DE4424761C1 - Expressionskassette für die Antisense- und die Ribozym-Expression - Google Patents

Expressionskassette für die Antisense- und die Ribozym-Expression

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    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/11DNA or RNA fragments; Modified forms thereof; Non-coding nucleic acids having a biological activity
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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Description

Die Erfindung betrifft einen Vektor für die Antisense- und für die Ribozym-Expression. Anwendungsgebiete der Erfindung sind die Molekularbiologie, die Gentechnik und die Medizin.
Die Inaktivierung von Genfunktionen durch reverses genetisches Material ist die wichtigste Methode, um bestimmte Gene abzuschalten. Das ist von großer Bedeutung zur Bekämpfung von infektiösen und anderen, durch Störung der Genexpression bedingten Krankheiten (einschließlich AIDS). Eine Genfunktion kann in verschiedenen Ebenen außer Kraft gesetzt werden: durch homologe Rekombination auf der DNA-Ebene, durch Antisense- Nukleinsäuren oder Ribozyme auf der RNA-Ebene oder durch Antikörper auf der Proteinebene. In der praktischen Umsetzung haben alle 4 Möglichkeiten Vor- und Nachteile. Für eine therapeutische Anwendung scheint nur die RNA-Inaktivierung durch Antisense-Moleküle oder durch Ribozyme durchführbar zu sein. Beide Verbindungsklassen können durch chemische Synthese oder in Verbindung mit einem Promoter durch biologische Expression in vitro oder sogar in vivo hergestellt werden. Das Prinzip der katalytischen Selbstspaltung von RNA-Molekülen und der Spaltung in trans hat sich in den letzten 10 Jahren gut etabliert. Innerhalb der RNA-Moleküle mit Ribozym-Aktivität sind die Hammerhead-Ribozyme am besten charakterisiert. Nachdem gezeigt worden ist, daß Hammerhead-Strukturen in heterologe RNA- Sequenzen integriert werden und dadurch die Ribozym-Aktivität auf dieses Molekül übertragen können, scheint es naheliegend, daß katalytische Antisense-Sequenzen für fast jede Zielsequenz mit einem übereinstimmenden Spaltort vorgesehen werden können.
Das Grundprinzip der Ribozym-Ausstattung ist sehr einfach: Man wählt eine interessierende Region der RNA aus, die das Triplett GUC (bzw. CUC) enthält, nimmt 2 Oligonukleotid-Stränge mit je 6 bis 8 Nukleotiden und fügt die katalytische Hammerhead-Sequenz dazwischen ein.
Moleküle dieser Art wurden für zahlreiche Zielsequenzen synthetisiert, sie zeigten katalytische Aktivität in vitro und in manchen Fällen auch in vivo. Die besten Ergebnisse wurden mit kurzen Ribozymen und Zielsequenzen erzielt. Eine aktuelle Herausforderung für die in-vivo-Anwendung ist die Konstruktion von Ribozymgenen, die eine kontinuierliche Expression des Ribozyms in einer bestimmten Zelle erlauben (Bertrand, E. et al. [1994] Nucleic Acids Res. 22, 293-300).
Es gibt 5 potentielle Gründe, die eine befriedigende Funktion von exprimierten Ribozymen innerhalb des komplexen Zellmilieus behindern.
  • 1. Innerhalb der Zelle existiert das mRNA-Substrat vermutlich in einer stark gefalteten Struktur, die außerdem noch durch an Teile der Struktur gebundene Proteine geschützt sein kann. Das Treffen von zugänglichen Orten innerhalb des Substrates zur Hybridisierung mit den komplementären flankierenden Regionen des Ribozyms ist eine Frage der aktuellen Wahrscheinlichkeit. Computergestützte Vorhersagen von möglichen thermodynamisch stabilen Sekundärstrukturen können für die Suche nach Loop- Regionen ohne Basenpaarung nützlich sein, aber die physiologische Relevanz dieser Konformationsmodelle ist noch unsicher.
  • 2. Da die Ziel-mRNA sofort aus dem Zellkern heraustransportiert wird, muß das Ribozym auch in das Zytoplasma übergehen, bevorzugt auf demselben Wege. Es ist jedoch schwierig, eine Kolokalisation von Ribozymen und ihrem Substrat zu erreichen.
  • 3. Der Einsatz von Ribozymen in vivo erfordert die Einfügung von Ribozymgenen in geeignete Expressionskassetten. Die Transkription dieser Konstrukte kann mRNAs produzieren, in denen die zentrale katalytische Sekundärstruktur der Ribozyme durch andere, stabilere Basenpaarungen innerhalb der nichtkomple­ mentären flankierenden Sequenzen verdrängt wird.
  • 4. Ein Überschuß (100-1000fach) an Ribozym-Molekülen gegenüber der Zielsequenz ist notwendig, um ein registrierbares Ansteigen des RNA-Niveaus zu erreichen. Die Produktion von 10⁵-10⁶ Ribozym- Molekülen pro Zelle über eine lange Periode hinweg kann jedoch zytotoxische Wirkung haben. Im allgemeinen sind solche hohen Expressionsniveaus nicht stabil. Die Notwendigkeit des Überschusses an Ribozymen wird durch die ungenügende Stabilität der Ribozyme gegenüber Nukleasen, durch den uneffektiven Transport zum Zytoplasma und durch den nicht optimalen Umsatz- Faktor der Spaltungsreaktion hervorgerufen.
  • 5. Die Kinetik der Spaltungsreaktion und die Fähigkeit der Ribozyme, Multi-Umsatz-Reaktionen durchzuführen, hängt von den Bindungsparametern und der Struktur der komplementären flankierenden Regionen der Ribozyme ab. Zelluläre Proteine können die Katalyse der Spaltungsreaktion beeinflussen, wahrscheinlich mit Hilfe der Dissoziation des Ribozyms vom Substrat der Spaltung, das die Vorstufe zur nächsten Spaltung darstellt. Bis heute ist es nicht möglich, die optimale Struktur der flankierenden Regionen für ein Ribozym vorherzusagen, um hohe Spezifität und einen hohen Umsatz zu garantieren.
Insgesamt kann man feststellen, daß trotz vieler Bemühungen zur Konstruktion spezifischer Ribozym-Gene nur Teilerfolge erzielt wurden, meist auf der Basis von "trial and error"-Experimenten.
Die Erfindung hat das Ziel, einen Vektor für die Antisense- und die Ribozymexpression zu konstruieren. Er soll in der Lage sein, eine kontinuierliche und stabile Expression eines bestimmten gewünschten Ribozyms bzw. einer Antisensesequenz in einer Zelle zu bewirken.
Diese Zielstellung wird mit dem Aufbau der erfindungsgemäßen Expressionskassette gemäß Anspruch 1 realisiert. Sie hat folgende Bestandteile:
  • - einen starken Promotor
  • - ein adenovirales va-RNA-Gen
  • - eine stabile Schleifen(loop)-Region und
  • - einen Insertionsort für die Antisense-/Ribozymsequenz in der Schleifenregion.
Die Unteransprüche 2-6 enthalten die Vorzugsvarianten der Expressionskassette.
Der T7-Promoter wird bevorzugt in Kombination mit T7-Polymerase verwendet. Die Loop-Region befindet sich in einem Restriktionsort im zentralen Teil des adenoviralen va-RNA-Gens, ihre Größe beträgt mindestens 2×21 Basen gleicher Sequenz. Eine bevorzugte Basensequenz der Loop-Region ist
5′- AACCCAGGTGTGCGACGTCAG-3′.
Ein Beispiel für die erfindungsgemäße Expressionskassette ist in Abb. 1 gegeben.
Abb. 2 zeigt das Ergebnis der Spaltung von hGH RNA durch ein spezifisches Ribozym in vitro.
A: Struktur des spezifischen Ribozyms für eine 27 n.t. Region um das GUC auf Position 988 innerhalb des Exon IV von hGH RNA.
B: Karten von Plasmidmatrizen für die Ribozymsynthese durch in vitro Transcription mit pol III (HeLa-extract) und T7-RNA Polymerase.
C: Elektrophoretische Darstellung der Spaltprodukte.
Beispiel 1
Die Plasmide T7Rz und T7Rzneo wurden mit Hind III-Behandlung linearisiert. GvaRz und GvaLRz wurden in Zirkularform eingesetzt. hGH-RNA wurde aus einem linearen (SstI-Schnitt) genomischen hGH-Gen (1663nt) durch in-vitro-Transkription mit T7-RNA Polymerase (mit 0,2 µCi³²P CTP/µg RNA) synthetisiert. Eine äquimolare Mixtur (100 nM) von Ribozym und Substrat wurde bei 37°C in 50 mM Tris-Cl pH 7,5 und 10 mM MgCl₂ für 30 min mit vorheriger Hitzedenaturierung (90 sec 95°C) inkubiert. Nach der Spaltung wurden die RNAs gereinigt und einzeln auf einem 6% PAA- Gel getrennt. RNA- und Ribozym-Spaltungsprodukte mit voller Länge (988nt und 675nt) wurden nachgewiesen. Das Ergebnis zeigt, daß die Einbettung der katalytischen Hammerhead-Struktur in eine stabilisierende RNA (va) erst nach zusätzlichem Einbau der loop- Region zu einem funktionsfähigen und stabilen Ribozym führt.

Claims (6)

1. Expressionskassette für die Antisense- und die Ribozym­ expression, gekennzeichnet durch
  • - einen starken Promoter,
  • - ein adenovirales va-RNA-Gen,
  • - eine stabile Schleifen(loop)-Region und
  • - einen Insertionsort für die Antisense- bzw. Ribozymsequenz in der Schleifenregion.
2. Expressionskassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als starker Promotor der T7-Promotor verwendet wird.
3. Expressionskassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der T7-Promoter in Kombination mit T7-Polymerase verwendet wird.
4. Expressionskassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Loop-Region in einem Restriktionsort im zentralen Teil des adenoviralen va-RNA-Gens befindet.
5. Expressionskassette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Loop-Region mindestens 2×21 Basen gleicher Sequenz beträgt.
6. Expressionskassette nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Loop-Region zweimal folgende Basensequenz enthält: 5 ′-AACCCAGGTGTGCGACGTCAG-3′.
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