ES2280891T3 - Metodo para obtener polinucleotidos circulares mutados y/o quimericos. - Google Patents

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ES2280891T3 ES04028520T ES04028520T ES2280891T3 ES 2280891 T3 ES2280891 T3 ES 2280891T3 ES 04028520 T ES04028520 T ES 04028520T ES 04028520 T ES04028520 T ES 04028520T ES 2280891 T3 ES2280891 T3 ES 2280891T3
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    • C12N15/1027Mutagenizing nucleic acids by DNA shuffling, e.g. RSR, STEP, RPR

Abstract

Un método para generar polinucleótidos quiméricos o mutados que consta de los siguientes pasos: a) proporcionar un polinucleótido molde circular cerrado que contenga un primer gen de interés, b) proporcionar fragmentos de un polinucleótido diana de DNA bicatenario proveniente de un segundo gen de interés capaz de hibridar con el primer gen de interés, y que dichos fragmentos tengan extremos 3''OH libres y extremos 5'' fosforilados, c) generar cadenas simples de dichos polinucleótidos molde y de los mencionados fragmentos de polinucleótido diana, d) hibridar dichos fragmentos del polinucleótido diana con los ya mencionados polinucleótidos molde, e) elongar los fragmentos hibridados del polinucleótido diana a través de una DNA polimerasa, f) ligar las mellas entre los fragmentos elongados mediante la utilización de una DNA ligasa, y de este modo crear una molécula de DNA circular de longitud completa quimérica, y g) utilizar el producto obtenido en f) y repetir los pasos del c) al f) de 1 a 100veces.

Description

Método para obtener polinucleótidos circulares mutados y/o quiméricos.
La presente invención está relacionada con un método in vitro rápido, sencillo y eficaz destinado a generar polinucleótidos circulares mutados. Dicho método se basa en proporcionar un polinucleótido molde de DNA circular cerrado que contenga un primer gen de interés, proporcionar fragmentos de un polinucleótido diana de DNA bicatenario que a su vez contengan un segundo gen de interés que sea capaz de hibridar con el primer gen de interés, donde los fragmentos tengan extremos 3'OH libres y extremos 5' fosforilados, crear cadenas simples de dicho polinucleótido molde y de los citados fragmentos del polinucleótido diana, hibridar los fragmentos de polinucleótidos de DNA diana con el polinucleótido circular, elongar los fragmentos, por ejemplo, mediante la utilización de una DNA polimerasa y ligar los fragmentos elongados entre ellos, por ejemplo, mediante la utilización de una DNA ligasa. Estos pasos dan como resultado una cadena de DNA hija circular mutada o recombinada. Para promover el incremento de la frecuencia de mutación o recombinación, los pasos de hibridación, elongación y ligación se repiten de 1 a 100 veces. Mediante este método se puede obtener fácilmente una multitud de polinucleótidos quiméricos o mutados. La invención también muestra métodos para obtener biomoléculas recombinadas basadas en dichos polinucleótidos mutados.
Existe un gran interés por la aplicación de biomoléculas para usos médicos, industriales y científicos (Powell, K.A., et al., Directed Evolution and Biocatalysis, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 40 (2001) 3948-3959) (Kirk, O., et al., Industrial enzyme applications, Curr. Opin. Biotechnol. 13 (2002) 345-351).
Algunas aplicaciones necesitan biomoléculas que tengan características o propiedades muy especiales que no se encuentren en la naturaleza o que sea muy difícil obtenerlas. Una manera de generar dichas biomoléculas imita el principio de la evolución natural. Se generan mutantes al azar de una biomolécula y se selecciona un mutante que tenga las propiedades deseadas mediante un proceso de cribado apropiado. Este tipo de enfoque recibe el nombre de "evolución dirigida" (Arnold, F.H., y Volkov, A.A., Directed evolution of biocatalysts, Current Opinion in Chemical Biology 3 (1999) 54-59).
Se pueden emplear varias técnicas para crear estos mutantes (Vasserot, A.P., et al., Optimization of protein therapeutics by directed evolution, Drug Discov Today 8 [2003] 118-126) (Graddis, T.J., et al., Designing proteins that work using recombinant technologies, Curr. Pharm. Biotechnol. 3 [2002] 285-297) (Brakmann, S., Discovery of superior enzymes by directed molecular evolution, Chembiochem. 2 [2001] 865-871).
Los métodos que se utilizan hoy en día para generar biomoléculas que posean las propiedades deseadas pueden dividirse prácticamente en técnicas que introducen mutaciones puntuales y técnicas en las que se recombinan secuencias de polinucleótidos similares pero no idénticos.
El primer tipo de métodos, da lugar a polinucleótidos mutados mediante la introducción de mutaciones puntuales al azar en la secuencia de interés, por ejemplo, mediante una reacción en cadena de la polimerasa (PCR) con tendencia al error (Cadwell, R.C., y Joyce, G.F., PCR Methods Appl. 2 (1992) 28-33), el uso de las denominadas cadenas mutadoras (Greener, A., et al., Methods Mol. Biol. 57 (1996) 375-385), o el tratamiento del DNA con sustancias químicas mutagénicas (Deshler, J.O., Gen. Anal. Techn. Appl. 9 (1992) 103-106).
El segundo tipo de técnica que da lugar a los polinucleótidos quiméricos consta de la recombinación de genes o de fragmentos de genes que provienen de distintas variantes de un gen.
En la patente WO 01/34835, se describen las técnicas para la recombinación de dominios funcionales.
El método de recombinación más utilizado para la optimización de biomoléculas es el llamado "DNA shuffling" (US 5 834 252; US 5 605 793; US 5 830 721; US 5 837 458; US 5 811 238). Este método incluye la creación de fragmentos bicatenarios que provienen de diferentes moldes de DNA bicatenario donde dichos moldes de distinto DNA contienen áreas homólogas y heterólogas. El reensamblaje de los fragmentos aleatorios se realiza mediante una reacción parecida a la PCR sin cebadores adicionales. El hecho de solapar dominios de secuencias de DNA que puedan funcionar como cebadores/moldes los unos con los otros es esencial para un reensamblaje satisfactorio. Debido al poco rendimiento de la secuencia de DNA recombinado después del reensamblaje, habitualmente tiene que amplificarse gracias a una reacción adicional de PCR y más tarde tendrá que clonarse en un sistema de expresión apropiado. De este modo, los productos génicos se pueden utilizar para transformar células huésped adecuadas, ser expresados y luego cribados para obtener una propiedad nueva o mejorada.
Alternativas metodológicas al DNA shuffling son la recombinación aleatoria de cebadores (RPR, en sus siglas en inglés) (Shao, Z., et al., Nucleic Acids Res. 26 (1998) 681-683) y el proceso de extensión escalonada (StEP, en sus siglas en inglés) (Zhao, H., et al., Nat. Biotechnol. (1998) 16258-16261).
Pueden lograrse mutaciones dirigidas a través de los métodos dispuestos en las patentes WO 02/16606 y WO 99/35281. Dichos métodos utilizan DNA circular como molde y las mutaciones dirigidas se introducen mediante el uso de cebadores diseñados específicamente para este fin que ya contengan mutaciones puntuales.
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La patente W0 01/29211 también describe un método de recombinación. Según este método, el polinucleótido molde no está integrado en un DNA circular y hace que sea necesaria la inserción del DNA recombinado en un sistema de expresión adecuado después de la recombinación.
También se detalla otro método para obtener genes quiméricos en la patente WO 00/09697. El método ahí dispuesto logra una gran diversidad de moléculas de DNA recombinado gracias a la utilización de varios tipos de matrices de DNA ensambladas de forma lineal.
A pesar del gran progreso alcanzado en los distintos tipos de métodos que dan lugar a polinucleótidos mutantes y, sobretodo, quiméricos, aún existe una necesidad inmensa de proporcionar un método para generar polinucleótidos quiméricos que ayudarían a evitar, por lo menos parcialmente, los famosos inconvenientes que presentan los nuevos procedimientos en el campo.
El objetivo de la presente invención además era el de desarrollar un método simple y eficaz de recombinación de DNA para obtener polinucleótidos quiméricos mediante la máxima reducción del número de fases de desarrollo mientras se logra un alto nivel de diversidad en los polinucleótidos quiméricos resultantes.
Se ha resuelto que los inconvenientes de los métodos que ya se conocían en el campo pueden superarse al menos parcialmente mediante los métodos, las células huésped y las biomoléculas recombinantes de acuerdo con la presente invención.
Resumen de la invención
La presente invención se refiere a un método para generar un polinucleótido quimérico o mutado, y consta de los siguientes pasos: proporcionar un polinucleótido molde de DNA circular cerrado que contenga un primer gen de interés; proporcionar fragmentos de un polinucleótido diana de DNA bicatenario que contengan un segundo gen de interés capaz de hibridar con el primer gen de interés y que además dichos fragmentos tengan extremos 3'OH libres y extremos 5' fosforilados; generar cadenas simples del mencionado de polinucleótido molde y los fragmentos del polinucleótido diana; hibridar dichos fragmentos del polinucleótido diana con el polinucleótido molde citado; elongar los fragmentos hibridados del polinucleótido diana mediante una DNA polimerasa; ligar las mellas existentes entre los fragmentos elongados mediante la utilización de una DNA ligasa y de este modo generar una molécula de DNA circular quimérica de longitud completa; y después, utilizar dicha molécula de DNA circular quimérica de longitud completa repetidamente como un polinucleótido molde de DNA circular cerrado mediante la generación nuevamente de cadenas simples, hidridarlas, elongarlas y ligarlas como se ha descrito anteriormente. Debido a que en algunos aspectos esta tecnología se parece a la conocida reacción en cadena de la polimerasa, se propuso el término de quimerización en cadena de la polimerasa (PCC, en sus siglas en inglés).
También se describe un método utilizado para obtener una célula huésped transformada mediante la introducción de un polinucleótido quimérico o mutado obtenido de acuerdo con un método de la presente invención.
Además, se describe una célula que contiene un polinucleótido quimérico o mutado producido por un método de acuerdo con la presente invención.
Una realización adicional hace referencia a un método para obtener una biomolécula recombinante que consta de los siguientes pasos: obtener un polinucleótido quimérico o mutado mediante el uso de un método de acuerdo con esta invención; transformar dicho polinucleótido quimérico o mutado en un huésped apropiado; expresar el gen recombinado; y realizar un proceso de cribado para dicha biomolécula recombinante.
Descripción de la invención
En una primera realización preferida, la presente invención hace referencia a un método para generar un polinucleótido quimérico o mutado que consta de los siguientes pasos: proporcionar un polinucleótido molde circular cerrado que contenga un primer gen de interés; proporcionar fragmentos de un polinucleótido diana de DNA bicatenario proveniente de un segundo gen de interés capaz de hibridar con el primer gen de interés y que dichos fragmentos tengan extremos 3'OH libres y extremos 5' fosforilados; generar cadenas simples de dicho polinucleótido molde y de los fragmentos del polinucleótido diana; hibridar esos fragmentos del polinucleótido diana con el mencionado polinucleótido molde; elongar los fragmentos hibridados del polinucleótido diana mediante una DNA polimerasa; ligar las mellas entre los fragmentos elongados mediante la utilización de una DNA ligasa y de ese modo generar una molécula de DNA circular quimérica de longitud completa. Dicha molécula de DNA circular quimérica o mutada de longitud completa luego debería utilizarse repetidamente como un molde de polinucleótido circular cerrado en los ciclos siguientes de quimerización mediante una nueva generación de cadenas simples que hibriden, se elongen y se ligen como se ha descrito anteriormente. A efectos prácticos, se hace referencia a este método como si se tratase de un método de quimerización, aunque también se han obtenido otros mutantes beneficiosos sin un proceso de recombinación mediante el método inventivo.
El término "gen quimérico o mutado" se utiliza para indicar que los polinucleótidos quiméricos o mutados se obtienen en una frecuencia elevada gracias a la utilización de un método de acuerdo con la presente invención. Como ya se conoce en el ámbito, las mutaciones son por ejemplo, mutaciones puntuales, deleciones o inserciones. Un polinucleótido quimérico tomado en el sentido de la presente invención es cualquier gen de interés que conste de por lo menos 15 polinucleótidos consecutivos provenientes de 2 genes de interés distintos. Entonces, aunque la ventaja principal de la presente invención sea la elevada frecuencia de quimerización que se obtiene, esta también posee efectos secundarios adicionales y bienvenidos que consisten en que los polinucleótidos mutados también se generan frecuentemente cuando se utiliza el método de quimerización de la presente invención. El término "o" se emplea para indicar que los polinucleótidos que se obtienen pueden contener sólo mutaciones, mutaciones así como secuencias quiméricas, o secuencias quiméricas en ausencia de otras mutaciones.
El gen seleccionado mediante un método de acuerdo con la presente invención es preferiblemente un gen quimérico con mutaciones adicionales o sin ellas.
Un "gen de interés" hace referencia a cualquier secuencia de polinucleótidos que manifieste una propiedad que pueda ser seleccionada o cribada mediante cualquier procedimiento de cribado o de selección adecuado. La presente invención también hace uso de al menos un "primer" y un "segundo" gen de interés.
El término "un" cuando se refiere al primer o al segundo gen de interés no debería entenderse como que se está refiriendo exclusivamente a un solo gen. La presente invención también podría aplicarse de forma exitosa empleando varios moldes diferentes así como varios genes diana diferentes. Preferiblemente, todos estos moldes y genes diana representan variantes de un solo gen. Sin embargo, es preferible utilizar tres, dos o un solo molde o gen o genes diana, respectivamente.
Obviamente, la relación molar del gen molde en comparación con los fragmentos de un gen diana influirá en el grado de quimerización alcanzado. Se recomiendan las relaciones molares (fragmentos/moldes) de 15 a 1000, pero aún son más preferibles las relaciones de 10 a 500, de 20 a 400 y de 30 a 300.
El primer y el segundo gen de interés deben ser homólogos al menos parcialmente para permitir la hibridación necesaria para el método inventivo. Un experto en la materia no tendrá problemas a la hora de seleccionar los pares de genes adecuados para realizar el método de esta invención.
Para obtener una frecuencia de hibridación apropiada, el molde y el gen diana deben tener una homología de al menos el 40%. Es preferible que la homología entre los dos genes sea de al menos el 50%. También es preferible que la homología sea superior y de al menos el 60% o al menos el 70%. Es aún más preferible que la homología sea del 80% o más, como se determina en el método descrito debajo.
La homología entre el primer y el segundo gen de interés se analiza preferiblemente con el programa PileUp del paquete GCG, versión 10.2 (Genetics Computer Group, Inc.). PileUp crea una alineación múltiple de secuencias utilizando una simplificación del método de alineación progresivo de Feng, D.F., y Doolittle, R.F., J. Mol. Evol. 25 (1987) 351-360, y por consiguiente se definen las matrices de puntuación para residuos de aminoácidos idénticos, similares o diferentes. Este proceso comienza con el alineamiento por parejas de las dos secuencias más parecidas y da lugar a un grupo de dos secuencias alineadas. Este grupo entonces podría alinearse con la siguiente secuencia o grupo de secuencias alineadas que más coincida. Dos grupos de secuencias podrían alinearse mediante una extensión simple de la alineación por parejas de dos secuencias individuales. Se logra la alineación final mediante series de alineaciones por parejas progresivas que incluyan cada vez más secuencias y grupos distintos hasta que todas las secuencias se hayan incluido en la alineación por parejas final.
Por cuestiones prácticas, la identidad de secuencia también podría calcularse si se comparan el molde y el gen diana. En dichas comparaciones los nucleótidos individuales en sus posiciones de secuencia correspondientes se comparan unos con otros. La identidad de secuencia es preferiblemente de al menos el 40% para una secuencia parcial de 30 nucleótidos de largo como mínimo. Aún es más preferible que la identidad de secuencia sea de al menos el 50% o superior o incluso más preferiblemente de al menos el 60%.
Muchos genes relacionados entre sí que existen en la naturaleza desempeñan la misma función en distintos individuos, así como también en distintas especies. A modo de ejemplo, la hemoglobina se emplea para transportar el oxígeno en la sangre. Dentro de la especie humana, a la hemoglobina se la conoce por presentar variaciones ligeras en su secuencia (conocidas como alelos), mientras que la hemoglobina en otros mamíferos manifiesta más diferencias a nivel de secuencia. Por lo tanto, estos genes representan las variantes que se dan de forma natural en un solo gen o en un locus génico. Es preferible que tanto el gen molde como el gen diana representen ambos las variantes de un único gen que existe de forma natural.
Como observará un experto en la materia, cualquier combinación de un gen molde o un gen diana será apropiada siempre y cuando los fragmentos del gen diana hibriden con el gen molde. Las condiciones de hibridación se pueden variar, por ejemplo, mediante cambios en las condiciones del tampón. Según la presente invención, la hibridación se realiza preferentemente en un tampón que contenga Tris-HCl 0,2 M; MgSO_{4} 0,02 M; KCl 0,1 M; (NH_{4})_{2}SO_{4} 0,1 M; Triton X-100 al 1%, y 1 mg de albúmina sérica bovina (BSA)/ml a pH 8,8. Cualquier pareja de gen molde y gen diana que produzca un número suficiente de casos de hibridación en la primera ronda de quimerización en dicho tampón, es apropiada para realizar el método de quimerización según esta invención.
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El primer gen de interés se proporciona como una parte integral de un polinucleótido circular cerrado. Debido a cuestiones prácticas, al primer gen de interés que contiene un polinucleótido circular cerrado también se le denominará gen "molde".
Cualquier tipo de polinucleótido circular (RNA o DNA) o incluso seudopolinucleótidos circulares que contengan análogos de nucleótidos como por ejemplo ácidos nucleicos peptídicos (PNA) puede utilizarse como un primer polinucleótido. En una realización beneficiosa y preferible, el primer polinucleótido que contenga el gen molde es un ácido desoxirribonucleico (DNA). El polinucleótido circular cerrado es preferiblemente un DNA bicatenario.
Existen numerosos métodos para clonar un cierto gen e insertarlo en un sistema de expresión adecuado que no es necesario citar aquí. Por conveniencia, cabe mencionar que el experto está bastante familiarizado con estos métodos que se resumen por ejemplo en Current Protocols in Molecular Biology Volumen 1-4, editado por Ausubel, F.M., et al., Massachusetts General Hospital y Harward Medical School por John Wiley & Sons, Inc.
El gen molde se puede ensanchar fácilmente y al mismo tiempo desnaturalizar gracias a la transformación de una cepa huésped adecuada con el plásmido, la inoculación de la cepa portadora del plásmido durante un periodo de tiempo apropiado y el aislamiento del plásmido del cultivo celular. El uso de un polinucleótido circular metilado proporciona una ventaja adicional. Después de completarse la quimerización mediante un método según la presente invención, el DNA metilado (o sea, el material inicial) puede eliminarse fácilmente utilizando enzimas de restricción específicas que solamente eliminen el DNA metilado. Ya que el molde inicial es DNA metilado y sólo se producen moléculas de DNA quimérico o mutado circular sin metilar, el molde inicial se puede eliminar mediante la utilización de una enzima como la DpnI que sólo escinde DNA metilado. Por lo tanto, el camino más apropiado para realizar el método inventivo consiste en la utilización de un DNA circular cerrado metilado como si fuese el polinucleótido que contiene el primer gen de interés.
Preferiblemente, la secuencia de polinucleótidos del primer gen de interés es el polinucleótido completo para este gen. Sin embargo, como podrá apreciar el experto, este gen se podrá acortar para representar sólo secuencias parciales de un gen. La longitud mínima requerida es la de un polinucleótido que manifieste una actividad o función biológica que se pueda identificar mediante cualquier método de cribado o selección apropiado.
Por cuestiones prácticas, también utilizamos el término gen "diana" para referirnos al segundo gen de interés. El gen diana debe estar disponible en forma bicatenaria y preferiblemente como DNA bicatenario. Sólo se logra una amplificación exponencial durante las distintas series de quimerización si los fragmentos provenientes del gen diana contienen fragmentos en ambas direcciones de la cadena, tanto en la hebra codificante como en la hebra antisentido.
El gen o polinucleótido diana no se proporciona como una molécula continua de longitud completa sino más bien como una forma fragmentada. Como podrá observar un experto en la materia, los fragmentos apropiados de un polinucleótido de DNA bicatenario podrían crearse de varias maneras. Los métodos para proporcionar fragmentos de un polinucleótido diana bicatenario no son cruciales siempre y cuando se tenga cuidado de que al menos alguno de los fragmentos generados entonces sean capaces de hibridar con el primer gen de interés con el requisito adicional de que los fragmentos proporcionados deben tener un OH en el extremo 3' y un residuo de fosfato en el extremo 5', respectivamente. Son más preferibles los métodos que provocan la fragmentación aleatoria del gen diana.
Los fragmentos aleatorios pueden obtenerse mediante numerosos métodos que el experto ya conoce. Una posibilidad podría ser la de amplificar la secuencia de interés de DNA a través de una PCR y cortar aleatorialmente el producto de la PCR mediante una endonucleasa dando lugar a fragmentos con los extremos 3'OH y 5' fosfato requeridos. Por ejemplo, la digestión puede llevarse a cabo en muy poco tiempo con desoxirribonucleasa I y el grado de digestión puede monitorizarse sobre gel de agarosa. Una vez que ya se ha alcanzado el grado de fragmentación deseado, se puede parar la reacción, por ejemplo, al calentar la muestra a 95ºC durante 5 minutos y así se destruye la nucleasa. La desoxirribonucleasa I también puede separarse de los fragmentos mediante varios métodos, es decir, utilizando los equipos de purificación de la reacción en cadena para la polimerasa (PCR) que están disponibles comercialmente. Otra posibilidad sería la de utilizar cebadores muy cortos para una hibridación al azar en una reacción PCR con la segunda secuencia de interés de DNA como un molde, dando lugar a productos de PCR de diversas longitudes, y los extremos 5' de los fragmentos obtenidos así pueden fosforilarse posteriormente con una quinasa apropiada. Habitualmente deberían emplearse fragmentos con una longitud de entre 8 y 1000 pares de bases (pb). En una realización preferida la mayoría (más del 50%) de los fragmentos utilizados estarán entre las 10 y 300 pb.
Los términos hibridación, elongación y ligación como se utilizan en la presente invención tienen el significado que el experto les otorga.
Según la presente invención, el método debe repetirse de 1 a 100 veces. Mientras que en la primera serie de quimerización solamente está presente el polinucleótido molde circular cerrado que contiene el primer gen de interés, en cada uno de los ciclos siguientes se observará un continuo crecimiento del número de los polinucleótidos de DNA circulares cerrados quiméricos o mutados que, según la presente invención, una vez más actuarán como molde para el siguiente ciclo. Además, el empleo de polinucleótidos que ya son polinucleótidos quiméricos o mutados como moldes en las series consecutivas de quimerización, aumentará el número total de moléculas quiméricas o mutadas diferentes.
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El método de acuerdo con la presente invención se ilustra en la Figura 1. En el primer paso, las moléculas de cadena simple se generan tanto para el polinucleótido molde como para el polinucleótido diana. En el segundo paso, los fragmentos de DNA de cadena simple de un gen diana o de una secuencia de interés se hibridan con un polinucleótido molde que se incorpora en una molécula de un polinucleótido de cadena simple circular cerrado. Los fragmentos hibridados se elongan mediante una DNA polimerasa hasta que la enzima encuentra un fragmento ya unido. La DNA polimerasa abandona la cadena de DNA dejando una mella entre el extremo 3'OH elongado de un fragmento y el extremo 5' fosfato de otro fragmento. La mella o gap cierra mediante la DNA ligasa que liga la extensión 3'OH con el extremo 5' fosforilado del siguiente fragmento unido. Como resultado final de dicho ciclo de quimerización se obtiene un DNA bicatenario que consta de dos moléculas de DNA circulares cerradas. Es algo obvio para el experto que el número de fragmentos hibridados determina el grado de quimerización de las secuencias de interés de DNA. El método según la presente invención proporciona la ventaja principal de que el polinucleótido circular cerrado bicatenario obtenido en la primera serie de quimerización, o más a menudo en una serie previa, puede utilizarse directamente en una serie de quimerización posterior. Para realizar una serie de quimerización posterior, la doble cadena obtenida en la primera serie se desnaturaliza y ambas moléculas de cadena simple circulares funcionan ahora como un polinucleótido molde en el siguiente ciclo de quimerización. Se realizan preferiblemente de dos a cincuenta ciclos de quimerización como los descritos anteriormente. Esto da lugar a un continuo aumento del número de recombinaciones que, a su vez, tiene como resultado una gran diversidad de polinucleótidos quiméricos o mutados. Es más preferible que se realicen de 15 a 35 ciclos de quimerización.
El método eficaz y práctico de quimerización de acuerdo con la presente invención puede realizarse fácilmente con una única mezcla de reactivos que contenga todos los reactantes necesarios. Los detalles de los reactivos más preferidos se facilitan más abajo y en la sección de ejemplos. Si es necesario, el método inventivo también podría realizarse en fases, por ejemplo, se podrían añadir fragmentos de un polinucleótido diana al comienzo y, nuevamente, después de un número adecuado de ciclos de quimerización. Por supuesto sería posible realizar dichas modificaciones y otras similares dentro del ámbito de la presente invención.
La quimerización se puede lograr llevando a cabo una reacción parecida a la PCR que utilice un polinucleótido circular cerrado que contenga el gen molde y fragmentos del gen diana en ambas orientaciones como cebadores. Preferiblemente, la reacción se lleva a cabo a temperaturas muy elevadas. También es preferible el empleo de una DNA polimerasa termoestable y de una DNA ligasa también termoestable, como las DNA polimerasas y ligasas obtenidas a partir de organismos como Pyrococcus furiosus, Thermus aquaticus, etc. También es preferible y aconsejable utilizar una DNA polimerasa con actividad reparadora para asegurarse de que se evitan los errores de polimerización no deseados fuera de la secuencia de interés del DNA. Esto es también muy beneficioso para conservar intacto un sistema de expresión.
Como se ha descrito anteriormente, el producto del ciclo de quimerización funciona como molde para los fragmentos restantes de la mezcla de reacción y de este modo, el ciclo de quimerización puede repetirse. Esto significa que en una PCR normal, se consigue una amplificación exponencial de las secuencias de DNA quimérico o mutado y además que el número de polinucleótidos se amplía exponencialmente. La proporción de moldes iniciales respecto al nuevo DNA generado aumenta a favor de la molécula quimérica en cada ciclo. Esto también reduce considerablemente el riesgo o la probabilidad de obtener clones relacionados después de la transformación de una célula huésped adecuada con los polinucleótidos quiméricos o mutados.
Un ciclo estándar de quimerización por PCR de acuerdo con la presente invención emplea, por ejemplo, los siguientes reactivos: un sistema tamponador en el que actúen tanto la polimerasa y la ligasa seleccionadas, los dNTP, la polimerasa, la ligasa, el ATP (u otro cofactor para la ligasa), el molde y los fragmentos del polinucleótido diana; y consta de los siguientes pasos: incubación a 72ºC para ligar las mellas no deseadas del molde circular, 30 segundos a 95ºC para desnaturalizar el DNA bicatenario en un DNA monocatenario, 1 minuto a 50ºC para hibridar los fragmentos con el molde, 8 minutos a 72ºC para elongar los fragmentos mediante una DNA polimerasa, 30 segundos a 95ºC para eliminar la DNA polimerasa unida del molde, y 8 minutos a 72ºC para ligar los fragmentos entre sí y eliminar cualquier mella existente. El ciclo de quimerización se repite preferiblemente de 20 a 25 veces. Finalmente, la mezcla de reacción se enfría a 4ºC.
Ya que el método descrito se basa en el uso de polinucleótidos circulares cerrados y da como resultado moléculas molde de DNA quimérico circular cerrado, es evidente que es conveniente utilizar plásmidos como moléculas molde de DNA circular cerrado. Dicho plásmido contiene preferiblemente un sistema de expresión adecuado para una secuencia de DNA o para un gen de interés. El polinucleótido molde es preferiblemente un plásmido circular cerrado bicatenario que contenga un origen de replicación, un promotor para la expresión del gen, un gen de selección y una primer gen de interés. Como podrá apreciar fácilmente un experto en la materia, es preferible que solamente se recombine aquella parte de la secuencia de polinucleótido que contiene el gen de interés y el resto de la secuencia de DNA, es decir, el sistema de expresión o la parte del plásmido de la secuencia se deja intacta. En un método de acuerdo con esta invención también pueden utilizarse dos o más plásmidos diferentes que contengan una secuencia de interés
de DNA.
Los pasos que habitualmente necesitan otros métodos ya conocidos en el campo, como por ejemplo, la inserción de moléculas de DNA quiméricas o mutadas obtenidas recientemente en un sistema de expresión adecuado, no son necesarios en el caso de que los polinucleótidos de DNA quiméricos o mutados producidos mediante un método de acuerdo con esta invención ya estén incorporados en un sistema de expresión. De este modo se evitan pasos adicionales como la preparación de vectores, la inserción utilizando enzimas de restricción y la ligación. Esto hace que el método inventivo sea mucho más simple y práctico a la hora de utilizarlo.
El resultado de la quimerización PCR, es decir la PCC, se puede controlar mediante electroforesis en gel de agarosa. Debería verse un polinucleótido del tamaño deseado (idéntico al molde) en el gel de agarosa.
Preferiblemente, la presente invención también hace referencia a un método para obtener una célula huésped transformada mediante la introducción de un polinucleótido quimérico o mutado obtenido según un método de acuerdo con la presente invención en dicho huésped. Se prefieren bacterias como las cepas de E. coli o Bacillus como cepas huésped. Dichas transformaciones han resultado ser bastante exitosas y producen transformantes con un rendimiento elevado.
El DNA circular quimérico o mutado obtenido de acuerdo con la presente invención puede utilizarse para transformar posteriormente una célula huésped adecuada sin ningún otro procedimiento. Como se ha descrito anteriormente, este proceso de transformación puede incorporar opcionalmente un paso más para eliminar un polinucleótido molde metilado. Sin embargo, este paso tampoco necesitará otra purificación. Por tanto, es preferible utilizar directamente los polinucleótidos quiméricos o mutados obtenidos en un método de acuerdo con esta invención sin una purificación previa para transformar una célula huésped.
Naturalmente una célula huésped obtenida mediante la transformación con un polinucleótido quimérico o mutado obtenido mediante el método de la presente invención, representa una realización aún más preferida de la presente invención.
La presente invención también está relacionada con un método para obtener una biomolécula recombinante, y consta de los siguientes pasos: obtener un polinucleótido quimérico o mutado a través de la utilización de un método de acuerdo con la presente invención; transformar un huésped adecuado con dicho polinucleótido quimérico o mutado; expresar el gen recombinado; y realizar un proceso de cribado para dicha biomolécula recombinante.
Después del aislamiento de los clones individuales (inoculación y expresión de los productos génicos quiméricos o mutados) se puede realizar el proceso de cribado con las nuevas biomoléculas para identificar los clones que contienen un gen recombinante con la propiedad deseada.
El proceso de cribado podría realizarse para seleccionar cualquier propiedad. Es preferible que la biomolécula sea un vector de expresión, y así se seleccionen los vectores de expresión que den lugar a un rendimiento proteínico superior. Es más preferible que la biomolécula sea un polipéptido y de este modo el proceso de selección se basará simplemente en, por ejemplo, escoger una propiedad deseada de dicho polipéptido. Es más preferible que dicho polipéptido recombinante sea una enzima. Como podrá observar un experto en la materia, las diferentes propiedades enzimáticas se pueden seleccionar fácilmente una vez que el nuevo polinucleótido (mutado o quimérico) esté disponible y se exprese como se ha descrito anteriormente.
Como podrá apreciar fácilmente un experto, los métodos aquí dispuestos son bastante beneficiosos por varias razones porque, por ejemplo, evitan la necesidad de una reacción de amplificación por PCR que aún es necesaria en los métodos novedosos del ámbito, sobretodo para generar moléculas de DNA quiméricas o mutadas a una frecuencia razonable y sin necesidad de una fase previa de purificación antes de la transformación. También es bastante obvio que omitiendo la fase de amplificación por PCR no se produce la preselección de un polinucleótido quimérico o mutado. Esto da como resultado una gran diversidad de polinucleótidos quiméricos o mutados que van a utilizarse para la transformación, y estos a su vez también dan como resultado una gran diversidad de variantes genéticas para realizar procesos de cribado y de selección.
A continuación se proporcionan ejemplos, referencias, listado de secuencias y figuras que ayudan a comprender la presente invención, es decir, el verdadero objetivo de lo que se expone en las reivindicaciones que se adjuntan. Se entiende que se pueden realizar modificaciones en los procedimientos expuestos sin desviarse de la esencia de la invención.
Descripción de las figuras
Figura 1
Esquema de un método de acuerdo con la presente invención
En la Figura 1 se muestra que en el método inventivo se utiliza un polinucleótido circular cerrado bicatenario que contiene un primer gen de interés (flecha rayada) y fragmentos derivados de un DNA diana bicatenario (flecha negra). Dichos polinucleótidos se mezclan con todos los reactivos necesarios y después se llevan a cabo los pasos de desnaturalización, hibridación, polimerización y ligación.
\newpage
Figura 2
Secuencias de aminoácidos
para hAP y ciAP En la fila superior se muestra la secuencia de aminoácidos de la fosfatasa alcalina de intestino de ternera y en la fila inferior la secuencia correspondiente de la fosfatasa alcalina de placenta humana.
Figura 3
Fragmentación del DNA diana
Los resultados de la fragmentación del DNA diana con desoxirribonucleasa I según el Ejemplo 1, se muestran en la Figura 3.
Figura 4
Ácidos nucleicos obtenidos después de 20 ciclos de quimerización
Se aplicaron 5 \mul de muestra, obtenida como se ha descrito en el Ejemplo 1, en un gel de agarosa al 1%. Después de la electroforesis, las bandas de DNA se tiñeron con bromuro de etidio. Se muestran las bandas teñidas.
Ejemplo 1 Quimerización de la fosfatasa alcalina de placenta humana (hpAP) con fosfatasa alcalina de intestino de ternera (ciAP)
Los genes de la ciAP y la hpAP manifiestan una homología aproximadamente del 80% (véase Id. de Sec. núm.: 1 y 3 respectivamente). Se muestran ambas secuencias de aminoácidos en la Figura 2 y en la Id. de Sec. núm.: 2 y 4 respectivamente. La distribución de las áreas homólogas y heterólogas es casi al azar sobre el gen completo, y de esta forma hace que sea más fácil controlar el grado de quimerización de ambos genes.
Se clonaron los dos genes en el plásmido pkk 177 con un gen de resistencia a la ampicilina bajo el control de un promotor pmgI (véase la solicitud de patente WO 88/09373) y se utilizaron para transformar la cepa E. coli XL-blue-MRF'.
Para el experimento que viene a continuación se utilizó hpAP como primer gen de interés.
Los fragmentos al azar del gen diana se generaron a partir de un gen de la ciAP.
Gen molde (plásmido)
La cepa E. coli que transporta el plásmido con el gen hpAP se inoculó durante la noche a 37ºC. El plásmido se aisló mediante un equipo Roche High Pure Plasmid Isolation Kit Id. 1754777 y la concentración se determinó con luz ultravioleta a 260 nm. Se preparó una solución de 5 ng de DNA/\mul de agua.
Gen diana (fragmentos)
Se preparó una solución acuosa que contenía el plásmido que transporta el gen de la ciAP, utilizando el mismo método que se aplicó para el gen molde. Se amplificó el gen de la ciAP a través de una PCR empleando cebadores adecuados (véase Id. de Sec. núm.: 5 y 6 respectivamente).
El producto de la PCR resultante se purificó con la utilización de un equipo de purificación de PCR de Roche (Roche PCR purification Kit) y se determinó la concentración de DNA.
Fragmentación
El gen de la ciAP se sometió a una digestión con desoxirribonucleasa I. Se realizó la siguiente manera preparación:
30 \mul de ciAP (100 ng de DNA/\mul de agua)
1,5 \mul de desoxirribonucleasa I (0,1 U/\mul; Roche Cat. núm. 776785 diluido con 1 x Puffer Cat. núm. 1417991)
8 \mul de tampón (10 x Puffer Cat. núm. 1417991)
40,5 \mul de agua.
\newpage
Después de 10 minutos de incubación a temperatura ambiente, la preparación se congeló rápidamente sobre hielo seco para parar la digestión con desoxirribonucleasa I. Se analizaron 5 \mul de muestra sobre un gel de agarosa al 1% para controlar la digestión (véase la Figura 3). La nube de fragmentos demostró que la mayoría de ellos tenían un tamaño de unas 50 pb. La desoxirribonucleasa I se inactivó mediante el calentamiento de la preparación restante a 95ºC durante 10 minutos. El DNA se purificó gracias al equipo de purificación para PCR de Roche (Roche PCR purification Kit) y la concentración de DNA se determinó a 260 nm.
Quimerización PCR (PCC)
1
2,5 U/\mul de polimerasa Pfu de Stratagene Cat. núm. 600252
10 x de tampón de polimerasa Pfu de Stratagene Cat. núm. 600252
4 U/\mul de ligasa Pfu de Stratagene Cat. núm. 600191
dNTP 40 mM = dATP 10 mM, dCTP 10 mM, dTTP 10 mM, dGTP 10 mM
5 \muM/\mul de ATP de Roche Cat. núm. 1140965
Programa de temperatura:
a)
10 minutos a 72ºC
b)
30 segundos a 95ºC
c)
1 minuto a 55ºC
d)
8 minutos a 72ºC
e)
30 segundos a 95ºC
f)
8 minutos a 72ºC
g)
repetir unas 20 veces los pasos del a) al f)
h)
4ºC.
\newpage
Después del termociclado se aplicaron 5 \mul de los productos de la PCR-PCC en un gel de agarosa al 1% (véase la Figura 4).
Resultados: La muestra de PCC presenta una banda que contiene el tamaño deseado, mientras que el control negativo no muestra ninguna.
Ejemplo 2 Transformación
La transformación se realizó mediante una electroporación de ambas muestras de PCC y de control negativo respectivamente en la cepa E. coli XL-MRF' (Stratagene Cat. núm. 200158). Más tarde se depositaron 100 \mul de la preparación de la PCC y 1 ml del control negativo sobre una placa de agar LB que contenía 100 \mul/ml de ampicilina. Las células se incubaron durante la noche a 37ºC.
Los resultados de este experimento de transformación según el número de clones aparecidos se proporcionan en la siguiente tabla:
2
Se cogieron 20 clones escogidos al azar de la placa de la muestra de la PCC y se inocularon de forma individual en un medio LB/Amp durante toda la noche a una temperatura de 37ºC. Los plásmidos de las 20 muestras se aislaron utilizando un equipo Roche High Pure Plasmid Isolation Kit Id. 1754777 y se secuenciaron mediante un equipo ABI Prism Dye Terminador Sequencing Kit y secuenciadores ABI 3/73 y ABI 3/77 (Amersham Pharmacia Biotech). Los cebadores de secuencias que se han utilizado estaban todos basados en el gen de la ciAP (véanse las Id. de Sec. núm.: 5, 7, 8 y 9 respectivamente).
Ejemplo 3 Examinar los clones para la actividad de la fosfatasa alcalina (AP)
La actividad de la AP se determinó de la siguiente manera: Se mezclaron 90 \mul de suspensión de célula del cultivo de la noche con 10 \mul de B-PER (Bacterial Protein Extraction Reagent, Pierce Cat. núm. 78248) para trastornar las células. Además se añadieron 50 \mul de esta mezcla a 90 \mul de reactivo (Roche Cat. núm. 2173107). La AP activa libera p-nitrofenol que puede controlarse a través de un fotómetro a 405 nm. Se empleó como control negativo una suspensión de células en una cepa de E. coli XL-MRF' sin el plásmido de la ciAP o la hpAP.
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(Tabla pasa a página siguiente)
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Ejemplo 4 Clones quiméricos y mutados obtenidos
En la siguiente tabla se muestran los resultados de actividad de la AP y el análisis de los clones correspondientes mediante secuenciación:
3
4
Cabe destacar que la hpAP es el molde inicial. Los números hacen referencia a las posiciones de los aminoácidos en la enzima AP. Expresiones como, por ejemplo, V69A significan que un aminoácido cambia en la posición 69 de valina (V) a alanina (A). La alineación de las secuencias sobre en función de los aminoácidos puede observarse en la Figura 2.
Los datos que se observan más arriba, muestran que la quimerización se da en casi cualquier nivel deseado. El espectro de mutantes oscila desde no tener ningún tipo de mezcla génica (hpAP) hasta un reensamblaje completo del gen la de ciAP fragmentado.
De los 20 clones aislados, el 50% presentaron actividad fosfatasa alcalina, también incluyendo mutantes con mezcla de DNA. De hecho, el clon con mayor actividad (núm. 12) es una quimera. Además de la quimerización, se observaron mutaciones puntuales, inserciones y deleciones de modo que se amplía el grupo de nuevos polinucleótidos sobre los que se puede realizar la selección de nuevas propiedades o de propiedades mejoradas.
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<170> Versión de la patente 3.2
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<210> 1
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<211> 1533
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<212> DNA
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<213> Bos taurus
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<220>
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<221> CDS
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<222> (1)..(1533)
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<223> Codificación de la secuencia de DNA para la fosfatasa alcalina de intestino de ternera (ciAP)
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<400> 1
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5
6
7
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<210> 2
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<211> 510
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<212> PRT
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<213> Bos taurus
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<400> 2
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8
9
10
11
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<210> 3
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<211> 1527
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<212> DNA
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<213> Homo sapiens
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<221> CDS
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<222> (1)..(1527)
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<223> Codificación de la secuencia de DNA para la fosfatasa alcalina de placenta humana (hpAP)
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13
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<211> 507
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<212> PRT
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<213> Homo sapiens
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<400> 4
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15
16
17
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<223> Secuencia parcial de la fosfatasa alcalina de intestino de ternera (ciAP)
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cttcggcgtt cagtaacacg c
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21
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<223> Secuencia parcial de la fosfatasa alcalina de intestino de ternera (ciAP)
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cctctagatt atcagtcggg gatg
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ggtcacgtct gtgatcaacc g
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<223> Secuencia parcial de la fosfatasa alcalina de intestino de ternera (ciAP)
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gctttcgagg tgaatttcga cc
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22

Claims (7)

1. Un método para generar polinucleótidos quiméricos o mutados que consta de los siguientes pasos:
a) proporcionar un polinucleótido molde circular cerrado que contenga un primer gen de interés,
b) proporcionar fragmentos de un polinucleótido diana de DNA bicatenario proveniente de un segundo gen de interés capaz de hibridar con el primer gen de interés, y que dichos fragmentos tengan extremos 3'OH libres y extremos 5' fosforilados,
c) generar cadenas simples de dichos polinucleótidos molde y de los mencionados fragmentos de polinucleótido diana,
d) hibridar dichos fragmentos del polinucleótido diana con los ya mencionados polinucleótidos molde,
e) elongar los fragmentos hibridados del polinucleótido diana a través de una DNA polimerasa,
f) ligar las mellas entre los fragmentos elongados mediante la utilización de una DNA ligasa, y de este modo crear una molécula de DNA circular de longitud completa quimérica, y
g) utilizar el producto obtenido en f) y repetir los pasos del c) al f) de 1 a 100 veces.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, donde se emplean una DNA polimerasa termoestable y una DNA ligasa termoestable.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, donde el gen de interés contenido en dicho polinucleótido molde y el gen de interés contenido en dicho polinucleótido diana son variantes de un solo gen.
4. El método de acuerdo con las reivindicaciones de la 1 a la 3, donde un polinucleótido molde o un polinucleótido diana contienen dos o más variantes de un gen de interés.
5. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 4, donde dicho polinucleótido molde es un plásmido circular cerrado bicatenario que contiene un origen de replicación, un promotor para la expresión génica, un gen de selección y un primer gen de interés.
6. Un método para obtener una biomolécula recombinante que consta de los siguientes pasos:
a) obtener un polinucleótido quimérico o mutado mediante el empleo de un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 5,
b) utilizar dicho polinucleótido quimérico o mutado para transformar un huésped apropiado,
c) expresar el gen recombinado, y
d) realizar un proceso de cribado para dicha molécula recombinante.
7. El método de acuerdo con la reivindicación 6, donde dicha biomolécula es una enzima.
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