DE10026713A1 - Mutein a chain of a protein from the superfamily of the growth factor TGF-beta - Google Patents
Mutein a chain of a protein from the superfamily of the growth factor TGF-betaInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Muteine einer Kette eines Proteins aus der Superfamilie des Wachstumsfaktors TGF-β mit antagonistischer und/oder partiell agonistischer Aktivität, Derivate eines Proteins aus der TGF-β Superfamilie, pharma zeutische Zusammensetzungen, die die erfindungsgemäßen Muteine und/oder Derivate umfassen sowie die für die Muteine oder Derivate davon kodierenden Nukleinsäuren.The present invention relates to muteins of a chain of a protein from the Superfamily of the growth factor TGF-β with antagonistic and / or partial agonistic activity, derivatives of a protein from the TGF-β superfamily, pharma Zeutische compositions containing the muteins and / or derivatives of the invention include and the nucleic acids coding for the muteins or derivatives thereof.
Die Protein-Familie des TGF-(transformierender Wachstumsfaktor)-β umfasst eine große Anzahl von strukturell verwandten Polypeptid-Wachstumsfaktoren, deren jeder eine faszinierende Reihe zellulärer Prozesse, einschließlich der Zellproliferation, Zellliniendetermination, Differenzierung, Mobilität, Adhäsion und Zelltod reguliert. Die Faktoren werden entsprechend komplexer zeitlicher und gewebespezifischer Muster exprimiert und spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung, Homöostase und Reparatur von nahezu allen Geweben in eukaryontischen Organismen, von der Fruchtfliege bis hin zum Menschen. Insgesamt sind diese Faktoren für einen wesentlichen Teil der intrazellulären Signale verantwortlich, die das Zellschicksal bestimmen.The TGF- (transforming growth factor) -β protein family includes one large number of structurally related polypeptide growth factors, each of which a fascinating range of cellular processes, including cell proliferation, Cell line determination, differentiation, mobility, adhesion and cell death regulated. The Factors become correspondingly complex, temporal and tissue-specific patterns expresses and play an important role in development, homeostasis and Repair of almost all tissues in eukaryotic organisms, from the Fruit fly to human. Overall, these factors are for one essential part of the intracellular signals responsible for cell fate determine.
Eine Reihe von Arbeiten der vergangenen Jahre hat zur Aufklärung des TGF-β- Signaltransduktionsweges geführt. Die Signaltransduktion involviert Rezeptor- Serinkinasen an der Zelloberfläche, deren Substrate, die SMAD-Proteine, nach Phosphorylierung in den Kern wandern, wo sie die Transkription des Zielgenes in Zusammenarbeit mit DNA-bindenden Partnern aktivieren. Die multifunktionelle Natur von TGF-β und der weiteren zur TGF-β Superfamilie gehörenden Faktoren scheint auf dem Zusammenspiel unterschiedlicher Rezeptoren, SMAD-Proteine und DNA- bindender Proteine zu beruhen. Störungen dieses Signal-Transduktionsweges sind die Ursache verschiedener Formen menschlicher Karzinome und Entwicklungsstörungen. A number of works in recent years have been carried out to elucidate the TGF-β Signal transduction path led. Signal transduction involves receptor Serine kinases on the cell surface, their substrates, the SMAD proteins Phosphorylation migrate to the nucleus, where they transcribe the target gene in Activate collaboration with DNA binding partners. The multifunctional nature of TGF-β and the other factors belonging to the TGF-β superfamily appears the interaction of different receptors, SMAD proteins and DNA to bind binding proteins. Disorders of this signal transduction path are the Cause of various forms of human carcinoma and developmental disorders.
Die TGF-β-Superfamilie umfasst verschiedene Subfamilien mit jeweils zwei bis 4 Mitgliedern. Eine ausführliche Übersicht über die verschiedenen Subfamilien und deren Eigenschaften ist z. B. in Massague (1998) gegeben.The TGF-β superfamily comprises different subfamilies, each with two to four Members. A detailed overview of the different subfamilies and their Properties is e.g. B. in Massague (1998).
Die folgende Tabelle I gibt einen Überblick über einige der wichtigsten bis heute bekannten etwa 20 Mitglieder der TGF-β Superfamilie, die als "bone morphogenetic proteins" und "growth and differentiation factors" die Neubildung und Regenerierung von Gewebe im erwachsenen Organismus steuern sowie an frühen und späten Schritten der Embryonalentwicklung wesentlich beteiligt sind.The following Table I gives an overview of some of the most important ones to date known about 20 members of the TGF-β superfamily known as "bone morphogenetic proteins "and" growth and differentiation factors "the new formation and regeneration of Control tissues in the adult organism as well as early and late steps of the Embryonic development are significantly involved.
Obwohl die Aminosäure-Primärsequenzen der Mitglieder der TGF-β-Superfamilie, wie aus der Tabelle ersichtlich, untereinander teilweise relativ geringe Übereinstimmungen aufweisen, gibt es allen Proteinen der verschiedenen Subfamilien gemeinsame strukturelle Merkmale. So sind z. B. alle Proteine der Superfamilie Dimere, die aus zwei meist identischen Monomeren aufgebaut sind. Eine weitere Gemeinsamkeit ist der Signaltransduktionsweg: alle TGF-β-ähnlichen Proteinfaktoren signalisieren über zelluläre Rezeptoren, die aus zwei verschiedenen Typen von Serinkinase-Rezeptor ketten zusammengesetzt sind. Die Typ I-Kette weist eine cytoplasmatische GS-Box und eine Serinkinase auf, die die zellulären SMAD1- und -5-Signalproteine aktiviert. Die Typ II-Kette aktiviert eine Typ I-Rezeptor-Serinkinase durch Transphosphorylierung des GS- Box-Segmentes. Die kleinen Rezeptor-Ektodomänen der Typ I- bzw. Typ II-Ketten, jeweils 120 bis 150 Aminosäuren lang, zeigen untereinander nur eine sehr geringe Ähnlichkeit, und auch verschiedene Ketten des gleichen Typs sind relativ wenig konserviert. Ein gemeinsames Merkmal aller bekannten Rezeptorketten der TGF-β- Superfamilie sind jedoch vier konservierte Disulfidbrücken; zusätzliche Disulfidbrücken und die Positionen einiger weniger Aminosäurereste scheinen für entweder Typ I- oder Typ II-Rezeptorproteine charakteristisch zu sein.Although the primary amino acid sequences of members of the TGF-β superfamily, such as from the table it can be seen that the correspondence between them is sometimes relatively small have, there are common proteins of the different subfamilies structural features. So z. B. all proteins of the superfamily dimers, which consist of two mostly identical monomers are constructed. Another commonality is Signal transduction pathway: all TGF-β-like protein factors signal via cellular receptors made up of two different types of serine kinase receptor chains are assembled. The type I chain has a cytoplasmic GS box and a serine kinase that activates the cellular SMAD1 and -5 signaling proteins. The guy II chain activates a type I receptor serine kinase by transphosphorylation of GS Box segment. The small receptor ectodomains of type I or type II chains, each 120 to 150 amino acids long, show very little among themselves Similarity, and even different chains of the same type are relatively few preserved. A common feature of all known TGF-β- receptor chains Superfamily, however, are four conserved disulfide bridges; additional disulfide bridges and the positions of a few amino acid residues appear for either Type I or Type II receptor proteins to be characteristic.
Die Mitglieder der TGF-β-Superfamilie zerfallen jedoch hinsichtlich ihres Bindungsmechanismusses in 2 Gruppen, die der TGF-β-/Aktivin-ähnlichen Proteine und die der BMP(bone-morphogenetic protein)-2-ähnlichen Proteine.However, the members of the TGF-β superfamily disintegrate in terms of theirs Binding mechanism in 2 groups, the TGF-β- / activin-like proteins and those of BMP (bone-morphogenetic protein) -2-like proteins.
Für den Namenspatron der Superfamilie, d. h. TGF-β, ist ein geordneter sequentieller Mechanismus der Bindung an seine zellulären Rezeptoren beschrieben worden. Demnach bindet zunächst ein externer Ligand an die Typ II-Rezeptorkette und anschließend wird Typ I-Rezeptor aus der Membran in den Komplex rekrutiert. Dementsprechend stellt die Typ II-Kette den für TGF-β hochaffinen Rezeptor dar. Für die Wechselwirkung von Aktivinen mit ihren Rezeptoren scheint es einen vergleichbaren Mechanismus zu geben. Die Mitglieder der TGF-β-Superfamilie, deren Bindungs mechanismus mit dem für TGF-β beschriebenen übereinstimmt, wurden deshalb zusammenfassend als TGF-β-/Aktivin-ähnliche Proteine bezeichnet. Zu diesen werden alle Mitglieder der TGF-β-Superfamilie gerechnet, die N-terminal eine 4. Disulfidbrücke aufweisen. Dies sind nach heutigem Kenntnisstand TGF-β1, TGF-β2, TGF-β3, alle Aktivine und Inhibine sowie BMP-11 und GDF-8.For the namesake of the superfamily, d. H. TGF-β, is an ordered sequential Mechanism of binding to its cellular receptors has been described. Accordingly, an external ligand initially binds to the type II receptor chain and then type I receptor is recruited from the membrane into the complex. Accordingly, the type II chain is the TGF-β receptor with high affinity. For the interaction of activins with their receptors appears to be comparable Mechanism to give. The members of the TGF-β superfamily, their binding mechanism coincides with that described for TGF-β collectively referred to as TGF-β / activin-like proteins. Become one of them all members of the TGF-β superfamily, the N-terminal a 4th disulfide bridge exhibit. According to current knowledge, these are all TGF-β1, TGF-β2, TGF-β3 Activins and inhibins as well as BMP-11 and GDF-8.
Die Bindung von BMP-2 an seine zellulären Rezeptoren folgt jedoch einem Mechanismus, der sich von dem für die TGF-β-/Aktivin-ähnlichen Proteine etablierten unterscheidet. Im Gegensatz zu Situation bei TGF-β sind die Hochaffinitäts-Rezeptoren für BMP-2 die Typ I-Ketten BMPR-IA, BMPR-IB und möglicherweise auch ActR-I. Typ II- Ketten selbst können gelöstes BMP-2 zwar ebenfalls binden, jedoch mit weitaus geringerer Affinität. Daraus ist geschlossen worden, dass die Reihenfolge der Typ I- und Typ II-Rezeptor-Wechselwirkung mit BMP-2 im Vergleich zu der für TGF-β etablierten Reihenfolge umgekehrt ist. Die für die TGF-β/-Aktivin-ähnlichen Proteine gewonnenen Erkenntnisse können daher nicht auf BMP-2 und Faktoren mit ähnlichem Mechanismus, wie z. B. BMP-4, -5, -6 und -7, GDF-5, -6, -7 (BMP-2-ähnliche Faktoren) übertragen werden.However, BMP-2 binds to its cellular receptors Mechanism established from that for the TGF-β / activin-like proteins differs. In contrast to the situation with TGF-β, the high affinity receptors are for BMP-2 the type I chains BMPR-IA, BMPR-IB and possibly also ActR-I. Type II Chains themselves can bind dissolved BMP-2 as well, but by far lower affinity. From this it was concluded that the order of the type I and Type II receptor interaction with BMP-2 compared to that established for TGF-β Order is reversed. The proteins obtained for the TGF-β / -activin-like proteins Findings cannot therefore be based on BMP-2 and factors with a similar mechanism, such as B. BMP-4, -5, -6 and -7, GDF-5, -6, -7 (BMP-2-like factors) become.
Für keinen der Typ I- oder Typ II-Rezeptoren ist bis heute ein Epitop auf dem entsprechenden Liganden lokalisiert und charakterisiert worden. Für TGF-β1 und Aktivin A sind Mutantenproteine konstruiert und analysiert worden, die eine veränderte biologische Aktivität und Rezeptorbindungsaffinität aufweisen. Für BMP-2 sind synthetische Peptide beschrieben worden, die den Schlaufen von BMP-2 entsprechen und die die BMP-2 Aktivität inhibieren (EP 691 349).To date, no epitope has been identified for any of the Type I or Type II receptors corresponding ligands have been localized and characterized. For TGF-β1 and activin A mutant proteins have been constructed and analyzed that altered one exhibit biological activity and receptor binding affinity. For BMP-2 are synthetic peptides have been described which correspond to the loops of BMP-2 and which inhibit the BMP-2 activity (EP 691 349).
Alle Faktoren der TGF-β Superfamilie, auch die nahe verwandten Vertreter einer Untergruppe, üben im Organismus eine eigene spezifische Funktion aus, die sich in der zell- und stadienspezifischen Expression der Gene sowie in Auswirkungen von Mutationen zeigt. Die Inaktivierung von BMP- oder GDF-Genen kann in Säugetieren zum Absterben in verschiedenen Embryonalstadien (BMP-2, BMP-4) oder in der perinatalen Periode (BMP-7) führen; des weiteren sind spezifische Änderungen der Entwicklung von Skelettelementen (GDF-5, BMP-5) beobachtet worden. Durch Überexpression der Proteine kann es zu ektoper Knochenbildung (BMP-2, BMP-4 und andere), Psoriasis (BMP-6), Neuritenneubildung (GFD-5) oder zur Regenerierung von ischämischen Nierenschäden (BMP-7) kommen. Eine Überexpression von GDF-8 (Myostatin) führt möglicherweise zu Muskelschwund. Problematisch ist auch die durch TGF-β induzierte Wucherung der extrazellulären Matrix bei Fibrose, Narbenbildung oder Zirrhose.All factors of the TGF-β superfamily, including the closely related representatives of one Subgroup, perform their own specific function in the organism, which can be found in the cell- and stage-specific expression of the genes and the effects of Shows mutations. Inactivation of BMP or GDF genes can occur in mammals to die in various embryonic stages (BMP-2, BMP-4) or in the lead perinatal period (BMP-7); Furthermore, there are specific changes to the Development of skeletal elements (GDF-5, BMP-5) have been observed. By Overexpression of the proteins can lead to ectopic bone formation (BMP-2, BMP-4 and others), psoriasis (BMP-6), new neurite formation (GFD-5) or for the regeneration of ischemic kidney damage (BMP-7). An overexpression of GDF-8 (Myostatin) may cause muscle wasting. The through is also problematic TGF-β induced growth of the extracellular matrix in fibrosis, scarring or Cirrhosis.
Um einer pathophysiologischen Wirkung der Proteine aus der TGF-β-Superfamilie vorbeugen bzw. entgegentreten zu können, wäre es daher überaus wünschenswert, Hemmstoffe für diese Faktoren zu entwickeln.A pathophysiological effect of the proteins from the TGF-β superfamily to be able to prevent or counteract, it would be highly desirable Develop inhibitors for these factors.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, Mittel bereitzustellen, mit der die pathophysiologischen Wirkungen von Mitgliedern der TGF-β-Superfamilie vermindert werden können.The object of the invention is therefore to provide means with which pathophysiological effects of members of the TGF-β superfamily decreased can be.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Mutein einer Kette eines Proteins aus der Superfamilie des Wachstumsfaktors TGF-β, wobei das Mutein nach Bildung eines Homodimers antagonistische und/oder partiell agonistische Aktivität aufweist, wobei das Mutein an einer oder mehreren Position(en) verändert ist, die im unveränderten Protein an einer niederaffinen Bindung an seinen Rezeptor beteiligt ist/sind.According to the invention, this object is achieved by mutein a chain of a protein from the superfamily of the growth factor TGF-β, the mutein after formation a homodimer has antagonistic and / or partially agonistic activity, wherein the mutein is changed at one or more position (s) which are in the unchanged protein involved in low affinity binding to its receptor is / are.
Unter einem Antagonisten werden erfindungsgemäß Proteine verstanden, die an die Rezeptoren für die natürlichen Proteine der Super-Familie des Wachstumsfaktors TGF-β binden, mit ihrer Bindung jedoch die normalen biologischen Folgereaktionen nicht auslösen. Nach Bindung eines Antagonisten findet daher keine Signaltransduktion statt. Unter "partiell agonistischer Aktivität" wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Aktivität verstanden, die zwar in gewissem Umfang die normalen biologischen Folgereaktionen auslöst, das Ausmaß dieser Folgereaktionen jedoch weit hinter der durch den ein natürliches Protein ausgelösten Folgereaktion zurückbleibt. Unter einer partiell agonistischen Aktivität wird daher im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Aktivität verstanden, die weniger als 80%, bevorzugt weniger als 50% und besonders bevorzugt weniger als 25% der Aktivität des entsprechenden natürlichen Proteins aufweist. Die Aktivität kann dabei z. B. durch den C2C12-Test bestimmt werden, der nachfolgend im Kapitel "Material und Methoden" beschrieben ist.According to the invention, an antagonist is understood to mean proteins which are linked to the Receptors for the natural proteins of the super family of the growth factor Bind TGF-β, but with their binding the normal biological subsequent reactions do not trigger. After binding an antagonist, there is no signal transduction instead of. "Partially agonistic activity" in connection with the present Invention understood an activity that to a certain extent is normal biological follow-up reactions, but the extent of these follow-up reactions is far behind which a subsequent reaction triggered by a natural protein lags behind. Partially agonistic activity is therefore associated with the present invention understood an activity that is less than 80%, preferred less than 50% and particularly preferably less than 25% of the activity of the corresponding natural protein. The activity can z. B. by the C2C12 test can be determined, the following in the chapter "Material and methods" is described.
Unter einer "niederaffinen Bindung" wird im Zusammenhang mit der BMP-2-ähnlichen Subfamilie eine Bindung verstanden, die erst bei einer Konzentration des Liganden von 10 nM oder mehr, oft sogar von mehr als 100 nM oder 1 µM, zu einer halbmaximalen Sättigung des Rezeptorproteins führt. Im Gegensatz dazu wird unter einer "hochaffinen Bindung" eine Bindung verstanden, die bereits bei einer Konzentration des Liganden von weniger als 10 nM, oft sogar bereits von weniger als 1 nM, zu einer halbmaximalen Sättigung eines Rezeptorproteins führt. Die Sättigung in Abhängigkeit von der Ligandenkonzentration kann dabei mittels eines Biosensorsystems gemessen werden, wie es in Beispiel 4 beschrieben ist.A "low affinity bond" is used in connection with the BMP-2-like Subfamily understood a bond that only occurs when the concentration of the ligand of 10 nM or more, often even more than 100 nM or 1 µM, to a half maximum Saturation of the receptor protein leads. In contrast, a "high affinity Binding "is understood to mean a bond that already occurs at a concentration of the ligand of less than 10 nM, often even less than 1 nM, to a half maximum Saturation of a receptor protein leads. The saturation depending on the Ligand concentration can be measured using a biosensor system, as described in Example 4.
In Verbindung mit der Subfamilie der TGF-β/Aktivin ähnlichen Proteine ermöglicht eine "hochaffine" Bindung die Bindung des Liganden an den Rezeptortyp II auch in Abwesenheit von Rezeptortyp I, wie sich in ganzen Zellen durch chemische Quervernetzung mit radioaktiv markierten Liganden nachweisen läßt. Im Gegensatz dazu ist die "niederaffine" Bindung des Liganden an die Rezeptorkette I in Abwesenheit der Typ II Kette mit nur sehr geringer Effizienz möglich und wird in Gegenwart der Typ II Kette verstärkt. Dies läßt sich ebenfalls durch Quervernetzung mit radioaktiv markierten Liganden überprüfen (siehe z. B. Massague; 1998; Wuytens et al., 1999).In combination with the subfamily of TGF-β / activin-like proteins, a "High affinity" binding also binds the ligand to receptor type II in Absence of receptor type I, as evidenced by chemical reactions in whole cells Cross-linking with radioactive labeled ligands can be demonstrated. In contrast in addition, the "low affinity" binding of the ligand to the receptor chain I is absent the type II chain is possible with very little efficiency and is in the presence of type II Chain reinforced. This can also be done by cross-linking with radioactively labeled Check ligands (see e.g. Massague; 1998; Wuytens et al., 1999).
Unter einem "unveränderten Protein" wird ein Wachstumsfaktor aus der TGF-β- Superfamilie in der Form verstanden, in der er natürlicherweise in einem Säugetier gefunden wird und biologische Aktivität ausübt. Die Angabe "an einer oder mehreren Position(en)" bedeutet, dass im Mutein ggf. nur eine einzige Aminosäure verändert ist, dass aber, z. B. wo weiterreichende Deletionen durchgeführt worden sind, auch eine größere Anzahl von Aminosäuren verändert sein kann. In bevorzugten Ausführungsformen sind zwischen 1 bis 50, besonders bevorzugt 1 bis 25 oder 1 bis 10, ganz besonders bevorzugt zwischen 1 bis 5 Aminosäuren verändert.Under an "unchanged protein" a growth factor from the TGF-β- Superfamily understood in the form in which it is naturally found in a mammal is found and has biological activity. The indication "on one or more Position (s) "means that only one amino acid may have been changed in the mutein, but that, e.g. B. where more extensive deletions have been carried out, also a larger number of amino acids can be changed. In preferred Embodiments are between 1 to 50, particularly preferably 1 to 25 or 1 to 10, most preferably changed between 1 to 5 amino acids.
Erfindungsgemäß können die Muteine eine Deletion einer oder mehrerer Aminosäuren aufweisen, wobei sich die Deletion mehrerer Aminosäuren auf mehrere Positionen der Proteinkette beziehen kann. Bevorzugt sind jedoch Muteine, bei denen eine oder mehrere Aminosäuren durch andere Aminosäuren substituiert sind, wobei die mehreren Aminosäuren benachbart oder nicht benachbart sein können. Bevorzugt ist dabei eine nicht konservative Substitution, besonders bevorzugt die Substitution durch eine Aminosäure mit andersartiger Ladung oder anderer Größe. Dazu sei folgendes erläutert: Grundsätzlich werden vier physikochemische Gruppen unterschieden, in die die natürlicherweise vorkommenden Aminosäuren eingeteilt werden. Zur Gruppe der basischen Aminosäuren gehören Arginin, Lysin und Histidin. Zur Gruppe der sauren Aminosäuren gehören Glutaminsäure und Asparginsäure. Die ungeladenen/polaren Aminosäuren umfassen Glutamin, Aspargin, Serin, Threonin und Tyrosin. Die nicht polaren Aminosäuren umfassen Methionin, Phenylalanin, Tryptophan, Cystein, Glycin, Alanin, Valin und Prolin, Leucin und Isoleucin. Eine nicht konservative Substitution bedeutet in diesem Zusammenhang den Austausch einer gegebenen Aminosäure durch eine Aminosäure einer anderen physikochemischen Gruppe. Besonders bevorzugt ist der Austausch einer Aminosäure einer ersten Gruppe durch eine Aminosäure einer zweiten Gruppe, wobei die Aminosäuren der zweiten Gruppe eine andere Ladung als die Aminosäuren der ersten Gruppe aufweisen.According to the invention, the muteins can be a deletion of one or more amino acids have, the deletion of several amino acids on several positions of the Protein chain. However, muteins in which one or multiple amino acids are substituted by other amino acids, the multiple Amino acids can be adjacent or not adjacent. One is preferred non-conservative substitution, particularly preferred substitution by a Amino acid with a different charge or size. Here is the following explained: Basically, four physicochemical groups are divided into the the naturally occurring amino acids are classified. To the group of basic amino acids include arginine, lysine and histidine. To the group of acidic Amino acids include glutamic acid and aspartic acid. The uncharged / polar Amino acids include glutamine, asparagine, serine, threonine and tyrosine. They don't polar amino acids include methionine, phenylalanine, tryptophan, cysteine, glycine, Alanine, valine and proline, leucine and isoleucine. A non-conservative substitution in this context means the exchange of a given amino acid by an amino acid from another physicochemical group. Especially it is preferred to replace an amino acid of a first group with one Amino acid of a second group, the amino acids of the second group being one have a different charge than the amino acids of the first group.
Bevorzugt ist außerdem der Austausch einer großen Aminosäure durch eine der kleinen Aminosäuren Glycin, Alanin oder Serin. Bevorzugt ist weiterhin der Austausch einer der kleinen Aminosäuren durch eine der großen Aminosäuren Tryptophan, Tyrosin, Phenylalanin, Leucin, Isoleucin oder Glutamin.It is also preferred to replace a large amino acid with one of the small ones Amino acids glycine, alanine or serine. It is also preferred to exchange one of the small amino acids through one of the large amino acids tryptophan, tyrosine, Phenylalanine, leucine, isoleucine or glutamine.
In einer dritten Ausführungsform werden ein oder mehrere Aminosäuren insertiert. Insertionen mehrerer Aminosäuren können an einer Position oder an mehreren Positionen der Kette auftreten.In a third embodiment, one or more amino acids are inserted. Multiple amino acid insertions can be at one or more positions Positions of the chain occur.
In einer weiteren Ausführungsform werden ein oder mehrere der angegebenen Aminosäurereste chemisch modifiziert. Bei der Modifikation kann es sich z. B. um die kovalente Verbindung mit einem oder mehreren Resten handeln, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt sind: Carbonsäuren, Amine, Polyethylenglycol, Biotin und Zucker (DeSantis et al., 1999). In a further embodiment, one or more of the specified Amino acid residues chemically modified. The modification can be e.g. B. the act covalently with one or more residues resulting from the following Group selected are: carboxylic acids, amines, polyethylene glycol, biotin and sugar (DeSantis et al., 1999).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mutein von einer Kette eines BMP-2- ähnlichen Proteins abgeleitet. Zur Familie der BMP-2-ähnlichen Proteine gehören die BMP-2 Subfamilie, BMF-5 Subfamilie und GDF-5 Subfamilie (s. Klassifizierung dieser Familien von Massague (1998)). Wie auch aus Tabelle I hervorgeht, weisen dabei die Mitglieder der BMP-2 Subfamilie untereinander eine Identität von 92% auf, während die Mitglieder der BMP-5 und der GDF-5 Subfamilie eine Identität von 54 bis 61%, bezogen auf BMP-2 aufweisen. Für die Angehörigen dieser drei Subfamilien wird davon ausgegangen, dass sie dem oben erwähnten Reaktionsmechanismus, der für BMP-2 nachgewiesen worden ist, folgen, d. h., dass sie im Gegensatz zu den TGF-βs oder Aktivinen zunächst mit hoher Affinität an die Typ I-Ketten BMPR-IA, BMPR-IB und möglicherweise auch ActR-I binden.In a preferred embodiment, the mutein is from a chain of a BMP-2 similar protein derived. The family of BMP-2-like proteins includes BMP-2 subfamily, BMF-5 subfamily and GDF-5 subfamily (see classification of these Families of Massague (1998)). As can also be seen from Table I, the Members of the BMP-2 subfamily have an identity of 92% among themselves, while the Members of the BMP-5 and the GDF-5 subfamily have an identity of 54 to 61% have on BMP-2. For the members of these three subfamilies this will be assumed that they followed the reaction mechanism mentioned above for BMP-2 has been proven to follow, d. that is, unlike the TGF-βs or Activins initially with high affinity for the type I chains BMPR-IA, BMPR-IB and possibly also bind ActR-I.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass Muteine mit partiell agonistischer bzw. antagonistischer Wirkung solche Muteine sind, bei der in der von BMP-2, BMP-4, BMP-5 usw. abgeleiteten Proteinkette mindestens eine Aminosäure aus dem Bindungsepitop für den natürlichen BMP-Rezeptor II deletiert, substituiert oder modifiziert oder mindestens eine Aminosäure in das Bindungsepitop insertiert ist. Die Erfinder haben im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Bindungsepitope für alle beteiligten Rezeptoren bestimmt. Es wurde festgestellt, dass die Aminosäure-Positionen von BMP-2, die die Bindungsaffinität für die BMPR-IA- oder BMPR-II-Rezeptorketten bestimmen, zwei einander nicht überlappende Sets bilden. In Fig. 1 ist gezeigt, dass diese Determinanten über die gesamte BMP-2 Sequenz verteilt sind. Das räumliche Modell in Fig. 5 zeigt, dass die funktionellen Reste zwei getrennte Epitope auf der Oberfläche des homodimeren BMP-2 Moleküls bilden.Surprisingly, it has now been found that muteins with a partially agonistic or antagonistic action are those muteins in which at least one amino acid from the binding epitope for the natural BMP receptor in the protein chain derived from BMP-2, BMP-4, BMP-5 etc. II deleted, substituted or modified or at least one amino acid inserted in the binding epitope. In the context of the present invention, the inventors have determined the binding epitopes for all receptors involved. The amino acid positions of BMP-2, which determine binding affinity for the BMPR-IA or BMPR-II receptor chains, were found to form two non-overlapping sets. In Fig. 1 it is shown that these determinants BMP-2 sequence are distributed over the whole. The spatial model in Figure 5 shows that the functional residues form two separate epitopes on the surface of the homodimeric BMP-2 molecule.
Im ersten Epitop, das Reste aus beiden Untereinheiten umfasst, sind die Determinanten für die BMPR-IA Wechselwirkungen angeordnet. In Fig. 5 sind die Aminosäurereste des ersten Epitops auf einer ersten Untereinheit kursiv dargestellt, während die Aminosäurereste des ersten Epitops auf einer zweiten Untereinheit durch normale Buchstaben gekennzeichnet sind. Das Epitop ist hochdiskontinuierlich und umfasst Reste aus dem β1-Faltblatt, der Schlaufe vor der Helix α3 und die Helix α3 von einem Monomer sowie Teile der großen ω-Schlaufe zwischen den Faltblättern β2 und β3 sowie das Faltblatt β8 des anderen Monomers. Eines der Monomere trägt so die Reste V26, D30 und W31 aus dem β-Faltblatt-Bereichen β-2 und β3 sowie die Reste K101 und Y103 aus dem β-Faltblatt-Bereich β8 bei. Das andere Monomer trägt die Reste I62, L66, N68 und S69 aus der Helix α3 sowie die Reste F49, P50, A52 und H54 aus dem Bereich vor der Helix α3 bei. Auf Grund der räumlichen Struktur des Monomers wird dieses Epitop als "Wrist"-Epitop bezeichnet: Die Monomere werden mit einer offenen Hand verglichen, bei der die zentrale Helix α3 das Handgelenk und 2 nebeneinander angeordnete β-Faltblätter die 4 Finger darstellen; die Schlaufen 1 und 2 entsprechen den Fingerspitzen jeden Fingerpaares. Das N-terminale Segment findet sich an der Position des Daumens. Folglich befindet sich das erste Epitop, das um die zentrale α- Helix angeordnet ist, am Handgelenk (Wrist). Es hat Ausmaße von ungefähr 2 × 2,5 bis 3 nm. Diese Ausdehnung ist mit der Funktion als hochaffiner Wechselwirkungsstelle kompatibel.In the first epitope, which contains residues from both subunits, the determinants for the BMPR-IA interactions are arranged. In Fig. 5 the amino acid residues of the first epitope on a first subunit are shown in italics, while the amino acid residues of the first epitope on a second subunit characterized by normal letters. The epitope is highly discontinuous and includes residues from the β1 sheet, the loop in front of the helix α3 and the helix α3 from one monomer as well as parts of the large ω loop between the sheets β2 and β3 and the sheet β8 of the other monomer. One of the monomers thus contributes the residues V26, D30 and W31 from the β-sheet regions β-2 and β3 and the residues K101 and Y103 from the β-sheet region β8. The other monomer contributes residues I62, L66, N68 and S69 from helix α3 and residues F49, P50, A52 and H54 from the area before helix α3. Because of the spatial structure of the monomer, this epitope is referred to as a "wrist" epitope: the monomers are compared with an open hand, in which the central helix α3 represents the wrist and 2 β sheets arranged side by side represent the 4 fingers; loops 1 and 2 correspond to the fingertips of each pair of fingers. The N-terminal segment is located at the position of the thumb. Consequently, the first epitope, which is arranged around the central α-helix, is on the wrist (wrist). It has dimensions of approximately 2 x 2.5 to 3 nm. This extension is compatible with the function as a high-affinity interaction site.
Das zweite Epitop, das auf der Handrückseite nahe den äußeren Fingersegmenten angeordnet ist, ist für die niederaffine Bindung von BMP-2 an den BMPR-II verantwortlich. Es setzt sich nur aus Aminosäureresten einer Untereinheit zusammen und wird auch als "Knuckle"-Epitop bezeichnet. Die Aminosäurereste A34 und H39 sind in den β-Faltblättern β-3 bzw. β-4 angeordnet, die Aminosäurereste S88 und L90 im Faltblatt β-7 und L100 im Faltblatt β-8. Vom Aminosäurerest E109 nehmen die Erfinder an, dass er ein weiterer für den Kontakt wichtiger Aminosäurerest ist. Das zweite Epitop scheint sehr viel kleiner als das erste Epitop zu sein, da viele Aminosäurereste an den Grenzen des zweiten Epitops ohne sichtbare Wirkungen auf die Rezeptorbindung oder die biologische Aktivität modifiziert werden können. Es kann gegenwärtig jedoch noch nicht ausgeschlossen werden, dass das Epitop weitere funktionelle Aminosäurereste enthält.The second epitope that is on the back of the hand near the outer finger segments is arranged for the low affinity binding of BMP-2 to the BMPR-II responsible. It is composed only of amino acid residues from a subunit and is also known as the "Knuckle" epitope. The amino acid residues A34 and H39 are arranged in the β-sheets β-3 and β-4, the amino acid residues S88 and L90 im Leaflet β-7 and L100 in leaflet β-8. The inventors take the amino acid residue E109 indicates that it is another amino acid residue important for contact. The second epitope appears to be much smaller than the first epitope, since there are many amino acid residues on the Limits of the second epitope with no apparent effects on receptor binding or the biological activity can be modified. However, at the moment it can it cannot be excluded that the epitope contains additional functional amino acid residues contains.
Die beiden Epitope sind voneinander funktionell und räumlich getrennt. Von allen Bindungsdeterminanten wurde festgestellt, dass sie entweder für BMPR-I (Typ I) oder BMPR-II/ActR-II (Typ II) spezifisch sind. Am Fall von BMP-2 konnten antagonistische Muteine lediglich für das Knuckle-Epitop gefunden werden. Die verschiedenen Epitope sind durch Bindungsdeterminanten definiert und durch neutrale Reste voneinander abgegrenzt. Sie bilden nicht überlappende Bereich auf der Oberfläche der etablierten 3- dimensionalen Struktur von BMP-2. Dennoch kann nicht ausgeschlossen werden, dass während der Typ I und Typ II Rezeptorbindung kooperative Effekte auftreten. Das Wrist- Epitop und das Knuckle-Epitop sind voneinander nur durch die Dicke eines β-Faltblatts getrennt, das die Konformation nach Bindung an die Ektodomäne ändern kann und auf diese Art und Weise kooperative Wirkungen vermitteln kann. Die räumliche Trennung der Epitope legt es weiter nahe, dass jeder der mit der Symmetrie zusammenhängenden Teile des dimeren BMP-2 Moleküls ein Paar funktionelle Epitope enthält und das zwei unabhängige Wrist-Epitope und zwei unabhängige Knuckle- Epitope insgesamt 4 Rezeptorketten binden können. Ein Komplex zwischen einem BMP-2 und zwei BMPR-IA Ektodomänen ist bereits identifiziert worden (Kirsch et al., 2000(c)).The two epitopes are functionally and spatially separated. From all Binding determinants were found to be either for BMPR-I (Type I) or BMPR-II / ActR-II (Type II) are specific. In the case of BMP-2, antagonistic Muteins can only be found for the Knuckle epitope. The different epitopes are defined by binding determinants and by neutral residues from each other delimited. They do not form overlapping areas on the surface of the established 3- dimensional structure of BMP-2. However, it cannot be excluded that while type I and type II receptor binding cooperative effects occur. The wrist Epitope and the Knuckle epitope are separated from each other only by the thickness of a β-sheet separated, which can change the conformation after binding to the ectodomain and on this way can convey cooperative effects. The spatial separation The epitope further suggests that everyone with symmetry contiguous parts of the dimeric BMP-2 molecule a pair of functional epitopes which contains two independent wrist epitopes and two independent knuckle Epitopes can bind a total of 4 receptor chains. A complex between one BMP-2 and two BMPR-IA ectodomains have already been identified (Kirsch et al., 2000 (c)).
Keines der Epitope weist jedoch die typischen Ladungsmuster auf, wie sie kürzlich für Rezeptoren diskutiert wurden (Griffith et al. 1996).However, none of the epitopes has the typical charge patterns recently found for Receptors have been discussed (Griffith et al. 1996).
Ohne an diese Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass die erfindungsgemäßen BMP-2 Antagonisten höchstwahrscheinlich eine Folge des geordneten sequentiellen Bindungsmechanismus sind, der die Rezeptoraktivierung bewirkt. Dem Modell zufolge blockiert der Antagonist die hochaffine Typ I Rezeptorkette mit seinem intakten Wrist-Epitop, und das durch Substitution, Deletion, Modifikation oder Insertion veränderte Knuckle-Epitop verhindert die sich daran anschließende Oligomerisierung mit niedrig affinen Typ II Rezeptorketten. Der vergleichsweise niedrige IC50 der Antagonisten sowie ihre effiziente Kompetition mit BMP-2 um die Rezeptorbindung weisen darauf hin, dass es überwiegend die Typ I Ketten sind, die die Bindung von BMP-2 an den gesamten Rezeptorkomplex steuern, möglicherweise indem sie die Assoziationsgeschwindigkeit für BMP-2 bestimmen. Die Halbwertszeit des Komplexes zwischen BMP-2 und dem Typ 1 Rezeptor von mehr als 30 Minuten führt höchstwahrscheinlich dazu, dass die Bindung an den zellulären Rezeptor irreversibel ist. Eine interessante Beobachtung ist in diesem Zusammenhang die niedrige Restaktivität der hoch antagonistischen Muteine A34D und L90A im C2C12-Test, wenn man berücksichtigt, dass die Bindung an die Ektodomänen der Typ II Rezeptorketten nur ungefähr 5 bis 15-fach verringert ist. Möglicherweise ist die gleichzeitige Bindung von zwei Typ II Ketten für eine effiziente Rezeptoraktivierung notwendig, so dass eine Abnahme der Bindungsaffinität sich stärker auswirkt.Without wishing to be bound by this theory, it is believed that the BMP-2 antagonists of the invention are most likely a result of the ordered sequential binding mechanism that causes receptor activation. According to the model, the antagonist blocks the high-affinity type I receptor chain with its intact wrist epitope, and the Knuckle epitope modified by substitution, deletion, modification or insertion prevents the subsequent oligomerization with low-affinity type II receptor chains. The comparatively low IC 50 of the antagonists and their efficient competition with BMP-2 for receptor binding indicate that it is predominantly the type I chains that control the binding of BMP-2 to the entire receptor complex, possibly by changing the rate of association for Determine BMP-2. The half-life of the complex between BMP-2 and the type 1 receptor of more than 30 minutes most likely leads to the fact that the binding to the cellular receptor is irreversible. An interesting observation in this connection is the low residual activity of the highly antagonistic muteins A34D and L90A in the C2C12 test, if one takes into account that the binding to the ectodomains of the type II receptor chains is only about 5 to 15-fold reduced. The simultaneous binding of two type II chains may be necessary for efficient receptor activation, so that a decrease in binding affinity has a greater impact.
Da die anderen BMP-2-ähnlichen Proteine ihre entsprechenden Rezeptoren nach dem gleichen Mechanismus aktivieren, wie er für BMP-2 gezeigt worden ist, d. h., über ein Hochaffinitäts-Wrist-Epitop und ein Niedrigaffinitäts-Knuckle-Epitop, können auch antagonistische Muteine dieser Proteine durch Aminosäuresubstitutionen im Knuckle- Epitop erzeugt werden.Since the other BMP-2-like proteins have their corresponding receptors after the activate the same mechanism as that shown for BMP-2, d. i.e., about a High affinity wrist epitope and a low affinity knuckle epitope can also antagonistic muteins of these proteins through amino acid substitutions in the knuckle Epitope can be generated.
In bevorzugten Ausführungsformen werden ein oder mehrere der Aminosäurereste, die
die oberflächenexponierten Bereiche aus den β-Faltblattstrukturen β-3, β-4, β-7, β-8
oder β-9 bilden, verändert. Bei diesen oberflächenexponierten Resten handelt es sich
um folgende:
β-3: V33, A34
zwischen β-3 und β-4: P35, P36;
β-4: G37, Y38, H39;
nach β-4: F41, Y42;
β-6: T82, E83, L84, S85;
β-7: A86, I87, S88, L90;
β-8: K97, V98, V99, L100;
β-9: V107, E109, G110.In preferred embodiments, one or more of the amino acid residues which form the surface-exposed regions from the β-sheet structures β-3, β-4, β-7, β-8 or β-9 are changed. These residues exposed to the surface are as follows:
β-3: V33, A34
between β-3 and β-4: P35, P36;
β-4: G37, Y38, H39;
after β-4: F41, Y42;
β-6: T82, E83, L84, S85;
β-7: A86, I87, S88, L90;
β-8: K97, V98, V99, L100;
β-9: V107, E109, G110.
In einer ersten Ausführungsform werden einer oder mehrere der angegebenen Aminosäurereste einzeln oder in Gruppen von bis zu 5 Aminosäuren deletiert. Bevorzugt werden Aminosäuren deletiert, für die eine Wechselwirkung mit dem BMP- Rezeptor II belegt ist oder deren Deletion Auswirkungen auf die Konformation des "Knuckle"-Epitopes hat. Durch Kombination einer Substitution mit einer Insertion und/oder Deletion oder auch durch Kombination einer Insertion mit einer Deletion lassen sich weitere Muteine herstellen, die gegebenenfalls eine verringerte Affinität für den BMP-Rezeptor II aufweisen. In a first embodiment, one or more of the specified Amino acid residues deleted individually or in groups of up to 5 amino acids. Preferably amino acids are deleted for which an interaction with the BMP Receptor II is occupied or its deletion affects the conformation of the "Knuckle" epitopes. By combining a substitution with an insertion and / or deletion or by combining an insertion with a deletion further muteins are produced which may have a reduced affinity for the Have BMP receptor II.
Eine weitere Möglichkeit, ausgehend von der bekannten Sequenz eines Monomers für BMP-2, BMP-4, BMP-5, BMP-6, BMP-7, GDF-5, GDF-6 oder GDF-7, zu antagonistischen oder partiell agonistischen Muteinen zu kommen, besteht in der Insertion einer oder mehrerer Aminosäuren in die oberflächenexponierten Bereiche des "Knuckle"-Epitops. Prinzipiell müssen diese Aminosäuren ebenfalls den Zweck erfüllen, die Bindung an den BMP-Rezeptor II zu schwächen oder zu verhindern.Another possibility, starting from the known sequence of a monomer for BMP-2, BMP-4, BMP-5, BMP-6, BMP-7, GDF-5, GDF-6 or GDF-7, too to come antagonistic or partially agonistic muteins consists in the Insertion of one or more amino acids into the surface exposed areas of the "Knuckle" epitopes. In principle, these amino acids must also serve the purpose weaken or prevent binding to BMP receptor II.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Mutein um eine Kette
eines BPM-2-ähnlichen Proteins, wobei eine oder mehrere der folgenden Aminosäuren
aus BMP-2 oder diesen entsprechenden Aminosäuren aus einem anderen BMP-2-
ähnlichen Protein durch andere Aminosäuren substituiert sind:
V33, A34, P35, P36, G37, Y38, H39, F41, Y42, T82, E83, L84, S85, A86, I87, S88, L90,
K97, V98, V99, L100, V107, E109 und G110.In a preferred embodiment, the mutein is a chain of a BPM-2-like protein, one or more of the following amino acids from BMP-2 or these corresponding amino acids from another BMP-2-like protein being substituted by other amino acids :
V33, A34, P35, P36, G37, Y38, H39, F41, Y42, T82, E83, L84, S85, A86, I87, S88, L90, K97, V98, V99, L100, V107, E109 and G110.
Die folgende Tabelle II gibt einen Überblick über bevorzugte Ersatzaminosäuren für die genannten Aminosäurereste: The following Table II gives an overview of preferred substitute amino acids for the mentioned amino acid residues:
Aus der Literatur ist bekannt, dass die verschiedenen Mitglieder der BMP-Subfamilien 2 und 5 sowie der GDF-Subfamilie 5, auch wenn insgesamt eine relativ niedrige Homologie zwischen diesen Proteinen besteht, eine gleiche Anordnung der für die Tertiärstruktur entscheidenden Cysteine aufweisen. Dementsprechend lassen sich unter Berücksichtigung dieser konservierten Positionen die einer bestimmten Aminosäure in BMP-2 entsprechenden Aminosäurepositionen bei den anderen Mitgliedern der genannten Subfamilien bestimmen. So entspricht beispielsweise die BMP-2-Position V33 in BMP-7 einem Isoleucin, A34 ist ebenfalls Alanin, P35 ein Prolin, P36 ein Glutamat, H39 ein Alanin, S88 ein Serin, L90 ein Leucin, V98 ein Valin, L100 ein Leucin und E109 ein Arginin. Fig. 6 zeigt eine mit dem Programm "Multalin" durchgeführtes Alignment der Sequenzen von BMP-2, BMP-4, BMP-5, BMP-6, BMP-7, BMP-8, GDF-5, GDF-6, GDF-7, GDF-3, GDF-1, BMP-10, GDF-2, BMP-15, GDF-9B, GDF-9, BMP-3, GDF-10, Act-A, Act-B, Act-C, BMP-11, GDF-8, TGF-β1, TGF-β2, TGF-β3, Inh-a, MIS und GDNF, aus dem die einer bestimmten BMP-2 Aminosäure entsprechenden Aminosäuren in anderen Mitgliedern der TGF-β-Superfamilie entnommen werden können. Die Positionen, die durch den Vergleich mit BMP-2 ermittelt werden, können ebenfalls durch Substitution, Deletion oder chemische Modifikation verändert werden. Desgleichen können die Epitope durch Insertion Bindungsaffinität einbüßen, wobei Insertionen jeweils unmittelbar vor oder nach den angegebenen Positionen bevorzugt sind.It is known from the literature that the different members of the BMP subfamilies 2 and 5 and of the GDF subfamily 5 , even if there is overall a relatively low homology between these proteins, have the same arrangement of the cysteines which are decisive for the tertiary structure. Accordingly, taking these conserved positions into account, the amino acid positions corresponding to a particular amino acid in BMP-2 can be determined for the other members of the subfamilies mentioned. For example, the BMP-2 position V33 in BMP-7 corresponds to an isoleucine, A34 is also alanine, P35 a proline, P36 a glutamate, H39 an alanine, S88 a serine, L90 a leucine, V98 a valine, L100 a leucine and E109 an arginine. Fig. 6, a run with the program "Multalin" Alignment shows the sequences of BMP-2, BMP-4, BMP-5, BMP-6, BMP-7, BMP-8, GDF-5, GDF-6, GDF 7, GDF-3, GDF-1, BMP-10, GDF-2, BMP-15, GDF-9B, GDF-9, BMP-3, GDF-10, Act-A, Act-B, Act-C, BMP-11, GDF-8, TGF-β1, TGF-β2, TGF-β3, Inh-a, MIS and GDNF, from which the amino acids corresponding to a particular BMP-2 amino acid in other members of the TGF-β superfamily are taken can. The positions determined by comparison with BMP-2 can also be changed by substitution, deletion or chemical modification. Likewise, the epitopes can lose binding affinity by insertion, insertions being preferred immediately before or after the indicated positions.
Die Veränderung der für BMP-2 genannten Positionen in Mitgliedern der Subfamilien BMP-5 und GDF-5 durch eine nicht konservative Substitution, Deletion oder chemische Modifikation führt jeweils zu Muteinen mit veränderten, und zwar in der Regel verminderten Bindungseigenschaften für BMPR-II oder für einen anderen Typ II Rezeptor.The change in positions mentioned for BMP-2 in members of the subfamilies BMP-5 and GDF-5 through a non-conservative substitution, deletion or chemical Modification leads to muteins with modified ones, as a rule reduced binding properties for BMPR-II or for another type II Receptor.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf Muteine, die mindestens 50% Identität auf der Aminosäureebene mit einem Wachstumsfaktor aus der TGF-β-Superfamilie und außerdem antagonistische und/oder partiell agonistische Aktivität aufweisen. Somit sind auch Muteine umfasst, deren Aminosäuresequenz sich von der Aminosäuresequenz der entsprechenden natürlichen Proteinketten auch in Bereichen, die für eine antagonistische bzw. partiell agonistische Aktivität nicht entscheidend sind, unterscheidet.The invention further relates to muteins that have at least 50% identity on the Amino acid level with a growth factor from the TGF-β superfamily and also have antagonistic and / or partially agonistic activity. So are also includes muteins whose amino acid sequence differs from the amino acid sequence the corresponding natural protein chains also in areas that are suitable for a antagonistic or partially agonistic activity are not decisive, differs.
Der dem Fachmann bekannte Ausdruck "Identität" bezeichnet den Grad der Verwandt schaft zwischen zwei oder mehr DNA-Molekülen bzw. zwei oder mehr Polypeptid- Molekülen, der durch die Übereinstimmung zwischen den Sequenzen bestimmt wird. Der Prozentsatz der "Identität" ergibt sich aus dem Prozentsatz identischer Bereiche in zwei oder mehr Sequenzen unter Berücksichtigung von Lücken oder anderen Sequenzbesonderheiten.The term "identity" known to those skilled in the art denotes the degree of relatedness shaft between two or more DNA molecules or two or more polypeptide Molecule determined by the match between the sequences. The percentage of "identity" results from the percentage of identical areas in two or more sequences considering gaps or others Sequence specifics.
Die Identität miteinander verwandter Polypeptide oder DNA-Moleküle kann mit Hilfe bekannter Verfahren bestimmt werden. In der Regel werden spezielle Computerprogramme mit den besonderen Anforderungen Rechnung tragenden Algorithmen eingesetzt. Bevorzugte Verfahren zur Bestimmung der Identität erzeugen zunächst die größte Übereinstimmung zwischen den untersuchten Sequenzen. Computerprogramme zur Bestimmung der Identität zwischen zwei Sequenzen umfassen, sind jedoch nicht eingeschränkt auf, das GCG-Programmpaket, einschließlich GAP (Devereux, J., et al., Nucleic Acids Research 12 (12): 387 (1984); Genetics Computer Group University of Wisconsin, Madison, (WI)); BLASTP, BLASTN und FASTA (Altschul, S. et al., J. Molec Biol 215: 403/410 (1990)). Das BLAST X Programm kann vom National Centre for Biotechnology Information (NCBI) und aus weiteren Quellen bezogen werden (BLAST Handbuch, Altschul S., et al., NCB NLM NIH Bethesda MD 20894; Altschul, S., et al., J. Mol. 215: 403/410 (1990)). Auch der bekannte Smith Waterman-Algorithmus kann zur Bestimmung von Identität verwendet werden.The identity of related polypeptides or DNA molecules can be determined using known methods. As a rule, special computer programs with algorithms that take account of the special requirements are used. Preferred methods for determining identity initially produce the greatest agreement between the sequences examined. Computer programs for determining identity between two sequences include, but are not limited to, the GCG program package, including GAP (Devereux, J., et al., Nucleic Acids Research 12 ( 12 ): 387 ( 1984 ); Genetics Computer Group University of Wisconsin, Madison, (WI)); BLASTP, BLASTN and FASTA (Altschul, S. et al., J. Molec Biol 215 : 403/410 ( 1990 )). The BLAST X program can be obtained from the National Center for Biotechnology Information (NCBI) and other sources (BLAST Handbook, Altschul S., et al., NCB NLM NIH Bethesda MD 20894; Altschul, S., et al., J. Mol. 215: 403/410 ( 1990 )). The well-known Smith Waterman algorithm can also be used to determine identity.
Bevorzugte Parameter für den Sequenzvergleich umfassen die nachstehenden:
Algorithmus: Needleman und Wunsch, J. Mol. Biol 48: 443-453 (1970)
Vergleichsmatrix: BLOSUM62 aus Henikoff & Henikoff, PNAS USA 89
(1992), 10915-10919
Lückenwert (Gap Penalty): 12
Lückenlängen-Wert
(Gap Length Penalty): 2Preferred parameters for sequence comparison include the following:
Algorithm: Needleman and Wunsch, J. Mol. Biol 48: 443-453 (1970)
Comparative matrix: BLOSUM62 from Henikoff & Henikoff, PNAS USA 89 (1992), 10915-10919
Gap penalty: 12
Gap length value
(Gap Length Penalty): 2
Das GAP-Programm ist auch zur Verwendung mit den vorstehenden Parametern geeig net. Die vorstehenden Parameter sind die Standardparameter (default parameters) für Aminosäuresequenz-Vergleiche, wobei Lücken an den Enden den Homologiewert nicht verringern. Bei sehr kleinen Sequenzen im Vergleich zur Referenzsequenz kann es weiterhin notwendig sein, den Erwartungswert auf bis zu 100000 zu erhöhen und ggf. die Wortlänge (wordsize) auf bis zu 2 zu verkleinern.The GAP program is also suitable for use with the above parameters net. The above parameters are the default parameters for Amino acid sequence comparisons, with gaps at the ends of the homology value reduce. With very small sequences compared to the reference sequence, it can it may still be necessary to increase the expected value up to 100,000 and if necessary reduce the word length (wordsize) down to 2.
Weitere beispielhafte Algorithmen, Lücken-Öffnungs-Werte (gap opening penalties), Lückenausdehnungs-Werte (gap extension penalties), Vergleichsmatrizen einschließlich der im Programm-Handbuch, Wisconsin-Paket, Version 9, September 1997, genannten können verwendet werden. Die Auswahl wird von dem durchzuführenden Vergleich ab hängen und weiterhin davon, ob der Vergleich zwischen Sequenzpaaren, wobei GAP oder Best Fit bevorzugt sind, oder zwischen einer Sequenz und einer umfangreichen Sequenz-Datenbank, wobei FASTA oder BLAST bevorzugt sind, durchgeführt wird.Further exemplary algorithms, gap opening penalties, gap extension penalties, comparison matrices including those mentioned in the program manual, Wisconsin package, version 9 , September 1997, can be used. The selection will depend on the comparison to be carried out and also on whether the comparison is carried out between pairs of sequences, GAP or Best Fit being preferred, or between a sequence and an extensive sequence database, with FASTA or BLAST being preferred.
Eine mit den oben genannten Algorithmus ermittelten Übereinstimmung von 50% wird als 50% Identität bezeichnet. Entsprechendes gilt für höhere Identitätsgrade.A match of 50% determined with the above-mentioned algorithm is obtained referred to as 50% identity. The same applies to higher degrees of identity.
In bevorzugten Ausführungsformen haben die erfindungsgemäßen Muteine eine Identität von 60% oder mehr, z. B. mehr als 70% oder 80%, mit der Sequenz einer Kette aus reifem humanen BMP-2-ähnlichen Protein. Die Sequenz für reifes humanes BMP-2 findet sich z. B. in Celeste et al. (1990). Noch weiter bevorzugt sind Muteine mit mehr als 90, 95 oder 97% Identität.In preferred embodiments, the muteins according to the invention have one Identity of 60% or more, e.g. B. more than 70% or 80%, with the sequence of one Chain of mature human BMP-2-like protein. The sequence for mature human BMP-2 is found e.g. B. in Celeste et al. (1990). Muteins with are even more preferred more than 90, 95 or 97% identity.
Wie oben erwähnt, ist im Fall von BMP-2 das Epitop, das eine niederaffine Bindung eingeht, das "Knuckle"-Epitop, während das Epitop, das eine hochaffine Bindung mit dem Rezeptor eingeht, das "Wrist"-Epitop ist. Die erfindungsgemäßen Muteine können weiterhin von einem Protein der TGF-β-/Aktivin-Familie abgeleitet sein. In diesem Fall handelt es sich jedoch überraschenderweise gezeigt, dass nicht Veränderungen im "Knuckle"-Epitop, sondern Veränderungen im "Wrist"-Epitop zu Muteinen mit antagonistischer und/oder partiell agonistischer Aktivität führen. Dementsprechend ist in erfindungsgemäßen Muteinen, die von einem Protein der TGF-β-/Aktivin-Familie abgeleitet sind, ein oder mehrere Aminosäuren aus dem "Wrist"-Epitop verändert.As mentioned above, in the case of BMP-2, the epitope is a low affinity bond enters the "knuckle" epitope, while the epitope, which has a high affinity bond with the receptor that is "wrist" epitope. The muteins according to the invention can continue to be derived from a protein of the TGF-β / activin family. In this case However, it is surprisingly shown that changes in the "Knuckle" epitope, but changes in the "wrist" epitope to muteins with lead antagonistic and / or partially agonistic activity. Accordingly, in Muteins according to the invention which are derived from a protein of the TGF-β / activin family are derived, one or more amino acids are modified from the "wrist" epitope.
Zur TGF-β-/Aktivin-Familie gehören TGF-β1, TGF-β2, TGF-β3, alle Aktivine, Inhibine, BMP-11 und GDF-8. Bisher bekannte Aktivine umfassen beispielsweise Aktivin βA, Aktivin βB, Aktivin βC und Aktivin βE. Zu den Inhibinen zählen nach heutigem Kenntnisstand die Inhibine βA, βB und βC.The TGF-β / Aktivin family includes TGF-β1, TGF-β2, TGF-β3, all activins, inhibins, BMP-11 and GDF-8. Previously known activins include, for example, activin βA, Aktivin βB, Aktivin βC and Aktivin βE. According to today's, inhibins include State of knowledge of the inhibins βA, βB and βC.
Auch im Fall der von der TGF-β-/Aktivin-Familie abgeleiteten Muteine sind Antagonisten oder partielle Agonisten in erster Linie durch Veränderung von Aminosäuren in den oberflächenexponierten Bereichen, d. h. denjenigen Bereichen, die an der Bindung an den Rezeptor beteiligt sind, erhältlich. Dabei handelt es sich im wesentlichen um die Helix vor der Faltblattstruktur β1, die Faltblattstruktur β1, die lange Schleife zwischen den Faltblattstrukturen β2 und β3, die Schlaufe vor der Helix α3, die Helix α3 sowie die Faltblattstruktur β8. Wie zuvor für die BMP-2-ähnlichen Proteine beschrieben, können solche Veränderungen durch Deletionen, Substitutionen oder Modifikationen herbeigeführt werden, sowie durch die Insertion einer oder mehrerer Aminosäuren. Die oben im Zusammenhang mit dem BMP-2-ähnlichen Proteinen gegebenen Möglichkeiten sind hier entsprechend realisierbar.Antagonists are also in the case of the muteins derived from the TGF-β / activin family or partial agonists primarily by changing amino acids in the areas exposed to surface, d. H. those areas that are attached to involved in the receptor. This is essentially the Helix in front of the sheet structure β1, the sheet structure β1, the long loop between the leaflet structures β2 and β3, the loop in front of the helix α3, the helix α3 and the Folder structure β8. As previously described for the BMP-2-like proteins, such changes through deletions, substitutions or modifications can be brought about, as well as by the insertion of one or more amino acids. The Possibilities given above in connection with the BMP-2-like proteins can be implemented accordingly.
In bevorzugten Ausführungsformen wird mindestens eine der folgenden Aminosäuren
verändert, d. h. deletiert, substituiert und/oder modifiziert und/oder ein oder mehrere
Aminosäuren insertiert, wobei sich die Positionsangaben auf BMP-2 beziehen:
K5, S13, V26, G27, W28, N29, D30, W31, P48, F49, P50, A52, D53, H54, N59, I62,
V63, L66, N68, S69, V70, K101, Y103.In preferred embodiments, at least one of the following amino acids is changed, ie deleted, substituted and / or modified and / or one or more amino acids are inserted, the position information relating to BMP-2:
K5, S13, V26, G27, W28, N29, D30, W31, P48, F49, P50, A52, D53, H54, N59, I62, V63, L66, N68, S69, V70, K101, Y103.
Wie der Fig. 6 entnommen werden kann, entsprechen diese Positionsangaben im
TGF-β1:
Y6, N14, L28, G29, W30, K31, fehlt, W32, P49, Y50, I51, S53, fehlt, fehlt, Q57, K60,
V61, L64, N66, Q67, H68, E99, L101.As can be seen in FIG. 6, this position information in TGF-β1 corresponds to:
Y6, N14, L28, G29, W30, K31, missing, W32, P49, Y50, I51, S53, missing, missing, Q57, K60, V61, L64, N66, Q67, H68, E99, L101.
Die 3-dimensionale Struktur des Komplexes zwischen BMP-2 und den Typ I Rezeptor BMPR-IA (Kirsch, et al.; 2000 (c)) zeigt, dass diese Reste wesentlich am Rezeptorkon takt beteiligt sind.The 3-dimensional structure of the complex between BMP-2 and the type I receptor BMPR-IA (Kirsch, et al .; 2000 (c)) shows that these residues are essential at the receptor con are involved.
Die erfindungsgemäßen Muteine können auch dann, wenn sie von TGF-β-/Aktivin- ähnlichen Wachstumsfaktoren abgeleitet sind, zusätzlich in den für die Bindung an den Rezeptor nicht essentiellen Regionen verändert sein. Muteine mit einer Identität von mindestens 50% mit einer Kette eines TGF-β-/Aktivin-ähnlichen Wachstumsfaktors mit einer antagonistischen und/oder partiell agonistischen Aktivität sind ebenfalls umfasst. Solche Muteine können z. B. auch aus anderen Säugern stammen, beispielsweise Maus, Ratte, Kaninchen, Meerschweinchen, Rind, Schwein oder Schaf. Solange solche Muteine im C2C12 Zelltest eine antagonistische und/oder partiell agonistische Aktivität aufweisen, sind sie ebenfalls Gegenstand der Erfindung. Bevorzugt sind Muteine mit einer Identität von 60% oder mehr, z. B. mehr als 70% oder 80% Identität mit einer Kette eines Muteins aus der TGF-β-/Aktivinfamilie. Noch mehr bevorzugt sind Muteine mit mehr als 90, 95 oder 97% Identität.The muteins according to the invention can also if they are derived from TGF-β- / activin Similar growth factors are derived, in addition, for binding to the Receptor not essential regions are changed. Muteins with an identity of at least 50% with a chain of a TGF-β / activin-like growth factor antagonistic and / or partial agonistic activity are also included. Such muteins can e.g. B. also come from other mammals, for example Mouse, rat, rabbit, guinea pig, beef, pork or sheep. As long as such Muteins in the C2C12 cell test show an antagonistic and / or partially agonistic activity have, they are also the subject of the invention. Muteins with are preferred an identity of 60% or more, e.g. B. more than 70% or 80% identity with a Chain of a mutein from the TGF-β / active family. Muteins are even more preferred with more than 90, 95 or 97% identity.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, erfindungsgemäße Muteine durch größere Veränderungen der zugrundeliegenden Moleküle zu erzeugen, z. B. indem neben einer Substitution eine Insertion eingeführt wird. Denkbare Muteine beider Subfamilien der TGF-β Superfamilie enthalten auch zusätzlich zu einer Deletion eine Insertion, oder zusätzlich zu einer Substitution eine Deletion, oder mindestens eine Substitution, Deletion oder Insertion in Verbindung mit einer chemischen Modifikation. Selbstverständlich können auch 2 Veränderungen eines Typs, z. B. eine Substitution an zwei verschiedenen Stellen, allein oder in Kombination mit Veränderung eines zweiten Typs, z. B. einer Insertion an einer anderen Stelle, auftreten. Ebenso können mehr als 2 Typen von Veränderungen kombiniert werden, also z. B. kann neben einer Substitution sowohl eine Deletion an einer Stelle als auch eine Insertion an einer anderen Stelle vorliegen. In a further embodiment, muteins according to the invention are provided by generate major changes in the underlying molecules, e.g. B. by an insertion is introduced in addition to a substitution. Possible muteins of both Subfamilies of the TGF-β superfamily also contain one in addition to a deletion Insertion, or in addition to a substitution, a deletion, or at least one Substitution, deletion or insertion in connection with a chemical modification. Of course, 2 changes of one type, e.g. B. a substitution two different positions, alone or in combination with changing a second Type, e.g. B. an insertion at another location. Likewise, more than 2 Types of changes are combined, e.g. B. can in addition to a substitution both a deletion in one place and an insertion in another available.
Der Fachmann weiß, wie er die Muteine herzustellen hat. Neben einer herkömmlichen Proteinsynthese, z. B. der Merrifield-Synthese, bieten sich für die Substitution, Deletion und Insertion vor allem rekombinante Verfahren an. Auf der Grundlage der bekannten Gene können gezielt Mutationen eingefügt werden, z. B. durch die oligonukleotidabhängige stellenspezifische Mutagenese. Es können Fragmente deletiert oder eingesetzt werden. Alternativ können für die Muteine kodierende DNA-Sequenzen de novo synthetisiert werden.The person skilled in the art knows how to produce the muteins. In addition to a conventional one Protein synthesis, e.g. B. the Merrifield synthesis, lend themselves to substitution, deletion and insertion mainly recombinant methods. Based on the known Genes can be specifically inserted mutations, e.g. B. by the site-specific mutagenesis dependent on oligonucleotides. Fragments can be deleted or be used. Alternatively, DNA sequences coding for the muteins de novo can be synthesized.
Chemische Modifikationen werden ebenfalls in dem Fachmann bekannter Weise eingeführt. Die Durchführung chemischer Modifikationen an Proteinketten ist z. B. beschrieben in DeSantis & Jones (1999).Chemical modifications are also known in the art introduced. The implementation of chemical modifications to protein chains is e.g. B. described in DeSantis & Jones (1999).
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das zuvor beschriebene Mutein mit einem zielspezifischen Molekül kovalent verbunden. Dies kann z. B. ein Heparin bindendes Epitop sein, das eine verstärkte Bindung an die Glycosaminoglycane der extrazellulären Matrix oder der Zelloberfläche bewirkt (s. z. B. PCT/EP00/00637). Unter der Maßgabe, dass dieses zielspezifische Molekül ein Antikörper ist, kann so z. B. gezielt die Signaltransduktion in solchen Zellen unterbunden werden, die ein Oberflächenprotein aufweisen, das von dem Antikörper erkannt wird. Zielspezifität kann dem Mutein jedoch nicht nur durch kovalente Bindung an einen Antikörper verliehen werden, sondern gegebenenfalls ebenso durch kovalente Bindung an einen Liganden, der für einen nur auf der Zielzelle vorkommenden Rezeptor spezifisch ist.In further preferred embodiments, the mutein described above is also with covalently linked to a target-specific molecule. This can e.g. B. a heparin be binding epitope that an increased binding to the Glycosaminoglycane der extracellular matrix or the cell surface (see e.g. PCT / EP00 / 00637). Under the proviso that this target-specific molecule is an antibody, z. B. targeted signal transduction in those cells that are inhibited Have surface protein that is recognized by the antibody. Target specificity can However, the mutein is not only conferred by covalent binding to an antibody are, but possibly also by covalent binding to a ligand, which is specific for a receptor which only occurs on the target cell.
In bevorzugten Ausführungsformen werden Muteine mit kovalent daran gebundenem zielspezifischen Molekül durch rekombinante Expression eines Fusionsproteins, das gegebenenfalls einen Spacer zwischen Mutein-kodierender Sequenz und zielspezifischen Molekül enthält, hergestellt.In preferred embodiments, muteins are covalently linked to them target-specific molecule by recombinant expression of a fusion protein that optionally a spacer between the mutein coding sequence and contains target-specific molecule.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf Derivate von Proteinen aus der TGF-β Superfamilie, die als essentiellen Bestandteil ein Mutein gemäß der vorliegenden Erfindung sowie zur Bitdung eines Dimers eine weitere Kette eines Proteins aus der Gruppe der TGF-β Superfamilie oder ein weiteres erfindungsgemäßes Mutein enthalten. Die Derivate können daher sowohl Homodimere als auch Heterodimere aus erfindungsgemäßen Muteinen bilden. Darüber hinaus kann ein Derivat ein Mutein und eine natürliche Kette eines Proteins aus der TGF-β-Super-Familie umfassen.The invention further relates to derivatives of proteins from TGF-β Superfamily, which is an essential component of a mutein according to the present Invention and the formation of a dimer another chain of a protein from the Group of the TGF-β superfamily or contain another mutein according to the invention. The derivatives can therefore both homodimers and heterodimers Form muteins according to the invention. In addition, a derivative can be a mutein and comprise a natural chain of a protein from the TGF-β super family.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf pharmazeutische Zusammensetzungen, die mindestens ein erfindungsgemäßes Protein und/oder ein erfindungsgemäßes Derivat enthalten. Umfasst von der Erfindung sind weiterhin pharmazeutisch verträgliche Salze davon. Die pharmazeutischen Zusammensetzungen können in Abhängigkeit von der Natur des darin enthaltenden Muteins und in Abhängigkeit von dem zu behandelnden pathologischen Zustand in Form von Salben, Cremes, Lotionen für die topische Applikation vorgesehen sein, in Form von Lösungen oder Lyophilisaten für intramuskuläre oder subkutane Injektionen. Die Formulierung und Konfektionierung der pharmazeutischen Zusammensetzungen erfolgt dabei nach Stand der Technik bekannten Maßgaben und umfasst u. a. die Stabilisierung.The invention further relates to pharmaceutical compositions which at least one protein according to the invention and / or one derivative according to the invention contain. The invention also includes pharmaceutically acceptable salts from that. The pharmaceutical compositions can, depending on the Nature of the mutein contained therein and depending on the one to be treated pathological condition in the form of ointments, creams, lotions for the topical Application can be provided in the form of solutions or lyophilisates for intramuscular or subcutaneous injections. The formulation and packaging of the Pharmaceutical compositions are made according to the prior art known requirements and includes u. a. the stabilization.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Muteines und/oder eines erfindungsgemäßen Derivates zum Herstellen pharmazeutischer Zusammensetzungen beansprucht. Diese können zur Prophylaxe und/oder zur Behandlung von Erkrankungen eingesetzt werden, die durch ein Protein aus der Superfamilie des TGF-β-Wachstumsfaktors vermittelt werden. Beispiele solcher Erkrankungen sind ektope Knochenbildungen, Psoriasis und Muskelschwund, Narbenbildung, Fibrosen und Zirrhosen. Dabei wird im Fall von ektoper Knochenbildung bevorzugt ein Mutein einer der Wachstumsfaktoren BMF-2 oder BMP-4 eingesetzt, während z. B. im Fall von Leberzirrhose bevorzugt ein Mutein eines oder mehrerer der Wachstumsfaktoren TGF-β1, -β2 oder -β3 bzw. ein diese enthaltendes Derivat verwendet wird.According to a further embodiment, the use of an inventive Muteines and / or a derivative according to the invention for producing claimed pharmaceutical compositions. These can be used for prophylaxis and / or used to treat diseases caused by a protein from the superfamily of the TGF-β growth factor. Examples of such Diseases include ectopic bone formation, psoriasis and muscle wasting, Scarring, fibrosis and cirrhosis. In the case of ectopic bone formation preferably a mutein of one of the growth factors BMF-2 or BMP-4 is used, while e.g. B. in the case of cirrhosis, a mutein one or more of the preferred Growth factors TGF-β1, -β2 or -β3 or a derivative containing them is used.
In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden Antikörper gegen ein erfindungsgemäßes Mutein oder ein erfindungsgemäßes Derivat bereitgestellt. Da die Muteine sich durch eine Veränderung an oberflächenexponierten Bereichen des Moleküls auszeichnen, wirkt sich dies auch auf die spezifisch mit dem Molekül reagierenden Antikörperpopulationen aus. Antikörper können auf herkömmliche Art und Weise entweder durch Immunisieren von Tieren (z. B. Kaninchen, Mäusen oder Ratten) zur Herstellung polyklonaler Antikörper bzw. durch Immunisieren und nachfolgendes Immortalisieren von Antikörper produzierenden Zellen um Fall von monoklonalen Antikörpern hergestellt werden. Die dafür erforderlichen Verfahren sind dem Fachmann mittlerweile bestens vertraut, jedoch muß wegen der hohen phylogenetischen Invarianz der Superfamilie darauf geachtet werden, für die Antikörpererzeugung möglichst einen Wirt zu wählen, dessen Wachstumsfaktoren sich von dem, gegen den Antikörper erzeugt werden sollen, weitgehend unterscheiden.In further embodiments of the present invention, antibodies against a mutein according to the invention or a derivative according to the invention is provided. There the muteins are characterized by a change in areas of the Characterize molecule, this also affects those specific to the molecule reacting antibody populations. Antibodies can be prepared in a conventional manner Manner either by immunizing animals (e.g. rabbits, mice or rats) for the production of polyclonal antibodies or by immunization and the following Immortalize antibody-producing cells in the case of monoclonal Antibodies are produced. The procedures required for this are the expert now very familiar, but due to the high phylogenetic invariance of the superfamily, be sure to use one for the generation of antibodies To choose host whose growth factors differ from that against the antibody to be generated largely differentiate.
Die Erfindung betrifft weiterhin die für die erfindungsgemäßen Muteine kodierenden Nukleinsäuren. Diese enthalten eine Nukleinsäuresequenz, die für ein gewünschtes Mutein kodiert. Die Nukleinsäuresequenz für BMP-2 ist z. B. aus Wozney et al. (1988) bekannt, die für TGF-β2 aus Madisen et al. (1988). Die für ein Mutein kodierende Nukleinsäuresequenz unterscheidet sich davon primär durch die für die veränderten Aminosäuren kodierenden Tripletts, d. h. durch das Fehlen, den Austausch oder die Insertion von einem oder mehreren Codons. Soweit das Mutein ein Mutein mit einer Identität von 50% oder mehr auf Aminosäureebene ist, haben die entsprechenden für eine natürliche reife Proteinkette verminderte Identität. Von dieser wegen der Degeneration des genetischen Codes abweichende Nukleinsäuren sind ebenfalls umfasst. Weiterhin sind zu den für die Muteine kodieren Nukleinsäuresequenzen komplementäre Sequenzen sowie mit diesen komplementären Sequnezen unter stringenten Bedingungen hybridisierende Nukleinsäuren, die für ein Mutein kodieren, das nach Bildung eines Homodimers antagonistisch oder partiell agonistische BMP-2 Aktivität aufweist, umfasst. Stringente Bedingungen sind dabei beispielsweise eine Hybridisierung bei 68°C in 0,5 × SSC. Diese und weitere stringente Hybridisierungsbedingungen können im Handbuch von Maniatis et al., 1989, nachgesehen werden.The invention further relates to those coding for the muteins according to the invention Nucleic acids. These contain a nucleic acid sequence that is required for a desired Mutein encoded. The nucleic acid sequence for BMP-2 is e.g. B. from Wozney et al. (1988) known for TGF-β2 from Madisen et al. (1988). The one coding for a mutein Nucleic acid sequence differs primarily from that for the modified ones Triplets encoding amino acids, i. H. through the absence, the exchange or the Insertion of one or more codons. As far as the mutein is a mutein with one Identity of 50% or more at the amino acid level is appropriate identity reduced for a natural mature protein chain. From this because of the Degeneracy of the genetic code are also different nucleic acids includes. Furthermore, the nucleic acid sequences coding for the muteins complementary sequences as well as with these complementary sequences below stringent conditions hybridizing nucleic acids that code for a mutein, that after the formation of a homodimer, antagonistic or partially agonistic BMP-2 Has activity includes. Stringent conditions are one example Hybridization at 68 ° C in 0.5 × SSC. These and other stringent ones Hybridization conditions can be found in the manual by Maniatis et al., 1989, be looked up.
Die erfindungsgemäße Nukleinsäure kann eine genomische DNA, eine cDNA, eine synthetische DNA oder eine RNA sein. Genomische DNAs oder cDNAs können nach im Stand der Technik bekannten Verfahren aus den entsprechenden gDNA- oder cDNA- Banken isoliert werden. Bei der Isolierung von Nukleinsäuren aus cDNA-Banken sind gewebe- oder zelllinienspezifische Banken, z. B. aus U-2 OS-Osteosarkom-Banken oder Prostata-Adenocarcinoma-Banken, bevorzugt. Synthetische DNA kann nach bekannten Verfahren hergestellt werden, RNA entweder miltels RNA-Vektoren oder aus mRNA isoliert werden. Für die rekombinante Produktion von erfindungsgemäßen Muteinen wird man je nach Expressionssystem eine genomische DNA oder cDNA bevorzugen, wobei jedoch die Expression mittels RNA-Vektoren nicht ausgeschlossen ist.The nucleic acid according to the invention can be a genomic DNA, a cDNA, a be synthetic DNA or an RNA. Genomic DNAs or cDNAs can be im Methods known from the prior art from the corresponding gDNA or cDNA Banks are isolated. When isolating nucleic acids from cDNA banks tissue or cell line specific banks, e.g. B. from U-2 OS osteosarcoma banks or prostate adenocarcinoma banks. Synthetic DNA can be used known methods can be produced from RNA either by means of RNA vectors or from mRNA can be isolated. For the recombinant production of the invention Depending on the expression system, muteins will become genomic DNA or cDNA prefer, but the expression by means of RNA vectors is not excluded is.
Im Fall von Substitutionsveränderungen kann durch im Stand der Technik bekannte Verfahren das für die ursprüngliche Aminosäure kodierende Codon ersetzt werden. Im Fall von Deletionen werden für ein oder mehrere Aminosäure kodierende Codons entfernt, während im Fall von Insertionen Codontriplets, die für die gewünschten Aminosäuren kodieren, eingesetzt werden. Bei der Auswahl von Codons im Falle einer Substitution oder Insertion wird sich der Fachmann bemühen, dem Codongebrauch des vorgesehenen Wirtsorganismus Rechnung zu tragen. Die entsprechenden Informationen sind im Stand der Technik erhältlich.In the case of substitution changes can be made by known in the art Process to replace the codon coding for the original amino acid. in the Case of deletions are codons coding for one or more amino acids removed while in the case of insertions codon triplets that are required for the Encode amino acids. When choosing codons in the case of a The person skilled in the art will endeavor to substitute or insert the codon use of to take into account the intended host organism. The corresponding Information is available in the prior art.
Erfindungsgemäß werden weiterhin Nukleinsäuren zur Verfügung gestellt, die einen zur Expressionskontrolle geeigneten Promotor enthalten, wobei die für ein erfindungsgemäßes Mutein kodierende Nukleinsäuresequenz unter der Kontrolle dieses Promotors steht. Die Wahl eines geeigneten Promotors ist wiederum von der Wahl des Expressionssystemes abhängig. Der Fachmann hat hierbei die Wahl zwischen einer Vielzahl bekannter, induzierbarer oder konstitutiver Promotoren für die verschiedensten Wirtsorganismen.According to the invention, nucleic acids are also made available which are used for Expression control suitable promoter, the for a Mutein coding nucleic acid sequence according to the invention under the control of this Promoter stands. The choice of a suitable promoter is in turn dependent on the choice of Expression system dependent. The expert has the choice between one A large number of known, inducible or constitutive promoters for the most varied Host organisms.
Zur rekombinanten Expression der erfindungsgemäßen Nukleinsäure wird diese bevorzugt in einen Vektor eingesetzt. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Vektor, der eine erfindungsgemäße Nukleinsäure enthält, sowie Wirtsorganismen, die eine Nukleinsäuresequenz, die für ein Mutein kodiert, entweder direkt in das Genom integriert oder aber in Form eines autonom replizierenden Vektors enthält. Im Stand der Technik sind zahlreiche prokaryontische und eukaryontische Expressionssysteme bekannt, wobei die Wirtszellen beispielsweise ausgewählt sind aus prokaryontischen Zellen, z. B. Bakterien wie E. coli oder B. subtilis, aus eukaryontischen Zellen, wie Hefezellen, Pflanzenzellen, Insektenzellen und Säugerzellen, z. B. CHO-Zellen, COS-Zellen oder HeLa-Zellen, sowie Derivaten davon. Im Stand der Technik sind beispielsweise bestimmte CHO-Produktionslinien bekannt, deren Glykosylierungsmuster im Vergleich zu CHO-Zellen verändert sind. Die durch die Verwendung glykosylierungseffizienter oder glykosylierungsverringerter Wirtszellen erhaltenen Polypeptide verfügen über eine veränderte räumliche Struktur, die möglicherweise mit einer veränderten biologischen Aktivität einhergeht.This is used for the recombinant expression of the nucleic acid according to the invention preferably used in a vector. The invention further relates to a vector which contains a nucleic acid according to the invention, and host organisms which a Nucleic acid sequence coding for a mutein, either integrated directly into the genome or contains in the form of an autonomously replicating vector. In the state of the art numerous prokaryotic and eukaryotic expression systems are known, the host cells are selected, for example, from prokaryotic cells, e.g. B. Bacteria such as E. coli or B. subtilis, from eukaryotic cells such as yeast cells, Plant cells, insect cells and mammalian cells, e.g. B. CHO cells, COS cells or HeLa cells and derivatives thereof. For example, in the prior art certain CHO production lines known, their glycosylation patterns compared changed to CHO cells. The more efficient by using glycosylation or glycosylation-reduced host cells obtained have a changed spatial structure, possibly with a changed biological Activity.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Muteines, wobei das Verfahren die Kultivierung einer Wirtszelle unter der zur Expression geeigneten Bedingungen und ggf. das Aufreinigen des exprimierten Muteins nach im Stand der Technik bekannten Verfahren umfasst.The invention also relates to a method for producing an invention Muteines, the method of culturing a host cell under the Expression suitable conditions and, if necessary, purification of the expressed mutein according to methods known in the art.
Die folgenden Beispiele und die Figuren erläutern die Erfindung, ohne sie darauf einzuschränken.The following examples and figures illustrate the invention without, however, pointing to it restrict.
Fig. 1 zeigt die Sequenzen für BMP-2, BMP-7, TGF-β2 und TGF-β3, wobei
entsprechende Aminosäuren untereinander angeordnet sind. Über der BMP-2 Sequenz
sind die durch Substitution veränderten Aminosäurereste angegeben. BMP-2 Muteine
mit verringerter Bindungsaffinität für den Typ II Rezeptor BMPR-II sind in durch einen
doppelten vertikalen Strich kenntlich gemacht. Veränderte Bindungsaffinitäten für den
Typ I Rezeptor BMPR-IA, die auf einer erniedrigten Assoziations- oder einer erhöhten
Dissoziationsgeschwindigkeitskonstante beruhen, sind mit einem Plus (+) bzw. Kreuz (x)
an den entsprechenden Positionen gekennzeichnet. Einfache vertikale Striche weisen
darauf hin, dass keine meßbaren Änderungen der Funktion der entsprechenden
Muteine gefunden werden konnten
Die Nummerierung bezieht sich auf die BMP-2 Sequenz. Fig. 1 shows the sequences for BMP-2, BMP-7, TGF-β2 and TGF-β3, and corresponding amino acids are arranged among each other. The amino acid residues altered by substitution are indicated above the BMP-2 sequence. BMP-2 muteins with reduced binding affinity for the type II receptor BMPR-II are identified by a double vertical line in. Altered binding affinities for the type I receptor BMPR-IA, which are based on a decreased association or an increased dissociation rate constant, are marked with a plus (+) or cross (x) at the corresponding positions. Simple vertical lines indicate that no measurable changes in the function of the corresponding muteins could be found
The numbering refers to the BMP-2 sequence.
Fig. 2 gibt Aufschluß über die biologische Aktivität und die inhibitorischen Eigenschaften von BMP-2 Muteinen. Fig. 2 provides information on the biological activity and the inhibitory properties of BMP-2 muteins.
-
A) Nach Inkubation von BMP-2 oder einem BMP-2 Mutein (250 nM) wurde die
alkalische Phosphataseaktivität gemessen. Die von jedem Mutein hervorgerufene
Antwort wurde in % der BMP-2 Antwort ausgedrückt. Die Werte stellen die
Mittelwerte (+/- Standardabweichung) von 4 Messungen dar.
Muteine mit gefüllten Symbolen sind hinsichtlich ihrer BMPR-II Wechselwirkung verändert, wie in Fig. 4 gezeigt. Plus- oder Kreuz-Symbole weisen auf Muteine mit einer veränderten Assoziations- oder Dissoziationskonatante für die Bindung an die BMPR-IA Rezeptorkette hin.A) After incubation of BMP-2 or a BMP-2 mutein (250 nM), the alkaline phosphatase activity was measured. The response elicited by each mutein was expressed as a% of the BMP-2 response. The values represent the mean values (+/- standard deviation) of 4 measurements.
Muteins with filled symbols are changed with regard to their BMPR-II interaction, as shown in FIG. 4. Plus or cross symbols indicate muteins with an altered association or dissociation constant for binding to the BMPR-IA receptor chain. - B) Die dosisabhängige Induktion der Aktivität der alkalischen Phosphatase in ausgehungerten C2C12 Zellen ist für BMP-2 (○) und für die BMP-2 Muteine A34D (), D30K (▱) und P50A (Δ) gezeigt. Die Hintergrundabsorption bei 405 nm von 0,080 +/- 0,020 wurde nicht abgezogen, um das Signal/Hintergrundverhältnis darzustellen.B) The dose-dependent induction of the activity of the alkaline phosphatase in starved C2C12 cells is for BMP-2 (○) and for BMP-2 muteins A34D (), D30K (▱) and P50A (Δ) are shown. The background absorption at 405 nm from 0.080 +/- 0.020 was not subtracted from the signal / background ratio to represent.
-
C) Die Inhibition der Induktion der alkalischen Phosphataseaktivität in ausgehungerten
C2C12 Zellen wurde nach Inkubation mit 250 nM BMP-2 Mutein in Gegenwart von
10 nM (o) oder 20 nM (Δ) BMP-2 bestimmt. Die in Gegenwart von BMP-2 allein
erhaltene Antwort ist durch eine gepunktete Linie angezeigt und wurde als 100%
angesetzt. Die Werte stellen einen Mittelwert +/- Standardabweichung von 4
Messungen dar.
Muteine mit gefüllten Symbolen sind hinsichtlich ihrer BMPR-II Wechselwirkung verändert. Plus- oder Kreuz-Symbole weisen auf Muteine mit veränderten Assoziations- oder Dissoziationskonstanten für die Bindung an den BMPR-IA Rezeptor hin.C) The inhibition of the induction of alkaline phosphatase activity in starved C2C12 cells was determined after incubation with 250 nM BMP-2 mutein in the presence of 10 nM (o) or 20 nM (Δ) BMP-2. The response obtained alone in the presence of BMP-2 is indicated by a dotted line and was set at 100%. The values represent an average +/- standard deviation of 4 measurements.
Muteins with filled symbols are changed with regard to their BMPR-II interaction. Plus or cross symbols indicate muteins with altered association or dissociation constants for binding to the BMPR-IA receptor. - D) Die Inhibition der BMP-2 Aktivität (10 nM BMP-2) durch zunehmende Dosen möglicherweise antagonistischer (partiell agonistischer) BMP-2 Muteine in ausgehungerten C2C12 Zellen. Die Dosiswirkungskurven der Muteine A34D (o) H39D (▱) S88A (Δ), L90A (∇) und L100A () in Gegenwart von 10 nM BMP-2 wurden nach Inkubation der Zellen (3 Tage) und Analyse der induzierten alkalischen Phosphataseaktivität erhalten.D) Inhibition of BMP-2 activity (10 nM BMP-2) by increasing doses possibly antagonistic (partially agonistic) BMP-2 muteins in starved C2C12 cells. The dose-response curves of Muteine A34D (o) H39D (▱) S88A (Δ), L90A (∇) and L100A () in the presence of 10 nM BMP-2 were induced after incubation of the cells (3 days) and analysis of alkaline Obtained phosphatase activity.
Fig. 3 zeigt die Biosensoranalyse der Bindung von BMP-2 und BMP-2 Muteinen an (A) Typ I oder (B) Typ II BMP-Rezeptorketten. Fig. 3 shows the biosensor analysis of the binding of BMP-2 and BMP-2 muteins of (A) Type I or (B) type II BMP receptor chains.
Fig. 4 zeigt die Wechselwirkung von BMP-2 Muteinen mit Typ I (BMPR-IA)- oder Typ II (BMPR-II, ActR-II)-Rezeptorektodomänen. Figure 4 shows the interaction of BMP-2 muteins with type I (BMPR-IA) or type II (BMPR-II, ActR-II) receptorectodomains.
Die Geschwindigkeitskonstanten für die Assoziation (kon) und Dissoziation (koff) eines BMP-2 Muteins bei einer Konzentration von 15, 30 und 45 nM mit immobilisierter BMPR- IA Rezeptorektodomäne wurde aus den in Fig. 3(A) gezeigten Sensogrammen abgeleitet. Die in Fig. 3(B) gezeigten Sensogramme wurden ausgewertet, um die Gleichgewichtsbindung von 45 nM Mutein (EQ45) an immobilisierte BMPR-II- oder ActR- II-Rezeptorektodomänen abzuleiten. Alle Werte wurden normalisiert, in dem die kon, koff und EQ45 Werte von BMP-2 als Standard genommen wurden.The rate constants for the association (k on ) and dissociation (k off ) of a BMP-2 mutein at a concentration of 15, 30 and 45 nM with immobilized BMPR-IA receptor ectodomain were derived from the sensograms shown in FIG. 3 (A). The sensograms shown in Fig. 3 (B) were evaluated to derive the equilibrium binding of 45 nM mutein (EQ45) to immobilized BMPR-II or ActR-II receptor ectodomains. All values were normalized by taking the k on , k off and EQ45 values from BMP-2 as standard.
- A) Gleichgewichtsbindung von zunehmenden Konzentrationen von BMP-2 an die Typ I Rezeptoren BMPR-IA und BMPR-IB sowie an die Typ II Rezeptoren BMPR-II und ActR-II. Für die Bestimmung der Gleichgewichtsbindung an die immobilisierten Rezeptordomänen wurden die in Fig. 3 gezeigten Sensogramme ausgewertet.A) Equilibrium binding of increasing concentrations of BMP-2 to the type I receptors BMPR-IA and BMPR-IB and to the type II receptors BMPR-II and ActR-II. The sensograms shown in FIG. 3 were evaluated to determine the binding of equilibrium to the immobilized receptor domains.
- B) Differentielle Bindungsaffinität von BMP-2 Muteinen an BMPR-II oder ActR-II Rezeptoren. Die Gleichgewichtsbindung während der Biosensoranalyse von 45 nM Mutein (EQ45) an BMPR-II ist gegen die Bindung an ActR-II aufgetragen. Die Werte sind durch die Gleichgewichtsbindung von BMP-2 an die entsprechenden Rezeptoren normalisiert. B) Differential binding affinity of BMP-2 muteins to BMPR-II or ActR-II Receptors. The equilibrium bond during the biosensor analysis of 45 nM Mutein (EQ45) on BMPR-II is plotted against binding to ActR-II. The values are through the equilibrium binding of BMP-2 to the corresponding Normalized receptors.
- C) Graphische Darstellung der Geschwindigkeitskonstanten für die Assoziation (kon) und Dissoziation (koff) eines BMP-2 Muteines mit dem BMPR-IA Rezeptor. Muteine, die spezifisch hinsichtlich ihrer kon verändert sind, sind durch Plus-Symbole gekennzeichnet, solche mit spezifisch veränderter koff durch Kreuz-Symbole.C) Graphical representation of the rate constants for the association (k on ) and dissociation (k off ) of a BMP-2 mutein with the BMPR-IA receptor. Muteins that are specifically changed in terms of their k on are identified by plus symbols, those with a specifically modified k off by cross symbols.
- D) Graphische Darstellung der Assoziationskonstanten (kon) für die BMPR-IA Bindung und die Gleichgewichtsbindung (EQ45) an BMPR-II für die gleichen Muteine wie in (C). Weil sowohl die Assoziationskonstanten als auch die Gleichgewichtsbindung von der Konzentration des BMP-2 Muteins abhängen, werden spezifische (und konzentrationsunabhängige) Veränderungen sichtbar. Muteine mit einer spezifischen Abnahme des Bindungsgleichgewichts sind durch gefüllte Kreise markiert.D) Graphical representation of the association constant (k on ) for the BMPR-IA binding and the equilibrium binding (EQ45) to BMPR-II for the same muteins as in (C). Because both the association constants and the equilibrium bond depend on the concentration of the BMP-2 mutein, specific (and concentration-independent) changes become visible. Muteins with a specific decrease in the binding equilibrium are marked by filled circles.
Fig. 5 ist ein Raummodell von BMP-2 (Scheufler et al., 1999), in dem die die Typ-I Rezeptorbindung bestimmenden Reste des "wrist"-Epitops und die die Typ-II Rezeptorbindung bestimmenden Reste des "knuckle"-Epitops bezeichnet sind. Die Zuordnung ergibt sich aus Fig. 1, sowie aus den Tabellen und Auflistungen auf den Seiten 12/13 und 17. Reste der einen Untereinheit sind dick und kursiv beschriftet, Reste der anderen mit einfachen Großbuchstaben. Figure 5 is a spatial model of BMP-2 (Scheufler et al., 1999) in which the type I receptor binding residues of the "wrist" epitope and the type II receptor binding residues of the "knuckle" epitope are designated. The assignment is shown in Fig. 1, as well as from the tables and lists on pages 12/13 and 17. Remains of one subunit are bold and italic, remainders of the other with simple capital letters.
Auf der kleinen inserierten Schemazeichnung ist das dimere Protein in der Papierebene um die lange Achse um 90 Grad gedreht.On the small inserted schematic drawing, the dimeric protein is in the paper plane rotated 90 degrees around the long axis.
Sequenzzuordnung von Faktoren der TGF-β Superfamilie. Die Nummerierung folgt der Aminosäure-Sequenz des reifen humanen BMP-2. Sequence assignment of factors of the TGF-β superfamily. The numbering follows Amino acid sequence of the mature human BMP-2.
Eine extrazelluläre Domäne des humanen BMPR-IA, umfassend die Reste 24-142 (ten Dijke et al., 1993) einschließlich einer N-terminalen Verlängerung (GSGAMA) wurde als lösliches Thioredoxin-Fusionsprotein in E. coli exprimiert. Nach Thrombinspaltung wurde das Protein mittels Affinitätschromatographie über BMP-2 Sepharose gereinigt, wie von Kirsch et al., (2000 (a)) beschrieben.An extracellular domain of human BMPR-IA comprising residues 24-142 (ten Dijke et al., 1993) including an N-terminal extension (GSGAMA) was expressed as a soluble thioredoxin fusion protein in E. coli. After thrombin cleavage, the protein was purified by affinity chromatography on BMP-2 Sepharose as described by Kirsch et al., (2000 (a)).
Die extrazellulären Domänen von ActR-II (Aminosäurereste 19-126) (Matzuk und Bradley, 1992), BMPR-II (Aminosäurereste 27-151) (Rosenzweig et al., 1995) und BMPR-IB (Aminosäurereste 14-126) (Astrom et al., 1999) wurden mit einer C-terminalen Thrombinspaltstelle (LVPRGS) zusammen mit einem 6 × His-tag in SF-9 Insektenzellen Pharmingen im Einklang mit den Instruktionen des Herstellers exprimiert. Die korrespondierenden DNA-Sequenzen wurden in die BamHI-Spaltstelle des Baculovirus Transfervektors pAcGP67B (Pharmingen) insertiert. Das Kulturmedium, das nach Infektion der SF9-Zellen mit einer MOI (multiplicity of infection) von 3 vier Tage lange inkubiert worden war, wurde auf Ni-NTA-Agarose Qiagen in einem Waschpuffer (50 mM NaH2PO4, pH 8,3, 300 mM NaCl, 10 mM Imidazol) bei 4°C aufgetragen. Die rekombinanten Proteine wurden mit Elutionspuffer (50 mM NaH2PO4, pH 8,3, 300 mM NaCl, 300 mM Imidazol) eluiert und gründlich gegen Hochsalz HBS-Puffer (10 mM HEPES, pH 7,4, 500 mM NaCl, 3,4 mM EDTA) dialysiert. Schließlich wurden die Ektodomänen an eine BMP-2-Sepharose-Affinitätsmatrix adsorbiert (Kirsch et al., 2000(a)) gewaschen und mit 4 M MgCl2 eluiert. Die gereinigten Proteine wurden in Niedrigsalz HBS-Puffer (10 mM HEPES, pH 7,4, 150 mM NaCl, 3, 4 mM EDTA) überführt, mittels YM 10 Ultrafiltrationsmembranen konzentriert und bei -80°C gelagert.The extracellular domains of ActR-II (amino acid residues 19-126) (Matzuk and Bradley, 1992), BMPR-II (amino acid residues 27-151) (Rosenzweig et al., 1995) and BMPR-IB (amino acid residues 14-126) (Astrom et al., 1999) were expressed with a C-terminal thrombin cleavage site (LVPRGS) together with a 6 × His tag in SF-9 insect cells Pharmingen in accordance with the manufacturer's instructions. The corresponding DNA sequences were inserted into the BamHI site of the baculovirus transfer vector pAcGP67B (Pharmingen). The culture medium, which had been incubated for four days after infection of the SF9 cells with a MOI (multiplicity of infection) of 3, was applied to Ni-NTA-Agarose Qiagen in a washing buffer (50 mM NaH 2 PO 4 , pH 8.3 , 300 mM NaCl, 10 mM imidazole) at 4 ° C. The recombinant proteins were eluted with elution buffer (50 mM NaH 2 PO 4 , pH 8.3, 300 mM NaCl, 300 mM imidazole) and thoroughly against high salt HBS buffer (10 mM HEPES, pH 7.4, 500 mM NaCl, 3 , 4 mM EDTA) dialyzed. Finally, the ectodomains were adsorbed onto a BMP-2-Sepharose affinity matrix (Kirsch et al., 2000 (a)), washed and eluted with 4 M MgCl 2 . The purified proteins were transferred into low salt HBS buffer (10 mM HEPES, pH 7.4, 150 mM NaCl, 3, 4 mM EDTA), concentrated using YM 10 ultrafiltration membranes and stored at -80 ° C.
Die gereinigten Rezeptorproteine wurden durch Inkubation mit äquimolaren Konzentrationen von Sulfo-NHS-LC-Biotin (Pierce) wie beschrieben N-biotinyliert (Shen et al., 1996). The purified receptor proteins were incubated with equimolar Concentrations of sulfo-NHS-LC-biotin (Pierce) as described N-biotinylated (Shen et al., 1996).
Eine BMP-2 cDNA, die für die Reste 283-396 des reifen BMP-2-Proteins plus der beiden N-terminalen Aminosäuren MA kodiert (Ruppert et al., 1996), wurde einer in vitro Kassetten-Mutagenese (Wang et al., 1997) unterworfen, wofür synthetische doppelsträngige Oligonukleotide verwendet wurden. Die BMP-2-Muteine wurden in E. coli exprimiert, als Einschlußkörper isoliert, renaturiert und wie in Ruppert et al., s. o., beschrieben, gereinigt.A BMP-2 cDNA covering residues 283-396 of the mature BMP-2 protein plus the two N-terminal amino acids MA encoded (Ruppert et al., 1996) was one in vitro Cassette mutagenesis (Wang et al., 1997) for which synthetic double-stranded oligonucleotides were used. The BMP-2 muteins were in E. coli expressed, isolated as inclusion body, renatured and as in Ruppert et al., see. O., described, cleaned.
Die Promyoblastenzellen C2C12 (ATCC CRL-1772, Blau et al., 1983) wurden in einer Dichte von 3 × 104 Zellen pro Napf in einer Mikrotiterplatte mit 96 Näpfen 3 Tage lang mit 1 bis 250 nM jeder BMP-2-Variante in 100 µl DMEM-Medium mit 2% Kälberserum und Antibiotika (100 U/ml Penicillin G und 100 µg/ml Streptomycin) bei 37°C in angefeuchteter Atmosphäre bei 5% CO2 stimuliert. Die Zellen wurden mit PBS gewaschen und dann 1 Stunde mit 100 µl 1% NP40 in ALP-Puffer (0,1 M Glycin, pH 9,6, 1 mM MgCl2, 1 mM ZnCl2) lysiert. Die ALP-Aktivität wurde bestimmt, indem die lysierten Zeilen 15 Minuten mit 100 µl ALP-Puffer plus 1 mg/ml p-Nitrophenylphosphat inkubiert wurden und die Extinktion bei 405 nm gemessen wurde. Eine A405-Extinktionseinheit entspricht 1,5 nmol p-Nitrophenolatproduktion pro Minute pro 3 × 104 Zellen. Die Ergebnisse wurden als Mittelwerte, die in vier unabhängigen Experimenten gewonnen worden waren, mit einer Standardabweichung (SD) von +/-39% ausgedrückt. Inhibitionsexperimente, die in Gegenwart von 10 oder 20 nM BMP-2 durchgeführt worden waren, zeigten größere Standardabweichungen, die in den entsprechenden Figuren gezeigt sind.The promyoblast cells C2C12 (ATCC CRL-1772, Blau et al., 1983) were at a density of 3 × 10 4 cells per well in a microtiter plate with 96 wells for 3 days with 1 to 250 nM of each BMP-2 variant in 100 µl DMEM medium with 2% calf serum and antibiotics (100 U / ml penicillin G and 100 µg / ml streptomycin) stimulated at 37 ° C in a humidified atmosphere with 5% CO 2 . The cells were washed with PBS and then lysed for 1 hour with 100 µl 1% NP40 in ALP buffer (0.1 M glycine, pH 9.6, 1 mM MgCl 2 , 1 mM ZnCl 2 ). The ALP activity was determined by incubating the lysed lines with 100 μl ALP buffer plus 1 mg / ml p-nitrophenyl phosphate for 15 minutes and measuring the absorbance at 405 nm. An A 405 absorbance unit corresponds to 1.5 nmol p-nitrophenolate production per minute per 3 × 10 4 cells. The results were expressed as means obtained in four independent experiments with a standard deviation (SD) of +/- 39%. Inhibition experiments carried out in the presence of 10 or 20 nM BMP-2 showed larger standard deviations, which are shown in the corresponding figures.
Das BIA2000-System (Biacore) wurde verwendet, um die Bindung von BMP-2-Muteine an immobilisierte Rezeptor-Ektodomänen aufzuzeichnen. Die biotinylierten Proteine wurden getrennt an eine Streptavidin-beschichtete Matrix von Biosensor CM5 in Flußzellen 2, 3 und 4 bei einer Dichte von ungefähr 200 Resonanzeinheiten (RU) fixiert, was 200 pg Protein (ungefähr 15 fmol-Rezeptor) pro mm2 entspricht. BMP-2-Muteine wurden in Konzentrationen von 15 bis 30 nM in HBS-Puffer (10 mM Hepes, pH 7,4, 500 mM NaCl, 3,4 mM EDTA, 0,005% P20 (Biacore) über die Flußzellen 1, 2, 3 und 4 in Reihe bei einer Flußrate von 10 µl/min bei 25°C perfundiert, und die Sensogramme wurden bei einer "data sampling rate" von 2,5 Hz aufgenommen. Der Assoziationszeitraum betrug 20 Minuten und der Dissoziationszeitraum war auf 6 Minuten eingestellt. Freie Rezeptoren wurden durch Perfusion mit 0,1 M Essigsäure, 1 M NaCl für 2 Minuten regeneriert. Das Basissensogramm, das für die Flußzelle 1 (Streptavidin-Kontrolle) aufgezeichnet worden war, wurde von den Sensogrammen, die für die Flußzellen 2(BMPR-II), 3(ActR-II) und 4(BMPR-IA) erhalten wurden, subtrahiert. Die differentiellen Sensogramme wurden im Einklang mit der "fitting routine 2" gemäß der BIA-Auswertungs-Software 2.2.4 (Biacore) ausgewertet. Die Gleichgewichtsbindung von BMP-2-Muteinen bei einer Konzentration von 45 nM (EQ45) wurde zweimal doppelt mit einer maximalen Standardabweichung (SD) von +/-20% gemessen. Die angegebenen Geschwindigkeitskonstanten kon für die Assoziationsgeschwindigkeit und Koff für die Dissoziationsgeschwindigkeit für die Interaktion zwischen BMPR-IA und BMP- 2-Muteinen sind Mittelwerte, die in mindestens 12 Messungen gewonnen worden sind, die mit mindestens drei verschiedenen Konzentrationen der Liganden durchgeführt worden waren. Die Standardabweichungen betrugen 13% für kon und 19% für koff. Weil die wirkliche Stöchiometrie der Komplexbildung noch nicht sicher ist, wurden alle Sensogramme auf der Grundlage eines nicht gesicherten 1 : 1 Assoziationsmodells ausgewertet, und daher werden nur apparente, aber keine absoluten Konstanten angegeben.The BIA2000 system (Biacore) was used to record the binding of BMP-2 muteins to immobilized receptor ectodomains. The biotinylated proteins were separately fixed to a streptavidin-coated matrix of biosensor CM5 in flow cells 2 , 3 and 4 at a density of approximately 200 resonance units (RU), which corresponds to 200 pg protein (approximately 15 fmol receptor) per mm 2 . BMP-2 muteins in concentrations of 15 to 30 nM in HBS buffer (10 mM Hepes, pH 7.4, 500 mM NaCl, 3.4 mM EDTA, 0.005% P20 (Biacore) via the flow cells 1 , 2 , 3 and 4 were perfused in series at a flow rate of 10 µl / min at 25 ° C. and the sensograms were recorded at a data sampling rate of 2.5 Hz, the association period was 20 minutes and the dissociation period was set to 6 minutes Free receptors were regenerated by perfusion with 0.1 M acetic acid, 1 M NaCl for 2 minutes The basic sensogram recorded for flow cell 1 (streptavidin control) was obtained from the sensograms used for flow cell 2 (BMPR -II), 3 (ActR-II) and 4 (BMPR-IA) were subtracted The differential sensograms were evaluated in accordance with the "fitting routine 2" according to the BIA evaluation software 2.2.4 (Biacore). The equilibrium binding of BMP-2 muteins at a concentration of 45 nM (EQ 45 ) was done twice ppelt measured with a maximum standard deviation (SD) of +/- 20%. The given rate constants k on for the association rate and K off for the dissociation rate for the interaction between BMPR-IA and BMP-2 muteins are mean values which have been obtained in at least 12 measurements which were carried out with at least three different concentrations of the ligands . The standard deviations were 13% for k on and 19% for k off . Because the real stoichiometry of the complex formation is not yet certain, all sensograms were evaluated on the basis of an unsecured 1: 1 association model, and therefore only apparent but no absolute constants are given.
Um funktionell wichtige Aminosäureseitenketten und Rezeptor-bindende Epitope im reifen Anteil von humanem BMP-2 zu identifizieren, wurden 57 Aminosäurereste einzeln durch in vitro Mutagenese substituiert (Kirsch et al., 2000 (b)). Die substituierten Reste sind in Fig. 1 über der BMP-2 Sequenz wiedergegeben. Die Muteine wurden in E. coli exprimiert. Es wurde ein Satz von 42 Muteinen erhalten, die an 40 verschiedenen Positionen substituiert waren. Die Expression in E. coli führte zu dimeren Proteinen, die mit einer Reinheit von besser als 95% und in Ausbeuten, die für die anschließende Analyse der biologischen Aktivität und Rezeptorbindung ausreichend waren, erhalten werden konnten.In order to identify functionally important amino acid side chains and receptor-binding epitopes in the mature portion of human BMP-2, 57 amino acid residues were individually substituted by in vitro mutagenesis (Kirsch et al., 2000 (b)). The substituted residues are shown in Fig. 1 above the BMP-2 sequence. The muteins were expressed in E. coli. A set of 42 muteins substituted at 40 different positions was obtained. Expression in E. coli resulted in dimeric proteins which could be obtained with a purity of better than 95% and in yields which were sufficient for the subsequent analysis of the biological activity and receptor binding.
In einer ersten Mutageneserunde wurden 20 Reste mit an der Oberfläche des Moleküls exponierten Seitenketten ausgewählt, die die gesamte Oberfläche des BMP-2 netzähnlich überspannen. Nachdem Muteine mit vielversprechenden Phänotypen erhalten worden waren, wurden die juxtaponierten Oberflächenreste systematisch ausgetauscht. Zunächst wurden die Reste durch Alanin ersetzt, um den Beitrag der ersetzten Seitenkette zur Bindungsenergie abschätzen zu können. Später wurden die Aminosäurereste durch geladene Reste ersetzt, um die Änderung der phänotypischen Eigenschaften sich nach Einführen einer Ladung zu beobachten.In a first round of mutagenesis, 20 residues were found on the surface of the molecule exposed side chains selected covering the entire surface of the BMP-2 span like a net. After muteins with promising phenotypes had been obtained, the juxtapositioned surface residues became systematic exchanged. First, the residues were replaced by alanine to contribute to the to be able to estimate the replaced side chain for binding energy. Later that Amino acid residues replaced by charged residues to change the phenotypic Properties to observe after a charge has been introduced.
Der C2C12-Zelltest, der für die quantitative Bestimmung der biologischen Aktivität der BMP-2 Muteine verwendet worden war, erlaubt es, reproduzierbar relativ kleine Veränderungen festzustellen. Die Maus-Promyoblastenzellen differenzieren unter Hungerbedingungen sehr schnell in multinukleäre Myotuben. BMP-2 inhibiert diesen myogenen Weg und induziert die Bildung von osteoblastenähnlichen Zellen, die für alkalische Phosphatase(ALP) positiv sind. BMP-2 induziert dosisabhängig eine hohe alkalische Phosphatase(ALP)-Aktivität in hungernden C2C12-Zellen mit einer ED50 von 20 +/- 10 nM (Fig. 2B). Die funktionelle Bedeutung von BMPR-IA für die osteoinduktiven Wirkungen von BMP-2 in C2C12-Zellen ist bereits bekannt. Der BMPR- IB Rezeptor wird nur in verschwindend geringen Mengen festgestellt und spielt daher in diesen Zellen wahrscheinlich keine funktionelle Rolle. Die Typ II Rezeptoren BMPR-II und ActR-II sind in C2C12-Zellen vorhanden und können mit dem BMP-2 Liganden in Abwesenheit, effizienter aber in Gegenwart von BMPR-IA quervernetzt werden. Es ist bis heute nicht eindeutig nachgewiesen, ob beide Typ II Rezeptoren die BMP-2 Antworten in Wirtszellen vermitteln. Einige BMP-2 Muteine wiesen eine eindeutig verringerte Aktivität auf, wenn sie bei einer Konzentration von 250 nM auf C2C12 Zellen untersucht wurden (Fig. 2A). Die Muteine A34D und L90A induzieren überhaupt keine signifikante Antwort. Einige andere Mutantenproteine zeigten eine reduzierte Aktivität im Bereich von 2% bis 30% der BMP-2 Aktivität. Die Symbole, die die Aktivität der einzelnen Proteine bei einer Konzentration von 250 nM anzeigen, sind im Einklang mit den Ergebnissen einer Rezeptorinteraktionsanalyse (s. unten) farbig gestaltet. Rote Symbole weisen auf eine reduzierte Affinität für die BMPR-II Ektodomäne hin, während blaue Symbole eine veränderte Wechselwirkung mit der BMPR-IA Ektodomäne anzeigen.The C2C12 cell test, which was used for the quantitative determination of the biological activity of the BMP-2 muteins, makes it possible to detect relatively small changes reproducibly. The mouse promyoblast cells rapidly differentiate into multinuclear myotubes under hunger conditions. BMP-2 inhibits this myogenic pathway and induces the formation of osteoblast-like cells that are positive for alkaline phosphatase (ALP). BMP-2 induced dose-dependent high alkaline phosphatase (ALP) activity in starving C2C12 cells with an ED 50 of 20 +/- 10 nM ( Fig. 2B). The functional importance of BMPR-IA for the osteoinductive effects of BMP-2 in C2C12 cells is already known. The BMPR-IB receptor is only detected in negligible amounts and therefore probably does not play a functional role in these cells. The type II receptors BMPR-II and ActR-II are present in C2C12 cells and can be cross-linked with the BMP-2 ligand in the absence, more efficiently but in the presence of BMPR-IA. To date it has not been clearly established whether both type II receptors mediate the BMP-2 responses in host cells. Some BMP-2 muteins showed a clearly reduced activity when examined at a concentration of 250 nM on C2C12 cells ( Fig. 2A). Muteins A34D and L90A do not induce a significant response at all. Some other mutant proteins showed reduced activity in the range of 2% to 30% of BMP-2 activity. The symbols, which indicate the activity of the individual proteins at a concentration of 250 nM, are colored in accordance with the results of a receptor interaction analysis (see below). Red symbols indicate a reduced affinity for the BMPR-II ectodomain, while blue symbols indicate a changed interaction with the BMPR-IA ectodomain.
Repräsentative Beispiele von Muteinen mit ungefähr 50% (D30K), weniger als 10% (P50A) und weniger als 1% (A34D) Restaktivität sind in Fig. 2c durch Wirkungskurven gezeigt. Weil die BMP-2 Proteine bei Konzentrationen über 500 nM im Kulturmedium präzipitierten, wurden Dosen oberhalb von 250 nM nicht analysiert.Representative examples of muteins with approximately 50% (D30K), less than 10% (P50A) and less than 1% (A34D) residual activity are shown in Figure 2c by activity curves. Because the BMP-2 proteins precipitated in the culture medium at concentrations above 500 nM, doses above 250 nM were not analyzed.
Die Veränderungen der biologischen Aktivität der beschriebenen Muteine kann von erheblichen Veränderungen in der Struktur, Stabilität oder Solubilität des Proteins infolge von Aminosäuresubstitutionen herrühren. Alternativ können funktionelle Seitenketten, die in die Bindung des Typ I oder Typ II BMP-2 Rezeptors involviert sind, beeinträchtigt worden sein. Die letztere Möglichkeit, dass nämlich spezielle Änderungen in den Muteinen erzeugt worden sind, wurde in den nachfolgend beschriebenen Experimenten überprüft.The changes in the biological activity of the muteins described can be caused by significant changes in the structure, stability or solubility of the protein due to amino acid substitutions. Alternatively, functional ones Side chains involved in the binding of type I or type II BMP-2 receptors, have been affected. The latter possibility, namely special changes in the muteins has been described in the following Experiments checked.
Überraschenderweise waren einige der Muteine in der Lage, die BMP-2 Aktivität bei Konzentration von 10 bis 250 nM zu inhibieren. Wenn C2C12-Zellen mit einer konstanten Menge BMP-2 in Gegenwart von 250 nM Mutein stimuliert wurden, wurde die Induktion der ALP-Aktivität durch das Mutein A34D auf weniger als 1% reduziert, durch L90A auf ca. 3%, durch L100A auf ungefähr 20% und durch S88A auf 80% des Wertes, der durch BMP-2 in Abwesenheit von Mutantenproteinen induziert wurde (Fig. 2c).Surprisingly, some of the muteins were able to inhibit BMP-2 activity at a concentration of 10 to 250 nM. When C2C12 cells were stimulated with a constant amount of BMP-2 in the presence of 250 nM mutein, the induction of ALP activity by the mutein A34D was reduced to less than 1%, by L90A to approximately 3%, by L100A to approximately 20% and by S88A to 80% of the value induced by BMP-2 in the absence of mutant proteins ( Fig. 2c).
Die inhibitorischen Eigenschaften dieser Antagonisten/partiellen Agonisten wurde durch Bestimmung der Dosis/Inhibitionskurven bestätigt, die in Fig. 2D gezeigt sind. Die Mutantenproteine A34D, L90A und L100A inhibierten bei Konzentrationen von 20 bis 40 nM halbmaximal. Dieser IC50 Wert ist einer Konzentration von 10 nM BMP-2 während des Tests ähnlich. Dementsprechend arbeiten die inhibitorischen Muteine bei ähnlichen Konzentrationen wie BMP-2, wobei sie höchstwahrscheinlich mit BMP-2 um eine gemeinsame Rezeptorbindungsstelle konkurrieren.The inhibitory properties of these antagonists / partial agonists were confirmed by determining the dose / inhibition curves shown in Fig. 2D. The mutant proteins A34D, L90A and L100A inhibited half-maximally at concentrations of 20 to 40 nM. This IC50 value is similar to a concentration of 10 nM BMP-2 during the test. Accordingly, the inhibitory muteins work at concentrations similar to BMP-2, most likely competing with BMP-2 for a common receptor binding site.
Der Nachweis der BMP-2 Muteinen mit antagonistischen bzw. partiell agonistischen Eigenschaften zeigt, dass durch die jeweilige Aminosäuresubstitutionen spezielle Änderungen hervorgerufen worden sind, die die Potenz des BMP-2 Proteins beeinträchtigen, aber der Rezeptorbindungsaffinität im großen und ganzen unbeeinträchtigt lassen.The detection of the BMP-2 muteins with antagonistic or partially agonistic Properties shows that special amino acid substitutions Changes have been made to the potency of the BMP-2 protein affect, but on the whole, receptor binding affinity leave undisturbed.
Es ist bereits bekannt, dass es in C2C12-Zellen Typ I BMP-2 Rezeptoren BMPR-IA und die Typ II Rezeptoren BMPR-II und ActR-II gibt, die die BMP-2 Antworten zu vermitteln scheinen. Es bestand daher die entfernte Möglichkeit, dass die funktionellen Veränderungen, die in einigen der BMP-2 Muteinen beobachtet wurden, das Ergebnis spezifischer Veränderungen in BMP-2 Epitopen für die Bindung dieser Rezeptorketten wäre. Diese Hypothese wurde im einzelnen durch eine Wechselwirkungsanalyse untersucht, in der die rekombinanten Ektodomänen von BMPR-IA, BMPR-II und ActR-II eingesetzt wurden. Es wäre schwierig gewesen, in quantitativen Radioliganden- Bindungsexperimenten die Bindung von BMP-2 Muteinen an ganzen Zellen zu untersuchen, da das BMP-2 Protein an die in der extrazellulären Matrix und auf den Zelloberflächen vorhandenen Glykosaminoglykane bindet. Die Wechselwirkung zwischen dem rekombinanten Rezeptor und den Ektodomänen konnte mittels eines Biosensorsystems aufgezeichnet werden. Es ist bereits für andere Rezeptorsysteme gezeigt worden, dass kleine Veränderungen der Bindungsaffinität oder der Kinetik der Ligandenbindung mit Biosensor immobilisierten Rezeptordomänen gezeigt werden können. Es zeigt sich, dass die am Biosensor immobilisierten BMPR-II Rezeptorproteine sehr stabil sind und einige Dutzend Zyklen Ligandenbindung und Dissoziierung ohne Veränderung der Bindungseigenschaften überleben. Die Kinetiken und die Gleichgewichtsbindung aller BMP-2 Proteine wurden daher unter den gleichen Bedingungen gemessen. Unterschiede zwischen BMP-2 und den Muteinen konnten so mit Sicherheit festgestellt werden, selbst wenn die Werte der Kinetiken und der Gleichgewichtskonstanten eher relative Werte sind.It is already known that it is in BMC-2 receptors BMPR-IA and type C2C12 the type II receptors BMPR-II and ActR-II are there that mediate the BMP-2 responses seem to be. There was therefore a remote possibility that the functional Changes that were observed in some of the BMP-2 muteins, the result specific changes in BMP-2 epitopes for the binding of these receptor chains would. This hypothesis was substantiated by an interaction analysis investigated in which the recombinant ectodomains of BMPR-IA, BMPR-II and ActR-II were used. It would have been difficult in quantitative radioligand Binding experiments to bind BMP-2 muteins to whole cells investigate since the BMP-2 protein attaches to those in the extracellular matrix and to the Cell surface binds existing glycosaminoglycans. The interaction between the recombinant receptor and the ectodomains was able to Biosensor system can be recorded. It is already for other receptor systems that small changes in binding affinity or kinetics of Ligand binding with biosensor immobilized receptor domains are shown can. It turns out that the BMPR-II receptor proteins immobilized on the biosensor are very stable and without a few dozen cycles of ligand binding and dissociation Survive change in binding properties. The kinetics and the Equilibrium binding of all BMP-2 proteins were therefore among the same Conditions measured. Differences between BMP-2 and the muteins could be so can be determined with certainty even if the values of the kinetics and the Equilibrium constants tend to be relative values.
Es wurden Sensogramme aufgezeichnet und ausgewertet, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind. Bei Verwendung immobilisierter BMPR-IA Ektodomäne konnten Unterschiede in den Geschwindigkeitskonstanten der Komplexbildung (kon) und Dissoziation (koff) mit den BMP-2 Muteinen leicht analysiert werden, wie in Fig. 3A für Sensogramme gezeigt ist, die alle bei einer 45 nM Konzentration der Muteine aufgezeichnet worden sind. Die Konzentrationsabhängigkeit der Gleichgewichtsbindung von BMP-2, wie in (Fig. 4A) führt zu einer apparenten Kd von ungefähr 1 nM. Diese Affinität ist in dem Bereich einer hochaffinen Bindung, wie sie z. B. zwischen hGH und hGHbp oder IL-4 und IL-4Rα beobachtet wird, und beruht hauptsächlich auf der niedrigen Dissoziationsgeschwindigkeit des Liganden (apparente koff ≅ 4 × 10-4 s-1), was eine Halbwertszeit für den Komplex von ungefähr 0,5 Std. bedeutet. Es konnte nicht abschließend festgestellt werden, ob diese außergewöhnlich lange Halbwertszeit durch die gleichzeitige Wechselwirkung von BMP-2 mit 2 immobilisierten Rezeptoren verursacht war, oder ob es aus einer wirklichen 1 : 1 Wechselwirkung resultiert. Die Assoziationsgeschwindigkeit (apparente kon ≅ 7 × 105 M-1s-1) ist mit der anderer Rezeptoren vergleichbar. Ein Satz von Muteinen wies spezifisch erhöhte Dissoziationsgeschwindigkeiten für den Komplex mit BMPR-IA auf, wobei die Koff-Werte 2 bis 5-fach größer als die von BMP-2 waren (s. Fig. 4C, hellblaue Symbole). 2 Muteine mit einer Modifikation an Position D30 (D30A, D30K) und 2 Muteine an Position W31 (W31A, W31C) gehören dieser Untergruppe an. Eine andere Untergruppe mit 4 Muteinen wies erniedrigte Geschwindigkeitskonstanten für die Assoziation an die BMPR-IA Ektomäne mit Kon-Werten auf, die 5 bis 10-fach niedriger als die vom BMP-2 waren (Fig. 4C, dunkelblaue Symbole). Die erniedrigten Kon Werte für V26A, F49A, P50A und H54D wurden nur für BMPR-IA, aber nicht für BMPR-II oder ActR-II Wechselwirkungen beobachtet, und können daher nicht auf einer Instabilität oder Unreinheit, d. h. niedrigeren effektiven Konzentrationen dieser Muteine beruhen. Zwei Muteine, nämlich K101E und Y103A, zeigten eine 2-fache Veränderung sowohl bezüglich Kon als auch Koff. Die Kinetiken der anderen BMP-2 Muteine unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Wechselwirkung mit BMPR-IA nicht wesentlich von BMP-2. Sensograms as shown in Fig. 3 were recorded and evaluated. Using immobilized BMPR-IA ectodomains, differences in the rate constants of complex formation (k on ) and dissociation (k off ) with the BMP-2 muteins could be easily analyzed, as shown in Fig. 3A for sensograms, all at 45 nM Concentration of muteins have been recorded. The concentration dependence of the equilibrium binding of BMP-2, as in ( Fig. 4A), leads to an apparent K d of approximately 1 nM. This affinity is in the area of high affinity binding, such as e.g. B. between hGH and hGHbp or IL-4 and IL-4Rα, and is mainly due to the low dissociation rate of the ligand (apparente k off ≅ 4 × 10 -4 s -1 ), which has a half-life for the complex of approximately 0 Means 5 hours. It could not be conclusively determined whether this exceptionally long half-life was caused by the simultaneous interaction of BMP-2 with 2 immobilized receptors or whether it resulted from a real 1: 1 interaction. The association rate (apparente k on ≅ 7 × 10 5 M -1 s -1 ) is comparable to that of other receptors. One set of muteins showed specifically increased dissociation rates for the complex with BMPR-IA, the K off values being 2 to 5 times greater than those of BMP-2 (see FIG. 4C, light blue symbols). 2 muteins with a modification at position D30 (D30A, D30K) and 2 muteins at position W31 (W31A, W31C) belong to this subgroup. Another subgroup with 4 muteins had decreased rate constants for association to the BMPR-IA ectomain with K on values that were 5 to 10 times lower than that of BMP-2 ( Fig. 4C, dark blue symbols). The reduced K on values for V26A, F49A, P50A and H54D were only observed for BMPR-IA, but not for BMPR-II or ActR-II interactions, and therefore cannot be due to instability or impurity, ie lower effective concentrations of these muteins . Two muteins, K101E and Y103A, showed a 2-fold change in both K on and K off . The kinetics of the other BMP-2 muteins do not differ significantly from BMP-2 with regard to their interaction with BMPR-IA.
Die Bindung von BMP-2 und BMP-2 Muteinen an die BMPR-II Ektodomäne konnte trotz der niedrigen Affinität dieser Wechselwirkung ebenfalls aufgezeichnet werden (Fig. 3 B). Eine apparente Dissoziationskonstante Kd von ungefähr 100 nM wurde aus der Konzentrationsabhängigkeit der Gleichgewichtsbindung abgeleitet, wie in Fig. 4A gezeigt. Die Affinität von BMP-II für die ActR-II Ektodomäne erwies sich als geringfügig höher (Kd ≅ 50 nM). Die apparente Kd für die Bindung von Aktivin an die ActR-II Ektodomäne ist demgegenüber mit 2-7 nM angegeben worden (Donaldson et al., 1999). Die Sensogramme, die in Fig. 3B gezeigt sind, zeigen, dass die Muteine eindeutige Unterschiede bezüglich der Gleichgewichtsbindung an den Typ II-Rezeptor BMPR-II aufweisen. Das Mutein A34D band 5-fach schwächer als BMP-2 oder die Muteine D30K und P40A. Die Kinetikkonstanten für die Wechselwirkung zwischen BMP- 2 und den Typ II Rezeptoren sind relativ groß (kon < 106 M-1s-1; koff < 10-2 s-1). Dies verhinderte eine verlässliche Bewertung der Kon- oder koff-Werte. Eine spezifische Untergruppe von Muteinen, die Substitutionen an 5 verschiedenen Positionen aufwiesen, zeigte eine Gleichgewichtsbindung (EQ45) an die BMPR-II Ektodomäne, die 3 bis 15-fach niedriger war als die von BMP-2 (Fig. 4D; ausgefüllte Symbole). Diese Abweichungen waren für die BMPR-II Wechselwirkung spezifisch. Die kon Werte dieser Muteine für die BMPR-IA Bindung waren unauffällig.The binding of BMP-2 and BMP-2 muteins to the BMPR-II ectodomain could also be recorded despite the low affinity of this interaction ( FIG. 3 B). An apparent dissociation constant K d of approximately 100 nM was derived from the concentration dependence of the equilibrium bond, as shown in Fig. 4A. The affinity of BMP-II for the ActR-II ectodomain was found to be slightly higher (K d ≅ 50 nM). In contrast, the apparent K d for the binding of activin to the ActR-II ectodomain was given as 2-7 nM (Donaldson et al., 1999). The sensograms shown in Figure 3B show that the muteins have clear differences in equilibrium binding to the type II receptor BMPR-II. Mutein A34D bound 5 times weaker than BMP-2 or muteins D30K and P40A. The kinetic constants for the interaction between BMP- 2 and the type II receptors are relatively large (k on <10 6 M -1 s -1 ; k off <10 -2 s -1 ). This prevented a reliable evaluation of the K on or k off values. A specific subset of muteins that had substitutions at 5 different positions showed an equilibrium bond (EQ 45 ) to the BMPR-II ectodomain that was 3 to 15 times lower than that of BMP-2 ( Fig. 4D; filled symbols) . These deviations were specific for the BMPR-II interaction. The k on values of these muteins for BMPR-IA binding were normal.
Es wurde beobachtet, dass Muteine mit einer erniedrigten Affinität für BMPR-II sich während des C2C12-Test als kompetitive Inhibitoren von BMP-2 verhalten. Die Determinanten der BMP-2 Muteine für die ActR-II Bindung unterscheiden sich von denen vom BMPR-II (Fig. 4B). Das Mutein H39D zeigte keine Verringerung, und die Muteine A34D sowie L90A eine nur 2-fache Abnahme der ActR-II Affinität. Die Bindungsaffinität von S88A und L100A war für beide Typ II Rezeptorketten auf ähnliche Weise verändert. Solche differentiellen Wirkungen von Aminosäuresubstitutionen auf die Bindung an verschiedene Rezeptoren erlaubt die Konstruktion selektiver Agonisten, die preferentiell die eine oder andere Rezeptorkette aktivieren. Muteins with a reduced affinity for BMPR-II were observed to behave as competitive inhibitors of BMP-2 during the C2C12 test. The determinants of the BMP-2 muteins for the ActR-II binding differ from those of the BMPR-II ( Fig. 4B). Mutein H39D showed no decrease, and muteins A34D and L90A showed only a 2-fold decrease in ActR-II affinity. The binding affinity of S88A and L100A was similarly changed for both type II receptor chains. Such differential effects of amino acid substitutions on binding to different receptors allows the construction of selective agonists that preferentially activate one or the other receptor chain.
Im Unterschied zu anderen Rezeptorsystemen wurden im vorliegenden System keine "hot spots" für die Bindung beobachtet. Es konnte allenfalls eine 5 bis 30-fache Veränderung der Kinetik oder der Gleichgewichtskonstanten in einigen Muteinen beobachtet werden. Es besteht allerdings die Möglichkeit, dass einige der Hauptdeterminanten in der jetzt vorliegenden Sammlung von BMP-2 Muteinen nicht vertreten sind. Diese möglicherweise fehlenden Determinanten können unter den Resten sein, die nach der Substitution zu Proteinen führten, die nicht exprimiert bzw. gewonnen werden konnten. Beispiele dafür könnten z. B. G27 und W28 sein. Eine andere, eher wahrscheinliche Möglichkeit ist es jedoch, dass Wasserstoffbrücken bindungen, die N- oder O-Atome der Hauptpeptidbindungen involvieren, mit den Rezeptoren wechselwirken und damit zur Bindungsaffinität beitragen.In contrast to other receptor systems, none were used in the present system "hot spots" observed for binding. It could at most 5 to 30 times Change in kinetics or equilibrium constants in some muteins to be watched. However, there is a possibility that some of the The main determinants in the current collection of BMP-2 muteins are not are represented. These possibly missing determinants can be found under the Residues that after substitution led to proteins that were not expressed or could be won. Examples of this could e.g. B. G27 and W28. A however, another, more likely possibility is that hydrogen bonds bonds involving N or O atoms of the main peptide bonds with the Receptors interact and thus contribute to binding affinity.
Weiter ist es interessant, dass trotz der kleinen Veränderungen in der Bindungsaffinität die biologische Aktivität einiger der Muteine deutlich erniedrigt war. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass einige Muteine durch eine Aminosäuresubstitution destabilisiert sind und während der 3-tägigen Inkubation im Rahmen des C2C12-Testes teilweise inaktiviert werden. Dies kann jedoch nicht für die antagonistischen Muteine gelten, die im Fall von A34D z. B. eine 100-fach verringerte biologische Aktivität aufweisen. Es ist dagegen eher wahrscheinlich, dass die Diskrepanz in dem Ausmaß der Änderungen bei der physikalischen Rezeptorbindung und der zellulären Aktivität in einigen der Muteine von Aviditätseffekten während der Wechselwirkung der multiplen Bindeepitope von BMP-2 mit multimeren zellulären Rezeptoren in der Membran herrühren.It is also interesting that despite the small changes in binding affinity the biological activity of some of the muteins was significantly reduced. It cannot that some muteins are excluded by amino acid substitution are destabilized and during the 3-day incubation as part of the C2C12 test partially inactivated. However, this cannot be done for the antagonistic muteins apply, which in the case of A34D z. B. a 100-fold reduced biological activity exhibit. It is more likely, however, that the discrepancy to the extent changes in physical receptor binding and cellular activity in some of the muteins of avidity effects during the interaction of the multiple Binding epitopes of BMP-2 with multimeric cellular receptors in the membrane come from.
Die Aminosäurepositionen von BMP-2, die die Bindungsaffinität entweder zu BMPR-IA oder BMPR-II Rezeptorketten bestimmen, gehören 2 nicht überlappenden Untergruppen an. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, verteilen sich diese Determinanten über die gesamte BMP-2 Sequenz. Das raumfüllende Modell (Scheufler et al., 1999) von Fig. 5 zeigt jedoch, dass die funktionellen Reste 2 getrennte Epitope auf der Oberfläche des homodimeren BMP-2 Moleküls bilden. The amino acid positions of BMP-2, which determine binding affinity for either BMPR-IA or BMPR-II receptor chains, belong to 2 non-overlapping subgroups. As shown in Fig. 1, these determinants are distributed over the entire BMP-2 sequence. However, the space-filling model (Scheufler et al., 1999) of FIG. 5 shows that the functional residues form 2 separate epitopes on the surface of the homodimeric BMP-2 molecule.
Die Determinaten für die BMPR-IA Wechselwirkung colokalisieren im Wrist-Epitop, dass Reste der Untereinheit 1 (kursive Buchstaben) sowie von Untereinheit 2 (normale Buchstaben) umfasst. Ein Monomer trägt die Reste V26, D30 und W31 aus der langen Schleife bei, die die Faltblätter β-2 und β-3 verbindet, sowie die schwachen Determinanten K101 und Y103, die im Faltblatt β-8 auftreten. Das andere Monomer trägt die Reste I62, L66 und N68 aus der Helix α3 sowie die Reste F49, P50 und H54 aus der langen Schlaufe vor Helix α3 bei. Die Muteine mit Substitutionen in dieser letztgenannten Schlaufe weisen bemerkenswerterweise verringerte Assoziationsge schwindigkeitskonstanten auf. Das mag mit der Beobachtung zusammenhängen, dass die Reste in dieser Schlaufe die höchsten B-Faktoren von 40-90 aufwiesen. Die B- Faktoren sind ein Maß für die Ordnung der Atome im Kristall und für die Genauigkeit, mit der die Atome in dem Proteinmodell definiert sind. Damit sind die B-Faktoren indirekt ein Maß für die Beweglichkeit der Atome in dem Proteinkristall. Eine noch höhere Mobilität dieser Schlaufe in den Muteinen könnte die Wahrscheinlichkeit eines produktiven Zusammentreffens mit BMPR-IA verringern und daher eine Assoziation bremsen. Die schwache Determinante H17 scheint von den anderen funktionellen Wrist-Epitop-Resten getrennt zu sein. Möglicherweise stellen BMP-2 Aminosäurereste, die bis jetzt nicht analysiert sind und zwischen H17 und H54 liegen, weitere Kontaktstellen für BMPR-IA dar.The determinants for the BMPR-IA interaction colocalize in the wrist epitope that includes residues of subunit 1 (italic letters) and subunit 2 (normal letters). A monomer contributes residues V26, D30 and W31 from the long loop that connects sheets β-2 and β-3 and the weak determinants K101 and Y103 that appear in sheet β-8. The other monomer contributes residues I62, L66 and N68 from helix α3 and residues F49, P50 and H54 from the long loop before helix α3. The muteins with substitutions in this latter loop have remarkably reduced association rate constants. This may be related to the observation that the residues in this loop had the highest B factors of 40-90. The B factors are a measure of the order of the atoms in the crystal and the accuracy with which the atoms are defined in the protein model. The B factors are thus indirectly a measure of the mobility of the atoms in the protein crystal. An even higher mobility of this loop in the muteins could reduce the likelihood of a productive encounter with BMPR-IA and therefore slow down an association. The weak determinant H17 appears to be separate from the other functional wrist epitope residues. BMP-2 amino acid residues that have not yet been analyzed and are between H17 and H54 may represent additional contact points for BMPR-IA.
Das Knuckle-Epitop von BMP-2, das in die Bindung von BMPR-II involviert ist, setzt sich aus den Resten nur einer Untereinheit zusammen. Die Reste A34 und H39 treten im Faltblatt β3 bzw. β4 auf, während S88 und L90 in β7 und L100 in β8 vorkommen. Der Rest E109, von dem nach Substitution durch Arginin festgestellt wurde, dass er ein Mutein mit höherer Affinität für BMPR-II ergab, kann ein weiterer Kontaktrest sein. Das Knuckle-Epitop scheint kleiner als das Wrist-Epitop zu sein, da viele Reste an der Grenze zum Knuckle-Epitop verändert werden konnten, ohne eine nachweisbare Wirkung auf die Rezeptorbindung über die biologische Aktivität zu haben. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass das Knuckle-Epitop weitere funktionelle Reste umfasst. The BMP-2 knuckle epitope involved in BMPR-II binding settles from the remains of only one subunit. The residues A34 and H39 occur in the Leaflet β3 and β4 respectively, while S88 and L90 occur in β7 and L100 in β8. The Residue E109, which was found to be a by substitution with arginine Mutein with higher affinity for BMPR-II may be another contact residue. The Knuckle epitope appears to be smaller than the wrist epitope because there are many residues on the Border to the Knuckle epitope could be changed without a detectable To have an effect on receptor binding via biological activity. It cannot excluded that the Knuckle epitope includes other functional residues.
Das homodimere BMP-2 Protein hat eine 2-fache Symmetrieachse, die in Fig. 5 in der Papierebene liegt und von oben nach unten verläuft. Auf der Rückseite des Proteins gibt es daher ein zweites Paar von Wrist- und Knuckle-Epitopen.The homodimeric BMP-2 protein has a double axis of symmetry, which lies in the paper plane in FIG. 5 and runs from top to bottom. There is therefore a second pair of wrist and knuckle epitopes on the back of the protein.
Die gleichzeitige Substitution von 2 an der niederaffinen Bindung an BMPR-II beteiligten Aminosäuren verstärkt die Auswirkungen auf die biologische Aktivität beträchtlich. Wie aus der nachfolgenden Tabelle III ersehen werden kann, war die inhibitorische Aktivität von doppelt substituierten Muteinen beträchtlich erhöht. Erstaunlicherweise zeigte dabei das Kombinationsprotein A34D/D53A, bei dem also sowohl eine Aminosäure aus dem Wrist-Epitop als auch eine Aminosäure aus dem Knuckle-Epitop ersetzt worden sind, bei 20 nM BMP-2 die höchste antagonistische Aktivität aller untersuchten Muteine. Dies könnte auf der Tatsache beruhen, daß die D53A Substitution (Wrist-Epitop) im einfach substituierten Mutein eine Zunahme der BMPR-IA Affinität (und auch der biologischen Aktivität) bewirkt, die für die biologische Aktivität erforderliche Wechselwirkung mit dem BMPR-II jedoch gleichzeitig durch A34D effizient geschwächt ist.The simultaneous substitution of 2 involved in the low affinity binding to BMPR-II Amino acids significantly increase the effects on biological activity. How The inhibitory activity was shown in Table III below of doubly substituted muteins increased considerably. Amazingly, it showed the combination protein A34D / D53A, in which both an amino acid from the Wrist epitope as well as an amino acid from the Knuckle epitope have been replaced at 20 nM BMP-2 the highest antagonistic activity of all muteins examined. This could be due to the fact that the D53A substitution (wrist epitope) is simple substituted mutein an increase in BMPR-IA affinity (and also in biological Activity) causes the interaction with the required for biological activity BMPR-II, however, is efficiently weakened by A34D at the same time.
Insgesamt zeigt sich jedoch, daß die Kombination von zwei Mutationen im Bereich der für die niederaffine Bindung verantwortlichen Aminosäuren eine beträchtliche antago nistische Wirkung zur Folge hat. Overall, however, it turns out that the combination of two mutations in the area of amino acids responsible for the low affinity binding a considerable antago has a nistic effect.
Erhöhte Effekte bei den kinetischen Konstanten kon und koff für die Assoziation und Dissoziation des Komplexes mit der BMPR-IA Ektodomäne; Gleichgewichtsbindung bei 45 nM Konzentatrionen, EQ45, an die BMPR-II und ActR-II Ektodomänen. Die Aktivität der Alkalischen Phosphatase in Gegenwart von 250 nM Mutein, ALP(250), wurde in Abwesenheit und Gegenwart von 10 nM oder 20 nM BMP-2 bestimmt.Increased effects on the kinetic constants k on and k off for the association and dissociation of the complex with the BMPR-IA ectodomain; Equilibrium binding at 45 nM concentrations, EQ 45 , to the BMPR-II and ActR-II ectodomains. Alkaline phosphatase activity in the presence of 250 nM mutein, ALP ( 250 ), was determined in the absence and presence of 10 nM or 20 nM BMP-2.
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Claims (28)
V33 A34 P35 P36 G37 Y38 H39 F41 Y42 T82 E83 L84 S85 A86 I87 S88 L90 K97 V98 V99 L100 V107 E109 und G110.7. Mutein according to one of claims 3 to 6, characterized in that at least one of the following amino acids is deleted, substituted and / or modified, the position information relating to BMP-2:
V33 A34 P35 P36 G37 Y38 H39 F41 Y42 T82 E83 L84 S85 A86 I87 S88 L90 K97 V98 V99 L100 V107 E109 and G110.
K5, S13, V26, G27, W28, N29, D30, W31, P48, F49, P50, A52, D53, H54, N59, I62, V63, L66, N68, S69, V70, K101 und Y103.12. Mutein according to at least one of claims 9 to 11, characterized in that at least one of the following amino acids is deleted, substituted and / or modified, the position information relating to BMP-2:
K5, S13, V26, G27, W28, N29, D30, W31, P48, F49, P50, A52, D53, H54, N59, I62, V63, L66, N68, S69, V70, K101 and Y103.
- a) einer für ein Mutein nach einem der Ansprüche 1-15 kodierenden Nukleinsäuresequenz;
- b) einer zu der Nukleinsäuresequenz nach (i) komplementären Nukleinsäuresequenz und
- c) einer Nukleinsäuresequenz, die mit einer Nukleinsäuresequenz nach (ii) hybridisiert und für ein Mutein kodiert, das nach Bildung eines Homodimers antagonistische oder partiell agonistische Aktivität aufweist.
- a) a nucleic acid sequence coding for a mutein according to any one of claims 1-15;
- b) a nucleic acid sequence complementary to the nucleic acid sequence according to (i) and
- c) a nucleic acid sequence which hybridizes with a nucleic acid sequence according to (ii) and codes for a mutein which has antagonistic or partially agonistic activity after formation of a homodimer.
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