JP4463554B2 - 短い二本鎖RNAのinvitro合成方法 - Google Patents

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Description

本発明は短い二本鎖標的特異的RNAの合成の分野に関する。RNAポリメラーゼおよび鋳型としての標的配列特異的DNAオリゴヌクレオチドを使用するin vitro転写方法が開示される。本発明は、とりわけ、植物における転写後遺伝子サイレンシング(silencing)の間の配列特異的RNA分解ならびに無脊椎動物および脊椎動物系におけるRNA干渉の誘発における重要な中間体として機能することが示されている低分子干渉RNA(siRNA)の合成における有利な使用を見出す。
RNA阻害は、RNAの配列特異的ターゲッティングおよび分解に基づく注目すべき型の遺伝子調節である。RNA阻害はトランスジェニック植物で最初に発見され、そこでそれは共抑制(cosuppression)もしくは転写後遺伝子サイレンシング(PTGS)と命名された。最近にのみ、PTGSに関する配列特異的RNA分解過程すなわちRNA干渉(RNAi)が繊毛虫、真菌、ならびにC.エレガンス(C.elegans)からマウスおよびヒト細胞までの多様な動物で見出された。それらは詳細が異なるかもしれないとは言え、RNAiおよびPTGSは同一の高度に保存された機構から生じ、古来の起源を示す。基礎過程は相同mRNAの認識および標的を定められた切断を導く低分子二本鎖干渉RNA(siRNA)に切断される二本鎖RNA(dsRNA)を必要とする。これらの低分子dsRNAはRNアーゼIII様の消化の分解産物に似ている。とりわけsiRNAはsiRNAの各鎖が5’一リン酸、3’ヒドロキシル末端および2〜3ヌクレオチドの3’オーバーハングを運搬する標的特異的な短い二本鎖RNAである(非特許文献1)。
RNAiは、それが特定の遺伝子の活性をノックアウトする手段であり遺伝子解析に対し修正可能(amendable)でないと以前は考えられていた種においてとりわけ有用であるためにかなりの注目を引いている。最近の研究は、合成siRNAがC.エレガンス(C.elegans)ならびにヒトおよびマウスからの細胞系での発現の遺伝子特異的阻害を誘導する可能性があることを示した(非特許文献1;非特許文献2)。前記刊行物において、哺乳動物細胞中で、siRNAが翻訳因子eIF2αを不活性化するより長いdsRNAの使用に比較して配列特異的な答えを提供し、タンパク質合成の一般化された抑制につながることがさらに示された。また、アンチセンス技術を使用する遺伝子発現の阻害に比較して、siRNAは非常に安定であると思われ、そして従って一本鎖RNAアンチセンスオリゴヌクレオチドがin vivo半減期を高めるために必要とする広範囲の化学修飾を必要としないかもしれない。
従って、siRNAを使用するRNAサイレンシングが、遺伝子発現の制御の工作ならびに機能的ゲノム学および分子農業からおそらくなお動物における遺伝子治療までの範囲にわたる多様な生物工学の応用における重要なツールとなるであろうことが期待されるはずである。異なるsiRNAはそれらの標的に対し異なる有効性で作用するかもしれないため、特定の標的についての1種以上のsiRNAの試験が望ましいことができる。加えて、ゲノムスケール逆遺伝学プログラム(genome−scale reverse genetics program)は多数のsiRNAを必要とすることができる。
しかしながら、伝統的な化学合成による二本鎖標的特異的RNAオリゴの製造は、DNAオリゴ合成に比較した場合に比較的遅くかつ高価なままである。加えて、RNAオリゴの化学合成は特殊な合成機および複雑な精製プロトコルを必要とする。本発明は、バクテリオファージもしくは他のウイルスポリメラーゼおよび標的配列特異的オリゴヌクレオチド鋳型を使用するin vitro転写に基づく短い二本鎖標的特異的RNAを製造するための代替の一アプローチを提供する。RNAオリゴの化学合成に比較して、本発明は実施するのが比較的迅速かつ容易である。
しかしながら、in vitroで転写されたsiRNAは化学的に合成されたRNAオリゴと2つの点で異なる。第一に、天然に存在するsiRNAと同一に、化学的に合成されたRNAオリゴは5’一リン酸基を有する。in vitroで転写されたsiRNAは5’三リン酸基を保持する。この三リン酸基の存在がin vitro転写されたsiRNAがRNA干渉を誘導することを無能にするかどうかは未知であった。
第二に、化学的に合成されたRNAオリゴはとりわけイオン交換および逆相HPLCを使用して高度に精製され、ここで、合成された化合物の純度および質がとりわけNMRおよび質量分析を使用してさらに評価される。本発明においては、サイズ排除クロマトグラフィー、フェノール:クロロホルム抽出およびエタノール沈殿を含んで成る単純な粗精製プロトコルを使用する。徹底的な精製プロトコルの省略がRNA媒介性阻害における「in vitro」転写されたRNAの有用性に影響を及ぼすことができるかどうかもまた、不確実であった。
驚くべきことに本発明は5’三リン酸基および粗精製が「in vitro」転写されたRNAのRNAサイレンシング活性に影響を及ぼさずかつ平均的な分子生物学実験室における研究ツールとしてそれを利用可能にするsiRNA合成への代替の一アプローチを提供することを立証する。
規定された長さおよび配列の低分子一本鎖RNAの現存のin vitro合成方法(非特許文献3)は低分子干渉RNAの合成に直接応用可能でなかった。問題は、RNAポリメラーゼがプロモーター配列からの数個のヌクレオチドを転写物に転写する傾向があるという事実に存する。結果として、前述の方法を使用して生成される相補的一本鎖RNA分子をアニーリングすることにより生じさせることができる標的特異的dsRNAは、5’端にプロモーター配列から転写されたヌクレオチドおよび3’端に該プロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドを含まなければならない。標的配列のmRNAにおいて、おそらく、5’端がプロモーター配列から転写されたヌクレオチドおよび3’端が該プロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドよりなる規定された配列長の伸長が存在しないであろう。本発明は、プロモーター配列の鋳型鎖の5’端の1個もしくはそれ以上のヌクレオチドが標的特異的配列の一部であるヌクレオチドにより置き換えられる短縮されたRNAポリメラーゼプロモーター配列を提供することによりこの問題を解消する。これらの置換はin vitro転写の収量に影響を及ぼさないが、しかし、5’端がプロモーター配列から転写されたヌクレオチドおよび3’端が該プロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドよりなる標的タンパク質のmRNA中に、規定された配列長の最低1種の標的特異的配列が存在する可能性を増大させる。
これおよび本発明の他の局面を本明細書で下述することができる。
Caplen,N.ら、2001、PNAS(98)9742−9747 Elbashir S.ら、2001、Nature(411)494−498 Milligan F.ら、1987、Nucleic Acid Res.(15)8783−8798
発明の要約
本発明は、a)鋳型で伸長されたセンスオリゴリボヌクレオチド産物が形成されるような反応混合物中でセンスの標的特異的オリゴヌクレオチド鋳型および鎖伸長酵素を組み合わせること;b)鋳型で伸長されたアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物が形成されるような反応混合物中でアンチセンスの標的特異的オリゴヌクレオチド鋳型および鎖伸長酵素を組み合わせること;ならびにc)段階a)で得られるセンスオリゴリボヌクレオチド産物を段階b)で得られる相補的アンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物とハイブリダイズさせること、の段階を含んで成る短い二本鎖の標的特異的なRNAのin vitro合成方法を提供する。
本発明のさらなる一態様において、鎖伸長酵素はRNAポリメラーゼであり、また、段階a)およびb)のオリゴヌクレオチド鋳型は好ましくはdsDNAよりなるRNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成る。より好ましい一態様において、RNAポリメラーゼはT7ポリメラーゼであり、また、段階a)およびb)のオリゴヌクレオチド鋳型は、場合によっては2もしくは3個の付加的なヌクレオチドを伴い伸長された標的特異的鋳型配列を伴い鋳型鎖の5’端で伸長されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成る。
本発明は低分子干渉RNAの合成における特定の使用を見出す。従って標的特異的な短い二本鎖RNAの合成方法を提供することが本発明のさらなる一目的であり、ここで前記標的特異的な短い二本鎖RNAは、5’端にプロモーター配列から転写されたヌクレオチドおよび3’端にプロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドを含んで成ることをさらに特徴とする50ヌクレオチド未満、好ましくは30ヌクレオチド長未満、なおより好ましくは30〜12ヌクレオチド長である。
従って、本発明は、a)鋳型で伸長されたセンスオリゴリボヌクレオチド産物が形成されるような反応混合物中でセンスsiRNA鋳型を鎖伸長酵素と組み合わせること;b)鋳型で伸長されたアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物が形成されるような反応混合物中でアンチセンスsiRNA鋳型を鎖伸長酵素と組み合わせること;ならびにc)段階a)で得られるセンスオリゴリボヌクレオチド産物を段階b)で得られるアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物とハイブリダイズさせること;ここで、段階a)およびb)のsiRNA鋳型が標的特異的鋳型配列および2もしくは3個の付加的ヌクレオチドを伴い鋳型鎖の5’端で伸長された二本鎖RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成る、の段階を含んで成る低分子干渉RNA(siRNA)の合成方法を提供する。好ましい一態様において鎖伸長酵素はT7 RNAポリメラーゼであり、また、siRNA鋳型は二本鎖T7 RNAポリメラーゼプロモーター配列、好ましくは図1に示される短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成る。
本発明の方法を実施するためのキットならびに開示される方法のいずれかでの使用のための化合物を提供することが、本発明のさらなる一目的である。
詳細な記述
本発明は短い二本鎖標的特異的RNAの合成の分野に関し、そして鎖伸長酵素を使用するオリゴヌクレオチド鋳型のin vitro転写に基づく。
本明細書で使用されるところの標的特異的な短い二本鎖RNAは、特定の一タンパク質すなわち標的タンパク質をコードする配列の一部に一致する二本鎖RNAを指す。これらの配列は好ましくは50ヌクレオチド未満、より好ましくは30ヌクレオチド長未満、なおより好ましくは15〜25ヌクレオチド長である。特定の一態様において、標的特異的な短い二本鎖RNAは低分子干渉RNA(siRNA)として無脊椎動物および脊椎動物系におけるRNA干渉で有用である。本明細書で使用されるところのsiRNAは、3’端でオーバーハングする2もしくは3ヌクレオチドを伴う12〜30ヌクレオチドの短いdsRNA分子である。好ましい一態様において、siRNAは3’端でオーバーハングする2ヌクレオチドを伴う15〜25ヌクレオチド長である。なおより好ましくは、siRNAは3’端でオーバーハングする2ヌクレオチドを伴う17〜22ヌクレオチド長である。
dsRNAを得るためにセンスおよびアンチセンス双方のオリゴヌクレオチド鋳型が必要とされる。本明細書で使用されるところの「オリゴヌクレオチド鋳型」という用語は、いくつかの直接物理的過程において通常はある意味でそれに相補的な二次構造を作る(patterning)もととなる可能性のある構造を指す。現在の生物学ではワトソン−クリックの塩基対形成の規則(The Dictionary of Cell and Molecular Biology、第3版、アカデミック プレス(Academic Press)、ロンドン、1999(ISBN 0−12−432565−3))によりそれに相補的な配列の合成を指図するヌクレオチド配列を指すことのみに使用される。これらの鋳型配列は好ましくは50ヌクレオチド長未満であり、そして二本鎖、一本鎖もしくは部分的に一本鎖のいずれかのDNAオリゴ鋳型であってよい。
オリゴヌクレオチド鋳型は、合成DNA鋳型、または例えば原核生物クローニングベクター(pUC13、pUC19)もしくはインヴィトロジェン(Invitrogen)のTOPOクローニング系のようなPCRクローニング系のようなベクターの一制限部位にクローン化された標的特異的配列から直鎖状にされたプラスミドDNAとして生成される鋳型のいずれかであることができる。合成DNA鋳型は当該技術分野で公知の技術により製造してよい。本発明の好ましい態様において、オリゴヌクレオチド鋳型はdsDNAよりなるRNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成る部分的に一本鎖のDNAオリゴ鋳型よりなる。本態様において、標的特異的な短い二本鎖RNAは、5’端にRNAポリメラーゼプロモーター配列から転写されたヌクレオチドおよび3’端に該プロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドを含んで成ることをさらに特徴とする。
本明細書で定義されるところの「鎖伸長酵素」はリボヌクレオシド5’三リン酸からRNAポリマーを形成することが可能な酵素を指し;形成されるRNAはDNA鋳型に相補的である。該酵素はRNA鎖の3’−ヒドロキシル端にモノヌクレオチド単位を付加し、そして従って鋳型として使用したDNA鎖に反平行の5’→3’の向きにRNAを形成する。こうした鎖伸長酵素は、例えば、DNAポリメラーゼI、IIおよびIIIのようなDNA依存性ポリメラーゼ;RSVおよびAMVポリメラーゼのようなRNAに指図されるDNAポリメラーゼ;大腸菌(E.coli)RNAポリメラーゼのようなDNAに指図されるRNAポリメラーゼ;RNA複製酵素としてもまた知られるバクテリオファージRNAポリメラーゼのようなRNAに指図されるRNAポリメラーゼ;もしくは細菌のポリヌクレオチドリン酸化酵素であることができる。
好ましい一態様において、鎖伸長酵素はRNAポリメラーゼである。前記RNAポリメラーゼはDNA鋳型内の特異的開始部位の存在を必要とする。下で「RNAポリメラーゼプロモーター配列」と称される本開始部位はRNAポリメラーゼがDNA鋳型に結合する部位である。それはまた開始シグナルとしてRNAポリメラーゼにより認識されてRNAを形成するための転写を開始する場所を示す部位でもある。
従って、本発明はポリメラーゼプロモーター配列がRNAポリメラーゼにより認識されるdsDNAよりなるRNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成るオリゴヌクレオチド鋳型を提供する。本明細書で使用されるところの「認識される」という用語は、開始部位へのRNAポリメラーゼの結合に対する影響を全くもしくはほとんど伴わずかつ転写反応に対する影響を全くもしくはほとんど伴わずにプロモーター配列の一方もしくはいずれかの側で1個もしくはそれ以上のヌクレオチドだけ短くされた(shortened)全部の短縮された(truncated)RNAポリメラーゼプロモーター配列を包含することを意図している。例えば、Milliganら(Milligan F.ら、1987、Nature(15)8783−8798)は、そのプロモーターが領域−17ないし−14および−3ないし+6中の非鋳型鎖中のDNAを必要とすると思われないことをT7 RNAポリメラーゼについて立証した。これらのヌクレオチドを除去することは転写反応にほとんど影響を有しないからである。また、位置+2を越えたすなわち位置+3ないし+6の鋳型鎖の短縮は反応の収量にほとんど影響を有しない(Milligan F.ら、1987、Nature(15)8783−8798)。かように得られる短縮されたRNAポリメラーゼプロモーター配列は「前記RNAポリメラーゼにより認識されるRNAポリメラーゼプロモーター配列」として包含されることを意味している。従って本発明の特定の一態様において、RNAポリメラーゼプロモーター配列は1個もしくはそれ以上のヌクレオチドが該プロモーター配列の鋳型鎖の一方もしくはいずれかの側で欠失された短縮されたRNAポリメラーゼプロモーター配列よりなる。好ましくは、短縮されたRNAポリメラーゼプロモーターは図1に示されるところの鋳型鎖の5’端の位置+3ないし+6で短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列よりなる。
従って、短い二本鎖標的特異的RNAの合成方法を提供することが本発明の第一の目的である。該方法はa)鋳型で伸長されたセンスオリゴリボヌクレオチド産物が形成されるような反応混合物中で標的特異的センスオリゴヌクレオチド鋳型および鎖伸長酵素を組み合わせること;b)鋳型で伸長されたアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物が形成されるような反応混合物中で標的特異的アンチセンスオリゴヌクレオチド鋳型および鎖伸長酵素を組み合わせること;c)段階a)で得られるセンスオリゴリボヌクレオチド産物を段階b)で得られるアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物とハイブリダイズさせること、の段階を含んで成る。
本発明の方法の鎖伸長酵素は、好ましくはT7 RNAポリメラーゼ、T3 RNAポリメラーゼおよびSP6 RNAポリメラーゼよるなる群から選択されるRNAポリメラーゼである。好ましい一態様においてRNAポリメラーゼはT7 RNAポリメラーゼよりなる。
従って、本発明の方法で使用されるオリゴヌクレオチド鋳型はdsDNAよりなるRNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成り、ここでRNAポリメラーゼプロモーター配列はT7 RNAポリメラーゼ、T3 RNAポリメラーゼおよびSP6 RNAポリメラーゼよりなる群から選択されるRNAポリメラーゼにより認識される。好ましい一態様においてRNAポリメラーゼプロモーター配列はT7 RNAポリメラーゼにより認識される。より好ましい一態様において、T7 RNAポリメラーゼプロモーター配列は図1に示されるところの短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列よりなる。
さらなる一態様において、本発明の方法で使用されるオリゴヌクレオチド鋳型は、場合によっては2もしくは3個の付加的なヌクレオチドを伴い伸長された標的特異的鋳型配列を伴い鋳型鎖の5’端で伸長された二本鎖RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成る部分的に二本鎖のDNAオリゴ鋳型であることを特徴とする。より好ましい一態様において、標的特異的鋳型配列は5’端にプロモーター配列から転写されたヌクレオチドおよび3’端にプロモーター配列からのヌクレオチドに相補的なヌクレオチドを含んで成る。オリゴヌクレオチド鋳型が図1に示される短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成る特定の態様において、標的特異的鋳型配列は5’端に2個のグアノシン(g)ヌクレオチドおよび3’端に2個のシトシンヌクレオチドを含んで成る。
従って、a)鋳型で伸長されたセンスオリゴリボヌクレオチド産物が形成されるような反応混合物中でセンスsiRNA鋳型を鎖伸長酵素と組み合わせること;b)鋳型で伸長されたアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物が形成されるような反応混合物中でアンチセンスsiRNA鋳型を鎖伸長酵素と組み合わせること;ならびにc)段階a)で得られるセンスオリゴリボヌクレオチド産物を段階b)で得られるアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物とハイブリダイズさせ;それにより段階a)およびb)のsiRNA鋳型は該鋳型の5’端に標的特異的鋳型配列および2もしくは3個の付加的なヌクレオチドを伴い伸長された二本鎖RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成る、の段階を含んで成る低分子干渉RNA(siRNA)の合成方法を提供することが本発明の第二の態様である。好ましい一態様において、siRNAの合成で使用される鎖伸長酵素は好ましくはT7 RNAポリメラーゼ、T3 RNAポリメラーゼもしくはSP6 RNAポリメラーゼから選択されるRNAポリメラーゼよりなる。従って、本発明の方法で使用されるsiRNA鋳型はT7 RNAポリメラーゼ、T3 RNAポリメラーゼおよびSP6 RNAポリメラーゼよりなる群から選択されるRNAポリメラーゼにより認識されるRNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成る。より好ましい一態様において鎖伸長酵素はT7 RNAポリメラーゼである。従って、好ましい一態様においてsiRNA鋳型のRNAポリメラーゼプロモーター配列はT7 RNAポリメラーゼにより認識される。さらなる一態様において、siRNA鋳型は図1に示されるところの二本鎖の短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成り、ここで前記短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列は本発明の方法の鋳型鎖の5’端で伸長され、またここで標的特異的鋳型配列は5’端に該プロモーター配列から転写されたヌクレオチドおよび3’端に該プロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドを含んで成る。特定の一態様において、本発明の方法で使用されるsiRNA鋳型は図1に示されるところの二本鎖の短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成り、ここで前記短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列は本発明の方法の鋳型鎖の5’端で伸長され、またここで標的特異的鋳型配列は5’端に2個のグアノシン(g)ヌクレオチドおよび3’端に2個のシトシン(c)ヌクレオチドを含んで成る。
鋳型で伸長されたオリゴリボヌクレオチド産物を得るための前述の方法のいずれかにおける反応条件は当該技術分野で公知である。本質的に、RNAを生じさせるための酵素的転写の出発原料は、RNAポリメラーゼ酵素活性に至適の反応緩衝液中のDNA鋳型、RNAポリメラーゼ酵素ならびに4種の必要とされるリボヌクレオチド塩基すなわちアデニン、シトシン、グアニンおよびウラシルのヌクレオシド三リン酸(NTP)である。例えばT7 RNAポリメラーゼを使用するin vitro転写のための反応混合物は、典型的にはT7 RNAポリメラーゼ(0.05mg/ml)、オリゴヌクレオチド鋳型(1μM)、各NTP(4mM)およびMg2+(ポリメラーゼのコファクター)を供給するMgCl(25mM)を含有する。本混合物を37℃およびpH8.1(例えば10mMトリス−HCl緩衝液中)で数時間インキュベートする(Milligan J.とUhlenbeck O.、1989、Methods Enzymol(180)51−62)。MEGA shortscriptTM T7キット(アンビオン(Ambion))のような前述の成分を含んで成るキットが商業的に入手可能である。
上で挙げられた方法のいずれかからオリゴリボヌクレオチド産物を得るための精製プロトコルは当該技術分野で公知であり、そしてとりわけゲル電気泳動、サイズ排除クロマトグラフィー、キャピラリー電気泳動およびHPLCを含んで成る。ゲル電気泳動は典型的に反応混合物から完全長の転写物を精製するのに使用されるが、しかし本技術はより大スケールでの生産に対し改善可能でない。本発明の好ましい一態様において、オリゴリボヌクレオチド産物を得るための精製手段は、場合によってはフェノール:クロロホルム:イソアミル抽出およびエタノール沈殿と組合せられたセファデックス(Sephadex)G−25樹脂のようなサイズ排除クロマトグラフィーよりなる。
本発明の方法を実施するためのキットを提供することが本発明の第三の目的である。一態様において、該キットは以下の成分a)標的特異的センスおよびアンチセンスオリゴヌクレオチド鋳型を設計するための説明書;b)鎖伸長酵素;c)転写緩衝液;d)4種の必要とされるリボヌクレオチド塩基のヌクレオシド三リン酸(NTP);e)センスおよびアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物を得るための精製手段の1種もしくはそれ以上を含んで成る。本発明の好ましい一態様において、キット中で提供される鎖伸長酵素はRNAポリメラーゼ、好ましくはT7 RNAポリメラーゼ、T3 RNAポリメラーゼおよびSP6 RNAポリメラーゼよりなる群から選択されるRNAポリメラーゼよりなる。なおより好ましくは、本発明のキット中で提供される鎖伸長酵素はT7 RNAポリメラーゼよりなる。
本発明のキット中で提供される分離手段は一般に反応混合物からオリゴリボヌクレオチド産物を得ることが当該技術分野で既知の精製プロトコルを指し、かつ、とりわけゲル電気泳動、サイズ排除クロマトグラフィー、キャピラリー電気泳動およびHPLCを含んで成る。本発明の好ましい一態様において、本発明のキット中で提供される精製手段はサイズ排除クロマトグラフィーカラムもしくはセファデックス(Sephadex)G−25樹脂のような樹脂よりなる。
標的特異的センスおよびアンチセンスオリゴヌクレオチド鋳型を設計するための説明書は本発明の図1に例示される方法を企図する。本質的に、該方法は、以下の段階;
1)標的遺伝子のコーディング配列内に配置されかつ以下の配列5’−xx(n12−30)yy−3’[式中xはプロモーターから転写されたヌクレオチドを指し、yはプロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドを指し、そしてn12−30は12ないし30ヌクレオチドのいずれかのオリゴヌクレオチドを指す]を有する標的特異的配列を探す
2)場合によっては2個の付加的なヌクレオチドを伴い伸長された段階1)で配置された標的特異的配列の相補物オリゴヌクレオチド配列を伴い鋳型鎖の5’端で伸長された本発明の二本鎖RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成るセンスオリゴヌクレオチド鋳型を設計する。
3)場合によっては2個の付加的なヌクレオチドを伴い伸長された段階1)で配置された標的特異的配列の逆オリゴヌクレオチド配列を伴い鋳型鎖の5’端で伸長された本発明の二本鎖RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成るアンチセンスオリゴヌクレオチド鋳型を設計する
を含んで成る。
好ましい一態様において本発明の方法は鎖伸長酵素としてT7 RNAポリメラーゼを使用する。前記態様において、標的特異的センスおよびアンチセンスオリゴヌクレオチド鋳型の設計方法は、以下の段階;
1)標的遺伝子のコーディング配列内に配置されかつ以下の配列5’−gg(n12−30)cc−3’を有する標的特異的配列を探す;
2)場合によっては2個の付加的なヌクレオチドを伴い伸長された以下の配列
5’TAATACGACTCACTATAGG
3’ATTATGCTGAGTGATATcc(n相補物)12−30gg[式中(n相補物)12−30は段階1)で配置された標的特異的配列の相補物オリゴヌクレオチド配列を指す]を有するセンスオリゴヌクレオチド鋳型を設計する;ならびに
3)場合によっては2個の付加的なヌクレオチドを伴い伸長された以下の配列
5’TAATACGACTCACTATAGG
3’ATTATGCTGAGTGATATcc(n逆)12−30gg[式中(n逆)12−30は段階1)で配置された標的特異的配列の逆オリゴヌクレオチド配列を指す]を有するアンチセンスオリゴヌクレオチド鋳型を設計する
を含むことができる。
特定の一態様において本発明の方法は低分子干渉RNA(siRNA)の合成に使用される。前記態様において標的特異的センスおよびアンチセンスsiRNA鋳型の設計方法は、以下の段階;
1)標的遺伝子のコーディング配列内に配置されかつ以下の配列5’−xx(n15−30)yy−3’[式中xはプロモーターから転写されたヌクレオチドを指し、yはプロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドを指し、そしてn15−30は15ないし30ヌクレオチドのいずれかのオリゴヌクレオチドを指す]を有する標的特異的配列を探す;
2)2個の付加的なヌクレオチド、好ましくは2個のアデニン残基を伴い伸長される段階1)で配置された標的特異的配列の相補物オリゴヌクレオチド配列を伴い鋳型鎖の5’端で伸長された本発明の二本鎖RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成るセンスオリゴヌクレオチドsiRNA鋳型を設計する;
3)2個の付加的なヌクレオチド、好ましくは2個のアデニン残基を伴い伸長された段階1)で配置された標的特異的配列の逆オリゴヌクレオチド配列を伴い鋳型鎖の5’端で伸長された本発明の二本鎖RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成るアンチセンスオリゴヌクレオチドsiRNA鋳型を設計する
を含むことができる。
siRNAの合成方法が鎖伸長酵素としてT7 RNAポリメラーゼを利用する特定の態様において、標的特異的センスおよびアンチセンスsiRNA鋳型の設計方法は、以下の段階;
1)標的遺伝子のコーディング配列内に配置されかつ以下の配列5’−gg(n15−30)cc−3’を有する標的特異的配列を探す;
2)以下の配列
5’TAATACGACTCACTATAGG
3’ATTATGCTGAGTGATATcc(n相補物)15−30ggaa
[式中(n相補物)15−30は段階1)で配置された標的特異的配列の相補物オリゴヌクレオチド配列を指す]を有するセンスオリゴヌクレオチドsiRNA鋳型を設計する;ならびに
3)以下の配列
5’TAATACGACTCACTATAGG
3’ATTATGCTGAGTGATATcc(n逆)15−30ggaa
[式中(n逆)15−30は段階1)で配置された標的特異的配列の逆オリゴヌクレオチド配列を指す]を有するアンチセンスオリゴヌクレオチドsiRNA鋳型を設計する
を含むことができる。
従って、本発明は短い二本鎖標的特異的RNAの合成のためのキットを提供し、該キットは以下の成分;a)標的特異的センスおよびアンチセンスオリゴヌクレオチド鋳型を設計するための説明書;b)鎖伸長酵素;c)転写緩衝液;d)4種の必要とされるリボヌクレオチド塩基のヌクレオチド三リン酸(NTP);e)センスおよびアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物を得るための精製手段の最低1種を含んで成る。
従って、さらなる一態様において本発明は低分子干渉RNAの合成のためのキットを提供し、該キットは以下の成分;a)標的特異的センスおよびアンチセンスsiRNA鋳型を設計するための説明書;b)鎖伸長酵素;c)転写緩衝液;d)4種の必要とされるリボヌクレオチド塩基のヌクレオチド三リン酸(NTP);e)センスおよびアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物を得るための精製手段の最低1種を含んで成る。
短い二本鎖RNAの開示されるin vitro合成方法のいずれかのための手段を提供することもまた本発明の一目的である。従って、本発明は;
i)標的特異的センスおよびアンチセンスオリゴヌクレオチド鋳型の設計方法
ii)短い二本鎖RNAのin vitro合成方法での使用のための本発明の鎖伸長酵素
iii)センスおよびアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物を得るための精製手段。
iv)センスおよびアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物が本発明の鎖伸長酵素を使用して標的特異的センスおよびアンチセンス鋳型から形成されるような反応混合物のための試薬
を提供する。
細胞中での標的遺伝子の発現の阻害方法において本発明の方法により得ることができるsiRNAを使用することが本発明のさらなる一目的である。該方法は本発明の方法により得ることができるsiRNAの細胞中への導入を含んで成る。
標的遺伝子は、細胞(すなわち細胞遺伝子)、内在性遺伝子(すなわちゲノム中に存在する細胞遺伝子)、トランスジーン(transgene)(すなわち細胞のゲノム中の異所性部位に挿入された遺伝子構築物)もしくは該細胞が由来する生物体を感染させることが可能である病原体からの遺伝子由来の遺伝子であってよい。特定の標的遺伝子および送達される二本鎖RNA物質の用量に依存して、本方法は標的遺伝子の機能の部分的もしくは完全な喪失を提供するかもしれない。
標的遺伝子をもつ細胞はいかなる生物体由来であってももしくはそれに含有されていてもよい。該生物体は植物、動物、原生動物、細菌、ウイルスもしくは真菌であってよい。植物は単子葉、双子葉もしくは裸子植物であってよく;動物は脊椎動物もしくは無脊椎動物であってよい。標的遺伝子を有する細胞は、生殖系列もしくは体細胞性、全能性もしくは多能性、分割もしくは非分割、実質もしくは上皮、不死化もしくは形質転換されたなどからであってよい。細胞は幹細胞もしくは分化細胞からであってよい。分化した細胞型は脂肪細胞、線維芽細胞、筋細胞、心筋細胞、内皮細胞、ニューロン、グリア、血球、巨核球、リンパ球、マクロファージ、好中球、好酸球、好塩基球、肥満細胞、白血球、顆粒球、ケラチノサイト、軟骨細胞、骨芽細胞、破骨細胞、肝細胞および内分泌もしくは外分泌腺の細胞を包含する。
本発明の方法により得ることができる単離されたRNAは標的特異的な短い二本鎖RNAよりなり、ここで前記標的特異的な短い二本鎖RNAは5’端にプロモーター配列から転写されたヌクレオチドおよび3’端にプロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドを含んで成ることを特徴とする50ヌクレオチド未満、好ましくは30ヌクレオチド長未満、なおより好ましくは30〜12ヌクレオチドであり、好ましくは、プロモーター配列から転写されるヌクレオチドの数およびプロモーター配列から転写されるヌクレオチドに相補的なヌクレオチドの数は2、3もしくは4ヌクレオチド、より好ましくは2ヌクレオチドよりなる。
本発明の方法により得ることができる短い二本鎖RNAは、場合によっては2もしくは3個の付加的なヌクレオチドを伴い3’端で伸長され、そして、本発明のさらなる一態様において以下のセンス配列5’−xx(n12−30)yy−3’[式中xはプロモーター配列から転写されたヌクレオチドを指し、yはプロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドを指し、またn12−30は12ないし30ヌクレオチドのいずれかのオリゴヌクレオチドを指す]を有するとして表すことができる。特定の一態様において、該短い二本鎖RNAはセンス配列として5’−gg(n15−30)cc−3’[式中gは(図1に示されるところの)短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列から転写されたヌクレオチドグアノシンを指し、cは(図1に示されるところの)短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドシトシンを指し、またn15−30は15ないし30ヌクレオチドのいずれかのオリゴヌクレオチドを指す]を有する。
RNAは細胞中に直接導入してよい(すなわち細胞内に)か;もしくは腔、間質腔に細胞外で、生物体の循環中に導入されてよいか、経口で導入されてよいか、またはRNAを含有する溶液中に生物体を浸すことにより導入してもよい。経口導入方法は、生物体の食物とのRNAの直接混合、ならびに食物として使用される種をRNAを発現するように工作しその後影響を及ぼされるべき生物体に供給する工作されたアプローチを包含する。例えば、RNAを植物に噴霧してよいか、または、植物を感染させることが既知の病原体のいくつかもしくは全部を殺すのに十分な量のRNAを発現するように植物を遺伝子的に工作してもよい。
核酸の物理的導入方法、例えば細胞中への直接の注入もしくは生物体中への細胞外注入もまた使用してもよい。われわれは、本明細書で、HeLa細胞において細胞の外側に導入された二本鎖RNAが遺伝子発現を阻害することを開示する。
血管もしくは血管外循環、血液もしくはリンパ系、篩部、根および脳脊髄液はRNAを導入してよい部位である。組換え構築物からRNAを発現するトランスジェニック生物体は、適切な生物体由来の接合子、胚幹細胞もしくは別の多能性細胞に該構築物を導入することにより生じられるかもしれない。
核酸の物理的導入方法は、RNAを含有する溶液の注入、RNAにより被覆された粒子による砲撃、細胞もしくは生物体をRNAの溶液に浸すことまたはRNAの存在下での細胞膜の電気穿孔を包含する。ウイルス粒子中にパッケージされたウイルス構築物が細胞中への発現構築物の効率的導入および該発現構築物によりコードされるRNAの転写の双方を達成するとみられる。脂質媒介性担体輸送、リン酸カルシウムのような化学物質媒介性輸送などのような細胞への核酸の当該技術分野で既知の他の導入方法を使用してもよい。従って、RNAは以下の活動すなわち細胞によるRNA取込みを高める、二重鎖のアニーリングを促進する、アニーリングされた鎖を安定化するもしくは標的遺伝子の阻害を別の方法で増大させるの1種もしくはそれ以上を実施する成分とともに導入してよい。
本発明は疾患の処置もしくは予防のために細胞中にRNAを導入するのに使用してよい。例えばdsRNAを癌細胞もしくは腫瘍に導入しそしてそれにより発癌性/腫瘍原性表現系の維持に必要とされる遺伝子の遺伝子発現を阻害してよい。疾患もしくは他の病理学を予防するために、該疾患/病状の開始もしくは維持に必要とされる標的遺伝子を選択してよい。従って、さらなる一態様において、本発明は標的遺伝子の遺伝子発現を阻害するための本発明の方法により得ることができる短い二本鎖RNAおよび適切な担体を含んで成る製薬学的組成物を提供する。該組成物はいずれかの適する方法で、例えば注入により、経口、眼内、局所、直腸適用などにより投与してよい。担体はいかなる適する製薬学的担体であってよく、好ましくは、標的細胞に進入するようにRNA分子の効力を増大させることが可能である担体、例えばリポソーム、天然のウイルスキャプシド、または化学的にもしくは酵素的に製造される人工的キャプシドもしくはそれ由来の構造によりを使用する。
本発明の別の有用性は、以前に未知の機能の標的遺伝子の活性を阻害するための二本鎖RNAの使用を含んで成る生物体における遺伝子機能の同定方法であることができる。伝統的遺伝子スクリーニングによる突然変異体の時間のかかるかつ労力を要する単離の代わりに、ゲノム機能解析は標的遺伝子活性の量を低下させかつ/もしくはそのタイミングを変えるために本発明を使用することにより特徴づけられていない遺伝子の機能の決定を予見することができる。本発明は、製薬の潜在的標的の決定、発達に関連する正常および病理学的事象の理解、出生後の発達/加齢の原因となるシグナル伝達経路の決定などに使用することができる。ヒト、マウス、酵母、キイロショウジョウバエ(D.melanogaster)およびC.エレガンス(C.elegans)ゲノムの全配列を包含するゲノムおよび発現された遺伝子供給源からのヌクレオチド配列情報獲得の増大する速度を本発明と結び付けて生物体(例えば線虫)における遺伝子機能を決定することができる。異なる生物体が特定のコドンを使用することの選好、関連遺伝子産物の配列データベースの検索、ヌクレオチド配列が由来する物理的地図との遺伝形質の連関地図の相関および人工知能の方法を使用して、こうした配列決定プロジェクトで獲得したヌクレオチド配列から推定の読取り枠が定義されるかもしれない。
単純なアッセイが発現配列タグ(EST)から入手可能な部分配列に従った遺伝子発現を阻害するはずであることができる。成長、発達、代謝、疾患耐性もしくは他の生物学的過程における機能的変化がEST遺伝子産物の正常の役割を示すことができる。
従って、細胞中へのRNAの導入を含んで成る細胞中での標的遺伝子の発現の阻害方法を提供することが本発明の一目的であり、ここで前記RNAは標的特異的な短い二本鎖RNAを含んで成り、ここで前記標的特異的な短い二本鎖RNAは5’端に該プロモーター配列から転写されたヌクレオチドおよび3’端にプロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドを含んで成ることを特徴とする50ヌクレオチド未満、好ましくは30ヌクレオチド長未満、なおより好ましくは30〜12ヌクレオチド長であり、ここで前記プロモーター配列はRNAポリメラーゼにより認識されている。さらなる一態様において、該プロモーター配列はT7 RNAポリメラーゼ、T3 RNAポリメラーゼもしくはSP6 RNAポリメラーゼよりなる群から選択されるRNAポリメラーゼにより認識されている。
本発明は、後に続く実験の詳細への参照によりより良好に理解されるであろうが、しかし当業者はこれらがその後に続く請求の範囲でより完全に既述されるところの本発明の具体的説明のみであることを容易に認識するであろう。加えて、本明細を通じて多様な刊行物が引用される。これらの刊行物の開示はこれにより本発明が属する従来技術をより完全に既述するために本明細に引用することにより組み込まれる。
in vitroで転写されたEGFPおよびGL3特異的な短いdsRNAはヒト細胞中でRNA干渉を誘導する
材料および方法
プラスミド構築物
ルシフェラーゼ+はプラスミドpGL3−control(プロメガ(Promega))から発現させた。EGFPは哺乳動物発現ベクターpcDNA5/FRT(インヴィトロジェン(Invitrogen))のHindIIIおよびNotI部位に指向性に(directionally)連結されたpEGFP(クロンテック(Clonetech))からのEGFP遺伝子を含有するEGFP/pcDNA5−FRTから発現させた。
siRNAのin vitro転写およびハイブリダイゼーション
オリゴ鋳型鎖は2分間沸騰させかつ2〜3時間にわたって室温にゆっくり冷却することにより10mMトリス−HCl pH9.0、100mM NaCl、1mM EDTA中でセンスT7 プロモーター配列(5’TAATACGACTCACTATAGG)にハイブリダイズさせた。転写は製造元の説明書に従ってMEGAshortscriptTMT7キット(アンビオン(Ambion))を使用して実施した。siRNA鎖はG−25スピンカラムで精製し、重相ロックゲル(Heavy Phase−Lock Gel)(エッペンドルフ(Eppendorf))を使用してフェノール:クロロホルム:イソアミルアルコール(25:24:1)抽出し、そして−80℃で一夜エタノール沈殿した。相補的siRNA鎖を、2分間煮沸しかつ2〜3時間にわたって室温にゆっくり冷却することにより1mMトリス−HCl pH8.0、1mM EDTA pH8.0中でハイブリダイズさせた。ハイブリダイゼーションは非変性20%ポリアクリルアミドTBEゲル上でds−およびss−siRNAを泳動することにより評価した。
細胞系およびトランスフェクション
HeLa細胞は1.8mM l−グルタミン、9%FBSおよび45U/lペニシリン/ストレプトマイシンで補充した高ブドウ糖およびl−グルタミンを含むDMEM(インヴィトロジェン(Invitrogen))中で成長させた。細胞をElbashirら(2001)に記述されたものに類似の様式でトランスフェクトした。トランスフェクション24時間前に細胞をトリプシン処理しそして抗生物質を欠く成長培地で3×10細胞/mlに希釈した。0.5mlの細胞を24ウェルプレートの各ウェルに接種した。細胞は別の方法で示される場合を除き製造元の説明書に従ってリポフェクタミン[Lipofectamine]TM2000(LF2000;インヴィトロジェン(Invitrogen))を使用して1μgのGL3−controlもしくはEGFP/pcDNA5−FRTレポーター構築物および50pmolの一本鎖もしくは25pmolの二本鎖siRNAでトランスフェクトした。具体的には、われわれは抗生物質を欠く血清を含まない培地48μl中でウェルあたり2μlのLF2000を使用した。希釈されたLF2000を50μlの総容量に同一培地で希釈されたレポーターおよび/もしくはsiRNAと混合する前に1分間室温で前インキュベートした。その後、複合体を細胞に添加する前に20分間室温でインキュベートした。EGFPおよびGL3レポーター遺伝子アッセイを24時間後に実施した。JNK2α1 siRNA実験およびGL3 siRNA用量応答実験に6ウェルプレートを使用した。細胞数を4倍および試薬量を5倍増大させた。JNK2α1 siRNA実験には細胞をRNA単離のため収集し、また、タンパク質抽出はトランスフェクションおよそ48時間後であった。
レポーター遺伝子アッセイ
EGFPでトランスフェクトした細胞のFACSアッセイはFACScan(ベクトン・ディッキンソン(Beckton−Dickinson))を使用して実施した。細胞をトリプシン処理しそしてFACS固定溶液(PBS+1%ホルムアルデヒド)中への再懸濁前にPBSで洗浄した。トランスフェクション効率を、水でトランスフェクトしたサンプルをEGFP/pcDNA5−FRTでトランスフェクトしたものと比較することにより推定し、そして典型的には75〜90%であった。転写されたもしくは合成のsiRNAにより誘導されるRNAiの程度は、コトランスフェクトしたsiRNAを伴うもしくは伴わないサンプル中の平均GFP蛍光の変化から推定した。
ルシフェラーゼアッセイのために細胞をトリプシン処理し、そして100μlのアリコートを白色96ウェル組織培養プレート中の三重のウェルに移した。アッセイは、製造元の説明書に従ってルック−スクリーン[Luc−Screen]TMシステム(アプライド バイオシステムズ(Applied Biosystems))ならびにトップカウント−NXT[TopCount−NXT]TMマイクロプレートシンチレーションおよびルミネセンスカウンター(パッカード(Packard))を使用して実施した。
ノーザンおよびウェスタンブロッティング
全RNAは製造元の説明書に従ってRNイージーミニキット(RNeasy Mini Kit)(キアゲン(Qiagen))を使用しておよそ10HeLa細胞のサンプルから調製した。サンプルを製造元の説明書に従ってプレキャストMOPSラチチュード(Latitude)RNAアガロースゲル(バイオウイタッカー モレキュラー アプリケーションズ(BioWhittaker Molecular Applications))上で泳動しそしてハイボンド(Hybond)−XLナイロンメンブレン(AP バイオテック(AP Biotech))に転写した。DNAプローブは製造元の説明書に従ってレディプライム(Rediprime)IIシステム(AP バイオテック(AP Biotech))を使用して作成した。ハイブリダイゼーションは製造元の説明書に従ってラピッド−ハイブ(Rapid−Hyb)溶液(AP バイオテック(AP Biotech))中で実施した。
核および細胞質のタンパク質抽出物は、ロイペプチン、アプロチニンおよびペプスタチンの代わりにコンプリート プロテアーゼ インヒビターカクテル(Complete Protease Inhibitor Cocktail)(ロシュ(Roche))を用い、Gordon(1991)に既述される方法により作成した。
抽出物をレインボウ(Rainbow)タンパク質マーカー(AP バイオテック(AP Biotech))とともに4〜20%SDSポリアクリルアミドミニゲル(インヴィトロジェン(Invitrogen))上で泳動し、そして0.2μmトランスブロット(Transblot)ニトロセルロースメンブレン(バイオラッド(BioRad))上に電気ブロッティングした。ブロットをPBS+0.05%トゥイーン(Tween)−20中ですすぎ、そして5%粉乳を含むPBS/トゥイーン(Tween)−20中150倍希釈されたJNK2 D2マウスモノクローナル抗体(サンタ クルズ バイオテック(Santa Cruz Biotech))とともに4℃で一夜インキュベートした。ブロットはその後、3000倍のHRP結合ヤギ抗マウス抗体(バイオラッド(BioRad))との45分のインキュベーション前にPBS/トゥイーン(Tween)−20中で3回洗浄した。もう3回の洗浄およびPBS/トゥイーン(Tween)−20中の30分のインキュベーションをECLシステム(AP バイオテック(AP Biotech))による検出前に実施した。
結果
RNAiは2個の3’でオーバーハングするヌクレオチドを除き二本鎖であるsiRNAを使用して以前に立証されている(Elbashirら 2001;Caplenら 2001)。複数の細胞標的に対する多様なsiRNAを比較的迅速かつ安価に創製するために、われわれはin vitro転写技術を使用して分子を生成するためのスキームを設計した。
Milliganら(1987)はT7 DNAポリメラーゼによる転写のための部分的に一本鎖のDNAオリゴ鋳型の使用を既述している。標準的T7最小プロモーターは3’端に3個のグアノシンヌクレオチドを包含し、これらは転写物の最初の3塩基として組み込まれる。しかしながら第三のグアノシンは通常in vitro転写収量の大きな低減を伴わずに他のヌクレオチドで置き換えられることができる(Milliganら 1987)。従って、この方法により製造されるsiRNAは2個の5’グアノシンヌクレオチドを包含するはずである。2個の相補的シトシンヌクレオチドが、他方の鎖上の5’グアノシンと塩基対形成するために各siRNA鎖の3’端近くに必要とされる。この様式で生じらされる所定長さのsiRNAはmRNA中で平均250ヌクレオチドごとにおよそ1回出現する配列を標的とすることが可能であるはずである。
われわれは上の束縛を念頭におきつつDNAオリゴ鋳型を設計した(図1)。各鋳型を使用してsiRNAの一方の鎖を転写する。鎖はセファデックス(Sephadex)G−25サイズ排除カラムの通過、フェノール:クロロホルム抽出およびエタノール沈殿により粗精製する。その後、鎖をアニーリング緩衝液に再懸濁しそして煮沸および緩徐な冷却によりハイブリダイズさせる。
われわれのin vitro転写されたsiRNAは以前に使用された化学的に合成された別種と2つの点で異なる。第一に、全部の他の報告されたsiRNAは高度に精製されている。第二に、in vitro転写されたRNAは5’三リン酸基を保持する。天然のRNAi機構の一部としてin vivoで産生されたsiRNA種と同様、siRNAを作成するのに使用された化学的に合成されたRNAオリゴヌクレオチドは5’一リン酸を運搬していた。これらの差異がわれわれのsiRNAがRNAiを誘導することを無能にするかどうかを決定するために、われわれは最初に2種のレポーター遺伝子EGFPおよびGL3を標的とするよう設計された二本鎖siRNAを試験した(図2および3)。最低3回の独立した実験からの結果の平均および標準誤差を示す(図2B、図3B)。
転写されたGL3 ds siRNA 1はコトランスフェクトしたpGL3−controlレポータープラスミドからのルシフェラーゼ活性をおよそ5倍だけ低下させた一方、2倍分子濃度のアンチセンス鎖単独は影響を有しなかった。類似の結果が化学的に合成されたGL3 ds siRNA(ds1 RNAオリゴ)で観察された。第二の転写されたsiRNAはより控えめな影響を有した。第三の転写されたsiRNAは強い影響を有した一方、有意の活性はアンチセンス鎖単独からもまた見られた。二本鎖種からの影響の強さは用量依存性であり(図2C)かつ定常状態のRNAレベルを改変する。EGFP ds siRNA 2もまたルシフェラーゼ活性に対し控えめな影響を有した(図2B)。しかしながらこの影響は非特異的であるようであり、また、増大する用量で制限された応答を示す。
同一の転写されたEGFP ds siRNA 2はEGFP/pcDNA5−FRTレポーターでコトランスフェクトした細胞中のGFP蛍光を強く低下させた(図3B)。はるかにより控えめな影響が、センスもしくはアンチセンス鎖単独または化学的に合成されたsiRNA(EGFP ds1 RNAオリゴ)もしくはその構成要素部分から明らかであった。GFP蛍光は非特異的GL3 ds siRNA 3により影響を及ぼされなかった。
上で挙げられたin vitro転写された(IVT)ルシフェラーゼds siRNAは異なる程度までルシフェラーゼ活性の阻害を生じた。RNAi活性の陽性対照としてわれわれは化学的に合成されたルシフェラーゼds siRNAを使用した。われわれの方法で、コトランスフェクトしたpGL3−controlレポータープラスミドからのルシフェラーゼ活性は合成ds siRNAによりおよそ5倍低下された。全部の実験のトランスフェクション効率は91と95%との間で変動した。1種のIVT−ルシフェラーゼds siRNA(GL3 ds siRNA 1)はルシフェラーゼ活性を78%低下させた一方、ds siRNAの2倍のモル濃度のアンチセンスRNA鎖単独は影響を有しなかった。われわれが試験した第二のIVT−siRNA(GL3 ds siRNA 2)はより控えめな影響を有した(36%阻害)。第三のIVT−siRNAは強い影響(82%阻害)を有した一方、有意の活性がアンチセンスRNA鎖単独(55%阻害)からもまたみられ、結果を混乱させた。それぞれそれらについて個別に使用されたモル濃度の1/3の3種のIVT−siRNAの混合物は相乗的なものよりもむしろ中間の影響を有し(70%阻害)、同一遺伝子を標的とするのに複数のsiRNAを使用することに対する利点が存在しないかもしれないことを示唆した。われわれはds種からの阻害効果が用量依存性であることを示すことができた。非特異的GFP siRNA(GFP ds siRNA 2)もまたルシフェラーゼ活性に対し控えめな影響を有した(46%阻害)一方、これは非特異的であるようであり、また、増大する用量で制限された応答を示す(データは示されない)。
同一のIVT−GFP ds siRNA(GFP ds siRNA 2)は、GFP/pcDNA5−FRTレポーターでコトランスフェクトした細胞中のGFP蛍光を強く低下させた(87%阻害)。はるかにより控えめな影響がセンス(41%)もしくはアンチセンス(19%)鎖単独または化学的に合成されたsiRNA(GFP ds1 RNAオリゴ)もしくはその構成要素部分から明らかであった。GFP蛍光は、期待されたとおり非特異的ルシフェラーゼds siRNA 3により影響を及ぼされなかった。
内在性遺伝子発現もまた転写されたsiRNAにより影響を及ぼされる可能性があることを立証するために、われわれはJNK2α1(図4A)およびCDS−1(図4B)遺伝子の産物を標的とした。ウェスタンおよびノーザンブロット分析は、水(偽)、トランスフェクション対照としてのEGFP/pcDNA5−FRTプラスミド(EGFP DNAのみ)、一本鎖のsiRNAもしくは非特異的siRNA(EGFP ds siRNA 2)でトランスフェクトした細胞に比較した場合に、転写されたsiRNA(JNK2α1 ds siRNA 1−推定87%低下)もしくは化学的に合成されたsiRNA(JNK2α1 ds1 RNAオリゴ−推定76%低下)のいずれかでトランスフェクトしたHeLa細胞の核抽出物のサンプル中のJNK2α1タンパク質およびRNAレベルの特異的低下を示した。
ウェスタンブロット分析は、偽トランスフェクトした細胞に比較した場合に、CDS−1特異的IVT−siRNAでトランスフェクトしたHeLa細胞の細胞質抽出物中のCDS1タンパク質レベルの控えめな(67%まで)低下を示した(図4)が、しかし非特異的siRNAでトランスフェクトした細胞では示さなかった。
in vitroで転写されたマウスInsr特異的な短いdsRNAはBalb/Cマウスの肝中のInsrをノックダウンする
雄性Balb/Cマウス(およそ25g)(標準的住居、食餌/水への自由到達)は生理的食塩水2.3ml、もしくは800UのRNアーゼ阻害剤と一緒の短縮されたT7プロモーターのin vitro転写方法により調製されたマウスインスリン受容体に対し向けられたsiRNA(NCBI受託番号NM_010568;塩基2536−2556)40マイクログラムを含有する生理的食塩水のいずれかの尾静脈注入を受領した。
注入は可能な限り迅速に投与した(8〜10秒)。2匹の対照および2匹のsiRNA処置されたマウスを24、48および72時間に殺し;肝を迅速に取り出し、重量測定しそしてドライアイス/イソプロパノール中で凍結させた。全RNAは粉砕された凍結組織およびRNイージー マキシ(RNEasy Maxi)キット(キアゲン(Qiagen))を使用して抽出した。
第一鎖のcDNA合成後、インスリン受容体のmRNAをスマート サイクラー(Smart Cycler)を使用するQ−PCR(プライマー:F 3526−3548、R 3744−3768)によりアッセイし、そして結果をまたQ−PCR(NCBI受託番号NM_017101の塩基157−182および塩基496−521)によるシクロフィリンA発現に対し正規化(normalized)した。
オリゴヌクレオチド製造スキーム。一例をJNK2α1 mRNAのコーディング配列内の19ヌクレオチドの標的配列に対するsiRNAオリゴヌクレオチド鋳型の設計について示す。 ルシフェラーゼレポーターアッセイで使用されるGL3標的特異的二本鎖siRNA。GL3 siRNA 1、GL3 siRNA 2およびGL3 siRNA 3は本発明のin vitro方法を使用して作成した。GL3 siRNAオリゴは化学的に合成した(Vargeese,C.ら、1988、Nucleic Acid Res.(26)、1046−1050)。 HeLa細胞におけるルシフェラーゼ発現に対するGL3標的特異的siRNAおよびGL3アンチセンス一本鎖siRNAの影響。GL3−controlルシフェラーゼ+レポーター構築物でトランスフェクトした細胞を100%として解釈した。 pGL3−controlでトランスフェクトしたHeLa細胞におけるルシフェラーゼ発現に対するGL3−siRNA 1の阻害効果の用量応答曲線。 EGFPでトランスフェクトしたHeLa細胞のFACS分析で使用されたEGFP標的特異的二本鎖siRNA。EGFP ds siRNA 2は本発明のin vitro方法を使用して作成した。EGFP ds siRNAオリゴは化学的に合成した(Vargeese,C.ら、1988、Nucleic Acid Res.(26)、1046−1050)。 FACScan分析(ベクトン−ディッキンソン(Beckton−Dickinson))を使用するEGFPでトランスフェクトしたHeLa細胞中のGFP蛍光に対するEGFP標的特異的siRNAおよびEGFPアンチセンス一本鎖siRNAの影響。EGFP DNAのみでトランスフェクトした細胞を100%として解釈した。 JNK2α1でトランスフェクトしたHeLa細胞で使用されたJNK2α1標的特異的二本鎖siRNA。 CDS−1でトランスフェクトしたHeLa細胞で使用されたCDS−1標的特異的二本鎖siRNA。

Claims (8)

  1. a)鋳型で伸長されたセンスオリゴリボヌクレオチド産物が形成されるような反応混合物中で、標的特異的センスオリゴヌクレオチド鋳型およびT7 RNAポリメラーゼを組み合わせること;
    b)鋳型で伸長されたアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物が形成されるような反応混合物中で、標的特異的アンチセンスオリゴヌクレオチド鋳型およびT7 RNAポリメラーゼを組み合わせること;ならびに
    c)段階a)で得られるセンスオリゴリボヌクレオチド産物を段階b)で得られる相補的アンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物とハイブリダイズさせることであって、
    段階a)およびb)のオリゴヌクレオチド鋳型が、鋳型鎖の5'端で標的特異的鋳型配列を伴い伸長された以下の図1
    Figure 0004463554
    [ここで、下線を引いた核酸配列がプロモーター配列を示す]
    に示されるところの短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列よりなるRNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成り、ここで前記標的特異的鋳型配列が5'端に2個のグアノシン(g)ヌクレオチドおよび3'端に2個のシトシン(c)ヌクレオチドを含んで成る、
    ことを特徴とする、
    の段階を含んで成る、30ヌクレオチド長未満の標的特異的な短い二本鎖RNAの合成方法。
  2. 段階a)およびb)のオリゴヌクレオチド鋳型が、請求項1記載の図1に示されるところの二本鎖の短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成る部分的に二本鎖のDNAオリゴ鋳型であることをさらに特徴とする、請求項1記載の方法。
  3. a)鋳型で伸長されたセンスオリゴリボヌクレオチド産物が形成されるような反応混合物中で、センスsiRNA鋳型をT7 RNAポリメラーゼと組み合わせること;b)鋳型で伸長されたアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物が形成されるような反応混合物中で、アンチセンスsiRNA鋳型をT7 RNAポリメラーゼと組み合わせること;ならびに
    c)段階a)で得られるセンスオリゴリボヌクレオチド産物を段階b)で得られるアンチセンスオリゴリボヌクレオチド産物とハイブリダイズさせること;
    それにより、段階a)およびb)のsiRNA鋳型が、鋳型鎖の5'端で請求項1で定義されるところの標的特異的鋳型配列および2もしくは3個の付加的ヌクレオチドを伴い伸長された請求項1記載の図1に示されるところの短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列よりなる二本鎖RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成る、
    の段階を含んで成る、12〜30ヌクレオチドの低分子干渉RNA(siRNA)の合成方法。
  4. 短い二本鎖RNAがセンス配列5'−gg(n15-30)cc−3'[ここでgは(請求項1記載の図1に示されるところの)短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーターから転写されたヌクレオチドグアノシンを指し、cは(請求項1記載の図1に示されるところの)短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドシトシンを指し、そしてn15-30は15ないし30ヌクレオチドのいずれかのオリゴヌクレオチドを指す]を有することを特徴とする標的特異的な短い二本鎖RNAを含んで成るRNAの、インビトロでの細胞中への導入を含んで成る、細胞中での標的遺伝子の発現の阻害方法。
  5. 標的特異的な短い二本鎖RNAが2もしくは3個の付加的ヌクレオチドを伴い3'端で伸長される、請求項4記載の方法。
  6. 標的遺伝子が、細胞遺伝子、内在性遺伝子、トランスジーンもしくは病原体からの遺伝子である、請求項4ないし5のいずれか1つ記載の方法。
  7. 請求項1ないし3のいずれか1つ記載の方法での使用のための反応混合物であって、
    鋳型が、前記鋳型鎖の5'端で標的特異的鋳型配列を伴い伸長された請求項1記載の図1に示されるところの短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列よりなるRNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成り、ここで前記標的特異的鋳型配列は5'端に2個のグアノシン(g)ヌクレオチドおよび3'端に2個のシトシン(c)ヌクレオチドを含んで成ることを特徴とする、標的特異的センスオリゴヌクレオチド鋳型、および、
    鋳型が、前記鋳型鎖の5'端で標的特異的鋳型配列を伴い伸長された請求項1記載の図1に示されるところの短縮されたT7 RNAポリメラーゼプロモーター配列よりなるRNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成り、ここで前記標的特異的鋳型配列は5'端に2個のグアノシン(g)ヌクレオチドおよび3'端に2個のシトシン(c)ヌクレオチドを含んで成ることを特徴とする、標的特異的アンチセンスオリゴヌクレオチド鋳型を含んでなる、
    上記反応混合物。
  8. 標的特異的センスおよびアンチセンスオリゴヌクレオチド鋳型を設計するための方法であって、以下の段階;
    1)標的遺伝子のコーディング配列内に配置されかつ以下の配列5'−xx(n12-30)yy−3'[式中xはプロモーターから転写されたヌクレオチドを指し、yはプロモーター配列から転写されたヌクレオチドに相補的なヌクレオチドを指し、そしてn12-30は12ないし30ヌクレオチドのいずれかのオリゴヌクレオチドを指す]を有する標的特異的配列を探す、
    2)場合によっては2個の付加的なヌクレオチドを伴い伸長された、段階1)で配置された標的特異的配列の相補物オリゴヌクレオチド配列を伴い鋳型鎖の5'端で伸長された、本発明の二本鎖RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成るセンスオリゴヌクレオチド鋳型を設計する、
    3)場合によっては2個の付加的なヌクレオチドを伴い伸長された、段階1)で配置された標的特異的配列の逆オリゴヌクレオチド配列を伴い鋳型鎖の5'端で伸長された、本発明の二本鎖RNAポリメラーゼプロモーター配列を含んで成るアンチセンスオリゴヌクレオチド鋳型を設計する、
    を含んで成る上記方法。
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