JP6152908B2 - Method for preparing and analyzing peptide fragment - Google Patents
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Description
本発明は、プロテアーゼを用いて、抗体等のタンパク質を位置選択的に切断して、ペプチド断片を調製する方法に関する。さらに、本発明は、当該方法により調製されたペプチド断片を、質量分析法等により分析して、タンパク質の検出や定量を行う分析方法に関する。 The present invention relates to a method for preparing peptide fragments by regioselectively cleaving a protein such as an antibody using a protease. Furthermore, the present invention relates to an analysis method for detecting and quantifying proteins by analyzing peptide fragments prepared by the method by mass spectrometry or the like.
抗体医薬の需要が急速に拡大しており、臨床現場において、血液中の抗体濃度を簡便に定量することの重要性が高まっている。従前は、抗体医薬を投与後の血液中濃度を正確に測定することは重要視されていなかったが、トラスツズマブ(商品名:Herceptin)の胃がん適用拡大に伴う臨床試験において、その血液中濃度と生存期間に有意差が見出されて以降、抗体医薬の臨床試験等においても、抗体の血中濃度を測定することが必須となりつつある。例えば、薬物動態確認等の品質管理や、後発医薬品の臨床試験等における先発医薬品との同一性確認等においても、抗体医薬の同定や、その血液中濃度の定量が要求されるようになっている。 The demand for antibody drugs is rapidly expanding, and the importance of simply quantifying the antibody concentration in blood in clinical settings is increasing. Previously, it was not important to accurately measure the blood concentration after administration of the antibody drug, but in clinical trials associated with the expansion of gastric cancer application of trastuzumab (trade name: Herceptin), its blood concentration and survival Since a significant difference was found in the period, it has become essential to measure the blood concentration of an antibody in clinical trials of antibody drugs. For example, identification of antibody drugs and quantification of their blood concentrations are also required in quality control such as pharmacokinetic confirmation and identity confirmation with the original drug in clinical trials of generic drugs. .
抗原抗体反応を用いたELISA(enzyme-linked immunosorbent assay)法は、特異性および定量性に優れているため、臨床試験等において、血液中の抗原や抗体の検出・定量等に広く用いられている。しかし、ELISA法は、単一のタンパク質(抗原または抗体)の検出を目的としたものであり、多数の異なるタンパク質を同時に検出することはできない。ELISA法により多数のタンパク質を検出するためには、検出対象ごとに特異抗体を作製して濃度測定条件を設定する必要があり、莫大な手間と費用を要する。また、ELISA法は抗原抗体反応を利用するため、併用薬や代謝物との交差反応が測定結果に影響を及ぼし得ることや、一部の抗体医薬では保存検体への適用が困難である等の問題点が知られている。 ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay) using antigen-antibody reaction is widely used for detection and quantification of antigens and antibodies in blood in clinical trials and the like because of its excellent specificity and quantification. . However, the ELISA method is intended to detect a single protein (antigen or antibody), and cannot detect many different proteins simultaneously. In order to detect a large number of proteins by the ELISA method, it is necessary to prepare specific antibodies for each detection target and set the concentration measurement conditions, which requires enormous labor and cost. In addition, since the ELISA method uses an antigen-antibody reaction, cross-reactions with concomitant drugs and metabolites can affect the measurement results, and some antibody drugs are difficult to apply to stored samples. The problem is known.
そのため、種々の抗体に汎用的に適用可能な分析手法の開発が望まれている。プロテオミクスの発展に伴い、質量分析法により、タンパク質を網羅的に検出・定量可能な技術が開発されており、近年では、抗体等の巨大生体分子の解析も可能となっている。質量分析では、測定対象分子をイオン化する必要があり、抗体等の巨大生体分子をそのまま質量分析で分析することは困難な場合が多い。そのため、プロテアーゼ消化によりタンパク質を切断(断片化)し、断片化されたペプチドの中から、分析対象のタンパク質に特異的なアミノ酸配列を有するペプチド断片を選択して、質量分析装置により検出・定量する手法が採用されている。一般には、プロテアーゼによる消化効率を向上するために、高濃度の尿素やグアニジン溶液中で基質タンパク質を変性させた後、プロテアーゼ消化が行われる。 Therefore, it is desired to develop an analytical technique that can be applied to various antibodies for general purposes. With the development of proteomics, technologies capable of comprehensively detecting and quantifying proteins by mass spectrometry have been developed. In recent years, it has become possible to analyze macrobiomolecules such as antibodies. In mass spectrometry, it is necessary to ionize a molecule to be measured, and it is often difficult to analyze a giant biomolecule such as an antibody as it is by mass spectrometry. Therefore, a protein is cleaved (fragmented) by protease digestion, and a peptide fragment having an amino acid sequence specific to the protein to be analyzed is selected from the fragmented peptides, and detected and quantified by a mass spectrometer. The method is adopted. In general, in order to improve the digestion efficiency by protease, protease digestion is performed after denaturing the substrate protein in a high-concentration urea or guanidine solution.
抗体等のタンパク質をプロテアーゼ消化により断片化して質量分析を行う場合、検出対象となるペプチド断片を選択的に検出することが重要となる。しかし、多種多様な夾雑物を含む生体試料から、分析対象のタンパク質由来の特定のペプチド断片を検出することは困難を伴う場合がある。すなわち、血液等の生体試料は、多種多様な夾雑物を含有するため、生体試料にプロテアーゼを添加すると、夾雑物由来のタンパク質もプロテアーゼ消化されて、膨大な数のペプチド断片が生成する。その中から検出対象(例えば特定の抗体)由来の目的のペプチド断片を選択的に検出・定量するためには、質量分析に供する前に、ペプチド断片の分離や濃縮等の操作が必要となる。また、検出対象以外のタンパク質から、検出対象のタンパク質のペプチド断片と共通するアミノ酸配列を有するペプチド断片が産生されると、誤検出や定量性低下の原因となり得る。したがって、生体試料から生じるペプチド断片数の増加に伴って、検出対象とするペプチド断片の選択がより困難となる傾向がある。 When mass spectrometry is performed by fragmenting a protein such as an antibody by protease digestion, it is important to selectively detect a peptide fragment to be detected. However, it may be difficult to detect a specific peptide fragment derived from the protein to be analyzed from a biological sample containing a wide variety of contaminants. That is, since biological samples such as blood contain a wide variety of contaminants, when a protease is added to the biological sample, the protein derived from the contaminants is also digested with the protease and a huge number of peptide fragments are generated. In order to selectively detect and quantify the target peptide fragment derived from the detection target (for example, a specific antibody), operations such as separation and concentration of the peptide fragment are required before being subjected to mass spectrometry. Moreover, if a peptide fragment having an amino acid sequence common to the peptide fragment of the detection target protein is produced from a protein other than the detection target, it may cause erroneous detection or a decrease in quantitativeness. Therefore, with an increase in the number of peptide fragments generated from a biological sample, selection of peptide fragments to be detected tends to be more difficult.
このような生体試料の複雑性に鑑み、試料を液体クロマトグラフィー(LC)により精製した後、質量分析装置に供する方法や、衝突誘起解離(CID)等によりイオン開裂を生じさせる多段階の質量分析、あるいはこれらの組み合わせ(多重反応モニタリング、MRM)により、生体試料等の複雑試料中の特定のタンパク質を定量する方法が開発されている。しかし、試料が複雑になるほど、様々な分離モードを組み合わせる必要が生じ、高精度の実験装置が必要となったり、分析条件の設定に多大な時間を要する等の問題がある。 In view of the complexity of such biological samples, the sample is purified by liquid chromatography (LC) and then subjected to mass spectrometry, multistage mass spectrometry that causes ion cleavage by collision-induced dissociation (CID), etc. Alternatively, a method for quantifying a specific protein in a complex sample such as a biological sample has been developed by combining these (multiple reaction monitoring, MRM). However, as the sample becomes more complicated, it becomes necessary to combine various separation modes, and there is a problem that a highly accurate experimental apparatus is required and it takes much time to set analysis conditions.
また、抗体等の巨大タンパク質は、精製された試料を用いた場合でも、プロテアーゼ消化により多数のペプチド断片が産生されるため、その中から、検出対象に特有のアミノ酸配列を有するペプチド断片を選択的に検出・定量することが困難となる傾向がある。このような問題に鑑み、分析対象のタンパク質を位置選択的にプロテアーゼ消化して、試料中のペプチド断片の数(種類)を減少させ、分析精度を高めるとともに、分析を簡便化する方法が開発されている。例えば、特許文献1では、抗体のペプシン消化によりF(ab’)2断片を産生した後、F(ab’)2断片をさらにトリプシン等のプロテアーゼで消化して、抗体の相補性決定領域(CDR)を含むペプチド断片を産生し、CDRを含むペプチド断片を、質量分析により検出・定量する方法が提案されている。 In addition, since a large number of peptide fragments are produced by protease digestion even when a purified sample is used for a large protein such as an antibody, a peptide fragment having an amino acid sequence peculiar to the detection target is selectively selected from them. It tends to be difficult to detect and quantify. In view of such a problem, a method has been developed that reduces the number (type) of peptide fragments in a sample by regioselectively digesting a protein to be analyzed with a protease, thereby improving analysis accuracy and simplifying analysis. ing. For example, in Patent Document 1, an F (ab ′) 2 fragment is produced by pepsin digestion of an antibody, and then the F (ab ′) 2 fragment is further digested with a protease such as trypsin to obtain the complementarity determining region (CDR) of the antibody. ) Has been proposed, and peptide fragments containing CDRs are detected and quantified by mass spectrometry.
ここで、抗体の構造について説明する。すべての抗体は、2本の重鎖(H鎖)と2本の軽鎖(L鎖)を有している。1本の軽鎖と1本の重鎖がジスルフィド結合で結びついてヘテロダイマーを形成し、さらに2つのヘテロダイマーが、2つのジスルフィド(S−S)結合で結びついて“Y”字型のヘテロテトラマーを形成している(図2参照)。抗体は、重鎖からなる1つのFc(Fragment, crystallizable)ドメインと、重鎖および軽鎖からなる2つのFab(Fragment, antigen binding)ドメインを有し、FcドメインとFabドメインとは、ヒンジ部を介してつながっている。 Here, the structure of the antibody will be described. All antibodies have two heavy chains (H chains) and two light chains (L chains). One light chain and one heavy chain are connected by a disulfide bond to form a heterodimer, and two heterodimers are further connected by two disulfide (SS) bonds to form a “Y” -shaped heterotetramer. (See FIG. 2). The antibody has one Fc (Fragment, crystallizable) domain consisting of a heavy chain and two Fab (Fragment, antigen binding) domains consisting of a heavy chain and a light chain. The Fc domain and the Fab domain have a hinge part. Connected through.
抗体のFcドメインは、主に、抗体が抗原に結合した後の反応を惹起する機能(エフェクター機能)を担っており、同一種由来の抗体のほとんどは、Fcドメインのアミノ酸配列が共通している。一方、Fabドメインは、先端部分(N末端側)が抗原と結合する機能を有している。Fabドメインのうち、N末端側の部分は、多様な抗原に結合できるように、アミノ酸配列に多彩な変化がみられる。この領域は、可変領域(V領域)と称され、軽鎖の可変領域はVL領域、重鎖の可変領域はVH領域と称される。V領域以外のFabドメインとFcドメインは、アミノ酸配列の変化が少ない領域であり、定常領域(C領域)と称される。軽鎖の定常領域はCL領域、重鎖の定常領域はCH領域と称される。CH領域はさらにCH1領域,CH2領域,およびCH3領域の3つに分けられる。重鎖のFabドメインはVH領域とCH1領域からなり、重鎖のFcドメインはCH2とCH3からなる。ヒンジ部はCH1とCH2の間に位置する。 The Fc domain of an antibody mainly has a function (effector function) for inducing a reaction after the antibody binds to an antigen, and most antibodies derived from the same species share the same amino acid sequence of the Fc domain. . On the other hand, the Fab domain has a function in which the tip portion (N-terminal side) binds to an antigen. In the Fab domain, various changes in the amino acid sequence are observed so that the N-terminal portion can bind to various antigens. This region is called a variable region (V region), the light chain variable region is called a VL region, and the heavy chain variable region is called a VH region. The Fab domain and Fc domain other than the V region are regions with little change in amino acid sequence, and are referred to as constant regions (C regions). The constant region of the light chain is called the CL region, and the constant region of the heavy chain is called the CH region. The CH region is further divided into three regions, a CH1 region, a CH2 region, and a CH3 region. The heavy chain Fab domain consists of a VH region and a CH1 region, and the heavy chain Fc domain consists of CH2 and CH3. The hinge part is located between CH1 and CH2.
抗体の特異性(すなわち抗原への特異的結合性)は、V領域のアミノ酸配列の組み合わせにより決定される。軽鎖および重鎖のそれぞれは、FabドメインのV領域内に、3つの相補性決定領域(CDR)を有する。CDRは、超可変領域とも称され、抗体の種類ごとにアミノ酸配列が異なる。抗体は、軽鎖と重鎖のそれぞれに3つのCDR(合計6種類のCDR)を有するため、種々の抗原に結合可能な多様性が生じる。換言すれば、CDRは抗体を特徴付ける領域であり、抗体のCDRのアミノ酸配列を特定することにより、抗体を同定できる。 The specificity of an antibody (ie, specific binding to an antigen) is determined by a combination of amino acid sequences in the V region. Each of the light and heavy chains has three complementarity determining regions (CDRs) within the V region of the Fab domain. CDRs are also referred to as hypervariable regions, and the amino acid sequence varies depending on the type of antibody. Since an antibody has three CDRs in each of a light chain and a heavy chain (a total of six kinds of CDRs), diversity that allows binding to various antigens occurs. In other words, the CDR is a region characterizing the antibody, and the antibody can be identified by specifying the amino acid sequence of the CDR of the antibody.
前述のように、抗体のFabドメインとFcドメインはヒンジ部を介してつながっている。プロテアーゼの一種であるパパインは、このヒンジ部を切断するため、抗体のパパイン消化によって、2つのFabドメインと1つのFcドメインが産生される。また、プロテアーゼの一種であるペプシンは、ヒンジ部の2本のジスルフィド結合のFcドメイン側(C末端側)を切断するため、ペプシン消化によって、2つのFabドメインが結合したF(ab’)2ドメインと、多数のFcドメインフラグメントが産生される。 As described above, the Fab domain and Fc domain of an antibody are connected via a hinge part. Papain, a kind of protease, cleaves this hinge part, so that two Fab domains and one Fc domain are produced by papain digestion of the antibody. In addition, pepsin, which is a kind of protease, cleaves the Fc domain side (C-terminal side) of two disulfide bonds in the hinge part, so that F (ab ′) 2 domain in which two Fab domains are bound by pepsin digestion A number of Fc domain fragments are produced.
上記特許文献1の方法では、ペプシン消化またはパパイン消化によりFabドメインまたはF(ab’)2ドメインを産生させ、FabドメインまたはF(ab’)2ドメインを位置選択的にプロテアーゼ消化している。この方法により、プロテアーゼ消化により産生されるペプチドの数を低減し、CDRを含むペプチドを効率的に産生できるため、質量分析法による抗体の検出・定量が簡便化される。また、特許文献2では、ペプシンやパパインと特定のイオンとを併用することにより、これらのプロテアーゼによる消化効率が向上することが報告されている。 In the method of Patent Document 1, a Fab domain or F (ab ′) 2 domain is produced by pepsin digestion or papain digestion, and the Fab domain or F (ab ′) 2 domain is regioselectively digested with protease. According to this method, the number of peptides produced by protease digestion can be reduced and peptides containing CDRs can be produced efficiently, so that detection and quantification of antibodies by mass spectrometry is simplified. Moreover, in patent document 2, it is reported that the digestion efficiency by these protease improves by using pepsin or papain and a specific ion together.
抗体のFabドメインの精製を目的として、プロテアーゼを最適化した精製用キット等も市販されている。しかし、上記特許文献1の手法は、FabドメインまたはF(ab’)2ドメインを精製した後、さらにプロテアーゼ処理を行う必要があるため、質量分析に供する試料の調製に多大な時間とコストを要し、簡便な手法であるとは言い難い。また、プロテアーゼ消化(断片化)は、消化対象となる基質タンパクの種類により、その消化効率が異なるため、質量分析に供するためのペプチド断片試料の調製を簡便化するためには、消化効率の向上が重要となる。 For the purpose of purifying the antibody Fab domain, a purification kit optimized for protease is commercially available. However, since the method of Patent Document 1 requires purification of the Fab domain or F (ab ′) 2 domain and further protease treatment, it requires a lot of time and cost to prepare a sample for mass spectrometry. However, it is difficult to say that this is a simple technique. In addition, since digestion efficiency (fragmentation) differs depending on the type of substrate protein to be digested, the digestion efficiency is improved to simplify the preparation of peptide fragment samples for mass spectrometry. Is important.
近年、プロテアーゼ消化の高効率化手法として、ナノ粒子等の微小環境(マイクロリアクター)内で、プロテアーゼ消化を行う方法が注目されている。例えば、非特許文献1では、ナイロンの多孔質膜の細孔内にトリプシンを固定化し、この多孔質膜にアルブミン溶液を通過させることにより、アルブミンのトリプシン消化を高効率化した例が報告されている。非特許文献2では、細孔内にトリプシンを固定したメソ多孔シリカを用いることで、分子量の小さいタンパク質を選択的にトリプシン消化できることが報告されている。これらの方法はいずれも、多孔質体の細孔内にプロテアーゼを固定化し、固相表面のプロテアーゼと液相内の基質タンパク質とを反応させるものである。このように、微小環境中でプロテアーゼを固相に固定することにより消化効率が向上するのは、固相と液相との界面という局所的・微細的な環境中でタンパク質が変性を起こしやすいことや、溶解度や三次元構造の揺らぎ幅等が摂動を受けることにより、基質タンパク質とプロテアーゼとの接触機会が増大し、反応確率が向上することに起因すると考えられている。 In recent years, as a method for improving the efficiency of protease digestion, a method of performing protease digestion in a microenvironment such as nanoparticles has attracted attention. For example, Non-Patent Document 1 reports an example in which trypsin is immobilized in the pores of a nylon porous membrane and albumin solution is passed through the porous membrane, thereby increasing the efficiency of albumin trypsin digestion. Yes. Non-Patent Document 2 reports that a protein having a small molecular weight can be selectively digested with trypsin by using mesoporous silica in which trypsin is fixed in the pores. In any of these methods, the protease is immobilized in the pores of the porous body, and the protease on the solid phase surface reacts with the substrate protein in the liquid phase. In this way, the efficiency of digestion is improved by immobilizing the protease to the solid phase in a microenvironment, because the protein tends to denature in a local and microenvironment such as the interface between the solid phase and the liquid phase. Further, it is considered that the contact probability between the substrate protein and the protease increases due to the perturbation of the solubility, the fluctuation width of the three-dimensional structure, etc., and the reaction probability is improved.
上記非特許文献2の方法は、分子量の小さいタンパク質を選択的にプロテアーゼ消化することはできるが、抗体のような巨大タンパク質の選択的消化には適用できない。また、非特許文献1および非特許文献2に開示されているようなマイクロリアクターにより、位置選択的にプロテアーゼ消化を行う方法は開発されていない。 The method of Non-Patent Document 2 can selectively digest a protein having a small molecular weight with protease, but cannot be applied to selective digestion of a large protein such as an antibody. In addition, a method for performing protease digestion in a site-selective manner using a microreactor as disclosed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 has not been developed.
上記のように、質量分析法により、タンパク質を簡便に検出・定量するためには、分析対象のタンパク質を位置選択的に切断し、検出対象のタンパク質に特異的なペプチド断片を効率的に産生させ、それ以外のペプチド断片の産生量を小さくすることが求められる。例えば、抗体を検出および定量分析するためには、Fabドメイン、特にFabドメインのV領域を位置選択的にプロテアーゼ消化し、Fcドメインのプロテアーゼ消化を抑制する必要がある。 As described above, in order to easily detect and quantify a protein by mass spectrometry, the protein to be analyzed is cleaved in a position-selective manner to efficiently produce peptide fragments specific to the protein to be detected. It is required to reduce the production amount of other peptide fragments. For example, in order to detect and quantitatively analyze antibodies, it is necessary to regioselectively digest the Fab domain, particularly the V domain of the Fab domain, with protease, thereby suppressing protease digestion of the Fc domain.
本発明者らが鋭意検討の結果、抗体等の基質タンパク質とプロテアーゼの両方を固相に固定することにより、基質タンパク質の位置選択的なプロテアーゼ消化が実現できることを見出し、本発明に至った。 As a result of intensive studies by the present inventors, it has been found that by fixing both a substrate protein such as an antibody and a protease to a solid phase, a site-selective protease digestion of the substrate protein can be realized, and the present invention has been achieved.
本発明は、タンパク質をプロテアーゼにより消化するペプチド断片の調製方法に関する。本発明の方法は、多孔質体の細孔内に固定化された切断対象の基質タンパク質と、固相表面に固定化されたプロテアーゼとをプロテアーゼが基質タンパク質の切断部位にアクセスするように接触させるステップ(消化ステップ)を有する。基質タンパク質が細孔内に固定化された多孔質体は、切断対象の基質タンパク質を多孔質体の細孔内に固定化するステップ(基質固定ステップ)により得られる。本発明において、固相としては微粒子等が用いられる。微粒子の粒径は、多孔質体の平均細孔径よりも大きいことが好ましい。 The present invention relates to a method for preparing a peptide fragment for digesting a protein with a protease. In the method of the present invention, the substrate protein to be cleaved immobilized in the pores of the porous body and the protease immobilized on the solid surface are brought into contact so that the protease accesses the cleavage site of the substrate protein. It has a step (digestion step). The porous body in which the substrate protein is immobilized in the pores is obtained by a step of immobilizing the substrate protein to be cleaved in the pores of the porous body (substrate immobilization step). In the present invention, fine particles or the like are used as the solid phase. The particle diameter of the fine particles is preferably larger than the average pore diameter of the porous body.
微粒子の粒径が多孔質体の平均細孔径よりも大きい場合、微粒子表面に固定化されたプロテアーゼは、多孔質体の細孔の表層付近にはアクセスできるが、細孔の奥深い位置にはアクセスできない。このように、プロテアーゼのアクセス可能領域が物理的(空間的)に制限されているため、プロテアーゼは、多孔質体の細孔内に固定化された基質タンパク質の特定の部位に選択的にアクセスする。そのため、基質タンパク質の位置選択的なプロテアーゼ消化(断片化)が可能となる。 When the particle size of the fine particles is larger than the average pore size of the porous body, the protease immobilized on the surface of the fine particles can access the vicinity of the surface layer of the pores of the porous body, but accesses the deep position of the pores. Can not. Thus, since the accessible region of the protease is physically (spatial) restricted, the protease selectively accesses a specific site of the substrate protein immobilized in the pores of the porous body. . This makes it possible to perform protease selective digestion (fragmentation) of the substrate protein.
本発明において、基質タンパク質の所定の領域が、多孔質体に固定化されることが好ましい。当該形態では、多孔質体に固定化された領域は細孔の奥深くに位置し、固定化された領域と別の領域が細孔の表層付近に位置する。基質タンパク質の選択的切断部位と異なる領域、すなわちロテアーゼ消化されないことが好ましい領域が多孔質体に固定化されれば、細孔の表層付近に位置する基質タンパク質の選択的切断部位に、微粒子表面に固定化されたプロテアーゼがアクセスし、プロテアーゼ消化が行われる。そのため、基質タンパク質の所望の部位を位置選択的にプロテアーゼ消化することができる。 In the present invention, the predetermined region of the substrate protein is preferably immobilized on the porous body. In this form, the region fixed to the porous body is located deep in the pores, and the region other than the fixed region is located near the surface layer of the pores. If a region different from the selective cleavage site of the substrate protein, that is, a region preferably not digested with rotase, is immobilized on the porous body, the selective cleavage site of the substrate protein located near the surface layer of the pore is placed on the surface of the fine particle. The immobilized protease accesses and protease digestion takes place. Therefore, a desired site of the substrate protein can be digested with protease in a regioselective manner.
多孔質体の細孔内には、基質タンパク質と部位特異的に相互作用するリンカー分子が固定化されていることが好ましい。また、基質タンパク質はリンカー分子を介して多孔質体の細孔内に固定化されることが好ましい。基質タンパク質が抗体である場合のリンカー分子としては、例えばprotein Gやprotein A等が挙げられる。これらのリンカー分子は、抗体のFc領域と部位特異的に結合するため、抗体のFc領域が多孔質体に固定化され、Fab領域は細孔の表層付近に位置する。当該形態によれば、抗体のFab領域を選択的にプロテアーゼ消化することができる。 A linker molecule that interacts with a substrate protein in a site-specific manner is preferably immobilized in the pores of the porous body. The substrate protein is preferably immobilized in the pores of the porous body via a linker molecule. Examples of the linker molecule when the substrate protein is an antibody include protein G and protein A. Since these linker molecules bind site-specifically to the Fc region of the antibody, the Fc region of the antibody is immobilized on the porous body, and the Fab region is located near the surface layer of the pore. According to this form, the Fab region of the antibody can be selectively digested with protease.
多孔質体の細孔内にリンカー分子が固定化される場合、リンカー分子と基質タンパク質とが結合した状態の分子サイズが、多孔質体の平均細孔径の0.5倍〜1.5倍程度であることが好ましい。このように分子サイズを調整することにより、微粒子表面に固定化されたプロテアーゼと、基質タンパク質の選択的切断部位とのアクセス確率を高め、プロテアーゼ消化の位置選択性を向上できる。 When the linker molecule is immobilized in the pores of the porous body, the molecular size of the state in which the linker molecule and the substrate protein are bound is about 0.5 to 1.5 times the average pore diameter of the porous body It is preferable that By adjusting the molecular size in this manner, the access probability between the protease immobilized on the surface of the fine particle and the selective cleavage site of the substrate protein can be increased, and the position selectivity of protease digestion can be improved.
また、微粒子の表面は、プロテアーゼと結合可能なスペーサ分子で修飾されており、プロテアーゼが当該スペーサ分子を介して微粒子の表面に固定化されていることが好ましい。スペーサ分子を介してプロテアーゼを固定化することにより、微粒子表面からのプロテアーゼの脱離が抑制され、プロテアーゼ消化の位置選択性が高められる。また、スペーサの分子サイズを調整することにより、基質タンパク質の所望の位置にプロテアーゼを選択的にアクセスさせ、位置選択性を高めることもできる。 The surface of the fine particles is preferably modified with a spacer molecule that can bind to a protease, and the protease is preferably immobilized on the surface of the fine particle via the spacer molecule. By immobilizing the protease via the spacer molecule, the detachment of the protease from the surface of the fine particles is suppressed, and the position selectivity of protease digestion is enhanced. In addition, by adjusting the molecular size of the spacer, the protease can be selectively accessed at a desired position of the substrate protein, thereby enhancing the position selectivity.
本発明において、微粒子表面に固定化されるプロテアーゼとしては、トリプシン、あるいはトリプシンと他のプロテアーゼの併用系が好ましい。基質タンパク質が抗体の場合、トリプシンを単独で用いるか、あるいは併用系の場合は全プロテアーゼ中のトリプシンの量が90%以上であることが好ましい。特に、基質タンパク質が抗体である場合、トリプシンを用いることで、Fabドメインが選択的にプロテアーゼ消化され、Fcドメインのプロテアーゼ消化が抑制される傾向がある。 In the present invention, the protease immobilized on the surface of the fine particles is preferably trypsin or a combined system of trypsin and another protease. When the substrate protein is an antibody, trypsin is used alone, or in the case of a combined system, the amount of trypsin in the total protease is preferably 90% or more. In particular, when the substrate protein is an antibody, trypsin tends to selectively digest the Fab domain with protease and suppress protease digestion of the Fc domain.
多孔質体の平均細孔径は、30〜150nm程度が好ましく、微粒子の平均粒径は100nm以上が好ましい。特に、基質タンパク質が抗体の場合、平均細孔径および平均粒径が上記範囲であれば、Fab領域をより確実に位置選択的に切断できる。 The average pore diameter of the porous body is preferably about 30 to 150 nm, and the average particle diameter of the fine particles is preferably 100 nm or more. In particular, when the substrate protein is an antibody, the Fab region can be cleaved more reliably and selectively if the average pore diameter and the average particle diameter are in the above ranges.
上記方法に用いられるペプチド断片調製用キットは、タンパク質を固定化可能な細孔を有する多孔質体と、プロテアーゼを表面に固定化可能な微粒子とを含む。微粒子は、表面にプロテアーゼが固定化された状態で提供されてもよい。このキットの多孔質体と試料(例えば血液等の検体)とを接触させることにより、試料中の目的物質(抗体等の基質タンパク質)を多孔質体の細孔内に固定化できる。基質タンパク質を固定化後の多孔質体を、プロテアーゼが表面に固定化された微粒子と接触させることにより、基質タンパク質が位置選択的にプロテアーゼ消化される。 The peptide fragment preparation kit used in the above method comprises a porous body having pores capable of immobilizing proteins and fine particles capable of immobilizing protease on the surface. The microparticles may be provided with a protease immobilized on the surface. By contacting the porous body of this kit with a sample (for example, a specimen such as blood), the target substance (substrate protein such as an antibody) in the sample can be immobilized in the pores of the porous body. The substrate protein is regioselectively digested with the protease by contacting the porous body after the substrate protein is immobilized with the microparticles on which the protease is immobilized on the surface.
上記方法により得られたペプチド断片を質量分析等により分析することで、基質タンパク質の検出(同定)や定量を行い得る。本発明では、基質タンパク質が位置選択的にプロテアーゼ消化されているため、測定試料中に含まれるペプチド断片の種類を大幅に少なくできる。そのため、質量分析の条件設定を簡略化でき、分析精度の向上も期待できる。 By analyzing the peptide fragment obtained by the above method by mass spectrometry or the like, substrate protein can be detected (identified) or quantified. In the present invention, since the substrate protein is site-selectively protease-digested, the types of peptide fragments contained in the measurement sample can be greatly reduced. Therefore, the condition setting of mass spectrometry can be simplified, and improvement in analysis accuracy can be expected.
例えば、基質タンパク質が抗体である場合、本発明の方法によれば、相補決定領域を含むFab領域の位置選択的なプロテアーゼ消化が可能であるため、抗体の相補性決定領域の少なくとも一部の配列を含むペプチド断片を検出対象とすることができる。相補性決定領域は各抗体に特異的なアミノ酸配列を有しているため、相補決定領域の配列を含むペプチド断片の分析により、抗体の検出や定量を行い得る。 For example, when the substrate protein is an antibody, the method of the present invention enables position-selective protease digestion of the Fab region including the complementary determining region, so that at least a partial sequence of the complementarity determining region of the antibody A peptide fragment containing can be detected. Since the complementarity determining region has an amino acid sequence specific to each antibody, the antibody can be detected and quantified by analyzing a peptide fragment containing the sequence of the complementary determining region.
本発明によれば、簡便な方法で、抗体等のタンパク質を位置選択的にプロテアーゼ消化し、ペプチド断片を得ることができる。本発明の方法を抗体に適用した場合、抗体のFc領域の消化が抑制され、CDRを含むFab領域が選択的にプロテアーゼ消化され、抗体の同定に重要なCDRのアミノ酸配列を含むペプチド断片の試料中の濃度が高められる。 According to the present invention, a peptide fragment can be obtained by site-selective protease digestion of a protein such as an antibody by a simple method. When the method of the present invention is applied to an antibody, digestion of the Fc region of the antibody is suppressed, the Fab region containing CDR is selectively protease-digested, and a sample of a peptide fragment containing the CDR amino acid sequence important for antibody identification The concentration inside is increased.
本発明の方法により、測定試料中に含まれるペプチドの種類を大幅に少なくできるため、質量分析の条件設定を簡略化でき、分析精度の向上も期待できる。得られたペプチド断片を分析することにより、血液中の抗体医薬濃度の定量も可能である。そのため、本発明の方法は、前臨床や臨床試験における抗体医薬の濃度測定システムの前処理方法としても応用できる。 According to the method of the present invention, the types of peptides contained in the measurement sample can be greatly reduced, so that the condition setting for mass spectrometry can be simplified, and improvement in analysis accuracy can be expected. By analyzing the obtained peptide fragment, the antibody drug concentration in the blood can be quantified. Therefore, the method of the present invention can also be applied as a pretreatment method for antibody drug concentration measurement systems in preclinical and clinical trials.
また、本発明の方法は、抗体医薬に限らず、多くのタンパク質に適用が可能であり、医薬産業的な応用拡大に加え、生体分子の相互作用解析をはじめとする基礎研究分野等への応用も期待できる。 The method of the present invention can be applied not only to antibody drugs but also to many proteins. In addition to expanding the application in the pharmaceutical industry, it can be applied to basic research fields such as biomolecule interaction analysis. Can also be expected.
本発明のペプチド断片の調製方法では、切断対象の基質タンパク質が、多孔質体の細孔内に固定化され、基質タンパク質が固定化された多孔質体と、プロテアーゼが固定化された固相表面とが接触させられる。両者の接触は例えば液体中で実施される。図1は、本発明におけるプロテアーゼ消化の原理を説明するための概念図である。 In the method for preparing a peptide fragment of the present invention, the substrate protein to be cleaved is immobilized in the pores of the porous body, the porous body on which the substrate protein is immobilized, and the solid phase surface on which the protease is immobilized. Are brought into contact with each other. The contact between the two is performed, for example, in a liquid. FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining the principle of protease digestion in the present invention.
図1では、固相として微粒子10(平均粒径D1)が示され、その表面に、プロテアーゼ15が固定化されている。多孔質体20は、多数の細孔29(平均細孔径D2)を有し、細孔内に基質タンパク質25が固定化されている。このように、本発明の方法では、プロテアーゼ15および基質タンパク質25の両方が微小領域で固相に固定されており、固相同士の接触により、プロテアーゼ消化が行われる。 In FIG. 1, fine particles 10 (average particle diameter D 1 ) are shown as a solid phase, and protease 15 is immobilized on the surface thereof. The porous body 20 has a large number of pores 29 (average pore diameter D 2 ), and the substrate protein 25 is immobilized in the pores. As described above, in the method of the present invention, both the protease 15 and the substrate protein 25 are fixed to a solid phase in a minute region, and protease digestion is performed by contact between the solid phases.
微粒子10の平均粒径D1は、多孔質体20の平均細孔径D2よりも大きい。そのため、微粒子10は細孔29の表層付近にはアクセスできるが、細孔29の奥深くにはアクセスできない。これに伴って、微粒子10表面に固定化されたプロテアーゼ15も、細孔29の奥深くにはアクセスできない。図1において、細孔29付近の点線は、プロテアーゼ15がアクセスできる領域の境界を表している。 The average particle diameter D 1 of the fine particles 10 is larger than the average pore diameter D 2 of the porous body 20. Therefore, the fine particles 10 can access the vicinity of the surface layer of the pore 29, but cannot access the depth of the pore 29. Along with this, the protease 15 immobilized on the surface of the fine particles 10 is also inaccessible deep inside the pores 29. In FIG. 1, the dotted line near the pore 29 represents the boundary of the region accessible by the protease 15.
このように、細孔29内の基質タンパク質25へのプロテアーゼ15のアクセスが位置特異的に制限され、基質タンパク質の液相側(図1において“Y”字の部分)への相対的なアクセス確率が高められる。これにより、基質タンパク質25を位置選択的にプロテアーゼ消化して、ペプチド断片を得ることができる。 Thus, the access of the protease 15 to the substrate protein 25 in the pore 29 is restricted in a position-specific manner, and the relative access probability to the liquid phase side of the substrate protein (the “Y” portion in FIG. 1). Is increased. Thus, the peptide fragment can be obtained by subjecting the substrate protein 25 to site-selective protease digestion.
[基質タンパク質]
基質タンパク質25は、分析対象となるタンパク質である。基質タンパク質の種類は特に限定されないが、位置選択的な切断を行う観点から、プロテアーゼ15よりも分子径の大きいものが好ましい。なお、基質タンパク質はタンパク質の複合体であってもよい。分子径は、X線やNMR等による構造解析に基づいて決定された数値を各種の文献やデータベース等から入手できる。例えば、抗体の分子径は約15nmである。また、X線小角散乱等によって分子径を求めることもでき、分子量から概算で求めることもできる。参考例として、限外濾過膜の分離特性を調べる際にマーカー分子として用いられるタンパク質の分子量と分子径を表1に示す。
[Substrate protein]
The substrate protein 25 is a protein to be analyzed. The type of the substrate protein is not particularly limited, but is preferably one having a molecular diameter larger than that of protease 15 from the viewpoint of performing site-selective cleavage. The substrate protein may be a protein complex. As for the molecular diameter, numerical values determined based on structural analysis by X-ray, NMR or the like can be obtained from various documents and databases. For example, the molecular diameter of the antibody is about 15 nm. Further, the molecular diameter can be obtained by X-ray small angle scattering or the like, and can be obtained roughly from the molecular weight. As a reference example, Table 1 shows the molecular weight and molecular diameter of a protein used as a marker molecule when examining the separation characteristics of an ultrafiltration membrane.
基質タンパク質25は、多孔質体20の細孔29内に部位特異的に結合するものが好ましい。基質タンパク質25が部位特異的に結合することで、当該結合部位以外の部位が選択的にプロテアーゼ消化される。例えばC末端やN末端等にHisタグ(6個程度の連続するヒスチジン残基からなるタグペプチド)やビオチン化ペプチド等のタグ配列を付したタンパク質や、特定の基質と特異的に結合する酵素等も、部位特異的に結合するタンパク質として用いることができる。 The substrate protein 25 preferably binds site-specifically in the pores 29 of the porous body 20. By binding the substrate protein 25 in a site-specific manner, a site other than the binding site is selectively digested with protease. For example, proteins with tag sequences such as His tags (tag peptides consisting of about 6 consecutive histidine residues) or biotinylated peptides at the C-terminal or N-terminal, enzymes that specifically bind to specific substrates, etc. Can also be used as a site-specific binding protein.
本発明では、多孔質体の細孔内に、部位特異的に結合可能な基質タンパク質として、抗体が特に好ましく用いられる。抗体のFcドメインを多孔質体20に固定化すれば、Fabドメインを選択的にプロテアーゼ消化することができる。抗体の種類は特に制限されないが、モノクローナル抗体が好ましい。モノクローナル抗体としては、例えばパニツムマブ(ベクティビックス)、オファツムマブ(アルゼラ)、ゴリムマブ(シンポニ)、イピリムマブ(ヤーボイ)等のヒト抗体;トシリズマブ(アクテムラ)、トラスツズマブ(ハーセプチン)、ベバシズマブ(アバスチン)、オマリズマブ(ゾレア)、メポリズマブ(ボサトリア)、ゲムツズマブオゾガマイシン(マイロターグ)、パリビズマブ(シナジス)、ラニビズマブ(ルセンティス)、セルトリズマブ(シムジア)、オクレリズマブ、モガムリズマブ(ポテリジオ)、エクリズマブ(ソリリス)等のヒト化抗体;リツキシマブ(リツキサン)、セツキシマブ(アービタックス)、インフリキシマブ(レミケード)、バシリキシマブ(シムレクト)等のキメラ抗体等が挙げられる。これらは、抗体医薬(分子標的治療薬)として用いられるものであり、臨床試験等において、血液中の抗体濃度の定量が必要とされる。 In the present invention, an antibody is particularly preferably used as a substrate protein that can bind site-specifically in the pores of the porous body. If the Fc domain of the antibody is immobilized on the porous body 20, the Fab domain can be selectively digested with protease. The type of antibody is not particularly limited, but a monoclonal antibody is preferable. Monoclonal antibodies include, for example, human antibodies such as panitumumab (Bectivix), ofatumumab (Arzela), golimumab (Simponi), ipilimumab (Yervoy); tocilizumab (Actemra), trastuzumab (Herceptin), bevacizumab (Avastin), omalizumab, omalizumab ), Mepolizumab (Bosatria), gemtuzumab ozogamicin (Myrotag), palivizumab (Sinazis), ranibizumab (Lucentis), sertolizumab (Simdia), ocrelizumab, mogamulizumab (Poterizio), eculizumab (Solitris), etc. Examples include chimeric antibodies such as rituximab (Rituxan), cetuximab (Arbitux), infliximab (Remicade), and basiliximab (Simlect). These are used as antibody drugs (molecular target therapeutic drugs), and it is necessary to quantify antibody concentrations in blood in clinical trials and the like.
後に実施例で説明するように、本発明の方法によれば、モノクローナル抗体のFabドメインを位置選択的にプロテアーゼ消化することができ、得られたペプチド断片の質量分析により、抗体の同定や定量を行い得る。本発明の分析方法は、抗体の可変領域由来のペプチド断片を検出することにより、抗体の同定(検出)や定量を行うものであり、抗体由来のペプチド断片を直接測定する方法である。そのため、本発明の分析方法は、抗原等の特異的結合物質を必要とせず、抗体の種類に関わらず適用可能である。したがって、本発明の方法は、上記例示の抗体に限定されず、新規に開発されたモノクローナル抗体等にも適用できる。 As will be described later in Examples, according to the method of the present invention, the Fab domain of a monoclonal antibody can be regioselectively digested with protease, and the resulting peptide fragment can be identified and quantified by mass spectrometry. Can be done. The analysis method of the present invention is a method for identifying (detecting) or quantifying an antibody by detecting a peptide fragment derived from a variable region of an antibody, and directly measuring an antibody-derived peptide fragment. Therefore, the analysis method of the present invention does not require a specific binding substance such as an antigen and can be applied regardless of the type of antibody. Therefore, the method of the present invention is not limited to the above-exemplified antibodies, and can be applied to newly developed monoclonal antibodies and the like.
[多孔質体]
多孔質体20は、多数の細孔29を有するものであれば、その材料は特に限定されない。図1では、半球形状の細孔が図示されているが、細孔の形状は特に限定されない。また、多孔質膜のように、多孔質体を貫通する細孔が形成されたものを用いることもできる。
[Porous material]
If the porous body 20 has many pores 29, the material will not be specifically limited. Although hemispherical pores are illustrated in FIG. 1, the shape of the pores is not particularly limited. Moreover, what formed the pore which penetrates a porous body like a porous film can also be used.
多孔質体20としては、活性炭、多孔質膜、多孔質樹脂ビーズ、金属粒子等を用いることができる。これらの中でも、上記の基質タンパク質を選択的に結合できるものが好ましく、基質タンパク質を部位特異的に結合可能なものが特に好ましい。例えば、特定のタンパク質等の精製に用いられるアフィニティーカラム担体ビーズは、このような要件を満たし得る。 As the porous body 20, activated carbon, a porous membrane, porous resin beads, metal particles, or the like can be used. Among these, those capable of selectively binding the above substrate protein are preferable, and those capable of binding the substrate protein in a site-specific manner are particularly preferable. For example, affinity column carrier beads used for purification of specific proteins or the like can satisfy such requirements.
本発明においては、多孔質体20の細孔29内に、基質タンパク質25と部位特異的に相互作用するリンカー分子21が固定化されたものが好ましく用いられる。基質タンパク質とリンカー分子との相互作用としては、化学結合、水素結合、イオン結合、錯体形成、疎水的相互作用、ファンデルワールス相互作用、静電的相互作用、立体選択的相互作用等が挙げられる。 In the present invention, those in which linker molecules 21 that interact with the substrate protein 25 in a site-specific manner are immobilized in the pores 29 of the porous body 20 are preferably used. Examples of the interaction between the substrate protein and the linker molecule include chemical bond, hydrogen bond, ionic bond, complex formation, hydrophobic interaction, van der Waals interaction, electrostatic interaction, and stereoselective interaction. .
リンカー分子は、アミノ基、カルボキシル基、エポキシ基等の官能基;ピオチン、ジゴキシゲニン等の標識化合物;アビジン、ストレプトアビジンプロテインA、プロテインG、免疫グロブリン等のタンパク質;各種リガンド;酵素の基質化合物;シリカ;金属キレート等から、基質タンパク質の種類や結合部位に応じて、最適なものを適宜に選択できる。 The linker molecule is a functional group such as an amino group, a carboxyl group or an epoxy group; a labeled compound such as piotin or digoxigenin; a protein such as avidin, streptavidin protein A, protein G or immunoglobulin; various ligands; a substrate compound of enzyme; An optimal one can be appropriately selected from metal chelates and the like according to the type and binding site of the substrate protein.
基質タンパク質25が抗体である場合、リンカー分子21としては、プロテインGやプロテインA等が好ましく用いられる。プロテインAやプロテインGは、抗体のFcドメインと部位特異的に結合する。細孔29内にプロテインAやプロテインG等のリンカー分子21が固定化された多孔質体20を用いることにより、細孔内に、抗体(基質タンパク質25)のFcドメインが部位特異的に固定化され、Fabドメインが液相側(細孔の表層付近)に位置する。このように、細孔内で抗体を一定方向に固定化することで、細孔内での抗体の配向が制御され、プロテアーゼによるFabドメインの位置選択的消化が可能となる。 When the substrate protein 25 is an antibody, protein G, protein A or the like is preferably used as the linker molecule 21. Protein A and protein G bind site-specifically to the Fc domain of an antibody. By using the porous body 20 in which the linker molecule 21 such as protein A or protein G is immobilized in the pore 29, the Fc domain of the antibody (substrate protein 25) is immobilized in a site-specific manner in the pore. The Fab domain is located on the liquid phase side (near the surface layer of the pore). Thus, by immobilizing the antibody in the pore in a certain direction, the orientation of the antibody in the pore is controlled, and the position-selective digestion of the Fab domain by the protease becomes possible.
また、細孔内に基質タンパク質を固定化し、固相と液相の界面という微細な環境に存在させることで、基質タンパク質は変性を起こしやすく、分子の揺らぎが摂動を受け、プロテアーゼのアタックを受ける確率が向上する。また、本発明では、プロテアーゼが粒子に固定化されることで、立体的に安定で、自己消化が生じ難い環境となるため、プロテアーゼの安定性が増すと考えられる。そのため、本発明の方法によれば、位置選択的なプロテアーゼ消化が可能となることに加えて、プロテアーゼの高活性を維持できる。 In addition, by immobilizing the substrate protein in the pores and allowing it to exist in a fine environment such as the interface between the solid phase and the liquid phase, the substrate protein is easily denatured, the molecular fluctuations are perturbed, and the protease is attacked. Probability increases. Further, in the present invention, the protease is immobilized on the particles, so that it becomes an environment that is three-dimensionally stable and hardly undergoes self-digestion. Therefore, according to the method of the present invention, in addition to enabling regioselective protease digestion, high activity of the protease can be maintained.
多孔質体20の細孔29の大きさは特に限定されない。細孔の大きさは、基質タンパク質25を固定化した際に、細孔29の表層付近に基質タンパク質の先端部分、すなわち選択的消化されるべき部位が位置するように、基質タンパク質の分子径等を考慮して決定することが好ましい。多孔質体20の平均細孔径D2は、例えば、10nm〜500nm程度の範囲で、かつ微粒子10の平均粒径D1よりも小さい範囲で適宜に設定される。多孔質体20の平均細孔径D2は、例えば、20nm〜200nm程度が好ましく、30nm〜150nm程度がより好ましい。特に基質タンパク質25が抗体である場合に、Fcドメインを細孔内に固定化し、Fabドメインを位置選択的にプロテアーゼ消化するためには、多孔質体の細孔径は、30nm〜150nmが好ましく、40nm〜120nmがより好ましく、50nm〜100nmがさらに好ましい。 The size of the pores 29 of the porous body 20 is not particularly limited. The size of the pore is such that, when the substrate protein 25 is immobilized, the tip of the substrate protein, that is, the site to be selectively digested, is located near the surface layer of the pore 29, etc. It is preferable to determine in consideration of the above. The average pore diameter D 2 of the porous body 20, for example, in the range of about 10 nm to 500 nm, and is set appropriately in a range smaller than the average particle diameter D 1 of the particles 10. The average pore diameter D 2 of the porous body 20, for example, preferably about 20 nm to 200 nm, about 30nm~150nm is more preferable. In particular, when the substrate protein 25 is an antibody, in order to immobilize the Fc domain in the pore and to selectively digest the Fab domain with protease, the pore diameter of the porous body is preferably 30 nm to 150 nm, and 40 nm. -120 nm is more preferable, and 50 nm to 100 nm is more preferable.
リンカー分子の大きさは、細孔や基質タンパク質の大きさを考慮して、基質タンパク質の選択的切断部位が、細孔の表層付近に位置するように選択される。リンカー分子と基質タンパク質とが結合した状態の分子サイズは、多孔質体の細孔径の0.5倍〜1.5倍程度が好ましく、0.6倍〜1.2倍程度がより好ましく、0.7倍〜1.1倍程度がさらに好ましく、0.8倍〜1倍程度が特に好ましい。なお、多孔質体20にリンカー分子が固定されておらず、多孔質体の細孔内に基質タンパク質が直接結合している場合は、基質タンパク質の分子径と多孔質体の細孔径が、上記関係を満たすことが好ましい。 The size of the linker molecule is selected so that the selective cleavage site of the substrate protein is located near the surface layer of the pore in consideration of the size of the pore and the substrate protein. The molecular size of the state in which the linker molecule and the substrate protein are bound is preferably about 0.5 to 1.5 times the pore diameter of the porous body, more preferably about 0.6 to 1.2 times, About 0.7 times to 1.1 times is more preferable, and about 0.8 times to 1 time is particularly preferable. In the case where the linker molecule is not fixed to the porous body 20 and the substrate protein is directly bound in the pores of the porous body, the molecular diameter of the substrate protein and the pore diameter of the porous body are as described above. It is preferable to satisfy the relationship.
[基質タンパク質の固定化]
基質タンパク質25を、多孔質体20の細孔29内に固定化する方法は特に限定されず、基質タンパク質と多孔質体(あるいは多孔質体に固定化されたリンカー分子)の特性等に応じて適宜の方法を採用できる。例えば、細孔内にprotein Aやprotein Gが固定化された多孔質体に抗体を固定化する場合は、多孔質体の懸濁液と抗体を含む溶液とを混合することにより、細孔内に抗体を容易に固定化できる。
[Immobilization of substrate protein]
The method for immobilizing the substrate protein 25 in the pores 29 of the porous body 20 is not particularly limited, and depends on the characteristics of the substrate protein and the porous body (or the linker molecule immobilized on the porous body). An appropriate method can be adopted. For example, when an antibody is immobilized on a porous body in which protein A or protein G is immobilized in the pores, a mixture of the porous body suspension and the antibody-containing solution is mixed into the pores. It is possible to easily immobilize the antibody.
多孔質体と基質タンパク質の量比は、目的に応じて適宜に設定できる。例えば、基質タンパク質の定量分析を行う場合、試料中の基質タンパク質のほぼ全量が多孔質体に固定化されることが望まれる。そのため、試料中の基質タンパク質の推定含有量に対して、多孔質体の量が過剰となるように量比を設定することが好ましい。 The amount ratio between the porous material and the substrate protein can be appropriately set according to the purpose. For example, when performing quantitative analysis of a substrate protein, it is desired that almost the entire amount of the substrate protein in the sample is immobilized on the porous body. Therefore, it is preferable to set the quantitative ratio so that the amount of the porous material is excessive with respect to the estimated content of the substrate protein in the sample.
[プロテアーゼ]
プロテアーゼ15は、基質タンパク質のアミノ酸配列を認識し、特定の配列の特定の結合を選択的に切断する。本発明においては、プロテアーゼ15が、多孔質体20の細孔29内に固定化された基質タンパク質25を、特定のアミノ酸配列部位で切断して、ペプチド断片が得られる。
[Protease]
Protease 15 recognizes the amino acid sequence of the substrate protein and selectively cleaves a specific bond of a specific sequence. In the present invention, the protease protein 15 cleaves the substrate protein 25 immobilized in the pores 29 of the porous body 20 at a specific amino acid sequence site to obtain a peptide fragment.
プロテアーゼとしては、トリプシン(塩基性アミノ酸残基(ArgおよびLys)のC末端側でペプチドを切断する)、リジルエンドペプチダーゼ(Lys残基のC末端側でペプチドを切断する)、アルギニンエンドペプチダーゼ(Arg残基のC末端側でペプチドを切断する)、キモトリプシン(芳香族アミノ酸残基(Phe、TyrおよびTrp)のC末端側でペプチドを切断する)、V8プロテアーゼ(Glu残基のC末端側でペプチドを切断する)、ペプシン、パパイン等が挙げられる。なお、プロテアーゼは2種以上を組み合わせて用いることもできる。 Proteases include trypsin (which cleaves peptides at the C-terminal side of basic amino acid residues (Arg and Lys)), lysyl endopeptidase (which cleaves peptides at the C-terminal side of Lys residues), arginine endopeptidase (Arg). Cleavage peptide at C-terminal side of residue), chymotrypsin (cleave peptide at C-terminal side of aromatic amino acid residues (Phe, Tyr and Trp)), V8 protease (peptide at C-terminal side of Glu residue) Pepsin, papain and the like. In addition, protease can also be used in combination of 2 or more types.
プロテアーゼ消化後の基質タンパク質のペプチド断片を測定資料として質量分析に供する場合は、自己消化が少なく、切断配列の選択性が高いプロテアーゼを用いることが好ましい。市販のプロテアーゼを用いる場合、質量分析グレードや配列決定(シーケンス)グレードのプロテアーゼを用いることが好ましい。例えば、生体由来のネイティブのトリプシンは、自己消化によりキモトリプシン様の活性を示す疑似トリプシンを生成するため、切断部位の特異性が低いことが知られている。そのため、質量分析グレードとして、トリプシンのリジン残基を還元メチル化して自己消化に対する抵抗性を高めたものが市販されている。 When the peptide fragment of the substrate protein after protease digestion is subjected to mass spectrometry as a measurement data, it is preferable to use a protease with less self-digestion and high selectivity of the cleaved sequence. When a commercially available protease is used, it is preferable to use a mass spectrometry grade or sequencing (sequence) grade protease. For example, native trypsin derived from living organisms is known to have low cleavage site specificity because it produces pseudotrypsin that exhibits chymotrypsin-like activity by autolysis. Therefore, as a mass spectrometry grade, a product obtained by reducing methylation of a lysine residue of trypsin to increase resistance to autolysis is commercially available.
基質タンパク質のプロテアーゼ消化の位置選択性を高めるためには、プロテアーゼが基質タンパク質にアクセスできる領域を限定することが重要である。そのため、プロテアーゼの分子径は、基質タンパク質の分子径よりも小さいことが好ましい。より具体的には、プロテアーゼの分子径は、10nm以下が好ましく、8nm以下がより好ましく、6nm以下がさらに好ましく、5nm以下が特に好ましい。なお、トリプシンやリジルエンドペプチダーゼ等、分子量が30kDa程度のタンパク質の分子径は4nm程度である(前掲の表1参照)。 In order to increase the regioselectivity of the protease digestion of the substrate protein, it is important to limit the region where the protease can access the substrate protein. Therefore, the molecular diameter of the protease is preferably smaller than the molecular diameter of the substrate protein. More specifically, the molecular diameter of the protease is preferably 10 nm or less, more preferably 8 nm or less, further preferably 6 nm or less, and particularly preferably 5 nm or less. A protein having a molecular weight of about 30 kDa, such as trypsin and lysyl endopeptidase, has a molecular diameter of about 4 nm (see Table 1 above).
上記プロテアーゼの中でも、本発明においては、トリプシンが特に好ましく用いられる。上述のように、トリプシンは分子径が小さく、かつ活性部位が分子の内部に存在している。そのため、活性部位が基質タンパク質にアクセスできる領域が制限され、プロテアーゼ消化の位置選択性を高めることができる。特に、基質タンパク質が抗体の場合には、プロテアーゼとしてトリプシンを用いることが好ましい。 Among the proteases, trypsin is particularly preferably used in the present invention. As described above, trypsin has a small molecular diameter and an active site exists in the molecule. Therefore, the region where the active site can access the substrate protein is limited, and the position selectivity of protease digestion can be enhanced. In particular, when the substrate protein is an antibody, trypsin is preferably used as a protease.
プロテオーム解析研究において、ペプチド断片の回収率を向上させる技術として、トリプシンとリジルエンドペプチダーゼによる混合消化が近年着目されている(J. Proteome Res., 2012, 11(11), 5145-5156)。これは、トリプシンが立体構造の外側から段階的に分解反応を進める特徴を有するのに対して、リジルエンドペプチダーゼは、主に抗体のヒンジ領域を最初に切断することに起因すると考えられている。これに対して、抗体のヒンジ領域の切断を抑制し、Fabドメイン(より好ましくはFabドメインのV領域)を選択的に切断するために、本発明では、トリプシンを単独で用いるか、リジルエンドペプチダーゼ等を併用する場合でも、全プロテアーゼ中のトリプシンの量を90%以上とすることが好ましい。 In proteome analysis studies, mixed digestion with trypsin and lysyl endopeptidase has recently attracted attention as a technique for improving the recovery rate of peptide fragments (J. Proteome Res., 2012, 11 (11), 5145-5156). This is thought to be due to the fact that trypsin has a feature that the degradation reaction proceeds stepwise from the outside of the three-dimensional structure, whereas lysyl endopeptidase mainly cleaves the hinge region of the antibody first. On the other hand, in order to suppress cleavage of the antibody hinge region and selectively cleave the Fab domain (more preferably, the V region of the Fab domain), the present invention uses trypsin alone or lysyl endopeptidase. Even when these are used in combination, the amount of trypsin in the total protease is preferably 90% or more.
[微粒子]
微粒子10は、その表面にプロテアーゼ15を固定して、多孔質体20の細孔29内に固定化された基質タンパク質25へのプロテアーゼのアクセスを制御する目的で用いられる。そのため、微粒子10は、多孔質体20の細孔29の奥深くまで入り込まないように、その平均粒径D1が、多孔質体20の平均細孔径D2よりも大きいことが好ましい。微粒子10の平均粒径D1は、多孔質体20の平均細孔径D2の1.2倍以上がより好ましく、1.5倍以上がさらに好ましく、1.8倍以上が特に好ましい。
[Fine particles]
The fine particles 10 are used for the purpose of controlling protease access to the substrate protein 25 immobilized in the pores 29 of the porous body 20 by immobilizing the protease 15 on the surface thereof. Therefore, it is preferable that the average particle diameter D 1 of the fine particles 10 is larger than the average pore diameter D 2 of the porous body 20 so that the fine particles 10 do not enter deeply into the pores 29 of the porous body 20. The average particle diameter D 1 of the particles 10 is more preferably 1.2 times or more the average pore diameter D 2 of the porous body 20, more preferably at least 1.5 times, particularly preferably at least 1.8 times.
微粒子10の形状は特に限定されないが、多孔質体20の細孔29へのプロテアーゼのアクセスを均一化観点から、球状の微粒子が好ましい。また、微粒子10は、平均粒径が均一であることが好ましい。 The shape of the fine particles 10 is not particularly limited, but spherical fine particles are preferable from the viewpoint of uniform protease access to the pores 29 of the porous body 20. The fine particles 10 preferably have a uniform average particle diameter.
多孔質体20の平均細孔径が30〜150nm程度の場合、微粒子10の平均粒径D1は100nm以上が好ましく、150nm以上がより好ましい。基質タンパク質25が抗体であり、多孔質体20の平均細孔径が50nm〜100nm程度の場合、微粒子10の平均粒径は、120nm以上が好ましく、150nm以上がより好ましく、170nm以上が特に好ましい。微粒子10の平均粒径D1の上限は特に限定されないが、プロテアーゼによる消化効率を高める観点から、1μm以下が好ましく、500nm以下がより好ましく、300nm以下がさらに好ましい。 If the average pore diameter of the porous body 20 is about 30 to 150 nm, the average particle diameter D 1 of the particles 10 is preferably at least 100 nm, more preferably not less than 150 nm. When the substrate protein 25 is an antibody and the average pore diameter of the porous body 20 is about 50 nm to 100 nm, the average particle diameter of the fine particles 10 is preferably 120 nm or more, more preferably 150 nm or more, and particularly preferably 170 nm or more. It is not particularly limited upper limit of the average particle diameter D 1 of the particles 10, in view of enhancing the digestion efficiency by proteases, preferably 1μm or less, more preferably 500nm or less, more preferably 300nm or less.
微粒子10は、上記のプロテアーゼを表面に固定化できるものであれば、その材質は特に限定されず、金属や樹脂等が適宜に用いられる。また、金属表面を樹脂で被覆したものや、樹脂表面を金属で被覆したもの等を用いることもできる。 The material of the fine particles 10 is not particularly limited as long as the protease can be immobilized on the surface, and a metal, a resin, or the like is appropriately used. Moreover, what coated the metal surface with resin, what coated the resin surface with the metal, etc. can also be used.
微粒子10は、表面への非特異的なタンパク質の吸着が抑制され、プロテアーゼを選択的に固定化できるものが好ましく、例えば、図1に示すように、微粒子の表面が、プロテアーゼと特異的に結合するスペーサ11で修飾された微粒子が好適に用いられる。スペーサは、プロテアーゼと結合可能であり、かつプロテアーゼを失活させないものが好ましい。 The fine particles 10 are preferably those that can suppress the nonspecific protein adsorption to the surface and can selectively immobilize the protease. For example, as shown in FIG. 1, the surface of the fine particles specifically binds to the protease. The fine particles modified with the spacer 11 are preferably used. The spacer is preferably one that can bind to the protease and does not inactivate the protease.
また、微粒子10表面に固定化されたプロテアーゼ15のアクセス範囲を制御する観点から、スペーサ11は分子径が小さいものが好ましい。スペーサの分子径は、5nm以下が好ましく、3nm以下がより好ましく、2nm以下がさらに好ましい。また、スペーサの分子量は2000以下が好ましく、1500以下がより好ましく、1000以下がさらに好ましく、800以下が特に好ましい。上記分子径で、プロテアーゼを固定化できるスペーサ分子は、非タンパク質が好ましく、アミノ基、アミド基、エステル基、エポキシ基、カルボキシル基、ピオチン、アビジン、キレート等の官能基を有する分子が好ましい。例えば、トリプシンの固定には、エステル基を有するスペーサが好ましく用いられる。また、プロテアーゼの固定化効率を高めるために、エステル基が活性化された分子もスペーサとして好ましく用いられる。 Further, from the viewpoint of controlling the access range of the protease 15 immobilized on the surface of the fine particles 10, the spacer 11 preferably has a small molecular diameter. The spacer molecular diameter is preferably 5 nm or less, more preferably 3 nm or less, and even more preferably 2 nm or less. The molecular weight of the spacer is preferably 2000 or less, more preferably 1500 or less, further preferably 1000 or less, and particularly preferably 800 or less. The spacer molecule capable of immobilizing protease with the above molecular diameter is preferably a non-protein, and a molecule having a functional group such as an amino group, an amide group, an ester group, an epoxy group, a carboxyl group, piotin, avidin, or chelate is preferable. For example, a spacer having an ester group is preferably used for fixing trypsin. In order to increase the efficiency of protease immobilization, molecules having an activated ester group are also preferably used as spacers.
本発明では、スペーサ分子で修飾された微粒子の市販品を用いることもできる。例えば、アフィニティー精製用微粒子として、エステル基がN−ヒロドキシスクシイミドで活性化されたスペーサ分子で修飾された微粒子が、商品名「FG beads NHS」として市販されている。 In the present invention, commercially available fine particles modified with spacer molecules can also be used. For example, as affinity purification fine particles, fine particles in which ester groups are modified with spacer molecules activated with N-hydroxysuccinimide are commercially available under the trade name “FG beads NHS”.
[プロテアーゼ固定化微粒子の調製]
プロテアーゼ15を微粒子10の表面に固定化する方法は特に限定されず、プロテアーゼと微粒子(あるいは微粒子表面を修飾するスペーサ分子)の特性等に応じて適宜の方法を採用できる。例えば、トリプシンをスペーサ修飾された微粒子表面に固定化する場合は、微粒子の懸濁液とトリプシンを含む溶液とを混合することにより、微粒子表面にプロテアーゼを固定化できる。
[Preparation of protease-immobilized microparticles]
The method for immobilizing the protease 15 on the surface of the fine particles 10 is not particularly limited, and an appropriate method can be adopted depending on the characteristics of the protease and the fine particles (or spacer molecules that modify the surface of the fine particles). For example, when trypsin is immobilized on the spacer-modified fine particle surface, the protease can be immobilized on the fine particle surface by mixing a suspension of fine particles and a solution containing trypsin.
微粒子表面にプロテアーゼを固定化後に、微粒子表面のプロテアーゼと未結合の活性部分を不活性化させることが好ましい。例えば、微粒子表面にプロテアーゼが固定化されていないスペーサ分子が存在すると、未結合のスペーサ分子が、試料中の夾雑物等と結合して、プロテアーゼ消化に悪影響を及ぼしたり、プロテアーゼ消化により産生されたペプチド断片が微粒子に固定化される等の不具合を生じる場合がある。プロテアーゼを固定化後に、未結合のスペーサをブロックすることにより、このような不具合が抑制される。プロテアーゼと未結合の活性部分を不活性化する方法としては、化学修飾が好ましい。例えば、活性化エステル基は、アミンとの反応によりアミド結合を形成して不活性化される。 After immobilizing the protease on the surface of the microparticles, it is preferable to inactivate the active portion that is not bound to the protease on the microparticle surface. For example, if there is a spacer molecule on which the protease is not immobilized on the surface of the microparticles, the unbound spacer molecule binds to impurities in the sample and has an adverse effect on protease digestion or is produced by protease digestion. In some cases, the peptide fragments may be immobilized on the microparticles. Such imperfections are suppressed by blocking unbound spacers after immobilizing the protease. As a method for inactivating an active moiety that is not bound to a protease, chemical modification is preferred. For example, an activated ester group is inactivated by forming an amide bond by reaction with an amine.
[プロテアーゼ消化]
基質タンパク質25が固定化された多孔質体20と、プロテアーゼ15が表面に固定化された微粒子10とを液体中で接触させることにより、基質タンパク質がプロテアーゼ消化され、ペプチド断片が産生される。
[Protease digestion]
By contacting the porous body 20 on which the substrate protein 25 is immobilized and the microparticles 10 on which the protease 15 is immobilized on the surface in a liquid, the substrate protein is digested with the protease and peptide fragments are produced.
本発明におけるプロテアーゼ消化の条件は特に限定されず、一般的なプロテアーゼ消化と同様の条件を適宜に採用できる。例えば、プロテアーゼの至適pH近傍に調整された緩衝溶液中で、通常37℃程度の温度で、4時間〜20時間程度インキュベートすることが好ましい。 The conditions for protease digestion in the present invention are not particularly limited, and conditions similar to those for general protease digestion can be appropriately employed. For example, it is preferable to incubate at a temperature of about 37 ° C. for about 4 to 20 hours in a buffer solution adjusted to near the optimum pH of the protease.
基質タンパク質が固定化された多孔質体と、プロテアーゼが表面に固定化された微粒子との混合量比も特に制限されず、基質タンパク質の量に応じたプロテアーゼ量となるように設定すればよい。なお、一般的なプロテアーゼ消化条件は、基質:プロテアーゼ=100:1〜20:1(重量比)程度である。これに対して、本発明では、多孔質体と微粒子との組み合わせにより、基質タンパク質とプロテアーゼとのアクセスが物理的に制限されるため、一般的なプロテアーゼ消化に比べて、プロテアーゼ量を多くすることが好ましい。例えば、基質タンパク質:プロテアーゼ=30:1〜3:1程度が好ましく、15:1〜4:1程度がより好ましく、10:1〜5:1程度がさらに好ましい。 The mixing amount ratio between the porous body on which the substrate protein is immobilized and the microparticles on which the protease is immobilized is not particularly limited, and may be set so that the amount of protease corresponds to the amount of the substrate protein. General protease digestion conditions are about substrate: protease = 100: 1 to 20: 1 (weight ratio). On the other hand, in the present invention, since the access between the substrate protein and the protease is physically restricted by the combination of the porous material and the fine particles, the amount of the protease is increased as compared with general protease digestion. Is preferred. For example, substrate protein: protease = about 30: 1 to 3: 1 is preferable, about 15: 1 to 4: 1 is more preferable, and about 10: 1 to 5: 1 is more preferable.
一般に、血液等の生体試料中の抗体を選択的にプロテアーゼ消化する場合、まずprotein G等が固定化された粒子と試料とを混合して、粒子に抗体を固定化させ、夾雑物を除去した後、粒子から抗体を溶出させ、溶出後の抗体を尿素やグアニジンで変性して、プロテアーゼ消化を行う必要がある。これに対して、本発明の方法では、多孔質体に抗体を固定化させたままの状態でプロテアーゼ消化が行われる。また、プロテアーゼ消化により産生されたペプチド断片は液相内に存在するため、抗体の溶出や変性操作を行うことなく、位置選択的にFabドメインのペプチド断片が得られる。このように、本発明の方法によれば、従来法に比して簡便な操作で、かつ位置選択的にペプチド断片の回収を行うことができる。 In general, when selectively digesting an antibody in a biological sample such as blood with a protease, first, the protein G or the like-immobilized particles are mixed with the sample to immobilize the antibody on the particles, and impurities are removed. Thereafter, it is necessary to elute the antibody from the particles, denature the eluted antibody with urea or guanidine, and perform protease digestion. In contrast, in the method of the present invention, protease digestion is performed in a state where the antibody is immobilized on the porous body. In addition, since peptide fragments produced by protease digestion are present in the liquid phase, Fab domain peptide fragments can be obtained selectively without performing antibody elution or denaturation operations. Thus, according to the method of the present invention, peptide fragments can be recovered in a position-selective manner with a simpler operation than the conventional method.
[ペプチド断片調製用キット]
予め準備されたペプチド断片調製用キットを用いて、本発明によるペプチド断片の調製を行うこともできる。ペプチド断片調製用キットは、基質タンパク質を固定化可能な細孔を有する多孔質体と、プロテアーゼを表面に固定化可能な微粒子を含む。キットは、さらにプロテアーゼを含んでいてもよい。また、プロテアーゼが表面に固定化された状態微粒子が提供されてもよい。
[Peptide fragment preparation kit]
The peptide fragment preparation according to the present invention can also be prepared using a peptide fragment preparation kit prepared in advance. The peptide fragment preparation kit includes a porous body having pores capable of immobilizing a substrate protein and fine particles capable of immobilizing protease on the surface. The kit may further contain a protease. In addition, fine particles having a protease immobilized on the surface may be provided.
図3は、ペプチド断片調製キットの一実施形態を表す図である。図3において、プロテアーゼを表面に固定化可能な微粒子110は、懸濁液131として提供される。キットは、さらにプロテアーゼを含んでいてもよい。また、微粒子110が、プロテアーゼが表面に固定化された状態で提供されてもよい。スピンカラム132は、内容器135と外容器136からなり、これらは着脱可能な形状に形成されている。内容器135の底部に、基質タンパク質を固定化可能な細孔を有する多孔質膜120が配置されている。多孔質膜120は、常圧では液体を透過しない程度の細孔径を有している。 FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of a peptide fragment preparation kit. In FIG. 3, the fine particles 110 capable of immobilizing protease on the surface are provided as a suspension 131. The kit may further contain a protease. In addition, the microparticles 110 may be provided in a state where the protease is immobilized on the surface. The spin column 132 includes an inner container 135 and an outer container 136, which are formed in a detachable shape. A porous membrane 120 having pores capable of immobilizing a substrate protein is disposed at the bottom of the inner container 135. The porous membrane 120 has a pore diameter that does not allow liquid to permeate at normal pressure.
このスピンカラムを用いて、ペプチド断片の調製を行う場合、まず、基質タンパク質を含む試料(例えば、血液等の検体)をスピンカラムの内容器135内に入れ、試料と多孔質膜とを接触させる。試料と多孔質膜とを均一に接触させるために、必要に応じて容器を振盪してもよい。この操作により、多孔質膜120の細孔内に、抗体等の基質タンパク質が固定化される。 When peptide fragments are prepared using this spin column, first, a sample containing a substrate protein (for example, a specimen such as blood) is placed in the inner container 135 of the spin column, and the sample and the porous membrane are brought into contact with each other. . In order to bring the sample and the porous membrane into uniform contact, the container may be shaken as necessary. By this operation, a substrate protein such as an antibody is immobilized in the pores of the porous membrane 120.
基質タンパク質を多孔質膜に固定化後の試料液体は、内容器135から排出することが好ましい。ピペッティング等の操作により、内容器の開口部から液体を排出してもよく、遠心分離等により多孔質膜を介して内容器の底部から液体を排出してもよい。その後、必要に応じて、適宜の溶液により洗浄が行われる。 The sample liquid after the substrate protein is immobilized on the porous membrane is preferably discharged from the inner container 135. The liquid may be discharged from the opening of the inner container by an operation such as pipetting, or the liquid may be discharged from the bottom of the inner container through a porous membrane by centrifugation or the like. Thereafter, cleaning is performed with an appropriate solution as necessary.
基質タンパク質が多孔質膜120に固定化された内容器135内に、プロテアーゼが表面に固定化された微粒子110が加えられる。前述のように、プロテアーゼは予め微粒子に固定化された状態で提供されてもよく、使用直前に微粒子表面にプロテアーゼを固定化して用いることもできる。 In the inner container 135 in which the substrate protein is immobilized on the porous membrane 120, the fine particles 110 in which the protease is immobilized on the surface are added. As described above, the protease may be provided in a state of being immobilized on the microparticles in advance, or the protease can be immobilized on the surface of the microparticles immediately before use.
プロテアーゼ消化条件の最適化等の目的で、必要に応じてバッファー等の溶液をさらに加えてもよい。内容器内の多孔質膜120に固定化された基質タンパク質は、微粒子110表面に固定化されたプロテアーゼにより消化される。プロテアーゼ消化の条件は、前述のように適宜に設定され得る。プロテアーゼ消化により産生されたペプチド断片は、液相内に移動する。 For the purpose of optimizing protease digestion conditions, a solution such as a buffer may be further added as necessary. The substrate protein immobilized on the porous membrane 120 in the inner container is digested by the protease immobilized on the surface of the fine particles 110. The conditions for protease digestion can be appropriately set as described above. Peptide fragments produced by protease digestion migrate into the liquid phase.
プロテアーゼ消化後の液相を回収することにより、基質タンパク質が位置選択的に切断されたペプチド断片が得られる。液相の回収方法は特に限定されないが、遠心分離より、多孔質膜を介して、内容器135の底部から、外容器136内に回収する方法が簡便である。その後、多孔質膜の細孔内に保持されたペプチド断片の溶出等を目的として、洗浄や溶出等の操作等が行われてもよい。 By recovering the liquid phase after protease digestion, a peptide fragment in which the substrate protein is cleaved regioselectively is obtained. The recovery method of the liquid phase is not particularly limited, but a method of recovering from the bottom of the inner container 135 into the outer container 136 through a porous membrane is easier than centrifugation. Thereafter, for the purpose of elution of peptide fragments retained in the pores of the porous membrane, operations such as washing and elution may be performed.
このように、キットを使用することにより、本発明によるペプチド断片調製の操作をより簡便にすることができ、装置による自動化も容易になし得る。特に、トリプシン等は、微粒子表面に固定化された状態でも活性を保持し得るため、プロテアーゼが微粒子表面に固定化された状態でキットの構成要素として提供されれば、ペプチド断片調製の操作をさらに簡略化できる。 Thus, by using the kit, the operation of preparing the peptide fragment according to the present invention can be simplified, and automation by the apparatus can be easily achieved. In particular, trypsin and the like can retain activity even when immobilized on the surface of the microparticles. Therefore, if the protease is provided as a component of the kit in a state of being immobilized on the surface of the microparticles, the operation of preparing the peptide fragment can be further performed. It can be simplified.
[分析]
上記で得られたペプチド断片を含む試料を、クロマトグラフィーや質量分析により分析することで、基質タンパク質の同定や定量を行い得る。本発明では、基質タンパク質が位置選択的にプロテアーゼ処理されるため、試料中に含まれるペプチド断片の種類が減少されている。そのため、質量分析等による分析条件の設定を容易になし得る。分析に際しては、必要に応じて、脱塩、可溶化、抽出、濃縮、乾燥等の処理を行った後、試料を分析に用いてもよい。
[analysis]
By analyzing the sample containing the peptide fragment obtained above by chromatography or mass spectrometry, the substrate protein can be identified and quantified. In the present invention, since the substrate protein is subjected to protease treatment in a regioselective manner, the types of peptide fragments contained in the sample are reduced. Therefore, analysis conditions can be easily set by mass spectrometry or the like. In the analysis, if necessary, the sample may be used for the analysis after treatment such as desalting, solubilization, extraction, concentration, and drying.
プロテアーゼ消化により産生されたペプチド断片から、基質タンパク質の同定や定量を行うには、質量分析が適している。質量分析は、アミノ酸配列を決定可能であるため、ペプチド断片が抗体等の特定のタンパク質に由来のペプチド断片であるか否かを判別可能である。また、ピーク強度に基づいて試料中のペプチド断片の濃度を決定できる。 Mass spectrometry is suitable for identifying and quantifying substrate proteins from peptide fragments produced by protease digestion. Since mass spectrometry can determine an amino acid sequence, it can be determined whether or not a peptide fragment is a peptide fragment derived from a specific protein such as an antibody. Further, the concentration of the peptide fragment in the sample can be determined based on the peak intensity.
質量分析におけるイオン化法は特に限定されず、電子イオン化(EI)法、化学イオン化(CI)法、電界脱離(FD)法、高速原子衝突(FAB)法、マトリクス支援レーザー脱離イオン化(MALDI)法、エレクトロスプレーイオン化(ESI)法等を採用し得る。イオン化された試料の分析方法も特に限定されず、磁場偏向型、四重極(Q)型、イオントラップ(IT)型、飛行時間(TOF)型、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴(FT−ICR)型等を、イオン化法に応じて適宜に決定できる。また、三連四重極型質量分析装置等を用いて、MS/MS分析、あるいはMS3以上の多段階質量分析を行うこともできる。 The ionization method in mass spectrometry is not particularly limited. Electron ionization (EI) method, chemical ionization (CI) method, field desorption (FD) method, fast atom collision (FAB) method, matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI) For example, an electrospray ionization (ESI) method may be employed. The analysis method of the ionized sample is not particularly limited, and a magnetic field deflection type, a quadrupole (Q) type, an ion trap (IT) type, a time of flight (TOF) type, a Fourier transform ion cyclotron resonance (FT-ICR) type. Etc. can be appropriately determined according to the ionization method. Further, MS / MS analysis or multi-stage mass analysis of MS 3 or higher can be performed using a triple quadrupole mass spectrometer or the like.
ペプチド断片の分離をより確実として、分析精度を高める等の目的で、質量分析に供する前の試料を、液体クロマトグラフ(LC)や、固相抽出(SPE)等により、分離・濃縮してもよい。LCにより試料の分離を行う場合、質量分析の前段としてLCを備えるLC/MSを用い、LCからの溶出液を直接イオン化して質量分析に供しても良い。LCとタンデム質量分析を組み合わせたLC/MS/MSやLC/MSnにより分析を行うこともできる。また、LCからの溶出液を一度分取してから、質量分析に供してもよい。LCのカラムやSPEの担体は特に限定されず、ペプチドの分析に一般的に用いられるC30,C18,C8,C4等の疎水カラムや、親水性アフィニティークロマトグラフィー用の担体等を適宜に選択して用いることができる。 For the purpose of ensuring more reliable separation of peptide fragments and improving analytical accuracy, the sample before being subjected to mass spectrometry can be separated and concentrated by liquid chromatography (LC), solid phase extraction (SPE), etc. Good. When separating a sample by LC, LC / MS provided with LC as a pre-stage of mass analysis may be used, and the eluate from LC may be directly ionized and subjected to mass analysis. Analysis can also be performed by LC / MS / MS or LC / MS n combining LC and tandem mass spectrometry. Alternatively, the eluate from LC may be collected once and then subjected to mass spectrometry. LC column and SPE carrier are not particularly limited, and a hydrophobic column such as C30, C18, C8, C4 or the like generally used for peptide analysis, a carrier for hydrophilic affinity chromatography, etc. are appropriately selected. Can be used.
質量分析結果に基づいて、抗体等のタンパク質を同定するために、既存のデータベースを用いることもできる。本発明では、抗体等の基質タンパク質が位置特異的にプロテアーゼ消化されたペプチド断片が用いられるため、データベース検索によるヒット率やデータの確度が高められる。また、多段階の質量分析等により、ペプチド断片のアミノ酸配列を特定することにより、基質タンパク質を同定することもできる。例えば、基質タンパク質が抗体である場合、抗体に特異的なアミノ酸配列を有する相補性決定領域(CDR)の少なくとも一部のアミノ酸配列を含むペプチド断片のアミノ酸配列を決定すれば、抗体を同定できる。 Existing databases can also be used to identify proteins such as antibodies based on mass spectrometry results. In the present invention, peptide fragments obtained by subjecting a substrate protein such as an antibody to position-specific protease digestion are used, so that the hit rate and data accuracy by database search can be improved. In addition, the substrate protein can be identified by specifying the amino acid sequence of the peptide fragment by multistage mass spectrometry or the like. For example, when the substrate protein is an antibody, the antibody can be identified by determining the amino acid sequence of a peptide fragment containing at least a part of the amino acid sequence of the complementarity determining region (CDR) having an amino acid sequence specific to the antibody.
なお、CDRの配列を含む特定のペプチド断片の検出結果に基づいて、抗体の検出や定量を行う場合、検出対象のペプチドは、アミノ酸残基数が5〜30程度が好ましく、7〜25程度がより好ましい。アミノ酸残基数が過度に小さいと、夾雑物や同一タンパク質の別の部位に由来するペプチド断片との区別がつき難く、誤検出等の原因となり得る。また、アミノ酸残基数が過度に大きいと、イオン化が困難となる等の理由により、検出が困難となったり、定量性が低下する場合がある。 In addition, when performing antibody detection or quantification based on the detection result of a specific peptide fragment containing a CDR sequence, the number of amino acid residues of the peptide to be detected is preferably about 5 to 30, and about 7 to 25 More preferred. If the number of amino acid residues is excessively small, it is difficult to distinguish from contaminants and peptide fragments derived from other parts of the same protein, which may cause false detection. On the other hand, if the number of amino acid residues is excessively large, detection may be difficult or the quantitative property may be lowered due to reasons such as difficulty in ionization.
基質タンパク質の濃度を定量する場合、検出されたペプチド断片イオン(多段階MSの場合は、ペプチド断片イオンの開裂により得られた開裂イオン)のピーク面積やピーク強度基づいて、基質タンパク質の量を算出できる。例えば、予め求められた検量線(較正曲線)とピーク面積との関連付けや、試料中に添加された内部標準由来のするピーク面積と試料由来のピーク面積との関連付け等によって、試料中のペプチド断片の濃度が算出され、ペプチド断片濃度に基づいて、基質タンパク質の量や濃度が算出される。 When quantifying the concentration of substrate protein, calculate the amount of substrate protein based on the peak area and peak intensity of the detected peptide fragment ions (in the case of multi-step MS, cleavage ions obtained by cleavage of peptide fragment ions). it can. For example, peptide fragments in a sample can be obtained by associating a calibration curve (calibration curve) obtained in advance with a peak area, or by associating a peak area derived from an internal standard added to a sample with a peak area derived from the sample. The amount and concentration of the substrate protein are calculated based on the peptide fragment concentration.
以上説明したように、本発明によれば、基質タンパク質とプロテアーゼの両方を固相に固定し、両者のアクセスを物理的に制御することにより、基質タンパク質の特定の部位を位置選択的にプロテアーゼ消化することができる。得られたペプチド断片は、質量分析法等の既知の方法により分析可能であり、複雑な工程を経ることなく、試料中のタンパク質の同定や定量を行い得る。 As described above, according to the present invention, both a substrate protein and a protease are immobilized on a solid phase, and the access to both is physically controlled, whereby a specific site of the substrate protein is selectively digested with protease. can do. The obtained peptide fragment can be analyzed by a known method such as mass spectrometry, and the protein in the sample can be identified and quantified without going through complicated steps.
本発明の方法は、特に、抗体の検出や定量に適しており、Fab領域を選択的にプロテアーゼ消化して、得られたペプチド断片試料の質量分析により、相補性決定領域のアミノ酸配列を含むペプチド断片の配列や量を決定できる。また、本発明の方法は、操作が簡便で、かつ再現性や定量性を確保できるとともに、自動化もなし得るため、薬物動態の解析、抗原抗体反応を用いた相互作用の解析、各種のインタラクトーム解析、免疫沈降タンパク質の同定等の基礎研究にも適用できる。その他、抗体医薬等の生体分子医薬の配列解析、品質保証、後発医薬品の同一性確認等への応用も期待できる。 The method of the present invention is particularly suitable for the detection and quantification of antibodies. A peptide containing the amino acid sequence of the complementarity determining region is obtained by selectively digesting the Fab region with a protease and mass spectrometry of the obtained peptide fragment sample. The sequence and amount of fragments can be determined. In addition, the method of the present invention is simple in operation, can ensure reproducibility and quantification, and can also be automated, so pharmacokinetic analysis, interaction analysis using antigen-antibody reaction, various interactomes It can also be applied to basic research such as analysis and identification of immunoprecipitated proteins. In addition, it can be expected to be applied to sequence analysis of biomolecular drugs such as antibody drugs, quality assurance, and confirmation of the identity of generic drugs.
以下では、本発明の方法により、ヒト免疫グロブリンG(IgG)およびトラスツズマブ(商品名:Herceptin)をプロテアーゼ消化して、得られたペプチド断片試料を質量分析に供した実験例を示す。なお、本発明は以下の例に限定されるものではない。 In the following, an experimental example is shown in which human immunoglobulin G (IgG) and trastuzumab (trade name: Herceptin) are digested with protease by the method of the present invention, and the obtained peptide fragment sample is subjected to mass spectrometry. In addition, this invention is not limited to the following examples.
以下において、%の記載は、特に断りがない限り重量%を表す。本実験例で使用した試薬等は下記の通りである。
トリプシン (シーケンスグレード、promega)
リジルエンドペプチダー (質量分析グレード、和光純薬工業)
2−モルホリノエタンスルホン酸 (MES、同人化学)
2−[4−(2−ヒドロキシエチル)−1−ピペラジニル]エタンスルホン酸 (HEPES、同人化学)
トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン (Tris、和光純薬工業)
上記以外の有機溶媒等、特に記載のないものは、和光純薬工業より入手した。
Hereinafter, the description of% represents% by weight unless otherwise specified. The reagents used in this experimental example are as follows.
Trypsin (sequence grade, promega)
Lysyl end peptider (mass spectrometry grade, Wako Pure Chemical Industries)
2-morpholinoethanesulfonic acid (MES, Doujin Chemical)
2- [4- (2-Hydroxyethyl) -1-piperazinyl] ethanesulfonic acid (HEPES, Doujin Chemical)
Tris (hydroxymethyl) aminomethane (Tris, Wako Pure Chemical Industries)
Organic solvents other than those described above were obtained from Wako Pure Chemical Industries unless otherwise specified.
また、各バッファーは、精密pHメーターを用いてpHを調整した以下の緩衝液を使用した。
MESバッファー:25mM MES-NaOH, pH 5.5
HEPESバッファー:25mM HEPES-NaOH, pH 7.0
エタノールアミンバッファー:1M ethanolamine-HCl, pH 8.0
Trisバッファー:25mM Tris-HCl, pH 8.0
Moreover, each buffer used the following buffer solutions which adjusted pH using the precision pH meter.
MES buffer: 25 mM MES-NaOH, pH 5.5
HEPES buffer: 25 mM HEPES-NaOH, pH 7.0
Ethanolamine buffer: 1M ethanolamine-HCl, pH 8.0
Tris buffer: 25 mM Tris-HCl, pH 8.0
<抗体固定化多孔質体の作製>
MESバッファー200μL中に、多孔質ビーズの表面にProtein Gを結合した樹脂ビーズの懸濁液(Pierce Biotechnology、Protein G UltraLink resin、平均粒径:100μm、細孔径:50〜100nm)を5μL加え、そこに抗体溶液を加えた後、室温で約1時間ゆっくり撹拌し、樹脂ビーズ表面のProtein Gに抗体を結合させ固定化した。その後、4℃で遠心(15000rpm,1分)して樹脂ビーズを沈降させ、上清を取り除いた後、Trisバッファーによる洗浄と遠心を2回繰り返し、Trisバッファー(200μL)中に多孔質ビーズを懸濁させた。なお、上記抗体溶液としては、ヒト免疫グロブリン(IgG)溶液(10mg/mL、Sigma-Aldrich)、およびトラスツズマブ(Herceptin、20mg/mL、中外製薬)溶液を用いた。
<Preparation of antibody-immobilized porous body>
In 200 μL of MES buffer, 5 μL of a suspension of resin beads (Pierce Biotechnology, Protein G UltraLink resin, average particle size: 100 μm, pore size: 50 to 100 nm) with Protein G bound to the surface of the porous beads is added. After adding the antibody solution to the solution, the mixture was slowly stirred at room temperature for about 1 hour, and the antibody was bound to Protein G on the surface of the resin beads to be immobilized. Thereafter, the resin beads are precipitated by centrifugation (15000 rpm, 1 minute) at 4 ° C. After removing the supernatant, washing with the Tris buffer and centrifugation are repeated twice, and the porous beads are suspended in the Tris buffer (200 μL). Made cloudy. As the antibody solution, a human immunoglobulin (IgG) solution (10 mg / mL, Sigma-Aldrich) and a trastuzumab (Herceptin, 20 mg / mL, Chugai Pharmaceutical) solution were used.
<プロテアーゼ固定化微粒子の調製>
平均粒径190nmの微粒子の表面が、カルボキシ基がN−ヒロドキシスクシイミドで活性化されたスペーサ(下記化学式(Lは微粒子表面への結合部位)参照、スペーサ長さ1nm)で修飾されたプロテアーゼ固定化用のナノ微粒子(多摩川精機、FG beads NHS)を用いた。
<Preparation of protease-immobilized microparticles>
The surface of fine particles having an average particle diameter of 190 nm was modified with a spacer in which a carboxy group was activated with N-hydroxysuccinimide (see the following chemical formula (L is a binding site to the fine particle surface), spacer length 1 nm). Nanoparticles for immobilizing protease (Tamakawa Seiki, FG beads NHS) were used.
FG beadsのイソプロパノール懸濁液50μLを、4℃で遠心(15000rpm,5分)して微粒子を沈降させ、上清を取り除いた後、メタノールで洗浄した。50μgのプロテアーゼを含む溶液を200μLのHEPESバッファーに溶解したものを、上記の微粒子に加えて、微粒子を懸濁させた。なお、懸濁に際しては、懸濁液の温度が上昇しないように、数秒の超音波処理を行った。 Centrifugation (15000 rpm, 5 minutes) of isopropanol suspension of FG beads at 4 ° C. was allowed to settle, and the supernatant was removed, followed by washing with methanol. A solution containing 50 μg of protease dissolved in 200 μL of HEPES buffer was added to the above microparticles to suspend the microparticles. During suspension, ultrasonic treatment was performed for several seconds so that the temperature of the suspension did not increase.
この微粒子の懸濁液を、4℃で30分撹拌し、4℃で遠心(15000rpm,5分)して微粒子を沈降させ、上清を取り除いた後、エタノールアミンバッファー200μLを加えてビーズを懸濁させ、4℃で30分撹拌して、微粒子表面の余剰のN−ヒロドキシスクシイミド基をエタノールアミンによりブロックした。その後、4℃で遠心(15000rpm,5分)して微粒子を沈降させ、上清を取り除いた後、Trisバッファーによる洗浄と遠心を2回繰り返し、Trisバッファー(100μL)中に懸濁させた。この懸濁液中のプロテアーゼ濃度は、0.5μg/μLである。 The fine particle suspension was stirred at 4 ° C. for 30 minutes, and centrifuged at 4 ° C. (15000 rpm, 5 minutes) to precipitate the fine particles. After removing the supernatant, 200 μL of ethanolamine buffer was added to suspend the beads. The mixture was made turbid and stirred at 4 ° C. for 30 minutes to block excess N-hydroxysuccinimide groups on the surface of the fine particles with ethanolamine. Thereafter, centrifugation was performed at 4 ° C. (15000 rpm, 5 minutes) to precipitate the microparticles, and after removing the supernatant, washing with Tris buffer and centrifugation were repeated twice and suspended in Tris buffer (100 μL). The protease concentration in this suspension is 0.5 μg / μL.
[実験1:多孔質体への抗体固定化量の確認]
抗体固定化多孔質体の作製において、100μgのIgGに対するProtein G結合樹脂ビーズ懸濁液の量を0〜20μLの範囲で変化させ、上清液をSDS−PAGE電気泳動で分析し、電気泳動像バンドピクセル数から、上清中に残った未結合IgGの概算量(抗体残量)を求めた。Protein G結合樹脂ビーズ量の増加にともなって、抗体残量が低減される傾向がみられ、Protein G結合樹脂ビーズ量が10μLの場合の抗体残量は約3%であり、Protein G結合樹脂ビーズのカタログスペックをほぼ再現していることが確認できた(データ不図示)。
[Experiment 1: Confirmation of amount of antibody immobilized on porous material]
In preparation of the antibody-immobilized porous body, the amount of Protein G-bound resin bead suspension for 100 μg of IgG was changed in the range of 0 to 20 μL, and the supernatant was analyzed by SDS-PAGE electrophoresis. From the number of band pixels, the approximate amount of unbound IgG remaining in the supernatant (remaining antibody amount) was determined. As the amount of Protein G binding resin beads increases, the remaining amount of antibody tends to decrease. When the amount of Protein G binding resin beads is 10 μL, the remaining amount of antibody is about 3%. It was confirmed that the catalog specs were almost reproduced (data not shown).
[実験2:抗体とプロテアーゼの量比の検討]
IgG固定化多孔質体懸濁液(Protein G-IgG)とプロテアーゼ固定化微粒子(FG beads-Tripsin)とを混合し、37℃で15時間ゆっくり撹拌しながら、プロテアーゼ消化を行った。その後、4℃で遠心(15000rpm,5分)して樹脂を沈降させ、液相(上清)を回収した。プロテアーゼの量が、5μg(水準1)、10μg(水準2)、25μg(水準3)となるように、プロテアーゼ固定化微粒子の量を変化させて上記実験を行った。水準4〜6では、IgG固定化多孔質体懸濁液に代えて、IgGが固定化されていない多孔質体(Protein G UltraLink resin)をそのまま用いて同様の実験を行った。また、水準7,8では、多孔質体を用いず、プロテアーゼ固定化微粒子(FG beads-Tripsin)のみを37℃で15時間インキュベートした。
[Experiment 2: Examination of the ratio of antibody to protease]
The IgG-immobilized porous body suspension (Protein G-IgG) and protease-immobilized microparticles (FG beads-Tripsin) were mixed, and protease digestion was performed while slowly stirring at 37 ° C. for 15 hours. Thereafter, the resin was precipitated by centrifugation (15000 rpm, 5 minutes) at 4 ° C., and the liquid phase (supernatant) was collected. The above experiment was performed by changing the amount of protease-immobilized microparticles so that the amount of protease was 5 μg (level 1), 10 μg (level 2), and 25 μg (level 3). In Levels 4 to 6, a similar experiment was performed using a porous body (Protein G UltraLink resin) in which IgG was not immobilized as it was instead of the IgG-immobilized porous body suspension. In Levels 7 and 8, only the protease-immobilized fine particles (FG beads-Tripsin) were incubated at 37 ° C. for 15 hours without using a porous material.
上記各実験の水準を表2に示す。表2における重量(μg)は、試料中のタンパク質(IgGまたはトリプシン)の量である。得られた上清のSDS−PAGE電気泳動像を図4に示す。図4において、左端のレーンは分子量マーカーである。 Table 2 shows the level of each experiment. The weight (μg) in Table 2 is the amount of protein (IgG or trypsin) in the sample. The SDS-PAGE electrophoresis image of the obtained supernatant is shown in FIG. In FIG. 4, the leftmost lane is a molecular weight marker.
(質量分析)
上記水準1〜6の上清を、MALDI-TOFMS(島津製作所、AXIMA Resonance MALDI-QIT TOF MS)により分析した。まず、上清20μLに、終濃度が0.5%となるようにトリフルオロ酢酸を加え、疎水性樹脂充填チップ(Millipore、ZipTip uC18)を用いて精製を行った後、1μLで2回の溶出を行った。溶出液は直接MALDIステンレスターゲット上にアプライし、クリーンベンチ内で風乾させた。風乾後、10mg/mLの2,5−ジヒドロキシ安息香酸溶液(DHBA、島津GLC、水/アセトニトリル=50/50)を1μL重層し、質量分析を行った。なお、装置のm/zは、Angiotensin II peptide(m/z=1046.54、Sigma-Aldrich)とACTH fragment peptide(m/z=2465.20、Sigma-Aldrich)を用いて行った。MSスペクトルを図5に示す。
(Mass spectrometry)
The supernatants of the above levels 1 to 6 were analyzed by MALDI-TOFMS (Shimadzu Corporation, AXIMA Resonance MALDI-QIT TOF MS). First, trifluoroacetic acid was added to 20 μL of the supernatant to a final concentration of 0.5%, and purification was performed using a hydrophobic resin-filled chip (Millipore, ZipTip uC18), and then elution was performed twice with 1 μL. Went. The eluate was directly applied on a MALDI stainless steel target and air-dried in a clean bench. After air drying, 1 μL of a 10 mg / mL 2,5-dihydroxybenzoic acid solution (DHBA, Shimadzu GLC, water / acetonitrile = 50/50) was overlaid, and mass spectrometry was performed. In addition, m / z of the apparatus was performed using Angiotensin II peptide (m / z = 1046.54, Sigma-Aldrich) and ACTH fragment peptide (m / z = 2465.20, Sigma-Aldrich). The MS spectrum is shown in FIG.
図4の水準4〜6のバンドは、いずれも水準7,8のバンドと同一であった。また、図5の水準4〜6で検出されたm/z=842,1045,2211,2283のピークは、いずれもトリプシンの自己消化断片である。これらの結果から、プロテアーゼ固定化微粒子とProtein G多孔質体とを接触させても、Protein Gは消化されないことがわかる。これは、多孔質体の細孔径が、プロテアーゼ固定化微粒子の粒径よりも小さいために、微粒子表面に固定化されたトリプシンが、細孔内のProtein Gにアクセスできないことに起因すると考えられる。 The bands of levels 4 to 6 in FIG. 4 were all the same as the bands of levels 7 and 8. In addition, the peaks at m / z = 842, 1045, 2211 and 2283 detected at levels 4 to 6 in FIG. 5 are all trypsin self-digesting fragments. From these results, it is understood that Protein G is not digested even when the protease-immobilized microparticles and the Protein G porous body are brought into contact with each other. This is probably because trypsin immobilized on the surface of the fine particles cannot access Protein G in the fine pores because the pore size of the porous material is smaller than the particle size of the protease-immobilized fine particles.
図5の水準1〜3では、トリプシンの自己消化断片以外に、m/z=835、913、1187、1287、1510、1678、1946のピークが検出され、これらはいずれもIgGのトリプシン消化ペプチド断片であることが確認された。この結果から、IgGを固定化した多孔質体と、トリプシンを固定化した微粒子とを接触させることにより、多孔質体のProtein Gを消化することなく、IgGを選択的に消化できることが示された。 In levels 1 to 3 in FIG. 5, in addition to the trypsin self-digesting fragment, peaks at m / z = 835, 913, 1187, 1287, 1510, 1678, and 1946 were detected. It was confirmed that. From this result, it was shown that IgG can be selectively digested without contacting protein G of the porous material by contacting the porous material immobilized with IgG and the microparticles immobilized with trypsin. .
図4の水準1〜3を対比すると、トリプシン量の増加に伴い、高分子側のバンドが減少しており、抗体の消化反応がよく進んでいることがわかる。一方で、トリプシン量の増加に伴って自己消化も顕著になっている。これらの結果を踏まえて、水準2(基質:酵素比率=10:1)を標準条件と設定し、以降の条件検討を行った。 When the levels 1 to 3 in FIG. 4 are compared, it can be seen that the band on the polymer side decreases as the amount of trypsin increases, and the antibody digestion reaction proceeds well. On the other hand, self-digestion has become prominent with the increase in trypsin content. Based on these results, level 2 (substrate: enzyme ratio = 10: 1) was set as the standard condition, and the following conditions were examined.
なお、一般的なプロテアーゼ消化条件は、基質タンパク質:プロテアーゼ=100:1〜20:1である。本方法では、多孔質体と微粒子との組み合わせにより、基質タンパク質とプロテアーゼとのアクセスが物理的に制限されているため、一般的なプロテアーゼ消化に比べて、プロテアーゼ量が多くなり、最適な基質酵素比率は10:1〜5:1程度と推測される。 General protease digestion conditions are substrate protein: protease = 100: 1 to 20: 1. In this method, since the access between the substrate protein and the protease is physically restricted by the combination of the porous material and the fine particles, the amount of the protease is larger than the general protease digestion, and the optimum substrate enzyme The ratio is estimated to be about 10: 1 to 5: 1.
[実験3:消化時間に対する回収ペプチドの評価]
上記実験2の水準2の条件、すなわち、IgG固定化多孔質体懸濁液(IgG固相量100μg)とプロテアーゼ固定化微粒子(トリプシン固相量10μg)とを混合し、37℃での消化時間を、(1)15分、(2)45分、(3)90分、(4)180分、(5)360分、(6)15時間(終夜、O/N)とした。それ以外は、上記実験2と同様にして、トリプシン消化を行い、得られた試料の質量分析を行った。MSスペクトルを図6に示す。
[Experiment 3: Evaluation of recovered peptide against digestion time]
Condition 2 in Experiment 2 above, ie, an IgG-immobilized porous body suspension (IgG solid phase amount 100 μg) and protease-immobilized microparticles (trypsin solid phase amount 10 μg) were mixed and digestion time at 37 ° C. (1) 15 minutes, (2) 45 minutes, (3) 90 minutes, (4) 180 minutes, (5) 360 minutes, (6) 15 hours (overnight, O / N). Except that, trypsin digestion was performed in the same manner as in Experiment 2, and the obtained sample was subjected to mass spectrometry. The MS spectrum is shown in FIG.
図6に示すように、消化時間の増加にともなって、ペプチド断片のピークが増大し、ペプチド断片の回収量が増加していることがわかる。(5)360分と(6)終夜とを比較すると、終夜の方が回収率は高く、特に、m/z=1187,1510,1678等のプロテアーゼ消化を受け易い断片の集積がより顕著となる傾向がみられた。しかし、これらの断片は、抗体のC領域に由来する断片であり、CDRを含むペプチド断片の分析には寄与しないものである。そのため、プロテアーゼ消化時間を6時間に設定して、以降の検討を行った。 As shown in FIG. 6, it can be seen that the peptide fragment peak increases with increasing digestion time, and the peptide fragment recovery amount increases. When (5) 360 minutes and (6) all night are compared, the recovery rate is higher overnight, and in particular, the accumulation of fragments that are susceptible to protease digestion such as m / z = 1187, 1510, 1678 becomes more prominent. There was a trend. However, these fragments are derived from the C region of the antibody and do not contribute to the analysis of peptide fragments containing CDRs. Therefore, the protease digestion time was set to 6 hours, and the following examination was performed.
[実験4:トラスツズマブのトリプシン消化および質量分析]
抗体としてIgGに代えてHerceptinを用いて抗体固定化多孔質体を作製し、上記実験2,3で選択した条件、すなわち、抗体固相量100μgに対するプロテアーゼ固定微粒子量:10μg、消化時間:6時間の条件でトリプシン消化を行い、質量分析を行い、質量分析結果に基づいて、データベース(Mascot server)解析を行った。図7に示すように、Herceptin(Chain B, X-Ray Structures Of The Antigen-Binding Domains From Three Variants Of Humanized Anti-P185-Her2 Antibody 4d5 And Comparison With Molecular Modeling)が極めて高いスコアで同定されていることがわかる。
[Experiment 4: Trypsin digestion and mass spectrometry of trastuzumab]
An antibody-immobilized porous material is prepared using Herceptin instead of IgG as an antibody, and the conditions selected in Experiments 2 and 3 above, ie, the amount of protease-immobilized fine particles with respect to 100 μg of antibody solid phase: 10 μg, digestion time: 6 hours Digestion of trypsin was performed under the conditions described above, mass spectrometry was performed, and database (Mascot server) analysis was performed based on the mass spectrometry results. As shown in FIG. 7, Herceptin (Chain B, X-Ray Structures Of The Antigen-Binding Domains From Three Variants Of Humanized Anti-P185-Her2 Antibody 4d5 And Comparison With Molecular Modeling) is identified with a very high score. I understand.
本実験において、Herceptinのペプチド断片が質量分析により検出されていることを確認するために、より詳細な分析を行った。図8は質量分析(MALDI-TOFMS)スペクトルを表す。 In this experiment, more detailed analysis was performed to confirm that the peptide fragment of Herceptin was detected by mass spectrometry. FIG. 8 represents a mass spectrometry (MALDI-TOFMS) spectrum.
また、LC-MS(島津製作所、LCMS-8080 Triple-quadrupole ultra high-performance liquid chromatography-MS)により、消化後の上清の分析を行った。LC-MSのクロマトグラムを図9に、MSスペクトルを図10に示す。なお、LC-MSの測定に際しては、終濃度が0.5%となるように、上清にギ酸を加えたものを試料として用い、LC条件は以下の通りとした。 In addition, the supernatant after digestion was analyzed by LC-MS (Shimadzu Corporation, LCMS-8080 Triple-quadrupole ultra high-performance liquid chromatography-MS). The chromatogram of LC-MS is shown in FIG. 9, and the MS spectrum is shown in FIG. In the measurement of LC-MS, the supernatant was added with formic acid so that the final concentration was 0.5%, and the LC conditions were as follows.
<HPLC溶液>
溶液A: 0.1%ギ酸、1%アセトニトリル/水溶液
溶液B: 0.1%ギ酸、アセトニトリル溶液
<カラム>
ShimPack ODS XR-ODS II (内径2mm、カラム長50mm)
カラム温度: 40℃
流速: 0.4mL/分
インジェクション量: 20μL
<グラジェントプログラム>
0− 2分 : %B=0
2−10分 : %B=0−40 グラジェント
10−11分 : %B=40−98 グラジェント
11−13分 : %B=98
13−13.5分: %B=98−0 グラジェント
13.5−15分: %B=0
<HPLC solution>
Solution A: 0.1% formic acid, 1% acetonitrile / water solution Solution B: 0.1% formic acid, acetonitrile solution <column>
ShimPack ODS XR-ODS II (Inner diameter 2mm, Column length 50mm)
Column temperature: 40 ° C
Flow rate: 0.4 mL / min Injection volume: 20 μL
<Gradient program>
0-2 minutes:% B = 0
2-10 minutes:% B = 0-40 gradient 10-11 minutes:% B = 40-98 gradient 11-13 minutes:% B = 98
13-13.5 min:% B = 98-0 Gradient 13.5-15 min:% B = 0
トラスツズマブの重鎖(図11(A)、配列表の配列番号1)および軽鎖(図11(B)、配列表の配列番号2)において、上記の質量分析で検出・同定されたペプチド配列部分を下線で示している。図11(A)に示すように、重鎖のCDR1(配列表の配列番号3)、CDR2(配列表の配列番号4)、CDR3(配列表の配列番号5)の全てが検出されていることがわかる。また、図11(B)に示すように、軽鎖では、CDR1(配列表の配列番号6)およびCDR2(配列表の配列番号7)が検出されている。軽鎖のCDR3(配列表の配列番号8)は、この配列を含むトリプシン消化断片の長さが、4アミノ酸残基あるいは37アミノ酸残基であり、質量分析に適した断片が得られないたために、同定できなかったが、プロテアーゼの種類を変更すれば、質量分析により軽鎖のCDR3を検出可能なペプチド断片を調製できると考えられる。また、本実験では、軽鎖のCDR3が検出できなったが、重鎖と軽鎖の合計6つのCDRのうち5つが検出されているため、図7に示すように、データベース解析によりトラスツズマブが同定されている。 Peptide sequence portions detected and identified by mass spectrometry in the heavy chain of trastuzumab (FIG. 11 (A), SEQ ID NO: 1 in the sequence listing) and light chain (FIG. 11 (B), SEQ ID NO: 2 of the sequence listing) Is underlined. As shown in FIG. 11A, all of heavy chain CDR1 (SEQ ID NO: 3 in the sequence listing), CDR2 (SEQ ID NO: 4 in the sequence listing), and CDR3 (SEQ ID NO: 5 in the sequence listing) have been detected. I understand. Further, as shown in FIG. 11 (B), CDR1 (SEQ ID NO: 6 in the sequence listing) and CDR2 (SEQ ID NO: 7 in the sequence listing) are detected in the light chain. In light chain CDR3 (SEQ ID NO: 8 in the sequence listing), the length of a trypsin digested fragment containing this sequence is 4 amino acid residues or 37 amino acid residues, and a fragment suitable for mass spectrometry could not be obtained. Although it could not be identified, it is considered that a peptide fragment capable of detecting CDR3 of the light chain by mass spectrometry can be prepared by changing the type of protease. In addition, in this experiment, CDR3 of the light chain could not be detected, but 5 of the total of 6 CDRs of heavy chain and light chain were detected, so that trastuzumab was identified by database analysis as shown in FIG. Has been.
以上のように、本発明の方法により調製されたペプチド断片は、抗体が位置特異的にプロテアーゼ消化されたものであるため、複雑な測定条件の設定を必要としない質量分析測定で、抗体を同定できることがわかる。 As described above, since the peptide fragment prepared by the method of the present invention is obtained by subjecting the antibody to position-specific protease digestion, the antibody is identified by mass spectrometry measurement that does not require setting of complicated measurement conditions. I understand that I can do it.
[実験5:混合プロテアーゼ消化の検討]
以下では、本発明の系における混合プロテアーゼ消化の適用可能性を検討するため、トリプシンとリジルエンドペプチダーゼ(Lys‐C)の併用系で、プロテアーゼ消化実験を行った。
[Experiment 5: Examination of mixed protease digestion]
In the following, in order to examine the applicability of mixed protease digestion in the system of the present invention, a protease digestion experiment was conducted in a combined system of trypsin and lysyl endopeptidase (Lys-C).
上記各実験例と同様に、抗体(IgGまたはHerceptin)100μgを多孔質体のProtein Gに固定化した抗体固定化多孔質体と、10μgのプロテアーゼを固定化した微粒子とを、37℃で6時間撹拌して、抗体のプロテアーゼ消化を行った。抗体としてIgGを用いた場合およびHerceptinを用いた場合のそれぞれについて、トリプシンとリジルエンドペプチダーゼの比(重量比)を、(1)10:0、(2)9:1、(3)8:2、(4)0:10として実験を行い、消化後の上清液および多孔質体表面の固定化成分のそれぞれを、SDS−PAGE電気泳動で分析した。電気泳動像を図12に示す。図12において、左端のレーンは分子量マーカーである。 As in the above experimental examples, an antibody-immobilized porous material in which 100 μg of antibody (IgG or Herceptin) was immobilized on Protein G, which is a porous material, and microparticles in which 10 μg of protease were immobilized were incubated at 37 ° C. for 6 hours. Stirring and protease digestion of the antibody was performed. The ratio (weight ratio) of trypsin to lysyl endopeptidase was (1) 10: 0, (2) 9: 1, and (3) 8: 2 when IgG was used as an antibody and when Herceptin was used. (4) The experiment was conducted at 0:10, and each of the digested supernatant and the immobilized component on the surface of the porous body was analyzed by SDS-PAGE electrophoresis. An electrophoretic image is shown in FIG. In FIG. 12, the leftmost lane is a molecular weight marker.
抗体としてHerceptinを用いた場合の上記水準1〜4の消化後の上清を、上記実験2と同様にして、質量分析を行った。MSスペクトルを図13に示す。また、質量分析結果に基づいて、実験4と同様にMascot serverによるデータベース解析を行った。なお、水準1(トリプシン100%)は、上記の実験4(図7および図8)と同一である。水準2〜4のデータベース解析結果は以下の通りであった(データ不図示) Mass spectrometry was performed on the supernatant after digestion at the above levels 1 to 4 when Herceptin was used as an antibody in the same manner as in Experiment 2 above. The MS spectrum is shown in FIG. Further, based on the mass analysis results, database analysis by Mascot server was performed in the same manner as in Experiment 4. Level 1 (100% trypsin) is the same as in Experiment 4 (FIGS. 7 and 8). The results of database analysis of levels 2 to 4 were as follows (data not shown)
<水準2:トリプシン:リジルエンドペプチダーゼ=90:10>
Mixture
gi|442924 Mass:23708 Score: 117 Expect:4.9e-007 Matches: 13
Chain B, X-Ray Structures Of The Antigen-Binding Domains From Three Variants Of Humanized Anti-P185-Her2 Antibody 4d5 And Comparison With Molecular Modeling
gi|184747 Mass:36012 Score: 64 Expect:0.11 Matches: 10
immunoglobulin gamma-1 heavy chain constant region [Homo sapiens]
<Level 2: Trypsin: Lysyl endopeptidase = 90: 10>
Mixture
gi | 442924 Mass: 23708 Score: 117 Expect: 4.9e-007 Matches: 13
Chain B, X-Ray Structures Of The Antigen-Binding Domains From Three Variants Of Humanized Anti-P185-Her2 Antibody 4d5 And Comparison With Molecular Modeling
gi | 184747 Mass: 36012 Score: 64 Expect: 0.11 Matches: 10
immunoglobulin gamma-1 heavy chain constant region [Homo sapiens]
<水準3:トリプシン:リジルエンドペプチダーゼ=80:20>
Mixture
gi|442924 Mass: 23708 Score: 115 Expect:7.8e-007 Matches: 13
Chain B, X-Ray Structures Of The Antigen-Binding Domains From Three Variants Of Humanized Anti-P185-Her2 Antibody 4d5 And Comparison With Molecular Modeling
gi|184747 Mass: 36012 Score: 54 Expect: 1.1 Matches: 9
immunoglobulin gamma-1 heavy chain constant region [Homo sapiens]
<Level 3: Trypsin: Lysyl endopeptidase = 80: 20>
Mixture
gi | 442924 Mass: 23708 Score: 115 Expect: 7.8e-007 Matches: 13
Chain B, X-Ray Structures Of The Antigen-Binding Domains From Three Variants Of Humanized Anti-P185-Her2 Antibody 4d5 And Comparison With Molecular Modeling
gi | 184747 Mass: 36012 Score: 54 Expect: 1.1 Matches: 9
immunoglobulin gamma-1 heavy chain constant region [Homo sapiens]
<水準4:リジルエンドペプチダーゼ100%>
gi|184747 Mass:36012 Score: 71 Expect:0.021 Matches: 8
immunoglobulin gamma-1 heavy chain constant region [Homo sapiens]
<Level 4: Lysyl endopeptidase 100%>
gi | 184747 Mass: 36012 Score: 71 Expect: 0.021 Matches: 8
immunoglobulin gamma-1 heavy chain constant region [Homo sapiens]
トリプシンとリジルエンドペプチダーゼとを併用した水準2,3では、解析結果として、Herceptinの抗原結合領域に加えて、ヒト由来抗体の定常領域が示されていた。また、リジルエンドペプチダーゼのみを用いた水準4では、Herceptinが含まれず、抗体の定常領域のみが優位に検出されたとの解析結果が示された。 In Levels 2 and 3 in which trypsin and lysyl endopeptidase were used in combination, the analysis results showed a constant region of a human-derived antibody in addition to the antigen-binding region of Herceptin. Moreover, in the level 4 which used only a lysyl endopeptidase, the analysis result that Herceptin was not contained and only the constant region of the antibody was detected preferentially was shown.
図12の電気泳動像では、リジルエンドペプチダーゼ比率の上昇にともなって、上清のペプチド断片の数が増え、バンド面積も増加する傾向があり、消化効率およびペプチド回収率が増大していることがわかる。また、図13でも、リジルエンドペプチダーゼの比率の上昇にともなって、検出されるペプチド断片の種類や量が増加している。しかし、水準2〜4で新たに検出されたペプチド断片は、HerceptinのFcドメイン由来のものが多く、プロテアーゼ消化の位置選択性(Fabドメインを選択的に消化する特性)が低下していることがわかる。 In the electrophoretic image of FIG. 12, as the lysyl endopeptidase ratio increases, the number of peptide fragments in the supernatant tends to increase and the band area tends to increase, and the digestion efficiency and peptide recovery rate increase. Recognize. Moreover, also in FIG. 13, the kind and quantity of the peptide fragment detected are increasing with the raise of the ratio of a lysyl endopeptidase. However, many of the peptide fragments newly detected at levels 2 to 4 are derived from the Herceptin Fc domain, and the position selectivity of protease digestion (characteristic for selectively digesting the Fab domain) is reduced. Recognize.
これらの結果から、リジルエンドペプチダーゼの使用量が増大するにつれて、抗体の消化効率は向上するもの、プロテアーゼ消化の位置選択性が低下し、定常領域のペプチド断片の産生量が増大に伴って、V領域のペプチド断片の相対的な産生量が減少するために、抗体の検出・同定精度が低下する傾向がうかがえる。そのため、本発明の方法により、抗体のFab領域の位置選択的な切断を行い、CDRの特異的検出を行う観点においては、トリプシンを単独で用いることが好ましく、トリプシンとリジルエンドペプチダーゼとを併用する場合は、リジルエンドペプチダーゼの混合量を10%以下とすることが好ましいといえる。 From these results, as the use amount of lysyl endopeptidase increases, the digestion efficiency of the antibody is improved, the regioselectivity of protease digestion is lowered, and the production amount of peptide fragments in the constant region increases. It can be seen that the relative production amount of peptide fragments in the region tends to decrease, so that the detection and identification accuracy of the antibody tends to decrease. Therefore, it is preferable to use trypsin alone, and trypsin and lysyl endopeptidase are used in combination from the viewpoint of carrying out position-selective cleavage of the Fab region of the antibody and specific detection of CDR by the method of the present invention. In this case, it can be said that the amount of lysyl endopeptidase mixed is preferably 10% or less.
なお、リジルエンドペプチダーゼのみを用いた水準4では、部位特異的な消化が行われなかったのに対して、トリプシンのみを用いた水準1(実験4)ではデータベース解析によりCDRが効率的に検出されていることから、FabドメインのV領域が選択的にプロテアーゼ消化されていることがわかる。以上の結果によれば、基質タンパク質が抗体である場合に、トリプシンを用いて本発明を適用すれば、抗体に対するプロテアーゼの立体的なアクセスが適切に制御され、位置選択的なプロテアーゼ消化が可能であることが示されたといえる。 In Level 4, which used only lysyl endopeptidase, site-specific digestion was not performed, whereas in Level 1, which used only trypsin (Experiment 4), CDR was efficiently detected by database analysis. This indicates that the V domain of the Fab domain is selectively digested with protease. According to the above results, when the present invention is applied using trypsin when the substrate protein is an antibody, the three-dimensional access of the protease to the antibody is appropriately controlled, and position-selective protease digestion is possible. It can be said that there was.
また、本実験により、トリプシンとリジルエンドペプチダーゼを併用した場合に、各プロテアーゼがその機能を失うことなく、細孔内に固定化された基質タンパク質を切断し得ることが示された。抗体は、V領域が分子の先端に存在するために、リジルエンドペプチダーゼの使用量が増加すると位置特異性が低下する傾向があるが、基質として他のタンパク質を用いる場合には、プロテアーゼの併用系により、位置選択性や消化効率の向上が図られる可能性が示唆された。 In addition, this experiment showed that when trypsin and lysyl endopeptidase were used in combination, each protease could cleave the substrate protein immobilized in the pore without losing its function. The antibody has a tendency that the position specificity decreases when the amount of lysyl endopeptidase is increased because the V region is present at the tip of the molecule. However, when other proteins are used as a substrate, a combined protease system is used. This suggests the possibility of improving the position selectivity and digestion efficiency.
以上、各実験例でより示したように、本発明によれば、抗体等のタンパク質を簡便な方法で位置選択的にプロテアーゼ消化してペプチド断片試料が得られ、得られたペプチド断片試料が質量分析によるタンパク質の同定や検出に適していることがわかる。 As described above in each experimental example, according to the present invention, a peptide fragment sample can be obtained by subjecting a protein such as an antibody to site-selective protease digestion by a simple method. It can be seen that it is suitable for protein identification and detection by analysis.
10 微粒子
11 スペーサ
15 プロテアーゼ
20 多孔質体
21 リンカー分子
25 基質タンパク質
29 細孔
110 微粒子
120 多孔質膜
131 微粒子懸濁液
132 スピンカラム
135 内容器
136 外容器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fine particle 11 Spacer 15 Protease 20 Porous body 21 Linker molecule 25 Substrate protein 29 Pore 110 Fine particle 120 Porous membrane 131 Fine particle suspension 132 Spin column 135 Inner container 136 Outer container
Claims (13)
前記細孔内に固定化された基質タンパク質と、固相表面に固定化されたプロテアーゼとを、前記プロテアーゼが前記基質タンパク質の切断部位にアクセスするように接触させ、前記基質タンパク質を前記切断部位で切断するステップ、
を有する、ペプチド断片の調製方法。 Immobilizing a substrate protein to be cleaved in at least one pore of a porous body; and a substrate protein immobilized in the pore and a protease immobilized on a solid phase surface, Contacting a protease to access a cleavage site of the substrate protein, and cleaving the substrate protein at the cleavage site;
A method for preparing a peptide fragment.
前記少なくとも1つの微粒子が複数の微粒子であり、
前記の複数の微粒子の平均粒径が、前記複数の細孔の平均細孔よりも大きい、請求項2または3に記載のペプチド断片の調製方法。 The at least one pore is a plurality of pores;
The at least one fine particle is a plurality of fine particles;
The method for preparing a peptide fragment according to claim 2 or 3, wherein an average particle diameter of the plurality of microparticles is larger than an average pore of the plurality of pores.
前記基質タンパク質の固定化において、前記基質タンパク質が前記リンカー分子を介して前記細孔内に固定化される、請求項1〜7のいずれか1項に記載のペプチド断片の調製方法。 A linker molecule that interacts with the substrate protein in a site-specific manner is immobilized in the pores,
The method for preparing a peptide fragment according to any one of claims 1 to 7, wherein in the immobilization of the substrate protein, the substrate protein is immobilized in the pore through the linker molecule.
前記基質タンパク質の切断において,前記抗体のFabドメインが前記プロテアーゼにより位置選択的に切断される、請求項10または11に記載のペプチド断片の調製方法。 In immobilization of the substrate proteins, Fc domains of the antibody is immobilized in the pores,
The method for preparing a peptide fragment according to claim 10 or 11, wherein the Fab domain of the antibody is regioselectively cleaved by the protease in the cleavage of the substrate protein.
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