marrow cells are better protected. MGMT using traditional cassette mutagenesis Have been reported (Christians (1996) Proc. Natl. Acad. S. ci.USA 93: 6124-6128). Second, the new variant is6-Like benzylguanine For wild-type alkyltransferase inhibition. This Inhibitors, such as, may sometimes endogenous alkyltrains present in cancer cells. Used to inhibit phosphatase (Pegg (1995) Progress in Nucleic Acid Res. and Molec. Biol. 51: 167-223). Using inhibitor resistant MGMT Combines an alkylating agent with an alkyltransferase inhibitor Bone marrow is transfected in the treatment protocol. Third, the code sequence And / or a novel variant of an operably linked control sequence may be used to improve expression of MGMT. You can choose for good. Fourth, it binds to but removes alkyl adducts from DNA. A variant of MGMT can be selected that is more effective against cells than the alkyl adduct alone. This results in a more toxic DNA-protein crosslink. Vectors expressing mutant variants Can be targeted to cancer cells prior to treatment with an alkylating substrate. Fifth, MGMT variants may protect mammalian cells against clinically relevant nitrosoureas Can be selected for For this purpose, the selection should be a mammalian rather than a bacterial cell. It should preferably be performed in animal cells. Because nitroso urine Because the protective effect of MGMT on the element is stronger in mammalian cells . Small If not, the last round of selection is usually performed on stem cells. Because of drug resistance Because some component factors that contribute to the endpoint may be cell type dependent.   Since the expression level is important for the protective effect, other than the sequence encoding MGMT Manipulation of vector sequences provides an important source of improvement. The vector is used for the desired purpose (eg, For example, the ability to protect cells from alkylating agents). The purpose is Various components and combinations that are too complex to determine (enhance transduction, Including improved gene stability in addition to improved MGMT activity) Is achieved by   Low transfection efficiency as in gene therapy Is not a major limitation in Because the alkylation process is transfected Because it effectively acts as a positive selection for the selected cells. Contrast In addition, low transfection efficiency is a problem in in vivo gene replacement therapy. possible. Because there is no general positive selection, tumor killing gene therapy This is because only the negative selection by exists. About in vivo gene replacement therapy Improvements in the means of positive selection have e.g. To regrow into bone marrow.   The drug resistance gene as a starting material for the improvement using the method of the present invention is a multi-drug It is the resistance gene MDR-1. MDR-1 is a plasma called “P-glycoprotein (Pgp)” Is a membrane glycoprotein that acts as an ATP-dependent drug efflux pump and Confer chemical resistance to a wide variety of drugs (Chin (1993) Adv. Cancer Res. 6 0: 157). Cells that do not express MDR-1 contain vincristine, ethoxide, and It is brilliantly sensitive to drugs like luchicine. Expressed by tumor cells This similar chemoresistance property, which can ruin the chemotherapy effort in some cases, is positive When used as a selective marker, it can be advantageous. Metz (1996) Virology 2 17: 230-241 is 20 times higher when selecting for MDR1 expression compared to neo selection. Reported the stringency. P-glycoprotein has at least two different genetics Child disease, Fabry disease (Suglmoto (1995) Human Gene Therapy 6: 905-915) In vitro correction of cells from granulomatous polyposis (Sokolic (1996) Blood 87: 42-50) Positive selection has been demonstrated for transformed cells. I But why do we think nature has optimized MDR1 for activity against artificial drugs? not exist. Improvement of MDR-1 by recursive recombination to etoposide and colchicine By improving the protection of cells from drugs such as, higher levels of this Allows the use of such selective agents, increases selective stringency, and Better differentiate between transgenic and non-transformed cells.   MDR-1 can be used for positive selection in mammalian cells following DNA shuffling. And is improved / modified. A pool of MDR-1 random mutations can be transferred to an appropriate vector (eg, E.g., retroviral vectors, adenoviral vectors) Transform into resistant cells. Colchicine and / or etoposide and / or Alternatively, selection with vincristine identifies active MDR-1 variants. MDR-1 gene Rescue from living cells, and additional rounds of recombination with increasing doses of drug And offer for selection.   Some mammalian cells already express high levels of P-glycoprotein Therefore, it was determined whether the improved MDR-1 transgene was expressed in these cells. It can be difficult to determine (ie, the background is high). This place In some cases, endogenous P-glycoprotein is a well-characterized inhibitor (eg, Rapamil) and inactivated by the inhibitor but still cytotoxic MDR-1 encoding a mutant P-glycoprotein that is highly active against substances Transform with the transgene. Such variants may be inhibitors and cytotoxic Select pool of MDR-1 mutants in the presence of both sex drugs (eg, colchicine) Is selected by For example, using the methods of the invention, cytotoxic chemicals Superactive against N-methyl-N-nitro-N-nitrosoguanine (MNNG) Completely resistant to the benzyltransferase inhibitor benzylguanidine Create an alkyltransferase variant.   Therefore, MDR-1 optimized as a positive selection marker was Insert into the connector. Vectors can also contain DNA shuffling, itself or MDR-1 variants. In combination with allogeneic induction (shuffled unit MDR-1 and vector) Can be optimized. By shuffling the entire construct, many parameters It is possible to test at one time. Bicistronic sequence (from the same promoter) Two transcribed as one mRNA but transcribed from separate ribosome binding sites Gene can be used (Sugimoto (1995) Human Gene Ther. Supra). Up to the entire array Or shuffling the entire construct to translate the second downstream gene The secondary structure of the improved cistronic mRNA can be optimized. For example, MDR-1 and Bicistronic retroviral vector encoding a gene that complements a genetic defect Can be constructed and optimized using the methods of the present invention. The whole vector is , Can be mutagenized by DNA shuffling and rearrangement. In addition, the vector Can be packaged as a virus by a packaging cell line, It can be transfected and selected with colchicine. Selection is for surviving cells Achieved by analyzing for complementation of a genetic defect.   MDR-1 protects against drugs it already recognizes (eg, etoposide). Not only provide improvements, but also for drugs that are not recognized by wild-type MDR-1 It can be evolved / modified to provide protection. For example, recursive recombination of the MDR-1 gene Can be modified (evolved) to excrete the alkylating agent out of the cell, and therefore MGMT (hereinafter (Described above). For example, both MGMT and MDR-1 genes To stem cells prior to combination chemotherapy (one of the drugs is an alkylating agent) Can be transformed. Studies that have transformed stem cells with the wild-type MDR-1 gene have MGMT for the killing agent gave similar results to the above (Sorrentino (1992) Science 257: 99).   Another suitable gene for evolution / modification using the methods of the invention is glutathione S -Transferase, which detoxifies alkylated drugs in the cytoplasm, Complements GMT. It acts on the drug after it enters the nucleus and damages the DNA I do. Glutathione S-tran obtained from conventional cassette mutagenesis in bacteria Some improvements in spherases have already been reported (Gulick (1995 ) Prod. Natl. Acad. Sci. USA 92: 8140-8144). Further by recursive sequence recombination Evolutions provide further improvements. The improved gene is then Or transfected into stem cells or lung cells in combination with MGMT obtain.   Other drug resistance genes used in suppressing side effects in other tissues About being a candidate for evolution. For example, bleomycin is a major poison An anti-malignant pulmonary drug whose sex is to lung cells. Bleomycin protein Hydrolytic enzymes can protect cells from bleomycin, and human genes have It was cloned (Bromme (1996) Biochemistry 35: 6706-714). Genes are left Improved by gene shuffle and for protection of lung cells in cancer patients Can be used.   In other embodiments, candidate genes for improvement include DNA ligase and Topoisomerase for protection from ionizing radiation (Boothman (1994) Cancer Res. 54 : 4618-4626), T4 to protect against UV radiation and skin cancer A gene encoding a nucleotide cleavage repair enzyme such as endonuclease V, And base cleavage repair pathways (which cause many types of cancer and accelerate aging) Is thought to be important to prevent the effects of oxidative DNA lesions) Encoding alkaline phosphatase endonuclease and glycosylase Gene.   Evolution / modification of drug resistance genes and related regulatory sequences using the methods of the invention Are under the general approach described above for improving gene expression. But, Sometimes improving gene expression in the evolution of drug resistance genes Not only increase the degree of resistance conferred by the gene product with a particular drug. Is desired. In this situation, the genetic situation in which the resistance gene should be expressed In order to be able to evolve in It is preferred to include the regulatory sequences described. The initial intersubstrate diversity depends on the induced mutation. Provide natural drug resistance genes from various sources, and improved properties. May be the result of a known mutation.   For example, five different mammalian species of MGMT (human, rat, mouse, hamster , And rabbits) have very broad homology (mutations) as shown in FIG. Despite the body being present) has been reported. The following is the top stage Amino acid sequence, an alignment that shows other amino acid sequences that occur naturally under the human sequence It is.   Natural modifications are specific to human and non-human forms, as discussed in Example 3. To create a recombinant form of MGMT containing a natural segment, as discussed in Section II. It can be incorporated in any format. For example, the oligonucleotide may be a natural variant Can be designed to code all the different combinations of The gonucleotide is mixed with the fragmented wild-type human gene. Surprise In short, a small number of oligonucleotides (21) have more than two amino acids naturally If degenerate at existing locations, it can be used (see FIG. 3). Shown in FIG. Oligonucleotides are based on a 20 base sequence that perfectly matches the human MGMT sequence. Includes up to 21 bases that are not homologous to the human sequence flanked on either side. "Oligo Spa Another use of "iking" has been demonstrated to improve wild-type proteins ( Christians (1996) Prod. Natl. Acad. Sci. USA93, 6124-6128) V139F mutation or Or O6-For known desired mutations such as those that confer benzylguanine resistance To bias the shuffled gene pool.   An alternative to “oligo spiking” is to obtain all individual cDNAs and mix them It is a combination. This selection avoids pooling when used for human gene therapy. It has some tendency to alleviate human qualities leading to epidemiological problems, The problem is that you reverse the mutant with the wild-type human gene to eliminate It can be overcome by inserting.   The recombinant drug resistance gene and the vector encoding it have been improved. Can be easily screened for expression. Vector containing recombinant segment The cells containing the cells are exposed to the drug and the recovered viable cells. These cells Are rich in recombinant segments that confer improved resistance to drugs. School Leaning is achieved by increasing drug concentration or exposure time It can be made more stringent in a typical round.   (G) Transduction vectors for integration and stable expression in mammalian stem cells Evolution   Novel and novel methods for expressing itself in infected, integrated, and hematopoietic stem cells And / or a vector having improved ability can be prepared using the recursive recombination method of the present invention. And evolve. Key goal of gene therapy is to effectively construct DNA in human stem cells Is to evolve a practical way to incorporate. Retrovirus on stem cells Practical methods for effectively incorporating DNA are genetically modified with the desired properties. Enables repopulation of patients who have autologous bone marrow transplantation. For example, The vesicles are engineered to express a trans-dominant factor that interferes with viral replication. stem Complement cells with wild-type or defined genetic deficiencies (eg, Gaucher disease) Are engineered to express the engineered transgene. MDR gene or al The califortransferase gene is stemmed to render it resistant to chemotherapeutic drugs. Insert into cells. T cell receptors specific for a cancer or pathogen epitope of interest Is inserted for expression during stem cell maturation.   However, stem cells are difficult to purify when grown in vitro, and Rapidly eliminates the pluripotent phenotype. Retroviruses are generally non-dividing cells. Very inefficient in integration into cells (especially stem cells). Therefore, one factor Or a set of factors (such as infection with a retroviral gene before integration and its In making the stem cells temporarily or permanently susceptible to retroviral integration, Uses recursive recombination used to evolve (while remaining pluripotent at the same time) I do.   In one embodiment, expressing a candidate factor for temporarily disrupting stem cells Large libraries (> 10) that promote retroviral integration6)of Create a retrovirus. Such factors include the HIV matrix, HIV vpr, Random fragments of HIV, and other lentiviruses (effective against non-dividing cells) The only class of retrovirus that can be introduced into the cell); cDNA from stem cells; stromal cell culture Nutrient-derived cDNA, which makes factors that affect the state of stem cell differentiation, and Production or evolution of the morphology exerts the desired effect); or any other site Examples include, but are not limited to, cain or growth factors. Such a lie The library can be used to generate in vitro and in vivo regressions of the invention, generally as described above. Target sequences and proteins in non-dividing stem cells Create retroviruses that can be infected, integrated, and expressed at a high rate.   According to another embodiment, the retrovirus is modified by the method described above. Retransfect transgenic SCID or SCID / NOD mice with human stem cells . Successful by member of first retroviral recombination segment library Retroviral progeny from the successfully transduced stem cells are recovered. Selection marker -(Eg, green fluorescent protein (GFP), drug marker, or cell (FACS) marker), and the retrovirus Recovery of stem cells transduced with the DNA construct may be facilitated. Evolved / modified Sequence encoding the factor to be integrated or the entire integrated retroviral genome. Can be recovered. Perform additional rounds of recursive sequence recombination at the desired efficiency / stem cell transduction Can be repeated until the efficiency is achieved.   A mouse SCID / NOD immunodeficient system that can repopulate primitive human hematopoietic stem cells can be used (Dick (1996) CSH Gene Therapy, summary # 11). Retroviruses use these Stem cells can be infected with very low but detectable efficiency. Retro retro Progenitor cells from peripheral blood cells in this SCID / NOD repopulation model I can do it. Therefore, this regrowth and similar regrowth systems are transformed into primitive pluripotent cells. Form the Basis for Selecting Retroviruses with Improved Efficiency of DNA Integration I do. As mentioned above, the inclusion of GFP in the vector will result in retroviral Enables FACS purification of cells expressing Rus-encoded protein. Regrowth first If very inefficient, selectable sources for selective culture of transduced cells The gene (eg, Neo or TK) is also expressed.   In another embodiment, the infected stem cells are removed and additional recurrent recombination is performed. Lethal with recombinant sequences rather than isolating retroviral sequences for one time The irradiated retrovirus-producing helper strain is injected into the SCID / NOD bone marrow. This Recursive recombination takes place in vivo using the technique of Stem cells, a special environment of the bone marrow. (An environment that can prove incapable of mimicking in vitro) Continue.   In a further embodiment, recursive recombination is used to integrate into non-dividing cells. Develop a virus-based means that cannot be properly eliminated. This method is HI HIV vectors, which are required for V to integrate into non-dividing cells, can be Incorporate in For example, integrase (a viral genome in the host cell chromosome) Enzyme that mediates cell integration, imports the HIV-1 pre-integration complex into the nucleus It may be sufficient to couple with the mechanism. Viral matrix and Vpr protein Quality also plays an important role in the ability of HIV to integrate into non-dividing cells. Galla y (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94: 9825-9830. DNA shuffle A repetitive cycle of recursive recombination, such as full, can be performed on the desired vector or target Is performed until it is given to the sequence.   In another embodiment, long-term bone marrow cultures are stimulated prior to recurrent recombination. Cycle in vitro. This is true for both mouse SCID / Beige regrowth assays. (Agatsuma (1997) Antiviral Res. 34: 121-130). Stem cell repopulation in late-stage human bone marrow lung patients Produces irrus transduction. Cycle stem cells are more sensitive to transduction . Thus, stem cells can be stimulated and more susceptible to retroviral transduction. And still maintain pluripotency.(H) Improved tissue specificity of vectors   Vectors with new and / or improved tissue specificity (tissue tropism) It can be evolved using the recursive recombination method of the invention. For most gene therapy applications Where gene therapy vectors are delivered to specific tissue types with high specificity. Hope. Specific cellular targets can be used in these vectors for in vivo gene therapy. This is an important issue that affects the safety and practicality of a computer. Therefore, specific genetic Limit the specificity of the offspring therapeutic vector (eg, adenovirus) and / or There is a need to redirect.   One example showing the need to deliver gene therapy vectors to specific tissue types is Delivering the type CFTR gene to a cystic fibrosis patient. The CFTR gene is mainly Should be delivered to the lung tissue. In a second example, the gene therapy vector is When coding for a chemotherapeutic drug, the drug is directed at neoplastic cells rather than normal cells. It is desired to be delivered.   Strategies for substrate selection and recombination format selection are generally This is similar to the strategy described above. Substrates for recombination span the entire viral genome Viral proteins that are likely or that are thought to interact with cellular receptors It may be a fragment encoding the protein. Such fragments are recombined If recombined, the recombinant product is reinserted into the viral genome and the genome is encapsulated. Should form a virus before screening.   For example, the development of vesicular stomatitis virus (VSV) to infect new target cells Regression should focus on G protein sequences . This is because G proteins are expressed on the outer surface of the capsid (Schne ll (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93: 11359-11365). In addition, bullous mouth Generating a virus encoding the endogenous virus G protein (VSV-G) is a technique It is technically difficult. Because it is highly toxic to host cells, This is because breeding is impossible (Yoshida (1997) Biochem. Biophys. Res. Commun. . 232: 379-382). Therefore, the method of the present invention is used to produce a modified VSV G protein. Used to generate new target cells for recombinant VSV.   There is also a need to generate tissue-specific adenovirus. Adenow Tissue-specific expression of systemically administered vectors due to non-selective illness tropism Is a tissue-specific promoter / enhancer (this is small enough to Can be achieved only by the use of Alternatively, tissue specific Expression can be used to eliminate the natural promiscuous tropism of adenovirus, and the method of the invention. It is generated by construction of a new tissue-specific domain to be used. For recursive sequence recombination Tissue-specific adenovirus production is a key to the use of vectors in gene therapy. To overcome this non-selective tropism limitation of the native adenovirus.   Adenovirus protrudes from each of the 12 vertices of its icosahedral capsid It binds to eukaryotic cells using "fiber proteins". Serological and mutagenic Research has shown that a fiber homotrimer consisting of "staff" and "knob" domains Reveals interaction with cellular receptors. The knob structure is Xia (1994 ) Reported by Structure 2: 1259-1270. R. D. Gerard, hetero bird The structure of the meric knob was modified for mutations that decrease receptor binding. Used to scan by SDM (Private Communications, 1996 CSH Gene Therapy meeting) Discussion). These studies have shown that natural receptors (known to be expressed on many tissue types). Have the ability to eliminate or significantly reduce the ability to transmit Allows construction of mutants. This is an adenovirus that binds to cellular receptors Starting point to develop a new tissue specificity for fiber , Using the recursive sequence recombination method of the present invention). V. Legrand (CSH poster 1 84) and Dan von Seggery (CSH Poster # 223) are small, easily manipulated S V40-based vector reports a system for expression of mutants off fiber proteins . These constructs are responsible for plaque formation by adenoviruses lacking the fiber gene Instruct. Lcgrand produces 11 amino acid gastrin releasing peptide (GRP) This system was used to fuse to the C-terminus of the gene. Express this fusion protein LacZ + adenovirus mutant has a soluble knob protein (CSH poster 184) Although only 60% can be inhibited, the virus that expressed the wild-type protein Cells that express the GPR receptor can be infected in a manner that is about 90% inhibitory. This It states that the interaction of GRP with its receptor supports infection of host cells. Given as evidence.   In one exemplary embodiment, the adenovirus is expressed using a method of the invention. Binds to the mutant fiber protein or its natural receptor to improve the system Create a domain that replaces a knob that lacks the ability to do so. Evolved by recursive recombination Of a novel fiber sequence has a novel adenovirus fiber, or a new specificity To produce a knob binding ligand. Alternatively, the library of mutated sequences is It can be inserted at the C-terminus of the knob in a manner similar to the GRP construct. Potential ligand Library randomized throughout the "staff" and / or "knob" domains Can be inserted. The entire knob was randomly mutagenized and infected with the desired target. You can choose to Other exposed viral proteins (eg, penton or Exon protein) can be mutated in a library of insertional variants. Short protein Library coding for the adenovirus hexon protein And can be expressed on the surface of adenovirus virions as part of a hexon ( Crompton (1994) J.C. Gen. Virol. 75: 133-139). Then these recursive progress Infect target cells with these mutated viruses, including mutated viral proteins Use to In viral proteins that affect adenovirus tropism Diversity and modification by plaque formation or by cell sorting (FACS) May be based on the transient expression of a reporter gene (eg, GFP) Select.   Integrin (α-v-integer) on the target cell surface of fiber penton protein Interactions with cell-virus stabilizing interactions (soluble fiber knob proteins) It is known that proteins cannot completely inhibit adenovirus interaction )I will provide a. In the absence of fiber penton-cell integrin interactions, Luss infection is low. Mechanisms determining cell specificity for adenovirus As a result of this complexity in cosmism, its cognate receptors (eg, For example, interaction with the target alpha-v-integrin penton fiber domain) To evolve multiple genes or domains in the adenovirus used The method of the invention is used for this. Therefore, the selected viral gene or virus Whole recursive sequence recombination is used to rapidly evolve tissue-specific adenovirus A particularly useful tool.   In another exemplary embodiment, the highly evolved M13 technology is Used to develop peptide ligands for the receptor of interest. Standard Ligand display library technology can be used to bind peptide ligands to purified receptors Used for screening. Alternatively, the library can be It can be screened for panning. The affinity of these ligands To evolve quickly. The pool of developed ligands is then (Eg, C-terminal fusion of fiber proteins). This is a Incorporates the power of M13 selectivity against the denovirus system, which can be created by M13 alone Not possible to make a library of this size.   The virus containing the recombinant segment is removed from the first cell desired to be infected by the virus. By contacting the cell population and a second cell population for which infection is not desired. Achieve leaning. The viral genome recovered from the first cell population is The recombinant segments that confer specificity on the cell type are abundant. First and second of cells The population can be in different tissues of the organism. For example, turning whole organisms into viruses More infected, and a subset of blood cells, which is the cell type for which infection is desired ) Can be recovered. Alternatively, a natural or derived moth Infect whole organisms, including humans, affected by the virus and remove cancer cells. From which the recombinant segment can be recovered. In a further modification, the first and second cells The cell population is co-cultured with the virus in a mixed cell culture. Two cell types Markers (green if they are not easily distinguished by microscopy) Fluorescent proteins or cell surface receptors on certain cell types) I can separate. In the first round of screening, the host cells present are usually (Eg, a ratio of 10% desired host cells to 90% present host cells). . The desired target cell population can be expanded in successive rounds.   The recombinant segment recovered from the population of cells desired to be infected is Used as a substrate in Perform subsequent screenings on the same principle .   In a modification of the above approach, a eukaryotic or bacterial virus is Ligand as a fusion protein with coat protein on the outer surface of virus Expression alters it to have specificity for a given cell type. Ligands are applied to receptors known to be present on the cell type of interest. Choose to have affinity. For example, the EGF family of proteins , Some polypeptides (eg, epidermal growth factor (EGF), Growth factor α (TGFα), amphiregulin (AR), And heregulin (HRG-β1)), which interact with membrane receptors. Regulates growth in breast cancer cells through interactions. Han (1995) Proc. Natl. A cad. Sci. USA 92: 9747-9751, Moloney murine leukemia virus fused to gp70 That can be modified to express modified human heregulin, and recombinant virus Infects Specific Human Breast Cancer Cells That Express the Human Epidermal Growth Factor Receptor Reported that.   This principle allows viruses and receptors that express ligand fusion proteins It can be extended to other pairs of expressing target cells. For example, filamentous phage is substantially Have specific binding affinity for any selected cellular receptor Can be engineered to display an antibody fragment (eg, Fab or Fv). The binding specificity of the ligand for the receptor is determined by the viral genes encoding the ligand. By recursive recombination of the nome segment, and by And by screening with a second population.   Viral vectors are used to obtain new or altered tissue specificity. Most sensitive to evolutionary / recurrent recombination, but the same principles apply to non-viral vectors Can be done. Such vectors are advantageous for uptake by specific target cells It can be manipulated to contain a specific uptake sequence that is believed to be. Or non- Variants of viral vectors recombine without prior knowledge of sequences that can mediate uptake I can do it. For example, the starting substrate can be a random sequence. The recombinant product is First and second populations of cells, and those intended for the use of the vector. Contacted under similar conditions. For example, vectors packaged in liposomes If used, the recombinant segments packaged as liposomes Screening is performed with a vector containing Again, the recombinant segment The containing vector is recovered from the population of target cells, and these segments are , Used in the next round of recombination.(I) Improved DNA uptake mediated by evolved DNA binding proteins   The uptake efficiency and specificity of vector nucleic acid uptake by a given cell type Evolved / regressively recombinant and modified proteins that bind to acids Can be improved by coating the reactor. The vector is a modified tamper Can be contacted with the protein in vitro or in vivo. In the latter situation, In the cells containing the vector, the coding sequence is optionally contained in the vector. Is expressed from Normally evolved nucleic acid binding proteins have nucleic acid binding activity Does not necessarily have any known ability to enhance or alter nucleic acid DNA uptake. No.   In this embodiment, the DNA binding protein modified by the method of the invention Include transcriptional regulators, enzymes involved in DNA replication and recombination (eg, recA), And proteins that act on structure and function in DNA (eg, histones, pro Tamine). Other DNA binding proteins include the phage 434 repressor, phage lambda cI and cro repressor, coli CAP protein, myc, leucine Zippered proteins and DNA binding basic proteins such as fos and jun Main; proteins having a “POU” domain (eg, Drosophila pairing protein) Protein having a domain whose structure depends on chelation of metal ions Proteins (eg, CyS found in TFIIIA)Two-HiSTwoZinc finger looks at yeast Gal4 Zn as issuedTwo(Cys)6Cluster, retrovirus nucleocapsidtan Cys found in proteinThreeHis box and nuclear hormone receptor protein Zn found in qualityTwo(CyS)8Cluster); phage P22Arc and Mnt repressor (Knight (1989) J. Biol. Chem. 264: 3639-3642; Bowie (1989) J. Biol. Chem. 264: 7596-7602). RNA-binding proteins are available from Burd (1994) Science  265: 615-651, and includes HIV Tat and Rev.   As in other embodiments of the invention, the improved DNA binding protein Or the evolution towards acquisition of altered uptake efficiency, Produced by a recursive cycle of leaning. The starting substrate is natural Or a derived variant of one of the nucleic acid binding proteins as described above. It can be a nucleic acid segment that encodes a protein. The nucleic acid segment is a vector Or in an isolated form for the recombination step. Recombinant Can be advanced by any of the formats described in Section II.   For screening purposes, the recombinant nucleic acid segment is Inserted into the vector (if not present in such a vector) Should. Vectors are selected for expression in the cell type in which uptake is desired. Code the selection marker. Evolved DNA binding proteins are specific binding sites (Ie, the lacI binding protein recognizes lacO) A binding site can be included in the vector. If necessary, the vector may be The site may be included in tandem.   Vectors containing different recombination segments can be introduced into host cells (usually E. coli). Transformed, the recombinant protein is expressed, and encodes its genetic material Ligated into vector. Most cells take up only a single vector and Such transformation results in a population of cells, most of which Containing seeds. After an appropriate period to allow expression and ligation, the DN of the vector Lyse cells under mild conditions that do not disrupt binding to A-binding protein. For example , PH 7.5 with 35 mM HEPES KOH, 0.1 mM EDTA, 100 mM Na glutamate, 5% glycerol Rolls, 0.3 mg / ml BSA, 1 mM DTT, and 0.1 mM PMSF) and lysozyme (10 A lysis buffer of 0.3 ml at mg / ml) is suitable (Schatz et al., US Pat. No. 5,338,665). No.). The complex of vector and nucleic acid binding protein is then recovered. Improved or modified uptake is desired under conditions favorable to uptake (Eg, for eukaryotic cells, the recipient Cells can be treated with calcium phosphate or electroporated Can be provided). Suitable recipient cells are discussed elsewhere in this application. Human cell types, which are common targets in gene therapy.   After incubation, it is present in the vector containing the recombinant segment Plate the cells, selecting for expression of the selectable marker. Expressing the marker Collect the remaining cells. These cells are used to encode the respective recombinant segments. Segment encoding a nucleic acid binding protein that enhances vector uptake Enrich your account. The recombinant segment from the cell expressing the marker is then Can be subjected to further rounds of selection. Usually, the recombinant segment is first , Recovered from cells (by PCR amplification). The recombinant segments are then Or recombination with other sources of DNA-binding protein variants for further recombination A segment may be created. Additional recombinant segments are screened in the same manner as before. Lean.   In a modification of the above procedure, the binding site recognized by the DNA binding protein However, instead of or in addition to DNA binding proteins, obtain. The DNA binding site is such that the starting substrate contains a variant binding site and these The recombination form of the site is similar to the components of the vector encoding the DNA binding protein Similar to DNA binding proteins, except that Evolved.   Evolved nucleic acid segments encoding DNA binding proteins, and / or evolved The designated DNA binding site can be included in a gene therapy vector. DNA binding protein If the affinity is specific for a known DNA binding site, the binding site and D A sequence encoding an NA binding protein can be inserted into a gene therapy vector for gene therapy. Include with such coding and regulatory sequences as necessary to effect Is enough. In some cases, the evolved DNA binding protein is Vector that may not have a strong sequence specificity and used for screening It may be unknown exactly which site on the protein is bound by the protein. This In these situations, gene therapy vectors may require all or most screens. Vector sequences with additional sequences required to effect gene therapy Should be included in   An exemplary selection scheme is shown in FIG. The lower left part of the figure shows the two vectors , Each have the same marker and DNA binding site, and the vector Differs in the recombinant segment encoding the protein. The vector is E. coli. col Transfected into i-cells. Vectors are expressed in cells, Produce different proteins that differ between different cells. Recombinant binding proteins Complex with the vector encoding it, and these complexes are Is stored in The complex is then contacted with the eukaryote of the recipient. Eukaryotic object Has several different cell surface receptors, one of which is a DNA binding protein. It can interact with one of the qualities to facilitate DNA uptake. Selection Ma on Vector Selection for expression of the protein identified cells transformed with the vector. You. These cells are subject to recombinant segments that provide enhanced DNA uptake. Enriched.   (J) Improved intracellular stability of vectors   With larger and improved cell maintenance, intracellular stability, and expression characteristics Such vectors can be evolved using the recursive recombination method of the invention. Many genetics In child therapy, the vector is stably maintained in the target cell and To allow infinite expression. This is because viruses and non-wi This is true in both cases of the Lus vector. Vector progress towards improved maintenance Substrates for transformation and recombinant formats can be selected according to the principles described above. Substrate If it is a fragment of the vector genome, the recombinant product is Reinserted into the vector genome. Vector genomes are A selection marker that replaces or is fused to a therapeutic coding sequence carried by the vector. May often be contained. For screening, the vector genome is If it does not already exist as a result of in vivo recombination, The vector genome having the vector is introduced into a cell. Cells can be grown without selection markers A number of passages are propagated, thereby reflecting the in vivo situation. Where the typical It is not possible to make a choice for maintenance of the therapeutic gene. Increase the appropriate period After culturing, a selection for the marker is applied and the surviving cells are harvested. This These cells have recombinant segments (which provide improved maintenance properties in the cells) That is, it may contain a vector having a stably maintained recombinant segment). . In some cases, at least partially improved maintenance properties, cellular genomics Resulting in improved and more stable incorporation into the system. Improved replication, fiber Recombinant segments with retention and / or stability properties are recovered from cells. And new with each other and / or to generate additional recombination segments Either with the fresh substrate, it is subjected to a further round of recombination. These are: Screened in the same manner as the previous recombinant segment.(K) Reduced immunogenicity of the vector   Protein and nucleic acid sequences with reduced immunogenicity It can be evolved using permutations. Immunogenicity should be considered especially with viral vectors. It is. Because the host immune response (including CTL-mediated and humoral responses) Make the virus reach its intended target, especially in repeated administrations Because it can be prevented. Prevent the virus from reaching its intended target Cellular immune responses can also be in naked form or coated on liposome-like coats. Can be directed against a non-viral vector administered in a native fashion.   The host's immune response to eliminate infected cells is also a major factor in gene therapy. It is a problem. Although CTL is primarily responsible for eliminating infected cells, the problem is also It can be targeted or completely antibody mediated. The recursive recombination method of the present invention To reduce this (especially cellular) immunity to infected cells, Can be used to modify In a modification of this embodiment, the adenovirus For mediated gene transfer, adenovirus late gene expression is Induced by the method of the present invention to reduce the CTL response that contributes to cell elimination Reduced mutations. Therefore, it is seen in adenovirus-mediated gene transfer. The problem of transient maintenance of the resulting virus is reduced.   Substrates and formats for recombination generally follow the principles described above. Generally, the outer surface Regions of the viral genome that encode proteins head for reduced immunogenicity Provides the most likely starting substrate for evolution. Alternatively, the vector genome The whole can be included as a starting substrate for recombination. The recombinant virus genome Should be packaged as a virus before screening, and non- The viral genome can be used in the proposed compositions (eg, liposomes) for therapeutic administration. )).   Viruses containing properly formulated recombinant or non-viral genomes , Mammals (eg, mice, rats, rabbits, pigs, horses, primates, or G) and live virus or non-viral genome is Recovered after septum. Often, the administration is intravenous, and the live virus and And non-viral genomes are recovered from blood. Viable and non-viral Noms are enriched for recombinant segments that confer reduced immunogenic properties You. These recombination segments will allow some of the substrates or Is used as all. Subsequent selections follow the same format.   In a modification of the above format, the antibody is immunized with a viral library. Recovered from dairy animals and immobilized on columns. Next, the virus library Or another aliquot of a derivative library resulting from further rounds of recombination Can be applied to the column and the virus that has passed through the column can be recovered. this These viruses are enriched for viruses with low immunogenicity.   In a modification of this method for non-viral vectors, the therapeutic development of the vector The current product is linked to a DNA binding protein that has an affinity for the sequence on the vector. Expressed as a ligated fusion protein. Thus, at least some Is maintained physically close to the vector that produces it. Therefore, An immune response to the expression product also removes the vector sequence. Therefore, in animals By recovering vector sequences that survive for a certain period of time, vectors having low immunogenicity per se Enrich both the promoter sequence and the sequence encoding the expression product with low immunogenicity You.   (L) Reduced toxicity of vectors   Protein and nucleic acid sequences having reduced cytotoxicity are described in the recursive set of the invention. It can be evolved using permutations. Toxicity caused by the expression of viral genes There are sometimes concerns when using viral vectors for gene therapy. The present invention The method uses mutations that block viral DNA replication and gene expression in vivo. Can be used to derive and select multiple combinations of In vitro To produce the activated virus, these mutations are Temperature sensitive or nonsense mutations so that they can be grown in vitro under Should be a conditional mutation. The multiplicity and therefore the degeneracy of the conditional mutation is Prevents the variant virus from reverting to the wild-type genotype or phenotype.   (M) Improved specificity of integration   Viral sequences with improved specificity of integration can be used in the recursive recombination of the invention. It can be evolved using law. For example, AAV is preferentially located at a site in chromosome 19q13.3. It is known to be incorporated. Integration at this site is exogenous at this site Presence of DNA sequence has no deleterious effect on endogenous cellular gene expression This is advantageous. Therefore, it may increase the specificity of AAV for this site It is desirable.   The starting material for the recombination should be at least the ITR and, if necessary, the rep gene. AAV vectors to include. Because the latter, in site-specific recombination, It can have a role. Public role in site-specific integration Genes from other viruses that are known or thought to have May be included. Preferably, the genome contains a marker sequence. Recombination is Produce a library of AAV viruses with different viral segments in the system Proceeds through any of the previously discussed recombination formats. AAV virus Used to infect appropriate target cells. Cells that have taken up AAV DNA , Can be recognized from the expression of the marker. Genomic DNA is isolated from these cells And the central region of the intended site of integration is amplified by PCR. The amplified region is transformed into a recombination segment that confers the desired properties of site-specific recombination. About being enriched. These recombination segments start for the next round of recombination Form the material.   Similar principles apply to other viral vectors, and indeed non-viral sequences and vectors. Applied to the operator. For example, as described above, one embodiment of the present invention Using a specific integration system, the recombinant sequence of interest is ligated to a specific, constant Target. Preferred embodiments include Cre / LoxP or related FLP / FRT site features. Use a heterogeneous integration system. Cre / LoxP system uses Cre recombinase enzyme 34, site-specific insertion and specific palindromes of viral or phage vectors. Mediates excision into base pair sequences ("LoxP sites"). Recursive sequence recombination method of the present invention Can be used to modify these systems (eg, to improve the specificity of integration, Modification of recombinase activity to create alternative specific sites for integration For example).   In a further embodiment, the starting vector has any preferred integration sites. It is not necessary to do so. In this case, do not interfere with the expression of other genes. Appropriate chromosomal sites are selected for subsequent recombination and selection. Cycle until the vector has evolved to preferentially integrate at that site. Will be(N) improved resistance to microorganisms   The recursive recombination method of the present invention is a novel inhibitor of microbial and viral infections Known inhibitors of microbial and viral infections (microorganisms) And trans-dominant inhibitors of product and viral replication and gene expression) Can be used to improve In some gene therapy applications, vectors May encode a product that is an inhibitor to a microorganism such as a virus. Due to the complexity of the virus life cycle and the inherent variability of the virus, Recursive sequence recombination may have improved potency and / or novel specificity or improved Practical tools for evolving protective antiviral constructs with improved specificity It is. This can be achieved using any of a variety of mechanisms. For example, gene therapy Therapeutic vectors use anti-sense to block expression of the mRNA of a virus or other pathogen. RNA can be encoded. Antisense RNA contains important regulatory sequences (eg, promoters). Or to a coding sequence, or both. You. Alternatively, the vector may be a tag that inhibits pathogen replication or gene expression. Can code for protein. For example, many gene therapy strategies include mature T cells. It is designed to inhibit HIV-1 replication in cells. T cells are blood lymphocytes The insertion of antiviral genes into hematopoietic stem cells Acts as a vehicle that provides long-term protection in committed stem cell-derived primordial T cells I do. One such “cell immunization” strategy is the HIV-1 rev trans The gene encoding the sex mutant protein RevM10 is used. RevM 10 is a T cell Has been demonstrated to inhibit HIV-1 replication in strains and primary T cells; Bonyh adi (1997) J. Virol. 71: 4707-4716; Nabel (1996) Gene Therapy, abstract 361 , CSH. HIV-1 tat and rev mutants also have the potential for HIV-1 replication. It has been suggested to be a trans-dominant inhibitor in the vesicle (Caputo (1997) Ge ne Ther. 4: 288-295). Another candidate for evolution according to the method of the invention is trans An active transcriptional regulatory protein, IκBα, which regulates its effect on HIV transcription. Creates a cellular inhibitor of human retrovirus replication by an independent mechanism (Wu (1995) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92: 1480-1484. ). Repeated inhibitors from viral fragments (eg, poly TAR constructs ) Can also be used as inhibitors of HIV-1 gene expression. TAR, HIV remains RNA stem loop bound by activators or inhibitors of gene expression Structure. TAR mediates (eg, saturates) cellular factor / RNA interactions And this means that the activator of transcription (eg, Tat) action can be Suggests that such competing TAR reactions in vivo may be inhibited Baker (1994) Nucleic Acids Res. See 22: 3365-3372. Times of the present invention Recursive recombination methods can evolve and improve these and related intracellular inhibition systems.   Proteins from one virus or virus product are blocked from other outbreaks There are also many examples that can be harmful. Woffendin (1994) Proc. Natl. Acad . Sci. USA 91: 11581-11585. In particular, at least from adeno-associated virus (AAV) One protein is known to be inhibitory to HIV. AAV big The rep gene products (Rep78 and Rep68) are used to track AAV DNA replication and AAV gene expression. It is a pleiotropic effector protein that is required for regulation of genes. These essential Apart from their functions, these rep products are responsible for the replication and replication of HIV-1 and many DNA viruses. And may inhibit gene expression. Batchu (1995) FEBS Lett. 367: 267-271; Antoni (1991) J.C. Virol. 65: 396-404. The recursive recombination method of the present invention A new interstitial inhibitory protein can be developed and improved.   The present invention improves the quality of inhibition of antisense RNA and the above proteins. And also provide a means for identifying novel inhibitors. Known inhibitors Improvements to several aspects (eg, improved expression, improved stability, or Or slightly altered binding specificity). In the method of the present invention Need not know which of these contributing properties is being improved; Is about the ultimately desired property of microbial resistance.   Due to the development of known inhibitors, substrates for recombinant and recombinant formats are described above. Choose according to principle. The substrate may be a viral vector genome encoding the inhibitor. Or a portion thereof, and related regulatory sequences. Early in recombinant substrates Diversity can be natural or induced. After the round of recombination, (If they are not already present in the cell as a result of in vivo recombination), The cells are then contacted with the microorganism whose protection is desired. Exposure to microorganisms Cells that survive the enrichment for recombinant segments that confer resistance to microorganisms Become These recombination segments serve as substrates for the next round of recombination. Form some or all.   A similar principle applies to novel inhibitors of inhibitors that should be expressed from gene therapy vectors. It can be applied to identification. More rounds of recombination and screening are May be needed to get a reasonable result. For example, the virus to be inhibited or Sequences encoding viral proteins from other viruses are suitable for recombination. Provides a clear initial substrate. The coding sequence was obtained from the same or a different virus. And the natural diversity can be increased by inducing additional mutations (eg, It can be increased as described above (by error-prone PCR). Recombination and screenini Ringing is also performed as described above.   In an exemplary embodiment, the library of variants is a candidate construct (single or single). Are constructed on the basis of a plurality of (the examples are described above). The library is targeted The cells are transduced or transfected. Attack cells with the desired microorganism . For example, survival against cell necrotic virus, or Based on the current lack, resistant cells are isolated. It is an inserted mask such as GFP. Protein gene. Using these methods, viral replication or gene Detect cells where the current is blocked. FACS or viral code surface epitome Panning with antibodies against the surface or induced surface epitopes in the positive selection step To use. The gene encoding the resistance factor is recovered, for example, by PCR. Until the desired level of protection against microorganisms is achieved, the recovered genes are Such additional rounds of recursive sequence recombination may be subjected.   Further illustrative examples of antiviral mechanisms that can be improved by the methods of the invention include: Includes antiviral ribozyme system. For example, one or more ribozymes may be Can be targeted to A. Adenovirus delivers anti-hepatitis C ribozyme Lieber (1996) J. Am. Virol. 70: 8782-8791; Ohkawa (199 7) J. Hepatol. See 27: 78-84. HIV-1 Rev response element (RRE) region specific Hammerhead ribozyme completely inhibits HIV-1 replication (Duran (1997) Ge See ne Ther 4: 533-543. Sendai virus polycistronic P / C mRNA Can be cleaved by ribozymes; Gavin (1997) J. Am. Blol. Chem. 272: 1461 -1472.   Antiviral cytokines can also be improved by the methods of the present invention. For example , Wild-type or chimeric of wild-type interferon (eg, IFNα17 construct, IFN β construct, and IFNγ construct) can be subjected to recursive sequence recombination. these Sequence can be placed under the control of a viral activation promoter (e.g., the HIV mini LTR). See Mehtali (1996) Gene Therapy, abstract # 364, CSH. For example, Stable IFN transgene under HIV-1 Tat protein positive control Cell lines that are highly resistant to HIV-1 replication in vitro. This anti Virus resistance is associated with a strong induction of IFN synthesis immediately after viral infection. But I FN-γ-transfected cells have a high level of induction of IFN-γ secretion despite induction. Enabled HIV-1 infection in vivo (see Sanhadji (1997) AIDS 11: 977-986). thing). Using the methods of the present invention, anti-c Ilus can be developed.   Single Chain or Fab Directed Intracellularly to a Viral Component Using the Methods of the Invention Antibody fragments can be developed; Marasco (1996) Gene Therapy, abstract 160 , CSH. For example, in somatic gene therapy to treat HIV-1 infection One strategy for this is intracellular expression of anti-HIV-1 Rev single chain variable fragment (Sfv) Duan (1997) Gene Ther, supra. HIV integrase catalytic domain and Intracellular expression of the carboxy-terminal domain produces productive resistance to HIV-1 infection I will. This inhibition of HIV-1 replication is localized to either the cytoplasmic or nuclear compartment of the cell. Observed for localized Sfv. Levy-Mintz (1996) Virol. 70: 8821-8832 checking ... Expression of anti-reverse transcriptase (RT) Sfv in T lymphocytes is integrated In the previous step, it specifically neutralized the RT activity, and the reverse transcription process (HIV-1 line) Early cycle events). Virus at these early stages Locking affects HIV-1 proliferation and HIV-1 induction in susceptible human T lymphocytes. Cellular necrotic effects are dramatically reduced by preventing the formation of proviral DNA Reduce. Shaheen (1996) J.C. Virol. See 70: 3392-3400. More The described method describes the potency and range of such anti-viral intracellular antibody fragments. Enclosure can develop.   Directed to improved virus binding aptamers or virus components, as described above Identified peptide ligands can also be further developed by the methods of the present invention. An example For example, an RNA aptamer that recognizes a peptide fragment of human HIV-1 Rev Binds to free peptides more tightly than RNA ligands (Rev binding elements) (Xu (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93: 7475-7480; Symensm). a (1996) J. See Virol 70: 179-187. Isolated from single-stranded DNA preparations The aptamer sequence has thrombin inhibitory activity, which is It is believed that tamamers are present in the mammalian genome and can build an endogenous antithrombin system. And Similarly, using the recursive sequencing method of the present invention, as an antimicrobial agent, and Generally further identifies, develops, and develops useful aptamer sequences for gene therapy. Can be improved.   (O) Virus packaging cell line   The recursive sequence recombination method of the present invention also provides a new and improved virus package. Can be used to develop zing cell lines. C used in gene therapy The ills vector is usually packaged into viral particles by the packaging cell line. Caging. Typically, the vector is transferred to the packaging and subsequent host. Contains the minimal viral sequences required for the integration of , Are replaced by an expression cassette for the protein to be expressed. Missing c The ils function is provided in trans by a packaging cell line. For example, AAV vectors used in gene therapy are typically packaged and packaged. And only the AAV genome-derived ITR sequences required for integration into the host genome. Have. Package the viral DNA into a cell line. This cell line has been Contains helper plasmids encoding genes (i.e., rep and cap) Lacks an array. The cell line is also infected with adenovirus as a helper. Hell Parvirus promotes AAV vector replication and is derived from helper plasmid A Promotes expression of AV genes. Helper plasmids have been Not packaged in significant quantities. Contaminants related to adenovirus include, for example, Adenovirus can be reduced by heat treatment, which is more sensitive than AAV. AAV recombination The body is generally produced by a transient co-transfection method. why If it turns out it is difficult to generate a stable packaging cell line (Maxwell (1997) J. Virol. Methods 63: 129-136).   The goal in improving a packaging cell line is to use a stable packaging cell line. Producing; increasing the yield of the packaged AAV vector; Reducing the ratio of AAV progeny to Ruper virus; and packaging Reduce the toxicity of the rep gene to cells, which in turn can lead to higher yields of AAV. And Leading candidate genes for development / modification according to the method of the invention are: AAV replication (rep) and capsid (cap) genes, which are AAV helper plasmids. May exist on the network. Overexpression of the rep gene can reduce AAV DNA replication, and Cap gene expression can be strongly inhibited, and reduced rep levels indicate that cap gene expression And supports normal rAAV DNA replication. Therefore, the regression of the rep gene Recombinant modifications and their expression can result in increased AAV vector production (Li (1 997) J.C. Virol. 71: 5236-5243).   These and related sequences are regressed according to the general principles discussed. Subject to specific sequence recombination. That is, mutant forms of these genes can be Or a recombinant segment resulting from recombination, either in vitro or in vitro The cells comprising the desired characteristics (eg, a stable packaging cell line; Yield of packaged AAV; increased viability of cells; or packaged AAV (Low yield of herpes virus as compared to). the same Applying the principle, simultaneously or simultaneously with the development of the AAV gene on the helper plasmid Subsequently, the gene in the helper adenovirus may be developed either.   The cellular genes in the packaging cell line that affect packaging are also It can be developed without knowing what these genes are. This means that Achieved by transforming the caging cell line with a library of genes, Some of the libraries recombine with cognate genes in the packaging cell line I do. The library of genes can be obtained from another type or species of cells, Or a mixture of several types and species and / or Can have diversity induced by processes such as PCR. Recombinant gene Containing cells with improved packaging characteristics (eg, increased yield of AAV virus). Amount). If necessary, additional libraries The screens from the previous round can be transformed into surviving cells. is there Alternatively, the pool of surviving cells is split in two, and the DNA is isolated from one half and Can be used to transform the other half. In this way, the first round The best recombinant segment identified in the screening of In the recombination of the und, recombination with each other is performed.                                  Example Example 1: M13 scFv library   This example demonstrates that sc for localization to a given cell type (eg, xenogeneic neoplasm) Figure 4 shows in vivo panning of a library of bacteriophages displaying Fv. sc Fv Antibody-Phage Display Library for Crameri (1996) Nature Medicine 2: 100-10 Constructed as described in 2. E. coli in LB containing 50 μg / ml kanamycin. coli T After growth of the phage library on G1, bacterial cells are removed by centrifugation, The phage were then added with up to 4% PEG and NaCl to a final concentration of 0.5M. Precipitated by addition. After 1 hour incubation on ice, the solution was Centrifuge at xg for 30 minutes and pellet the pellet with Dulbecco's phosphate buffered saline. Resuspended in water (DPBS).   Male Sprague-Dawley rats are anesthetized and phage is injected intravenously and blood Fluid was sampled from the artery via the ipsilateral femoral artery catheter. EDTA blood Used in samples to reduce clotting. Blood samples were taken immediately after phage administration. Before and 7.6 × 10115, 30, 60, 120, and 24 after injection of colony forming units Collected at 0 minutes. Phage titers were determined by dilution of whole blood in DPBS and E. coli. coli TG1 infection And M13 colony forming units were assayed. 4 iterations of the protocol Was carried out. M13 bacteriophage showed 6 in rat blood after in vivo injection. Is stable with a half-life of hours and remains infectious (against E. coli). I found that.Example 2: Panning of M13 scFv library for specific localization   The scFv antibody phage display library was cloned into a To mice. After an appropriate incubation time, the tumor tissue is collected, and Phage are eluted from the collected tissue by homogenization of the tissue sample.   Aliquots of the recovered phage were administered for at least one additional cycle, and And in vivo selection by the same protocol.   Purify the DNA using an aliquot of the recovered phage and filter the recovered DNA Recursive recombination by shuffling in vivo, and shuffling The resulting population of M13 genome introduced into E. coli and packaged; Recover the shuffled library of M13 species and Administer mice to mice for vehicle administration and in vivo selection according to the same protocol .   An aliquot of the recovered phage was used to infect E. coli at multiple infections. E. coli, The M13 genome is recursively recombined in vivo by shuffling and shuffled. The resulting population of fling M13 genomes was into E. coli and package Recovering the mixed library of M13 species and at least one additional Cycle administration and administration to mice for in vivo selection according to the same protocol I do.Example 3: MGMT gene evolution   This example demonstrates improved properties for protection of human bone marrow against alkylating drugs. The following illustrates the evolution of the MGMT gene. Wild-type human MGMT on a high copy number plasmid  The cDNA was amplified by PCR and fragmented randomly with DNase. Small fragment Fragment (50-100 bp) with Taq DNA polymerase to size the starting fragment. In the process of inducing point mutations at a proportional rate, Reassembled into long fragments (Stemmer (1994) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91: 10747-10751). All genes encoding 207 amino acids were This is a measure of all proteins that contain a functionally important DNA binding domain. Mutagenesis in all regions (Kanugula (1995) Biochemistry 34: 7113-7119). ). The full-length fragment is cloned into a vector and Ferase deficient E. coli (GWR111 strain, ada ogt) (Rebeck (1991) J. Bacteriol. 173: 2068-2076). Create relatively large number of mutants and increase diversity did. This is because inactivating mutants are not This is because it can be removed by child selection. In this selection, bacteria are treated with the methylating agent MNNG three times in a row. Each of which is separated by a one-hour collection time. Let the bacteria make more MGMT in the meantime. The triple selection is for cells with inactivated MGMT. Proteins that kill vesicles and have improved expression and / or activity of MGMT Give priority to quality.   The improved human MGMT gene also contains both native and unnatural coding sequence diversity. Produced by using sex. Unnatural diversity is created by random fragmentation of human MGMT (Wild-type MGMT cDNA was obtained from Dr. S. Mitra (University of Texas, Galveston) Courtesy; cDNA and protein sequences, and residues For numbering, see Tano (1990) “Human DNA repair for 06-alkylguanines”. Isolation and Structural Characterization of a cDNA Clone Encoding the Recombinant Protein "Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87: 686-690). After this, the mutagenized DNA shufflin Reassembly of the fragments in the reaction follows. Alkyl transferer Active alterations selected for their ability to confer MNNG resistance to zeo-deficient E. coli Pool variants, remutate, and rejoin in subsequent cycles of shuffling The combined (alkyl transferase deficient (ada ogt) E. coli GWR111 strain is L. Sam. son, Harvard University, Cambridge, MA; Rebeck (1991) J. Bacteriol. 173: 206 8-2076). Using two cycles of simple DNA shuffling Built, non-natural diversity.   Wild-type human alkyltransferase (MGMT) cDNA was transferred to pUC118 plasmid (N ew England Biolabs, Beverly, MA) and encoding nucleotide residue number 380. Was subcloned into the translationally silent XhoI site created in. Adjacent Non-coding sequences are removed from the construct and coli ribosome binding site Positions are added via PCR amplification using oligos 1 and 2 (see below), Then, it was inserted into the EcoRI-HinDIII site of pUC118.   This construct is named "pFC14". The sequence of all MGMT genes in pFC14 was Was verified as its ability to complement was verified. A non-functional dummy vector, Active site coding region between the XhoI site and the PinAI site (nucleotide residues no. 521 (Tano (1990) supra, for residue numbering)) and oligos 3 and 4 (hereinafter A) synthetic stuffer made by annealing Constructed by replacing with a strand. The inactivity of this gene was verified by its ability to not complement GWR111. Short form The dummy vector from which MGMT has been removed is used as a cloning vector for library construction. Used to reduce the potential for contamination by wild-type MGMT.   Live gene randomized by random fragmentation and reassembly The general procedure for making rallies is described in Stemmer (1994) Proc. Natl. Acad. Sci . USA 91: 10747-10751; and in Stemmer (1994) Nature 370: 389-391. Used as posted. The starting material was a 1.2 kbp (kilobase) made from pFC14. Spare) Oligo # 5: 5'-AAGAGCGCCCAATA, PCR product and outer primer CGCAAA-3 'and oligo # 6: 5'-TAGCGGTCACGCTGCGCGTAA-3', and Taq DNA Produced using Limerase (Promega). This product is located adjacent to human MGMT + pFC14. Columns, then Stemmer (1994) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, before And Stemmer (1994) Nature, supra. Were adjusted and reassembled with Taq DNA polymerase. Nesty # 7: 5'-ATGCAGCTGGCACGACAGGTTT-3 'and oligo # 8: Re-amplification using 5'-TACAGGGCGCGTACTATGGTT-3 'was performed with EcoRI and HinDIII. A 980 bp fragment was obtained. The resulting 650 bp fragment was Ligation into a dummy vector. Electroporate the ligation mixture into GWR111 And about 10 per cycleFiveOf active clones Selected. Select the inducer isopropyl-β-thiogalactopyrano Except for the abbreviation of Sid, Christians (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93: 6124 Performed as described in -6128. The bacteria in the culture were treated with three successive doses of MNNG. , Each separated by a one hour recovery time. After the third dose, pre-load all cells. Spread on the board. The next day, colonies are pooled and MGMT for the next cycle  DNA was prepared by PCR using oligos # 5 and # 6 (above). This step A total of 6 cycles were repeated. MNNG processing, as shuffling progresses Start with 3 × 10 ug / ml MNNG progressively more stringent To reach 50 ug / ml. Similarly, less colonies later Caught for shuffling in half cycle.   Four known mammalian alkyltransferases (rat, mouse, hams Improved human MGMT genetics, also using the natural diversity of Sequence diversity in offspring was generated. As shown in FIG. Sequence alignments show regions of extensive homology as well as regions of diversity. 2 × 1028Of known natural amino acid substitutions from mammalian alkyltransferases Combinations exist (52 positions with 2 amino acids, 24 positions with 3 amino acids , And 2 positions with 4 amino acids = 252× 3twenty four× 4Two). This diversity has been These oligos were used at equal ratios used throughout the use of the oligonucleotides (FIG. 3). Mixed together, the DNA fragments during the reassociation reaction in the third and fourth cycles One diverse pool was created that was mixed with Oligos with several different molar ratios : Fragments are generated and high concentrations of oligonucleotides inhibit reassociation Observed that. Probably because many base pair mismatches Because it is overwhelming. Those mixtures that produce proper reassociation are correct after re-amplification. The highest ratio of oligos, one orientation, is determined by the size of the new product. A mixture containing a molar ratio of ゴ: 4 fragments was selected for further cycling. Was. Annealing of each oligonucleotide to the human-derived MGMT sequence is degenerate or Enabled by the homology of 20 nucleotides to both sides adjacent to the non-human sequence. Was. Control PCR shows that all oligonucleotides are approximately equal to the human sequence It was shown that hybridization was possible.   In the third shuffling, the oligonucleotide was referred to as "non-naturally occurring". "Like", ie having pooled human MGMT clones surviving in cycle 2 The oligonucleotide was combined with the generated sequence. Conditions are meeting Incorporate oligonucleotides and maintain diversity while maintaining the correct size of objects Changed in an attempt to maximize gender. To ensure accurate meetings The maximum molar ratio of lignonucleotide: fragment was 1: 4. Ratio system Due to limitations, "oligo spiking" was repeated in cycle 4. Follow Thus, the pools in cycles 3 and 4 contain randomly mutated human sequences. And hybrids containing separate combinations of mammalian MGMT gene segments. Was. These pools were subjected to selection between cycles. More Oligonu Two final rounds of "normal shuffling" without cleides (Cycle 5 and And cycle 6) in an attempt to further evolve the hybrid protein Carried out.   Individual clones surviving in later cycles were isolated with a single 40 ug / ml dose of MNNG. For improvement by processing them and comparing residuals with untreated samples Screened. The best clone from cycle 4 is wild at this dose It showed an improvement over 10 times the mold. The estimated data shown in FIG. 5 (SEQ ID NO: 2) The protein (amino acid) sequence is 7 amino acids from wild-type human alkyltransferase. Amino acid differences (see seven circled amino acid residues in FIG. 5), other mammals 5 residues found in animal alkyltransferase (circled in FIG. 4) Based on the improved (evolved) nucleotide sequence (SEQ ID NO: 1) Follow. These five amino acid changes were due to the spikes during cycles 3 and 4. It appears to be encoded by a lignonucleotide. All five have the same degenerate orientation Gonucleotide pool (# 7 in FIG. 3). Other amino acid changes (Q (gln) to R (arg) (Q72R) at residue number 72, G (gly) to D (as p) (G173D)) (Tano (1990) supra) is not shown in natural diversity and therefore Produced by the shuffling process. In addition, 2 (from wild type) Two translationally silent nucleotide changes were detected (two lower in FIG. 5). See lined nucleic acid residues).   This shuffling mutant is more thorough about its activity in E. coli Characterized. In one set of experiments, cells were treated with graded doses of MNNG, and The surviving fraction was determined. Plus isolated from individual clones surviving MNNG treatment The mid was transformed into GWR111. Retransformed clones can be used at a single 40 ug / ml dose. Were screened separately by treating them with MNNG. The best Clones were further analyzed in three ways: (i) the entire MGMT DNA sequence was Dye terminator cycle sequencing (Applied Biosystems 373A Autosequenc er, Foster City, CA). (Ii) the killing curve was plotted against the absence of isopropyl-β-thiogalactopyranoside. Numerically growing cells are treated with a graded single dose of MNNG and untreated control Established by measuring the ability to form colonies for trawl. Wild type inheritance (PFC14) or V139F mutant (Cristians (1996) Prod. Natl. Acad. Sci. USA, supra) ) Were processed in parallel for comparison; (iii) the bacterial extract Transferase activity described in Bobola (1995) Molec. Carcinogen 13: 70-80. As in O6− [ThreeIn vitro exposure to bovine thymus DNA containing [H] methylguanine Quantified. Some extracts are used for mammalian alkyl transfer -Zein inhibitor O6-Preincubation with benzylguanine.   Survivors are larger than cells with either wild-type human MGMT or the V139F variant. It was terrible. LDTenThe dose of MNNG giving 10% survival is wild type, 17.5 ug / ml V139F, 25ug / ml; and cycle 4 shuffling mutant, 33ug / ml; Was. In a second set of experiments, bacterial extracts were washed with excess [ThreeH] methylated DNA substrates (primarily and O6-In the form of methylguanine) in vitro Transferase activity was measured. Per minute per ug of total protein Mean insoluble counts were: wild type, 126; V139F, 58; and cycle 4 shuffle Mutants, 52. All three proteins are inhibitor O6-Benzyl Sensitive to guanine.   Thus, the recursive sequence recombination method of the present invention provides a new and improved human alkyl Transferase protein was successfully produced. Mutation shuffling process Random diversity generated by natural resources is due to the diversity provided by nature. Was increased. The natural diversity is to transform human gene fragments into known mammalian Simply shuffle oligonucleotides encoding all of the Can be used. Human genes in sequences flanking regions of diversity Homology facilitated oligonucleotide incorporation. The best mutation The body contains a human alkyltransferase, as shown in FIG. 5 (SEQ ID NO: 1). Was a hybrid having a difference of 7 amino acids from Two of the variants are Occurs naturally during shuffling, and the other five reflect natural diversity, especially Encoded by one of the "spike oligos" cross-linked at no acid position 50. all Was shown to be able to hybridize to human sequences by PCR. , All seem to have been incorporated into the pool, at least to some extent.   Previous work with different systems also showed that synthetic oligos in such reactions It was confirmed that it would be incorporated at almost the expected ratio (Crameri (1996) Nature Me dicine, supra). Another way to incorporate natural diversity is to use cDNA from various sources. By isolating or synthesizing and shuffling all coding sequences together is there. This recursive method of propagating natural diversity is different for different organisms and organisms within organisms. Improve many related genes from the gene family. Furthermore, it has the structure Apply to multiple proteins with motifs related either functionally or functionally Can be done.   How Amino Acid Substitutions in Shuffling Mutants Are Not Possible in E. coli It is difficult to rationalize mechanically to increase activity. The only alkyl tiger Crystallographic structure of the bacterial Ada protein C-terminal fragment (Wibley (19 95) Based on Cancer Drug Design 10: 75-95; Moore (1994) EMBO J.13: 1495-1501)) Of human alkyltransferase in computer models No amino acid positions were mutated in the shuffling mutants defined. Rank Clustering of the five mutations around position 50 is significant, but this region of the protein There was no known function due to. Three of these five substitutions are It has been found in other mammalian alkyltransferases. Several The substitution can be a neutral possibility that can be answered by backcrossing, while the other May be synergistic with substitutions, particularly involving potential changes. From G (gly) at position number 173 Mutation to D (asp) (G173D) (see Tano (1990) supra for numbering of residues) Approximation with conservative E (glu) (E172) at residue number 172 There may be significant predefined proposed involvement in salt-related interactions. In this area Additional acidic residues in the form can enhance this effect.   The power of DNA shuffling can be attributed to many such duplications that should not work in detail. A molecular growth process that allows for a combination of mutations that progressively improves is there. We pioneered this property and found that natural enzymes or any reported Evolve more potent alkyltransferases in vivo than mutants. This progress The mutated variants are very useful for chemoprotection by gene therapy. Wild type Improvements over alkyltransferases are not consistent with patient toxicity. It is very useful to clinicians by allowing for increased dosages of the ruquilizing agent. Once an alkylating agent that is not used due to severe bone marrow toxicity is expected, May be acceptable. Low levels of alkyltransferases in vivo Even improvements can enable relatively few resistant cells to repopulate the bone marrow Useful for giving a selection. This alkyltransferase is further modified O6-Incorporate additional features such as benzylguanine resistance. this The alkyltransferase can also be subjected to further DNA shuffling, And improved nuclear localization, or better interaction with eukaryotic chromatin structures Can be selected for further improved activity in mammalian cells such as .Example 4: In vitro recombination using adenovirus-phagemid Russ whole genome shuffling   This example packages DNA inserts over 10 kilobases in size. Of a novel adenovirus phagemid using the recursive recombination method of the present invention 1 shows the construct. Incorporation of the phage f1 origin using the methods of the invention also New capable of evolving the entire genome of viruses such as the 36 kb family of adenovirus Create a standard in vivo shuffling format.   The widely used human adenovirus type 5 (Ad5) has a genome size of 36 kb. I do. Creating an excessive number of changes that can result in a high percentage of non-manufactured recombinant variants In addition, shuffling this large genome in vitro is difficult. To minimize this problem, and achieve Ad5 whole-genome shuffling Adenovirus-phagemid was constructed using the method of the present invention.   As outlined in FIG. 6, the 36 kb Ad5 genome was cut into two overlapping regions by restriction digestion. Divided into minutes. Each of the two halves was subcloned into pBR322; obtained The two plasmids were called pAd-R and p-AdL. For more information, Adapters were first ligated to each end of the linear 36 kb genomic DNA. Then This product was digested with BamHI and the right half of the Ad5 genome (nucleotides 21,562- 35,935); and cut with EcoRI to the left half of the genome (nucleotides 1-27). , 331). Then, the right half of the 14.3 kb BamHI / EcoRI fragment was Ligation with coRI digested pBR322 to create Ad-R, and the 27.3 kb EcoRI fragment pAd-L was created by ligation with oRI digested pBR322. Gene transfer and safety reasons For this, the Ad5 E1 region was then: first used by site-directed mutagenesis (G residue at position 457). By changing the group to a T residue and the C residue at position 459 to an A residue) Create an AflII site at Otide 455; then another AflII site is present in the plasmid Therefore, it was deleted from pAd-L by performing AflII partial digestion. 24.3kd  AflII fragment is gel purified and filled in with DNA polymerase I to create blunt ends did. It was then ligated with a SwaI linker to create an E between nucleotides 458 and 3533. 1 region at the same time and a unique SwaI site for insertion of the foreign gene. Inserted.   To construct a phagemid, the ssDNA phage f1 origin of replication was II Obtained by PCR from KS (-) phagemid (Stratagene, San Diego, CA) and As illustrated in FIG. 6, the Ad plasmid (pAD-R and And pAD-L-1) to the ClaI site. Next, the obtained Ad phagemid was mutD5 (see Degnen (1974) J. Bacteriol. 117: 477-487) Gained variants, thereby increasing diversity. The natural mutation rate of mutD5 is about 1.8 × 10-6 / Base pairs / cell / generation (FiJalkowska (1996) Proc. Natl. Aca. Sci. USA 93: 2856-2861), which is about 10% higher than the in vitro shuffling mutation rate. 0-fold lower (see Stemmer (1994) Proc. Natl. Aca. Sci. USA 93: 2856-2861).   To prepare phagemid phage, these mutated Ad phagemids Was purified from mutD5 cells, and then the F + recAl strain (XL-1 Blue, Stratagene. San Dieg o, CA), and transforming the resulting transformants with helper M13 phage (VCSM13, Stratagene. San Diego. (CA) at a multiplicity of infection (MOI) of 10. RecA (Clark (1965) Proc. Natl. Aca. Sci. USA 53: 451-459). RecA1 Mutation That Disrupts Sex Is 29kb pAd-L-f1 Stability During Helper Phage Infection Required for Stable high titer of Ad phagemid phage (10TenMore than Transduction unit) stocks were obtained. Then these ssDNAs with the Ad genome The mutS 201: Tn5 strain (Siegel (1982) Mutat. Res. . 93: 25-33) to promote recombination in vivo. Homologous recombination is It is particularly effective between single-stranded forms of intracellular DNA. After replication, intracellular phagemid Behaves as a normal plasmid, and provides additional positives during subsequent cell growth Subject to mid-plasmid recombination. Shuffling Ad phagemid from cells Finally recovered and purified and used to transfect Hela cells To generate a high titer library.   Phagemid vectors are used for peptide display, cDNA cloning, and Widely used for site-directed mutagenesis (mMead (1988) for review) Biotechnol. 10: 85-102). However, phagemid vectors are large Not used in size (insert) DNA. Conventional phagemid system For cloning of DNA fragments larger than 0 kilobase or larger size ( Not used for the production of ssDNA (10 kb or more). Ad phage of the present invention Do accept inserts as large as 15 and 24 kilobases, and It has been shown to produce ssDNA of the size efficiently. More preferred embodiment In a similar manner, a larger DNA insert as large as 50-100 kb is Inserted into the Ad phagemid; producing full-length ssDNA corresponding to these large inserts. To achieve. The generation of such large ssDNA fragments has progressed throughout the viral genome. (Ie, modification by the recursive recombination method of the present invention) I do. Thus, the present invention clones large DNA inserts (10 KB or more) and To generate ssDNA corresponding to these large inserts in vitro and in vivo First, a unique phagemid system is provided.   The foregoing description of a preferred embodiment of the invention has been presented for purposes of illustration and description. ing. They are intended to be exhaustive of the invention in its precise form, Also, it is not intended to be limiting, and many modifications and variations are possible in light of the above teaching. It is possible. Such modifications and variations that may be apparent to a person skilled in the art are It is intended to be within the scope of the description. All patent documents and publications cited above The works are subject to their purposes for all purposes in the same scope, so that the matter is described separately. The whole is incorporated by reference.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF ,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE, SN,TD,TG),AP(GH,KE,LS,MW,S D,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG ,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM,AT ,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA, CH,CN,CU,CZ,DE,DK,EE,ES,F I,GB,GE,GH,HU,ID,IL,IS,JP ,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR, LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,MN,M W,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU,SD ,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM,TR, TT,UA,UG,UZ,VN,YU,ZW (72)発明者 リウ,シ―カウ アメリカ合衆国 カリフォルニア 95014, クパーティノ,メイプルウッド ロード 10639―エイ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, L U, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF) , CG, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, KE, LS, MW, S D, SZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG) , KZ, MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT , AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, F I, GB, GE, GH, HU, ID, IL, IS, JP , KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, M W, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD , SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, UZ, VN, YU, ZW (72) Inventors Liu, Sea Cow             United States California 95014,             Cupertino, Maplewood Road             10639-A

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1.遺伝子治療に使用するための核酸セグメントを進化させる方法であって: (1)組換えセグメントのライブラリーを作成するために、少なくとも 2つのヌクレオチドが互いに異なるセグメントの少なくとも第1の形態および第 2の形態を組み換える工程; (2)該ライブラリー由来の少なくとも1つの組換えセグメントを、遺 伝子治療に有用な特性についてスクリーニングする工程; (3)組換えセグメントのさらなるライブラリーを作成するために、少 なくとも1つの組換えセグメントを、該セグメントのさらなる形態と組み換える 工程であって、該さらなる形態は、該第1および第2の形態と同じかまたは異な る、工程 (4)該さらなるライブラリーに由来する少なくとも1つのさらなる組 換えセグメントを、遺伝子治療に有用な該特性の改善についてスクリーニングす る工程; (5)必要であれば、(3)および(4)を、該さらなる組換えセグメ ントが、遺伝子治療に有用な該特性の所望のレベルを付与するまで繰り返す工程 ; を包含し、ここで、該特性が、 a)該組換えセグメントを含むウイルスベクターの改善された力価; b)該組換えセグメントを含むウイルスベクターの改善された感染性 ; c)該核酸セグメント内の遺伝子の増大した発現; d)該組換えセグメントを含むベクターの増強された組織特異性; e)該組換えセグメントを含むウイルスベクターの増大したゲノム収 容量; f)該組換えセグメントもしくは該組換えセグメントの発現産物の減 少した免疫原性; g)増大した安定性; h)該核酸セグメントを含む細胞株の、該細胞株にトランスフェクト したウイルスDNAをパッケージングする増強された能力; i)該核酸セグメントによってコードされるrepタンパク質の、該核 酸セグメントを発現する細胞株に対する減少した毒性;および j)選択的除去が所望される細胞タイプに対する、遺伝子治療ベクタ ーの増強した致死性 からなる群より選択される、方法。 2.少なくとも1つの組換え工程がインビボで生じる、請求項1に記載の方法。 3.少なくとも1つの組換え工程がインビトロで生じる、請求項1に記載の方法 。 4.請求項1に記載の方法であって、前記特性が組織特異性であり、前記核酸セ グメントがウイルス核酸セグメントを含み、そして前記組換えセグメントが、 ウイルスを第1の集団の細胞および第2の集団の細胞と接触させる工程 であって、該ウイルスによる感染性が、該第1の集団の細胞について所望され、 該第2の集団の細胞については所望されない、工程;および 該第1の集団の細胞から子孫ウイルスを単離する工程であって、該子孫 ウイルスは、該第1の亜集団の細胞についての感染性を付与する組換えセグメン トを富化される、工程 によって、該ウイルスの成分としてスクリーニングされる、方法。 5.請求項1に記載の方法であって、前記特性がウイルスゲノム収容量であり、 前記核酸セグメントがウイルス核酸セグメントを含み、そして前記組換えセグメ ントが、細胞においてウイルスを増殖させ、そして該組換えセグメントを含む子 孫ウイルスを単離することによって、該ウイルスの成分としてスクリーニングさ れ、そして該方法が、連続するスクリーニング工程間に、該組換えセグメントを 含むウイルスのゲノム長を増大させる工程を、さらに包含する、方法。 6.請求項1に記載の方法であって、前記特性が前記組換えセグメントもしくは その発現産物の減少した免疫原性であり、そして該組換えセグメントが、哺乳動 物に該組換えセグメントを導入する工程、および所定の期間後に残存する組換え セグメントを回収する工程によってスクリーニングされる、方法。 7.請求項1に記載の方法であって、前記特性が増大した安定性であり、そして 前記組換えセグメントが、ウイルスを脱安定化条件に供する工程、および残存す るウイルスを回収する工程によって、該ウイルスの成分としてスクリーニングし 、ここで、該残存するウイルスが、該特性を付与する組換えセグメントを富化さ れる、方法。 8.請求項1に記載の方法であって、前記核酸セグメントがウイルスタンパク質 をコードし、前記特性が、該核酸セグメントを含む細胞株の、該細胞株にトラン スフェクトしたウイルスDNAをパッケージングする増強された能力であり、そし て前記組換えセグメントが、該組換えセグメントを含む細胞を、ウイルスベクタ ーでトランスフェクトする工程、および種々の細胞によって産生される、該ウイ ルスベクターを含む子孫ウイルスの収率を決定する工程によってスクリーニング され、ここで、高い収率を与える細胞が、増大したパッケージング能力を有する 組換えセグメントを富化される、方法。 9.請求項1に記載の方法であって、前記核酸セグメントがネガティブ選択遺伝 子をコードし、前記特性が、遺伝子治療ベクターの、選択的排除を所望する細胞 タイプに対して増強された致死性であり、かつ排除を所望しない細胞タイプに対 して低減された致死性であり、そして前記組換えセグメントが、 選択的排除を所望するタイプの細胞を、前記組換えセグメントのライブ ラリーを含むベクターでトランスフェクトする工程、および該細胞に対して致死 的な組換えセグメントのライブラリーのこれらのメンバーを同定する工程;およ び 排除が所望されないタイプの細胞を、選択的排除を所望されない細胞に 対して致死的である組換えセグメントのライブラリーのメンバーを含むベクター でトランスフェクトする工程、および排除を所望されないタイプの細胞に対して 致死的でないウイルスを同定する工程 によってスクリーニングされる、方法。 10.請求項9に記載の方法であって、前記ネガティブ選択遺伝子が、リシン、 ジフテリア毒素、およびHSVチミジンキナーゼからなる群より選択されるポリペ プチドコードする、方法。 11.細胞を、ウイルスをパッケージングするように進化させる方法であって、 (1)ウイルスのパッケージングタンパク質をコードする細胞の培養物 を、DNAフラグメントのライブラリーで形質転換する工程であって、該DNAフラグ メントのライブラリーのうちの少なくともいくつかが、該細胞のゲノム中の同族 体セグメントとの組換えを経て、改変細胞を生じる、工程; (2)該改変細胞をウイルスDNAでトランスフェクトし、そして種々の 細胞によって産生された子孫ウイルスの収率を決定する工程; (3)最も高いウイルス収率を与える改変細胞を、DNAフラグメントの さらなるライブラリーで形質転換する工程であって、該DNAフラグメントのさら なるライブラリーのうちの少なくともいくつかが、該改変細胞のゲノム中の同族 体セグメントとの相同組換えを経て、さらなる改変細胞を生じる、工程; (4)該さらなる改変細胞を、ウイルスDNAでトランスフェクトし、そ して種々の細胞によって産生された子孫ウイルスの収率を決定する工程;および (5)必要であれば、該さらなる改変細胞が所望の機能を獲得するまで 、(3)および(4)を繰り返す、工程 を包含する、方法。[Claims] 1. A method for evolving a nucleic acid segment for use in gene therapy, comprising:         (1) In order to prepare a library of recombinant segments, at least At least a first form and a second form of a segment in which two nucleotides are different from each other. Recombining the two forms;         (2) at least one recombinant segment from the library is Screening for properties useful for gene therapy;         (3) To create a further library of recombinant segments, Recombines at least one recombinant segment with a further form of the segment Wherein the further form is the same or different from the first and second forms. Process         (4) at least one further set from said further library Recombinant segments are screened for the improvement of the property useful for gene therapy. Step;         (5) If necessary, replace (3) and (4) with the additional recombinant segment. Repetition until the agent imparts the desired level of the property useful for gene therapy ;   Wherein the property is:           a) improved titer of a viral vector containing said recombinant segment;           b) Improved infectivity of the viral vector containing said recombinant segment ;           c) increased expression of a gene within the nucleic acid segment;           d) enhanced tissue specificity of the vector containing the recombinant segment;           e) increased genomic yield of the viral vector containing the recombinant segment capacity;           f) Reduction of the recombinant segment or the expression product of the recombinant segment Little immunogenicity;           g) increased stability;           h) transfecting a cell line containing the nucleic acid segment into the cell line Enhanced ability to package purified viral DNA;           i) the nucleus of the rep protein encoded by the nucleic acid segment Reduced toxicity to cell lines expressing the acid segment; and           j) A gene therapy vector for the cell type for which selective removal is desired Increased lethality A method selected from the group consisting of: 2. 2. The method of claim 1, wherein at least one recombination step occurs in vivo. 3. 2. The method of claim 1, wherein at least one recombination step occurs in vitro. . 4. 2. The method of claim 1, wherein said property is tissue specificity and said nucleic acid cell is Fragment comprises a viral nucleic acid segment, and said recombinant segment comprises:         Contacting the virus with cells of a first population and cells of a second population Wherein infectivity by said virus is desired for said first population of cells, Undesired for the second population of cells; and         Isolating a progeny virus from the cells of the first population, the progeny comprising: The virus is a recombinant segment that confers infectivity on cells of the first subpopulation. Enriched process   Screening as a component of the virus. 5. 2. The method of claim 1, wherein the property is a viral genome capacity, The nucleic acid segment comprises a viral nucleic acid segment, and the recombinant segment A virus that propagates the virus in the cell and contains the recombinant segment. By isolating the progeny virus, it is screened as a component of the virus. And the method comprises the steps of: The method further comprising increasing the genome length of the virus comprising. 6. 2. The method of claim 1, wherein the property is the recombinant segment or The expression product is reduced immunogenicity and the recombinant segment is mammalian Introducing the recombination segment into the product, and the recombination remaining after a predetermined period of time. The method, wherein the method is screened by retrieving the segment. 7. 2. The method of claim 1, wherein the property is increased stability, and Subjecting the virus to destabilizing conditions; and Screening as a component of the virus by recovering the virus Wherein the remaining virus is enriched in the recombinant segment conferring the property. Is the way. 8. 2. The method of claim 1, wherein said nucleic acid segment is a viral protein. Wherein the property is a transgenic cell line comprising the nucleic acid segment. Enhanced ability to package infected viral DNA, and The recombinant segment is a cell containing the recombinant segment, Transfection with the strain, and the window produced by various cells. Screening by determining the yield of progeny virus containing the lus vector Where cells giving high yield have increased packaging capacity A method wherein the recombinant segment is enriched. 9. 2. The method of claim 1, wherein the nucleic acid segment is a negative selection gene. A cell which encodes the offspring and whose properties are for the selective elimination of the gene therapy vector. For cell types that are enhanced lethal to the type and for which elimination is not desired Is reduced lethality, and the recombinant segment is         The type of cells desired for selective elimination are transferred to the live recombinant segment. Transfecting with a rally-containing vector and killing the cells Identifying these members of a library of potential recombinant segments; and And         Cells of the type that are not desired to be eliminated are transformed into cells that are not desired to be selectively eliminated. Vectors comprising members of a library of recombinant segments that are lethal to Transfection, and for types of cells not desired to be eliminated Identifying a non-lethal virus   Screening method. 10. The method of claim 9, wherein the negative selection gene is lysine, A polypeptide selected from the group consisting of diphtheria toxin and HSV thymidine kinase The way to code. 11. A method of evolving a cell to package a virus, comprising:         (1) Culture of cells encoding the viral packaging protein Is transformed with a library of DNA fragments, At least some of the library of fragments are homologous in the genome of the cell. Producing a modified cell via recombination with a body segment;         (2) transfecting the modified cells with viral DNA; Determining the yield of progeny virus produced by the cell;         (3) The modified cells giving the highest virus yield were Transforming with a further library, wherein the DNA fragment is further transformed. At least some of the libraries are homologous in the genome of the modified cells. Producing further modified cells via homologous recombination with a body segment;         (4) transfecting the further modified cells with viral DNA; Determining the yield of progeny virus produced by the various cells; and         (5) If necessary, until the further modified cells have acquired the desired function. Repeating steps (3) and (4)   A method comprising:
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