DE2858357C2 - - Google Patents
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- C12P21/02—Preparation of peptides or proteins having a known sequence of two or more amino acids, e.g. glutathione
Description
Die Anmeldung betrifft die in den Ansprüchen 1 und 2 angegebenen DNS- Transfer-Vektoren. Der Anspruch 3 betrifft einen veränderten Mikroorganismus, enthaltend den Vektor gemäß Anspruch 1.The application relates to the DNA indicated in claims 1 and 2 Transfer vectors. The claim 3 relates to a changed Microorganism containing the vector according to Claim 1.
Folgende Symbole und Abkürzungen werden in vorliegender Beschreibung verwendet: The following symbols and abbreviations are used in this description used:
Die biologische Bedeutung der Basensequenz der DNS ist die eines Speichers der genetischen Information. Es ist bekannt, daß die Basensequenz der DNS als Code verwendet wird, der die Aminosäuresequenz sämtlicher von der Zelle erzeugter Proteine bestimmt. Außerdem dienen Teile der Sequenz regulatorischen Zwecken, zur Steuerung von Herstellungszeitpunkt und Menge jedes Proteins. Die Arbeitsweise dieser steuernden Elemente ist erst zum Teil erkannt. Schließlich dient die Basensequenz in jedem Strang als Matrize bei der Replikation der DNS, die die Zellteilung begleitet.The biological significance of the base sequence of DNA is the a store of genetic information. It is known, that the base sequence of the DNS is used as code that the amino acid sequence of all those produced by the cell Proteins determined. In addition, parts of the sequence serve regulatory Purposes, for controlling production time and amount of each protein. The operation of this controlling Elements is only partially recognized. Finally, the Base sequence in each strand as a template in replication the DNA that accompanies cell division.
Die Art und Weise, in welcher die Information der Basenfrequenz der DNS auf die Aminosäuresequenz von Proteinen übertragen wird, ist ein fundamentaler Vorgang, der universell für alle lebenden Organismen ist. The way in which the information of the base frequency the DNA transferred to the amino acid sequence of proteins is a fundamental process that is universal for all is living organisms.
Es konnte bewiesen werden, daß jede üblicherweise in Proteinen vorhandene Aminosäure durch die Sequenz eines oder mehrerer Trinucleotide oder Tripletts bestimmt wird. Jedem Protein entspricht somit ein Segment der DNS mit einer Triplett-Sequenz, die der Aminosäuresequenz des Proteins entspricht. Den genetischen Code veranschaulicht folgende Tabelle.It could be proven that each is usually in Proteins existing amino acid through the sequence of a or more trinucleotides or triplets. Each protein thus corresponds to a segment of DNA with a triplet sequence corresponding to the amino acid sequence of the Protein corresponds. Illustrates the genetic code following table.
Schlüssel: Jedes Triplett aus drei Buchstaben stellt ein Trinucleotid der DNS dar, mit einem 5′-Ende links und einem 3′-Ende rechts. Die Buchstaben stehen für die Purin- oder Pyrimidinbasen, die die Nucleotidsequenz bilden:Key: Each triplet of three letters represents a trinucleotide of DNA, with a 5 'left end and one 3'-end right. The letters stand for the purine or Pyrimidine bases that form the nucleotide sequence:
Im biologischen Vorgang der Übersetzung der Nucleotidsequenz in eine Aminosäuresequenz erfolgt als erste Stufe die sogenannte Trancription. In dieser Stufe wird ein Segment der DNS mit der für das herzustellende Protein zuständigen Sequenz auf eine RNS übertragen. Die RNS ist ein der DNS ähnliches Polynucleotid, in dem jedoch Ribose anstelle der Desoxyribose und Uracil anstelle von Thymin stehen. Die Basen der RNS sind zur gleichen Art von Basenpaarung befähigt wie die Basen der DNS. Die durch Transcription einer DNS-Nucleotidsequenz entstehende RNS ist daher zu dieser kopierten Sequenz komplementär. Diese RNS wird als messenger-RNS (mRNS) bezeichnet wegen ihrer Zwischenstellung zwischen dem genetischen Apparat und dem Apparat der Proteinsynthese der Zelle.In the biological process of translation of the nucleotide sequence in an amino acid sequence is carried out as the first stage, the so-called Trancription. At this stage, a segment of the DNA with the sequence responsible for the protein to be produced transferred to an RNA. The RNA is similar to the DNA Polynucleotide in which, however, ribose instead of deoxyribose and uracil instead of thymine. The bases of the RNA are capable of the same type of base pairing as the bases the DNS. By transcription of a DNA nucleotide sequence resulting RNA is therefore complementary to this copied sequence. This RNA is called messenger RNA (mRNA) because of their intermediate position between the genetic apparatus and the apparatus of protein synthesis of the cell.
In der Zelle dient die mRNS als Matrize in einem komplexen Vorgang, an dem zahlreiche Enzyme und Organellen innerhalb der Zelle beteiligt sind und der zur Synthese spezifischer Aminosäuresequenzen führt. Dieser Vorgang wird als Translation bezeichnet.In the cell, the mRNA serves as a template in a complex Process involving numerous enzymes and organelles within the cell are involved and the more specific to the synthesis Amino acid sequences leads. This process is called translation designated.
Häufig gibt es weitere Stufen, die dazu dienen, aus der bei der Translation entstandenen Aminosäuresequenz ein funktionales Protein zu erzeugen. Ein Beispiel ist die Herstellung des Insulins.Often there are other stages that serve to get out of the during translation resulting amino acid sequence to produce functional protein. An example is the Production of insulin.
Der direkte Vorläufer des Insulins ist ein Polypeptid, das Proinsulin, das die beiden Insulinketten A und B über ein weiteres Peptid C gebunden enthält ,vgl. Steiner, D. F., Cunningham, D., Spigelman, L. und Aten, B., Science 157, 697 (1967). Kürzlich wurde berichtet, daß das erste Translationsprodukt von Insulin-mRNS nicht Proinsulin selbst, sondern ein Pre-proinsulin ist, das mehr als 20 weitere Aminosäuren am Amino-Ende des Proinsulins enthält, vgl. Cahn, S. J., Keim, P. und Steiner, D. F., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 73, 1964 (1976), und Lomedico, P. T. und Saunders, G. F., Nucl. Acids Res. 3, 381 (1976). Die Struktur des Pre-proinsulinmoleküls kann schematisch wie folgt wiedergegeben werden: NH₂-(Pre-peptid)- B-Kette-(C-Peptid)-A-Kette-COOH.The direct precursor of insulin is a polypeptide, Proinsulin, which is the two insulin chains A and B contains bound via another peptide C, cf. Steiner, D.F., Cunningham, D., Spigelman, L. and Aten, B., Science 157, 697 (1967). Recently it was reported that the first translation product of insulin mRNA is not Proinsulin itself, but a pre-proinsulin is that more than 20 additional amino acids at the amino end of proinsulin contains, cf. Cahn, S.J., Keim, P. and Steiner, D.F., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 73, 1964 (1976), and Lomedico, P.T. and Saunders, G.F., Nucl. Acids Res. 3, 381 (1976). The structure of the pre-proinsulin molecule can schematically represented as follows: NH₂- (Pre-peptide) - B-chain- (C peptide) -A chain-COOH.
Zahlreiche Proteine von Bedeutung für Medizin oder Forschung werden in den Zellen höherer Organismen wie der Wirbeltiere gefunden oder hergestellt. Hierzu gehören zum Beispiel das Hormon Insulin, andere Peptidhormone wie das Wachstumshormon, an der Regulierung des Blutdrucks beteiligte Proteine und zahlreiche Enzyme mit Bedeutung für technische, medizinische oder Forschungszwecke. Häufig ist es schwierig, diese Proteine in brauchbaren Mengen durch Extraktion aus dem Organismus zu gewinnen, insbesondere bei Proteinen menschlichen Ursprung. Es besteht daher ein Bedarf an Techniken, durch die derartige Proteine von Zellen außerhalb des Organismus in vernünftigen Mengen erzeugt werden. In manchen Fällen ist es möglich, geeignete Zellstämme durch die Techniken der Gewebekultur zu erhalten. Das Wachstum von Zellen in Gewebekulturen ist jedoch langsam, das Medium ist teuer, die Bedingungen müssen genau kontrolliert werden und die Ausbeuten sind niedrig. Häufig ist es auch schwierig, einen gezüchteten Zellstamm mit den gewünschten differenzierten Eigenschaften zu erhalten.Numerous proteins of importance for medicine or research become in the cells of higher organisms like the vertebrates found or produced. These include, for example, the Hormone insulin, other peptide hormones like growth hormone, proteins involved in the regulation of blood pressure and numerous enzymes with relevance to technical, medical or research purposes. It is often difficult to get these proteins in useful quantities by extraction from the organism to gain, especially in human proteins Origin. There is therefore a need for techniques through such proteins from cells outside the organism be generated in reasonable quantities. In some cases It is possible to use suitable cell strains through the techniques to preserve the tissue culture. The growth of cells in However, tissue culture is slow, the medium is expensive, the conditions must be carefully controlled and the Yields are low. Often it is also difficult a cultured cell strain with the desired differentiated To get properties.
Im Gegensatz dazu können Mikroorganismen wie Bakterien relativ leicht in chemisch definierten Medien gezüchtet werden. Die Fermentationstechnologie ist bereits hochentwickelt und gut steuerbar. Das Wachstum der Organismen erfolgt rasch, und hohe Ausbeuten sind möglich. Außerdem wurden bestimmte Mikroorganismen bereits genetisch genau charakterisiert und gehören in der Tat zu den am besten charakterisierten und erkannten Organismen.In contrast, microorganisms like bacteria relatively easily bred in chemically defined media become. The fermentation technology is already highly developed and easy to control. The growth of organisms is fast, and high yields are possible. also Certain microorganisms were already genetically accurate characterized and in fact among the best characterized and recognized organisms.
Es wäre daher sehr erwünscht, den Transfer eines Gen-Codes für ein Protein medizinischer Bedeutung aus einem Organismus, der normalerweise das Protein produziert, in einen geeigneten Mikroorganismus zu erzielen. Auf diese Weise könnte das Protein unter steuerten Wachstumsbedingungen vom Mikroorganismus hergestellt und in gewünschten Mengen erhalten werden. Es ist auch möglich, daß die Gesamtkosten der Herstellung des gewünschten Proteins durch ein derartiges Verfahren erheblich vermindert werden könnten. Die Fähigkeit zur Isolierung und zum Transfer der Gensequenz, die die Produktion eines speziellen Proteins bestimmt, in einen Mikroorganismus genau bekannter genetischer Struktur eröffnet außerdem der Forschung die wertvolle Möglichkeit zu untersuchen, wie die Synthese eines solchen Proteins gesteuert und wie das Protein nach der Synthese verarbeitet wird. Ferner können isolierte Gene verändert werden, so daß sie Proteinvarianten mit anderen therapeutischen oder funktionellen Eigenschaften codieren.It would therefore be very desirable to transfer a gene code for a protein of medical importance from an organism, which usually produces the protein in one to achieve a suitable microorganism. In this way The protein could be under controlled growth conditions produced by the microorganism and in desired amounts to be obtained. It is also possible that the total cost the production of the desired protein by such a Procedure could be significantly reduced. The ability for isolating and transferring the gene sequence containing the Production of a special protein destined to one Microorganism of precisely known genetic structure opened besides, the research the valuable possibility to study how the synthesis of such a protein controlled and how the protein is processed after synthesis becomes. Furthermore, isolated genes can be altered so that They protein variants with other therapeutic or functional Code properties.
Die vorliegende Erfindung betrifft Maßnahmen, um die genannten Ziele zu erreichen. Ein Verfahren wird offenbart, das mehrere Stufen, einschließlich Enzym-katalysierter Reaktionen umfaßt. Nachstehend werden die bisherigen Kenntnisse über die Natur dieser Enzymreaktionen skizziert.The present invention relates to measures to the mentioned To achieve goals. A method is disclosed the multiple stages, including enzyme-catalyzed Reactions include. Below are the previous knowledge outlined on the nature of these enzyme reactions.
Revese Transcriptase katalysiert die Synthese der einer RNS-Matrize komplementären DNS in Gegenwart der RNS-Matrize, eines Oligo-deoxynucleotid-Primers und der vier Deoxynucleosid- triphosphate dATP, dGTP, dCTP und TTP. Die Reaktion wird eingeleitet durch die nicht-covalente Bindung des Oligo- deoxynucleotid-Primers an das 3′-Ende der mRNS, darauf folgt die stufenweise Addition der geeigneten Deoxynucleotide, entsprechend der Basenpaarungsregel, an das 3′-Ende der wachsenden Kette. Das als Produkt erhaltene Molekül kann als haarnadelförmig beschrieben werden, es enthält die Ausgangs-RNS und einen komplementären DNS-Einzelstrang. Die Reverse Transcriptase kann ferner eine ähnliche Reaktion katalysieren, bei der ein DNS-Einzelstrang als Matrize dient, in welchem Fall man als Produkt einen haarnadelförmigen DNS- Doppelstrang erhält mit einer Schleife DNS-Einzelstrang, durch die ein Paar Enden verbunden werden; vgl. Aviv, H. und Leder, P., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 69, 1408 (1972), und Efstratiadis, A., Kafatos, F. C., Maxam, A. F. und Maniatis, T., Cell. 7, 279 (1976). Revese transcriptase catalyzes the synthesis of one RNA template complementary DNA in the presence of the RNA template, an oligo-deoxynucleotide primer and the four deoxynucleoside triphosphate dATP, dGTP, dCTP and TTP. The reaction will initiated by the noncovalent binding of the oligo- deoxynucleotide primer to the 3 'end of the mRNA, on top follows the stepwise addition of the appropriate deoxynucleotides, according to the base pairing rule, to the 3 'end the growing chain. The product obtained as a product can be described as hairpin shaped, it contains the parent RNA and a complementary DNA single strand. The reverse transcriptase may also have a similar reaction catalyze a DNA single strand as a template, in which case the product is a hairpin-shaped DNA Double strand receives DNA single strand with a loop, through which a pair of ends are connected; see. Aviv, H. and Leder, P., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 69, 1408 (1972), and Efstratiadis, A., Kafatos, F.C., Maxam, A.F. and Maniatis, T., Cell. 7, 279 (1976).
Restrictions-endonucleasen sind Enzyme, die zur Hydrolyse von Phosphodiesterbindungen in doppelsträngiger DNS befähigt sind, wobei die Sequenz des DNS-Stranges gespalten wird. Liegt die DNS in Form einer geschlossenen Schleife vor, so wird diese in lineare Form überführt. Das Hauptmerkmal eines Enzyms dieser Art besteht darin, daß die hydrolytische Wirkung nur dort eintritt, wo eine spezifische Nucleotidsequenz vorliegt. Diese Sequenz wird als Erkennungsstelle (Spaltstelle) der Restrictions-endonuclease bezeichnet. Restrictions-endonucleasen wurden aus verschiedenen Quellen isoliert, und ihre Nucleotidsequenz und die Erkennungsstellen wurden ermittelt. Einige Restrictions-endonucleasen hydrolysieren die Phosphodiesterbindungen in beiden Strängen an der gleichen Stelle, so daß stumpfe Enden entstehen. Andere katalysieren die Hydrolyse von Bindungen, die um einige Nucleotide voneinander entfernt sind, wodurch einsträngige Bereiche an jedem Ende des gespaltenen Moleküls entstehen. Diese einsträngigen Enden sind selbst-komplementär, daher kohäsiv, und sie können verwendet werden, um die hydrolysierte DNS erneut zu binden. Da jede für eine Spaltung durch ein derartiges Enzym anfällige DNS die gleiche Erkennungsstelle enthalten muß, werden die gleichen kohäsiven Enden produziert, so daß es möglich wird, heterologe DNS-Sequenzen mit anderen, ähnlich erhaltenen Sequenzen zu verknüpfen; vgl. Roberts, R. J., Crit. Rev. Biochem. 4, 123 (1976). Die Erkennungsstellen sind relativ rar, jedoch wurde die allgemeine Verwendbarkeit der Restrictions-endonucleasen stark erweitert durch die chemische Synthese doppelsträngiger Oligo-nucleotide mit den Sequenzen der Erkennungsstellen. Somit kann praktisch jedes DNS-Segment an ein anderes Segment gekoppelt werden, indem man einfach das entsprechende Restrictions- oligo-nucleotid an die Molekülenden anhängt und das Produkt der hydrolytischen Wirkung der entsprechenden Restrictions- endonuclease unterwirft, wobei man die erforderlichen kohäsiven Enden erhält; vgl. Heynecker, H. L., Shine, J., Goodman, H. M., Boyer, H. W., Rosenberg, J., Dickerson, R. E., Narang, S. A., Itakura, K., Lin, S. und Riggs, A. D., Nature 263, 748 (1976), und Scheller, R. H., Dickerson, R. E., Boyer, H. W., Riggs, A. D. und Itakura, K., Science 196, 177 (1977).Restriction endonucleases are enzymes responsible for hydrolysis of phosphodiester bonds in double-stranded DNA are, wherein the sequence of the DNA strand is cleaved. If the DNA is in the form of a closed loop, so this is converted into linear form. The main feature an enzyme of this kind is that the hydrolytic Effect occurs only where a specific nucleotide sequence is present. This sequence is called a recognition site (Cleavage site) of the restriction endonuclease. Restriction endonucleases have been selected from several Sources isolated, and their nucleotide sequence and the recognition sites were determined. Some restriction endonucleases hydrolyze the phosphodiester bonds in both strands the same place, so that blunt ends arise. Other catalyze the hydrolysis of bonds by some Nucleotides are separated from each other, creating single-stranded ones Regions arise at each end of the cleaved molecule. These single-stranded ends are self-complementary, therefore Cohesive, and they can be used to hydrolyzed Bind DNA again. Because each for a split by one such enzyme prone DNA the same recognition site the same cohesive ends are produced, so that it becomes possible to have heterologous DNA sequences to link with other, similarly obtained sequences; see. Roberts, R.J., Crit. Rev. Biochem. 4, 123 (1976). The recognition sites are relatively rare, but the general utility of restriction endonucleases greatly expanded by the chemical synthesis of double-stranded Oligo-nucleotides with the sequences of the recognition sites. Thus, virtually every DNS segment can be transferred to another segment be coupled by simply selecting the appropriate restriction oligo-nucleotide attaches to the molecular ends and that Product of the hydrolytic action of the corresponding restrictive Subjecting endonuclease, taking the required receives cohesive ends; see. Heynecker, H.L., Shine, J., Goodman, H.M., Boyer, H.W., Rosenberg, J., Dickerson, R.E., Narang, S.A., Itakura, K., Lin, S. and Riggs, A.D., Nature 263, 748 (1976), and Scheller, R.H., Dickerson, R.E., Boyer, H.W., Riggs, A.D. and Itakura, K., Science 196, 177 (1977).
S1-Endonuclease ist ein Enzym, das zur Hydrolyse der Phosphodiesterbindungen einsträngiger DNS oder einsträngiger Zwischenstücke in sonst doppelsträngiger DNS befähigt ist; vgl. Vogt, V. M., Eur. J. Biochem. 33, 192 (1973).S1 endonuclease is an enzyme used to hydrolyze the phosphodiester bonds single-stranded DNA or single-stranded Intermediate pieces in otherwise double-stranded DNS is capable; see. Vogt, V.M., Eur. J. Biochem. 33, 192 (1973).
DNS-Ligase ist ein Enzym, das die Bildung einer Phosphodiesterbindung zwischen zwei DNS-Segmenten mit einem 5′-Phosphat bzw. einem 3′-Hydroxyl bewirkt, die zum Beispsiel von zwei DNS-Fragmenten gebildet werden, die durch kohäsive Enden zusammengehalten werden. Die normale Funktion des Enzyms besteht vermutlich darin, einsträngige Zwischenstücke in einem sonst doppelsträngigen DNS-Molekül zu verbinden. Unter geeigneten Bedingungen kann jedoch DNS-Ligase die Verbindung stumpfer Enden katalysieren, wo zwei Moleküle mit stumpfen Enden covalent gebunden sind; vgl. Sgaramella, V., Van de Sande, J. H., und Khorana, H. G., Proc. Natl. Acad. Sci., USA 67, 1468 (1970).DNA ligase is an enzyme that causes the formation of a phosphodiester bond between two DNA segments with a 5'-phosphate or a 3'-hydroxyl causes the Beispsiel are formed by two DNA fragments that are cohesive Ends are held together. The normal function of the Enzyme probably consists of single-stranded intermediates in an otherwise double-stranded DNA molecule. Under appropriate conditions, however, DNA ligase can be used Catalyst blunt ends where two molecules catalyze covalently bound with blunt ends; see. Sgaramella, V., Van de Sande, J.H., and Khorana, H.G., Proc. Natl. Acad. Sci., USA 67, 1468 (1970).
Alkalische Phosphatase ist ein Enzym, das Phosphatesterbindungen einschließlich der 5′-terminalen Phosphatgruppen in DNS hydrolysiert.Alkaline phosphatase is an enzyme, the phosphate ester bonds including the 5'-terminal phosphate groups in DNA hydrolyzed.
Eine weitere Stufe im zu beschreibenden Gesamtverfahren ist die Insertion eines spezifischen DNS-Fragments in einen DNS- Vektor, zum Beispiel ein Plasmid. Als Plasmid bezeichnet man jede autonom DNS-replizierende Einheit, die in einer Mikrobenzelle neben dem Genom der Wirtszelle vorliegen kann. Ein Plasmid ist mit den Chromosomen der Wirtszelle nicht genetisch verbunden. Plasmid-Desoxyribonukleinsäuren sind doppelsträngige Ringmoleküle, im allgemeinen mit Molekulargewichten von der Größenordnung einiger Millionen, obgleich bei einigen das Molekulargewicht größer als 10⁸ ist. Sie stellen gewöhnlich nur einen kleinen prozentualen Anteil der gesamten DNS der Zelle dar. Die Plasmid-DNS läßt sich im allgemeinen von der DNS der Wirtszelle aufgrund des großen Größenunterschiedes abtrennen. Die Plasmide können unabhängig von der Geschwindigkeit der Teilung der Wirtszelle replizieren, und in einigen Fällen kann ihre Replikationsgeschwindigkeit durch Veränderung der Wachstumsbedingungen vom Experimentator beeinflußt werden. Obgleich das Plasmid als geschlossener Ring vorliegt, kann man auf künstlichem Weg ein DNS-Segment in das Plasmid einführen, wobei ein rekombiniertes Plasmid mit vergrößerter Molekülgröße entsteht, ohne daß seine Fähigkeit zur Replikation oder Expression beliebiger Gene des Plasmids wesentlich beeinträchtigt würde. Das Plasmid dient daher als nützlicher Vektor zur Übertragung eines DNS-Segments in eine neue Wirtszelle. Zur Neukombination von DNS geeignete Plasmide enthalten typischerweise Gene, die aus Selektionsgründen brauchbar sein können, zum Beispiel Gene der Arzneimittelresistenz.Another step in the overall process to be described is the insertion of a specific DNA fragment into a DNA Vector, for example a plasmid. As plasmid one calls every autonomous DNA-replicating unit in a microbial cell may be present next to the genome of the host cell. On Plasmid is not genetic with the chromosomes of the host cell connected. Plasmid deoxyribonucleic acids are double-stranded Ring molecules, generally with molecular weights on the order of a few million, though in some the molecular weight is greater than 10⁸. you usually represent only a small percentage the entire DNA of the cell. The plasmid DNA can be generally from the DNA of the host cell due to the separate large size difference. The plasmids can be independent of the speed of division the host cell can replicate, and in some cases their replication speed by changing the Growth conditions are influenced by the experimenter. Although the plasmid is a closed ring, can you artificially insert a DNA segment into the plasmid introduce a recombinant plasmid with enlarged Molecular size arises without losing its ability to Replication or expression of any genes of the plasmid would be significantly impaired. The plasmid therefore serves as a useful vector for transferring a DNA segment into a new host cell. Suitable for recombination of DNA Plasmids typically contain genes that are out Selection reasons may be useful, for example, genes drug resistance.
Das offenbare Verfahren kann vom Durchschnittsfachmann ohne weiteres auf die Isolierung eines Gens von anderen Organismen, einschließlich Menschen, übertragen werden. The apparent method may be understood by one of ordinary skill in the art readily on the isolation of a gene from transmitted to other organisms, including humans become.
Die Möglichkeit zur Herstellung einer DNS mit einer spezifischen Sequenz, die den genetischen Code für ein spezifisches Protein abgibt, erlaubt die Modifizierung der Nucleotidsequenz durch chemische oder biologische Mittel derart, daß auch das schließlich erzeugte Protein modifiziert wird. Auf diese Weise könnte man zum Beispiel ein modifiziertes Wachstumshormon herstellen, das auf spezielle medizinische Bedürfnisse ausgerichtet ist. Die genetische Fähigkeit zur Herstellung einer wachstumshormonähnlichen Aminosäuresequenz mit den wesentlichen funktionellen Eigenschaften des Wachstumshormons kann daher auf einen Mikroorganismus übertragen werden.The ability to produce a DNA with a specific Sequence that defines the genetic code for a specific Release protein allows modification of the nucleotide sequence by chemical or biological means such, that also the finally produced protein is modified. For example, this could be a modified one Make growth hormone based on special medical Needs is aligned. The genetic ability to Production of a growth hormone-like amino acid sequence with the essential functional properties of the growth hormone can therefore affect a microorganism be transmitted.
Die Befähigung zum Transfer des genetischen Codes für ein bestimmtes Protein, das im normalen Stoffwechsel eines höheren Organismus benötigt wird, in einen Mikroorganismus wie zum Beispiel ein Bakterium, eröffnet neue Möglichkeiten zur Herstellung derartiger Proteine. Damit entsteht auch die Möglichkeit zur Vermehrung oder dem Ersatz solcher Proteine durch Proteine, welche von erfindungsgemäß veränderten Mikroorganismen erzeugt wurden dort, wo die Fähigkeit des höheren Organismus zur normalen Produktion dieser Proteine geschädigt wurde.The ability to transfer the genetic code for a certain protein that in the normal metabolism of a higher organism is needed in a microorganism such as a bacterium, opens up new possibilities for the production of such proteins. This also arises the possibility of propagating or replacing such Proteins by proteins, which changed from according to the invention Microorganisms were produced where the Ability of higher organism to normal production of these proteins was damaged.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolierung einer spezifischen, genetische Information enthaltende Nucleotidsequenz, die Synthese von DNS mit dieser spezifischen Nucleotidsequenz und den Transfer der DNS in einen Wirts- Mikroorganismus. The invention relates to a method for the isolation of a specific nucleotide sequence containing genetic information, the synthesis of DNA with this specific Nucleotide sequence and the transfer of the DNA into a host Microorganism.
Die Erfindung wird veranschaulicht durch spezifische DNS- Sequenzen, die in ein Bakterium transferiert werden, nämlich des Gens für menschliches Wachstumshormon. Im vorliegenden Verfahren wird eine ausgewählte Zellpopulation zunächst nach einer neuen Methode isoliert. Aus den Zellen wird intakte mRNS nach einem Verfahren extrahiert, bei dem praktisch sämtliche RNase-Aktivität unterdrückt wird. Die intakte messenger-RNS aus dem Extrakt wird durch Säulenchromatographie gereinigt und dann der Einwirkung von reverser Transcriptase unterworfen, wobei diese Einwirkung in Gegenwart der zur Synthese eines komplementären (cDNS)-Stranges erforderlichen vier Deoxynucleosid-triphosphate erfolgt. Das Produkt dieser ersten Reaktion mit reverser Transcriptase wird in einem Verfahren weiterbehandelt, das die Ribonucleotidsequenz selektiv entfernt. Die zurückbleibende Deoxynucleotidsequenz, die zur Ausgangs-mRNS komplementär ist, wird in einer zweiten Reaktion mit reverser Transcriptase oder DNS-Polymerase in Gegenwart der vier Deoxynucleosid-triphosphate inkubiert. Das resultierende Produkt ist eine doppelte cDNS-Struktur, deren komplementäre Stränge an einem Ende durch eine einsträngige Schleife miteinander verbunden sind. Dieses Produkt wird dann mit für den Einzelstrang spezifischer Nuclease behandelt, die die einsträngige Schleife abspaltet. Die resultierende doppelsträngige cDNS wird sodann verlängert, indem man an beiden Enden eine spezifische DNS addiert, die die Sequenz einer Erkennungs- bzw. Spaltstelle eines Restriktionsenzyms aufweist. Die Addition wird durch eine DNS-Ligase katalysiert. Die verlängerte cDNS wird dann mit einer Restriktions-endonuclease behandelt, wobei an den 5′-Enden jedes Stranges der Doppelhelix selbst-komplementäre einsträngige Enden entstehen. The invention is illustrated by specific DNS Sequences that are transferred to a bacterium, viz of the gene for human Growth hormone. In the present process is a selected cell population first for a new one Isolated method. The cells become intact mRNAs extracted a method in which virtually all RNase activity is suppressed. The intact messenger RNA from the extract is purified by column chromatography and then subjected to the action of reverse transcriptase, this action being in the presence of for synthesis of a complementary (cDNA) strand required four Deoxynucleoside triphosphate occurs. The product of this first reaction with reverse transcriptase is in one Process further treated the ribonucleotide sequence selectively removed. The remaining deoxynucleotide sequence, which is complementary to the starting mRNA is expressed in a second reaction with reverse transcriptase or DNA polymerase in the presence of the four deoxynucleoside triphosphates incubated. The resulting product is one double cDNA structure, their complementary strands one end by a single-stranded loop are connected. This product is then used for the single strand specific nuclease treats the single-stranded one Split off loop. The resulting double-stranded cDNA is then lengthened by placing a adds specific DNA that represents the sequence of a recognition or cleavage site of a restriction enzyme. The Addition is catalyzed by a DNA ligase. The extended one cDNA is then probed with a restriction endonuclease treated at the 5 'ends of each strand of the double helix self-complementary single-stranded ends arise.
Eine Plasmid-DNS mit einer Erkennungsstelle für die gleiche Restriktions-endonuclease wird mit diesem Enzym behandelt, um den Polynucleotidstrang zu spalten und selbst-komplementäre einsträngige Nucleotidsequenzen an den 5′-Enden zu erzeugen. Die 5′-terminalen Phosphatgruppen an den einsträngigen Enden werden entfernt um zu verhindern, daß das Plasmid eine zur Transformierung einer Wirtszelle fähige Ringstruktur bildet. Die wie vorstehend beschrieben vorbereitete cDNS und die Plasmid-DNS werden dann in Gegenwart von DNS-Ligase zusammen inkubiert. Unter den beschriebenen Reaktionsbedingungen kann die Bildung eines lebensfähigen, geschlossenen Ringes aus Plasmid-DNS nur erfolgen, falls ein Segment der cDNS eingefügt wird. Das die cDNS-Sequenz enthaltende Plasmid wird dann in eine geeignete Wirtszelle verbracht. Zellen, die ein lebensfähiges Plasmid aufgenommen haben, erkennt man am Auftreten von Kolonien mit einem vom Plasmid beigesteuerten Merkmal wie zum Beispiel Arzneimittel-Resistenz. Reine Bakterienstämme, die das rekombinierte Plasmid mit der eingebauten cDNS-Sequenz enthalten, werden dann gezüchtet, und das neukombinierte Plasmid wird anschließend reisoliert. Auf diese Weise können große Mengen an rekombinierter Plasmid-DNS hergestellt werden, woraus man die spezifische cDNS-Sequenz durch endonucleolytische Spaltung mit dem entsprechenden Restriktionsenzym wieder isolieren kann. A plasmid DNA with a recognition site for the same Restriction endonuclease is treated with this enzyme to cleave the polynucleotide strand and self-complementary to generate single-stranded nucleotide sequences at the 5 'ends. The 5'-terminal phosphate groups on the single-stranded Ends are removed to prevent the plasmid a ring structure capable of transforming a host cell forms. The cDNA prepared as described above and the plasmid DNA are then in the presence of DNA ligase incubated together. Under the reaction conditions described can be the formation of a viable, closed Ringes made from plasmid DNA only if a segment of the cDNS is inserted. The plasmid containing the cDNA sequence is then transferred to a suitable host cell. cells, who have taken a viable plasmid recognizes the appearance of colonies with a plasmid contributed Characteristic such as drug resistance. Pure bacterial strains containing the recombinant plasmid containing the built-in cDNA sequence are then grown, and the recombined plasmid is subsequently reisolated. In this way, large amounts of recombined Plasmid DNA are produced, from which one the specific cDNA sequence by endonucleolytic cleavage isolate again with the appropriate restriction enzyme can.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Isolierung eines DNS-Moleküls mit spezifischer Nucleotidsequenz und deren Transfer in einen Mikroorganismus, wobei man die ursprüngliche Nucleotidsequenz der DNS nach der Vermehrung im Mikroorganismus wiederfindet.The present invention comprises a process for isolation a DNA molecule with a specific nucleotide sequence and their transfer into a microorganism, wherein the original nucleotide sequence of the DNA after multiplication found in the microorganism.
Die das erfindungsgemäße Verfahren ausmachenden Stufen können in vier allgemeine Kategorien unterteilt werden:The steps constituting the process according to the invention can be divided into four general categories:
Es gibt zwei Quellen für eine genetische Sequenz, die ein spezielles Protein codiert: die DNS des zugrundeliegenden Organismus selbst und eine RNS-Übersetzung der DNS. Nach den heutigen Sicherheitsbestimmungen der National Institutes of Health wird für die USA vorgeschrieben, daß menschliche Gene jeder Art nur dann in neukombinierte DNS und anschließend in Bakterien eingebracht werden können, nachdem sie sehr sorgfältig gereinigt wurden oder wenn man in besonders ausgestatteten (P4) Einrichtungen arbeitet, vgl. US-Federal Register, Bd. 41, Nr. 131, 07. 07. 1967, S. 27902-27943. Jedes Verfahren mit tatsächlicher Brauchbarkeit zur Herstellung von menschlichem Protein, wie zum Beispsiel das vorliegende Verfahren, arbeitet daher vorzugsweise mit der Isolierung der spezifischen mRNS, die eine Nucleotidsequenz aufweist, die das gewünschte Protein codiert. Auf diese Weise genießt man den weiteren Vorteil, daß die mRNS leichter als aus Zellen extrahierte DNS gereinigt werden kann. Insbesondere kann man auch Vorteil ziehen aus der Tatsache, daß in hochdifferenzierten Organismen wie den Wirbeltieren, die Identifizierung einer spezifischen Zellpopulation von spezieller Lokalisierung im Organismus möglich ist, deren Funktion hauptsächlich in der Produktion des betreffenden Proteins besteht. Eine solche Population kann auch während einer vorübergehenden Entwicklungsstufe des Organismus vorliegen. In derartigen Zellpopulationen besitzt ein großer Anteil der aus den Zellen isolierten mRNS die gewünschte Nucleotidsequenz. Die Wahl der zu isolierenden Zellpopulation und das bei der Isolierung angewandte Verfahren können im Hinblick auf die Ausgangsreinheit der mRNS von wesentlicher Bedeutung sein.There are two sources for a genetic sequence, the one special protein encoded: the DNA of the underlying Organism itself and a RNA translation of the DNA. To the current safety regulations of the National Institutes of Health is prescribed for the US that human Genes of any kind only in recombined DNA and then can be introduced into bacteria after being very carefully have been cleaned or if you are in specially equipped (P4) facilities works, cf. US Federal Register, Vol. 41, No. 131, 07. 07. 1967, pp. 27902-27943. each Process with actual usability for production of human protein, as for example the present Method, therefore, preferably works with the insulation the specific mRNA having a nucleotide sequence, which encodes the desired protein. Enjoy this way one has the further advantage that the mRNA is lighter as DNA extracted from cells can be purified. In particular, one can also take advantage of the fact that in highly differentiated organisms such as the vertebrates, the identification of a specific cell population of special localization in the organism possible whose function is mainly in the production of the protein in question. Such a population can also be during a temporary stage of development of the organism. In such cell populations has a large proportion of those isolated from the cells mRNA is the desired nucleotide sequence. The choice of too isolating cell population and that during isolation Applied methods can be used in terms of output purity the mRNA is essential.
In den meisten Geweben, Drüsen und Organen werden die Zellen von einem im allgemeinen faserigen Netzwerk aus Bindegewebe zusammengehalten, das hauptsächlich aus Kollagen besteht, das jedoch je nachdem auch andere Strukturproteine, Polysaccharide und mineralische Ablagerungen enthalten kann. Die Isolierung von Zellen eines bestimmten Gewebes erfordert zwangsläufig Verfahren zur Freisetzung der Zellen aus der Bindegewebs-Matrix. Die Isolierung und Reinigung eines speziellen differenzierten Zelltyps umfaßt daher zwei Hauptstufen: die Absonderung der Zellen vom Bindegewebe, und die Abtrennung der gewünschten Zellen von allen anderen im Gewebe vorliegenden Zellarten. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Arbeitsweisen sind auf die Isolierung zahlreicher Zelltypen aus verschiedenen Geweben anwendbar. In most tissues, glands and organs become the cells from a generally fibrous network of connective tissue held together, which mainly consists of collagen, however, depending on other structural proteins, polysaccharides and mineral deposits. The isolation of cells of a particular tissue requires inevitably procedures to release the cells from the Connective tissue matrix. The isolation and cleaning of a special differentiated cell type therefore comprises two main stages: the secretion of cells from connective tissue, and the Separation of the desired cells from all others in the Tissue present cell types. The inventively provided Working methods are numerous on the isolation Cell types of different tissues applicable.
Häufig kann der Anteil an gewünschter mRNS erhöht werden, wenn man die Zellreaktionen auf Stimuli aus der Umgebung richtig einsetzt. So kann zum Beispiel die Behandlung mit einem Hormon zu gesteigerter Produktion der gewünschten mRNS führen. Weitere Verfahren sind das Züchten bei einer bestimmten Temperatur oder in Gegenwart eines spezifischen Nährmediums oder einer sonstigen chemischen Substanz.Often, the proportion of desired mRNA can be increased if correct the cellular reactions to stimuli from the environment starts. For example, treatment with a Hormone to increase production of the desired mRNA to lead. Other methods are breeding at a particular Temperature or in the presence of a specific Nutrient medium or other chemical substance.
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die praktisch vollständige Entfernung der RNase-Aktivität im Zellextrakt. Die zu extrahierende mRNS ist ein einsträngiges Polynucleotid, ungepaart mit einem komplementären Strang. Die hydrolytische Aufspaltung einer einzigen Phosphodiesterbindung in der Sequenz würde daher das gesamte Molekül für den Zweck der Transferierung einer intakten genetischen Sequenz in einen Mikroorganismus unbrauchbar machen. Wie bereits erwähnt, ist das Enzym RNase weit verbreitet, aktiv und außergewöhnlich stabil. Es findet sich auf der Haut, übersteht die üblichen Spülverfahren für Glasapparaturen und verunreinigt gelegentlich Lagerbestände organischer Chemikalien. Die Schwierigkeiten sind besonders akut beim Arbeiten mit Extrakten von Pankreaszellen, da die Schilddrüse eine Quelle für Verdauungsenzyme darstellt und daher an RNase reich ist. Das Problem der Verunreinigung durch RNase stellt sich jedoch bei sämtlichen Geweben, und das vorliegend offenbarte Verfahren zur Entfernung der RNase-Aktivität ist auf sämtliche Gewebe anwendbar.An essential feature of the present invention is the virtually complete removal of RNase activity in Cell extract. The mRNA to be extracted is a single-stranded one Polynucleotide, unpaired with a complementary strand. The hydrolytic splitting of a single phosphodiester bond in the sequence, therefore, the entire molecule would be responsible for the purpose of transferring an intact genetic Render the sequence unusable in a microorganism. As already mentioned, the enzyme RNase is widespread, active and exceptionally stable. It turns up the skin survives the usual rinsing procedures for glassware and occasionally contaminates stocks organic chemicals. The difficulties are special acute when working with extracts of pancreatic cells, because the thyroid gland is a source of digestive enzymes and therefore rich in RNase. The problem However, RNase contamination is present in all Tissues, and the method disclosed herein for removal of RNase activity is on all tissues applicable.
Beim Aufreißen der Zellen und bei sämtlichen Vorgängen, die zur Isolierung der von Protein praktisch freien RNS angewandt werden, setzt man erfindungsgemäß eine Kombination aus einem chaotropen Anion, einem chaotropen Kation und einem Disulfidbindungen spaltenden Mittel ein.When the cells are ruptured and during all processes, for the isolation of protein virtually free RNA are applied, according to the invention is a combination from a chaotropic anion, a chaotropic cation and a disulfide bond-splitting agent.
Die Wahl der geeigneten chaotropen Ionen basiert auf deren Löslichkeit in wäßrigen Medien und ihrer Verfügbarkeit. Geeignete chaotrope Kationen sind zum Beispiel das Guanidinium-, Carbamoylguanidinium-, Guanylguanidinium-, Lithiumion und dergleichen. Geeignete chaotrope Anionen sind zum Beispiel das Jodid, Perchlorat, Thiocyanat-, Diiodsalicylation und dergleichen. Die Wirksamkeit von Salzen, die durch Kombination derartiger Kationen und Anionen gebildet sind, hängt zum Teil von deren Löslichkeit ab. So ist zum Beispiel Lithium-diiodsalicylat ein stärkeres Denaturierungsmittel als Guanidiniumthiocyanat, jedoch besitzt es eine Löslichkeit von nur etwa 0,1 M, außerdem ist es relativ teuer. Die bevorzugte Kombination aus Kation und Anion liegt im Guanidiniumthiocyanat vor, da dieses Salz leicht zugänglich und in wäßrigen Medien gut löslich ist, bis zu etwa 5molaren Lösungen.The choice of suitable chaotropic ions is based on their Solubility in aqueous media and their availability. Suitable chaotropic cations are, for example, guanidinium, Carbamoylguanidinium, guanylguanidinium, lithium ion and like. Suitable chaotropic anions are, for example iodide, perchlorate, thiocyanate, diiodo-salicylate and like. The effectiveness of salts by combination of such cations and anions is formed partly from their solubility. Such is for example Lithium diiodo salicylate a stronger denaturant as guanidinium thiocyanate, but it has a solubility only about 0.1M, and it is relatively expensive. The preferred combination of cation and anion is in the Guanidinium thiocyanate, as this salt is readily available and is readily soluble in aqueous media, up to about 5 molar Solutions.
Thiolverbindungen wie das β-Merkaptoethanol spalten bekanntlich intramolekulare Disulfidbindungen in Proteinen mittels einer Thiol-Disulfid-Austauschreaktion. Zahlreiche Thiolverbindungen sind in dieser Richtung wirksam, zum Beispiel β-Merkaptoethanol, Dithiothreit, Cystein, Propanoldimerkaptan und dergleichen. Eine wesentliche Eigenschaft ist die Löslichkeit in Wasser, da die Thiolverbindungen in großem Überschuß über die intramolekularen Disulfide vorliegen muß, um die Austauschreaktion zu Ende zu führen. β-Merkaptoethanol wird wegen seiner Verfügbarkeit und seines günstigen Preises bevorzugt.Thiol compounds such as the β- mercaptoethanol are known to cleave intramolecular disulfide bonds in proteins by means of a thiol-disulfide exchange reaction. Numerous thiol compounds are effective in this direction, for example, β- mercaptoethanol, dithiothreitol, cysteine, propanol dimercaptan, and the like. An essential property is the solubility in water, since the thiol compounds in large excess on the intramolecular disulfides must be present to complete the exchange reaction. β- mercaptoethanol is preferred because of its availability and its low price.
Bei der Inhibierung der RNase während der RNS-Extraktion aus Zellen oder Geweben ist die Wirkung eines chaotropen Salzes direkt von seiner Konzentration abhängig. Die bevorzugte Konzentration ist daher die höchstmögliche Konzentration. Der Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens hinsichtlich der Konservierung intakter mRNS während der Extraktion beruht vermutlich auf der raschen Denaturierung der RNase und dem Ausmaß der Denaturierung. Dies erklärt möglicherweise die Überlegenheit des Guanidiniumthiocyanats gegenüber dem Hydrochlorid, trotz der Tatsache, daß das Hydrochlorid als Denaturierungsmittel nur wenig schwächer ist. Die Wirksamkeit eines Denaturierungsmittels wird definiert als die Schwellenkonzentration, die zur vollständigen Denaturierung eines Proteins benötigt wird. Andererseits hängt die Geschwindigkeit der Denaturierung zahlreicher Proteine ab von der Konzentration des Denaturierungsmittels in bezug auf die Schwellenkonzentration, erhöht von der fünften zur zehnten Potenz; vgl. Tanford, C. A., Adv. Prot. Chem. 23, 121 (1968). Diese Beziehung ergibt qualitativ, daß ein nur schwach stärkeres Denaturierungsmittel als Guanidiniumhydrochlorid ein Protein bei gleicher Konzentration um ein Vielfaches schneller denaturieren kann. Die kinetischen Beziehungen zwischen RNase-Denaturierung und mRNS-Konservierung während deren Extraktion aus den Zellen war zum Zeitpunkt der Erfindung offenbar noch nicht erkannt. Die obigen Erwägungen führen dahin, daß das bevorzugte Denaturierungsmittel ein solches wäre, das eine niedrige Schwellenkonzentration in Kombination mit hoher Wasserlöslichkeit besitzt. Aus diesem Grund wird Guanidiniumthiocyanat gegenüber Lithiumdiiodsalylat bevorzugt, obgleich letztere Verbindung ein stärkeres Denaturierungsmittel ist, da die Löslichkeit des Guanidiniumthiocyanats wesentlich höher ist und man es daher in einer Konzentration anwenden kann, die eine raschere RNase-Inaktivierung erlaubt. Obige Erwägungen erklären auch die Bevorzugung von Guanidiniumthiocyanat vor dem vergleichsweise löslichen Hydrochlorid, da ersteres ein etwas stärkeres Denaturierungsmittel ist.In the inhibition of RNase during RNA extraction from cells or tissues is the action of a chaotropic salt directly depending on his concentration. The preferred concentration is therefore the highest possible concentration. The success of inventive method with respect to conservation intact mRNA during extraction is believed to be due the rapid denaturation of RNase and the extent of denaturation. This may explain the superiority of Guanidinium thiocyanate towards the hydrochloride, despite the fact that the hydrochloride is used as a denaturant only slightly weaker. The effectiveness of a denaturant is defined as the threshold concentration used for complete denaturation of a protein is needed. On the other hand, the speed of denaturation depends numerous proteins from the concentration of the denaturant with regard to the threshold concentration, increased from the fifth to the tenth power; see. Tanford, C.A., Adv. Prot. Chem. 23, 121 (1968). This relationship gives qualitatively, that only slightly stronger Denaturant as guanidinium hydrochloride Protein at the same concentration many times over can denature faster. The kinetic relationships between RNase denaturation and mRNA preservation during their extraction from the cells was at the time of the invention apparently not recognized yet. The above considerations lead to the fact that the preferred denaturant a Such would be a low threshold concentration in Combination with high water solubility possesses. For this Reason is guanidinium thiocyanate over Lithiumdiiodsalylat although the latter compound is stronger Denaturant is because the solubility of guanidinium thiocyanate is much higher and therefore it is in one Concentration may be applied, allowing for faster RNase inactivation allowed. The above considerations also explain the preference of guanidinium thiocyanate before the comparatively soluble Hydrochloride, the former being a slightly stronger denaturant is.
Die Verwendung eines Disulfidbindungen spaltenden Mittels in Kombination mit einem Denaturierungsmittel verstärkt und erhöht die Wirkung des letzteren, indem auf diese Weise das RNase-Molekül vollständig entfaltet wird. Die Thiolverbindung beschleunigt den Fortgang des Denaturierungsprozesses, indem sie eine schnelle Renaturierung verhindert, die eintreten kann, falls die intramolekularen Disulfidbindungen intakt bleiben. Ferner wird jede im mRNS-Präparat zurückbleibende und dieses verunreinigende RNase praktisch inaktiv, auch in Abwesenheit von Denaturierungsmittel und Thiol. Disulfidbindungen spaltende Mittel mit Thiolgruppen sind bei jeder Konzentration in gewissem Ausmaß wirksam, doch wird im allgemeinen ein großer Überschuß an Thiolgruppen gegenüber den intramolekularen Disulfidbindungen bevorzugt, damit die Gleichgewichtsreaktion in Richtung der Disulfidspaltung abläuft. Andererseits sind zahlreiche Thiolverbindungen übelriechend und unangenehm bei hohen Konzentrationen zu verarbeiten, so daß für die Praxis eine obere Konzentrationsgrenze entsteht. Beim b-Merkaptoethanol erwiesen sich Konzentration im Bereich von 0,05 M bis 1,0 M als wirksam.The use of a disulfide bond-cleaving agent in combination with a denaturant enhances and enhances the effect of the latter, thus fully unfolding the RNase molecule. The thiol compound accelerates the progress of the denaturation process by preventing rapid renaturation, which may occur if the intramolecular disulfide bonds remain intact. Furthermore, any RNase remaining and contaminating the mRNA preparation becomes virtually inactive, even in the absence of denaturant and thiol. Thiol group disulfide bond-cleaving agents are effective to some extent at any concentration, but generally, a large excess of thiol groups over the intramolecular disulfide bonds is preferred for the equilibrium reaction to proceed in the direction of disulfide cleavage. On the other hand, many thiol compounds are malodorous and unpleasant to process at high concentrations, so that in practice arises an upper concentration limit. For the b- mercaptoethanol, concentrations in the range of 0.05M to 1.0M were found to be effective.
Der pH-Wert des Mediums während der mRNS-Extraktion aus den Zellen kann im Bereich von pH 5,0 bis 8,0 liegen.The pH of the medium during mRNA extraction from the Cells can range from pH 5.0 to 8.0.
Nach dem Aufbrechen der Zellen wird die RNS aus der Masse aus Zellprotein und DNS abgesondert. Zu diesem Zweck sind mehrere Verfahren bekannt, die sämtlich geeignet sind. Eine übliche Praxis ist ein Ausfällverfahren mit Ethanol, bei dem die RNS selektiv ausfällt. Bevorzugt wird erfindungsgemäß die Ausfällstufe umgangen und das Homogenisat direkt auf eine 5,7molare Cäsiumchloridlösung, die sich in einem Zentrifugenröhrchen befindet, aufgeschichtet, worauf Zentrifugierung erfolgt; vgl. die Beschreibung von Glisin, V., Crkvenjakov, R., und Byus, C., Biochemistry 13, 2633 (1974). Diese Methode wird bevorzugt, da sie stetig eine für RNase ungünstige Umgebung aufrechterhält, so daß man die RNS in hoher Ausbeute und frei von DNS und Protein gewinnt. After rupturing the cells, the RNA is removed from the mass separated from cell protein and DNA. For this purpose are Several methods are known, all of which are suitable. A common practice is a precipitation process with ethanol, where the RNA precipitates selectively. Preference is given to the invention bypassed the precipitation stage and the homogenate directly to a 5.7molare cesium chloride solution, which in a Centrifuge tube is located, piled, followed by centrifugation he follows; see. the description of glisine, V., Crkvenjakov, R., and Byus, C., Biochemistry 13, 2633 (1974). This method is preferred because it is consistently one for RNase maintains unfavorable environment, so that the RNA in high yield and free of DNA and protein gains.
Die obigen Verfahren führen zur Reinigung der gesamten RNS aus dem Zellhomogenisat. Nur ein Teil dieser RNS ist jedoch die erwünschte mRNS. Um diese mRNS weiter zu reinigen, benutzt man die Tatsache, daß in den Zellen höherer Organismen mRNS nach der Transcription in der Zelle weiterverarbeitet wird unter Bindung mit Polyadenylsäure. Derartige mRNS mit daran gebundenen Poly-A-Sequenzen kann selektiv isoliert werden durch Chromatographieren an Säulen mit Cellulose, an die Oligo-thymidylat gebunden ist, siehe Aviv, H., und Leder, P., loc. cit. Die vorstehenden Verfahren liefern im wesentlichen reine, intakte mRNS aus Ausgangsmaterialien, die an RNase reich sind. Die Reinigung der mRNS und die folgenden in vitro durchgeführten Stufen können mit jeder mRNS, unabhängig ihres Herkunftsorganismus, in praktisch gleicher Weise ausgeführt werden.The above procedures result in purification of the entire RNA from the cell homogenate. However, only part of this RNA is the desired mRNA. To further purify this mRNA, used one the fact that in the cells of higher organisms mRNA after transcription in the cell further processed becomes under binding with polyadenylic acid. Such mRNA with attached poly A sequences can be selectively isolated are chromatographed on columns of cellulose, to which oligo-thymidylate is attached, see Aviv, H., and Leather, P., loc. cit. The above processes provide in essential pure, intact mRNAs from starting materials, that are rich in RNase. The cleaning of the mRNA and the following in vitro steps can be performed with each mRNA, regardless of its source organism, in practical be carried out in the same way.
Unter bestimmten Bedingungen, zum Beispiel bei der Verwendung von Zellen aus Gewebekulturen als Quelle der mRNS, kann die Verunreinigung mit RNase so niedrig sein, daß obige Stufe der RNase-Inhibierung nicht erforderlich ist. In diesen Fällen können die Methoden des Standes der Technik zur Verminderung der RNase-Aktivität ausreichen.Under certain conditions, for example when using of cells from tissue culture as a source of mRNA, the contamination with RNase may be so low that above stage of RNase inhibition is not required. In these cases, the methods of the prior art sufficient to reduce the RNase activity.
Fig. 1 ist eine schematische Wiedergabe der restlichen Stufen des Verfahrens. Die erste Stufe besteht in der Bildung einer DNS-Sequenz, die zur gereinigten mRNS komplementär ist. Als Enzym wählt man für diese Reaktion reverse Transcriptase, obgleich im Prinzip jedes Enzym verwendet werden könnte, das zur Bildung eines komplementären DNS-Stranges aufgrund der als Matrize verwendeten mRNS fähig ist. Die Reaktion kann unter den bekannten Bedingungen ausgeführt werden, wobei man die mRNS als Matrize und ein Gemisch der vier Deoxynucleosid- triphosphate als Vorläufer des DNS-Stranges einsetzt. Zweckmäßig wird eines der Deoxynucleosid-triphosphate in α- Stellung mit 32p markiert, um den Reaktionsverlauf verfolgen und die Aufarbeitung und Abtrennung, zum Beispiel durch Chromatographieren und Elektrophorese, kontrollieren und quantitative Ausbeuteangaben machen zu können; vgl. Efstratiadis, A., et al., loc. cit. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, erhält man als Produkt der Reaktion mit der reversen Transcriptase eine doppelsträngige Haarnadelform mit nicht-covalenter Bindung zwischen dem RNS-Strang und dem DNS-Strang. Fig. 1 is a schematic representation of the remaining stages of the process. The first step is the formation of a DNA sequence that is complementary to the purified mRNA. The enzyme chosen for this reaction is reverse transcriptase, although in principle any enzyme capable of forming a complementary strand of DNA due to the mRNA used as the template could be used. The reaction can be carried out under the known conditions, using the mRNA as template and a mixture of the four deoxynucleoside triphosphates as precursors of the DNA strand. Suitably, one of the deoxynucleoside triphosphates in α - position with 32 p marked to follow the course of the reaction and the workup and separation, for example by chromatography and electrophoresis, to control and make quantitative yield data can; see. Efstratiadis, A., et al., Loc. cit. As can be seen from the drawing, the product of the reaction with the reverse transcriptase is a double-stranded hairpin with noncovalent binding between the RNA strand and the DNA strand.
Das Produkt der Reaktion mit der reversen Transcriptase wird nach Standardverfahren aus dem Reaktionsgemisch gewonnen. Zweckmäßig verwendet man eine Kombination aus Phenolextraktion, Chromatographieren an "Sephadex G-100" und Ausfällung mit Ethanol.The product of the reaction with the reverse transcriptase is recovered from the reaction mixture by standard procedures. Appropriately, one uses a combination of Phenol extraction, Chromatography on "Sephadex G-100" and precipitation with ethanol.
Sobald die cDNS enzymatisch synthetisiert ist, kann die RNS-Matrize entfernt werden. Zahlreiche Verfahren zum selektiven Abbau von RNS in Gegenwart von DNS sind bekannt. Das bevorzugte Verfahren ist eine alkalische Hydrolyse, die hochselektiv ist und durch pH-Einstellung leicht gesteuert werden kann.Once the cDNA is enzymatically synthesized, the RNA template are removed. Numerous methods for selective degradation of RNA in the presence of DNA are known. The preferred method is alkaline hydrolysis, which is highly selective and easily controlled by pH adjustment can be.
Nach der alkalischen Hydrolyse und anschließenden Neutralisierung kann die mit 32p markierte cDNS durch Ausfällung mit Ethanol konzentriert werden, falls dies erwünscht ist.After the alkaline hydrolysis and subsequent neutralization of the 32 p-labeled cDNA may be concentrated by precipitation with ethanol, if desired.
Die Synthese einer doppelsträngigen haarnadelförmigen cDNS erfolgt unter Verwendung des entsprechenden Enzyms, zum Beispiel mit DNS-Polymerase ode reverser Transcriptase. The synthesis of a double-stranded hairpin-shaped cDNA is done using the appropriate enzyme, for Example with DNA polymerase or reverse transcriptase.
Die Reaktionsbedingungen sind ähnlich wie vorstehend beschrieben, einschließlich der Verwendung eines in a-Stellung mit 32p markierten Nucleosid-triphosphats. Die reverse Transcriptase ist aus verschiedenen Quellen erhältlich, zum Beispiel aus Vogel-Myeloblastosisvirus (das Virus ist erhältlich von der Life Sciences Incorporated, St. Petersburg, Florida, die es gemäß einem Vertrag mit den National Institutes of Health produziert).The reaction conditions are similar to that described above, including the use of a labeled in a position with 32 P nucleoside triphosphate. Reverse transcriptase is available from a variety of sources, for example from avian myeloblastosis virus (the virus is available from Life Sciences Incorporated, St. Petersburg, Florida, which produces it under a contract with the National Institutes of Health).
Nach der Bildung der cDNS-Haarnadel kann es empfehlenswert sein, die DNS aus dem Reaktionsgemisch rein zu gewinnen. Auch hier kann man zweckmäßig Phenolextraktion, Chromatographieren an "Sephatex G-100" und Ausfällung mit Ethanol zur Reinigung des DNS-Produktes und Befreiung von verunreinigendem Protein verwenden.After the formation of the cDNA hairpin it may be recommended be to extract the DNA from the reaction mixture purely. Again, you can conveniently phenol extraction, chromatography on "Sephatex G-100" and precipitation with ethanol for purification of the DNA product and liberation of pollutants Use protein.
Die Haarnadelstruktur kann in eine übliche doppelsträngige DNS überführt werden, indem man die einsträngige Schleife, die die Enden komplementärer Stränge verbindet, entfernt. Zu diesem Zweck stehen verschiedene Enzyme zur Verfügung, die eine spezifische hydrolytische Spaltung einsträngiger DNS-Bereiche bewirken. Ein für diesen Zweck geeignetes Enzym ist die S1-Nuclease aus Aspergillus oryzae (das Enzym kann von der Miles Research Products, Elkhart, Indiana, bezogen werden). Die Behandlung der haarnadelförmigen DNS mit S1-Nuclease führt in hohen Ausbeuten zu cDNS-Molekülen mit basengepaarten Enden. Extraktion, Chromatographieren und Ausfällung mit Ethanol erfolgen wie vorstehend beschrieben. Die Verwendung von reverser Transcriptase und S1-Nuclease bei Synthesen doppelsträngiger cDNS-Übertragungen von mRNS wurde von Efstratiadis et al., loc. cit, beschrieben. The hairpin structure can be transformed into a common double-stranded one DNA can be transferred by using the single-stranded loop, which connects the ends of complementary strands removed. Various enzymes are available for this purpose the one specific hydrolytic cleavage single-stranded Cause DNS areas. One suitable for this purpose Enzyme is the S1 nuclease from Aspergillus oryzae (the Enzyme may be obtained from Miles Research Products, Elkhart, Indiana, be obtained). The treatment of hairpin DNA with S1 nuclease leads to high yields of cDNA molecules with base-paired ends. Extraction, Chromatography and ethanol precipitation as described above. The use of reverse transcriptase and S1 nuclease in syntheses of double-stranded cDNA transmissions of mRNA was reported by Efstratiadis et al., loc. cit.
Gegebenenfalls kann man den Anteil an cDNS-Molekülen mit stumpfen Enden erhöhen durch eine Behandlung mit E. coli-DNS- Polymerase I in Gegenwart der vier Deoxynucleosid-triphosphate. Die Kombination von Exonuclease- und Polymerase- Aktivität des Enzyms führt zur Entfernung sämtlicher hervorstehender 3′-Enden und zum Auffüllen sämtlicher hervorstehender 5′-Enden. Auf diese Weise wird die Teilnahme der Hauptmenge der cDNS-Moleküle an den folgenden Verknüpfungsreaktionen sichergestellt.Optionally, the proportion of cDNA molecules with blunt ends increase by treatment with E. coli DNA Polymerase I in the presence of the four deoxynucleoside triphosphates. The combination of exonuclease and polymerase Activity of the enzyme leads to the removal of all protruding 3 'ends and to fill up all protruding 5 'ends. In this way, the participation of the Major amount of cDNA molecules in the following linkage reactions ensured.
Die nächste Verfahrensstufe besteht in der Behandlung der Enden des cDNS-Produktes derart, daß geeignete Sequenzen an jedem Ende stehen, die eine Erkennungsstelle für eine Restriktions-endonuclease aufweisen. Die Wahl des an die Enden zu addierenden DNS-Fragments bestimmt sich durch Zweckmäßigkeitsgründe in der Handhabung. Die an die Enden zu addierende Sequenz wird entsprechend der gewählten Restriktions-endonuclease ausgewählt, und diese Wahl basiert wiederum auf der Wahl des DNS-Vektors, mit dem die cDNS zu rekombinieren ist. Das gewählte Plasmid sollte mindestens eine Stelle besitzen, die auf die Spaltung durch Restriktions-endonuclease anspricht. Das Plasmid pMB9 besitzt zum Beispiel eine Erkennungsstelle für das Enzym Hind III. Hind III wird aus Hemophilus influenza isoliert und nach dem Verfahren von Smith, H. O., und Wilcox, K. W., J. Mol. Biol. 51, 379 (1970), gereinigt. Das Enzym Hae III aus Hemophilus aegyptious wird nach dem Verfahren von Middleton, J. H., Edgell, M. H., und Hutchinson III, C. A., J. Virol. 10, 42 (1972), gereinigt. Ein Enzym aus Hemophilus suis, das als Hsu I bezeichnet wird, katalysiert die Hydrolyse an den gleichen Erkennungsstellen wie Hind III. Diese beiden Enzyme werden daher als funktional austauschbar betrachtet. The next stage of the procedure is the treatment of Ends of the cDNA product such that appropriate sequences standing at each end, which is a recognition point for one Restriction endonuclease have. The choice of the to Ends to be added DNA fragment is determined by Practical reasons in the handling. The at the ends sequence to be added will be selected according to the selected Restriction endonuclease selected, and this choice is based turn on the choice of the DNA vector with which the cDNA to recombine. The chosen plasmid should be at least own a post that is due to the split Restriction endonuclease responsive. The plasmid pMB9 has, for example, a recognition site for the enzyme Hind III. Hind III is isolated from Hemophilus influenza and by the method of Smith, H.O., and Wilcox, K.W., J. Mol. Biol. 51, 379 (1970). The enzyme Hae III out Hemophilus aegyptious is produced by the method of Middleton, J.H., Edgell, M.H., and Hutchinson III, C.A., J. Virol. 10, 42 (1972), purified. An enzyme from Hemophilus suis known as Hsu I, catalyzes the hydrolysis to the Same recognition sites as Hind III. These two enzymes are therefore considered to be functionally interchangeable.
Zweckmäßig verwendet man ein chemisch synthetisiertes doppelsträngiges Decanucleotid mit der Erkennungssequenz für Hind III zur Bindung an die Enden des cDNS-Doppelstranges. Das doppelsträngige Decanucleotid besitzt die in Fig. 1 dargestellte Sequenz, vgl. Heyneker, H. L., et al., und Scheller, R. H., et al., loc. cit. Verschiedene solcher synthetischen Sequenzen mit Erkennungsstellen stehen heute zur Verfügung, so daß man die Enden der doppelten DNS so präparieren kann, daß sie auf die Einwirkung einer der zahlreichen Restriktions-Endonucleasen ansprechen.Conveniently, a chemically synthesized double-stranded decanucleotide having the recognition sequence for Hind III is used to bind to the ends of the cDNA double strand. The double-stranded decanucleotide has the sequence shown in FIG. 1, cf. Heyneker, HL, et al., And Scheller, RH, et al., Loc. cit. Several such synthetic recognition site sequences are available today so that the ends of the double DNA can be prepared to respond to the action of one of the numerous restriction endonucleases.
Die Bindung der Erkennungsstellensequenz an die Enden der cDNS kann auf bekanntem Weg erfolgen. Das Verfahren der Wahl ist eine Reaktion, die als "Verknüpfung stumpfer Enden" bezeichnet und von einer DNS-Ligase katalysiert wird, die nach der Methode von Panet, A., et al., Biochemistry 12, 5045 (1973), gereinigt worden war. Die Reaktion der Verknüpfung stumpfer Enden wurde von Sgaramella, V., et al., loc. cit., beschrieben. Das Produkt der Verknüpfung einer cDNS mit stumpfen Enden mit einem großen molaren Überschuß eines doppelsträngigen Decanucleotids mit einer Hind-III- Endonuclease-Erkennungsstelle ist eine cDNS mit dieser Hind-III- Erkennungssequenz an jedem Ende. Die Behandlung des Reaktionsproduktes mit Hind-III-Endonuclease führt zur Spaltung an der Erkennungsstelle und Bildung einsträngiger selbst-komplementärer 5′-Enden, siehe Fig. 1.The binding of the recognition site sequence to the ends of the cDNA can be done in a known way. The method of choice is a reaction called "blunt-end linkage" which is catalyzed by a DNA ligase purified by the method of Panet, A., et al., Biochemistry 12, 5045 (1973) , The blunt-end junction reaction was reported by Sgaramella, V., et al., Loc. cit., described. The product of linking a blunt-ended cDNA to a large molar excess of a double-stranded decanucleotide having a Hind III endonuclease recognition site is a cDNA with this Hind III recognition sequence at each end. Treatment of the reaction product with Hind III endonuclease results in cleavage at the recognition site and formation of single-stranded self-complementary 5 'ends, see FIG. 1.
Im Prinzip können eine vielzahl Viren- und Plasmid-DNS zur Neukombination mit der auf vorstehend beschriebene Weise hergestellten cDNS verwendet werden. Die Grundvoraussetzungen bestehen darin, daß der DNS-Transfer-Vektor zum Eintritt in eine Wirtszelle befähigt sein muß, seine Replikation in der Wirtszelle erfolgt und daß er außerdem eine genetische Bestimmungsgröße besitzt, die es ermöglicht, diejenigen Wirtszellen, die den Vektor aufgenommen haben, auszusondern. Aus Gründen der öffentlichen Sicherheit sollte der Auswahlbereich eingeschränkt werden auf solche Transfer-Vektorarten, die für die jeweiligen Versuche geeignet erscheinen, entsprechend den vorstehend erwähnten Richtlinien der National Institutes of Health. Die Liste genehmigter DNS-Transfer- Vektoren wird ständig erweitert, da neue Vektoren entwickelt und vom entsprechenden Komitee der National Institutes of Health anerkannt wurden. Erfindungsgemäß ist selbstverständlich die Verwendung jeglicher Viren- und Plasmid-DNS vorgesehen, die die beschriebenen Fähigkeiten besitzen, einschließlich solcher, deren Genehmigung noch bevorsteht. Geeignete Transfer-Vektoren, deren Verwendung heute genehmigt ist, sind verschiedene Derivate von Bakteriophagen λ (vgl. zum Beispiel Blattner, F. R., Williams, B. G., Blechl, A. E., Denniston-Thompson, K., Faber, H. E., Furlong, L. A., Grunwald, D. J., Kiefer, D. O., Moore, D. D., Schumm, J. W., Sheldon, E. L., und Smithies, O., Science 196, 161 [1977]) und Derivate des Plasmids col El (vgl. zum Beispiel Rodriguez, R. L., Bolivar, S., Goodman, H. M., Boyer, H. W., und Betlach, M. N., ICN-UCLA Symposium on Molecular Mechanisms In The Control of Gene Expression, D. P., Nierlich, W. J., Rutter, C. F., Fox. Eds., Academic Press, NY, 1976, S. 471-477). Plasmide aus col El sind relativ klein, sie besitzen Molekulargewichte in der Größenordnung weniger Millionen und haben die Eigenschaft, daß die Anzahl der Kopien von Plasmid-DNS pro Wirtszelle von 20 bis 40 unter Normalbedingungen auf 1000 oder mehr erhöht werden kann, wenn man die Wirtszelle mit Chloramphenicol behandelt. Die Fähigkeit zur Erhöhung der Genmenge in der Wirtszelle erlaubt es unter bestimmten Umständen, unter der Kontrolle des Experimentators die Wirtszelle zu veranlassen, daß sie hauptsächlich Proteine erzeugt, die von den Genen auf dem Plasmid codiert werden. Derartige Derivate von col El sind daher bevorzugte Transfer-Vektoren gemäß der Erfindung. Zu den geeigneten Derivaten von col El gehören die Plasmide pMB-9, die das Gen für Tetracyclinresistenz tragen, und pBR-313, pBR-315, pBR-316, pBR-317 und pBR-322, die außer dem Tetracyclin-Resistenzgen ein Gen für Ampicillinresistenz besitzen. Die Anwesenheit von Arzneimittelresistenz-Genen stellt eine zweckmäßige Möglichkeit zur Auswahl der Zellen dar, die mit Erfolg vom Plasmid befallen wurden, da Kolonien dieser Zellen in Gegenwart der Wirkstoffe wachsen, während Zellen ohne das Plasmid nicht wachsen bzw. keine Kolonien bilden. In den Beispielen dieser Beschreibung wurde stets ein Plasmid aus col El verwendet, das zusätzlich zum Arzneimittelresistenz- Gen eine Hind-III-Erkennungsstelle besaß.In principle, a variety of viral and plasmid DNA can be used to recombine with the cDNA prepared as described above. The basic prerequisites are that the DNA transfer vector must be capable of entering a host cell, replicated in the host cell, and also having a genetic determinant that allows for the outgrowth of those host cells that have taken up the vector , For reasons of public safety, the range of selection should be limited to those transfer vector species that appear appropriate for the particular experiment, in accordance with the aforementioned guidelines of the National Institutes of Health. The list of approved DNA transfer vectors is constantly expanding as new vectors have been developed and approved by the National Institutes of Health's equivalent committee. Of course, the invention contemplates the use of any virus and plasmid DNA having the described capabilities, including those whose approval is yet to come. Suitable transfer vectors, the use of which is approved today, are various derivatives of bacteriophage λ (cf., for example, Blattner, FR, Williams, BG, Blechl, AE, Denniston-Thompson, K., Faber, HE, Furlong, LA, Grunwald , DJ, Kiefer, DO, Moore, DD, Schumm, JW, Sheldon, EL, and Smithies, O., Science 196, 161 [1977]) and derivatives of the plasmid col El (see, for example, Rodriguez, RL, Bolivar, S., Goodman, HM, Boyer, HW, and Betlach, MN, ICN-UCLA Symposium on Molecular Mechanisms in the Control of Gene Expression, DP, Nierlich, WJ, Rutter, CF, Fox, Eds., Academic Press, NY 1976, p. 471-477). Plasmids from col E1 are relatively small, have molecular weights on the order of less than millions, and have the property that the number of copies of plasmid DNA per host cell can be increased from 20 to 40 under normal conditions to 1000 or more when using the host cell treated with chloramphenicol. The ability to increase the amount of gene in the host cell, under certain circumstances, allows the host cell under the control of the experimenter to produce mainly proteins encoded by the genes on the plasmid. Such derivatives of col El are therefore preferred transfer vectors according to the invention. Suitable derivatives of col El include plasmids pMB-9 bearing the gene for tetracycline resistance, and pBR-313, pBR-315, pBR-316, pBR-317, and pBR-322 which contain a gene other than the tetracycline resistance gene for ampicillin resistance. The presence of drug resistance genes is a convenient way to select the cells that have been successfully infested by the plasmid, as colonies of these cells grow in the presence of the drugs while cells without the plasmid do not grow or colonize. In the examples of this specification, a plasmid was always used from col El, which in addition to the drug resistance gene possessed a Hind III recognition site.
Wie beim Plasmid, kann auch die Wahl des geeigneten Wirtes aus einem sehr breiten Spektrum erfolgen, wobei der Bereich aus Gründen der öffentlichen Sicherheit jedoch eng begrenzt wurde. Ein E.coli-Stamm mit der Bezeichnung X-1776 wurde entwickelt und von den National Institutes of Health für Verfahren der beschriebenen Art genehmigt, wobei P2-Einrichtungen vorgeschrieben sind; vgl. Curtiss III, R., Ann. Rev. Microbiol. 30, 507 (1976). E.coli RR-1 kann verwendet werden, wenn P3-Einrichtungen vorhanden sind. Wie im Fall der Plasmide, sieht die Erfindung selbstverständlich die Verwendung von Stämmen jeglicher Wirtszellen vor, die zur Beherbergung des gewählten Vektors dienen können, einschließlich Protisten und anderer Bakterien, zum Beispiel Hefen. As with the plasmid, may also be the choice of the appropriate host taken from a very broad spectrum, the area However, for reasons of public security, close was limited. An E. coli strain called X-1776 was developed and approved by the National Institutes of Health approved for methods of the type described, P2 devices are required; see. Curtiss III, R., Ann. Rev. Microbiol. 30, 507 (1976). E. coli RR-1 can be used when there are P3 facilities. As in the case of plasmids, the invention will be understood the use of strains of any host cells that can serve to accommodate the chosen vector, including Protists and other bacteria, for example Yeasts.
Rekombinierte Plasmide werden erhalten, indem man mit Restriktions-Endonuclease behandelte Plasmid-DNS mit cDNS vermischt, wobei beide analog behandelte Endgruppen enthalten. Um die Möglichkeit, daß cDNS-Segmente Kombinationen miteinander eingehen, minimal zu halten, wird die Plasmid-DNS in molarem Überschuß über die cDNS eingesetzt. Diese Arbeitsweise hat bisher dazu geführt, daß die Hauptmenge der Plasmide ohne ein inseriertes cDNS-Fragment zirkuliert. Die anschließend transformierten Zellen enthalten dann hauptsächlich Plasmid und keine mit cDNS neukombinierten Plasmide. Das Ergebnis ist ein sehr langwieriger und zeitraubender Selektionsvorgang. Gemäß Stand der Technik wurde dieses Problem gelöst, indem man versuchte, DNS-Vektoren herzustellen mit einer Erkennungsstelle für die Restriktions-Endonuclease in der Mitte eines geeigneten Markierungsgens derart, daß die Insertion der cDNS das Gen teilt, wodurch Verlust der vom Gen codierten Funktion eintritt.Recombinant plasmids are obtained by mixing with Restriction endonuclease treated with plasmid DNA cDNS mixed, both analog end groups contain. To the possibility that cDNA segments combinations to go into each other, to keep it minimal the plasmid DNA was used in molar excess via the cDNA. This way of working has so far that the bulk of the plasmids without an inserted cDNA fragment circulates. The subsequently transformed Cells then contain mainly plasmid and no plasmids recombined with cDNA. The result is a very lengthy and time-consuming selection process. According to the prior art, this problem has been solved by one tried to make DNA vectors with a recognition site for the restriction endonuclease in the middle of a suitable labeling gene such that the insertion of the cDNA shares the gene, resulting in loss of the gene encoded by the gene Function occurs.
Vorzugsweise wird eine Methode zur Herabsetzung der Kolonienzahl, die auf neukombinierte Plasmide zu untersuchen sind, angewandt. Hierbei behandelt man Plasmid-DNS, die mit der Restriktions-Endonuclease abgeschnitten wurde, mit alkalischer Phosphatase (handelsübliches Enzym). Durch die Behandlung mit alkalischer Phosphatase werden die 5′-terminalen Phosphatgruppen von den mit der Endonuclease erzeugten Enden des Plasmids entfernt, und die Selbstverknüpfung der Plasmid- DNS wird verhindert. Die Ringbildung und Transformation hängen somit von der Insertion eines DNS-Fragments ab, das 5′-phosphoylierte Enden aufweist. Dieses Verfahren setzt die relative Häufigkeit von Transformationen ohne Neukombination auf weniger als 1 bis 10+4 herab. Preferably, a method of decreasing colony counts to be examined for recombined plasmids is used. Here, plasmid DNA cut with the restriction endonuclease is treated with alkaline phosphatase (commercial enzyme). By treating with alkaline phosphatase, the 5'-terminal phosphate groups are removed from the endonuclease-generated ends of the plasmid, and self-assembly of the plasmid DNA is prevented. The ring formation and transformation thus depend on the insertion of a DNA fragment having 5'-phosphoylated ends. This method reduces the relative frequency of transformations without recombination to less than 1 to 10 +4 .
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Tatsache, daß die durch DNS-Ligase katalysierte Reaktion stattfindet zwischen einer 5′-Phosphat-DNS-Endgruppe und einer 3′-Hydroxyl-DNS-Endgruppe. Wird die terminale 5′-Phosphatgruppe entfernt, so tritt keine Bindungsreaktion ein. Ist doppelsträngige DNS zu verbinden, so sind zwei Situationen möglich, wie in Tabelle 1 gezeigt:The method according to the invention is based on the fact that the reaction catalyzed by DNA ligase takes place between a 5'-phosphate-DNA end group and a 3'-hydroxyl end group DNS. Becomes the terminal 5'-phosphate group removed, so no binding reaction occurs. Is to connect double-stranded DNS, so are two situations possible, as shown in Table 1:
In Tabelle 1 wird die doppelsträngige DNS schematisch durch zwei parallele Linien wiedergegeben, wobei die 5′- und 3′- Endgruppen je nachdem Hydroxyl- oder Phosphatgruppen aufweisen. Im Fall I liegen 5′-Phosphatgruppen an beiden reaktionsfähigen Endgruppen vor, mit dem Ergebnis, daß beide Stränge covalent gebunden werden. Im Fall II besitzt nur einer der zu verbindenden Stränge eine terminale 5′-Phosphatgruppe mit dem Ergebnis, daß eine einsträngige covalente Bindung erfolgt, während im anderen Strang eine Diskontinuität vorliegt. Der nicht-covalent verbundene Strang bleibt mit dem Molekül aufgrund von Wasserstoffbrücken zwischen komplementären Basenpaaren an den gegenüberliegenden Strängen in bekannter Weise verbunden. Im Fall III besitzt keines der Enden der Reaktionsteilnehmer eine 5′- Phosphatgruppe, so daß keine Bindungsreaktion eintreten kann.In Table 1, the double-stranded DNA is schematically indicated reproduced two parallel lines, with the 5 'and 3' End groups depending on hydroxyl or phosphate groups. In case I, 5'-phosphate groups are present on both reactive ones End groups, with the result that both Strands are covalently bound. In case II owns only one of the strands to be connected has a terminal 5'-phosphate group with the result that a single-stranded covalent Bonding occurs while in the other strand a discontinuity is present. The non-covalently linked strand remains with the molecule due to hydrogen bonding between complementary base pairs to the opposite Strands connected in a known manner. In case III owns none of the ends of the reactants has a 5'- Phosphate group, so that no binding reaction occur can.
Unerwünschte Bindungsreaktionen können daher verhindert werden, indem man entsprechende Enden der Reaktionsteilnehmer, deren Verbindung zu verhüten ist, behandelt unter Entfernung der 5′-Phosphatgruppen. Man kann jede Methode zur Entfernung von 5′-Phosphatgruppen anwenden, die die DNS nicht anderweitig beschädigt. Bevorzugt wird die durch das Enzym alkalische Phosphatase katalysierte Hydrolyse.Unwanted binding reactions can therefore be prevented by adding appropriate ends of the reactants, whose connection is to be prevented treated under Removal of the 5'-phosphate groups. You can do any method for the removal of 5 'phosphate groups that the DNS not otherwise damaged. Preferably, the hydrolysis catalyzed by the enzyme alkaline phosphatase.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ist auch dann brauchbar, wenn ein lineares DNS-Molekül in zwei Unterfragmente, typischerweise mit einer Restriktions-Endonuclease, zu spalten und dann in der originalen Sequenz zu rekonstruieren ist. Die Unterfragmente können gesonders gereinigt und die gewünschte Sequenz kann durch erneute Verbindung der Unterfragmente rekonstituiert werden. Das Enzym DNS- Ligase, das die End-an-Ende-Verknüpfung von DNS-Fragmenten katalysiert, kann zu diesem Zweck verwendet werden, vgl. Sgaramella, V., Van de Sande, J. H., und Khorana, H. G., Proc. Natl. Sci. USA 67, 1468 (1970). Sind die zu verbindenden Sequenzen nicht stumpf, so kann man die aus E.coli erhaltene Ligase verwenden, vgl. Modrich. P., und Lehman, I. R., J. Biol. Chem. 245, 3626 (1970). The process described above is also useful, if a linear DNA molecule is divided into two subfragments, typically with a restriction endonuclease, too cleave and then reconstruct in the original sequence is. The subfragments can be specially cleaned and the desired sequence can be reconnected the subfragments are reconstituted. The enzyme DNA Ligase, which is the end-to-end linkage of DNA fragments catalyzed, can be used for this purpose, cf. Sgaramella, V., Van de Sande, J.H., and Khorana, H.G., Proc. Natl. Sci. USA 67, 1468 (1970). Are the to be connected Sequences not blunt, so you can get those from E. coli Use ligase, cf. Modrich. P., and Lehman, I.R., J. Biol. Chem. 245, 3626 (1970).
Die Rekonstituierung der Originalsequenz aus durch Restriktions- Endonuclease erhaltenen Unterfragmente wird stark verbessert, wenn man eine Methode anwendet, die die Rekonstitution in falscher Sequenz verhütet. Dies geschieht durch Behandlung des cDNS-Fragments homogener Länge der gewünschten Sequenz mit einem Mittel, das die 5′-terminalen Phosphatgruppen der cDNS entfernt vor der Spaltung der homogenen cDNS mit einer Restriktions-Endonuclease. Man verwendet wieder bevorzugt alkalische Phosphatase. Die 5′-terminalen Phosphatgruppen sind eine strukturelle Vorbedingung für die spätere verbindende Wirkung der DNS-Ligase, die zur Rekonstituierung der gespaltenen Unterfragmente verwendet wird. Enden ohne 5′-terminale Phosphatgruppe können daher nicht covalent gebunden werden. Die DNS-Unterfragmente können nur an solchen Enden gebunden werden, die eine 5′-Phosphatgruppe besitzen.The reconstitution of the original sequence by restriction Endonuclease obtained subfragments becomes strong improved, if one uses a method, the reconstitution prevented in the wrong sequence. this happens by treating the cDNA fragment of homogeneous length desired sequence with an agent containing the 5'-terminal Phosphate groups of the cDNA removed before cleavage of the homogeneous cDNA with a restriction endonuclease. you again preferably uses alkaline phosphatase. The 5'-terminal phosphate groups are a structural prerequisite for the subsequent binding effect of DNA ligase, the reconstitution of the split subfragments is used. Ends without 5'-terminal phosphate group therefore can not be bound covalently. The DNA subfragments can only be bound to those ends that have a 5'-phosphate group.
Dieses Verfahren verhindert die wichtigste unerwünschte Bindungsreaktion, nämlich die Verbindung von zwei Fragmenten mit umgekehrter Sequenz, das heißt hinten-an-vorn statt vorn-an-hinten. Andere mögliche Nebenreaktionen wie Dimerisierung und Cyclisierung werden nicht verhindert, da diese in einer Reaktion vom Typ II gemäß Tabelle 1 erfolgen. Diese Nebenreaktionen sind weniger nachteilig, da sie zu physikalisch abtrennbaren und identifizierbaren Produkten führen, was bei der Neukombination in falscher Richtung nicht der Fall ist. This procedure prevents the most important unwanted Binding reaction, namely the joining of two fragments with reverse sequence, ie back-to-front instead front-to-rear. Other possible side reactions, such as dimerization and cyclization are not prevented as these in a Type II reaction according to Table 1. These Side reactions are less detrimental as they are too physical separable and identifiable products lead what to the new combination in the wrong direction is not the case.
Das beschriebene Verfahren ist allgemein anwendbar auf die Isolierung und Reinigung eines Gens aus einem höheren Organismus, einschließlich menschlicher Gene, dessen Transfer in einen Mikroorganismus und Replikation im Mikroorganismus. Auch neue rekombinierte Plasmide, die das gesamte oder einen Teil des isolierten Gens enthalten, werden beschrieben. Ferner werden bisher unbekannte neue Mikroorganismen beschrieben, die als Teil ihrer genetischen Ausstattung ein Gen eines höheren Organismus enthalten. Im Beispiel werden ferner rekombinante Plasmide charakterisiert, die Teile von menschlichem Wachstumshormongen enthalten sowie die die genannten Gene enthaltenden neuen Mikroorganismen.The described method is generally applicable to the Isolation and purification of a gene from a higher organism, including human genes, its transfer into a microorganism and replication in the microorganism. Also, new recombinant plasmids containing all or one Part of the isolated gene are described. Further previously unknown new microorganisms are described, the as part of their genetic makeup a gene of a higher one Contain organism. The example also recombinant plasmids characterizes the parts of human Contain growth hormone gene and the genes mentioned containing new microorganisms.
Die Isolierung von menschlicher Wachstumshormon-mRNS erfolgt im wesentlichen aus menschlichem Hypophysentumorgewebe. Fünf benigne Hypophysentumoren vom Menschen, die nach chirurgischer Entfernung in flüssigem Stickstoff eingefroren worden waren und von denen jeder 0,4 bis 1,5 g wog, wurden in 4molarer Guanidiniumthiocyanat-Lösung, die an Merkaptoethanol 1molar und auf pH 5,0 gepuffert worden war, bei 4°C aufgetaut und homogenisiert. Das Homogenisat wurde über 1,2 ml 5,7molare Cäsiumchloridlösung, die 100 mmol Ethylendiamintetraessigsäure enthielt, aufgeschichtet und 18 Std. bei 37 000 Umdrehungen/Minute im Rotor SW 50,1 einer Beckmann-Ultrazentrifuge bei 15°C zentrifugiert. Dabei gelangte die RNS auf den Boden des Zentrifugenrohres. Die weitere Reinigung erfolgte mit einer Säule mit Oligo-dT und Sucrose- Gradientensedimentation. Etwa 10% der so isolierten RNS codierten Wachstumshormon, wie abzuschätzen, war aus der Einverleibung eines radioaktiven Aminosäure-Vorläufers in Niederschlagsmaterial aus Antiwachstumshormon in einem zellfreien Translationssystem aus Weizenkeimen; vgl. Roberts, B. E., und Patterson, B. M., Proc. Nat. Acad. Sci. USA 70, 2330 (1973). Danach erfolgte die Herstellung der cDNS von menschlichem Wachstumshormon. Die cDNS wird durch die Gel-Elektrophorese fraktioniert, und das zu einer etwa 800 Nucleotiden Länge entsprechenden Stellung wandernde Material wird zur Klonierung ausgewählt. Diese Fraktion wird mit DNS-Polymerase I behandelt, dann erfolgt End- Addition der Hind-III-Bindeglieder. Die cDNS wird dann mit dem mit alkalischer Phosphatase behandelten Plasmid pBR-322 und DNS-Ligase rekombiniert. Mit der rekombinierten DNS wird E.coli X-1776 transformiert, und ein die Wachstumshormon-DNS enthaltender Stamm wird ausgewählt. Dieser Stamm wird in präparativen Mengen gezüchtet, die DNS wird daraus isoliert, und ihre Nucleotidsequenz wird bestimmt. Die klonierte Wachstumshormon-DNS enthält die die gesamte Aminosäuresequenz des menschlichen Wachstumshormons codierenden Nucleotide. Die ersten 23 Aminosäuren des menschlichen Wachstumshormons sindThe isolation of human growth hormone mRNA takes place essentially from human pituitary tumor tissue. Five benign pituitary tumors from humans, the Frozen after surgical removal in liquid nitrogen and each weighed 0.4 to 1.5 g, were in 4molar guanidinium thiocyanate solution, the Mercaptoethanol 1molar and buffered to pH 5.0, thawed at 4 ° C and homogenized. The homogenate was over 1.2 ml of 5.7 molar cesium chloride solution containing 100 mmol Ethylenediaminetetraacetic acid, layered and 18 hours at 37,000 revolutions / minute in rotor SW 50,1 one Beckmann ultracentrifuge centrifuged at 15 ° C. It arrived the RNA on the bottom of the centrifuge tube. The Further purification was carried out with a column of oligo-dT and sucrose. Gradient sedimentation. About 10% of the thus isolated RNA coded Growth hormone, as it was estimated, was out of the Incarnation a radioactive amino acid precursor in precipitate from anti-growth hormone in a cell-free translation system from wheat germ; see. Roberts, B.E., and Patterson, B.M., Proc. Nat. Acad. Sci. USA 70, 2330 (1973). This was followed by the production of the cDNA of human growth hormone. The cDNA is fractionated by gel electrophoresis, and that to a about 800 nucleotides in length corresponding position migrating material becomes Cloning selected. This fraction is treated with DNA polymerase I treated, then final Addition of the Hind III linkers. The cDNA is then with the alkaline phosphatase-treated plasmid pBR-322 and DNA ligase recombined. With the recombined DNA E. coli X-1776 is transformed, and a growth hormone DNA containing strain is selected. This strain is in bred, the DNA is isolated from it, and its nucleotide sequence is determined. The cloned Growth hormone DNA contains the entire amino acid sequence of the human growth hormone encoding nucleotides. The first 23 amino acids of human growth hormone are
Die restliche Sequenz zeigt die Tabelle 2: The remaining sequence is shown in Table 2:
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es erstmalig möglich, eine für ein spezifisches regulatorisches Protein eines höheren Organismus, wie zum Beispiel eines Wirbeltieres, codierende Nucleotidsequenz zu isolieren, ferner kann der Transfer der darin enthaltenen genetischen Information in einen Mikroorganismus ausgeführt werden, in welchem die unbegrenzte Replikation möglich ist. Das offenbarte Verfahren kann auf die Isolierung und Reinigung des menschlichen Wachstumshormongens und seinen Transfer in einen Mikroorganismus angewandt werden. Offenbart werden einige neue rekombinierte Plasmide, die in ihrer Nucleotidsequenz eine Struktur aufweisen, die durch Transcription aus einem Gen eines höheren Organismus erhalten wurde. Offenbart werden neue Mikroorganismen, die abgewandelt sind, so daß sie eine Nucleotidsequenz enthalten, die durch Transcription aus einem Gen eines höheren Organismus entstanden ist.The process according to the invention makes it the first time possible, one for a specific regulatory protein a higher organism, such as a vertebrate, further isolating the coding nucleotide sequence may be the transfer of the genetic information contained therein be carried out in a microorganism in which unlimited replication is possible. The disclosed method can be applied to the isolation and purification of the human growth hormone gene and its transfer into a microorganism be applied. Disclosed are some new recombined Plasmids which in their nucleotide sequence a Have structure by transcription from a Gene of a higher organism was obtained. Disclosed New microorganisms that are modified become so that they contain a nucleotide sequence which is characterized by Transcription from a gene of a higher organism originated.
Claims (4)
- (a) Hypophysenzellen, die menschliches Wachstumshormon codierende mRNS enthalten, isoliert,
- (b) die mRNS aus den Hypophysenzellen extrahiert in Gegenwart einer RNase-Inhibitor-Zusammensetzung, die ein chaotropes Kation, ein chaotropes Anion und ein Disulfidbindungen spaltendes Mittel enthält, wodurch der RNase-Abbau der mRNS verhindert wird,
- (c) die von Protein, DNS und anderer RNS im wesentlichen freie mRNS isoliert,
- (d) eine doppelsträngige cDNS synthetisiert, deren einer Strang eine der mRNS komplementäre Nucleotidsequenz besitzt, wobei man eine cDNS mit einer menschliches Wachstumshormon codierenden Nucleotidsequenz erhält,
- (e) einen DNS-Transfer-Vektor bereitstellt, der zur Bindung miteinander oder mit doppelsträngiger cDNS befähigte reaktionsfähige Enden besitzt, und
- (f) den DNS-Transfer-Vektor mit der doppelsträngigen cDNS mit einer menschliches Wachstumshormon codierenden Nucleotidsequenz verbindet,
- (a) Pituitary cells containing human growth hormone-encoding mRNA isolated,
- (b) extracting the mRNA from the pituitary cells in the presence of an RNase inhibitor composition containing a chaotropic cation, a chaotropic anion, and a disulfide bond-cleaving agent to prevent RNase degradation of the mRNA;
- (c) isolating the mRNA substantially free of protein, DNA and other RNA,
- (d) synthesizing a double-stranded cDNA whose one strand has a mRNA-complementary nucleotide sequence to obtain a cDNA encoding a nucleotide sequence encoding human growth hormone,
- (e) providing a DNA transfer vector which has reactive ends capable of binding with each other or with double-stranded cDNA, and
- (f) connecting the DNA transfer vector to the double-stranded cDNA with a nucleotide sequence encoding human growth hormone,
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