DE102006021516A1 - Gen-Konversionskonstrukt und Verfahren zur Vererbung von Genmobilität sowie Verwendung des Konstrukts - Google Patents

Gen-Konversionskonstrukt und Verfahren zur Vererbung von Genmobilität sowie Verwendung des Konstrukts Download PDF

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Abstract

Es werden ein Gen-Konversionskonstrukt und ein Verfahren zur Vererbung von Genmobilität von einer Zelle auf die Tochterzelle sowie verschiedene Verwendungen des Gen-Konversionskonstruktes beschrieben.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft den Bereich des genetic engineering. Es werden ein Gen-Konversionskonstrukt und ein Verfahren zur Vererbung von Genmobilität von einer Zelle auf die Tochterzelle sowie verschiedene Verwendungen des Gen-Konversionskonstruktes bereitgestellt.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ortsspezifische (site-specific) selfish Gene, dabei insbesondere mobile Introns der Gruppe II (group II introns). Gruppe II Introns sind natürlich vorkommende Gene, welche die Fähigkeit besitzen, sich in bestimmte Sequenzen der Wirts-DNA hineinzukopieren und sich dadurch, unter Umgehung der Mendelschen Vererbungsregeln, rasch in Populationen auszubreiten. Ihre Mobilität beruht sowohl auf Eigenschaften der Intron-RNA als auch des multifunktionalen Proteins (intron encoded protein = IEP), das durch die Intron-RNA kodiert wird. Das Protein besitzt Maturase-, reverse Transkriptase-, und DNA-Endonuklease-Aktivitäten.
  • Stand der Technik
  • Die Transposition des Introns wird als „homing" bezeichnet, weil der Ziellocus stets mit dem Ausgangslocus, in welchen das Intron zunächst eingefügt ist, identisch ist. Nach der Translation des durch das Intron kodierten Proteins (intron encoded protein = IEP) bewirkt das Protein das Spleißen der RNA, vermutlich chaperon-ähnlich indem die Formierung der katalytisch aktiven Form der Intron-RNA erleichtert wird. Protein und Intron-RNA bilden daraufhin einen Ribonukleoprotein-Komplex (RNP). Hierauf fügt sich die Intron-RNA durch reverses Spleißen in den sense-Strang des erkannten DNA-Abschnittes ein, worauf das Intron kodierte Protein den antisense-Strang versetzt schneidet und unter Nutzung dessen 3'-Ende als Primer die Intron-RNA-Matritze reverse transkribiert. Die resultierende cDNA wird durch Reparatur- oder Rekombinationsmechanismen in die Wirts-DNA integriert. Die homing-Frequenzen erreichen hierbei 100%. Die Erkennungssequenzen sind ca. 20-30 Basenpaare lang, wobei die Erkennung hauptsächlich auf RNA-DNA-Basenpaarung beruht (Belfort et al., (2002)).
  • Es können neue Gruppe II Introns hergestellt werden, die beliebige neue Ziel-(Target)-Sequenzen erkennen und sich in diese inserieren. Dies geschieht durch Angleichen der Intron-RNA-Sequenz an die Sequenz der jeweiligen DNA-Zielsequenz. Diese Verfahren sind in der internationalen Patentanmeldung WO 02/059362 und wissenschaftlichen Veröffentlichungen diskutiert (Guo et al., (2000), Frazier et al., (2003), Perutka et al., (2004), Zhong et al., (2003) und Karberg et al., (2001)). Die weiteren Patentanmeldungen bzw. Patentschriften WO 01/29059, US2003/104352, WO 98/54353, US 6,001,608 und US 5,698,421 unterrichten grundsätzlich über den Stand der Technik. Computergestützt können heute Gruppe II Introns hergestellt werden, die sich in jeden erdenklichen Genlocus inserieren (Perutka et al., 2004)). Die Funktionalität von Gruppe II Introns auf eukaryonter Ebene wurde kürzlich nachgewiesen (WO 2005/123937 A und WO 2005/123962 A).
  • Die nutzbaren Anwendungen dieser Möglichkeit sind bislang zunächst das Erzielen der Unterbrechung von Wirtsgenen als auch das Einführen fremder Gene ins Wirtsgenom. Normalerweise unterbrechen Gruppe II Introns die Wirtsgene nicht funktionell, weil sie sich auf RNA-Ebene selbst heraus spleißen. Um eben dies zu verhindern wurden Gruppe II Introns entwickelt, die eine Deletion in dem offenen Leseraster (ORF) besitzen, der für das Intron kodierte Protein kodiert. Das Intron kodierte Protein wird getrennt vom Intron exprimiert. Somit wird eine dauerhafte Genunterbrechung auf der Grundlage eines Introns erreicht, welches die Fähigkeit des Selbst-Spleißens und damit verbunden auch die der eigenständigen Mobilität verloren hatte (Frazier et al., (2003), Perutka et al., (2004), Zhong et al., (2003), Karberg et al., (2001)).
  • Es wurde auch versucht, die Genunterbrechung durch Expression des Intron kodierten Proteins in trans aufzuheben, doch waren die Ergebnisse unbefriedigend. Es wurde ein Niveau der Genexpression erreicht, das gegenüber dem Wildtyp bei nur ca. 21 % lag. Diese generelle Verminderung der Effizienz des Spleißvorgangs bei der Bereitstellung des Intron kodierten Proteins in trans wurde auch auf die Trennung des Intron kodierten Proteins von der eigentlichen Lage in der mRNA zurückgeführt, weil hierdurch die richtige Formierung und Funktion des RNP-Komplexes beeinträchtigt werden kann (Frazier et al., (2003).
  • Durch den Einbau in die Domäne IV des Introns konnten bereits erfolgreich neue Gene wie Kanamycin-(Matsuura et al., (1997)), und Tetracyclin-Resistenzmarker sowie ein Phagenresistenzgen (abiD) (Frazer et al., (2003)) ins Wirtsgenom eingeführt werden, ohne dass hierdurch die homing-Aktivität des Konstruktes zerstört wurde.
  • Nachteilig am bisherigen Stand der Technik ist insbesondere, dass im Unterschied zu Transposons für Gruppe II Introns noch kein Konstrukt entwickelt wurde, welches die Möglichkeit der Gen-Unterbrechung bzw. Gen-Neueinführung mit der Erhaltung der Mobilität nach erstmaliger Transposition ins Wirtsgenom verbindet. Dies bedeutet, dass es bislang nicht möglich ist, die Fähigkeit der Mobilität und die damit verbundene Gen-Konversion an die Tochtergeneration zu vererben. Eine Vererbung, in Sinne einer Erhaltung und Weitergabe der Funktion an die nächste Zellgeneration ist aber für jedes Populations-Engineering notwendig, ohne dass hierdurch die Gen-Unterbrechung bzw. Gen-Konversion aufgehoben wird.
  • Des Weiteren ist bislang nicht bekannt, mittels selfish DNA, und insbesondere mittels Gruppe II Introns, eine komplett reversible, konditionale Gen-Unterbrechung bzw. -Neueinführung zu etablieren, weil bisher die Effizienz des Spleißens in zu großem Maße durch Modifikationen am Gruppe II Intron vermindert wird. Ein unbeeinträchtigter Spleißvorgang bewirkt die Exzision der Intron- mRNA aus dem unterbrochenen Exon-mRNA-Bereich und kann somit den Gen-Knockout vollkommen rückgängig machen solange der Spleißvorgang aktiviert ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Gen-Konversionskonstrukt auf der Basis einer selfish DNA und insbesondere eines modifizierten Gruppe 11 Intron zu schaffen, das eine stabile Vererbung der Genmobilität auf die nächste Zellgeneration erlaubt. Das Intron soll in der Lage sein, Wirtsgene zu unterbrechen bzw. fremde Gene ins Wirtsgenom einzuführen, ohne hierdurch die Fähigkeit der eigenen Mobilität zu verlieren. Außerdem soll das Gen-Konstrukt vollkommen reversible, für beliebige Dauer bestehende Gen-Unterbrechungen bzw. -neueinführungen erlauben.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Gen-Konversionskonstrukt zur Vererbung von Genmobilität von einer Zelle auf die Tochterzelle bereit, das
    • (a) ein Vektorkonstrukt mit einem ersten Promotor zur Transkription von RNA, und
    • (b) eine selfish DNA mit einem offenen Leserahmen (ORF), der ein Protein kodiert, und einen zweiten Promotor, der zur Expression des Proteins mit der selfish DNA funktional verknüpft ist, wobei der offene Leserahmen (ORF) an den Enden Nukleotidsequenzen aufweist, die mit einer zellulären Zielsequenz übereinstimmen, und die selfish DNA in dem Vektorkonstrukt invertiert angeordnet ist,
    wobei der erste und der zweite Promotor zum Zeitpunkt der Genmobilität gleichzeitig aktiv sind, umfasst.
  • In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung einen Kit umfassend das Gen-Konversionskonstrukt sowie gegebenenfalls biologische und/oder chemische Klonierungsreagenzien bereit.
  • Ferner betrifft die Erfindung in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zur Vererbung von Genmobilität von einer Zelle auf die Tochterzelle, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
    • (i) Einführen eines erfindungsgemäßen Gen-Konversionskonstruktes und/oder eines RNP Partikels umfassend ein erfindungsgemäßes Gen-Konversionskonstrukt, wobei die Nukleotidsequenzen an den Enden der selfish DNA mit Zielsequenzen der Zelle übereinstimmen;
    • (ii) Einstellen von Kulturbedingungen, welche die gleichzeitige Aktivität des ersten und des zweiten Promotors erlauben;
    • (iii) Aufrechterhalten von Kulturbedingungen, die Spalten der Zielsequenzen der Zelle erlauben, um das Gen-Konversionskonstrukt an der Zielsequenz in die zelluläre Nukleinsäure einzuführen; sowie
    • (iv) Selektion von Zellen, die das Gen-Konversionskonstrukt enthalten.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung des Gen-Konversionskonstrukts zur Herstellung eines Arzneimittels.
  • In einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung des Gen-Konversionskonstruktes zur Herstellung eines Arzneimittels zur Behandlung von Infektionskrankheiten, Krebserkrankungen, Tumoren, Trinukleotid-Erkrankungen, Stoffwechselerkrankungen und/oder erblich bedingten Erkrankungen, insbesondere monogen bedingten erblichen Erkrankungen. Das Gen-Konversionskonstrukt kann insbesondere verwendet werden, um Infektionserkrankungen einzugrenzen, zu eliminieren oder einzudämmen. Die Genkonversion kann sowohl auf der Ebene der Erreger, wie beispielsweise bei Plasmodien oder Leishmania, oder auf der Ebene der Vektoren, wie beispielsweise bei Anopheles stattfinden.
  • Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung des Gen-Konversionskonstruktes als Forschungswerkzeug, insbesondere als molekularbiologisches Forschungswerkzeug zur Herstellung von genetisch veränderten Zellen, sowie die Verwendung des Gen-Konversionskonstruktes zur Herstellung genetisch veränderter Bak terien, Viren, Protozoen, Pilze, Pflanzen und Tieren, insbesondere genetisch veränderten nicht humanen Säugetieren.
  • Schließlich betrifft die Erfindung die Verwendung des Gen-Konversionskonstruktes in der Schädlingsbekämpfung.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Gen-Konversionskonstruktes, in der die Invertierung des offenen Leserahmens, der für das Intron kodierte Protein kodiert, dargestellt ist.
  • 2 ist eine schematische Darstellung des möglichen Vorgehens, durch das eine Gen-Konversion im Wirtsorganismus mittels des Gen-Konversionskonstrukts erreicht werden kann.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Zunächst stellt die Erfindung ein Gen-Konversionskonstrukt zur Vererbung von Genmobilität von einer Zelle auf die Tochterzelle, umfassend
    • (a) ein Vektorkonstrukt mit einem ersten Promotor zur Transkription von RNA, und
    • (b) eine selfish DNA mit einem offenen Leserahmen (ORF), der ein Protein kodiert, und einem zweitem Promotor, der zur Expression des Proteins mit der selfish DNA funktional verknüpft ist, wobei die selfish DNA an den Enden Nukleotidsequenzen aufweist, die mit einer zellulären Zielsequenz übereinstimmen, und der offene Leserahmen (ORF) in dem Vektorkonstrukt invertiert angeordnet ist,
    wobei der erste und der zweite Promotor zum Zeitpunkt der Genmobilität gleichzeitig aktiv sind, bereit.
  • Im Stand der Technik besteht das Problem, dass bei Gruppe II Introns die Mobilität an das Spleißen der mRNA gekoppelt ist, d. h. in dem Moment, in welchem das Intron „springt", wird die Intron-RNA gespleißt und somit die Genunterbrechung bzw. -neueinführung aufgehoben. Um dennoch eine dauerhafte Unterbrechung des Wirts-Genlocus auch bei erhaltener Transpositionsfähigkeit des Gruppe II Introns zu erreichen, haben die Erfinder das Homing auf einen klar begrenzten Zeitraum beschränkt, d.h. die Expression des Intron kodierten Proteins, welches die Mobilität katalysiert, wurde von der Transkription der mRNA entkoppelt.
  • Erfindungsgemäß wurde der offene Leserahmen, welcher für das Intron kodierte Protein kodiert, nicht deletiert, sondern invertiert und somit in der Intron-DNA belassen. Diese Inversion bedingt, dass das offene Leseraster nicht mehr in der ursprünglichen Richtung, d.h. vom ersten Promotor (= Promotor des Exons) ausgehend, sondern jetzt in der Gegenrichtung vom zweiten Promotor gelesen werden kann. Der erste Promotor (= Exon-Promotor) und der zweite Promotor (= neu eingeführter, spezifischer Promotor) müssen gleichzeitig aktiv sein. Der Vorgang des Homings und das verbundene Spleißen ist damit auf frei wählbare Zeiträume beschränkt, das betreffende Wirtsgen ist also für den Rest der Zeit unterbrochen und es verbleibt das etwaige neu eingeführte, fremde Gen ungespleißt in der mRNA.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens der zweite Promotor, vorzugsweise beide Promotoren induzierbar. Eine induzierende Substanz aktiviert den Promotor, das Intron kodierte Protein wird konsekutiv translatiert, das Spleißen der Intron-RNA findet statt, und damit wird die Genunterbrechung auf RNA-Ebene aufgehoben.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Promotor ein gewebespezifischer oder entwicklungsphasenspezifischer, zum Beispiel ein meiosespezifischer Promotor. Das Intron kodierte Protein wird, je nach dem Zweck, welchen der genetische Eingriff erfüllen soll, unter die Kontrolle eines entweder für gewisse Entwicklungsstadien oder Zelldifferenzierungen spezifischen Promotors gestellt. Einen solchen Promotor kann der Fachmann mit Programmen wie „tess" (http://www.cbil.upenn.edu/tess/) oder dem „Genomatix" System auffinden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die selfish DNA ein Gruppe II Intron (group II introns).
  • In einer weiteren Ausführungsform weisen die Nukleotidsequenzen an den Enden der selfish DNA eine Länge von ungefähr 20 bis 30 Basenpaaren auf, wobei Längen größer 14 Basenpaare verwendet werden können. Bevorzugt sind Längen von mindestens 25 Basenpaaren.
  • In einer alternativen Ausführungsform weist der Vektor eine multiple Klonierungsstelle zur Insertion einer interessierenden DNA auf. Die multiple Klonierungsstelle kann Schnittstellen für verschiedene Restriktionsenzyme aufweisen, die bevorzugt den Vektor nur an dieser Stelle spalten. Die interessierende DNA ist bevorzugt zur Expression mit ihrem homologen Promotor funktional verknüpft. So wird eine gewebe- oder entwicklungsstadienspezifische Expression exakt sichergestellt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Vektor einen Selektionsmarker auf. In 2 ist der Selektionsmarker als Ampicillin-Resistenzgen (Amp) dargestellt.
  • Besonders bevorzugt ist die verwendete Zelle eine eukaryonte Zelle.
  • In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Kit umfassend das erfindungsgemäße Gen-Konversionskonstrukt und gegebenenfalls biologische und/oder chemische Klonierungsreagenzien bereit. Unter biologischen und/oder chemischen Klonierungsreagenzien werden vor allem Polymerasen, Puffer, Salze, Restriktionsenzyme etc. verstanden.
  • Besonders für das Populationsengineering ist die Erfindung von großem Nutzen, weil sich auf der einen Seite künstlich erzeugte Mutanten in der Natur nur schwer bzw. sehr langsam ausbreiten, auf der anderen Seite jedoch die rapide Verbreitungstendenz von Gruppe II Introns bislang aufgrund der nicht möglichen Vererbung der Mobilität nicht für die genetische Manipulation von Populationen genutzt werden konnten.
  • Es gibt grundsätzlich vier Modifikationstypen, welche die Erfindung ermöglicht.
    • 1. Unterbrechung eines Gens und Ausrottung einer Population falls der Knockout rezessiv und essentiell ist Die Rezessivität des Knock-outs führt zu dessen Ausbreitung in der Population, obwohl das ausgeschaltete Gen essentiell ist, da nur homozygote Knock-outs lebensunfähig sind. Bei der richtigen Wahl des Promotors steigt zunächst nur die Frequenz der heterozygoten Knock-out Träger an, die lebensfähig sind. Später erhöht sich die Frequenz der homozygoten Knockouts, was schließlich zur Auslöschung (Eradikation) führt. Die Wahl des geeigneten Promotors wird weiter unten erläutert.
    • 2. Einführung eines neuen Gens durch sein Einfügen in die Domäne IV des modifizierten Gruppe II Introns Das Konstrukt muss sich hierfür in einen nicht kodierenden Bereich des Genoms hineinkopieren (z.B. selfish DNA (LINES, SINES), Promotoren, repetitive Bereiche, CpY islands, Mikrosatelliten oder strukturelle DNA).
    • 3. Indirekte Einführung eines neuen Gens Hierbei wird die Wildtyp-Population durch Attackierung eines essentiellen Gens ausgerottet, um synchron die bevorzugte Mutante durch Koppelung des neuen Gens an eine Variante des essentiellen Gens, welche durch das Intron nicht erkant wird, einzuführen. Diese Variante besteht im einfachsten Fall aus einer Inversion, wobei auch durch Ausnutzung der Degeneration des genetischen Kodes weitere Varianten erzeugt werden können. Der Knockout muss hierbei rezessiv und der Promotor rein meiose- bzw. keimbahnspezifisch gewählt werden.
    • 4. Ersatz eines Gens durch ein anderes Das zu ersetzende Gen wird vom modifizierten Gruppe II Intron anvisiert und das neue Gen in dessen Domäne IV eingefügt.
  • Um eine möglichst effiziente Ausbreitung eines neuen Genotyps zu erreichen, sollte ein Promotor gewählt werden, der in folgenden Entwicklungsstadien bzw. Zellarten aktiv ist:
    • – Diploide Taxa: erste Entwicklungsstadien der Zygote (z.B. Promotoren von Oct-Genen); die Genkonversion nach der Befruchtung der Eizelle führt zu homozygoten Individuen
    • – Vornehmlich haploide Organismen, zum Beispiel Plasmodien: postmeiotische Synzytialphase
  • Aufgrund dieser Wahl befinden sich sofort ausschließlich homozygote Merkmalsträger unter den Nachkommen der modifizierten, diploiden Organismen bzw. sind alle Nachkommen der veränderten, vornehmlich haploiden Organismen, zum Beispiel Plasmodien Merkmalsträger bezüglich der Veränderung.
  • Eine andere Anwendung ist die vollkommen reversible, konditionale Gen-Unterbrechung besonders bei Bakterien, aber auch bei beliebigen anderen Organismen. Das heißt dass Gene durch Verwendung eines induzierbaren Promotors, der die Transkription des Intron kodierten Proteins kontrolliert, beliebig an- und ausgeschaltet werden. Letzteres bedingt seinerseits das Spleißen der Intron-mRNA und hebt somit die Genunterbrechung bzw. die Genneueinführung auf.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Vererbung von Genmobilität von einer Zelle auf die Tochterzelle, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
    • (i) Einführen eines erfindungsgemäßen Gen-Konversionskonstruktes und/oder eines RNP Partikels umfassend das erfindungsgemäße Gen-Konversionskonstrukt, wobei die Nukleotidsequenzen an den Enden der selfish DNA mit Zielsequenzen der Zelle übereinstimmen;
    • (ii) Einstellen von Kulturbedingungen, welche die gleichzeitige Aktivität des ersten und des zweiten Promotors erlauben;
    • (iii) Aufrechterhalten von Kulturbedingungen, die Spalten der Zielsequenzen der Zelle erlauben, um das Gen-Konversionskonstrukt an der Zielsequenz in die zelluläre Nukleinsäure einzuführen; sowie
    • (iv) Selektion von Zellen, die das Gen-Konversionskonstrukt enthalten.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Aktivität mindestens des zweiten Promotors, vorzugsweise beider Promotoren induzierbar.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Gen-Konversionskonstrukts zur Herstellung eines Arzneimittels.
  • Insbesondere kann das erfindungsgemäße Gen-Konversionskonstrukt zur Herstellung eines Arzneimittels zur Behandlung von Infektionskrankheiten, Krebserkrankungen, Tumoren, Trinukleotid-Erkrankungen, Stoffwechselerkrankungen und/oder erblich bedingten Erkrankungen, insbesondere monogen bedingten erblichen Erkrankungen verwendet werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform werden die Infektionserkrankungen durch Viren, Bakterien, Pilze und/oder Protozoen verursacht. Das Gen-Konversionskonstrukt kann ferner zur Eindämmung von Infektionserkrankungen durch Gen-Konversion sowohl einerseits des Erregers, zum Beispiel von Plasmodien oder Leishmania, als auch möglicher Vektoren, zum Beispiel Anopheles, verwendet werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Gen-Konversionskonstrukt zur Eindämmung von Malaria als auch zur Malariabekämpfung verwendet. So kann das Malariaproblem durch Verdrängung der virulentesten Populationen (P.falciparum) durch neu eingeführte, mildere Populationen begegnet werden. Wie gezeigt wurde, steht die Mortalität einer Malaria tropica Infektion in engem Zusammenhang mit einer systemischen und organspezifischen entzündlichen Reaktion, die durch das Parasitentoxin Glycosylphosphatidylinositol (GPI) ausgelöst wird. Eigentlicher Auslöser der Entzündungsreaktion ist das Diacylglycerol, ein Bestandteil des GPIs bei P. falciparum. So wird versucht Diacylglycerol durch Alkylacylglycerol, wie es beispielsweise in menschlichen GPIs vorkommt, zu ersetzen. Zu diesem Zweck werden die menschlichen Enzyme Alkylglyceronphosphat-synthase (E.C.Nr: 2.5.1.26) und Alkylglycerophosphat-2-O-acetyltransferase (E.C.Nr: 2.3.1.105) in die Domäne IV integriert, wobei der Promotor, welcher die Prozessierung des Intron kodierten Proteins reguliert, so gewählt wird, dass er besonders in der postmeiotischen synzytischen Phase der Plasmodienentwicklung aktiv ist. Der Gen-Konversionsvektor selbst wird so konstruiert, dass er einen nicht kodierenden Bereich der Wirts-DNA erkennt. Das Resultat der Strategie sind Plasmodien, welche in ihrer Virulenz stark abgeschwächt sind.
  • Ferner sind die viralen Infektionen bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Infektionen mit humanen Immundefizienzviren (HIV), humanen Papillomviren (HPV), Epstein Barr Virus (EBV), Herpesviren, insbesondere dem humanen Herpesvirus Typ 8 (HHV8) und humanen T-Zell Leukämieviren (HTLV), insbesondere HTLV 1.
  • Einsetzbar sind Gruppe II Introns in der HIV-Therapie. Es wird sowohl die Unterbrechung des Genoms des Provirus als auch die Ausschaltung des CCR Chemo kin- Rezeptors erreicht, was die Resistenz der betroffenen T-Lymphozyten gegenüber HIV bedingt, jedoch nicht mit einer Schädigung oder Funktionsbeeinträchtigung der Zelle einhergeht.
  • Das Gen-Konversionskonstrukt wird entweder in einem geeigneten Vektor (z.B. Adenoviren), welcher die Wirtszellen des H1-Virus befällt, in den menschlichen Körper eingebracht oder mittels Elektroporation dazu genutzt, Patienten-Lymphozyten durch erwähntes Vorgehen in vivo resistent zu machen. Die resistenten Zellen werden sich daraufhin im menschlichen Körper ungehindert vermehren.
  • Ferner sind die Krebserkrankungen und Tumoren bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zervixkarzinom, Uteruskarzinom, Burkitt-Lymphom, Nasopharynxkarzinom, Kaposisarkom und chronischer myeloischer Leukämie, die vorzugsweise Philadelphiachromosom positiv ist.
  • Das erfindungsgemäße Gen-Konversionskonstrukt ist für die Krebstherapie geeignet. Die Einführung von Tumorsuppressorgenen (z.B. p53) sowie die Ausschaltung von Onkogenen (z.B. k-ras) wirken der Pathogenese verschiedenster Tumorerkrankungen entgegen. Es können Gruppe II Introns verwendet werden, welche entweder in ihrer Domäne IV bestimmte Tumorsuppressorgene tragen (die ihrerseits durch die Wahl eines geeigneten Promotors mehr oder weniger stark exprimiert werden) und nicht kodierende Bereiche des menschlichen Genoms erkennen oder sich in Onkogene inserieren, die bei einem Patientenkollektiv überexprimiert sind und somit die assoziierten pathophysiologischen Konsequenzen rückgängig machen. Das veränderte Gruppe II Intron kann mittels eines geeigneten Vektors (Adenoviren etc.) in die entartete Zellpopulation eingebracht werden.
  • Die Auswahl der in Frage kommenden Gene muss an die pathogenetischen Ursachen des jeweiligen Tumors angepasst werden. Der große Vorteil dieser Behandlungsmethode gegenüber einer konservativen Therapie (Bestrahlung, Chemothe rapie) ist das Fehlen einschlägiger Nebenwirkungen dieser konservativen Therapien für den behandelten Patienten. Aus diesem Grunde kann das Verfahren auch in der Kombination mit konservativen Therapiemöglichkeiten angewendet werden, da hierdurch die oft gravierenden Nebenwirkungen verringert werden. Eine geringere Dosis des konservativen Behandlungsschemas sollte in diesem Fall keine Einbuße des Therapieerfolgs bedingen. Dies könnte eine deutliche Verbesserung bei der Behandlung von bisher schlecht zu therapierenden Tumoren, wie Gliome, primäre hepatozelluläre Karzinome und Pankreaskarzinome bedingen.
  • Bestimmte virusassoziierte Tumoren sind für die Therapie durch Gruppe II Introns besonders geeignet. Hierzu zählen u.a. T-Zell-Leukämie (HTLV1 und 2); zervikale intraepitheliale Neoplasie, bowenoide Papulose, Larynxpapillom, Riesenkondylom, Condyloma planum, Condyloma acuminatum, Epidermodysplasia verruciformis und eine große Zahl gutartiger Wucherungen (HPV); Burkitt-Lymphom, Nasopharynxkarzinom (EBV, Zugangs-Nr.: NC 001345); Kaposi-Sarkom (HHV8, Zugangs-Nr.: NC 003409 und HIV, Zugangs-Nr.: NC 001802). Der geeignete Therapieansatz ist hierbei wiederum die Unterbrechung des viralen bzw. proviralen Genoms an geeigneter Stelle (z.B. bei HPV im Bereich des Leserahmens E6, E7 [z.B. gi:21464523, gi:66933401 etc.] bzw. bei anderen Viren im Bereich einer DNA-Polymerase [z.B. bei EBV gi: 28566757]). Es werden zur Einführung der Gen-Konversionskonstrukte vorzugsweise die Viren als Vektoren verwendet, die bekämpft werden sollen. Hierzu müssen die Viruspartikel zunächst vollkommen oder teilweise frei von Erbsubstanz sein. Auf diese Weise kann beispielsweise HPV mit HPV behandelt werden. Dasselbe gilt auch für HIV und andere extrem virulente Viren, wobei weitere Sicherheitsmaßnahmen notwendig sind. Denkbar sind die Verwendung von nur Hüllprotein und Adhäsionsrezeptor ohne Virus-RNA bzw. vollständige Diagnose; Minimierung der Risiken von gefährlichen Rekombinationen durch geeignete Deletionen etc.
  • Außerdem möglich ist die Therapie der meisten Fälle (90 %) von chronisch myeloischer Leukämie. Die Unterbrechung des Philadelphia-Translokationschromosoms im Bereich des für die Tyrosinkinase kodierenden Locus wird die gängigen Behandlungsmöglichkeiten in ihrer Wirksamkeit übertreffen.
  • Die Trinukleotid-Erkrankungen sind vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Chorea Huntington und Friedreich Ataxie, während die Stoffwechselerkrankungen bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Phenylketonurie, Albinismus und Glykogenose.
  • Trinukleotid-Erkrankungen, wie z.B. Chorea Huntington oder Friedreich-Ataxie können beispielsweise durch den Einsatz eines Gruppe II Introns, welches den pathologischen Gen-Ort unterbricht und gleichzeitig das „gesunde" Gen mit sich führt, therapiert werden. Als Folge werden sich keine pathologischen Proteine – Huntingtin bzw. Frataxin – mehr ansammeln, sondern das physiologische Genprodukt wird gebildet.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die erblich bedingten Erkrankungen, insbesondere die monogen bedingten erblichen Erkrankungen bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mukoviszidose, monogener Hypercholesterinämie, Marfan-Syndrom, Hämophilie A und progressiver Muskeldystrophie.
  • Als Beispiel für eine Stoffwechselerkrankung wird Phenylketonurie genannt. Die effiziente Einführung des intakten Gens (gi:18765884), welches für das bei der Erkrankung defekte Enzym kodiert (Phenylalaninhydroxylase), steht für die erfolgreiche Therapie der Erkrankung. Ebenso kann Albinismus durch die Einführung des intakten Tyrosinase-Gens (Genbank gi: 12656242) behandelt werden. Mukoviszidose kann mit dem Ersatz des defekten Chlorid-Kanals durch das intakte Protein therapiert werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Gen-Konversionskonstrukt als Forschungswerkzeug, insbesondere als molekularbiologisches Forschungswerkzeug zur Herstellung von genetisch veränderten Zellen verwendet werden.
  • Durch das erfindungsgemäße Konstrukt können Gene gezielt an- und ausgeschaltet werden, indem ein induzierbarer Promotor für die Transkription des Intron kodierten Proteins verwendet wird. Ein Wirtsgen wird durch die Integration des Gruppe II Introns ausgeschaltet und durch dessen Spleißen nach Induktion des Promotors auf mRNA-Ebene wieder angeschaltet. Gleiches gilt für ein neu eingeführtes Gen, nur mit dem Unterschied, dass dieses durch den Spleißvorgang exzidiert und somit ausgeschaltet wird. Ein solcher On/Off-Mechanismus wird bislang nur durch das Tet-System erreicht. Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Konstruktes ist jedoch die Tatsache, dass es in genetisch unveränderten Wildtyporganismen oder -zellen verwendet werden kann. Die Herstellung bestimmter Stoffe (z.B. Humaninsulin oder Erythropoetin) kann somit auf klar bestimmte Zeiträume festgelegt werden.
  • Um zu Versuchszwecken bei bestimmten Organismen einen Knockout zu etablieren, wird derzeit das Cre- bzw. Lox-Rekombinase-System verwendet. Hierbei muss jedoch das auszuschaltende Gen zunächst mit flankierenden Rekombinase-Sequenzen versehen werden. Das erfindungsgemäße System kommt ohne jegliche vorhergehende Modifikation des Wirtsorganismus aus und ermöglicht außerdem die Einführung neuer Gene.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Gen-Konversionskonstrukt zur Herstellung genetisch veränderter Bakterien, Viren, Protozoen, Pilze, Pflanzen und Tiere, insbesondere genetisch veränderter nicht humaner Säugetiere verwendet werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die genetische Veränderung reversibel.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann schließlich das erfindungsgemäße Gen-Konversionskonstrukt in der Schädlingsbekämpfung eingesetzt werden. Eine solche Schädlingsbekämpfung betrifft auch die genetische Modifikation bzw. Ausrottung von Spezies, die durch den Menschen in Lebensräume eingeführt wurden, die nicht die natürlichen Lebensräume darstellen. Ein Beispiel ist die Flockenblume in den USA.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
  • Ausführungsbeispiel
  • Die Erfindung wird anhand des bekannten Gruppe II Introns L1.LtrB von Lactococcus lactis erläutert. 1 zeigt das Intron und stellt die Erfindung dar. Das Intron wird mit Restriktionsendonukleasen gespalten, und das Konstrukt wird mittels PCR hergestellt. So wird auch die richtige Orientierung des einzufügenden DNA-Stückes sichergestellt. Standard-Klonierungstechniken sind dem Fachmann bekannt, siehe z.B. „PCR" von M. J. McPherson, S. Moller Springer-Verlag Telos (Oktober 2000) oder Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 3 Vol. von Joseph Sambrook, David W. Russell Cold Spring Harbor Laboratory Press (Januar 2001), Cold Spring Harbor, N.Y.
  • 2 stellt beispielhaft die Ausführung der genetischen Manipulation einer Zielpopulation dar, wobei im Speziellen die Einführung eines neuen Gens in die Wirts-DNA realisiert wurde. Dargestellt ist wiederum ein Gruppe II Intron, dessen Domäne IV modifiziert wurde. Diese enthält eine Inversion des ORF des Intron kodierten Proteins, das als LtrA ORF bezeichnet wird (vgl. auch 1). Es steht unter der Kontrolle eines spezifischen Promotors. Das neu einzuführende Fremdgen steht optional unter der Kontrolle des eigenen, homologen Promotors, um Einfluss auf das Expressionsprofil des neuen Gens zu nehmen. Die Intronsequenzen, welche durch RNA-DNA-Basenpaarungen verantwortlich sind für die Erkennung der Ziel-DNA, wurden derart abgewandelt, dass die beabsichtigte Sequenz erkannt werden kann. Das Konstrukt wird in ein Plasmid integriert, und es wird in E. coli prozessiert. Das veränderte Intron wird gesäumt von den flankierenden Exonsequenzen E1 und E2 aus dem Zielgen. Das Plasmid verfügt außerdem über den Resistenzmarker Ampicillin, welcher für die Selektion der das Plasmid tragenden Bakterien notwendig ist. Mit diesem Konstrukt können RNP-Partikeln hergestellt werden, die verpackt in Liposomen durch Elektroporation in die Wirtszelle eingebracht werden, wo sie die Einführung des fremden Gens ins Wirtsgenom bewirken. Dies bedeutet, dass für den letzten Schritt kein Vektor notwendig ist.
  • Der Fachmann kann je nach genutztem Zelltyp das Konstrukt und den Vektor mit Standardtechniken herstellen oder modifizieren, etwa mit zusätzlicher Lokalisationssequenz, verbesserter Expression oder verbesserter Codonusage.
  • Literaturzitate
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    • 7. Matsuura M, Saldanha R, Ma H, Wank H, Yang J, Mohr G, Cavanagh S, Dunny GM, Betfort M, Lambowitz AM. A bacterial group II intron encoding reverse transcriptase, maturase, and DNA endonuclease activities: biochemical demonstration of maturase activity and insertion of new genetic information within the intron. Genes Dev. 1997 Nov 1;11(21):2910-24.
    • 8. Burt A. Site-specific selfish genes as tools for the control and genetic engineering of natural populations. Proc Biol Sci. 2003 Mai 7;270(1518):921-8.
    • 9. PCR von M. J. McPherson, S. Moller Springer-Verlag Telos (Oktober 2000)
    • 10. Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 3 Vol. von Joseph Sambrook, David W. Russell Cold Spring Harbor Laboratory Press (Januar 2001), Cold Spring Harbor, N.Y.

Claims (25)

  1. Gen-Konversionskonstrukt zur Vererbung von Genmobilität von einer Zelle auf die Tochterzelle, umfassend (a) ein Vektorkonstrukt mit einem ersten Promotor zur Transkription von RNA, und (b) einer selfish DNA mit einem offenen Leserahmen (ORF), der ein Protein kodiert, und einem zweitem Promotor, der zur Expression des Proteins mit der selfish DNA funktional verknüpft ist, wobei die selfish DNA an den Enden Nukleotidsequenzen aufweist, die mit einer zellulären Zielsequenz übereinstimmen, und der offene Leserahmen (ORF) in dem Vektorkonstrukt invertiert angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Promotor zum Zeitpunkt der Genmobilität gleichzeitig aktiv sind.
  2. Gen-Konversionskonstrukt nach Anspruch 1, wobei mindestens der zweite Promotor, vorzugsweise beide Promotoren induzierbar sind.
  3. Gen-Konversionskonstrukt nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Promotor ein gewebespezifischer oder entwicklungssphasenspezifischer Promotor ist.
  4. Gen-Konversionskonstrukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die selfish DNA ein Gruppe II Intron (group II intron) ist.
  5. Gen-Konversionskonstrukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nukleotidsequenzen an den Enden der selfish DNA eine Länge von ungefähr 20 bis 30 Basenpaaren aufweisen.
  6. Gen-Konversionskonstrukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vektor eine multiple Klonierungsstelle zur Insertion einer interessierenden DNA aufweist.
  7. Gen-Konversionskonstrukt nach Anspruch 6, wobei die interessierende DNA zur Expression mit ihrem homologen Promotor funktional verknüpft ist.
  8. Gen-Konversionskonstrukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Vektor einen Selektionsmarker aufweist.
  9. Gen-Konversionskonstrukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zelle eine eukaryonte Zelle ist.
  10. Kit umfassend das Gen-Konversionskonstrukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie gegebenenfalls biologische und/oder chemische Klonierungsreagenzien.
  11. Verfahren zur Vererbung von Genmobilität von einer Zelle auf die Tochterzelle, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (i) Einführen eines Gen-Konversionskonstrukt nach einem der Ansprüche 1 bis 9, und/oder eines RNP Partikels umfassend das Gen-Konversionskonstrukt nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Nukleotidsequenzen an den Enden der selfish DNA mit Zielsequenzen der Zelle übereinstimmen; (ii) Einstellen von Kulturbedingungen, welche die gleichzeitige Aktivität des ersten und des zweiten Promotors erlauben; (iii) Aufrechterhalten von Kulturbedingungen, die Spalten der Zielsequenzen der Zelle erlauben, um das Gen-Konversionskonstrukt an der Zielsequenz in die zelluläre Nukleinsäure einzuführen; sowie (iv) Selektion von Zellen, die das Gen-Konversionskonstrukt enthalten.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Aktivität mindestens des zweiten Promotors, vorzugsweise beider Promotoren induzierbar ist.
  13. Verwendung des Gen-Konversionskonstrukts nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung eines Arzneimittels.
  14. Verwendung des Gen-Konversionskonstrukts nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung eines Arzneimittels zur Behandlung von Infektionskrankheiten, Krebserkrankungen, Tumoren, Trinukleotid-Erkrankungen, Stoffwechselerkrankungen und/oder erblich bedingten Erkrankungen, insbesondere monogen bedingten erblichen Erkrankungen.
  15. Verwendung nach Anspruch 14, wobei die Infektionserkrankungen durch Viren, Bakterien, Pilze und/oder Protozoen verursacht werden.
  16. Verwendung nach Anspruch 15, wobei die viralen Infektionen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Infektionen mit humanen Immundefizienzviren (HIV), humanen Papillomviren (HPV), Epstein Barr Virus (EBV), Herpesviren, insbesondere dem humanen Herpesvirus Typ 8 (HHV8) und humanen T-Zell Leukämieviren (HTLV), insbesondere HTLV 1.
  17. Verwendung nach Anspruch 15, wobei die Krebserkrankungen und Tumoren ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Zervixkarzinom, Uteruskarzinom, Burkitt-Lymphom, Nasopharynxkarzinom, Kaposisarkom und chronischer myeloischer Leukämie, die vorzugsweise Philadelphiachromosom positiv ist.
  18. Verwendung nach Anspruch 15, wobei die Trinukleotid-Erkrankungen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Chorea Huntington und Friedreich Ataxie.
  19. Verwendung nach Anspruch 15, wobei die Stoffwechselerkrankungen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Phenylketonurie, Albinismus und Glykogenose.
  20. Verwendung nach Anspruch 15, wobei die erblich bedingten Erkrankungen, insbesondere die monogen bedingten erblichen Erkrankungen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Mukoviszidose, monogener Hypercholesterinämie, Marfan-Syndrom, Hämophilie A und progressiver Muskeldystrophie.
  21. Verwendung des Gen-Konversionskonstrukts nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Forschungswerkzeug, insbesondere als molekularbiologisches Forschungswerkzeug zur Herstellung von genetisch veränderten Zellen.
  22. Verwendung des Gen-Konversionskonstrukts nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung genetisch veränderter Bakterien, Viren, Protozoen, Pilze und Pflanzen.
  23. Verwendung des Gen-Konversionskonstrukts nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Herstellung von genetisch veränderten Tieren, insbesondere genetisch veränderten nicht humanen Säugetieren.
  24. Verwendung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die genetische Veränderung reversibel ist.
  25. Verwendung des Gen-Konversionskonstrukts nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in der Schädlingsbekämpfung.
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