ES2340857T3 - Metodo para la sintesis quimica completa y emsamblaje de genes y genomas. - Google Patents
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Abstract
Un método para la síntesis de un polinucleótido bicatenario sin el uso de ningún ADN recombinante o de origen natural existente, que comprende los pasos de a)generar una primera serie de oligonucleótidos correspondiente a la cadena positiva completa de dicho polinucleótido bicatenario; b)generar una segunda serie de oligonucleótidos correspondiente a la cadena negativa completa de dicho polinucleótido bicatenario y c)hibridar dicha primera y segunda series de oligonucleótidos; donde el paso (c) comprende los pasos de i)hibridar el oligonucleótido del extremo 5'' de dicha primera serie de oligonucleótidos con el oligonucleótido del extremo 3'' de dicha segunda serie de oligonucleótidos, ii)hibridar el próximo oligonucleótido más cerca del extremo 5'' de dicha primera serie de oligonucleótidos con el producto del paso (i), iii)hibridar el próximo oligonucleótido más cerca del extremo 3'' de dicha segunda serie de oligonucleótidos con el producto del paso (ii), iv)repetir el proceso hasta que todos los oligonucleótidos de dichas primera y segunda serie de oligonucleótidos se hayan hibridado, donde cada uno de dichos oligonucleótidos de dicha segunda serie de oligonucleótidos se solapa con e hibrida a dos oligonucleótidos complementarios de dicha primera serie de oligonucleótidos, con la excepción de que dos oligonucleótidos en el extremo 5'' o 3'' de dicho polinucleótido bicatenario se hibridará con sólo un oligonucleótido complementario.
Description
Método para la síntesis química completa y
ensamblaje de genes y genomas.
La presente invención se refiere de forma
general a los campos de la síntesis de oligonucleótidos. Más
particularmente, se refiere al ensamblaje de genes y genomas de
organismos artificiales completamente sintéticos.
\vskip1.000000\baselineskip
La actual investigación y las aplicaciones
comerciales en biología molecular se basan en ADN recombinante
desarrollado en los años setenta. Una faceta crítica del ADN
recombinante es la clonación molecular en plásmidos, cubiertos por
la patente seminal de Cohen y Boyer (Patente de Estados Unidos
4.740.470 "Biologically functional molecular chimeras"). Esta
patente muestra un método para "cortar y empalmar" moléculas de
ADN a partir de endonucleasas de restricción, de la introducción de
estas moléculas "recombinantes" en células hospedadoras y su
replicación en los hospedadores bacterianos. Esta técnica es la base
de toda la clonación molecular con fines de investigación y
comerciales llevada a cabo a lo largo de los últimos 20 años y la
base del campo de la genética y la biología moleculares.
La tecnología de ADN recombinante es una
tecnología poderosa, pero su utilidad se limita a modificaciones de
secuencias de ADN existentes que se modifican a través de 1) sitios
de escisión de enzimas de restricción, 2) cebadores PAC para
amplificación, 3) mutagénesis específica del sitio y otras técnicas.
La creación de una molécula totalmente nueva o la modificación
sustancial de moléculas existentes, requiere mucho tiempo, resulta
cara y exige pasos complejos y múltiples y en algunos casos resulta
imposible. La tecnología de ADN recombinante no permite la creación
de moléculas, genes, genomas u organismos totalmente artificiales,
sino únicamente modificaciones de organismos de origen natural.
La actual biotecnología para producción
industrial, diseño y desarrollo de fármacos, para aplicaciones
potenciales de desarrollo de vacunas y terapia génica y para la
utilización agrícola y medioambiental de ADN recombinante depende
de organismos y moléculas de ADN de origen natural. La creación o el
desarrollo de funciones nuevas o novedosas o la modificación de
organismos para un uso especializado (como la producción de una
hormona humana), exige manipulaciones difíciles, sustancialmente
complejas, que requieren mucho tiempo, de moléculas de ADN de
origen natural. En algunos casos, los cambios del ADN de origen
natural son tan complejos que no resultan posibles en la práctica.
De este modo, es necesaria una tecnología que permita la creación de
moléculas de ADN nuevas en un solo paso sin requerir la utilización
de ningún ADN recombinante o de origen natural.
WOSNICK M A ET AL se refieren a síntesis
química total y expresión en E. coli de un gen de glutatión
transferasa (GST) (GENE, vol. 76, 1984, páginas
153-160). L. D. BELL ET AL se refieren a
síntesis química, clonación y expresión en células de mamífero de
un gen que codifica activador de plasminógeno de tipo tisular humano
(GENE, vol. 63, 1988, páginas 155-163). M. D. EDGE
ET AL. se refieren a síntesis total de un gen de interferón
de leucocito humano (NATURE, vol. 292, 20 de agosto de 1981
(20-08-1981), páginas
756-762). L. FERRETTI ET AL. se refieren a
síntesis total de un gen de rodopsina bovina (PROC. NATL. ACAD.
SCI., vol. 83, febrero de 1996 (02-1996), páginas
599-603). LASHKARI D A ET AL se refieren a un
sintetizador de oligonucleótidos multiplex automatizado y el
desarrollo de síntesis de ADN de alto rendimiento y bajo coste
(PROCEEDINGS OF THE
NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF USA, vol. 92, Nº 17,15 de agosto de 1995 (15-08-1995), páginas 7912-7915). L. E. SINDELAR Y J. M. JAKLEVIC describen síntesis de ADN de alto rendimiento en un formato multicanal (NUCLEIC ACIDS RESEARCH, vol. 23, Nº 6, 1995, páginas 982-987). S. RAYNER ET AL. describen MerMade, un sintetizador de oligodesoxirribonucleótido para producción de oligonucleótidos de alto rendimiento en placas dobles de 96 pocillos (GENOME RESEARCH, vol. 8, Nº 7, julio de 1998 (1998-07), páginas 741-
747).
NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF USA, vol. 92, Nº 17,15 de agosto de 1995 (15-08-1995), páginas 7912-7915). L. E. SINDELAR Y J. M. JAKLEVIC describen síntesis de ADN de alto rendimiento en un formato multicanal (NUCLEIC ACIDS RESEARCH, vol. 23, Nº 6, 1995, páginas 982-987). S. RAYNER ET AL. describen MerMade, un sintetizador de oligodesoxirribonucleótido para producción de oligonucleótidos de alto rendimiento en placas dobles de 96 pocillos (GENOME RESEARCH, vol. 8, Nº 7, julio de 1998 (1998-07), páginas 741-
747).
El documento EP 0385410 se refiere a un método
para formar un oligonucleótido que comprende los pasos de sintetizar
un par de oligonucleótidos complementarios, unir el par de
oligonucleótidos en las porciones de secuencia de base
complementaria y polimerizar bases de ácido nucleico en el par de
oligonucleótidos resultante. El documento EP 0316018 muestra la
modificación de una secuencia de ADN digiriendo una secuencia de ADN
de vector con una enzima de restricción, retirando cualquier
nucleótido indeseado, tratando el vector escindido con exonucleasa
III para crear extremos cohesivos de 5 min, mezclando con el vector
tratado de este modo un número par de nucleótidos de cadena única
de secuencia alterna sentido y antisentido que codifican
alternativamente o que son complementarios a las secuencias
deseadas en el ADN de producto y donde estos oligonucleótidos de
cadena única tienen extremos que se solapan y son complementarios a
extremos del oligonucleótido u oligonucleótidos adyacentes y/o los
extremos cohesivos de 5 min de vector. El documento W09412632 se
refiere a un método para sintetizar ácido nucléico mediante una
reacción en cadena de la polimerasa realizada en una serie de
cebadores solapantes que abarcan la longitud completa del ácido
nucleico que se tiene que sintetizar. El documento WO 9000626 se
refiere a la construcción de un conjunto de fase sólida de
biopolímeros a través del ensamblaje de secuencias de biopolímero
más cortas, por ejemplo, ensamblaje de genes de
oligonucleótidos.
La presente invención se refiere a las
limitaciones en las actuales manipulaciones de ácido nucleico
recombinante proporcionando un medio rápido y eficaz para generar
prácticamente cualquier secuencia de ácido nucleico, incluyendo
genes enteros, segmentos de cromosomas, cromosomas y genomas. Habida
cuenta de que este enfoque se basa en un enfoque completamente
sintético, no existen limitaciones, tales como la disponibilidad de
ácidos nucleicos existentes, que supongan un obstáculo para la
construcción de segmentos incluso muy amplios de ácido
nucleico.
nucleico.
La invención proporciona un método para la
síntesis de un polinucleótido sin el uso de cualquiera de una
diversidad de ADN recombinante o de origen natural, que comprende
los pasos de
- a)
- generar una primera serie de oligonucleótidos correspondientes a la cadena positiva completa de dicho polinucleótido bicatenario;
- b)
- generar una segunda serie de oligonucleótidos correspondientes a la cadena negativa completa de dicho polinucleótido bicatenario y
- c)
- hibridar dicha primera y segunda serie de oligonucleótidos;
donde el paso (c) comprende los pasos de
- i)
- hibridar el oligonucleótido del extremo 5' de dicha primera serie de oligonucleótidos con el oligonucleótido del extremo 3' de dicha segunda serie de oligonucleótidos,
- ii)
- hibridar el próximo oligonucleótido más cerca del extremo 5' de dicha primera serie de oligonucleótidos con el producto del paso (i),
- iii)
- hibridar el próximo oligonucleótido más cerca del extremo 3' de dicha segunda serie de oligonucleótidos con el producto del paso (ii),
- iv)
- repetir el proceso hasta que todos los oligonucleótidos de dichas primera y segunda serie de oligonucleótidos se hayan hibridado,
donde cada uno de dichos oligonucleótidos de
dicha segunda serie de oligonucleótidos se solapa con e hibrida a
dos oligonucleótidos complementarios de dicha primera serie de
oligonucleótidos, con la excepción de que dos oligonucleótidos en
el extremo 5' o 3' de dicho polinucleótido se hibridará con sólo un
oligonucleótido complemen-
tario.
tario.
La invención proporciona además un método para
sintetizar un polinucleótido bicatenario, que comprende: (a)
hibridar un oligonucleótido del extremo 5' con un oligonucleótido
del extremo 3' de un polinucleótido bicatenario para producir un
primer producto hibridado y añadir directamente un oligonucleótido
siguiente 5' más terminal de dicho polinucleótido bicatenario a
dicho primer producto hibridado en condiciones suficientes para
hibridación para producir un segundo producto hibridado, teniendo
dicho oligonucleótido siguiente más terminal una longitud de al
menos aproximadamente 25 bases y (b) repetir el paso (a) una o más
veces para producir en secuencia un polinucleótido bicatenario.
Se proporciona un método para la construcción de
un segmento de ADN bicatenario que incluye los pasos de (i)
proporcionar dos series de oligonucleótidos de cadena única, en las
que (a) la primera serie comprende la cadena positiva completa de
dicho segmento de ADN, (b) la segunda serie comprende la cadena
negativa completa de dicho segmento de ADN y (c) siendo cada una de
dicha primera serie de oligonucleótidos complementaria de dos
oligonucleótidos de dicha segunda serie de oligonucleótidos, (ii)
hibridar dicha primera serie y dicha segunda serie de
oligonucleótidos y (iii) tratar dichos oligonucleótidos hibridados
con una enzima de ligamiento. Pasos opcionales permiten la síntesis
de las series de oligonucleótidos y la transformación de células
hospedadoras con el segmento de ADN resultante.
En realizaciones particulares, el segmento de
ADN tiene 100, 200, 300. 400, 800, 1.000, 1.500, 2.000, 4.000,
8.000, 10.000, 12.000, 18.000, 20.000, 40.000, 80.000, 100.000,
10^{6}, 10^{7}, 10^{8}, 10^{9} o más pares de bases de
longitud. De hecho, se contempla que los métodos de la presente
invención permitirán crear genomas artificiales completos de
longitud comparable a genomas conocidos de bacterias, levaduras,
virus, mamíferos, anfibios, reptiles y aves. En realizaciones más
particulares, el segmento de ADN es un gen que codifica una
proteína de interés. El segmento de ADN puede incluir además
elementos no codificantes tales como orígenes de replicación,
telómeros, promotores, potenciadores, señales de inicio y detención
de transcripción y traducción, intrones, sitios de empalme de
exones, componentes de armazón de cromatina y otras secuencias
reguladoras. El segmento de ADN puede comprender múltiples genes,
segmentos de cromosomas, cromosomas e incluso genomas completos. El
segmento de ADN puede obtenerse de secuencias procariotas o
eucariotas, incluyendo bacterias, levaduras, virus, mamíferos,
anfibios, reptiles, aves, plantas, arqueobacterias y otros
organismos vivos que contienen ADN.
Las series de oligonucleótidos están
constituidas preferiblemente por oligonucleótidos de entre
aproximadamente 15 y 100 bases y más preferiblemente entre
aproximadamente 20 y 50 bases. Las longitudes específicas incluyen,
pero no se limitan a 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26,
27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43,
44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60,
61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77,
78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94,
95, 96, 97, 98, 99 y 100. Dependiendo del tamaño, el solapamiento
entre los oligonucleótidos de las dos series puede diseñarse para
estar entre 5 y 75 bases por par de oligonucleótidos.
Los oligonucleótidos se tratan preferiblemente
con quinasa polinucleotídica, por ejemplo, quinasa polinucleotídica
T4. La fosforilación puede llevarse a cabo antes de mezclar la serie
de oligonucleótidos o después, pero antes de hibridar. Después de
hibridar, los oligonucleótidos se tratan con una enzima que tiene
una función de ligamiento. Por ejemplo, se utilizará normalmente
una ligasa de ADN para esta función. No obstante, la topoisomerasa,
que no requiere fosforilación 5', es rápida y funciona a temperatura
ambiente y puede utilizarse en lugar de
ligasa.
ligasa.
Se proporciona un método para la construcción de
un segmento de ADN bicatenario que comprende los pasos de (i)
proporcionar dos series de oligonucleótidos de cadena única, en las
que (a) la primera serie comprende la cadena positiva completa de
dicho segmento de ADN, (b) la segunda serie comprende la cadena
negativa completa de dicho segmento de ADN y (c) siendo cada una de
dicha primera serie de oligonucleótidos complementaria de dos
oligonucleótidos de dicha segunda serie de oligonucleótidos, (ii)
hibridar pares de oligonucleótidos complementarios para producir
una serie de primeros productos hibridados, en la que cada par
comprende un oligonucleótido de cada una de dicha primera y dicha
segunda series de oligonucleótidos, (iii) teniendo los pares de
hibridación de los primeros productos hibridados secuencias
complementarias para producir una serie de segundos productos
hibridados, (iv) repetir el proceso hasta que todos los productos
hibridados se hayan hibridado en un único segmento de ADN y (v)
tratar dichos productos hibridados con enzima de ligamiento.
Se proporciona un método para la construcción de
un segmento de ADN bicatenario con capacidad de replicación que
comprende los pasos de (i) proporcionar dos series de
oligonucleótidos de cadena única, en las que (a) la primera serie
comprende la cadena positiva completa de dicho segmento de ADN, (b)
la segunda serie comprende la cadena negativa completa de dicho
segmento de ADN y (c) siendo cada una de dicha primera serie de
oligonucleótidos complementaria de dos oligonucleótidos de dicha
segunda serie de oligonucleótidos, (ii) hibridar dicho
oligonucleótido 5' terminal de dicha primera serie de
oligonucleótidos con el oligonucleótido 3' terminal de dicha segunda
serie de oligonucleótidos, (iii) hibridar el siguiente
oligonucleótido 5' más terminal de dicha primera serie de
oligonucleótidos con el producto del paso (ii), (iv) hibridar el
siguiente oligonucleótido 3' más terminal de dicha segunda serie de
oligonucleótidos con el producto del paso (iii), (v) repetir el
proceso hasta que todos los oligonucleótidos de dichas primera y
dicha segunda series se hayan hibridado y (vi) tratar dichos
oligonucleótidos hibridados con enzima de ligamiento. Unos pasos
opcionales permiten la síntesis de las series de oligonucleótidos y
la transformación de células hospedadoras con el segmento de ADN
resultante. En una realización preferida, el oligonucleótido 5'
terminal de la primera serie se une a un soporte, proceso que puede
incluir el paso adicional de retirar el segmento de ADN del soporte.
El soporte puede ser cualquier soporte conocido en la técnica, por
ejemplo, una placa de microtitulación, un filtro, perlas de
poliestireno, bandeja de poliestireno, perlas magnéticas, agarosa
y
similares.
similares.
Las condiciones de hibridación pueden ajustarse
sobre la base de la estrategia específica utilizada para la
hibridación, el tamaño y la composición de los oligonucleótidos y el
alcance del solapamiento entre los oligonucleótidos de la primera y
la segunda serie. Por ejemplo, si se mezclan todos los
oligonucleótidos antes de la hibridación, se conduce el
calentamiento de la mezcla a 80ºC, seguido de una hibridación lenta
durante 1 a 12 horas. De este modo, la hibridación puede realizarse
durante aproximadamente 2, aproximadamente 3, aproximadamente 4,
aproximadamente 5, aproximadamente 6, aproximadamente 7,
aproximadamente 8, aproximadamente 9 o aproximadamente 10 horas. No
obstante, en otras realizaciones, el tiempo de hibridación puede
llegar hasta 24 horas.
Con ayuda de un ordenador, el inventor puede
dirigir la síntesis de una combinación vector/gen utilizando un
sintetizador de oligonucleótidos de alto rendimiento como una serie
de componentes oligonucleótidos solapados. Los oligonucleótidos se
ensamblan utilizando una estrategia de ensamblaje combinatorio
robótico y el conjunto se somete a ligamiento utilizando ADN ligasa
o topoisomerasa, seguido de transformación en una cepa hospedadora
adecuada. En una realización específica, esta invención genera una
serie de cepas bacterianas que contiene un vector de expresión
viable para todos los genes en una región definida del genoma. En
otras realizaciones, también se contempla un sistema de vector de
expresión de levadura o baculovirus para permitir la expresión de
cada gen en una región cromosómica en un hospedador eucariota. En
otra realización más, la presente invención permite al experto en
la materia concebir una estrategia de "gen diseñador" en la que
un gen o genomas o prácticamente cualquier estructura se pueden
diseñar, sintetizar y expresar fácilmente. De este modo,
eventualmente la tecnología descrita en este documento puede
emplearse para crear genomas completos para su introducción en
células hospedadoras para la creación de organismos vivos
diseñadores totalmente artificiales.
En realizaciones específicas, la presente
invención proporciona un método para la síntesis de un
polinucleótido bicatenario con capacidad de replicación, donde el
polinucleótido comprende un origen de replicación, una primera
región codificante y un primer elemento regulador que dirige la
expresión de la primera región codificante.
Adicionalmente el método puede comprender además
el paso de amplificar el polinucleótido bicatenario. En
realizaciones específicas, el polinucleótido bicatenario comprende
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1.000, 5.000, 10 x
10^{3}, 20 x 10^{3}, 30 x 10^{3}, 40 x 10^{3}, 50 x
10^{3}, 60 x 10^{3}, 70 x 10^{3}, 80 x 10^{3}, 90 x
10^{3}, 1 x 10^{4}, 1 x 10^{5}, 1 x 10^{6}, 1 x 10^{7}, 1
x 10^{8}, 1 x 10^{9} ó 1 x 10^{10} pares de bases de
longitud. El primer elemento regulador puede ser un promotor. En
determinadas realizaciones, el polinucleótido bicatenario comprende
además un segundo elemento regulador, siendo el segundo elemento
regulador una señal de poliadenilación. En otras realizaciones más,
el polinucleótido bicatenario comprende una pluralidad de regiones
codificantes y una pluralidad de elementos reguladores.
Específicamente, se contempla que las regiones codificantes
codifiquen productos que comprenden una ruta bioquímica. En
realizaciones específicas la ruta bioquímica es glicólisis. Más
particularmente, se contempla que las regiones codificantes
codifiquen enzimas seleccionadas entre el grupo constituido por
hexoquinasa, fosfohexosa isomerasa,
fosfofructoquinasa-1, aldolasa,
triosa-fosfato isomerasa,
gliceraldehído-3-fosfato
deshidrogenasa, fosfoglicerato quinasa, fosfoglicerato mutasa,
enolasa y enzimas piruvato quinasa de la ruta glicolítica.
En otras realizaciones, la ruta bioquímica es
síntesis de lípidos, síntesis de cofactores. Se contemplan en
particular síntesis de ácido lipoico, síntesis de riboflavina,
síntesis de nucleótidos, el nucleótido puede ser una purina o una
pirimidina.
En algunas otras realizaciones se contempla que
las regiones codificantes codifiquen enzimas que participan en un
proceso celular seleccionado entre el grupo que consiste en división
celular, chaperona, destoxificación, secreción de péptidos,
metabolismo energético, función reguladora, replicación de ADN,
transcripción, procesamiento de ARN y modificación de tARN. En
realizaciones preferidas, el metabolismo energético es fosforilación
oxida-
tiva.
tiva.
Se contempla que el polinucleótido bicatenario
es un ADN o un ARN. En realizaciones preferidas, el polinucleótido
bicatenario puede ser un cromosoma. El polinucleótido bicatenario
puede ser una construcción de expresión. Específicamente, la
construcción de expresión puede ser una construcción de expresión
bacteriana, una construcción de expresión mamífera o una
construcción de expresión viral. En realizaciones particulares, el
polinucleótido bicatenario comprende un genoma seleccionado entre
el grupo que consiste en genoma bacteriano, genoma de levadura,
genoma viral, genoma de mamífero, genoma de anfibio y genoma
aviar.
En las realizaciones en las que el genoma es un
genoma viral, el genoma viral puede seleccionarse entre el grupo
que consiste en retrovirus, adenovirus, virus de la vaccinia, virus
del herpes y virus adeno-asociado.
La presente invención se puede usar para
producir una partícula viral.
El método se puede usar para producir un genoma
artificial, donde el cromosoma comprende todas las regiones
codificantes y elementos reguladores encontrados en un cromosoma
natural correspondiente. En realizaciones específicas, el cromosoma
natural correspondiente es un genoma humano mitocondrial. En otras
realizaciones, el cromosoma natural correspondiente es un genoma de
cloroplasto.
El método se puede usar para producir un sistema
genético artificial, donde el sistema comprende todas las regiones
codificantes y elementos reguladores encontrados en una ruta
bioquímica natural correspondiente. Dicha ruta bioquímica poseerá
probablemente un grupo de enzimas que metabolizan en serie un
compuesto. En realizaciones particularmente preferidas, la ruta
bioquímica comprende las actividades requeridas para glicólisis. En
otras realizaciones, la ruta bioquímica comprende las enzimas
requeridas para transporte de electrones. Todavía en otras
realizaciones, la ruta bioquímica comprende las actividades
enzimáticas requeridas para fotosíntesis.
Otros objetos, características y ventajas de la
presente invención resultarán evidentes a partir de la siguiente
descripción detallada. La descripción detallada y los ejemplos
específicos, si bien indican realizaciones preferidas de la
invención, se facilitan simplemente a título de ilustración.
\vskip1.000000\baselineskip
Los dibujos siguientes forman parte de la
presente memoria descriptiva y se incluyen para demostrar
adicionalmente ciertos aspectos de la presente invención. La
invención puede entenderse mejor por referencia a uno o más de
estos dibujos en combinación con la descripción detallada de
realizaciones específicas presentadas en este
documento.
documento.
Fig. 1. Diagrama de flujo del paradigma de
Parque Jurásico para la construcción de organismos sintéticos y
reensamblaje de organismos vivos.
Fig. 2. Diagrama de flujo de la estrategia de
genética sintética y ensamblaje de organismos.
Fig. 3. Diagrama de flujo de la estrategia de
ocho pasos para ensamblaje combinatorio de oligonucleótidos en
genes o genomas completos.
\newpage
Fig. 4A-Fig. 4C. Diseño de
plásmido synlux4. La secuencia de 4800 se anota con las
localizaciones de los genes lux A+B, neomicina/kanamicina
fosfotransferasa y secuencias pUC 19.
Fig. 5A-Fig. 5F. Lista de
oligonucleótidos componentes derivados de la secuencia de Synlux4 en
la Figura 4A-Fig. 4C.
Fig. 6A-Fig. 6B. Esquema para el
ensamblaje combinatorio de plásmidos sintéticos de oligonucleótidos
componentes.
Fig. 7A-Fig. 7G. Programa SynGen
para generar oligonucleótidos solapantes suficientes para
reensamblar el gen o plásmido.
\vskip1.000000\baselineskip
La secuencia completa de genomas completos,
incluido el genoma humano, presenta enfoques funcionales a gran
escala de la genética posible. La presente invención expone un
planteamiento nuevo para utilizar los resultados de la información
de la secuencia genómica mediante síntesis genética dirigida por
ordenador basada en informática en la base de datos del genoma
humano. Específicamente, la invención describe síntesis y resíntesis
químicas de genes para la transferencia de estos genes a células
hospedadoras adecuadas.
La presente invención proporciona métodos que se
pueden utilizar para sintetizar de novo, segmentos de ADN
que codifican series de genes, bien genes de origen natural
expresados a partir de construcciones de promotores naturales o
artificiales o genes artificiales obtenidos de secuencias de ADN
sintético, que codifican elementos de sistemas biológicos que
realizan una función o atribución especificada de un organismo
artificial así como genomas completos. Al producir tales sistemas y
genomas, la presente invención proporciona la síntesis de un
polinucleótido bicatenario con capacidad de replicación, donde el
polinucleótido tiene un origen de replicación, una primera región
codificante y un primer elemento regulador que dirige la expresión
de la primera región codificante. Por con capacidad de replicación
se entiende que el polinucleótido es capaz de dirigir su propia
replicación. De este modo, se prevé que el polinucleótido poseerá
todas las señales de actuación cis necesarias para facilitar
su propia síntesis. A este respecto, el polinucleótido será similar
a un plásmido o un virus, de forma que una vez colocado dentro de
una célula, puede replicarse mediante una combinación de las
funciones celulares y del polinucleótido.
De este modo, utilizando las técnicas de la
presente invención, un experto en la materia puede crear un genoma
artificial capaz de codificar todas las actividades necesarias para
mantener su propia existencia. También se contemplan sistemas
genéticos artificiales que pueden codificar enzimas y actividades de
una ruta bioquímica específica. En un sistema de este tipo, será
deseable tener presentes todas las actividades para que se opere
toda la ruta bioquímica. La coexpresión de una serie de enzimas
necesarias para una vía específica constituye un sistema genético o
biológico completo. Por ejemplo, la coexpresión de las enzimas
implicadas en la glicólisis constituye un sistema genético completo
para la producción de energía en forma de ATP procedente de glucosa.
Estos sistemas para la producción de energía pueden incluir grupos
de enzimas que de manera natural o artificial metabolizan en serie
una serie de compuestos.
Los tipos de rutas bioquímicas incluirían, pero
no están limitados a los correspondientes a la biosíntesis de
grupos prostéticos de cofactores y vehículos (síntesis del lipoato,
síntesis de la riboflavina, síntesis del nucleótido piridina); la
biosíntesis de las envueltas celulares (membranas, lipoproteínas,
porinas, polisacáridos de superficie, lipopolisacáridos, antígenos
y estructuras de superficie); procesos celulares que incluyen la
división celular, chaperonas, destoxificación, secreción de
proteínas, metabolismo intermediario central (producción de energía
a través de compuestos de fósforo y otros); metabolismo energético
incluyendo aeróbico, anaeróbico, interconversiones de fuerza motriz
de protones ATP, transporte de electrones, ruta de glicólisis
triosa fosfato, piruvato deshidrogenasa, metabolismo del azúcar;
purina, síntesis de nucleótido pirimidina, que incluye síntesis del
2'desoxirribonucleótido, interconversión de nucleótidos y
nucleósidos, salvamento de nucleósidos y nucleótidos, biosíntesis y
conversión de azúcar-nucleótido; funciones
reguladoras que incluyen controles transcripcionales y
traduccionales, replicación del ADN que incluye degradación del ADN,
replicación, modificación de restricción, recombinación y
reparación del ADN; transcripción que incluye degradación del ADN,
ARN polimerasa dependiente del ADN y factores de transcripción;
procesamiento del ARN; traducción que incluye sintetasas del amino
acil tARN, degradación de péptidos y glicopéptidos, modificación de
las proteínas, síntesis y modificación de los ribosomas,
modificación del tARN; transporte de factores de traducción y
proteínas de unión incluyendo el transporte de aminoácidos,
péptidos, aminocarbohidratos, alcoholes orgánicos, ácidos orgánicos
y cationes y otros sistemas para la adaptación, función específica o
supervivencia de un organismo
artificial.
artificial.
\vskip1.000000\baselineskip
Segmento de ADN - una pieza lineal de ADN que
tiene una región bicatenaria y ambos extremos 5'- y 3'-; el
segmento puede tener cualquier longitud suficientemente larga para
ser creado mediante la hibridación de al menos dos oligonucleótidos
con regiones complementarias.
Oligonucleótidos - pequeños segmentos de ADN
pequeño, monocatenarios o bicatenarios, compuestos por las bases de
nucleótido A, T, G y C enlazados a través de enlaces fosfato; los
oligonucleótidos varían típicamente entre aproximadamente 10 y 100
pares de bases.
Cadena positiva - por convención, la cadena
única de un ADN bicatenario que comienza con el extremo 5' a la
izquierda cuando se lee la secuencia.
Cadena negativa - por convención, la cadena
única de un ADN bicatenario que comienza con el extremo 3' a la
izquierda cuando se lee la secuencia.
Complementarios - cuando dos ácidos nucleicos
tienen al menos una porción de sus secuencias, cuando se leen en
dirección opuesta (5'\rightarrow3'; 3'\rightarrow5'), que
emparejan nucleótidos secuenciales en la forma siguiente:
A-T, G-C, T-A,
G-C.
Series de oligonucleótidos - una pluralidad de
oligonucleótidos que, tomados juntos, comprenden la secuencia de
una cadena positiva o negativa de un segmento de ADN.
Productos hibridados - dos o más
oligonucleótidos que tienen regiones complementarias, cuando están
permitidas, en condiciones apropiadas, con pares de bases,
produciendo de ese modo regiones bicatenarias.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención describe métodos para
permitir la creación de moléculas de ADN, genomas y organismos
vivos totalmente artificiales basada en información solamente, sin
la necesidad de genes, moléculas de ADN o genomas existentes.
Los métodos de la presente invención están
diagramados en la Fig. 1 y Fig. 2 y generalmente implican los pasos
siguientes. Por lo general, utilizando software informático
sencillo, comprendiendo series de partes de genes y elementos
funcionales se puede construir un polinucleótido virtual en el
ordenador. Este polinucleótido consiste en un cordón de bases de
ADN, G, A, T o C, que comprende por ejemplo, un genoma totalmente
artificial en un cordón lineal. Para transferir el gen sintético a,
por ejemplo, células bacterianas, el polinucleótido debe contener
la secuencia para un origen de replicación bacteriano (tal como
pBR322). Para transferirlo a células eucariotas, debe contener el
origen de replicación de un virus, cromosoma o componente subcelular
de mamífero tal como
mitocondria.
mitocondria.
Después de la construcción, se utiliza un
software informático sencillo para dividir la secuencia del genoma
en una serie de nucleótidos de longitud de especificada que se
solapan. Esto da lugar a una serie de secuencias de ADN más cortas
que se solapan para cubrir el genoma completo en series que se
solapan. Generalmente, un gen de 1000 pares de bases se dividiría
en 20 100-unidades, donde 10 de estas comprenden una
cadena y 10 de estas comprenden la otra cadena. Serían
seleccionados para solaparse en cada cadena en 25 a 50 pares de
bases.
Este paso va seguido por la dirección de
síntesis química de cada una de las series de oligonucleótidos
solapantes utilizando un sintetizador tipo antena y química de
fosfoamidita dando lugar a una variedad de oligómeros sintetizados.
El siguiente paso consiste en equilibrar la concentración de cada
oligómero y combinar los oligómeros de modo que una sola mezcla
contenga iguales concentraciones de cada uno. Los oligonucleótidos
mezclados se tratan con T4 polinucleótido quinasa para 5'
fosforilar los oligonucleótidos. El siguiente paso consiste en
llevar a cabo un paso de hibridación "lenta" para cohibridar
todos los oligómeros en la secuencia del gen o genoma predicho.
Esto se realiza calentando la mezcla a 80ºC y dejando que se enfríe
después lentamente a temperatura ambiente durante varias horas. La
mezcla de oligonucleótidos se trata después con T4 ADN ligasa (o
alternativamente topoisomerasa) para unir los oligonucleótidos. Los
oligonucleótidos se transfieren luego a células hospedadoras
competentes.
competentes.
La técnica expuesta representa una estrategia de
ensamblaje "combinatorio" en la que todos los oligonucleótidos
se hibridan conjuntamente mediante hibridación lenta basada en la
temperatura. Una variación de esta estrategia, que puede ser más
adecuada para genes o genomas muy largos, tales como de una longitud
final mayor de 5.000 pares de bases, es la siguiente. Utilizando
software informático sencillo, que comprende series de partes de
gen y elementos funcionales, se construye en el ordenador un gen o
genoma virtual. Este gen o genoma consistiría en un cordón de bases
de ADN, G, A, T o C, comprendiendo el genoma completo en un cordón
lineal. Para transferir el gen sintético a células bacterianas,
debería contener la secuencia para un origen de replicación
bacteriano (tal como
pBR322).
pBR322).
El siguiente paso consiste en llevar a cabo una
reacción en cadena de ligamiento utilizando una nueva adición de
oligonucleótido en cada paso. Con este procedimiento, el primer
oligonucleótido de la cadena se fija a un soporte sólido (como una
perla de agarosa). El segundo se añade con ADN ligasa, se realiza la
reacción de hibridación y ligamiento y se lavan las perlas. Se
añade el segundo oligonucleótido solapante de la cadena opuesta, se
hibrida y se lleva a cabo el ligamiento. Se añade el tercer
oligonucleótido y se lleva a cabo el ligamiento. Este procedimiento
se replica hasta que se han añadido y ligado todos los
oligonucleótidos. Este procedimiento se realiza mejor para
secuencias largas utilizando un dispositivo automatizado. La
secuencia de ADN se retira del soporte sólido, se lleva a cabo una
ligamiento final (es circular) y la molécula se transfiere a
células hospedadoras.
Como alternativa, se contempla que si lo permite
la cinética de ligamiento, todos los oligonucleótidos pueden
colocarse en una mezcla y puede proseguir el ligamiento. En otra
realización, una serie de polinucleótidos más pequeños puede
prepararse ligando 2, 3, 4, 5, 6, ó 7 oligonucleótidos en una
secuencia y añadiendo esto a otra secuencia que comprenda un número
similar de partes de oligonucleótido.
La reacción de la cadena de ligasa ("LCR"),
se describe en el documento EPO Nº. 320 308. En LCR, se preparan
dos pares de sondas complementarias y, en presencia de la secuencia
diana, cada par se unirá a cadenas complementarias opuestas de la
diana de modo que se empalmen. En presencia de una ligasa, los dos
pares de sondas se unirán para formar una sola unidad. Por el ciclo
de temperaturas, como en PCR^{TM}, las unidades ligadas unidas se
disocian de la diana y sirven después como "secuencias diana"
para el ligamiento de pares de sondas excedentes. La patente de
Estados Unidos 4.883.750 describe un método similar al LCR para unir
pares de sondas a una secuencia diana. Las siguientes secciones
describen estos métodos con mayor detalle.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención describe la síntesis
artificial de genes. En una realización de la presente invención,
los genes artificiales pueden transferirse a células para conferir
una función particular como unidades separadas o como parte de
cromosomas artificiales o genoma. Por lo general, se preferirá
diseñar oligonucleótidos que tengan de 15 a 100 nucleótidos, de 25
a 200 nucleótidos o incluso más largos si se desea. Tales fragmentos
pueden prepararse fácilmente sintetizando directamente el fragmento
utilizando medios químicos como se describe más adelante.
Por consiguiente, las secuencias de nucleótidos
de la invención pueden utilizarse por su capacidad de formar
moléculas dobles con tramos de genes complementarios o ARN o de
proporcionar cebadores para amplificación de ADN o ARN a partir de
tejidos. Dependiendo de la aplicación prevista, será deseable
emplear diferentes condiciones de hibridación para conseguir
diferentes grados de selectividad de hibridación. Normalmente se
favorece una alta selectividad.
Para aplicaciones que requieren una alta
selectividad, normalmente será deseable emplear condiciones
relativamente rigurosas para formar los híbridos, por ejemplo, se
seleccionarán condiciones con relativamente poca sal y/o alta
temperatura, como las proporcionadas por NaCl aproximadamente 0,02 M
a aproximadamente 0,10 M a temperaturas de aproximadamente 50ºC a
aproximadamente 70ºC. Tales condiciones de alta rigurosidad toleran
un escaso desequilibrio o ningún desequilibrio entre el
oligonucleótido y la cadena de molde o diana. Por lo general se
observa que las condiciones pueden hacerse más rigurosas mediante
la adición de cantidades mayores de
formamida.
formamida.
Para determinadas aplicaciones, por ejemplo, por
analogía, sustitución de nucleótidos por mutagénesis dirigida al
sitio, es conveniente utilizar condiciones de rigurosidad
inferiores. En estas condiciones, la hibridación puede producirse a
pesar de que las secuencias de cadena de sonda y diana no sean
perfectamente complementarias, sino que tengan falta de
coincidencia en una posición o más. Las condiciones pueden hacerse
menos rigurosas aumentando la concentración de sal y reduciendo la
temperatura. Por ejemplo, se podría proporcionar una condición de
rigurosidad media con NaCl aproximadamente 0,1 a 0,25 M a
temperaturas de aproximadamente 37ºC a aproximadamente 55ºC,
mientras que se podría proporcionar una condición de rigurosidad
reducida con aproximadamente 0,15 M a aproximadamente 0,9 M de sal,
a temperaturas que varían entre aproximadamente 20ºC y
aproximadamente 55ºC. De este modo, las condiciones de hibridación
pueden manipularse fácilmente dependiendo de los resultados
deseados.
deseados.
En algunas realizaciones, será ventajoso
determinar la hibridación de oligonucleótidos utilizando una
etiqueta. En la técnica se conocen una amplia variedad de medios
indicadores apropiados, incluyendo ligandos fluorescentes,
radiactivos, enzimáticos o de otra índole, como avidina/biotina, que
se pueden detectar. En realizaciones preferidas, se puede desear
emplear una etiqueta fluorescente o una etiqueta de enzima como
ureasa, fosfatasa alcalina o peroxidasa, en lugar de reactivos
radiactivos u otros reactivos nocivos para el medio ambiente. En el
caso de etiquetas de enzimas, se conocen sustratos indicadores
colorimétricos que pueden emplearse para proporcionar un medio de
detección visible al ojo humano o espectrofotométricamente, para
identificar si se ha producido una hibridación específica con
oligonucleótido complementario.
En realizaciones con una fase sólida, por
ejemplo, el primer oligonucleótido se adsorbe o fija de otra forma
a una matriz o superficie seleccionada. Este ácido nucleico fijado
de cadena única se somete después a hibridación con los
oligonucleótidos complementarios en las condiciones deseadas. Las
condiciones seleccionadas también dependerán de las circunstancias
específicas, sobre la base de criterios particulares requeridos
(dependiendo, por ejemplo, del contenido G+C, tipo de ácido
nucleico diana, fuente de ácido nucleico, tamaño de sonda de
hibridación, etc.). Tras el lavado de la superficie de hibridación
para retirar los oligonucleótidos enlazados no específicamente, se
puede detectar la hibridación o incluso cuantificarse, mediante la
etiqueta.
Para aplicaciones en las que los segmentos de
ácido nucleico de la presente invención se incorporan en vectores,
tales como plásmidos, cósmidos o virus, estos segmentos pueden
combinarse con otras secuencias de ADN, como promotores, señales de
poliadenilación, sitios de enzima de restricción, sitios de
clonación múltiple, otros segmentos de clonación y similares, de
manera que su longitud global puede variar considerablemente. Se
contempla que puede emplearse un fragmento de ácido nucleico de
prácticamente cualquier longitud, preferiblemente limitándose la
longitud total por la facilidad de preparación y uso en el protocolo
de ADN recombinante preten-
dido.
dido.
Los segmentos de ADN que codifican un gen
específico pueden introducirse en células hospedadoras recombinantes
y emplearse para expresar una proteína reguladora o estructural
específica. De forma alternativa, a través de la aplicación de
técnicas de ingeniería genética, pueden emplearse subporciones o
derivados de genes seleccionados. Las regiones cadena arriba que
contienen regiones reguladoras tales como regiones promotoras pueden
aislarse y emplearse posteriormente para la expresión del gen
seleccionado.
Los ácidos nucleicos empleados pueden codificar
construcciones antisentido que se hibridan, en condiciones
intracelulares, en un ácido nucleico de interés. El término
"construcción antisentido" tiene por objeto referirse a ácidos
nucleicos, preferiblemente oligonucleótidos, que son complementarios
a las secuencias de bases de un ADN diana. Los oligonucleótidos
antisentido, cuando se introducen en una célula diana, enlazan
específicamente con su ácido nucleico diana e interfieren con la
transcripción, el procesamiento ARN, el transporte, la traducción
y/o la estabilidad. Las construcciones antisentido pueden estar
diseñadas para unirse al promotor y otras regiones de control,
exones, intrones o incluso límites exón-intrón de un
gen.
También se contemplan otras secuencias con
grados menores de homología. Podría diseñarse, por ejemplo, una
construcción antisentido que tuviera regiones limitadas de alta
homología, pero que también contuviera una región no homóloga (por
ejemplo, una ribozima). Estas moléculas, a pesar de tener menos del
50% de homología, se unirían a secuencias diana en las condiciones
apropiadas.
En algunas realizaciones, puede ser deseable
emplear construcciones antisentido que incluyen otros elementos,
por ejemplo, las que incluyen propino pirimidinas
C-5. Se ha demostrado que los oligonucleótidos que
contienen análogos propino C-5 de uridina e
histidina se unen a ARN con alta afinidad y son potentes inhibidores
antisentido de expresión génica (Wagner et al., 1993).
De acuerdo con la presente invención, se
producirán segmentos de ADN de diferentes tamaños. Estos segmentos
de ADN serán, por definición, moléculas lineales. Como tales,
normalmente se modifican antes de darles otro uso. Estas
modificaciones incluyen, en una realización, la restricción de los
segmentos para producir uno o varios "extremos cohesivos"
compatibles con extremos complementarios de otras moléculas,
incluyendo aquellos presentes en vectores que pueden soportar la
replicación del segmento de ADN. Esta manipulación facilita la
"clonación" de los
segmentos.
segmentos.
Típicamente, la clonación implica la utilización
de endonucleasas de restricción, que escinden en sitios específicos
dentro de las cadenas de ADN, para preparar un segmento de ADN para
transferencia a un vehículo de clonación. El ligamiento de los
extremos compatibles (que incluyen extremos romos) utilizando ADN
ligasa completa la reacción. Dependiendo de la situación, el
vehículo de clonación puede incluir una porción relativamente
pequeña de ADN, en comparación con el inserto. De forma
alternativa, el vehículo de clonación puede ser extremadamente
complejo e incluir una variedad de características que afectan a la
replicación y función del segmento de ADN. En algunas
realizaciones, puede introducirse un sitio de corte raro en el
extremo de la secuencia polinucleotí-
dica.
dica.
Los vehículos de clonación incluyen plásmidos
tales como los vectores Bluescript^{TM} de la serie pUC y una
variedad de otros vehículos con sitios de clonación de múltiples
fines, marcadores seleccionables y orígenes de replicación. Debido
a la naturaleza de la presente invención, los vehículos de clonación
pueden incluir moléculas complejas como fagémidos y cósmidos, que
sostienen trozos relativamente grandes de ADN. Además, la
generación de cromosomas e incluso genomas artificiales.
Tras la clonación en un vector apropiado, la
construcción se transfiere a una célula hospedadora compatible. En
otras partes de este documento se describe una variedad de técnicas
de transferencia de gen diferentes. A continuación se indica el
cultivo de las células hospedadoras con el fin pretendido
(amplificación, expresión, subclo-
nación).
nación).
A lo largo de esta solicitud, el término
"construcción de expresión" tiene por objeto incluir un tipo
particular de vehículo de clonación que contiene un ácido nucleico
que codifica un producto génico en el que se puede transcribir una
parte o toda la secuencia codificante del ácido nucleico. La
transcripción puede traducirse en una proteína, pero no es
necesario. De este modo, en algunas realizaciones, el término
expresión incluye tanto la transcripción de un gen como la
traducción de ARN en un producto génico. En otras realizaciones, el
término expresión sólo incluye la transcripción del ácido nucleico,
por ejemplo para generar construcciones antisentido.
En realizaciones preferidas, el ácido nucleico
se encuentra bajo el control transcripcional de un promotor. Por
"promotor" se refiere a una secuencia de ADN reconocida por la
maquinaria sintética de la célula o la maquinaria sintética
introducida, necesaria para iniciar la transcripción específica de
un gen. La expresión "bajo control transcipcional" significa
que el promotor se encuentra en el lugar y orientación correctos en
relación con el ácido nucleico para controlar el inicio de ARN
polimerasa y expresión del gen.
El término promotor se utilizará aquí para
referirse a un grupo de módulos de control transcripcional que
están agrupados en torno al sitio de inicio de la ARN polimerasa II.
Gran parte de la concepción sobre cómo están organizados los
promotores se obtiene de análisis de varios promotores virales,
incluyendo los de la timidita-quinasa de HSV (tk) y
las unidades de transcripción temprana de SV40. Estos estudios,
ampliados con trabajos más recientes, han mostrado que los
promotores están compuestos por módulos funcionales separados,
constituidos cada uno por aproximadamente 7-20 pb de
ADN y que contienen uno o varios sitios de reconocimiento para el
activador transcripcional o proteínas represoras.
Al menos un módulo en cada promotor funciona
para posicionar el sitio de inicio para la síntesis de ARN. El
ejemplo más conocido de esto es la caja TATA, pero en algunos
promotores que carecen de caja TATA, tal como el promotor del gen
de la desoxinucleotidil transferasa terminal de mamífero y el
promotor de los genes SV40 tardíos, un elemento específico que
subyace al propio sitio de inicio contribuye a fijar el lugar de
iniciación.
Elementos promotores adicionales regulan la
frecuencia de iniciación transcripcional. Normalmente, éstos están
situados en la región 30-110 pb cadena arriba del
sitio de inicio, aunque algunos promotores han revelado que
contienen elementos funcionales también cadena abajo del sitio de
inicio. La separación entre elementos promotores es a menudo
flexible, de manera que la función promotora se preserva cuando se
invierten los elementos o se mueven en relación el uno con el otro.
En el promotor tk, la separación entre elementos promotores puede
aumentarse a 50 pb antes de que la actividad empiece a declinar.
Dependiendo del promotor, parece que los elementos individuales
pueden funcionar o bien de forma cooperativa o independientemente
para activar la transcrip-
ción.
ción.
El promotor particular que se emplea para
controlar la expresión de un ácido nucleico no se considera crítico,
en la medida en que sea capaz de expresar el ácido nucleico en la
célula diana. De este modo, cuando se apunta a una célula humana,
es preferible posicionar la región codificante del ácido nucleico
adyacente a y bajo el control de un promotor que sea capaz de
expresarse en una célula humana. De forma general, dicho promotor
puede incluir un promotor humano o un promotor viral. Los promotores
preferidos incluyen los obtenidos a partir de HSV. Otra realización
preferida es el promotor controlado por tetraciclina.
En diversas realizaciones diferentes, el
promotor de gen temprano inmediato de citomegalovirus humano (CMV),
el promotor temprano SV40 y la repetición terminal larga del virus
del sarcoma Rous se pueden utilizar para obtener expresiones de
alto nivel de transgenes. La utilización de otros promotores virales
o celulares de mamífero o de fagos bacterianos bien conocidos en la
técnica para conseguir la expresión de un transgen también se
contempla, siempre que los niveles de expresión sean suficientes
para un fin determinado. Se prevé que, en el contexto de la
presente invención, se pueda emplear cualquier elemento/promotor. A
continuación se incluye una lista de promotores virales,
promotores/potenciadores celulares y promotores/potenciadores
inducibles que podrían utilizarse en combinación con el ácido
nucleico que codifica un gen de interés en una construcción de
expresión. Los elementos promotores/potenciadores que se prevén para
utilizar con la presente invención incluyen, pero no se limitan a
Cadena Pesada de Inmunoglobulina, Inmunoglobulina Ligera, Receptor
de T-Célula Cadena, HLA DQ \alpha y DQ \beta,
Interferon-\beta, Interleuquina-2,
Receptor de Interleuquina-2, MHC Clase II 5, MHC
Clase II HLA-DR\alpha, Actina \beta, Creatina
Quinasa Muscular, Prealbúmina (Transtiretina), Elastasa/,
Metalotioneina, Colagenasa, Gen de Albúmina,
\alpha-Fetoproteína,
\tau-Globina, \beta-Globina,
e-fos, c-HA-ras,
Insulina, Molécula de Adhesión de Célula Neural (NCAM),
\alpha1-Antitripsina, H2B (TH2B) Histona,
Colágeno de Ratón o de Tipo I, Proteínas Reguladas por Glucosa
(GRP94 y GRP78), Hormona del Crecimiento de la Rata, Amiloide de
Suero Humano A (SAA), Troponina I (TN I), Factor de Crecimiento
Derivado de las Plaquetas, Distrofia Muscular de Duchenne, SV40,
Polioma, Retrovirus, Virus del Papiloma, Virus de la Hepatitis B,
Virus de la Inmunodeficiencia Humana, Citomegalovirus y Virus de la
Leucemia del Mono Gibbon. Los elementos promotores inducibles y sus
inductores asociados se enumeran en la Tabla 2 a continuación. Esta
lista no pretende ser exhaustiva de todos los elementos posibles
que participan en la promoción de expresión de transgen, sino que
se presenta a título meramente ilustrativo. Además, cualquier
combinación promotor/potenciador (de acuerdo con la Base de Datos
de Promotores Eucariotas EPDB) también podría utilizarse para
provocar la expresión del gen. Las células eucariotas pueden
soportar la transcripción citoplásmica de algunos promotores
bacterianos si se proporciona la polimerasa bacteriana apropiada,
como parte del complejo de suministro o como una construcción de
expresión génica
adicional.
adicional.
Los potenciadores se detectaron originalmente
como elementos genéticos que aumentaban la transcripción a partir
de un promotor situado a una posición distante de la misma molécula
de ADN. Esta capacidad de actuar a larga distancia tenía pocos
precedentes en los estudios clásicos de regulación transcripcional
procariota. El trabajo posterior mostró que las regiones de ADN con
actividad potenciadora se organizan en gran medida como promotores.
Es decir, están compuestos por muchos elementos individuales, cada
uno de los cuales se una a una o varias proteínas
transcripcionales.
La diferencia básica entre potenciadores y
promotores es operativa. Una región potenciadora como un conjunto
debe ser capaz de estimular la transcripción a distancia; esto no
tiene por qué producirse en una región promotora o en sus elementos
constitutivos. Por otra parte, un promotor debe tener uno o varios
elementos que dirigen la iniciación de la síntesis de ARN en un
sitio particular y con una orientación particular, mientras que los
potenciadores carecen de estas especificidades. Los promotores y
potenciadores a menudo se solapan y son contiguos y parecen tener
con frecuencia una organización modular muy similar.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
La utilización del sistema de baculovirus
implicará una expresión de alto nivel del promotor potente
poliédri-
co.
co.
Normalmente se incluirá una señal de
poliadenilación para lograr una poliadenilación adecuada de la
transcripción. La naturaleza de la señal de poliadenilación no se
considera crucial para el éxito práctico de la invención y puede
emplearse cualquier tipo de secuencia. Las realizaciones preferidas
incluyen la señal de poliadenilación de SV40 y la señal de
poliadenilación de la hormona del crecimiento bovina, que son
adecuadas y se sabe que funcionan bien en varias células diana.
También se contempla como un elemento del casete de expresión un
terminador. Estos elementos pueden servir para potenciar los
niveles de mensaje y para minimizar la lectura a través del casete
en otras
secuencias.
secuencias.
También puede ser necesaria una señal de
iniciación específica para la traducción eficaz de secuencias
codificantes. Estas señales incluyen el codón de iniciación ATC y
secuencias adyacentes. También puede ser necesario proporcionar
señales de control traduccional exógenas, incluyendo el codón de
iniciación ATC. Un experto en la materia podrá determinar
fácilmente esto y proporcionar las señales necesarias. Se sabe que
el codón de iniciación debe estar "en fase" con la fase de
lectura de la secuencia codificante deseada para asegurar la
traducción de todo el inserto. Las señales de control traduccional
exógenas y los codones de iniciación pueden ser naturales o
sintéticos. La eficacia de expresión puede reforzarse con la
inclusión de elementos potenciadores de transcripción apropiados
(Bittner et al., 1987).
En algunas realizaciones, puede ser deseable
incluir regiones especializadas, conocidas como telómeros al final
de una secuencia de genoma. Los telómeros son secuencias repetidas
presentes en los extremos del cromosoma y se sabe desde hace tiempo
que los cromosomas con extremos truncados son inestables, tienden a
fusionarse con otros cromosomas y de otra forma se pierden durante
la división de la célula. Algunos datos sugieren que los telómeros
interaccionan en el complejo de nucleoproteína y en la matriz
nuclear. Un papel supuesto de los telómeros incluye la
estabilización de cromosomas y la protección de los extremos de la
enzima de degradación.
Otro posible papel de los telómeros es en la
replicación. De acuerdo con la presente doctrina, la replicación de
ADN requiere partir de cebadores de ARN cortos hibridados en el
extremo 3' de la plantilla. El resultado de este mecanismo es un
"problema de replicación de extremo" en el que la región que
corresponde al cebador de ARN no se replica. En muchas divisiones
de células, esto tendrá como resultado el progresivo truncamiento
del cromosoma. Se cree que los telómeros pueden proporcionar un
tampón frente a este efecto, al menos hasta que ellos mismos son
eliminados por este efecto. Otra estructura a incluirse en los
segmentos de ADN es un centrómero.
En algunas realizaciones de la invención el
suministro de ácido nucleico en una célula puede identificarse
in vitro o in vivo incluyendo un marcador en la
construcción de expresión. El marcador dará como resultado un
cambio identificable de la célula transfectada lo que permite la
identificación fácil de la expresión.
Se pueden utilizar algunos sistemas de
selección, que incluyen, pero no se limitan a, los genes de la
timidina quinasa del virus del herpes simplex (Wigler et
al., 1977), la hipoxantina-guanina
fosforribosiltransferasa (Szybalska et al., 1962) y la
adenina fosforribosiltransferasa (Lowy et al., 1980) en
células tk^{-}, hgprt^{-} o aprt^{-},
respectivamente. La resistencia a antimetabolitos también puede
utilizarse como base de selección para dhfr, lo que confiere
resistencia al metotrexato (Wigler et al., 1980; H'Hare
et al., 1981); gpt, que confiere resistencia al ácido
micofenólico (Mulligan et al., 1981); neo, que
confiere resistencia al aminoglicósido G-418
(Colberre-Garapin et al., 1981); e
hygro, que confiere resistencia a la higromicina.
Normalmente la inclusión de un marcador de
selección de fármaco ayuda a la clonación y a la selección de
transformantes, por ejemplo, neomicina, puromicina, higromicina,
DHFR, GPT, zeocina e histidinol. Alternativamente, las enzimas como
por ejemplo la timidina quinasa del virus del herpes simplex
(tk) (eucariota) o cloramfenicol aciltransferasa (CAT)
(procariota) pueden emplearse. También pueden emplearse marcadores
inmunológicos. El marcador seleccionable empleado no se considera
importante, siempre que sea capaz de expresarse simultáneamente con
el ácido nucleico que codifica un producto génico. Otros ejemplos
de marcadores seleccionables son bien conocidos por un experto en
la materia.
En algunas realizaciones de la invención, la
utilización de elementos de sitios internos de unión a ribosoma
(IRES) se utiliza para crear mensajes multigenes o policistrónicos.
Los elementos IRES son capaces de desviarse del modelo de
exploración de ribosoma de la traducción dependiente de cap metilado
5' e iniciar la traducción en sitios internos (Pelletier y
Sonenberg, 1988). Los elementos IRES de dos miembros de la familia
picanovirus (polio y encefalomiocarditis) se han descrito
(Pelletier y Sonenberg, 1988), así como un IRES de un mensaje de
mamífero (Macejak y Sarnow, 1991). Los elementos IRES pueden estar
enlazados a fases de lectura abierta heterólogas. Se pueden
transcribir juntas múltiples fases de lectura abierta, cada una
separada por un IRES, creando mensajes policistrónicos. Gracias al
elemento IRES, cada fase de lectura abierta es accesible a los
ribosomas para una traducción eficaz. Los genes múltiples pueden
expresarse eficazmente utilizando un único promotor/potenciador
para transcribir un único
mensaje.
mensaje.
Cualquier fase de lectura abierta heteróloga
puede estar enlazada a elementos IRES. Esto incluye genes de
proteínas secretadas, proteínas multi-subunidad,
codificadas por genes independientes, proteínas intracelulares o
unidas a membrana y marcadores seleccionables. De este modo, la
expresión de varias proteínas puede introducirse simultáneamente en
una célula con una construcción única y un marcador seleccionable
único.
\vskip1.000000\baselineskip
En esta solicitud, los inventores utilizan
información genética con fines creativos o sintéticos. La secuencia
de genoma completa proporcionará un catálogo de todos los genes
necesarios para la supervivencia, reproducción, evolución y
especiación de un organismo y, con herramientas de alta tecnología
adecuadas, la información del genoma puede modificarse o incluso
crearse a partir de cero con el fin de sintetizar vida. De este
modo, se contempla que una combinación de genes de generación de
energía adecuados, genes reguladores y otros genes funcionales
podrían construirse, lo que sería suficiente para generar un
organismo artificial con las funcionalidades básicas que
permitieran una supervivencia independiente.
Para conseguir esta diana, la presente invención
utiliza secuencias conocidas de ADNc para cualquier gen para
expresar proteínas en un organismo artificial. Cualquier proteína
así expresada en esta invención puede modificarse para fines
específicos de acuerdo con los métodos bien conocidos por los
expertos en la técnica. Por ejemplo algunos residuos específicos de
péptidos pueden derivatizarse o modificarse químicamente con el fin
de alterar la respuesta inmune o permitir el acoplamiento del
péptido a otros agentes. También es posible modificar aminoácidos
específicos dentro de los péptidos sin alterar la estructura global
o la antigenicidad del péptido. Estos cambios se denominan, por
consiguiente, cambios "conservativos" y tienen tendencia a
depender de la hidrofilicidad o polaridad del residuo. El tamaño
y/o la carga de las cadenas laterales también son factores
relevantes para determinar qué sustituciones son conservativas.
Una vez que se ha determinado la secuencia
codificante completa de un gen, el gen puede introducirse en un
sistema de expresión apropiado. El gen puede expresarse en cualquier
cantidad de sistemas de expresión de ADN recombinante diferentes
para generar grandes cantidades del producto polipeptídico que
después puede purificarse y utilizarse para vacunar animales para
generar antisuero con el que se realizarán estudios posteriores.
Ejemplos de sistemas de expresión conocidos por
el experto en la materia incluyen bacterias como por ejemplo E.
coli, levaduras como Saccharomyces cerevisiae y Pichia
pastoris, baculovirus y sistemas de expresión de mamífero como
las células COS o CHO. En una realización, los polipéptidos se
expresan en sistemas de expresión de E. coli y baculovirus.
Se puede expresar un gen completo o, de forma alternativa, pueden
producirse fragmentos del gen que codifican porciones de
polipéptido.
En una realización, la secuencia génica que
codifica el polipéptido se analiza para detectar secuencias
transmembrana supuestas. Estas secuencias normalmente son muy
hidrófobas y se detectan fácilmente mediante la utilización de un
software convencional de análisis de secuencia, como por ejemplo
MacVector (IBI, New Haven, CT). La presencia de secuencias
transmembrana es a menudo perjudicial cuando se sintetiza una
proteína recombinante en muchos sistemas de expresión,
especialmente E. coli, ya que lleva a la producción de
agregados insolubles que son difíciles de renaturalizar en la
conformación original de la proteína. La eliminación de secuencias
transmembrana normalmente no altera significativamente la
conformación del resto de la estructura de proteína.
Además, las secuencias transmembrana, al estar
por definición incrustadas dentro de una membrana, son inaccesibles.
Por consiguiente, los anticuerpos de estas secuencias no serán
útiles para estudios in vivo o in situ. La
eliminación de secuencias codificantes transmembrana de los genes
utilizados para expresión puede conseguirse mediante técnicas
convencionales. Por ejemplo, los sitios de enzima de restricción
situados fortuitamente pueden utilizarse para extraer el fragmento
de gen deseado o puede utilizarse una amplificación tipo PCR^{TM}
para amplificar únicamente la parte deseada del gen. El experto en
la materia será consciente de que estos cambios deben diseñarse de
manera que no alteren la fase de lectura traduccional para porciones
cadena abajo de la secuencia codificante de
proteína.
proteína.
En una realización, el análisis informático de
la secuencia se utiliza para determinar el emplazamiento de los
principales epítopos determinantes antigénicos del polipéptido. El
software capaz de llevar a cabo este análisis está disponible en el
mercado fácilmente, por ejemplo, MacVector (IBI, New Haven, CT). El
software utiliza normalmente algoritmos convencionales tales como
los métodos de Kyte/Doolittle o Hopp/Woods para localizar
secuencias hidrófilas que se encuentran característicamente en la
superficie de las proteínas y, por consiguiente, actúan como
determinantes antigénicos.
Una vez que se ha efectuado este análisis, se
pueden preparar polipéptidos que contienen al menos los rasgos
esenciales del determinante antigénico y que pueden emplearse en la
generación de antisuero contra el polipéptido. Los minigenes o
fusiones de genes que codifican estos determinantes pueden
construirse e insertarse en vectores de expresión mediante métodos
convencionales, por ejemplo, utilizando metodología de
PCR^{TM}.
El fragmento de gen o el gen que codifica un
polipéptido puede insertarse en un vector de expresión mediante
técnicas de subclonación convencionales. En una realización, un
vector de expresión de E. coli se utiliza para producir el
polipéptido recombinante como una proteína de fusión, lo que permite
una purificación por afinidad rápida de la proteína. Los ejemplos
de sistemas de expresión de proteína de fusión de este tipo son el
sistema de glutatión S-transferasa (Pharmacia,
Piscataway, NJ), el sistema de proteína de unión a maltosa (NEB,
Beverley, MA), el sistema FLAG (IBI, New Haven, CT) y el sistema
6xHis (Qiagen, Chatsworth, CA).
Algunos de estos sistemas producen polipéptidos
recombinantes que portan sólo un número reducido de aminoácidos
adicionales, que es poco probable que afecten a la capacidad
antigénica del polipéptido recombinante. Por ejemplo, tanto el
sistema FLAG como el sistema 6xHis añaden únicamente secuencias
cortas, que son conocidas ambas por ser poco antigénicas y que no
afectan negativamente el plegado del polipéptido a su conformación
nativa. Otros sistemas de fusión producen polipéptidos ahí donde es
deseable extraer el compañero de fusión del polipéptido deseado. En
una realización, el compañero de fusión está enlazado al polipéptido
recombinante mediante una secuencia peptídica que contiene una
secuencia de reconocimiento específica para una proteasa. Ejemplos
de secuencias apropiadas son las reconocidas por la proteasa del
virus Etch del Tabaco (Life Technologies, Gaithersburg, MD) o
Factor Xa (New England Biolabs, Beverley, MA).
Las células bacterianas recombinantes, por
ejemplo E. coli, se cultivan en cualquiera de una diversidad
de medios adecuados, por ejemplo LB y la expresión del polipéptido
recombinante se induce por adición de IPTG al medio o cambiando la
incubación a una temperatura mayor. Después de cultivar la bacteria
durante un período adicional entre 2 y 24 h, las células se recogen
mediante centrifugación y se lavan para retirar los medios
residuales. Las células bacterianas se lisan a continuación, por
ejemplo, mediante alteración en un homogeneizador celular y se
centrifugan para separar los cuerpos de inclusión densos y las
membranas celulares de los componentes celulares solubles. La
centrifugación puede realizarse en condiciones en las que los
cuerpos de inclusión densos se enriquecen selectivamente mediante
la incorporación de azúcares tales como la sacarosa en el tampón y
centrifugación a una velocidad
selectiva.
selectiva.
\newpage
En otra realización, el sistema de expresión
utilizado es el conducido por el promotor poliédrico de baculovirus.
El gen que codifica el polipéptido puede manipularse mediante
técnicas convencionales con el fin de facilitar la clonación en el
vector baculovirus. Un vector baculovirus es el vector pBlueBac
(Invitrogen, Sorrento, CA). El vector que transporta el gen para el
polipéptido se transfecta a células de Spodoptera frugiperda
(Sf9) mediante protocolos convencionales y las células se cultivan y
se procesan para producir el antígeno recombinante. Véase Summers
et al. A MANUAL OF METHODS FOR BACULOVIRUS VECTORS AND INSECT
CELL CULTURE PROCEDURES, Texas Agricultural Experimental
Station.
Al diseñar un gen que codifica un polipéptido en
particular, el índice hidropático de aminoácidos puede tenerse en
cuenta. La Tabla 3 proporciona una tabla de codón que muestra los
ácidos nucleicos que codifican un aminoácido en particular. La
importancia del índice de aminoácido hidropático para conferir la
función biológica interactiva en una proteína es por lo general
conocida en la técnica (Kyte y Doolittle, 1982). Lo que sigue es un
breve análisis del índice de amino ácido hidropático para su
utilización en la presente invención.
Se acepta que la naturaleza hidropática relativa
del aminoácido contribuye a la estructura secundaria de la proteína
resultante, que a su vez define la interacción de la proteína con
otras moléculas, por ejemplo, enzimas, sustratos, receptores, ADN,
anticuerpos, antígenos y similares.
A cada aminoácido se le ha asignado un índice
hidropático sobre la base de su hidrofobicidad y características de
carga (Kyte y Doolittle, 1982), estos son: isoleucina (+4,5); valina
(+4,2); leucina (+3,8); fenilalanina (+2,8); cisteína/cistina
(+2,5); metionina (+1,9); alanina (+1,8); glicina (-0,4); treonina
(-0,7); serina (-0,8); triptofano (-0,9); tirosina (-1,3); prolina
(-1,6); histidina (-3,2); glutamato (-3,5); glutamina (-3,5);
aspartato (-3,5); asparagina (-3,5); lisina (-3,9) y arginina
(-4,5).
En la técnica se conoce que determinados
aminoácidos pueden sustituirse por otros aminoácidos que tienen un
índice o valor hidropático similar y siguen generando una proteína
con actividad biológica similar, es decir, que sigue obteniendo una
funcionalidad biológica equivalente a la proteína. Al hacer estos
cambios, se prefiere la sustitución de aminoácidos cuyos índices
hidropáticos están comprendidos entre \pm2, los que se encuentran
dentro de \pm1 se prefieren particularmente y los que se
encuentran dentro de \pm0,5% son aun más particularmente
preferidos.
En la técnica también se entiende que la
sustitución de aminoácidos similares puede hacerse efectivamente
sobre la base de la hidrofilicidad. La patente de Estados Unidos
4.554.101, incorporada en este documento como referencia, afirma
que la mayor hidrofilicidad media local de una proteína, de acuerdo
con la hidrofilicidad de sus aminoácidos adyacentes, corresponde a
una propiedad biológica de la proteína.
Como se detalla en la patente de Estados Unidos
4.554.101 los siguientes valores de hidrofilicidad se han asignado
a los residuos de aminoácidos: arginina (+3,0), lisina (+3,0);
aspartato (+3,0 \pm1); glutamato (+3,0 \pm1); serina (+0,3);
asparagina (+0,2); glutamina (+0,2); glicina (0); treonina (+0,4);
prolina (+0,5 \pm 1); alanina (-0,5); histidina (-0,5); cisteína
(-1,0); metionina (-1,3); valina (-1,5); leucina (-1,8); isoleucina
(-1,8); tirosina (-2,3); fenilalanina (-2,5) y triptofano
(-3,4).
Se entiende que un aminoácido puede sustituirse
por otro que tenga un valor de hidrofilicidad similar y seguir
obteniendo una replicación biológica e inmunológicamente
equivalente. En estos cambios, la sustitución de aminoácidos cuyos
valores de hidrofilicidad se encuentran dentro de \pm2 se
prefiere, los que están dentro de \pm1 se prefieren especialmente
y los que se encuentran dentro de \pm0,5 son aun más
particularmente preferidos.
Como se ha descrito anteriormente, las
sustituciones de aminoácidos se basan por lo general en la similitud
relativa de los sustituyentes de cadena lateral de aminoácidos, por
ejemplo, su hidrofobicidad, hidrofilicidad, carga, tamaño y
similares. Las sustituciones ejemplares que tienen en cuenta varias
de las características anteriores son bien conocidas por el experto
en la materia e incluyen: arginina y lisina; glutamato y aspartato;
serina y treonina; glutamina y asparagina y valina, leucina e
isoleucina.
Una vez que el gen de diseño, el genoma o el
sistema biológico se ha realizado de acuerdo con los métodos
descritos en este documento, los polinucleótidos pueden expresarse
como péptidos codificados o proteínas del gen, del genoma o del
sistema biológico. La creación por ingeniería genética de
polinucleótidos para expresión en un sistema procariota o eucariota
puede llevarse a cabo con técnicas generalmente conocidas por los
expertos en expresión recombinante. Por consiguiente, los
promotores y otros elementos específicos de un sistema bacteriano,
de mamífero o de otra índole pueden incluirse en la secuencia
polinucleotídica. Se considera que prácticamente cualquier sistema
de expresión puede emplearse en la expresión de las secuencias de
ácido nucleico reivindicadas.
Las secuencias polinucleotídicas generadas
artificialmente son apropiadas para expresión eucariota, ya que la
célula hospedadora por lo general procesará los transcritos
genómicos para generar ARNm funcional para traducción en proteína.
Se considera que la utilización de una versión de gen de diseño
proporcionará ventajas en la medida en que el tamaño del gen por lo
general será mucho más pequeño y más fácilmente empleado para
transfectar la célula diana que un gen genómico, que normalmente
tendrá un orden de magnitud mayor que el gen de diseño. Sin
embargo, el inventor no excluye la posibilidad de emplear una
versión genómica de un gen particular cuando se desee.
Tal y como se utilizan en este documento, los
términos células "creadas por ingeniería genética" y
"recombinantes" se refieren a una célula en la que se ha
introducido un polinucleótido exógeno tal y como se describe en este
documento. Por consiguiente, las células creadas por ingeniería
genética se distinguen de las células de origen natural que no
contienen un polinucleótido exógeno introducido de forma
recombinante. Las células creadas por ingeniería genética son de
este modo células que tienen un gen o varios genes introducidos por
la mano del hombre. Las células recombinantes incluyen las que
tienen polinucleótidos introducidos y también incluyen
polinucleótidos posicionados junto a un promotor que no está
naturalmente asociado con el gen particular introducido.
Para expresar una proteína o un péptido
codificado recombinante, mutante o de tipo silvestre, de acuerdo con
la presente invención, se prepararía un vector de expresión que
comprendiera uno de los ácidos nucleicos aislados reivindicados
bajo el control de uno o más promotores. Para llevar a una secuencia
codificante "bajo el control de" un promotor, se posiciona el
extremo 5' del sitio de iniciación traduccional de la fase de
lectura generalmente entre aproximadamente 1 y 50 nucleótidos
"cadena abajo" de (es decir, 3' de) el promotor elegido. El
promotor "cadena arriba" estimula la transcripción del ADN
insertado y promueve la expresión de la proteína recombinante
codificada. Éste es el significado de "expresión recombinante"
en el contexto aquí utilizado.
Hay disponibles muchas técnicas convencionales
para construir vectores de expresión que contienen los ácidos
nucleicos apropiados y las secuencias de control
transcripcional/traduccional con el fin de conseguir la expresión
de proteína o péptido en una variedad de sistemas de expresión
hospedadores. Los tipos de célula disponibles para la expresión
incluye, pero no se limitan a, bacterias como E. coli y B.
subtilis transformadas con vectores de expresión recombinantes
de ADN de fago, ADN de plásmido o ADN de cósmido.
Algunos ejemplos de hospedadores procariotas son
E. coli cepa RR1, E. coli LE392, E. coli B.
E. coli \chi 1776 (ATCC Nº 31537) así como E. coli
W3110 (F-, lambda, prototrófico, ATCC Nº 273325); bacilos como
Bacillus subtilis y otras enterobacteriaceas como
Salmonella typhimurium, Serratia marcescens y diversas
especies de Pseudomonas.
Por lo general, los vectores plasmídicos que
contienen secuencias de control y replicación que se obtienen de
especies compatibles con la célula hospedadora se utilizan en
conexión con estos hospedadores. El vector normalmente transporta
un sitio de replicación, así como secuencias marcadoras que son
capaces de proporcionar una selección fenotípica en células
transformadas. Por ejemplo, E. coli se transforma a menudo
utilizando pBR322, un plásmido obtenido de una especie de E.
coli. El plásmido pBR322 contiene genes para resistencia a la
ampicilina y tetraciclina y proporciona de esta forma un medio fácil
para identificar células transformadas. El plásmido pBR322, u otros
plásmidos o fagos microbianos también deben contener o modificarse
para contener, promotores que pueden utilizarse por el organismo
microbiano para la expresión de sus propias proteínas.
Además, los vectores de fago que contienen
secuencias replicón y de control que son compatibles con el
microorganismo hospedador pueden utilizarse como vectores de
transformación en conexión con estos hospedadores. Por ejemplo, el
fago lambda GEM^{TM}-11 puede utilizarse para
hacer un vector fago recombinante que puede utilizarse para
transformar células hospedadoras, como por ejemplo E. coli
LE392.
Otros vectores útiles incluyen vectores pIN
(Inouye et al., 1985) y vectores pGEX, para su utilización
en proteínas de fusión soluble S-transferasa (GST) para
posterior purificación y separación o escisión. Otras proteínas de
fusión apropiadas son las proteínas con
\beta-galactosidasa, ubiquitina o similares.
Los promotores más comúnmente utilizados en la
construcción de ADN recombinante incluyen los sistemas promotores
\beta-lactamasa (penicilinasa), lactosa y
triptofano (trp). Si bien éstos son los más comúnmente utilizados,
se han descubierto y utilizado otros promotores microbianos y se han
publicado los detalles relativos a sus secuencias de nucleótidos,
permitiendo a los expertos en la técnica ligarlos funcionalmente con
vectores plasmídicos.
Para expresión en Saccharomyces, por
ejemplo, se utiliza comúnmente el plásmido YRp7 (Stinchcomb et
al., 1979); Kingsman et al., 1979; Tschemper et
al., 1980). Este plásmido contiene el gen trpl, que
proporciona un marcador de selección para una cepa mutante de
levadura que carece de la capacidad de crecer en triptofano, por
ejemplo ATCC Nº 44076 o PEP4-1 (Jones, 1977). La
presencia de la lesión trpl como una característica del
genoma de célula hospedadora de levadura proporciona entonces un
entorno eficaz para detectar la transformación por crecimiento en
ausencia de triptófano.
Las secuencias de promoción adecuadas en
vectores de levadura incluyen los promotores para
3-fosfoglicerato quinasa (Hitzerman et al.,
1980) u otras enzimas glicolíticas (Hess et al., 1968,
Holland et al., 1978), tales como enolasa,
gliceraldehído-3-fosfato
deshidrogenasa, hexoquinasa, piruvato decarboxilasa,
fosfofructoquinasa,
glucosa-6-fosfato isomerasa,
3-fosfoglicerato mutasa, piruvato quinasa,
triosafosfato isomerasa, fosfoglucosa isomerasa y glucoquinasa. Al
construir plásmidos de expresión adecuada, las secuencias de
terminación asociadas con estos genes también están ligadas en el
vector de expresión 3' de la secuencia que se desea expresar para
proporcionar la poliadenilación del ARNm y terminación.
Otros promotores adecuados, que tienen la
ventaja adicional de una transcripción controlada por condiciones
de crecimiento, incluyen la región promotora para alcohol
deshidrogenasa 2, isocitocromo C, fosfatasa ácida, enzimas
degradativas asociadas con el metabolismo de nitrógeno y la
gliceraldehído-3-fosfato
deshidrogenasa mencionada anteriormente y enzimas responsables de
la utilización de maltosa y galactosa.
Además de microorganismos, también pueden
utilizarse como hospedadores cultivos de células obtenidos de
organismos multicelulares. En principio, se pueden trabajar estos
tipos de cultivo de células, ya sean por cultivos de vertebrados o
invertebrados. Además de las células de mamífero, incluyen sistemas
de células de insectos infectadas con vectores de expresión de
virus recombinantes (por ejemplo, baculovirus) y sistemas de células
de plantas infectadas con vectores de expresión de virus
recombinantes (por ejemplo, virus del mosaico de la coliflor, CaMV,
virus del mosaico del tabaco, TMV) o transformados con vectores de
expresión plasmídicos recombinantes (por ejemplo, plásmido Ti) que
contienen una o más secuencias codificantes.
En un sistema de insectos útil, el virus de
polihidrosis nuclear de Autograph californica (aCnpv) se
utiliza como vector para expresar genes extraños. El virus crece en
células de Spodoptera frugiperda. Las secuencias
codificantes de ácido nucleico aislado se clonan en regiones no
esenciales (por ejemplo el gen poliédrico) del virus y se colocan
bajo control de un promotor AcNPV (por ejemplo el promotor
poliédrico). La inserción satisfactoria de las secuencias
codificantes tiene como resultado la inactivación del gen poliédrico
y la producción de virus recombinante no ocluida (por ejemplo,
virus que carecen del revestimiento proteináceo codificado por el
gen poliédrico). Estos virus recombinantes se utilizan después para
infectar células de Spodoptera frugiperda en las que el gen
insertado se expresa (por ejemplo, Patente de Estados Unidos Nº
4.215.051).
Algunos ejemplos de líneas de células
hospedadoras de mamífero útiles son las células VERO y HeLa, las
líneas de células de ovario de hámster Chino (CHO), W138, BHK,
COS-7, 293, HepG2. NIH3T3, RIN y MDCK. Además, se
puede elegir una célula hospedadora que module la expresión de las
secuencias insertadas o modifique y procese el producto génico del
modo específico deseado. Estas modificaciones (por ejemplo,
glicosilación) y procesamiento (por ejemplo, escisión) de productos
de proteína puede ser importante para la función de la proteína
codificada.
Diferentes células hospedadoras tienen
características y mecanismos específicos para el procesamiento
post-traduccional y la modificación de proteínas.
Las líneas de células apropiadas o sistemas hospedadores pueden
elegirse para asegurar la modificación correcta y el procesamiento
de las proteínas extrañas expresadas. Los vectores de expresión
para su utilización en células de mamífero incluyen normalmente un
origen de replicación (según sea necesario), un promotor situado
delante del gen a expresar, junto con cualquier sitio de unión de
ribosoma necesario, sitios de empalme de ARN, sitio de
poliadenilación y secuencias terminadoras transcripcionales. El
origen de replicación puede proporcionarse o bien mediante la
construcción del vector para incluir un origen exógeno o puede
obtenerse de SV40 u otras fuentes virales (por ejemplo, Polioma,
Adeno, VSV, BPV) o pueden proporcionarse por el mecanismo de
replicación cromosómica de la célula hospedadora. Si el vector se
integra en el cromosoma de la célula hospedadora, lo último es con
frecuencia suficiente.
Los promotores pueden obtenerse del genoma de
células de mamífero (por ejemplo, promotor de metalotioneina) o de
virus mamíferos (por ejemplo, el promotor tardío de adenovirus; el
promotor 7,5K del virus vaccinia). Además, también es posible y
puede ser deseable, utilizar secuencias de control o promotoras
normalmente asociadas con la secuencia del gen deseada, siempre que
tales secuencias de control sean compatibles con los sistemas de
células hospedadoras.
También pueden ser necesarias señales de
iniciación específicas para la traducción eficaz de las secuencias
codificantes de ácido nucleico aisladas reivindicadas. Estas señales
incluyen el codón de iniciación ATG y secuencias adyacentes. Las
señales de control traduccional exógeno, incluyendo el codón de
iniciación ATG, pueden ser también necesarias. El experto en la
materia será fácilmente capaz de determinar esta necesidad y
proporcionar las señales necesarias. Se sabe que el codón de
iniciación debe estar dentro de marco (o en fase) con la fase de
lectura de la secuencia codificante deseada para asegurar la
traducción del inserto completo. Estas señales de control
traduccional exógeno y codones de iniciación pueden tener una
variedad de orígenes, tanto naturales como sintéticos. La eficacia
de expresión puede potenciarse mediante la inclusión de elementos
de potenciación de transcripción apropiados o terminadores de
transcripción (Bittner et al., 1987).
En expresión eucariota, también puede ser normal
querer incorporar a la unidad transcripcional un sitio de
poliadenilación apropiado (por ejemplo,
5-AATAAA-3') si no hay uno dentro
del segmento clonado original. Normalmente el sitio de adición poli
A está situado a aproximadamente 30 a 2000 nucleótidos "cadena
abajo" del sitio de terminación de la replicación en una
posición anterior a la terminación de la transcripción.
Para la producción de alto rendimiento a largo
plazo, de proteínas recombinantes se prefiere una expresión
estable. Por ejemplo, se pueden crear líneas celulares que expresan
de forma estable construcciones que codifican proteína. En lugar de
utilizar vectores de expresión que contienen orígenes virales de
replicación, las células hospedadoras pueden transformarse con
vectores controlados por elementos de control de expresión
apropiados (por ejemplo, promotor, potenciador, secuencias,
terminadores de transcripción, sitios de poliadenilación, etc.) y
un marcador seleccionable. Después de la introducción de ADN
extraño, las células creadas pueden dejarse crecer durante
1-2 días en un medio enriquecido y después se
cambian a un medio selectivo. El marcador seleccionable en el
plásmido recombinante confiere resistencia a la selección y permite
a las células integrar de forma estable el plásmido en sus
cromosomas y crecer para formar focos, que a su vez pueden ser
clonados y expandidos en líneas celulares.
Se contempla que los ácidos nucleicos de la
invención pueden estar "sobreexpresados", es decir, expresados
en niveles aumentados en relación con su expresión natural en
células humanas o incluso en relación con la expresión de otras
proteínas en la célula hospedadora recombinante. Esta sobreexpresión
puede valorarse mediante diferentes métodos, incluyendo el marcaje
radiactivo y/o la purificación proteínica. Sin embargo, se prefieren
métodos sencillos y directos, por ejemplo, los que recurren a
SDS/PAGE y tinción de proteína o transferencia de western, seguidos
por análisis cuantitativos, como la exploración densitométrica del
gel o mancha resultante. Un aumento específico en el nivel del
péptido o la proteína recombinante en comparación con el nivel en
las células humanas es una indicación de sobreexpresión, al ser una
abundancia relativa de la proteína específica en relación con otras
proteínas producidas por la célula hospedadora y, por ejemplo,
visible en un gel.
En diversas realizaciones de la invención la
construcción de expresión puede comprender un virus o una
construcción de ingeniería genética obtenido de un genoma viral. La
capacidad de determinados virus de introducirse en células a través
de endocitosis mediada por receptor y de integrarse en el genoma de
la célula hospedadora y expresar genes virales de forma estable y
eficazmente los convierten en candidatos atractivos para la
transferencia de genes extraños en células de mamífero (Ridgeway,
1988; Nicolas y Rubenstein, 1988; Baichwal y Sugden, 1986; Temin,
1986). Los primeros virus utilizados como vectores fueron virus de
ADN incluyendo papovavirus (virus simio 40, virus del papiloma
bovino y polioma), (Ridgeway, 1988; Baichwal y Sugden, 1986) y
adenovirus (Ridgaway, 1988; Baichwal y Sugden, 1986) y virus
adenoasociados. Los retrovirus también son vehículos de
transferencia de gen atractivos (Nicolas y Rubenstein, 1988, Temin,
1986) como son el virus vaccinia (Ridgeway, 1988) y los virus
adeno-asociados (Ridgeway, 1988). Estos vectores
pueden utilizarse para (i) transformar líneas de células in
vitro con el fin de expresar proteína de interés o (ii)
transformar células in vitro o in vivo para
proporcionar polipéptidos terapéuticos en un escenario de terapia
génica. El virus del herpes simplex (HSV) es otro candidato
atractivo, especialmente cuando se desea neurotropismo. El HSV
también es relativamente fácil de manipular y puede cultivarse en
títulos mayores. De este modo el suministro es menos problemático,
tanto en cuanto a los volúmenes que se necesitan para alcanzar una
MOI suficiente como en cuanto a una menor necesidad de repetir las
dosificaciones.
Con el reciente reconocimiento del virus de la
hepatitis B defectuoso, se conoce mejor la relación
estructura-función de las diferentes secuencias
virales. Estudios in vitro han demostrado que el virus puede
mantener la capacidad de empaquetamiento y transcripción inversa
dependiente de auxiliar a pesar de la eliminación de hasta un 80%
de su genoma (Horwich et al., 1990). Esto sugería que grandes
porciones del genoma podían sustituirse con material genético
extraño. El hepatotropismo y la persistencia (integración) eran
propiedades especialmente atractivas para la transferencia génica
dirigida al hígado. Chang et al., introdujeron recientemente
el gen de cloramfenicol acetiltransferasa (CAT) en un genoma de
virus de la hepatitis B del pato en lugar de secuencias
codificantes de polimerasa de superficie y presuperficie. Fue
cotransfectado con virus de tipo silvestre en una línea celular de
hepatoma aviar. El medio de cultivo que contenía títulos mayores de
virus recombinantes se utilizaron para infectar hepatocitos de
crías de pato primarios. La expresión de gen CAT fue detectada al
menos 24 días después de la transfección (Chang et al.,
1991).
Varios métodos no virales para la transferencia
de construcciones de expresión en células de mamífero cultivadas
también se contemplan en la presente invención. Incluyen
precipitación de fosfato de calcio (Graham y Van Der Eb, 1973; Chen
y Okayama, 1987; Rippe et al., 1990)
DEAE-dextrano (Gopal, 1985), electroporación
(Tur-Kaspa et al., 1986; Potter et
al., 1984), microinyección directa (Harland y Weintraub, 1985),
liposomas cargados con ADN (Nicolau y Sene, 1982; Fraley et
al., 1979) y complejos lipofectamina-ADN,
sonicación celular (Fechheimer et al., 1987), bombardeo
genético utilizando miroproyectiles de alta velocidad (Yang et
al., 1990) y transfección mediada por receptor (Wu y Wu, 1987;
Wu y Wu, 1988). Algunas de estas técnicas pueden adaptarse con
éxito para utilización in vivo o ex vivo.
Una vez que la construcción de expresión se ha
introducido en la célula, el ácido nucleico que codifica el gen de
interés puede posicionarse y expresarse en sitios diferentes. En
algunas realizaciones, el ácido nucleico que codifica el gen puede
integrarse de forma estable en el genoma de la célula. Esta
integración puede situarse en la ubicación y orientación afín a
través de recombinación homóloga (sustitución de gen) o puede
integrarse en una ubicación aleatoria, no específica (aumento de
gen). En otras realizaciones, el ácido nucleico puede mantenerse de
forma estable en la célula como un segmento episomal separado de
ADN. Estos segmentos de ácido nucleico o "episomas" codifican
secuencias suficientes para permitir el mantenimiento y la
replicación independiente de o en sincronización con el ciclo de
célula hospedadora. La forma en que la construcción de expresión se
suministra a una célula y el lugar en el que permanece el ácido
nucleico en la célula depende del tipo de construcción de expresión
empleada.
En una realización, la construcción de expresión
puede consistir simplemente en ADN recombinante desnudo o
plásmidos. La transferencia de la construcción puede realizarse por
cualquiera de los métodos mencionados más arriba que permeabilizan
física o químicamente la membrana celular. Esto se aplica en
particular a la transferencia in vitro pero puede aplicarse
a la utilización in vivo también. Dubensky et al.,
(1984) inyectaron con éxito ADN de poliomavirus en forma de
precipitados de fosfato de calcio en el hígado y el bazo de ratones
adultos y recién nacidos, demostrando una replicación viral activa y
una infección aguda. Benvenisty y Neshif (1986) también demostraron
que la inyección intraperitoneal directa de plásmidos de precipitado
de fosfato de calcio da como resultado la expresión de genes
transfectados. Se contempla que el ADN que codifica un gen de
interés también puede transferirse de una forma similar in
vivo y expresar el producto génico.
Otra realización de la invención para transferir
una construcción de expresión de ADN desnudo o un segmento de ADN
en células puede implicar bombardeo de partículas. Este método
depende de la capacidad de acelerar microproyectiles revestidos con
ADN a una alta velocidad que les permita perforar las membranas
celulares y entrar en las células sin matarlas (Klein et
al., 1987). Se han desarrollado varios dispositivos para
acelerar pequeñas partículas. Uno de estos dispositivos depende de
una descarga de alto voltaje para generar una corriente eléctrica,
que a su vez proporciona la fuerza motora (Yang et al.,
1990). Los microproyectiles utilizados están compuestos por
sustancias biológicamente inertes como tungsteno o perlas de
oro.
Se han bombardeado in vivo órganos
seleccionados, incluyendo el hígado, la piel y el tejido muscular de
ratas y ratones (Yang et al., 1990; Zelenin et al.,
1991). Esto puede requerir la exposición quirúrgica del tejido o
las células, para eliminar cualquier tejido que intervenga entre la
pistola y el órgano diana, es decir tratamiento ex vivo. Una
vez más, se puede suministrar ADN que codifique un gen particular a
través de este método y todavía estar incorporado en la presente
invención.
En otra realización de la invención, el segmento
de ADN o la construcción de expresión pueden estar atrapados en un
liposoma. Los liposomas son estructuras vesiculares caracterizadas
por una membrana de dos capas fosfolipídica y un medio acuoso
interno. Los liposomas multilamelares tienen múltiples capas
líquidas separadas por medio acuoso. Se forman espontáneamente
cuando hay fosfolípidos suspendidos en un exceso de solución acuosa.
Los componentes lipídicos experimentan
auto-rearreglo antes de la formación de estructuras
cerradas y atrapan agua y solutos disueltos entre las bicapas
lipídicas (Ghosh y Bachhawate, 1991). También se contemplan
complejos de ADN-
lipofectamina.
lipofectamina.
El suministro de ácido nucleico mediado por
liposoma y expresión de ADN in vitro ha tenido mucho éxito.
Wong et al., (1980) demostraron la viabilidad del suministro
mediado por liposoma y la expresión de ADN extraño en células de
embrión de pollo cultivado, HeLa y de hepatoma. Nicolau et
al., (1987) consiguieron con éxito una transferencia de gen
mediada por liposoma en ratas tras inyección intravenosa.
En algunas realizaciones, el liposoma puede
formar un complejo con un virus hemaglutinante (HVJ). Se ha
demostrado que éste facilita la fusión con la membrana celular y
promueve la entrada celular del ADN encapsulado en liposoma (Kaneda
et al., 1989). En otras realizaciones, el liposoma puede
formar un complejo o emplearse junto con proteínas cromosómicas no
histonas nucleares (HMG-1) (Kato et al.,
1991). En otras realizaciones, el liposoma puede formar un complejo
o emplearse junto con HVJ y HMG-1. Si estas
construcciones de expresión se han empleado con éxito en la
transferencia y expresión de ácido nucleico in vitro e in
vivo, entonces son aplicables a la presente invención. Cuando
se emplea un promotor bacteriano en la construcción de ADN, también
será deseable incluir dentro del liposoma una polimerasa bacteriana
apropiada.
Otras construcciones de expresión que pueden
emplearse para suministrar un ácido nucleico que codifica un gen
particular en las células son los vehículos de suministro mediados
por receptor. Éstos aprovechan la captación selectiva de
macromoléculas por la endocitosis mediada por receptor en casi todas
las células eucariotas. Debido a la distribución específica por
tipo de las células de varios receptores, el suministro puede ser
altamente específico (Wu y Wu, 1993).
Los vehículos destinados a genes mediados por
receptor consisten por lo general en dos componentes: un ligando
específico de receptor celular y un agente de unión a ADN. Se han
utilizado varios ligandos para la transferencia de gen mediada por
receptor. Los ligandos más ampliamente caracterizados son
asialoorosomucoido (ASOR) (Wu y Wu, 1987) y transferrina (Wagner
et al., 1990). Recientemente una neoglicoproteina sintética,
que reconoce el mismo receptor que ASOR, se ha utilizado como
vehículo de suministro de gen (Ferkol et al., 1993; Perales
et al., 1994) y el factor de crecimiento epidérmico (EGF)
también se han utilizado para suministrar genes a células de
carcinoma escamoso (Myers, EPO 0273085).
En otras realizaciones, el vehículo de
suministro puede comprender un ligando y un liposoma. Por ejemplo,
Nicolau et al. (1987) emplearon
lactosil-ceramida, un asialgangliosido
galactosa-terminal, incorporado en liposomas y
observaron un incremento en la captación del gen de insulina por los
hepatocitos. De este modo, es posible que un ácido nucleico que
codifica un gen en particular pueda ser suministrado también
específicamente a un tipo de célula como las células de pulmón,
epiteliales o tumorales por cualquier sistema de
receptor-ligando con o sin
liposomas.
liposomas.
En algunas realizaciones, la transferencia de
genes puede realizarse más fácilmente en condiciones ex vivo.
La terapia génica ex vivo se refiere a aislamiento de
células de un organismo, el suministro de un ácido nucleico en las
células in vitro y posteriormente el retorno de las células
modificadas al organismo. Esto puede suponer la remoción quirúrgica
de tejido/órganos de un animal o el cultivo primario de células y
tejidos. Anderson et al., Patente de Estados Unidos
5.399.346, revela métodos terapéuticos ex vivo.
\vskip1.000000\baselineskip
La síntesis de oligonucleótidos es conocida por
los expertos en la técnica. Se han revelado varios mecanismos
diferentes de síntesis de oligonucleótidos en por ejemplo, las
patentes de Estados Unidos 4.659.774, 4.816.571, 5.141.813,
5.264.566, 4.959.463, 5.428.148, 5.554.744, 5.574.146,
5.602.244.
La química fosforamidita (Beaucage y Layer,
1992) se ha convertido con diferencia en el método químico más
ampliamente utilizado de acoplamiento para la síntesis de
oligonucleótidos. Como bien saben los expertos en la técnica, la
síntesis de los oligonucleótidos con fosforamidita supone la
activación de precursores monómeros de fosforamidita nucleósidos
mediante la reacción con un agente activador para formar intermedios
activados, seguido por la adición secuencial de intermedios
activados a la cadena oligonucleotídica creciente (por lo general
anclada en un extremo a un soporte sólido apropiado) para formar el
producto de oligonucleótido.
El tetrazol se utiliza comúnmente para la
activación de monómeros de fosforamidita nucleósidos. El tetrazol
tiene un protón acídico que supuestamente protona el nitrógeno
básico del grupo fosfina diisopropilamino, convirtiendo de esta
forma al grupo diisopropilamino en un grupo de salida. El ión
tetrazolio cargado negativamente realiza entonces un ataque en el
fósforo trivalente, formando una especie tetrazolida fósforo
transitoria. El grupo 5'-OH del nucleósido unido al
soporte sólido después ataca la especie de fósforo trivalente
activa, generando la formación del enlace internucleótido. El
fósforo trivalente se oxida finalmente al fósforo pentavalente. Las
patentes de Estados Unidos enumeradas anteriormente describen otros
activadores y soportes sólidos para la síntesis de
oligonucleótidos.
La síntesis de oligonucleótidos de alto
rendimiento puede conseguirse utilizando un sintetizador. El Genome
Science and Technology Center, como parte del esfuerzo de desarrollo
de automatización, desarrolló recientemente un sintetizador de
oligonucleótidos a gran escala de alto rendimiento. Este
instrumento, denominado MERMADE, está basado en un formato de placa
de 96 pocillos y utiliza un control robótico para llevar a cabo
síntesis paralela en 192 muestras (2 placas de 96 pocillos). Este
dispositivo se ha descrito en varias ocasiones en la bibliografía y
en presentaciones y está generalmente disponible en el ámbito
público (bajo licencia de la Universidad de Texas y disponible bajo
contrato de Avantec). El dispositivo ha registrado varias
generaciones con diferentes parámetros operativos.
El dispositivo puede utilizarse para sintetizar
simultáneamente 192 oligonucleótidos con un 99% de éxito. Tiene un
éxito prácticamente del 100% para oligómeros inferiores a 60 pb;
opera a niveles de síntesis de 20 mM y tiene un rendimiento > al
99% en síntesis completa. Utilizando estos sistemas el inventor ha
sintetizado más de 10.000 oligómeros utilizados para secuenciación;
amplificación por PCR^{TM} y aplicaciones de ADN recombinante. En
la mayoría de los casos, incluyendo la clonación, el éxito de
síntesis es tal que la purificación después de la síntesis no
es
necesaria.
necesaria.
Una vez que el genoma se ha sintetizado
utilizando los métodos de la presente invención puede ser necesario
explorar las secuencias para analizar la función. El presente
inventor contempla específicamente tecnologías de ADN basadas en
chip como las descritas por Hacia et al. (1996) y Shoemaker
et al. (1996). Brevemente, estas técnicas suponen métodos
cuantitativos para analizar números elevados de genes de una forma
rápida y precisa. Al etiquetar los genes con oligonucleótidos o al
utilizar series de sonda fijas, se puede emplear la tecnología de
chip para segregar las moléculas diana como series de alta densidad
y seleccionar estas moléculas sobre la base de hibridación. Ver
también Pease et al. (994); Fodor et al. (1991).
La utilización de síntesis combinatoria y series
de selección de alto rendimiento también son conocidas por el
experto en la materia, por ejemplo 5.807.754; 5.807.683; 5.804.563;
5.789.162; 5.783.162; 5.783.384; 5.770.358; 5.759.779; 5.747.334;
5.686.242; 5.198.346; 5.738.996; 5.733.743; 5.714.320; 5.663.046.
Estas patentes revelan varios aspectos de los métodos y
composiciones utilizados en el ensamblaje y análisis de actividad de
series de alta densidad de diferentes polisubunidades
(polinucleótidos o polipéptidos). Como tal, se contempla que los
métodos y composiciones descritos en las patentes enumeradas
anteriormente pueden resultar útiles en ensayos de perfiles de
actividad de la composición de la presente invención.
La presente invención produce un polinucleótido
con capacidad de replicación. Los virus son trozos de ADN con
capacidad de replicación de origen natural, hasta el alcance en que
la divulgación relacionada con los virus puede ser útil en el
contexto de la presente invención, lo siguiente es una descripción
de los virus. Los investigadores observan que los virus han
evolucionado para ser capaces de suministrar su ADN a varios
tejidos hospedadores a pesar de los diferentes mecanismos defensivos
del cuerpo humano. Por este motivo, se han diseñado numerosos
vectores virales por parte de investigadores que pretenden crear
vehículos para el suministro génico terapéutico. Algunos de los
tipos de virus que han sido creados por ingeniería genética se
enumeran más adelante.
\vskip1.000000\baselineskip
El adenovirus es un virus de ADN bicatenario de
36 kB lineal, que permite la sustitución de grandes trozos de ADN
adenoviral con secuencias extrañas hasta 7 kB (Grunhaus y Horwitz,
1992). El ADN de adenovirus no se integra en el cromosoma de la
célula hospedadora porque el ADN adenoviral puede replicarse de una
forma episomal. Asimismo, los adenovirus son estructuralmente
estables y no se ha detectado ningún rearreglo de genoma después de
una amplificación extensiva. Los adenovirus pueden infectar
virtualmente todas las células epiteliales con independencia de su
estado de ciclo celular. Esto significa que los adenovirus pueden
infectar células que no están en división. De momento, la infección
adenoviral parece estar relacionada sólo con enfermedades leves
como enfermedad respiratoria aguda en seres humanos. Este grupo de
virus puede obtenerse en títulos altos, por ejemplo 10^{9} -
10^{11} unidades formadoras de placa por ml y son muy
inefectivos.
Ambos extremos del genoma viral contienen
repeticiones invertidas (ITR) de 100-200 pares de
bases, que son elementos cis necesarios para la replicación
y empaquetamiento de ADN viral. Las regiones tempranas (E) y
tardías (L) del genoma contienen diferentes unidades de trascripción
que están divididas por el inicio de la replicación de ADN viral.
La región E1 (E1A y E1B) codifica proteínas responsables de la
regulación de la trascripción del genoma viral y algunos genes
celulares. La expresión de la región E2 (E2A y E2B) tiene como
resultado la síntesis de las proteínas para la replicación de ADN
viral. Estas proteínas participan en la replicación de ADN,
expresión de gen tardía y cierre celular hospedador (Renan, 1990).
Los productos de los genes tardíos, incluyendo la mayoría de las
proteínas de cápside virales, se expresan sólo tras un procesamiento
significativo de un transcrito primario único generado por el
promotor tardío principal (MLP). El MLP (situado en 16,8 m.u.) es
particularmente eficaz durante la fase tardía de infección y todos
los ARNm generados por este promotor poseen una secuencia líder
tripartita-5' (TPL) que hace que sean los ARN
preferidos para la traducción.
La región E3 codifica proteínas que parecen ser
necesarias para la lisis eficaz de células infectadas por Ad así
como para prevenir citólisis mediada por TNF y lisis mediada por CTL
de células infectadas. Por lo general, la región E4 codifica siete
proteínas, algunas de las cuales activan el promotor E2. Se ha
demostrado que bloquean el transporte de ARNm hospedador y
potencian el transporte de ARN viral al citoplasma. Además el
producto E4 es responsable en parte de la reducción de expresión
génica temprana que se observa posteriormente en la infección. E4
también inhibe la expresión de E1A y E4 (pero no E1B) durante el
crecimiento lítico. Algunas proteínas E4 son necesarias para la
replicación de ADN eficaz, sin embargo el mecanismo de esta
participación no se conoce. E4 también participa en los eventos
post-transcripcionales en la expresión génica tardía
viral, es decir el empalme alternativo del líder tripartito en
crecimiento lítico. No obstante, las funciones de E4 no son en
absoluto necesarias para la replicación de ADN pero su carencia
retardará la replicación. Otras funciones incluyen la regulación
negativa de síntesis ADN viral, inducción de reorganización
subnuclear normalmente observada durante la infección por
adenovirus y otras funciones que son necesarias para la replicación
viral, la acumulación de ARNm viral tardía y el cierre
transcripcional de la célula hospedadora.
\vskip1.000000\baselineskip
Los retrovirus son un grupo de virus ARN de
cadena única caracterizados por su capacidad de convertir su ARN en
ADN bicatenario en células infectadas mediante un proceso de
transcripción inversa (Coffin, 1990). El ADN resultante se integra
entonces de forma estable en los cromosomas celulares como un
provirus y dirige la síntesis de proteínas virales. La integración
tiene como resultado la retención de las secuencias génicas virales
en la célula receptora y sus descendientes. El genoma retroviral
contiene tres genes, gag, pol y env que codifican proteínas de
cápside, enzima polimerasa y componentes de envuelta,
respectivamente. Se construye una secuencia que se encuentra cadena
arriba del gen gag, denominada componentes \Psi (Mann et
al. 1983). Cuando un plásmido recombinante que contiene un ADNc
humano, junto con el LTR retroviral y las secuencias \Psi se
introducen en esta línea celular (por ejemplo por precipitación de
fosfato de calcio), la secuencia \Psi permite que el transcrito
de ARN del plásmido recombinante se empaquete en partículas virales,
que se secretan entonces en el medio de cultivo (Nicolas y
Rubenstein, 1988; Temin. 1986; Mann et al. 1983). El medio
que contiene los retrovirus recombinantes se recoge entonces,
opcionalmente se concentra y se utiliza para transferencia génica.
Los vectores retrovirales pueden infectar una amplia variedad de
tipos de células. Sin embargo, la integración requiere la división
de las células hospedadoras (Parking et al.,
1975).
1975).
La familia de los retrovirus incluye las
subfamilias de los oncovirus, los lentivirus y los espumavirus. Dos
oncovirus son los virus de la leucemia murina de Moloney (MMLV) y el
virus de la leucemia felina (FeLV). Los lentivirus incluyen el
virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), el virus de la
inmunodeficiencia del simio (VIS) y el virus de la
inmunodeficiencia felina (VIF). Entre los virus murinos como el MMLV
hay una clasificación adicional. Los virus murinos pueden ser
ecotrópicos, xenotrópicos, politrópicos o anfotrópicos. Cada clase
de virus se dirige a receptores de superficie celular diferentes
para iniciar la infección.
Otros avances en el diseño de vector retroviral
y métodos de concentración han permitido la producción de virus
anfotrópicos y xenotrópicos con títulos de 10^{8} a 10^{9}
cfu/ml (Bowles et al., 1996; Irwin et al., 1994;
Jolly, 1994; Kitten et al. 1997).
Los retrovirus recombinantes sin capacidad de
replicación no son patógenos agudos en los primates (Chowdhury
et al. 1991). Se han aplicado con éxito en sistemas de
cultivo celular para transferir el gen de CFTR y generar secreción
de Cl^{-} activada por AMPc en una variedad de tipos de célula,
incluyendo el epitelio de vías respiratorias humanas (Drumm et
al., 1990; Olsen et al., 1992; Anderson et al.,
1991; Olsen et al. 1993). Aunque hay pruebas de respuestas
inmunes a las proteínas virales gag y env, esto no evita la
readministración satisfactoria del vector (McCormack et al.,
1997). Además, puesto que los retrovirus recombinantes no tienen
productos génicos expresados diferentes del transgén, el riesgo de
una respuesta inflamatoria hospedadora debido a la expresión de
proteína viral es limitado (McCormack et al., 1997). En
cuanto a la preocupación por la mutagenesis insercional, hasta la
fecha no hay ejemplos de mutagenesis insercional que surja a partir
de ensayos humanos con vectores retrovirales recombinantes.
Más recientemente, se han descrito vectores de
lentivirus híbridos que combinan elementos del virus de la
inmunodeficiencia humana (VIH) (Naldini et al., 1996) o el
virus de la inmunodeficiencia felina (VIF) (Poeschla et al.
1998) y MMLV. Estos vectores transducen células no divisorias en el
CNS (Naldini et al., 1996; Blomer et al., 1997), el
hígado (Kafri et al., 1997), el músculo (Kafri et al.,
1997) y la retina (Miyoshi et al., 1997). Sin embargo, un
reciente informe en modelos de xenoinjerto de epitelio de las vías
respiratorias humanas sugiere que en epitelio bien diferenciado, la
transferencia génica con lentivirus basado en VIH pseudotipificado
VSV-G es ineficiente (Goldman et al.,
1997).
\vskip1.000000\baselineskip
Además, los AAV poseen varios rasgos únicos que
los hacen más deseables que otros vectores. A diferencia de los
retrovirus, los AAV pueden infectar células no divisorias; se han
caracterizado AAV de tipo silvestre mediante integración, de una
forma específica de sitio, en el cromosoma 19 de célula humanas
(Kotin y Berns, 1989; Kotin et al., 1990; Kotin et
al., 1991; Samulski et al., 1991) y los AAV también
poseen propiedades antioncogénicas (Ostrove et al., 1981;
Berns y Giraud, 1996). Los genomas de AAV recombinantes se
construyen por clonación molecular de secuencias de ADN de interés
entre las ITR de AAV, que eliminan todas las secuencias
codificantes del genoma de AAV de tipo silvestre. Los vectores AAV
así producidos carecen de cualquiera de las secuencias codificantes
del AAV de tipo silvestre, aunque mantienen la propiedad de
integración cromosómica estable y la expresión de genes
recombinantes en la transducción tanto in vitro como in
vivo (Berns, 1990; Berns y Bohensky, 1987; Bertran et
al., 1996; Kearns et al., 1996; Ponnazhagan et
al., 1997a). Hasta hace poco tiempo, se creía que los AAV
infectaban casi todos los tipos de células y que incluso
atravesaban barreras de especies. Sin embargo se ha determinado
ahora que la infección por AAV está mediada por receptor
(Ponnazhagan et al., 1996: Mizukami et al., 1996).
Los AAV utilizan un ADN de cadena única lineal
de aproximadamente 4700 pares de bases. El genoma está flanqueado
por repeticiones terminales invertidas. Están presentes dos genes
dentro del genoma, que dan lugar a algunos productos génicos
diferenciados. El primero, el gen cap, produce tres proteínas
de virión diferentes (VP), denominadas VP-1,
VP-2 y VP-3. El segundo, gen
rep, codifica cuatro proteínas no estructurales (NS). Uno o
varios de estos productos de gen rep son responsables de
transactivar la transcripción de AAV. La secuencia de AAV ha sido
proporcionada por Srivastava et al. (1983) y en la Patente de
los Estados Unidos 5.252.479 (el texto completo de la cual se
incorpora específicamente a este documento por referencia).
Los tres promotores de AAV están designados por
su ubicación, en unidades de mapa, en el genoma. Son de izquierda a
derecha p5, p19 y p40. La transcripción da lugar a seis transcritos,
dos iniciados en cada uno de los tres promotores, estando
empalmados uno de cada par. El sitio de empalme, obtenido de
unidades de mapa 42-46 es el mismo para cada
transcrito. Las cuatro proteínas no estructurales se obtienen
aparentemente de los transcritos más largos y las tres proteínas de
virión proceden todas de los transcritos más pequeños.
Los AAV no están asociados a ninguna patología
en seres humanos. De forma interesante, para una replicación
eficaz, los AAV requieren funciones "auxiliares" de virus como
el virus del herpes simplex I y II, el citomegalovirus, el virus de
pseudorrabia y, por supuesto, el adenovirus. El auxiliar mejor
caracterizado es el adenovirus y se ha observado que muchas
funciones "tempranas" de este virus ayudan a la replicación de
AAV. La expresión de bajo nivel de las proteínas rep de AAV se cree
que mantiene a prueba la expresión estructural de AAV y se cree que
la infección viral retira este bloque.
\vskip1.000000\baselineskip
Los virus vaccinia son un género de la familia
poxvirus. Los vectores del virus vaccinia se han utilizado
ampliamente debido a la facilidad de su construcción, a los niveles
relativamente altos de expresión obtenidos, a la amplia gama
hospedadores y gran capacidad para transportar ADN. Vaccinia
contiene un genoma de ADN bicatenario lineal de aproximadamente 186
kB que muestra una marcada preferencia "A-T".
El genoma está flanqueado por repeticiones terminales invertidas de
aproximadamente 10,5 kB. La mayoría de los genes esenciales parecen
estar cartografiados en la región central, lo que se conserva en
gran medida entre los poxviruses. Las fases de lectura abiertas
estimadas en el virus vaccinia ascienden a 150 a 200. Aunque ambas
cadenas son codificantes, no es común un solapamiento amplio de
fases de lectura. La patente de Estados Unidos 5.656.465
(específicamente incorporada por referencia) describe el suministro
del gen in vivo utilizando poxvirus.
\vskip1.000000\baselineskip
La familia de los papovavirus incluye los
papilomavirus y los poliomavirus. Los poliomavirus incluyen el virus
Simio 40 (SV40), el virus de polioma y los poliomavirus humanos BKV
y JCV. Los papilomavirus incluyen los papilomavirus bovino y
humano. Los genomas de poliomavirus son ADN circulares de un poco
más de 5000 bases. Los productos génicos predominantes son
proteínas de tres viriones (VPI-3) y antígenos T
Grande y T Pequeño. Algunos tienen proteínas estructurales
adicionales, la agnoproteína y otros tienen un antígeno T Mediano.
Los papilomavirus son algo mayores, acercándose a 8 kB.
Se sabe poco de los receptores celulares de los
poliomavirus, pero la infección por polioma puede bloquearse
mediante tratamiento con sialidasa. El SV40 seguirá infectando
células tratadas con sialidasa, pero el JCV no puede hemaglutinar
células tratadas con sialidasa. Debido a la interacción de VP1 de
polioma con la superficie celular activa
c-myc y c-fos, se ha
planteado la hipótesis de que el receptor de virus puede tener
algunas propiedades de un receptor de factor de crecimiento. Los
papilomavirus son específicamente trópicos para epitelio escamoso,
aunque no se ha identificado el receptor específico.
\vskip1.000000\baselineskip
La familia de los paramixovirus está dividida en
tres géneros: paramixovirus, morbilivirus y pneumovirus. El género
paramixovirus incluye el virus de paperas y el virus Sendai, entre
otros, mientras que los morbilivirus incluyen el virus del
sarampión y los pneumovirus incluyen virus sincitiales respiratorios
(RSV). Los genomas de paramixovirus se basan en ARN y contienen una
serie de seis o más genes, unidos de forma covalente en tándem. El
genoma está algo por encima de 15 kB de longitud. La partícula viral
tiene 150-250 nm de diámetro, con proyecciones
"vellosas" o puntas que salen del mismo. Estas son
glicoproteínas virales que ayudan a mediar la unión y entrada del
virus en las células hospedadoras.
Una serie especializada de proteínas está
implicada en la unión y entrada de paramixovirus. La unión en
Paramixovirus y Morbilivirus está mediada por
glicoproteínas que se unen a receptores que contienen ácido siálico.
Otras proteínas anclan el virus integrando regiones hidrófobas en
la bicapa lipídica de la superficie celular y muestran actividades
hemaglutinante y neuraminidasa. En los Pneumovirus, la
glicoproteína está fuertemente glicosilada con enlaces
O-glicosídicos. Esta molécula carece de las
actividades hemaglutinantes y neuraminidasa de sus parientes.
\vskip1.000000\baselineskip
Como el virus del herpes simplex (HSV) es
neurotrópico, ha generado un considerable interés para tratar
alteraciones del sistema nervioso. Además la capacidad del HSV de
establecer infecciones latentes en células neuronales no divisorias
sin integrarse en el cromosoma de la célula hospedadora o alterar de
otra forma el metabolismo de la célula hospedadora, junto con la
existencia de un promotor que es activo mientras está latente,
convierten al HSV en un vector actractivo. Y aunque se ha centrado
mucho la atención en aplicaciones neurotrópicas del HSV, este
vector también puede explotarse para otros tejidos habida cuenta de
su amplia gama de hospedador.
Otro factor que convierte el HSV en un vector
atractivo es el tamaño y la organización del genoma. Como el HSV es
grande, la incorporación de múltiples genes o casetes de expresión
es menos problemática que con otros sistemas virales más pequeños.
Además la disponibilidad de diferentes secuencias de control viral
con rendimiento variable (temporal, fuerza, etc.) hace que sea
posible controlar la expresión en mayor medida que en otros
sistemas. También tiene la ventaja de que el virus tiene
relativamente pocos mensajes empalmados, haciendo más fácil las
manipulaciones genéticas.
El HSV es también relativamente fácil de
manipular y puede hacerse crecer en títulos altos. De esta manera,
el suministro es menos problemático, tanto en términos de volumen
necesario para alcanzar una MOI suficiente como que requiere menos
dosificaciones repetidas. Para una revisión del HSV como vector de
terapia génica, véase Glorioso et al. (1995).
Los HSV, designados con los subtipos 1 y 2, son
virus con envuelta que se encuentran entre los agentes infecciosos
más comunes entre los seres humanos, infectando a millones de seres
humanos en todo el mundo. El genoma grande complejo de ADN
bicatenario codifica docenas de productos génicos diferentes,
algunos de los cuales se obtienen de transcritos empalmados. Además
de los componentes estructurales de envuelta y viriones, el virus
codifica numerosas otras proteínas incluida una proteasa, una
reductasa de ribonucleótidos, una ADN polimerasa, una proteína de
unión a ADNss, una helicasa/primasa, una ATPasa dependiente de ADN,
una dUTPasa y otras.
Los genes de HSV forman varios grupos cuya
expresión está regulada de forma coordinada y ordenada de forma
secuencial a modo de cascada (Honess y Roizman, 1974; Honess y
Roizman 1975; Roizman y Sears, 1995). La expresión de genes
\alpha, la primera serie de genes expresada después de la
infección, es reforzada por la proteína de virión nº 16 o factor
transductor \alpha (Post et al., 1981; Batterson y Roizman,
1983; Campbell et al., 1983). La expresión de genes \beta
requiere productos funcionales de gen \alpha, en particular ICP4,
que está codificado por el gen \alpha4 (Peluca et al.,
1985). Los genes \gamma, un grupo heterogéneo de genes que
codifica en gran medida proteínas estructurales de viriones,
requiere el inicio de síntesis de ADN viral para una expresión
óptima (Holland et al., 1980).
En consonancia con la complejidad del genoma, el
ciclo de vida del HSV está muy involucrado. Además del ciclo
lítico, que da como resultado la síntesis de partículas de virus y,
eventualmente, la muerte de la célula, el virus tiene la capacidad
de entrar en un estado latente en el que se mantiene el genoma en
los ganglios neurales hasta que algunas señales hasta ahora no
definidas activan una reaparición del ciclo lítico. Las variantes
no virulentas del HSV se han desarrollado y se pueden utilizar
fácilmente en contextos de terapia génica (patente de Estados
Unidos
5.672.344).
5.672.344).
\vskip1.000000\baselineskip
Los siguientes ejemplos se incluyen para
demostrar las realizaciones preferidas de la invención. Cabe
observar por los expertos en la técnica que las técnicas reveladas
en los ejemplos siguientes representan técnicas descubiertas por el
inventor que funcionan bien en la práctica de la invención y de este
modo puede considerarse que constituyen modos preferidos para su
práctica. Sin embargo, los expertos en la técnica deberían, a la
luz de la actual revelación, apreciar que muchos cambios pueden
hacerse en las realizaciones específicas que se revelan y seguir
obteniendo un resultado parecido o similar.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
1
El inventor ha desarrollado una estrategia de
ensamblaje de oligómeros en moléculas de ADN mayores denominada
ensamblaje combinatorio. El procedimiento se lleva a cabo de la
siguiente forma: se puede diseñar un plásmido utilizando cualquiera
de los programas informáticos comerciales o de dominio público para
contener los genes, promotores, selección de fármaco, origen de
replicación, etc., requeridos. SynGene v.2.0 es un programa que
genera una lista de oligonucleótidos solapantes lo suficiente para
volver a ensamblar el gen o plásmido (ver Figura
7A-Figura 7G). Por ejemplo, para un gen de 5000 pb,
el SynGene 2.0 puede generar dos listas de 100 componentes de 50
unidades de una cadena y 100 componentes de 50 unidades de la cadena
complementaria de manera que cada par de oligómeros se solapará en
25 pares de bases. El programa comprueba la secuencia de
repeticiones y produce un archivo de entrada MERMADE que programa
directamente el sintetizador de oligonucleótidos. El sintetizador
produce dos series de placas de 96 pocillos que contienen los
oligonucleótidos complementarios. En la figura 7 se describe un
programa SynGen. Este programa está diseñado para descomponer un gen
de diseño o genoma en oligonucleótidos para síntesis. El programa
sirve para el gen diseñador sintético completo y se basa en un
programa original para formatear secuencias de ADN desarrollado por
el Dr. Glen Evans.
El ensamblaje combinatorio se lleva a cabo mejor
utilizando una estación de trabajo robótica programable tal como un
Beckman Biomek 2000. En resumen, los pares de oligómeros que se
solapan se mezclan e hibridan. Después de la hibridación, una serie
más pequeña de oligómeros dúplex se genera. Éstos se emparejan e
hibridan de nuevo, formando una serie más pequeña de oligómeros más
grandes. De forma secuencial, se permite que los oligómeros
solapados se hibriden hasta que se completa el reensamblaje entero.
La hibridación puede llevarse a cabo en ausencia de ligasa o cada
paso puede estar seguido de ligamiento. En una configuración, los
oligómeros se hibridan en presencia de topoisomerasa 2, que no
requiere la fosforilación 5' del oligómero, se produce a
temperatura ambiente y es una reacción rápida (5 minutos) en
contraposición con el ligamiento de 12 horas a 12º. Después del
ensamblaje completo, la molécula de ADN resultante puede utilizarse
para su propósito de diseño, normalmente transformación en un
hospedador bacteriano para replicación. Los pasos de este ciclo se
subrayan en la figura 3.
Este enfoque tiene una ventaja importante frente
a la clonación basada en ADN recombinante tradicional. Si bien es
técnicamente posible hacer virtualmente cualquier mutación o
modificación en moléculas de ADN existentes, el esfuerzo requerido,
así como el alto nivel de preparación técnica hace que algunas
construcciones sean difíciles o tediosas. Este método, que se ha
utilizado durante muchos años, no es aplicable a la clonación
génica automatizada o a la creación a gran escala o a secuencias de
ADN totalmente novedosas.
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Ejemplo
2
En un ejemplo, la presente invención producirá
un gen conocido de aproximadamente 1000 pares de bases de longitud
mediante el siguiente método. Se genera una serie de
oligonucleótidos, cada uno de 50 bases, de manera que la cadena
positiva completa del gen esté representada. Se genera una segunda
serie de oligonucleótidos, que también comprende 50 unidades para
la cadena negativa. Esta serie se diseña, sin embargo, de manera que
el emparejamiento complementario con la primera y la segunda series
da como resultado un solapamiento de secuencias "pareadas", es
decir, cada oligonucleótido de la primera serie es complementario
con regiones de dos oligonucleótidos de la segunda serie (con la
excepción posible de los oligonucleótidos terminales). La región de
solapamiento se establece en 30 bases, dejando un saliente de 20
pares de bases para cada par. La primera serie y la segunda serie
de oligonucleótidos se hibridan en una mezcla única y se tratan con
una enzima de ligamiento.
En otro ejemplo, el gen que se va a sintetizar
tiene aproximadamente 5000 pares de bases. Cada serie de
oligonucleótidos está constituida por cincuenta
100-meros con regiones que se solapan, de
oligonucleótidos complementarios, de 75 bases, dejando "extremos
cohesivos" de 25 bases. En esta realización, el oligonucleótido
terminal 5' de la primera serie de oligonucleótidos se hibrida con
el oligonucleótido terminal 3' de la segunda serie para formar un
primer producto hibridado, después el siguiente oligonucleótido
terminal más 5' de la primera serie se hibrida con el primer
producto hibridado para formar un segundo producto hibridado y el
proceso se repite hasta que todos los oligonucleótidos de dichas
primera y segunda series se han hibridado. El ligamiento de los
productos puede producirse entre pasos o al final de todas las
hibridaciones.
En un tercer ejemplo, un gen de 100.000 pb se
sintetiza a partir de mil 100-meros. Una vez más, el
solapamiento entre "pares" de oligonucleótidos positivos y
negativos es de 75 bases, dejando un saliente de 25 pares de bases.
En este método, un enfoque combinatorio se utiliza en el que pares
correspondientes de oligonucleótidos parcialmente complementarios
se hibridan en el primer paso. Después se lleva a cabo una segunda
ronda de hibridación con pares de producto apropiadamente
complementarios de la primera ronda. Este proceso se repite un total
de 10 veces, reduciendo cada ronda de hibridación el número de
productos a la mitad. El ligamiento de los productos se lleva a
cabo entonces.
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Ejemplo
3
Una vez caracterizado el genoma humano, el
análisis funcional del genoma humano, basado en la secuencia
completa requerirá una variedad de enfoques para la biología
estructural, funcional y de red. El enfoque que se propone en este
documento para producir una serie de construcciones de expresión que
representan todos los productos génicos humanos potenciales y el
ensamblaje de series de bacterias y/o levaduras que expresan estos
productos proporcionará una vía importante para el principio del
análisis funcional.
En segundo lugar, el enfoque que aquí se
describe, cuando se desarrolle hasta su punto teórico óptimo,
permitirá la transferencia a gran escala de genes a líneas
celulares u organismos para análisis funcional. La meta a largo
plazo de este concepto es la creación de organismos vivos totalmente
basados en procesos de información y en bioinformática.
Evidentemente, el conocimiento de la secuencia completa no es
suficiente para valorar el abanico de conceptos biológicos
inherentes a la vida.
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Ejemplo
4
Se diseñó una molécula de ADN utilizando partes
sintéticas de plásmidos conocidos previamente. Como demostración de
esta técnica, se diseñó el plásmido Synlux4. Synlux4 consta de 4800
pares de bases de ADN. Dentro de esta secuencia se incluye la
secuencia de lux A y 1x B, los componentes A y B de la proteína
luciferasa de Vibrio Fisherii, porciones de plásmido pUC19
incluyendo el origen de replicación y secuencias de estabilidad de
replicación, el promotor y la secuencia codificante para
kanamicina/neomicina fosfotransferasa de tn9. La secuencia se
diseñó en un ordenador utilizando Microsoft Word y Vector NTI
(InforMax, Inc.). La secuencia se recoge en las figuras
4A-4C.
Después del diseño se utilizó un programa de
ordenador SynGene 2.0 para descomponer la secuencia en componentes
constituidos por oligonucleótidos de 50-meros
solapantes. A partir de la secuencia de 4800 pares de bases, se
diseñaron 192 50-meros. Los oligonucleótidos
componentes se recogen en las figuras 5A-5F. Estos
oligonucleótidos componentes se sintetizaron utilizando un
sintetizador de oligonucleótidos de 96 pocillos (Rayner et
al.) Genome Research. 8. 741-747 (1998). Los
oligonucleótidos componentes se produjeron en dos placas de
microtitulación de 96 pocillos, conteniendo cada placa una serie de
oligonucleótidos componente. De este modo la placa 1 mantenía los
oligos de cadena directa y la placa 2 contenía los oligos de cadena
inversa.
Los oligonucleótidos se ensamblaron y los
ligamientos se llevaron a cabo utilizando una estación de trabajo
robótica Biomek 1000 (Beckman). Las transferencias secuenciales de
oligonucleótidos se hicieron mediante pipeteado de un pocillo a un
segundo pocillo de la placa y se llevó a cabo una reacción de
ligamiento utilizando ligasa T4. El patrón de ensamblaje se recoge
en las figuras 6A-6B.
Después del ensamblaje la mezcla de ligamiento
resultante se utilizó para transformar una cepa DH5a de E.
coli competente. La mezcla de transformación se colocó en placas
LB con 25 \mug/ml sulfato de kanamicina y se obtuvieron colonias
recombinantes. Los clones recombinantes resultantes se aislaron,
clonaron y se preparó ADN. El ADN se analizó en geles de agarosa al
1% para detectar las moléculas recombinantes. Los clones revelaron
contener el plásmido esperado de 4800 pares de bases que contenía
los genes lux A y B.
Todas las composiciones y/o métodos descritos y
reivindicados en este documento pueden hacerse y ejecutarse sin
experimentación excesiva a la luz de la presente descripción.
Mientras las composiciones y métodos de esta invención se han
descrito en términos de realizaciones preferidas, será evidente para
los expertos en la materia que pueden aplicarse variaciones a las
composiciones y/o métodos y en los pasos o en la secuencia de pasos
del método descrito en este documento. Más específicamente, será
evidente que algunos agentes que están relacionados tanto química
como fisiológicamente pueden sustituirse por los agentes descritos
en este documento consiguiéndose los mismos o similares
resultados.
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Plásmido sintético
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<213> Secuencia Artificial
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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Oligonucleótido Sintético
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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\hskip-.1em\dddseqskipagcatcaggg gctcgcgcca gccgaactgt tcgccaggct caaggcgcgc
\hfill50
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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\vskip0.400000\baselineskip
<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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\hskip-.1em\dddseqskipgaatatcatg gtggaaaatg gccgcttttc tggattcatc gactgtggcc
\hfill50
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<211> 50
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<212> ADN
\vskip0.400000\baselineskip
<213> Secuencia Artificial
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<400> 78
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\vskip0.400000\baselineskip
\hskip-.1em\dddseqskipggctgggtgt ggcggaccgc tatcaggaca tagcgttggc tacccgtgat
\hfill50
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<210> 79
\vskip0.400000\baselineskip
<211> 50
\vskip0.400000\baselineskip
<212> ADN
\vskip0.400000\baselineskip
<213> Secuencia Artificial
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<400> 79
\vskip1.000000\baselineskip
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\hskip-.1em\dddseqskipattgctgaag agcttggcgg cgaatgggct gaccgcttcc tcgtgcttta
\hfill50
\vskip1.000000\baselineskip
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<210> 80
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<211> 50
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<212> ADN
\vskip0.400000\baselineskip
<213> Secuencia Artificial
\vskip1.000000\baselineskip
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<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
\vskip1.000000\baselineskip
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<213> Secuencia Artificial
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<220>
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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\hskip-.1em\dddseqskipgggcttccca accttaccag agggcgcccc agctggcaat tccggttcgc
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<213> Secuencia Artificial
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<220>
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<213> Secuencia Artificial
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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\hskip-.1em\dddseqskipaaattatcct cccacttaaa tgttaaaggc agtgcctttt tcgctgccca
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
\vskip1.000000\baselineskip
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<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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\hskip-.1em\dddseqskipcatgacgact tcttttgatg tagcggatac atattgctta ggtccattct
\hfill50
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<210> 159
\vskip0.400000\baselineskip
<211> 50
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
\vskip1.000000\baselineskip
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<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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\hfill50
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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\hfill50
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
\vskip1.000000\baselineskip
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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<213> Secuencia Artificial
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Oligonucleótido Sintético
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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Oligonucleótido Sintético
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Oligonucleótido Sintético
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<212> ADN
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
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<213> Secuencia Artificial
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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\hskip-.1em\dddseqskiptactcttctg aggcgatacc aagccgaaca aagcgatcca ttacttagct
\hfill50
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<210> 190
\vskip0.400000\baselineskip
<211> 50
\vskip0.400000\baselineskip
<212> ADN
\vskip0.400000\baselineskip
<213> Secuencia Artificial
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<400> 190
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
\hskip-.1em\dddseqskiptatgagtttc acctggtggt tgatacgaaa aacaaatatt tccaaacttc
\hfill50
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<210> 191
\vskip0.400000\baselineskip
<211> 50
\vskip0.400000\baselineskip
<212> ADN
\vskip0.400000\baselineskip
<213> Secuencia Artificial
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<400> 191
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
\hskip-.1em\dddseqskipatactctatt cctttttggt gattctgttt atttaagcca attctaataa
\hfill50
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
<210> 192
\vskip0.400000\baselineskip
<211> 50
\vskip0.400000\baselineskip
<212> ADN
\vskip0.400000\baselineskip
<213> Secuencia Artificial
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\vskip0.400000\baselineskip
<220>
\vskip0.400000\baselineskip
<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
\vskip1.000000\baselineskip
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<400> 192
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\vskip0.400000\baselineskip
\hskip-.1em\dddseqskipttcattttca atttcatttt ttaatctacg ctccttaaca gtaatacttg
\hfill50
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\vskip0.400000\baselineskip
<210> 193
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<211> 50
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<212> ADN
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<213> Secuencia Artificial
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\vskip0.400000\baselineskip
<220>
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<223> Descripción de Secuencia Artificial:
Oligonucleótido Sintético
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<400> 193
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.400000\baselineskip
\hskip-.1em\dddseqskiptaacgtcctc aaatcgaggt aagcttcata ggctccgccc ccctgacgag
\hfill50
Claims (16)
1. Un método para la síntesis de un
polinucleótido bicatenario sin el uso de ningún ADN recombinante o
de origen natural existente, que comprende los pasos de
- a)
- generar una primera serie de oligonucleótidos correspondiente a la cadena positiva completa de dicho polinucleótido bicatenario;
- b)
- generar una segunda serie de oligonucleótidos correspondiente a la cadena negativa completa de dicho polinucleótido bicatenario y
- c)
- hibridar dicha primera y segunda series de oligonucleótidos;
donde el paso (c) comprende los pasos de
- i)
- hibridar el oligonucleótido del extremo 5' de dicha primera serie de oligonucleótidos con el oligonucleótido del extremo 3' de dicha segunda serie de oligonucleótidos,
- ii)
- hibridar el próximo oligonucleótido más cerca del extremo 5' de dicha primera serie de oligonucleótidos con el producto del paso (i),
- iii)
- hibridar el próximo oligonucleótido más cerca del extremo 3' de dicha segunda serie de oligonucleótidos con el producto del paso (ii),
- iv)
- repetir el proceso hasta que todos los oligonucleótidos de dichas primera y segunda serie de oligonucleótidos se hayan hibridado,
donde cada uno de dichos oligonucleótidos de
dicha segunda serie de oligonucleótidos se solapa con e hibrida a
dos oligonucleótidos complementarios de dicha primera serie de
oligonucleótidos, con la excepción de que dos oligonucleótidos en
el extremo 5' o 3' de dicho polinucleótido bicatenario se hibridará
con sólo un oligonucleótido complementario.
2. Un método para sintetizar un polinucleótido
bicatenario, que comprende: (a) hibridar un oligonucleótido del
extremo 5' con un oligonucleótido del extremo 3' de un
polinucleótido bicatenario para producir un primer producto
hibridado y añadir directamente un oligonucleótido siguiente 5' más
terminal de dicho polinucleótido bicatenario a dicho primer
producto hibridado en condiciones suficientes para hibridación para
producir un segundo producto hibridado, teniendo dicho
oligonucleótido siguiente más terminal una longitud de al menos
aproximadamente 25 bases y (b) repetir el paso (a) una o más veces
para producir en secuencia un polinucleótido bicatenario.
3. El método de las reivindicaciones 1 ó 2,
comprendiendo además los pasos de tratar dichos oligonucleótidos
hibridados con una enzima de ligamiento para generar cadenas
continuas de dicho polinucleótido bicatenario.
4. El método de la reivindicación 3, donde la
enzima de ligamiento es topoisomerasa.
5. El método de la reivindicación 3, donde la
enzima de ligamiento es ADN ligasa T4.
6. El método de las reivindicaciones 1 ó 2,
comprendiendo además el paso de amplificar dicho polinucleótido
bicatenario.
7. El método de las reivindicaciones 1 ó 2,
donde dicho polinucleótido bicatenario comprende 100, 200, 300,
400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 5000, 10x10^{3}, 20x10^{3},
30x10^{3}, 40x10^{3}, 50x10^{3}, 60 x10^{3}, 70 x10^{3},
80x10^{3}, 90x10^{3}, 1x10^{5}, 1 x 10^{6}, 1 x 10^{7} ó
1x10^{8} pares de bases de longitud.
8. El método de las reivindicaciones 1 ó 2,
donde dicho polinucleótido bicatenario comprende una o más
secuencias codificantes y uno o más elementos reguladores.
9. El método de las reivindicaciones 1 ó 2,
donde dicho polinucleótido bicatenario es un ADN.
10. El método de las reivindicaciones 1 ó 2,
donde dicho polinucleótido bicatenario es un ARN.
11. El método de las reivindicaciones 1 ó 2,
donde dicho polinucleótido bicatenario es una construcción de
expresión.
12. El método de la reivindicación 11, donde
dicha construcción de expresión es una construcción de expresión
bacteriana.
\newpage
13. El método de la reivindicación 11, donde
dicha construcción de expresión es una construcción de expresión de
mamífero.
14. El método de la reivindicación 11, donde
dicha construcción de expresión es una construcción de expresión
viral.
15. El método de las reivindicaciones 1 ó 2,
donde dicho solapamiento entre los oligonucleótidos de dicha
primera y dicha segunda serie de oligonucleótidos está entre 5 pares
de bases y 75 pares de bases.
16. El método de las reivindicaciones 1 ó 2,
donde dicho solapamiento es de 10 pares de bases, 15 pares de
bases, 20 pares de bases, 25 pares de bases, 30 pares de bases, 35
pares de bases, 40 pares de bases, 45 pares de bases, 50 pares de
bases, 55 pares de bases, 60 pares de bases, 65 pares de bases o 70
pares de bases.
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