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Diese
Erfindung betrifft den schnellen Nachweis von Stämmen von Mycobacterium tuberculosis,
die gegenüber
Antibiotika, insbesondere Isoniazid, Rifampicin und Streptomycin,
resistent sind. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Verfahren
zum Nachweisen einer Antibiotikaresistenz in Mycobacterium tuberculosis, z.
B. entweder als Ergebnis von Mutationen in den relevanten Genen
oder durch Nukleinsäurehybridisierung. Diese
Erfindung betrifft auch eine Nukleinsäuresonde und einen Kit zum
Ausführen
der Nukleinsäurehybridisierung.
Die Erfindung betrifft ferner die chromosomale Lage des katG-Gens
und seine Nukleotidsequenz.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Trotz
mehr als einem Jahrhundert Forschung seit der Entdeckung von Mycobacterium
tuberculosis, dem ätiologischen
Mittel der Tuberkulose, durch Robert Koch bleibt diese Krankheit
eine der Hauptursachen von Morbidität und Mortalität beim Menschen.
Es gibt schätzungsweise
3 Millionen Tote, die jährlich
der Tuberkulose zugeschrieben werden können (Snider, 1989), und obwohl
sich die Hauptzahl von diesen in Entwicklungsländern befindet, gewinnt die
Krankheit erneute Bedeutung in den westlichen Ländern aufgrund der steigenden
Anzahl von Obdachlosen und den Auswirkungen der AIDS-Epidemie (Chaisson
et al., 1987; Snider und Roper, 1992).
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Isonikotinsäurehydrazid
oder Isoniazid (INH) ist in den letzten vierzig Jahren bei der Behandlung
von Tuberkulose aufgrund seiner hervorragenden Wirksamkeit gegen
die Mitglieder der ”Tuberkulose”-Gruppe – Mycobacterium
tuberculosis, M. bovis und M. africanum – verwendet worden (Middlebrook,
1952; Youatt, 1969). Weder der genaue Zielort des Arzneimittels
noch dessen Wirkungsweise sind bekannt und eine INH-Behandlung führt zu der
Störung
mehrerer Stoffwechselwege. Es gibt beträchtliche Beweise, die darauf hinweisen,
daß INH
als ein Antimetabolit von NAD und Pyridoxalphosphat wirken könnte (Bekierkunst
und Bricker, 1967; Sriprakash und Ramakrishnan, 1970; Winder und
Collins, 1968, 1969, 1970) und andere Daten weisen darauf hin, daß das Arzneimittel
die Synthese der Mycolsäuren
blockiert, die für
den säurefesten Charakter
der mycobakteriellen Zellwände
verantwortlich sind (Winder und Collins, 1970; Quemard et al., 1991). Kurz
nach seiner Einführung
traten INH-resistente Isolate von Mycobacterium tuberculosis auf
und bei ihrer Charakterisierung wurde oftmals festgestellt, daß diese
Katalase-Peroxidase-Aktivität
verloren hatten und verringerte Virulenz in Meerschweinchen zeigten
(Middlebrook et al., 1954; Kubica et al., 1968; Sriprakash und Ramakrishan,
1970).
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Unlängst hat
INH-Resistenz eine neue Bedeutung erworben aufgrund einer Tuberkulose-Epidemie
in den USA aufgrund von Varianten von M. tuberculosis, die gegenüber mehreren
Arzneimitteln resistent waren, (”multidrug”-resistente (MDR) Varianten)
(CDC, 1990; 1991a, b) und der Demonstration, daß solche Stämme für umfassende nosokomiale Infektionen
von HIV-infizierten Patienten und Beschäftigten im Bereich der medizinischen
Versorgung verantwortlich waren (Snider und Roper, 1992). Angesichts
der Schwere dieses Problems besteht ein Bedarf im Stand der Technik,
die Beziehung zwischen INH-Resistenz und Katalase-Peroxidase-Produktion zu bestimmen.
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Insbesondere
besteht ein Bedarf im Stand der Technik, die molekularen Mechanismen
zu verstehen, die an Arzneimittelempfindlichkeit beteiligt sind.
Zusätzlich
besteht ein Bedarf im Stand der Technik, einen einfachen Test zu
entwickeln, der die schnelle Identifizierung von INH-resistenten
Stämmen
ermöglicht.
Ferner besteht ein Bedarf im Stand der Technik an Reagenzien, um
einen solchen Test auszuführen.
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Gayathri
Devi, et al. (Biochem J. 1975) beschreibt die Aufreinigung eines
neuen Proteins, Y-Enzyms, in M. tuberculosis H37Rv, mit einer Katalase-
und Peroxidase-Aktivität,
und offenbart, dass der Verlust von INH-Aufnahme, Verlust von Katalase-,
Peroxidase-, Y-Enzym-Aktivitäten und
INH-Resistenz zusammenhängen.
In diesem Dokument ist kein Verfahren für den Nachweis einer solchen
Resistenz offenbart.
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Rifampicin
ist ebenfalls ein bedeutendes Antibiotikum, das für die Behandlung
von Infektionen durch Mycobakterium, insbesondere Mycobacterium
tuberculosis und Mycobacterium leprae, verwendet wird. Da einige
Mycobakterien sehr langsam wachsen, müssen mögliche schnelle und effiziente
Tests für
die Untersuchung von Resistenz gegen Rifampicin und Analoga davon
verfügbar
gemacht werden. In ähnlicher
Weise zielt die Erfindung auf einen schnellen Nachweis von Stämmen von
Mycobacterium tuberculosis, die gegen Streptomycin resistent sind,
ab. Aufgrund der Entwicklung von Resistenz gegen Streptomycin ist
das letztgenannte Antibiotikum zusammen mit anderen Antibiotika,
z. B. Isoniazid, verwendet worden. Folglich sollte einer adäquaten Behandlung
von Tuberkulose ein schneller und effizienter Nachweis von Resistenzen
gegen die drei Hauptantibiotika, Isoniazid, Rifampicin und Streptomycin,
vorangehen.
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Die
Offenbarung von Winder, et al. (in „The biology of Mycobacteria,
1982, Eds Ratledge & Stanford, Academic
Press, London, vol. 1, Chapter 8) betrifft die Wirkungsweise von
Rifampicin und Streptomycin in Mycobakterien, offenbart jedoch weder
den Wirkmechanismus dieser Antibiotika, noch ein Verfahren zum Nachweis
von Resistenz gegen diese.
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Dokument
Zhang, et al. (Nature, 1992) offenbart die Anwendung von mycobacterieller
Genetik zur Untersuchung der Grundlagen von INH-Resistenz, jedoch
nicht gegen Rifampicin und Streptomycin.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dementsprechend
trägt diese
Erfindung dazu bei, diese Bedürfnisse
im Stand der Technik zu erfüllen, indem
ein in vitro-Verfahren zum Nachweisen der Anwesenheit von Zellen
eines Mycobacterium tuberculosis, das gegen Isoniazid und andere
Arzneimittel, wie Rifampicin oder Analoga davon und Streptomycin,
resistent ist, bereitgestellt wird.
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Unter
Analoga von Rifampicin werden insbesondere Derivate von 3-Formylrifampicin,
insbesondere als Ergebnis einer Substitution des Griffs/Zügels gegen
den Substituenten, der entweder in der Naphtofuranonylgruppe vorliegt
oder der Seitenkette an Position 7 der Naphtofuranonylgruppe oder
durch Einfügung
oder Entfernung einer Doppelbindung in der Seitenkette, gemeint.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für den Nachweis von Resistenz
gegen ein Antibiotikum in einem Mycobakterium, welches umfaßt, eine
Mutation in einem Gen nachzuweisen, das ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend
das rpoB-Gen oder ein Fragment davon, wobei das Gen oder das Fragment
davon in der Lage ist, mit der in 13 gezeigten
Sequenz zu hybridisieren, und das rpsL-Gen oder ein Fragment davon,
wobei das Gen oder das Fragment davon in der Lage ist, mit der in 14 gezeigten Mycobacterium tuberculosis-Sequenz
z. B. hybridisieren.
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Gemäß der Erfindung
ist ein Verfahren umfasst zum Nachweisen der Anwesenheit von Nukleinsäuren eines
gegen Isoniazid resistenten Mycobacterium tuberculosis in vitro,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
- – Inkontaktbringen
der Nukleinsäuren,
die vorab, sofern erforderlich, zugänglich gemacht wurden, mit
einer Sonde unter Bedingungen, die eine Hybridisierung ermöglichen;
- – Nachweisen
von jeglicher Sonde, die mit den Nukleinsäuren hybridisiert hat;
wobei
die Sonde eine Nukleinsäuresequenz
umfaßt,
die ein 2,5 kb-EcoRV-KpnI-Fragment
von Plasmid pYZ56 ist, und wo bei das Fragment eine BamHI-Spaltstelle
enthält,
wobei ein Isoniazid-resistentes Mycobacterium tuberculosis keine
DNA enthält,
die mit diesem Fragment hybridisiert ist.
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Beispielsweise
umfasst dieses Verfahren die folgenden Schritte:
- (A)
Abscheiden und Fixieren von Nukleinsäuren der Zellen auf einem festen
Träger,
um die Nukleinsäuren für eine Sonde
zugänglich
zu machen,
- (B) Inkontaktbringen der fixierten Nukleinsäuren aus Schritt (A) mit einer
Sonde unter Bedingungen, die eine Hybridisierung erlauben,
- (C) Waschen des aus Schritt (B) resultierenden Filters, um jegliche
nicht hybridisierte Sonde zu entfernen, und dann
- (D) Nachweisen jeglicher hybridisierter Sonde auf dem aus Schritt
(C) resultierenden Filter.
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Die
Sonde umfaßt
eine Nukleinsäuresequenz,
die in einem 2,5 kb EcoRV-KpnI-Fragment von Plasmid pYZ56 vorliegt,
wobei das Fragment eine BamHI-Spaltstelle enthält. Es hat sich herausgestellt,
daß dieses Fragment
mit intrazellulärer
DNA von Isoniazid-empfindlichem Mycobacterium tuberculosis assoziiert
ist und in der Lage ist, solche Antibiotika-empfindlichen Mikroorganismen
von Isoniazid-resistentem Mycobacterium tuberculosis, das keine
DNA enthält,
die mit diesem Fragment unter den nachfolgend beschriebenen Bedingungen
hybridisiert, zu unterscheiden.
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Diese
Erfindung stellt ferner Nukleotidsequenzen, wie RNA und DNA, von
Isoniazid-resistentem Mycobacterium tuberculosis bereit, die den
Bereich des katG-Gens von Mycobacterium tuberculosis kodieren, der Empfindlichkeit
gegenüber
Isoniazid verleiht, und die Isoniazid-resistenten Zellen fehlen.
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Diese
Erfindung stellt auch eine Sonde bereit, bestehend aus einer Markierung,
wie einem Radionuklid, die an eine Nukleotidsequenz der Erfindung
gebunden ist.
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Zusätzlich stellt
diese Erfindung ein hybrides Doppelstrangmolekül bereit, bestehend im Wesentlichen aus
einer Sonde der Erfindung, die über
Wasserstoffbrücken
an eine Nukleotidsequenz von komplementärer Basensequenz, wie DNA oder
RNA, gebunden ist.
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Auch
stellt diese Erfindung ein Verfahren zum Selektieren einer Nukleotidsequenz,
die ein Katalase-Peroxidase-Gen von Mycobacterium tuberculosis oder
einen Abschnitt einer solchen Nukleotidsequenz ko diert, aus einer
Gruppe von Nukleotidsequenzen bereit, welches den Schritt umfaßt, zu bestimmen,
welche der Nukleotidsequenzen mit einer Sonde der Erfindung hybridisiert.
Die Nukleotidsequenz kann eine DNA-Sequenz oder eine RNA-Sequenz
sein. Das Verfahren kann den Schritt umfassen, eine Markierung an
der Nukleotidsequenz nachzuweisen.
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Die
Erfindung offenbart auch Verbindungen, die als Produkte der Wirkung
des Enzyms Katalase oder eines ähnlichen
Enzyms auf Isoniazid erhalten werden. Das katG-Gen oder ein Derivat
dieses Gens, das eine ähnliche
Aktivität
bewahrt, kann als Quelle für
Katalaseprotein verwendet werden. Die neuen Verbindungen werden
durch Reaktivität
gegenüber
INH-resistenten mycobakteriellen Stämmen durch die ”Antibiogram”-Methode, wie in H.
David et al., ”Methodes
de laboratoire pour Mycobacteriologie clinique”, herausgegeben vom Institut
Pasteur, ISBN Nr. 0995-2454, beschrieben, selektioniert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
Erfindung wird detaillierter unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 zeigt
den INH-resistenten M. smegmatis-Stamm, BH1 (Gayathri et al., 1975)
(ein Derivat von Stamm MC2-155) wurde transformiert
mit einem Pool von M. tuberculosis-H37Rv-Shuttle-Cosmiden (freundlicherweise
zur Verfügung
gestellt von Dr. W. R. Jacobs, New York) und individuelle Klone
hinsichtlich INH-Empfindlichkeit bewertet. Das Cosmid pBH4 verlieh
konsistent Arzneimittelempfindlichkeit und die Transformante zeigte
eine Überproduktion
von Katalase (bestimmt wie in Heym, 1992). Die Restriktionskarte
des DNA-Inserts aus pBH4 ist zusammen mit jener des Inserts aus
pYZ55 gezeigt – einem
Plasmid, das katG von M. tuberculosis H37Rv enthält, isoliert auf Grundlage
einer Hybridisierung mit einer Oligonukleotidsonde (5'-TTCATCCGCATGGCCTGGCACGGCGCGGGCACCTACCGC-3'), die so gestaltet
war, daß sie
mit der Aminosäuresequenz
aus einem konservierten Bereich von Hy droperoxidase I (HPI) aus
E. coli übereinstimmte.
Es sind Restriktionsstellen für
die folgenden Enzyme angegeben: B, BamHI; C, ClaI; E, EcoRV; H,
HindIII; K, KpnI; M, SmaI, N, NotI; R, EcoRI, S, SacI. Eine Transformation
von BH1 mit einem mycobakteriellen Shuttle-Plasmid, pBAK14, Zhang
et al., 1991, das das 4,5 kb-Insert aus pYZ55 enthielt, verlieh
in ähnlicher
Weise INH-Empfindlichkeit. MICs sind ebenfalls für BH1, transformiert mit Subfragmenten,
die von pYZ55 abgeleitet waren und in pBAK14 in der einen (+) oder
der anderen (–)
Orientierung insertiert worden sind, gezeigt. Das katG-Gen und die
Fähigkeit,
INH-Empfindlichkeit
zu verleihen, kartierten beide auf ein 2,9 kb EcoRV-KpnI-Fragment (pBAK-KE+).
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2 zeigt Extrakte von M. tuberculosis H37Rv
und von E. coli-Stämmen, die
mit einer Vielzahl von Plasmidkonstrukten transformiert worden sind,
die für
eine Aktivitäts-Gelanalyse,
wie bereits früher
beschrieben (Zhang et al., 1991), hergestellt worden waren. Nicht-denaturierende Gele,
die 8% Polyacrylamid enthielten, wurden auf Katalaseaktivität (Panel
A) und Peroxidaseaktivität
(Panel B) angefärbt,
wie von Wayne und Diaz beschrieben (Wayne et al., 1986). Bahn 1,
M. tuberculosis H37Rv; 2, E. coli UM2 (katE, katG); 3, E. coli UM2/pYZ55;
4, E. coli UM2/pYZ56 (das 2,9 kb EcoRV-KpnI-Fragment in pUC19, entsprechend
pBAK-KE+ in 1); 5, E. coli UM2/pYZ57 (pYZ55
mit einer BamHI-KpnI-Deletion, entsprechend pBAK-KB+ in 1).
M. tuberculosis-Katalase- und -Peroxidaseaktivitäten wanderten unter diesen
Bedingungen als zwei Banden (Bahn 1); das gleiche Muster wurde hinsichtlich
des rekombinierten Enzyms, das von pYZ55 exprimiert wurde, festgestellt
(Bahn 3). pYZ56 (Bahn 4) exprimiert ein Protein von erhöhtem Molekulargewicht
aufgrund einer Fusion zwischen katG und lacZ' aus dem Vektor, wie in Panel C gezeigt.
Panel C zeigt auch ein partielles Sequenzalignment mit E. coli HPI.
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3 zeigt
einen E. coli-Stamm mit Mutationen sowohl in katG als auch in katE
(UM2, Mulvey et al., 1988), der mit dem Vektor pUC19 allein, pYZ55,
der M. tuberculosis-katG exprimierte, und pYZ56 mit einem hohen
Niveau an Expression von M. tuberculosis-katG transformiert worden
war. Übernacht-Kulturen
in Luria-Bertani-Brühe,
ergänzt
mit geeigneten Antibiotika, wurden in Anwesenheit variierender Konzentrationen von
INH ausplattiert und koloniebildende Einheiten bestimmt. Ergebnisse
eines repräsentativen
Experiments sind mit Fehlerbalken, die die bei Dreifachproben beobachtete
Standardabweichung angeben, gezeigt. Eine Überexpression von M. tuberculosis-katG
verlieh in ähnli cher
Weise Empfindlichkeit gegenüber
hohen Konzentration an INH in E. coli UM255 (katG, katE, Mulvey
et al., 1988), hatte aber keinen Effekt auf Katalase-positive Stämme, wie
E. coli TG1. In einigen Experimenten hatten hohe Konzentrationen
von INH einen nachweisbaren inhibitorischen Effekt auf das Wachstum
von UM2 und UM255 allein, aber in allen Experimenten war die Inhibition
von pYZ56-Transformanten mindestens 10–100-fach größer als
jene, die in den entsprechenden Vektorkontrollen beobachtet wurde.
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4 zeigt Southern-Blots, hergestellt unter
Verwendung von genomischer DNA von verschiedenen M. tuberculosis-Stämmen, verdaut
mit KpnI, die mit (A) katG (dem 4,5 kb KpnI-Fragment) und (B) dem SOD-Gen
(1,1 kb EcoRI-KpnI-Fragment, Zhang et al., 1991) hybridisiert wurde.
Die Markierung von Sonden und die Verarbeitung von Blots wurde ausgeführt, wie
bereits früher
beschrieben (Eiglmeier et al., 1991; Maniatis et al., 1989). Bahn
1, H37Rv; 2, Stamm 12 – MIC
1,6 μg/ml
INH; 3, B1453 – MIC > 50 μg/ml INH
(Jackett et al., 1978); 4, Stamm 24 – MIC > 50 μg/ml
INH; 5, 79112 – INH-empfindlich
(Mitchison et al., 1963); 6, 12646 – INH-empfindlich (Mitchison
et al., 1963); 7, 79665 – INH-empfindlich (Mitchison
et al., 1963). INH-Empfindlichkeiten wurden durch Inokulation von
Lowenstein-Jensen-Schrägagarkulturen,
die unterschiedliche Konzentrationen an INH enthielten, bestätigt.
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5.
Organisation des katG-Genorts. Der obere Balken entspricht einem
Abschnitt des M. tuberculosis-Chromosoms, der den katG Bereich überspannt,
und die Positionen individueller Cosmide, die zur Konstruktion der
Karte verwendet wurden, sind unten zusammen mit dem ursprünglichen
Shuttle-Cosmid pBH4 und pYZ55 gezeigt. Die Lagen einiger Schlüssel-Restriktionsenzymstellen
(B, BamHI; K, KpnI) sind zusammen mit der ungefähren Lage der bekannten genetischen
Marker gezeigt: fbpB, das das alpha- oder 85-B-Antigen kodiert (Matsuo
et al., 1988); katG, Katalase-Peroxidase; LL105, ein anonymer λgt11-Klon,
der freundlicherweise von A. Andersen zur Verfügung gestellt worden ist; MPTR,
eine bedeutende polymorphe Tandemwiederholung (Hermans et al., 1992).
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6. A. Nukleotidsequenz des katG tragenden
KpnI-Fragments. Diese Sequenz ist bei der EMBL Daten-Bibliothek
unter der Aufnahme-Nummer
(”accession
number”)
X68081 hinterlegt worden. Die abgeleitete Proteinsequenz ist in
dem Ein-Buchstaben-Code gezeigt. B. Gegenseitig ausgerichtete Darstellung (”alignment”) der zwei
Kopien der direkten 700 bp-Wiederholung, wobei Identitäten als
* gezeigt sind und – Einfü gungsbereiche,
die zur Optimierung des ”alignment” eingeführt wurden,
bezeichnen. Die Numerierung bezieht sich auf die Positionen in 2A.
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7.
Verteilung von katG in Mycobakterien. A. Proben verschiedener bakterieller
DNAs (1,5 μg)
wurden mit RsrII verdaut, durch Agarose-Gelelektrophorese aufgetrennt
und mit Ethidiumbromid angefärbt;
Bahnen 1 und 7, Größenmarker;
M. leprae; Bahn 3, M. tuberculosis H37Rv; Bahn 4, M. gordonae; Bahn
5, M. szulgai; Bahn 6, M. avium. B. Hybridisierung des Gels in A
nach Southern-Blotting mit einer katG-spezifischen Sonde.
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8. Gegenseitig ausgerichtete Darstellung
(”alignment”) der Primärstruktur
von Katalase-Peroxidasen. Die Sequenzen stammen von M. tuberculosis
H37RV, mtkatg; E. coli, eckatg (Triggs-Raine et al., 1988); S. typhimurium,
stkatg; B. stearothermophilus, bspera (Loprasert et al., 1988) und
Cytochrom c-Peroxidase aus Hefe (ccp; Finzel et al., 1984). Die
gegenseitig ausgerichtete Darstellung (”alignment”) wurde unter Verwendung von
PILEUP und PRETTY (Devereux et al., 1984) erzeugt und . bezeichnet
Lücken,
die zur Maximierung der Homologie eingeführt wurden. Schlüsselreste
aus dem aktiven Zentrum und die Peroxidasemotive (Welinder, 1991),
die im Text diskutiert werden, sind unter der Consensus-Sequenz
angegeben.
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9.
Western-Blut-Analyse von in verschiedenen Bakterien produzierter
M. tuberculosis-KatG. Proteine wurden durch SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese aufgetrennt,
dann einem Immunblotting und einer Detektion mit gegen BCG erzeugtem
Antiserum, wie in Zhang et al., 1991, beschrieben, unterworfen.
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Bahn
1, löslicher
Extrakt von M. tuberculosis H37Rv; Bahn 2, M. smegmatis MC2155, das den Vektor pBAK14 beherbergt; Bahn
3, MC2155, das pBAK-KK (katG+) beherbergt;
Bahn 4, E. coli UM2 (katE, katG); Bahn 5, UM2, das pYZ55 (katG+) beherbergt; Bahn 6, UM2, das pYZ56 (lacZ'::katG) beherbergt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Das
unlängst
erfolgte Auftreten einer Vielzahl von Stämmen von M. tuberculosis, die
eine Resistenz gegen eine Vielzahl von Arzneimitteln (”multidrug”-Resistenz)
zeigen, in den USA ist eine höchst
alarmierende Entwicklung angesichts der extremen Übertragbarkeit
dieses Organismus. Diese Gefahr wurde überaus deutlich veranschaulicht
durch mehrere kleinere Tuberkuloseepidemien, bei denen ein einzelner
Patient, der mit MDR (”multidrug”-resistenten)
M. tuberculosis infiziert war, sowohl HIV-positive Personen als
auch Gefängniswärter und
gesundes Pflegepersonal infizierte (CDC 1990, 1991; Daley et al.,
1992; Snider und Roper, 1992). Angesichts der Schwere der gegenwärtigen weltweiten
HIV-Epidemie ist
es vorstellbar, daß,
wenn AIDS-Patienten in den westlichen Ländern wie jene in Afrika mit
MDR M. tuberculosis-Stämmen
infiziert würden
(eher als von Mitgliedern des M. avium/M. intracellulare-Komplexes), eine
weitverbreitete Dissemination der Krankheit resultieren würde.
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Isoniazid
ist ein bakterizides Arzneimittel, das gegen die Tuberkulose-Gruppe
von Mycobakterien – Mycobacterium
tuberculosis, M. bovis und M. africanum – besonders wirkungsvoll ist,
und folglich ist es besonders wirksam bei der Behandlung von Tuberkulose
gewesen. Standard-anti-Tuberkulose-Therapien
schließen im
allgemeinen INH und Rifampicin ein, oftmals in Kombination mit den
schwächeren
Arzneimitteln, Pyrizinamid, Ethambutol oder Streptomycin. Neben
seiner Verwendung in der Therapie wird INH auch an enge Kontaktpersonen
von Patienten als prophylaktische Maßnahme verabreicht.
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INH-resistente
Mutanten von M. tuberculosis, das Mittel der Erkrankung beim Menschen,
zeigen zwei Ebenen von Resistenz: niedrige (1 bis 10 μg/ml) und
hohe (10 bis 100 μg/ml).
INH-Resistenz ist oftmals mit einem Verlust an Katalaseaktivität und Virulenz
verbunden. Unlängst
ist aufgrund der AIDS-Epidemie, Zunahme an Obdachlosigkeit und sich
verschlechternden sozialen Bedingungen Tuberkulose erneut als ein
bedeutendes öffentliches
Gesundheitsproblem in den entwickelten Ländern, insbesondere in den
USA aufgetreten. Ein alarmierendes Merkmal der Krankheit heute ist
das Auftreten von gegenüber
mehreren Arzneimitteln resistenten Organismen und schnelle nosokomiale Übertragung
auf Beschäftigte
im Bereich der medizinischen Versorgung und HIV-infizierte Patienten. Dies hat CDC dazu
veranlaßt,
neue Empfehlungen für
die Behandlung von mehrfach resistenten Stämmen (zumindest gegenüber INH
und Rifampicin) und die Verhinderung der Übertragung vorzuschlagen. Um
neue Einsichten in das Problem der INH-Resistenz zu erhalten und
einen schnellen diagnostischen Test zu entwickeln, wurde die folgende
Studie ausgeführt.
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Eindeutig
ist es essenziell, die Mechanismen von Resistenz gegen INH und Rifampicin,
die hauptsächlichen
Anti-Tuberkulosemittel, zu verstehen, und dies wird ermöglichen,
neue chemotherapeutische Strate gien zu entwickeln und die Gestaltung
neuer Verbindungen, die gegen MDR-Stämme aktiv sind, zu vereinfachen.
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Diese
Erfindung zeigt, daß es
das Katalase-Peroxidase-Enzym, HPI, ist, das das Ziel von INS ist,
und es wird vermutet, daß dieses
Enzym allein Toxizität
vermittelt. Ein zwingender Beweis für diese Schlußfolgerung
wurde durch Expression des katG-Gens von M. tuberculosis in einer
Katalase-negativen Mutante von E. coli erhalten, da dies dazu führte, daß dieses
Bakterium empfindlich gegenüber
INH wurde. Darüber
hinaus ist die Isolierung des M. tuberculosis-INH-Empfindlichkeitsgens,
katG, wichtig, da sie den schnellen Nachweis INH-resistenter Stämme mittels
Hybridisierung und auf PCR-basierenden Strategien vereinfacht. Die
hohe Häufigkeit
von katG-Deletionen in klinischen Stämmen, wie hier gezeigt, sollte
diese Vorgehensweise vereinfachen.
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Identifizierung eines M. tuberculosis-Gens,
das an INH-Empfindlichkeit beteiligt ist
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Es
wurde eine heterologe Strategie eingesetzt, um ein oder mehrere
Gen(e) von M. tuberculosis, die an INH-Empfindlichkeit beteiligt
sind, zu isolieren. BH1 ist eine Spontanmutante des leicht transformierbaren M.
smegmatis-Stamms MC2155 (Snapper et al.,
1990), die gegen 512 μg/ml
INH resistent ist und der Katalase-Peroxidase-Aktivität fehlt
(Heym et al., 1992). Da es eine strenge Korrelation zwischen INH-Empfindlichkeit und
diesen Enzymaktivitäten
gibt, sollte eine Transformation von BH1 mit einem Plasmid, das
das geeignete Gen aus M. tuberculosis trägt, zu dessen Wiederherstellung
und zu einer begleitenden INH-Empfindlichkeit führen.
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Folglich
wurde DNA aus einem Pool von M. tuberculosis-Shuttle-Cosmiden in Escherichia
coli hergestellt und in BH1 durch Elektro-Transformation eingeschleust. Über 1000
Kanamycin-resistente Transformanten wurden dann hinsichtlich INH-Empfindlichkeit
bewertet und es wurden vier Klone erhalten, die kein Wachstum auf
Medium zeigten, das 32 g/ml INH, die MIC des Wildtyp-Stamms MC2155, enthielt.
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Nach
Retransformation von BH1 verlieh nur einer von diesen, pBH4, konsistent
den INH-empfindlichen Phänotyp.
Restriktionsverdaue mit BamHI, KpnI, NotI, ClaI und HindIII zeigten,
daß die
in pBH4 enthaltene chromosomale M. tuberculosis-DNA ungefähr 30 kb
groß war.
eine Karte, die mit den letzten drei Enzymen erstellt worden ist,
wird in 1 gezeigt.
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Als
pBH4 als Hybridisierungssonde zur Detektion homologer Klone in der
Bibliothek verwendet wurde, wurden weitere acht Shuttle-Cosmide
isoliert. Bei Transformation von BH1 damit stellten fünf von diesen
(T35, T646, T673, T79, T556) INH-Empfindlichkeit wieder her und
zeigten ähnliche
Restriktionsprofile wie pBH4. Insbesondere war in allen Fällen ein
KpnI-Fragment von 4,5 kb anwesend.
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Versuche,
individuelle BamHI-Fragmente subzuklonieren, lieferten keine Transformanten,
die in der Lage waren, die Läsion
in BH1 zu komplementieren, was nahelegt, daß eine BamHI-Stelle in dem
interessierenden Gen lokalisiert sein könnte. Im Gegensatz dazu wurde
pBH5, ein Derivat von pBH4, durch Deletion von EcoRI-Fragmenten
konstruiert und dies zeigte, daß ein
7 kb-Segment für
die Wiederherstellung von INH-Empfindlichkeit
nicht erforderlich war.
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Transformanten,
die Shuttle-Cosmide beherbergten, die die INH-Resistenz-Mutation von BH1 komplementierten,
wurden sorgfältig
untersucht und die MICs für
mehrere Antibiotika ermittelt. In allen Fällen war die MIC für INH von
512 auf 8 μg/ml
reduziert worden, ein Wert, der geringer ist als jener des empfindlichen Stamms
MC2155 (32 μg/ml). Dieser hyperempfindliche
Phänotyp
legte nahe, daß die
rekombinanten Klone ein Enzym überproduzieren
könnten,
das in der Lage ist, INH-Toxizität zu verstärken. Enzymologische
Studien zeigten, daß diese
Transformanten alle ungefähr
zweimal mehr Peroxidase und Katalase produzierten als der Wildtypstamm-MC2155, der INH-empfindlich ist.
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Zusätzlich zu
INH sind viele MDR-Stämme
von M. tuberculosis nicht länger
gegenüber
Rifampicin, Streptomycin, Ethambutol und Pyrazinamid empfindlich.
Um die Möglichkeit
zu untersuchen, daß es
eine Beziehung zwischen Resistenz gegenüber INH und diesen Verbindungen
geben könnte,
wurden die MICs mehrerer Arzneimittel für verschiedene M. smegmatis-Stämme und
deren pBH4-Transformanten untersucht, aber keine Unterschiede gefunden.
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Klonierung des Katalasegens von M. tuberculosis
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Eine
45-mere Oligonukleotidsonde wurde basierend auf den Primär-sequenzen von hochgradig
konservierten Regionen in den Katalase-Peroxidase-Enzymen, HPI, von E. coli
(Triggs-Raine et al., 1989) und Bacillus stearothermophilus (Loprasert
et al., 1988) gestaltet. Wenn genomische Blots von M. tuberculosis-DNA mit
diesem Oligonukleotid hybridisisert wurden, wurden in den meisten
Fällen
spezifische Banden detektiert. Da KpnI ein einzigartiges Fragment
von 4,5 kb erzeugte, das stark hybridisierte, wurde dieses Enzym
verwendet, um eine hinsichtlich der Größe selektierte (”size selected”) Bibliothek
in pUC19 herzustellen.
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Beim
Screening mit der Oligonukleotidsonde wurde ein geeigneter Klon,
pYZ55, erhalten. Eine Restriktionskarte der Insert-DNA ist in 1 gezeigt,
wo festgestellt werden kann, daß diese
exakt einem Teil von pBH4 entspricht. Eine unabhängige Bestätigung wurde auch durch Kreuzhybridisierung
erhalten.
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Mittels
verschiedener Subklonierungsexperimente wurde festgestellt, daß das kleinste
Fragment, das in E. coli M. tuberculosis-Katalase-Peroxidase-Aktivität exprimiert,
ein 2,5 kb-EcoRV-KpnI-Fragment
ist, das, wie erwartet, eine BamHI-Spaltstelle enthielt. Eine partielle
DNA-Sequenzanalyse zeigte, daß das
katG-Gen, das in pYZ56 enthalten ist, ein Katalase-Peroxidase-Enzym
kodiert, das hochgradig homolog ist zu den HPI-Enzymen von E. coli
und B. stearothermophilus:
(
2; Triggs-Raine et al., 1988); (Loprasert
et al., 1988). Identische Reste werden durch * angegeben. HPI-Aktivität wurde
sowohl in E. coli als auch M. smegmatis durch Anfärbung nachgewiesen
(siehe unten).
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Katalase-Peroxidase-Beteiligung an INH-Empfindlichkeit
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Nach
der Klonierung des M. tuberculosis-katG-Gens war es von unmittelbarem
Interesse, die genetische Basis der Verbindung zwischen Katalase-Negativität und Isoniazid-Resistenz
zu untersuchen. Eine Reihe von Konstrukten wurde in dem Shuttle-Vektor
pBAK14 erstellt und verwendet, um die INH-resistente M. smegmatis-Mutante
BH1 zu transformieren. Nur jene Plasmide, die ein vollständiges katG-Gen
trugen, produzierten HPI und stellten INH-Empfindlichkeit wieder
her. Das kleinste von diesen, pBAK14, enthielt ein 2,5 kb-EcoRV-KpnI-Fragment,
was zeigt, daß der
Bereich von 2 kb stromaufwärts
von katG nicht beteiligt war und daß Katalase-Peroxidase-Aktivität allein
ausreichend war, um Mycobacterien gegenüber INH empfindlich zu machen.
-
Zellfreie
Extrakte wurden durch nicht-denaturierende Polyacrylamidgelelektrophorese
aufgetrennt und hinsichtlich Peroxidase- und Katalaseaktivität angefärbt. Unter
diesen Bedingungen lieferte das M. tuberculosis-Enzym zwei Banden
mit Peroxidase-Aktivität
(Bahn 1), die mit Katalaseaktivität comigrierte (Heym et al., 1992).
-
Bei
Einschleusung in E. coli bewirkte das katG-Gen die Synthese eben
dieser Proteine, wohingegen pYZ56 Proteine produzierte, die geringfügig größer waren.
Dies beruht auf der Konstruktion einer innerhalb des Leserasters
erfolgenden lacZ::katG-Genfusion. Aktivitätsanfärbungen wurden auch mit Zellextrakten
von M. smegmatis ausgeführt.
Die Anwesenheit des katG-Gens aus M. tuberculosis in BH1 führte zu
der Produktion von Katalase-Peroxidase-Enzym, das die gleiche elektrophoretische
Mobilität
aufwies wie das Enzym, das in M. tuberculosis oder in E. coli hergestellt
worden war, oder das native HPI von M. smegmatis.
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Grundlage der INH-Resistenz in M. tuberculosis
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Seit
vielen Jahren ist bekannt gewesen, daß eine Untergruppe von INH-resistenten
Stämmen,
insbesondere jene, die gegenüber
den höchsten
Arzneimittelkonzentrationen resistent sind, im Meerschweinchen von
geringerer Virulenz sind und daß ihnen
Katalaseaktivität
fehlt. Genomische DNA wurde aus mehreren klinischen Isolaten von
M. tuberculosis präpariert
und durch Southern-Blotting unter Verwendung des 4,5 kb-KpnI-Fragments als
Sonde analysiert. In zwei hochgradig resistenten Stämmen, B1453
und 24, ist das Katalasegen aus dem Chromosom deletiert, wohingegen
in anderen (3), wie Stamm 12, die ein geringes
Resistenzniveau zeigen, es nach wie vor anwesend ist, aber nicht
exprimiert wird. Zusätzliche
Studien zeigten, daß der
Bereich unmittelbar vor katG hochgradig anfällig für Umlagerungen war.
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M. tuberculosis-HPI macht E. coli empfindlich
gegenüber
INH
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Um
zu bestimmen, ob das HPI-Enzym von M. tuberculosis E. coli INH-Empfindlichkeit
verleihen konnte, wurde eine Reihe von Katalase-Mutanten mit pYZ56 transformiert und
die MICs bestimmt. Wildtypstämme waren
gegenüber
INH nicht empfindlich, aber Mutanten, denen beide endogene Katalaseaktivitäten fehlten, jedoch
pYZ56 enthielten, zeigten Wachstumsinhibition bei Anwesenheit von
hohen INH-Konzentratio-nen (500 μg/ml),
wohingegen untransformierte Stämme
unempfindlich waren.
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Zu
Zwecken dieser Erfindung wurde ein Plasmid, das die in 1 gezeigte
Restriktionsendonukleasekarte enthielt, im Stamm 10.463 bei der
National Collection of Cultures of Microorganisms (C. N. C. M.)
des Institut Pasteur in Paris, Frankreich, am 18. Mai 1992 unter
der Kul tursammlungs-Aufnahmenummer I-1209 hinterlegt. Dieses Plasmid
enthält
die Nukleinsäuresequenz
der Erfindung, nämlich
das 4,5 kb-KpnI-KpnI-Fragment
von Plasmid pYZ56 mit der BamHI-Spaltstelle in dem Fragment.
-
Allgemein
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Nachweisen der Anwesenheit
von Isoniazid-resistentem Mycobacterium tuberculosis in einer Probe,
welches umfaßt,
mindestens eine DNA- oder RNA-Sonde bereitzustellen, die in der
Lage ist, selektiv mit der DNA von Isoniazid-empfindlichem Mycobacterium
tuberculosis unter Bildung nachweisbarer Komlexe zu hybridisieren,
wobei die Sonde eine Nukleinsäuresequenz
umfasst, die ein 2,5 kb-EcoRV-KpnI-Fragment von Plasmid pYZ56 ist,
und wobei das genannte Fragment eine BamHI-Spaltstelle enthält. Der
Nachweis wird mit einer Probe unter Bedingungen ausgeführt, die
es erlauben, daß die
Sonde mit der DNA von Isoniazid-empfindlichem Mycobacterium tuberculosis,
die in der Probe anwesend ist, unter Bildung von hybriden Komplexen
hybridisiert, und Nachweisen der hybriden Komplexe als einen Hinweis
der Anwesenheit von Isoniazid-empfindlichem Mycobacterium tuberculosis
in der Probe. (Der Begriff ”selektiv
hybridisierend”,
wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine DNA- oder RNA-Sonde,
die nur mit Isoniazid-empfindlichem Mycobacterium tuberculosis und
nicht mit Isoniazid-unempfindlichem Mycobacterium tuberculosis hybridisiert).
Die Probe kann aus den Mycobacterium tuberculosis-Zellen oder einem
Teil der Zellen oder Zellinhalten, die an Mycobacterium tuberculosis-Nukleinsäuren, speziell
DNA, angereichert sind, bestehen. Eine Hybridisierung kann unter
Verwendung herkömmlicher
Hybridisierungsreagentien ausgeführt werden.
Die jeweiligen Hybridisierungsbedingungen haben sich als für die Erfindung
nicht kritisch erwiesen.
-
Eine
bevorzugte Sonde gemäß der Erfindung
umfasst eine Nukleinsäuresequenz,
die ein Polypeptid der Formel Ala Pro Leu Asn Ser Trp Pro Asp Asn
Ala Ser Leu Asp Lys Ala Arg Arg Leu Leu Trp Pro Ser Lys Lys Lys
Tyr Gly Lys Lys Leu Ser Trp Ala Asp Leu Ile Val kodiert.
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Insbesondere
können
DNA-Sequenzen aus Mycobacterium tuberculosis durch Southern-Blotting
und Hybridisierung analysiert werden. Die für die vorliegende Erfindung
verwendeten Techniken sind in Maniatis et al. (1989) beschrieben.
DNA-Fragmente können
auf Agarose-Gelen getrennt und in situ denaturiert werden. Die Fragmente
können
dann von dem Gel auf einen wasserunlöslichen, festen, porösen Träger, wie
einen Nitrocellulosefilter, eine Nylonmembran oder ein aktiviertes
Cellulosepapier, transferiert werden, wo sie immobilisiert werden;
beispielsweise kann die Hybond®-Membran, die von Amersham
vertrieben wird, verwendet werden. Nach einer Vorhybridisierung,
um nicht-spezifische Hybridisierung mit der Sonde zu verringern,
wird der feste Träger
mit der Nukleinsäuresonde
der Erfindung hybridisiert. Der feste Träger wird gewaschen, um ungebundene
und schwach bindende Sonde zu entfernen, und das resultierende hybride
Doppelstrangmolekül wird
unter sucht. Eine geeignete alternative Strategie besteht darin,
Oligonukleotide an die in dem Gel denaturierte DNA zu hybridisieren.
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Die
Menge an markierter Sonde, die in der Hybridisierungslösung vorliegt,
wird in großem
Umfang variieren, abhängig
von der Natur der Markierung, der Menge der markierten Sonde, die
realistischerweise an den Filter binden kann und der Stringenz der
Hybridisierung. Im allgemeinen werden substantielle Überschüsse der
Sonde gegenüber
der stöchiometrischen
Menge eingesetzt werden, um die Bindungsrate der Probe an die fixierte
DNA zu erhöhen.
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Verschiedene
Ausmaße
an Stringenz der Hybridisierung können eingesetzt werden. Je
strenger die Bedingungen, umso ist größer die Komplementarität, die für eine Hybridisierung
zwischen der Sonde und dem Polynukleotid für eine Doppelstrangbildung
erforderlich ist. Strenge kann durch Temperatur, Sondenkonzentration,
Sondenlänge,
Ionenstärke,
Zeit und ähnliches
kontrolliert werden. Bequemerweise wird die Stringenz der Hybridisierung
variiert, indem die Polarität
der Reaktantenlösung
verändert
wird. Einzusetzende Temperaturen können empirisch bestimmt oder
aus wohlbekannten Formeln, die für
diesen Zweck entwickelt worden sind, bestimmt werden.
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Anders
als bei einer Southern-Hybridisierung, wo DNA-Fragmente aus einem
Agarosegel auf einen festen Träger
transferiert werden, kann das Verfahren der Erfindung auch durch
die Oligonukleotidhybridisierung in getrockneten Agarosegelen ausgeführt werden.
In diesem Verfahren wird das Agarosegel getrocknet und eine Hybridisierung
in situ unter Verwendung einer Oligonukleotidsonde der Erfindung
ausgeführt.
Diese Vorgehensweise wird bevorzugt, wo ein schneller Nachweis und
Empfindlichkeit wünschenswert
sein könnten. Die
Vorgehensweise kann an Agarosegelen, die genomische oder klonierte
DNA von Mycobacterium tuberculosis enthalten, ausgeführt werden.
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Zusätzlich kann
das Verfahren dieser Erfindung ausgeführt werden durch Transfer von
Mycobacterium tuberculosis-DNA von Polyacrylamidgelen auf Nylonfilter
durch Elektroblotting. Elektroblotting kann wünschenswert sein, wo Zeit essentiell
ist, da Elektroblotting typischerweise schneller ist als Kapillarblotting,
das entwickelt worden ist, um DNA aus Agarosegelen zu transferieren.
Dieses Verfahren kann in Verbindung mit UV-Vernetzung ausgeführt werden.
Das die zu untersuchenden Proben enthaltende Polyacrylamidgel wird
in Kontakt mit einem geeignet präparierten
Nylonfilter angeordnet. Diese werden dann in eine Elektroblotting-Vorrichtung
eingelegt und die DNA wird aus dem Gel auf den Filter unter Verwendung
von elektrischem Strom transferiert. Nach einem Spülen mit
Puffer ist der Filter fertig, um vorhybridisiert und hybridisiert
oder UV-vernetzt zu werden.
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Das
Verfahren der Erfindung kann unter Verwendung der Nukleinsäuresonde
der Erfindung ausgeführt werden,
um gegenüber
Isoniazid resistentes Mycobacterium tuberculosis nachzuweisen. Die
Sonde kann unter Verwendung herkömmlicher
Techniken nachgewiesen werden.
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Die
Nukleotide der Erfindung können
als Sonden für
den Nachweis einer Nukleotidsequenz in einer biologischen Probe
von M. tuberculosis verwendet werden. Die Polynukleotidsonde kann
mit einem Atom oder anorganischen Rest markiert werden, wobei ganz üblicherweise
ein Radionuklid verwendet wird, vielleicht aber auch mit einem Schwermetall.
Radioaktive Markierungen umfassen 32P, 3H, 14C oder ähnliches.
Eine jegliche radioaktive Markierung kann eingesetzt werden, die
ein adäquates
Signal liefert und eine ausreichende Halbwertszeit aufweist. Andere
Markierungen umfassen Liganden, die als ein spezifischer Bindungspartner
für einen
markierten Antikörper
dienen können,
fluoreszierende Stoffe, chemolumineszierende Stoffe, Enzyme, Antikörper, die
als spezifischer Bindungspaarpartner für einen markierten Liganden
dienen können,
und ähnliches.
Die Wahl der Markierung wird durch den Effekt der Markierung auf
die Hybridisierungsrate und die Bindung der Sonde an die DNA oder
RNA entscheidend bestimmt. Es wird notwendig sein, daß die Markierung eine
ausreichende Empfindlichkeit bereitstellt, um die für eine Hybridisierung
zur Verfügung
stehende Menge an DNA oder RNA zu detektieren.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung wird die Sonde mit einem radioaktiven Isotop markiert,
z. B. 32P oder 125I,
das in die Sonde z. B. durch Nick-Translation eingebaut werden kann.
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In
anderen bevorzugten Ausführungsformen
wird die Sonde mit Biotin markiert, das mit Avidin reagiert, an
das eine chemische Gruppierung gebunden ist, die, wenn das Avidin
an das Biotin gebunden ist, den hybriden DNA-Komplex in die Lage
versetzt, nachgewiesen zu werden, z. B. ein Fluorophor, das den
hybriden DNA-Komplex fluorometrisch nachweisbar macht; eine elektronendichte
Verbindung, die die hybriden DNA-Komplexe
durch ein Elektronenmikroskop nachweisbar macht; ein Antikörper, der
in der Lage ist, die hybriden DNA-Komplexe immunologisch nachweisbar
zu machen; oder ein Bestandteil eines Katalysa tor/Substrat-Paars,
der in der Lage ist, die hybriden DNA-Komplexe enzymatisch nachweisbar
zu machen. Vor dem Inkontaktbringen der Bakterien mit der Sonde
können
die M. tuberculosis-Bakterien lysiert werden, um deren DNA freizusetzen,
die dann denaturiert und auf einem geeigneten festen, DNA-bindenden
Träger,
wie einer Nitrocellulosemembran, immobilisiert wird.
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Ein
anderes Nachweisverfahren, das keine Markierung der Sonde erfordert,
ist die sogenannte Sandwich-Hybridisierungstechnik. In diesem Assay
hybridisiert eine unmarkierte Sonde, die in einem einzelsträngigen Vektor
enthalten ist, mit DNA von Isoniazid-empfindlichem Mycobacterium
tuberculosis, und ein markierter, einzelsträngiger Vektor, der die Sonde
nicht enthält,
hybridisiert mit dem die Sonde enthaltenden Vektor, wodurch der
gesamte hybride Komplex markiert wird.
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Die
Sequenzen der Erfindung wurden durch Didesoxynukleotidsequenzierung
abgeleitet. Die Basensequenzen der Nukleotide sind in der 5' → 3'-Richtung geschrieben. Jeder der gezeigten
Buchstaben ist eine herkömmliche
Bezeichnung für
die folgenden Nukleotide:
A Adenin
G Guanin
T Thymin
C
Cytosin.
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Die
Nukleotide der Erfindung können
durch die Bildung von 3' → 5'-Phosphat-Verknüpfungen zwischen Nukleosid-Einheiten
unter Verwendung herkömmlicher
chemischer Synthesetechniken hergestellt werden. Beispielsweise
können
die wohlbekannten Phosphodiester-, Phosphotriester- und Phosphittriester-Techniken, wie
auch bekannte Modifizierungen dieser Strategien, eingesetzt werden.
Desoxyribonukleotide können
mit automatischen Synthesemaschinen, wie jenen, die auf der Phosphoramidit-Strategie
basieren, hergestellt werden. Oligo- und Polyribonukleotide können auch
mit der Hilfe von RNA-Ligase und Verwendung von herkömmlichen
Techniken erhalten werden.
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Die
Nukleotide der Erfindung liegen in einer gereinigten Form vor. Beispielsweise
sind die Nukleotide frei von von menschlichem Blut abgeleiteten
Proteinen, menschlichen Serumproteinen, viralen Proteinen, Nukleotidsequenzen,
die diese Proteine kodieren, menschlichem Gewebe und menschlichen
Gewebekomponenten. Zusätzlich
ist es bevorzugt, daß die
Nukleotide frei von anderen Nukleinsäuren, Fremdproteinen und -lipiden
und adventiven Mikroorganismen, wie Bakterien und Viren, sind.
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Da
es möglich
sein könnte,
die Nachweisempfindlichkeit zu erhöhen, indem RNA anstelle von
chromosomaler DNA als ursprüngliche
Matrize verwendet wird, zieht diese Erfindung in Betracht, RNA-Sequenzen zu
verwenden, die zu den hier beschriebenen DNA-Sequenzen komplementär sind.
Die RNA kann in komplementäre
DNA mittels reverser Transkriptase umgewandelt und dann einer DNA-Amplifikation
unterworfen werden.
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EXPERIMENTELLE VERFAHREN
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Bakterienstämme und
Plasmide
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Tabelle
1 gibt einen Überblick über die
Eigenschaften der Bakterienstämme
und Plasmide, die in dieser Erfindung verwendet werden. Tabelle 1. Bakterienstämme und Plasmide
Stämme/Plasmide | Eigenschaften |
E. coli
NM554 | |
E. coli
TG1 | supE hsd5
thi delta (lac-proAB) [traD36 proAB+ lacIg lacZ delta
M15] |
E. coli
UM2 | KatE |
E. coli
UM255 | KatE |
M. tuberculosis
H37Rv | Virulenter
Stamm, ursprünglich
aus einem Tuberkulosepatienten isoliert |
M. tuberculosis
12 | Klinisches
Isolat, resistent gegen niedrige Konzentrationen von INH (1–2 μg/ml) |
M. tuberculosis
B1453 | Klinisches
Isolat, resistent gegen hohe Konzentrationen von INH (> 50 μg/ml) |
M. tuberculosis
24 | Klinisches
Isolat, resistent gegen hohe Konzentrationen von INH (> 50 μg/ml) |
M. tuberculosis
79112 | Gegen INH
empfindliches klinisches Isolat |
M. tuberculosis
12646 | Gegen INH
empfindliches klinisches Isolat |
M. tuberculosis
79665 | Gegen INH
empfindliches klinisches Isolat |
M. smegmatis
MC2155 | MC26 het |
M. smegmatis
BH1 | MC2155 het katG |
Plasmide | |
pBH4 | Shuttle-Cosmid,
katG+, das auf pYZB18 basiert |
pBH5 | Deletierte
Version von pBH4, katG+ (7 kb-EcoRI) |
pYZ55 | pUC19-Derivat
mit 4,5 kb-KpnI-Fragment, kat+ |
pYZ56 | pUC19-Derivat
mit 2,5 kb-EcoRV-KpnI-Fragment (kat+) |
pYZ57 | pUC19-Derivat
mit 3,1 kb-KpnI-BamHI-Fragment, kat– |
pBAK14 | Mycobakterieller
Shuttle-Vektor (Zhang et al., 1991) |
pBAK15 | Mycobakterieller
Shuttle-Vektor, der das 4,5 kb-KpnI-Fragment trägt (kat+) |
pBAK16 | Mycobakterieller
Shuttle-Vektor, der das 2,5 kb-EcoRV-KpnI-Fragment trägt (kat+) |
pBAK17 | Mycobakterieller
Shuttle-Vektor, der das 3,1 kb-KpnI-BamHI-Fragment trägt (kat–) |
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Die
genomische M. tuberculosis H37 RV-Bibliothek wurde in dem Shuttle-Cosmid
pYUB18 (Snapper et al., 1988) konstruiert und freundlicherweise
von Dr. W. R. Jacobs zur Verfügung
gestellt. Andere eingesetzte Shuttle-Vektoren waren PYUB12 (Snapper
et al., 1988) und pBAK14 (Zhang et. al., 1991).
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Mikrobiologische Techniken
und Enzymologie
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Details
zu den verwendeten Antibiotika, Züchtungsbedingungen, En zymologie
und MIC-Bestimmungen können
in Heym et al., (1992) gefunden werden.
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Nukleinsäuretechniken
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Für Subklonierung,
Southern-Blotting, DNA-Sequenzierung, Oligonukleotidbiosynthese
u. s. w. wurden Standardprotokolle verwendet (Maniatis et al., 1989;
Eiglmeier et al., 1991).
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Aktivitätsanfärbung
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Die
Herstellung zellfreier Extrakte von E. coli und Mycobakterien ist
beschrieben worden (Heym et al., 1992; Zhang et al., 1991). Native
Proteinproben wurden durch Polyacrylamidgelelektrophorese aufgetrennt, wie
von Laemmli (1970) beschrieben mit der Ausnahme, daß SDS aus
allen Puffern weggelassen wurde, die Proben nicht gekocht wurden
und kein β-Mercaptoethanol dem
Probenpuffer zugesetzt wurde. Nach einer Elektrophorese von Proben
mit 50–100 μg Protein
auf 7,5%-Polyacrylamidgelen wurde Katalaseaktivität nachgewiesen,
indem man das Gel 20 min in 3 mM H2O2 unter sanftem Schütteln einweichte. Ein gleiches
Volumen von 2% Eisen(III)-chlorid und 2% Kaliumeisen(III)-cyanid
wurde zugesetzt und klare Banden von Katalaseaktivität durch
Bestrahlung mit Licht aufgezeigt. Peroxidaseaktivität wurde
als braune Banden nach Einweichen von Gelen in einer Lösung, enthaltend
0,2–0,5
mg/ml Diaminobenzidin und 1,5 mM H2O2, für
30–120
min nachgewiesen.
-
Um
eine hochgradig toxische Verbindung zu erzeugen, erscheint es am
wahrscheinlichsten, daß das HPI-Enzym
von M. tuberculosis INH peroxidativ aktiviert (Youatt, 1969; Gayathri-Devi
et al., 1975). Jetzt, da das katG-Gen isoliert und charakterisiert
worden ist, sollte es möglich
sein, neue Derivate von INH herzustellen, die auf ähnliche
Weise aktiviert werden können.
-
Vergleichsbeispiel 1
-
Punktmutationen in dem katG-Gen, die mit
der Isoniazid-Resistenz von M. tuberculosis assoziiert sind
-
Es
ist in einer jüngeren
Studie gezeigt worden, daß die
Katalase-Peroxidase
von Mycobacterium tuberculosis, die von dem katG-Gen kodiert wird,
daran beteiligt ist, die Toxizität
des wirkungsvollen Antituberkulose-Arzneimittels Isoniazid oder
INH zu vermitteln. Mutanten, die gegen klinische Konzentrationen
von INH resistent sind, zeigen verringerte Katalase-Peroxidase-Aktivität und in
einigen Fällen
resultiert dies aus der Deletion des katG-Gens aus dem Chromosom.
Eine Transformation von INH-resistenten Stämmen von Mycobacterium smegmatis
und M. tuberculosis mit dem klonierten katG-Gen führt zur
Wiederherstellung von Arzneimittelempfindlichkeit. Eine Expression
von katG in einigen Stämmen
von Escherichia coli macht diesen natürlicherweise resistenten Organismus
empfindlich gegenüber
hohen Konzentrationen an INH.
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Da
einige INH-resistente klinische Isolate von M. tuberculosis ein
intaktes katG-Gen beibehalten haben, wurde die molekulare Basis
ihrer Resistenz untersucht. Diese Studie wurde durch die Verfügbarkeit
der Nukleotidsequenz eines 4,7 kb-KpnI-Fragments aus dem katG-Bereich des
Chromosoms erleichtert, da dies ermöglichte, für eine PCR-Analyse geeignete
Primer zu gestalten. Elf Paare von Oligonukleotidprimern wurden synthetisiert
(siehe Tabelle 2) und zur Erzeugung von PCR-Produkten von ungefähr 280 bp, die das vollständige katG-Gen
und einen Teil der flankierenden Sequenzen umfaßten, verwendet. In Kontrollexperimenten
allen Experimenten erzeugten alle elf Primerpaare PCR-Produkte der erwarteten
Größe, die
für eine
SSCP-Analyse hochgradig geeignet waren, so daß ein Panel von 36 INH-resistenten
Stämmen
von M. tuberculosis von niederländischem
oder französischem
Ursprung untersucht wurden. Viele dieser Stämme sind gegenüber mehreren
Arzneimitteln (multidrug) resistent und wurden aus Patienten, die
HIV-seropositiv
waren, isoliert.
-
-
-
Zwei
von diesen lieferten kein PCR-Fragment mit keinem der verwendeten
Primer, was anzeigt, daß katG
deletiert worden war. Die verbleibenden 34 Stämme lieferten alle die erwarteten
PCR-Produkte und diese wurden auf SSCP-Gelen analysiert, so daß mögliche Punktmutationen
nachgewiesen werden konnten. In 20 Fällen wurde eine abnormale Strangmobilität im Vergleich
zu jener von katG aus Arzneimittel-empfindlichem M. tuberculosis
beobachtet, was nahelegt, daß tatsächlich Mutationsereignisse
stattgefunden hatten. Die ungefähre
Lage der Mutationen, wie durch die PCR-Primer abgegrenzt, ist in
Tabelle 3 gezeigt.
-
-
Bei
Untersuchung eines 200 bp-Segments das katG-Gens von fünf unabhängigen Stämmen (9188, 9106,
9441, 9444, 9363) wurde ein einzelner Rasenunterschied festgestellt.
Dieser war in allen Fällen
der gleiche, eine G-zu-T-Transversion an Position 3360, was zu der
Substitution von Arg-461 durch Leu führte. Folglich kann zusätzlich zu
einer Inaktivierung von katG INH-Resistenz aus Fehlsinn (”missense”)-Mutationen
herrühren,
die in einer veränderten
Katalase-Peroxidase resultieren. Diese Mutation könnte eine
Wechselwirkungsstelle zwischen dem Arzneimittel und dem Enzym definieren.
Die Ergebnisse von DNA-Sequenzstudien mit den restlichen Mutanten
werden gespannt erwartet.
-
Ein
weiterer Schluß,
der aus dieser Studie gezogen werden kann, betrifft die molekulare
Basis der mit verschiedenen M. tuberculosis-Stämmen
assoziierten ”Multidrug”-Resistenz.
Es werden die gleichen Mutationen gefunden unabhängig davon, ob ein gegebener
Patienten HIV-seropositiv
oder -seronegativ ist. Beispielsweise beherbergt der Stamm 9291,
der aus einem HIV-seropositiven Tuberkulose-Patienten isoliert worden
ist, Mutationen, die eine Resistenz gegen INH, Rifampin und Streptomycin
verleihen, in dem katG-(R461L), rpoB-(S425L) bzw. rpsL (K42R)-Gen.
Die gleichen Mutationen sind separat oder in Kombination in Stämmen aus
HIV-seronegativen Personen gefunden worden. Dies bedeutet, daß es für den untersuchten
Satz von Stämmen
keinen neuen einzelnen Mechanismus gibt, der Resistenz gegen mehrere
Arzneimittel verleiht, sondern ”Multidrug”-Resistenz
resultiert vielmehr aus der Akkumulation oder Anhäufung von
Mutationen in den Genen für
verschiedene Arzneimittelziele.
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Beispiel 2
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Nukleotidsequenz und chromosomale Lage
des katG-Genorts von M. tuberculosis
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Bakterienstämme, Plasmide
und Züchtungsbedingungen.
Die folgenden Bakterienstämme
aus unseren Laborsammlungen wurden in dieser Studie verwendet: M.
tuberculosis H37Rv; M. smegmatis MC2155 (Snapper
et al., 1990); E. coli K-12 UM2 (katE katG; Mulvey et al., 1988).
Die rekombinanten Plasmide pYZ55 (pUC19, katG+),
pYZ56 (pUC19, lacZ'::katG)
und die Shuttle-Klone pBH4 (pYUB18, katG+)
und pBAK-KK-(pBAK14, katG+) sind unlängst beschrieben
worden (Zhang et al., 1992, Nature) und der katG-Genort von M. tuberculosis
ist schematisch in 5 gezeigt. Mycobakterien wurden
bei 37°C
in Middlebrook 7H9-Medium gezüchtet,
wo hingegen E. coli-Stämme
in L-Brühe
mit passenden Anreicherungen und Antibiotika gezüchtet wurden.
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Nukleinsäuretechniken.
Für die
Herstellung, Markierung und Hybridisierung von DNA wurden Standardtechniken
(Eiglmeier et al., 1991; Zhang et al., 1992, Infect. Immun.; Zhang
et al., 1992, Nature) eingesetzt. Eine Shot-gun-Bibliothek von zufälligen Fragmenten
von pYZ55 wurde in M13mp18 hergestellt, wie bereits früher beschrieben
(Garnier et al., 1986) und unter Einsatz der modifizierten Didesoxytechnik
(Biggin et al., 1983) sequenziert. Sequenzen wurden kompiliert und
zu Contigs unter Verwendung von SAP zusammengestellt und mit NIP,
SIP und PIP (Staden 1987), die auf einer Vax 3100-Workstation liefen,
analysiert. Das Schließen
von Lücken
wurde durch Verwendung synthetischer Oligonukleotidprimer, die auf
einem ABI 381-Apparat synthetisiert worden waren, und T7-DNA-Polymerase
(Pharmacia), um Sequenzen direkt aus pYZ55 zu erhalten, erreicht.
Um nach verwandten Sequenzen in der Gen-Bank-Datenbank (Version 73.1) zu suchen,
wurden die Programme FASTA (Pearson et al., 1988) und BLAST (Altschul
et al., 1990) verwendet. Der Katalog PROSIT (Bairoch, 1992) wurde
durchmustert, um mögliche
Motive, die in Proteinsequenzen vorlagen, nachzuweisen und gegenseitige
Zuordnungen unter Berücksichtigung
von Homologie (”Alignments”) mit den
PILEUP- und PRETTY-Modulen des ”GCG
sequence analysis package” (Devereux
et al., 1984) vorgenommen.
-
Western-Blotting und Katalase-Peroxidase-Aktivitätsanfärbung.
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Immunblotting
von Polypeptiden, die durch SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese aufgetrennt
worden waren, und Nachweis mit polyklonalen Antikörpern (erworben
von DAKO), die gegen M. bovis-BCG erzeugt worden waren, erfolgten,
wie beschrieben (Zhang et al., 1992, Infect. Immun., Nature, Mol.
Microbiol.). Verfahren zum Nachweisen von Katalase- und Peroxidase-Aktivitäten sind
unlängst
erläutert
worden (Heym et al., 1992; Zhang et al., 1992, Nature).
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ERGEBNISSE
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Nukleotidsequenz
des katG-Genorts von M. tuberculosis. In früheren Studien war das vollständige katG-Gen
unabhängig
in E. coli auf einem Shuttle-Cosmid, pBH4, und auf einem 4,5 kb-KpnI-Restriktionsfragment,
das so pYZ55 erzeugte (5; Zhang et al., 1992, Nature),
kloniert worden. Das Strukturgen für Katalase-Peroxidase wurde
nachfolgend auf einem 2,5 kb-EcoRV-KpnI-Fragment durch Subklonierung
lokalisiert. Um die Primärstruktur
dieses wichtigen Enzyms abzuleiten und dadurch gewisse Einsichten
in dessen mutmaßliche
Rolle bei der Umwandlung von INH zu einer wirkungsvollen Antituberkuloseverbindung
zu gewinnen, wurde die Nukleotidsequenz des vollständigen Inserts
aus pYZ55 bestimmt. Dies wurde durch das modifizierte Didesoxy-Shot-gun-Klonierungsverfahren
(Biggin et al., 1993) erzielt und Lücken zwischen den Contigs wurden
durch Verwendung spezifischer Primer geschlossen.
-
Bei
einer Inspektion der resultierenden Sequenz, die in 6A gezeigt
ist, wurde festgestellt, daß das 4,5
kb-Fragment 4795 Nukleotide mit einem gesamten dG+dC-Gehalt von
64,4% enthielt. Bei einer Analyse auf das Vorliegen von offenen
Leserastern mit hohen Kodierungs-Wahrscheinlichkeitswerten wurde
ein einzelner Kandidat detektiert und dieser wurde anhand von seiner
Größe, Zusammensetzung
und Lage als katG identifiziert. Das Fehlen von jeglichen zusätzlichen
offenen Leserastern auf beiden Strängen des KpnI-Fragments schloß die Möglichkeit
aus, daß andere
Gene als katG daran beteiligt waren, INH-Empfindlichkeit zu vermitteln.
-
Eine
weitere Analyse der Sequenz zeigte, daß katG zwei Kopien einer direkten
700 bp-Wiederholung, die zu 68% identisch waren, vorangingen, wobei
der längste
Abschnitt mit Identität
58 bp umfaßte
(6B). Wenn die Datenbanken mit dieser
Sequenz durchmustert wurden, wurde keine signifikanten Homologien
detektiert. Um die Möglichkeit
zu untersuchen, daß sie
einem neuen repetitiven Element in M. tuberculosis entsprechen könnte, wurde
eine 336 bp-Sonde, die die 58 bp-Wiederholung
umfaßte,
verwendet, um eine teilweise geordnete Cosmid-Bibliothek mittels Hybridisierung zu
untersuchen. Positive Hybridisierungssignale wurden nur von Klonen
erhalten, die bekanntermaßen
katG trugen. In ähnlicher
Weise wurde ein einzelnes Restriktionsfragment in Southern-Blots
von M. tuberculosis-DNA, die mit den Restriktionsenzymen BamHI,
KpnI und RsrII verdaut worden war, detektiert, wodurch angezeigt
wird, daß diese
repetitive Sequenz nicht verbreitet ist.
-
Chromosomale
Lage von katG. Als Teil des M. tuberculosis-Genomprojekts ist die Lage der meisten der
Gene, für
die Sonden zur Verfügung
stehen, auf der Contig-Karte ermittelt worden. Aus den Serien von überlappenden
Cosmiden, die in 5 gezeigt sind, kann ersehen
werden, daß die
mit katG verbundenen Marker LL105 und fbpB sind, die ein anonymes
Antigen und das mutmaßliche
Fibronectin-bindende Protein bzw. alpha-Antigen (Matsuo et al.,
1988) kodieren. Keine der bekannten Insertionssequenzen IS6110 und IS1081
(Collins et al., 1991; McAdam et al., 1990; Thierry et al., 1990,
J. Clin. Microbiol.; Thier ry et al., 1990, Nucleic Acids Res.) kartieren
auf diesen Bereich des Chromosoms, obwohl der Bereich stromaufwärts von katG
dicht mit Kopien der hauptsächlichen
polymorphen Tandemwiederholung, MPTR, (Hermans et al., 1992; Zhang
und Young, 1993) bevölkert
ist.
-
Vorliegen
von katG-Homologen in anderen Mycobakterien. INH ist hervorragend
wirksam gegen Mitglieder des Tuberkulosekomplexes, zeigt jedoch
wenig, wenn überhaupt,
Aktivität
gegen andere Mycobacterien. Um zu bestimmen, ob zu katG homologe
Gene in anderen Mycobakterien vorliegen, wurden Southern-Blots von
mit RsrII verdauter DNA mit einer Sonde, hergestellt aus einem 2,5
kb-EcoRV-KpnI-Restriktionsfragment, das katG aus M. tuberculosis
trug, hybridisiert. Unter Bedingungen hoher Stringenz wurden gute
Signale von M. leprae und M. avium erhalten (7), wohingegen
kaum feststellbare Hybridisierung mit M. gordonae und M. szulgai
beobachtet wurde. Es ist unlängst
gezeigt worden, daß katG-Homologe
auch in M. smegmatis und M. aurum vorliegen (Heym et al., 1992).
-
Vorhergesagte
Eigenschaften von Katalase-Peroxidase aus M. tuberculosis. Die Primärstruktur
von Katalase-Peroxdiase, abgeleitet aus der Nukleotidsequenz von
katG, ist in 6 gezeigt. Es wird vorhergesagt,
daß das
Enzym 735 Aminosäuren
enthält
und ein Molekulargewicht von 80029 Dalton aufweist. Ein Protein
dieser Größe ist in
M. tuberculosis und beiden rekombinanten M. smegmatis und E. coli
beobachtet worden (siehe unten).
-
Primärstrukturen
sind für
mehrere andere bakterielle Katalase-Peroxidasen, einschließlich jenen
aus E. coli, Salmonella typhimurium und Bacillus stearothermophilus
verfügbar
(Loewen et al., 1990; Loprasert et al., 1988; Triggs-Raine et al.,
1988) und es ist gezeigt worden, daß diese entfernt mit Cytochrom
c-Peroxidase aus Hefe verwandt sind (Welinder, 1991). Da die Kristallstruktur
der letztgenannten bestimmt worden ist (Finzel et al., 1984), kann
diese verwendet werden, um die Sequenzen der bakteriellen Enyzme
zu interpretieren. Das M. tuberculosis-Enzym zeigt 53,3% Konservierung
mit den enterobakteriellen HPI-Enzymen und teilt 45,7% Identität mit dem
Protein aus B. stearothermophilus. Ein ”alignment” der Sequenzen dieser vier
Enzyme ist in 8 gezeigt zusammen mit
jener von Cytochrom c-Peroxidase aus Hefe (Welinder, 1991). Es ist
ersichtlich, daß der
NH2-Terminus, der in dem Hefe-Enzym kein
Gegenstück
hat, der am stärksten
divergente Teil ist, was nahelegt, daß diese Domäne des Proteins umfassende
Abweichungen tolerieren kann und für die Katalyse nicht erforderlich
ist. Experi mentelle Unterstützung
für diese
Interpreation wird bereitgestellt in Form eines LacZ-KatG-Fusionsproteins,
das zusätzliche
40 Aminosäurereste
enthält
(9, Bahn 6; Zhang et al., 1992, Nature). Eine Hinzufügung dieses
NH2-terminalen Abschnitts interferiert in
merkbarer Weise weder mit den Katalase- noch den Peroxidase-Reaktionen,
die durch katG bewirkt werden, wie anhand von Aktivitätsanfärbung beurteilt
wird (Zhang et al., 1992, Nature).
-
Es
wird angenommen, daß sich
bakterielle Katalase-Peroxidasen mittels eines Genverdopplungsereignisses
entwickelt haben und aus zwei Modulen bestehen, die beide Homologie
zu dem Hefeenzym zeigen, fusioniert an eine einzigartige NH2-terminale Sequenz von ungefähr 50 Aminosäureresten
(Welinder, 1991). Das M. tuberculosis-Enzym entspricht diesem Muster
und, wenn nach einer internen Homologie unter Verwendung von SIP
(Staden, 1987) gesucht wurde, war klar, daß der Bereich zwischen den
Resten 55-422 mit der carboxyterminalen Domäne, bestehend aus den Aminosäuren 423-735
verwandt war. Es wurde nur eines der zwei Motive des aktiven Zentrums,
die für
Peroxidasen typisch sind und in dem PROSITE-Katalog (Bairoch, 1992)
enthalten sind, gefunden, wenn die M. tuberculosis-Katalase-Peroxidase-Primärstruktur
gescreent wurde, da es zwei Abweichungen von der Consensussequenz
um His269 herum gibt, wo das zweite Motiv
sein sollte. (Consensus-Muster für
Peroxidase 1: [DET]-[LIVMT]-x(2)-[LIVM]-[LIVMSTAG]-[SAG]-[LIVMSTAG]-H-[STA]-[LIVMFY]; Consensus-Muster
für Peroxidase
2: [SGAT]-x(3)-[LIVMA]-R-[LIVMA]-x-[FW]-H-x-[SAC];
(Bairoch, 1992). Zusätzlich
wurde ein mögliches
ATP-bindendes Motiv (G-x-x-x-x-G-K-T) detektiert (Bairoch, 1992),
aber da dieses teilweise mit dem aktiven Zentrum überlappt, könnte dessen
Anwesenheit rein zufällig
sein (8).
-
Durch
Analogie mit Cytochrom c-Peroxidase aus Hefe (Welinder, 1991) war
es möglich,
eine Anzahl von strukturell und katalytisch wichtigen Resten vorauszusagen,
die sämtlich
in der NH2-terminalen Wiederholung lokalisiert
sind. His269 sollte als der fünfte Ligand
des Häm-Eisens
dienen, wohingegen Asp380 dessen über Wasserstoffbrücken gebundener
Partner sein sollte. Andere Reste, für die vorausgesagt wird, daß sie an
der Modulierung des aktive Zentrums und der H2O2-Bindung beteiligt sind, sind Arg104, Trp107, His108, Asn138, Thr274 und His275 (4). Gemäß den Voraussagen von Welinder
(Welinder, 1991) sollte Trp320 ein Schlüsselrest
sein und für
die Bildung der Protein-Radikal-Stelle erforderlich sein (Sivaraja
et all, 1989).
-
Antikörperantwort
auf M. tuberculosis-KatG. Um den möglichen Wert von KatG als Immunogen
auszuwerten, wurden Western-Blots mit Antiserum, das gegen M. bovis-BCG
in Kaninchen erzeugt worden war, auf Bindung untersucht. Wie in 9 gezeigt,
ist die 80 kD-Katalase-Peroxidase
eines der prominentesten Antigene, die in zellfreien Extrakten von
M. tuberculosis und M. smegmatis, das das klonierte katG-Gen exprimiert, erkannt
werden (Bahnen 1, 3). In ähnlicher
Weise wurden bei Einschleusung des Gens in E. coli signifikante
Mengen an Katalase-Peroxidase produziert wurde eine auffallende
Erhöhung
an Expression von der lacZ'-katG-Genfusion,
die die Synthese eines 85 kD-Fusionsprotein
bewirkte, erhalten (9, Bahn 6).
-
Das
Ziel der vorliegenden Studie bestand darin, die Nukleotidsequenz
des katG-Gens zu bestimmen und die erhaltene Information zu verwenden,
um zu versuchen, zu verstehen, wie dessen Produkt die INH-Empfindlichkeit von
M. tuberculosis vermittelt und möglicherweise
die apparente Instabilität
des katG-Bereichs des Genoms zu erklären. Repetitive DNA ist oftmals
eine Quelle von chromosomalen Umlagerungen und eine Analyse der
DNA-Sequenz stromaufwärts
von katG enthüllte
zwei Kopien einer direkten 700 bp-Wiederholung. Da dieses Element
auf diesen Genort beschränkt
zu sein scheint, ist es unwahrscheinlich, daß es als Ziel für ein Ereignis,
wie homologe Rekombination, dient, was zu der Deletion des Gens
führen
könnte,
die so häufig
beobachtet wird (Zhang et al., 1992, Nature; Zhang und Young, 1993).
In ähnlicher
Weise, da ein 70 kb-Abschnitt des Chromosoms von M. tuberculosis
H37Rv, der katG umfaßt,
keine Kopien von IS6110 und IS1081 aufweist, scheinen diese Insertionssequenzen
keine wahrscheinlichen Ursachen von Instabilität zu sein. Vielmehr legt die
Anwesenheit einer Anhäufung
(”cluster”) von bedeutenderen
polymorphen Tandemwiederholungen, MPTR (5; Hermans
et al., 1992), die stromaufwärts
von katG liegen, nahe, daß diese
als rekombinatorischer Hot-Spot wirken könnten. Dieser könnte sowohl
die MPTR-Anhäufung
als auch katG entfernen (Zhang und Young, 1993). Die Verfügbarkeit
der Sequenz des katG-Bereichs wird es ermöglichen, für die Polymerasekettenreaktion
geeignete Primer zu gestalten, und folglich Studien vereinfachen,
die sowohl auf den schnellen Nachweis von INH-Resistenz als auch
das Verständnis
der molekularen Basis der chromosomalen Instabilität abzielen.
-
Vielleicht
das interessanteste Merkmal der M. tuberculosis-Katalase-Peroxidase
ist ihre Fähigkeit, INH-Empfindlichkeit
zu vermitteln. In unserer gegenwärtigen
Arbeitshypothese wechselwirkt das Arzneimit tel mit dem Enzym und
wird durch die Peroxdiaseaktivität
in ein toxisches Derivat umgewandelt, das an einer zweiten, bislang
unbekannten Stelle wirksam wird (Zhang et al., 1992, Nature). Obwohl
Meerrettich-Peroxidase
diese Reaktion bewirken (Pearson et al., 1988; Shoeb et al., 1985)
und Hydroxylradikale und freie organische Radikale produzieren kann,
sind sehr wenig Bakterien einschließlich anderen Mycobakterien
empfindlich gegen INH. Dies ist interessant, da sie zu katG homologe
Gene enthalten (7).
-
Eine
Erklärung
dafür könnte die
Tatsache liefern, daß die
meisten Bakterien zwei Katalasen enthalten, von denen eine ein Breitspektrumenzym
ist, das mit Peroxidaseaktivität
ausgestattet ist, und daß die
zweite Katalase die Fähigkeit
der Katalase-Peroxidase zur Oxidation von INH begrenzt, indem sie
präferentiell
H2O2 beseitigt.
Da M. tuberculosis die letztgenannte Aktivität fehlt, kann dessen KatG-Enzym
INH in die letale Form ohne Kompetition um den Elektronenakzeptor
umwandeln.
-
Alternativ
könnte
es einige einzigartige Eigenschaften des M. tuberculosis-Enzyms
geben, die Toxizität fördern oder
die Wechselwirkung. mit dem Arzneimittel begünstigen. Eine Untersuchung
der Primärstrukturen der
bakteriellen Katalase-Peroxidasen war in dieser Hinsicht nicht aussagekräftig, da
sie alle gemeinsam umfassende Sequenzidentitäten aufweisen und zwei Motive
enthalten, die für
die aktiven Zentren von Peroxidasen charakteristisch sind. Darüber hinaus
ist unlängst
gezeigt worden, daß eine
Expression des katG-Gens von E. coli teilweise INH-Empfindlichkeit in
Arzneimittel-resistenten Mutanten von M. tuberculosis wiederherstellen
kann, was nahelegt, daß das
endogene Enzym möglicherweise
keinerlei arzneimittelspezifische Eigenschaften aufweist (Zhang
et al., 1993). Ein Sequenzvergleich mit der Cytochrom c-Peroxidase
aus Hefe lieferte wichtige Informationen über die strukturelle und funktionelle
Organisation des KatG-Proteins und führte zu der Identifizierung
der mutmaßlich
wichtigen katalytischen Reste (8).
-
Nun,
da die vollständige
Sequenz von katG verfügbar
ist, wird es möglich
sein, einige dieser Hypothesen durch ortsgerichtete Mutagenesse
zu untersuchen und das Enzym überzuproduzieren,
so daß eine
detaillierte Analyse der enzymatischen Reaktion und von deren Produkten
in vitro ausgeführt
werden kann. In ähnlicher
Weise sollte es eine relativ einfache Sache sein, Mutanten zu isolieren,
die enzymatische Aktivität
bewahrt haben, aber nicht in der Lage sind, INH zu binden oder zu
oxidieren. Von besonderem Interesse ist die repetitive Struktur
des Enzyms und die Voraussage, daß die NH2-terminale
Wiederholung das aktive Zentrum für Peroxidasen enthält. Dies
eröffnet
die Möglichkeit,
daß katG-Gene,
die an dem 3'-Ende
mutiert oder verkürzt
sind, auftreten könnten.
Es ist vorstellbar, daß deren
Produkte, denen der normale COOH-Terminus, der für Untereinheit-Untereinheit-Wechselwirkungen
erforderlich sein könnte
(Welinder, 1991), fehlt, instabil wären, aber nach wie vor geringe
Enzymaktivität
aufweisen könnten.
Sie würden
folglich ein intermediäres
Ausmaß an
INH-Empfindlichkeit zwischen jenem von katG+-Stämmen und
Mutanten, denen das Gen vollständig fehlt,
vermitteln, wie es oftmals in klinischen Gesamtbildern beobachtet
wird.
-
Die
Erfindung betrifft auch einen Kit zum Nachweisen von ”multidrug”-resistenten
Varianten von M. tuberculosis, wobei der Kit umfaßt:
- (a) eine Behältervorrichtung, die eine Sonde
für das
Arzneimittelresistenz kodierende Gen enthält; und
- (b) eine Behältervorrichtung,
die eine Kontrollpräparation
von Nukleinsäure
enthält.
-
Eine
bevorzugte Verfahrensalternative (Oligotypisierung; ”oligotyping”) zum Nachweis
einer Resistenz gegen das ausgewählte
Antibiotikum umfaßt:
- – Fragmentieren
des relevanten Gens oder eines Teils davon, der wahrscheinlich die
Mutation trägt,
in einer Mehrzahl von Fragmenten, wie z. B. durch Verdau des relevanten
Gens durch ausgewählte
Restriktionsenzyme,
- – Hybridisierung
dieser Fragmente mit komplementären
Oligonukleotidsonden, vorzugsweise einer Reihe von markierten Sonden,
die unter stringenten Bedingungen sämtliche der Teile des relevanten
Gens einer entsprechenden Kontroll-DNA von einem gegenüber dem
entsprechenden Antibiotikum nicht-resistenten Stamm erkennen,
- – und
In-Beziehung-Bringen des Fehlens von Hybridisierung von mindestens
einer der Oligonukleotidsonden mit einem der DNA-Fragmente des relevanten
Gens des untersuchten Mycobacteriums als Nachweis für die Anwesenheit
einer Mutation und möglicherweise
für eine
Resistenz gegenüber
dem entsprechenden Antibiotikum, insbesondere im Vergleich mit Ergebnissen,
die erhalten werden bei Ausführen
des Tests unter den gleichen Bedingungen mit den gleichen Oligonukleotiden
an dem oder den relevanten Gen(en), erhalten von einem Stamm (Stämmen), der
(die) gegenüber
dem Antibiotikum nicht resistent ist (sind),
wobei das
relevante Gen entweder das rpoB-Gen oder ein Fragment davon ist,
wobei das Gen oder das Fragment davon in der Lage ist, mit der in 13 gezeigten
Sequenz zu hybridisieren, oder das rpsL-Gen oder ein Fragment davon,
wobei das Gen oder das Fragment davon in der Lage ist, mit der in 14 gezeigten Mycobacterium tuberculosis-Sequenz
zu hybridisieren, ist.
-
Eine
weitere Verfahrensalternative (SSCP-Analyse, d. h. Analyse von Einzelstrang-Konformationspolymorphismus)
umfaßt:
- – Verdauen
der zu analysierenden DNA, insbesondere des relevanten Gens,
- – Amplifizieren
der erhaltenen Fragmente, z. B. durch PCR,
- – Gewinnen
der amplifizierten Fragmente und
- – Auftrennen
derselben gemäß den Größen, z.
B. indem man sie beispielsweise auf einem Elektrophoresegel wandern
läßt,
- – Vergleichen
der Größen der
verschiedenen Fragmente mit jenen, die von der oder den DNA(s) von
einem oder mehreren Kontrollstämmen,
die gegenüber
dem Antibiotikum nicht resistent sind, erhalten wurden und die einem ähnlichen
Assay unterworfen worden waren, und
- – In-Beziehung-Bringen
des möglicherweise
nachgewiesenen Polymorphismus mit der Existenz einer Mutation in
dem relevanten Gen, dementsprechend mit einer möglichen Resistenz des Stammes,
von dem die un tersuchte DNA erhalten worden ist, gegenüber dem
entsprechenden Antibiotikum, wobei das relevante Gen entweder das
rpoB-Gen oder ein Fragment davon ist, wobei das Gen oder das Fragment
davon in der Lage ist, mit der in 13 gezeigten
Sequenz zu hybridisieren, oder das rpsL-Gen oder ein Fragment davon,
wobei das Gen oder das Fragment davon in der Lage ist, mit der in 14 gezeigten Mycobacterium tuberculosis-Sequenz
zu hybridisieren, ist.
-
Es
muß nicht
gesagt werden, daß auf
ein jegliches anderes Verfahren einschließlich klassischer Sequenzierungstechniken
für die
Erzielung des gleichen Zwecks zurückgegriffen werden kann.
-
Dieses
Verfahren umfaßt
jenes, das unter dem Begriff ”Oligotyping” für den Nachweis
von Polymorphismus bekannt ist; vorteilhafterweise wird auf das
von Orita et al. (worauf bereits vorstehend verwiesen wurde) offenbarte
Verfahren für
den Nachweis von Polymorphismus auf der Grundlage der Konformation
von Einzelsträngen
verwiesen.
-
Im
Falle einer Resistenz gegen Rifampicin erweist sich das relevante
Gen als das rpoB-Gen, das die β-Untereinheit
der RNA-Polymerasen der Mycobakterien kodiert, oder, wenn nur ein
Teil jenes Gens verwendet wird, vorzugsweise jener Teil, der die
Codons 400 bis 450 jenes rpoB-Gens umfaßt.
-
Schließlich ist
im Falle einer Resistenz gegen Streptomycin das in Betracht gezogene
relevante Gen jenes des rpsL-Gens, das das S12-Protein der kleinen Ribosomen-Untereinheit
kodiert, oder, wenn nur ein Teil des Fragments verwendet wird, vorzugsweise
jener Teil, der das codon an Position 43 umfaßt.
-
Ein
bevorzugtes Verfahren, insbesondere in Bezug auf die Verfahrensalternative,
die PCR-Amplifikation einsetzt, wird im Folgenden offenbart.
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DNA
wird von einer biologischen Probe (z. B. Blut oder Sputum) nach
Entfernung der zellulären
Rückstände und
Lyse der Bakterienzellen mit einem geeigneten Lysispuffer erhalten.
Eine PCR-Amplifikation kann durch klassische Methoden unter Verwendung
eines Primerpaars, deren Sequenzen jeweils komplementär zu Fragmenten
von jedem der Stränge
der zu amplifizierenden DNA sind, ausgeführt werden.
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Die
Nukleotidsequenzen der Erfindung können in einem DNA-Amplifizierungsverfahren,
das als die Polymerasekettenreaktion (PCR) bekannt ist, eingesetzt
werden. Siehe z. B. Kwok et al. (1987). PCR ist vorteilhaft, da
diese Technik schnell ist.
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DNA-Primerpaare
von bekannter Sequenz, die 10–300
Basenpaare voneinander entfernt liegen und die zu den zu amplifizierenden
Plus- und Minus-Strängen der
zu amplifizierenden DNA komplementär sind, können durch wohlbekannte Techniken
für die
Synthese von Oligonukleotiden hergestellt werden. Ein Ende jedes
Primers kann verlängert
und modifiziert werden, um Restriktionsendonukleasestellen zu erzeugen,
wenn der Primer mit der PBMC-DNA hybridisiert wird. Die PCR-Reaktionsmischung
kann die PBMC-DNA, die DNA-Primerpaare, vier Desoxyribonukleosidtriphosphate,
MgCl2, DNA-Polymerase und herkömmliche
Puffer enthalten. Die DNA kann für
eine Zahl von Zyklen amplifiziert werden. Es ist allgemein möglich, die
Nachweisempfindlichkeit zu erhöhen,
indem eine Mehrzahl von Zyklen verwendet wird, wobei jeder Zyklus
aus einer kurzen Zeitspanne der Denaturierung der PBMC-DNA bei einer
erhöhten
Temperatur, einem Abkühlen
der Reaktionsmischung und einer Polymerisation mit der DNA-Polymerase
besteht.
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Amplifizierte
Sequenzen können
durch die Verwendung einer Technik, die als Oligomerrestriktion
(OR) bezeichnet wird, nachgewiesen werden. Einzelstrang-Konformationspolymorphismus
(SSCP)-Analyse kann verwendet werden, um DNA-Polymorphismen und
Punktmutationen in einer Vielzahl von Positionen in DNA-Fragmenten
nachzuweisen. Siehe Saiki et al. (1985); Orita et al. (1989). Beispielsweise
kann nach einer Amplifikation ein Teil der PCR-Reaktionsmischung
abgetrennt und einer Hybridisierung mit einer endmarkierten Nukleotidsonde,
wie einer mit einem 32P-markierten Adenosintriphosphat
endmarkierten Sonde, unterworfen werden. Bei der OR hybridisiert
eine endmarkierte Oligonukleotidsonde in Lösung mit einem Bereich der amplifizierten
Sequenz und rekonstituiert in diesem Verfahren eine spezifische
Endonukleasestelle.
-
Das
Verfahren kann weiter, wie folgt, ausgeführt werden:
- – die Amplifikationsprodukte
(z. B. umfassend 100 bis 300 Nukleotide) werden mittels einer geeigneten
Restriktionsendonuklease verdaut;
- – die
aus dem Amplifikationsmedium erhaltenen DNA-Stränge werden einer Denaturierung
unterworfen,
- – die
einzelsträngigen
DNA-Stränge
werden auf einem neutralen 5%-Polyacrylamidgel
abgeschieden,
- – man
läßt die einzelsträngigen DNA-Stränge auf
dem Gel mittels Elektrophorese wandern,
- – die
DNA-Fragmente, die auf dem Polyacrylamidgel wanderten, werden auf
eine Nylonmembran gemäß einer üblichen
elektrophoretischen Blotting-Technik transferiert und mit markierten
Sonden, beispielsweise 32P-markierten Sonden,
hybridisiert, und
- – die
Wanderungsdistanzen der der Analyse unterworfenen DNA-Fragmente
werden verglichen mit jenen, die von unter den gleichen Bedingungen
für Amplifikation,
Verdau, Denaturierung, Elektrophorese und Transfer auf eine Nylonmembran
erhaltenen Kontrollen erhalten werden, wobei die DNA von einem identischen,
allerdings gegenüber
dem untersuchten Antibiotikum empfindlichen Bakterienstamm erhalten
worden war.
-
Für die Herstellung
der PCR-Primer wie auch der in den vorstehend offenbarten ”Oligotyping”-Verfahren
verwendeten Polygonukleotidsonden werden vorteilhafterweise jene
verwendet, die zu dem rpoB-Gen von wildem M. tuberculosis, das in
ein unter der Nummer I-12167 bei der CNCM am 15. September 1992
hinterlegtes Plasmid insertiert ist, komplementär sind.
-
Die
Erfindung betrifft auch insbesondere die Nukleotidsequenz ei nes
Fragments des rpsL-Gens von Mycobacterium tuberculosis, das das
S12-Protein der kleinen Ribosomen-Untereinheit kodiert, wie auch
die Nukleotidsequenz eines mutierten rpsL-Genfragments, das als
für die
Resistenz gegen Streptomycin verantwortlich angesehen wird.
-
Durch
Amplifikation jener Nukleotidsequenz kann die Nukleotidsequenz des
vollständigen
rpsL-Gens erhalten werden.
-
Die
Erfindung wird weiter veranschaulicht in der folgenden Beschreibung
zusätzlicher
Beispiele, die Bezug nehmen auf die Zeichnungen, in denen:
-
10 schematisch
die für
die Untersuchung verschiedener M. leprae-Isolate verwendete PCR-Strategie
zeigt, wobei die kodierende Sequenz der rpoB-Sequenz gezeigt ist,
wobei die sequenzierten Bereiche durch schraffierte Teile gezeigt
sind, und die Position und Bezeich nung der verwendeten Amplifikationsprimer an
der oberen Zeile angegeben ist, wohingegen die Sequenzierungsprimer
darunter angegeben sind;
-
11(A) die Nukleotidsequenz eines kurzen
Abschnitts von rpoB, der Mutationen trägt, die Resistenz gegen Rifampicin
verleihen, mit einer Angabe der Basenänderungen in den entsprechenden
Allelen und (B) einen Vergleich zwischen den Aminosäuresequenzen
der Domäne
I von Bereich II der β-Untereinheit
der RNA-Polymerase von E. coli und M. leprae zeigt, wobei die Nummern
der Reste und die Unterschiede in den mutierten Aminosäuren angegeben
worden sind; die mutierten Aminosäurereste, die mit Rifampicinresistenz assoziiert
sind, wie auch die Häufigkeit
von deren Auftreten sind ebenfalls angegeben;
-
12 eine vollständige Sequenz des rpoB-Gens
von M. leprae zeigt;
-
13 die
Sequenz eines Teils des rpoB-Gens von M. tuberculosis zeigt;
-
14 die Sequenz eines Teils des rpsL-Gens
von M. tuberculosis zeigt; sowohl die Sequenz des vollständigen rpsL-Gens
von M. leprae als auch jene von dessen Expressionsprodukt, welches
das S12-Protein ist
(dessen Anfangsaminosäure
mit 1 bezeichnet ist), sind angegeben. Die Positionen der ML51-
und ML52-Primer wie auch die Sequenzen eines Teils des rpsL-Gens
von M. tuberculosis sind unter jenen von M. leprae angegeben. Nur
jene Positionen, die unterschiedlich sind, und die entsprechender
Aminosäureänderungen
sind angegeben;
-
15 die
wilde DNA-Sequenz des rpsL-Genfragments, das das S12-Protein der
kleinen Ribosomenuntereinheit kodiert, das für die Resistenz gegenüber Streptomycin
verantwortlich ist, wie auch die entsprechende Aminosäuresequenz
des S12-Proteins zeigt.
-
Beispiel relativer Resistenz von Mycobakterien
gegen Rifampicin
-
Die
Empfindlichkeit gegenüber
Rifampicin ist in Mäusen
bestimmt worden, wie offenbart von Grosset et al. (und Int. J. Lepr.
57: 607-614). Die
Zellen von M. leprae wurden aus Mäusepfoten gemäß klassischen Verfahren
erhalten. Alle resistenten Stämme
waren in der Lage, in Mäusen,
die tägliche
Dosen von 20 mg/kg Rifampicin erhielten, zu wachsen, wohingegen
empfindliche Stämme
bei niedrigen Rifampicin-Konzentrationen,
weniger als 2 mg/kg, getötet
wurden.
-
Relevante
Bereiche des rpoB-Gens der extrahierten DNA wurden bei Verwendung
zweier Paare biotinylierter Primer, deren Sequenzen in der folgenden
Tabelle erscheinen, initiiert. TABELLE
-
Bei
Verwendung herkömmlicher
Techniken wurden Amplifikationsprodukte, umfassend 310 bzw. 710 bp,
erhalten, wie in 1 gezeigt. Die Lage der Sequenzen
der unterschiedlichen, in der Tabelle verwendeten Primer ist ebenfalls
in 10 angegeben.
-
Die
erhaltenen DNAs sind auf der Grundlage der rpoB-Sequenz von gegenüber Rifampicin
empfindlichen Isolaten sequenziert worden. Ein Plasmid, das die
Sequenz jenes Gens enthält,
ist bei der CNCM am 15. September 1992 unter der Nummer I-1266 hinterlegt
worden. Biotinylierte PCR-Produkte wurden aus den PCR-Reaktionsmischungen
aufkonzentriert, indem sie mit mit Streptavidin beschichteten Körnchen unter
Bewegung in Kontakt gebracht wurden. Die biotinylierten Stränge, die
an die Körnchen
anhafteten, wurde dann wiedergewonnen und sequenziert. Die erhaltenen
Sequenzen wurden mit der Sequenz des rpoB-Gens eines Wildtypstamms
verglichen. Als Ergebnis einer Sequenzierung des wilden Gens (eines
gegenüber
Rifampicin empfindlichen Mycobakteriums) und von entsprechenden
Sequenzen der β-Untereinheit
von vier mutierten Stämmen,
die gegenüber
Rifampicin resistent waren, wurden signifikante Ergebnisse erhalten
(11).
-
Ergebnisse
wurden erhalten ausgehend von 102 Strängen, erhalten von mit M. tuberculosis
infizierten Patienten. Unter diesen 102 Strängen waren 53 gegenüber Rifampicin
empfindlich und 49 gegenüber
Rifampicin resistent. In 43 der Mutanten war die Mutation in dem
Bereich 400–450
lokalisiert und unter den letztgenannten trat die Mutation in dem
Bereich von 425Ser zu Leu auf.
-
Beispiel eines Nachweises der Resistenz
von Mycobakterien gegenüber
Streptomycin
-
Die
Kultur von M. tuberculosis-Stämmen
und der Test ihrer Empfindlichkeit gegenüber Streptomycin sind ausgeführt worden
durch das Proportionenverfahren (”method of proportions”) auf einem
Löwenstein-Ierva-Medium (Laboratory
Method for Clinical Mycobacteriology – Hugo David – Véronique
Lévy
Frébault,
M. F. Thorel, veröffentlicht
vom Institut Pasteur).
-
Die
Nukleotidsequenz des rpsL-Gens von M. leprae führte durch Sequenzanalogie
zu der Konstruktion von zwei Primern, ML51 (CCCACCATTCAGCAGCTGGT)
und ML52 (GTCGAGCGAACCGCGAATGA), die Bereiche einschließlich mutmaßlicher
Mutationsstellen, die möglicherweise
für die
Streptomycinresistenz verantwortlich sind, umgaben und für die PCR-Reaktion
geeignet waren. Die DNA des verwendeten M. tuberculosis, der als
Matrize verwendet wurde, ermöglichte
es, ein rpsL-Fragment von 306 bp zu erhalten. Die Nukleotidsequenz
der sequenzierten Fragmente wies 28 Unterschiede zu jener von M.
leprae auf.
-
Die
rpsL-Gene von 43 Stämmen
von M. tuberculosis, von denen 28 resistent waren, sind sowohl durch PCR
als auch die SSCP-Technik amplifiziert worden.
-
DNA
wurde aus 200 μl-Aliquots
von M. tuberculosis-Proben (durchschnittlich 104 bis
105 Bakterien), bedeckt mit 100 μl Mineralöl, durch
eine Einfrier-Auftau-Technik (Woods und Cole, 1989 FEBS. Microbiol.
Lett., 65: 305-308) extrahiert.
-
Nach
Elektrophorese der untersuchten DNA-Stränge wurde eine Mutation in
16 der Mutanten nachgewiesen. Um die Natur der Mutation in den betreffenden
16 Strängen
zu ermitteln, wurden die entsprechenden rpsL-Genfragmente durch PCR unter Verwendung
der ML51- und ML52-Primer amplifiziert und ihre jeweiligen Nukleotidsequenzen
bestimmt.
-
Die
erhaltenen Sequenzen wurden mit der Sequenz des Wildtyp-rpsL-Gens verglichen.
Der einzige Unterschied wurde bei der wilden Sequenz festgestellt;
Codon 43, AAG, war zu AGG mutiert und folglich wurde die Aminosäure Lys-42
durch Arg ersetzt.
-
Die
Erfindung betrifft ferner Kits für
die Resistenz von Mycobakterien gegen Isoniazid, Rifampicin oder Analoga
davon, und Streptomycin.
-
Die
Erfindung betrifft ferner einen Kit für die in vitro-Diagnose der
Resistenz eines Bakteriums einer Mycobacterium-Gattung gegenüber Isoniazid,
dadurch gekennzeichnet, daß er
umfaßt:
- – Mittel
zum Ausführen
einer Genamplifikation der DNA des katG-Gens oder eines Fragments
davon, wobei das Gen oder das Fragment davon in der Lage ist, mit
einem 2,5 kb-EcoRV-KpnI-Fragment von Plasmid pYZ56 zu hybridisieren,
- – Mittel
zum Nachweisen einer oder mehrerer Mutationen bei den so erhaltenen
Amplifikationsprodukten und
- – eine
Präparation
von Kontroll-DNA eines katG-Gens eines Stammes des Bakteriums, der
gegenüber
Isoniazid empfindlich ist, oder eines Fragments davon,
- – gegebenenfalls
eine Kontrollpräparation
einer DNA des katG-Gens eines Isoniazid-resistenten Mycobacterium-Stammes.
-
Die
Erfindung betrifft ferner einen Kit für die in vitro-Diagnose der
Resistenz eines Bakteriums einer Mycobacterium-Gattung gegenüber Rifampicin
oder dessen Analoga, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:
- – Mittel
zum Ausführen
einer Genamplifikation der DNA des rpoB-Gens oder der β-Untereinheit
der RNA-Polymerase des Mycobateriums oder eines Fragments davon,
wobei das Gen oder das Fragment davon in der Lage ist, mit der in 13 gezeigten
Sequenz zu hybridisieren,
- – Mittel
zum Nachweisen einer oder mehrerer Mutationen bei den so erhaltenen
Amplifikationsprodukten und
- – eine
Präparation
von Kontroll-DNA eines rpoB-Gens, das die β-Untereinheit der RNA-Polymerase von
einem Stamm des Bakteriums, der gegenüber Rifampicin empfindlich
ist, kodiert, oder von einem Fragment davon,
- – gegebenenfalls
eine Kontrollpräparation
einer DNA des rpoB-Gens eines Isoniazid-resistenten Mycobacterium-Stammes.
-
In ähnlicher
Weise bezieht sich die Erfindung auf einen Kit für die in vitro-Diagnose der
Resistenz von M. tuberculosis gegenüber Streptomycin, dadurch gekennzeichnet,
daß er
umfaßt:
- – Mittel
zum Ausführen
einer Genamplifikation der DNA des rpsL-Gens, das das S12-Protein der kleinen Ribosomenuntereinheit
kodiert, oder eines Fragments davon, wobei das Gen oder das Fragment
davon in der Lage ist, mit der in 14 gezeigten
Mycobacterium tuberculosis-Sequenz zu hybridisieren,
- – Mittel,
die den Nachweis einer oder mehrerer Mutationen bei den erhaltenen
Amplifikationsprodukten ermöglichen,
und
- – eine
Kontroll-Präparation
einer DNA-Sequenz des rpsL-Gens, das das S12-Protein der kleinen
Untereinheit des Ribosoms eines gegenüber Streptomycin empfindlichen
M. tuberculosis-Stamms kodiert, und
- – gegebenenfalls
eine Kontrollpräparation
einer DNA eines rpsL-Gens,
das das S12-Protein der kleinen Untereinheit des Ribosoms eines
gegenüber
Streptomycin resistenten M. tuberculosis-Stamms kodiert.
-
Die
Erfindung betrifft ferner eine Nukleinsäuresequenz, umfassend ein 2,5
kb-EcoRV-KpnI-Fragment von Plasmid pYZ56.
-
Die
Erfindung betrifft auch eine Nukleinsäuresequenz, umfassend ein 4,5
kb-KpnI-Fragment von Plasmid pYZ55, wobei das Fragment eine BamHi-Spaltstelle
umfasst.
-
Die
Erfindung ist auch auf eine Nukleotidsequenz gerichtet, welche die
3447 Basen-Sequenz, wie in 12 beschrieben,
ist, oder ein Abschnitt davon, wobei der genannte Abschnitt ist:
- – die
in 11A abgebildete Sequenz;
- – das
710 Basenpaar-Fragment, erhältlich
durch Amplifizierung der in 12 abgebildeten
Sequenz, mit den Primern CAGGACGTCGAGGCGATCAC und AACGACGACGTGGCCAGCGT;
- – die
Nukleotidsequenz, die sich von den Nukleotiden 1195 bis 1293 in 12 erstreckt, die die in 11B abgebildete
Aminosäuresequenz
kodiert.
-
Die
Erfindung ist auch auf eine Nukleotidsequenz gerichtet, die die
432 Basen-Sequenz, wie in 13 beschrieben,
ist, oder ein Abschnitt davon, wobei der genannte Abschnitt ist:
- – eine
Sequenz, die die Kodons 400-450 des rpoB-Gens einschließt;
- – die
Nukleotidsequenz, die sich von den Nukleotiden 169 bis 267 in 13 erstreckt,
die die in 11B abgebildete Aminosäuresequenz
kodiert.
-
Die
Erfindung betrifft auch die Verwendung einer Nukleinsäuresequenz,
umfassend die Sequenz nach einem der Ansprüche 21 bis 28 zum Nachweis
von Antibiotikaresistenz in Mycobakterien.
-
IN DER BESCHREIBUNG ZITIERTE
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