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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Moleküle
und Verfahren zum Nachweis spezifischer Mittel in einem Medium.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ribozyme sind typischerweise RNA-Moleküle, die
enzymartige katalytische Aktivitäten
haben, die üblicherweise
mit Spaltung, Spleißen
oder Ligation von Nucleinsäure-Sequenzen
verbunden sind. Die typischen Substrate für katalytische Aktivitäten von
Ribozymen sind RNA-Moleküle,
obwohl Ribozyme Reaktionen, in denen DNA-Moleküle (oder möglicherweise sogar Proteine)
als Substrate dienen, katalysieren können.
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Ribozyme, die intrazellulär aktiv
sind, arbeiten cis, wobei sie nur eine einzige Umsetzung katalysieren, und
sind üblicherweise
während
der Reaktion selbst-modifiziert.
Ribozyme können
jedoch so konstruiert werden, dass sie trans wirken, in echt katalytischer
Weise mit einem Umsatz von größer als
eins und ohne Selbst-Modifizierung. In einem Ribozym können zwei
verschiedene Bereiche identifiziert werden: der Bindungsbereich,
der dem Ribozym durch Hybridisierung an eine spezifische Nucleinsäure-Sequenz
(und möglicherweise
auch an spezifische Proteine) seine Spezifität gibt, und ein katalytischer
Bereich, der dem Ribozym die Aktivität für Spaltung, Ligation oder Spleißen gibt.
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Es wurde kürzlich vorgeschlagen, Ribozyme
zur Behandlung von Krankheiten oder genetischen Störungen zu
verwenden, indem sie eine Ziel-RNA wie eine virale RNA oder eine
Boten-RNA, die von Genen, die abgeschaltet werden sollten, transkribiert
wurde, abspalten. Dies wurde als eine Alternative zur Blockierung des
RNA-Transkripts durch die Verwendung von Antisense-Sequenzen vorgeschlagen.
Wegen der katalytischen Natur des Ribozyms spaltet ein einziges
Ribozym-Molekül
viele Moleküle
Ziel-RNA, und daher wird eine therapeutische Aktivität in relativ
geringeren Konzentrationen als denjenigen, die in einer Antisense-Behandlung
erforderlich sind (WO 96/23569), erreicht.
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Die Verwendung von Ribozymen für diagnostische
Zwecke wurde nur selten erwähnt.
WO 94/13833 beschreibt ein Verfahren zum Nachweisen von Nucleinsäure-Molekülen in einer
Lösung
durch Maßschneidern eines
spezifischen Ribozym-Moleküls
mit zwei Bereichen, wobei einer zu der nachzuweisenden Nucleinsäure-Sequenz
komplementär
ist und der andere zu einem Co-Zielmolekül, das eine nachweisbare Markierung trägt, komplementär ist. Das
Ribozym ist in der Lage, spezifisch und reversibel sowohl an eine
ausgewählte Ziel-Nucleinsäure-Sequenz
als auch an das markierte Co-Ziel zu binden. Wenn sowohl das Ziel
als auch das Co-Ziel gebunden sind, macht das Ribozym eine Konformationsveränderung
durch, die es aktiv und fähig macht,
die Markierung des Co-Ziels abzuspalten, und die freie Markierung
kann dann nachgewiesen werden. Wenn das Co-Ziel gespalten ist, ist
das Ribozym in der Lage, sich mit einem zusätzlichen Co-Ziel zu verbinden, wodurch
es mehr Markierung abspaltet und mehr nachweisbare Signale erzeugt.
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WO 94/13791 betrifft ein regulierbares
Ribozym-Molekül,
das bei Bindung an einen Liganden seine Aktivität bezüglich einer Ziel-RNA-Sequenz
verändert.
Wiederum bewirkt, wie in WO 94/13833, die Bindung an das Ziel eine
Konformationsveränderung
in den Ribozymen, die sie aktiv macht. Ein Beispiel für eine solche Veränderung
liegt in der Anwesenheit einer redundanten Sequenz in dem Ribozym,
die den Kernbereich des Ribozyms maskiert. Nur bei Bindung der Ziel-Sequenz
an die redundante Sequenz wird der Kern unmaskiert und daher aktiv.
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Das US-Patent 5 472 840 (Stefano,
J. E.) offenbart eine Nucleinsäure-Sequenz
mit dem MDV-1-Motiv (befähigt
zur autokatalytischen Replikation in Anwesenheit des Enzyms der
Q-Beta-Replikase), die nur aktiv wird, wenn sie mit einem Ziel-Nucleinsäure-Molekül eine spezifische
Struktur bildet, die die Se quenz GAAA aufweist. Das Ribozym von
Stefano wird durch Modifizieren eines bestehenden Ribozyms hergestellt
und zeigt die Spaltungsaktivität
nur in Anwesenheit eines sehr eingeschränkten Bereichs von Ziel-Molekülen.
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Lizardi, M. P. und Helena Porta (Biotechnology
13:161–164
(1995)) offenbaren ein allosterisches Hammerkopf-Ribozym, das a
priori inaktiv ist und durch spezifische Wechselwirkung mit einem
allosterischen DNA-Effektor, der zu einer einzelsträngigen Schleife
in dem RNA-Strang-Ribozym komplementär ist, ausgelöst wird.
Diese Veröffentlichung
offenbart ein Ribozym, das aktiv wird, wenn ein Teil davon doppelsträngig wird.
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Die obigen Veröffentlichungen offenbaren Ribozyme,
die entweder wegen einer Konformationsveränderung oder wegen einer Hybridisierungsreaktion,
die sie doppelsträngig
macht, katalytisch aktiv werden. Diese Reaktionstypen können auch
spontan auftreten, beispielsweise kann, wenn ein Ribozym wegen der
Anwesenheit einer redundanten Sequenz, das seinen Kernbereich maskiert,
inaktiv ist, diese redundante Sequenz selbst in Abwesenheit des
Ziels entweder brechen oder sich öffnen, und daher wird das Ribozym
selbst ohne ein Ziel katalytisch aktiv. Spontane Reversion in einen
aktiven Zustand macht die Ribozyme natürlich für diagnostische Zwecke unbrauchbar.
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Die israelischen Patentanmeldungen
112799 und 115772 (die PCT/US96/02380 entsprechen) offenbaren Verfahren
zum Nachweis katalytisch aktiver Ribozyme in einem Medium, bei denen
typischerweise das katalytisch aktive Ribozym als Reporter für die Anwesenheit
anderer Biomoleküle
in einer Testprobe verwendet wird. Gemäß den in diesen Anmeldungen
offenbarten Verfahren ergibt katalytisch aktives Ribozym, wenn es in
einem untersuchten Medium vorhanden ist, eine Reaktionskaskade,
in der in einer von verschiedenen Ausführungsformen, die in diesen
Anmeldungen angegeben sind, in einer positiven Rückkopplung mehr katalytisch
aktive Ribozyme erzeugt werden. Das katalytisch aktive Ribozym kann
nur in Anwesenheit eines untersuchten Moleküls erzeugt oder aktiviert werden.
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Allgemeine
Beschreibung der Erfindung
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Im folgenden wird der Begriff "Nucleozym" verwendet, um ein
Oligonucleotid oder einen zwischen einem Oligonucleotid und einer
Nucleinsäure-Sequenz
oder zwischen einem Oligonucleotid und einem anderen Molekül, z. B.
einem Oligonucleotid, einem Protein oder einem Polypeptid, etc.,
gebildeten Komplex, der eine katalytische Aktivität besitzt,
zu bezeichnen. Ein Beispiel für
ein Nucleozym ist ein Ribozym.
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Der Begriff "Proto-Nucleozym" wird verwendet, um ein Nucleinsäure-Molekül oder einen
Komplex aus zwei oder mehreren solchen Molekülen, das (der) a priori keine
katalytische Aktivität
hat, aber bei Bildung eines Komplexes mit einem Cofaktor katalytisch
aktiv wird, zu bezeichnen. Ein Proto-Nucleozym ist tatsächlich ein
Nucleozym mit einem fehlenden Bestandteil, wobei der fehlende Bestandteil
von dem Cofaktor ergänzt wird.
Der Komplex zwischen dem Proto-Nucleozym
und dem Cofaktor kann auch gelegentlich als "katalytischer Komplex" bezeichnet werden
und ist tatsächlich
ein Nucleozym, da er katalytische Aktivität hat. Das Proto-Nucleozym
kann aus Deoxynucleotiden (dNTP's)
Ribonucleotiden (rNTP's)
sowie anderen Nucleotiden wie 2'-O-Methylnucleotiden
oder irgendwelchen Kombinationen von diesen bestehen.
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Der Begriff "katalytische Aktivität" soll alle möglichen katalytischen Aktivitäten von
Nucleozymen umfassen, einschließlich
Spaltung, Ligation, Ausspleißen
(Abspalten beider Enden einer kurzen Nucleinsäure-Sequenz, um sie von einer
längeren
Sequenz zu entfernen, und Verknüpfen
der Enden der geschnittenen Sequenz), Einspleißen (öffnendes Spalten einer Nucleinsäure-Sequenz,
Einsetzen einer anderen kurzen Nucleinsäure-Sequenz und Verknüpfen der
Enden der geschnittenen Sequenz), Umordnung, sowie weitere katalytische
Aktivitäten
wie Phosphorylierung, kinaseartige Aktivität, Hinzufügung oder Entfernung anderer
chemischer Baueinheiten, Biotinilation, Füllen von Lücken fehlender Nucleotide,
Polymerisation, etc..
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Der Begriff "Cofaktor" wird verwendet, um ein Molekül oder einen
Teil innerhalb eines Moleküls
(z. B. eine bestimmte DNA-Sequenz innerhalb eines größeren DNA-Moleküls), das
(der) mit dem Proto-Nucleozym eine Komplexierung eingeht, um einen
katalytischen Komplex, nämlich
ein aktives Nucleozym zu ergeben, zu bezeichnen. Der Cofaktor ergänzt einen
fehlenden Bereich des Proto-Necleozyms, so dass es katalytisch aktiv werden
und zu einem Nucleozym werden kann.
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Die vorliegende Erfindung betrifft
neue Proto-Nucleozyme und ihre Verwendung. Die Proto-Nucleozyme
der Erfindung haben im wesentlichen keine katalytische Aktivität, da ihnen
ein kritischer Bestandteil fehlt, der für die katalytische Aktivität essentiell
ist, wobei der fehlende Bestandteil durch den Cofaktor ergänzt wird. Mit
anderen Worten, um katalytisch aktiv zu werden, müssen die
Proto-Nucleozyme mit dem Cofaktor komplexieren, um einen katalytischen
Komplex (das Nucleozym), der eine katalytische Aktivität ausüben kann,
zu bilden. Der Begriff "im
wesentlichen keine katalytische Aktivität haben" soll bedeuten, dass das Proto-Nucleozym entweder
keine katalytische Aktivität
besitzt oder eine katalytische Aktivität besitzt, die sehr viel geringer
ist (typischerweise um mehrere Größenordnungen) als diejenige
des katalytischen Komplexes.
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Wie oben dargelegt wurde, sind Ribozyme
bekannt, die mit einem Faktor (auch Ziel genannt), z. B. einem Protein
oder einer anderen Nucleinsäure-Sequenz,
eine Komlexierung eingehen, was die Ribozyme dazu veranlaßt, eine
Konformationsveränderung
durchzumachen, wodurch die katalytische Aktivität des Ribozyms ausgeprägter wird.
Im Unterschied zu derartigen Ribozymen des Stands der Technik fehlt
dem Proto-Nucleozym der Erfindung jedoch a priori ein essentieller
Bestandteil und der Cofaktor liefert den fehlenden Bestandteil.
Beispiele für
solche fehlenden Bestandteile sind Sequenzen im Kernbereich des
Nucleozyms. Der Cofaktor kann ein Protein sein, das eine Lücke zwischen
zwei Enden von Nucleinsäure-Strängen des
Nucleozyms füllt
oder zwei solche Enden verbindet; oder er kann eine Nucleinsäure-Sequenz
sein, die in der Lage ist, zwischen zwei freien Enden des Proto-Nucleozyms
eine Bindung auszubilden, wodurch sie eine Lücke füllt.
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Bei den strukturellen und funktionellen
Merkmalen des Proto-Nucleozyms hat es, wenn es sich in Lösung befindet,
nicht die Fähigkeit,
sich spontan in eine katalytisch aktive Form umzuwandeln, da seine
Aktivierung nicht nur von einer Konformationsveränderung, die spontan auftreten
kann, sondern vielmehr von der Ergänzung eines fehlenden Bestandteils
abhängt.
Dieses Merkmal ist ein weiterer Unterschied zu inaktiven Ribozymen
des Stands der Technik, die die Fähigkeit haben, spontan eine
Konformationsveränderung
einzugehen, wenn auch in geringem Maß, und selbst in Abwesenheit
eines Cofaktors eine gewisse katalytische Aktivität zeigen.
Daher gibt es, wenn die Ribozyme der Erfindung verwendet werden,
anders als bei inaktiven Ribozymen des Stands der Technik wie denjenigen,
die oben in dem Abschnitt Hintergrund der Erfindung dieser Beschreibung
beschrieben wurden, in Abwesenheit des Cofaktors im wesentlichen
keine Hintergrundaktivität. Beispielsweise
gibt es, wenn Proto-Nucleozyme
der Erfindung bei der Diagnose verwendet werden, im wesentlichen
kein "Rauschen", es gibt nämlich ein
sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis
und es gibt praktisch keine falsch-positiven Ergebnisse. Als ein
anderes Beispiel, die Proto-Nucleozyme der Erfindung zeigen, wenn sie
bei Therapien verwendet werden, eine sehr hohe Ziel-Spezifität, und der
katalytische Komplex (das Nucleozym) wird nur in Anwesenheit eines
geeigneten Ziels gebildet und übt
seine Aktivität
aus.
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Die Proto-Nucleozyme der Erfindung
können
sowohl durch in vitro-Entwicklung in einer unten zu beschreibenden
Weise oder mittels rationellem Aufbau durch Nucleinsäure-Synthese
hergestellt werden, beispielsweise durch Verwenden einer Sequenz
eines bekannten Ribozyms und Freilassen einer Lücke von mehreren fehlenden
Nucleotiden in seinem Kernbereich.
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Die vorliegende Erfindung liefert
ein Proto-Nucleozym, das ein Nucleinsäure-Molekül oder ein Komplex von Nucleinsäure-Molekülen ist,
das (der) im wesentlichen keine katalytische Aktivität hat, aber
mit einem Cofaktor einen Komplex bilden kann, um ein Nucleozym zu
bilden, das eine katalytische Aktivität besitzt, wobei dem Proto-Nucleozym
ein für
die katalytische Aktivität
des Nucleozyms essentieller Bestandteil fehlt und der Cofaktor den
Bestandteil liefert.
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Der Bestandteil, der in dem Proto-Nucleozym
fehlt und der von dem Cofaktor zur Umwandlung des Proto-Nucleozyms
in ein katalytisch aktives Nucleozym geliefert wird, kann ein fehlender
Nucleinsäure-Abschnitt
von einem oder mehreren Nucleotiden (hierin im folgenden "Lücke") oder eine fehlende Bindung zwischen
zwei Nucleotiden (hierin im folgenden "Strangbruch"), etc., sein. Der Cofaktor kann also
ein Nucleinsäure-Abschnitt,
der die Lücke
oder den Strangbruch überbrücken kann,
sein. Zu diesem Zweck hat ein derartiger Cofaktor-Nucleinsäure-Abschnitt
Sequenzen, die mit komplementären
Sequenzen in den beiden Strängen
an beiden Seiten der Lücke
oder des Strangbruchs hybridisieren können, und kann im Fall einer
Lücke auch
die fehlende Sequenz aufweisen. Es sollte beachtet werden, dass
der Cofaktor-Abschnitt gelegentlich an zwei andere Nucleinsäure-Stücke des
Proto-Nucleozyms als diejenigen, die die Lücke oder den Strangbruch unmittelbar
flankieren, hybridisieren und eine Brücke zwischen ihnen schaffen
kann. Außerdem
kann der Cofaktor gelegentlich auch ein Makromolekül wie ein
Protein, ein Oligosaccharid, etc., sein, das mit den zwei Nucleinsäure-Enden,
die die Lücke
oder den Strangbruch flankieren, einen Komplex bilden kann und folglich
zu einer Verbrückung
der beiden führt.
Die Lücke
oder der Strangbruch kann zwischen zwei verschiedenen Oligonucleotid-Strängen sein,
die von dem Cofaktor funktionell miteinander verbunden werden, oder
kann zwischen Enden desselben Oligonucleotids sein, wobei der Cofaktor
als solcher die Funktion einer funktionell geschlossenen Oligonucleotid-Schleife
erbringt.
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Derartige Proto-Nucleozyme können mittels
in vitro-Entwicklung oder mittels rationalem Aufbau erhalten ("gentechnologisch
erzeugt") werden.
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Der spezifische Cofaktor kann irgendein
Molekül
sein, das mit Nucleotiden in irgendeiner Weise chemisch wechselwirken
kann, z. B. durch die Bildung einer Wasserstoffbindung, durch elektrostatische
Bindungen, durch Van der Waals'-Wechselwirkungen,
etc.. Zu derartigen Molekülen
gehören
Proteine, Peptide Oligopeptide, Antibiotika, Phosphat-Nucleotide
wie ATP, GTP, zyklisches AMP und andere, Kohlehydrate, Lipide, Nucleinsäure-Sequenzen
(DNA- oder RNA-Sequenzen), etc..
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Gelegentlich kann es erwünscht sein,
das Proto-Nucleozym zu modifizieren, um seine Nuclease-Beständigkeit
zu erhöhen,
was durch Ersetzen einiger der natürlichen Nucleotide durch nicht-natürliche Nucleotide
wie 2'-O-Methyl-Nucleotide erreicht
werden kann (Usman et al., Nucleic Acids Symposium Series, 31:163–164, 1994).
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Eine gegenwärtig bevorzugte, aber nicht
ausschließliche
Verwendung der Proto-Nucleozyme der Erfindung ist als ein diagnostisches
Werkzeug zum Nachweis der Anwesenheit eines bestimmten Mittels in
einem Medium. Zu diesem Zweck wird ein Proto-Nucleozym so aufgebaut,
dass das Mittel der spezifische Cofaktor ist. Wenn das Mittel in
dem getesteten Medium anwesend ist, bildet sich ein katalytischer
Komplex, und die katalytische Aktivität, die dann analysiert wird,
dient dann als ein Anzeiger der Anwesenheit des Mittels in dem Medium.
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Für
diese bevorzugte Ausführungsform
ist es bevorzugt, Proto-Nucleozyme zu verwenden, die absolut keine
oder eine unmeßbare
katalytische Aktivität
besitzen, und die katalytische Aktivität zeigt sich dann im wesentlichen
nur bei der Bildung des katalytischen Komplexes. In einem derartigen
Fall gibt es ein Hintergrundsignal von im wesentlichen Null, und
ein Nachweis einer katalytischen Aktivität ist dann eine eindeutige
("alles oder nichts") Anzeige der Anwesenheit
des Mittels (das der spezifische Cofaktor ist) in dem Medium. Wenn
ein Proto-Nucleozym
verwendet wird, das eine gewisse kleine katalytische Aktivität besitzt,
muß das
Ausmaß der katalytischen
Aktivität
bestimmt werden, um die Anwesenheit des Mittels in dem Medium zu
untersuchen.
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Die vorliegende Erfindung liefert
außerdem
ein Verfahren zum Nachweis eines Mittels in einem Medium, das die
folgenden Schritte aufweist:
- (a) in Berührung bringen
des Mediums mit einem Proto-Nucleozym, wobei das Mittel der für die Bildung
eines katalytischen Komplexes erforderliche spezifische Cofaktor
ist;
- (b) Bereitstellen oder Aufrechterhalten von Bedingungen, die
eine katalytische Aktivität
des katalytischen Komplexes erlauben; und
- (c) Testen auf Anwesenheit von Produkten der katalytischen Aktivität in dem
Medium, wobei eine derartige Anwesenheit die Anwesenheit des Mittels
in dem Medium anzeigt.
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Ein Beispiel des Typs von katalytischer
Aktivität,
die in dem obigen Schritt (c) bestimmt werden kann, ist die Spaltung
einer Nucleinsäure-Sequenz.
Beispielsweise kann der katalytische Komplex von einem immobilisierten
Nucleinsäure-Substrat
ein kleines Fragment, das eine nachweisbare Markierung trägt, abspalten. Dann
zeigt ein Nachweis einer freien Markierung in dem Reaktionsmedium
die Aktivität
des katalytischen Komplexes an, was wiederum eine Anzeige der Anwesenheit
des getesteten Mittels in dem Medium ist.
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Andere Beispiele für katalytische
Aktivität,
die in Schritt (c) bestimmt werden können, sind Ligation, Ausspleißen, Einspleißen, etc..
Alle der obigen drei katalytischen Aktivitäten führen zu einer Veränderung
des Abstands zwischen zwei Sequenzen von Nucleotiden, die die Substrate
für die
Reaktion sind. Bei Ligation und Ausspleißen werden zwei Sequenzen zusammengebracht,
und beim Spleißen
werden zwei Sequenzen voneinander beabstandet. Eine dieser Sequenzen
kann beispielsweise einen Fluoreszenzstoff enthaltenden Teil (z.
B. Rhodamin) tragen, und die andere Sequenz kann einen Fluoreszenz-Löscher (z.
B. Fluorescein) enthaltenden Teil oder einen fluoreszenzsteigernden
Teil tragen; die Veränderung
des Abstands zwischen den beiden Sequenzen kann dann bestimmt werden
durch Messen der Veränderung
der Fluoreszenzemission, die gelöscht
(im Falle eines Fluoreszenz-Löschers)
oder gesteigert (im Falle eines fluoreszenzsteigernden Stoffes)
wird, wenn die beiden Sequenzen einander benachbart sind, und gesteigert
bzw. gelöscht
wird, wenn die zwei Sequenzen beabstandet sind.
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Ein bevorzugtes Verfahren zum Testen
auf die Produkte der katalytischen Aktivität ist mittels der selbst-amplifizierenden
Ribozym-Kaskadenreaktion, die in der internationalen Anmeldung PCT/US96/02380 und
den entsprechenden is raelischen Patentanmeldungen 112799 und 115772,
deren Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen werden, offenbart
ist. In Kürze,
sobald der katalytische Komplex (oder das Nucleozym) gebildet ist,
katalysiert er eine Reaktion, die zur Aktivierung von a priori inaktiven
Nucleozymen (in den oben angeführten
Anmeldungen als Ribozyme bezeichnet) führt, und jene katalytisch aktiven
Nucleozyme wirken dann in einer selbst-amplifizierenden Reaktionskaskade
mit positiver Rückkopplung
katalytisch, um zusätzliche
Ribozyme zu aktivieren, und so weiter. Dieses amplifizierte Signal
dient daher als ein Anzeiger der Anwesenheit des katalytisch aktiven
Ausgangsnucleozyms in dem Medium; die Anwesenheit eines derartigen katalytisch
aktiven Ausgangsnucleozyms wiederum ist ein Hinweis auf die Anwesenheit
des spezifischen Cofaktors, der das nachzuweisende Mittel ist und
der mit den Proto-Nucleozymen Komplexe bildet, um den katalytischen
Komplex des Ausgangsribozyms in dem Medium zu bilden.
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Die einzigartige Fähigkeit
der Proto-Nucleozyme, in Anwesenheit eines spezifischen Cofaktors
katalytisch aktiv zu werden, macht sie auch als therapeutische Mittel
in bestimmten gezielten Therapien brauchbar. Bei manchen Krankheiten
unterscheiden sich krankheitsbefallene Zellen von normalen Zellen
in der Expression bestimmter Expressionsprodukte. Dies ist beispielsweise
bei Viruskrankheiten der Fall, wo sich erkrankte Zellen von anderen
Zellen durch die Tatsache unterscheiden, dass sie Virusproteine
exprimieren. Das Proto-Nucleozym
kann gentechnologisch so konstruiert werden, dass es bei Komplexierung
mit einem Virus-spezifischen Protein (das der spezifische Cofaktor
ist) eine bestimmte zytotoxische katalytische Aktivität hat oder seine
katalytische Aktivität
ein zytotoxisches Reaktionsprodukt liefert. Die katalytische Aktivität kann auf
eine spezifische Nucleinsäure-Sequenz
oder ein Genexpressions- Produkt zielen, so dass die unerwünschte Genexpression
(z. B. von viralem Ursprung oder von zellulärem Ursprung) gehemmt wird.
Beispielsweise kann die katalytische Aktivität die Sequenz einer unerwünschten
mRNA abspalten, wodurch sie die Erzeugung eines unerwünschten
Proteins hemmt. Derartige Proto-Nucleozyme können in Formulierungen bereitgestellt werden,
die ihren Eintritt in die Zelle erlauben, z. B. eine Liposom-Formulierung,
und während
die Proto-Nucleozyme in viele Zellen eindringen, nehmen sie ihre katalytische
Aktivität
an und zerstören
auf diese Weise beispielsweise nur die gewünschte Zellpopulation oder
hemmen die Expression unerwünschter
Gene nur in den Viren tragenden Zellen.
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Zusätzlich zu Viruskrankheiten
gibt es auch andere Krankheiten, bei denen erkrankte Zellen Produkte exprimieren
oder enthalten, die man in normalen Zellen nicht findet oder in
den letzteren Zellen nur in kleinen Mengen findet. Derartiges ist
beispielsweise der Fall bei Krebs, bei einer Vielzahl von Infektionskrankheiten außer Viruskrankheiten,
bei verschiedenen genetischen Erkrankungen, bei denen erkrankte
Zellen in erkrankten Individuen ein mutiertes Gen und abnorme Expressionsprodukte
enthalten etc.,
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Dementsprechend liefert die vorliegende
Erfindung ein Verfahren zum selektiven Zerstören einer spezifischen Zellpopulation,
die ein spezifisches Mittel enthält
oder exprimiert, wobei das Verfahren aufweist:
- (a)
Bereitstellen eines Proto-Nucleozyms eines Nucleozyms, wobei das
Nucleozym eine katalytische Aktivität hat, die für die Zelle
zytotoxisch ist, oder zytotoxische Reaktionsprodukte hat, und wobei
das Mittel ein spezifischer Cofaktor für das Proto-Nucleozym ist;
- (b) Einführen
des Proto-Nucleozyms in Zellen, die das Mittel enthalten oder exprimieren,
oder Anwenden der Proto-Nucleozyme auf Gewebe, von dem vermutet
wird, dass es eine Zellpopulation enthält, die das Mittel enthält oder
exprimiert, unter Bedingungen oder unter Verwendung eines Vehikels
dergestalt, dass das Proto-Nucleozym in die Zellen eingeführt wird.
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In dem Fall, in dem das Proto-Nucleozym
dafür gedacht
ist, Virus enthaltende Zellen zu zerstören, kann der Cofaktor beispielsweise
ein Viren zugehöriges
Protein sein, z. B. im Falle von HIV das HIV-TAT-Protein.
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Die Zytotoxitität des Nucleozyms kann sich
in vielerlei Weise manifestieren. Beispielsweise kann ein Nucleozym,
sobald es aktiv wird, eine Reaktion katalysieren, die die Bildung
zytotoxischer Reaktionsprodukte ergibt. Derartige zyto toxische Reaktionsprodukte
können
beispielsweise Reaktionsprodukte sein, die einen oder mehrere essentielle
metabolische oder katabolische Wege in den Zellen kompetitiv hemmen.
Als ein anderes Beispiel, die katalytische Aktivität des zytotoxischen
Ribozyms kann selbst zur Spaltung von Substanzen führen, die
in den Zellen erzeugt werden oder durch die Zellmembranen in die
Zellen hineintransportiert werden, die für das Wachstum und Überleben
der Zellen essentiell sind. Andere Beispiele können Nucleozyme sein, die mRNA
abbauen, entweder allgemein oder solche mit spezifischen Sequenzen,
Nucleozyme, die tRNAs spalten, Nucleozyme, die eine Vielzahl von
Proteinen abbauen, und andere.
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Die vorliegende Erfindung liefert
auch ein Verfahren zur Hemmung der Expression unerwünschter Gene
in Zellen, aufweisend:
- (a) Bereitstellen eines
Proto-Nucleozyms eines Nucleozyms, wobei das Nucleozym eine katalytische
Aktivität
hat, die auf eine spezifische Nucleinsäure-Sequenz oder ein spezifisches
Gen-Expressionsprodukt zielt, so dass die unerwünschte Genexpression gehemmt
wird, sobald es in einer Zelle aktiv ist;
- (b) Einführen
des Proto-Nucleozyms in Zellen, die das Gen enthalten oder exprimieren,
oder Anwenden des Proto-Nucleozyms auf Gewebe, von denen vermutet
wird, dass sie eine Zellpopulation aufweisen, die das Gen enthält oder
exprimiert, unter Bedingungen oder unter Verwendung eines Vehikels
dergestalt, dass das Proto-Nucleozym in die Zellen eingeführt wird.
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In einer Ausführungsform dieses letzteren
Aspekts ist der Cofaktor des Proto-Nucleozyms entweder eine Nucleinsäure-Sequenz
eines solchen Gens oder ein Transkriptions- oder Expressions-Produkt
des Gens.
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Die Hemmung der DNA-Expression nach
diesem letzteren Verfahren kann beispielsweise durch Spaltung der
spezifischen mRNA, Spaltung eines Ex pressionsprodukts des Gens oder
Spaltung von Regulatorsubstanzen, die die Expression des Gens regulieren,
stattfinden.
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Die obigen Verfahren, bei denen das
Proto-Nucleozym in Zellen eingeführt
wird, können
in der Humantherapie nützlich
sein. Im Rahmen solcher Therapien können die Proto-Nucleozyme in
vivo verabreicht werden oder ex vivo mit Zellen in Kontakt gebracht
werden, wobei die Zellen dann wieder in den Körper eingeführt werden.
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Gemäß ihrem therapeutischen Aspekt
stellt die vorliegende Erfindung außerdem eine pharmazeutische
Zusammensetzung, z. B. zur Verwendung zur Vernichtung einer speziellen
Zellpopulation, bereit, die das Proto-Nucleozym und einen pharmazeutisch
annehmbaren Träger
aufweist. Der Träger
ist bevorzugt von der Art, die die Einführung des Proto-Nucleozyms
in Zellen erlaubt, z. B. ein Liposomträger oder irgendein anderer in
der Technik bekannter Träger.
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Wie oben erwähnt, kann das Nucleozym der
Erfindung durch rationalen Aufbau oder mittels in vitro-Entwicklung
erzeugt werden.
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Wie weiter unten erläutert werden
wird, erfordert die in vitro-Entwicklung keinerlei Vorabentscheidung hinsichtlich
des genauen Bildungsmechanismus des katalytischen Komplexes zwischen
Proto-Nucleozym und dem spezifischen Cofaktor. Der genaue Aktivierungsmechanismus
entwickelt sich während
einer derartigen in vitro-Entwicklung.
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Der Begriff "in vitro-Entwicklung" bezieht sich auf ein Verfahren zur
Erzeugung und zur Selektion von Nucleinsäure-Sequenzen (die DNA- oder
RNA-Sequenzen oder Sequenzen, die sowohl dNTP's als auch rNTP's aufweisen, sein können, wobei sie natürlich oder
nicht-natürlich
vorkommende Nucleotide aufweisen) mit gewünschten Eigenschaften, ohne
a priori den genauen Aufbau der ausgewählten Nucleinsäure-Sequenz zu
kennen. Typischerweise erfordert es die Erzeugung einer riesigen
Anzahl beliebiger oder teilweise beliebiger Nucleinsäure-Sequenzen
oder von Komplexen, die eine oder mehrere Nucleinsäure-Sequenzen)
enthalten, dann die Bereitstellung der Bedingun gen, die zur Selektion
derjenigen Sequenzen, die eine spezifische Eigenschaft aufweisen,
erforderlich sind (beispielsweise Zugabe eines Proteins und Auswahl
nur jener Nucleinsäure-Sequenzen,
die eine katalytische Aktivität
nur in Anwesenheit des Proteins zeigen). Die ausgewählten Nucleinsäure-Sequenzen
werden dann amplifiziert, beispielsweise durch Polymerase-Kettenreaktion
(PCR, polymerase chain reaction), und dann werden Selektions- und
Amplifikationsschritte über
viele Zyklen, z. B. im Bereich von 10 bis 100, wiederholt, was zu
einer Anreicherung des Reaktionsgemisches an jenen Nucleinsäure-Sequenzen oder Komplexen,
die die gewünschte
Eigenschaft aufweisen, führt.
Es ist gelegentlich nützlich, die
Schwellenkriterien nur Selektion in jeder Selektions- und Amplifikationsrunde
progressiv zu erhöhen.
Beispielsweise werden, wenn die Schritte der in vitro-Entwicklung
fortschreiten, nur Spezies mit progressiv höherer Affinität zu dem
gewünschten
Protein ausgewählt.
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In vitro-Selektionsmethodiken zur
Untersuchung von RNA-Funktion und -Strukturen sind in einer Übersicht
von Conrad, R. C., Molecular Diversity 1:69–78 (1995) zusammengefaßt und wurden
in Modellen für
die autokatalytische Replikation von RNA von Giver et al. (G. R.
Fleischaker et al. (Herausgeber), Self-Production of Supramolecular
Structures 137–146,
(1994), Klewer Academic Publishers) studiert.
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Die vorliegende Erfindung liefert
daher ein in vitro-Entwicklungsverfahren zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen Proto-Nucleozyms,
das bei Bildung eines katalytischen Komplexes mit einem spezifischen Cofaktor
eine spezifische katalytische Aktivität manifestiert, die in dem
Proto-Nucleozym entweder fehlt oder erheblich geringer ist. Das
Verfahren, das sowohl positive als auch negative Selektions-Schritte
hat, weist auf:
- (a) Herstellen einer Palette
unterschiedlicher Nucleinsäure-Moleküle, wobei
mindestens ein Teil der Sequenz in den Molekülen der Palette eine beliebige
oder eine teilweise beliebige Sequenz ist, so dass der Teil in verschiedenen
Molekülen
der Palette eine verschiedene Sequenz hat;
- (b) Zugeben des Cofaktors zu der Palette und Inkubieren unter
Bedingungen, die die katalytische Aktivität erlauben;
- (c) Trennen zwischen den Nucleinsäure-Molekülen der Palette, die die katalytische
Aktivität
aufweisen, und denen, die sie nicht aufweisen, um eine erste ausgewählte Palette
von Nucleinsäure-Molekülen, die
die katalytische Aktivität
aufweisen, zu erhalten;
- (d) Amplifizieren der Nucleinsäure-Moleküle der ersten ausgewählten Palette;
- (e) Inkubieren der ersten ausgewählten Palette mit einem Reaktionsgemisch,
das frei von dem Cofaktor ist, unter Bedingungen, die die katalytische
Aktivität
erlauben;
- (f) Entfernen von Nucleinsäure-Molekülen, die
katalytische Aktivität
aufweisen, wodurch eine von den entfernten Nucleinsäure-Molekülen freie,
zweite ausgewählte
Palette von Nucleinsäure-Molekülen erhalten wird;
und
- (g) Wiederholen der Schritte (b)–(f) über eine Mehrzahl von Zyklen,
z. B. etwa 10 bis 100 Zyklen, um das Proto-Nucleozym zu erhalten.
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In einer Ausführungsform bestehen die Moleküle in der
Palette aus einer völlig
beliebigen Sequenz mit Ausnahme von zwei kurzen flankierenden Sequenzen
zur Anlagerung der PCR-Primer. In einer anderen Ausführungsform
der Erfindung sind die Moleküle
in der Palette auf der Basis einer bekannten Nucleozym-Sequenz aufgebaut.
Beispielsweise kann das Molekül
aus einer konstanten, Ribozym-abgeleiteten Sequenz, die an eine
beliebige oder halbbeliebige Sequenz angelagert ist, bestehen. Allgemein
kann eine beliebige Sequenz beispielsweise durch Verwendung eines
Nucleinsäure-Syntheseautomats
hergestellt werden.
-
Bei dem obigen Verfahren gehen positive
Selektions-Schritte (Schritte (b)– (d)) den negativen Selektions-Schritten
(Schritte (e)–(f))
voraus, wobei dies eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist.
Es ist jedoch auch möglich,
das Verfahren in umgekehrter Reihenfolge durchzuführen, nämlich zuerst
die negativen Selektions-Schritte und dann die positiven Selektions-Schritte.
-
Ein anderes Beispiel ist eine Palette
von Molekülen,
die alle auf einer bekannten Ribozym-Sequenz basieren, und worin
die Nucleotide in dem gesamten Molekül oder in einem Teil davon
eine gewisse Wahrscheinlichkeit (z. B. 70 bis 99%) haben, mit der
bekannten Sequenz identisch zu sein. Eine solche halbbeliebige Sequenz
bedeutet, dass jedes Nucleotid eine gewisse Wahrscheinlichkeit hat,
von dem entsprechenden Nucleotid in dem ursprünglichen Ribozym verschieden
zu sein (z. B. ist diese Wahrscheinlichkeit dementsprechend 30 bis
1%). Die Herstellung der Palette beginnt mit einer bekannten Nucleozym-Sequenz,
und dann werden auf deren Basis durch Ersetzen einiger der Nucleotide
durch die verschiedenen, beliebigen Nucleotide ("Dotieren") halbbeliebige Sequenzen erzeugt. Der
Dotierungsgrad ist typischerweise 1 bis 30%. Das Dotieren kann auch
in jedem Zyklus oder einmal in mehreren Zyklen durchgeführt werden,
wodurch man es langsam zur Entwicklung eines Proto-Nucleozyms mit
einer hohen Spezifität
gegenüber
dem spezifischen Cofaktor bringt.
-
Ein Beispiel dafür, wie eine derartige Selektion
durchgeführt
wird, kann aus dem speziellen Fall abgeleitet werden, wo die katalytische
Aktivität
cis-Spaltung ist. Zu Beginn können
alle Glieder der Palette auf einem festen Träger immobilisiert werden. Jene
Sequenzen, die die katalytische Aktivität der cis-Spaltung in den positiven Selektions-Schritten,
d. h. in Anwesenheit des spezifischen Cofaktors, besitzen (Schritte
(b)–(d))
werden in das Reaktionsgemisch freigesetzt und werden gesammelt
und amplifiziert, beispielsweise unter Verwendung von PCR. Nach
der Amplifizierung läßt man die
gesammelten Sequenzen in Abwesenheit des spezifischen Cofaktors
spalten, und diejenigen, die in den negativen Selektions-Schritten
(Schritte (e)–(f))
freigesetzt werden, werden entfernt.
-
In den Selektions-Schritten ist es
gelegentlich erwünscht,
die genauen Bedingungen anzuwenden, unter denen das Proto-Nucleozym
schließlich
verwendet werden wird. Wenn das Proto-Nucleozym zur Verwendung im
Rahmen eines diagnostischen Tests gedacht ist, sind die Selektionsbedingungen
typischerweise ähnlich
denjenigen in dem diagnostischen Test. Wenn beispielsweise der Cofaktor
ein Blutprotein ist und das Proto-Nucleozym zur Verwendung in einem
diagnostischen Test zum Nachweis eines derartigen Proteins im Blut gedacht
ist, kann die Selektion (sowohl positiv als auch negativ) in einem
Reaktionsmedium durchgeführt
werden, das die Bedingungen (sowohl die chemische Umgebung als auch
die Temperatur) nachahmt, die in dem Test vorliegen werden, z. B.
blutartige Zusammensetzung und Raumtemperatur.
-
Im folgenden wird ein bevorzugtes
in vitro-Entwicklungsverfahren, das zur Herstellung von erfindungsgemäßen Proto-Nucleozymen
brauchbar ist, beschrieben. Es sollte jedoch beachtet werden, dass
dieses in vitro-Entwicklungsverfahren ein Beispiel ist und dass
die Erfindung weder auf die Herstellung von Proto-Nucleozymen nach
diesem speziellen beschriebenen Verfahren, noch auf Herstellungsverfahren
durch in vitro-Entwicklung allgemein beschränkt ist.
-
Ein bevorzugtes
in vitro-Entwicklungsverfahren
-
Ein Hauptproblem in einem in vitro-Entwicklungsverfahren
zur Herstellung eines Proto-Nucleozyms mit den oben angegebenen
Merkmalen ist die Schwierigkeit, zwischen Proto-Nucleozym-Kandidaten,
die katalytische Aktivität
nur in Anwesenheit des spezifischen Cofaktors aufweisen, und jenen,
die die spezifische katalytische Aktivität sowohl in Anwesenheit des
Cofaktors als auch in seiner Abwesenheit oder in Anwesenheit anderer
Mittel aufweisen, zu trennen. Mit anderen Worten, es gibt eine Schwierigkeit
bei der Beseitigung der unerwünschten
Kandidaten.
-
Viele Male gibt es, insbesondere
in den anfänglichen
Zyklen der in vitro-Entwicklung, Moleküle, die katalytische Aktivität auch in
Abwesenheit des spezifischen Cofaktors aufweisen (Moleküle, die
entfernt werden sollten), dies aber mit sehr geringer Effizienz
tun; daher kann der negative Selektions-Schritt, in dem solche Moleküle entfernt
werden, extrem verlängerte
Inkubationszeiten erfordern, was das gesamte Verfahren der in vito-Entwicklung
(das vielfache Zyklen negativer Selektionsschritte erfordert) unbrauchbar
macht. Unter Standardinkubationszeiten weist nur ein kleiner Prozentsatz
der Moleküle,
die langsam wirken, aber auch in Abwesenheit des Cofaktors eine
katalytische Aktivität
aufweisen, die aber in den negativen Selektions-Schritten entfernt
werden sollten, in der gegebenen Inkubationszeit tatsächlich die
katalytische Aktivität
auf. Dies kann zu einer unvollständigen
Entfernung unerwünschter
Moleküle
in den negativen Selektions-Schritten führen, und wenn die Proto-Nucleozyme
zur Diagnose verwendet werden, kann es schließlich zu falsch-positiven Ergebnissen
führen.
Prinzipiell können
die während
des negativen Selektions-Schritts
entfernten Moleküle
gesammelt werden und verwendet werden, um andere identische Moleküle derselben
Spezies von Proto-Nucleozymen – Kandidaten,
die hätten
entfernt werden sollen, aber wegen der kurzen Inkubationszeit keine
Gelegenheit hatten, die katalytische Aktivität aufzuweisen – durch
Hybridisierung "herauszufischen". Jedoch können die
Sequenzen in Frage kommender Proto-Nucleozyme, die katalytische
Aktivität
sowohl in Anwesenheit des spezifischen Cofaktors als auch in Anwesenheit
anderer Mittel zeigen (zu entfernen), und die Sequenzen der in Frage
kommenden Proto-Nucleozyme,
die die gewünschte
Eigenschaft nur in Anwesenheit des Cofaktors aufweisen (beizubehalten),
sehr ähnlich
sein (der Unterschied in der Sequenz der beiden kann relativ zu
der großen
Größe der in
Frage kommenden Proto-Nucleozyme
sehr klein sein), so dass es praktisch unmöglich ist, durch Hybridisierung
zwischen den beiden zu unterscheiden.
-
Die Lösung dieses Problems ist die
Hinzufügung
einer beliebigen tag-Sequenz an jedes in Frage kommende Proto-Nucleozym
in dem Ausgangs-Oligonucleotidgemisch, das eine Palette unterschiedlicher,
in Frage kommender Proto-Nucleozyme aufweist, so dass nach der Amplifizierung
alle Oligonucleotide derselben Spezies (d. h. alle von einem ursprünglichen
Ausgangsmolekül
amplifizierten Moleküle)
dieselbe beliebige tag-Sequenz haben. Diese tag-Sequenz bildet nicht
einen Teil der funktionellen Sequenz des Nucleozyms (d. h. die tag
ist eine redundante Sequenz). Die funktionelle Sequenz ist der Teil,
der, wenn das Proto-Nucleozym mit dem Cofaktor reagiert, der der
Teil ist, der die katalytische Aktivität verleiht. Die tag-Sequenz
ist an eine variable Sequenz (die zur Entwicklung der funktionellen
Sequenz in Frage kommt) gebunden. Während die variable Sequenz
verschiedener Oligonucleotid-Spezies ähnlich sein kann (beispielsweise,
da alle variablen Sequenzen ausgehend von einer bekannten Ausgangssequenz
eines Ribozyms "dotiert" wurden), ist die
tag-Sequenz von
einer Oligonucleotid-Spezies zur anderen völlig verschieden.
-
Daher ist es dann, wenn nach einem
negativen Selektions-Schritt Oligonucleotide, die in Abwesenheit des
Cofaktors katalytische Aktivität
aufweisen, gesammelt werden, um entfernt zu werden, möglich, zuerst
die spaltbare Sequenz abzuspalten und so separat nur die tag-Sequenzen
der unerwünschten
Oligonucleotide zu sammeln. Diese tag-Sequenzen, die beliebig sind,
haben eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit, in jeder Spezies von Oligonucleotid-Molekülen unterschiedlich
zu sein, und können
daher verwendet werden, um wirkungsvoll komplementäre tag-Sequenzen
anderer Mitglieder der zu entfernenden, unerwünschten Oligonucleotid-Spezies "herauszufischen", und sind daher
in der Lage, "latente" Oligonucleotide,
die selbst in Abwesenheit des Cofaktors katalytische Aktivität aufgewiesen
hätten,
wenn die Inkubationszeit lang genug gewesen wäre, zu entdecken. Da das "Herausfischen", d. h. das Beseitigungsverfahren,
nur auf der Hybridisierung der einzigen tag-Sequenz (die von den
tag-Sequenzen der anderen Spezies verschieden ist) basiert, stört die Tatsache, dass
die variable Sequenz der Oligonucleotide, die entfernt werden sollen,
der variablen Sequenz der Oligonucleotide, die beibehalten werden
sollen, sehr ähnlich
ist, den Selektionsprozeß nicht.
-
Daher weist das in vitro-Entwicklungsverfahren
zum Erhalten des Proto-Nucleozyms
der Erfindung, das zusammen mit einem Cofaktor einen katalytischen
Komplex mit einer katalytischen Aktivität, die von einer funktionellen
Sequenz des Proto-Nucleozyms verliehen wird, bildet, die Schritte
auf:
- (a) Herstellen eines Gemisches verschiedener,
zur Entwicklung zu den Proto-Nucleozymen
in Frage kommender Oligonucleotide, von denen jedes eine variable
Sequenz, die zur Entwicklung zu der funktionellen Sequenz in Frage
kommt, und eine tag-Sequenz aufweist, wobei jede der zwei Sequenzen
von entsprechenden Sequenzen verschiedener Oligonucleotide in dem Gemisch
verschieden ist, wobei die variable Sequenz und die tag-Sequenz
durch mindestens eine spaltbare Sequenz verbunden sind;
- (b) Behandeln des Gemisches durch positive und negative Selektions-Schritte,
wobei jedem Schritt gewünschtenfalls
ein Oligonucleotid-Amplifikationsschritt folgt, wobei es mindestens
einen positiven Selektions-Schritt und mindestens einen negativen
Selektions-Schritt gibt, wobei diese Schritte aufweisen:
- (ba) einen positiven Selektions-Schritt, aufweisend das Anwendendes
spezifischen Cofaktors und das Trennen zwischen den Oligonucleotiden,
die katalytische Aktivität
haben, und denen, die keine katalytische Aktivität haben, um ein erstes ausgewähltes Gemisch,
aufweisend eine erste Gruppe von Oligonucleotiden, die in Anwesenheit
des Cofaktors katalytische Aktivität aufweisen, zu erhalten;
- (bb) Amplifizieren der ersten Gruppe von Oligonucleotiden in
dem ersten ausgewählten
Gemisch, um eine Mehrzahl von Kopien eines jeden Oligonucleotids
der ersten Gruppe von Oligonucleotiden zu erzeugen, um ein erstes
amplifiziertes Gemisch zu erhalten;
- (bc) einen negativen Selektions-Schritt, aufweisend:
- (bca) Anwenden eines Reaktionsgemisches, das von dem spezifischen
Cofaktor frei ist, und Trennen zwischen einer zweiten Gruppe von
Oligonucleotiden, die in Abwesenheit des Cofaktors keine katalytische
Aktivität
besitzen, und einer dritten Gruppe von Oligonucleotiden, die in
Abwesenheit des Cofaktors die katalytische Aktivität besitzen,
um ein zweites ausgewähltes
Gemisch, aufweisend die zweite Gruppe von Oligonucleotiden, und
ein drittes ausgewähltes
Gemisch, aufweisend die dritte Gruppe von Oligonucleotiden, zu erhalten;
- (bcb) Amplifizieren der dritten Gruppe von Oligonucleotiden
in dem dritten ausgewählten
Gemisch, um eine Mehrzahl von Kopien eines jeden Oligonucleotids
der dritten Gruppe von Oligonucleotiden zu erzeugen, um ein zweites
amplifiziertes Gemisch zu erhalten;
- (bcc) Abspalten der spaltbaren Sequenz der Oligonucleotide in
dem zweiten amplifizierten Gemisch, Trennen zwischen den variablen
Sequenzen und den tag-Sequenzen und Sammeln der tag-Sequenzen;
- (bcd) in Berührung
bringen der gesammelten tag-Sequenzen mit dem zweiten ausgewählten Gemisch
unter stringenten Hybridisierungs-Bedingungen und Entfernen hybridisierter
Oligonucleotide von anderen Oligonucleotiden des zweiten Gemisches,
wodurch ein viertes ausgewähltes
Gemisch von Oligonucleotiden, das im wesentlichen frei ist von Oligonucleotiden,
die in Abwesenheit des Cofaktors katalytische Aktivität besitzen,
erhalten wird;
wobei, wenn der positive Selektions-Schritt
dem negativen Selektions-Schritt vorangeht, der positive Selektions-Schritt
auf das in Schritt (a) hergestellte Gemisch angewendet wird und
der negative Selektions-Schritt auf das erste amplifizierte Gemisch
angewendet wird; und wenn der negative Selektions-Schritt dem positiven
Selektions-Schritt vorangeht, der negative Selektions-Schritt auf das in
Schritt (a) erhaltene Gemisch angewendet wird und der positive Selektions-Schritt
auf das vierte Gemisch angewendet wird.
-
Bevorzugt sollte der positive Selektions-Schritt
dem negativen Selektions-Schritt
vorangehen. Es ist bevorzugt, dass in dem positiven Selektions-Schritt
eines jeden der aufeinanderfolgenden Zyklen die Bedingungen mehr
und mehr stringent werden, beispielsweise kürzere Versuchszeiten, strengere
Probenherstellungsbedingungen, etc.; während in dem negativen Selektions-Schritt
die Bedingungen weniger und weniger stringent werden, was selbst
denjeni gen Oligonucleotiden mit einer sehr kleinen katalytischen
Aktivität
in Abwesenheit des Cofaktors erlaubt, ihre katalytische Aktivität auszuüben (und
daher entfernt zu werden), beispielsweise durch Verwendung längerer Inkubationszeiten,
etc..
-
Wenn der negative Selektions-Schritt
mehrfach wiederholt wird, kann jeder Schritt oder können mehrere
Schritte in Anwesenheit eines anderen Mittels, das nicht der Cofaktor
ist, durchgeführt
werden. Wenn beispielsweise der Cofaktor ein bestimmtes Protein
ist, kann jeder Schritt in der negativen Selektion in Anwesenheit
eines anderen nicht-Cofaktor-Proteins in dem Medium, das in einem
unterschiedlichen negativen Selektions-Schritt anwesend ist, inkubiert
werden.
-
Es sollte beachtet werden, dass durch
das obige in vitro-Entwicklungsverfahren Proto-Nucleozyme, die durch
bloße
Konformationsveränderung
in Nucleozyme umgewandelt werden, beseitigt werden. Derartige Proto-Nucleozyme können sich
sogar spontan, ohne den Cofaktor, in eine katalytisch aktive Form
(d. h. in das Nucleozym) umwandeln, wenn auch mit geringer Wahrscheinlichkeit.
Wegen des einzigartigen und hochgradig empfindlichen negativen Selektionsschritts,
der in dem obigen in vitro-Entwicklungsverfahren verwendet wird, werden
alle derartigen Proto-Nucleozyme identifiziert und entfernt, wobei
nur jene Proto-Nucleozyme zurückbehalten
werden, die im wesentlichen keine katalytische Aktivität haben
und den Cofaktor, der den fehlenden Bestandteil ergänzt, benötigen, um
katalytisch aktiv zu werden.
-
Die vorliegende Erfindung wird nun
in den folgenden nicht beschränkenden
Beispielen mit gelegentlicher Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen
veranschaulicht:
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen Proto-Nucleozyms,
wobei der spezifische Cofaktor ein Protein ist;
-
2A, 2B und 2C zeigen Nucleinsäure-Konstrukte, die ein Proto-Nucleozym sind, wobei
der Cofaktor eine Nucleinsäure-Sequenz
ist;
-
3 zeigt
eine Verbesserung des negativen Selektions-Schritts des Verfahrens
von 1;
-
4A zeigt
die dreidimensionale Struktur des Gruppe I-Intron-Ribozyms;
-
4B zeigt
die konservierte Nucleotid-Struktur und die Sekundärstruktur
des Gruppe I-Intron-Ribozyms;
-
4C und 4D zeigen verschiedene Modifikationen
des Ribozyms SunY;
-
4E zeigt
verschiedene Bereiche des Ribozyms SunY;
-
5 zeigt
einen Vergleich der Ligationsprodukt-Ausbeute (%) zwischen verschiedenen
SunY-Konstrukten;
-
6 und 7 zeigen Elektrophorese-Gele
der Ligationsprodukte von Ribozymen in verschiedenen Experimenten,
die erhalten wurden unter Verwendung veränderlicher Verhältnisse
von Ribozymen zu Substraten, erfaßt zu unterschiedlichen Zeiten;
-
8 zeigt
ein Diagramm der Konzentration des Ligationsprodukts (nM), das von
einem Ribozym SunY P910 bei verschiedenen Verhältnissen von Ribozym zu Substrat
erzeugt wurde, als eine Funktion der Zeit;
-
9 zeigt
ein doppelt-reziprokes (oder Lineweaver-Burt) Diagramm auf der Basis
der Parameter von 8;
-
10 zeigt
die Auswirkungen verschiedener Konzentrationen von SDS, GITC, Harnstoff
und Phenol (re-extrahiert mit Chloroform) auf die Ribozym-Reaktion;
-
11 zeigt
die Auswirkung veränderlicher
Konzentrationen der PCR-Hemmstoffe
Isopropanol, EtOH, Harnstoff, GITC und SDS auf die Ribozym-Reaktion;
-
12 zeigt
die Auswirkung von Phenol (entweder nicht extrahiert oder mit Chloroform
re-extrahiert) und eines im Handel erhältlichen ProbenherstellungsKits
auf die Ribozym-Reaktion;
-
13 zeigt
die Auswirkung veränderlicher
Konzentrationen an GITC auf die Ribozym-Reaktion (Dehnung von 10);
-
14 zeigt
die Auswirkung veränderlicher
Konzentrationen von ATA, Spermidin, DMF, DMSO, Triton, Nonidet und
Tween 40 auf die Ribozym-Reaktion;
-
15 zeigt
die Auswirkung veränderlicher
Konzentrationen von Spermidin, Triton X-100 und Tween 40 auf die
Ribozym-Reaktion (Dehnung von 14);
-
16 zeigt
den Aufbau des unveränderten
Ribozyms SunY;
-
17 zeigt
das SunY-Konstrukt, in dem das Fragment B (im Text in fettgedruckten
Buchstaben angegeben) durch die 16s rRNA-Sequenz von Chlamydia ersetzt
wurde;
-
18 zeigt
ein Elektrophorese-Gel, das die Ligationsaktivität verschiedener Gruppe I-Intron-Ribozyme
auf der Basis von Chlamydia anzeigt;
-
19 zeigt
fluoreszenzmarkierte RNA-Konstrukte, die als Ribozym-Substrate verwendet
wurden;
-
20 zeigt
die Auswirkung von denaturierender PAGE nach FRET-Überwachung;
-
21 zeigt
die relative Fluoreszenz als eine Funktion der Zeit, die die Ribozym-Ligationsaktivität in Anwesenheit
von 5% SDS 100 mM Harnstoff oder ohne Zusätze anzeigt;
-
22 zeigt
eine schematische Darstellung eines RNA-Sequenzpools, der einer
Selektion durch in vitro-Entwicklung unterliegt; und
-
23 zeigt
die Ligationsaktivität
von Proto-Nucleotiden, die Cofaktor- (auch bezeichnet als "Effektor-") abhängig ist.
-
In der Beschreibung werden die folgenden
Begriffe und Definitionen verwendet:
-
Gruppe I-Intron – Ein Intron mit einer dreidimensionalen
Struktur, wie in 3A dargestellt,
und mit einer in 3B dargestellten
konservierten Nucleotid-Struktur
und Sekundärstruktur.
-
6.2 – ein Substrat für SunY-Ligation
mit der Sequenz 5'CCCUCU3'.
-
- P1 – Rechterhand
von 4E gezeigt
- P1 = wenn N G ist
- P1RL = P1 wie in 4E,
wenn N = 5' GGAGAAU
3'
- P2 – gezeigt
in dem Ribozym von 4E
- P2A = eine Modifikation von P2, worin die Sequenz 5' GGC UUA GAG AAG
AAA UUC UUU AA 3' zwischen
# (–23)
und 0 eingeführt
wurde
- P2H = eine Modifikation von P2, worin die Sequenz 5' GGU AA 3' zwischen # (5) und
0 eingeführt
wurde
- P5 – gezeigt
in dem Ribozym von 4E
- P5SA = eine Modifikation von P5, worin die Sequenz 5' AGC UAU A3' zwischen die Basen
# 28 und # 32 eingeführt
wurde
- P5LA = eine Modifikation von P5, worin die Sequenz 5' AGC UAU AGA CAA
GGC AAU CC 3' zwischen
die Basen # 28 und # 32 eingeführt
wurde
- P9.0 – gezeigt
in dem Ribozym von 4E
- P9L = eine Modifikation von P9.0 mit der Sequenz 5' AUU CUC 3'
- P910 = eine Modifikation von P9.0 mit der Sequenz 5' AUU CUC CAC C3'
- P9A = eine Modifikation von P9 mit der Sequenz 5' AAA GCC AAU AGG
CAG UAG CGA AAG CUG CGG 3'
[Substitution
von P9 nach P9.0]
- P9JD = eine Modifikation von P9 mit der Sequenz 5' GGG GUG ACC CGA
UC 3'
[Substitution
von P9 nach P9.0]
- F910 – eine
von F9 abgeleitete Sequenz mit 10 Basenpaaren mit der Sequenz 5' AUU CUC CAC C 3'.
-
Das folgende ist eine Auflistung
von Chimären
verschiedener SunY-Konstrukte, die hierin verwendet werden:
-
-
Beispiele
-
In den folgenden Beispielen geben
die Zahlen in Klammern die Nummer des relevanten Schritts in der entsprechenden
Figur an.
-
Beispiel 1 In vitro-Entwicklung,
wobei der Cofaktor ein Protein ist.
-
i. Herstellen einer statistischen
Palette von Nucleinsäure-Sequenzen
(1)
-
Eine statistische Palette von DNA-Sequenzen
wird mit einem Standard-Nucleinsäure-Syntheseautomaten
unter Verwendung eines Programms zur Erzeugung statistischer Sequenzen
hergestellt.
-
Eine typische Sequenz ist gezeigt
in 1 Schritt (1) und
weist auf einen Promotor (P) von etwa 20 bp, eine in der Figur als "Substrat" (S) bezeichnete
Sequenz von etwa 10 bp, die von einem katalytisch aktiven Ribozym
cis-spaltbar ist (diese beiden Sequenzen sind konstant und nicht
beliebig), eine beliebig erzeugte Sequenz (R) von 50–8000 bp,
im Mittel 100, und zwei Sequenzen, die als Primer für die PCR
dienen (M), eine stromauf von der beliebigen Sequenz eine stromab
davon.
-
ii. Herstellung immobilisierter
Nucleinsäure-Sequenzen
(2 und 3)
-
Die DNA-Sequenzen von i. oben werden
unter Verwendung eines Primers mit Biotin (B) am 5'-Ende transkribiert
(1, Schritt 2). Das
Biotin wird dann mit Avidin reagieren lassen, das auf einem festen
Träger wie
Streptavidin-Perlen (SA) vorliegt, so dass jedes Molekül der statistischen
Menge auf einem festen Träger immobilisiert
wird (1, Schritt 3).
-
iii. Negativer Selektionsschritt
(4 und 5)
-
Ein Reaktionsgemisch, dem das getestete
Cofaktor-Protein fehlt, das aber Magnesiumionen enthält, die
für die
katalytische Aktivität
von Ribozymen erforderlich sind, wird zu den oben hergestellten
Nucleinsäure-Sequenzen
zugegeben. Alternativ ist es möglich,
ein Reaktionsgemisch zuzugeben, das ein anderes Protein (Pro') enthält, das
von dem beabsichtigten spezifischen Cofaktor verschieden ist (1, Schritt 4a). Dann werden
zu dem Reaktionsmedium Moleküle
zugegeben, die für
eine katalytische Aktivität
erforderlich sein können,
wie Mg++ oder GTP (1, Schritt 4b). Jene Nucleinsäure-Sequenzen,
die entweder spontan gespalten werden (Schritt 4b(ii)) oder eine
normale Spaltungsaktivität
von Ribozymen mit dem nicht getesteten Cofaktor (Pro') besitzen (Schritt
4b(i)), werden in das Medium freigesetzt und werden entfernt. Nach
dieser negativen Selektion werden nur Nucleinsäure-Sequenzen beibehalten,
die keinerlei Aktivität
zeigen (Schritt 4b(iii)). Daher enthält das nachfolgende Reaktionsgemisch
nur diese Sequenzen (erhalten in Schritt 4b(iii)).
-
iv. Positiver Selektionsschritt
(5)
-
Der spezifische Cofaktor, Protein
(Pro), wird dann zu dem Reaktionsgemisch zugegeben (1, Schritt 5a).
-
Dann wird zu dem Reaktionsgemisch
Magnesium zugegeben, um die katalytische cis-Spaltungsaktivität der statistischen
Nucleinsäure-Sequenzen
zu ermöglichen
(1, Schritt 5b).
-
Die Nucleinsäure-Sequenzen in dem Medium
können
in drei Gruppen eingeteilt werden, wie in Schritt 5b gezeigt:
- Gruppe i. Erfindungsgemäße Proto-Nucleozyme, die nur
bei Bildung eines katalytischen Komplexes mit dem spezifischen Cofaktor-Protein
aktiviert werden;
- Gruppe ii. Nucleinsäure-Sequenzen,
die mit dem Protein-Cofaktor einen Komplex bilden, aber keinerlei
katalytische Aktivität
aufweisen;
- Gruppe iii. (Die die Mehrheit der Nucleinsäure-Sequenzen enthält) Nucleinsäure-Sequenzen,
die mit dem Protein-Cofaktor keinen Komplex bildeten.
-
Der letzte Schritt der positiven
Selektion umfaßt
die Entfernung jener Nucleinsäure-Sequenzen,
die von den immobilisierten Perlen freigesetzt wurden (Gruppe i).
-
v. Amplifizierung von
abgetrennter Sequenz (6)
-
Sequenzen, die in iv. oben ausgewählt wurden,
werden amplifiziert. Die amplifizierten Produkte werden transkribiert,
an Biotin gebunden und an einem festen Träger befestigt, wie in (ii)
oben angegeben.
-
Die Schritte (2)–(6) werden dann für etwa 10
bis 100 Zyklen wiederholt, wodurch das Reaktionsgemisch allmählich mit
den Proto-Nucleozymen mit der neuen Aktivität der Erfindung, d. h. dass
sie nur in Anwesenheit des spezifischen Cofaktor-Proteins katalytisch
aktiv sind, angereichert wird. Es sollte beachtet werden, dass der
positive Selektionsschritt dem negativen Selektionsschritt vorangehen
kann.
-
Beispiel 2 Herstellung
von Haptenen, die den Cofaktor binden
-
Als ein vorbereitender Schritt vor
der Herstellung der DNA-Sequenzen von Schritt 1 (in 1) ist es möglich, zuerst kurze Sequenzen
(Haptene) zu finden, die in der Lage sind, den gewünschten
Cofaktor (Protein) zu binden.
-
Das Verfahren zur Herstellung derartiger
Haptene ist wie folgt:
- 1. Kurze beliebige Sequenzen
(etwa 80 Basenpaare) werden hergestellt und mit dem Protein-Cofaktor
reagieren lassen.
- 2. Diejenigen Sequenzen, die das Cofaktor-Protein binden, werden
identifiziert, beispielsweise durch die Verwendung von Antikörpern gegen
das Protein, durch Absorption eines Proteins an einer zur Absorption von
Proteinen befähigten
Membran, etc., und werden von den anderen Sequenzen, die keine Bindung
mit dem Protein eingegangen sind, abgetrennt.
- 3. Sequenzen, die in Schritt 2 erhalten wurden, werden amplifiziert.
- 4. Die Schritte 2 und 3 oben werden für 10 bis 30 Zyklen wiederholt,
so dass das Reaktionsgemisch mit Haptenen angereichert wird, die
in der Lage sind, das spezifische Cofaktor-Protein zu binden.
-
Diese kurzen Haptene dienen dann
als Teil der beliebigen Sequenz (R), die in Schritt 1 von 1 gezeigt ist.
-
Beispiel 3 Herstellung
einer halbbeliebigen Nucleinsäure-Sequenz
-
Manchmal ist es für die Zwecke der in vitro-Entwicklung
erwünscht,
dass die neu hergestellte Palette von Sequenzen in einem gewissen
Grad einer bekannten Sequenz, beispielsweise derjenigen eines Ribozyms, ähnelt. Wenn
es beispielsweise erwünscht
ist, dass die halbbeliebige Sequenz 70% mittlere Ähnlichkeit mit
einer spezifischen Nucleinsäure-Sequenz
hat, ist es möglich,
den Nucleinsäure-Syntheseautomaten
statt mit vier reinen Lösungen,
die jedes der Nucleotide (A, T, G und C) enthalten, mit vier Flaschen
auszustatten, von denen jede eine Lösung enthält, die aus 70% eines Nucleotids
(beispielsweise A) und 10% eines jeden der anderen drei Nucleotide
(10% G, 10%T und 10% C) zusammengesetzt ist. Durch Anweisen des
Syntheseautomaten, eine Sequenz unter Verwendung dieser vier Gemische
aufzubauen, ist es möglich,
eine Sequenz zu erhalten, die eine 70%ige Ähnlichkeit mit einer bekannten
Sequenz hat. Natürlich
können
andere Ähnlichkeits-Prozentsätze verwendet
werden.
-
Beispiel 4 In vitro-Entwicklung,
wobei der Cofaktor eine Nucleinsäure-Sequenz ist
-
I. Ein Proto-Nucleozym
zur Verwendung beim Nachweis eines Cofaktors mit einer kurzen Nucleinsäure-Sequenz
(2A):
-
Es wird eine bekannte Ribozym-Sequenz
mit einem spezifischen Kernbereich (C) gewählt. Der Kernbereich wird auf
die Sequenzen, die dem Nucleinsäure-Cofaktor am meisten ähneln, durchgemustert.
Die ähnlichen
Sequenzen werden alle zusammen entfernt (2, Schritt 2a), oder sie werden durch
eine völlig
beliebige Sequenz (R) ersetzt (2,
Schritt 2b).
-
Die Sequenzen stromauf und stromab
von dem fehlenden Kernbereich oder dem beliebigen Bereich werden
mit zwei flankierenden Sequenzen (F) versehen, die zu den Sequenzen,
die den beabsichtigten Cofaktor flankieren, komplementär sind (Schritt
3(a) und (b)). Die ursprünglichen
Ribozym-Sequenzen des in Schritt 3(b) erhaltenen Ribozyms werden
dann dotiert, d. h. um halbbeliebig (R') zu werden, wie in Beispiel 3 (Schritt
4(b)) erläutert,
beispielsweise indem sie 70% Ähnlichkeit
mit der ursprünglichen
Ribozym-Sequenz haben.
-
Was die zwei Teile des in Schritt
3(a) erhaltenen Vorläufers
betrifft, wird nur die ursprüngliche
Ribozym-Sequenz eines Teils halbbeliebig gemacht (R'), während der
andere Teil konstant bleibt (Schritt 4(a)).
-
Die in 4(a) oder 4(b) erhaltenen
Sequenzen können
dann dieselben Schritte der in vitro-Entwicklung von Beispiel I
(ii)–(v)
durchmachen.
-
Alternativ ist es möglich, eine
Sequenz herzustellen, die von 5' → 3' eine völlig beliebige
Sequenz (R), eine flankierende Sequenz (F) und eine halbbeliebige
Sequenz (R') mit
70% Ähnlichkeit
mit einem bekannten Ribozym (2B)
oder dieselbe Sequenz in der 3' → 5'-Ausrichtung (2) aufweist.
-
II. Ein Proto-Nucleozym
zur Verwendung beim Nachweis von Cofaktoren mit langen Nucleinsäure-Seauenzen
-
Die Vorgehensweise von Beispiel 4(I)
oben wird im wesentlichen wiederholt, jedoch ohne die flankierenden
Sequenzen (F) in die Sequenz einzuführen. Da der nachzuweisende
Cofaktor selbst eine sehr lange Nucleinsäure-Sequenz ist (beispielsweise
ribosomale RNA), wird angenommen, dass selbst ohne Manipulation
einige der Sequenzen des langen Cofaktors zu Sequenzen des Kerns, die
nicht entfernt oder durch beliebige Sequenzen ersetzt wurden, komplementär sein werden
(in einem gewissen Ausmaß).
-
III. Ein Proto-Nucleozym
zur Verwendung beim Nachweis eines Cofaktors mit einer Nucleinsäure-Sequenz,
die unbekannt ist
-
Gelegentlich ist nicht a priori genau
bekannt, was die Sequenz des Ziel-Cofaktors ist, beispielsweise kann
sie eine von vielen Sequenzen eines Virus oder eines Bakteriums
sein, dessen Anwesenheit nachzuweisen ist. In einem solchen Fall
ist es am besten, einige Sequenzen aus dem Kern eines Ribozyms in
statistischer Weise zu entfernen und dann die verbleibenden Teile
halbbeliebig zu machen. Es ist erwünscht, dass die entfernten
Sequenzen durch die Sequenzen der unbekannten Bakterien ergänzt werden.
-
Wenn die Schritte (ii)–(v) von
Beispiel 1 mit dem wie oben hergestellten Konstrukt wiederholt werden, ist
es notwendig, dass bei der negativen Selektion, Schritt (iii), die
Sequenzen von Viren oder Bakterien, die zu dem Reaktionsmedium zugegeben
werden, der nachzuweisenden Sequenz ähnlich sind, um irgendwelche Nucleinsäure-Sequenzen,
die durch andere Viren oder Bakterien aktiviert werden, auszuschließen. In
den Wiederholungszyklen können
andere Arten von Viren oder Bakterien für den negativen Selektionsschritt
zugegeben werden.
-
Beispiel 5 Verbesserung
des negativen Selektionsschritts unter Verwendung einer tag-Sequenz
-
i. Herstellen einer statistischen
Palette von Nucleinsäure-Seauenzen
(1)
-
Eine Palette von DNA-Sequenzen wird
mit einem Standard-Nucleinsäure-Syntheseautomaten
unter Verwendung eines Programms zur Erzeugung gewünschter
Sequenzen hergestellt.
-
Eine typische Sequenz ist in 3, Schritt (1) gezeigt und
weist auf einen Promotor (P) von etwa 20 Basen, ein Substrat S,
das durch ein katalytisch aktives Oligonucleotid cis-gespalten werden
kann, einen ersten Primer für
die PCR-Amplifikation (PCR1), eine erste Restriktionsstelle C1 von etwa 4 bis 8 Basen, eine beliebige
tag(TAG)-Sequenz von etwa 15 Basen, eine zweite Restriktionsstelle
C2 von etwa 4 bis 8 Basen (diese beiden
Sequenzen sind konstant und nicht beliebig), eine variable Sequenz
(V) von 50 bis 8000 bp mit einem Mittel bei 100, wobei die variable
Sequenz dafür
in Frage kommt, zur Entwicklung zu einer funktionellen Sequenz in
der Lage zu sein. Die variable Sequenz kann variablen Sequenzen
anderer Nucleotid-Spezies ähnlich sein,
beispielsweise da alle Sequenzen dotiert sind, d. h. einen gewissen
Prozentsatz an Nucleinsäure,
die mit denjenigen eines bekannten Ribozyms identisch sind, und
einen gewissen Prozentsatz an Beliebigkeit haben; und eine zweite
PCR-Primersequenz
(PCR2). Die variable Sequenz kommt dafür in Frage, sich zu einer Sequenz
zu entwickeln, die nach Komplexierung mit einem spezifischen Cofaktor,
der einen fehlenden Bestandteil ergänzt, katalytisch aktiv wird.
-
ii. Herstellung von immobilisierten
Nucleinsäure-Sequenzen
(2 und 3)
-
Die DNA-Sequenzen von i. oben werden
unter Verwendung eines Primers mit Biotin (B) am 5'-Ende transkribiert
(3, Schritt 2). Dann
läßt man das
Biotin mit Avidin reagieren, das auf einem festen Träger wie Streptavidin-Perlen
(SA) vorliegt, so dass jedes Oligonucleotid der Palette auf einem
festen Träger
immobilisiert wird (3,
Schritt 3).
-
iii. Positiver Selektionsschritt
(4)
-
Das spezifische getestete Mittel,
das ein Protein ist (das als der ausgewählte Satz von Bedingungen dient)
(Pro), wird dann zu dem Reaktionsgemisch zugegeben (3, Schritt 4(a)).
-
Magnesium und/oder andere Cofaktoren,
die für
die katalytische Aktivität
erforderlich sind, werden dann zu dem Reaktionsgemisch zugegeben,
um die katalytische cis-Spaltungsaktivität der variablen Sequenzen der
Oligonucleotide bezüglich
Substrat-Sequenzen S zu erlauben (3,
Schritt 4(a)).
-
Die Oligonucleotid-Sequenzen in dem
Medium können
in drei Klassen eingeteilt werden, wie in Schritt 4(b) gezeigt:
- Klasse i. Oligonucleotide, die nur bei Bildung
eines katalytischen Komplexes mit dem spezifischen Cofaktor Pro
aktiviert werden und das Substrat S spalten und daher in das Medium
freigesetzt werden;
- Klasse ii. Oligonucleotide, die selbst ohne ein Protein katalytische
Aktivität
aufweisen;
- Klasse iii. (Die die Mehrheit der Nucleinsäure-Sequenzen aufweist) Oligonucleotide,
die bei dem vorliegenden Cofaktor keine katalytische Aktivität zeigten.
-
Der letzte Schritt der positiven
Selektion umfaßt
das Sammeln derjenigen Oligonucleotide, die von den immobilisierten
Perlen freigesetzt wurden (Klasse i und Klasse ii).
-
iv. Amplifikation einer
abgetrennten Sequenz (5)
-
Gewünschtenfalls kann an den Oligonucleotiden
haftendes Protein durch Denaturierung durch Erhitzen oder durch
Phenol-Chloroform-Extraktion entfernt werden.
-
Die in Schritt 4 oben gesammelten
Sequenzen werden revers transkribiert und durch PCR amplifiziert. Da
die Substrat-Sequenz S abgespalten wurde (Schritt 4b), sollte diese
Sequenz wieder hergestellt werden durch Verwendung von Primern entweder
zum Zweck reverser Transkription oder für PCR-Zwecke, wobei die Primer
die Sequenz des abgespaltenen Substrats enthalten, und so ist das
amplifizierte und wieder hergestellte Produkt wiederum mit 1 identisch.
Die amplifizierten Produkte werden transkribiert, an Biotin gebunden
und an einem festen Träger
befestigt wie oben angegeben (Schritt 6).
-
v. Negativer Selektionsschrit
(7)
-
Die amplifizierten und immobilisierten
Oligonucleotide von Schritt 6 werden einem negativen Selektionsschritt
unterzogen. In diesem Schritt wird die katalytische Aktivität entweder
in Abwesenheit irgendeines Proteins oder in Anwe senheit von Nicht-Cofaktor-Mitteln,
die dem spezifischen Cofaktor ähnlich
sind, der zu dem Reaktionsgemisch zugegeben wird, wobei die Mittel
ein Protein sind, das dem spezifischen Cofaktor ähnlich ist (Pro') (Schritt 7a), bestimmt;
Magnesium und/oder andere für
die katalytische Aktivität
erforderliche Reagenzien werden zugegeben (Schritt 7b).
-
Die durch Spaltung der Substrat-Sequenz
S in das Medium freigesetzten Oligonucleotide gehören drei Klassen
an:
- Klasse i. in der das Nicht-Cofaktor-Protein
die Spaltung der Substrat-Sequenz
bewirkte;
- Klasse ii. die Oligonucleotide enthält, die ohne Erfordernis irgendeines
externen Cofaktors, welcher Art auch immer, spalteten; und
- Klasse iii. die überhaupt
nicht gespalten werden.
-
Die beiden Klassen i. und ii. werden
gesammelt (Schritt 7c), und das Protein wird entfernt (Schritt 7d). Die
Sequenzen werden revers transkribiert und durch PCR amplifiziert,
um ein doppelsträngiges
Konstrukt herzustellen (Schritt 8). Geeignete Restriktionsenzyme
werden zugegeben, um die Sequenzen C1 und
C2 zu spalten, wobei eine Spaltstelle ein
glattes Ende und eine ein klebriges Ende bildet (Schritt 9). Das
klebrige Ende wird mit Hilfe von biotinierten Nucleotiden ergänzt und
dann wird die abgetrennte TAG-Sequenz an einem festen Träger (Avidin)
immobilisiert und denaturiert, so dass eine einzelsträngige denaturierte
immobilisierte tag-Sequenz zurückbleibt.
-
Die immobilisierten tag-Sequenzen
von Schritt 10 werden mit in Schritt 4(b) gesammelten Nucleotiden (Klasse
i und Klasse ii) in Berührung
gebracht (Schritt 11). Moleküle
der Gruppe, die mit der immobilisierten TAG-Sequenz hybridisieren,
werden entfernt (Schritt 12), so dass nur Moleküle zurückbleiben, die in Anwesenheit
des spezifischen Cofaktors (Pro) Spaltung aufweisen, und ohne irgendein
Protein oder in Anwesenheit eines Nicht-Cofaktor-Mittels (Pro') keine Spaltungsaktivität aufweisen.
-
Die in Schritt 11 erhaltenen Oligonucleotide
werden wiederum für
2 bis 1000 Zyklen, bevorzugt 10 bis 100 Zyklen, besonders bevorzugt
20 bis 30 Zyklen, allen vorhergehenden Schritten unterzogen.
-
Beispiel 6 Ligation der
Substrate PIRL und 6.2: Vergleich zwischen 15 verschiedenen SunY-Ribozymen
-
Ein Vergleich der Fähigkeit
zur Ligation der Substrate PIRL und 6.2 wurde zwischen den folgenden
15 von SunY abgeleiteten Ribozymen durchgeführt:
∎ SNYP9L; | ∎ SNYP2AP9JD; |
∎ SNYP2P9L; | ☐ SNYP5SAP9L; |
☐ SNYP910; | ∎ SNYP2P5SAP9L; |
☐ SNYP2P910; | ∎ SNYP2HP5SAP9L; |
∎ SNYP2HP9L; | ∎ SNYP5LAP9L; |
∎ SNYP2AP9A
(auf); | SNYP2P5LAP9L; |
☐ SNYP2AP9A
(ab); | ∎ SNYP2HP5LAP9L; |
∎ SNYP9JD; | ∎ SNYP9L |
-
Die Reaktionsbedingungen waren wie
folgt:
Molverhältnis
Ribozym: PIRL:6.2 = 1 : 5 : 5
Ribozym-Endkonzentration: 0,5 μM.
-
Das Reaktionsgemisch, das das Ribozym,
PIRL und das 6.2-Substrat enthielt, wurde zwei Minuten lang bei
58°C in
einem Puffer, der 30 mM tris-HCl, pH 7,4 (bei 25°C)/10 mM NH4Cl/0,4
M KCl/20% Ethanol enthielt, vorinkubiert. Die Lösung wurde auf 45°C abgekühlt, und
die Reaktion begann durch den Zusatz von endgültigen 90 mM MgCl2 in
einem Reaktionsvolumen von 5 μl.
Die Reaktion wurde nach 30 Minuten beendet durch den Zusatz von
10 μl Puffer,
2 × eingebracht,
der 7 M Harnstoff enthielt. Die Proben wurden 2 bis 3 Minuten lang
bei 80°C
erhitzt und auf ein 20%iges PAA-Gel, das 7 M Harnstoff enthielt,
aufgebracht. Die radioaktiven Gele wurden mit Hilfe eines Biorad
Phosphoimager-Systems analysiert.
-
Die Ergebnisse sind in 5 gezeigt. Wie man sehen
kann, behalten verschiedene Ribozyme, die von dem SunY-Ribozym abgeleitet
wurden, die Fähigkeit
zur Ligation von Substraten bei.
-
Beispiel 7 Kinetische
Studien an dem Ribozym SunY P910 unter Verwendung der Substrate
PIRL und 6.2
-
Das Ribozym SunY P910 wurde zur Ligation
der Substrate PIRL und 6.2 verwendet.
-
Die Reaktionsbedingungen waren wie
folgt:
Molverhältnisse
zwischen Ribozym: PIRL: 6.2 = 1 : 2,5 : 2,5 bis 1 : 20 : 20
Ribozym-Endkonzentration:
0,25 μM.
-
Das Reaktionsgemisch, das das Ribozym
und die Substrate PIRL und 6.2 enthielt, wurde 2 Minuten lang bei
58°C in
einem Puffer, der 30 mM tris-HCL, pH 7,4 (bei 25°C)/10 mM NH4Cl/0,4
M KCl/20% Ethanol enthielt, vorinkubiert. Die Lösung wurde auf 45°C abgekühlt und
die Reaktion begann durch den Zusatz von endgültigen 90 mM MgCl2-Konzentration
in einem endgültigen
Reaktionsvolumen von 5 μl.
-
Zu den bezeichneten Zeiten wurden
die Reaktionen durch den Zusatz von 10 μl Puffer, zweimal eingebracht,
der 7 M Harnstoff enthielt, beendet. Die Proben wurden 2 bis 3 Minuten
lang bei 80°C
erhitzt und auf ein 20%iges PAA-Gel, das 7 M Harnstoff enthielt,
aufgebracht.
-
Die radioaktiven Gele wurden in einem
Biorad Phosphoimager-System analysiert. Die Ergebnisse sind in den 6 und 7 gezeigt.
-
Diese Ergebnisse wurden zur Aufzeichnung
der in 8 dargestellten
kinetischen Graphik verwendet, die zur Erzeugung der Lineweaver-Burt-Graphik
von 9 verwendet wurde.
Der berechnete Km war 4,7 μm und
der berechnete Kcat war 6 Minuten–1.
Diese Ergebnisse zeigen eine gewaltige Verbesserung bei Km und eine
Verbesserung um 1800 bei Kcat, verglichen
mit den vorher (Daten nicht gezeigt) mit dem unveränderten Ribozym
SunY erhaltenen Ergebnissen.
-
Beispiel 8 Auswirkung
der Lyse-Bedingungen auf die Ribozym-Kinetik
-
Konventionelle Amplifikationssysteme
basieren auf Protein-Enzymen. Daher sind entweder mühselige Reinigungsschritte
erforderlich oder es müssen
sehr spezielle und milde Lyse-Bedingungen ausgearbeitet werden.
Im Gegensatz dazu sind Ribozym-Reaktionen sehr robust und unempfindlich
gegenüber
scharfen Bedingungen wie:
- – hohen Konzentrationen des
starken, ionischen Detergens SDA (bis zur Löslichkeitsgrenze: 5% bei 45°C in Anwesenheit
von 400 mM KCl)
- – hohen
Konzentrationen des nichtionischen Detergens Triton X-100 (10% bei
45°C sind
sogar stimulierend)
- – Denaturierungsmitteln
wie Harnstoff (100 mM haben keine Wirkung)
- – Nuclease-Hemmstoff
EDTA
- – Ribonuclease-Hemmstoff
ATA
- – organischen
Lösungsmitteln
wie Isopropanol, Ethanol.
-
Die Auswirkungen aller Zusatzstoffe
auf die Ribozym-Reaktionen wurden durch Polyacrylamid-Gelelektrophorese
analysiert und sind hierin im folgenden gezeigt.
-
I. Auswirkung von Denaturierungsmitteln
(SDA, GITC, Harnstoff und Phenol) auf die Ribozym-Reaktionsgeschwindigkeit
-
Reaktionsbedingungen:
-
0,5 μM und 5 μM P1 BS und 5 μM 32P-markiertes Substrat 6.2 wurden bei 58°C in Reaktionspuffer,
der SDS, GITC, Harnstoff oder Chloroform in den in 9 angegebenen Konzentrationen, oder 25%
(v/v) des wässerigen Überstands über der
Phenol- oder Phenol/Chloroform-Phase enthielt, inkubiert. Der Pfeil
oben an der Figur zeigt eine erneute Extraktion der wässerigen
Phase mit Chloroform an; wieder wurden 25% des wässerigen Überstands zu der Ri bozym-Reaktion
zugegeben. Nach langsamem Abkühlen
auf 45°C
wurde die Reaktion durch die Zugabe von MgCl2 in
einer Endkonzentration von 150 mM in Gang gesetzt. Nach 60 Minuten wurde
die Reaktion durch Löschen
mit 8 M Harnstoff beendet.
-
Die Ergebnisse sind in 10 gezeigt. Wie man sehen
kann, veränderte
der Zusatz von Denaturierungsmitteln oder Phenol nach erneuter Extraktion
mit Chloroform das Ribozym im Vergleich zur Kontrolle nicht signifikant.
-
II Auswirkung von PCR-Hemmstoffen
(Isopropanol EtOH, Harnstoff, GITC und SDS) auf die Ribozym-Reaktionsgeschwindigkeit
-
0,5 μM SunY und 5 μM 32P-markiertes Substrat 6.2 und 5 μM PI BS wurden
bei 58°C
in Reaktionspuffer, der die angegebenen Konzentrationen verschiedener
PCR-Hemmstoffe enthielt (EtOH wie angegeben, alle anderen enthalten
10% EtOH), vorinkubiert und langsam abgekühlt. Nachdem die Reaktion 45°C erreicht hatte,
wurde die Reaktion durch Zugabe von MgCl2 zu
einer Endkonzentration von 150 mM gestartet. Nach 60 Minuten wurde
die Reaktion durch Löschen
mit 8 M Harnstoff beendet. Die Ergebnisse sind in 11 gezeigt.
-
Wie man sehen kann, beeinflussen
verschiedene Mittel, die PCR-Reaktionsmittel hemmen, Reaktionen
auf Ribozym-Basis nicht signifikant, was Reaktionsmittel auf Ribozym-Basis
für Nachweiszwecke
attraktiver macht.
-
III. Auswirkung von Phenol
und im Handel erhältlichem
Probenherstellungs-Kit
auf die Ribozym-Reaktionsgeschwindigkeit
-
0,5 μM SunY und 5 μM PI BS und
5 μM 32P-PIP wurden bei 58°C in Reaktionspuffer vorinkubiert,
wobei der Puffer die folgenden Zusätze enthielt: 25% (v/v) der
wässerigen
Schicht über
Phenol oder Phenol/Chloroform. Der Pfeil zeigt eine erneute Extraktion
mit Chloroform an; wieder wurden 25% der wässerigen Schicht zugegeben.
Die folgenden Lösungen
wurden von dem im Handel erhältlichen
Amplicor CT/NG-Kit (Chlamydia trachomatia/Nelsseria gonorrhoe) Specimen
Prep Kit (Roche) zugegeben: 25% oder 10% (v/v) Urin-Waschpufter; 25%
oder 10% CT/NG Probenverdünnungsmittel;
25%, 10% oder 8,3% CT/NG-Lysepufter, der ein nicht-spezifiziertes,
nicht-ionisches Detergens enthält.
-
Nachdem die Temperatur 45°C erreicht
hatte, wurde die Reaktion durch die Zugabe von MgCl2 zu
einer Endkonzentration von 150 mM gestartet. Die Reaktion wurde
nach 60 Minuten durch Löschen
mit 8 M Harnstoff beendet. Die Ergebnisse sind in 12 gezeigt.
-
Wie man sehen kann, beeinflußte weder
Phenol, das in verschiedenen Laboratorien umfangreich zur Probenherstellung
verwendet wird (nach erneuter Extraktion durch Chloroform), noch
ein im Handel erhältlicher
Probenherstellungskit die Ribozym-Reaktion. Das in Anwesenheit von
Phenol durchgeführte
Laborverfahren sollte einen erneuten Extraktionsschritt durch Chloroform
enthalten, bevor die Probe der Ribozym-Reaktion unterzogen wird.
-
IV Auswirkung
variierender Konzentrationen von GITC auf die Ribozym-Reaktionsgeschwindigkeit
-
0,25 μM SunY und 5 μM 32P-markierte Substrate 6.2 und 5 μM PI BS wurden
bei 58°C
in Reaktionspuffer vorinkubiert, wobei der Puffer GITC in Zuwächsen von
100 mM von 0 bis 1 M enthielt, und langsam abgekühlt. Nachdem die Temperatur
45°C erreicht
hatte, wurde die Reaktion durch Zugabe von MgCl2 bis
zu einer Endkonzentration von 150 mM gestartet. Nach 30 Minuten
wurde die Reaktion durch Löschen
mit 8 M Harnstoff beendet.
-
Die Ergebnisse sind in 13 gezeigt. Wie man sehen
kann, beeinflußte
GITC bis zu 300 mM die Reaktionsgeschwindigkeit nicht.
-
V Auswirkung verschiedener
Zusätze
(ATA, Spermidin, DMF, DMSO, Triton, Nonidet und Tween 40) auf die Ribozym-Reaktion
-
0,5 μM SunY und 5 μM PI BS und
5 μM 32P-markierte Substrate 6.2 wurden bei 58°C in Reaktionspuffer,
der die angegebenen Zusätze
enthielt, vorinkubiert. Nach langsamem Abkühlen auf 45°C wurde die Reaktion durch Zugabe
von MgCl2 bis zu einer Endkonzentration
von 150 mM gestartet. Nach 60 Minuten wurde die Reaktion durch Löschen mit
8 M Harnstoff beendet. Die relativen Produktausbeuten sind angegeben:
Der Wert für
die Kontrolle ohne Zusätze
wurde als 100 festgelegt. Die signifikante Stimulierung mit Triton
X-100 ist fettgedruckt.
-
Die Ergebnisse sind in 14 gezeigt. Wie man sehen
kann, verringerten die meisten der Zusätze die Ribozym-Reaktion nicht
signifikant, während
Triton X-100 die Ribozym-Aktivität
um 80% erhöhte.
-
VI Auswirkung von Zusätzen (Spermidin,
Triton X-100 und Tween 40) auf die Reaktionsgeschwindigkeiten
-
0,5 μM SunY und 5 μM PI BS und
5 μM 32P-markierte Substrate 6.2 wurden bei 58°C in Reaktionspuffer,
der die in 14 angegebenen
Zusätze
enthielt, inkubiert. Nach langsamem Abkühlen auf 45°C wurde die Reaktion durch die
Zugabe von MgCl2 bis zu einer Endkonzentration
von 150 mM gestartet. Nach 60 Minuten wurde die Reaktion durch Löschen mit
8 M Harnstoff beeendet. Relative Produktausbeuten sind angegeben: Der
Wert für
die Kontrolle ohne Zusatz wurde als 100 festgelegt. Die signifikante
Stimmulierung mit Triton X-100
ist fettgedruckt. Die Ergebnisse sind in 15 gezeigt.
-
Wie aus den verwendeten Zusätzen ersichtlich
ist, hemmte nur Tween 40 bei einer Konzentration von 20% die Reaktion
signifikant. Triton X-100 war bei allen getesteten Konzentrationen
in der Lage, die Aktivität um
28% bis 85% zu erhöhen.
-
Beispiel 9 Proto-Nucleozyme
auf der Basis von Chlamydia
-
Ein Teil des katalytischen Kerns
eines entwickelten SunY-Ribozyms wurde durch 16s rRNA-Sequenzen
von Chlamydia trachomatis ersetzt. Entsprechende Veränderungen
wurden in das Ribozym eingeführt,
um den Chlamydia-Ersatz unterzubringen. 16 zeigt den Ribozym-Wildtyp mit der
zu ersetzenden Sequenz in Fettdruck. 17 verschiedene Ribozym-Sequenzen
wurden hinsichtlich Spleißaktivität getestet. 17 zeigt die tatsächliche
Sequenz des Ribozyms (Option 29), die aktiv ist, wenn ein Teil seiner
Kernsequenz durch Chlamydia-Sequenzen (die letzteren fett gedruckt
dargestellt) ersetzt wurde.
-
Die Experimente wurden wie folgt
durchgeführt.
-
In 18 wurden
2 μM eines
jeden der 17 mutmaßlichen
Chlamydia-abhängigen
Ribozyme 18 Stunden lang bei 45°C
mit 4 μM
Substrat zur Reaktion gebracht. Der SunY-Ribozym-Wildtyp wurde als
positive Kontrolle verwendet. Die Reaktionen wurden mit 5 mM EDTA
und 3,5 M Harnstoff, Endkonzentration, beendet und dann auf einem
20% PAA-7M Harnstoff-Gel laufen lassen. Die Ergebnisse sind in 18 gezeigt.
-
Diese Ergebnisse zeigen, dass ein
Ribozym (Option 29), bei dem ein Teil seiner Nucleotide durch 16s rRNA-Sequenzen
von Chlamydia trachomatis ersetzt wurde, katalytisch aktiv sein
kann. Dieses Ribozym ohne die Chlamydia-Sequenz kann als ein erfindungsgemäßes Proto-Nucleozym
dienen und in einem Test zum Nachweisen der Anwesenheit von Chlamydia
verwendet werden, da die Chlamydia-Sequenzen (die als Cofaktoren
dienen) seine fehlenden Sequenzen ergänzen und daher ein katalytisch
aktives Nucleozym bilden können.
-
Beispiel 10 Nachweis der
Ribozym-Ligationsreaktion unter Verwendung von Fluoreszenzenergieübertragung (FRET,
fluoresence energy transfer)
-
Ein geeignetes Modell zum Nachweisen
von Ribozym-Aktivität,
die Spaltung, Spleißen
oder Ligation sein kann, ist die Verwendung eines Fluoreszenzfarbstoffs
wie Fluorescein (F) und eines Löscherfarbstoffs CY-5.
Wenn die zwei Farbstoffe zusammengebracht werden (beispielsweise
aufgrund von Ligation oder Spleißen) kann der Reporter-Farbstoff
(F) Licht absorbieren, aber die Fluoreszenz wird durch FRET gelöscht: Die Energie
wird an den Löscher-Farbstoff CY-5 übertragen,
der sein deutlich unterschiedliches Fluoreszenzlicht bei 670 nm
emittiert. Als eine Folge der Ligations-oder Spleiß-Reaktion
wird das/werden die F-markierte(n) Nucleotid(e) freigesetzt. Nun
kann der Repor ter-Farbstoff seine eigene, charakteristische Fluoreszenz
bei 522 nm emittieren.
-
Es wurden zwei kleine RNAs, die gut
charakterisierte Substrate für
die Ligation durch Gruppe I-Ribozyme sind, gewählt.
-
Jede RNA wird mit nur einem Farbstoff
markiert:
- – die
große
RNA trägt
den "Reporter-" Farbstoff Fluorescein
(F) an ihrem 5'-Ende;
- – die
kleine RNA trägt
den "Löscher-" Farbstoff CY-5 an
ihrem 5'-Ende.
-
Beide RNAs assoziieren unter Reaktionsbedingungen.
-
Die Ribozym-Konstrukte sind in 19 gezeigt.
-
Vor der Ribozym-Reaktion hybridisieren
beide RNA-Substrate unter Bildung einer Haarnadel mit Strangbruch.
Einfallendes Licht (hν;
in der Figur als durchgehender Pfeil dargestellt) wird durch Fluorescein (F)
absorbiert und an CY-5 übertragen
(gestrichelter Pfeil), das daraufhin seine eigene charakteristische
Fluoreszenz bei 670 nm (hν;
Zickzack-Pfeil) emittiert.
-
Nach der Reaktion wird das Fluorescein
markierte Trinucleotid (F-UGG) freigesetzt, und das absorbierte
Licht wird direkt von Fluorescein mit der charakteristischen Wellenlänge von
522 nm emittiert.
-
Diagramm 11: Ein Beispiel
für Echtzeitüberwachung
-
FRET kann gemessen werden durch Berechnen
des Verhältnisses
des Signals von dem Reporter-Farbstoff F (bei 522 nm) zu einem inerten
Signal bei 500 nm.
-
Dieses Verhältnis wird gegen die Zeitachse
aufgetragen: nach Inkubationsintervallen von 5 Minuten wurde die
Fluoreszenz 30 Sekunden lang gemessen.
-
Jede Messung wird durch einen kleinen
Peak deutlich: wegen des Photobleichens fällt das Signal während der
Meßdauer
ab und regeneriert sich während
des Dunkelintervalls. Die Ergebnisse sind in 21 gezeigt.
-
Reaktionsbedinungen: 1 μM SunY und
1 μM 5'-Fluorecein-markiertes
PI BS und 5 μM
5'-CY-5-markiertes
PIP wurden zur Echtzeitüberwachung
in dem ABI Prisma 7700 inkubiert. Die Inkubation wurde bei 45°C 180 Minuten
lang mit Datensammlung in Intervallen von 5 Minuten durchgeführt. Gezeigt
ist die Veränderung der
relativen Fluoreszenz des Reporter-Farbstoffs Fluorescein. Zur weiteren
Analyse wurden 10 μl-Teilmengen der
Proben durch denaturierende Polyacrylamid-Gelelektrophorese analysiert
(gezeigt in 19). Der
Vergleich zeigt, dass GITC das Fluorescein-Signal löscht, die
Ribozym-Reaktion aber nicht hemmt.
-
Die Ergebnisse sind in 20 gezeigt, die auch die
Auswirkung von Denaturierungsmitteln auf die Reaktionsgeschwindigkeit
und den Nachweis zeigt.
-
In der Abwesenheit von Ribozym gibt
es keine Veränderung
des FRET-Signals. Bei Anwesenheit von Ribozym ohne weitere Zusätze verändert sich
das Signal von einem Anfangswert "4.2" zu
einem Endwert "6.2".
-
Sehr ähnliche Veränderungen wurden beobachtet,
wenn 200 mM Harnstoff oder 5% SDS zugegeben wurden, was anzeigt,
dass diese Zusätze
weder die Reaktionsgeschwindigkeit noch das nachweisbare Signal signifikant
verändern.
-
Obwohl 100 mM Guanidinium-isothiocyanat
(GITC) die Ribozym-Reaktion nicht hemmen (12), ist es unmöglich, GITC aufzunehmen, wenn
Fluorscein als Reporter-Farbstoff verwendet wird, da GITC ein sehr starker
Löscher
für Fluorescein
ist. Die Wirkung von GITC ist jedoch spezifisch für den Farbstoff,
da mit anderen Fluorochromen wie CY-5 keine Löschung beobachtet wurde (Daten
nun gezeigt).
-
Beispiel 12
-
I. Erzeugung
von Ziel-abhängigen
Ribozym-Proto-Nucleozymen aus einer statistischen Sequenz
-
In vitro-Entwicklung wurde verwendet,
um Proto-Nucleozyme herzustellen, die nur in Anwesenheit eines Cofaktors
katalytisch aktiv sind.
-
Das Selektionsschema ist ähnlich demjenigen,
das von Bartel und Szotstak (Science, 261:1411–1418 (1993)) verwendet wurde.
Ein Pool statistischer RNA-Sequenzen (N90) beginnt mit einem 5'-Triphosphat. Der Pool
wird an einer Affinitätsmatrix,
die zu dem 3'-Ende
des Pools komplementär
ist, festgehalten und mit einem RNA-Substrat, an das eine DNA-Sequenz
angehängt
ist, gemischt. Nach der Ligation kann die RNA aus der Säule eluiert,
mittels eines cDNA-Primers revers transkribiert und mittels eines
Primers, der zu dem neu verknüpften
DNA-tag komplementär
ist, PCR-amplifiziert werden. Eine verschachtelte PCR-Reaktion unter
Verwendung eines inneren Primers erzeugt eine Matrize, die wiederum
transkribiert werden kann, um ausgewählte Ligasen neu zu bilden.
Dieser Zyklus kann zur Selektion der schnellsten und aktivsten Ligasen
verwendet werden.
-
Der schematische Pool von RNA-Sequenzen,
an dem die Selektion durchgeführt
wird, ist in 22 zusammen
mit der Sequenz seines 3'-Endes
und seinem komplementären
cDNA-Primer gezeigt.
-
Nach mehreren Selektionsrunden wurde
der Pool kloniert und einzelne Klone wurden hinsichtlich Aktivität und Cofaktorsequenz-Abhängigkeit
untersucht.
-
Die Hauptklasse ausgewählter Ligasen
kann die Anfügung
des gemischten markierten RNA-DNA-Substrats an sich selbst effizient
katalisieren. Unter Standard-Testbedingungen wurde eine Zeitfolge
durchgeführt,
und die Ligationsprodukte wurden von unverknüpften Ribozymen durch Trennung
auf einem denaturierenden PAA-Gel abgetrennt. In Abwesenheit von
entweder Mg+2 oder des Cofaktors, der eine
spezifische Nucleinsäure-Sequenz
war, wurde keine Reaktion beobachtet. Die relative Menge an radioaktiver
Markierung in verknüpften
und unverküpften
Ribozymen wurde unter Verwendung eines Phosphoimagers bestimmt,
der Hintergrund in Abwesenheit von Cofaktor wurde von diesen Werten
abgezogen, und das Ausmaß der
Reaktion wurde als eine Funktion der Zeit aufgetragen. Anfangsgeschwindigkeiten
und das volle Ausmaß der
Reaktionen wurden unter Verwendung von Standard-Kurvenanpassungsverfahren
bestimmt und sind in 23 gezeigt.
Wie man sehen kann, wurden in Abwesenheit von Cofaktor oder Mg+2 keine verknüpften Produkte erzeugt.
-
Die Klone wurden außerdem hinsichtlich
Spezifität
untersucht. Eine Reihe von DNA- oder RNA-Nucleotidsequenz-Cofaktoren
wurde synthetisiert, und ihre Fähigkeiten
zur Aktivierung der Proto-Nucleozyme wurden bestimmt. Die Werte
wurden wie oben beschrieben berechnet, wobei "–" bedeutet, dass re lativ
zum Hintergrund keine Aktivität
gemessen werden konnte. Doppelt oder dreifach ausgeführte Experimente
zeigten an, dass die relativen Aktivitäten von "aktiven" (z. B. Zeilen (1) und (9) und "inaktiven" (z. B. Zeilen (6)
und (10)) Cofaktoren zwischen den Experimenten konsistent sind.
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Die Ergebnisse sind in Tabelle III
gezeigt.
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Eine Vielfalt möglicher Cofaktoren wurde synthetisiert
und hinsichtlich ihrer Fähigkeit
zur Steigerung der Ligaseaktivität
untersucht; die Ergebnisse dieser Experimente sind in Tabelle III
gezeigt. Oligonucleotid-Cofaktoren, die die Komplementarität in Richtung
des 5'-Endes der
RNA verlängerten
oder in Richtung des 3'-Endes
verkürzten,
zeigten wenig oder gar keine Aktivierung relativ zu Kontrollen ohne
Effektor (Tabelle III, Zeilen (2) und (3)). Diese Ergebnisse schienen
anzuzeigen, dass die Position des Cofaktors für die Aktivität wesentlich
ist und dass das 3'-Ende
des Cofaktors eine Rolle bei der Aktivierung spielen könnte. Ein
Cofaktor mit einer Substitution von G zu A am 3'-Ende wurde synthetisiert. Die C : A-Fehlpaarung
war viel weniger aktiv als der voll komplementäre Effektor (Zeile (4)). Der
Aktivitätsverlust,
den man bei der Änderung
von G zu A in dem Effektor sieht, konnte jedoch durch eine ausgleichende
Veränderung
von C zu U in dem Ribozym unterdrückt werden (Zeile (5)). Diese
Ergebnisse scheinten anzuzeigen, dass das 3'-Ende des Ribozyms wie eine "terminate Guidesequenz" (TGS) wirkte. Der
Cofaktor, der in einem Dideoxy-Nucleotid endete, konnte die Katalyse
nicht aktivieren (Zeile 6)). Im Gegensatz dazu aktivierte ein All-RNA-Cofaktor
die Katalyse nahezu so gut (relative Aktivität = 0,72; Zeile (7)) wie der
ursprüngliche
All-DNA-Effektor. Insgesamt genommen heben diese Ergebnisse hervor,
dass das Ribozym zur spezifischen Erkennung seines spezifischen
Oligonucleotid-Cofaktors in der Lage ist.
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II. Aktivierung in Anwesenheit
statistischer Sequenzen
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Das oben in I beschriebene Experiment
wurde mit einem Cofaktor von 12 monomeren Einheiten in Anwesenheit
einer beliebigen Sequenz von 12 Nucelotiden oder in Anwesenheit
sowohl der beliebigen Sequenz als auch des Cofaktors, wenn entweder
beide dieselbe Konzentration hatten (1,3 μM) oder die beliebige Sequenz
im Überschuß vorlag
(10 : 1), wiederholt.
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Die Ergebnisse sind in 23 gezeigt. Wie man sehen
kann, war ein Cofaktor von 12 monomeren Einheiten in der Lage, bei
mehreren Konzentrationen das Proto-Nucleozym zu aktivieren, während der
Pool beliebiger Sequenzen keine derartige Aktivierung zeigte. Darüber hinaus
beeinflußt
der Pool beliebiger Sequenzen selbst in Überschußkonzentration nicht die Fähigkeit
des korrekten Cofaktors, das Proto-Nucleozym zu aktivieren. Diese
Ergebnisse zeigen die Spezifität
des erfindungsgemäßen Proto-Nucleozyms
für seinen spezifischen
Cofaktor und beweisen, dass die Anwesenheit anderer Sequenzen diese
Spezifität
nicht beeinflußt.