JP2000507097A - アルギニンに結合する単離されたrna分子およびその使用 - Google Patents

アルギニンに結合する単離されたrna分子およびその使用

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、特定のアミノ酸に対する高いアフィニティーを有する単離されたRNA分子、該RNA分子を単離する方法およびそれらの使用に関する。種々の洗浄および加熱工程を含む方法を介して、前記RNA分子を単離する。

Description

【発明の詳細な説明】 アルギニンに結合する単離されたRNA分子およびその使用 発明の属する技術分野 本発明は、アミノ酸に対して高いアフィニティーまたは強いアフィニティーを 有する単離されたRNA分子およびその使用に関する。また、本発明の一部は、 前記RNA分子を獲得する方法である。発明の背景および従来技術 アミノ酸とRNAとの相互作用は、多くの生物学的系において実質的な役割を 果している。ドレイパー(Draper)、Ann.Rev.Biochem 64:593-620(1995)等を 参照のこと。例えば、アルギニンは、リボザイムのグアノシン結合部位で、G26 4 −C311塩基対を接触させるグアノシン補因子の2つのH−供与体部位を置換す ることにより、テトラヒメナのグループIイントロンの自己スプライシング反応 を阻害する。ヤールス(Yarus)、Science 240:1751-1758(1988);ミシェル(Michel )ら、Nature 342:391-395(1989)。最近、アミノアシルtRNAシンテターゼの 校正反応が、RNA依存性アミノ酸認識の例として見い出された。シメル(Simme l)ら、Trends Biochem.Sci 20:1-2(1995)。これらの校正反応は、アミノ酸の活 性化およびアミノアシル化のエラーを除去するRNA依存性の工程に関与する。 ジャクボウスキー(Jakubowski)ら、Microbiol.Rev 56:412-429(1992)。第3 の例は、HIV−1 TAT蛋白質とHIV−1mRNAの5’末端に位置する TAR RNAのステムループ構造との相互作用である。TATの塩基性領域内 のただ1つのアルギニンが、TATとTARの認識に関して決定的である。カル ナン(Calnan)ら、Science 252:1167-1171(1991)。塩基性領域および遊離のア ルギニンに類似の短いオリゴペプチドは、全蛋白質の状況よりも弱い けれども、TARに特異的に結合する。ウィークス(Weeks)ら、Science 249:12 81-1285(1990)。TAT−TAR相互作用は、蛋白質−RNA認識において、蛋 白質の個々のアミノ酸側鎖と相互作用するRNA構造が関与することを示す最初 の例を提供した。他の、いまだ発見されていないRNA−蛋白質相互作用は、蛋 白質またはペプチド内のどの単一のアミノ酸側鎖が、特異性、機能性および結合 力をおおまかに決定するためにRNAにより提供される構造上の要素に特異的接 触を形成するかにあるように思われる。ドレイパー、前述。 個々のアミノ酸を特異的に認識するRNA配列の単離と特徴付けは、生物学的 に関連した蛋白質−RNAまたはRNA−アミノ酸相互作用のよりよい理解を促 進するであろう。アミノ酸結合RNAを得るための強力な道具は、例えば、ファ ムロク(Famulok)ら、Agnew.Chem.Int.Ed.Engl.31:979-988(1992)が教示し ているように、イン・ビトロの選択である。クルグ(Klug)ら、Mol.Biol.Rep20 :97-107(1994);ゴールド(Gold)ら、Ann.Rev.Biochem.64:763-797(1995);ジョ イス(Joyce)、Curr.Opin.Struct.Biol 4:331-336(1994)、これら文献のすべ ては、参照により合体される。固定化トリプトファン、アルギニン、シトルリン およびバリン等のアミノ酸を特異的に認識するRNAアプタマーは、1015の異 なるRNA配列までのプールから抽出された。コンネル(Connell)ら、Biochemis try 32:5497-5502(1993);ファムロク(Famulok)、J.Am.Chem.Soc.116:1698-1 706(1994);マジェスフェルト(Majesfeld)ら、Natur.Struct.Biol.1:287-292 (1994)(これら文献のすべては参照により合体される)を参照のこと。報告され たアフィニティーは、それぞれの場合で得られた他のアミノ酸に対する高いルベ ルの識別力を有し、60μM(ファムロク)から12mM(マジェスフェルト) までの範囲であった。これらのアミノ酸結合RNAの中で、アルギニン特異的ア プタマーは、中性のpHで正の電荷を有するアルギニン側鎖が、負に荷電した核 酸との特異的接触を形成するのに特に適するように思われるので、蛋白質−RN A認識に特に関連するであろう。アボウル−エラ(Aboul −ela)ら、J.Mol.Biol 253:313-332(1995)を参照のこと。例えば、HIV− 1 Rev蛋白質は、34〜50位の間の17アミノ酸のうち10アミノ酸がア ルギニンであるという塩基性領域を含む。対応する17マーのペプチドは、4つ のアルギニンが特異性に重要である全長の蛋白質の状況内と同様の様式で、Re v応答要素(RRE)RNAIIBヘアピンに結合する。クジェムス(Kjems)ら、E MB0J 11:1119-1129(1992);タン(Tan)ら、Cell 73:1031-1040(1993)をそれぞれ 参照のこと。HIV−TAR/Tat複合体において、アルギニンおよびイソロ イシン残基は、結合と特異性に重大であることがわかった。フランケル(Frankel )、ナガイ(Nagai)ら、編、RNA−蛋白質相互作用IRL Press,NewYork,NY 199 4)221-247頁。さらに、HTLV−1のRex蛋白質は、アルギニン残基を通じ てその天然のRNA結合要素XBEと相互作用する。バスカーヴィレ(Baskervil le)ら、J.Virol 69:7559-7569(1995)。 現在、さらなる研究が行なわれ、特定のアミノ酸分子に対する強いアフィニテ ィーまたは高いアフィニティーを有するRNA分子の単離を可能にするおよび可 能にした技術開発が生じた。本発明は、参照により合体されるファムロク、J.A m.Chem.Soc.116:1698-1706(1994)に記載の研究開発である。前記記載のプロ トコールの改変を介して、以下の実施例により示されるように、非常に高いアフ ィニティーのRNA分子を単離することが可能であった。図面の簡単な説明 図1は、本発明により得られた溶出プロトコールの代表例である。好ましい態様の詳細な説明 実施例1 アミノ酸への高いアフィニティー結合をスクリーニングするために、RNAの 2つのプールを調製した。第1のプール(以下「プール1」と称する)は、参照 により合体されるファムロク、J.Am.Chem.Soc.116(5):1698-1706(1994)に従 って調製した。ファムロクの文献は、111ヌクレオチド長の約1015のRNA 分子のプールの製造を教示する。これらの111マーを、ランダム化74マーの インサートとともに、一定の5’および3’配列を用いて調製した。 ファムロクは、とりわけ、高いL−シトルリンアフィニティーを有する特定の RNA分子(「クローン16」)を教示する。このクローンは、第2の縮重した プールを調製するための基礎として使用した。74マーのインサートの調製にお いて、例えば、70%AならびにG、CおよびTをそれぞれ10%等の貯蔵を提 供するために、ホスファルアミダイトの貯蔵は、他の各ホスファルアミダイトを 10%それぞれ加えることを除いて、このプールもファムロクに従って調製した 。(74マーのインサートを18マーと19マーのプライマー結合部位間に置い た)。 次いで、プール2の全体をPCR増幅に付した。PCR増幅を前述のファムロ クに記載のように行ない、そこに記載のプライマー樹脂は、すなわち、 それぞれ5’および3’プライマーとして、 TCTAATACGA CTC ACTA TAG GAG CTC AGC CTT CAC TGC(配列番号:1)および GTGGATCCGACCGTGGTGCC(配列番号:2)であった。 6サイクルの増幅を行ない(94℃ 4分;42℃ 7分;72℃ 7分)、次 いで、増幅産物をフェノール/CHCl3で抽出し、エタノールで沈殿させ、1 .3mlのTE(10mM Tris−HCl、pH7.6;1mM EDTA 、pH80)に溶解した後、Sephadex G−50でのゲル濾過を行なっ た。RNAをPCR産物から転写し、以下の選択プロトコールに使用した。実施例2 前記実施例1で産生したRNAを、高アフィニティーアミノ酸結合に関して選 択した。しかしながら、これに先立ち、それを精製するために処理した。この手 法は、前記にある。 実施例1の溶液を含むRNA試料(10〜15μgすなわち0.4nmolの RNA)を水で希釈して80μlの最終容量にした。次いで、該溶液を90℃で 10分間加熱し、さらに5分間23℃まで冷却した後、前選択カラムに添加した 。前選択カラムは、(製造業者の指示に従って)誘導化されたグリシンが結合し 、試料の添加前に数倍のカラム容量の結合緩衝液で平衡化した0.5mlのアガ ロースからなっていた。 RNAを含む試料を前選択カラムに添加した後、2〜3倍の容量の緩衝液で洗 浄した。この洗浄の効果は、選択カラム(前述)の頂上に直接置いた前選択カラ ムからフロースルーを開始させることである。 前選択カラムの下方に、製造業者の指示に従って誘導化してアガロースに付着 させておいた結合したアルギニン誘導体を有するアガロースの選択カラムを直接 設置した。前もって選択カラムを結合緩衝液でリンスした。RNAが一旦選択カ ラムに流入すれば、選択スキームを用いて、強固に結合するアプタマーのみを検 出した。まず、該カラムを5倍容量の結合緩衝液で洗浄した。次いで、20mM のシトルリン含有結合緩衝液の6倍のカラム容量でカラムを洗浄することにより 逆選択を行なった。次に、遊離のシトルリンと結合アルギニンとの間の競合のス トリンジェンシーを増加させるために、アガロース、よってそれに結合したRN Aを、20mMのシトルリン含有溶液の存在下で90℃に10分間加熱し、次い で、23℃に15分間冷却した。次いで、未結合RNAを除去するために、20 mMのシトルリン含有結合緩衝液のさらなる5倍のカラム容量でカラムを溶出し た。 次いで、該カラムを20mMのアルギニンを含む結合緩衝液の15倍のカラム 容量で洗浄した後、前記パラメーターを用いて、この溶液の存在下で熱変性させ た。これは、遅い解離速度を有し、よってゆっくり溶出する分子が熱変性の際に 強固な結合剤であると仮定されたのでなされ、これらの強固な結合RNA分子は 、カラムから分離されて溶液中の過剰のリガンドの存在下で再生するべきであり 、それにより、マトリックスと結合用リガンド中で官能基を必要とするこれらの 分子の望まない濃縮を避ける。 次いで、該カラムを20mMのアルギニンを含む結合緩衝液の5倍のカラム容 量で溶出した。溶出されたRNAを、(a)フェノールでアミノ酸を除去する工 程、(b)RNAを沈殿させる工程および次いで、(c)RNAを増幅させる工 程により回収した。このサイクルを20回繰り返し、実施例1に記載されたよう に、プール1とプール2の両方で行なった。図1に、サイクル20からの代表的 な溶出プロフィールを示す。実施例3 サイクル10およびサイクル20後に溶出したRNAアプタマーを、前述のフ ァムロクに従ってPCR増幅に供して、配列を決定した。サイクル10後の配列 決定した36クローンの内で、35%が前述のファムロクに教示されたアルギニ ン結合モチーフを示し、65%が示さなかった。しかしながら、20サイクル後 に得られた材料を配列決定したとき、サイクル10での材料は1つも見出されず 、従来技術の配列は、20サイクル後に残ったもののようなパートナーアミノ酸 に関するアフィニティーと同様のレベルを有しないことを示す。20サイクル後 に見られる配列は、配列番号:X〜Yに示される。見い出された31クローンの 内で、1つの配列が8回見られ、4つの配列がそれぞれ2回見られ、11の配列 は1回のみであった。 プール1とプール2で見られた配列を比較したときに、わずか1つ、すなわち 、Ag.06(配列番号:3)が両プールで見られた。また、この分子も、最も 優勢なものであった。実施例4 次いで、単離されたアプタマーの結合力を決定するために実験を行なった。こ れは、例えば、参照により合体されるロルシュ(Lorsch)ら、Biochemistry 33:97 3-982(1994);フェルシュト(Fersht)、Enzyme Structureand Mechanism,第2版( W.H.Freeman and Co.,New York,1985)、186頁;コナース(Connors)、Binding Constants(Wiley,New York,1987)、314頁等のよく知られた方法を用いて解離 定数を計算することにより決定される。これは、500μlの容量の透析チャン バーを用いる平衡透析法である。使用したメンブランは、5000ダルトンの分 子量カットオフを有していた。RNA試料を、具体的には1.0μMの濃度で使 用した。測定は、通常、3つの異なる濃度のL−[2,3,4,5−3H]−アル ギニン−HCl(すなわち、250、25および2.5μM)で行なわれた。2 00μlの試料容量をメンブランのそれぞれの面に用いた。試料を23℃で一晩 平衡化した後、メンブランの両方の面の容量を決定し、量が同一であることを保 証するように調整した。アリコートを回収し、シンチレーションカウンティング に供した。3つのRNA分子、すなわち、Ag.06(配列番号:)ならびに他 の2つの点変異を示す分子、配列番号:4および5を用いた。 アルギニンの比活性を用いて、平衡での結合したリガンドの濃度[ES]eg、遊 離のアミノ酸[S]eqおよび遊離のRNA[E]egを計算した。Kdは、下記式で定 義される: Kd=([E]eq×[S]eq)×[ES]eq-1 Ag.06に対する値は、約330nM、すなわち、前述のファムロクの最も強 い結合剤のほとんど200倍であった。強いアフィニティーは、小さい数値で表 され、より弱いアフィニティーは、より大きい数値で表されることに注意するこ と。特異的な値は、4mMから330nMに及び、テオフィリン(320nM) 、シアノコバラミン(cyanco balamine)(88nM)ならびにアミノグリコシド 抗生物質トブラマイシン、カナマイシン、リビドマイシンおよびネオマイシン( 20nM〜220nM)等の他の非アミノ酸物質に対するアフィニティー値と同 等である。ジェニソン(Jenison)ら、Science 263:1425-1429(1996)、ローチ(Lo rch)ら、Biohcemistry 33:973-982(1994);ワン(Wang)ら、Chem & Biol2:281-290 (1995);ラト(Lato)ら、Chem & Biol 2:291-303(1995);ワリス(Wallis)ら、Chem & Biol 2:543-552(1995)を参照のこと。実施例5 RNA分子がL−アルギニンとD−アルギニンとの区別ができるかどうかを決 定するために、実験を行なった。アーノルド(Arnold)ら、J.Chromatog 355:1− 2(1986)の分析アフィニティークロマトグラフィ一法を用いて、4.0mMのD −アルギニンのアガロースカラムに適用させたとき、RNAはボイドボリューム に溶出した。このことは、Kdが4mM、すなわち、アフィニティーが非常に弱 いという結論を導く。したがって、Ag.06(配列番号:3)のような分子は 、良好な区別を示す。この特別な場合において、それは、12,000倍良いオ ーダーである。 前記実施例は、とりわけ、特別なアミノ酸に対する高いアフィニティーを有す る単離されたリボ核酸(RNA)分子を含有する本発明の特別な態様を示す。3 00nM程度のアフィニティーを有する単離されたリボ核酸分子が特に好適であ り、約60μMよりも大きいことがさらに好ましい。これらのRNA分子は、い かなるL−またはD−アミノ酸に対しても強いアフィニティーを有すことができ る。L−アルギニンに対する高いアフィニティーを有し、L−アルギニンとD− アルギニンおよび/またはL−シトルリンとL−アルギニンとの区別が可能であ るRNA分子が特に興味深い。かかるRNA分子の具体例としては、配列番号: 3〜20までに示されたものである。 これらのRNA分子は、当業者にとって明らかな様々な用途を有する。例えば 、RNA分子を用いて、この高いアフィニティーを利用して溶液から除去可能な RNAとアミノ酸との複合体を形成し、同定および/または溶出もしくは他の標 準的な分析技術を介したアミノ酸の定量により、溶液から特定のアミノ酸を除去 したり、特定のアミノ酸の存在または量を決定する。L−アルギニンとD−アル ギニン等のアミノ酸のエナンチオマーを同定および/または分離でき;L−アル ギニンとL−シトルリン等の構造上関連する異なるアミノ酸を分離等できる。 アミノ酸に対する高いアフィニティーを有するRNA分子を単離する過程は、 本発明の特徴として特に興味深い。この過程の必須の工程は、本明細書で繰り返 す必要のない当該技術分野で認識されている技術を用いて、RNA分子または試 料の変性工程の後、固相に変性したRNAを結合させる工程を含む。次に、結合 したRNAを、高いアフィニティー結合剤が求められるアミノ酸でないアミノ酸 溶液と接触させる。次いで、固相に結合して残存しているいかなるRNAも加熱 した後、前述のアミノ酸溶液と2回めの接触をさせる。これらの3つの工程を、 同一または異なるアミノ酸を用いて何サイクルでも繰り返すことができる。例え ば、高いアフィニティーのL−アルギニン結合剤を探しているならば、固相に結 合したRNAをD−アルギニンと接触させてこれを加熱し、次にD−アルギニン と接触させた後、L−シトルリンを用いてこれらの工程を繰り返す。だいたい5 〜20サイクルのサイクルを行なうことが好ましく、10〜20サイクルが最も 好ましい。 これらの工程後、残存しているRNAをすべて加熱し、次いで、強いまたは高 いアフィニティー結合剤が求められているアミノ酸の溶液と接触させる。これは 、固相から所望のRNAを溶出するのに役立つ。 これらの過程において、RNAは、強いアフィニティー結合剤が求められてい るアミノ酸分子により固相に結合していることが好ましい。 前記注意したように、強いまたは高いアフィニティー結合剤は、低いKd値を 有するRNA分子である。本明細書に記載された発明に関して、強いアフィニテ ィー(または高いアフィニティー)結合剤は、60μm以下のKd値を有するも のである。これらの分子は、10倍低いオーダー、すなわち、約6.0μm以下 のKd値を有することがさらに好ましい。この値は、約500nM以下であるこ とがさらに好ましく、約300nM以下であることが最も好ましい。 本発明の他の特徴は、当業者にとって明らかであり、本明細書で詳細に述べる 必要はないであろう。 用いた用語と表現は、説明の用語として使用したものであり、限定の用語とし てではなく、示され記載された特徴のいかなる均等物またはその一部を排除する かかる用語と発現の使用を意図するものではなく、本発明の範疇で様々な修正が 可能であることが認識される。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.特定のアミノ酸に対する高いアフィニティーを有し、該アフィニティーが約 6.0μm未満である単離されたRNA分子。 2.約500nM未満のアフィニティーを有する請求項1記載の単離されたRN A分子。 3.約300nM未満のアフィニティーを有する請求項1記載の単離されたRN A分子。 4.該アミノ酸がアルギニンである請求項1記載の単離されたRNA分子。 5.該アミノ酸がL−アルギニンである請求項1記載の単離されたRNA分子。 6.Ag.06(配列番号:3)のヌクレオチド配列を有する請求項1記載の単 離されたRNA分子。 7.溶液を、固相に結合した請求項1記載の単離されたRNA分子と接触させる 工程、ここで、該単離されたRNA分子はアミノ酸に対するアフィニティーを有 する、および 該アミノ酸と固相に結合した該RNAとの複合体を試料から除去する工程を含む 、溶液からアミノ酸を除去する方法。 8.アミノ酸のエナンチオマーを含む試料を、固相担体と請求項1記載の単離さ れたRNA分子との複合体と接触させる工程、ここで該単離されたRNA分子は 該エナンチオマーの1つに対してアフィニティーを有する、および 該エナンチオマーと固相担体に結合したRNA分子との複合体を該試料から除去 する工程 を含む、アミノ酸のエナンチオマーを互いに分離する方法。 9.該エナンチオマーがLおよびD−アルギニンであり、該単離されたRNA分 子がL−アルギニンに対するアフィニティーを有する請求項8記載の方法。 10.少なくとも2つのアミノ酸を含む試料を、固相担体に結合した請求項1記 載の単離されたRNA分子と接触させる工程、ここで、該RNA分子は第1のア ミノ酸に対するアフィニティーを有する、ならびに 該第1のアミノ酸および固相担体と該RNA分子との該複合体との複合体を該試 料から除去する工程 を含む、少なくとも1つの追加のアミノ酸を含む試料から第1のアミノ酸を分離 する方法。 11.該第1のアミノ酸がアルギニンであり、該追加のアミノ酸がシトルリンで ある、請求項10記載の方法。 12.(a)RNA試料を変性する工程; (b)該RNA試料を固相に結合する工程; (c)固相に結合した該RNAを第1のアミノ酸とは異なる第2のアミノ酸の溶 液と接触させて、該第2のアミノ酸に対する低いアフィニティーを有するRNA を溶出する工程; (d)固相に結合した該RNAを加熱する工程; (e)固相に結合した該RNAを第2のアミノ酸の該溶液と2回めの接触をさせ 、該第2のアミノ酸に対して高いアフィニティー結合を有するRNAを溶出する 工程; (f)固相に結合した残存RNAを該第1のアミノ酸の溶液と接触させ、該第1 のアミノ酸に対する低いアフィニティーを有するRNAを溶出する工程; (g)固相に結合した残存RNAを加熱する工程;ならびに (h)固相に結合した該残存RNAを該第1のアミノ酸の溶液と2回めの接触を させ、該アミノ酸に対する高いアフィニティーを有するRNAを溶出する工程を 順に含む、第1のアミノ酸に対して少なくとも約100nMのアフィニティーを 有するRNA分子の精製方法。 13.固定化した該第1のアミノ酸を有する固相に該RNA試料を結合する工程 を含む、請求項12記載の方法。 14.工程(h)で生成した溶出物から該RNAを単離する工程をさらに含む、 請求項12記載の方法。 15.工程(d)および(e)が少なくとも1回繰り返される、請求項12〜1 4記載の方法。 16.該固相に結合したRNAを少なくとも1つの追加のアミノ酸の溶液と少な くとも1回接触させ、該アミノ酸に対するアフィニティーを有するRNAを溶出 する工程をさらに含む、請求項12〜15記載の方法。 17.配列番号:3〜20に示されるヌクレオチド配列を含有してなる、請求項 1記載の単離されたRNA分子。
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