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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft Fusionsproteine, DNA-Moleküle. welche die Fusionsproteine
codieren, Vektoren, die die DNA-Moleküle umfassen, Wirtszellen, die
mit den Vektoren transformiert sind und Verfahren und Kits, um diese
für die
Bestimmung der Aktivität
einer Protease zu verwenden. Genauer gesagt betrifft die Erfindung
ein Fusionsprotein, das eine Proteasespaltstelle, eine Ligandenbindungsdomäne und eine
DNA-Bindungs-Domäne
aufweist, wobei (1) die Assoziation eines Liganden mit der Ligandenbindungsdomäne des Fusionsproteins
die Bindung an ein Ligandenresponsives Element („LRE") vermittelt, welches funktionell mit
einem Reportergen verknüpft
ist, wobei die Proteasespaltstelle des Fusionsproteins so gespalten
werden kann, dass keines der resultierenden Fusionsproteinfragmente
in der Lage ist, die Expression des Reportergens zu modulieren;
und wobei (2) das Fusionsprotein eine Expressionsmodulatordomäne umfasst
oder mit einem zweiten Protein mit einer Expressionsmodulatordomäne verbunden
ist, wobei die Expressionsmodulatordomäne die Transkription des Reportergens
reguliert; und wobei die Zielprotease-Spaltstelle innerhalb der DNA-Bindungs-Domäne oder
innerhalb der Modulatordomäne,
falls vorhanden, oder zwischen beliebigen Domänen des Fusionsproteins liegt.
Die Erfindung betrifft auch Kits zum Testen von Proteaseaktivität, umfassend DNA-Moleküle, welche
die Fusionsproteine codieren, einen geeigneten Liganden sowie DNA-Moleküle, welche
ein Promotor-Reportergen-Konstrukt und mindestens ein LRE umfassen,
das von der DNA-Bindungs-Domäne
des Fusionsproteins erkannt wird. Die DNA-Moleküle in diesen Kits können isoliert
sein oder in Wirtszellen vorliegen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Proteasen
spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation biologischer Prozesse
in fast jeder Lebensform von Bakterien bis zu Viren und zu Säugern. Sie üben entscheidende
Funktionen aus, beispielsweise bei der Verdauung, der Blutgerinnung,
der Apoptose, der Aktivierung von Immunreaktionen, der Zymogen-Aktivierung, der
Reifung von Viren, der Proteinsekretion und dem Proteintransport.
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Man
hat Proteasen als Ursache oder als Mitauslöser für verschiedene Krankheiten
wie z. B. Alzheimersche Krankheit, Mucoviszidose, Emphysem, Bluthochdruck,
dem Eindringen von Tumoren und der Metastase und Virus-assoziierten
Krankheiten in Verbindung gebracht [z. B. Kim, T. W. et al., (1997) „Alternative Cleavage
of Alzheimer-associated Presinilins During Apoptosis by a Caspase-3
Family Protease",
Science 277: 373–6;
Lacana et al., (1997) „Disassociation
of Apoptosis and Activation of IL-1 beta-converting Enzyme/Ced-3
Proteases by ALG-2 and the Truncated Alzheimer's gene ALG-3", J. Immunol. 158: 5129–35; Birrer, P.,
(1995) „Proteases
and Antiproteases in Cystic Fibrosis: Pathogenic Considerations
and Therapeutic Strategies",
Respiration 62: 25–8;
Patel, T. et al., (1996) „The
Role of Proteases During Apoptosis", FASEB J. 10: 587–97].
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Auch
verschiedene Virusgenome codieren Proteasen, die für den viralen
Reifungsprozess wichtig sind. Zum Beispiel spaltet die virale Aspartylprotease
des menschlichen Immundefizienzvirus (HIV) ein HIV-Polypeptid, welches
die Gag und Pol Polyproteine enthält.
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In
einem anderen Beispiel erzeugt das Hepatitis C-Virus (HCV) ein langes
Polypeptidtranslationsprodukt, NH2-C-E1-E2-p7-NS2-NS3-NS4A-NS4B-NS5A-NS5B
-COOH, welches so gespalten wird, dass mindestens 10 Proteine entstehen.
C, E1 und E2 sind mutmaßliche
Strukturproteine, und die übrigen
sind als nicht-strukturelle Proteine bekannt. Eines dieser Proteine
ist NS3, ein 70 kDa großes
Protein, das eine Serin-Protease-Aktivität aufweist. Es ist gezeigt
worden, dass die Protease-Aktivität von NS3 ausschließlich in den
N-terminalen 180 Aminosäuren
des Enzyms liegt. Die NS3-Protease erzeugt Spaltungen an vier Stellen in
der nicht-strukturellen Region des HCV-Polypeptids (3/4A, 4A/4B,
4B/5A und 5A/5B). Ein anderes Protein, NS4A, besitzt 54 Aminosäuren und
ist als ein Cofaktor für
die NS3-Protease charakterisiert worden [C. Failla et al., (1994),
J. Virology 68: 3753–3760].
Die C-terminalen 33 Aminosäuren
von NS4A sind für
die Spaltung an der 3/4A- und der 4B/5A-Stelle notwendig und beschleunigen
die Spaltungsrate an der 5A/5B-Stelle. Man hat in verschiedenen
Stämmen
von HCV mehrere andere NS3-Serin-Protease-abhängige Spaltungsstellen-Sequenzen
identifiziert [A. Grakoui et al., (1993), J. Virology 67: 2832–2843].
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Die
Fähigkeit,
virale, zelluläre
oder Mikroorganismus-Protease-Aktivität in einem schnellen und einfachen
Test nachzuweisen, ist wichtig bei der biochemischen Charakterisierung
dieser Proteasen, beim Nachweis einer viralen Infektion und beim
Screenen und der Identifizierung möglicher Hemmstoffe.
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WO 91/16436 beschreibt
ein hybrides regulatorisches Protein, ein DNA-bindendes Peptid, ein Linkerpeptid,
welches von einer spezifischen Protease gespalten werden konnte,
und ein die DNA-Transkription modifizierendes Peptid. Dieses Hybrid-Protein
wird in Protease-Assayverfahren eingesetzt.
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WO 96/37609 beschreibt
ein Fusionsprotein, umfassend eine Liganden-Bindungsdomäne, die an ein Mitglied der
Superfamilie der Insekten-Steroidrezeptoren gebunden ist, eine DNA-Bindungs-Domäne und eine Transaktivierungsdomäne. Die
Spaltung. des Steroidrezeptors trennt die Liganden-Bindungsdomäne ab und die
entstehenden Fragmente sind nicht in der Lage, die Expression eines
Reportergens zu modulieren, das von der Transaktivierungsdomäne des Fusionsproteins
von
WO 96/37609 gesteuert
wird.
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WO 97/38117 beschreibt
ein induzierbares DNA-Konstrukt eines Säuger-Expressionssystems, umfassend ein exogenes
Gen unter der Kontrolle eines auf Ecdyson ansprechenden Elements.
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Es
sind verschiedene Protease-Assays auf dem Fachgebiet bekannt. T.
A. Smith et al., Proc. Natl. Acad. Scid. U.S.A. 88, S. 5159–62 (1991);
B. Dasmahapatra et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 89, S. 4159–62 (1992);
und M. G. Murray et al., Gene 134, S. 123–128 (1993) beschreiben alle
Protease-Assay-Systeme, die das GAL4-Protein aus Hefe benutzen.
Jedes dieser Dokumente beschreibt das Einführen einer Protease-Spaltstelle
zwischen der DNA-Bindungs-Domäne
und der Transkriptionsaktivationsdomäne von GAL4. Eine Spaltung
dieser Stelle durch eine coexprimierte Protease macht GAL4 transkriptionell
inaktiv, was dazu führt,
dass die transformierte Hefe nicht fähig ist, Galactose zu verstoffwechseln.
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Y.
Hirowatari et al., Anal. Biochem. 225, S. 113–120 beschreibt einen Assay
um HCV-Proteaseaktivität nachzuweisen.
In diesem Assay werden das Substrat, HCV-Protease und ein Reportergen
in COS-Zellen co-transfiziert. Bei dem Substrat handelt es sich
um ein Fusionsprotein, das aus (HCV NS2)-(DHFR)-(HCV NS3 Spaltstelle)-Taxt
besteht. Das Reportergen ist Chloramphenicol-Acetyltransferase (CAT)
unter der Kontrolle des HTLV-1 Long Terminal Repeats (LTR) und befindet
sich nach der Expression im Zellkern. Das ungespaltene Substrat
wird wegen des HCV NS2-Teils
als ein Membran-gebundenes Protein an der Oberfläche des endoplasmatischen Reticulums
exprimiert. Nach der Spaltung verlagert sich das freigesetzte Taxt-Protein
in den Kern und aktiviert die CAT-Expression indem es an das HTLV-1
LTR bindet. Die Protease-Aktivität
wird bestimmt, indem man die CAT-Aktivität in einem Zelllysat misst.
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Jeder
der vorstehend beschriebenen Assays erfordert die gleichzeitige
(1) Expression einer aktiven Protease und eines Substrats und (2)
Transkription eines Reportergenkonstrukts. Die konstitutive Art
dieser Assays kann häufig
unkontrollierbare und unerwünschte
Effekte hervorrufen. Diese Effekte können in die Irre führende oder
fehlerhafte Schlussfolgerungen in Bezug auf die Aktivität der Protease
zur Folge haben. Es gibt somit einen Bedarf für einen empfindlichen und quantitativen
Protease-Assay, der induzierbar ist oder der leicht durch den Benutzer
kontrolliert werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung erfüllt
dieses Bedürfnis
indem sie neue Fusionsproteine, DNA-Moleküle, die diese codieren, Vektoren,
die die DNA-Moleküle
umfassen, und Wirtszellen bereitstellt, die die Vektoren enthalten,
die in einem Fusionsproteinliganden-abhängigen Assay nützlich sind,
die Aktivität
einer Protease zu messen.
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Das
neuartige Fusionsprotein umfasst eine Proteasespaltstelle, eine
Ligandenbindungsdomäne
und eine DNA-Bindungs-Domäne,
wobei (1) die Assoziation eines Liganden mit der Ligandenbindungsdomäne des Fusionsproteins
die Bindung der DNA-Bindungs-Domäne
des Fusionsproteins an ein IRE vermittelt, welches funktionell mit
einem Reportergen verknüpft
ist, wobei die Proteasespaltstelle des Fusionsproteins so gespalten
werden kann, dass keines der resultierenden Fusionsproteinfragmente
fähig ist,
die Expression des Reportergens zu modulieren; und wobei (2) das
Fusionsprotein eine Expressionsmodulatordomäne umfasst oder mit einem zweiten
Protein mit einer Expressionsmodulatordomäne verbunden ist, wobei die
Expressionsmodulatordomäne
die Transkription des Reportergens reguliert und wobei die Zielprotease-Spaltstelle
innerhalb der DNA-Bindungs-Domäne
oder innerhalb der Modulatordomäne,
falls vorhanden, oder zwischen beliebigen Domänen des Fusionsproteins liegt.
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Gemäß den Verfahren
dieser Erfindung löst
die Bindung eines Liganden an die Ligandenbindungsdomäne des ungespaltenen
Fusionsproteins die Aktivierung oder die Repression der Transkription
des Reportergens zu einem bestimmten Zeitpunkt aus. Diese Induzierbarkeit
ermöglicht
es, dass der Test besser kontrolliert werden kann und somit genauere
Ergebnisse liefert.
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Eine
Spaltung des Fusionsproteins an der Proteasespaltstelle dereguliert
die Transkription des Reportergens indem es die Expressionsmodulatordomäne daran
hindert, die Transkription positiv oder negativ zu modulieren. Die
Menge an gespaltenem Fusionsprotein wird quantitativ bestimmt indem
man eine Zunahme oder Abnahme der Transaktivierung des Reportergens
misst, dessen Expression von einem Promotor gesteuert wird, der
durch die Expressions-modulierende Domäne des Fusionsproteins moduliert
wird.
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Diese
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Messen der inhibitorischen
Aktivität
einer Verbindung gegen eine Protease umfassend die Schritte Inkubieren
des Fusionsproteins mit einer Protease in Gegenwart oder in Abwesenheit
von einer Verbindung, deren Aktivität getestet wird, Hinzufügen eines
Liganden zu der Inkubation und quantitativem Bestimmen des Genprodukts,
das von dem Reportergen erzeugt worden ist.
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Noch
eine andere Ausführungsform
dieser Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergleichen der Aktivität von zwei
Proteasen oder Mutanten einer Protease, welche dieselbe Spaltstelle
erkennen.
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Die
Erfindung betrifft auch Kits zum Testen von Protease-Aktivität, umfassend
DNA-Moleküle,
welche das Fusionsprotein codieren, das Fusionsprotein oder Wirtszellen,
welche die DNA-Moleküle
enthalten, wobei das Kit wahlweise DNA-Moleküle umfasst, die eine Protease
codieren, DNA-Moleküle,
die ein Reportergen umfassen, dessen Expression durch das Fusionsprotein
reguliert ist, einen Liganden, der an das Fusionsprotein bindet
und dessen Aktivität
reguliert, sowie Anleitungen zur Benutzung des Kits. Bevorzugt sind
die DNA-Moleküle
in dem Kit in einen Vektor konstruiert worden, welcher deren Expression
ermöglicht.
Ein Kit gemäß dieser Erfindung
kann ein beliebiges oder alle der folgenden DNA-Moleküle umfassen,
die in eine einzige Wirtszelle transformiert worden sind, ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus einem DNA-Molekül, das ein Fusionsprotein dieser
Erfindung codiert, ein DNA-Molekül,
das eine Protease codiert, ein DNA-Molekül, das einen Proteinbindungspartner
für das
Fusionsprotein codiert, und ein DNA-Molekül, das ein Promotor-Reportergen-Konstrukt
umfasst. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind auch in den
Ansprüchen beschrieben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt
die Struktur der Vektoren pVgRXR, pVgRXR-5A/5B und pVgRXR-5A(Stop)5B
dar. Der umgekehrte Schrägstrich
zwischen dem Cystein und dem Serin des von pVgRXR-5A/5B codierten
Proteins zeigt an, wo die Spaltung stattfindet. Die zwei Sterne
in der Nähe
der Spaltstelle des von pVgRXR-5A(Stop)5B codierten Proteins zeigen
die Platzierung der zwei Stopcodons an.
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2 stellt
die Struktur eines DNA-Vektors dar, welcher die HCV-NS3-4A-Protease codiert,
pSRα-NS3-4A.
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3 stellt
die Struktur eines Kontrollvektors pIND und eines Reporter-Vektors für die durch
Ecdyson induzierbare Luciferase-Expression dar, pIND-luc. Der Ausdruck „5XE/GRE" bezieht sich auf
die auf Ecdyson/Glucocorticoid reagierenden Elemente. Der Ausdruck „PΔHSP" bezieht sich auf
den Hitzeschock-Minimalpromotor. Der Ausdruck „BGH pA" bezieht sich auf das Polyadenylierungssignal
von Rinderwachstumshormon.
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4 stellt
grafisch die Ergebnisse der Transfektionsexperimente in COS-Zellen mit dem jeweils
folgenden dar: (1) einem DNA-Vektor, der ein RXR-Rezeptor-Protein von Säugern codiert
und ein Fusionsprotein, das die DNA-Bindungs-Domäne des Ecdyson-Rezeptors von
Drososphila umfasst, welche an die Aktivierungsdomäne des VP16-Proteins
des Herpes simplex-Virus (pVgRXR) fusioniert ist; (2) einen DNA-Vektor,
der ein RXR-Rezeptorprotein codiert und ein Fusionsprotein, das
die DNA-Bindungs-Domäne
des Ecdyson-Rezeptors von Drosophila umfasst, welche an die proteolytische
Spaltstelle 5A/5B von HCV fusioniert ist, welche an die Aktivierungsdomäne des VP16-Proteins
fusioniert ist (pVgRXR-5A/5B); sowie (3) einen DNA-Vektor, der ein
RXR-Rezeptorprotein codiert und ein Fusionsprotein wie vorstehend
beschrieben mit der Ausnahme, dass die DNA, welche die 5A/5B- Spaltstelle codiert,
so modifiziert ist, dass hintereinander liegende Stopcodons in der
Spaltstelle enthalten sind (pVgRXR-5A(Stop)5B). Ein Plasmid, welches
das Luciferase-Reportergen umfasst, wurde in jeder Transfektion
mit eingeschlossen (pIND-luc). Nach der Transfektion wurde die Transkription
des Reportergens durch Verabreichen von 1 μM Muristeron-A (einem Analogon
von Ecdyson) an die transfizierten Zellen induziert. Die Messwerte
wurden erhalten indem man wie in Beispiel 2 beschrieben die Luciferase-Aktivität maß, die in
den Zelllysaten aus den transfizierten Zellen vorhanden war.
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5 stellt
die Ergebnisse einer Cotransfektion der Plasmide pVgRXR-5A/5B und pIND-luc
in COS-Zellen mit steigenden Mengen eines Plasmids, welches die
HCV NS3-4A-Protease (pSRαNS3-4A)
codiert, oder eines Kontrollplasmids (pSRα) dar. Nach der Transfektion
wurde die Transkription des Reporterplasmids induziert indem man
den transfizierten Zellen 1 μM
Muristeron-A verabreichte.
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6 stellt
grafisch die Ergebnisse einer Cotransfektion mit den Plasmiden pVgRXR-5A/5B
und pIND-luc in COS-Zellen mit steigenden Mengen eines Plasmids
dar, welches die HCV NS3-4A-Protease oder eine inaktive Mutante
davon (pSRαNs3-4A
bzw. pSRαNs3-4A(S1165A))
codierte. Nach der Transfektion wurde die Transkription des Reporterplasmids
induziert indem man den transfizierten Zellen 1 μM Muristeron-A verabreichte.
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7 stellt
grafisch die Ergebnisse einer Verabreichung von entweder 1, 3,3,
10, 33 oder 100 μM
Ponasteron-A (eines Analogons von Ecdyson) an COS-Zellen nach der
Cotransfektion mit den Plasmiden pVgRXR-5A/5B und pIND-luc in der
Gegenwart oder in der Abwesenheit eines Plasmids dar, welches die
HCV NS3-4A-Protease
(pSRαNS3-4A)
codierte.
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8 stellt
grafisch die Ergebnisse eines Kontrollexperiments dar, das die Toleranz
gegenüber
DMSO zeigt. Die Plasmide pVgRXR-5A/5B und pIND-luc wurden mit oder
ohne ein Plasmid, das die HCV-NS3-4A-Protease (pSRαNS3-4A) codierte,
in COS-Zellen cotransfiziert. Nach der Transfektion wurde die Transkription
des Reporterplasmids induziert indem man in der Gegenwart von steigenden
Konzentrationen von Dimethylsulfoxid (DMSO) 5 μM Ponasteron-A verabreichte.
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9 stellt
grafisch die Ergebnisse einer Cotransfektion mit den Plasmiden pVgRXR-5A/5B,
pIND-luc und pSRαNS3-4A
in COS-Zellen und einer Verabreichung von 5 μM Ponasteron-A und unterschiedlichen
Mengen eines Protease-Inhibitors (VH-25531)
dar.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt neuartige Werkzeuge und Verfahren zur
Messung von Protease-Aktivität
bereit. Die Aktivität
einer Protease wird gemessen indem man ein neuartiges Fusionsprotein
als Substrat in einem Transkriptions-Assay verwendet, wobei Transkription
zu einem bestimmten Zeitpunkt durch Hinzufügen eines Liganden aktiviert
oder unterdrückt
wird nachdem eine Protease und ein Fusionsprotein dieser Erfindung
zusammen inkubiert worden sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Fusionsprotein wie hierin beschrieben
bereit.
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Bei
einer Proteasespaltstelle (hierin folgend „PCS") gemäß dieser Erfindung handelt
es sich um ein Peptid, welches in die Primärsequenz des Fusionsproteins
dieser Erfindung eingebaut ist. Sie kann sowohl in der DNA-Bindungs-Domäne als auch
der Liganden-Bindungsdomäne
als auch wahlweise in der Expressionsmodulatordomäne des Proteins,
falls eine solche existiert, liegen als auch zwischen zwei beliebigen
dieser Domänen.
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Das
Vorhandensein der Spaltstelle in dem Protein sollte die Aktivität der DNA-Bindungs-Domäne, der Liganden-Bindungsdomäne oder,
falls vorhanden, der Expressionsmodulatordomäne des Fusionsproteins nicht
wesentlich beeinträchtigen.
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Um
zu gewährleisten,
dass die Proteasespaltstelle nicht wesentlich die Aktivität der vorstehend
genannten Domänen
des Fusionsproteins beeinträchtigt,
kann die Aktivität
eines Fusionsproteins mit der POS mit der Aktivität desselben
Fusionsproteins ohne die POS mit Hilfe eines Gelshift-Assays, um
die DNA-Bindung zu testen oder mittels eines Transkriptions-Assays
verglichen werden (z. B. D. Latchman (1995) Eukaryotic Transcription
Factors, 2. Ausg., Academic Press, London).
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Auch
sollte die Proteasespaltstelle in das Fusionsprotein konstruiert
werden, so dass, wenn sie gespalten sind, keines der entstandenen
Fusionsproteinfragmente in der Lage ist, die Expression eines Ziel-
oder Reportergens zu modulieren.
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Bevorzugt
gibt es nur eine Ziel-Proteasespaltstelle, die innerhalb des Fusionsproteinsubstrats
liegt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
liegt die Proteasespaltstelle zwischen der DNA-Bindungs-Domäne und der
Effektormodulatordomäne
des Fusionsproteins.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung weist die PCS eine Aminosäuresequenz auf, welche eine
Prozessierungs/Proteasespaltstelle in den HIV gag und gag/pol-Polyproteinen
oder in dem HCV-Polyprotein umfasst. In einer stärker bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung ist die HIV PCS-Stelle ausgewählt aus der Gruppe bestehend
aus den SEQ ID NOs: 1–10
[S. Pichuantes et al., (1989) „Recombinant
HIV1 Protease Secreted by Saccharomyces cerevisiae Correctly Processes
Myristylated gag Polyprotein",
Proteins: Structure, Function and Genetics 6: 324–337].
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In
einer stärker
bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung weist die PCS die Aminosäuresequenz einer Spaltstelle
für die
HCV NS3 Serinprotease oder die HIV Aspartylprotease auf. In einer
noch stärker bevorzugten
Ausführungsform
dieser Erfindung besitzt die PCS die Aminosäuresequenz einer HCV 5A/5B Proteasespaltstelle.
In einer noch stärker
bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung handelt es sich bei der 5A/5B Proteasespaltstelle
um SEQ ID NO: 10.
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Der
nächste
Teil des Fusionsproteins dieser Erfindung ist die Liganden-Bindungsdomäne (hierin
nachfolgend „LBD"). Bei der LBD handelt
es sich um eine Peptiddomäne,
die an einen Liganden bindet, wobei diese Ligandenbindung für das Fusionsprotein
erforderlich ist um (1) an ein LRE zu binden, in welchem das Element funktionell
mit einem Reportergen verknüpft
ist; und/oder (2) um in einem Zwischenschritt, der der Bindung an den
resultierenden Fusionsprotein-Proteinbindungspartner-Komplex an
ein LRE vorangeht, an einen Proteinbindungspartner zu binden. Somit
ist die Bindung eines Liganden an die Liganden-Bindungsdomäne des Fusionsproteins
für die
transkriptionelle Regulation der Expression des Reportergens erforderlich.
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Liganden-Bindungsdomänen, welche
für den
Einsatz in dieser Erfindung geeignet sind, können von Liganden-Bindungsdomänen von
Transkriptionsfaktoren abgeleitet werden, welche auf die Bindung
eines Liganden hin Transkription in Gang setzen oder unterdrücken. Zu
solchen Transkriptionsfaktoren gehören Hormonrezeptoren [Freedman,
L. P. (1988), „Molecular
Biology of Steroid and Nuclear Hormone Receptors: Progress in Gene
Expression, Boston, Birkhauser; Tsai, M-J. (1994), „Mechanism
of Steroid Hormone Regulation of Gene Transcription", Molecular Biology
Intelligence Unit, Austin, R. G. Landes Co.; Eggert, M. et al.,
(1995), „The Glucocorticoid
Hormone Receptor",
Inducible Gene Expression, Band 2, Birkhauser, Boston, Massachusetts,
Hrsg. P. A. Baeuerle, S. 157–185;
Keaveney, M. und H. G. Stunnenberg (1995), „Retinoic Acid Receptors", Inducible Gene
Expression, Band 2, Birkhauser, Boston, Massachusetts, Hrsg. P.
A. Baeuerle, S. 187–242];
auf Kohlenhydrat reagierende Transkriptionsfaktoren; Metallothionein(MT)-Gene;
nicht erfasste Rezeptoren; Tetracyclin-induzierbare Transkriptionsfaktoren;
die IPTG-induzierbaren
Transkriptionsfaktoren; Dioxinrezeptoren und Aryl-Kohlenwasserstoff-Rezeptoren].
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung ist die Ligandenbindungsdomäne von den Ligandenbindungsdomänen der
Superfamilie der Steroid/Thyroid-Rezeptoren abgeleitet. Aminosäuresequenzen,
die Steroid- und Kernrezeptor-Ligandenbindungsdomänen codieren,
sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt [siehe z. B. S. Simons (1988), „Structure
and Function of the Steroid and Nuclear Receptor Ligand Binding
Domain", Molecular
Biology of Steroid and Nuclear Hormone Receptors: Progress in Gene
Expression, Birkhauser, Boston, Massachusetts].
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In
einer stärker
bevorzugten Ausführungsform
ist die Ligandenbindungsdomäne
von einem Ecdyson-Rezeptor abgeleitet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
dieser Erfindung kann eine Ligandenbindungsdomäne von einem Transkriptionsfaktor
in dem Fusionsprotein dieser Erfindung so modifiziert werden, dass
sie an einen anderen Liganden bindet. Zum Beispiel kann eine Ligandenbindungsdomäne des menschlichen
Progesteronrezeptors so mutiert werden, dass sie in der Lage ist,
die Anti-Progesteron-Verbindung
RU486 zu binden [Wang, Y. et al. (1997), „Positive and Negative Regulation
of Gene Expression in Eukaryotic Cells with an Inducible Transcriptional
Regulator", Gene
Ther. 4: 432–41].
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Ein
solches RU486-induzierbares GAL4 DNA-Bindungs-Domänen-Fusionsprotein
wird für
eine Verwendung in dieser Erfindung in Erwägung gezogen.
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Eine
DNA-Bindungs-Domäne
(hierin nachfolgend „DBD") bezieht sich auf
eine Peptidsequenz in dem Fusionsprotein gemäß dieser Erfindung, welche
eine spezifische Nucleotidsequenz (z. B. eine DNA-Element oder ein
IRE) erkennt und daran bindet. DNA-Bindungs-Domänen, die gemäß dieser
Erfindung nützlich
sind, können
von den DNA-Bindungs-Domänen
von DNA bindenden Proteinen abgeleitet werden, wie z. B. von Transkriptionsfaktoren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei diesen DNA bindenden Proteinen um Transkriptionsfaktoren,
die DNA direkt binden und Transkription in Gang setzen oder unterdrücken. Solche
Transkriptionsfaktoren sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt [McKnight,
S. L. und K. R. Yamamoto (1992), „Transcriptional Regulation"" Cold Spring Harbor Monograph Series,
Plainview, New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press; Latchman,
D. S. (1995), Eukaryotic Transcription Factors, San Diego, Academic
Press, 2. Ausg.; Latchman, D. S. (1993) „Transcription Factors: A
Practical Approach",
The Practical Approach Series, New York, IRL Press at Oxford University
Press; Papavassiliou, A. (1997), „Transcription Factors in
Eukaryotes", Molecular
Biology Intelligence Unit, New York, Chapman & Hall; Eckstein, F. und D. M. J.
Lilley (1997), „Mechanisms
of Transcription",
Nucleic Acids and Molecular Biology, Band 11, New York, Springer
Verlag].
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Zu
bevorzugten DNA-Bindungs-Domänen,
die für
die Verwendung in dieser Erfindung in Betracht gezogen werden, gehören die
DNA-Bindungs-Domänen
der folgenden Transkriptionsfaktoren: Homeobox-Proteine, Zinkfingerproteine
(Sluyser, M. (1993), Zinc Finger Proteins in Oncogenesis: DNA Binding
and Gene Regulation, New York, New York Academy of Sciences), Helix-Turn-Helix-Proteine,
Helix-Loop-Helix-Proteine
(z. B. Littlewood, Trevor D. (1998), Helix-Loop-Helix Transcription
Factors, 3. Ausg., New York, Oxford University Press), Leucin-Zipper-Proteine
(z. B. Hurst, H. C. (1996), Leucine Zippers: Transcription Factors,
3. Ausg., San Diego, Academic Press), GAL4-Protein, Hormonrezeptoren,
nicht erfasste Rezeptoren, und E. coli-Transkriptionsfaktoren wie
z. B. der Lactose-Operon-Repressor, der durch Tetracyclin kontrollierte
Transaktivator und FadR.
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Die
vorliegende Erfindung zieht auch die Verwendung der DBDs von Metall
bindenden DNA-Bindungs-Proteinen in Betracht, die die Transkription
von Metallothionein (MT) Genen regulieren. Zu solchen Metall bindenden
DNA-Bindungs-Proteinen
gehören
MTF-1, ACE1 und AMT1. [Heuchel, R. et al., „Transcriptional Regulation
by Heavy Metals, Exemplified at the Metallothionein Genes", Inducible Gene
Expression, Band 1 (1995), Birkhauser, Boston, Massachusetts, Hrsg.
P. A. Baeuerle, S. 206–240].
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In
einer stärker
bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung wird die DNA-Bindungs-Domäne von einem
Mitglied der Superfamilie von Steroid/Thyroid-Rezeptoren erhalten.
Die Mitglieder der Superfamilie von Steroid/Thyroid-Rezeptoren sind auf
dem Fachgebiet als Hormon bindende Proteine bekannt, die als Liganden-abhängige Transkriptionsfaktoren
fungieren. Dazu gehören
bekannte Mitglieder der Superfamilie von Steroid/Thyroid-Rezeptoren,
für die
bisher noch keine natürlichen
Liganden identifiziert worden sind (die hierin als „nicht
erfasste Rezeptoren" bezeichnet
werden) [B. M. Forman (1998), „Orphan
Nuclear Receptors and Their Ligands", Molecular Biology of Steroid and Nuclear
Hormone Receptors, L. P. Freedman, Hrsg., Birkhauser, Boston, S.
281–305].
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Mitglieder
der nicht erfassten Rezeptoren, die für diese Erfindung nützlich sind,
umfassen HNF4, die COUP-Familie von Rezeptoren und die COUP-ähnlichen
Rezeptoren, Peroxisom-Proliferator-aktivierte Rezeptoren (PPARs),
von Insekten abgeleitete knirps und knirps-verwandte Rezeptoren
und verschiedene Isoformen davon.
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Die
Aminosäuresequenzen,
die solche DBDs codieren, sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt [F.
Rastinejad (1998), „Structure
and Function of the Steroid and Nuclear Receptor DNA Binding Domains", Molecular Biology
of Steroid and Nuclear Hormone Receptors: Progress in Gene Expression,
Birkhauser, Boston, MA].
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Wie
die LBD, die in den Fusionsproteinen dieser Erfindung verwendet
wird, können
die DNA-Bindungs-Domänen
dieser Erfindung aus der Sequenz, die in dem ursprünglichen
Transkriptionsfaktor vorliegt, modifiziert werden, so dass er ein
anderes LRE erkennt. Zum Beispiel kann die Aminosäuresequenz
eines Mitglieds der Steroid/Thyroid-Familie so modifiziert werden,
dass die DNA-Bindungs-Domäne
an ein LRE bindet, das von einem anderen Mitglied der Steroid/Thyroid-Familie
erkannt wird. Zum Beispiel wird durch diese Erfindung eine Modifikation
der Aminosäuresequenz
der „P-Box" eines Mitglieds
der Steroid/Thyroid-Familie in Betracht gezogen, d. h. einer Region
in der DNA-Bindungs-Domäne,
welche üblicherweise
an der Anschlussstelle der ersten Zink-Finger- und der Linkerregion
liegt (Umesono et al. (1989), Cell 57: 1139–1146, insbesondere 2 und
Tabelle 1).
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die DNA-Bindungs-Domäne
von dem Ecdyson-Rezeptor von Drosophila abgeleitet, wobei die P-Box
des Ecdyson-Rezeptors,
welche die Aminosäuresequenz
EGCKG (SEQ ID NO: 23) aufweist, durch die Aminosäuresequenz GSCKV (SEQ ID NO:
24) ersetzt wird. Die neue P-Box-Sequenz
GSCKV bewirkt, dass der Ecdyson-Rezeptor das LRE -AGAACA- anstatt des LREs
-AGGTCA- erkennt.
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Mitglieder
der Superfamilie von Steroid/Thyroid-Rezeptoren, die besonders nützlich sind,
um die LBD und/oder die DBD eines Fusionsproteins dieser Erfindung
zur Verfügung
zu stellen, umfassen Steroidrezeptoren wie z. B. den Glucocorticoid-Rezeptor (GR), den
Mineralcorticoid-Rezeptor (MR), den Östrogen-Rezeptor (ER), den
Progesteron-Rezeptor (PR) wie z. B. hPR-A oder hPR-B, den Androgen-Rezeptor (AR), den
Vitamin D3-Rezeptor (VDR); Retinoid-Rezeptoren wie z. B. Retinolsäure-Rezeptoren
(z. B. RARα,
RARβ oder
RARγ) und
Retinoid X Rezeptoren (z. B. RXRα,
RXRβ oder
RXRγ); Thyroid-Rezeptoren
(TR) wie z. B. TRα und
TRβ); von
Insekten abgeleitete Rezeptoren wie z. B. die Ecdyson-Rezeptoren;
und Isoformen davon.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
enthält
ein Fusionsprotein dieser Erfindung eine DNA-Bindungs-Domäne, die
in der Nähe
einer oder angrenzend an eine Ligandenbindungsdomäne konstruiert ist,
und keine der beiden Domänen
enthält
eine PCS noch liegt eine PCS zwischen den beiden Domänen.
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Eine
optionale Komponente des Fusionsproteins dieser Erfindung ist eine
Expressionsmodulatordomäne.
Wie vorstehend erwähnt
muss die Expressionsmodulatordomäne,
falls sie nicht auf dem Fusionsprotein vorhanden ist, auf einem
Protein vorhanden sein, welches sich mit dem Fusionsprotein verbindet.
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Expressionsmodulatordomänen, die
für den
Einsatz in dieser Erfindung in Betracht gezogen werden, entweder
als Teil des Fusionsproteins oder als ein separates Protein, das
sich mit dem Fusionsprotein verbindet, leiten sich üblicherweise
von DNA bindenden Proteinen wie z. B. Transkriptionsfaktoren ab.
Diese Sequenzen sind auf dem Fachgebiet dafür bekannt, dass sie Transkription
durch ihre Interaktion mit anderen Transkriptionsfaktoren, die für die Transkription
erforderlich sind, aktivieren oder unterdrücken.
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In
Ausführungsformen,
in denen die Expressionsmodulatordomäne innerhalb eines zweiten
Proteins vorliegt, das an das Fusionsprotein bindet, sollte dieses
zweite Protein die Transkription in der Abwesenheit eines Fusionsproteins
dieser Erfindung und seines Liganden nicht erhöhen oder verringern. In Ausführungsformen,
in denen die Expressionsmodulatordomäne innerhalb des Fusionsproteins
vorliegt, liegt sie bevorzugt an dem entgegengesetzten Ende zur
Lage der DNA-Bindungs-Domäne.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung aktiviert die Expressionsmodulatordomäne Transkription
anstatt diese Aktivität
zu unterdrücken.
Solche Aktivierungsdomänen
umfassen die N-terminalen Bereiche, die die Aktivierungsdomänen in der
Superfamilie von Steroid/Thyroid-Rezeptoren, die Aktivierungsdomänen von
viralen Transkriptionsfaktoren, die Hefe GCN4-Aktivierungsdomäne oder
die GAL4-Aktivierungsdomäne
codieren [K. Struhl, „Yeast
GCN4 Transcriptional Activator Protein", Transcriptional Regulation, Hrsg.
S. L. McKnight und K. R. Yamamoto, Cold Spring Harbor Laboratory
Press (1992), S. 833–859;
A. A. F. Gann et al., „GAL11,
GAL11P and the Action of GAL4",
Transcriptional Regulation, Hrsg. S. L. McKnight und K. R. Yamamoto,
Cold Spring Harbor Laboratory Press (1992), S. 931–946; K.
J. Martin und M. R. Green, „Transcriptional
Activation by Viral Immediate-Early Proteins: Variations an a Common
Theme", Transcriptional Regulation,
Hrsg. S. L. McKnight und K. R. Yamamoto, Cold Spring Harbor Laboratory
Press (1992), S. 695–725].
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
ist die Expressionsmodulatordomäne
Teil des Fusionsproteins. Eine noch stärker bevorzugte Ausführungsform
liegt vor, wenn es sich bei der Expressionsmodulatordomäne um die
N-terminale Aktivierungsdomäne
des VP16-Proteins handelt.
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Es
sollte selbstverständlich
sein, dass die Ligandenbindungsdomäne, die DNA-Bindungs-Domäne und die
Expressionsmodulatordomäne
nicht von demselben Transkriptionsfaktor stammen müssen.
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Zum
Beispiel kann eine Chimäre
hergestellt werden, welche die DNA-Bindungs-Domäne des Retinolsäure-Rezeptors
und die Ligandenbindungsdomäne
des Vitamin D-Rezeptors (VDR) umfasst (Pemrick, S. et al., (1998) „Characterization
of the Chineric Retinoic Acid Receptor RARα/VDR", Leukemia 12: 554–562) oder eine Chimäre, welche
die Jun DNA-Bindungs-Domäne
umfasst, kann mit der Ligandenbindungsdomäne und der Expressionsmodulatordomäne des Östrogen-Rezeptors fusioniert
werden (Kruse, U. et al., (1997) „Hormone-regulatable Neoplastic
Transformation Induced by a Jun-Estrogen Receptor Chimera", Proc. Natl. Acad. Sci.
U.S.A. 94: 12396–12400).
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Andere
Beispiele umfassen die Fusion der lacR DNA-Bindungs-Domäne und der
VP16 Aktivierungsdomäne.
Dies erzeugt ein Fusionsprotein, das IPTG benötigt um das IRE, lacO zu binden
[Labow, M. et al. (1990) Mol. Cell. Biol. 10: 3343–3356].
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In
einem anderen Beispiel erzeugt die Fusion des tetR Proteins und
der VP16 Aktivierungsdomäne
ein Fusionsprotein, das in Gegenwart von Tetracyclin in Zellen und
in transgenen Tieren von dem IRE, tetO freigesetzt wird [Gossen,
M. und H. Bujard (1992), „Tight
Control of Gene Expression in Mammalian Cells by Tetracycline-Responsive Promoters", Proc. Natl. Acad.
Sci. U.S.A. 89: 5547–5551;
Furth, P. A. et al., (1994) „Temporal
Control of Gene Expression in Transgenic Mice by a Tetracycline-Responsive
Promoter", Proc.
Natl. Acad. Sci. U.S.A. 89: 9302–9306]. Ein tetR-VP16-Fusionsprotein
gemäß dieser
Erfindung kann eine Proteasespaltstelle in seiner DNA-Bindungs-Domäne enthalten,
so dass die DNA-Bindung ausgeschaltet wird, wenn die PCS gespalten
wird. Auf diese Weise würde
das nicht gespaltene Fusionsprotein auf Zugabe von Tetracyclin hin
weiterhin von tetO transaktivieren, wohingegen gespaltene Fusionsproteine
inaktiv wären.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
dieser Erfindung ist die Fusion der VP16-Aktivierungsdomäne von Herpes simplex-Virus,
die Ligandenbindungsdomäne
eines Mitglieds der Superfamilie der Steroid/Thyroid-Rezeptoren
und die DBD eines Mitglieds der Superfamilie der Steroid/Thyroid-Rezeptoren.
In einer stärker
bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei dem Mitglied der Steroid/Thyroid-Superfamilie
um den Ecdyson-Rezeptor.
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Wie
vorstehend beschrieben sieht die Erfindung auch Fusionsproteine
vor, die Kontakt mit einem Proteinbindungspartner („PBP") benötigen um
DNA zu binden oder die Spezifität
der Bindung oder die Affinität
der Bindung des Fusionsproteins an sein IRE zu erhöhen. Somit
handelt es sich bei einem Proteinbindungspartner gemäß dieser
Erfindung um ein Protein, das an ein Fusionsprotein dieser Erfindung
bindet und die Affinität oder
die Spezifität
der Bindung der DNA-Bindungs-Domäne
des Fusionsproteins an ein spezifisches IRE erhöht. Der Proteinbindungspartner
ist ein Protein, das auch an ein bestimmtes DNA-Element bindet,
das funktionell mit dem Reportergen verknüpft ist. Falls das Fusionsprotein
dieser Erfindung für
eine erhöhte
Affinität oder
Spezifität
der DNA-Bindung einen Proteinbindungspartner benötigt, dann ist es wünschenswert
sicherzustellen, dass das Fusionsprotein eine Dimerisierungsdomäne für die Interaktion
mit dem PBP umfasst.
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Proteinbindungspartner,
die geeignet sein können,
mit den Dimerisierungsdomänen
der Fusionsproteine dieser Erfindung zu interagieren, sind auf dem
Fachgebiet bekannt [z. B. T. D. Littlewood und G. I. Evan (1998), „Structure/Function
Rela tionships of HLH Proteins",
Helix-Loop-Helix Transcription Factors, 3. Ausg., New York, Oxford
University Press, S. 27–41;
Hurst, H. C. (1996), Leucine Zippers: Transcription Factors, 3. Ausg.,
San Diego, Academic Press, S. 27–29; und Freedman, L. P., Hrsg.
(1998), „Molecular
Biology of Steroid and Nuclear Hormone Receptors: Progress in Gene
Expression, Birkhauser Boston, MA].
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Es
sind zum Beispiel mehrere heterodimere Partner von basischen Helix-Loop-Helix (bHLH)
Transkriptionsfaktoren auf dem Fachgebiet bekannt. [Littlewood,
Trevor D. (1998), Helix-Loop-Helix Transcription Factors, 3. Ausg.,
New York, Oxford University Press, S. 37–41]. In einem spezielleren
Beispiel heterodimerisieren bLHL Transkriptionsfaktoren wie z. B.
die Liganden-abhängigen
Dioxinrezeptoren und Arylkohlenwasserstoff-Rezeptoren mit dem AHR
Kern-Translokator-Protein (ARNT) [Whitelaw, M. L. et al. (1994), „Identification
of Transactivation and Repression Functions of the Dioxin Receptor
ans Its Basic Helix-Loop-Helix/PSM-Antigens Partner Factor Arnt:
Inducible Versus Constitutive Modes of Regulation", Mol. Cell. Biol.
14: 8343–8355].
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Ein
anderes Beispiel ist die Familie von Steroid/Thyroid-Rezeptoren,
welche die Fähigkeit
haben, miteinander oder mit anderen Mitgliedern der Familie von
nicht-Steroid/Thyroid-Rezeptoren
zu heterodimerisieren (z. B. Rhee et al. (1995), „Retinoid
X-Receptor-alpha and Apolipoprotein Al Regulatory Protein 1 Differentially Modulate
3,5,3'-Triiodothyronine-Induced
Transcription",
Endocrinology 136: 2697–704;
Li et al. (1997), „Coexpression
of Nuclear Receptors Partners Increases Their Solubility and Biological
Activities", Proc.
Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94: 2278–83).
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Noch
ein anderes Beispiel stellen die bZIP-Faktoren dar, die mit mehreren
anderen Proteinen heterodimerisieren. [z. B. H. C. Hurst (1996),
Leucine Zippers: Transcription Factors, 3. Ausg., London, Academic Press,
S. 28].
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Solche
Heterodimere und Homodimere, die ein Fusionsprotein dieser Erfindung
umfassen, werden in Erwägung
gezogen. In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung
heterodimerisiert ein in der P-Box modifizierter Ecdyson-Rezeptor mit einem
RXR von Säugern.
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Ein
Fusionsprotein dieser Erfindung zur Verwendung in zellulären Transkriptionsassays
sollte im Kern der Wirtszelle lokalisiert sein. Ein Kernlokalisierungssignal,
das bereits innerhalb einer Domäne
eines Fusionsproteins dieser Erfindung vorhanden ist, kann das Kernlokalisierungssignal
bereitstellen. Alternativ kann ein auf dem Fachgebiet bekanntes
Kernlokalisierungssignal in das Fusionsprotein konstruiert werden,
um eine Kernlokalisierung zu gewährleisten.
[z. B. D. B. DeFranco (1998), „Subcellular
and Subnuclear Trafficking of Steroid Receptors", Molecular Biology of Steroid and Nuclear
Hormone Receptors: Progress in Gene Expression, Birkhauser, Boston,
MA; Guiochon-Mantel, A. et al. (1996), „The Ernst Schering Poster
Award. Intracellular Traffic of Steroid Hormone Receptors", J. Steroid Biochem.
Mol. Biol. 56: 3–9].
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In
einer anderen Ausführungsform
der Verfahren dieser Erfindung fehlt dem Fusionsprotein eine Ligandenbindungsdomäne. Genau
gesagt umfasst das Fusionsprotein in dieser Ausführungsform (1) eine DNA-Bindungs-Domäne und (2)
eine Proteasespaltstelle. Bei diesen Verfahren ist die transkriptionelle
Aktivität des
Fusionsproteins durch Ändern
der Temperatur der Transkriptionsumgebung oder durch Verursachen
von Stress für
die Zellen, in denen das Transkriptionsereignis stattfindet, induzierbar.
Zum Beispiel ist die Bindung mit hoher Affinität eines Hitzeschockfaktors
(„HSF") an sein Response
Element, HSE, von einem Hitzeschock-Stimulus abhängig. [z. B. J. Lis und C.
Wu (1992), „Heat
Shock Factor", Transcriptional
Regulation, Hrsg. S. L. McKnight und K. R. Yamamoto, Cold Spring
Harbor Laboratory Press, S. 907–930;
D. S. Latchman (1995), „Transcription
Factors and Inducible Gene Expression", Eukaryotic Transcription Factors,
2. Ausg., London, Academic Press Limited, S. 71–78].
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Eine
Proteasespaltstelle von Interesse kann in das HSF-Protein konstruiert
werden, so dass die transkriptionelle Aktivität des gespaltenen HSF-Fusionsproteins
im Vergleich zu dem ungespaltenen HSF-Fusionsprotein nach der Hitzestimulierung
niedriger oder vernachlässigbar
ist.
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Die
von den Verfahren dieser Erfindung vorgesehene Verwendung der Fusionsproteine,
DNA-Moleküle
und Vektoren dieser Erfindung schließt zelluläre und in vitro Transkriptionsreaktionen
ein.
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Verfahren
zur Durchführung
von Transkriptionsassays in Zellen sind bekannt. [z. B. R. White
und M. Parker, „Analysis
of Cloned Factors",
Transcription Factors: A Practical Approach, Hrsg. D. S. Latchman,
IRL Press, Oxford (1993), S. 145–152; F. M. Ausubel et al.,
Current Protocols in Molecular Biology, Green Publishing Associates
and Wiley Interscience, New York (1991); Sambrook et al., Molecular
Cloning: A Laboratory Manual, 2. Ausg., Cold Spring Harbor Laboratory
Press (1989)]. Kurz gesagt, eine DNA, die ein Fusionsprotein dieser
Erfindung codiert, ein Reportergen-Plasmid, eine Protease und, wahlweise,
ein zweites Protein, das eine Expressionsmodulatordomäne aufweist,
werden in eine Zelle eingeführt.
Als nächstes
wird die transkriptionelle Aktivität des Fusionsproteins induziert,
indem man einen Liganden hinzufügt
oder indem man die Umgebung der Zelle ändert (z. B. die Temperatur
der Umgebung der Zelle verändert).
Die Menge an mRNA, die Menge an Reporterprotein oder die Aktivität des Reporterproteins
wird gemessen, wobei auf dem Fachgebiet bekannte Standardtechniken
eingesetzt werden. Die Transkription in Abwesenheit der Protease
kann mit der Transkription in Gegenwart der Protease verglichen
werden.
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Verfahren
zur Durchführung
von in vitro Transkriptionsreaktionen sind ebenfalls bekannt [Sierra,
F. et al., „In
vitro Transcription with Nuclear Extracts from Differentiated Tissues", Gene Transcription:
A Practical Approach (1993), Oxford University Press, Walton Street,
Oxford, Hrsg. D. Harnes und S. Higgins, S. 125–152; Snoek, R. et al., (1996), „Induction
of Cell-Free In Vitro Transcription by Recombinant Androgen Receptor
Peptides", J. Steroid
Biochem. Molec. Biol. 59: 243–250;
Dignam, J. D. et al., (1992), „Preparation
of Nuclear and Cytoplasmic Extracts from Mammalian Cells" in Current Protocols
in Molecular Biology (Hrsg. von F. A. Ausubel et al.), John Wiley
and Sons, New York, S. 12.1.1–12.1.9;
Klein-Hitpass, L. et al., (1990), „The Progesteron Receptor
Stimulates Cell-Free Transcription by Enhancing the Formation of
a Stable Preinitiation Complex", Cell
60: 247–257].
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Kurz
gesagt würden
zelluläre
Extrakte hergestellt werden, die nach Protokollen zubereitet sind,
von denen gezeigt worden ist, dass sie in vitro Transkriptionsreaktionen
unterstützen.
Aufgereinigte oder teilweise aufgereinigte Proteine würden zusammen
mit einem Reporterplasmid zu dem Zellextrakt hinzugegeben werden.
Solche aufgereinigten oder teilweise aufgereinigten Proteine wie
z. B. das Fusionsprotein dieser Erfindung können durch Überexpression in einer Zelle
hergestellt werden, in welche die das Fusionsprotein codierende
DNA eingeführt
worden ist, z. B. SF9-Zellen über
eine Baculovirus-Infektion, Pflanzenzellen, Hefezellen, Säugerzellen
und Bakterienzellen. Proteine wie z. B. die Protease und, wahlweise,
das zweite Protein, das eine Expressionsmodulatordomäne besitzt,
und/oder ein Proteinbindungspartner können ebenfalls aus ihren ursprünglichen
Quellen hergestellt werden, indem man auf dem Fachgebiet bekannte
Verfahren verwendet um sie auf zureinigen.
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Als
nächstes
wird die transkriptionelle Aktivität des Fusionsproteins induziert
werden, indem man einen Liganden hinzufügt. Die Menge an hergestellter
mRNA, die Menge an hergestelltem Reporterprotein oder die Aktivität des Reporterproteins
wird gemessen werden, indem man auf dem Fachgebiet bekannte Standardverfahren
verwendet. Die Transkription in Gegenwart der Protease kann mit
der Transkription in Abwesenheit der Protease verglichen werden.
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Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Screenen von Verbindungen
auf Hemmung von Protease-Aktivität
bereit. Man kann eine zu screenende Verbindung zur gleichen Zeit
hinzufügen,
zu der der Ligand hinzugefügt
wird oder während
der anfänglichen
Expression/Inkubation der Protease mit einem Fusionsprotein. Die
optimale Menge der Verbindung, die erforderlich ist, um die größte Hemmung
der Protease zu erreichen, kann durch eine Titration der Verbindung
bestimmt werden.
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Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Vergleichen der Aktivität von zwei
Proteasen bereit, welche die gleiche Proteasespaltstelle erkennen.
Das Verfahren ist nützlich
zum Vergleichen der Aktivität
von mutanten und nicht mutanten Proteasen, z. B. HIV-Aspartylproteasen
von Patienten.
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Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Vergleichen der Aktivität einer
Protease gegen verschiedene Proteasespaltstellen bereit. Das Verfahren
ist nützlich,
um die Substratspezifität
einer vorgegebenen Protease zu bestimmen.
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Die
Erfindung stellt auch Kits zum Testen von Protease-Aktivität bereit.
Falls das Kit in einem in vitro Transkriptionsassay eines Reportergens
eingesetzt werden soll, dann kann es einen in vitro Transkriptionsextrakt
umfassen, einen wie vorstehend beschriebenen Vektor, der ein Reportergen
enthält,
einen Vorrat an Ligand sowie Anweisungen. Wahlweise kann es einen
Vorrat an Fusionsprotein dieser Erfindung bereitstellen, ein zweites
Protein, das eine Expressionsmodulatordomäne umfasst, und/oder eine Protease,
die von einer Quelle exprimiert ist, die Bakterien, Insektenzellen,
Säugerzellen
und Hefe umfasst.
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Falls
das Kit einem zellulären
Transkriptionsassay eingesetzt werden soll, kann das Kit eine DNA-Sequenz
enthalten, die ein Fusionsprotein dieser Erfindung codiert, und
einen Vektor, der ein wie vorstehend beschriebenes Reporterplasmid
codiert, einen Liganden, der an das durch die DNA-Sequenz des Proteins
codierte Fusionsprotein bindet und dessen Aktivität reguliert;
sowie Anweisungen zur Ver wendung des Kits zum Testen von Protease-Aktivität.
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Proteasen,
welche besonders nützlich
bei den Verfahren dieser Erfindung sind, sind Proteasen, welche
zu den Symptomen oder zum Ausbruch einer Krankheit beitragen. Zum
Beispiel jene Proteasen, die an der Verdauung, der Blutgerinnung,
der Apoptose, der Aktivierung von Immunreaktionen, der Zymogen-Aktivierung,
der viralen Reifung, der Proteinsekretion und dem Proteintransport
beteiligt sind. In einer Ausführungsform
der Erfindung sind die Proteasen von Interesse diejenigen, die an
der Alzheimerschen Krankheit, der Mucoviscidose, dem Emphysem, dem
Bluthochdruck, dem Eindringen von Tumoren und der Metastase und
Virus-assoziierten Krankheiten beteiligt sind. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung handelt es sich bei den Proteasen um die HIV-Aspartyl-Protease
und die HCV NS3 Protease und aktive Fragmente oder Fusionsproteine
davon.
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In
einer Ausführungsform
dieser Erfindung können
ein beliebiges oder alle der DNA-Moleküle, welche die Fusionsproteine
codieren, PBP, Proteasen und zweite Proteine, welche die Expressionsmodulatordomäne umfassen,
weiter modifiziert werden, um eine zusätzliche Polypeptidsequenz für eine vereinfachte
Aufreinigung oder zum Nachweis der Expression des Proteins bereitzustellen.
Zum Beispiel können
solche Polypeptidsequenzen ein Epitop für die Bindung eines Antikörpers, einen
Fc-Teil eines Antikörpers um an Protein A-Kügelchen
zu binden, Glutathion-S-Transferase,
Maltose-Bindungsprotein, His(n), FLAG und Strep-Tag enthalten. Diese
Tags, nach denen man screenen kann, sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt
und stehen einem Fachmann ohne Einschränkung zur Verfügung.
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Mehrere
Vektoren, die für
die Überexpression
der Proteine dieser Erfindung nützlich
sind, sind im Handel erhältlich
oder bekannt für
Expression in Hefe, Insektenzellen, Bakterien, Hefe, Pflanzenzellen
und Säugerzellen.
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Wirtszellen,
die gemäß den Verfahren
dieser Erfindung nützlich
sind, sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt. Falls die Aktivität einer
exogenen Protease untersucht wird, ist es wünschenswert, dass die Wirtszelle keine
hohen Mengen endogener Proteasen exprimiert, welche die Proteasespaltstelle(n)
erkennen, auf die man abzielt. Geeignete Wirtszellen können CHO-Zellen,
HeLa-Zellen, Leberzellen, CV-1-Zellen,
P19-Zellen, NT2/D1-Zellen, Maus L-Zellen, Nierenzellen der Afrikanischen
Grünen
Meerkatze wie z. B. COS-7-Zellen oder andere COS-Zellen, menschliche
embryonale Nierenzellen wie z. B. HEK 293, DG44-Zellen Itk–-Zellen,
Maus NIH 3T3- Zellen,
und Hefezellen umfassen. Die Wirtszellen können transient transfiziert
sein oder es kann sich um stabil transformierte Zelllinien handeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung sind die Wirtszellen COS-Zellen oder Zellen von
einer Leberzellinie.
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Liganden,
die für
den Einsatz in den Verfahren dieser Erfindung geeignet sind, sind
auf dem Fachgebiet wohlbekannt. Die Liganden sollten an die Ligandenbindungsdomänen der
Transkriptionsfaktoren binden, von denen die Ligandenbindungsdomänen abgeleitet
worden sind, oder an modifizierte Ligandenbindungsdomänen davon
(siehe vorstehend). Bevorzugt verstärkt oder unterdrückt der
Ligand Transkription von dem Promotor nicht wesentlich, solange
nicht ein IRE für
das Fusionsprotein gespleißt
wird oder in einen Vektor eingesetzt wird, der einen Promotor und
ein Reportergen umfasst, wobei das IRE auf eine Weise mit dem Promotor verknüpft ist,
die dazu führt,
dass die transkriptionelle Aktivität von dem Promotor funktionell
auf den Liganden anspricht.
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Die
Wahl des zu verwendenden Liganden wird notwendigerweise von der
Ligandenbindungsdomäne des
verwendeten Fusionsproteins abhängen.
Geeignete Liganden zur Verwendung mit Metall bindenden DNA-Fusionsproteinen
können
zum Beispiel Zink, Cadmium und Kupfer umfassen.
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Geeignete
Liganden zur Verwendung mit Steroid bindenden oder modifizierten
Steroid bindenden Fusionsproteinen können zum Beispiel Androgen,
Glucocorticoid, Mineralcorticoide, Thyroidhormone, Östrogen, Progesteron,
Gestagen, Retinolsäure,
Vitamin D3, 20-Hydroxy-Ecdyson, Ponasteron A, 26-Jodponasteron A, Muristeron
A, Inokosteron, 26-Mesyinokosteron, Mifepriston (RU 486) und Analoga
davon umfassen.
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Wie
hierin verwendet schließen
Androgene Dihydroxytestosteron und Analoga davon ein, einschließlich Methyltrienolon.
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Wie
hierin verwendet schließen
Glucocorticoid-Hormone Cortisol, Hydrocortison und Corticosteron und
Analoga davon ein, einschließlich
Dexamethason, Desoxycorticosteron und Triamcinolonacetonid.
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Wie
hierin verwendet schließen
Mineralcorticoide Aldosteron, Corticosteron und Desoxycorticosteron ein.
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Wie
hierin verwendet schließen
Thyroidhormone Thyroxin (T4) und Trijodthyronin (T3) ein.
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Wie
hierin verwendet schließen Östrogene Östradiol-17-beta
und Analoga davon ein, einschließlich Diethylstilbestrol.
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Wie
hierin verwendet schließen
Gestagen-Analoga von Progesteron ein, einschließlich Promegeston.
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Geeignete
Liganden für
Tetracyclin-induzierbare Fusionsproteine schließen Tetracyclin und Analoga davon
ein.
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Geeignete
Liganden für
Zucker-induzierbare Fusionsproteine schließen Arabinose, Lactose und
Isopropyl-β-D-thiogalactosid
(IPTG) ein.
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Geeignete
Liganden für
Arylkohlenwasserstoff-induzierbare Fusionsproteine schließen Dioxin
ein.
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Geeignete
Liganden für
nicht erfasste Rezeptoren schließen die folgenden ein: Phytensäure, 9-cis-Retinolsäure und
LG100268 für
den RXR-Rezeptor; 8S-HETE
und Wy 14,643 für
den PPARα-Rezeptor;
15-Desoxy-Δ12,14-PGJ2 und BRL 49653 für den PPARγ-Rezeptor;
Linolensäure
und Carbaprostacyclin für
den PPARδ-Rezeptor; Farnesol
für den
FXR-Rezeptor; und 24(S),25-Epoxycholesterin für den LXR-Rezeptor. [B. M.
Forman (1998), „Orphan
Nuclear Receptors and Their Ligands", Molecular Biology of Steroid and Nuclear Hormone
Receptors, L. P. Freedman, Hrsg., Birkhauser, Boston, S. 281–305].
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Bei
den LREs und den PBP-DNA-Elementen in dieser Erfindung handelt es
sich um Nucleinsäuremoleküle, die
DNA-Bindungsstellen für
die Fusionsproteine bzw. die Proteinbindungspartner bereitstellen.
Beide Elemente sollten funktionell mit einem Promotor verknüpft sein,
um die Aktivierung oder die Unterdrückung der Transkription eines
Reportergens zu kontrollieren. Der Ausdruck „funktionell verknüpft" bezieht sich auf
das Verbinden eines Nucleinsäuremoleküls (z. B.
einem Reportergen, das ein Reporterprotein codiert) mit einem IRE
und einem PBP-DNA-Element
(falls die Bindung eines PBP für
die Transkription erforderlich ist) und mit Transkriptionskontrollsequenzen
auf eine Weise, dass das Nucleinsäuremolekül exprimiert werden kann, wenn
es in eine Wirtszelle eingeführt
wird (z. B. transfiziert, transformiert, transduziert, konjugiert
oder mittels Rekombination oder Infektion).
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Transkriptionskontrollsequenzen
sind Sequenzen, welche die Initiation, die Elongation und die Termination
der Transkription kontrollieren. Besonders wichtige Transkriptionskontrollsequenzen
sind diejenigen, welche die Initiation der Trans kription kontrollieren
wie z. B. der Promotor. Bevorzugt ist der Promotor ein Minimalpromotor.
Der Ausdruck „Minimalpromotor" soll eine partielle
Promotorsequenz beschreiben, welche die Startstelle der Transkription
für die
zu transkribierende Sequenz definiert, aber die für sich allein
nicht in der Lage ist, in einer bestimmten Zellumgebung Transkription
effizient, wenn überhaupt,
in Gang zu setzen. Aus diesem Grund hängt die Aktivität eines
solchen Minimalpromotors von der Bindung eines Fusionsproteins dieser
Erfindung ab.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
stammt der Minimalpromotor aus dem Drosophila Hitzeschock-Promotor
und das Ziel-LRE für
das Fusionsprotein ist AGAACA, das wie in
PCT/US97/05330 hergestellt wird.
-
LREs
gemäß dieser
Erfindung sollten so funktionieren, dass sie Reaktionsfähigkeit
gegenüber
einem Liganden verleihen. In einer weiteren Ausführungsform können DNA-Elemente,
die an PBP dieser Erfindung binden, auch auf Liganden ansprechen,
falls es sich bei dem verwendeten PBP um ein Protein handelt, das Liganden
bindet. Die Wahl des IRE und (gegebenenfalls) des DNA-Elements und
die Anordnung dieser Elemente zueinander werden von dem verwendeten
Fusionsprotein oder dem PBP abhängen.
Zum Beispiel würde
das IRE wahrscheinlich das Konsensus-DNA-Hexamer CANNTG (auch als „E-Box" bekannt) umfassen, falls
die DNA-Bindungs-Domäne
des Fusionsproteins von einem basischen Helix-Loop-Helix-Protein stammt (z.
B. Littlewood et al., vorstehend, Seite 31).
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Die
bevorzugten DNA-Bindungsstellen (d. h. LREs und DNA-Elemente) für viele
Transkriptionsfaktoren sind bekannt. [D. J. Mangelsdorf und R. M.
Evans (1992), „Retinoid
Receptors as Transcription Factors", Transcriptional Regulation, Hrsg.
S. L. McKnight und K. R. Yamamoto, S. 1137–1167; L. P. Freedman, Hrsg. (1988),
Molecular Biology of Steroid and Nuclear Hormone Receptors: Progress
in Gene Expression, Birkhauser, Boston, MA, S. 111–113 und
PCT/US97/05330 ].
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Der
Promotor, der die Expression der Fusionsproteine, PBP und Proteasen
in einer Säugerzelle
kontrolliert, kann konstitutiv sein wie z. B. der Cytomegalievirus
(CMV) Promotor, der frühe
SV40 Promotor und der Rous Sarkomvirus (RSV) Promotor. Zur besseren
Kontrolle können
die Fusionsproteine, PBP und Proteasen unter der Kontrolle eines
induzierbaren Promotors stehen. Es ist wünschenswert, dass der induzierbare Promotor
nicht derselbe ist wie der Promotor, der die Transkription des Reportergens
steuert.
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Reportergene,
die gemäß den Verfahren
dieser Erfindung nützlich
sind, sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt. Zu solchen Reportergenen
gehört
das Luciferasegen, das Gen des grün fluoreszierenden Proteins (
US 5,491,084 ), β-Galactosidase,
das Gen der sezernierten alkalischen Phosphatase und das Gen für die Chloramphenicolacetyltransferase.
Die Erfindung sieht auch Reportergene vor, die ein Markerprotein
mit einer Signalsequenz für
die Sekretion aus der Zelle heraus codieren, wie z. B. das Gen für IL-1 beta.
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Vektoren,
die das Reportergen funktionell verknüpft mit einem IRE und einem
DNA-Element enthalten (d. h. das Reporterplasmid), lassen sich aus
im Fachgebiet verfügbaren
Materialien herstellen. Solche Reporterplasmide schließen bevorzugt
zum Beispiel das Folgende ein: einen Replikationsursprung und einen
selektierbaren (selektierbare) Marker. Das Reporterplasmid kann
wahlweise auch andere DNA-Sequenzen
beinhalten, wie z. B. long terminal repeats („LTRs"), um den Einbau des Vektors in das
Genom einer Zelllinie zu bewirken.
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Vektoren,
die für
die Expression der Fusionsproteine, PBP, Proteine mit einer Expressionsmodulatordomäne oder
Proteasen in Bakterien oder Säugerzellen
geeignet sind, sind auf dem Fachgebiet wohlbekannt. Solche Vektoren
können
zum Beispiel das Folgende beinhalten: einen Replikationsursprung,
einen selektierbaren Marker und Transkriptionskontrollsequenzen
wie z. B. einen Promotor und eine Polyadenylierungssequenz. So sollten
die Fusionsproteine, PBPs, Proteine mit Expressionsmodulatordomänen und
Proteasen funktionell mit einem konstitutiven oder einem induzierbaren
Promotor wie vorstehend beschrieben verknüpft sein. Die Vektoren können auf
eine solche Weise konstruiert werden, dass zwei oder mehr der folgenden
Proteine: das Fusionsprotein, die Protease und optional der PBP
und/oder das Protein, welches die Expressionsmodulatordomäne aufweist
(falls dies für
die Funktion des Fusionsproteins erforderlich ist), in demselben
Vektor vorhanden sind. Die Transkription dieser Gene kann durch
denselben oder durch verschiedene Promotoren kontrolliert werden.
Zum Beispiel kann jedes Gen durch einen unterschiedlichen induzierbaren
Promotor kontrolliert werden oder jedes Gen kann durch denselben
konstitutiven Promotor kontrolliert werden.
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Das
Reporterplasmid und die Vektoren für die Expression der Fusionsproteine,
PBPs, Proteasen und die zweiten Proteine, welche die Expressionsmodulatordomäne umfassen,
können
zwei selektierbare Marker enthalten – einen, der Wachstum in prokaryontischen
Zellen wie z. B. Bakterien überträgt, und
einen, der in Gegenwart spezieller Verbindungen Wachstum in eukaryontischen
Zellen wie z. B. Hefe, Säuger-
oder Pflanzenzellen überträgt. Selektierbare
Marker, die in dieser Erfindung nützlich sind, können Resistenz
gegenüber Medikamenten
wie z. B. Ampicillin, Kanamycin, Hygromycin, Neomycin oder G418 übertragen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung codiert der Vektor das Fusionsprotein, welches
die DNA-Sequenz SEQ ID NO: 19 aufweist. In einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
dieser Erfindung wird ein Vektor als Kontrolle verwendet, der das
Fusionsprotein codiert, welches die DNA-Sequenz SEQ ID NO: 21 aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform
dieser Erfindung ist das Reporterplasmid von pIND von Invitrogen
abgeleitet.
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Falls
die Vektoren und Reporterplasmide in einem Transkriptionsassay in
einer Zelle eingesetzt werden sollen, können sie in die Wirtszellen
durch auf dem Fachgebiet bekannte Methoden eingeführt werden, wie
z. B. Transfektion, Lipofektion, Cytofektion, Bombardierung mit
Kugelpartikeln, Elektroporation, Mikroinjektion oder Virus-Infektion
[z. B. F. M. Ausubel et al., Hrsg., Current Protocols in Molecular
Biology, Green Publishing Associates and Wiley Interscience, New
York (1991); Sambrook et al., Molecular Cloning: A Laboratory Manual,
2. Ausg., Cold Spring Harbor Laboratory Press (1989)].
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Im
Fall einer Virus-Infektion kann die DNA von Interesse in einen viralen
Vektor zwischen zwei retrovirale LTRs cloniert, zur Herstellung
von Retrovirus und zur Infektion von Zellen mit dem Virus verwendet
werden. Zu anderen Viren, die gemäß dieser Erfindung nützlich sind,
gehören
Adenovirus, Adeno-assoziiertes Virus und Vaccinia-Virus.
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Verfahren
zum Testen auf die Anwesenheit eines Reportergenprodukts sind auf
dem Fachgebiet wohlbekannt. Zum Beispiel sind Verfahren zum Testen
der mRNA bekannt, die von der Transkription des Reportergens herrührt [Sambrook
et al., (1989) Molecular Cloning: A Laboratory Manual, Cold Spring
Harbor Laboratory Press, Plainview, New York, 2. Ausg.; Hrsg. F.
M. Ausubel et al., (1991), Current Protocols in Molecular Biology,
John Wiley and Sons, New York, 5. Ausg.]. Verfahren zum Testen des
von dem Reportergen codierten Proteins sind ebenfalls bekannt, und
es sind Kits von Firmen verfügbar
um dieses zu bestimmen (z. B. Promega).
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Überall in
der Patentschrift und in den Ansprüchen ist das Word „umfassen" oder Abwandlungen
davon wie z. B. „umfasst" selbstverständlich so
zu verstehen, dass es den Einschluss einer spezifizierten ganzen Zahl
oder einer Gruppe von ganzen Zahlen bedeutet, jedoch nicht den Ausschluss
von jeder beliebigen anderen ganzen Zahl oder Gruppe von ganzen
Zahlen.
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Damit
die hierin beschriebene Erfindung besser verstanden werden kann,
werden die folgenden Beispiele dargelegt. Diese Beispiele dienen
nur der Veranschaulichung und sind nicht so zu interpretieren, dass sie
diese Erfindung in irgendeiner Weise beschränken.
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Beispiel 1 – Konstruktion von DNA-Vektoren
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A. Materialien
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(1) Vektoren
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Das
Plasmid pVgRXR wurde von Invitrogen bezogen. pVgRXR ist ein 8728
bp großer
Vektor, der sowohl einen modifizierten Ecdyson-Rezeptor (VgEcR)
als auch einen Retinoid X-Rezeptor (RXR) exprimiert, um einen heterodimeren
Kernrezeptor zu bilden (1). Die Transkription des VgEcR-Gens
wird von dem unmittelbar frühen
Cytomegalievirus (CMV) Promotor gesteuert. Die Transkription des
RXR-Gens wird von
dem Rous Sarkomvirus (RSV) Promotor gesteuert. Stabile Zelllinien,
welche die Gene exprimieren, können
durch Selektion auf dem Antibiotikum ZeocinTM hergestellt
werden. Die Produktinformation bezüglich der Eigenschaften und
des Umgangs mit dem Vektor pVgRXR und dem Ecdyson-System-Kit sind
durch. Bezugnahme auf das technische Handbuch von Invitrogen aufgenommen.
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Das
Plasmid pIND wurde von Invitrogen bezogen (3). Das
Plasmid pIND ist ein 5024 bp großer Vektor, der auf dem Vektor
pcDNA3.1 basiert. Es weist fünf
hybride LREs auf, d. h. fünf
Ecdyson/Glucocorticoid-Response-Elemente (E/GRE) und den Hitzeschock-Minimalpromotor.
Die E/GREs können
von einem modifizierten Ecdyson-Rezeptor erkannt werden, der von
pVgRXR exprimiert wird. Das Plasmid pIND-luc wurde hergestellt,
indem das Luciferase-Gen einschließlich seiner Kozak-Sequenz und Methionin-Startstelle
aus einem anderen Plasmid herausgeschnitten und in den Polylinker
von pIND cloniert wurde, d. h. stromabwärts von dem Hitze schock-Minimalpromotor
(3). Beide Plasmide haben Neomycin- und Ampicillin-Resistenzgene für Selektionszwecke.
Die Produktinformation bezüglich
der Eigenschaften und des Umgangs mit den Vektoren pIND und pIND-luc
ist durch Bezugnahme auf das technische Handbuch von Invitrogen
aufgenommen.
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Das
Säuger-Expressionsplasmid
pSRα ist
im Stand der Technik beschrieben worden [Y. Takebe et al., Mol.
Cell. Biol. 8, S. 466–72
(1988). Das Plasmid enthält
ein Promotor-System, welches aus dem unmittelbar frühen Promotor
des Simianvirus 40 (SV 40) und dem R-Segment und einem Teil der
U5-Sequenz (R-U5')
des Long Terminal Repeat des menschlichen T-Zell-Leukämievirus
Typ 1 (HTLV-1) aufgebaut ist. Das Plasmid enthält auch eine 16S-Spleißstelle,
ein SV40 Polyadenylierungssignal und ein Ampicillin-Resistenzgen.
Die HTLV LTR Enhancer/Promotor-Sequenz bewirkt eine hohe Expression
von stromabwärts
clonierten Genen. Gene von Interesse können in die PstI- und EcoRI-Stellen
cloniert werden, die 3' von
der 16S-Spleißstelle
gelegen sind.
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(2) Primer
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Der
Primer VP16/5A5BF (SEQ ID NO: 12) ist ein 28-mer, welches konstruiert
wurde, um an die XbaI-Stelle stromaufwärts von der VP16 codierenden
Region des Plasmids pVgRXR zu hybridisieren.
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Der
Primer VP16/5A5BR (SEQ ID NO: 13) ist ein 86-mer, welches konstruiert
wurde, um zum Teil an den Antisense-Strang in der 3'-Region der DNA zu
hybridisieren, welche die VP16-Aktivierungsdomäne des Plasmids pVgRXR codiert.
Der Primer enthält
auch Nucleotide, die komplementär
zu den codierenden Sequenzen für
die 5A/5B-Spaltstelle der HCV NS3-4A-Protease und einer XbaI-Stelle
sind.
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Der
Primer VP16/5A**5BR (SEQ ID NO: 14) ist ein 92-mer, welches konstruiert
wurde, um zum Teil an den Antisense-Strang in der 3'-Region der DNA zu
hybridisieren, welche die VP16-Aktivierungsdomäne des Plasmids pVgRXR codiert.
Der Primer enthält
auch Nucleotidsequenzen, die komplementär zu den codierenden Sequenzen
für die
5A/5B-Spaltstelle der HCV NS3-4A-Protease sind. Die die 5A/5B-Spaltstelle
codierende DNA hat jedoch zusätzlich
eine sechs Nucleotide lange Insertion zwischen den DNA-Sequenzen,
welche ein Cystein- und ein Serincodon codieren. Die sechs Nucleotide
lange Insertion codiert zwei Stopcodons.
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Der
Primer NS3-4AF (SEQ ID NO: 15) ist ein 47-mer, welches konstruiert
wurde, um zum Teil an den Anfang der NS3 codierenden Region zu binden
(ent sprechend Aminosäure
#1027–1032
in dem HCV-Polypeptid). Der Rest des Oligonucleotids enthält mehrere
Restriktionsstellen für
eine leichte Clonierung.
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Der
Primer NS3-4AB (SEQ ID NO: 16) ist ein 44-mer, welches konstruiert
wurde, um zum Teil an das 3'-Ende
der NS4 codierenden Region zu binden (entsprechend Aminosäure #1705–1711 in
dem HCV-Polypeptid). Der Rest des Oligonucleotids enthält mehrere
Restriktionsstellen für
eine leichte Clonierung.
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Jeder
Primer wurde unter Standardbedingungen synthetisiert, die auf dem
Fachgebiet bekannt sind, wobei ein Oligonucleotid-Synthesegerät verwendet
wurde.
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B. Polymerasekettenreaktionen (PCR) und
Clonierungsstrategie
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Die
PCR-Reaktionen wurden unter Standardbedingungen durchgeführt (Sambrook,
J., Fritsch, E. F. und Maniatis, T. (1989), Molecular Cloning: A
Laboratory Manual, zweite Ausgabe, Plainview, New York, Cold Spring
Harbor Laboratory Press).
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(1) Vektor pVgRXR-5a/5B und Vektor pVgRXR-5A**5B
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Der
erste Schritt zur Herstellung des Expressionsvektors, der VgRXR-5A/5B
(SEQ ID NO: 19) codiert, beinhaltete eine PCR-Reaktion mit dem Primer
VP16/5A5BF (SEQ ID NO: 12), dem Primer VP16/5A5BR (SEQ ID NO: 13)
und dem Plasmid pVgRXR als der Matrize. Als nächstes wurde das PCR-Produkt
mit XbaI verdaut. Es wurde ein Vektor zur Ligierung mit dem PCR-Produkt
hergestellt, indem der Vektor pVgRXR mit XbaI verdaut wurde, um
die DNA zu entfernen, welche die VP16-Aktivierungsdomäne codiert.
Das Grundgerüst
des Vektors wurde isoliert und die verdaute PCR-Insertion wurde
in die XbaI-Stelle des Grundgerüsts
ligiert. Die Ligierungen wurden mittels Sequenzierung durchmustert,
um die korrekte Orientierung der Insertion und die Richtigkeit ihrer
Nucleotidsequenz zu gewährleisten.
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Der
erste Schritt zur Herstellung des Expressionsvektors, der VgRXR-5A**5B
(SEQ ID NO: 21) codiert, beinhaltete eine PCR-Reaktion mit dem Primer
VP16/ 5A5BF (SEQ ID NO: 12), dem Primer VP16/5A**5BR (SEQ ID NO:
14) und dem Plasmid pVgRXR als der Matrize. Als nächstes wurde
das PCR-Produkt mit XbaI verdaut. Es wurde ein Vektor zur Ligierung
mit dem PCR-Produkt hergestellt, indem der Vektor pVgRXR mit XbaI
verdaut wurde, um die DNA zu entfernen, welche die VP16-Aktivierungsdomäne codiert. Das
Grundgerüst
des Vektors wurde isoliert und die verdaute PCR-Insertion wurde
in die XbaI-Stelle des Grundgerüsts
ligiert. Die Ligierungen wurden mittels Sequenzierung durchmustert,
um die korrekte Orientierung der Insertion und die Richtigkeit ihrer
Nucleotidsequenz zu gewährleisten.
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(2) pSRα-NS3-4A
und pSRα-NS3-4A(S1165A)
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Der
erste Schritt zur Herstellung des Vektors pSRα-NS3-4A, der die NS3-4A Spaltstelle
codiert (SEQ ID NO: 10), beinhaltete eine PCR-Reaktion mit dem Primer
NS3-4AF (SEQ ID NO: 15), dem Primer NS3-4AB (SEQ ID NO: 16) und
der Volllänge-cDNA
des H-Stamms von HCV als einer Matrize (Inchauspe et al., (1991), Proc.
Natl. Acad. Sci. U.S.A. 88: 10292–10296. Als nächstes wurde
das PCR-Produkt mit PstI und EcoRI verdaut. Es wurde ein Vektor
zur Ligierung mit dem PCR-Produkt hergestellt, indem der Vektor
pSRα mit
PstI und EcoRI verdaut wurde. Das Grundgerüst des Vektors wurde isoliert
und die PCR-Insertion wurde in die PstI-EcoRI-Stelle in dem Grundgerüst ligiert.
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Der
erste Schritt zur Herstellung des Vektors pSRα-NS3-4A(S1165A), der die mutante
Protease NS3-4A codiert, beinhaltete eine PCR-Reaktion mit dem Primer
NS3-4AF (SEQ ID NO: 15), dem Primer NS3-4AB (SEQ ID NO: 16) und
der cDNA der NS3-Mutante im katalytischen Zentrum S1165A [A. Grakoui
et al., (1993), J. Virol. 67: 2832–43. Als nächstes wurde das PCR-Produkt
mit PstI und EcoRI verdaut. Es wurde ein Vektor zur Ligierung mit
dem PCR-Produkt hergestellt, indem der Vektor pSRα mit PstI
und EcoRI verdaut wurde. Das Grundgerüst des Vektors wurde isoliert
und die PCR-Insertion wurde in die PstI-EcoRI-Stelle in dem Grundgerüst ligiert.
NS3-4A(S1165A) weist eine Serin zu Alanin-Substitution an der Aminosäure Nr.
1165 auf, welche die Protease inaktiv macht. Vergleichen Sie SEQ
ID NO: 10 und SEQ ID NO: 11.
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Beispiel 2 – Der Ecdyson-induzierbare
Luciferase-Assay der Protease NS3-4A
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Ecdyson-induzierbare
Luciferase-Assays der Protease NS3-4A wurden im Allgemeinen wie
nachstehend beschrieben durchgeführt.
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COS-Nierenzellen
der Afrikanischen Grünen
Meerkatze wurden mit ungefähr
150.000 Zellen/Vertiefung in einer Platte mit 6 Vertiefungen ausplattiert.
Am Tag darauf wurden ungefähr
3,6 μg Plasmid-DNA
in 100 μl
Dulbecco's Modifiziertem
Eagle-Medium (DMEM, Gibco-BRL) gelöst, mit 29 μl Superfect-Reagenz (Qiagen) kombiniert
und dann durch Pipettieren gemischt. Das Gemisch wurde für 10 Minuten
bei Raumtemperatur inkubiert.
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Die
Mengen an DNA, die üblicherweise
in jedem Experiment eingesetzt wurden, waren wie folgt: 0,6 μg von pIND-Luc,
0,6 μg von
pVgRXR-5a/5B oder pVgRXR-5A**5B, und 0–2,4 μg von pSRα-NS3-4A oder pSRα-NS3-4A(S1165A)
oder pSRα.
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Als
nächstes
wurden 600 μl
DMEM mit 10% (v/v) fötalem
Rinderserum (10% FBS-DMEM) zu dem DNA-Gemisch hinzugefügt und durch
Pipettieren gemischt. Die Zellen in der Platte mit 6 Vertiefungen
wurden mit 2,5 ml Phosphat-gepufferter Kochsalzlösung (PBS) gewaschen. Das PBS
wurde von den Zellen weggenommen und durch das DNA-Gemisch ersetzt.
Die Zellen wurden für
3 Stunden bei 37°C
in einem Inkubator bei 5% CO2 in dem DNA-Gemisch
inkubiert.
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Nach
der Inkubation wurden die Zellen mit PBS gewaschen. Das PBS wurde
entfernt und 10% FBS-DMEM wurde zu den Zellen hinzugefügt. Die
Zellen wurden in 10% FBS-DMEM über
nacht in einem 5% CO2 Inkubator bei 37°C inkubiert.
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Am
nächsten
Tag wurde ein exogener Ligand zu den Zellen hinzugegeben, um die
Transkription des Reportergens zu induzieren. Genau gesagt wurde
das 10% FBS-DMEM von den Zellen abgesaugt und mit einer 10% FBS-DMEM-Lösung ersetzt,
die eine Konzentration von 1–10 μM Muristeron
A oder 1–10 μM Ponasteron
A enthielt (Invitrogen, Vereinigtes Königreich). In einigen Fällen wurde
auch ein in Dimethylsulfoxid (DMSO) gelöster Protease-Inhibitor in
einer Endkonzentration von 1–40 μM zu den
Zellen hinzugegeben. Die Zellen wurden für 24 Stunden bei 37°C in einem
Inkubator bei 5% CO2 mit Muristeron A oder
Ponasteron A inkubiert.
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Am
folgenden Tag wurden die Zellen mit PBS gewaschen. Die Aktivität des Luciferase-Proteins
wurde mit einem Luciferase-Assay-Kit (Promega) gemessen. Genau gesagt
wurden die Zellen in 250 μl
Zellkultur-Lysisreagenz lysiert. Die Zellen wurden von der Platte
abgeschabt und in ein Mikrozentrifugenröhrchen überführt. Der Extrakt wurde für 5 Sekunden
bei 12.000 × g
abzentrifugiert. Zwanzig Mikroliter von jeder Probe wurden zu 100 μl Luciferase-Assayreagenz
hinzugegeben. Das durch die Reaktion der Luciferase mit dem Reagenz erzeugte
Licht wurde in einem Luminometer gemessen und wurde als relative
Lichteinheiten (RLU) dargestellt.
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Die
meisten Experimente wurden mehrere Male im Dreifachansatz durchgeführt. Fehlerbalken,
die die Standardabweichung der Datenpunkte wiedergeben, sind in
den Figuren eingeschlossen.
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Beispiel 3 – Das Einfügen einer 5A/5B-Verbindungsstelle
zwischen der Aktivierungsdomäne
und der DNA-Bindungs-Domäne
interferiert nicht mit der durch Muristeron A induzierten Transaktivierung
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Vektoren,
die Fusionsproteine (VgRXR, VgRXR-5A/5B oder VgRXR-5A(Stop) 5B)
codieren, und pIND-Luc wurden wie vorstehend beschrieben in COS-Zellen
transfiziert (Beispiel 2). Am folgenden Tag wurden einige der Zellen
für 24
Stunden mit 1 μM
Muristeron inkubiert. Die Zellen wurden lysiert und wie vorstehend
beschrieben auf Luciferase-Aktivität getestet. Die Ergebnisse
sind in 4 dargestellt.
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Das
von pVgRXR-5A(Stop)5B exprimierte Kontrollfusionsprotein, dem die
Ecdyson-DNA-Bindungs-Domäne
fehlt, zeigt vernachlässigbare
Aktivität.
Ein geringer oder kein Unterschied ist zwischen den Aktivitäten der
von VgRXR und VgRXR-5A/5B exprimierten Fusionsproteine zu beobachten.
Die Ergebnisse sind ein Hinweis darauf, dass das Einfügen der
5A/5B-Verbindungsstelle in dem von VgRXR exprimierten Protein nicht
mit der von Muristeron A induzierten Aktivität interferiert.
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Beispiel 4 – Cotransfektion zunehmender
Mengen von pSRαNS3-4A
mit pVgRXR-5A/5B führt
zu einer Dosis-abhängigen
Abnahme der durch Muristeron A induzierbaren Transaktivierung
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Das
Reporterplasmid pIND-Luc wurde wie in 5 angegeben
entweder mit pVgRXR-5A/5B oder mit pVgRXR und zunehmenden Mengen
(μg) der
die Protease NS3-4A codierenden DNA cotransfiziert. Am folgenden
Tag wurden die Zellen in 1 μM
Muristeron A inkubiert. Als nächstes
wurden die Zellen lysiert und wie vorstehend beschrieben auf kucf-Aktivität getestet.
Die Ergebnisse sind in 5 dargestellt.
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Die
Transkription des Luciferase-Reporterkonstrukts zeigte, wenn dieses
mit dem die Säuger-RXR und
die Ecdyson-Rezeptor/VP16-Fusionsproteine codierenden Konstrukt
VgRXR cotransfiziert wurde, geringe oder keine Veränderung,
wenn dieses mit der Protease NS3-4A coexprimiert wurde. Auf der
anderen Seite erzeugte das von VgRXR-5A/5B codierte Protein eine
Dosis-abhängige
Abnahme an Luciferase-Aktivität,
wenn es mit dem NS3-4A-Protein coexprimiert wurde. Diese Ergebnisse
legen es nahe, dass die Protease NS3-4A die 5A/5B-Verbindungsstelle
spaltet, jedoch nicht andere Bereiche des Fusionsproteins, die für Aktivität notwendig
sind.
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Beispiel 5 – Cotransfektion zunehmender
Mengen von pSRαNS3-4A(S1165A)
mit pVgRXR-5A/5B zeigt keinen Einfluss auf die durch Muristeron
A induzierbare Transaktivierung
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Wir
setzten 0,6 μg
von pVgRXR-5A/5B und 0,6 μg
von pIND-Luc ein, um diese wie in 6 angegeben mit
unterschiedlichen Mengen (μg)
der Vektoren zu cotransfizieren, die NS3-Protease oder eine inaktive
Mutante davon codierten. Die Gesamtmenge an DNA, die für jede Transfektion
eingesetzt wurde, betrug mit der Zugabe von pSRα 3,6 μg. Am folgenden Tag wurden die
Zellen in 1 μM
Muristeron A inkubiert. Die Zellen wurden lysiert und wie zuvor
beschrieben auf Luciferase-Aktivität getestet.
Die Ergebnisse sind in 6 dargestellt.
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Wie
in den vorherigen Ergebnissen zu sehen war (Beispiel 4), zeigte
das durch VgRXR-5A/5B codierte Fusionsprotein eine hohe Aktivität in Abwesenheit
der NS3-4A-Protease. Die Aktivität
der durch VgRXR-5A/5B vermitttelten Luciferase-Aktivität nahm in einer Dosis-abhängigen Weise
mit der Cotransfektion der DNA ab, die die NS3-4A-Protease codierte,
aber nicht mit der DNA, die die mutante Protease NS3-4A(1165A) codierte. Dies
liegt mutmaßlich
an der Unfähigkeit
der mutanten NS3-4A-Protease, das Ecdyson/VP16-Fusionsprotein zu
spalten.
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Dosis-Abhängigkeits-Studien
wie Beispiele 4 und 5 waren nützlich,
um das optimale Verhältnis
von Fusionsprotein codierender DNA und von Protease codierender
DNA für
den Einsatz in zukünftigen
Assays zu bestimmen.
-
Beispiel 6 – Dosis-Wirkungs-Verhältnis von
Ponasteron A
-
Das
Plasmid pIND-Luc (0,6 μg)
wurde mit pVgRXR-5A/5B (0,6 μg)
in der Abwesenheit oder der Gegenwart von 1,8 μg pSRαNS3-4A cotransfiziert. Am folgenden
Tag wurden die Zellen mit unterschiedlichen Mengen Ponasteron A
inkubiert, einem Liganden, welcher die Heterodimerisierung des Ecdyson-Rezeptors mit
dem Säuger-Retinolsäure-Rezeptor,
RXR, induziert. Die Zellen wurden lysiert und wie zuvor beschrieben auf
Luciferase-Aktivität
getestet. Die Ergebnisse sind in 7 dargestellt.
-
Die
Ergebnisse geben einen Hinweis darauf, dass Ponasteron A wirksam
ist, das Fusionsprotein EdR5A/5B (d. h. das von VgRXR-5A/5B codierte
Protein) in der Abwesenheit der Protease NS3-4A zu aktivieren. Für die Zwecke
dieser Experimente trat die höchste
Aktivierung des Fusionsproteins auf, wenn Ponasteron A in einer Konzentration
zwischen 3,3–10 μM vorlag.
Allgemein wurde festgestellt, dass Ponasteron A in diesen Assays
gleich wirksam war, Translation zu induzieren wie Muristeron A.
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Beispiel 7 – Induktion durch Ponasteron
A und % DMSO-Kontrolle
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Das
Plasmid pIND-Luc (0,6 μg)
wurde mit pVgRXR-5A/5B (0,6 μg)
in der Abwesenheit oder der Gegenwart von 1,8 μg pSRαNS3-4A cotransfiziert. Am folgenden
Tag wurden die Zellen mit 5 μM
Ponasteron A inkubiert.
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Dimethylsulfoxid
(DMSO) wurde ebenfalls in einer Endkonzentration von 0–1% DMSO
(v/v) zu den Zellen hinzugegeben. Die Zellen wurden lysiert und
wie zuvor beschrieben auf Luciferase-Aktivität getestet. Die Ergebnisse
sind in 8 dargestellt.
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In
diesem Kontrollexperiment wurde DMSO zu den Zellen hinzugegeben,
um festzustellen, ob dessen Anwesenheit mit der Aktivierung des
Fusionsproteins durch Ponasteron A interferierte. DMSO ist ein Lösungsmittel,
das manchmal dazu verwendet wurde, um Proteaseinhibitor-Verbindungen
vor der Zugabe zu diesen Assays zu lösen. In den meisten Experimenten
lag die Konzentration von DMSO nicht über 0,1%. Diese Ergebnisse
weisen darauf hin, dass DMSO-Konzentrationen bis zu 1% eine geringe
oder keine Auswirkung auf die durch Ponasteron A induzierte Luciferase-Aktivität in diesem
Assay hatten.
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Die
nachstehenden Beispiele zeigen, wie dieser Assay nützlich sein
kann, um Verbindungen zu screenen, die möglicherweise als Hemmer einer
Protease nützlich
sind.
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Beispiel 8 – Dosis-abhängige Hemmung der Aktivität von NS3-4A
durch VRT-25,531
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Das
Plasmid pIND-Luc (0,6 μg)
wurde mit pVgRXR-5A/5B (0,6 μg)
in der Gegenwart von 1,8 μg pSRαNS3-4A (Verhältnis 1:3)
cotransfiziert. Am folgenden Tag wurden die Zellen mit 5 μM Ponasteron
A und unterschiedlichen Mengen einer Verbindung VH-25531 inkubiert.
Die Zellen wurden lysiert und wie zuvor beschrieben auf Luciferase-Aktivität getestet.
Die Ergebnisse sind in 9 dargestellt.
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Die
Ergebnisse weisen darauf hin, dass VH-25531 in der Abwesenheit der Protease
NS3-4A die Aktivität
des Fusionsproteins nicht signifikant erhöht oder erniedrigt (Vergleichen
Sie Spuren 1 und 3, 9). Jedoch inhibiert VH-25531
die Aktivität
der Protease NS3-4A, besonders bei 20 μM (Vergleichen Sie die Spuren 4–11 mit
Anspruch 2, 9). In der Tat weisen die Ergebnisse
darauf hin, dass VH-25531
die Protease NS3-4A bei einer Konzentration von 20 μM bis zu
55,5% inhibieren kann. Die prozentuale Inhibition der Protease-Aktivität bei 20 μM VH-25531
wurde überschlagsmäßig berechnet,
indem die Werte der Spuren 3 und 2 (19900 – 5177 = 14732) voneinander
abgezogen wurden, die Werte der Spuren 4 und 2 (13356 – 5177 =
8179) voneinander abgezogen wurden und dann die zwei Werte durcheinander
geteilt wurden (8179/14723 = 0,555).
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Während wir
hierin vorstehend eine Reihe von Ausführungsformen dieser Erfindung
vorgestellt haben, ist es offensichtlich, dass unsere Basiskonstruktion
verändert
werden kann, um andere Ausführungsformen bereitzustellen,
welche sich die Verfahren dieser Erfindung zunutze machen. Es ist
aus diesem Grund ersichtlich, dass der Geltungsbereich dieser Erfindung
durch die Ansprüche
und die Beschreibung zu definieren ist statt durch die speziellen
Ausführungsformen,
die hierin beispielhaft dargelegt sind.
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