DE102018001134A1 - Method for the targeted identification of highly efficient "small interfering RNAs" ("eRNAs") for use in plants and other target organisms - Google Patents

Method for the targeted identification of highly efficient "small interfering RNAs" ("eRNAs") for use in plants and other target organisms Download PDF

Info

Publication number
DE102018001134A1
DE102018001134A1 DE102018001134.9A DE102018001134A DE102018001134A1 DE 102018001134 A1 DE102018001134 A1 DE 102018001134A1 DE 102018001134 A DE102018001134 A DE 102018001134A DE 102018001134 A1 DE102018001134 A1 DE 102018001134A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
rna
sirnas
ago
rnas
ernas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102018001134.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Sven-Erik Behrens
Torsten Gursinsky
Jana Schuck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Martin Luther Univ Halle Wittenberg
Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Original Assignee
Martin Luther Univ Halle Wittenberg
Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Martin Luther Univ Halle Wittenberg, Martin Luther Universitaet Halle Wittenberg filed Critical Martin Luther Univ Halle Wittenberg
Priority to EP18766118.6A priority Critical patent/EP3645729A1/en
Priority to DE112018003256.6T priority patent/DE112018003256A5/en
Priority to PCT/DE2018/000194 priority patent/WO2019001602A1/en
Publication of DE102018001134A1 publication Critical patent/DE102018001134A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/63Introduction of foreign genetic material using vectors; Vectors; Use of hosts therefor; Regulation of expression
    • C12N15/79Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts
    • C12N15/82Vectors or expression systems specially adapted for eukaryotic hosts for plant cells, e.g. plant artificial chromosomes (PACs)
    • C12N15/8216Methods for controlling, regulating or enhancing expression of transgenes in plant cells
    • C12N15/8218Antisense, co-suppression, viral induced gene silencing [VIGS], post-transcriptional induced gene silencing [PTGS]
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09Recombinant DNA-technology
    • C12N15/11DNA or RNA fragments; Modified forms thereof; Non-coding nucleic acids having a biological activity
    • C12N15/111General methods applicable to biologically active non-coding nucleic acids
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6876Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes
    • C12Q1/6888Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes for detection or identification of organisms
    • C12Q1/6895Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes for detection or identification of organisms for plants, fungi or algae
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2310/00Structure or type of the nucleic acid
    • C12N2310/10Type of nucleic acid
    • C12N2310/14Type of nucleic acid interfering N.A.
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2320/00Applications; Uses
    • C12N2320/10Applications; Uses in screening processes
    • C12N2320/11Applications; Uses in screening processes for the determination of target sites, i.e. of active nucleic acids
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N2330/00Production
    • C12N2330/50Biochemical production, i.e. in a transformed host cell
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q2600/00Oligonucleotides characterized by their use
    • C12Q2600/178Oligonucleotides characterized by their use miRNA, siRNA or ncRNA

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Plant Pathology (AREA)
  • Mycology (AREA)
  • Botany (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Virology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Pharmaceuticals Containing Other Organic And Inorganic Compounds (AREA)

Abstract

RNA Interferenz (RNAi) ist eine entscheidende Komponente des pflanzlichen Immunsystems und dient der Bekämpfung von Infektionen durch Pathogene. Die derzeit verwendeten Methoden von RNAi haben noch erhebliche Nachteile. Diese liegen insbesondere bei eingesetzten siRNAs, die entweder ineffizient sind oder off-target effects zeigen, da sie meist über sehr einfache in silico Vorhersagen vorgeschlagen und bezüglich ihrer Wirkung in empirischen Untersuchungen („try and error“) getestet werden. Ein Nachweis der optimalen und spezifischen Wirkung kann nicht erbracht werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, RNAi mit siRNAs oder siRNA-kodierenden ds RNAs durchzuführen, die eine nachgewiesen hohe Spezifität haben, die effizient antipathogen wirken und die weder langwierige Züchtung noch den Einsatz transgener Methoden erfordern, zudem ökologisch vertretbar und schnell adaptierbar auf neu entstehende (new emerging) oder weiterverbreitete Pathogene sein sollen.Erfindungsgemäß wurde ein experimentelles in vitro System etabliert, dessen wesentlicher Bestandteil ein Extrakt aus dem Zytoplasma von Pflanzenzellen ist.Eine RNA, die als target für RNA silencing (RNAi) ausgewählt wurde, wird durch in vitro Transkription hergestellt und im Zytoplasma von Pflanzenzellen (BYL) durch die endogenen Dicer-like proteins (DCL) zu small interfering RNAs (siRNAS) umgesetzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden siRNAs identifiziert, die in oder außerhalb der Pflanze hocheffizient target RNAs erkennen und inaktivieren können.RNA interference (RNAi) is a crucial component of the plant immune system and is used to fight infections caused by pathogens. The currently used methods of RNAi still have considerable disadvantages. These are in particular when used siRNAs that are either inefficient or show off-target effects, as they are usually proposed on very simple in silico predictions and tested for their effect in empirical studies ("try and error"). Evidence of the optimal and specific effect can not be provided. The object of the present invention is to carry out RNAi with siRNAs or siRNA-encoding ds RNAs which have a proven high specificity, which act efficiently antipathogenic and which require neither lengthy breeding nor the use of transgenic methods, moreover ecologically justifiable and quickly adaptable to newly emerging ( According to the invention, an experimental in vitro system has been established, the essential component of which is an extract from the cytoplasm of plant cells. An RNA selected as the target for RNA silencing (RNAi) is generated by in vitro transcription produced and transformed in the cytoplasm of plant cells (BYL) by the endogenous Dicer-like proteins (DCL) to small interfering RNAs (siRNAS). The method according to the invention identifies siRNAs which can recognize and inactivate target RNAs in or outside the plant in a highly efficient manner.

Description

RNA Interferenz, RNA interference (RNAi) oder auch RNA silencing, ist eine Technologie, die in Zellen praktisch aller Organismen (am besten charakterisiert in höheren Eukaryonten) zum Abschalten (silencing) oder zur Modulation der Genexpression eingesetzt werden kann (Kim und Rossi, 2008; Carthew und Sontheimer, 2009). Dabei nutzt man zelluläre Funktionen, um über die Aktivität kleiner Ribonukleinsäuremoleküle (small RNAs, sRNAs) die Funktion von sog. target Ribonukleinsäuremolekülen (target RNAs) zu inaktivieren oder zu modulieren. Die target RNAs können dabei pathogenen aber auch zellulären Ursprungs sein.RNA interference, RNA interference (RNAi) or RNA silencing, is a technology that can be used in cells of virtually all organisms (best characterized in higher eukaryotes) for silencing or modulation of gene expression (Kim and Rossi, 2008) Carthew and Sontheimer, 2009). It uses cellular functions to inactivate or modulate the function of so-called target ribonucleic acid molecules (target RNAs) via the activity of small ribonucleic acid molecules (small RNAs, sRNAs). The target RNAs may be pathogenic but also of cellular origin.

RNAi beruht auf einem evolutionär konservierten Verteidigungsmechanismus (defense mechanism) der Zelle. So ist RNAi z.B. bei Insekten und Pflanzen eine Hauptkomponente der Immunantwort gegen Pathogene ( Ding, 2010; Zvereva und Pooggin, 2012; Gammon und Mello, 2015 ). In der Zelle wird RNAi durch Ribonukleinsäuremoleküle ausgelöst, die doppelsträngig sind oder doppelsträngige Bereiche aufweisen (double-stranded, ds RNAs). Am besten untersucht ist dies bei viralen Infektionen: RNAi-auslösende ds RNAs stammen dabei aus strukturierten Regionen viraler messenger RNAs (mRNAs), aus viralen RNA Genomen oder aus viralen ds RNA Replikationsintermediaten. Ds RNAs werden in der Zelle als sog. pathogen-associated molecular pattern (PAMP) und damit als ,fremd‘ wahrgenommen. Detektoren von dsRNAs sind dabei u.a. zelluläre Enzyme, die zur Familie der Typ III Ribonukleasen gehören und als Dicer oder Dicer-like proteins (DCLs) bezeichnet werden (Alyari und Ding, 2009; Fukudome und Fukuhara, 2017; Song und Rossi, 2017). Bei der antiviralen RNAi Immunantwort der Pflanze haben die ursprünglich aus der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (At) charakterisierten DCL2 und DCL4 hierbei eine zentrale Rolle ( Bouche et al., 2006; Deleris et al., 2006; Parent et al., 2015 ). DCL2 und DCL4 binden ds RNAs und prozessieren diese durch endonukleolytische Spaltung zu sog. small interfering RNAs (siRNAs). SiRNAs sind 5'-phosphorylierte ds RNAs (RNA-Duplexe), die Längen von 20-24 Nukleotiden (nt) aufweisen und am 3'-Ende einen 2 nt-langen Überhang (overhang) haben ( Bernstein et al. 2001; Elbashir et al. 2001a, Elbashir et al., 2001b; Martinez et al., 2002 ). Antivirale Wirksamkeit haben insbesondere die siRNAs, die eine Länge von 21nt oder 22 nt aufweisen (Deleris et al., 2006). Die siRNAs werden nach der Generierung durch die DCLs in sog. RNA-induced silencing complexes (RISC) eingebaut. Dabei wird der RNA-Duplex aufgewunden und ein Strang, der passenger strand, entfernt und abgebaut. Der andere Strang des siRNA Duplex, der guide strand, wird von den sogenannten Argonaute (AGO)-Proteinen gebunden; diese sind eine Hauptkomponente der RISC ( Hammond et al., 2001; Meister, 2013; Kobayashi und Tomari, 2016 ). In At sind 10 verschiedene AGO bekannt; sie haben unterschiedliche Funktionen, die z.T. noch nicht vollständig geklärt sind (Vaucheret, 2008). Für AGO1 und AGO2, aber auch für AGO3, AGO5 und AGO7, wurde gezeigt, dass sie in der antiviralen Immunantwort der Pflanze involviert sind (Carbonell und Carrington, 2015). Die verschiedenen AGO-Proteine haben dabei verschiedene Bindungsprioritäten für siRNA guide strands. So bindet z.B. AGO1 mit hoher Priorität RNAs, die ein 5'- ständiges U-Nukleotid enthalten, während AGO2 priorisiert RNAs mit einem 5'A-Nukleotid binden (Mi et al. 2008, Takeda et al., 2008, Schuck et al., 2013 ). Nach Bindung des siRNA guide strands durch AGO-Proteine werden die entsprechenden RISC an die target RNA herangeführt. Eine wesentliche Rolle spielt dabei die Sequenzkomplementarität der siRNA guide strands zu den target RNAs (Liu et al., 2014); es scheint aber auch noch weitere Kriterien zu geben, die bisher noch nicht vollständig charakterisiert sind (siehe unten). Unter natürlichen Umständen handelt es sich bei den target RNAs um RNA-Moleküle, die ursprünglich von den DCLs als PAMPS erkannt und zu siRNAs prozessiert wurden (sog. „kognate RNAs“). Bei viralen Infektionen sind dies entsprechend virale mRNAs oder virale Genome. Nach Assoziation des AGO/RISC an die zum siRNA guide strand komplementären Regionen der kognaten RNA, dies können kodierende als auch nicht kodierende Regionen (untranslatierte Regionen) sein, kommt es zu einer durch das AGO-Protein katalysierten endonukleolytischen Spaltung der RNA; diese erfolgt etwa in der Mitte des siRNA guide strands (Elbashir et al., 2001b; Elbashir et al., 2001c; Wang et al., 2008). Alternativ gibt es Hinweise darauf, dass an target RNAs assoziierte siRNA-haltige AGO/RISC die Translation dieser RNAs inhibieren (Brodersen et al., 2008; Iwakawa und Tomari, 2013). Ergebnis der Aktivität dieser „primären siRNAs“ im RNAi Prozess ist entsprechend eine temporäre Hemmung der Genexpression. Dabei werden target RNAs gespalten und abgebaut bzw. die Synthese der durch diese RNAs kodierten Proteine gehemmt. Resultat des gegen Pathogene gerichteten RNAi ist somit eine Hemmung der Genexpression bzw. der Vermehrung des Pathogens (Zvereva und Pooggin, 2012).
Beim antiviralen RNAi in der Pflanze existiert noch ein weiterer Mechanismus, der die Immunantwort nochmals deutlich verstärken kann. So existieren in Pflanzenzellen sogenannte RNA-abhängige RNA Polymerasen (RDR). Diese können beispielsweise die durch die AGO-Aktivität entstandenen Abbauprodukte der target RNAs als Matrizen (templates) erkennen und darauf neue ds RNAs synthetisieren. Diese ds RNAs werden wiederum durch DCLs erkannt und prozessiert und es entstehen weitere, sog. „sekundäre siRNAs“ ( Wang et al., 2010; Wang et al., 2011 ). Primäre als auch sekundäre siRNAs werden durch die Plasmodesmata der Pflanzenzellen bzw. das Phloem über bisher nicht vollständig geklärte Mechanismen in den kompletten Pflanzenorganismus transportiert (Mermigka et al., 2016). Durch die graduelle Akkumulation von siRNAs kann entsprechend die antivirale RNAi-Antwort sowohl lokal als auch systemisch wirksam werden ( ).
RNAi is based on an evolutionarily conserved defense mechanism of the cell. For example, RNAi is a major component of the immune response to pathogens in insects and plants ( Ding, 2010; Zvereva and Pooggin, 2012; Gammon and Mello, 2015 ). In the cell, RNAi is triggered by ribonucleic acid molecules that are double-stranded or have double-stranded regions (ds RNAs). This is best investigated in the case of viral infections: RNAi-triggering ds RNAs originate from structured regions of viral messenger RNAs (mRNAs), from viral RNA genomes, or from viral ds RNA replication intermediates. The RNAs are perceived in the cell as so-called pathogen-associated molecular pattern (PAMP) and thus as 'foreign'. Detectors of dsRNAs include cellular enzymes belonging to the family of type III ribonucleases called Dicer or Dicer-like proteins (DCLs) (Alyari and Ding, 2009, Fukudome and Fukuhara, 2017, Song and Rossi, 2017). In the antiviral RNAi immune response of the plant, DCL2 and DCL4, which were originally characterized by the model plant Arabidopsis thaliana (At), play a central role in this ( Bouche et al., 2006; Deleris et al., 2006; Parent et al., 2015 ). DCL2 and DCL4 bind ds RNAs and process them by endonucleolytic cleavage to so-called small interfering RNAs (siRNAs). SiRNAs are 5'-phosphorylated ds RNAs (RNA duplexes), which have lengths of 20-24 nucleotides (nt) and have a 2 nt-long overhang at the 3 'end ( Bernstein et al. 2001; Elbashir et al. 2001a, Elbashir et al., 2001b; Martinez et al., 2002 ). Antiviral activity in particular has the siRNAs, which have a length of 21nt or 22 nt (Deleris et al., 2006). The siRNAs are incorporated after generation by the DCLs in so-called RNA-induced silencing complexes (RISC). In the process, the RNA duplex is wound up and a strand, the passenger strand, is removed and degraded. The other strand of the siRNA duplex, the guide strand, is bound by the so-called Argonaute (AGO) proteins; these are a major component of the RISC ( Hammond et al., 2001; Master, 2013; Kobayashi and Tomari, 2016 ). At At 10 different AGO are known; they have different functions, some of which are not fully understood (Vaucheret, 2008). AGO1 and AGO2 but also AGO3, AGO5 and AGO7 have been shown to be involved in the plant's antiviral immune response (Carbonell and Carrington, 2015). The different AGO proteins have different binding priorities for siRNA guide strands. For example, high-priority AGO1 binds RNAs containing a 5 'U nucleotide, whereas AGO2 binds RNAs with a 5'A nucleotide prioritized (Mi et al., 2008, Takeda et al., 2008, Schuck et al., 2013 ). After binding of the siRNA guide strand by AGO proteins, the corresponding RISC are introduced to the target RNA. An essential role is played by the sequence complementarity of the siRNA guide strands to the target RNAs (Liu et al., 2014); However, there seem to be other criteria that have not yet been fully characterized (see below). Under natural circumstances, the target RNAs are RNA molecules that were originally recognized by the DCLs as PAMPS and processed into siRNAs (so-called "cognate RNAs"). In viral infections, these are correspondingly viral mRNAs or viral genomes. After association of the AGO / RISC to the siRNA guide strand complementary regions of the cognate RNA, these may be coding as well as non-coding regions (untranslated regions), there is an AGO protein-catalyzed endonucleolytic cleavage of the RNA; this occurs approximately in the middle of the siRNA guide strand (Elbashir et al., 2001b; Elbashir et al., 2001c; Wang et al., 2008). Alternatively, there is evidence that siRNA-containing AGO / RISC associated with target RNAs inhibit the translation of these RNAs (Brodersen et al., 2008, Iwakawa and Tomari, 2013). The result of the activity of these "primary siRNAs" in the RNAi process is correspondingly a temporary inhibition of gene expression. Target RNAs are cleaved and degraded, or the synthesis of proteins encoded by these RNAs is inhibited. The result of the RNAi directed against pathogens is thus an inhibition of the gene expression or the multiplication of the pathogen (Zvereva and Pooggin, 2012).
In antiviral RNAi in the plant, there is another mechanism that can significantly enhance the immune response. So-called RNA-dependent RNA polymerases (RDR) exist in plant cells. These can, for example, recognize the degradation products of the target RNAs as templates that have been formed by the AGO activity and then synthesize new ds RNAs. These ds RNAs are in turn recognized and processed by DCLs and there are further, so-called "secondary siRNAs" ( Wang et al., 2010; Wang et al., 2011 ). Primary as well as secondary siRNAs are mediated by the plasmodesmata of the plant cells or the phloem via mechanisms that have not yet been fully elucidated transported into the complete plant organism (Mermigka et al., 2016). As a result of the gradual accumulation of siRNAs, the antiviral RNAi response can be effective both locally and systemically ( ).

Genutzt wird RNAi für den künstlichen „knock down“ der Genexpression. Dazu werden siRNAs oder andere verwandte kleine RNAs wie micro RNAs (miRNAs) in die Zelle eingebracht, um damit bestimmte target RNAs in ihrer Funktion zu beeinflussen (McManus und Sharp, 2002; Schwab et al., 2006). Im einfachsten Fall kann mit dieser Methode, wie oben geschildert, die Genexpression unterdrückt werden (PTGS, post transcriptional regulation of gene expression). PTGS einer bestimmten mRNA kann wiederum die Genexpression an anderer Stelle begünstigen oder inhibieren; insofern können durch monovalenten und/oder multivalenten RNAi auch komplexe Genexpressionsmuster in der Zelle beeinflusst werden. Neben genomweiten Untersuchungen von Genfunktionen in der Grundlagenforschung wird RNAi in der Pflanze entsprechend auch bei vielen Anwendungen eingesetzt. So konnten über die Anwendung von RNAi Kulturpflanzen entwickelt werden, deren Ernährungswert z.B. über Regulierung der Biomasse, des Gehalts an Toxinen, Mineralien, Vitaminen, Aminosäuren, Fettsäuren, Ballaststoffe, Allergene usw. verbessert wurde. Zudem konnten Pflanzen erzeugt werden, die eine höhere Resistenz gegenüber abiotischem Stress (z.B. Trockenheit, Salzgehalt der Erde usw.) aber auch biotischem Stress (Infektion oder Schädigung durch Pathogene) aufweisen (Saurabh et al., 2014). Letzterer Aspekt wird im Folgenden detaillierter dargestellt.RNAi is used for the artificial "knock down" of gene expression. For this purpose, siRNAs or other related small RNAs such as micro RNAs (miRNAs) are introduced into the cell in order to influence the function of specific target RNAs (McManus and Sharp, 2002, Schwab et al., 2006). In the simplest case, gene expression can be suppressed with this method, as described above (PTGS, post-transcriptional regulation of gene expression). In turn, PTGS of a particular mRNA may favor or inhibit gene expression elsewhere; In this respect, monovalent and / or multivalent RNAi can also influence complex gene expression patterns in the cell. In addition to genome-wide investigations of gene functions in basic research, RNAi is also used in the plant in many applications. Thus, through the use of RNAi, crops could be developed whose nutritional value was e.g. through regulation of biomass, levels of toxins, minerals, vitamins, amino acids, fatty acids, fiber, allergens, etc. In addition, plants could be produced which have a higher resistance to abiotic stress (for example, dryness, salinity of the soil, etc.) but also to biotic stress (infection or damage by pathogens) (Saurabh et al., 2014). The latter aspect will be described in more detail below.

Wie bereits dargestellt, ist RNAi eine entscheidende Komponente des pflanzlichen Immunsystems und Infektionen durch Pathogene können durch Induktion der Synthese primärer und sekundärer siRNAs gegen Pathogen-target RNAs bekämpft werden. So kann über künstliche Expression von siRNAs, die gegen virale RNAs gerichtet sind, eine Pflanze gegen das betreffende Virus geschützt werden. Dies gilt für Viren mit einem RNA Genom, jedoch auch für Viren mit einem DNA Genom (Khalid et al., 2017) oder Pflanzen-infizierende Bakterien, deren mRNAs durch RNAi attackiert werden können. Des Weiteren sind Anwendungen gegen weitere Pflanzenpathogene und -parasiten bekannt, die, gemeinsam mit den Maßnahmen gegen Viren und Bakterien unter dem Begriff hostinduced gene silencing (HIGS) zusammenfasst werden. So können in einer Nutzpflanze auch siRNAs exprimiert werden, die gegen mRNAs von pflanzenschädigenden Insekten, Würmern oder Pilzen gerichtet sind (Price und Gatehouse, 2008; Nowara et al., 2010; Banerjee et al., 2017). In ähnlicher Form kann RNAi auch gegen parasitäre Pflanzen eingesetzt werden (Tomilov et al., 2008; Bandaranayake und Yoder, 2013). Während bei viralen und bakteriellen Infektionen RNAi direkt im Organismus der Wirtspflanze aktiv ist, werden in den letzteren Fällen die exprimierten siRNAs auf das Pathogen bzw. den Parasiten übertragen - im einfachsten Fall über die Aufnahme der Pflanze als Nahrung (z.B. bei Insekten und Würmern) (s.o.). Die technischen Möglichkeiten von HIGS sind in den letzten Jahren deutlich erweitert worden, nachdem es möglich geworden ist, siRNAs oder andere sRNAs deutlich billiger herzustellen und über Sprayverfahren einzusetzen (Dalakouras et al., 2016). As discussed earlier, RNAi is a critical component of the plant immune system and infection by pathogens can be controlled by inducing the synthesis of primary and secondary siRNAs against pathogen-targeted RNAs. Thus, via artificial expression of siRNAs directed against viral RNAs, a plant can be protected against the virus in question. This applies to viruses with an RNA genome, but also to viruses with a DNA genome (Khalid et al., 2017) or plant-infecting bacteria whose mRNAs can be attacked by RNAi. Furthermore, applications against other plant pathogens and parasites are known which, together with the measures against viruses and bacteria, are summarized under the term host-induced gene silencing (HIGS). Thus, siRNAs which are directed against mRNAs of plant-damaging insects, worms or fungi can also be expressed in a crop plant (Price and Gatehouse, 2008, Nowara et al., 2010, Banerjee et al., 2017). Similarly, RNAi can also be used against parasitic plants (Tomilov et al., 2008, Bandaranayake and Yoder, 2013). While in viral and bacterial infections RNAi is active directly in the organism of the host plant, in the latter cases, the expressed siRNAs are transmitted to the pathogen or the parasite - in the simplest case on the uptake of the plant as food (eg in insects and worms) ( so). The technical possibilities of HIGS have been significantly expanded in recent years, after it has become possible to produce siRNAs or other sRNAs much cheaper and to use them by spray methods (Dalakouras et al., 2016).

Ziel von HIGS ist in jedem Fall die Schädigung oder Abtötung des Pathogens und damit der Schutz der Pflanze. Die Technologie birgt allerdings Risiken. So besteht die Möglichkeit, dass RNAi neben der eigentlichen target RNA noch weitere RNAs attackiert. Man spricht in diesem Falle von off-target effects (Jackson und Linsley, 2004; Senthil-Kumar und Mysore, 2011). Dies kann z.B. dann der Fall sein, wenn die off-target RNAs ähnliche Sequenz- oder Strukturkompositionen wie die eigentlichen target RNAs aufweisen (Jackson et al., 2006; Kamola et al., 2015). Die Problematik von off-target effects ist besonders evident bei HIGS gegen Pflanzen-befallende komplexe Organismen wie Pilze oder Parasiten, wo es von großer Wichtigkeit ist, ausschließlich deren target RNAs anzugreifen, nicht aber die target RNAs verwandter Arten.The aim of HIGS is in any case the damage or killing of the pathogen and thus the protection of the plant. However, the technology carries risks. Thus, there is the possibility that RNAi in addition to the actual target RNA attacks other RNAs. In this case, one speaks of off-target effects (Jackson and Linsley, 2004, Senthil-Kumar and Mysore, 2011). This can e.g. then be the case when the off-target RNAs have similar sequence or structural compositions as the actual target RNAs (Jackson et al., 2006, Kamola et al., 2015). The problem of off-target effects is particularly evident in HIGS against plant-infecting complex organisms such as fungi or parasites, where it is of great importance to attack exclusively their target RNAs, but not the target RNAs of related species.

In den Zellen der meisten eukaryotischen Organismen kann RNAi über verschiedene Techniken induziert werden. So können ds RNAs, einzelne siRNAs, miRNAs oder andere sRNAs entweder transient eingebracht oder transgen exprimiert werden. Bei Pflanzen sind Transgene bereits seit ca. zwei Jahrzehnten etabliert. Verschiedenste transgene Pflanzenspezies, auch Kulturpflanzen, sind bereits in der Anwendung (Herrera-Estrella et al., 2005; Kamthan et al., 2016). Die Herstellung von Transgenen ist jedoch aufwendig und langwierig. Zudem ist die Nutzung transgener Pflanzen umstritten und in vielen Ländern, z.B. in der EU, in der landwirtschaftlichen Anwendung verboten (Lucht, 2015). Problematisch ist insbesondere der Einsatz von transgenen Pflanzen, die eine Immunität gegen Pathogene aufweisen sollen: So wurde in vielen Anwendungen deutlich, dass durch den evolutionären Druck, den die Verwendung transgener Pathogen-resistenter Pflanzen erzeugt, in relativ kurzer Zeit, neue resistente Pathogene entstehen (Simon-Mateo und Garcia, 2006; Lin et al., 2009; Tabashnik et al., 2013; Kung et al, 2015). Bei transgenen Pflanzen liegt somit eine ähnliche Problematik vor wie bei traditionell über Züchtung gewonnenen Pathogen-resistenten Pflanzen.In the cells of most eukaryotic organisms, RNAi can be induced by various techniques. Thus, ds RNAs, single siRNAs, miRNAs or other sRNAs can either transiently be introduced or transgeneically expressed. In plants, transgenes have been established for about two decades. Various transgenic plant species, including cultivated plants, are already in use (Herrera-Estrella et al., 2005, Kamthan et al., 2016). However, the production of transgenes is complicated and tedious. In addition, the use of transgenic plants is controversial and in many countries, e.g. in the EU, prohibited in agricultural application (Lucht, 2015). In particular, the use of transgenic plants which are to have immunity to pathogens is problematic: it has become clear in many applications that new resistant pathogens are formed in a relatively short time due to the evolutionary pressure which the use of transgenic pathogen-resistant plants produces. Simon-Mateo and Garcia, 2006; Lin et al., 2009; Tabashnik et al., 2013; Kung et al, 2015). In transgenic plants, there is thus a similar problem as in traditionally obtained by breeding pathogen-resistant plants.

Für das langfristige Management von Pflanzenkrankheiten hat sich mittlerweile die Erkenntnis durchgesetzt, dass neue Verfahren entwickelt werden müssen, die effizient antipathogen wirksam sind und die weder langwierige Züchtung noch den Einsatz transgener Methoden erfordern. Diese Verfahren sollten zudem ökologisch vertretbar sein und schnell adaptierbar auf neu entstehende (new emerging) oder weiterverbreitete Pathogene sein.For the long-term management of plant diseases, the knowledge has now become established that new methods must be developed that are effective antipathogenically effective and that neither require lengthy breeding nor the use of transgenic methods. In addition, these methods should be ecologically sound and quickly adaptable to emerging or re-emerging pathogens.

Lösungsmöglichkeiten bietet der bereits erwähnte transiente Einsatz von RNAi. Jedoch ist das transiente Einbringen von Nukleinsäuren und speziell von sensiblen RNA Molekülen in die Pflanze, insbesondere aufgrund der rigiden pflanzlichen Zellwände, ein erhebliches technisches Problem. Hier sind seit Langem unterschiedlichste Verfahren in der Erprobung. Praktiken aus der Grundlagenforschung wie biolistische Verfahren (über gene gun) oder das Einbringen von Nukleinsäuren durch Fremdorganismen (Vektoren) wie Viren oder Agrobakterien sind aus ökonomischen oder Sicherheitsgründen für die landwirtschaftliche Pflanzenproduktion nicht geeignet. Der Einsatz von Viren bedeutet immer ein latentes Sicherheitsproblem, allein durch die reale Möglichkeit von Rekombinationsereignissen viraler und zellulärer RNAs (Bujarski, 2013). Bei DNA Viren und Agrobakterien besteht zudem das Risiko, dass Teile des Vektorgenoms in das Pflanzengenom eingebaut werden können ( Harper et al., 2002; Ulker et al., 2008 ). Erst seit kurzem gibt es Ansätze, die einen effizienten, nicht-transgenen Einsatz von RNA möglich erscheinen lassen. Dies hängt zum einen damit zusammen, dass in den letzten etwa 5 Jahren Verfahren entwickelt wurden, die eine Herstellung von ds RNA im Gramm- oder sogar Kilogramm-Maßstab erlauben (Robinson et al., 2014). So wurde der Preis von einem Gramm ds RNA, das etwa für den Einsatz auf einem kleinen Feld von Kulturpflanzen benötigt wird, von über 100.000 US$ auf nunmehr 2 US$ gesenkt (Le Page, 2017). Zudem gibt es Hinweise darauf, dass ds RNA, produziert in E. coli und auf Pflanzenblätter aufgebracht dort auch aufgenommen und wirksam werden kann (Tenllado et al., 2003). Besonders effizient wird dieser Prozess durch die Verpackung der ds RNAs in ökologisch vollständig abbaubare Nanopartikel (Mitter et al., 2017).Possible solutions are the already mentioned transient use of RNAi. However, the transient introduction of nucleic acids and especially of sensitive RNA molecules into the plant, especially due to the rigid plant cell walls, is a significant technical problem. Here are for a long time most different procedures in the testing. Practices from basic research such as biolistic methods (via gene gun) or the introduction of nucleic acids by foreign organisms (vectors) such as viruses or agrobacteria are not suitable for agricultural crop production for economic or safety reasons. The use of viruses always poses a latent security problem, solely because of the real possibility of recombination events of viral and cellular RNAs (Bujarski, 2013). In the case of DNA viruses and agrobacteria, there is also the risk that parts of the vector genome can be incorporated into the plant genome ( Harper et al., 2002; Ulker et al., 2008 ). Only recently there are approaches that make an efficient, non-transgenic use of RNA possible. This is due, on the one hand, to the fact that in the last 5 or so years processes have been developed which allow production of ds RNA on a gram or even kilogram scale (Robinson et al., 2014). For example, the price of one gram ds of RNA required for use in a small crop field has been reduced from over $ 100,000 to $ 2 (Le Page, 2017). In addition, there are indications that the RNA produced in E. coli and applied to plant leaves can also be absorbed and activated there (Tenllado et al., 2003). This process becomes particularly efficient by packaging the ds RNAs into ecologically fully degradable nanoparticles (Mitter et al., 2017).

Die derzeit verwendeten Methoden von RNAi haben noch erhebliche Anwendungsnachteile. Diese liegen insbesondere bei eingesetzten siRNAs, die entweder ineffizient sind oder off-target effects zeigen. Weltweit wurden bereits verschiedenste Anwendungen mit einzelnen siRNAs oder auch siRNA pools (gemeinsame Anwendung einer Fülle verschiedener siRNAs) in Pflanzen durchgeführt. Diese siRNAs wurden meist über sehr einfache in silico Vorhersagen vorgeschlagen und dann bezüglich ihrer Wirkung in empirischen Untersuchungen („try and error“) getestet. Entsprechend ist nicht nachgewiesen, ob bzw. inwieweit diese siRNAs wirklich in optimalster Weise und damit auch spezifisch auf der avisierten target RNA wirken. Assoziiert waren beim Einsatz antipathogener siRNAs entsprechend häufig Beobachtungen, dass die Schutzwirkung nur kurz war und/oder dass off-target Effekte auftraten ( Qu et al., 2007; Kung et al., 2012 ; Casacuberta et al., 2015. Andere Formen der Applikation verwenden künstliche ds RNA Moleküle (Robinson et al., 2014) . Diese ds RNAs bestehen entweder aus komplett komplementären Sequenzen von mehreren hundert Nukleotiden der target RNAs oder aber aus entsprechend komplementären Sequenzen, die durch einen ,spacer‘ verbunden sind (sog. ,hairpin‘ Molekülen). Nach Eintritt in die Pflanzenzelle werden diese ds RNAs durch die DCLs in eine Vielzahl (einen pool) unterschiedlichster siRNAs prozessiert. Antipathogene ds RNAs zeigen in der Regel gute Wirksamkeit; allerdings ist hier die Wahrscheinlichkeit von Rekombinationsereignissen und off-target effects, die einen schädigenden Effekt auf den Wirtsorganismus haben können, besonders hoch. Entsprechend wird die Verwendung von ds RNAs, bei deren Verwendung nicht näher charakterisierte siRNAs generiert werden können, ebenfalls als problematisch angesehen ( Duan et al., 2012; Dalakouras et al., 2016 ).The currently used methods of RNAi still have significant application disadvantages. These are in particular when used siRNAs that are either inefficient or show off-target effects. Various applications have already been carried out worldwide with individual siRNAs or siRNA pools (common use of a large number of different siRNAs) in plants. These siRNAs were mostly proposed via very simple in silico predictions and then tested for their effect in empirical studies ("try and error"). Accordingly, it has not been proven whether or to what extent these siRNAs really act in the most optimal manner and thus also specifically on the targeted RNA. Accordingly, when using antipathogenic siRNAs, it was frequently associated with observations that the protective effect was only short and / or that off-target effects occurred ( Qu et al., 2007; Kung et al., 2012 ; Casacuberta et al., 2015. Other forms of application use artificial ds RNA molecules (Robinson et al., 2014) , These ds RNAs consist either of completely complementary sequences of several hundred nucleotides of the target RNAs or of correspondingly complementary sequences which are connected by a 'spacer' (so-called 'hairpin' molecules). Upon entry into the plant cell, these ds RNAs are processed by the DCLs into a multitude (one pool) of different siRNAs. Antipathogenic ds RNAs generally show good activity; however, the likelihood of recombination events and off-target effects, which may have a deleterious effect on the host organism, is particularly high. Accordingly, the use of ds RNAs, in the use of which unspecified siRNAs can be generated, is also considered problematic ( Duan et al., 2012; Dalakouras et al., 2016 ).

Es stellt sich somit die Aufgabe, RNAi mit siRNAs oder siRNA-kodierenden ds RNAs durchzuführen, die eine nachgewiesen hohe Spezifität haben. Auf diese Weise wird eine hohe Wirksamkeit erreicht und die Wahrscheinlichkeit von off-target effects minimiert.The task is therefore to carry out RNAi with siRNAs or siRNA-encoding ds RNAs which have a proven high specificity. In this way high efficacy is achieved and the likelihood of off-target effects is minimized.

Erfindungsgemäß wurde ein experimentelles in vitro System etabliert und optimiert, dessen wesentlicher Bestandteil ein Extrakt aus dem Zytoplasma von Tabakzellen (BY-2 Zellen aus Nicotiana tabacum, Nt) ist. Diese Extraktform wurde ursprünglich von Komoda et al. publiziert ( Komoda et al., 2004 ). In dem erfindungsgemäßen System werden in Kultur gezogene Tabakzellen über biochemische Verfahren aufgeschlossen und das Zytoplasma der Zellen (BY2-Lysat oder BYL) in evakuolisierter Form (frei von Bestandteilen der pflanzlichen Vakuolen) gewonnen (Komoda et al., 2004). In diesem System werden zum einen mRNAs in dem Extrakt in vitro d.h. im Eppendorf-tube (Reagenzglas) translatiert. Dies ermöglicht es, Proteine freier Wahl in den Extrakten herzustellen. Weiterhin kann die Inhibition der Translation von mRNAs mittels der mRNA kodierter Reporterproteine, z.B. Firefly Luciferase gemessen werden. Zum zweiten kann der komplette Replikationsprozess von RNA Viren (Viren mit einem (+)RNA Genom) in vitro reproduziert werden ( Komoda et al., 2004 ; Gursinsky et al., 2009 ). Zum dritten kann der RNA silencing (RNAi) Prozess im Reagenzglas nachgestellt werden ( Iki et al., 2010; Schuck et al., 2013 ).
Dieser dritte Aspekt ist wesentlicher Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und im Folgenden detailliert dargestellt.

  • - In BYL sind alle DCL-Proteine aktiv, die ds RNA in 21, 22 und 24 nt siRNAs prozessieren können. Entsprechend können mRNAs oder ds RNAs, die zuvor über Standardverfahren (in vitro Transkription) hergestellt wurden, in den BYL eingesetzt werden, und die RNAs werden dann entsprechend durch die endogenen DCLs zu siRNAs prozessiert.
  • - Bei Zugabe von mRNAs, die für die AGO-Proteine kodieren, können AGO-Proteine eigener Wahl durch in vitro Translation generiert werden. Durch Einsatz leicht modifizierter AGOmRNAs, können die betreffenden AGO-Proteine mit einem tag, einer kurzen Peptidsequenz bspw. ein FLAG-tag aus dem Protein Flagellin, z.B. am N-Terminus des Proteins, hergestellt werden. Auf diese Weise lassen sich die AGO-Proteine so darstellen, dass sie anschließend mit einem Antikörper gegen das tag, z.B. einen Anti-FLAG-tag Antikörper, über ein Standardverfahren aus dem Extrakt herausextrahiert (immunopräzipitiert) werden können. Entscheidend bei diesem Verfahren ist, dass die im BYL auf beschriebene Weise hergestellten AGO-Proteine funktionell aktiv sind, d.h. sie können siRNA oder andere sRNA Duplexe erkennen und die betreffenden guide strands binden. Darüber hinaus bilden die AGO-Proteine funktionelle RISC Komplexe und sind in der Lage, über guide strands assoziierte RNA-targets endonukleolytisch zu spalten (slicing) bzw. deren Translation zu blockieren. Ein weiterer entscheidender Aspekt ist, dass die betreffenden in vitro hergestellten AGO/RISC mit verschiedensten siRNAs beladen (programmiert) werden können, z.B. einem siRNA pool, der nach Zufügen einer target RNA in den BYL durch die endogenen DCL erzeugt wurde. Alternativ kann aber auch während der Translation des entsprechenden AGO-Proteins ein einzelner, synthetischer siRNA Duplex in hoher Konzentration zugesetzt werden. Der guide strand dieser einzelnen siRNA wird dann bevorzugt in den generierten AGO/RISC eingebaut. In einem weiteren Schritt wird die target RNA zu dem BYL zugegeben. Somit können nun entweder die Aktivitäten eines siRNA pools oder aber einer einzelnen siRNA bezüglich ihrer Fähigkkeiten zum AGO-katalysierten slicing oder zur Translationsinhibition einer target RNA in vitro getestet werden.
According to the invention, an experimental in vitro system has been established and optimized, the essential component of which is an extract from the cytoplasm of tobacco cells (BY-2 cells from Nicotiana tabacum, Nt). This extract form was originally described by Komoda et al. published ( Komoda et al., 2004 ). In the system according to the invention, culture-grown tobacco cells are digested by biochemical methods and the cytoplasm of the cells (BY2 lysate or BYL) is recovered in evacuated form (free of constituents of the plant vacuoles) (Komoda et al., 2004). In this system, on the one hand, mRNAs in the extract are translated in vitro, ie in the Eppendorf tube (test tube). This makes it possible to produce proteins of choice in the extracts. Furthermore, the inhibition of the translation of mRNAs can be measured by means of the mRNA-encoded reporter proteins, eg, firefly luciferase. Second, the complete replication process of RNA viruses (viruses with one (+) RNA genome) can be reproduced in vitro ( Komoda et al., 2004 ; Gursinsky et al., 2009 ). Third, the RNA silencing (RNAi) process can be readjusted in the test tube ( Iki et al., 2010; Schuck et al., 2013 ).
This third aspect is an essential part of the method according to the invention and shown in detail below.
  • - In BYL, all DCL proteins are active that can process RNA in 21, 22 and 24 nt siRNAs. Accordingly, mRNAs or ds RNAs, which were previously prepared by standard methods (in vitro transcription), can be inserted into the BYL, and the RNAs are then correspondingly processed by the endogenous DCLs to form siRNAs.
  • Upon addition of mRNAs encoding the AGO proteins, AGO proteins of their own choice can be generated by in vitro translation. By using slightly modified AGO mRNAs, the AGO proteins in question can be produced with a tag, a short peptide sequence, for example a FLAG tag from the protein flagellin, for example at the N-terminus of the protein. In this way, the AGO proteins can be displayed in such a way that they can subsequently be extracted (immunoprecipitated) from the extract with an antibody against the tag, for example an anti-FLAG tag antibody, using a standard method. Crucial to this method is that the produced in BYL in the manner described AGO proteins are functionally active, ie they can recognize siRNA or other sRNA duplexes and bind the relevant guide strands. In addition, the AGO proteins form functional RISC complexes and are capable of endonucleolytically cleaving (slicing) or blocking the translation of RNA targets associated with guide strands. Another crucial aspect is that the relevant in vitro produced AGO / RISC can be loaded (programmed) with a wide variety of siRNAs, for example a siRNA pool, which was generated by the endogenous DCL after adding a target RNA to the BYL. Alternatively, however, a single, synthetic siRNA duplex can be added in high concentration during translation of the corresponding AGO protein. The guide strand of this single siRNA is then preferably incorporated into the generated AGO / RISC. In a further step, the target RNA is added to the BYL. Thus, either the activities of a siRNA pool or of a single siRNA can now be tested for their abilities for AGO-catalyzed slicing or for the translation inhibition of a target RNA in vitro.

Erfindungsgemäß werden

  1. 1. Über einen im Folgenden als DCL-Assay bezeichneten Ansatz die endogenen DCL-Aktivitäten des BYL genutzt um, aus einer beliebigen RNA, die ds Bereiche enthält, siRNAs zu generieren.
  2. 2. Durch in vitro Translation können AGO-Proteine eigener Wahl (z.B. die zehn verschiedenen bekannten AGO-Proteine aus At) hergestellt werden. Auch mit tag sind die AGO-Proteine funktionell, d.h. sie können sRNA guide strands binden und aktive RISC Komplexe bilden.
  3. 3. Die in vitro translatierten AGO-Proteine können mit bereits im Extrakt vorliegenden/bereits aus RNA-Substraten über die endogenen DCLs generierten siRNAs (einem siRNA pool) beladen werden. Zwecks Identifizierung einzelner AGO-assoziierte siRNAs, können die RISC Komplexe über den AGO-assoziierten tag aus den Extrakten präpariert/immunopräzipitiert werden. Dieses Verfahren wird nachfolgend als AGO-IP bezeichnet.
  4. 4. Alternativ zu den unter Ziffer 2 und 3 beschriebenen Verfahren kann bereits während der in vitro Translation des betreffenden AGO-Proteins eine synthetische siRNA hinzugefügt werden und das so generierte AGO-Protein damit präferenziell mit dieser siRNA beladen/programmiert werden.
  5. 5. Fügt man den gemäß Ziffer 3 und 4 behandelten experimentellen Systemen eine target RNA hinzu, so kann die Aktivität der entsprechend generierten AGO/RISC auf dieser target RNA untersucht werde. Die verwendete target RNA wird dazu entweder radioaktiv markiert oder sie enthält ein Reportergen. In diesem, im Folgenden als Slicer-Assay bezeichneten Verfahren, kann man entsprechend die Spaltung der target RNA verfolgen und deren Effizienz auch quantifizieren. Alternativ kann die Inhibition der Translation des Reportergens bestimmt bzw. auch quantifiziert werden.
According to the invention
  1. 1. Using an approach called DCL assay, the endogenous DCL activities of the BYL are used to generate siRNAs from any RNA containing the domains.
  2. 2. By in vitro translation AGO proteins of their own choice (eg the ten different known AGO proteins from At) can be produced. Also tagged, the AGO proteins are functional, ie they can bind sRNA guide strands and form active RISC complexes.
  3. 3. The in vitro translated AGO proteins can be loaded with siRNAs (a siRNA pool) already present in the extract / already generated from RNA substrates via the endogenous DCLs. In order to identify individual AGO-associated siRNAs, the RISC complexes can be prepared / immunoprecipitated from the extracts via the AGO-associated tag. This method will be referred to as AGO-IP hereinafter.
  4. 4. As an alternative to the methods described under Nos. 2 and 3, a synthetic siRNA can already be added during the in vitro translation of the relevant AGO protein and thus the AGO protein thus generated can preferably be loaded / programmed with this siRNA.
  5. 5. If a target RNA is added to the experimental systems treated according to points 3 and 4, the activity of the correspondingly generated AGO / RISC on this target RNA can be investigated. The target RNA used is either radioactively labeled or contains a reporter gene. In this method, hereinafter referred to as the slicer assay, it is possible to follow the cleavage of the target RNA and also to quantify its efficiency. Alternatively, the inhibition of translation of the reporter gene can be determined or quantified.

Mit dem BYL System wurde gezeigt, dass bei Durchführung von Slicer-Assays mit einem siRNA pool (Ansatz 3.) und viralen target RNAs überraschenderweise nur eine sehr begrenzte Anzahl von Spaltprodukten entsteht ( ). Dies offenbarte, dass von mehreren hundert- oder tausend siRNAs, die aus einer ds RNA durch die DCLs generiert werden, nur sehr wenige tatsächlich auf der target RNA aktiv sind.The BYL system has been shown to surprisingly produce only a very limited number of cleavage products when performing slicer assays with a siRNA pool (batch 3) and viral target RNAs ( ). This revealed that of several hundred or a thousand siRNAs generated from a ds RNA by the DCLs, only very few are actually active on the target RNA.

Weiterhin konnte gezeigt werden:

  1. (i) Dass die DCL aus einer bestimmten viralen RNA nur eine bestimmte Zahl von siRNAs, davon einige mit hoher Präferenz, generieren ( ).
  2. (ii) Dass von den DCL-generierten siRNAs wiederum nur eine bestimmte Anzahl in AGO1/RISC bzw. AGO2/RISC angereichert werden ( und ).
  3. (iii) Dass von den in den AGO1/RISC bzw. AGO2/RISC eingebauten siRNA guide strands wiederum nur eine Minorität aktiv ist ( ).
Furthermore it could be shown:
  1. (i) That DCLs from a given viral RNA generate only a certain number of siRNAs, some of which are highly preferential ( ).
  2. (ii) That only a certain number of the DCL-generated siRNAs are enriched in AGO1 / RISC or AGO2 / RISC ( and ).
  3. (iii) That only one minority of the siRNA guide strands installed in the AGO1 / RISC or AGO2 / RISC is active again ( ).

Die mittels des erfindungsmäßigen Verfahrens erhaltenen Daten indizieren damit, dass

  1. a) verschiedene Bereiche einer target RNAs unterschiedliche Zugänglichkeiten (Substratpräferenzen) für die DCLs aufweisen
  2. b) die Effizienz des Einbaus von siRNA guide strands in die AGO/RISC nicht, wie bisher angenommen, ausschließlich durch die 5'Nukleotide der RNAs bestimmt wird
  3. c) verschiedene Bereiche einer target RNA wiederum unterschiedliche Zugänglichkeiten (Substratpräferenzen) für die siRNA-beladenen AGO/RISC aufweisen
The data obtained by means of the method according to the invention indicate that
  1. a) different regions of a target RNAs have different accessibilities (substrate preferences) for the DCLs
  2. b) the efficiency of incorporation of siRNA guide strands into the AGO / RISC is not, as previously thought, exclusively determined by the 5 'nucleotides of the RNAs
  3. c) different regions of a target RNA in turn have different accessibilities (substrate preferences) for the siRNA-loaded AGO / RISC

Zusammenfassend kann nochmals festgestellt werden, dass von einer Vielzahl von siRNAs, die von DCLs aus einer target RNA prozessiert werden bzw. die von AGO/RISC eingebaut werden, lediglich eine kleine Anzahl im RNAi Prozess auf der target RNA effizient aktiv ist.In summary, it can again be stated that of a large number of siRNAs which are processed by DCLs from a target RNA or which are incorporated by AGO / RISC, only a small number are efficiently active in the RNAi process on the target RNA.

Die Tatsache, dass nur eine kleine Minorität der aus einer ds target RNA generierten siRNAs in AGO/RISC aktiv ist, stellt die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, das in der Lage ist, exakt solche siRNAs, die im Folgenden als hocheffiziente siRNAs, eRNAs, bezeichnet werden sollen, zielgerichtet zu ermitteln. Alle derzeit verwendeten Verfahren zur Ermittlung von RNAi-gängigen siRNAs beruhen auf empirischen Studien oder auf in silico Vorhersagen, die praktisch ausschließlich die Sequenzhomologien von siRNA guide strands und target RNAs berücksichtigen, damit also keine der oben beschriebenen essenziellen Aspekte wie Einbaurate in AGO/RISC und Aktivität in AGO/RISC berücksichtigen. Die Aufgabe, effektiv wirksame eRNAs identifizierbar zu machen, ergibt sich aus der oben beschriebenen Notwendigkeit, die Anzahl der bei einem RNAi Ansatz eingesetzten siRNAs so gering wie möglich zu halten um die Wahrscheinlichkeiten von

  1. a) Rekombinationsereignissen und
  2. b) off-target Effekten so gering wie möglich zu halten.
The fact that only a small minority of the siRNAs generated from a ds target RNA is active in AGO / RISC sets the task of developing a method that is capable of producing exactly those siRNAs that are referred to below as highly efficient siRNAs, eRNAs , to be designated, to determine purposefully. All currently used methods for the determination of RNAi-common siRNAs are based on empirical studies or in silico predictions that consider almost exclusively the sequence homologies of siRNA guide strands and target RNAs, thus none of the essential aspects described above such as incorporation rate in AGO / RISC and Consider activity in AGO / RISC. The task of making effectively effective eRNAs identifiable arises from the need, as described above, to minimize the number of siRNAs used in an RNAi approach by the probabilities of
  1. a) recombination events and
  2. b) to keep off-target effects as low as possible.

Durch den Einsatz von effektiv wirksamen eRNAs ergeben sich zudem folgende, weitere Anwendungsvorteile:

  1. (i) Durch die Kombinierbarkeit verschiedener eRNAs bzw. von eRNAs, die in verschiedene AGO/RISC Komplexe eingebaut werden, kann die Spezifität des RNAi maximal gesteigert werden.
  2. (ii) Bei Pathogenen, die neu auftreten, kann eine RNAi Immunantwort durch eine Neukombination von anti-pathogenen eRNAs schnell und spezifisch angepasst werden.
  3. (iii) Durch eine ökonomische Produktion von eRNAs sollte sich die Akzeptanz des Einsatzes von RNAi in der Pflanzenproduktion deutlich erhöhen und der Einsatz transgener Ansätze in der Pflanzenzucht deutlich vermindern lassen.
The use of effectively effective eRNAs also offers the following additional application advantages:
  1. (i) The combinability of different eRNAs or eRNAs that are incorporated into different AGO / RISC complexes, the specificity of the RNAi can be maximally increased.
  2. (ii) In new pathogens, an RNAi immune response can be rapidly and specifically adapted by recombination of anti-pathogenic eRNAs.
  3. (iii) An economic production of eRNAs should significantly increase the acceptance of the use of RNAi in plant production and significantly reduce the use of transgenic approaches in plant breeding.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden siRNAs identifiziert, die in oder außerhalb der Pflanze hocheffizient target RNAs erkennen und inaktivieren können. Ein Beispiel für den Einsatz dieser Technologie ist die Erzeugung von Pflanzen, die temporär oder lebenslang gegen den Befall von Pathogenen wie Viren geschützt sind. Andere umfassen die Erzeugung von Pflanzen die temporär oder lebenslang gegen den Befall von Pathogenen wie Bakterien, Würmern, Pilzen, Insekten und parasitären Pflanzen geschützt sind. Wiederum andere umfassen die Erzeugung von Pflanzen die temporär oder lebenslang verbesserte Wachstums- und Verbrauchereigenschaften aufweisen.The method according to the invention identifies siRNAs which can recognize and inactivate target RNAs in or outside the plant in a highly efficient manner. An example of the use of this technology is the production of plants that are temporarily or lifelong protected against the infestation of pathogens such as viruses. Others include the production of plants that are temporarily or lifelong protected against the infestation of pathogens such as bacteria, worms, fungi, insects and parasitic plants. Still others include the production of plants that have temporarily or lifelong improved growth and consumer properties.

Erfindungsgemäß wird das Verfahren wie folgt durchgeführt:

  1. 1. Eine RNA, die als target für RNAi ausgewählt wurde, wird durch in vitro Transkription hergestellt und in BYL durch die endogenen DCL zu siRNAs umgesetzt (DCL-Assay). Bei dieser RNA kann es sich um eine mRNA beliebiger Art (d.h. aus Organismen beliebiger Art), eine genomische virale RNA, oder aber ein virales ds RNA Replikationsintermediat handeln. Aus der betreffenden RNA entsteht ein DCL-generierter siRNA pool. Die in diesem pool enthaltenen siRNA können durch RNA seq. Analyse ermittelt werden.
  2. 2. Dem BYL wird die wiederum über in vitro Transkription synthetisierte mRNA eines AGO-Proteins zugefügt. Die mRNA ist so aufgebaut, dass sie für das AGO-Protein mit einem tag kodiert. Über in vitro Translation entstehen AGO-Proteinmoleküle mit tag. Diese AGO Moleküle bilden RISC Komplexe. Diese werden mit den vorliegenden DCL-generierten siRNAs beladen/programmiert. Die Beladung richtet sich nach der Verfügbarkeit der durch die DCL-Aktivität entstandenen siRNAs bzw. nach bekannten und bisher unbekannten Beladungsprioritäten der betreffenden AGO/RISC.
  3. 3. Über den tag werden siRNA-beladene AGO/RISC aus den BYL immunopräzipitiert (AGO-IP). Die gebundenen siRNA guide-strands werden durch RNA seq. Analyse ermittelt. Es werden solche siRNAs, die besonders stark in AGO/RISC angereichert sind, durch eine RNA seq. Analyse identifiziert.
  4. 4. Die Schritte (1) und (2) werden in einem Parallelansatz wiederholt. In diesen Ansatz wird dann die target RNA (markiert) eingesetzt und die Spaltung in einem Slicer-Assay über Detektion der Spaltprodukte gemessen. Es entstehen bei der RNAi-mediierten Umsetzung einer target RNA aufgrund der nur begrenzten Zahl funktioneller siRNA aus einem siRNA pool nur eine begrenzte Zahl an Spaltprodukten. Über Korrelation der Größe der entstandenen Spaltprodukte und der in (1-3) erhaltenen RNA seq. Daten lassen sich entsprechend siRNAs ermitteln, die einerseits in AGO/RISC hochangereichert und andererseits hochaktiv sind.
  5. 5. So ermittelte siRNA-Kandidaten werden synthetisch hergestellt und ihre Funktionalität wiederum in einem Slicer-Assay mit markierter target RNA getestet.
  6. 6. Die so ermittelten eRNAs können dann transgen oder transient angewendet werden. Entsprechend der im Slicer-Assay ermittelten Effizienz der eRNAs, werden diese einzeln oder in Kombination eingesetzt. In Kombination bedeutet, dass entweder verschiedene einzelne siRNAs kombiniert und eingesetzt werden oder dass ds RNAs generiert und eingesetzt werden, von denen erwartet werden kann, dass sie in der Pflanze zu eRNAs prozessiert werden.
  7. 7. Mit den behandelten („eRNA-vakzinierten“) Pflanzen werden Virusbeslastungstests durchgeführt, um ihre Wirksamkeit in einem proof of concept abzusichern.
According to the invention, the process is carried out as follows:
  1. 1. An RNA selected as the target for RNAi is prepared by in vitro transcription and converted into siRNAs in BYL by the endogenous DCL (DCL assay). This RNA can be an mRNA of any kind (ie of any kind), a genomic viral RNA, or a viral ds RNA replication intermediate. From the RNA in question, a DCL-generated siRNA pool is generated. The siRNAs contained in this pool can be determined by RNA analysis.
  2. 2. The BYL is added to the mRNA of an AGO protein synthesized again via in vitro transcription. The mRNA is designed to encode the AGO protein with a tag. About in vitro translation arise AGO protein molecules with tag. These AGO molecules form RISC complexes. These are loaded / programmed with the present DCL-generated siRNAs. The loading depends on the availability of siRNAs generated by the DCL activity or on known and previously unknown loading priorities of the relevant AGO / RISC.
  3. 3. During the day, siRNA-loaded AGO / RISC are immunoprecipitated from BYL (AGO-IP). The bound siRNA guide-strands are determined by RNA seq. Analysis. Such siRNAs, which are particularly strongly enriched in AGO / RISC, are identified by RNA seq. Analysis.
  4. 4. Steps (1) and (2) are repeated in a parallel approach. In this approach, the target RNA (labeled) is then used and the Cleavage in a slicer assay measured by detection of the cleavage products. Due to the limited number of functional siRNAs from a siRNA pool, RNAi-mediated conversion of a target RNA results in only a limited number of cleavage products. By correlating the size of the resulting cleavage products and the RNA seq. Data obtained in (1-3), it is possible to determine correspondingly siRNAs which on the one hand are highly enriched in AGO / RISC and, on the other hand, highly active.
  5. 5. SiRNA candidates determined in this way are synthesized and their functionality is tested in a sliced assay with labeled target RNA.
  6. 6. The thus-determined eRNAs can then be applied transgenically or transiently. According to the efficiency of the eRNAs determined in the slicer assay, these are used individually or in combination. In combination, this means that either different single siRNAs are combined and used, or that the RNAs are generated and used that can be expected to be processed into eRNAs in the plant.
  7. 7. Virus control tests are performed on the treated ("eRNA-vaccinated") plants to ensure their effectiveness in a proof of concept.

Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren wird durch nachfolgende Anwendungsbeispiele näher beschrieben.The process according to the invention described above is described in more detail by the following application examples.

Anwendungsbeispiel: Identifizierung von eRNAs des Tomato bushy stunt virus (TBSV)Example of Use: Identification of Tomato Bushy Stunt Virus (TBSV) ERNAs

Das Tomato bushy stunt Virus (TBSV) ist ein (+)RNA Virus der Familie Tombusviridae (White und Nagy, 2004). Die meisten Pflanzen-infizierenden Viren sind (+)RNA Viren. Bei diesen Viren ist das Genom eine (+)RNA; es agiert nach Eintritt in die Wirtszelle direkt als mRNA. Die durch Translation generierten viralen Proteine, darunter die virale RNA-abhängige RNA Polymerase, bilden einen Replikationskomplex, der in einem zweistufigen Prozess über ein (-)RNA Intermediat neue Progenie (+)RNA Moleküle generiert (Gunawardene et al., 2017). Das dabei entstehende Replikationsintermediat ist ds RNA. TBSV wurde hier als Modellvirus verwendet.Tomato bushy stunt virus (TBSV) is a (+) RNA virus of the Tombusviridae family (White and Nagy, 2004). Most plant-infecting viruses are (+) RNA viruses. In these viruses, the genome is a (+) RNA; it acts directly as mRNA after entry into the host cell. The translation-generated viral proteins, including the viral RNA-dependent RNA polymerase, form a replication complex that generates new progeny (+) RNA molecules in a two-step process via a (-) RNA intermediate (Gunawardene et al., 2017). The resulting replication intermediate is ds RNA. TBSV was used here as a model virus.

DCL-AssayDCL assay

  • - genomische (+)TBSV RNA und (-)TBSV RNA wurden durch in vitro Transkription hergestellt, (ds)TBSV RNA wurde durch annealing äquimolarer Mengen der (+)TBSV RNA und (-)TBSV RNA hergestellt- genomic (+) TBSV RNA and (-) TBSV RNA were prepared by in vitro transcription, (ds) TBSV RNA was prepared by annealing equimolar amounts of (+) TBSV RNA and (-) TBSV RNA
  • - BYL wurde mit (+)TBSV RNA oder (ds)TBSV RNA unter Translationsbedingungen 2 h inkubiert (50% BYL, ATP, GTP, Kreatin-P, Kreatin-Kinase, 25°C)- BYL was incubated with (+) TBSV RNA or (ds) TBSV RNA under translation conditions for 2 h (50% BYL, ATP, GTP, creatine-P, creatine kinase, 25 ° C)
  • - Die Gesamt-RNA wurde aus den Ansätzen isoliert (Proteinase-K-Umsetzung, Phenol-Chloroform-Extraktion, Ethanolfällung)Total RNA was isolated from the batches (proteinase K reaction, phenol-chloroform extraction, ethanol precipitation)
  • - Die Gesamt-RNA wurde durch eine RNA seq. Analyse (Illumina) charakterisiertTotal RNA was characterized by RNA seq analysis (Illumina)

Aus den TBSV RNAs wurde durch die DCL-Aktivität in den BYL siRNA pools produziert. Die durchgeführte RNA seq. Analyse zeigte die Anreicherung von siRNA Spezies an, die entsprechend der Substratpräferenz der im BYL enthaltenen DCL aus genomischer (+)TBSV RNA oder (ds)TBSV RNA generiert werden ( )From the TBSV RNAs was produced by DCL activity in the BYL siRNA pools. The performed RNA seq. Analysis indicated the enrichment of siRNA species generated from genomic (+) TBSV RNA or (ds) TBSV RNA according to the substrate preference of DCL contained in BYL ( )

AGO-IPAGO IP

  • - AGO1 mRNA (aus Nicotiana tabacum, Nt) bzw. AGO2 mRNA (aus Arabidopsis thaliana, At), jeweils mit Sequenz für N-terminalen FLAG-tag wurden in BYL 2 h translatiert. Die Translation wurde in Gegenwart von (+)TBSV RNA oder (ds)TBSV RNA durchgeführt, um eine Beladung der AGO/RISC im Moment ihrer Entstehung mit dem aus den TBSV RNAs durch die DCLs generierten siRNA pools zu ermöglichen.- AGO1 mRNA (from Nicotiana tabacum, Nt) or AGO2 mRNA (from Arabidopsis thaliana, At), each with sequence for N-terminal FLAG tag, were translated in BYL for 2 h. The translation was performed in the presence of (+) TBSV RNA or (ds) TBSV RNA to allow loading of the AGO / RISC at the moment of their formation with the siRNA pools generated from the TBSV RNAs by the DCLs.
  • - Die Reaktion wurde durch Zugabe von Anti-FLAG M2 Affinitätsgel (Anti-FLAG-Antikörper an Agarose gekoppelt) gestoppt und eine Immunopräzipitation über Nacht bei 4°C durchgeführtThe reaction was stopped by addition of anti-FLAG M2 affinity gel (anti-FLAG antibody coupled to agarose) and immunoprecipitated overnight at 4 ° C
  • - Nicht gebundene Proteine und RNAs wurden durch mehrere Waschschritte entferntUnbound proteins and RNAs were removed by several washes
  • - Die Gesamt-RNA wurde aus den Ansätzen isoliert (Proteinase-K-Umsetzung, Phenol-Chloroform-Extraktion, Ethanolfällung)Total RNA was isolated from the batches (proteinase K reaction, phenol-chloroform extraction, ethanol precipitation)
  • - Die Gesamt-RNA wurde durch eine RNA seq. Analyse (Illuma) charakterisiertTotal RNA was characterized by RNA seq analysis (Illuma)

Die AGO Proteine wurden durch in vitro Translation generiert; gleichzeitig prozessierten die BYL-eigenen DCLs die viralen RNA zu vsiRNAs. SiRNA-Duplexe mit hoher Affinität zu AGO-Proteinen wurden in AGO1/RISC oder AGO2/RISC eingebaut; ein Strang (guide strand) verblieb im RISC, der andere Strang (passenger strand) wurde entfernt. Durch Immunopräzipitation und anschließendes RNA seq. Analyse wurden die in AGO1 oder AGO2 RISC speziell angereicherten siRNA guide-strands identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass im Vergleich zum Verteilungsmuster der siRNAs (bezogen auf das TBSV Gesamtgenom) nach DCL-Assay ( ), in den AGO1/RISC und AGO2/RISC andere Verteilungsmuster erhalten werden ( ; ). Damit konnte eine spezifische Anreicherung von siRNAs in den AGO/RISC im Vergleich zum ursprünglichen siRNA pool erreicht werden. Die Anreicherung folgte dabei auch den durch Mi et al. (2008) publizierten Prioritäten - d.h. in AGO1/RISC wurden präferenziell siRNAs mit einem 5'-U, in AGO2 wurden präferenziell siRNAs mit einem 5'-A angereichert ( ).The AGO proteins were generated by in vitro translation; at the same time, BYL's own DCLs processed viral RNA into vsiRNAs. SiRNA duplexes with high affinity for AGO proteins were incorporated into AGO1 / RISC or AGO2 / RISC; one strand (guide strand) remained in the RISC, the other strand (passenger strand) was removed. By immunoprecipitation and subsequent RNA seq. Analysis, the siRNA guide-strands specially enriched in AGO1 or AGO2 RISC were identified. It could be shown that in comparison to the distribution pattern of the siRNAs (related to the total TBSV genome) after DCL assay ( ), different distribution patterns are obtained in AGO1 / RISC and AGO2 / RISC ( ; ). This allowed a specific accumulation of siRNAs in the AGO / RISC compared to the original siRNA pool. The enrichment was also followed by Mi et al. (2008), ie preference was given to siRNAs with a 5'-U in AGO1 / RISC, and preferential siRNAs to a 5'-A in AGO2 ( ).

Slicer-Assay mit siRNA poolSlicer assay with siRNA pool

  • - Das TBSV Genom oder ein zu testender Teilbereich des TBSV Genoms (s. ) wurde einzel-oder doppelsträngig (unmarkiert) durch in vitro Transkription hergestellt- The TBSV genome or a part of the TBSV genome to be tested (s. ) was produced single- or double-stranded (unlabelled) by in vitro transcription
  • - AtAGO2-mRNA wurde in BYL in Gegenwart der entsprechenden TBSV RNA translatiert (2 h Inkubation). Die dabei entstehenden AGO/RISC Komplexe wurden dabei im Moment der Entstehung mit den durch die DCL-Aktivität im gleichen Extrakt entstandenen siRNAs beladen/programmiertAtAGO2 mRNA was translated in BYL in the presence of the appropriate TBSV RNA (2 h incubation). The resulting AGO / RISC complexes were loaded / programmed at the moment of formation with the siRNAs produced by the DCL activity in the same extract
  • - Anschließend wurde die identische, diesmal aber markierte, einzelsträngige TBSV RNA als target für die entsprechend siRNA-beladenen RISC zugegeben und die Inkubation für 20 Minuten fortgesetztSubsequently, the identical, but this time marked, single-stranded TBSV RNA was added as a target for the corresponding siRNA-loaded RISC and the incubation continued for 20 minutes
  • - Die Gesamt-RNA wurde aus den Ansätzen isoliert (Proteinase-K-Umsetzung, Phenol-Chloroform-Extraktion, Ethanolfällung)Total RNA was isolated from the batches (proteinase K reaction, phenol-chloroform extraction, ethanol precipitation)
  • - Die Spaltprodukte der Slicing Reaktion wurden durch denaturierende Polyacrylamidgelelektrophorese (PAGE mit 8 M Harnstoff) und nachfolgende Autoradiographie (Phosphor-Imager) analysiert.The slicing products of the slicing reaction were analyzed by denaturing polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE with 8 M urea) and subsequent autoradiography (Phosphor Imager).

Aus dem gezeigten TBSV Fragment A (5'-terminalen 740 nt) wurden, trotz einer Vielzahl aus dem Fragment generierter siRNAs, im Slicer-Assay nur einige Hauptspaltprodukte generiert ( ). Dieses Ergebnis zeigte, dass nur eine Minorität der aus einer RNA grundsätzlich generierbaren siRNAs effizient im RNAi ist.From the shown TBSV fragment A (5'-terminal 740 nt), despite a large number of siRNAs generated from the fragment, only a few main cleavage products were generated in the slicer assay ( ). This result showed that only a minority of siRNAs, which are basically generated from an RNA, are efficient in RNAi.

Slicer-Assay mit ausgewählten siRNAs (1)Slicer assay with selected siRNAs (1)

Ausgewählte 21 nt siRNAs, deren guide strands in AGO-IPs im RNA Seq. sehr häufig detektiert wurden (siehe auch heat map in ), wurden durch einen kommerziellen Anbieter synthetisiert und in Slicer-Assays ausgetestet. Bekannt ist, dass während der viralen Replikation lediglich die eigentliche genomische RNA oder aber während der Replikation neu entstehende (+)RNA Moleküle durch AGO/RISC angreifbar sind (Schuck et al., 2013). Entsprechend wurden lediglich durch die durch die RNA seq. Analyse identifizierten siRNAs eingesetzt, deren Sequenz dem (-)Strang des TBSV entspricht, d.h. die komplementär zur (+)RNA von TBSV sind (mit „m“ für „minus“ bezeichnet). Als passenger strand wurde die entsprechende komplementäre Sequenz verwendet. Der Slicer-Assay wurde mit den einzelnen, synthetischen siRNAs und AtAGO1/RISC auf kompletter, markierter genomischer TBSV RNA durchgeführt ( ; Ablauf des Assays gezeigt, vergleiche auch mit ).Selected 21 nt siRNAs whose guide strands are in AGO-IPs in RNA Seq. were detected very frequently (see also heat map in ) were synthesized by a commercial supplier and tested in slicer assays. It is known that during viral replication only the actual genomic RNA or (+) RNA molecules which are newly formed during replication can be attacked by AGO / RISC (Schuck et al., 2013). Correspondingly, siRNAs identified by the RNA analysis were used whose sequence corresponds to the (-) strand of the TBSV, ie which are complementary to the (+) RNA of TBSV (denoted by "m" for "minus"). As a passenger strand, the corresponding complementary sequence was used. The slicer assay was carried out with the individual, synthetic siRNAs and AtAGO1 / RISC on complete, labeled genomic TBSV RNA ( ; Sequence of the assay shown, also compare with ).

Von einer Reihe von siRNAs, die zuvor über RNA seq. Analyse identifiziert werden konnten, stellten sich vier RNAs, 176m, 186m, 3243m und 3939m (letztere nicht in gezeigt) als effizient spaltende siRNAs heraus. Dieses Resultat zeigte die prinzipielle Anwendbarkeit der Methode zur Identifizierung von eRNAs. Es zeigte auch, dass wiederum nur eine Minorität von siRNA guide strands, die an AGO/RISC assoziiert ist, effektiv ist. Darüber hinaus wurde aber auch deutlich, dass die Identifizierung von siRNA guide strands, die in AGO/RISC akkumulieren, als alleinige Methode nicht ausreicht, um eRNAs zu identifizieren. Es bedarf entsprechend eines weiteren Schrittes, nämlich der Korrelation der in den RNA seq. Analysen erhaltenen Daten mit den Daten des Slicer-Assays, der mit dem siRNA pool durchgeführt wurde ( ).Of a series of siRNAs previously identified by RNA seq analysis, four RNAs, 176m, 186m, 3243m and 3939m (the latter not in shown) as efficiently cleaving siRNAs. This result showed the general applicability of the method for the identification of eRNAs. It also showed that again only one minority of siRNA guide strands associated with AGO / RISC is effective. In addition, it also became clear that the identification of siRNA guide strands that accumulate in AGO / RISC is not sufficient as the sole method to identify eRNAs. In accordance with a further step, namely the correlation of the data obtained in the RNA seq. Analyzes with the data of the slicer assay, which was carried out with the siRNA pool ( ).

Slicer-Assay mit ausgewählten siRNAs (2)Slicer assay with selected siRNAs (2)

Die RNA seq. Daten zeigten die Akkumulation von siRNAs, die jeweils aus (+)TBSV RNA und ds(TBSV) RNA generiert wurden in AGO2/RISC. Gleichzeitig wurde mit den oben beschriebenen Daten aber deutlich, dass hohe Akkumulationsraten von siRNA guide strands (angezeigt durch die heat map in ) in der RNA seq. nicht notwendigerweise eRNAs anzeigten (siehe oben). Entsprechend wurden die Akkumulationsraten der RNA seq. Analysen mit dem Ergebnis des Slicer-Assays mit dem RNA pool ( ) abgeglichen. Die Größe der Spaltprodukte der viralen RNA erlaubte Rückschlüsse auf die jeweiligen involvierten siRNAs. So wurde in der gezeigten Anwendung in und beispielsweise mehrere 200 nt lange, dominante Spaltprodukte ermittelt, die aus dem untersuchten TBSV Genombereich nach Umsetzung mit dem siRNA pool entstanden. Nach Korrelation mit den RNA seq. Daten wurde klar, dass tatsächlich eine hohe Akkumulation von siRNAs in AGO2/RISC erfolgt, für die vermutet werden konnte, dass sie die Spaltung der TBSV RNA zu 200 nt langen Spaltprodukten verursachen. Diese siRNAs (207m, 209m 221m, 228m) wurden synthetisch hergestellt und im Slicer-Assay mit AGO2/RISC und dem entsprechenden TBSV RNA Genombereich (markiert eingesetzt) getestet (Assay vergleichbar zu ). Um nochmals die Effizienz dieser siRNAs zu überprüfen, wurde der Slicer-Assay zudem unter veränderten Bedingungen durchgeführt. Hierbei wurde die Quantität der getesteten siRNAs deutlich reduziert und zudem ein 10-facher molarer Überschuss einer unspezifischen Kontroll-siRNA zugegeben. Zusätzlich wurde ein Mix verschiedener siRNAs eingesetzt.The RNA seq. Data showed the accumulation of siRNAs generated from (+) TBSV RNA and ds (TBSV) RNA, respectively, in AGO2 / RISC. At the same time, however, it became clear with the data described above that high accumulation rates of siRNA guide strands (indicated by the heat map in ) in RNA seq. did not necessarily indicate eRNAs (see above). Accordingly, the accumulation rates of the RNA seq. Analyzes were as a result of the slicer assay with the RNA pool ( ). The size of the cleavage products of the viral RNA allowed conclusions to be drawn about the respective siRNAs involved. So in the application shown in and For example, several 200 nt long, dominant cleavage products determined that originated from the investigated TBSV genome area after implementation with the siRNA pool. After correlation with the RNA seq. Data it became clear that in fact there was a high accumulation of siRNAs in AGO2 / RISC, which could be presumed to cause the cleavage of the TBSV RNA into 200 nt long cleavage products. These siRNAs (207m, 209m, 221m, 228m) were synthesized and assayed in the slicer assay with AGO2 / RISC and the corresponding TBSV RNA genome region (labeled) (assay comparable to ). To further test the efficiency of these siRNAs, the slicer assay was also performed under altered conditions. Here, the quantity of the siRNAs tested was significantly reduced and, in addition, a 10-fold molar excess of a non-specific control siRNA was added. In addition, a mix of different siRNAs was used.

Es konnte gezeigt werden, dass die Korrelation der RNA seq. Analyse mit dem in und gezeigten Slicer-Assay mit dem siRNA pool, die direkte Identifizierung von eRNAs ermöglicht: Praktisch alle so identifizierten eRNAs zeigten eine extrem hohe slicing Effizienz; über den Kompetitionsansatz wurde siRNA 209m als effizienteste anti-TBSV siRNA identifiziert. In enger Übereinstimmung mit den Daten aus Slicer-Assay (1) wurde nochmals deutlich, dass die Höhe der mit den RNA seq. Analysen bestimmbaren Akkumulationsraten von siRNAs in AGO/RISC keine Rückschlüsse auf die letztendliche Effizienz der jeweiligen siRNAs zulässt. In der ausgeführten Kombination sind beide Verfahren jedoch optimal aussagekräftig. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Identifizierung von eRNAs beruht somit auf der Korrelation von Daten, die zum einen aus der RNA seq. Analyse von AGO-IPs und zum anderen aus Slicer-Assays mit den jeweiligen AGO Proteinen gewonnen werden. Als Ausgangsmaterial wird in beiden Fällen jeweils ein pool DCL-generierter siRNAs einer target RNA eingesetzt.It could be shown that the correlation of the RNA seq. Analysis with the in and Slice assay with the siRNA pool, which allows direct identification of eRNAs: Virtually all identified eRNAs showed extremely high slicing efficiency; siRNA 209m was identified as the most efficient anti-TBSV siRNA by the competition approach. In close agreement with the data from the slicer assay (1), it became clear again that the level of accumulation rates of siRNAs in AGO / RISC, which can be determined by RNA seq. Analyzes, does not allow conclusions to be drawn regarding the ultimate efficiency of the respective siRNAs. In the executed combination, however, both methods are optimally meaningful. The method according to the invention for the identification of eRNAs is thus based on the correlation of data obtained on the one hand from RNA analysis of AGO-IPs and on the other hand from slicer assays with the respective AGO proteins. The starting material used in each case is a pool of DCL-generated siRNAs of a target RNA.

Anwendungsbeispiele für die Verwendung von eRNAs zur Generierung von Pflanzen, die gegen Infektionen durch das Tomato bushy stunt virus geschützt sind.

  1. 1) Generierung transgener eRNA-exprimierender Pflanzen, die gegen Infektionen durch das Tomato bushy stunt virus geschützt sind. Mit aktueller (state of the art) Technologie ( Prado et al., 2014 ; Cillo and Palukaitis, 2014 ; siehe auch Anwendung (2)) wurden transgene Solanum lycopersicum (Sl) Tomatenpflanzen generiert, die in persistenter Form identifizierte anti-TBSV eRNAs (209m, 221m, 3243m und 3939m) exprimieren. In Kontrollexperimenten wurde die Expression der siRNAs sichergestellt. So hergestellte Sl Pflanzen wurden über verschiedene Verfahren, wie TBSV-exprimierende Agrobakterien (siehe unten) oder rub-in inokuliertem TBSV belastet. Die Virusreplikation in den Pflanzen wurde durch RT-PCR Verfahren überprüft. Im Gegensatz zu Kontrollpflanzen, die nicht antiviral-wirkende siRNAs exprimierten, konnte bei den eRNA-behandelten Pflanzen eine vollständige und langfristig auch gegen mehrfach folgende Belastungen erhaltene Protektion gegen das Virus demonstriert werden. D.h. das Virus wurde 1-2 Wochen nach challenge aus den Pflanzen entfernt (Nachweis über RT-PCR nicht mehr möglich). Die Generierung transgener Pflanzen diente als Kontrolle (proof of concept), dass der hier erfindungsgemäß etablierte eRNA Ansatz funktionell ist.
  2. 2) Transienter Schutz von Pflanzen durch eRNAs gegen Infektionen durch das Tomato bushy stunt virus. Transiente Anwendungen erfolgten über verschiedene Verfahren.
Application examples for the use of eRNAs for the generation of plants which are protected against infections by the Tomato bushy stunt virus.
  1. 1) Generation of transgenic eRNA-expressing plants which are protected against infections by the Tomato bushy stunt virus. With current (state of the art) technology ( Prado et al., 2014 ; Cillo and Palukaitis, 2014 ; see also application (2)) transgenic Solanum lycopersicum (Sl) tomato plants were generated expressing in a persistent form identified anti-TBSV eRNAs (209m, 221m, 3243m and 3939m). In control experiments, the expression of the siRNAs was ensured. Sl plants prepared in this way were loaded by various methods, such as TBSV-expressing Agrobacteria (see below) or rub-in inoculated TBSV. The virus replication in the plants was checked by RT-PCR method. In contrast to control plants that did not express antiviral siRNAs, in the eRNA-treated plants a complete protection against the virus was obtained, which in the long term was also protected against multiple exposures. This means that the virus was removed from the plants 1-2 weeks after challenge (detection via RT-PCR is no longer possible). The generation of transgenic plants served as a control (proof of concept) that the here established according to the invention eRNA approach is functional.
  2. 2) Transient protection of plants by eRNAs against infections by the Tomato bushy stunt virus. Transient applications were made using different methods.

In Form von artificial microRNAs (amiR) Intermediaten.In the form of artificial microRNAs (amiR) intermediates.

Über Agrobakterien wurden eRNAs in Form von amiRs in Nicotiana benthamiana (Nb) Tabakpflanzen exprimiert. Dazu wurden die siRNA Sequenzen in die precursor-Struktur von At miR390a anstelle der miRNA-Sequenzen integriert (Vektor pMDC32B-AtMIR390a-B/c, Carbonell et al., 2014) ( ). Die Expression der siRNAs erfolgt durch den CaMV 2x 35S-Promotor und nos-Terminator. Die pMDC32B-asiRNA-Konstrukte sowie Kontroll-Konstrukte (enthielten unspezifische siRNAs) wurden jeweils in Agrobakterium tumefaciens (GV3101) transformiert. 4-6 Wochen alte Nb Pflanzen wurden mit den transformierten Agrobakterien infiltriert (je 2 Blätter pro Pflanze, ca. 1 ml Agrobakterien-Suspension). In Kontrollexperimenten (Northern blots) wurde die Expression der jeweiligen siRNAs in den betreffenden Pflanzen sichergestellt. Die Pflanzen wurden nach der Inokulation für ca. 48 h wachsen gelassen (14 h Licht bei 23°C, 10 h dunkel bei 21°C). Parallel dazu wurde ein Plasmid (pBGW-TBSV-Rib1: 35S-TBSV-cDNA-HDV-Ribozym), das das TBSV RNA Genom kodiert bzw. als Kontrolle ein mCherry (Reportergen)-kodierendes Plasmid (pBGW-mCherry) in Agrobakterien transformiert. Die TBSV-exprimierenden Agrobakterien wurden dann 1:1000 mit mCherry-exprimierenden Agrobakterien verdünnt und die Agrobakterien-Mischung in die vorbehandelten Blätter (mit amiRNA-Expression) inokuliert: 200 µl je Pflanze (4 Inokulationsstellen mit 50 µl, je 2 pro Blatt). Die Nb-Pflanzen wurden anschließend wieder unter gleichen Bedingungen wachsen gelassen (14 h Licht bei 23°C, 10 h dunkel bei 21°C) und bis zu 40 Tage nach der Inokulation auf Symptombildung hin untersucht ( ). In einer Reihe unabhängiger Infektionsexperimenten mit Nb-Pflanzen wurde eine hohe und statistisch hoch signifikante protektive Wirkung der zuvor über das erfinderische Verfahren identifizierten eRNAs gegen eine TBSV Infektion festgestellt ( ). So konnte festgestellt werden, dass bereits durch die Behandlung mit einzelnen eRNAs wie 209m eine Protektion von bis zu 90% der Pflanzen erreicht wurde. D.h. durch die entsprechende Behandlung mit der siRNA 209m wurde ein dauerhafter Schutz der Pflanzen (über die komplette Versuchszeit) gegen eine TBSV Infektion erzielt. 209m, wie auch andere eRNAs war dabei sowohl in AGO1-kompatibler- (mit 5'U), als auch in AGO2-kompatibler Form (mit 5'A) protektiv. Bei den übrigen, nicht protegierten Pflanzen war die Infektion deutlich verzögert, d.h. erste Symptome der Virusinfektion waren erst nach durchschnittlich ca. 20 Tagen zu beobachten, während dies bereits nach ca. 9 Tagen bei den Kontrollpflanzen der Fall war ( ). Durch Herstellung und Anwendung eines Mixes verschiedener eRNAs (bestehend aus siRNAs 179m, 186m, 207m, 209m, 221m, 228m und 238m) konnte die Protektion gegenüber einer einzelnen eRNA nicht erhöht werden - dies hing wahrscheinlich mit einer geringeren Verfügbarkeit der einzelnen eRNAs in dem verwendeten Mix zusammen - allerdings konnte die Protektion bei den am Ende nicht geschützten Pflanzen auf durchschnittlich ca. 25 Tage verlängert werden. Zudem ist bei Einsatz eines siRNA-Mixes die Wahrscheinlichkeit des Auftretens resistenter Virusvarianten deutlich vermindert. Als weitere wichtiges Ergebnis wurde gezeigt, dass die Protektivität einzelner eRNAs exakt mit deren Effizienz im in vitro Slicer-Assay korrelierte. So zeigten beispielsweise die beiden siRNAs 3701m und 3722m keine Slicer Aktivität mit AGO2 bzw. AGO1 ( ), und sie hatten auch keine protektive Wirkung. Die siRNAs 179m, 3243m und 3939m zeigten dagegen eine Slicer Aktivität, die aber im Vergleich zu 209m schwächer war; entsprechend hatten diese eRNAs eine protektive Wirkung, die jedoch schlechter ausgeprägt war als jene von 209m ( ).Agrobacteria expressed eRNAs in the form of amiRs in Nicotiana benthamiana (Nb) tobacco plants. For this, the siRNA sequences were integrated into the precursor structure of At miR390a instead of the miRNA sequences (vector pMDC32B-AtMIR390a-B / c, Carbonell et al., 2014) ( ). The siRNAs are expressed by the CaMV 2x 35S promoter and nos terminator. The pMDC32B asiRNA constructs as well as control constructs (containing nonspecific siRNAs) were each transformed into Agrobacterium tumefaciens (GV3101). 4-6 week old Nb plants were infiltrated with the transformed agrobacteria (2 leaves per plant, ca. 1 ml agrobacteria suspension). In control experiments (Northern blots) the expression of the respective siRNAs in the respective plants was ensured. The plants were allowed to grow for 48 h after inoculation (14 h light at 23 ° C, 10 h dark at 21 ° C). In parallel, a plasmid (pBGW-TBSV-Rib1: 35S-TBSV cDNA-HDV-ribozyme) encoding the TBSV RNA genome was transformed into Agrobacteria as a control mCherry (reporter gene) -coding plasmid (pBGW-mCherry). The TBSV-expressing Agrobacteria were then diluted 1: 1000 with mCherry-expressing Agrobacteria and the Agrobacterium mixture inoculated into the pretreated leaves (with amiRNA expression): 200 μl per plant (4 inoculation sites with 50 μl, 2 per leaf). The Nb plants were then grown again under the same conditions (14 h light at 23 ° C, 10 h dark at 21 ° C) and examined for symptom formation up to 40 days after inoculation ( ). In a series of independent infection experiments with Nb plants, a high and statistically highly significant protective effect of the previously identified by the inventive method eRNAs against TBSV infection was found ( ). Thus, it was found that even with the treatment with individual eRNAs such as 209m protection of up to 90% of the plants was achieved. In other words, the appropriate treatment with the siRNA 209m provided lasting protection of the plants (over the entire experimental period) against TBSV infection. Like other eRNAs, 209m was protective in both AGO1-compatible (5'U) and AGO2-compatible (5'A) forms. In the other unprotected plants, the infection was significantly delayed, ie the first symptoms of the viral infection were observed only after an average of about 20 days, while this was already after about 9 days in the Control plants was the case ( ). By producing and using a mix of different eRNAs (consisting of siRNAs 179m, 186m, 207m, 209m, 221m, 228m, and 238m), protection against a single eRNA could not be increased - this was probably related to a lower availability of the individual eRNAs Mix together - however, the protection of the unprotected plants could be extended to an average of about 25 days. In addition, when using a siRNA mix, the probability of the emergence of resistant virus variants is significantly reduced. As another important finding, it was shown that the individual eRNAs' activity correlated exactly with their efficiency in the in vitro slicer assay. For example, the two siRNAs 3701m and 3722m showed no slicer activity with AGO2 or AGO1 ( ), and they also had no protective effect. The siRNAs 179m, 3243m and 3939m, on the other hand, showed slicer activity, which was weaker compared to 209m; accordingly, these eRNAs had a protective effect, but was less pronounced than that of 209m ( ).

(ii) In Form eRNA-kodierender ds RNAs.(ii) In the form of eRNA-encoding ds RNAs.

Es wurden Plasmidkonstrukte hergestellt, die einen Promoter (z.B. den T7 Promoter) vor einer integrierten eRNA-kodierenden cDNA enthielten. Die cDNA bestand dabei aus zwei Sequenzabfolgen mehrerer eRNAs sowie einem spacer (z.B. dem DNA template des Introns der Pyruvat orthophosphatdikinase mRNA). Die cDNAs waren dabei so aufgebaut, dass die Sequenzabfolge mehrerer (i.d.R. >5) eRNAs unmittelbar nach dem T7 Promoter begann. Auf die Sequenz einer eRNA folgte unmittelbar die Sequenz der nächsten eRNA usw. Am Ende der zweiten Sequenzabfolge kodierte die cDNA für einen Transkriptionsterminator, z.B. den T7 Terminator. Die Transkription der cDNA, z.B. über die T7 RNA Polymerase, erzeugte dementsprechend eine ds hairpin RNA, die aus einem ds Bereich bestand, der ausschließlich die ausgewählten eRNAs kodierte. Der ds Bereich wurde unterbrochen durch einen weitgehend dsRNA-freien loop. Die eRNA- kodierenden Bereiche wurden dabei so organisiert, dass sie entweder für 21 nt siRNAs oder aber 22 nt siRNAs kodierten. Andere Plasmidvarianten enthielten eRNA kodierende Bereiche, die ausschließlich eRNAs mit einem 5'U oder 5'A kodierten. Auf diese Weise wurden ds RNA hairpins erzeugt, die, nach Aufnahme durch die Pflanze, entweder vorwiegend von DCL4 (erzeugt 21 nt siRNAs) oder DCL2 (erzeugt 22 nt siRNAs) prozessiert werden. Alternativ wurden eRNA-kodierende ds RNAs generiert, in deren Fällen, nach Aufnahme durch die Pflanze und Prozessierung durch DCLs, die resultierenden siRNA guide strands bevorzugt in AGO1/RISC bzw. AGO2/RISC integriert wurden.Plasmid constructs containing a promoter (e.g., the T7 promoter) in front of an integrated eRNA-encoding cDNA were prepared. The cDNA consisted of two sequence sequences of several eRNAs and a spacer (for example the DNA template of the intron of pyruvate orthophosphate dikinase mRNA). The cDNAs were constructed in such a way that the sequence sequence of several (i.d.R.> 5) eRNAs began immediately after the T7 promoter. The sequence of an eRNA was immediately followed by the sequence of the next eRNA, etc. At the end of the second sequence of sequences, the cDNA encoded a transcription terminator, e.g. the T7 terminator. Transcription of the cDNA, e.g. via the T7 RNA polymerase, accordingly generated a ds hairpin RNA consisting of a region encoding only the selected eRNAs. The ds region was interrupted by a largely dsRNA-free loop. The eRNA coding regions were organized to encode either 21 nt siRNAs or 22 nt siRNAs. Other plasmid variants contained eRNA coding regions that encoded only eRNAs with a 5'U or 5'A. In this way ds RNA hairpins were generated which, after uptake by the plant, are either predominantly processed by DCL4 (producing 21 nt siRNAs) or DCL2 (producing 22 nt siRNAs). Alternatively, eRNA-encoding ds RNAs were generated, in which case, after uptake by the plant and processing by DCLs, the resulting siRNA guide strands were preferably integrated into AGO1 / RISC or AGO2 / RISC.

Die jeweiligen ds RNA hairpins wurden zunächst über in vitro Transkription hergestellt und die korrekte Prozessierung in die jeweiligen eRNAs bzw. deren Einbau in die jeweiligen AGO/RISC im BYL in vitro System (siehe oben) überprüft. Mit dsRNAs, die in der genannten Weise aus den siRNA-Sequenzen von 179m, 209m, 221m, 3243m und 3939m zusammengesetzt waren (eine Variante mit 5'U bei allen siRNAs, eine Variante mit 5'A), konnte so gezeigt werden, dass das oben ausgeführte Konstruktionsschema der oben ausgeführten Transkriptionsplasmide für die jeweiligen dsRNA hairpins in der Tat zur Generierung der gewünschten eRNAs führte. Somit konnte auch generell demonstriert werden, dass es möglich ist eRNA-spezifische ds RNAs herzustellen. Die jeweiligen eRNA-kodierenden hairpin ds RNAs wurden anschließend in E. coli Stamm HT115 hergestellt. Dieser Stamm ist RNase III-defizient und exprimiert die T7 RNA Polymerase. Die Expression der RNA konnte über Induktion durch IPTG (Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside) induziert und die RNA über lonenaustauschchromatographie aus den Bakterienzellen gereinigt werden ( Nwokeoji et al., 2017 ). Mit der gereinigten RNA, die in entweder in Nanopartikel verpackt wurde, oder, alternativ, mit dem komplettem ds RNA-haltigen E. coli-Extrakt, wurden nach publizierten Protokollen ( Tenllado et al, 2003; Mitter et al., 2017 ) die Blätter von Nb-Pflanzen behandelt und die Pflanzen entsprechend den oben beschriebenen Mustern anschließend mit TBSV belastet. Mit beiden Behandlungsmethoden, basierend auf eRNA-kodierenden hairpin ds RNAs wurde ein ähnlich effizienter Schutz der Pflanzen gegen TBSV erreicht, wie dies mit Agrobakterien-exprimierten eRNAs möglich war. Als außerordentlich effektiv erwies sich dabei

  • (a) die flexible Kombinierbarkeit mehrerer eRNAs,
  • b) die flexible Kombinierbarkeit von 21 und 22 nt eRNAs,
  • c) die flexible Kombinierbarkeit AGO1 und AGO2 inkorporierender eRNAs. Mit diesen Experimenten wurde der proof of concept erbracht, dass ein sehr kostengünstiger und nichttransgener Einsatz von eRNAs möglich ist.
The respective ds RNA hairpins were first prepared by in vitro transcription and the correct processing into the respective eRNAs or their incorporation into the respective AGO / RISC in the BYL in vitro system (see above) was checked. With dsRNAs composed of the siRNA sequences of 179m, 209m, 221m, 3243m and 3939m (one variant with 5'U in all siRNAs, one variant with 5'A), it could be shown that the construction scheme outlined above of the transcriptional plasmids outlined above for the particular dsRNA hairpins did indeed result in the generation of the desired eRNAs. Thus, it was also generally demonstrated that it is possible to produce eRNA-specific ds RNAs. The respective eRNA-encoding hairpin ds RNAs were subsequently produced in E. coli strain HT115. This strain is RNase III deficient and expresses the T7 RNA polymerase. The expression of the RNA could be induced by induction of IPTG (isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside) and the RNA purified by ion exchange chromatography from the bacterial cells ( Nwokeoji et al., 2017 ). Purified RNA packaged in either nanoparticles or, alternatively, with the complete ds RNA-containing E. coli extract were analyzed according to published protocols ( Tenllado et al, 2003; Mitter et al., 2017 ) treated the leaves of Nb plants and then the plants according to the patterns described above then loaded with TBSV. Both treatment methods, based on eRNA-encoding hairpin ds RNAs, provided similarly effective protection of plants against TBSV as was possible with Agrobacterium-expressed eRNAs. It proved extremely effective
  • (a) the flexible combinability of multiple eRNAs,
  • b) the flexible combinability of 21 and 22 nt eRNAs,
  • c) the flexible combinability of AGO1 and AGO2 incorporating eRNAs. With these experiments, the proof of concept was demonstrated that a very cost-effective and non-transgenic use of eRNAs is possible.

(iii) In Form aufgereinigter eRNAs.(iii) in the form of purified eRNAs.

Mit einem völlig neu entwickelten Verfahren konnten eRNAs in Hefe hergestellt und gereinigt werden. In Hefe des Typs Kluyveromyces lactis können Fremdproteine ( Arnold et al., 2012 ) aber auch ds RNAs hergestellt werden. Letzteres ist möglich weil K. lactis RNAi defizient ist, d.h. weder DCLs, noch AGO oder RDR Proteine selbst exprimiert (Drinnenberg et al., 2009). Über ein zuvor entwickeltes Verfahren ( Krijger et al., 2012 ) wurden K. lactis Stämme hergestellt, die entweder DCL4 (aus At) den DCL4 Ko-faktor DRB4 (aus At) oder, alternativ, DCL2 (aus At) exprimieren. Zusätzlich exprimierten diese Hefestämme die oben beschriebenen ds RNA hairpins. Die dabei verwendeten Plasmide ähnelten den oben beschriebenen T7-Transkriptionsplasmiden, außer dass der T7-Promoter durch den K. lactis PLAC4 promoter und der Terminator durch den K. lactis TT Terminator ersetzt wurden. Der PLAC4 Promoter erlaubt eine induzierte Expression über die Zugabe von Lactose in das Hefe-Wachstumsmedium. Die Funktionsweise der generierten Stämme wurde durch Nachweis der Expression von DCL4, DRB4 bzw. DCL2 in der Hefe geführt, der Nachweis der korrekten Prozessierung der eRNA-kodierender ds RNAs in die gewünschten siRNAs erfolgte wiederum mit den BYL. In der Hefe wurden die jeweiligen exprimierten eRNA-kodierenden ds RNAs durch die vorliegenden DCLs in die eRNAs prozessiert, und die eRNAs wurden aus den Hefezellen mit chromatographischen Verfahren gereinigt. In gereinigter Form eingesetzt oder wiederum verpackt mit Nanopartikeln wurden Protektionsexperimente mit Nb Pflanzen und TBSV Belastung durchgeführt, und es konnte wiederum ein nachhaltiger Schutz der Pflanzen gegen das Virus nachgewiesen werden. Mit diesen Experimenten konnte entsprechend der proof of concept erbracht werden, dass auch mit gereinigten eRNAs der wirksame Einsatz von RNAi in nicht-transgenen Anwendungen möglich ist.Using a completely new process, eRNAs could be produced and purified in yeast. In yeast of the type Kluyveromyces lactis foreign proteins ( Arnold et al., 2012 ) but also the RNAs are produced. The latter is possible because K. lactis RNAi is deficient, ie, neither DCLs nor AGO or RDR proteins express themselves (Drinnenberg et al., 2009). About a previously developed process ( Krijger et al., 2012 ), K. lactis strains were prepared which express either DCL4 (from At) the DCL4 co-factor DRB4 (from At) or, alternatively, DCL2 (from At). Additionally expressed these yeast strains are the ds RNA hairpins described above. The plasmids used were similar to the T7 transcription plasmids described above, except that the T7 promoter was replaced by the K. lactis P LAC4 promoter and the terminator by the K. lactis TT terminator. The P LAC4 promoter allows induced expression via the addition of lactose into the yeast growth medium. The functioning of the generated strains was performed by detecting the expression of DCL4, DRB4 or DCL2 in the yeast, the proof of the correct processing of eRNA-encoding ds RNAs in the desired siRNAs was again with the BYL. In yeast, the respective expressed eRNA-encoding ds RNAs were processed by the present DCLs into the eRNAs, and the eRNAs were purified from the yeast cells by chromatographic methods. Protective experiments with Nb plants and TBSV loading were carried out in purified form or re-packed with nanoparticles, and again a sustainable protection of the plants against the virus could be demonstrated. According to the proof of concept, these experiments enabled the efficient use of RNAi in non-transgenic applications, even with purified eRNAs.

Figurenlistelist of figures

  • Antivirales RNA silencing Doppelsträngige (ds) virale RNA wird im Zytoplasma der infizierten Zelle durch Dicer-like proteins (DCL) detektiert und zu small interfering RNAs (siRNAs) prozessiert. Diese siRNAs werden in RNA-induced silencing complexes (RISC) eingebaut. Dabei wird der siRNA-Duplex aufgewunden und ein Strang (guide strand) vom Argonaut (AGO)-Protein, der Hauptkomponente des RISC, gebunden. Der andere Strang des Duplex (passenger strand) wird entfernt und abgebaut. Virale RNAs, die komplementäre Sequenzen zur siRNA aufweisen, werden vom beladenen RISC erkannt und durch AGO-katalysierte endonukleolytische Spaltung zerstört. Von den 10 verschiedenen AGO-Proteinen, die in Arabidopsis thaliana identifiziert wurden, haben insbesondere AGO1 und AGO2 eine antiviralen Aktivität. Die antivirale Immunantwort kann durch pflanzliche RNA-abhängige RNA Polymerasen (RDR) deutlich verstärkt werden. Diese Enzyme können die Abbauprodukte der viralen RNA als Matrize nutzen, um neue ds RNAs herzustellen. Diese werden erneut durch DCLs detektiert und zu sekundären siRNAs prozessiert. Antiviral RNA silencing Double-stranded (ds) viral RNA is detected in the cytoplasm of the infected cell by Dicer-like proteins (DCL) and processed into small interfering RNAs (siRNAs). These siRNAs are incorporated into RNA-induced silencing complexes (RISC). The siRNA duplex is wound up and a strand (guide strand) bound by the Argonaut (AGO) protein, the main component of the RISC. The other strand of the duplex (passenger strand) is removed and dismantled. Viral RNAs that have complementary sequences to the siRNA are recognized by the loaded RISC and destroyed by AGO-catalyzed endonucleolytic cleavage. Of the 10 different AGO proteins identified in Arabidopsis thaliana, AGO1 and AGO2 in particular have antiviral activity. The antiviral immune response can be significantly enhanced by plant RNA-dependent RNA polymerases (RDR). These enzymes can use the degradation products of viral RNA as a template to produce new ds RNAs. These are again detected by DCLs and processed into secondary siRNAs.
  • Generierung von TBSV-siRNAs durch DCL-Aktivitäten in BYL Genomische (+)TBSV-RNA oder (ds)TBSV-RNA wurde in BYL inkubiert und durch die BYL-eigenen DCLs zu siRNAs prozessiert. Aus diesen Ansätzen wurde Gesamt-RNA isoliert und mittels RNA-Seq-Analyse (Illumina) charakterisiert. Gezeigt ist hier die relative Häufigkeit sequenzierter 21 nt vsiRNA-Spezies, deren Sequenz entweder der (+)TBSV-RNA entsprach (grün), oder mit der (-)TBSV-RNA identisch war (rot). Die im Diagramm dargestellten Signale entsprechen der Position des 5'-Nukleotids einer siRNA auf dem (+)TBSV-Genom, besonders häufig auftretende siRNAs wurden nummeriert. Generation of TBSV siRNAs by DCL Activities in BYL Genomic (+) TBSV RNA or (ds) TBSV RNA was incubated in BYL and processed into siRNAs by BYL's own DCLs. From these approaches, total RNA was isolated and characterized by RNA Seq analysis (Illumina). Shown here is the relative abundance of sequenced 21 nt vsiRNA species whose sequence either corresponded to the (+) TBSV RNA (green), or was identical to the (-) TBSV RNA (red). The signals shown in the diagram correspond to the position of the 5 'nucleotide of an siRNA on the (+) TBSV genome, and particularly common siRNAs were numbered.
  • Anreicherung AGO-assoziierter siRNAs Genomische (+)TBSV-RNA in BYL zu siRNAs prozessiert. Im gleichen Ansatz wurde parallel dazu entweder AGO1- oder AGO2-Protein mit N-terminalem FLAG-tag durch in vitro-Translation entsprechender mRNAs generiert. Anschließend wurden die mit TBSV-siRNAs beladenen AGO/RISC durch eine Immunopräzipitation mit Hilfe eines Anti-FLAG-Antikörpers isoliert. Die siRNAs wurden aus den Komplexen gereinigt und mittels RNA-Seq-Analyse (Illumina) charakterisiert. Dargestellt ist hier die relative Häufigkeit sequenzierter 21 nt vsiRNA-Spezies (siehe ). Enrichment of AGO-associated siRNAs Genomic (+) TBSV RNA in BYL processed into siRNAs. In the same approach, either AGO1 or AGO2 protein with N-terminal FLAG tag was generated by in vitro translation of corresponding mRNAs. Subsequently, the AGO / RISC loaded with TBSV siRNAs were isolated by immunoprecipitation with the aid of an anti-FLAG antibody. The siRNAs were purified from the complexes and characterized by RNA-Seq analysis (Illumina). Shown here is the relative abundance of sequenced 21 nt vsiRNA species (see ).
  • Anreicherung AGO-assoziierter siRNAs (ds)TBSV-RNA wurde in BYL zu siRNAs prozessiert. Im gleichen Ansatz wurde parallel dazu entweder AGO1- oder AGO2-Protein mit N-terminalem FLAG-tog durch in vitro-Translation entsprechender mRNAs generiert. Anschließend wurden die mit TBSV-siRNAs beladenen AGO/RISC durch eine Immunopräzipitation mit Hilfe eines Anti-FLAG-Antikörpers isoliert. Die siRNAs wurden aus den Komplexen gereinigt und mittels RNA-Seq-Analyse (Illumina) charakterisiert. Dargestellt ist hier die relative Häufigkeit sequenzierter 21 nt vsiRNA-Spezies (siehe ). Enrichment of AGO-associated siRNAs (ds) TBSV RNA was processed into siRNAs in BYL. In the same approach, either AGO1 or AGO2 protein with N-terminal FLAG-tog was generated by in vitro translation of corresponding mRNAs. Subsequently, the AGO / RISC loaded with TBSV siRNAs were isolated by immunoprecipitation with the aid of an anti-FLAG antibody. The siRNAs were purified from the complexes and characterized by RNA-Seq analysis (Illumina). Shown here is the relative abundance of sequenced 21 nt vsiRNA species (see ).
  • Eigenschaften der durch BYL-DCLs generierten und AGO-assoziierten vsiRNAs Dargestellt ist die relative Häufigkeit der vier Nukleotide A, C, G und U im TBSV-Genom sowie an der 5'-Position der siRNAs, die durch BYL-eigene DCLs generiert bzw. anschließend durch AGP-IP isoliert wurden. In den AGO1-IPs wurden siRNAs angereichert, die ein 5'-U aufweisen, in AGO2-IPs dagegen siRNAs mit einem 5'-A. Properties of the BYL-DCL Generated and AGO-Associated VSiRNAs Shown is the relative abundance of the four nucleotides A, C, G and U in the TBSV genome and at the 5 'position of the siRNAs generated by BYL's own DCLs. subsequently isolated by AGP-IP. In the AGO1-IP siRNAs were enriched, which have a 5'-U, in AGO2-IPs, however siRNAs with a 5'-A.
  • Slicer-Assay mit siRNA pool Ein Bereich des (+)TBSV-Genoms (Fragment A) wurde zu BYL gegeben und durch die BYL-eigenen DCLs zu siRNAs prozessiert. Im gleichen Ansatz wurde parallel dazu durch in vitro-Translation AGO2-Protein generiert und mit den gebildeten TBSV-siRNAs beladen. Anschließend wurde das gleiche TBSV-Fragment, diesmal radioaktiv markiert, als Target für die so programmierten RISC zugegeben und inkubiert. Um die Spaltung der Target-RNA nachzuweisen, wurde Gesamt-RNA aus den Ansätzen isoliert und mittels denaturierender PAGE und Autoradiographie analysiert. Die Hauptspaltprodukte sind in der Abbildung mit einem Stern gekennzeichnet. Slice assay with siRNA pool A region of the (+) TBSV genome (fragment A) was added to BYL and processed into siRNAs by BYL's own DCLs. In the same approach, AGO2 protein was generated in parallel by in vitro translation and loaded with the TBSV siRNAs formed. Subsequently, the same TBSV fragment, this time radioactively labeled, was added and incubated as a target for the thus programmed RISC. To the To detect cleavage of the target RNA, total RNA was isolated from the batches and analyzed by denaturing PAGE and autoradiography. The main split products are marked with an asterisk in the illustration.
  • Slicer-Assay mit ausgewählten TBSV-siRNAs (1) Ausgewählte 21 nt siRNAs, deren guide strands in AGO-IPs angereichert waren, wurden im Slicer-Assay mit genomischer (+)TBSV-RNA getestet. Dazu wurde AGO1-Protein in BYL mittels in vitro-Translation generiert. Die Translationsreaktion wurde in Gegenwart der zu testenden, synthetischen siRNA-Oligonukleotide durchgeführt, sodass es zum Einbau der gewünschten siRNAs in den AGO/RISC kam. Danach wurde radioaktiv markierte (+)TBSV-RNA als Target zugegeben und inkubiert. Aus diesen Ansätzen wurde Gesamt-RNA isoliert und mittels denaturierender PAGE und Autoradiographie auf Spaltprodukte analysiert. Dabei erwiesen sich einige siRNAs als aktiv (z.B. siRNA179m, siRNA186m), in anderen Fällen (z.B. siRNA3722m, siRNA3722) konnten keine Spaltfragmente detektiert werden Slicer assay with selected TBSV siRNAs (1) Selected 21 nt siRNAs whose guide strands were enriched in AGO-IPs were tested in the slicer assay with genomic (+) TBSV RNA. To do this, AGO1 protein was generated in BYL by in vitro translation. The translation reaction was carried out in the presence of the synthetic siRNA oligonucleotides to be tested so that incorporation of the desired siRNAs into the AGO / RISC occurred. Thereafter, radiolabeled (+) TBSV RNA was added as a target and incubated. From these approaches, total RNA was isolated and analyzed for cleavage products by denaturing PAGE and autoradiography. Some siRNAs proved to be active (eg siRNA179m, siRNA186m), in other cases (eg siRNA3722m, siRNA3722) no cleavage fragments could be detected
  • Slicer-Assay mit ausgewählten TBSV-siRNAs (2) Durch Abgleich der Spaltprodukte aus dem Slicer-assay mit siRNA pool ( ) mit den RNA-Seq-Daten wurde die Anzahl der siRNA-Kandidaten, die für beobachteten Spaltfragmente verantwortlich sein könnten, deutlich eingeschränkt. Die oben dargestellte heat map zeigt die relative Häufigkeit von (-)vsiRNAs, die aus dem relavanten Bereich des TBSV-Genoms (einzel- oder doppelsträngig) generiert wurden und deren Anreicherung in der AGO-IP. Die Häufigkeit einer siRNA ist durch die farbige Darstellung der Position ihres 5'-Nukleotids von schwarz (keine siRNA bzw. geringe Anzahl) über grün (mittlere Anzahl) zu rot (hohe Anzahl) angegeben. Die siRNAs 207m, 209m, 221m und 228m wurden für weitere Analysen ausgewählt, da sie in der AGO2-IP mit (+)TBSV-RNA und/oder (ds)TBSV-RNA detektiert wurden (grüne Pfeile unter der heat map) und ihre Position zur geschätzten Größe der Spaltfragmenten passt. Diese siRNAs wurden als synthetische Oligonukleotide in einen Slicer-Assay mit TBSV-Fragment A eingesetzt (s. ), parallel dazu wurde der Slicer-Assay mit den aus (+)TBSV-Fragment A bzw. (ds)TBSV-Fragment A erzeugten siRNA pools durchgeführt (s. ). Dabei zeigte sich, dass alle getesteten siRNAs aktiv waren und dass die durch siRNA209m und siRNA221m erzeugten Spaltfragmente jeweils einem durch den siRNA pool verursachten Spaltfragment entsprachen (linkes Gelbild). Um zu ermitteln, welche der bisher aus TBSV-Fragment A identifizierten siRNAs am effizientesten agiert, wurde der Slicer-Assay unter veränderten Bedingungen wiederholt. Die Menge an siRNA-Oligonukleotiden wurde auf 10% reduziert und 10-facher Überschuss unspezifische Kompetitor-siRNA zugegeben. Außerdem kam ein Mix der verschiedenen siRNAs zum Einsatz (rechtes Gelbild). Mit diesem Experiment konnte siRNA209m als effizienteste der getesteten siRNAs identifiziert werden. Slicer assay with selected TBSV siRNAs (2) By comparison of the cleavage products from the slicer assay with siRNA pool ( ) with the RNA Seq data, the number of siRNA candidates that might be responsible for observed fission fragments was significantly limited. The heat map presented above shows the relative abundance of (-) vsiRNAs generated from the relative region of the TBSV genome (single- or double-stranded) and their accumulation in the AGO-IP. The frequency of an siRNA is indicated by the colored representation of the position of its 5 'nucleotide from black (no siRNA or small number) via green (medium number) to red (high number). The siRNAs 207m, 209m, 221m and 228m were selected for further analysis as they were detected in the AGO2-IP with (+) TBSV RNA and / or (ds) TBSV RNA (green arrows under the heat map) and their Position matches the estimated size of the fission fragments. These siRNAs were used as synthetic oligonucleotides in a slicer assay with TBSV fragment A (see FIG. In parallel, the slicer assay was carried out with siRNA pools generated from (+) TBSV fragment A or (ds) TBSV fragment A (see FIG. ). It was found that all siRNAs tested were active and that the fission fragments generated by siRNA209m and siRNA221m each corresponded to a fission fragment caused by the siRNA pool (left gel pattern). In order to determine which of the siRNAs identified so far from TBSV fragment A acts most efficiently, the slicer assay was repeated under altered conditions. The amount of siRNA oligonucleotides was reduced to 10% and 10-fold excess of non-specific competitor siRNA was added. In addition, a mix of different siRNAs was used (right gel picture). With this experiment, siRNA209m was identified as the most efficient of the siRNAs tested.
  • System zur Expression von siRNAs als artificial microRNAs Die Expression von TBSV-siRNAs in Nicotiana benthamiana erfolgte in Form von artificial microRNAs (amiRNA) mit Hilfe eines von Carbonell et al. (2014) entwickelten Systems (Plasmid pMDC32B-AtMIR390a-B/c). Dabei werden die zu exprimierenden siRNA-Sequenzen so in die precursor-Struktur der Arabidopsis thaliana microRNA390a integriert, dass exakt die Sequenzen des miRNA guide strands (blau hervorgehoben) und des passenger strands (miRNA*, grün hervorgehoben) ersetzt werden. Die Expression erfolgt unter Kontrolle eines CaMV 2x35S-Promotors und eines nos-Terminators. Nach Transkription in der Pflanzenzelle wird die siRNA durch Dicer-like 1 (DCL1) aus dem primären Transkript ausgeschnitten und in AGO/RISC eingebaut. System for expression of siRNAs as artificial microRNAs The expression of TBSV siRNAs in Nicotiana benthamiana was carried out in the form of artificial microRNAs (amiRNA) using a method developed by Carbonell et al. (2014) developed system (plasmid pMDC32B-AtMIR390a-B / c). In the process, the siRNA sequences to be expressed are integrated into the precursor structure of the Arabidopsis thaliana microRNA390a in such a way that exactly the sequences of the miRNA guide strand (highlighted in blue) and the passenger strands (miRNA *, highlighted in green) are replaced. Expression is under the control of a CaMV 2x35S promoter and a nos terminator. After transcription in the plant cell, the siRNA is cut out of the primary transcript by Dicer-like 1 (DCL1) and incorporated into AGO / RISC.
  • TBSV-Infektionsexperiment mit siRNA-exprimierenden N. benthamiana-Pflanzen Je zwei Blätter von 4-6 Wochen alten N. benthamiana-Pflanzen wurden mit Agrobakterium tumefaciens-Kulturen infiltriert, welche siRNA-codierende Plasmide (s. ) enthielten. In dem hier gezeigten Beispiel erhielten die Kontrollpflanzen einen Mix aus Agrobakterien, die zwei verschiedene Kontroll-siRNAs (nicht TBSV-spezifisch) exprimierten, während die Testpflanzen einen Mix aus Agrobakterien erhielten, welche die TBSV-siRNAs 179m, 186m, 207m, 209m, 221m, 228m und 238m exprimierten. Zwei Tage später wurden die gleichen Blätter mit Agrobakterien infiltriert, die die genomische TBSV-RNA unter Kontrolle eines 35S-Promotors exprimierten. Durch Fusion mit einer HDV-Ribozym-Sequenz (rib) wurde sichergestellt, dass nach Transkription eine infektiöse genomische TBSV-RNA mit korrektem 3'-Ende entsteht. Diese zweite Infiltration erfolgte innerhalb des Bereiches der ersten Infiltration. Anschließend wurden die Pflanzen mindestens 5 Wochen lang beobachtet um die Ausbildung der typischen Symptome einer TBSV-Infektion zu dokumentieren. TBSV infection experiment with siRNA-expressing N. benthamiana plants. Two leaves of 4-6 week old N. benthamiana plants were infiltrated with Agrobacterium tumefaciens cultures containing siRNA-encoding plasmids (see p. ) contained. In the example shown here, the control plants were given a mix of agrobacteria expressing two different control siRNAs (not TBSV specific) while the test plants received a mix of agrobacteria containing the TBSV siRNAs 179m, 186m, 207m, 209m, 221m , 228m and 238m. Two days later, the same leaves were infiltrated with Agrobacteria expressing the genomic TBSV RNA under control of a 35S promoter. By fusion with an HDV ribozyme sequence (rib), it was ensured that after transcription an infectious genomic TBSV RNA with the correct 3 'end is formed. This second infiltration occurred within the area of the first infiltration. Subsequently, the plants were observed for at least 5 weeks to document the development of typical symptoms of TBSV infection.
  • Infektionsexperiment, Beispiel 1 6 Pflanzen, welche unspezifische Kontroll-siRNAs exprimierten, zeigten spätestens 15 Tage nach Infiltration mit TBSV-RNA-exprimierenden Agrobakterien (15 d.p.i.) deutliche Symptome einer viralen Infektion. Von den 6 Pflanzen, die einen Mix aus TBSV-siRNAs exprimierten, zeigte nur eine Symptome. Infection Experiment, Example 1 6 plants expressing non-specific control siRNAs showed clear symptoms at the latest 15 days after infiltration with TBSV RNA-expressing Agrobacteria (15 dpi) a viral infection. Of the 6 plants expressing a mix of TBSV siRNAs, only one showed symptoms.
  • Infektionsexperiment, Beispiel 2 16 Pflanzen, welche unspezifische Kontroll-siRNAs exprimierten, zeigten spätestens 13 Tage nach Infiltration mit TBSV-RNA-exprimierenden Agrobakterien (13 d.p.i.) deutliche Symptome einer viralen Infektion. Von den 16 Pflanzen, die einen Mix aus TBSV-siRNAs exprimierten, zeigten nur zwei Symptome, diese traten zudem deutlich später auf als bei den Kontrollpflanzen. Infection Experiment, Example 2 Sixteen plants expressing nonspecific control siRNAs showed clear symptoms of viral infection no later than 13 days after infiltration with TBSV RNA-expressing Agrobacteria (13 dpi). Of the 16 plants expressing a mix of TBSV siRNAs, only two showed symptoms and were much later than the control plants.
  • Zusammenfassung der Ergebnisse mit N. benthamiana Pflanzen, die mit verschiedenen siRNAs behandelt und mit TBSV infiziert (belastet) wurden. Angegeben sind die jeweiligen siRNAs, die über amiRNA und Agrobakterieninfektion exprimiert wurden; diese sind im Text beschrieben. Die siRNA gf698 ist gegen die mRNA des green fluorescent protein (GFP) gerichtet und wurde als Kontrolle eingesetzt. Die Art des 5'Nukleotids der jeweiligen siRNAs ist angegeben. Ebenso ist angegeben, wieviele der jeweils in den Experimenten eingesetzten Pflanzen nach Belastung mit TBSV (über TBSV-RNA-exprimierende Agrobakterien) Symptom-frei blieben (auch in %) und wann die ersten Symptome bei den nicht geschützten Pflanzen zu beobachten waren. Summary of results with N. benthamiana plants treated with various siRNAs and infected (burdened) with TBSV. Given are the respective siRNAs that have been expressed via amiRNA and Agrobakterieninfektion; These are described in the text. The siRNA gf698 is directed against the mRNA of green fluorescent protein (GFP) and was used as a control. The type of 5'-nucleotide of the respective siRNAs is indicated. It also indicates how many of the plants used in the experiments after exposure to TBSV (via TBSV RNA-expressing Agrobacteria) remained symptom-free (also in%) and when the first symptoms were observed in the unprotected plants.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Ding, 2010; Zvereva und Pooggin, 2012; Gammon und Mello, 2015 [0002]Ding, 2010; Zvereva and Pooggin, 2012; Gammon and Mello, 2015 [0002]
  • Bouche et al., 2006; Deleris et al., 2006; Parent et al., 2015 [0002]Bouche et al., 2006; Deleris et al., 2006; Parent et al., 2015 [0002]
  • Bernstein et al. 2001; Elbashir et al. 2001a, Elbashir et al., 2001b; Martinez et al., 2002 [0002]Bernstein et al. 2001; Elbashir et al. 2001a, Elbashir et al., 2001b; Martinez et al., 2002 [0002]
  • Hammond et al., 2001; Meister, 2013; Kobayashi und Tomari, 2016 [0002]Hammond et al., 2001; Master, 2013; Kobayashi and Tomari, 2016 [0002]
  • (Mi et al. 2008, Takeda et al., 2008, Schuck et al., 2013 [0002](Mi et al., 2008, Takeda et al., 2008, Schuck et al., 2013 [0002]
  • Wang et al., 2010; Wang et al., 2011 [0002]Wang et al., 2010; Wang et al., 2011 [0002]
  • Harper et al., 2002; Ulker et al., 2008 [0008]Harper et al., 2002; Ulker et al., 2008 [0008]
  • Qu et al., 2007; Kung et al., 2012 [0009]Qu et al., 2007; Kung et al., 2012 [0009]
  • Casacuberta et al., 2015. Andere Formen der Applikation verwenden künstliche ds RNA Moleküle (Robinson et al., 2014) [0009]Casacuberta et al., 2015. Other forms of application use artificial ds RNA molecules (Robinson et al., 2014) [0009]
  • Duan et al., 2012; Dalakouras et al., 2016 [0009]Duan et al., 2012; Dalakouras et al., 2016 [0009]
  • Komoda et al., 2004 [0011]Komoda et al., 2004 [0011]
  • Gursinsky et al., 2009 [0011]Gursinsky et al., 2009 [0011]
  • Iki et al., 2010; Schuck et al., 2013 [0011]Iki et al., 2010; Schuck et al., 2013 [0011]
  • Prado et al., 2014 [0030]Prado et al., 2014 [0030]
  • Cillo and Palukaitis, 2014 [0030]Cillo and Palukaitis, 2014 [0030]
  • Nwokeoji et al., 2017 [0033]Nwokeoji et al., 2017 [0033]
  • Tenllado et al, 2003; Mitter et al., 2017 [0033]Tenllado et al, 2003; Mitter et al., 2017 [0033]
  • Arnold et al., 2012 [0034]Arnold et al., 2012 [0034]
  • Krijger et al., 2012 [0034]Krijger et al., 2012 [0034]

Claims (16)

Methode zur gezielten Identifizierung hoch effizienter small interfering RNAs (eRNAs) unterschiedlicher Länge, gekennzeichnet dadurch, dass a) eine RNA, die als target für RNA silencing (RNAi) ausgewählt wurde, durch in vitro Transkription hergestellt und in zytoplasmatischen Extrakten von Pflanzenzellen durch die endogenen Dicer-like proteins (DCL) zu small interfering RNAs (siRNAS) umgesetzt wird; b) wobei aus der eingesetzten RNA ein DCL-generierter siRNA pool gebildet und die in diesem pool enthaltenen siRNAs durch RNA seq. Analyse ermittelt werden; c) dem zytoplasmatischen Pflanzenzellextrakt eine über in vitro Transkription synthetisierte messenger RNA (mRNA) eines Argonaute (AGO)-Proteins zugefügt wird, wobei die mRNA so aufgebaut ist, dass sie für das betreffende AGO-Protein mit einem tag kodiert; d) über in vitro Translation AGO-Proteinmoleküle gebildet werden, welche RNA-induced silencing complexes (RISC) Komplexe mit den vorliegenden DCL-generierten siRNAs bilden; e) über den tag siRNA-beladene AGO/RISC aus dem BYL immunopräzipitiert und die gebundenen siRNA guide-strands durch RNA seq-Analyse ermittelt; f) über den Abgleich der RNA seq. Daten mit Spaltprodukten, die in einem Slicer-Assay mit dem siRNA pool aus der target RNA bevorzugt generiert werden, solche siRNAs ermittelt werden, die einerseits effizient spalten und andererseits in AGO/RISC angereichert sind; g) anschließend synthetisch hergestellt und in einem weiteren Slicer-Assay mit markierter target RNA auf ihre Funktionalität getestet und h) so ermittelte eRNAs transgen oder transient einzeln oder in Kombination angewendet werden.Method for the targeted identification of highly efficient small interfering RNAs (eRNAs) of different lengths, characterized in that a) an RNA selected as a target for RNA silencing (RNAi) is produced by in vitro transcription and converted into cytoplasmic extracts of plant cells by the endogenous Dicer-like proteins (DCL) to small interfering RNAs (siRNAS); b) wherein a DCL-generated siRNA pool is formed from the RNA used and the siRNAs contained in this pool are determined by RNA analysis; c) the cytoplasmic plant cell extract is supplemented with a messenger RNA (mRNA) of an Argonaute (AGO) protein synthesized by in vitro transcription, wherein the mRNA is designed to encode a tag for the AGO protein in question; d) via in vitro translation AGO protein molecules are formed which form RNA-induced silencing complexes (RISC) complexes with the present DCL-generated siRNAs; e) immunoprecipitated from the BYL siRNA-loaded AGO / RISC by day and the bound siRNA guide-strands determined by RNA seq analysis; f) via the alignment of the RNA seq. Data with cleavage products, which are preferably generated in a slicer assay with the siRNA pool from the target RNA, such siRNAs are determined, which are efficient on the one hand and on the other hand enriched in AGO / RISC; g) subsequently synthesized and tested for functionality in a further sliced assay with labeled target RNA, and h) thus determined eRNAs transgene or transiently be used individually or in combination. Verfahren nach Anspruch 1 zur Identifizierung von eRNAs aus kodierenden oder nicht kodierenden RNAs, gekennzeichnet dadurch, dass diese eRNAs, einzeln, oder in Kombination eingesetzt, im zellulären RNA Interferenz/silencing (RNAi)-Prozess hocheffizient ohne off-target Effekt target RNAs inaktivieren.Method according to Claim 1 for the identification of eRNAs from coding or non-coding RNAs, characterized in that these eRNAs, individually or in combination, inactivate target RNAs highly efficiently in the cellular RNA interference / silencing (RNAi) process without off-target effect. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass ein zytoplasmatischer Extrakt aus Pflanzenzellen zur Durchführung von DCL-Assays, AGO-IPs, die RNA-Sequenzierung DCL-generierter und AGO-assoziierter siRNAs sowie zur Durchführung von Slicer-Assays eingesetzt wird.Method according to Claim 1 and 2 characterized in that a cytoplasmic extract of plant cells for the implementation of DCL assays, AGO-IPs, the RNA sequencing of DCL-generated and AGO-associated siRNAs and for performing slicer assays is used. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 gekennzeichnet dadurch, dass ein zytoplasmatischer Extrakt aus Nicotiana tabacum BY2-Zellen (BYL) zur Durchführung von DCL-Assays, AGO-IPs, die RNA-Sequenzierung DCL-generierter und AGO-assoziierter siRNAs sowie zur Durchführung von Slicer-Assays eingesetzt wird.Method according to Claim 1 and 2 characterized in that a cytoplasmic extract of Nicotiana tabacum BY2 cells (BYL) is used to perform DCL assays, AGO-IPs, RNA sequencing of DCL-generated and AGO-associated siRNAs and to perform slicer assays. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, dass Argonaute(AGO)-Proteine verschiedener Organismen und/oder verschiedene AGO-Proteine eines Organismus verwendet werden zwecks gezielter Spezifikation von eRNA Aktivitäten auf target RNAs im Zielorganismus.Method according to Claim 1 to 4 characterized in that Argonaute (AGO) proteins of various organisms and / or different AGO proteins of an organism are used for the purposeful specification of eRNA activities on target RNAs in the target organism. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass dieses für target RNAs aller Formen von Organismen einsetzbar ist.Method according to Claim 1 to 5 characterized in that it can be used for target RNAs of all forms of organisms. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass dieses für target RNAs aller Formen von Viroiden, Virusoiden, Viren, Prokaryonten und Eukaryonten einsetzbar ist.Method according to Claim 6 characterized in that it can be used for target RNAs of all forms of viroids, virusoids, viruses, prokaryotes and eukaryotes. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass dieses für target RNAs aller Formen pflanzenpathogener Organismen einsetzbar ist.Method according to Claim 6 characterized in that it can be used for target RNAs of all forms of phytopathogenic organisms. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass dieses für target RNAs aller Formen pflanzenpathogener Viroide, Virusoide, Viren, Bakterien, Oomyceten, Pilze, Nematoden, Insekten und parasitärer Pflanzen einsetzbar ist.Method according to Claim 6 characterized in that it can be used for target RNAs of all forms of phytopathogenic viroids, virusoids, viruses, bacteria, oomycetes, fungi, nematodes, insects and parasitic plants. Hoch effiziente small interfering RNAs (eRNAs) nach Anspruch 1 zur transienten oder transgenen Anwendung in Zellen oder kompletten Organismen.Highly efficient small interfering RNAs (eRNAs) after Claim 1 for transient or transgenic application in cells or complete organisms. Transiente oder transgene Anwendung mehrerer eRNAs nach Anspruch 10 in Form von ds RNAs, die überwiegend aus eRNA-Sequenzen bestehen.Transient or transgenic application of multiple eRNAs Claim 10 in the form of ds RNAs consisting predominantly of eRNA sequences. Transiente oder transgene Anwendung von eRNAs nach Ansprüchen 10 und 11 zum effizienten Gen-Knockdown, z.B. zur Untersuchung von Gen-FunktionenTransient or transgenic application of eRNAs after Claims 10 and 11 for efficient gene knockdown, eg for the investigation of gene functions Transiente oder transgene Anwendung von eRNAs nach Ansprüchen 10 und 11 zur Verbesserung von Stressresistenz, Wachstums- und/oder Verbrauchereigenschaften von Nutzorganismen.Transient or transgenic application of eRNAs after Claims 10 and 11 to improve stress resistance, growth and / or consumer properties of beneficial organisms. Transiente oder transgene Anwendung von eRNAs nach Ansprüchen 10 und 11 zur Verbesserung von Stressresistenz, Wachstums- und/oder Verbrauchereigenschaften von Nutzpflanzen.Transient or transgenic application of eRNAs after Claims 10 and 11 to improve stress resistance, growth and / or consumer properties of crops. Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, welches für eine temporäre oder lebenslange Protektion von Zielorganismen mit RNAi Immunsystem gegen Pathogene mit einem RNAi Immunsystem eingesetzt werden kann, wobei die Protektion durch host induced gene silencing (HIGS) erfolgen kann. Method according to one or more of the preceding claims, which can be used for a temporary or lifelong protection of target organisms with RNAi immune system against pathogens with an RNAi immune system, wherein the protection can be done by host induced gene silencing (HIGS). Verfahren nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche, welches für eine temporäre oder lebenslange Protektion von Pflanzen gegen pathogene Viroide, Virusoide, Viren, Bakterien, Oomyceten, Pilze, Nematoden, Insekten und andere, parasitäre Pflanzen, eingesetzt werden kann, wobei die Protektion durch host induced gene silencing (HIGS) erfolgen kann.Method according to one or more of the preceding claims, which can be used for a temporary or lifelong protection of plants against pathogenic viroids, virusoids, viruses, bacteria, oomycetes, fungi, nematodes, insects and other parasitic plants, wherein the protection by host induced gene silencing (HIGS) can take place.
DE102018001134.9A 2017-06-26 2018-02-13 Method for the targeted identification of highly efficient "small interfering RNAs" ("eRNAs") for use in plants and other target organisms Withdrawn DE102018001134A1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18766118.6A EP3645729A1 (en) 2017-06-26 2018-06-22 Method for the targeted identification of highly-efficient "small interfering rnas" "ernas" for use in plants and other target organisms
DE112018003256.6T DE112018003256A5 (en) 2017-06-26 2018-06-22 Method for the targeted identification of highly efficient "small interfering RNAs" ("eRNAS" for use in plants and other target organisms
PCT/DE2018/000194 WO2019001602A1 (en) 2017-06-26 2018-06-22 Method for the targeted identification of highly-efficient "small interfering rnas" "ernas" for use in plants and other target organisms

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017005957 2017-06-26
DE102017005957.8 2017-06-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102018001134A1 true DE102018001134A1 (en) 2018-12-27

Family

ID=64567709

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018001134.9A Withdrawn DE102018001134A1 (en) 2017-06-26 2018-02-13 Method for the targeted identification of highly efficient "small interfering RNAs" ("eRNAs") for use in plants and other target organisms
DE112018003256.6T Withdrawn DE112018003256A5 (en) 2017-06-26 2018-06-22 Method for the targeted identification of highly efficient "small interfering RNAs" ("eRNAS" for use in plants and other target organisms

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112018003256.6T Withdrawn DE112018003256A5 (en) 2017-06-26 2018-06-22 Method for the targeted identification of highly efficient "small interfering RNAs" ("eRNAS" for use in plants and other target organisms

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3645729A1 (en)
DE (2) DE102018001134A1 (en)
WO (1) WO2019001602A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021107508B4 (en) 2021-03-25 2023-06-15 Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Körperschaft des öffentlichen Rechts Reliable identification of regions ('a-sites') in complex RNA molecules that are accessible for nucleic acids or complexes of nucleic acids with endonucleases
EP4365297A1 (en) 2022-11-07 2024-05-08 Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Nucleic acid agents against various plant pathogens

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PT2028278E (en) * 2000-03-30 2014-05-28 Max Planck Ges Zur Förderung Der Wissenschaften E V Rna sequence-specific mediators of rna interference

Non-Patent Citations (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
(Mi et al. 2008, Takeda et al., 2008, Schuck et al., 2013
Arnold et al., 2012
Bernstein et al. 2001; Elbashir et al. 2001a, Elbashir et al., 2001b; Martinez et al., 2002
Bouche et al., 2006; Deleris et al., 2006; Parent et al., 2015
Casacuberta et al., 2015. Andere Formen der Applikation verwenden künstliche ds RNA Moleküle (Robinson et al., 2014)
Cillo and Palukaitis, 2014
Ding, 2010; Zvereva und Pooggin, 2012; Gammon und Mello, 2015
Duan et al., 2012; Dalakouras et al., 2016
Gursinsky et al., 2009
Hammond et al., 2001; Meister, 2013; Kobayashi und Tomari, 2016
Harper et al., 2002; Ulker et al., 2008
Iki et al., 2010; Schuck et al., 2013
Komoda et al., 2004
Krijger et al., 2012
Nwokeoji et al., 2017
Prado et al., 2014
Qu et al., 2007; Kung et al., 2012
Tenllado et al, 2003; Mitter et al., 2017
Wang et al., 2010; Wang et al., 2011

Also Published As

Publication number Publication date
WO2019001602A1 (en) 2019-01-03
DE112018003256A5 (en) 2020-03-12
EP3645729A1 (en) 2020-05-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Niehl et al. Synthetic biology approach for plant protection using ds RNA
EP2882858B1 (en) Transgenic plant of the species solanum tuberosum with resistance to phytophthora
Peng et al. miRNA-1-3p is an early embryonic male sex-determining factor in the Oriental fruit fly Bactrocera dorsalis
US20130047298A1 (en) Methods and compositions for introduction of exogenous dsrna into plant cells
CN103201385A (en) Down-regulating gene expression in insect pests
Rosa et al. RNA interference is induced in the glassy winged sharpshooter Homalodisca vitripennis by actin dsRNA
CN102960363A (en) Biopesticide and insect preventing and controlling method
DE102018001134A1 (en) Method for the targeted identification of highly efficient "small interfering RNAs" ("eRNAs") for use in plants and other target organisms
You et al. Over‐expression of RNA interference (RNAi) core machinery improves susceptibility to RNAi in silkworm larvae
DE102011114914A1 (en) TRANSGENIC PLANT OF THE TYPE BETA VULGARIS WITH INCREASED RESISTANCE TO CERCOSPORA
WO2012135600A4 (en) Gall wasp control agents
Li et al. Small RNAs in Cnidaria: A review
Rodríguez Melo et al. Exogenous RNAs: promising tools for the second green revolution
US10550400B2 (en) Methods to monitor post-translational gene silencing activity in plant tissues/cell types relevant for pathogen entry, propagation or replication
Feng et al. Altered Expression of Micro RNA s and Target m RNA s in Tomato Root and Stem Tissues upon Different Viral Infection
Hada et al. Host-delivered RNAi-mediated silencing using fusion cassettes of different functional groups of genes precludes Meloidogyne incognita multiplication in Nicotiana tabacum
Chilana et al. Computational identification and characterization of putative miRNAs in Heliothis virescens
Zhang et al. NtRBP45, a nuclear RNA‐binding protein of Nicotiana tabacum, facilitates post‐transcriptional gene silencing
DE112010001772T5 (en) NEMATODRESISTENT TRANSGENIC PLANTS
Saha et al. New Dimensions of RNA Based Technologies in Plant Functional Genomics
CN117965545B (en) MiR-8492-3p for preventing lepidoptera pests and application thereof
Sun et al. Short tandem target mimics inhibit Chlamydomonas reinhardtii microRNAs
EP4365297A1 (en) Nucleic acid agents against various plant pathogens
WO2013053070A1 (en) Heat tolerance microrna
WO2013158966A1 (en) Bronze bug control agents

Legal Events

Date Code Title Description
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: C12Q0001680000

Ipc: C12Q0001681300

R082 Change of representative

Representative=s name: MAIKOWSKI & NINNEMANN PATENTANWAELTE PARTNERSC, DE

R118 Application deemed withdrawn due to claim for domestic priority