JP2002528109A - Multi-domain polynucleotide molecule sensor - Google Patents
Multi-domain polynucleotide molecule sensorInfo
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Abstract
(57)【要約】 シグナル剤に応答性のマルチドメインポリヌクレオチドが、デザインされ、部分的に又は完全にオーバーラップしていてもよいし、オーバーラップしていなくてもよい、少なくとも3つのドメインを有するように構築されている:アクチュエータ(触媒的又はレポーター)ドメイン、架橋ドメイン及びレセプタドメイン。典型的な実施形態においては、化学的リガンド等のシグナル剤は、レセプタドメインと相互作用し、それがコンホメーションを変化させるか、又は他の方法で架橋ドメインに影響を与えて、その結果アクチュエータドメインの活性、触媒又はレポーター機能が刺激されるか又は抑制される。或るリボザイムの実施形態において、例えば、レセプタドメインへのリガンドの架橋が、架橋内にコンホメーション変化を引き起こすように機能する、新規な構造架橋によって予め存在している触媒ドメインとレセプタドメインとを結合させることによって、RNAから構成されるリガンド特異性分子センサが生じさせられ、この構造認識は、隣接するリボザイムの活性を表わす。他のマルチドメインポリヌクレオチドをアロステリックにセレクションするための方法は、架橋又は他のシグナル応答及び/又はレポーター活性を最適にするために、ドメインを混合し、適合させることを含むのが典型的である。 (57) [Summary] A multi-domain polynucleotide responsive to a signal agent is designed and constructed to have at least three domains, which may be partially or completely overlapping or non-overlapping. Yes: actuator (catalytic or reporter) domain, bridging domain and receptor domain. In an exemplary embodiment, a signaling agent, such as a chemical ligand, interacts with the receptor domain, which changes conformation or otherwise affects the cross-linking domain, such that the actuator The activity, catalytic or reporter function of the domain is stimulated or suppressed. In certain ribozyme embodiments, for example, the cross-linking of a ligand to a receptor domain functions to cause a conformational change within the cross-linking the pre-existing catalytic and receptor domains by a novel structural cross-link. The binding results in a ligand-specific molecular sensor composed of RNA, whose structural recognition is indicative of the activity of the adjacent ribozyme. Methods for allosterically selecting other multi-domain polynucleotides typically involve mixing and adapting the domains to optimize cross-linking or other signal response and / or reporter activity. .
Description
【0001】[0001]
本発明は、特別なクラスのアロステリックポリヌクレオチト゛、及び、比較的容 易にかつ効率的に、高い特異性のポリヌクレオチドセンサを生じさせるための方
法に関するものである。The present invention relates to a special class of allosteric polynucleotides II and to methods for producing relatively specific and highly efficient polynucleotide sensors relatively easily and efficiently.
【0002】[0002]
生物ポリマーのフォールディング及び機能を口述する分子力の専門技術によっ
て、分子技術者が酵素のデザイン(現在までのところ進化のランダム方法によっ
て大部分が扱われている仕事)に参加するのが可能であろう。この能力を獲得す
ることに対する報酬は、医学、産業及びバイオテクノロジーの多くの用途では、
正確にぴったり合う触媒機能を有する高スピードの酵素が要求されていると、実
質的に考えられている。「モジュールの合理的なデザイン」は、存在しているタ
ンパク質(例えば1〜4)及びRNA酵素(5〜9)での、更なる化学的及び動
的複雑さを参照するための効果的な手段であることが証明されている。この工学
技術戦略は、多くのタンパク質(10)及びRNAサブドメイン(11〜13)
のモジュールの性質を利用するものであり、それは思慮分別をもって組み込まれ
て、新しい多機能構築物を形成し得る。新規な触媒的なRNAモチーフ(14、
15)及び新規なリガンドが結合しているモチーフ(16、17)の近年の発見
は、リボザイム工学技術に対する機会をかなり広げた。The expertise in molecular force dictating the folding and function of biological polymers allows molecular engineers to participate in the design of enzymes, a task that has so far been largely addressed by random methods of evolution. Would. The reward for acquiring this ability is, in many medical, industrial and biotechnology applications,
It is virtually believed that there is a need for a high speed enzyme that has a precisely tailored catalytic function. "Reasonable design of modules" is an effective means for referencing the additional chemical and dynamic complexity of existing proteins (eg 1-4) and RNA enzymes (5-9) It has been proven that This engineering strategy involves a number of protein (10) and RNA subdomains (11-13).
That can be incorporated with discretion to form new multifunctional constructs. A novel catalytic RNA motif (14,
15) and the recent discovery of novel ligand-binding motifs (16, 17) have greatly expanded the opportunities for ribozyme engineering.
【0003】 モジュールの合理的なデザインは、ATP(5、8)及びフラビンモノヌクレ
オチド(FMN)(9)等の特異的な小さい有機分子の結合によって活性化又は
失活させられる、幾つかの人工的なリボザイムを生じさせるのに使用されている
。これらのアロステリックリボザイムのそれぞれは、2つの独立した構造ドメイ
ンから構成される:一方はRNAを分割するリボザイムであり、他方は特異的な
リガンドに対するレセプタ(又は「アプタマー」)である。末端が「適応性結合
」であるリガンド(22〜25)を導入することで、アプタマードメインに生じ
るコンホメーションの変化により、リボザイムのフォールディング(7、8)に
結局影響する幾つかの異なる機構によって、隣接する触媒的ドメインの動的調節
が引き起こされ得る。[0003] The rational design of the module is that some artificial, activated or inactivated by the binding of specific small organic molecules such as ATP (5, 8) and flavin mononucleotide (FMN) (9). Ribozymes. Each of these allosteric ribozymes is composed of two independent structural domains: one is a ribozyme that cleaves RNA, and the other is a receptor (or "aptamer") for a specific ligand. By introducing ligands (22-25) that are "adaptive binding" at the ends, a number of different mechanisms ultimately affect ribozyme folding (7, 8) through conformational changes that occur in the aptamer domain. Dynamic regulation of adjacent catalytic domains can be triggered.
【0004】 幾つかのグループの研究者達は、リボザイム又は他の核酸が、アッセイ等で使
用され得るかもしれないと示唆している。例えば、特異的な核酸のターゲット分
子の存在下で、非相補的な標識核酸の共ターゲットマーカーの分割及び解放に触
媒作用を及ぼすリボザイムを使用する診断が、開示されている(43)。特異的
なタンパク質又は核酸のコファクタなしでは触媒活性を持たず、同じ巨大分子の
コファクタの存在下でのみ触媒活性の特色をなす核酸分子が、治療の初期に有用
であると開示されている(44)。化学的エフェクタ及び/又は物理的シグナル
で、ポリヌクレオチドの機能又は立体配座を修飾する生物反応性のアロステリッ
クポリヌクレオチドが、診断及び触媒の目的のためのバイオセンサ及び/又は酵
素のために開示されている(45)。[0004] Several groups of researchers have suggested that ribozymes or other nucleic acids could be used in assays and the like. For example, diagnostics using ribozymes that catalyze the cleavage and release of a co-target marker of a non-complementary labeled nucleic acid in the presence of a specific nucleic acid target molecule have been disclosed (43). Nucleic acid molecules that do not have catalytic activity without specific protein or nucleic acid cofactors and that only exhibit catalytic activity in the presence of the same macromolecular cofactor have been disclosed to be useful early in therapy (44). ). Bioreactive allosteric polynucleotides that modify the function or conformation of a polynucleotide with chemical effectors and / or physical signals are disclosed for biosensors and / or enzymes for diagnostic and catalytic purposes. (45).
【0005】 現在までに報告されているほぼ全ての例において、アロステリックリボザイム
は、リボザイムドメインと、予め存在しているリガンドが結合しているドメイン
(又は「アプタマー」)を結合させることによって生じさせられ、選択的なリガ
ンド−応答性の構築物を製造している(9、65)。これらの方法では、予め存
在しているリボザイム及びリガンドが結合している構造を使用することを必要と
するので、現在利用可能なRNAドメインの数が限定されていることで、アロス
テリックリボザイム工学技術の用途の広さが制限されている。その上、単独又は
in vitroセレクション技術と組み合わせたモジュールの合理的なデザイ
ンは、予め存在しているアプタマー及びリボザイムモチーフからアロステリック
な触媒を製造するのに成功しているものの、その方法は遅くまた単調で退屈であ
り得る。特定された結合又は触媒特性を有する核酸を同定するために必要な、多
くのこれまでに記載されている手順では、結合、分配及び増幅の段階的な相互作
用が必要である(46〜53)。更には、モジュールの合理的なデザインしか使
用しないことによって、アプタマーモチーフが存在しないエフェクタによって制
御されるアロステリックリボザイムの開発が妨げられている。[0005] In almost all cases reported to date, allosteric ribozymes are generated by combining a ribozyme domain with a domain (or "aptamer") to which a pre-existing ligand is bound. Has produced a selective ligand-responsive construct (9,65). These methods require the use of structures to which pre-existing ribozymes and ligands are bound, thus limiting the number of currently available RNA domains, resulting in allosteric ribozyme engineering techniques. The range of applications is limited. Moreover, the rational design of modules, alone or in combination with in vitro selection techniques, has been successful in producing allosteric catalysts from pre-existing aptamers and ribozyme motifs, but the method is slow and tedious. Can be boring. Many previously described procedures required to identify nucleic acids with specified binding or catalytic properties require a stepwise interaction of binding, distribution and amplification (46-53). . Furthermore, the use of only rational design of the module has prevented the development of allosteric ribozymes controlled by effectors in the absence of aptamer motifs.
【0006】[0006]
正確なポリヌクレオチド分子センサを素早く生成させるための効果的な戦略を
与えるために、モジュールの合理的なデザイン、in vivoセレクション、
及び、アロステリックセレクションからなる組み合わされた適用を使用すること
が、本発明の目的である。 新規なセンサとして、また遺伝子発現調節及び/又は報告のためのin vi
vo遺伝子制御因子として、ポリヌクレオチドを使用する特異的な方法を提供す
ることが、本発明の他の目的である。 様々な臨床、産業、農業及び環境分析においいて使用するための、ポリヌクレ
オチド検出因子を提供することが、本発明の更なる目的である。Rational design of modules, in vivo selection, to provide an effective strategy to quickly generate accurate polynucleotide molecular sensors
It is an object of the present invention to use a combined application consisting of an allosteric selection. As a novel sensor and in vivo for gene expression regulation and / or reporting
It is another object of the present invention to provide a specific method using a polynucleotide as a vo gene regulator. It is a further object of the present invention to provide polynucleotide detectors for use in various clinical, industrial, agricultural and environmental assays.
【0007】[0007]
これらの及び多の目的は、本発明によって成し遂げられるが、それは、アクチ
ュエータドメイン、レセプタドメイン、及び、架橋ドメインからなり、レセプタ
ドメインにリガンドを結合させる等のシグナルの結果によって、アクチュエータ
ドメインの触媒活性及び/又はリポーター活性を次いで調節する、架橋ドメイン
中にコンホメーション変化を引き起こす精製された機能性ポリヌクレオチドを提
供する。ドメインは、部分的に又は完全にオーバーラップしていてもよいし、オ
ーバーラップしていなくてもよく、その結果1又はそれ以上のドメインの機能は
、同じポリヌクレオチド配列によって部分的エンコードされ得る。ポリヌクレオ
チドは、RNA及び/又はRNA類似体、若しくは、DNA及び/又はDNA類
似体からなり得る;3部からなるリボザイムが実施例に説明されている。These and many objects are achieved by the present invention, which consists of an actuator domain, a receptor domain, and a bridging domain, and depending on the result of a signal such as binding of a ligand to the receptor domain, the catalytic activity of the actuator domain and Provide a purified functional polynucleotide that causes a conformational change in the bridging domain, which then modulates reporter activity. Domains may be partially or completely overlapping or non-overlapping, so that the function of one or more domains may be partially encoded by the same polynucleotide sequence. The polynucleotide may consist of RNA and / or RNA analogs or DNA and / or DNA analogs; a three-part ribozyme is described in the examples.
【0008】 アロステリックなセレクションを使用する、マルチドメインポリヌクレオチド
センサのためのスクリーニング法もまた、提供される。典型的な方法では、マル
チドメインのアロステリックなポリヌクレオチドの構造成分は、ランダムな配列
のドメインで置きかえられ、in vitroセレクションを使用して、新規な
レセプタドメイン又は更に新規なアクチュエータドメインを発生させる。簡単に
言うと、例示的な方法を使用して、ポリヌクレオチドのリガンドが結合している
領域のランダム化によって、新規な構造的に異なるポリヌクレオチドを発生させ
、それは次いで他のリガンドと相互作用させられるためにスクリーニングされ得
る。[0008] Screening methods for multi-domain polynucleotide sensors using allosteric selection are also provided. In a typical method, the structural components of a multi-domain allosteric polynucleotide are replaced with domains of a random sequence, using in vitro selection to generate new receptor domains or even newer actuator domains. Briefly, using an exemplary method, randomization of the region of the polynucleotide to which the ligand is bound generates a new structurally distinct polynucleotide, which then interacts with the other ligand. To be screened.
【0009】 本発明のポリヌクレオチドセンサは、限定されるものではないが、有機及び/
又は無機化合物、金属イオン、医薬、微生物又は細胞の代謝産物、血液又は尿の
成分、他の体液の成分、及び、巨大分子等の、様々なリガンドを質的に又は量的
に測定するために使用される。このセンサはまた、温度、光、音、衝撃、pH及
びイオン状態等の電磁気的シグナル及び/又は物理的シグナルに応答するように
使用され得る。センサは、幾つかの実施形態においては固体担体に付着させられ
ている。検出因子として本発明のマルチドメインポリヌクレオチドを有するバイ
オセンサもまた、提供される。[0009] The polynucleotide sensors of the present invention include, but are not limited to, organic and / or
Or to qualitatively or quantitatively measure various ligands, such as inorganic compounds, metal ions, drugs, metabolites of microorganisms or cells, components of blood or urine, components of other body fluids, and macromolecules. used. This sensor can also be used to respond to electromagnetic and / or physical signals such as temperature, light, sound, shock, pH and ionic state. The sensor is, in some embodiments, attached to a solid support. Biosensors having the multi-domain polynucleotides of the invention as a detection agent are also provided.
【0010】 本発明のポリヌクレオチドセンサはまた、非侵襲性の診断及び遺伝子治療戦略
を含む、リガンド又はシグナルに応答して、遺伝子の発現を調節又は報告する、
遺伝子制御因子として、in vivo使用され得る。この見地においては、本
発明の方法は、細胞の遺伝的分子に本発明のポリヌクレオチドを実施可能的に結
合させることによる、細胞内の遺伝子の発現を調節するための方法を包含し、そ
の結果遺伝子によってエンコードされる生物学的又は表現型の活性は、アクチュ
エータドメインの活性の調節に従って調節される。RNAを使用する遺伝子の発
現を含む実施形態において、マルチドメインポリヌクレオチドセンサは、mRN
Aのコーディング領域、又は非常に近接した領域、また5’−先導領域又は3’
−末端領域に組み込まれ得る。DNAの実施形態において、ポリヌクレオチドセ
ンサは、シグナル遺伝子を破壊し、また遺伝子を発現する領域に組み込まれ得る
。[0010] The polynucleotide sensors of the invention also regulate or report the expression of genes in response to ligands or signals, including non-invasive diagnostic and gene therapy strategies.
As a gene regulator, it can be used in vivo. In this aspect, the method of the present invention includes a method for regulating the expression of a gene in a cell by operably linking the polynucleotide of the present invention to the genetic molecule of the cell, thereby comprising: The biological or phenotypic activity encoded by the gene is modulated according to the modulation of the activity of the actuator domain. In embodiments involving the expression of a gene using RNA, the multi-domain polynucleotide sensor comprises mRN
A coding region or very close region, also 5'-leading region or 3 '
-Can be incorporated into the terminal region. In DNA embodiments, the polynucleotide sensor can be integrated into the region that disrupts the signal gene and expresses the gene.
【0011】 本発明のリガンド応答性で他のマルチドメインセンサを生じさせる方法もまた
、モジュールの合理的なデザイン戦略を使用する、新規なアロステリックな分子
の発生によって提供される。典型的な実施形態においては、アロステリックリボ
ザイムの必要な構造成分は、in vitroセレクションを使用してスクリー
ニングされ得る、新規なエフェクタと結合している部位又は新規なエフェクタに
よって調節される触媒ドメインを有するポリヌクレオチドを製造するために、ラ
ンダムな配列のドメインで置き換えられる。簡単に言うと、一つの実施形態にお
いて、例えば、アロステリックリボザイムのリガンドが結合している領域のラン
ダム化によって、新規な構造の変化、並びに、リガンドの結合に応答する及び/
又は報告する際のそれらの効率のためにスクリーンされる、構造的に平行なポリ
ヌクレオチドのファミリーが生じる。このアロステリックなセレクション戦略を
使用することによって、非常に様々なエフェクタ分子に対して特異性を有する新
規なアロステリックリボザイムが生じる。 本発明のマルチドメインポリヌクレオチドセンサを使用する方法は、レセプタ
ドメインに結合する化学的リガンド等のシグナル剤の存在又は不存在に応答する
、ポリヌクレオチドを調製する方法と同様に、相応じて提供される。検出因子と
して、本発明のマルチドメインポリヌクレオチドを有する分析センサもまた提供
される。[0011] The method of generating other multi-domain sensors in a ligand-responsive manner of the present invention is also provided by the generation of novel allosteric molecules using rational design strategies for modules. In an exemplary embodiment, the necessary structural components of an allosteric ribozyme are polymorphic with a binding site for a novel effector or a catalytic domain regulated by the novel effector, which can be screened using in vitro selection. To produce nucleotides, they are replaced with domains of random sequence. Briefly, in one embodiment, for example, by randomizing the region to which the ligand of the allosteric ribozyme binds, the novel structure changes and responds to ligand binding and / or
Or a family of structurally parallel polynucleotides that are screened for their efficiency in reporting. Using this allosteric selection strategy results in novel allosteric ribozymes with specificity for a wide variety of effector molecules. Methods using the multi-domain polynucleotide sensors of the invention are provided correspondingly, as are methods for preparing a polynucleotide that respond to the presence or absence of a signaling agent such as a chemical ligand that binds to the receptor domain. You. Analytical sensors having the multi-domain polynucleotides of the invention as detection agents are also provided.
【0012】[0012]
本発明は、ポリヌクレオチドアクチュエータドメイン及びレセプタドメイン、
並びに、この二つの間の連結をする、架橋ドメインを組み合わせることによって
、正確なポリヌクレオチドセンサを与えることを見出したことに基づいている。
ドメインを混ぜて調和させる、モジュールの合理的なデザイン戦略を使用するこ
とによって、マルチドメインポリヌクレオチドは、多数の構造的に平行なセンサ
を生じさせるように修飾され、次いで最適な結合及び/又はレポート活性を示す
センサを同定するためにスクリーニングされる。The present invention provides a polynucleotide actuator domain and a receptor domain,
It is also based on the finding that combining the bridging domains, which provides a link between the two, provides an accurate polynucleotide sensor.
By using a modular design strategy that mixes and coordinates domains, multi-domain polynucleotides are modified to give rise to a large number of structurally parallel sensors, and then optimal binding and / or reporting Screened to identify sensors that show activity.
【0013】 本発明の実施の際には、アクチュエータドメイン、レセプタドメイン、及び、
架橋ドメインからなる、精製された機能性ポリヌクレオチドが、レセプタドメイ
ンへのリガンドの結合等のシグナル剤によって、アクチュエータドメインの活性
を調節する架橋ドメイン中にコンホメーション変化を引き起こす様に、生成させ
られるか又は選択される。全体の構造は、シグナル剤がレセプタドメインとの相
互作用によってレポータードメインを部分的に又は完全に「オン」又は「オフ」
とする、分子スイッチとして機能し、次いで架橋ドメインによって連結する。工
作されたセンサにおける分子架橋は、受動的ではないが、それよりも触媒アクチ
ュエータ又はレポーターアクチュエータの作用を活性化、加速、減速又は引き起
こす、機能性連結モジュールである。実際、下記により詳細に議論されるであろ
う通り、本発明は、レセプタドメインがリガンド又は物理的シグナルによって作
用させられる場合に、配列がアクチュエータドメインの活性を調節する様に、ポ
リヌクレオチド内のレセプタドメインとアクチュエータドメインを架橋する連結
モジュール配列をポリヌクレオチドに挿入することによって、ポリヌクレオチド
にアロステリック特性を与えるか又は高めるための方法を包含する。幾つかの実
施形態においては、異なる連結モジュールが、反応速度の運動論を変える等の触
媒又はレポーターアクチュエータの特性を修飾するために、更に使用される。他
の実施形態においては、架橋ドメインは、異なる構造全体としてはもはや存在し
ない様に、レセプタ又はレポータードメインをオーバーラップさせ得る。本発明
の新規なアロステリックポリヌクレオチドは、アクチュエータドメイン又はレセ
プタドメインを変えて、最適な検出活性及び/又はレポート活性を有するセンサ
を同定するために、その様に生成させられたセンサをスクリーニングすることに
よる、モジュールの合理的なデザイン戦略を使用して、生成させられる。この方
法を使用する幾つかの新規なRNAセンサの生成が、下記実施例3に説明されて
いる。In practicing the present invention, an actuator domain, a receptor domain, and
A purified functional polynucleotide consisting of a bridging domain is generated by a signaling agent, such as binding of a ligand to the receptor domain, to cause a conformational change in the bridging domain that regulates the activity of the actuator domain. Or selected. The overall structure may be such that the signal agent partially or completely “on” or “off” the reporter domain by interacting with the receptor domain.
Function as a molecular switch, and then are linked by a bridging domain. Molecular cross-linking in engineered sensors is a functional linking module that is not passive, but rather activates, accelerates, decelerates or causes the action of a catalytic or reporter actuator. Indeed, as will be discussed in more detail below, the present invention relates to the use of a receptor within a polynucleotide such that a sequence modulates the activity of an actuator domain when the receptor domain is acted upon by a ligand or a physical signal. Includes methods for imparting or enhancing allosteric properties to a polynucleotide by inserting into the polynucleotide a linking module sequence that bridges the domain and the actuator domain. In some embodiments, different coupling modules are further used to modify the properties of the catalyst or reporter actuator, such as altering the kinetics of the reaction rate. In other embodiments, a bridging domain may overlap a receptor or reporter domain such that it is no longer present as a whole different structure. The novel allosteric polynucleotides of the present invention are by altering the actuator domain or the receptor domain to screen sensors so generated to identify sensors with optimal detection and / or reporting activity. , Generated using the module's rational design strategy. The generation of some novel RNA sensors using this method is described in Example 3 below.
【0014】 他の更なるドメインはまた、例えばセンサによって試験される混合物中の多成
分の測定又は検出のための複数のレセプタドメイン等の、構築物の一部であって
もよい。2又はそれ以上のドメインは、部分的に又は完全にオーバーラップして
いてもよいし、オーバーラップしていなくてもよい、即ち部分的にオーバーラッ
プしている配列及びオーバーラップしていない配列の両方を含有していてもよい
。この様に、本明細書中で使用される通り、「ドメイン」は機能的な意味であり
、物理的な意味ではなく、本発明のセンサは、直接的に又は間接的に共に結合し
た少なくとも3つの異なる配列の異なる組み合わせから構成される必要もないが
、その代わりにドメイン中の塩基の幾つか又は全てが、互いにオーバーラップし
ている配列から構成され得る。[0014] Other additional domains may also be part of the construct, such as, for example, multiple receptor domains for the measurement or detection of multiple components in a mixture being tested by a sensor. The two or more domains may be partially or completely overlapping or non-overlapping, i.e., of partially overlapping sequences and non-overlapping sequences. Both may be contained. Thus, as used herein, “domain” is in a functional sense, not a physical sense, and a sensor of the present invention may have at least three directly or indirectly bound together. It need not be composed of different combinations of the three different sequences, but instead some or all of the bases in the domain may be composed of sequences that overlap each other.
【0015】 本発明のマルチドメインポリヌクレオチド分子センサは、RNA、RNA類似
体、DNA、DNA類似体、又は、それらの混合物であり得る。類似体としては
、化学的に変性させられた塩基及び珍しい自然塩基等が挙げられ、限定されるも
のではないが、4−アセチルシチジン、5−(カルボキシヒドロキシメチル)ウ
リジン、2’−O−メチルシチジン、5’−カルボキシメチルアミノメチル−2
−チオリジン、5−カルボキシメチルアミノメチルウリジン、ジヒドロウリジン
、2’−O−メチルシュードウリジン、β−D−ガラクトシルキューオシン、2
’−O−メチルグアノシン、イノシン、N6−イソペンテニルアデノシン、1−
メチルアデノシン、1−メチル−シュードウリジン、1−メチルグアノシン、1
−メチルイノシン、2,2−ジメチルグアノシン、2−メチルグアノシン、2−
メチルアデノシン、3−メチルシチジン、5−メチルシチジン、N6−メチルア
デノシン、7−メチルグアノシン、5−メチルアミノメチルウリジン、5−メト
キシ−アミノメチル−2−チオウリジン、β−D−マンノシルキューオシン、5
−メトキシカルボニルメチルウリジン、5−メチルオキシウリジン、2−メチル
チオ−N6−イソペンテニルアデノシン、N((9−β−D−リボ−フラノシル
−2−メチルチオプリン−6−イル)カルバモイル)トレオニン、N−((9−
β−D−リボフラノシル−プリン−6−イル)N−メチル−カルバモイル)トレ
オニン、ウリジン−5−オキシ酢酸メチルエステル、ウリジン−5−オキシ酢酸
、ワイブトキソシン、シュードウリジン、キューオシン、2−チオシチジン、5
−メチル−2−チオウリジン、2−チオウリジン、4−チオウリジン、5−メチ
ルウリジン、N−((9−β−D−リボフラノシルプリン−6−イル)カルバモ
イル)トレオニン、2’−O−メチル−5−メチルウリジン、2’−O−メチル
ウリジン、ワイブトシン、及び、3−(3−アミノ−3−カルボキシプロピル)
ウリジンである。標準的な手段を使用してセンサを調製している間又は後に修飾
されたポリヌクレオチドも、更に本発明に包含される。[0015] The multi-domain polynucleotide molecule sensor of the present invention can be RNA, RNA analog, DNA, DNA analog, or a mixture thereof. Analogs include chemically modified bases and unusual natural bases, including but not limited to 4-acetylcytidine, 5- (carboxyhydroxymethyl) uridine, 2′-O-methyl Cytidine, 5'-carboxymethylaminomethyl-2
-Thiolysine, 5-carboxymethylaminomethyluridine, dihydrouridine, 2'-O-methyl pseudouridine, β-D-galactosylcuosin, 2
'-O-methylguanosine, inosine, N6-isopentenyladenosine, 1-
Methyladenosine, 1-methyl-pseudouridine, 1-methylguanosine, 1
-Methyl inosine, 2,2-dimethyl guanosine, 2-methyl guanosine, 2-
Methyladenosine, 3-methylcytidine, 5-methylcytidine, N6-methyladenosine, 7-methylguanosine, 5-methylaminomethyluridine, 5-methoxy-aminomethyl-2-thiouridine, β-D-mannosylcuosin, 5
-Methoxycarbonylmethyluridine, 5-methyloxyuridine, 2-methylthio-N6-isopentenyladenosine, N ((9-β-D-ribo-furanosyl-2-methylthiopurin-6-yl) carbamoyl) threonine, N- ((9-
β-D-ribofuranosyl-purin-6-yl) N-methyl-carbamoyl) threonine, uridine-5-oxyacetic acid methyl ester, uridine-5-oxyacetic acid, wibutoxocin, pseudouridine, cuocin, 2-thiocytidine, 5
-Methyl-2-thiouridine, 2-thiouridine, 4-thiouridine, 5-methyluridine, N-((9-β-D-ribofuranosylpurin-6-yl) carbamoyl) threonine, 2′-O-methyl- 5-methyluridine, 2'-O-methyluridine, wibutosin, and 3- (3-amino-3-carboxypropyl)
Uridine. Polynucleotides modified during or after preparation of the sensor using standard means are further encompassed by the present invention.
【0016】 上記に要約される通り、本発明のポリヌクレオチドセンサは、デザインされ、
独立して又は共に構築されて、レセプタドメインへのリガンド及び/又はシグナ
ルの結合によって、アクチュエータドメインの活性を調節する架橋ドメイン中に
コンホメーション変化を引き起こす様に、架橋ドメインと連結した、アクチュエ
ータドメイン及びレセプタドメインを構成する。それらは、リガンド及び/又は
シグナルに対して応答性であるので、本発明のマルチドメインポリヌクレオチド
は、様々な用途、特には臨床、産業、農業及び環境分析における検出因子として
、及び、遺伝子発現のための遺伝子制御又は報告因子としての用途を有する。As summarized above, the polynucleotide sensor of the present invention has been designed,
An actuator domain, constructed independently or together, linked to a cross-linking domain such that binding of a ligand and / or signal to the receptor domain causes a conformational change in the cross-linking domain that regulates the activity of the actuator domain And a receptor domain. Because they are responsive to ligands and / or signals, the multi-domain polynucleotides of the invention can be used in a variety of applications, particularly as detectors in clinical, industrial, agricultural and environmental assays, and for gene expression. It has uses as a gene control or reporting factor.
【0017】 本発明のセンサは、溶液状、又は、懸濁液状、又は、固体担体に付着して使用
され得る。単独又は分析キット又はプローブの成分として、ポリヌクレオチドと
試料を接触させることによって、試料中のリガンド又はシグナルの存在又は不存
在を検出するために、ポリヌクレオチドは使用される。これらの方法の典型的な
実施の際には、試料は、アクチュエータドメインによって生成させられる触媒効
果又はレポーター効果を観察するのに十分な条件下である時間、ポリヌクレオチ
ド又は検出因子としてポリヌクレオチドからなる装置を用いて培養する。これは
、ポリヌクレオチドの自己分解又は結そくの測定及び/又は観察;放射性、蛍光
性、又は、発色団のタグの結合;モノクロナール又は融合ファージ抗体の結合;
若しくは、成分濃度、分光光度特性又は電気特性の変化等の、当業者に知られて
いるいずれかの方法を使用して監視される。電位差計の電極、FETs、様々な
プローブ、レドックス規定能等を使用する現在のバイオセンサ技術が、アクチュ
エータドメインによって開始させられるポリヌクレオチドの機能又は立体配座に
おける変化の測定に、本発明の新規なポリヌクレオチドセンサと組み合わせて使
用するのに適合し得ることが、本発明の利点である。The sensor of the present invention can be used in the form of a solution, a suspension, or attached to a solid carrier. The polynucleotide is used to detect the presence or absence of a ligand or signal in the sample, by contacting the sample with the polynucleotide, alone or as a component of an analysis kit or probe. In a typical implementation of these methods, the sample consists of the polynucleotide or polynucleotide as a detection agent for a period of time under conditions sufficient to observe the catalytic or reporter effect generated by the actuator domain. Incubate using the device. This includes measuring and / or observing autolysis or conjugation of the polynucleotide; binding of radioactive, fluorescent or chromophore tags; binding of monoclonal or fusion phage antibodies;
Alternatively, it is monitored using any method known to those skilled in the art, such as a change in component concentration, spectrophotometric or electrical properties. Current biosensor technology using potentiometric electrodes, FETs, various probes, redox-defining capabilities, and the like, provides a novel method for measuring changes in the function or conformation of a polynucleotide initiated by an actuator domain. It is an advantage of the present invention that it can be adapted for use in combination with a polynucleotide sensor.
【0018】 本発明のセンサは、化合物又は他のリガンドの存在又は不存在、並びに、その
濃度を検出するのに使用され得る。センサは、限定されるものではないが、全て
のタイプの有機及び無機化合物、金属イオン、鉱物、巨大分子、ポリマー、油、
微生物又は細胞の代謝産物、血液又は尿の成分、生物試料から得られる他の体液
、農薬、除草薬、毒素、生物ではない物質、及び、これらのいずれかの組み合わ
せ等のいずれのタイプのリガンドをも検出するように工作され得る。有機化合物
としては、アミノ酸、ペプチド、ポリペプチド、核酸、ヌクレオシド、ヌクレオ
チド、糖、炭水化物、ポリマー及び脂質等の、上記に述べたものに加えて様々な
生化学製品が挙げられる。1又はそれ以上のリガンドは、幾つかの実施形態にお
いて同じセンサによって感知され得る。The sensors of the present invention can be used to detect the presence or absence, as well as the concentration, of a compound or other ligand. Sensors include, but are not limited to, all types of organic and inorganic compounds, metal ions, minerals, macromolecules, polymers, oils,
Any type of ligand, such as metabolites of microorganisms or cells, components of blood or urine, other body fluids obtained from biological samples, pesticides, herbicides, toxins, non-living substances, and combinations of any of these Can also be engineered to detect. Organic compounds include various biochemical products in addition to those mentioned above, such as amino acids, peptides, polypeptides, nucleic acids, nucleosides, nucleotides, sugars, carbohydrates, polymers and lipids. One or more ligands may be sensed by the same sensor in some embodiments.
【0019】 この様に、本発明のセンサは、グルコース、電解質、代謝産物及びガス等の血
液成分の測定;血清分析測定;バクテリア及びウイルス分析;医薬及び薬の分析
:薬のデザイン;細胞認識/組識適合性;細胞癒着研究;バクテリア及びウイル
ス分析;DNAプローブのデザイン;遺伝子の同定;及びホルモンレセプタ結合
等の、臨床診断並びに医学及び獣医学の広い用途を有する。産業用途としては、
ビタミン及び他の成分、トキシン及び食品中の微生物の検出;計量棒試験等の軍
事用途;産業排出物制御;公害制御及び監視;遠隔検出;プロセス制御;分離化
学;及びバイオコンピューティング等が挙げられる。農業用途としては、農場及
び庭園分析、及び遺伝子制御の評価、及び遺伝子導入植物及び動物における、化
合物特には低分子化合物の影響(in vivo測定を含む)等が挙げられる。
複数のセンサが、図16に描かれる様な単一の検出因子又はチップ上に置かれて
、複数のリガンド及び他のシグナル剤を検出し得る。As described above, the sensor of the present invention can measure blood components such as glucose, electrolytes, metabolites, and gas; serum analysis measurement; bacterial and virus analysis; drug and drug analysis: drug design; It has broad clinical diagnostic and medical and veterinary applications, such as tissue compatibility; cell adhesion studies; bacterial and viral analysis; DNA probe design; gene identification; and hormone receptor binding. For industrial use,
Detection of vitamins and other components, toxins and microorganisms in food; military applications such as bar test; industrial emission control; pollution control and monitoring; remote detection; process control; separation chemistry; . Agricultural applications include farm and garden analysis, evaluation of gene regulation, and the effects of compounds, particularly low molecular weight compounds (including in vivo measurements), on transgenic plants and animals.
Multiple sensors can be placed on a single detector or chip as depicted in FIG. 16 to detect multiple ligands and other signaling agents.
【0020】 代わりの実施形態において、又は、リガンド検出と組み合わせて、本発明のマ
ルチドメインポリヌクレオチドセンサは、限定されるものではないが、図11に
描かれる閉じ込められたエフェクタのUV照射等の照射、温度変化、pH、イオ
ン濃度、衝撃、音、及びそれらの組み合わせ等の、分子コンホメーション、物理
的シグナル、電磁気的シグナルにおける変化、及び、それらの組み合わせによっ
て測定可能な、エネルギーの受容における如何なる変化にも応答するように作成
され得る。In an alternative embodiment, or in combination with ligand detection, the multi-domain polynucleotide sensor of the present invention provides, but is not limited to, irradiation, such as UV irradiation of a confined effector depicted in FIG. Any change in molecular conformation, physical signal, electromagnetic signal, such as temperature change, pH, ionic concentration, impact, sound, and combinations thereof, and any energy reception measurable by the combination. It can be made to respond to changes.
【0021】 リガンド又はシグナルによる刺激の際に、アクチュエータドメインは、その触
媒機能又はレポーター機能を修飾する。ポリヌクレオチドの立体配座又は機能に
おける変化の観察が、これを測定するために使用され得る。多くの実施形態にお
いて、標準的なアッセイを使用して、ポリヌクレオチドの自己分解又は結そく、
基質の分解若しくは触媒反応生成物の生成の測定及び/又は観察等の、化学反応
の観察がなされる。換言すると、放射性、蛍光性又は発色団のタグを単に結合す
ること、モノクロナール又は融合ファージ抗体を結合すること、又はタグのつい
た抗体を結合することが、観察される。この代わりに、成分濃度、温度、pH、
様相、分光光度特性又は電気特性等における変化が、観察され得る。Upon stimulation by a ligand or signal, the actuator domain modifies its catalytic or reporter function. Observation of changes in the conformation or function of the polynucleotide can be used to measure this. In many embodiments, standard assays are used to autolyze or ligate polynucleotides,
An observation of a chemical reaction is made, such as measuring and / or observing decomposition of a substrate or formation of a catalytic reaction product. In other words, simply binding radioactive, fluorescent or chromophore tags, binding monoclonal or fusion phage antibodies, or binding tagged antibodies is observed. Instead, ingredient concentration, temperature, pH,
Changes in aspects, spectrophotometric or electrical properties, etc. can be observed.
【0022】 上記に述べられている通り、本発明は相応じて、リガンド及び/又はシグナル
に応答性の、本発明のポリヌクレオチドセンサと試料を接触させることによって
、1又はそれ以上のリガンド及び/又はシグナルを検出する方法を提供する。固
体担体についた多くのケースでは、1つ以上のリガンド及び/又はシグナルに応
答性のセンサの使用、異なるリガンド及び/又はシグナルにそれぞれ応答する複
数のセンサのアレーの直列使用、及び、1つ以上のリガンド及び/又はシグナル
に応答性のセンサと複数のセンサの直列使用が、本発明に包含される。As mentioned above, the present invention accordingly provides for contacting a sample with a polynucleotide sensor of the present invention, which is responsive to ligands and / or signals, by contacting the sample with one or more ligands and / or Alternatively, a method for detecting a signal is provided. In many cases with a solid support, the use of sensors responsive to one or more ligands and / or signals, the use of an array of sensors responsive to different ligands and / or signals, respectively, and one or more The use of multiple sensors in tandem with a ligand and / or signal responsive sensor is encompassed by the present invention.
【0023】 本発明のマルチドメインポリヌクレオチドセンサはまた、in vivoでの
遺伝子の発現の制御及び/又は報告のために使用され得る。例えば、新規なアロ
ステリックな結合特異性及び精巧な動的特性を示すリボザイムは、アロステリッ
クなセレクションを使用して生成させられ、生物学的に重要な触媒性能のレベル
を有する細胞の内側で機能させられる。これらの実施形態において、有機物の細
胞内の遺伝子発現の調節又は報告は、遺伝子によってエンコードされた生物学的
活性又は表現型の活性が、アクチュエータドメインの活性の調節に従って、調節
される様に、細胞内の遺伝子分子にセンサを実施可能に結合させることによって
達成される。RNAセンサは、そのセンサがそのセンサの対応するリガンド及び
/又はシグナルの存在下で、遺伝子翻訳の発現を刺激し、終了させ、又は調節す
るように機能する限りは、興味のある遺伝子をエンコードする、mRNAのコー
ディング領域、又はそれに非常に近接した領域、若しくは5’−先導領域又は3
’−末端領域のいずれかの場所に組み込まれ得る。同様に、DNAセンサは、そ
のセンサがそのセンサの対応するリガンド及び/又はシグナルの存在下で、遺伝
子翻訳の発現を刺激し、終了させ、又は調節するように機能する限りは、遺伝子
の自己破壊をエンコードする領域、遺伝子の発現の上流の領域、並びに、遺伝子
のコーディング領域等の、興味のある遺伝子又はそれを調節する遺伝子のいずれ
かの場所に組み込まれ得る。The multi-domain polynucleotide sensor of the present invention can also be used for controlling and / or reporting the expression of a gene in vivo. For example, ribozymes exhibiting novel allosteric binding specificities and exquisite kinetic properties can be generated using allosteric selection and function inside cells with levels of biologically important catalytic performance . In these embodiments, the regulation or reporting of the gene expression of the organism in the cell is such that the biological or phenotypic activity encoded by the gene is regulated according to the regulation of the activity of the actuator domain. This is achieved by operably coupling the sensor to the genetic molecule within. An RNA sensor encodes a gene of interest as long as the sensor functions to stimulate, terminate, or regulate the expression of gene translation in the presence of the sensor's corresponding ligand and / or signal. , MRNA coding region, or region very close to it, or 5'-leading region or 3
'-Terminal region can be incorporated anywhere. Similarly, a DNA sensor is capable of self-destruction of a gene as long as the sensor functions to stimulate, terminate, or regulate the expression of gene translation in the presence of the sensor's corresponding ligand and / or signal. The region encoding the gene of interest, the region upstream of gene expression, as well as the coding region of the gene, can be incorporated anywhere in the gene of interest or the gene that regulates it.
【0024】 センサは、細胞に異質の遺伝子を導入する標準的な方法を使用して、遺伝子発
現の制御及び/又は報告のために遺伝的分子の中に挿入される。方法論は、興味
のある遺伝子に依存するが、典型的にはプラスミド;ヘルペス、アデノ、アデノ
随伴、ワクシニア、レトロウィルス及び他の挿入ベクターウイルス及びリポソー
ムを使用する、細胞のトランスフェクション、細胞のトランスフォーメーション
、又は、トランスダクション等が挙げられる。一般的ではないが、細胞の遺伝物
質の分解、続く結そくによるむき出しのRNA(又はDNA)の挿入もまた、使
用し得る。Sensors are inserted into genetic molecules for the control and / or reporting of gene expression using standard methods for introducing foreign genes into cells. The methodology depends on the gene of interest, but typically transfects cells, transforms cells using plasmids; herpes, adeno, adeno-associated, vaccinia, retroviruses and other inserted vector viruses and liposomes. Or transduction. Less commonly, the degradation of cellular genetic material, followed by the insertion of exposed RNA (or DNA) by ligation, may also be used.
【0025】 遺伝子の発現は、微生物、植物及び動物を含む如何なるタイプの有機物におい
ても、調節されるか又は報告され得る。遺伝子の調節は、標準的な方法を使用し
て、適当なリガンド及び/又はシグナルを、遺伝分子についたセンサを有する細
胞に投与することによって達成される。例えば、微生物へのリガンドの投与は、
典型的には媒体中にリガンドを添加するか又はそれを除去することによって、又
はバクテリア、イースト又は糸状菌を撒き散らすことによって簡単に達成される
。リガンドは、植物それ自身にスプレー又は注入することによって、又は、それ
を土壌に塗工及び/又は水と共に塗工することによって、植物に投与され得る。
リガンドは、経口的に、局所的に、静脈血管内に及び、腹膜内に、典型的には製
薬的に許容可能な担体と組み合わせて、動物に投与され得る。遺伝子発現の報告
は相応じて、リガンドに結合するレセプタを測定することによって決められ、有
機物に投与されるか又は有機物によって製造される、興味のある、ほぼ全ての生
物学的な又は製薬的な化合物の非侵襲性の診断に使用され得る。この文脈では、
本発明のマルチドメインポリヌクレオチドは、非侵襲性の診断において、並びに
、治療のリボザイムの制御のための両方に有用である。[0025] Gene expression can be regulated or reported in any type of organism, including microorganisms, plants and animals. Modulation of a gene is achieved using standard methods by administering an appropriate ligand and / or signal to cells having a sensor attached to the genetic molecule. For example, administration of a ligand to a microorganism
It is typically achieved simply by adding or removing the ligand in the medium, or by sprinkling bacteria, yeast or fungi. The ligand can be administered to the plant by spraying or injecting the plant itself, or by applying it to the soil and / or with water.
The ligand may be administered to the animal orally, topically, intravenously, intravenously, and intraperitoneally, typically in combination with a pharmaceutically acceptable carrier. Reporting of gene expression is correspondingly determined by measuring the receptor binding to the ligand and is administered to or produced by organic matter, almost any biological or pharmaceutical of interest. It can be used for non-invasive diagnosis of compounds. In this context,
The multidomain polynucleotides of the present invention are useful both in non-invasive diagnostics, and for the control of therapeutic ribozymes.
【0026】 本発明は相応じて、レセプタドメイン及び/又はシグナルへのリガンドの結合
によって、アクチュエータドメインの活性を調節する架橋ドメイン中にコンホメ
ーション変化を引き起こす様に、アクチュエータドメイン、レセプタドメイン、
及び、架橋ドメインを共に結合させることからなる、化学的エフェクタ又は他の
リガンド、物理的シグナル、電磁気的シグナル又はそれらの組み合わせの存在又
は不存在に応答する、ポリヌクレオチドを調製するための方法を提供する。他の
センサは、異なるセンサからのドメインを混合し適合させることによって、開発
され得る。The present invention accordingly provides for the actuation of the actuator domain, the receptor domain, the receptor domain, the receptor domain,
And providing a method for preparing a polynucleotide responsive to the presence or absence of a chemical effector or other ligand, a physical signal, an electromagnetic signal or a combination thereof, comprising binding the cross-linking domains together. I do. Other sensors can be developed by mixing and matching domains from different sensors.
【0027】 本発明の幾つかのセンサは、アロステリックなセレクションによって開発され
る。アロステリックなセレクションは、アプタマーがこれまでに同定されていな
いリガンドによって制御される、アロステリックな核酸酵素の開発のための、i
n vitroセレクション技術である。この能力において、アロステリックな
セレクションはまた、結合されたターゲットリガンドよりもアプタマーの生成へ
の新規な研究手法を表わす。この目的のために、ランダムな配列のライブラリー
は、図1及び8に描かれているハンマーヘッド型リボザイム等の、触媒核酸モチ
ーフに典型的には付けられる。ランダムなドメインは、リボザイムに直接付けら
れ得るか(図1A)、又は存在する「連結モジュール」によって付けられ得る(
図1B及び8)。後者の場合では、連結モジュールは、ターゲットリガンドの不
存在下で、リボザイムドメイン内で自己分解を抑制すると考えられる。この方法
では、ランダム領域から誘導される独特の配列に結合するリガンドが、リボザイ
ムの分解に助けとなるコンホメーション変化を引き起こす場合には、ターゲット
リガンドの存在下での自己分解に対するin vitroセレクションにより、
新規なアプタマー及びアロステリックリボザイムが生じるであろう。Some sensors of the present invention are developed with an allosteric selection. Allosteric selection is an i.p. for the development of allosteric nucleic acid enzymes in which aptamers are controlled by previously unidentified ligands.
It is an n vitro selection technique. In this capacity, allosteric selection also represents a novel approach to aptamer generation over bound target ligand. To this end, a library of random sequences is typically attached to a catalytic nucleic acid motif, such as the hammerhead ribozyme depicted in FIGS. The random domain can be attached directly to the ribozyme (FIG. 1A) or by an existing “ligation module” (
1B and 8). In the latter case, the ligation module would suppress autolysis within the ribozyme domain in the absence of the target ligand. In this method, if ligand binding to a unique sequence derived from the random region causes a conformational change that aids in ribozyme degradation, in vitro selection for autolysis in the presence of the target ligand ,
New aptamers and allosteric ribozymes will result.
【0028】 このセレクション戦略を使用して、第二のメッセンジャーであるcGMP及び
cAMPを含む4つの天然の3’,5’−サイクリックモノヌクレオチドが、実
施例3のハンマーヘッド型リボザイムによって標的にされた。分子のこの収集に
よって、生物学的に重要であり、RNAの構造形成及び分子認識能力に挑戦する
異なる一組のターゲットが与えられる。それらの対応するエフェクタ化合物を用
いて培養した時のみ、素早く自己分解するリボザイムが同定された。代表的なR
NAは、cGMP又はcAMPの存在下で、5000−フォールド活性化を示し
、従って正確な分子認識特性を示し、変えられていないリボザイムによって示さ
れる触媒速度に合致する触媒速度で作用する。これらの発見によって、莫大な数
の動的構造特性を有するリガンド応答性リボザイムが、大規模で平行な方法で生
じさせられ得ることが示される。その上、最適化されたアロステリックリボザイ
ムによって、細胞のRNAのプログラムに組み込まれた破壊に対して、化学試薬
又は遺伝制御因子としての特に選択的なセンサが提供される。Using this selection strategy, four natural 3 ′, 5′-cyclic mononucleotides, including the second messengers cGMP and cAMP, are targeted by the hammerhead ribozyme of Example 3. Was. This collection of molecules provides a different set of targets that are biologically important and challenge the structure formation and molecular recognition capabilities of RNA. Only when cultured with their corresponding effector compounds, ribozymes that rapidly self-degrade were identified. Typical R
NA exhibits 5000-fold activation in the presence of cGMP or cAMP, and thus exhibits precise molecular recognition properties and operates at a catalytic rate consistent with that exhibited by the unaltered ribozyme. These findings indicate that ligand-responsive ribozymes with a vast number of dynamic structural properties can be generated in a massively parallel manner. Moreover, the optimized allosteric ribozymes provide a particularly selective sensor as a chemical reagent or genetic regulator for the programmed destruction of cellular RNA.
【0029】 小さいリガンドに対するアプタマーのアロステリックなセレクションは、アプ
タマーのセレクションに対する従来のアフィニティークロマトグラフィー法と比
較して、2つの顕著な利点を有する。第一に、多くのリガンドに対するアプタマ
ーが、アフィニティークロマトグラフィーによって与えられる骨の折れる単一の
リガンド−単一のアプタマーセレクション戦略よりもむしろ、一度のセレクショ
ンで生じさせられ得る。第二に、アプタマーが固体担体上に共有結合的に修飾さ
れ、固定化されるリガンドよりもむしろ、溶液中の遊離のリガンドを結合するよ
うに選択される。この見地によって、全体のリガンドに完全に近づく可能性のあ
るアプタマーが与えられる。この研究手法を使用して、如何なるエフェクタ−リ
ボザイムの対をも開発し得ることが、考えられる。それ故に、核酸の開発のこの
独自の方法は、小さい有機化合物、ペプチド又はタンパク質、又は他の核酸等の
様々なリガンドと相互作用する核酸の開発に使用され得る。結合しているリガン
ドに加えて、アロステリックなセレクションによって、pH、温度、イオン状態
又は光等の様々な物理的現象を検出し得る、核酸モチーフを開発する手段をも与
えられる。[0029] Allosteric selection of aptamers for small ligands has two significant advantages as compared to traditional affinity chromatography methods for aptamer selection. First, aptamers for many ligands can be generated in a single selection, rather than the laborious single ligand-single aptamer selection strategy provided by affinity chromatography. Second, the aptamer is covalently modified on a solid support and selected to bind free ligand in solution, rather than immobilized ligand. This aspect provides aptamers that may be fully accessible to the entire ligand. It is contemplated that any effector-ribozyme pair can be developed using this approach. Therefore, this unique method of nucleic acid development can be used to develop nucleic acids that interact with various ligands, such as small organic compounds, peptides or proteins, or other nucleic acids. In addition to the bound ligand, allosteric selection also provides a means to develop nucleic acid motifs that can detect various physical phenomena such as pH, temperature, ionic state or light.
【0030】 如何なる理論にも束縛されることを望むものではないが、架橋ドメインによっ
て与えられる連結モジュール機能は、下記実施例1に記載される「スリップ構造
」相互変換等の機構の1つ又は組み合わせによって、本発明のセンサ内で達成さ
れると考えられる。制御はまた、小さい化合物の結合等の立体相互作用、エフェ
クタの存在下又は不存在下でのアンフォールディング又はミスフォールディング
等の構造安定化、簡単な核酸塩基対に基づくアンチセンス効果及び/又は第四級
構造を使用して達成され得る。如何なるタイプのリガンド結合の中継、若しくは
、レセプタドメインによって感知される物理的又は電磁気的効果は、架橋ドメイ
ンによってアクチュエータ(レポーター又は触媒)ドメインに情報を移すために
使用され得る。Without wishing to be bound by any theory, the link module function provided by the bridging domain may be one or a combination of mechanisms such as the “slip structure” interconversion described in Example 1 below. Is believed to be achieved in the sensor of the present invention. Control also includes steric interactions such as binding of small compounds, structural stabilization such as unfolding or misfolding in the presence or absence of effectors, antisense effects based on simple nucleobase pairs, and / or quaternary interactions. This can be achieved using a graded structure. Any type of ligand binding relay, or physical or electromagnetic effect sensed by the receptor domain, can be used to transfer information to the actuator (reporter or catalytic) domain via the bridging domain.
【0031】 センサとしてポリヌクレオチドを使用することによって、多くの市販の方法及
び工業的方法におけるタンパク質をベースとする酵素と比べて利点が与えられる
ことが、本発明の利点である。タンパク質の安定性、供給、基質特異性、及び、
変えられない反応条件等の問題全てが、天然の生物触媒を実用的に実行すること
を制限している。DNAは、決められた反応条件下でセンサとして働くように工
作され得る。その上、DNAから造られたセンサは、非常により安定であると考
えられ、自動化されたオリゴヌクレオチド合成によって容易に製造され得る。加
えて、DNA及びRNAセンサの両方ともが、固体担体上で機能する能力のため
に選択され得り、固定化される場合にそれらの活性は保持されると考えられる。It is an advantage of the present invention that the use of polynucleotides as sensors provides advantages over protein-based enzymes in many commercial and industrial methods. Protein stability, supply, substrate specificity, and
All issues, such as unchangeable reaction conditions, limit the practical implementation of natural biocatalysts. DNA can be engineered to act as a sensor under defined reaction conditions. Moreover, sensors made from DNA are considered to be much more stable and can be easily manufactured by automated oligonucleotide synthesis. In addition, both DNA and RNA sensors can be selected for their ability to function on a solid support, and when immobilized, their activities would be retained.
【0032】 述べられた通り、本発明は更に、アッセイ、診断、触媒プロセス等の固体担体
に付いたマルチドメインポリヌクレオチド分子センサを使用することも包含する
。新規なRNA又はDNA酵素を固定化することにより、個々の試料を試験する
ための、又は、生理学的及び非生理学的な両条件下で、連続流動反応器中におい
て、リガンド又は化学的形質変換の効率的な検出のために、コーティングされた
表面の新規な形体が提供される。新規なセンサの工作は、使用者が決めた条件下
で、或るリガンド又はシグナルへ効率的に応答するようにそれぞれあつらえられ
得る。DNAホスホジエステル結合の安定性が高いために、マルチドメインDN
Aセンサでコーティングされる場合にこの様な表面は、タンパク質酵素又はリボ
ザイムでコーティングされ得る同様の表面よりも非常に長く活性を残すと考えら
れる。As noted, the present invention further encompasses the use of multi-domain polynucleotide molecule sensors on solid supports such as assays, diagnostics, catalytic processes, and the like. Immobilization of novel RNA or DNA enzymes to test ligand or chemical transformation in continuous flow reactors for testing individual samples or under both physiological and non-physiological conditions Novel features of the coated surface are provided for efficient detection. The fabrication of the new sensor can be tailored to respond efficiently to certain ligands or signals, respectively, under user-defined conditions. Due to the high stability of DNA phosphodiester bonds, multi-domain DN
It is believed that such surfaces when coated with the A sensor will remain active much longer than similar surfaces that can be coated with protein enzymes or ribozymes.
【0033】 様々な異なるクロマトグラフィー樹脂及びカップリング法が、担体上に本発明
のセンサを固定するのに使用され得る。例えば、これまでに記載される通り(4
5)、ビオチンに対するストレプタビジンの強い結合親和力を利用する簡単な非
共有結合法が、使用され得る。他の実施形態では、センサはマトリックスへの共
有結合によってカラムの担体に結合され得り、それによって寿命の長いバイオセ
ンサを生じ得る。温度、試料調製、センサの大きさ及び感度等のその系の様々な
パラメーターが、最適な感知特性を与えるために調整され得る。事実、これらの
パラメーターは、固定化されたセンサによって示される動的特性又は他の特性に
基づいて存在し得る。[0033] A variety of different chromatography resins and coupling methods can be used to immobilize the sensors of the present invention on a carrier. For example, as described previously (4
5), a simple non-covalent method utilizing the strong binding affinity of streptavidin for biotin can be used. In other embodiments, the sensor can be attached to the column carrier by covalent attachment to a matrix, thereby producing a long-lived biosensor. Various parameters of the system, such as temperature, sample preparation, sensor size and sensitivity, can be adjusted to provide optimal sensing characteristics. In fact, these parameters can be based on dynamic or other characteristics exhibited by the immobilized sensor.
【0034】 結論として、酵素工学への合理的な組み合わせられた研究手法(41)を同時
に使用することによって、新規なリボザイム及び他のセンサをデザインするのに
強力な研究手法が与えられる。下記に説明される通り、幾つかの実施形態では、
ポリヌクレオチド工学のこの戦略を使用して生じさせられた3部からなるリボザ
イム構築物は、様々な小さい有機化合物に対して非常に特異的なセンサとして機
能する。これらの構築物の臨界的な成分は、リガンド−応答性の架橋因子である
。これらの動的構造ドメインは、3部からなる構築物の情況内でドメインを単に
交換することによって、すぐに工学者が新規なRNA分子センサを使用し得る、
単純な連結モジュールとして働く。加えて、構築物のレセプタドメインに突然変
異を導入することにより、触媒又は他のレポーター活性の調節に基づいて、新規
なリガンドが結合しているドメインをin vitroセレクションするのを可
能にされるべきである。同様の方法で、新規な正確なバイオセンサとして働く、
又は多くの異なる種類のエフェクタ分子の存在に応答する遺伝子発現を調節する
遺伝子制御因子又はレポーター因子としてin vivoで機能する、新規なR
NA分子センサが、製造され得る。In conclusion, the simultaneous use of rational combined approaches to enzyme engineering (41) provides a powerful approach to designing new ribozymes and other sensors. As described below, in some embodiments,
The three-part ribozyme construct generated using this strategy of polynucleotide engineering functions as a highly specific sensor for a variety of small organic compounds. A critical component of these constructs is a ligand-responsive crosslinker. These dynamic structural domains allow engineers to quickly use the novel RNA molecular sensors by simply swapping domains within the context of a three-part construct.
Works as a simple linking module. In addition, the introduction of mutations in the receptor domain of the construct should allow for the in vitro selection of the domain to which the new ligand is bound based on the regulation of catalytic or other reporter activity. is there. In a similar way, acting as a new accurate biosensor,
Or a novel R that functions in vivo as a gene regulator or reporter that regulates gene expression in response to the presence of many different types of effector molecules
NA molecular sensors can be manufactured.
【0035】[0035]
下記の実施例は、本発明を更に記載して、説明するために提示されており、如
何なる点にも限定されると取られるべきではない。実施例1.工学的に正確なRNA分子センサ RNAから構成されるリガンドに特異的な分子センサを、新規な構造架橋によ
って予め存在している触媒ドメイン及びレセプタドメインを結合させることによ
って、生じさせた(65)。レセプタへのリガンドの結合によって、架橋内にコ
ンホメーション変化が引き起こされ、この構造改造は隣接するリボザイムの活性
を命令する。これらの3部からなる構築物のモジュールの性質により、それらの
対応するリガンドの存在下でのみ引き起こされる正確なRNA分子センサを素早
く構築するのが可能になる。 The following examples are provided to further describe and illustrate the present invention.
It should not be taken to be limited to any point.Embodiment 1 FIG. Engineeringly accurate RNA molecular sensors The use of a novel molecular bridge specific to RNA-based ligands
By binding the pre-existing catalytic domain and receptor domain
(65). Coupling within the crosslinks by binding of the ligand to the receptor
A conformational change is caused, and this structural alteration is caused by the activity of adjacent ribozymes.
Command. Due to the nature of the modules of these three-part constructs,
Fast, accurate RNA molecular sensor triggered only in the presence of the corresponding ligand
It becomes possible to build well.
【0036】 物質及び方法オリゴヌクレオチド 合成DNA及び14−ヌクレオチド基質RNAを、標準的な固相法によって調
製し、これまでに記載される通りに(4)、(8M尿素)ポリアクリルアミドゲ
ル電気泳動(PAGE)を変性させることによって精製した。RNA基質を、T
4ポリヌクレオチドキナーゼ及び(γ−32P)−ATPを用いて5’−32P
−標識し、PAGEによって再精製した。T7 RNAポリメラーゼを使用する
in vivo転写のための二本鎖のDNA鋳型を、所望のRNAに相補性のD
NA鋳型上で、プライマA(5’−TA−ATACGACTCACTATAGG
GCGACCCTGATGAG、SEQ ID NO:32)を延ばすことによ
って生成させた。伸長反応は、これまでに記載されている通り逆転写酵素(RT
)を用いて行った(7)。Materials and MethodsOligonucleotide Synthetic DNA and 14-nucleotide substrate RNA were prepared by standard solid-phase methods.
(4), (8M urea) polyacrylamide gel as described previously.
Purified by denaturing electrophoresis (PAGE). The RNA substrate is
4 polynucleotide kinase and (γ-325) Using P) -ATP32P
-Labeled and repurified by PAGE. Use T7 RNA polymerase
A double-stranded DNA template for in vivo transcription is constructed with a D
On the NA template, primer A (5'-TA-ATACGACTCACTATAGG
By extending GCCGACCCTGATGAG, SEQ ID NO: 32)
Was generated. The extension reaction was performed using reverse transcriptase (RT) as described previously.
) (7).
【0037】In Vitroセレクション アロステリック活性化のためのセレクションを、23℃20時間、10μLの
反応緩衝液(50mM Tris−HCl(23℃でのpH7.5)及び20m
M MgCl2)中で、FMNを用いず、自己分解のためにそれぞれの連続した
集団(1μM、内部が32P−標識されたRNA;参照5)をまず初めに予備選
択することによって行なわれた。G4−G6のための予備選択は、変性させるた
めに65℃まで1分間加熱することによって、5時間の間隔で時々中断し、ミス
フォールドした分子を再度フォールドさせた。分解していないRNAを、(8M
尿素)10%(PAGE)を変性させることによって精製し、除去されたゲルか
ら溶出させ、エタノールを用いて沈殿させた。得られたRNAを、指示された時
間、200μMのFMNの存在下で、反応緩衝液中で培養することによって選択
した。選択的な−増幅方法の続く繰り返しの間の正のセレクションに対する反応
時間は、自己分解の最も早い速度を有するアロステリックリボザイムに有利であ
るために、減少させられた。10%PAGEによって分離された生成物を、模写
し、PhosphorImager及びImageQuantソフトウェア(M
olecular Dynamics社製)を使用して、定量した。FMNの存
在下で生成させられた5’−分解フラグメントを、上記に記載される通りに単離
し、RT−PCR(プライマA及びプライマB:5’−GGGCAACCTAC
GGCTTTCACCGTTTCG(5,9、SEQ ID NO:33))に
よって増幅し、得られた二本鎖DNAを、次ぎのRNA集団を生成させるために
in vitro(5)で転写した。FMN抑制のためのセレクションを、FM
Nを転写及び予備選択の両方で含有させた以外は、同様の方法で行ったが、セレ
クション反応では除外した。両セレクションのG6集団からの個々の分子を、ク
ローンニングによって(TAクローンニングキット、Invitrogen社製
)単離し、シークエンシングによって分析した(ThermalSequena
seキット、Amersham社製)。[0037]In vitro selection Selection for allosteric activation was performed at 23 ° C. for 20 hours with 10 μL of
Reaction buffer (50 mM Tris-HCl (pH 7.5 at 23 ° C.))
M MgCl2)) Without FMN, each successive for autolysis
Population (1 μM, internal32P-labeled RNA; see Reference 5)
It was done by choosing. The pre-selection for G4-G6 was
Occasionally at 5-hour intervals by heating to 65 ° C for 1 minute to
The folded molecule was folded again. Undegraded RNA is converted to (8M
Gel purified and denatured by denaturing 10% (urea)
And precipitated with ethanol. When the obtained RNA is designated
By culturing in reaction buffer in the presence of 200 μM FMN during
did. Response to positive selection during subsequent iterations of the selective-amplification method
Time is advantageous for allosteric ribozymes with the fastest rate of autolysis.
To be reduced. Replicate the product separated by 10% PAGE
And PhosphorImager and ImageQuant software (M
Quantitative analysis was carried out using an E.co. The existence of FMN
The 5'-degraded fragment produced in the presence was isolated as described above.
RT-PCR (primer A and primer B: 5'-GGGGCAACCTAC)
GGCTTTCACCGTTTCG (5, 9, SEQ ID NO: 33))
Therefore, to amplify and obtain the resulting double-stranded DNA to generate the next RNA population
Transcribed in vitro (5). Selection for FMN suppression, FM
The same procedure was followed except that N was included in both transcription and preselection.
Exclusion was excluded. Individual molecules from the G6 population of both selections were
By cloning (TA cloning kit, Invitrogen)
) Isolated and analyzed by sequencing (ThermalSequena)
se kit, manufactured by Amersham).
【0038】アロステリックリボザイムのアッセイ 内部が32P−標識された自己分解するリボザイム(100〜500nM)、
及び、200μMのFMN、1mMのテオフィリン、又は、1mMのATPのい
ずれかを含有する反応を、反応緩衝液を添加することによって開始させ、定期的
にサンプリングしながら幾つかの半減期を通って培養した。生成物をPAGEを
変性させることによって分離し、収率を上記に記載される通りに定量した。速度
定数を、時間に対して分解していないRNAのフラクションの自然対数をプロッ
トし、得られた線の負の傾きを確定させることによって導いた。与えられたそれ
ぞれの速度定数値は、3種類の複製アッセイの最低の平均であり、それぞれは2
未満のフォールドで異なっていた。クラスI誘導因子及びクラスII抑制因子を
有するリボザイムを、詳細な分析のために任意に選択した。[0038]Allosteric ribozyme assays Inside32A P-labeled autolytic ribozyme (100-500 nM),
And 200 μM FMN, 1 mM theophylline, or 1 mM ATP.
The reaction containing any is started by adding reaction buffer and
Cultured through several half-lives while sampling at PAGE of the product
Separated by denaturation and the yield quantified as described above. speed
The constant is plotted as the natural log of the fraction of RNA that has not been resolved over time.
And derived by establishing the negative slope of the resulting line. Given it
Each rate constant value is the lowest average of the three replication assays, each with 2
The fold was less different. Class I inducer and class II suppressor
The ribozyme having was arbitrarily selected for detailed analysis.
【0039】 2分子からなるアッセイを、5’−32P−標識された基質のトレース量(〜
5nM)に対して過剰のリボザイム(500nM)を用いて、単一の代謝ラウン
ド条件下で行った。反応を、10分間23℃で反応緩衝液中で別々に予備培養し
た、リボザイム及び基質を混合することによって開始させた。動的パラメーター
を、上記に記載される通り生成させた。生成物の収率を、修飾されていないハン
マーヘッド型リボザイムを用いた徹底的な培養後に分解しないで残っている基質
の量に対して、補正した(5)。与えられたそれぞれの速度定数に対する値は、
2未満のフォールドで異なる、2種類の複製アッセイの最低の平均である。The assay consisting of two molecules was determined using the trace amount of 5′- 32 P-labeled substrate (〜
It was performed under a single round of metabolic conditions with an excess of ribozyme (5OnM) (500nM). The reaction was started by mixing the ribozyme and substrate separately pre-cultured in reaction buffer for 10 minutes at 23 ° C. Dynamic parameters were generated as described above. Product yields were corrected for the amount of substrate remaining undegraded after extensive culture with unmodified hammerhead ribozymes (5). The value for each given rate constant is
The lowest average of the two replication assays, differing by less than two folds.
【0040】 結果及び考察アロステリックリボザイムのIn Vitroセレクション 別々のFMNが結合しているアプタマー(26)及びランダム配列の架橋によ
って結合しているハンマーヘッド型リボザイム(27、28)ドメインからなる
、>65000の異なるRNAの集団を、生じさせた(図2A)。架橋は、ハン
マーヘッドモチーフ、即ちリボザイム活性(29、30)の臨界的決定基である
構造因子の、天然の「ステムII」部分の大部分を置き換える。得られた3部か
らなる構築物内のランダム化されたドメインは、近接するアプタマードメイン中
のFMN結合に応答するであろう代わりのステムII因子をサンプリングし、隣
接するリボザイムドメイン上で正又は負のいずれか一方のアロステリックな制御
を与えるであろう。2つの同じRNAプール(それぞれ〜6×1012分子)を
、FMN依存性のアロステリックな誘導(図2B)又はアロステリックな抑制(
図2C)のいずれか一方のためにin vitroセレクションさせた。リボザ
イムのアロステリックな誘導を支配する架橋を単離するために、FMNの不存在
下での自己分解のための「負のセレクション」を、第一のプールに適用した。こ
の反応の間に分解せずに残ったRNAを単離し、FMNの存在下での自己分解の
ための「正のセレクション」を続いて受けさせた。この方法は、FMNが検出さ
れる場合にのみ活性化するリボザイムの単離に有利であると考えられる。対照的
に、第二のプールを、FMNの存在下で、転写及び予備セレクションの両方を行
った。次いで、残存しているRNA前駆体を、リガンドの不存在下で正のセレク
ションを受けさせたが、それはリボザイムにアロステリックな抑制を行うように
命令する架橋を単離するのに有利である。Results and DiscussionIn vitro selection of allosteric ribozymes Aptamers (26) with separate FMN binding and cross-linking of random sequences
Hammerhead ribozyme (27, 28) domains
,> 65,000 different RNA populations were generated (FIG. 2A). Cross-linking han
Merhead motif, a critical determinant of ribozyme activity (29, 30)
It replaces most of the natural "stem II" portion of the structure factor. 3 copies obtained
The randomized domain in the construct consisting of
Sampling alternative stem II factors that would respond to FMN binding in
Either positive or negative allosteric control on adjacent ribozyme domains
Will give. Two identical RNA pools (~ 6 x 10 each12Molecule)
, FMN-dependent allosteric induction (FIG. 2B) or allosteric inhibition (FIG.
In vitro selection was performed for either one of FIG. 2C). Riboza
To isolate the crosslinks that govern allosteric induction of the im, the absence of FMN
The "negative selection" for autolysis below was applied to the first pool. This
RNA that remained undegraded during the reaction was isolated and autolysed in the presence of FMN.
For a positive selection. This method is used when FMN is detected.
Is considered to be advantageous for the isolation of ribozymes that activate only when activated. Contrast
The second pool was subjected to both transcription and pre-selection in the presence of FMN.
Was. The remaining RNA precursor is then removed by positive selection in the absence of ligand.
Ribozyme to provide allosteric suppression
It is advantageous to isolate the commanding crosslinks.
【0041】 6ラウンドのセレクション(G6)後に単離された両方のRNA集団は、FM
Nに対して高い感度を示し、これは組み合わせた工学手法が、非常に特異的な分
子スイッチとして機能するリボザイムを生じさせるための効果的な手段であるこ
とを示している。in vitroセレクション法は、複製を許容する反応条件
下での幾つかの他の手段によって分解する、新規なRNA構造を製造し得る。例
えば、FMNに見出されるイソアロキサジン環等は、RNA分子(31)の光分
解を促進させることが示されており、新規なFMN依存性のリボザイムに対する
コファクタとして考えられるところでは働き得る。しかしながら、セレクション
によって単離されたRNAは、RNA分解フラグメントのゲル移動度によって決
定される通り、それぞれの構築物に組み込まれた、元のハンマーヘッド型リボザ
イムドメインによってのみ媒介される反応で分解すると思われる。Both RNA populations isolated after six rounds of selection (G6) were FM
High sensitivity to N, indicating that the combined engineering approach is an effective means to generate ribozymes that function as very specific molecular switches. In vitro selection methods can produce novel RNA structures that degrade by some other means under reaction conditions that permit replication. For example, the isoalloxazine ring or the like found in FMN has been shown to promote photodegradation of RNA molecule (31) and may work where it is thought to be a novel cofactor for FMN-dependent ribozymes. However, RNA isolated by selection appears to degrade in a reaction mediated solely by the original hammerhead ribozyme domain incorporated into each construct, as determined by the gel mobility of the RNase fragment. .
【0042】単離された架橋因子の配列及び機能特性 両方のセレクションからのG6集団を、クローン化し、配列させ、アロステリ
ックな機能のためにアッセイした(図3)。「誘導因子」I〜VIIIとして示
される、架橋の8つの異なるクラスを、FMNで誘導し得るRNA集団内で同定
した。これらの異なるクラスの誘導因子を有するリボザイムは、リガンドの不存
在下(Kobs−)又は存在下(Kobs+)で、自己分解に対して独自の速度定数を
示す(図2A)。殆どのクラスは、100フォールドより大きいアロステリック
活性を示したが(Kobs +/Kobs −)(図2B)、クラスI、III及びVII
は〜270フォールドのFMN依存性速度増加を示した。このアロステリックな
誘導は、幾つかの天然のアロステリックタンパク質酵素で見られる動的調節と大
きさが同様である(32)。更には、ほぼ全てのクラスで得られるKobs+値は
、修飾されていないハンマーヘッド型リボザイムに対して測定さた最大のKobs
(1.1分−1)に近づく(図3A)。[0042]Sequence and functional properties of the isolated crosslinking factor G6 populations from both selections were cloned, sequenced, and allosteried.
Assayed for specific function (FIG. 3). Shown as "Inducers" I-VIII
Different classes of cross-links identified within the FMN-inducible RNA population
did. Ribozymes with these different classes of inducers are free of ligand
Resident (Kobs-) Or in the presence (Kobs+) To set a unique rate constant for autolysis
(FIG. 2A). Most classes are allosteric larger than 100 folds
Activity (Kobs +/ Kobs −) (FIG. 2B), Class I, III and VII
Showed an FMN-dependent rate increase of 2270 fold. This allosteric
Induction is largely akin to the dynamic regulation found in some natural allosteric protein enzymes.
The magnitude is the same (32). Furthermore, K obtained in almost all classesobs+ Value is
, The maximum K measured for the unmodified hammerhead ribozymeobs
(1.1 minutes-1) (FIG. 3A).
【0043】 同様に、5つの異なるクラスの架橋を、同定し、「抑制因子」I〜Vとして示
した(図3C)。in vitroセレクションへ中程度の応答を示したFMN
で誘導し得る集団とは異なり、リボザイムの機能のリガンド依存性抑制は、この
平行なセレクションのG3までは検出されなかった。面白いことに、5つのクラ
スのそれぞれは、ランダム化された架橋ドメイン内に1−又は2−ヌクレオチド
欠失を有しており、これは元のRNAプールからなる配列変異体のいずれも、ア
ロステリックな抑制を与え得る充分なリガンド応答性因子を形成しなかったこと
を示唆している。FMNで抑制されたRNA集団をもたらすのが比較的遅いこと
は、必要なために、架橋ドメイン内に特異的なヌクレオチドの欠失が創発し得る
(選択的な増幅法の間に頻繁に欠失が生じることに依存して起こる)。抑制因子
の配列が非常に均一であるという事実は、この仮定に一致し、これは単一の応答
性の架橋ドメインの創発及び多様化が、試験された全てのクラスに生じ得ること
を示している。5つのクラス全てが、FMNの存在下で実質的にアロステリック
な抑制(200〜600フォールド)を示す(図3D)。Similarly, five different classes of crosslinks were identified and designated as “suppressors” IV (FIG. 3C). FMN showing moderate response to in vitro selection
Unlike the population that can be induced with, no ligand-dependent suppression of ribozyme function was detected until G3 in this parallel selection. Interestingly, each of the five classes has a 1- or 2-nucleotide deletion in the randomized bridging domain, which indicates that all of the sequence variants consisting of the original RNA pool are allosteric. This suggests that it did not form enough ligand responsive factors to provide suppression. The relative slowness of the resulting population of FMN-suppressed RNA can necessitate the emergence of specific nucleotide deletions within the bridging domain (frequent deletions during selective amplification methods). Occurs depending on what happens). The fact that the sequences of the repressors are very homogeneous is consistent with this assumption, indicating that emergence and diversification of a single responsive cross-linking domain can occur in all classes tested. I have. All five classes show substantially allosteric inhibition (200-600 fold) in the presence of FMN (FIG. 3D).
【0044】 セレクションによって単離された架橋因子の多くは、修飾されていないハンマ
ーヘッド型リボザイムH1で測定された値よりも少なくとも10−フォールド低
い、最高の速度増加を示す(図3)。RNA分解に対して最も大きい速度定数を
示すアロステリックリボザイムは、クラスII誘導因子(Kobs+=0.25分
−1)又はクラスII抑制因子(Kobs−=0.45分−1)を有する。これら
の2種類のリボザイムに対する最高の速度定数は、それぞH1より遅い僅か4−
フォールド及び2−フォールドである。同様のin vitroセレクション法
を使用して、FMNに対して感度の高いRNAに対して記載されるのと同様の、
3部からなる立体配座を使用するテオフィリン依存性リボザイムの集団が単離さ
れた。この集団からの個々のテオフィリンに対して感度の高いリボザイムは、1
分−1を超える速度定数を示し、それによってアロステリックなハンマーヘッド
型リボザイムは実際に、修飾されていないリボザイムと同じくらい効率的に機能
するように作られ得ることが確認された。[0044] Many of the cross-linking factors isolated by selection are unmodified hammers.
-At least 10-fold lower than the value measured for head ribozyme H1
The highest speed increase (FIG. 3). The largest rate constant for RNA degradation
The allosteric ribozymes shown are class II inducers (Kobs+ = 0.25 minutes
-1) Or class II inhibitors (Kobs− = 0.45 minutes-1). these
The highest rate constants for the two ribozymes are only 4-
Fold and 2-fold. Similar in vitro selection method
As described for RNAs sensitive to FMN,
A population of theophylline-dependent ribozymes using a three-part conformation has been isolated.
Was. Ribozymes sensitive to individual theophyllines from this population are:
Minute-1A rate constant that exceeds the
Ribozymes actually function as efficiently as unmodified ribozymes
It was confirmed that it could be made to
【0045】活性なリボザイム構造と不活性なリボザイム構造との間の速い相互変換 クラスI誘導因子を有するリボザイムに対して不活性な状態(図4A)は、F
MNの不存在下で長時間維持され、1時間当り僅か〜1%の自己分解を生じる(
図4C)。しかしながら、自己分解は、触媒速度に約270−フォールドの増加
をもたらすこのケースでは、リガンド(図4C;挿入図)の付加に対して殆ど瞬
間的に引き起こされる。多分、FMNの不存在下で誘導因子によって維持される
「オフ」状態は、リボザイムの活性に必要な安定なステムII構造を形成する能
力を欠くものである。この代わりに、それぞれの因子は、この必須なステムの形
成を妨げる異なる構造を形成する。FMNの結合は、誘導因子をリボザイムの機
能と適合し得る構造に素早く変換するアプタマー内に、コンホメーション変化を
誘発させることによって、「オン」状態を確定する。対照的に、クラスII因子
を有するリボザイム(図4B)は、FMNの不存在下で素早く自己分解するが、
リガンドの付加で不活性な状態に素早く変換する(図4D;挿入図)。ここで、
抑制因子は、FMNを結合し、リボザイムの機能を妨げる特異的な架橋構造を安
定化させることによって、「オフ」状態を維持する。リガンドの解放によって、
架橋の構造の再編成が生じ、隣接するリボザイムの「オン」状態を確定する。し
かしながら、FMNが存在する場合、どの構造状態がクラスII抑制因子で見ら
れる分解の速度が遅い原因であるのかははっきりしないままである。FMN−リ
ボザイム錯体が、弱く活性なままであるのかどうか、又は、平衡結合条件下での
み存在する少数のFMNを持たないRNAが、観察されるRNA分解速度に寄与
しているのかどうかを決定するのには、更なる実験が必要である。[0045]Fast interconversion between active and inactive ribozyme structures The inactive state for ribozymes with class I inducers (FIG. 4A)
It is maintained for a long time in the absence of MN and produces only 〜1% autolysis per hour (
(FIG. 4C). However, autolysis can increase the catalyst rate by about 270-fold.
In this case, which results in almost instantaneous response to the addition of ligand (FIG. 4C; inset)
Triggered intermittently. May be maintained by inducers in the absence of FMN
The “off” state is the ability to form a stable stem II structure required for ribozyme activity.
It lacks power. Instead, each factor has the form of this essential stem.
Form different structures that hinder growth. FMN binding binds the inducer to the ribozyme mechanism.
Conformational changes within aptamers that rapidly convert to structures compatible with
By triggering, the "on" state is determined. In contrast, class II factors
The ribozyme with () (FIG. 4B) rapidly autolyzes in the absence of FMN,
Rapid conversion to the inactive state by addition of ligand (FIG. 4D; inset). here,
Inhibitors reduce the specific cross-linking structure that binds FMN and interferes with ribozyme function.
By maintaining the "off" state. By releasing the ligand,
Rearrangement of the structure of the bridge occurs, establishing the "on" state of the adjacent ribozyme. I
However, when FMN is present, which structural state is seen as a class II inhibitor
It remains unclear why the rate of degradation is slow. FMN-Re
Whether the bozyme complex remains weakly active or under equilibrium binding conditions
Small number of FMN-free RNAs contributes to the observed RNA degradation rate
More experimentation is needed to determine if you are.
【0046】アロステリック機能の機構 素早いリガンド依存性活性化又はリボザイム機能の抑制は、活性を調節するの
に必要とされるコンホメーション変化が、リガンドの結合に対して高い応答性で
あるに違いないことを示している。幾つかの因子では、このアロステリックなト
ランジッションは、それぞれの架橋ドメイン内に局在化した塩基対の変化によっ
て達成され、リガンド−アプタマー錯体形成からもたらされる結合エネルギーは
、構造の立体配座にこのシフトを生じさせるのに使用されると思われる。[0046]Mechanism of allosteric function Rapid ligand-dependent activation or suppression of ribozyme function can modulate activity.
Conformational changes required for ligand binding with high responsiveness
It must be there. Several factors may make this allosteric
Transitions are caused by base pair changes localized within each bridging domain.
And the binding energy resulting from ligand-aptamer complex formation is
Appears to be used to cause this shift in the conformation of the structure.
【0047】 アロステリックな誘導及び抑制の両方に対して提案された機構の臨界的成分は
、架橋のすぐ側のアプタマードメイン内に位置する、単一の切り取られたA・G
塩基対であり、これはFMNが結合される場合にのみ形成する(33、34)。
クラスI誘導因子では、FMNの存在により架橋内の塩基対に対して特異的な登
録を順に確定する、A・G塩基対を安定化する(図5A)。このFMN依存性の
構造的な束縛がないと、架橋中の塩基対が、A・G相互作用に対して1つの塩基
対を滑らし得り、それによってリボザイム機能に必要とされるG−C塩基対に置
き換わってしまう。この不活性なコンホメーションは、単一のヌクレオチドが架
橋の上側の鎖から隆起しない場合には、維持されるであろう。対称的な内部の隆
起は、非対称又は単一のヌクレオチドの隆起よりもより安定であることが知られ
ている(35)。それ故に、切り取られたA・G塩基対によって決められた登録
は、対称的な内部隆起の存在が連続的に積み重ねられたステムIIドメインに有
利である場合に、架橋因子に沿って忠実に遺伝させられ得る。面白いことに、全
ての抑制モジュールは、それらの機能に必須であると思われる欠失を得た。この
ケースでは、FMNが結合した場合には、連続的に積み重ねられた架橋がリボザ
イムの臨界的なG−C塩基対を分裂させるので、これは、スリップ−構造機構と
よく対応するのに対して、FMNが存在しないと適当なリボザイムのフォールデ
ィングを許すであろう(図5B)。A critical component of the proposed mechanism for both allosteric induction and repression is a single truncated AG located within the aptamer domain immediately adjacent to the bridge.
Base pairs, which only form when FMN is bound (33, 34).
For class I inducers, the presence of FMN stabilizes the AG base pair, which in turn establishes specific registration for base pairs within the bridge (FIG. 5A). In the absence of this FMN-dependent structural constraint, the base pairs in the bridge can slip one base pair for the AG interaction, thereby providing the GC bases required for ribozyme function. Will be replaced by a pair. This inactive conformation will be maintained if a single nucleotide does not protrude from the upper strand of the bridge. Symmetric internal ridges are known to be more stable than asymmetric or single nucleotide ridges (35). Hence, the registration determined by the truncated A and G base pairs will be faithfully inherited along the bridging factor when the presence of a symmetric internal ridge favors the continuously stacked stem II domain. Can be made to. Interestingly, all suppression modules obtained deletions that appeared to be essential for their function. In this case, when FMN is bound, this corresponds well to the slip-structure mechanism, since successively stacked bridges break the critical GC base pairs of the ribozyme. , The absence of FMN would allow proper ribozyme folding (FIG. 5B).
【0048】 アロステリックな調節に対するこの「スリップ構造」機構を更に調査するため
に、幾つかのリボザイム構築物を、FMNが結合しているドメインの代わりに安
定なステム−ループ構造を使用して、生じさせた(図5C)。その占領された状
態において、FMNアプタマーは、小型のほぼA−形のRNA構造を形成する(
34)。それ故に、試験構築物に組み込まれたステム−ループ構造は、FMNが
結合したアプタマーを刺激して、リボザイムの機能を誘導するか又は抑制するか
のいずれかに必要であると推定されているスリップ構造を実施すべきである。例
えば、構築物I−1は、切り取られたA・G対の形成を実施することによって、
FMNに結合したクラスI誘導因子の構造を刺激するようにデザインされている
。事実、FMNの不存在下のI−1に対するKobsは、親のアロステリックリボ
ザイムのFMNで誘導される形体に対する速度定数と同じである(表1)。2つ
の更なる構築物(I−2及びI−3)を、対抗する「スリップした」異説を段々
とより強い塩基対を用いて実施する場合の、速度定数を測定するために使用した
。構築物I−2は、不活性なコンホメーションに有利であるべきである構造によ
って、アプタマーが置換される場合には、顕著には抑制されない。この情況では
多分、適当なリボザイムフォールディングを元に戻すであろう、架橋の上側の鎖
に沿う単一の隆起したヌクレオチドが生じ得る。しかしながら、アロステリック
な機能に対して提案されている機構と一致して、構築物I−3を形成する架橋中
に更なる塩基対を導入することによって、可能性のある隆起の形成が妨げられる
場合には、隣接するリボザイムの活性は実質的に減少させられる。To further investigate this “slip structure” mechanism for allosteric regulation, several ribozyme constructs were generated using a stable stem-loop structure instead of the domain to which FMN is bound. (FIG. 5C). In its occupied state, FMN aptamers form small, almost A-shaped RNA structures (
34). Therefore, the stem-loop structure incorporated into the test construct is a slip structure that is presumed to be necessary for either stimulating the FMN-bound aptamer to induce or suppress ribozyme function. Should be implemented. For example, construct I-1 can be performed by performing the formation of a truncated AG pair.
It is designed to stimulate the structure of class I inducers bound to FMN. In fact, the K obs for I-1 in the absence of FMN is the same as the rate constant for the FMN-induced form of the parent allosteric ribozyme (Table 1). Two additional constructs (I-2 and I-3) were used to determine the rate constant when opposing "slip" paradoxes were performed with progressively stronger base pairs. Construct I-2 is not significantly suppressed when the aptamer is replaced by a structure that should favor an inactive conformation. In this circumstance, a single raised nucleotide along the upper strand of the cross-link could possibly result, which would reverse proper ribozyme folding. However, consistent with the proposed mechanism for allosteric function, where the introduction of additional base pairs during the crosslinks forming construct I-3 would prevent the formation of possible bumps The activity of the adjacent ribozyme is substantially reduced.
【0049】 スリップ−構造機構に対する更なる証拠は、クラスII抑制因子を調べること
によって与えられた。ここで、FMNの結合は、活性なリボザイムのコンホメー
ションの形成を妨げる塩基対のパターンを実施する(図5D)。FMNがないと
、A・G塩基対の損失は、残っている塩基対が一つのヌクレオチドによって滑る
のを可能にし、それによって活性なリボザイムのコンホメーションを形成し得る
。二つの異なる塩基対の配座異性体を実施するステム−ループ構造でデザインさ
れている、構築物II−1及びII−2は、親のアロステリックリボザイムの活
性な状態及び不活性な状態のそれぞれに対する値とほぼ対応する速度定数を示す
(表1)。全ての実施例において、架橋因子は、ステム構造を多分不安定にし、
異なる構造状態の間に素早く相互転換を与える、対となっていない塩基を含有す
る。同様のRNAスイッチ機構は、16SリボソームRNAの構造及び機能にお
いて重要な役割を果たし得り(35、36)、アロステリックな機能に対してこ
の機構を示す発見は、先例がないはずがないであろう。アロステリックな機能に
対する代わりの機構が、実施され得るが、これらの著しい相関関係全ては、提案
されているスリップ−構造機構と一致する。残っているクラスの架橋因子を用い
る同様の研究により、この機構もより一般的に生じるかどうかが明らかになるで
あろう。Further evidence for a slip-structure mechanism was provided by examining class II inhibitors. Here, FMN binding enforces a base-pairing pattern that prevents the formation of an active ribozyme conformation (FIG. 5D). In the absence of FMN, the loss of AG base pairs can allow the remaining base pairs to slide by one nucleotide, thereby forming an active ribozyme conformation. Constructs II-1 and II-2, designed with a stem-loop structure that implements two different base pair conformers, provide values for the active and inactive states of the parent allosteric ribozyme, respectively. And a rate constant almost corresponding to (Table 1). In all examples, the cross-linking factor made the stem structure possibly unstable,
Contains unpaired bases that provide rapid interconversion between different structural states. A similar RNA switch mechanism could play an important role in the structure and function of 16S ribosomal RNA (35, 36), and findings pointing to this mechanism for allosteric function would not be without precedent. . Alternative mechanisms for allosteric function can be implemented, but all of these significant correlations are consistent with the proposed slip-structure mechanism. Similar studies with the remaining class of crosslinkers will reveal whether this mechanism also occurs more commonly.
【0050】新規なリガンド特異性を有する工学技術のアロステリックリボザイム リガンド−アプタマー錯体からもたらされる結合エネルギーが、2つのスリッ
プ−構造コンホメーションの間の熱力学的バランスをシフトさせるのに使用され
る場合、次いでそれぞれの架橋は、アプタマーの配列及びリガンド特異性と無関
係の方法で、隣接するアプタマードメインの占領状態の属のレポーターとして作
用し得る。この可能性を調べるために、FMNアプタマーをFMNに感度の高い
リボザイムのクラスI誘導因子から取り除いて、テオフィリンを結合するアプタ
マー(37)又はATPを結合するアプタマー(38)のいずれか一方で置換し
た(図6A)。それぞれのケースにおいて、リガンドの結合は、付いているアプ
タマーの末端のヌクレオチドの塩基対を安定化させることが知られている(33
、38、39)。それ故に、アプタマーによるリガンドの環境順応を助ける結合
によって、クラスI機能に必要なアロステリックなトランジッションが引き起こ
され得る。実際、それぞれのリボザイム構築物は、それと同じ性質のリガンドの
存在下でのみ自己分解する(図6B)。動的分析(図6C及び6D)は、FMN
で誘導され得るリボザイムの活性はFMNの存在下では270−フォールド増加
するのに対して、テオフィリン−及びATP−で誘導され得るリボザイムは、そ
れらの対応するリガンドによってのみそれぞれ110−フォールド及び40−フ
ォールド活性化されることを示している。これらの発見は、リボザイムの活性の
調節という仕事は主に架橋因子に基づいており、それは隣接するリボザイムドメ
インへのアプタマーの結合状態に関する情報を中継することを示している。[0050]Engineering allosteric ribozymes with novel ligand specificity The binding energy provided by the ligand-aptamer complex is reduced by two slips.
Used to shift the thermodynamic balance between structural conformations
If applicable, then each crosslink is independent of the aptamer sequence and ligand specificity.
A reporter for the occupied genus of an adjacent aptamer domain
Can be used. To investigate this possibility, FMN aptamers must be sensitive to FMN.
Apta that binds theophylline by removing it from class I inducers of ribozymes
Substituted with either aptamer (37) or an aptamer (38) that binds ATP
(FIG. 6A). In each case, the binding of the ligand is
It is known to stabilize the base pair of nucleotides at the end of the tamer (33
, 38, 39). Therefore, binding that helps the aptamer to adapt the ligand to the environment
Causes allosteric transitions required for class I functions
Can be done. In fact, each ribozyme construct has a ligand of the same nature.
Autolyzes only in the presence (FIG. 6B). The dynamic analysis (FIGS. 6C and 6D) shows that the FMN
Induced ribozyme activity increases 270-fold in the presence of FMN
In contrast, ribozymes that can be induced by theophylline- and ATP-
110-fold and 40-fold, respectively, only by their corresponding ligands.
This indicates that it is activated. These findings suggest that ribozyme activity
The work of regulation is mainly based on cross-linking factors, which
It relays information about the binding state of the aptamer to the in.
【0051】 クラスI誘導因子は、幾つかの関連していないエフェクタ分子に応答するよう
に工作され得るが、この特徴は一般には適用可能ではない。例えば、クラスI誘
導因子へアルギニン(40)のためのアプタマーを付けることによって、重要な
アロステリックな効果を生み出し損ねた。試験された3つの他のクラスの内の2
つの誘導因子はまた(クラスVI及びVII)、テオフィリンアプタマーを有す
るように工作された場合に、モジュール方式を示す。しかしながら、クラスII
I誘導因子及びクラスII抑制因子は、同じアプタマーに同様に付いた場合に、
エフェクタの付加に応答を示さなかった。これらの発見は、このモジュール研究
手法を使用するアロステリックリボザイムのデザインが上手くいくには、アプタ
マー及び架橋ドメインの適合し得る「マッチした対」の融合が必要であることを
示している。Although class I inducers can be engineered to respond to some unrelated effector molecules, this feature is not generally applicable. For example, attaching an aptamer for arginine (40) to a class I inducer failed to produce a significant allosteric effect. 2 of 3 other classes tested
The two inducers (classes VI and VII) also exhibit modularity when engineered to have theophylline aptamers. However, class II
The I inducer and the class II repressor, when similarly attached to the same aptamer,
There was no response to the effector addition. These findings indicate that successful design of an allosteric ribozyme using this modular approach requires the fusion of a compatible "matched pair" of aptamers and bridging domains.
【0052】 表1.これらの状態を擬態するようにデザインされた構築物と比較した、クラス
I(誘導)及びクラスII(抑制)リボザイムの「オン」及び「オフ」状態に対
する触媒速度定数Table 1. Catalytic rate constants for the "on" and "off" states of class I (inducible) and class II (inhibited) ribozymes compared to constructs designed to mimic these states
【表1】 [Table 1]
【0053】実施例2 テオフィリンに感度の高いアロステリックなハンマーヘッド型リボザイムのin
vitroセレクション 連結モジュールの開発法が如何なる数のアプタマー−リボザイムの組み合わせ
に対しても適用可能であるかどうかを調査するために、テオフィリンの結合によ
って活性化されたアロステリックなハンマーヘッド型リボザイムに対してin
vitroセレクションを行った。このセレクションは、組み合わせたモジュー
ルの合理的なデザイン及びin vitroセレクション法を有効にするためだ
けでなく、核酸のアロステリック性の限界に挑戦する新規な連結モジュールを開
発するために探し出された。アロステリックなテオフィリンに感度の高いリボザ
イムの開発のための初期の集団は、FMNに感度の高い触媒を生じさせるのにこ
れまでに示した集団と概念的に同じである。しかしながら、テオフィリンアプタ
マーは、5+5又は合計で10のヌクレオチドの位置からなる、ランダム−配列
領域からハンマーヘッド型リボザイムのステムIIに付いていた(図7A)。テ
オフィリンで活性化されたリボザイムのin vitroセレクション及び増幅
の8ラウンドから得られるRNA集団は、テオフィリンの不存在に対するテオフ
ィリンの存在下での自己分解反応に触媒作用を及ぼす顕著な能力を示す(G8、
図7B)。全体としての集団は、修飾されていないハンマーヘッド型リボザイム
(〜分−1)に対して観察された速度定数と本質的に同じである、リガンドの存
在下で観察された速度定数(Kobs+)を示す。最終の集団からの幾つかの個体
が、単離され、更にリガンドで活性化された触媒作用に対する連結モジュールの
配列及び動的パラメーターを確定するために特徴付けられた(表2)。[0053]Example 2 Allosteric hammerhead ribozyme in sensitive to theophylline
vitro selection Any number of aptamer-ribozyme combinations for the development of linking modules
To determine if it is also applicable to
Activated allosteric hammerhead ribozyme
An in vitro selection was performed. This selection is based on the combined module
To enable rational design and in vitro selection
A new linking module that challenges the allosteric limitations of nucleic acids
I was sought to emit. Riboza sensitive to allosteric theophylline
Early populations for the development of ims could be used to generate sensitive catalysts for FMN.
It is conceptually the same as the group shown so far. However, theophylline apta
The mer is a random-sequence consisting of 5 + 5 or a total of 10 nucleotide positions.
The region was attached to the hammerhead ribozyme stem II (FIG. 7A). Te
In vitro selection and amplification of ribozymes activated by ophylline
The RNA population from the eight rounds of
Shows a remarkable ability to catalyze the autolysis reaction in the presence of illin (G8,
(FIG. 7B). The overall population is an unmodified hammerhead ribozyme
(~ Min-1) Is essentially the same as the rate constant observed for
The rate constant observed in the presence (Kobs+). Some individuals from the final population
Of the linkage module for isolated and ligand-activated catalysis
Characterized to determine sequence and kinetic parameters (Table 2).
【0054】 表2.in vitroセレクションによって単離されたテオフィリンに感度の
高いアロステリックなハンマーヘッド型リボザイムの連結モジュールの配列及び
動的パラメーターTable 2. Sequence and dynamic parameters of a ligation module of an allosteric hammerhead ribozyme sensitive to theophylline isolated by in vitro selection
【表2】 [Table 2]
【0055】 多くの単離されたものは、1分−1に近づく又は超えるテオフィリン依存性の
速度定数を達成することが示された。尚、アロステリック活性化は、数百フォー
ルド〜数千フォールドの範囲であった。この方法では、テオフィリンに感度の高
いアロステリックなハンマーヘッド型リボザイムに対するセレクションは、リボ
ザイムのモチーフの触媒効率を妥協することなく、機能的に優れた触媒を与えた
。この様に、リガンドに感度の高いアロステリックリボザイムの開発のために、
組み合わせたモジュールの合理的なデザイン及びin vitroセレクション
技術を使用することは、新規なアロステリックな触媒の開発に広く適応可能であ
り得る。Many isolates have been shown to achieve theophylline-dependent rate constants approaching or exceeding 1 min- 1 . Allosteric activation ranged from hundreds of folds to thousands of folds. In this way, selection for an allosteric hammerhead ribozyme sensitive to theophylline provided a functionally superior catalyst without compromising the catalytic efficiency of the ribozyme motif. Thus, for the development of allosteric ribozymes sensitive to ligands,
The rational design of combined modules and the use of in vitro selection techniques may be widely adaptable to the development of new allosteric catalysts.
【0056】実施例3 cGMP及びcAMPメッセンジャーに応答するリボザイムのアロステリックセ
レクション 実施例1は3つのドメインの構築物を使用して、一連のアロステリックリボザ
イムの生成を説明した(図1及び8)。同定された幾つかの架橋ドメインに対し
て、実験の過程の間、様々なリガンド特異性を有する異なるアプタマードメイン
で、元のアプタマードメインを置換することによって、対応するエフェクタ依存
性を有する新規なアロステリックリボザイムが製造されるのが観察された。換言
すると、図8に示されている、或る架橋ドメイン又はクラスI連結モジュール(
cm+FMN1)等の連結モジュールは、特定のリガンド特異性に係わらず、異
なる付いているアプタマーの占領状態の属のレポーターとして働くと思われる。
この例は、それらが思慮分別をもって3部からなるRNA構築物のエフェクタ結
合部位に組み込まれる場合、発見されていないアプタマーがリボザイムの機能を
引き起こし得るかどうかを調査することが行われる更なる研究を報告している。
全エフェクタが結合している部位が、ランダムな配列からなる25−ヌクレオチ
ドドメインで置き換えられる、新規な構築物が生じさせられた(図8)。このR
NA構築物の構成は、選択的な増幅法、本明細書中の用語「アロステリックセレ
クション」を使用して、新規なエフェクタ特異性を有するアロステリックリボザ
イムの単離を促進させた(図9A)。このプロセスは、エフェクタの不存在下で
不活性なままで残っているが、エフェクタの添加で活性化される、これらのリボ
ザイムに対するRNA集団の濃縮に有利である(73)。[0056]Example 3 Allosteric ribozyme responsive to cGMP and cAMP messengers
Collection Example 1 uses a three domain construct to generate a series of allosteric ribozymes.
Im generation was described (FIGS. 1 and 8). For some of the identified bridging domains
Different aptamer domains with different ligand specificities during the course of the experiment
By replacing the original aptamer domain with the corresponding effector-dependent
It was observed that a novel allosteric ribozyme having the property was produced. Paraphrase
Then, a certain bridging domain or a class I connecting module (shown in FIG. 8)
cm + FMN1) and other linked modules, regardless of specific ligand specificity.
It appears to act as a reporter for the occupied genus of the aptamer attached.
This example illustrates the effector coupling of three-part RNA constructs with discretion.
When incorporated into a conjugation site, undiscovered aptamers can function ribozymes.
There are reports of further studies being conducted to investigate whether this could be caused.
The site to which all effectors bind is a 25-nucleotide consisting of a random sequence.
A new construct has been generated that is replaced by the c-domain (Figure 8). This R
The construction of the NA construct is based on a selective amplification method, the term "allosteric selection" herein.
Allosteric ribosa with novel effector specificity
It facilitated the isolation of the im (FIG. 9A). This process works in the absence of an effector
These ribosomes, which remain inactive but are activated by the addition of effectors
It is advantageous for enrichment of the RNA population for Zyme (73).
【0057】 物質及び方法RNAプールの調製 図1Bに記載したRNAプールに対するDNAの鋳型及びRT−PCRに使用
したオリゴヌクレオチドを、自動化されたDNA合成によって調製した(Kec
k Biotechnology Resource Laboratory、
イェール大学)。全てのDNAを、使用する前に、(8M尿素)ポリアクリルア
ミドゲル電気泳動(PAGE)を変性させることによって精製した。DNA鋳型
5’−GGGCAACCTACGGCTTTCACCGT−TTCGACGT(
N25)AAGGCTCATCAGGGTCGCC(4.15nmol、SEQ
ID NO:32+ACGT及びSEQ ID NO:34)を、「プライマ
2」(5’−TAATACGACTCACTATAGGGCGACCCTGAT
GAG、8.3nmol、SEQ ID NO:32)の存在下で延ばすことに
よって、二本鎖にした。尚それは、T7RNAポリメラーゼ(T7 RNAP)
に対してプロモーターを導入する。DNA伸長反応(300μl)は、製造指示
に従って、SuperScriptII逆転写酵素(RT、GibcoBRL)
を使用して行った。Materials and MethodsPreparation of RNA pool DNA template for RNA pool described in FIG. 1B and used for RT-PCR
Oligonucleotides were prepared by automated DNA synthesis (Kec
k Biotechnology Resource Laboratory,
Yale University). Before using all DNA, use (8M urea) polyacrylic acid
Purified by denaturing mid-gel electrophoresis (PAGE). DNA template
5'-GGGCAACCTACGGCTTTCACCGT-TTCGACGT (
N25) AAGGCTCCATCAGGGTCGCC (4.15 nmol, SEQ
ID No .: 32 + ACGT and SEQ ID No .: 34) as “Primer
2 "(5'-TAATACGACTCACTATAGGGCACCCTGAT
GAG, 8.3 nmol, in the presence of SEQ ID NO: 32)
Therefore, it was double-stranded. In addition, it is T7 RNA polymerase (T7 RNAP)
A promoter is introduced for DNA extension reaction (300 μl)
According to Superscript II reverse transcriptase (RT, GibcoBRL)
Performed using
【0058】 得られた二本鎖のDNAを、エタノールを用いて沈殿させることによって回収
し、Tris−HCl(23℃でのpH7.5)50mM、MgCl215mM
、ジチオトレイトール5mM、スパミジン2mM、4つのdNTPそれぞれ2m
M、Ci(−32P)UTP200μ及びT7 RNAP60000Uを含有す
る、2mlの転写混合物中で再懸濁させた。転写混合物を、37℃で1時間培養
し、得られた分解していない前駆体RNA(内部が−32P標識されている)を
、10%PAGEを変性させることによって単離した。PAGEの精製によって
、in vitro転写反応の間に自己分解を起こすリボザイムが除去されるこ
とに注目しなさい。これは、エフェクタによって活性化されることなく機能する
リボザイムを単離するのには有利ではない、更なる負のセレクション工程を本質
的に導びく。その上、この工程は、故意のcNMPターゲットエフェクタとin
vitro転写に必要とされるNTPとの間で区別できないアロステリックリ
ボザイムの単離には有利ではない。The resulting double-stranded DNA was recovered by precipitation using ethanol, and 50 mM Tris-HCl (pH 7.5 at 23 ° C.), 15 mM MgCl 2
, Dithiothreitol 5 mM, spamidine 2 mM, 4 dNTPs 2 m each
M, Ci (- 32 P) containing UTP200μ and T7 RNAP60000U, resuspended in transcription mixture of 2 ml. The transcription mixture was incubated at 37 ° C. for 1 hour and the resulting undegraded precursor RNA (internally- 32 P-labeled) was isolated by denaturing 10% PAGE. Note that purification of PAGE removes ribozymes that undergo autolysis during the in vitro transcription reaction. This essentially leads to a further negative selection step, which is not advantageous for isolating ribozymes that function without being activated by effectors. In addition, this step is performed with the intentional cNMP target effector
It is not advantageous for the isolation of allosteric ribozymes, which cannot be distinguished from the NTPs required for in vitro transcription.
【0059】アロステリックセレクション cNMP(シグマ社製)に応答するアロステリックリボザイムに対するin
vitroセレクションを、負のセレクションと正のセレクションを繰り返すラ
ウンドを使用して行った。負のセレクションの第一のラウンドでは、RNA前駆
体(9.3nmol、5.6×1015分子)の初期プールを、4つのcNMP
の不存在下で、Tris−HCl(pH7.5)50mM及びMgCl220m
Mを含有する反応混合物(930μl)中、23℃で5時間培養した。この培養
の間に分解に抵抗する前駆体RNAを、10%PAGEを変性させることによっ
て単離した。次いで、精製された前駆体RNAを、4つのcNMPをそれぞれ5
00μM含有する同じ反応緩衝液(930μl)中、23℃で30分、正のセレ
クションの第一のラウンドを受けさせた。この段階で、分解した生成物を、10
%PAGEを変性させることによって精製し、5’分解フラグメントを破砕−浸
漬溶出(crush−soak elution)によってゲルから回収し、逆
転写、次いでPCR(RT−PCR)によって増幅させた。逆転写は、製造指示
cDNAに従ってSuperScriptII RTを使用し、プライマ1(5
’−GGGCAACCTACGGCTTTCACCGTTTCG、SEQ ID
NO:33)を使用して、反応緩衝液(合計で400μl)中で行った。次に
、プライマ1及び2(それぞれ500pmol)を使用して、得られたcDNA
のPCR増幅を、Tris−HCl(23℃でのpH8.3)10mM、KCl
50mM、MgCl2 1.5mM、0.01% ゼラチン、dNTPをそれ
ぞれ0.2mM、及び、Taq ポリメラーゼ(Promega社製)50Uを
含有する、反応混合物(合計で2ml)中で行った。反応を、94℃で30秒、
55℃で30秒、及び、72℃で60秒の所望の数の繰り返しで、熱循環させた
。[0059]Allosteric selection in against allosteric ribozyme in response to cNMP (manufactured by Sigma)
Repeat the in vitro selection with a negative selection and a positive selection.
Performed using und. In the first round of negative selection, pre-RNA
Body (9.3 nmol, 5.6 × 10FifteenMolecule) with 4 cNMPs
In the absence of Tris-HCl (pH 7.5) 50 mM and MgCl 2220m
The cells were cultured in a reaction mixture containing M (930 μl) at 23 ° C. for 5 hours. This culture
During this time, precursor RNA that resists degradation is denatured by 10% PAGE.
And isolated. The purified precursor RNA was then combined with 4 cNMPs each for 5
Positive selection in the same reaction buffer (930 μl) containing 00 μM at 23 ° C. for 30 minutes.
We received the first round of action. At this stage, the decomposed product is
% PAGE and denatured 5 'digested fragment
Recovered from the gel by crush-soak elution
Transcription was followed by amplification by PCR (RT-PCR). Reverse transcription is a manufacturing instruction
Using SuperScript II RT according to the cDNA, primer 1 (5
'-GGGGCAACCTACGGCTTTCACCGTTTCG, SEQ ID
NO: 33) in reaction buffer (400 μl total). next
, Primers 1 and 2 (500 pmol each)
PCR amplification of Tris-HCl (pH 8.3 at 23 ° C.) 10 mM, KCl
50 mM, MgCl21.5 mM, 0.01% gelatin, dNTP
0.2 mM each and 50 U of Taq polymerase (Promega)
The reaction was carried out in a reaction mixture containing (total 2 ml). The reaction was carried out at 94 ° C. for 30 seconds,
Thermal cycling was performed at the desired number of repetitions at 55 ° C. for 30 seconds and 72 ° C. for 60 seconds.
.
【0060】 選択的な増幅の更なるラウンドを、エフェクタに感度の高いリボザイム機能を
検出するまで、15分の正のセレクション反応を使用して、同様の方法で繰り返
した。続くセレクションのラウンドは、少な目のRNAプールを使用し、それに
応じて大きさの小さくなった反応サイズで、上記に記載される通り行なわれた、
負のセレクション及び正のセレクションの両方を含んでいた。最初の5ラウンド
のセレクションでは、10倍のcNMPの原料混合物を、反応緩衝液の残ってい
る成分を添加する前に、RNAプールに添加した。続くラウンドでは、cNMP
混合物を、反応緩衝液の後に添加して、酸に感度の高いリボザイムの単離を妨げ
た。加えて、ゆっくりと分解するか、又は、リフォールディングの際に活性なコ
ンホメーションと不活性なコンホメーションとの間に分配する、リボザイムに対
してより攻撃的にセレクションするために、負のセレクションを変えた。ゆっく
りと分解するリボザイムには有利ではないために、負のセレクション時間を、5
時間から最高で48時間まで延ばし、複数の負のセレクション工程を、正のセレ
クションを行う前に時々使用した。リボザイムをミスフォールディングするのに
有利ではないために、周期的な熱循環を、これまでに記載される通り(65)使
用するか、若しくは尿素又は穏やかなアルカリを使用する化学的変性を、変性、
復元、及び、自己分解の複数のサイクルを誘発させるために、負のセレクション
の期間、反復法で使用した。面白いことに、残存に対してミスホールディング戦
略を使用するリボザイムはまた、熱及び尿素で媒介される変性に頼る負のセレク
ション戦略を阻止した(未発表の観察)。それ故に、アルカリ変性を使用するこ
とは、負のセレクションに最も効果的であることが判った。A further round of selective amplification was repeated in a similar manner using a 15 minute positive selection reaction until a sensitive ribozyme function was detected in the effector. Subsequent rounds of selection were performed as described above, using smaller RNA pools and correspondingly reduced reaction sizes.
It contained both negative and positive selections. In the first five rounds of selection, a 10-fold stock mixture of cNMP was added to the RNA pool before adding the remaining components of the reaction buffer. In the following round, cNMP
The mixture was added after the reaction buffer to prevent the isolation of acid sensitive ribozymes. In addition, negative selection to degrade slowly or to select more aggressively for ribozymes that partition between active and inactive conformations upon refolding. Changed selection. Negative selection times are reduced by 5 since this is not advantageous for slowly degrading ribozymes.
Extending from hours to up to 48 hours, multiple negative selection steps were sometimes used before making a positive selection. Use of periodic thermal cycling as previously described (65), or chemical denaturation using urea or mild alkali, may not be used to favor ribozyme misfolding.
Negative selection was used in an iterative fashion to induce multiple cycles of reconstitution and autolysis. Interestingly, ribozymes using a misholding strategy for survival also blocked a negative selection strategy that relied on heat and urea-mediated denaturation (unpublished observation). Therefore, using alkali denaturation proved to be most effective for negative selection.
【0061】アロステリックリボザイムのキャラクタリゼーション cNMP依存性の自己分解を示すRNA集団を、クローン化し(TOPO T
A クローンニングキット、Invitrogen社製)、配列させ(Ther
omo Sequenase Cycle Sequencing Kit、U
SB社製)、更にリボザイムの速度論のエフェクタで媒介される調節を確定する
ことによって分析した。個々のアロステリックリボザイムのクローンに対する二
本鎖のDNA鋳型を、プライマ1及び2を使用する、プラスミドDNAのPCR
増幅によってか、又は、適当な合成DNA鋳型の調製によってのいずれか一方に
よって調製した。内部が32P−標識されたRNAを、上記に記載される通り、
in vitro転写によって調製した。[0061]Allosteric ribozyme characterization An RNA population exhibiting cNMP-dependent autolysis was cloned (TOPOT
A cloning kit, manufactured by Invitrogen) and sequenced (Ther
Omo Sequenase Cycle Sequencing Kit, U
SB) and further determine effector-mediated regulation of ribozyme kinetics
Was analyzed by: For allosteric ribozyme clones
PCR of plasmid DNA using a single-stranded DNA template with primers 1 and 2
Either by amplification or by preparing a suitable synthetic DNA template
Therefore, it was prepared. Inside32The P-labeled RNA is prepared as described above,
Prepared by in vitro transcription.
【0062】 RNAの自己分解に対する初期速度定数を、それぞれの実験に対して指示され
た通り、cNMPエフェクタを異なる濃度含有するセレクション緩衝液中で、内
部が32P−標識されたRNA前駆体をトレース量(〜100nM)培養するこ
とによって確定した。反応を、更にEDTAを含有する2×PAGE装荷緩衝液
を添加することによって終了させて。Mg2+コファクタを封鎖した(65)。
それぞれのクローンに対して、時間に対する分解した(<20%処理された)前
駆体のフラクションのプロットは、直線を与えた。尚、その傾きは、使用した特
定の反応条件下でのリボザイムに対する初期速度定数を表わす。全てのケースに
おいて、二重の実験で、50%未満で変えられた速度定数が与えられた。The initial rate constant for RNA autolysis was traced to the internal 32 P-labeled RNA precursor in selection buffer containing different concentrations of cNMP effector, as indicated for each experiment. The amount was determined by culturing in an amount (100100 nM). The reaction was terminated by adding more 2x PAGE loading buffer containing EDTA. The Mg 2+ cofactor was blocked (65).
For each clone, a plot of the fraction of the resolved (<20% treated) precursor against time gave a straight line. The slope represents the initial rate constant for the ribozyme under the specific reaction conditions used. In all cases, duplicate experiments gave rate constants that were varied by less than 50%.
【0063】 閉じ込められたcAMP類似体、アデノシン3’,5’−サイクリック一リン
酸、P1−(2−ニトロフェニル)エチルエステル(Calbiochem社製
)を、ジメチルスルホキシド(DMSO)中で再懸濁させて、100×原料溶液
(200mM)を生じさせた。溶解させた類似体を、リボザイム反応に送達して
、最終濃度2mMを生じさせ、得られた反応混合物に、DMSOを追加して、そ
れが沈殿するのを防止するための最終濃度5%を得た。DMSOのこの濃度は、
クローンcAMP−3の機能には影響を与えなかった。ポリカーボネート製のマ
イクロリットル板(USA Scientific社製)に含有された試料のU
V照射を、312nmに中心のある光を生じさせる、UV徹照装置(Spect
roline TVC−312A型)を使用して行った。これらの条件下では、
類似体の80%以上が、cAMPに転換される。The entrapped cAMP analog, adenosine 3 ′, 5′-cyclic monophosphate, P1- (2-nitrophenyl) ethyl ester (Calbiochem) was resuspended in dimethyl sulfoxide (DMSO). This gave a 100 × stock solution (200 mM). The dissolved analog is delivered to the ribozyme reaction to give a final concentration of 2 mM and to the resulting reaction mixture is added DMSO to give a final concentration of 5% to prevent it from precipitating. Was. This concentration of DMSO is
It did not affect the function of clone cAMP-3. U of a sample contained in a polycarbonate microliter plate (manufactured by USA Scientific)
V-irradiation, producing a light centered at 312 nm, a UV transilluminator (Spect
roline TVC-312A). Under these conditions,
Over 80% of the analog is converted to cAMP.
【0064】 cAMP消耗反応を、それぞれの反応に指示される通り、cAMP(500μ
M)、3’,5’−サイクリックヌクレオチドホスホジエステラーゼ(牛の脳か
ら不足した活性化剤、シグマ社製)及びカルモジュリン(3’,5’−サイクリ
ックヌクレオチドホスホジエステラーゼ活性化剤、シグマ社製)を送達すること
によって調製した。凍結乾燥したホスホジエステラーゼ及びカルモジュリン試料
を、MES(23℃でのpH6.5)50mM、NaCl 100mM及び60
%のグリセロールを含有する緩衝液中で、別々に再懸濁させた。ホスホジエステ
ラーゼを、最終濃度5×10−4Uμl−1まで指示された通り送達させ、カル
モジュリンを、最終濃度1.5Uμl−1まで指示された通り送達させた。cA
MP消耗研究のための反応は、Tris−HCl(23℃でのpH7.5)50
mM、MgCl220mM、CaCl230μM、及び、2.7%のグリセロー
ルを含有していた。トレース量の内部が32P−標識されたcAMP−1 RN
Aを、即座に添加するか(予備培養なしで)、若しくは、30℃で行なわれた4
0分又は80分の予備培養後に添加した。The cAMP depletion reaction was performed using cAMP (500 μm) as indicated for each reaction.
M) 3 ′, 5′-cyclic nucleotide phosphodiesterase (activator insufficient from bovine brain, manufactured by Sigma) and calmodulin (3 ′, 5′-cyclic nucleotide phosphodiesterase activator, manufactured by Sigma) Prepared by delivery. Lyophilized phosphodiesterase and calmodulin samples were subjected to 50 mM MES (pH 6.5 at 23 ° C.), 100 mM NaCl and 60 mM NaCl.
Resuspended separately in buffer containing 5% glycerol. Phosphodiesterase was delivered as indicated to a final concentration of 5 × 10 −4 Uμl −1 and calmodulin was delivered as indicated to a final concentration of 1.5 Uμl −1 . cA
The reaction for MP depletion studies was Tris-HCl (pH 7.5 at 23 ° C.) 50
mM, MgCl 2 20 mM, CaCl 2 30 μM, and 2.7% glycerol. 32 P-labeled cAMP-1 RN inside trace volume
A was added immediately (without pre-culture) or performed at 30 ° C.
Added after 0 or 80 minutes of pre-culture.
【0065】 結果及び考察 構築物のランダム配列ドメイン内のほぼ全ての可能性のある配列変異体を表わ
す1015RNA分子のプールで始めて、連続して負のセレクション及び正のセ
レクションを、可能性のあるエフェクタ分子として、4つの天然の3’,5’−
サイクリックモノヌクレオチド(cNMP;それぞれ500μM)からなる混合
物を使用して行った。それぞれのRNAの集団を、cNMP混合物の不存在下で
in vitro転写によって調製し、完全な長さの前駆体RNAを、10%の
ポリアクリルアミドゲル電気泳動(PAGE)を変性させることによって精製し
た。単離されたRNA前駆体を、長期間、異なった複製を許容する反応条件(反
応緩衝液:Tris−HCl、23℃でのpH7.5、20mM、及び、Mg2 + 20mM)下で、エフェクタ混合物の不存在下で培養した。この負のセレクシ
ョン反応からの分解していない前駆体を、再度PAGEによって単離し、cNM
P混合物を含有する複製を許容する反応要件下で簡単に培養することによって、
正のセレクションを受けさせた。得られた5’−分解生成物を、PAGEによっ
て精製し、逆転写、続くポリメラーゼ鎖反応(RT−PCR)によって増幅させ
た。この選択的−増幅法は、4つのcNMPのいずれかに応答するアロステリッ
クリボザイムの濃縮に有利であるので、繰り返した。Results and Discussion Starting with a pool of 10 15 RNA molecules representing almost all possible sequence variants within the random sequence domain of the construct, successive negative and positive selections were possible. As effector molecules, four natural 3 ', 5'-
The reaction was performed using a mixture of cyclic mononucleotides (cNMP; 500 μM each). Each RNA population was prepared by in vitro transcription in the absence of the cNMP mixture, and full-length precursor RNA was purified by denaturing 10% polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE). The isolated RNA precursor is subjected to an effector under reaction conditions (reaction buffer: Tris-HCl, pH 7.5 at 23 ° C., 20 mM, and Mg 2 +20 mM) that allow different replication for a long period of time. Cultured in the absence of the mixture. The undegraded precursor from this negative selection reaction was again isolated by PAGE and cNM
By simply culturing under reaction requirements that allow replication containing the P mixture,
Received a positive selection. The resulting 5'-degradation products were purified by PAGE and amplified by reverse transcription followed by the polymerase chain reaction (RT-PCR). This selective-amplification method was repeated because it favored the enrichment of allosteric ribozymes in response to any of the four cNMPs.
【0066】酸に感度が高く、かつエフェクタ依存性のリボザイム 選択的−増幅の僅か6ラウンド(G6)の後、RNAプールは、cNMP混合
物の添加に対して顕著な正の応答を示した(図9b)。しかしながら、更なる実
験で、G6 RNA集団は、cNMPのいずれに対しても特異的には認識しない
が、簡単な酸処理によって機能するように誘発されるリボザイムによって支配さ
れていることが判った。最初の6ラウンドのセレクションでは、反応緩衝液の添
加直前にcNMPからなる酸性の混合物を添加することによって、RNA混合物
のpHは故意ではなく下がった。酸性化を防ぐために、正のセレクションに使用
されたRNAプールを、反応を開始させるために使用したcNMP混合物及び2
0mMのMg2+の添加前に、Tris−HCl(23℃でのpH7.5)50
mMを用いて緩衝させた。[0066]Acid-sensitive and effector-dependent ribozymes After only 6 rounds of selective-amplification (G6), the RNA pool was cNMP mixed
A remarkable positive response to the addition of the substance was shown (FIG. 9b). However, further fruit
G6 RNA population does not specifically recognize any of the cNMPs
But dominated by ribozymes triggered to function by simple acid treatment
It turned out that it was. For the first six rounds of selection, add reaction buffer.
By adding an acidic mixture consisting of cNMP just prior to addition,
PH dropped unintentionally. Used for positive selection to prevent acidification
Pooled RNA was combined with the cNMP mixture used to initiate the reaction and 2
0 mM Mg2+Prior to the addition of Tris-HCl (pH 7.5 at 23 ° C.) 50
Buffered using mM.
【0067】 利己的RNA分子の2つの更なるクラスもまた、セレクションの初期段階で明
らかになった。利己的リボザイムの1つのクラスによって、負のセレクション工
程及び正のセレクション工程の両方で実質的に触媒速度を低下させながら、RN
Aの分解反応が促進させられる。他のクラスは、正確に折りたたまれた状態及び
ミスフォールドされた状態に分配する。両方のケースにおいて、リボザイムは、
負のセレクション反応の間完全には利己処理されず、それ故にエフェクタに対し
て応答せずに、選択的−増幅法によって濃縮される。これらの2つのタイプの利
己的RNAは、正のセレクション反応で観察されるRNAの触媒作用が高いバッ
クグラウンドレベルであることに起因し、これはアロステリックなセレクション
法の効率を最適ではなくした。[0067] Two additional classes of selfish RNA molecules also emerged during the early stages of selection. One class of selfish ribozymes reduces RN while substantially reducing the catalytic rate in both the negative and positive selection steps.
The decomposition reaction of A is promoted. Other classes distribute to correctly folded and misfolded states. In both cases, the ribozyme is
It is not completely selfish during the negative selection reaction and is therefore enriched by the selective-amplification method without responding to the effector. These two types of selfish RNA were due to the high background levels of RNA catalysis observed in the positive selection reaction, which suboptimized the efficiency of the allosteric selection method.
【0068】 幸いにも、エフェクタ分子を認識することによって特異的に活性化するリボザ
イムは、上記に記載されるエフェクタ依存性の戦略を使用するリボザイムに対し
て、重要な選択的利点を獲得する。負のセレクション反応に対して長い培養時間
を使用すると、よりゆっくりと分解するリボザイムを更に不利した。しかしなが
ら、ミスフォールディング戦略を使用して生き残るリボザイムは、除去するのが
より困難であった。多分、これらの分子の或る部分は、それぞれの変性の発生後
に、活性なコンホメーション状態と不活性なコンホメーション状態とに分ける。
それ故に、その集団の一部分のみが、負のセレクションの間に分解する。PAG
Eを変性することによって分解していない前駆体を精製する際に、RNAは再び
折り重なり、2つのコンホメーション状態の間に分配する他の機会を有する。こ
れによって、集団の重要な部分が続く正のセレクション反応の間に分解するのが
可能になる。この戦略を使用するリボザイムを不利にするために、多ラウンドの
負のセレクション及び精製を行った。この代わりに、負のセレクション反応を、
熱変性工程又は化学変性工程で散在させて、それぞれRNAを分解し再度折りた
たませた(上記の物質及び方法参照)。Fortunately, ribozymes that specifically activate by recognizing effector molecules gain important selective advantages over ribozymes using the effector-dependent strategies described above. The use of longer incubation times for negative selection reactions further disadvantaged ribozymes, which degrade more slowly. However, ribozymes that survive using a misfolding strategy were more difficult to remove. Possibly, certain parts of these molecules, after the occurrence of each denaturation, split into an active and an inactive conformational state.
Therefore, only a part of the population decomposes during the negative selection. PAG
In purifying the undegraded precursor by denaturing E, the RNA refolds and has another opportunity to partition between the two conformational states. This allows a significant portion of the population to break down during the subsequent positive selection reaction. To round out ribozymes using this strategy, multiple rounds of negative selection and purification were performed. Instead, a negative selection reaction
The RNA was degraded and refolded by scattering in a heat denaturation step or a chemical denaturation step, respectively (see above materials and methods).
【0069】cNMP依存性のハンマーヘッド型リボザイムの単離 cNMP混合物への測定可能な応答を、合計で14ラウンド後にセレクション
されたRNA集団によって再度示された(図9B)。G16RNAプールを、c
GMPの添加によって特異的に活性化されるアロステリックリボザイムによって
支配されているかを観察した。それ故に、エフェクタとしてcGMPのみを使用
して、更に2ラウンドのセレクションを行った。G18’RNAと名づけられた
、得られた集団は、cGMPの添加に非常に応答性である(図9C)。[0069]Isolation of cNMP-dependent hammerhead ribozyme Selection of measurable responses to the cNMP mixture after a total of 14 rounds
The RNA population was again shown (FIG. 9B). G16 RNA pool was added to c
By an allosteric ribozyme specifically activated by the addition of GMP
Observed what is dominated. Therefore, only cGMP is used as effector
Then, two more rounds of selection were performed. Named G18 'RNA
The resulting population is very responsive to the addition of cGMP (FIG. 9C).
【0070】 残っているcNMPに応答するリボザイムを回収するために、cGMPをG1
7の負のセレクション反応に添加し、正のセレクション反応で残っている3つの
エフェクタを供給した。G19によって、RNAプールはもはやcGMPには応
答しないが、cCMPに対して特異性を示す。それ故に、エフェクタとしてcC
MPのみを使用して更なるラウンドのセレクションを行って、G20’RNAを
製造した。このRNA集団はcCMPの存在下で優先的に分解する(図9C)。To recover the remaining ribozymes responsive to cNMP, cGMP was
7 were added to the negative selection reaction to provide the three effectors remaining in the positive selection reaction. By G19, the RNA pool no longer responds to cGMP, but shows specificity for cCMP. Therefore, cC as an effector
An additional round of selection was performed using only MP to produce G20 ′ RNA. This RNA population degrades preferentially in the presence of cCMP (FIG. 9C).
【0071】 この戦略の繰り返しにおいて、正のセレクションにcAMP及びcUMPを供
給している間、両cGMP及びcCMPが、G20で始まる負のセレクションに
含まれていた。この方法によって、cAMPに正的にここで応答するG22で、
RNAの集団が生じた。cAMPのみを使用する更なるラウンドのセレクション
によって、G23’RNA、即ちこのエフェクタによって独占的にアロステリッ
ク活性化を示す集団が生じた(図9C)。しかしながら、正のセレクション反応
においてcUMPのみを使用して、更に6ラウンドのセレクションを行った後は
、このエフェクタによるRNA分解において特異的な増加は、観察されなかった
。この発見によって、cUMPに特異的なリボザイムは、初期集団には存在して
いなかったこと、及び、このエフェクタ特異性を有するリボザイムは、選択的−
増幅法の間に得られる突然変異の結果として、偶然には発生しなかったことが示
された。In an iteration of this strategy, both cGMP and cCMP were included in the negative selection starting with G20, while supplying cAMP and cUMP to the positive selection. By this method, at G22, which responds exactly to cAMP,
A population of RNA resulted. Further rounds of selection using cAMP alone yielded a G23 ′ RNA, a population that exhibited allosteric activation exclusively by this effector (FIG. 9C). However, after a further 6 rounds of selection using only cUMP in the positive selection reaction, no specific increase in RNA degradation by this effector was observed. This finding indicates that a ribozyme specific for cUMP was not present in the initial population and that ribozymes with this effector specificity were selective-
It was shown that mutations obtained during the amplification procedure did not occur by chance.
【0072】cGMP、cCMP及びcAMPを用いるリボザイムの動的調節 G18’、G20’及びG23’集団からのクローンを、選択されたRNAの
機能を更にキャラクタライズするために配列させた。G18集団から検査された
12のクローンの内、8つは元のランダム−配列ドメイン内にかなりの構造分散
性を示す(図10A)。面白いことに、全ての個体は、連結モジュールを定義す
る領域内に少なくとも1つの突然変異を維持し、1つのクローンを除く全てがラ
ンダム−配列ドメイン内に欠失を有する。この発見によって、元のプールは、ア
ロステリック機能のためにRNA構築物のデザインを偏らせる我々の努力にも係
わらず、cNMPターゲットに対してアロステリックリボザイムの重要な表示を
与えないであろうことが示される。[0072]Dynamic regulation of ribozymes using cGMP, cCMP and cAMP Clones from the G18 ', G20' and G23 'populations were
Arranged to further characterize features. Tested from G18 population
Of the 12 clones, 8 have significant structural variance within the original random-sequence domain
(Figure 10A). Interestingly, every individual defines a connection module
Maintain at least one mutation in the region, and all but one clone
Random-has a deletion in the sequence domain. With this discovery, the original pool was
Involved in our efforts to bias the design of RNA constructs for lossy function
Nevertheless, an important indication of allosteric ribozymes for cNMP targets
It will be shown not to give.
【0073】 クローンcGMP−1〜cGMP−4を、触媒活性のために試験し、それぞれ
は、特有の特徴を有するcGMPの添加に対して正的に応答する(図10B)。
エフェクタの不存在下及び存在下で測定されたハンマーヘッド型分解の初期速度
の比較によって(非直線的な速度論に構わず)、cGMP−1はアロステリック
セレクションに使用される条件下で〜510フォールドまで活性化されることが
明らかである(図10C)。残りの3つのクローンは余り大きくは活性化されな
いが、しかしながら、それぞれはcGMPで選択的な活性化を示し、残っている
非コグネイトエフェクタ分子では交差反応性を示さない。The clones cGMP-1 to cGMP-4 were tested for catalytic activity, each responding positively to the addition of cGMP with unique characteristics (FIG. 10B).
By comparison of the initial rates of hammerhead-type degradation measured in the absence and presence of the effector (regardless of nonlinear kinetics), cGMP-1 folds to 〜510 fold under the conditions used for allosteric selection. It is evident that it is activated up to (Fig. 10C). The remaining three clones are not activated significantly, however, each shows selective activation with cGMP and no cross-reactivity with the remaining non-cognate effector molecules.
【0074】 同様に、G20’及びG23’集団からの個々のクローンは、それぞれcCM
P及びcAMPエフェクタで特異的な活性化を示す。cGMPに特異性のRNA
で観察される通り、単離されたG20’RNAの配列によって、セレクション法
の過程で顕著な突然変異又は欠失が得られることが明らかになり、それはこれら
の変化はアロステリック機能を生じさせるのに必要であり得ることを示している
(図10D)。G20’から配列させられた7つ全てのクローンの触媒性能を調
べたが、cCMP−1及びcCMP−2のみが、その対応するエフェクタによっ
て活性化されることが観察された(図10E及び10F)。残りのクローンは、
いずれのエフェクタの存在にも係わらず、弱い触媒活性を表わすが、これはこれ
らのRNAがアロステリック活性化戦略を利用しなくても、セレクション法にお
いてこの段階まで生き残ることを示すものである。Similarly, individual clones from the G20 ′ and G23 ′ populations respectively
Shows specific activation with P and cAMP effectors. RNA specific for cGMP
The sequence of the isolated G20 'RNA reveals that significant mutations or deletions are obtained in the course of the selection process, as these observations show that these changes result in an allosteric function, as observed in This indicates that it may be necessary (FIG. 10D). The catalytic performance of all seven clones sequenced from G20 ′ was examined, and only cCMP-1 and cCMP-2 were observed to be activated by their corresponding effectors (FIGS. 10E and 10F). . The remaining clones
Despite the presence of any effectors, they show weak catalytic activity, indicating that these RNAs survive to this stage in the selection method without utilizing an allosteric activation strategy.
【0075】 8つの別個の個体もまた、G23’集団から配列させられた13のクローンの
中で同定された(図10G)。また、そのクローンは、ランダム−配列ドメイン
内の元の連結モジュール又は欠失内で突然変異という重要な取得を経験した。G
23’集団から調べられた5つのクローンのそれぞれは、cAMPの存在に対し
て正的に応答する(図10H)。その上、クローンcAMP−1〜cAMP−4
は、前のアロステリック構築物で観察されたアロステリック反応速度論と同様の
アロステリック反応速度論を示す(図10I)。cUMP依存性リボザイムはこ
のRNA集団から単離されたが、配列の分散性及び回収されたアロステリックリ
ボザイムの動的特徴によって、重要な可能性が、新規なエフェクタで調節された
RNAの発生に対して存在することが示される。Eight separate individuals were also identified among the thirteen clones sequenced from the G23 ′ population (FIG. 10G). Also, the clone experienced significant acquisition of mutations within the original joining module or deletion within the random-sequence domain. G
Each of the five clones examined from the 23 ′ population responded positively to the presence of cAMP (FIG. 10H). In addition, clones cAMP-1 to cAMP-4
Shows an allosteric kinetics similar to that observed with the previous allosteric construct (FIG. 10I). Although cUMP-dependent ribozymes have been isolated from this RNA population, due to sequence variability and the dynamic characteristics of the recovered allosteric ribozymes, a significant potential exists for the generation of novel effector-regulated RNAs. It is shown to be present.
【0076】エフェクタ結合部位による分子認識 代表的なcGMP−、cCMP−及びcAMP−依存性リボザイムがそれらの
対応するエフェクタの原子構造を直接認識するか否か、又は、それらが反応混合
物に故意でなく導入され得る幾つかの他の物理化学的シグナル剤に応答するか否
かが、主な関心である。RNA集団を支配する第一のリボザイムは4つのcNM
Pのいずれにも特異的には応答しないという観察によって、アロステリック活性
化に対する代わりのエフェクタに優先権が与えられるが、反応混合物の酸性化に
対しては感度が高い。リボザイムの活性化の機構はcNMPの直接的な分子認識
によって媒介されるかどうかを決めるために、アデノシン3’,5’−サイクリ
ック一リン酸、P1−(2−ニトロフェニル)エチルエステル、cAMPの「閉
じ込められた」形体を使用した(図11A)。閉じ込められたcAMPは、Ne
rbonne等(67)によって報告されているのと同様のcAMPのトリエス
テル類似体であり、紫外線光を用いる照射により、加えられたホスホエステル結
合の分解によって解放される。この閉じ込められたエフェクタによって、個々の
cAMP依存性のクローンが、照射によってエフェクタを解放する際に活性化さ
れ得るかどうかを試験するための手段が与えられる。[0076]Molecular recognition by effector binding sites Representative cGMP-, cCMP- and cAMP-dependent ribozymes are
Whether the atomic structure of the corresponding effector is directly recognized, or
Respond to some other physicochemical signaling agent that can be unintentionally introduced into an object
That is the main concern. The first ribozyme that governs the RNA population is four cNMs
The observation that they do not respond specifically to any of the P
Alternative effectors to oxidation are given priority, but acidification of the reaction mixture
The sensitivity is high. The mechanism of ribozyme activation is direct molecular recognition of cNMP
To determine if mediated by adenosine 3 ', 5'-cycle
Monophosphate, P1- (2-nitrophenyl) ethyl ester, cAMP "closed"
A “recessed” configuration was used (FIG. 11A). The trapped cAMP is Ne
Tries of cAMP similar to those reported by rbone et al. (67).
Ter analogs, which have been added with phosphoester linkages by irradiation with ultraviolet light.
Released by disassembly. This confined effector allows individual
cAMP-dependent clones activate upon release of effector by irradiation
A means is provided for testing whether this is possible.
【0077】 cAMP依存性のクローンであるcAMP−1、cAMP−2及びcAMP−
4(図10I)はそれぞれ、閉じ込められたエフェクタで示される場合に分解す
るが(データーは図示せず)、これはこれらのRNAのアロステリックな結合部
位は、cAMPのこの類似体に存在する化学的変質に適応することを示唆するも
のである。対照的に、cAMP−3クローンは、それが500μMの閉じ込めら
れたcAMPを用いて培養されようが、エフェクタの不存在下でそれが培養され
ようが、同じ速度定数を示す(図11B)。多分、cAMP−3のアロステリッ
クな結合部位は、閉じ込められたcAMP化合物が隣接するリボザイムを結合し
活性化させる余地を与えない。しかしながら、cAMP−3 RNA及び閉じ込
められたcAMPを含有する混合物を、〜312nmに中心のある長波長のUV
光を用いて短い照射をすることによって、リボザイムの機能の顕著な活性化が生
じる。UVで誘導されるその場でのcAMPの製造によってリボザイムの活性化
が引き起こされるという発見は、cAMPがこの特定のアロステリックリボザイ
ムによってエフェクタとして直接的に認識される機構と一致している。The cAMP-dependent clones cAMP-1, cAMP-2 and cAMP-
4 (FIG. 10I) each degrade when displayed with a confined effector (data not shown), which indicates that the allosteric binding site of these RNAs is due to the chemical nature of this analog of cAMP. It suggests adaptation to alteration. In contrast, the cAMP-3 clone shows the same rate constant whether it is cultured with 500 μM of trapped cAMP or in the absence of effectors (FIG. 11B). Presumably, the allosteric binding site of cAMP-3 does not allow room for the entrapped cAMP compound to bind and activate adjacent ribozymes. However, mixtures containing cAMP-3 RNA and entrapped cAMP were treated with a long-wavelength UV centered at ~ 312 nm.
Short irradiation with light results in significant activation of ribozyme function. The finding that UV-induced in situ production of cAMP causes ribozyme activation is consistent with the mechanism by which cAMP is directly recognized as an effector by this particular allosteric ribozyme.
【0078】 RNAによるcNMPエフェクタの分子認識はアロステリックリボザイムの機
能を媒介するかどうかを更に調べるために、cAMPが反応混合物からその場で
消耗されるアッセイが確立された(図12)。その場でのcAMPの消耗は、サ
イクリックヌクレオチドホスホジエステラーゼ(68)及びその活性化剤である
カルモジュリンを使用することによって達成された。これらのタンパク質は、独
立して培養される場合にはエフェクタを消耗しないが、組み合わせると、それら
は3’,5’−サイクリックAMPを効率的に加水分解して5’−AMPを生じ
させる。アッセイ条件下では、10%未満のcAMPがホスホジエステラーゼ単
独の存在下での40分の予備培養の間に破壊されるが、カルモジュリン、即ちサ
イクリックヌクレオチドホスホジエステラーゼ活性の活性化剤を含有する同様の
反応では90%以上が破壊される。To further investigate whether the molecular recognition of cNMP effectors by RNA mediates the function of allosteric ribozymes, an assay was established in which cAMP was depleted in situ from the reaction mixture (FIG. 12). In situ depletion of cAMP was achieved by using cyclic nucleotide phosphodiesterase (68) and its activator calmodulin. These proteins do not deplete effectors when cultured independently, but when combined, they efficiently hydrolyze 3 ', 5'-cyclic AMP to 5'-AMP. Under assay conditions, less than 10% of cAMP is destroyed during a 40 minute pre-incubation in the presence of phosphodiesterase alone, but in similar reactions containing calmodulin, an activator of cyclic nucleotide phosphodiesterase activity. More than 90% are destroyed.
【0079】 アロステリックリボザイム cAMP−1は、エフェクタとして5’−AMP
に適応しない(図13参照)。結果として、cAMPがホスホジエステラーゼ/
カルモジュリン錯体の触媒作用によって初めに消耗される場合には、このリボザ
イムは活性化されるべきではない。予期される通り、我々はホスホジエステラー
ゼもカルモジュリンも単独ではcAMP−1 RNAのアロステリック活性化を
抑制しないことを見出す(図12A、線5及び6)。対照的に、アロステリック
リボザイムは、ホスホジエステラーゼ及びカルモジュリンの両方を用いて予備培
養されたcAMPを含有する反応混合物に添加される場合には、顕著には活性化
されない(図12A、線7)。その上、線7で使用されたのと当量の反応混合物
中のcAMP−1リボザイムは、第二の等分部分のcAMPの添加によって活性
化され得ることが観察された(図12B)。これは両方のタンパク質因子での予
備培養によってリボザイムの活性化の損失が、cAMPエフェクタの消耗によっ
て引き起こされ、タンパク質錯体に固有の抑制効果によるものではないことを示
している。cAMPのその場での製造又は消耗のいずれかを含む、上記に記載さ
れる両研究によって、アロステリックセレクションによって単離された多くのリ
ボザイムの内の少なくとも幾つかは、それらの対応するcNMPエフェクタ分子
を直接的に認識するという証拠が与えられる。The allosteric ribozyme cAMP-1 is 5′-AMP as an effector
(See FIG. 13). As a result, cAMP becomes phosphodiesterase /
The ribozyme should not be activated if it is initially consumed by the catalysis of the calmodulin complex. As expected, we find that neither phosphodiesterase nor calmodulin alone suppresses allosteric activation of cAMP-1 RNA (FIG. 12A, lines 5 and 6). In contrast, allosteric ribozymes are not significantly activated when added to reaction mixtures containing cAMP pre-cultured with both phosphodiesterase and calmodulin (FIG. 12A, line 7). Moreover, it was observed that the cAMP-1 ribozyme in the reaction mixture equivalent to that used in line 7 could be activated by the addition of a second aliquot of cAMP (FIG. 12B). This indicates that loss of ribozyme activation by preculture with both protein factors is caused by depletion of the cAMP effector and not due to the intrinsic inhibitory effect of the protein complex. By both studies described above, including either in situ production or depletion of cAMP, at least some of the many ribozymes isolated by allosteric selection have their corresponding cNMP effector molecules. Evidence of direct recognition is given.
【0080】アロステリックな結合部位による分子識別 分子認識決定基の予備的調査を、代表的なクローンであるcGMP−1、cC
MP−1及びcAMP−1を使用して行った。それぞれのケースで、RNAはそ
れらの対応するエフェクタの非常に関連する類似体に対して顕著な認識を示す(
図13)。例えば、cGMP−1 RNAは、3’−GMP及び5’−GMP、
即ちcGMPの加水分解された類似体に対して顕著な識別を示す。同様に、cC
MP−1及びcAMP−1クローンもまた、それらの対応するcNMPエフェク
タのサイクリックホスホジエステル構造が、5’O−P又は3’O−P結合の加
水分解によって開環されるかどうかを認識するこの同じ能力を示す。[0080]Molecular recognition by allosteric binding sites Preliminary investigations of molecular recognition determinants were performed using representative clones, cGMP-1, cC
Performed using MP-1 and cAMP-1. In each case, the RNA is
Shows significant recognition for highly related analogs of their corresponding effectors (
(FIG. 13). For example, cGMP-1 RNA comprises 3'-GMP and 5'-GMP,
That is, it shows a remarkable discrimination against the hydrolyzed analog of cGMP. Similarly, cC
MP-1 and cAMP-1 clones also have their corresponding cNMP effectors.
The cyclic phosphodiester structure of the compound has a 5'O-P or 3'O-P bond.
It shows this same ability to recognize whether it is opened by hydrolysis.
【0081】 これらのアロステリックリボザイムに対する分子認識の決定基をよりはっきり
と決めるためには、更なる実験が必要であるが、それぞれのケースでは開かれた
−環類似体に対する識別は、立体的な相互作用により得ると思われる。対応する
cNMPのヌクレオシド及びデオキシヌクレオシド類似体と共に供給されると、
全ての3種類のクローンは少なくとも部分的に活性を残すという観察によって、
リン酸部位はアロステリック活性化に絶対的には必要ではないことが示されてい
る。対照的に、それぞれのエフェクタのヌクレオシド塩基上の多くの官能基の変
性が、アロステリックリボザイムの機能に悪影響を与える(図13)。それ故に
、cNMPエフェクタの塩基部位は、異なるエフェクタ−結合ドメインによる分
子認識に対しては必須であると思われる。Further experimentation is needed to more clearly determine the determinants of molecular recognition for these allosteric ribozymes, but in each case the discrimination against the open-ring analog is determined by the steric interaction. It seems to be obtained by action. Supplied with the corresponding nucleoside and deoxynucleoside analogs of cNMP,
By the observation that all three clones at least partially remain active,
It has been shown that the phosphate site is not absolutely required for allosteric activation. In contrast, the modification of many functional groups on the nucleoside base of each effector adversely affects the function of the allosteric ribozyme (FIG. 13). Therefore, it appears that the base site of the cNMP effector is essential for molecular recognition by different effector-binding domains.
【0082】cNMP依存性リボザイムの速い活性化 現在までに引き起こされた低分子依存性アロステリックリボザイムの共通する
特徴は、エフェクタの添加によってリボザイムの機能の速い活性化又は失活であ
る(5、7、65)。速いアロステリックな応答は、実際の用途を見出すべきで
ある、RNA分子スイッチに非常に望まれ得る動的特徴である。それ故に、3つ
の代表的なクローンであるcGMP−1、cCMP−1及びcAMP−1に対す
る活性化の速度論を調べた。それぞれのケースで、リボザイムは、それらの対応
するエフェクタ分子を導入して数秒後以内に活性化されると思われる(図14)
。リボザイム機能の速い活性化は、適当なシグナル剤の導入によってのいみ、活
性なエフェクタ結合及びリボザイムのコンホメーションを素早く形成する、動的
なRNA構造を示す。[0082]Fast activation of cNMP-dependent ribozymes Common small molecule-dependent allosteric ribozymes caused to date
Characterized by the rapid activation or inactivation of ribozyme function by the addition of effectors.
(5, 7, 65). Fast allosteric response should find a real application
Certain dynamic features can be highly desirable for RNA molecular switches. Therefore, three
CGMP-1, cCMP-1 and cAMP-1 which are representative clones of
The kinetics of activation was investigated. In each case, the ribozymes have their counterparts
Appears to be activated within a few seconds after introducing the effector molecule (Figure 14).
. Fast activation of ribozyme function can be achieved by introducing appropriate signal agents.
Dynamic formation of rapid effector binding and ribozyme conformations
1 shows a simple RNA structure.
【0083】 上記に記載されるクローンのそれぞれは、少なくとも1つの半減期の間直線的
な分解速度論を維持するが(図14)、これは適当なエフェクタの添加によって
、個々のクローンのRNAの50%以上が活性化されることを示している。しか
しながら、幾つかの個体に対する自己分解は、僅かな短い反応時間の後に安定期
に到達する。これは重大なミスフォールディングの問題を示し得るものである。
アロステリック活性化の際、調べられた殆どのクローンは、触媒作用の停止前に
20%〜90%進行している。Each of the clones described above maintains a linear degradation kinetics for at least one half-life (FIG. 14), but this is due to the addition of the appropriate effector to the RNA of individual clones. This indicates that 50% or more is activated. However, autolysis for some individuals reaches a plateau after only a short reaction time. This can indicate a serious misfolding problem.
During allosteric activation, most of the clones examined are 20% -90% advanced before cessation of catalysis.
【0084】結合親和力及び動的範囲 それぞれのアロステリックリボザイムのエフェクタが結合している部位は、R
NA−リガンドの相互作用に対する解離定数(KD)によって記載され得る、別
個の親和力を有するそのリガンドを結合すると考えられる。エフェクタが結合し
ている部位の占有が、特定のアロステリックリボザイムに対する活性化のレベル
と本当に相関関係がある場合、次いでエフェクタの濃度に対する触媒作用速度の
依存性を調べることによって、エフェクタの結合に対する明らかなKDが、この
相互作用に対して確定され得る。[0084]Binding affinity and dynamic range The site to which the effector of each allosteric ribozyme is bound is R
Which can be described by the dissociation constant (KD) for the NA-ligand interaction.
Would bind its ligand with a single affinity. The effector
Occupancy of the site is the level of activation for a particular allosteric ribozyme
If it really correlates with the
By examining the dependence, the apparent KD for effector binding is
An interaction can be determined.
【0085】 この研究で単離されたアロステリックリボザイムによって示される、結合親和
力を包括的に分析するために、図11〜13に記載される10個全てのアロステ
リックリボザイムのエフェクタ濃度−依存性の活性を測定した。明らかなKD値
を、最大値の半分(1/2Kmax)である速度定数を生み出す、エフェクタ濃
度を確定することによって測定した。全てのケースで、明らかなKDは、in
vitroセレクションの間に使用されたそれぞれのエフェクタの濃度の付近で
ある(図15)。これらの定数は〜200μM(cGMP−3)から〜4mM(
cCMP−1)の範囲である。比較によって、SELEX法(16、46〜53
)によって単離された殆どのリガンドが結合しているRNAはより高い親和力で
結合するが、これはより低いエフェクタ濃度に対するこれらのアロステリックリ
ボザイムの感度の向上が達成され得たことを示すものである。To comprehensively analyze the binding affinity exhibited by the allosteric ribozymes isolated in this study, the effector concentration-dependent activity of all ten allosteric ribozymes described in FIGS. It was measured. The apparent KD value was determined by determining the effector concentration, yielding a rate constant that was half of the maximum (1 / 2K max ). In all cases, the apparent KD is in
Near the concentration of each effector used during the in vitro selection (FIG. 15). These constants range from 200200 μM (cGMP-3) to 44 mM (
cCMP-1). By comparison, the SELEX method (16, 46-53)
) Binds with higher affinity, indicating that increased sensitivity of these allosteric ribozymes to lower effector concentrations could be achieved. .
【0086】 それぞれのアロステリックリボザイムに対する明らかなKDを定義するために
使用されたプロット(図11)はまた、異なる濃度のエフェクタに対して示され
る速度定数の範囲を明らかにする。アロステリックな応答に対するこの「動的範
囲」は、異なるクローン間で非常に変わり易いが、これはアロステリックリボザ
イムによって示され得る機能の特徴の分散性が実質的であることを示唆するもの
である。予備的な分析から予期される通り(図10B)、cGMP−3リボザイ
ムは、cGMPに対して劣った速度増加又は「アロステリックな応答」を有する
。結果として、この個体は、1未満のオーダーの大きさの全体的な動的範囲を示
す。対照的に、最も優れた動的範囲を示すクローンは、cGMP−1であり、そ
れは1μMから1mMまでその速度定数の対数における直線的な増加を維持する
。in vitroセレクション条件下でのcGMP−1に対する速度定数の増
加は、〜500フォールドであるが、cGMPとエフェクタが結合している部位
が飽和した際の全体の速度の増加は、約5000フォールドである。これは3オ
ーダーより大きい大きさのcGMP−1に対する動的範囲に対応する。The plot used to define the apparent KD for each allosteric ribozyme (FIG. 11) also reveals the range of rate constants shown for different concentrations of effector. This "dynamic range" for allosteric responses is highly variable between different clones, suggesting that the variability of functional features that can be exhibited by allosteric ribozymes is substantial. As expected from preliminary analysis (FIG. 10B), cGMP-3 ribozymes have a poor rate increase or "allosteric response" to cGMP. As a result, this individual exhibits an overall dynamic range on the order of magnitude less than one. In contrast, the clone with the best dynamic range is cGMP-1, which maintains a linear increase in the log of its rate constant from 1 μM to 1 mM. The increase in rate constant for cGMP-1 under in vitro selection conditions is 〜500 fold, while the overall rate increase when the site where cGMP and effector bind is saturated is about 5,000 fold. . This corresponds to a dynamic range for cGMP-1 of size greater than three orders.
【0087】工学新規なRNA分子センサ この研究に使用されたアロステリックセレクション戦略(図9A)によって、
分子スイッチとして機能する新規なマルチドメインRNAの単離のための、また
新規なリガンドが結合しているRNA構造の単離のための、代わりの手法が与え
られる。特定のcNMPターゲットに応答する多くのアロステリックリボザイム
を同時に単離することが、本明細書中に報告されている。同様に、アロステリッ
クセレクションは、正のセレクション反応における候補のエフェクタ分子として
、金属イオン又は金属錯体からなる混合物を使用することによって、又は、数百
もの有機化合物、タンパク質又は核酸を含有する錯体混合物を使用することによ
って、大量で並列な規模で分子センサを単離するのに使用され得る。実際、RN
A構造のフォールディングに影響を与え得るいずれかの物理化学的衝撃が、アロ
ステリックリボザイムの機能に対するシグナル剤であり得る。[0087]Engineering Novel RNA Molecular Sensor According to the allosteric selection strategy used in this study (FIG. 9A),
For the isolation of novel multi-domain RNAs that function as molecular switches, and
Alternative methods are provided for the isolation of RNA structures to which new ligands bind
Can be Many allosteric ribozymes respond to specific cNMP targets
At the same time is reported herein. Similarly, allosteric
Selection as a candidate effector molecule in a positive selection reaction
, By using a mixture of metal ions or metal complexes, or
By using complex mixtures containing organic compounds, proteins or nucleic acids
Thus, it can be used to isolate molecular sensors on a massively parallel scale. In fact, RN
Any physicochemical impact that can affect the folding of the A structure
It may be a signal agent for the function of steric ribozymes.
【0088】RNAの構造及び機能分散性 天然のリボザイムの限定された機能と対照的に、タンパク質酵素は、並外れた
精度でかつ桁外れの速度増加で、おびただしいアレイの化学的形質変換に触媒作
用を及ぼす。或る例においてエフェクタ依存性のアロステリックな調節を与える
コンホメーション変化が、タンパク質酵素の異なった生化学的機能に含まれる(
21)。それらのタンパク質相対物とは異なり、天然のリボザイムは触媒活性の
アロステリックな調節を行うことは知られていない。しかしながら、この研究及
び幾つかのこれまでの研究(5、6、8、9、61〜63、65、66)の結果
によって、核酸は、様々なエフェクタ化合物に対する応答で触媒活性を調節する
ことが極めて可能であるという証拠が与えられている。これらの発見は、RNA
が錯体の触媒機能に対して重要であるのに利用されていない可能性を有し得ると
いうこれまでの示唆(57〜60)と一致している。多分、核酸の本当の触媒的
可能性は、独自の生化学的な用途を可能にする合成リボザイムの構築に利用され
得る。[0088]RNA structure and function dispersibility In contrast to the limited function of natural ribozymes, protein enzymes are exceptional
Accurate and extraordinary speed increase catalyzes the chemical transformation of numerous arrays
Use. Providing effector-dependent allosteric regulation in certain instances
Conformational changes are involved in the different biochemical functions of protein enzymes (
21). Unlike their protein counterparts, natural ribozymes are catalytically active.
It is not known to make allosteric adjustments. However, this research and
And the results of several previous studies (5, 6, 8, 9, 61-63, 65, 66)
Regulates catalytic activity in response to various effector compounds
There is evidence that it is extremely possible. These findings are
Is important for the catalytic function of the complex but could be underutilized
This is consistent with the previous suggestions (57-60). Maybe the real catalytic of nucleic acids
The potential is being exploited to construct synthetic ribozymes that enable unique biochemical applications.
obtain.
【0089】 この研究に記載されているアロステリックリボザイムはそれらのアロステリッ
クな応答及び触媒機能を最適にするためにいずれの努力をも受けなかったことに
注目するのが重要である。それらの動的特徴にも係わらず、初めに成功が立証さ
れたアロステリックリボザイムの特性の意味を与えるために、この初期のin
vitroセレクション法によって生じさせられた代表的なクローンが示されて
いる。殆どのケースにおいてそれらのエフェクタ結合親和力及び触媒作用速度が
殆どの用途に供するのにほぼおそらく不充分であるので、この実施例に記載され
るリボザイムは、基本型であると考えられるべきである。多分、アロステリック
なセレクションによって単離されたアロステリックリボザイムの個々のクラスは
、この研究に使用されるものと同様に、同様のin vitroセレクション戦
略を用いて、更に最適化が吟味できるであろう。これによって、様々な用途に対
する効率的な分子センサとしてそれらの開発が結局可能であろう。It is important to note that the allosteric ribozymes described in this study did not make any effort to optimize their allosteric response and catalytic function. Despite their dynamic characteristics, this initial in
Representative clones generated by the in vitro selection method are shown. The ribozymes described in this example should be considered to be the prototype, since in most cases their effector binding affinities and catalysis rates are almost inadequate to serve most applications. Perhaps the individual classes of allosteric ribozymes isolated by allosteric selection could be further optimized using similar in vitro selection strategies, similar to those used in this study. This would ultimately allow their development as efficient molecular sensors for various applications.
【0090】遺伝子の発現を制御するための含意 遺伝子の発現を正確に制御することは、全ての細胞の通常の機能にとって非常
に重要である。同様に、正確な時間又は空間的コマンドで支配される遺伝子の発
現を意図的に操作することは、分子レベルで生物学的系を制御するのを望む人に
とっては非常に興味深いものである。考えられるところでは、遺伝子発現の調節
は、DNAからRNAへ、またRNAから最終のタンパク質生成物への情報伝達
の過程のいずれかの段階で生じ得る。実際、遺伝子の入手性のレベルを調節する
ために、また転写後に生じる分子の進行を調節するために使用される、豊富な戦
略を、天然の系は発展させた(69)。多くのこれらの機構は、遺伝子の発現を
制御するために使用され得る低分子調節剤の開発のためのターゲットになった(
70)。[0090]Implications for controlling gene expression Precise control of gene expression is critical to the normal functioning of all cells.
Is important. Similarly, the expression of genes governed by precise temporal or spatial commands
Intentionally manipulating the present is for those who want to control biological systems at the molecular level.
That is very interesting. Possible regulation of gene expression
Is the signal transfer from DNA to RNA and from RNA to the final protein product
At any stage of the process. In fact, regulate the level of gene availability
Abundant warfare used to regulate the progress of molecules that occur after transcription
In short, natural systems have evolved (69). Many of these mechanisms regulate gene expression.
Has become a target for the development of small molecule modulators that can be used to control
70).
【0091】 幾つかの、細胞の遺伝的制御機構は、RNAのレベルで発揮されている。例え
ば、天然のアンチセンス相互作用及びRNA安定性の調節は、遺伝子発現に影響
を与えるのが知られている2つの機構である。アンチセンスオリゴヌクレオチド
及びリボザイムは、これらの2つの機構を利用することによって特異的な遺伝子
の発現に意図的に影響を与えるために研究者によって、広く使用されている。こ
れらの研究手法は、RNAのターゲットに近づくのを立体的に阻止することによ
ってか、又は破壊のためにRNAをターゲットすることによってのいずれか一方
によって、RNA機能を調節する。近年、mRNAの翻訳は、アプタマーと或る
染料化合物との間の特異的な相互作用を利用することによって阻止され得ること
が示された(71)。特に、ヘキスト染料H33258及びH33342を選択
的に結合するRNAアプタマーが、mRNAに組み込まれて、その結果これらの
リガンドが細胞に導入される際に遺伝子発現が選択的に阻止された。同様に、ア
ロステリックリボザイムは、mRNAに融合させられ得り、その結果対応するエ
フェクタ分子が細胞に導入される際に、リボザイムドメインがその触媒活性を調
節する。それ故に、アロステリックエフェクタ分子が、mRNAの安定性を調節
するために使用され得り、従ってターゲット遺伝子の発現に影響を与え得る。[0091] Some cellular genetic control mechanisms are exerted at the level of RNA. For example, natural antisense interactions and regulation of RNA stability are two mechanisms known to affect gene expression. Antisense oligonucleotides and ribozymes have been widely used by researchers to intentionally affect the expression of specific genes by exploiting these two mechanisms. These approaches modulate RNA function, either by sterically preventing access to the target of the RNA, or by targeting the RNA for destruction. Recently, it has been shown that translation of mRNA can be blocked by exploiting the specific interaction between aptamers and certain dye compounds (71). In particular, RNA aptamers that selectively bind Hoechst dyes H33258 and H33342 were incorporated into mRNA, resulting in selective inhibition of gene expression when these ligands were introduced into cells. Similarly, an allosteric ribozyme can be fused to mRNA such that the ribozyme domain modulates its catalytic activity when the corresponding effector molecule is introduced into a cell. Therefore, allosteric effector molecules can be used to modulate mRNA stability and thus affect the expression of the target gene.
【0092】 本明細書に記載されるアロステリックセレクションのプロトコルによって、数
百又は更に数千もの化合物のいずれにも応答する新規なアロステリックリボザイ
ムを同時にセレクションするのが可能になる。これによって、ハンマーヘッド型
等の自己分解するリボザイムが、広範囲のエフェクタの刺激に応答するようにさ
せられ得るかどうか、及び、得られるアロステリックな構築物が新規な遺伝子制
御因子としてmRNAで組み込まれ得るかどうかを試験するための手段が与えら
れる。これが実行可能であると証明されると、次いでほぼいかなる天然又は生物
学的に利用可能な化合物も、遺伝的に形質転換を起こした有機物における、遺伝
子の発現を意図的に制御するための候補である。[0092] The allosteric selection protocol described herein allows for the simultaneous selection of novel allosteric ribozymes that respond to any of hundreds or even thousands of compounds. This may allow autolyzing ribozymes, such as the hammerhead type, to be made responsive to a wide range of effector stimuli, and whether the resulting allosteric construct may be incorporated into mRNA as a novel gene regulator. A means is provided for testing. If this proves to be feasible, then almost any naturally or biologically available compound is a candidate for the purposeful control of gene expression in genetically transformed organic matter. is there.
【0093】 上記説明は、本発明をどのように実施するかを、当業者に教示する目的のため
のものであり、詳細な説明を読んだ際に当業者に明らかになるであろう、全ての
それらの明らかな修正及び変形を詳述するのを意図するものではない。しかしな
がら、全てのこの様な明らかな修正及び変形は、特許請求の範囲に定義される本
発明の概念に含まれることを意図している。特許請求の範囲は、文脈が特にその
正反対のことを示さない限りは、そこで意図されている目的と合致するのに有効
な、如何なる結論においても請求された成分及び工程を含むことが意図されてい
る。 文献:The above description is for the purpose of teaching those skilled in the art how to practice the present invention, and will be apparent to those of skill in the art upon reading the detailed description. It is not intended to detail those obvious modifications and variations of the invention. However, all such obvious modifications and variations are intended to be included within the inventive concept as defined in the following claims. The claims are intended to include the claimed components and steps in any conclusions, unless the context indicates otherwise to the contrary, effective in meeting the intended purpose therein. I have. Literature:
【0094】[0094]
【表3】 [Table 3]
【0095】[0095]
【表4】 [Table 4]
【0096】[0096]
【表5】 [Table 5]
【0097】[0097]
【表6】 [Table 6]
【0098】[0098]
【表7】 [Table 7]
【配列表】 [Sequence list]
【図1】 図1は、アプタマードメイン及びアロステリックなハンマーヘッド型リボザイ
ムのアロステリックセレクションのための、初期集団のデザインを示す(SEQ
ID NO 1及び2)。xヌクレオチド(xは如何なる長さでもよい)であ
るランダム配列の領域が、触媒的な核酸モチーフに直接ついている(A)か、又
は、クラスIの誘導モジュールなどの存在している連結モジュールによってつい
ている(B)。Nは、いずれかのヌクレオチドのアイデンティティーを表わし、
矢印はハンマーヘッド型リボザイムドメイン中の分解部位を示している。代わり
の実施形態においては(図示せず)、他のリボザイム及びデオキシリボザイムモ
チーフが使用される。FIG. 1 shows the design of an initial population for allosteric selection of aptamer domains and allosteric hammerhead ribozymes (SEQ.
ID NOs 1 and 2). A region of the random sequence that is x nucleotides (x can be of any length) is directly attached to the catalytic nucleic acid motif (A) or by an existing ligation module such as a class I induction module. (B). N represents the identity of any nucleotide;
Arrows indicate cleavage sites in the hammerhead ribozyme domain. In alternative embodiments (not shown), other ribozyme and deoxyribozyme motifs are used.
【図2】 図2は、FMNに感度の高いアロステリックリボザイムのための、組み合わさ
れたモジュールの合理的なデザイン、及び、in vivoセレクションを説明
する。(A)8つのヌクレオチド(N)からなるランダム配列の架橋によって、
FMNに結合しているアプタマー(箱の中、SEQ ID NO:3)に結合し
ている、ハンマーヘッド型リボザイムからなる3部の構築物。修飾されていない
リボザイムを形成する3つのステムが、I、II及びIIIで示されており、R
NAの分解部位は、矢印で示されている。ランダム化されている架橋は、リボザ
イムのステムIIの部分的な置換として、及び、アプタマーのためのフランキン
グステムとしての両方として働く。触媒核のすぐ隣のG−C塩基対は、触媒活性
を最大にするために、ハンマーヘッド型リボザイムに必要とされる(9、42)
。FMNで誘導され得るアロステリックリボザイム(B)及びFMNで抑制され
るアロステリックリボザイム(C)に対するセレクションによって、FMNの存
在に対してそれぞれ、正又は負のいずれか一方で応答するRNA集団が生じた。
初期のRNAプール(G0)及び連続するRNA集団(G1からG6)が、同定
される。FIG. 2 illustrates the rational design of a combined module for FMN-sensitive allosteric ribozymes and in vivo selection. (A) cross-linking of a random sequence of eight nucleotides (N)
A three part construct consisting of a hammerhead ribozyme bound to an aptamer bound to FMN (in the box, SEQ ID NO: 3). The three stems forming the unmodified ribozyme are indicated by I, II and III, and R
The cleavage site of NA is indicated by an arrow. The randomized crosslink serves both as a partial replacement of the ribozyme stem II and as a flanking stem for the aptamer. GC base pairs immediately adjacent to the catalytic nucleus are required for hammerhead ribozymes to maximize catalytic activity (9,42)
. Selection for the FMN-inducible allosteric ribozyme (B) and the FMN-repressed allosteric ribozyme (C) resulted in an RNA population that responded either positively or negatively, respectively, to the presence of FMN.
An initial RNA pool (G0) and a contiguous RNA population (G1-G6) are identified.
【図3】 図3は、個々のアロステリックリボザイムに対する架橋配列及び動的パラメー
ターを示す。(A)G6から単離された8つのクラスの誘導因子に対する、配列
及び対応するリボザイムの速度定数。FMNの不存在下(白丸)又は存在下(黒
丸)での、自己分解に対する観察された速度定数の対数が、それぞれのクラスに
対してプロットされている。それぞれの架橋に対して描かれている塩基対の図式
は、ステムIIに残っているG−C塩基対に対して塩基対シフトが生じなかった
と仮定することによって生じた。ミスフォールディングが20%以上であること
を示すクラス(*)、及び、アプタマードメインのステム−ループ領域に異質の
突然変異が存在するクラス(+)が示されている。H1は、最大の触媒活性を示
し、かつFMNの存在によって影響を受けないままである、修飾されていないハ
ンマーヘッド型リボザイム(4、7、8)である。(B)FMNで誘導され得る
リボザイムのそれぞれのクラスに対してリガンドの存在下で達成される触媒活性
(Kobs +/Kobs −)のフォールド−活性化。(C)G6から単離された5つの
クラスの誘導因子に対する、配列及び対応するリボザイムの速度定数。ヌクレオ
チドの欠失は、ダッシュ記号として表わされている。(D)FMNで抑制される
リボザイムのそれぞれのクラスに対してリガンドの存在下で達成される触媒活性
(Kobs−/Kobs+)のフォールド−抑制。FIG. 3 shows bridging sequences and kinetic parameters for individual allosteric ribozymes. (A) Sequence and corresponding ribozyme rate constants for eight classes of inducers isolated from G6. The log of the observed rate constant for autolysis in the absence (open circles) or presence (filled circles) of FMN is plotted for each class. The base pair diagram depicted for each bridge was generated by assuming that no base pair shift had occurred for the GC base pairs remaining in stem II. The class (*) indicating that the misfolding is 20% or more, and the class (+) in which a foreign mutation exists in the stem-loop region of the aptamer domain are shown. H1 is an unmodified hammerhead ribozyme (4, 7, 8) that shows maximum catalytic activity and remains unaffected by the presence of FMN. (B) Fold-activation of catalytic activity (K obs + / K obs − ) achieved in the presence of ligand for each class of ribozymes that can be induced with FMN. (C) Sequence and corresponding ribozyme rate constants for five classes of inducers isolated from G6. Nucleotide deletions are represented as dashes. (D) Fold-inhibition of catalytic activity (K obs − / K obs +) achieved in the presence of ligand for each class of ribozymes that are inhibited by FMN.
【図4】 図4は、アロステリックリボザイムの速いリガンド依存性の調節を説明する。
クラスI誘導因子(A)又はクラスII抑制因子(B)のいずれかを有する、3
部からなるリボザイム構築物が示されている。アプタマー及びリボザイムドメイ
ンに対する配列は、図2に示されている。FMNの存在下又は不存在下のこれら
のリボザイムの性能は、プロット(C)及び(D)から明らかであり、それはF
MN付加に対する時間、対、分解しないで残っているフラクションリボザイムの
自然対数を示している。挿入されたプロットは、FMN付加へのリボザイムの応
答の広げられた視野を与える。FIG. 4 illustrates fast ligand-dependent regulation of allosteric ribozymes.
3 having either a class I inducer (A) or a class II inhibitor (B)
A two-part ribozyme construct is shown. The sequences for the aptamer and ribozyme domains are shown in FIG. The performance of these ribozymes in the presence or absence of FMN is evident from plots (C) and (D), which show that
Time to MN addition versus natural log of fraction ribozyme remaining undegraded. The inserted plot gives an expanded view of the ribozyme response to FMN addition.
【図5】 図5は、クラスI誘導因子(A)によって媒介されるアロステリックな調節の
ために提案された「スリップ−構造」を示すものであり、クラスII誘導因子(
B)が説明されている。FMNで調節されたリボザイムのリガンドが結合した部
位及びリガンドが結合していない部位の、提案されたステムIIの第二の構造が
示されている。それぞれアプタマー及びリボザイムドメインからなる、左側−及
び右側−フランキング配列は、描かれていない。アスタリスクは、触媒を担持す
るために対にならなくてはならないハンマーヘッド型リボザイムのG及びC残さ
、並びに、リガンドが結合する際に対になるFMNアプタマーのA及びG残さを
表わす。また、クラスI誘導モジュール(C;I−1からI−3、SEQ ID
NO 4〜6)又はクラスII抑制モジュール(D;II−1及びII−2、
SEQ ID NO 7)のために提案された、活性又は不活性なスリップ構造
を擬態するためにデザインされたステムII因子を含有する2分子リボザイム構
築物も示されている。太線は、架橋因子を形成するヌクレオチドを同定するもの
である。所望の塩基対コンホメーションを補強するためにI−3内に造られた突
然変異を、囲んである。FIG. 5 shows a proposed “slip-structure” for allosteric regulation mediated by a class I inducer (A), which shows a class II inducer (
B) has been described. The second structure of the proposed stem II at the site where the FMN-regulated ribozyme ligand binds and where the ligand does not bind is shown. Left- and right-flanking sequences, consisting of aptamer and ribozyme domains, respectively, are not depicted. The asterisks represent the G and C residues of the hammerhead ribozyme that must be paired to support the catalyst, and the A and G residues of the FMN aptamer that pair when the ligand binds. Also, a class I guidance module (C; I-1 to I-3, SEQ ID
NO 4-6) or a class II suppression module (D; II-1 and II-2)
A two-molecule ribozyme construct containing Stem factor II designed to mimic active or inactive slip structures proposed for SEQ ID NO 7) is also shown. Bold lines identify nucleotides that form the cross-linking factor. Mutations made in 1-3 to reinforce the desired base pair conformation are boxed.
【図6】 図6は、クラスI誘導因子のモジュール特性を説明する。(A)FMN、テオ
フィリン、又は、ATPアプタマー(それぞれ、構築物I(f)、I(t)及び
I(a))のいずれかを含有するアロステリックリボザイム構築物の配列及び第
二の構造。それぞれのアプタマー(アスタリスクによって表わされている)の末
端のA・G又はG−C塩基対は、リガンドの結合によって安定化させられた相互
作用である。(B)リガンドで誘導されるリボザイムの自己分解の特異性の質的
評価。内部が32P−標識された構築物を、FMN(F;200μM)、テオフ
ィリン(T;1mM)、又は、ATP(A;1mM)の不存在下(−)又は存在
下で、15分間23℃で培養した。(C)それぞれ、それと同じ性質のリガンド
の不存在下又は存在下で、それぞれのアロステリックリボザイム構築物に対して
測定された、動的パラメーターKobs −(白丸)及びKobs +(黒丸)。(D)リ
ボザイム機能のアロステック活性化が、それぞれの構築物に対して述べられる。FIG. 6 illustrates the modular properties of class I inducers. (A) Sequence and second structure of an allosteric ribozyme construct containing any of FMN, theophylline, or ATP aptamer (constructs I (f), I (t), and I (a), respectively). The AG or GC base pair at the end of each aptamer (represented by an asterisk) is an interaction stabilized by ligand binding. (B) Qualitative assessment of the specificity of ligand-induced ribozyme autolysis. The internally 32 P-labeled construct was incubated for 15 minutes at 23 ° C. in the absence (−) or presence of FMN (F; 200 μM), theophylline (T; 1 mM), or ATP (A; 1 mM). Cultured. (C) Dynamic parameters K obs − (open circles) and K obs + (closed circles) measured for each allosteric ribozyme construct in the absence or presence of a ligand of the same nature, respectively. (D) Arostec activation of ribozyme function is described for each construct.
【図7】 (A)テオフィリンに感度の高いアロステリックなハンマーヘッド型リボザイ
ムのin vitroセレクションに対する初期集団(G0)。テオフィリンア
プタマー(SEQ ID NO:8)は、10のヌクレオチドからなるランダム
配列領域を通ってハンマーヘッド型リボザイムのステムIIに付けられている。
Nは、いずれかのヌクレオチドのアイデンティティを表わす。自己分解の部位は
、矢印によって示されている。(B)テオフィリンで活性化されたアロステリッ
クなハンマーヘッド型リボザイムのin vitroセレクション及び増幅。テ
オフィリンの不存在下(白抜きの棒)又はテオフィリンの存在下(黒塗りの棒)
で分解するそれぞれの集団のフラクションが、左軸に示されているのに対して、
対応する自己分解に対する速度定数が、右軸に示されている。FIG. 7 (A) Initial population (G0) for in vitro selection of allosteric hammerhead ribozymes sensitive to theophylline. Theophylline aptamer (SEQ ID NO: 8) is attached to the hammerhead ribozyme stem II through a random sequence region of 10 nucleotides.
N represents the identity of any nucleotide. The site of autolysis is indicated by the arrow. (B) In vitro selection and amplification of an allosteric hammerhead ribozyme activated with theophylline. In the absence of theophylline (open bars) or in the presence of theophylline (closed bars)
The fraction of each population decomposed in is shown on the left axis,
The corresponding rate constants for autolysis are shown on the right axis.
【図8】 図8は、図1に示されているのと同様のアロステリックリボザイム構造に対す
る3部からなるデザインを説明する。(A)FMNに感度の高いアロステリック
リボザイム(66)に対する配列及び第二の構造。この構築物において、cm+
FMN1連結モジュール(箱の中)は、リボザイムとアプタマードメインとを分
けている。この連結モジュール(cm)は、フラビンモノヌクレオチド(FMN
)の存在下でアロステリック活性化(+)を行うためにこれまでに同定された第
1の配列クラス(1)である。ハンマーヘッド型リボザイムの活性(I、II及
びIII)に必要とされる塩基対の因子は、Hertel等(72)に従って、
標識付けられる。矢印は、ハンマーヘッドで媒介される分解の部位を同定する。
(B)in vitroセレクションを開始させるためのプールとして使用され
るランダム化されたアプタマードメインを有する3部からなる構築物。N25は
、ランダムな塩基アイデンティティを有する25のヌクレオチドを表わす。FIG. 8 illustrates a three-part design for an allosteric ribozyme structure similar to that shown in FIG. (A) Sequence and second structure for allosteric ribozyme (66), which is highly sensitive to FMN. In this construct, cm +
The FMN1 ligation module (in the box) separates the ribozyme from the aptamer domain. This connection module (cm) is composed of flavin mononucleotide (FMN).
) Is the first sequence class (1) identified to date for performing allosteric activation (+) in the presence of (1). Base pair factors required for hammerhead ribozyme activity (I, II and III) were determined according to Hertel et al. (72).
Be labeled. Arrows identify sites of hammerhead-mediated degradation.
(B) Tripartite construct with a randomized aptamer domain used as a pool to initiate in vitro selection. N 25 represents 25 nucleotides with random base identity.
【図9】 図9は、新規なエフェクタ特異性を有するRNAセンサのアロステリックなセ
レクション図式及び単離を示す。(A)前駆体RNAは、エフェクタの不存在下
で負のセレクションを受ける(1)。分解していないRNAは、PAGEによっ
て単離され、4つのcNMPsの混合物の存在下で正のセレクションを受ける。
分解させられたRNAは、二本鎖のDNA鋳型を生じさせるために、RT−PC
Rによって増幅させられる(II)。得られるDNAは、負のセレクション及び
正のセレクションの次のラウンドを受ける(IV)、RNA分子の新規な集団を
生じさせるために、バクテリオファージT7RNAポリメラーゼ(T7 RNA
P)を使用して転写させられる(III)。(V)セレクションの所望のラウン
ドからの二本鎖のDNAは、クローンとして発生させられ、更なる分析のために
配列させられる。箱内のT7は、T7RNAPに対する二本鎖のプロモーター配
列を表わす。(B)in vitroセレクションの過程のリガンド特異性のア
ロステリックリボザイムの非常事態は、セレクションのそれぞれのラウンド(G
1からG28)に対する分解収率(エフェクタの不存在に対する存在)の割合を
プロットすることによって反映される。セレクションの間に出現するリガンドに
感度の高い集団の特異性は、棒で表わされている。アスタリスクは、正のセレク
ション反応を開始する前にRNA試料を酸性化するのを避けるための、セレクシ
ョンプロトコルにおける変化を表わす。短剣符は、その前のラウンドにおいてエ
フェクタとして機能するcNMPが、続くラウンドにおける負のセレクション反
応に加えられる、セレクションのラウンドを同定する。線は、1の分解比を示す
ものであり、それは全体としてその集団の分解活性が、エフェクタ混合物を好ま
ないことが示された場合の期待値を表わす。(C)cNMPsによるRNAの分
解の選択的活性化。集団G18’、G20’及びG23’を表わす内部が32P
−標識されたRNAのトレース量を、エフェクタの不存在下(−)又は500(
指示される通りの、3’,5’−環状モノヌクレオチドA、G、C及びUのM)
の存在下で、in vitroセレクションに使用された反応緩衝液中(50m
M、Tris−HCl、pH7.5、23℃、及び、20mM MgCl2)で
、15分間培養した。反応生成物は、10%PAGEを変性させることによって
分離させられ、PhosphorImager及びImageQuant ソフ
トウェア(Molecular Dynamics社製)を使用して、バンドを
明視化し、定量した。白抜き矢印及び黒塗り矢印は、それぞれ前駆体及び5’分
解生成物を同定する。3’分解生成物は、顕著に大き目のRNA及び5’−分解
フラグメントより大きい電気泳動移動度を有し、それ故に画像上に存在しない。FIG. 9 shows an allosteric selection scheme and isolation of RNA sensors with novel effector specificity. (A) Precursor RNA undergoes negative selection in the absence of effectors (1). Undegraded RNA is isolated by PAGE and undergoes a positive selection in the presence of a mixture of four cNMPs.
The degraded RNA was subjected to RT-PC to generate a double-stranded DNA template.
Amplified by R (II). The resulting DNA undergoes the next round of negative and positive selection (IV) to generate a new population of RNA molecules, bacteriophage T7 RNA polymerase (T7 RNA
Transferred using (P) (III). (V) Double-stranded DNA from the desired round of selection is generated as a clone and sequenced for further analysis. T7 in the box represents the double-stranded promoter sequence for T7RNAP. (B) Allosteric ribozyme emergencies of ligand specificity during the in vitro selection process were performed in each round of selection (G
1 to G28) is reflected by plotting the ratio of degradation yield (presence to absence of effector). The specificity of the population sensitive to ligands appearing during the selection is represented by bars. An asterisk indicates a change in the selection protocol to avoid acidifying the RNA sample before starting the positive selection reaction. The dagger identifies a round of selection in which the cNMP acting as an effector in the previous round is added to the negative selection reaction in the following round. The line indicates a degradation ratio of 1, which represents the expected value when the degradation activity of the population as a whole was shown not to favor the effector mixture. (C) Selective activation of RNA degradation by cNMPs. The interior representing groups G18 ', G20' and G23 'is 32 P
-Trace the amount of labeled RNA in the absence (-) or 500 (
3 ', 5'-cyclic mononucleotides A, G, C and U of M as indicated)
In the reaction buffer used for in vitro selection (50 m
M, Tris-HCl, pH 7.5, 23 ° C., and 20 mM MgCl 2 ) for 15 minutes. Reaction products were separated by denaturing 10% PAGE and bands were visualized and quantified using PhosphorImager and ImageQuant software (Molecular Dynamics). Open and closed arrows identify the precursor and 5 ′ degradation product, respectively. The 3 'degradation products have significantly larger RNA and electrophoretic mobilities than the 5'-degraded fragments and are therefore not present on the image.
【図10】 図10は、cNMPsによるハンマーヘッド型リボザイムのアロステリックな
調節を示す。(A)G18’RNA集団(SEQ ID NO9〜16)から単
離された8つの異なるクローンに対する、元の連結モジュールドメイン(箱内)
及び元のランダム配列のドメイン(N25)の配列。N25ドメイン内のダッシ
ュは、この領域内のどこかに生じたヌクレオチドの欠失を表わす。括弧内の数は
、同じ配列を有する同じクローンの数を報告するものである。全ての単離された
ものは、エフェクタ応答性のアロステリック機能(+)を有するものとして同定
され、エフェクタの添加に応答しないことを示す(−)か、又はアロステリック
機能が測定されなかった(ND)。ほぼ全ての場合において、連結モジュールド
メインは最低1つの突然変異を得たことに注意しなさい。(B)G18’RNA
集団から単離された個々のアロステリックリボザイムのリガンド依存性分解。R
NA前駆体(白抜きの矢印)は、それが存在しないのと比べて、500μMのc
GMPの存在下で、より多めの量の5’−分解生成物(黒塗りの矢印)を製造す
る。このアッセイは、in vitroセレクション条件下で行なわれ、結果と
して、エフェクタの不存在に対するエフェクタの存在下での生成物の収率は、選
択的な−増幅過程の間それぞれのリボザイムが維持する利点を表わす。反応生成
物は、分離され、図9Cへの上記凡例に記載される通り明視化された。(C)5
00μMのエフェクタの存在下(Kobs+、黒丸)又は不存在下(Kobs−、白丸
)での、Bに表わされたクローンに対する初期速度定数が、対数目盛り上に表わ
されている。これらの速度定数は、in vitroセレクション条件下での5
−〜510−フォールドの範囲に渡る「オン/オフ」比を明らかにする。(D〜
F)cCMP(SEQ ID NO17〜23)によるG20’ハンマーヘッド
型リボザイムのアロステリックな調節。(G〜I)cAMP(SEQ ID N
O24〜31)によるG23’ハンマーヘッド型リボザイムのアロステリックな
調節。cCMP−及びcAMP−依存性リボザイムの分析の詳細は、A〜Cに記
載される通りである。FIG. 10 shows allosteric regulation of hammerhead ribozymes by cNMPs. (A) Original linked module domains (in boxes) for eight different clones isolated from the G18 'RNA population (SEQ ID NOs 9-16)
And the sequence of the domain (N 25 ) of the original random sequence. Dash N 25 domain represents a nucleotide deletion occurring somewhere in this area. The number in parentheses reports the number of the same clone with the same sequence. All isolates were identified as having an effector-responsive allosteric function (+), indicating no response to effector addition (-), or no allosteric function was measured (ND) . Note that in almost all cases, the connecting module domain has at least one mutation. (B) G18 'RNA
Ligand-dependent degradation of individual allosteric ribozymes isolated from the population. R
The NA precursor (open arrow) has 500 μM of c compared to its absence.
In the presence of GMP, a higher amount of 5'-decomposition product (solid arrow) is produced. The assay is performed under in vitro selection conditions, and as a result, the yield of product in the presence of the effector relative to the absence of the effector has the advantage that each ribozyme maintains during the selective-amplification process. Express. The reaction products were separated and visualized as described in the legend above to FIG. 9C. (C) 5
The initial rate constant for the clone represented in B in the presence (K obs +, closed circle) or absence (K obs −, open circle) of the effector at 00 μM is shown on a logarithmic scale. These rate constants are less than 5 under in vitro selection conditions.
-Reveal the "on / off" ratio over the range of 510-fold. (D ~
F) Allosteric regulation of G20 'hammerhead ribozymes by cCMP (SEQ ID NOs 17-23). (GI) cAMP (SEQ ID N
O24-31) Allosteric regulation of G23 'hammerhead ribozymes. Details of the analysis of cCMP- and cAMP-dependent ribozymes are as described in AC.
【図11】 図11は、cAMP−3 RNAによるcAMPの分子認識に関連する情報を
表わす。(A)閉じ込められたcAMP類似体アデノシン3’,5’−サイクリ
ック一リン酸、即ちP’−(2−ニトロフェニル)エチルエステルは、長波長の
UV光を用いる簡単な照射によって3’,5’−cAMPに変換される。(B)
閉じ込められていないcAMPによるcAMO−3 RNAのアロステリック活
性化。プロットは2mMの閉じ込められたcAMPの存在下(四角及び丸)又は
不存在下(三角)で、異なる培養時間で分解しないまま残っている前駆体RNA
のフラクションの自然対数を表わす。影のついた記号及び黒塗りの記号は、それ
ぞれUV照射の間又は後に集められたデーターを表わす。照射された混合物は、
t=3.5〜4.5分の間(破線)に露光された。リボザイムは、cAMPの存
在下で照射された場合(黒塗りの記号)にのみ活性化される。FIG. 11 shows information related to the molecular recognition of cAMP by cAMP-3 RNA. (A) The trapped cAMP analog adenosine 3 ′, 5′-cyclic monophosphate, ie, P ′-(2-nitrophenyl) ethyl ester, is 3 ′, 5 ′ by simple irradiation with long wavelength UV light. Converted to 5'-cAMP. (B)
Allosteric activation of cAMO-3 RNA by unconfined cAMP. Plots show precursor RNA remaining undegraded at different incubation times in the presence (squares and circles) or absence (triangles) of 2 mM entrapped cAMP.
Represents the natural logarithm of the fraction. Shaded symbols and filled symbols represent data collected during or after UV irradiation, respectively. The irradiated mixture is
Exposure was between t = 3.5-4.5 minutes (dashed line). Ribozymes are only activated when irradiated in the presence of cAMP (closed symbols).
【図12】 図12は、cAMP−1 RNAによるcAMPの分子認識に関連するデータ
ーを与えるものである。(A)cAMP−1アロステリックリボザイムの添加前
の反応緩衝液からのcAMPのその場での消耗の影響を、3’,5’−サイクリ
ックヌクレオチドホスホジエステラーゼ及びカルモジュリンを使用して測定した
。前駆体RNA(白い矢印)は、cAMPを含有する反応混合物中で培養された
場合(+、レーン3及び4)、又は、cAMPを含有し、かつホスホジエステラ
ーゼ(pho)又はカルモジュリン(cal)のいずれかを含有する反応混合物
中で培養された場合(それぞれ、レーン5及び6)に、活性化する。混合された
場合、ホスホジエステラーゼ及びその活性化剤であるカルモジュリンは、cAM
Pの90%を超える加水分解を促進させて、30℃での40分の予備培養(pr
einc)の間に5’−AMPを生じる。cAMP−1RNA、エフェクタ(下
記図13参照)として5’−AMPを適合しない、cAMP−1 RNAは、こ
れらの条件下ではもはや活性化されない(レーン7)。反応生成物は分離され、
図9Cへの凡例に記載される通り明視化された。(B)cAMPの元の試料の徹
底的な消耗の後、500μMまで(矢印によって表わされる)cAMPを添加す
ることによる、cAMP−1活性化を表わすプロット。この反応はAのレーン7
にあらわされる反応の導関数であるが、ホスホジエステラーゼ/カルモジュリン
混合物を使用した80分の予備培養が、cAMPの初期入力をより完全に消耗す
るために使用された場合である。黒丸及び白丸は、それぞれcAMPの第二の部
分を添加する前及び後に収集されたデーター点である。FIG. 12 provides data relating to the molecular recognition of cAMP by cAMP-1 RNA. (A) The effect of in situ depletion of cAMP from the reaction buffer before addition of cAMP-1 allosteric ribozyme was measured using 3 ', 5'-cyclic nucleotide phosphodiesterase and calmodulin. Precursor RNA (white arrow) is either when cultured in a reaction mixture containing cAMP (+, lanes 3 and 4) or contains cAMP and is either phosphodiesterase (pho) or calmodulin (cal) Is activated when cultured in a reaction mixture containing (lanes 5 and 6, respectively). When mixed, phosphodiesterase and its activator, calmodulin, form cAM
Pre-culture at 30 ° C. for 40 minutes (pr
5′-AMP occurs during einc). cAMP-1 RNA, which does not adapt 5'-AMP as an effector (see Figure 13 below), cAMP-1 RNA is no longer activated under these conditions (lane 7). The reaction product is separated,
It was visualized as described in the legend to FIG. 9C. (B) Plot showing cAMP-1 activation by adding cAMP (represented by an arrow) to 500 μM after exhaustion of the original sample of cAMP. This reaction was performed in lane 7 of A.
Derivative of the reaction represented by, but where a pre-culture of 80 minutes using a phosphodiesterase / calmodulin mixture was used to more completely deplete the initial input of cAMP. Solid and open circles are data points collected before and after addition of the second portion of cAMP, respectively.
【図13】 図13は、cNMP依存性のアロステリックリボザイムによる選択的な分子認
識のパターンを示す。3つのアロステリックリボザイムcGMP−1、cCMP
−1及びcAMP−1のそれぞれを、エフェクタの不存在下(−)、それと同じ
性質のcNMPエフェクタ500μMの存在下、又は、異なるエフェクタの類似
体のパネルを用いて同様に、in vitroセレクション条件下で、15分間
培養した。内部が32P−標識された前駆体RNA及び得られる5’−分解フラ
グメントは、それぞれ白い矢印及び黒い矢印によって同定されている。G、C及
びAは、ヌクレオシド グアノシン、シチジン、及び、アデノシンをそれぞれ表
わす。cIMPはイノシン3’,5’−サイクリック一リン酸を表わす。反応生
成物は分離され、図9Cへの凡例に記載される通り明視化された。FIG. 13 shows a pattern of selective molecular recognition by a cNMP-dependent allosteric ribozyme. Three allosteric ribozymes cGMP-1, cCMP
-1 and cAMP-1 were each determined in the absence of an effector (-), in the presence of 500 μM of a cNMP effector of the same nature, or with a panel of analogs of different effectors, similarly under in vitro selection conditions. For 15 minutes. The internal 32 P-labeled precursor RNA and the resulting 5'-degraded fragment are identified by white and black arrows, respectively. G, C and A represent the nucleosides guanosine, cytidine and adenosine, respectively. cIMP stands for inosine 3 ', 5'-cyclic monophosphate. The reaction products were separated and visualized as described in the legend to FIG. 9C.
【図14】 図14は、アロステリックリボザイムの速いエフェクタで媒介される活性化を
示す。示される通りに内部が32P−標識された前駆体RNAを含有する反応を
、エフェクタの不存在下で短時間培養し、次いでそれらの対応するエフェクタ5
mMを添加し(破線)、反応を続けた。x−軸は、エフェクタの添加に対する時
間を表わす。前駆体(白い矢印)及び得られる5’−分解フラグメント(黒い矢
印)は分離され、図9Cへの凡例に記載される通り明視化され、定量された。残
っている前駆体のフラクションの自然対数は、エフェクタの添加の前(白丸)又
は後(黒丸)に生じたそれぞれのデーター点に対してプロットされている。尚、
傾きの変化は、それぞれのリボザイムのアロステリックな応答を表わす。FIG. 14 shows fast effector-mediated activation of allosteric ribozymes. Reactions containing 32 P-labeled precursor RNA internally as indicated are incubated for a short time in the absence of effectors and then their corresponding effectors 5
mM was added (dashed line) and the reaction continued. The x-axis represents time to effector addition. The precursor (white arrow) and the resulting 5'-degraded fragment (black arrow) were separated, visualized and quantified as described in the legend to Figure 9C. The natural log of the remaining precursor fraction is plotted for each data point that occurred before (open circles) or after (solid circles) addition of the effector. still,
Changes in slope represent the allosteric response of each ribozyme.
【図15】 図15は、様々なアロステリックリボザイムに対するエフェクタの結合親和力
及び動的範囲をグラフにしたものである。エフェクタ濃度の対数に対する、リボ
ザイムの分解に対する速度定数の対数を、図10に示される10のクローンのそ
れぞれに対してプロットする。それぞれのクローンに対する明らかなKDに対す
る最小限可能な値は、それぞれのプロット(10mMのエフェクタでのKobsは
Kmaxを表わすと仮定した)のx−軸上の影のついた矢印の位置によって表わ
されている。エフェクタの濃度が段々に増加することにほぼよってもたらされる
、速度定数の差異は、それぞれのクローンに対する動的範囲を表わす。例えば、
cAMP−1に対するlogKobsは、エフェクタの不存在下(図3I)で−3
からエフェクタの飽和の際の−0.5まで増加する。エフェクタの異なる濃度に
よってほぼもたらされる速度定数の変化は、〜300フォールドのcAMP−1
に対する動的範囲に対応する。破線は、in vitroセレクションの間に使
用されるエフェクタ(500μM)の濃度を表わす。FIG. 15 is a graph of the effector binding affinities and dynamic ranges for various allosteric ribozymes. The log of the rate constant for ribozyme degradation versus the log of effector concentration is plotted for each of the 10 clones shown in FIG. The minimum possible value for the apparent KD for each clone is represented by the position of the shaded arrow on the x-axis of each plot (assuming K obs at 10 mM effector represents K max ). Have been forgotten. The difference in rate constants, largely due to the increasing concentration of effector, represents a dynamic range for each clone. For example,
logK obs for cAMP-1 was -3 in the absence of effector (FIG. 31).
To -0.5 at effector saturation. The change in the rate constant, which is almost effected by different concentrations of the effector, is ~ 300 fold cAMP-1
Corresponding to the dynamic range for. The dashed line represents the effector (500 μM) concentration used during in vitro selection.
【図16】 図16は、グリッドアッセイにおける本発明の非常に選択的なマルチドメイン
ポリヌクレオチドを用いて調製された反応性DNAバイオチップを表わす。示さ
れるセンサは、標準の核酸固定化技術を使用して、表面上に異なるリガンドに高
感度なセンサを配列することによる、示される通りのチップに適用させられ、そ
のチップは、様々な電位のエフェクタ分子を含有する試料に晒される。B19、
C3、G5、G9、P15及びS2を表わしたセンサに応答する化合物は、しき
いレベル以上の濃度で存在していることが判った。FIG. 16 depicts a reactive DNA biochip prepared using the highly selective multi-domain polynucleotides of the present invention in a grid assay. The sensors shown are applied to chips as shown, by arranging sensors sensitive to different ligands on the surface, using standard nucleic acid immobilization techniques, which chips have different potentials. Exposure to a sample containing effector molecules. B19,
Compounds responsive to sensors representing C3, G5, G9, P15 and S2 were found to be present at concentrations above the threshold level.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01N 33/566 C12N 15/00 ZNAA (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),AU,CA,J P,US Fターム(参考) 2G045 AA40 DA12 DA13 DA14 FB02 4B024 AA11 AA19 BA07 CA04 CA11 GA30 HA14 HA19 4B033 NA01 NA22 NB12 ND03 ND08 NG09 4B050 CC03 CC04 DD20 LL03 4B063 QA01 QA13 QQ42 QQ52 QR01 QR32 QR55 QR62 QS02 QS34──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G01N 33/566 C12N 15/00 ZNAA (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK) , ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), AU, CA, JP, US F term (reference) 2G045 AA40 DA12 DA13 DA14 FB02 4B024 AA11 AA19 BA07 CA04 CA11 GA30 HA14 HA19 4B033 NA01 NA22 NB12 ND03 ND08 NG09 4B050 CC03 CC04 DD20 LL03 4B063 QA01 QA13 QQ42 QQ52 QR01 QR32 QR55 QR62 QS02 QS34
Claims (20)
メインからなる、精製された機能性ポリヌクレオチドであって、シグナル剤を有
するレセプタドメインの相互作用によって、アクチュエータドメインの活性を調
節する架橋ドメイン中にコンホメーション変化を引き起こすことを特徴とする、
前記ポリヌクレオチド。1. A purified functional polynucleotide comprising an actuator domain, a receptor domain, and a crosslinking domain, wherein the activity of the actuator domain is regulated by the interaction of the receptor domain having a signal agent. Characterized by causing a conformational change in
The polynucleotide.
る、請求項1に記載のポリヌクレオチド。2. The polynucleotide according to claim 1, wherein the signal agent is a ligand that binds to the receptor domain.
に記載のポリヌクレオチド。3. The method of claim 1, wherein the activity of the actuator domain is catalytic.
3. The polynucleotide according to item 1.
請求項1に記載のポリヌクレオチド。4. At least two domains do not overlap,
The polynucleotide according to claim 1.
ラップしている、請求項1に記載のポリヌクレオチド。5. The polynucleotide of claim 1, wherein the at least two domains partially or completely overlap.
ヌクレオチド。7. The polynucleotide according to claim 6, which is a hammerhead ribozyme.
の結合によって引き起こされる触媒活性を示す、請求項1に記載のポリヌクレオ
チド。9. The polynucleotide of claim 1, wherein the actuator domain exhibits catalytic activity caused by binding of a chemical to the receptor domain.
リヌクレオチドからなるバイオセンサ。10. A biosensor comprising the polynucleotide according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, or 9.
0に記載のバイオセンサ。11. The method of claim 1, wherein the polynucleotide is attached to a solid support.
The biosensor according to 0.
リヌクレオチドと、試料を接触させることからなる、試料中のリガンドの存在又
は不存在、若しくは、その濃度を検出するための方法。12. The presence or absence of a ligand in a sample, comprising contacting the sample with the polynucleotide according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, or 9, or , A method for detecting its concentration.
在、若しくは、その濃度が測定される、請求項12に記載の方法。13. The method according to claim 12, wherein the presence or absence or the concentration of the ligand is measured by observing a chemical reaction.
によって、リガンドの存在又は不存在、若しくは、その濃度が検出される、請求
項12に記載の方法。14. The method according to claim 12, wherein the presence or absence of the ligand or the concentration thereof is detected by observing a change in the configuration or function of the polynucleotide.
の調製方法であって、レセプタドメインとシグナル剤の相互作用によって、アク
チュエータドメインの活性を調節する架橋ドメイン中にコンホメーション変化を
引き起こすように、ポリヌクレオチドアクチュエータドメイン、レセプタドメイ
ン、及び、架橋ドメインを共に結合させることを特徴とする、前記方法。15. A method for preparing a polynucleotide that responds to the presence or absence of a signal agent, wherein the interaction between the receptor domain and the signal agent causes a conformational change in the cross-linking domain that regulates the activity of the actuator domain. The method wherein the polynucleotide actuator domain, the receptor domain, and the bridging domain are bound together to cause.
、かつ、リガンドの結合によって、アクチュエータドメインの触媒活性を刺激す
る架橋ドメイン中にコンホメーション変化が引き起こされる、請求項15に記載
の方法。16. The receptor domain has a site to which a ligand binds, and the binding of the ligand causes a conformational change in the cross-linking domain that stimulates the catalytic activity of the actuator domain. The method described in.
ドメインを有し、かつ、試料中のシグナル剤に応答性のポリヌクレオチドのスク
リーニング法であって、ランダムな配列を有するレセプタドメインに、定められ
た特性を有する対応するアクチュエータドメインの活性を調節する、定められた
特性を有する架橋ドメインを結合させ、かつ、その様に構築されたポリヌクレオ
チドと共に試料を培養して、アクチュエータドメインの活性の調節を観察するこ
とによって、該シグナル剤に応答性であるポリヌクレオチドを同定することを特
徴とする、前記方法。17. A method for screening a polynucleotide having an actuator domain, a receptor domain, and a cross-linking domain and being responsive to a signal agent in a sample, wherein the polynucleotide is defined as a receptor domain having a random sequence. A cross-linking domain with defined properties is attached, which modulates the activity of a corresponding actuator domain with specific properties, and the sample is cultured with a polynucleotide so constructed to modulate the activity of the actuator domain. Identifying the polynucleotide responsive to the signal agent by observation.
、かつ、リガンドの結合によって、アクチュエータドメインの触媒活性を刺激す
る架橋ドメイン中にコンホメーション変化が引き起こされる、請求項17に記載
の方法。18. The receptor domain having a site to which a ligand binds, and wherein binding of the ligand causes a conformational change in the bridging domain that stimulates the catalytic activity of the actuator domain. The method described in.
RNAセンサの調製方法。19. The method for preparing the RNA sensor according to claim 15, 16, 17, or 18.
DNAセンサの調製方法。20. The method for preparing a DNA sensor according to claim 15, 16, 17, or 18.
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