WO1999036517A2 - Method for selecting ribozymes which are capable of covalently modifying the ribonucleic acids on 2'-oh-groups in trans - Google Patents

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WO1999036517A2
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ribozymes
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Michael Famulok
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Andreas Jenne
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    • C12N2799/027Uses of viruses as vector for the expression of a heterologous nucleic acid where the vector is derived from a retrovirus

Definitions

  • the present invention relates to an in vitro selection method by means of which ribozymes can be selected which can transovalently modify 2'-OH groups of ribonucleic acids.
  • the present invention also relates to ribozymes obtainable by this method.
  • the present invention relates to medicaments containing ribozymes which can preferably be used to inhibit gene expression, for example in gene therapy.
  • the ribozymes according to the invention can also be used to produce muteins and nuclease-resistant ribonucleic acids - for example ribonuclease-resistant "antisense" oligonucleotides.
  • Ribozymes are RNA molecules that are able to catalyze chemical reactions.
  • the most prominent representative among the ribozymes is mechanistically and structurally very well-characterized hammerhead ribozyme that catalyzes the site-specific hydrolysis of phosphodiester bonds in RNA.
  • This property opens up the possibility of using the hammerhead ribozyme for gene therapy, for example by inhibiting the expression of a particular gene by sequence-specific cleavage of an mRNA (Birikh et al., Eur. J. Biochem. 245 (1997), 1-6). So far, this has been achieved both in cell culture (Jones and Sullenger, Nature Biochem.
  • Ribozymes have in common with "antisense” oligonucleotides the principle of acting at the level of the gene, in contrast to most drugs that target protein functions. However, due to their catalytic properties, the ribozymes are given a greater role for the mentioned fields of application than the "antisense” oligonucleotides (Woolf, Antisense Res. Dev. 5 (1995), 227-232).
  • ribozymes Due to the relatively limited catalytic spectrum of the naturally occurring ribozymes, their applicability for influencing gene expression, for example in therapeutic processes, is limited.
  • the effect of ribozymes currently being tested to inhibit gene expression is limited to the cleavage of target RNAs.
  • the present invention is therefore based on the technical problem of providing ribozymes which are capable of influencing gene expression in another way.
  • RNAs modified in this way are no longer translatable.
  • the present invention thus relates to a method for the selection of a ribozyme which can covalently modify 2'-OH groups of ribonucleic acids in trans, the method being characterized by the following steps:
  • covalently modify is understood to mean any desired covalent modification on a 2 ′ OH group of an RNA. These are preferably all types of addition and substitution reactions which lead to bond formation with the involvement of the 2 'hydroxyl group. Covalent modification via acylation is particularly preferred in the present invention.
  • a preferred reactant is amino acid AMP ester, which is preferably phenylalanyl-2 '- (3') -AMP (Phe-AMP), particularly preferably biotinyl-N-Phe-AMP (Bio-Phe-AMP) .
  • Phe-AMP phenylalanyl-2 '- (3') -AMP
  • Bio-Phe-AMP biotinyl-N-Phe-AMP
  • iterative traversal means the following: In order to enrich a population of catalytically active sequences, the steps of "selection” and “amplification” have to be carried out alternately several times in succession. Since it is not possible to quantitatively separate all non-specific (i.e., non-functional) RNAs from the functional sequences in a single selection step, several selection cycles must be carried out. As many cycles are preferably carried out until an accumulation of the desired activity can no longer be detected (generally after 6-20 cycles).
  • the modified 2 'OH group in the target RNA can in principle be determined by the following methods: primer extension (Ruskin et al., Cell 38 (1984), 317), MALDI-TOF sequencing with exonucleases (Smirnov et al., Analyt. Biochem. 238 (1996), 19-25), or as described in Example 1 by RNAse sequencing.
  • the cleavage of the selected ribonucleic acid into the substrate part and the catalytically active part can be carried out as follows: If the 2 'modification is known, the originally selected in cis-ribozyme is "cut" about 5 to 10 bases upstream or downstream of this position. The two RNA fragments (ribozyme and substrate part) are either by in vitro transcription of suitable DNA templates or by automated oligonucleotide Solid phase synthesis generated. The trans-ribozyme is then tested for its ability to convert the oligonucleotide substrate.
  • the present invention further relates to ribozymes which are obtainable by the process described above and described in the example.
  • the ribozyme is characterized in that it has the secondary structure and nucleic acid sequence from position 28 to 136 shown in FIG. 6a, or a sequence and / or secondary structure deviating therefrom, these deviations not resulting in the loss of the original catalytic activity to lead.
  • These deviations relate to the addition, deletion and / or insertion of bases, the original sequence being retained at least 90%, preferably at least 95% and more preferably at least 98%.
  • the secondary structure is preferably retained with these introduced changes. These deviations primarily concern the sequence from positions 28 to 40 and / or 68 to 84 in FIG.
  • RNA is known, this should preferably be taken into account when designing the selection, as explained below.
  • active sequences are reverse transcribed.
  • 2 'modifications typically result in the reverse transcriptase enzyme being unable to produce DNA transcripts due to a stop at the modified position.
  • ribozymes are preferably selected which are 2 'modified within the 3' primer binding sites, since the 3 'primer is fed externally to the reverse transcription reaction as the initiator sequence for elongation. For the Introduction of the modification within a specific target sequence would therefore be chosen as the primer sequence.
  • the person skilled in the art can insert variations into the sequence / structure of the ribozyme using generally known techniques (for example by using renewed selection rounds of the selection method according to the invention, in vitro mutagenesis, etc.), which can also lead to a ribozyme whose catalytic activity is increased or that has a different substrate specificity.
  • the ribozyme shown in FIG. 6a is to bind and modify an RNA which does not have the sequence of the substrate from positions 137 to 164
  • the sequence of the ribozyme required for hybridization must be between positions 28 to 40 and / or 68 to 84 as described above be changed so that it can bind and modify a substrate with the desired sequence.
  • the selection process can be used again, whereby the partially randomized ribozyme sequence is advantageously used as the basis for the new selection becomes.
  • the person skilled in the art can also test whether a modified ribozyme still has the desired properties, for example by means of the methods explained in the example.
  • the present invention also relates to a DNA sequence which encodes the ribozyme according to the invention.
  • the nucleic acid molecules according to the invention can also be inserted into a vector.
  • the present invention also includes vectors containing these DNA encoding ribozymes.
  • vector refers to a plasmid (eg pUC18, pBR322, pBlueScript), a virus genome or another suitable vehicle.
  • the nucleic acid molecule according to the invention is functionally linked in the vector to regulatory elements which Allow transcription in prokaryotic or eukaryotic host cells.
  • such vectors typically contain an origin of replication and specific genes which allow the phenotypic selection of a transformed host cell.
  • the regulatory elements for expression in prokaryotes include the lac, trp promoter or T7 promoter, and for expression in eukaryotes the AOX1 or GAL1 promoter in yeast, and the CMV, SV40 -, RSV-40 promoter, MMTV-LTR promoter, MLV-LTR promoter (adenovirus (VA1), herpes simplex (HSV); "immediate-early" 4/5 promoter, CMV or SV40 enhancer for expression in animal cells.
  • VA1 adenovirus
  • HSV herpes simplex
  • Suitable promoters are the metallothionein I and the polyhedrin promoter.
  • Suitable vectors include, for example, expression vectors based on T7 for expression in bacteria (Rosenberg et al., Gene 56 (1987), 125) , pMSXND for expression in mammalian cells (Lee and Nathans, J. Biol. Chem. 263 (1988), 3521), and vectors derived from Baculovirus for expression in insect cells.
  • the vector containing the nucleic acid molecules according to the invention is a virus, for example an adenovirus, vaccinia virus or "adeno-associated virus” (AAV), which are useful in gene therapy.
  • retroviruses are particularly preferred. Examples of suitable retroviruses are MoMuLV, HaMuSV, MuMTV, RSV or GaLV.
  • DNA encoding promoter ribozyme can be introduced into the cell directly or with the aid of a virus.
  • the DNA is bound, for example, to a Fab fragment via a poly-L-lysine and is absorbed by the cells carrying the corresponding antigen (Ferkol et al., J. Clin. Invest. 95 (1995), 493-502) .
  • the DNA packaged in it is introduced into the cell by means of the virus. If the promoter-ribozyme unit is flanked on the 5 'and 3' sides by viral "inverted terminal repeats", this unit can integrate into the genome (Goodman et al., Blood 84 (1994), 1492-1500).
  • the DNA is episomal (Flotte et al., Am. J. Respir. Cell. Mol. Biol. 11 (1994), 517-521).
  • the virus is adenovirus (Brody and Crystal, Ann. NY Acad. Sci. 716 (1994), 90-101), "adeno-associated-virus” (AAV) in combination with cationic liposomes (Philip et al., Mol. Cell. Biol. 14 (1994), 2411-2418), adenovirus in combination with retroviruses (Adams et al., J. Virol. 69
  • the present invention also relates to the host cells containing the ribozymes described above.
  • These host cells include bacteria, yeast, insect, plant and animal cells, preferably mammalian cells.
  • Preferred mammalian cells are CHO, VERO, BHK, HeLa, COS, MDCK, 293 and WI38 cells. Methods for transforming these host cells, for phenotypically selecting transformants and for expressing the nucleic acid molecules according to the invention using the vectors described above are known in the art.
  • the present invention also comprises a method for producing the ribozyme according to the invention, which can be enzymatic or chemical methods.
  • the DNA sequence encoding the ribozyme can be inserted into a vector which is replicable in a prokaryotic host under the control of a suitable promoter, for example an SP6, T3 or T7 promoter, after the amplified plasmid has been obtained allows the host to in vitro transcribe the DNA sequence encoding the ribozyme and to obtain ribozyme RNA.
  • a suitable promoter for example an SP6, T3 or T7 promoter
  • the ribozyme can be synthesized in large quantities by a chemical method, for example, a method based on the phosphoramidite reaction (Sproat et al., Nucleosides & Nucleotides 14 (1995), 255-273).
  • the present invention relates to a ribozyme which is modified in such a way that resistance to nucleases is obtained. This increases the residence time and thus the effectiveness of the ribozyme at the target site, for example in certain cells of a patient. In addition, the amount of the ribozyme to be administered and any side effects associated therewith can be reduced.
  • RNA RNA-L-lysine, polyalkyl derivatives, cholesterol or PEG.
  • the ribozymes according to the invention preferably contain at least one of the phosphate modifications described above and / or at least one of the ribosemodifications described above.
  • the transcription of the DNA sequences encoding the ribozyme according to the invention leads to the synthesis of ribozymes which can inhibit the translation of the desired target RNA.
  • Both the DNA sequences coding for the ribozyme and the ribozymes according to the invention are therefore themselves suitable as medicaments, preferably for inhibiting gene expression in vitro or in vivo.
  • ribozymes according to the invention not only represent an alternative to the hammerhead ribozymes mentioned, but also show advantages in certain applications:
  • transgenic organisms can be controlled by administration of the reactant.
  • a transgenic organism can produce a ribozyme that is capable of modifying a particular mRNA on a particular internal OH group with an external reactant. Only when the reactant is administered, for example at a certain development stage, does the ribozyme develop its catalytic activity and the expression of the target gene is prevented ("inducible knock-out").
  • - 2 '-modifying ribozymes could be used as sequence-specific gene probes if an easily detectable marker molecule is transferred to the target RNA (eg fluorescein or, as in example 1, biotin, molecules labeled with bio-tin detected via phosphatase-conjugated avidin can be).
  • - 2 '-modifying ribozymes are particularly suitable for combating retroviruses, since the modification introduced hinders or even makes it impossible to rewrite the viral RNA genome into DNA (Lorsch et al., Nucl. Acids Res. 23 (1995), 2811- 2814). In this case too, the action of the ribozyme can be controlled by administering the reactant.
  • the present invention thus also relates to medicaments which contain the DNA encoding the ribozyme according to the invention or a vector comprising the DNA encoding the ribozyme according to the invention, optionally in combination with a pharmaceutically acceptable carrier.
  • the present invention relates to medicaments which contain the ribozyme according to the invention.
  • administration takes place in different ways.
  • administration takes place, for example, after coupling the 3 'ends of the ribozymes to poly- (L-lysine) using standard methods, as described, for example, by Leonetti et al.
  • ribozyme or the promoter-ribozyme-encoding DNAs can be introduced into desired organs, tissues or cells (Leonetti et al., PNAS USA 87 (1990), 2448-2451).
  • the administration takes place, for example, systemically or locally, intravenously, intramuscularly, intraperitoneally, via catheter or by inhalation of aerosols.
  • administration takes place, for example, via a transfection, for example via standard processes known to the person skilled in the art, such as calcium precipitation, electroporation, the DEAE dextran process, via cationic liposomes, for example lipofectin, polyamines, and the transferin polylysine Method or linkage of the DNA or the recombinant vector to a specific antibody or other ligand.
  • a transfection for example via standard processes known to the person skilled in the art, such as calcium precipitation, electroporation, the DEAE dextran process, via cationic liposomes, for example lipofectin, polyamines, and the transferin polylysine Method or linkage of the DNA or the recombinant vector to a specific antibody or other ligand.
  • transfection for example via standard processes known to the person skilled in the art, such as calcium precipitation, electroporation, the DEAE dextran process, via cationic liposomes, for example lipofectin, polyamines, and the transferin
  • the formulation of the active ingredient can optionally be carried out in combination with pharmaceutically acceptable carriers, for example a diluent, excipient, wetting agent, surfactant, binder, etc., depending on the type of administration.
  • pharmaceutically acceptable carriers for example a diluent, excipient, wetting agent, surfactant, binder, etc., depending on the type of administration.
  • the active ingredient is administered in an appropriate dose depending on the patient himself, the type and severity of the disease, etc.
  • the required dose amount can be determined routinely by a person skilled in the art, also taking into account whether the administration takes place as a single dose or, over a certain period of time, through multiple doses.
  • ribozymes can be selected which have a reactant which is not present in the cell need. These ribozymes offer the advantage that the reaction can be controlled from the outside - by adding the reactant. It is preferred to use suitable reactants already in the selection process, which are known to be well tolerated and easy to apply and, if appropriate, are readily absorbed by cells, ie are permeable to cell membranes.
  • the ribozymes according to the invention can also be used in gene therapy if the gene expression is negatively influenced due to incorrect splicing of the RNA.
  • the 2'-OH modifications introduced by the ribozymes according to the invention suppress, for example, reactions at (wrong) positions which require a free hydroxyl function.
  • Another embodiment relates to the ribozymes according to the invention for the production of muteins. Since the ribozymes also catalyze the transfer of a biotinylated amino acid from the described modified substrate (28mer-Phe-Bio) to AMP (reverse reaction), this activity can be used to identify tRNAs at their 3 'ends with non-cognate amino acids, or other molecules, according to the following reaction:
  • ribozymes are particularly interesting for new applications in combinatorial chemistry (Roberts and Stostak, PNAS USA 94 (1997), 12297-12302) because they make substrates can be introduced site-specifically into proteins that are not determined by the genetic code.
  • the present invention relates to the use of the ribozymes according to the invention for the production of nuclease-resistant ribonucleic acids, since it has been possible to show that RNAs modified in this way are resistant to nucleases. These could therefore also use in gene therapy, for example as "antisense” -Oligonucleo- "tide, find when a long half-life of the RNAs used is desirable.
  • the ribozymes according to the invention or the vectors coding for them can also be used for the production of transgenic plants, for example in order to enrich desired metabolic products by inhibiting the expression of certain genes or to generate virus resistance.
  • the present invention thus also relates to transgenic plants.
  • ribozyme DNA sequences in plant cells, these can in principle be placed under the control of any promoter which is functional in plant cells.
  • the expression of the said DNA sequences can generally take place in any tissue of a plant regenerated from a transformed plant cell according to the invention and at any time, but preferably takes place in those tissues in which an altered gene expression is advantageous either for the growth of the plant or for is the formation of ingredients within the plant. Promoters which ensure specific expression in a specific tissue, at a specific time of development of the plant or in a specific organ of the plant therefore appear to be particularly suitable. Suitable promoters are known to the person skilled in the art.
  • the DNA sequences which encode the ribozymes described above are preferably linked, in addition to a promoter, to DNA sequences which ensure a further increase in transcription, for example so-called enhancer elements.
  • Such regions can be obtained from viral genes or suitable plant genes or can be produced synthetically. They can be homologous or heterologous to the promoter used.
  • the ribozyme DNA sequences are also linked to 3 'DNA sequences, which ensure the termination of the transcription.
  • sequences are known and described, for example that of the octopine synthase gene from Agrobacterium tumefaciens.
  • ribozyme DNA sequences which are introduced and expressed in plant cells according to the invention are preferably stably integrated into the genome in the plant cells according to the invention.
  • the transgenic plant cells according to the invention can in principle be cells of any plant species. Of interest are both cells of monocotyledonous and dicotyledonous plant species, in particular cells that store starch, oil, or agricultural crops, e.g. Rye, oats, barley, wheat, potato, corn, rice, rapeseed, pea, sugar beet, soybean, tobacco, cotton, sunflower, oil palm, wine, tomato etc.
  • the transfer of the DNA molecules containing the ribozyme DNA sequences takes place according to methods known to the person skilled in the art, preferably using plasmids, in particular those plasmids which ensure stable integration of the DNA molecule into the genome of transformed plant cells, for example binary plasmids or Ti plasmids from the Agrobacterium tumefaciens system.
  • plasmids in particular those plasmids which ensure stable integration of the DNA molecule into the genome of transformed plant cells
  • binary plasmids or Ti plasmids from the Agrobacterium tumefaciens system.
  • other systems for introducing DNA molecules into plant cells are also possible, such as the so-called biolistic method or the transformation of protoplasts (see Willmitzer L. (1993), Transgenic Plants, Biotechnology 2; 627-659 for an overview). Methods for transforming monocotyledonous and dicotyledonous plants are described in the literature and are known to the person skilled in the art.
  • Fig. 1 Different nucleophilic positions within the RNA library can react with the aminoacyl ester function of 1 (biotin-Phe-AMP): The attack of the amino function (1) leads to peptide bond formation. Reaction of internal (2) or terminal (3) hydroxyl groups with 1 results in RNA aminoacyl esters.
  • Fig. 2 Enrichment of aminoacylated RNA in the course of the selection. The ratio of RNA to substrate 1 and the incubation times of the respective cycle are given at the bottom of the graphic.
  • a 5 'amino-functionalized RNA library H 2 N-Cys-Cit-SS-RNA was used in cycles 1-7, while selection was carried out in all subsequent cycles without a coupled dipeptide. The proportion of aminoacylated RNA was less than 0.01% in the first six selection cycles. Selection cycle 10 was carried out under mutagenic conditions to allow the evolution of aminoacyltransferases of higher activity.
  • Fig. 5 The catalytic activity of the clone 11 ribozyme is dependent on the magnesium ion concentration.
  • the reactions were carried out at room temperature with 5 ⁇ M radioactively labeled clone 11-RNA and 25 ⁇ M 1 in selection buffer, the Mg concentration being set to the stated value (x-axis). Aliquots were taken from the reaction mixture at six different times. To quantify the ribozyme activity, the aminoacylated RNA formed was coupled to streptavidin agarose.
  • Fig. 6 (a) Proposed secondary structures for the complex of ribozyme 28-136 and substrate oligonucleotide (position 137-3 'end). The aminoacylated position C147 is marked.
  • the aminoacylated substrate was generated as follows: 10 ⁇ M ribozyme 28-136 were incubated with a few picomoles of 5 ′ -labeled 28 mer oligonucleotide and 1 mM biotin-Phe-AMP 1 in selection buffer. After 120 minutes, the RNA was precipitated and coupled to streptavidin agarose.
  • Non-biotinylated RNAs were removed by washing, while biotinylated oligonucleotides were eluted from the streptavidin matrix with 2 M 2-mercaptoethanol or biotin in excess. Sequencing with RNases was carried out according to a protocol of the Manufacturer (Pharmacia). The following RNases were used: T1 for lane G, RNase U2 for A, RNase Phy M for A / U and RNase B. cereus for U / C. OH: partial alkaline digestion of the oligonucleotide. R: Untreated control RNA. The fragments were separated electrophoretically on a 20% polyacrylamide gel and visualized by autoradiography. The result was reproduced using 3'- [ 32 P] -labeled 28-mer oligonucleotide.
  • Figure 8 Kinetic characterization of the intramolecular reaction catalyzed by the clone 11 ribozyme.
  • the initial velocities v Q of the reaction are plotted against different concentrations of substrate 1.
  • Usage exponential function of the aminoacylation reaction with 5 ⁇ M clone 11-RNA and 0.5 mM biotin-Phe-AMP 1.
  • Ribozyme-catalyzed loading of tRNA-3 'ends with substrates R (a) The ribozyme (shown in bold) catalyzes the transfer of R-CO, part of the reactant R-AMP, with elimination of adenosine-5 '- monophosphate on itself (on an internal 2'-hydroxyl function). (b) The acylated ribozyme transfers the ester R-CO to the 3 'end of a tRNA (terminal adenosine is shown). This reaction corresponds in principle to the reverse reaction - however, instead of AMP, the terminal adenosine of a tRNA occupies the binding pocket for the reactant.
  • Example 1 illustrates the invention.
  • Example 1 illustrates the invention.
  • RNA or DNA molecules with specific binding properties and novel catalytic functionalities can be isolated.
  • the technique used for this is often referred to in the literature as "in vitro selection”.
  • ribozymes and deoxyribozymes are capable of catalyzing a variety of chemical reactions (Pan, Curr. Opin. Chem. Biol. Vol. 1 No. 1 (1997), 17-25).
  • the ribozyme 28-136 also accelerates the deacylation of the oligonucleotide (ie the back reaction) with high efficiency. If AMP was replaced by a tRNA, the oligonucleotide was deacylated and ter aminoacylation of the tRNA 3 'end.
  • the ribozyme described here thus extends the repertoire of RNA catalysis to ribozymes which are able to catalyze and reverse-catalyze the aminoacyl transfer from RNA 3 'ends to internal 2' positions.
  • RNA library for the first selection cycle was produced by in vitro transcription of a synthetic DNA library with the following sequence: 5'-GGG AGC TCT GCT CTA GCC AC-N30-GAC GGT TAG GTC GCA C-N30-GTG AAG GAG TGT C- N30-GGC ACC TGC CAC GAG TC-3 '(N stands for an equimolar mixture of nucleotides A, C, G, T; the underlined nucleotides are a 30% randomized citrulline aptamer motif (Famulok , J. Am. Chem. Soc.
  • the DNA library was generated by automated oligonucleotide solid phase synthesis
  • the sequences of the primers used were TCT AAT ACG ACT CAC TAT AGG GAG CTC TGGC TCT AGC CAC and GAT CCC TCG TGG CAG GTG CC (promoter sequence for the T7 RNA polymerase is underlined)
  • the PCR amplification of the DNA library and the in vitro transcription using T7 RNA polymerase were carried out according to standard molecular biological protocols (Abelson ed., Meth. In Enzymology 267: 275-436 (1996) a detailed description can be found in: A. Jenne, diploma thesis from the Department of Biochemistry at the LMU Kunststoff, 1995.
  • RNA library was then treated with a 50-molar excess of thiopyridyl-activated NH 2 -cit-Cys (thipy) -COOK in coupling buffer (5 mM EDTA, 25 mM Na-PO 4 , pH 7 , 7) reacted for 20 minutes. The complete The reaction was determined spectrometrically by measuring the thiopyridone released at 343 nm.
  • the RNA library was then precipitated with ethanol and then washed twice with 150 ⁇ l of 70% ethanol. In the selection cycles 7-13, selection was made with a 5 'unmodified RNA library (without an introduced thio / amino function), since the coupled dipeptide had been shown to have no effect on the enriched aminoacyltransferase activity.
  • RNA library of approximately 5 ⁇ 10 different sequences.
  • the RNA was denatured at 94 ° C. for 2 minutes in magnesium-free selection buffer (200 mM NaCl, 50 mM K-MOPS, pH 7.4). The concentration of Mg ions in the buffer was then adjusted to 5 mM and cooled to room temperature.
  • the transesterification reaction was initiated by adding N-biotinylated phenylalanyl 2 '(3') adenosine 5 'ester (biotin-Phe-AMP). The reaction mixture was then incubated at room temperature and, after the times indicated in FIG. 2, filtered through a Sephadex G-50 column (Pharmacia, approx.
  • RNA was precipitated with ethanol, resuspended in 500 ⁇ l streptavidin coupling buffer (150 mM NaCl, 25 mM Na-P0 4 , pH 6.9) and with Incubate 250 ⁇ l of swollen streptavidin agarose (Pierce) for 30 minutes.
  • streptavidin coupling buffer 150 mM NaCl, 25 mM Na-P0 4 , pH 6.9
  • wash buffer W1 IM NaCl, 5 mM EDTA, 25 mM K-MOPS, pH 7.4
  • wash buffer W2 4 M urea, 5 mM EDTA, adjusted to pH 7.4 with K-MOPS
  • washing buffer W3 3 M guanidinium chloride, 5 mM EDTA
  • RNA molecules that were coupled to streptavidin-agarose via the biotin part were cleaved with the biotin-streptavidin interactions with 0.2 M 2-mercaptoethanol (selection cycles 1-6) or 2 M 2-mercaptoethanol (Selection cycles 7-13) eluted.
  • the eluted RNA molecules were precipitated with ethanol, reverse transcribed, PCR-amplified and rewritten into RNA for the next selection cycle by in vitro transcription (Famulok, J. Am. Chem. Soc. 116
  • RNA library enriched in transesterases was cloned and sequenced after selection cycle 13 (Famulok, J. Am. Chem. Soc. 116
  • Sequences of 27 clones were obtained, which can be divided into three sequence families (I, II, II) (see FIG. 3). Members of a family differ only in point mutations, probably due to the additional diversity introduced in selection cycle 10. Clone 11 from sequence family III was subjected to a more detailed analysis.
  • FIG. 4 Deletion analysis succeeded in restricting the full-length clon-11 ribyzy to a catalytically active minimal motif (see FIG. 4).
  • various shortened versions of the clone 11 ribozyme were produced. All RNA constructs tested were obtained by in vitro transcription of corresponding DNA fragments, which in turn were generated by "nested PCR" using suitable primers.
  • reaction site aminoacylated 2'-hydroxyl function within the RNA sequence
  • Ribozyme for determining the sequence area in which the reaction takes place. 2. Cleavage of the clone 11-ribozyme into a substrate part (28-mer oligonucleotide; base position 137-164) and into a catalytic part (ribozyme 28-136; base position 28-136) on the basis of those obtained under point 1 Data.
  • RNA fragments resulting from this treatment were collected by rinsing the affinity matrix, whereas the aminoacylated fragments remaining on the agarose were eluted with 2 M 2-mercaptoethanol in the heat and collected separately. Both fractions (the aminoacylated and the non-aminoacylated fragments) were then analyzed on a denaturing 20% polyacrylamide gel. The analysis showed that the reaction site is located within the 3 'primer region (between the 3' end and position 137) because, unlike non-aminoacylated fragments, aminoacylated fragments are more retarded in the gel, ie migrate more slowly.
  • the sequencing pattern for the aminoacylated and non-aminoacylated oligonucleotide is identical from the 3 'end to position C147.
  • the non-amino acylated 28-mer oligonucleotide shows the expected band in the U / C lane (circle in Fig. 6b), while no band is found with the amino-acylated 28-mer oligonucleotide (box in Fig 6b).
  • the observed nuclease resistance at position C147 for the aminoacylated 28-mer oligonucleotide is obviously a result of the 2 'esterification.
  • the sequencing bands which can be assigned to positions 148-164 show a reduced gel mobility for the aminoacylated oligonucleotide (relative to the non-aminoacylated oligonucleotide).
  • Reaction conditions 5 ⁇ M ribozyme 28-136 were incubated with 10 nM modified 28-mer oligonucleotide substrate and 1 mM 1 in selection buffer (12.5 mM MgCl 2 ).
  • reaction vessel was centrifuged at 12,000 g for 1 minute.
  • proportion of aminoacylated RNA was determined by measuring the radioactivity.
  • both the flow (wash fractions) and the streptavidin agarose in the scintillation counter were used.
  • [1] 0.2, 0.5, 1.0, 2.5, and 5.0 mM.
  • [I] inhibitor concentration
  • K ⁇ concentration at half maximum inhibition

Abstract

The invention relates to an in vitro selection method for selecting ribozymes which are capable of covalently modifying the ribonucleic acids on 2'-OH-groups in trans and to the ribozymes obtained using this method. The invention also relates to medicaments containing said ribozymes, said medicaments being preferably used for inhibiting gene expression - for example in gene therapy. The inventive ribozymes can also be used for producing muteins and nuclease-resistant ribonucleic acids, for example ribonuclease-resistant 'antisense' oligonucleotides.

Description

Verfahren zur Selektion von Ribozymen, die Ribonucleinsäuren in trans an 2 ' -OH-Gruppen kovalent modifizieren könnenProcess for the selection of ribozymes which can covalently modify ribonucleic acids in trans at 2 '-OH groups
Die vorliegende Erfindung betrifft ein in vitro-Selektions- verfahren, mit dem Ribozyme selektiert werden können, die 2 ' -OH-Gruppen von Ribonucleinsäuren in trans kovalent modifizieren können. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem Ribozyme, die durch dieses Verfahren erhältlich sind. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung derartige Ribozyme enthaltende Arzneimittel, die vorzugsweise zur Hemmung der Genexpression - beispielsweise in der Gentherapie - verwendet werden können. Die erfindungsgemäßen Ribozyme können darüber hinaus zur Herstellung von Muteinen und nucleasere- sistenten Ribonucleinsäuren - beispielsweise ribonucleasere- sistente "Antisense" -Oligonucleotide - verwendet werden.The present invention relates to an in vitro selection method by means of which ribozymes can be selected which can transovalently modify 2'-OH groups of ribonucleic acids. The present invention also relates to ribozymes obtainable by this method. In addition, the present invention relates to medicaments containing ribozymes which can preferably be used to inhibit gene expression, for example in gene therapy. The ribozymes according to the invention can also be used to produce muteins and nuclease-resistant ribonucleic acids - for example ribonuclease-resistant "antisense" oligonucleotides.
Ribozyme sind RNA-Moleküle , die in der Lage sind, chemische Reaktionen zu katalysieren. Der prominenteste Vertreter unter den Ribozymen ist das mechanistisch und strukturell sehr gut charakterisierte Hammerhead-Ribozym, welches die ortsspezifische Hydrolyse von Phosphodiesterbindungen in RNA katalysiert. Diese Eigenschaft eröffnet die Möglichkeit, das Hammerhead-Ribozym gentherapeutisch zu nutzen, indem beispielsweise durch sequenzspezifische Spaltung einer mRNA die Expression eines bestimmten Gens inhibiert wird (Birikh et al., Eur. J. Biochem. 245 (1997), 1-6). Bisher gelang dies sowohl in Zellkultur (Jones und Sullenger, Nature Biochem. Vol 15 (1997), 902-905) als auch in Pflanzen (Yang et al . , Proc. Natl. Acad. Sei. USA 94 (1997) 4861-4865) und Tierexperimenten (Lieber und Kay, J. Virol . 70 (1996), 3153-3158), wobei das Ribozym entweder von außen den Zellen zugeführt wird (exogene Applikation) oder in den Zellen durch Transkription eines Vektors synthetisiert wird (endogene Applikation) . Generell besitzen somit solche und ähnliche Ribozyme ein hohes Potential als Inhibitoren der Genexpression in transgenen Tieren und Pflanzen, als Werkzeuge für Wissenschaft und Diagnose, sowie als humane Therapeutika (Burke, Nature Biotech. Vol. 15 (1997), 414-415; Marschall et al . , Cell. Mol. Neurobiol. 14 (1994), 523-538). Ribozyme haben dabei mit "Antisense" -Oligonucleotiden das Prinzip gemein, auf der Ebene des Gens zu wirken, im Gegensatz zu den meisten Arzneimitteln, die auf Proteinfunktionen zielen. Allerdings wird den Ribozymen für die genannten Anwendungsbereiche auf Grund ihrer katalytischen Eigenschaften eine größere Rolle beigemessen als den "Antisense" -Oligonucleotiden (Woolf, Antisense Res . Dev. 5 (1995), 227-232).Ribozymes are RNA molecules that are able to catalyze chemical reactions. The most prominent representative among the ribozymes is mechanistically and structurally very well-characterized hammerhead ribozyme that catalyzes the site-specific hydrolysis of phosphodiester bonds in RNA. This property opens up the possibility of using the hammerhead ribozyme for gene therapy, for example by inhibiting the expression of a particular gene by sequence-specific cleavage of an mRNA (Birikh et al., Eur. J. Biochem. 245 (1997), 1-6). So far, this has been achieved both in cell culture (Jones and Sullenger, Nature Biochem. Vol 15 (1997), 902-905) and in plants (Yang et al., Proc. Natl. Acad. Sei. USA 94 (1997) 4861-4865 ) and animal experiments (Lieber and Kay, J. Virol. 70 (1996), 3153-3158), the ribozyme either being supplied to the cells from outside (exogenous application) or being synthesized in the cells by transcription of a vector (endogenous application) . In general, such and similar ribozymes thus have great potential as inhibitors of gene expression in transgenic animals and plants, as tools for science and diagnosis, and as human therapeutic agents (Burke, Nature Biotech. Vol. 15 (1997), 414-415; Marschall et al., Cell. Mol. Neurobiol. 14 (1994), 523-538). Ribozymes have in common with "antisense" oligonucleotides the principle of acting at the level of the gene, in contrast to most drugs that target protein functions. However, due to their catalytic properties, the ribozymes are given a greater role for the mentioned fields of application than the "antisense" oligonucleotides (Woolf, Antisense Res. Dev. 5 (1995), 227-232).
Das Repertoire von natürlicherweise vorkommenden Ribozymen beschränkt sich auf die Spaltung und Ligation spezifischer Phosphodiesterbindungen in Ribonucleinsäuren. In jüngerer Zeit jedoch gelang es durch Techniken der "in vitro-Selek- tion" (Tuerk und Gold, Science 249 (1990), 505-510; Ellington und Szostak, Nature 346 (1990) , 818-822) nicht nur die Funktionalität natürlicher Ribozyme zu verbessern, sondern darüber hinaus eine Reihe von Ribozymen mit neuen Eigenschaften herzustellen (Pan, Curr. Opin. Chem. Biol. Vol. 1 Nr. 1 (1997) , 17-25) . Durch Anwendung der in vitro-Selektion wurden beispielsweise Ribozyme mit RNA-Ligase-AktivitätThe repertoire of naturally occurring ribozymes is limited to the cleavage and ligation of specific phosphodiester bonds in ribonucleic acids. More recently, however, not only functionality has been achieved by techniques of "in vitro selection" (Tuerk and Gold, Science 249 (1990), 505-510; Ellington and Szostak, Nature 346 (1990), 818-822) to improve natural ribozymes, but also to produce a series of ribozymes with new properties (Pan, Curr. Opin. Chem. Biol. Vol. 1 No. 1 (1997), 17-25). By using the in vitro selection, for example, ribozymes with RNA ligase activity
(Bartel und Szostak, Science 261 (1993) , 1411-1418) , mit Po- lynucleotid-Kinase-Aktivität (Lorsch und Szostak, Nature 371(Bartel and Szostak, Science 261 (1993), 1411-1418), with polynucleotide kinase activity (Lorsch and Szostak, Nature 371
(1994) , 31-36) und Peptidyl-Transferase-Aktivität (Zhang und Cech, Nature 390 (1997), 96-100) selektiert. Bisher allerdings war es nicht möglich, synthetische Ribozyme zu generieren, die RNA-Moleküle sequenzspezifisch an internen 2 ' - Hydroxylgruppen modifizieren. Ribozyme mit solchen Eigenschaften könnten, ähnlich den Hammerhead-Ribozymen, in therapeutischen Verfahren eingesetzt werden und darüber hinaus zu interessanten Anwendungen in der modernen Biotechnologie führen .(1994), 31-36) and peptidyl transferase activity (Zhang and Cech, Nature 390 (1997), 96-100). So far, however, it has not been possible to generate synthetic ribozymes that sequence-specifically modify RNA molecules on internal 2'-hydroxyl groups. Ribozymes with such properties could, similar to hammerhead ribozymes, be used in therapeutic procedures and also lead to interesting applications in modern biotechnology.
Aufgrund des relativ begrenzten katalytischen Spektrums der natürlicherweise vorkommenden Ribozyme ist ihre Einsetzbar- keit zur Beeinflussung der Genexpression, beispielsweise bei therapeutischen Verfahren, begrenzt. Die Wirkung von Ribozymen, die gegenwärtig zur Inhibition der Genexpression getestet werden, ist auf die Spaltung von Ziel-RNAs begrenzt. Somit liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde, Ribozyme bereitzustellen, die in der Lage sind, die Genexpression auf andere Art und Weise zu beein- flußen.Due to the relatively limited catalytic spectrum of the naturally occurring ribozymes, their applicability for influencing gene expression, for example in therapeutic processes, is limited. The effect of ribozymes currently being tested to inhibit gene expression is limited to the cleavage of target RNAs. The present invention is therefore based on the technical problem of providing ribozymes which are capable of influencing gene expression in another way.
Die Lösung dieses technischen Problems erfolgt durch die Bereitstellung der in den Patentansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen. Es wurde überraschenderweise gefunden, daß die durch das nachstehend näher beschriebene Selektions- verfahren erhältlichen Ribozyme fremde RNA-Moleküle sequenz- spezifisch an internen 2 ' -OH-Gruppen kovalent modifizieren können. So modifizierte RNAs sind nicht mehr translatierbar . Daher können diese Ribozyme zu einer neuartigen Hemmung der Genexpression, beispielsweise in der Gentherapie, verwendet werden . Somit betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Selektion eines Ribozyms, das 2 ' -OH-Gruppen von Ribonucleinsäuren in trans kovalent modifizieren kann, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist :This technical problem is solved by providing the embodiments characterized in the patent claims. It has surprisingly been found that the ribozymes obtainable by the selection method described in more detail below can sequence-specifically modify foreign RNA molecules on internal 2'-OH groups. RNAs modified in this way are no longer translatable. These ribozymes can therefore be used for a novel inhibition of gene expression, for example in gene therapy. The present invention thus relates to a method for the selection of a ribozyme which can covalently modify 2'-OH groups of ribonucleic acids in trans, the method being characterized by the following steps:
(a) Inkubation einer Ribonucleinsäurebibliothek mit einem Reaktanden, der mit einer 2 ' -OH-Gruppe in Ribonucleinsäuren reagieren kann,(a) incubation of a ribonucleic acid library with a reactant which can react with a 2'-OH group in ribonucleic acids,
(b) Selektion und Isolation von Ribonucleinsäuren, die mit dem Reaktanden eine kovalente Bindung eingegangen sind,(b) selection and isolation of ribonucleic acids which have covalently bonded with the reactant,
(c) Umschreibung in cDNA und Amplifikation der in Schritt(c) Rewriting in cDNA and amplification in step
(b) erhaltenen Ribonucleinsäuren,(b) ribonucleic acids obtained,
(d) Iteratives Durchlaufen der Schritte (a) bis (c) ,(d) iteratively running through steps (a) to (c),
(e) Sequenzbestimmung der selektierten Ribonucleinsäuren,(e) sequence determination of the selected ribonucleic acids,
(f) Bestimmung der modifizierten 2 ' -OH-Gruppe innerhalb der selektierten Ribonucleinsäuren,(f) determination of the modified 2'-OH group within the selected ribonucleic acids,
(g) Spaltung der selektierten Ribonucleinsäure in einen Substratteil (I) und katalytischen Teil (II = Ribozym) , und(g) cleavage of the selected ribonucleic acid into a substrate part (I) and catalytic part (II = ribozyme), and
(h) Überprüfung, ob der katalytisch aktive Teil (II) den Substratteil in trans kovalent modifizieren kann.(h) Check whether the catalytically active part (II) can trans covalently modify the substrate part.
Die für dieses Selektionsvefahren benötigten Teilschritte sind dem Fachmann aus der einschlägigen, beispielsweise vorstehend beschriebenen Literatur bekannt. Das Verfahren wird nachstehend im Beispiel genau beschrieben.The sub-steps required for this selection process are known to the person skilled in the art from the relevant literature, for example described above. The procedure is described in detail in the example below.
Unter dem Begriff "kovalent modifizieren" wird in der vorliegenden Erfindung jede beliebige kovalente Modifikation an einer 2 ' -OH-Gruppe einer RNA verstanden. Vorzugsweise handelt es sich um alle Arten von Additions- und Substitutionsreaktionen, die zur Bindungsbildung unter Beteiligung der 2 ' -Hydroxylgruppe führen. Besonders bevorzugt ist in der vorliegenden Erfindung die kovalente Modifikation über eine Acylierung.In the present invention, the term “covalently modify” is understood to mean any desired covalent modification on a 2 ′ OH group of an RNA. These are preferably all types of addition and substitution reactions which lead to bond formation with the involvement of the 2 'hydroxyl group. Covalent modification via acylation is particularly preferred in the present invention.
Unter dem Begriff "Reaktand" versteht man jedes Molekül, das entweder als Ganzes, oder als Teil auf die 2 ' -OH-Gruppe von RNAs übertragen werden kann. Dazu gehören prinzipiell alle Verbindungen, die mit Oxyanionen bzw. Hydroxylgruppen kova- lent reagieren. Solche Verbindungen sind beispielsweise Carbonsäurederivate (Ester, Säurehalogenide etc) , gespannte Ringsysteme (Epoxide etc.), Verbindungen mit Mehrfachbindungen (Arene etc.) und Verbindungen des Typs R-X, mit R = Al- kyl oder Aryl und X = Abgangsgruppe (Halogen, Tosyl etc.) . Ein bevorzugter Reaktand ist Aminosäure-AMP-Ester, wobei es sich vorzugsweise um Phenylalanyl-2 ' - (3 ' ) -AMP (Phe-AMP) , besonders bevorzugt um Biotinyl-N-Phe-AMP (Bio-Phe-AMP) handelt.The term "reactant" is understood to mean any molecule that can be transferred either as a whole or as a part to the 2'-OH group of RNAs. In principle, this includes all compounds that covalently bond with oxyanions or hydroxyl groups. lent react. Such compounds are, for example, carboxylic acid derivatives (esters, acid halides, etc.), strained ring systems (epoxies, etc.), compounds with multiple bonds (arenes, etc.) and compounds of the RX type, with R = alkyl or aryl and X = leaving group (halogen, tosyl Etc.) . A preferred reactant is amino acid AMP ester, which is preferably phenylalanyl-2 '- (3') -AMP (Phe-AMP), particularly preferably biotinyl-N-Phe-AMP (Bio-Phe-AMP) .
Unter dem Begriff "iteratives Durchlaufen" ist folgendes zu verstehen: Um eine Population von katalytisch aktiven Sequenzen anzureichern, müssen die Schritte der "Selektion" und "Amplifikation" abwechselnd mehrmals hintereinander durchgeführt werden. Da es nicht möglich ist, alle unspezifischen (d.h., nicht-funktionellen) RNAs quantitativ in einem einzigen Selektionsschritt von den funktioneilen Sequenzen abzutrennen, müssen mehrere Selektionszyklen durchlaufen werden. Vorzugsweise werden soviele Zyklen durchgeführt, bis keine Anreicherung der gewünschten Aktivität mehr detektiert werden kann (in der Regel nach 6 - 20 Zyklen) .The term "iterative traversal" means the following: In order to enrich a population of catalytically active sequences, the steps of "selection" and "amplification" have to be carried out alternately several times in succession. Since it is not possible to quantitatively separate all non-specific (i.e., non-functional) RNAs from the functional sequences in a single selection step, several selection cycles must be carried out. As many cycles are preferably carried out until an accumulation of the desired activity can no longer be detected (generally after 6-20 cycles).
Die Bestimmung der modifizierten 2 ' -OH-Gruppe in der Ziel- RNA kann grundsätzlich durch folgende Verfahren erfolgen: Primer-Extension (Ruskin et al . , Cell 38 (1984), 317), MALDI-TOF-Sequenzierung mit Exonucleasen (Smirnov et al . , Analyt. Biochem. 238 (1996), 19-25), oder wie in Beispiel 1 beschrieben durch RNAse-Sequenzierung.The modified 2 'OH group in the target RNA can in principle be determined by the following methods: primer extension (Ruskin et al., Cell 38 (1984), 317), MALDI-TOF sequencing with exonucleases (Smirnov et al., Analyt. Biochem. 238 (1996), 19-25), or as described in Example 1 by RNAse sequencing.
Zur Spaltung der selektierten Ribonucleinsäure in Substrat- teil und katalytisch aktiven Teil kann man grundsätzlich wie folgt vorgehen: Bei bekannter Stelle der 2 ' -Modifikation wird das ursprünglich selektierte in cis-Ribozym etwa 5 - 10 Basen stromaufwärts oder stromabwärts dieser Position "geschnitten" . Die beiden RNA-Fragmente (Ribozym- und Substrat- Teil) werden entweder durch in vitro-Transkription geeigneter DNA-Matrizen oder durch automatisierte Oligonucleotid- Festphasen-Synthese erzeugt. Das in trans-Ribozym wird anschließend auf seine Fähigkeit hin getestet, das Oligo- nucleotid-Substrat umzusetzen.In principle, the cleavage of the selected ribonucleic acid into the substrate part and the catalytically active part can be carried out as follows: If the 2 'modification is known, the originally selected in cis-ribozyme is "cut" about 5 to 10 bases upstream or downstream of this position. The two RNA fragments (ribozyme and substrate part) are either by in vitro transcription of suitable DNA templates or by automated oligonucleotide Solid phase synthesis generated. The trans-ribozyme is then tested for its ability to convert the oligonucleotide substrate.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Ribozyme, die durch das vorstehende und in dem Beispiel beschriebene Verfahren erhältlich sind. In einer bevorzugten erfindungs- gemäßen Ausführungsform ist das Ribozym dadurch gekennzeichnet, daß es die in Figur 6a dargestellte Sekundärstruktur und Nucleinsäuresequenz von Position 28 bis 136 aufweist, oder eine davon abweichende Sequenz und/oder Sekundärstruktur, wobei diese Abweichungen nicht zum Verlust der ursprünglichen katalytischen Aktivtität führen. Diese Abweichungen betreffen die Addition, Deletion und/oder Insertion von Basen, wobei die ursprüngliche Sequenz zu mindestens 90 %, vorzugsweise mindestens 95 % und mehr bevorzugt zu mindestens 98 % erhalten bleibt. Vorzugsweise bleibt bei diesen eingeführten Änderungen die Sekundärstruktur erhalten. Diese Abweichungen betreffen vor allem auch die Sequenz von Position 28 bis 40 und/oder 68 bis 84 in Figur 6a, die entsprechend der Sequenz der gewählten Ziel-RNA (Substrat) gewählt werden muß, d.h. sie muß ausreichend Komplementär!tat zu der Ziel-RNA aufweisen, um diese binden und modifizieren zu können. Dabei sollten die in Figur 6a gezeigten "Loops" vorzugsweise erhalten bleiben.The present invention further relates to ribozymes which are obtainable by the process described above and described in the example. In a preferred embodiment according to the invention, the ribozyme is characterized in that it has the secondary structure and nucleic acid sequence from position 28 to 136 shown in FIG. 6a, or a sequence and / or secondary structure deviating therefrom, these deviations not resulting in the loss of the original catalytic activity to lead. These deviations relate to the addition, deletion and / or insertion of bases, the original sequence being retained at least 90%, preferably at least 95% and more preferably at least 98%. The secondary structure is preferably retained with these introduced changes. These deviations primarily concern the sequence from positions 28 to 40 and / or 68 to 84 in FIG. 6a, which must be selected according to the sequence of the selected target RNA (substrate), i.e. it must be sufficiently complementary to the target RNA to be able to bind and modify it. The “loops” shown in FIG. 6a should preferably be retained.
Vorzugsweise sollte man bei bekannter Ziel-RNA diese beim Design der Selektion berücksichtigen, wie nachfolgend erläutert. Im Amplifikationschritt der in vitro-Selektion werden aktive Sequenzen revers transkribiert. Wie nachstehend erwähnt, führen 2 ' -Modifikationen in der Regel dazu, daß das reverse Transkriptase-Enzym keine DNA-Abschrif en herstellen kann, aufgrund eines Stopps an der modifizierten Position. Somit werden bevorzugt Ribozyme selektiert, die innerhalb der 3 ' -Primerbindungsstellen 2 ' -modifiziert werden, da der 3 ' -Primer als Initiatorsequenz für die Elongation extern der reversen Transkriptionsreaktion zugeführt wird. Für die Einführung der Modifikation innerhalb einer bestimmten Ziel- Sequenz würde man folglich selbige als Primersequenz wählen.If the target RNA is known, this should preferably be taken into account when designing the selection, as explained below. In the amplification step of the in vitro selection, active sequences are reverse transcribed. As mentioned below, 2 'modifications typically result in the reverse transcriptase enzyme being unable to produce DNA transcripts due to a stop at the modified position. Thus, ribozymes are preferably selected which are 2 'modified within the 3' primer binding sites, since the 3 'primer is fed externally to the reverse transcription reaction as the initiator sequence for elongation. For the Introduction of the modification within a specific target sequence would therefore be chosen as the primer sequence.
Der Fachmann kann anhand von allgemein bekannten Techniken Variationen in die Sequenz/Struktur des Ribozyms einfügen (beispielsweise durch Anwendung erneuter Selektionsrunden des erfindungsgemäßen Selektionsverfahrens, in vitro-Mutage- nese etc.), die auch zu einem Ribozym führen können, dessen katalytische Aktivität erhöht ist oder das eine andere Sub- stratspezifität aufweist. Soll beispielsweise das in Figur 6a dargestellte Ribozym eine RNA binden und modifizieren, die nicht die Sequenz des Substrats von Position 137 bis 164 aufweist, so muß die zur Hybridisierung benötigte Sequenz des Ribozyms beispielsweise zwischen den Positionen 28 bis 40 und/oder 68 bis 84 so geändert werden, daß es ein Substrat mit der gewünschten Sequenz binden und modifizieren kann. Um beispielsweise die Spezifität des Ribozyms dahingehend zu verändern, daß auch ein anderer, als der in der Selektion verwendete Reaktand auf die Ziel-RNA übertragen wird, kann das Selektionsverfahren erneut angewandt werden, wobei günstigerweise die partiell randomisierte Ribozymse- quenz der neuen Selektion zugrunde gelegt wird. Gemäß Standardverfahren kann der Fachmann auch testen, ob ein verändertes Ribozym noch die gewünschten Eigenschaften aufweist, beispielsweise mittels der im Beispiel erläuterten Verfahren.The person skilled in the art can insert variations into the sequence / structure of the ribozyme using generally known techniques (for example by using renewed selection rounds of the selection method according to the invention, in vitro mutagenesis, etc.), which can also lead to a ribozyme whose catalytic activity is increased or that has a different substrate specificity. For example, if the ribozyme shown in FIG. 6a is to bind and modify an RNA which does not have the sequence of the substrate from positions 137 to 164, the sequence of the ribozyme required for hybridization must be between positions 28 to 40 and / or 68 to 84 as described above be changed so that it can bind and modify a substrate with the desired sequence. For example, in order to change the specificity of the ribozyme in such a way that a different reactant than the one used in the selection is also transferred to the target RNA, the selection process can be used again, whereby the partially randomized ribozyme sequence is advantageously used as the basis for the new selection becomes. According to standard methods, the person skilled in the art can also test whether a modified ribozyme still has the desired properties, for example by means of the methods explained in the example.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine DNA-Sequenz, die das erfindungsgemäße Ribozym codiert. Die erfindungsgemäßen Nucleinsäuremoleküle können auch in einen Vektor inseriert werden. Somit umfaßt die vorliegende Erfindung auch diese Ribozyme codierende DNA enthaltende Vektoren. Die Bezeichnung "Vektor" bezieht sich auf ein Plasmid (z.B. pUC18, pBR322, pBlueScript) , auf ein Virusgenom oder ein anderes geeignetes Vehikel. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Nucleinsäuremolekül im Vektor mit regulatorischen Elementen funktionell verknüpft, die dessen Transkription in prokaryontischen oder eukaryontischen Wirtszellen erlauben. Solche Vektoren enthalten neben den regulatorischen Elementen, beispielsweise einem Promotor, typischerweise einen Replikationsursprung und spezifische Gene, die die phänotypische Selektion einer transformierten Wirtszelle erlauben. Zu den regulatorischen Elementen für die Expression in Prokaryonten, beispielsweise E.coli, zählen der lac- , trp-Promotor oder T7-Promotor, und für die Expression in Eukaryonten der AOX1- oder GAL1-Promotor in Hefe, und der CMV- , SV40- , RSV-40 -Promotor, MMTV-LTR-Promotor, MLV-LTR-Promotor (Adenovirus (VA1) , Herpes simplex (HSV) ; "immediate-early" 4/5 Promotor, CMV- oder SV40-Enhan- cer für die Expression in tierischen Zellen. Weitere Beispiele für geeignete Promotoren sind der Metallothionein I- und der Polyhedrin-Promotor . Zu geeigneten Vektoren zählen beispielsweise auf T7 basierende Expressionsvektoren für die Expression in Bakterien (Rosenberg et al . , Gene 56 (1987), 125) , pMSXND für die Expression in Säugerzellen (Lee und Nathans, J. Biol . Chem. 263 (1988), 3521), und von Baculovi- rus abgeleitete Vektoren für die Expression in Insektenzellen.The present invention also relates to a DNA sequence which encodes the ribozyme according to the invention. The nucleic acid molecules according to the invention can also be inserted into a vector. Thus, the present invention also includes vectors containing these DNA encoding ribozymes. The term "vector" refers to a plasmid (eg pUC18, pBR322, pBlueScript), a virus genome or another suitable vehicle. In a preferred embodiment, the nucleic acid molecule according to the invention is functionally linked in the vector to regulatory elements which Allow transcription in prokaryotic or eukaryotic host cells. In addition to the regulatory elements, for example a promoter, such vectors typically contain an origin of replication and specific genes which allow the phenotypic selection of a transformed host cell. The regulatory elements for expression in prokaryotes, for example E. coli, include the lac, trp promoter or T7 promoter, and for expression in eukaryotes the AOX1 or GAL1 promoter in yeast, and the CMV, SV40 -, RSV-40 promoter, MMTV-LTR promoter, MLV-LTR promoter (adenovirus (VA1), herpes simplex (HSV); "immediate-early" 4/5 promoter, CMV or SV40 enhancer for expression in animal cells. Further examples of suitable promoters are the metallothionein I and the polyhedrin promoter. Suitable vectors include, for example, expression vectors based on T7 for expression in bacteria (Rosenberg et al., Gene 56 (1987), 125) , pMSXND for expression in mammalian cells (Lee and Nathans, J. Biol. Chem. 263 (1988), 3521), and vectors derived from Baculovirus for expression in insect cells.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der die erfindungsgemäßen Nucleinsäuremoleküle enthaltende Vektor ein Virus, beispielsweise ein Adenovirus, Vaccinia-Virus oder "adeno- associated-virus" (AAV) , die bei einer Gentherapie von Nutzen sind. Besonders bevorzugt sind Retroviren. Beispiele für geeignete Retroviren sind MoMuLV, HaMuSV, MuMTV, RSV oder GaLV.In a preferred embodiment, the vector containing the nucleic acid molecules according to the invention is a virus, for example an adenovirus, vaccinia virus or "adeno-associated virus" (AAV), which are useful in gene therapy. Retroviruses are particularly preferred. Examples of suitable retroviruses are MoMuLV, HaMuSV, MuMTV, RSV or GaLV.
Allgemeine, auf dem Fachgebiet bekannte Verfahren können zur Konstruktion von Expressionsvektoren, die die erfindungsgemäßen Ribozyme und geeignete Kontrollsequenzen enthalten, verwendet werden. Zu diesen Verfahren zählen beispielsweise in vitro-Rekombinationstechniken, synthetische Verfahren, sowie in vivo-Rekombinationsverfahren, wie sie beispielsweise in Sambrook et al . , Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2. Ausgabe, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor NY (1989) beschrieben sind.General methods known in the art can be used to construct expression vectors containing the ribozymes of the invention and suitable control sequences. These methods include, for example, in vitro recombination techniques, synthetic methods and in vivo recombination methods, as described, for example, in Sambrook et al. , Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd Edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor NY (1989).
Promotor-Ribozym codierende DNA kann direkt oder mit Hilfe eines Virus in die Zelle eingebracht werden. Beim direkten Verfahren wird die DNA beispielsweise über ein poly-L-Lysin an ein Fab-Fragment gebunden und von den das entsprechende Antigen tragenden Zellen absorbiert (Ferkol et al . , J. Clin. Invest. 95 (1995), 493-502). Bei Verwendung eines Virus wird die in ihn verpackte DNA mittels des Virus in die Zelle eingeschleust. Wird die Promotor-Ribozym-Einheit 5'- und 3'- seitig von viralen "inverted terminal repeats" flankiert, kann diese Einheit in das Genom integrieren (Goodman et al . , Blood 84 (1994) , 1492-1500) . Ist dies nicht der Fall, so liegt die DNA episomal vor (Flotte et al . , Am. J. Respir. Cell. Mol. Biol. 11 (1994), 517-521). Beispielsweise handelt es sich bei dem Virus um Adenoviren (Brody und Crystal, Ann. N.Y. Acad. Sei. 716 (1994), 90-101), "adeno-associated-vi- rus" (AAV) in Kombination mit kationischen Liposomen (Philip et al., Mol. Cell. Biol. 14 (1994), 2411-2418), Adenovirus in Kombination mit Retroviren (Adams et al . , J. Virol . 69DNA encoding promoter ribozyme can be introduced into the cell directly or with the aid of a virus. In the direct method, the DNA is bound, for example, to a Fab fragment via a poly-L-lysine and is absorbed by the cells carrying the corresponding antigen (Ferkol et al., J. Clin. Invest. 95 (1995), 493-502) . When a virus is used, the DNA packaged in it is introduced into the cell by means of the virus. If the promoter-ribozyme unit is flanked on the 5 'and 3' sides by viral "inverted terminal repeats", this unit can integrate into the genome (Goodman et al., Blood 84 (1994), 1492-1500). If this is not the case, the DNA is episomal (Flotte et al., Am. J. Respir. Cell. Mol. Biol. 11 (1994), 517-521). For example, the virus is adenovirus (Brody and Crystal, Ann. NY Acad. Sci. 716 (1994), 90-101), "adeno-associated-virus" (AAV) in combination with cationic liposomes (Philip et al., Mol. Cell. Biol. 14 (1994), 2411-2418), adenovirus in combination with retroviruses (Adams et al., J. Virol. 69
(1995), 1887-1894), Sendai-Viren (von der Leyen et al . , Proc. Natl. Acad. Sei. U.S.A. 92 (1995), 1137-1141), Retroviren (Rettinger et al . , Proc. Natl. Acad. Sei. U.S.A. 91(1995), 1887-1894), Sendai viruses (von der Leyen et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92 (1995), 1137-1141), retroviruses (Rettinger et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91
(1994), 1460-1464) oder Vaccinia-Viren (Lee et al . , Cancer Res. 54 (1994), 3325-3328).(1994), 1460-1464) or vaccinia viruses (Lee et al., Cancer Res. 54 (1994), 3325-3328).
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die vorstehend beschriebenen Ribozyme enthaltende Wirtszellen. Zu diesen Wirtszellen zählen Bakterien, Hefe, Insekten-, Pflanzen- und Tierzellen, vorzugsweise Säugerzellen. Bevorzugte Säugerzellen sind CHO-, VERO-, BHK- , HeLa-, COS-, MDCK, 293- und WI38-Zellen. Verfahren zur Transformation dieser Wirtszellen, zur phänotypischen Selektion von Transformanten und zur Expression der erfindungsgemäßen Nucleinsäuremoleküle unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Vektoren sind auf dem Fachgebiet bekannt . Die vorliegende Erfindung umfaßt außerdem ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Ribozyms, wobei es sich um enzymatische oder chemische Verfahren handeln kann. Beispielsweise kann die DNA-Sequenz, die das Ribozym codiert, in einen in einem prokaryontischen Wirt replizierbaren Vektor, unter der Kontrolle eines geeigneten Promotors, beispielsweise eines SP6-, T3- oder T7-Promotors, insertiert werden, was nach Gewinnung des amplifizierten Plasmids aus dem Wirt die in vitro-Transkription der das Ribozym codierenden DNA-Sequenz und die Gewinnung von Ribozym-RNA erlaubt. Alternativ kann das Ribozym durch ein chemisches Verfahren, beispielsweise ein auf der Phosphoramiditreaktion basierendes Verfahren (Sproat et al . , Nucleosides & Nucleotides 14 (1995) , 255-273) , in großen Mengen synthetisiert werden.The present invention also relates to the host cells containing the ribozymes described above. These host cells include bacteria, yeast, insect, plant and animal cells, preferably mammalian cells. Preferred mammalian cells are CHO, VERO, BHK, HeLa, COS, MDCK, 293 and WI38 cells. Methods for transforming these host cells, for phenotypically selecting transformants and for expressing the nucleic acid molecules according to the invention using the vectors described above are known in the art. The present invention also comprises a method for producing the ribozyme according to the invention, which can be enzymatic or chemical methods. For example, the DNA sequence encoding the ribozyme can be inserted into a vector which is replicable in a prokaryotic host under the control of a suitable promoter, for example an SP6, T3 or T7 promoter, after the amplified plasmid has been obtained allows the host to in vitro transcribe the DNA sequence encoding the ribozyme and to obtain ribozyme RNA. Alternatively, the ribozyme can be synthesized in large quantities by a chemical method, for example, a method based on the phosphoramidite reaction (Sproat et al., Nucleosides & Nucleotides 14 (1995), 255-273).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Ribozym, das so modifiziert ist, daß eine Resistenz gegenüber Nucleasen erhalten wird. Dadurch erhöht sich die Verweilzeit und damit die Wirksamkeit des Ribozyms am Zielort, beispielsweise in bestimmten Zellen eines Patienten. Außerdem können dadurch die zu applizie- rende Menge des Ribozyms und ggf. damit in Zusammenhang stehende Nebenwirkungen erniedrigt werden.In a further preferred embodiment, the present invention relates to a ribozyme which is modified in such a way that resistance to nucleases is obtained. This increases the residence time and thus the effectiveness of the ribozyme at the target site, for example in certain cells of a patient. In addition, the amount of the ribozyme to be administered and any side effects associated therewith can be reduced.
Beispiele für solche Modifikationen sind die Substitution der 2 ' -OH-Gruppen der Ribose, durch 2 ' -H- , 2 ' -O-Methyl- , 21- O-Allyl-, 2' -Fluor- oder 2 ' -Amino-Gruppen (Paolella, et al . , EMBO J. 11 (1992), 1913-1919, und Pieken et al . , Science 253Examples of such modifications are the substitution of the 2 '-OH groups of the ribose by 2' -H-, 2 '-O-methyl-, 2 1 - O-allyl-, 2' -fluoro- or 2 '-amino Groups (Paolella, et al., EMBO J. 11 (1992), 1913-1919, and Pieken et al., Science 253
(1991) , 314-317) oder die Modifizierung von Phosphodiesterbindungen, wobei beispielsweise ein oder zwei Sauerstoffatome gegen Schwefel ausgetauscht werden (Phosphorthioat bzw. Phosphordithioat ; Eckstein, Ann. Rev. Biochem. 54(1991), 314-317) or the modification of phosphodiester bonds, for example one or two oxygen atoms being replaced by sulfur (phosphorothioate or phosphorodithioate; Eckstein, Ann. Rev. Biochem. 54
(1985), 367-402, und Beaton et al . , in: Eckstein, F. (Hrsg.) Oligonucleotides and analogues - A practical approach - Oxford, JRL Press (1991) , 109-135) bzw. gegen eine Methylgruppe (Methylphosphonat ; Miller, ebenda, 137-154) . Weitere Modifikationen umfassen die Konjugation der RNA mit poly-L- Lysin, Polyalkylderivaten, Cholesterin oder PEG. Vorzugsweise enthalten die erfindungsgemäßen Ribozyme mindestens eine der vorstehend beschriebenen Phosphatmodifikationen und/oder mindestens eine der vorstehend beschriebenen Ribo- semodifikationen .(1985), 367-402, and Beaton et al. , in: Eckstein, F. (ed.) Oligonucleotides and analogues - A practical approach - Oxford, JRL Press (1991), 109-135) or against a methyl group (methylphosphonate; Miller, ibid., 137-154). Further Modifications include conjugation of the RNA with poly-L-lysine, polyalkyl derivatives, cholesterol or PEG. The ribozymes according to the invention preferably contain at least one of the phosphate modifications described above and / or at least one of the ribosemodifications described above.
Die Transkription der das erfindungsgemäße Ribozym codierenden DNA-Sequenzen führt zur Synthese von Ribozymen, die die- Translation der gewünschten Ziel-RNA hemmen können. Damit eignen sich sowohl die das Ribozym codierenden DNA-Sequenzen als auch die erfindungsgemäßen Ribozyme selbst als Arzneimittel, vorzugsweise zur Hemmung der Genexpression in vitro oder in vivo .The transcription of the DNA sequences encoding the ribozyme according to the invention leads to the synthesis of ribozymes which can inhibit the translation of the desired target RNA. Both the DNA sequences coding for the ribozyme and the ribozymes according to the invention are therefore themselves suitable as medicaments, preferably for inhibiting gene expression in vitro or in vivo.
Die erfindungsgemäßen Ribozyme stellen nicht nur eine Alternative zu den erwähnten Hammerhead-Ribozymen dar, sondern zeigen bei bestimmten Applikationen Vorteile:The ribozymes according to the invention not only represent an alternative to the hammerhead ribozymes mentioned, but also show advantages in certain applications:
- Die Inhibition der Genexpression ist in transgenen (d.h. das Ribozym exprimierenden) Organismen durch Gabe des Reaktanden steuerbar. Zum Beispiel kann ein transgener Organismus ein Ribozym produzieren, das befähigt ist, mit einem externen Reaktanden eine bestimmte mRNA an einer bestimmten internen OH-Gruppe zu modifizieren. Erst durch Gabe des Reaktanden, beispielsweise in einem bestimmten Entwicklungsstadium, entfaltet das Ribozym seine katalyti- sche Aktivität und die Expression des Zielgens wird verhindert ("induzierbarer Knock-out").- The inhibition of gene expression in transgenic (i.e. expressing the ribozyme) organisms can be controlled by administration of the reactant. For example, a transgenic organism can produce a ribozyme that is capable of modifying a particular mRNA on a particular internal OH group with an external reactant. Only when the reactant is administered, for example at a certain development stage, does the ribozyme develop its catalytic activity and the expression of the target gene is prevented ("inducible knock-out").
- 2 ' -modifizierende Ribozyme könnten als sequenzspezifische Gensonden verwendet werden, wenn auf die Ziel-RNA ein leicht nachweisbares Markermolekül übertragen wird (z.B. Fluorescein oder wie im Beispiel 1 Biotin, wobei mit Bio- tin markierte Moleküle über Phosphatase-konjugiertes Avi- din nachgewiesen werden können) . - 2 ' -modifizierende Ribozyme eignen sich insbesondere zur Bekämpfung von Retroviren, da die eingeführte Modifikation das Umschreiben des viralen RNA-Genoms in DNA behindert oder gar unmöglich macht (Lorsch et al . , Nucl. Acids Res . 23 (1995) , 2811-2814) . Auch in diesem Fall ist die Wirkung des Ribozyms durch Gabe des Reaktanden steuerbar.- 2 '-modifying ribozymes could be used as sequence-specific gene probes if an easily detectable marker molecule is transferred to the target RNA (eg fluorescein or, as in example 1, biotin, molecules labeled with bio-tin detected via phosphatase-conjugated avidin can be). - 2 '-modifying ribozymes are particularly suitable for combating retroviruses, since the modification introduced hinders or even makes it impossible to rewrite the viral RNA genome into DNA (Lorsch et al., Nucl. Acids Res. 23 (1995), 2811- 2814). In this case too, the action of the ribozyme can be controlled by administering the reactant.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit außerdem Arzneimittel, die die das erfindungsgemäße Ribozym codierende DNA oder einen, das erfindungsgemäße Ribozym codierende DNA umfassenden Vektor, ggf. in Kombination mit einem pharmazeutisch verträglichen Träger, enthalten.The present invention thus also relates to medicaments which contain the DNA encoding the ribozyme according to the invention or a vector comprising the DNA encoding the ribozyme according to the invention, optionally in combination with a pharmaceutically acceptable carrier.
In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung Arzneimittel, die das erfindungsgemäße Ribozym enthalten.In a further embodiment, the present invention relates to medicaments which contain the ribozyme according to the invention.
Abhängig davon, ob das Ribozym selbst oder die das Ribozym codierende DNA-Sequenz, ggf. in einem rekombinanten Vektor, appliziert wird, kann die Verabreichung auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. Im ersten Fall erfolgt die Verabreichung beispielsweise nach Kopplung der 3 ' -Enden der Ribozyme an Poly- (L-Lysin) über Standardverfahren, wie sie beispielsweise von Leonetti et al . , in: Cohn and Moldave (Hrsg.), Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology 44 (1993), 143-146 (New York, Academic Press) beschrieben sind, durch Mikroinjektion nach dem Fachmann bekannten Verfahren (siehe z.B. Leonetti et al . , PNAS USA 88 (1991), 2702-2706), nach Einkapselung in Liposomen, beispielsweise durch das von Farhood (Farhood et al . , Ann. N.Y. Acad. Sei. 716 (1994) 23- 34) beschriebene Verfahren, nach Verpackung in Phagen (Picket und Peabody, Nucleic Acids Res. 21 (1993), 4621- 4626) , oder durch Peptid-vermittelte Einschleusung in die Zellen, wie sie beispielsweise von Derossi et al . , J. Biol. Chem. 269 (1994), 10444-10450, beschrieben wurde. Desweiteren kann durch Koppeln der Promotor-Ribozym-DNAs an spezifische Antikörper oder andere geeignete Liganden eine gezielte Einschleusung des Ribozyms oder der Promotor-Ribozym codierenden DNAs in gewünschte Organe, Gewebe oder Zellen erreicht werden (Leonetti et al . , PNAS USA 87 (1990), 2448- 2451) . Die Verabreichung erfolgt beispielsweise systemisch oder lokal, intravenös, intramuskulär, intraperitoneal, via Katheter oder durch Inhalation von Aerosolen.Depending on whether the ribozyme itself or the DNA sequence encoding the ribozyme is applied, possibly in a recombinant vector, the administration can take place in different ways. In the first case, administration takes place, for example, after coupling the 3 'ends of the ribozymes to poly- (L-lysine) using standard methods, as described, for example, by Leonetti et al. , in: Cohn and Moldave (ed.), Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology 44 (1993), 143-146 (New York, Academic Press), by microinjection according to methods known to the person skilled in the art (see, for example, Leonetti et al ., PNAS USA 88 (1991), 2702-2706), after encapsulation in liposomes, for example by the method described by Farhood (Farhood et al., Ann. NY Acad. Se. 716 (1994) 23-34), after packaging in phages (Picket and Peabody, Nucleic Acids Res. 21 (1993), 4621-4626), or by peptide-mediated introduction into the cells, as described, for example, by Derossi et al. , J. Biol. Chem. 269 (1994), 10444-10450. Furthermore, by coupling the promoter-ribozyme DNAs to specific antibodies or other suitable ligands, a targeted one The ribozyme or the promoter-ribozyme-encoding DNAs can be introduced into desired organs, tissues or cells (Leonetti et al., PNAS USA 87 (1990), 2448-2451). The administration takes place, for example, systemically or locally, intravenously, intramuscularly, intraperitoneally, via catheter or by inhalation of aerosols.
Im zweiten Fall erfolgt die Verabreichung beispielsweise über eine Transfektion, beispielsweise über dem Fachmann be-- kannte Standardverfahren wie Calciumpräzipitation, Elektro- poration, das DEAE-Dextran-Verfahren, über kationische Liposomen, beispielsweise Lipofectin, Polyamine, das Trans- ferrin-Polylysin-Verfahren oder Verknüpfung der DNA oder des rekombinanten Vektors an einen spezifischen Antikörper oder einen anderen Liganden. Die Verabreichung kann wie vorstehend beschrieben erfolgen.In the second case, administration takes place, for example, via a transfection, for example via standard processes known to the person skilled in the art, such as calcium precipitation, electroporation, the DEAE dextran process, via cationic liposomes, for example lipofectin, polyamines, and the transferin polylysine Method or linkage of the DNA or the recombinant vector to a specific antibody or other ligand. Administration can be as described above.
Die Formulierung des wirksamen Bestandteils kann ggf. in Kombination mit pharmazeutisch verträglichen Trägern, beispielsweise einem Verdünnungsmittel, Excipienten, Netzmittel, grenzflächenaktiven Mittel, Bindemittel etc., abhängig von der Art der Verabreichung, erfolgen.The formulation of the active ingredient can optionally be carried out in combination with pharmaceutically acceptable carriers, for example a diluent, excipient, wetting agent, surfactant, binder, etc., depending on the type of administration.
Der wirksame Bestandteil wird in einer geeigneten Dosis verabreicht, die vom Patienten selbst, der Art und Schwere der Erkrankung etc. abhängt. Die erforderliche Dosismenge kann vom Fachmann routinemäßig bestimmt werden, wobei auch berücksichtigt wird, ob die Verabreichung als Einzeldosis erfolgt oder, über einen bestimmten Zeitraum verteilt, durch mehrfache Dosen.The active ingredient is administered in an appropriate dose depending on the patient himself, the type and severity of the disease, etc. The required dose amount can be determined routinely by a person skilled in the art, also taking into account whether the administration takes place as a single dose or, over a certain period of time, through multiple doses.
Als potentielle Reaktanden dienen in der Zelle vorliegende Verbindungen, vorzugsweise Aminosäure-Adenylate, Acetylcho- lin, Acetyl-Coenzym A, zyklisches AMP und Nucleosid-Triphos- phate und andere Zellmoleküle, die mit 2 ' -OH-Gruppen reagieren können. Andererseits kann auf Ribozyme selektiert werden, die einen in der Zelle nicht vorhandenen Reaktanden benötigen. Diese Ribozyme bieten den Vorteil, daß die Reaktion von außen - durch Zugabe des Reaktanden - gesteuert werden kann. Bevorzugt verwendet man bereits im Selektionsverfahren geeignete Reaktanden, die bekannterweise gut verträglich und leicht applizierbar sind, sowie gegebenenfalls von Zellen leicht aufgenommen werden, d.h. permeabel für Zellmembranen sind.Compounds present in the cell, preferably amino acid adenylates, acetylcholine, acetyl coenzyme A, cyclic AMP and nucleoside triphosphates and other cell molecules which can react with 2'-OH groups, serve as potential reactants. On the other hand, ribozymes can be selected which have a reactant which is not present in the cell need. These ribozymes offer the advantage that the reaction can be controlled from the outside - by adding the reactant. It is preferred to use suitable reactants already in the selection process, which are known to be well tolerated and easy to apply and, if appropriate, are readily absorbed by cells, ie are permeable to cell membranes.
Die erfindungsgemäßen Ribozyme können auch Anwendung in der- Gentherapie finden, wenn die Genexpression aufgrund von falschem Spleißen der RNA negativ beeinflußt wird. Durch die von den erfindungsgemäßen Ribozymen eingeführten 2 ' -OH-Modi- fikationen werden beispielsweise Reaktionen an (falschen) Positionen unterdrückt, die eine freie Hydroxylfunktion benötigen.The ribozymes according to the invention can also be used in gene therapy if the gene expression is negatively influenced due to incorrect splicing of the RNA. The 2'-OH modifications introduced by the ribozymes according to the invention suppress, for example, reactions at (wrong) positions which require a free hydroxyl function.
Eine weitere Ausführungsform betrifft die erfindungsgemäßen Ribozyme zur Herstellung von Muteinen. Da die Ribozyme auch die Übertragung einer biotinylierten Aminosäure von dem beschriebenen modifizierten Substrat (28mer-Phe-Bio) auf AMP (reverse Reaktion) katalysieren, kann diese Aktivität genutzt werden, um tRNAs an deren 3 ' -Ende mit nicht-cognaten Aminosäuren, oder anderen Molekülen, gemäß folgender Reaktion zu beladen:Another embodiment relates to the ribozymes according to the invention for the production of muteins. Since the ribozymes also catalyze the transfer of a biotinylated amino acid from the described modified substrate (28mer-Phe-Bio) to AMP (reverse reaction), this activity can be used to identify tRNAs at their 3 'ends with non-cognate amino acids, or other molecules, according to the following reaction:
Ribozym Aminosäure-AMP + tRNA > aminoacylierte-tRNARibozyme amino acid AMP + tRNA> aminoacylated tRNA
Mit Hilfe so hergestellter "falsch beladener" tRNAs können somit gezielt Proteinmutanten durch in vitro-Translation gemäß Standardverfahren hergestellt werden (Mendel et al . , Ann. Rev. Biophys . Biomol. Stmc . 24 (1995), 435-462).With the help of "incorrectly loaded" tRNAs produced in this way, protein mutants can thus be produced in a targeted manner by in vitro translation according to standard methods (Mendel et al., Ann. Rev. Biophys. Biomol. Stmc. 24 (1995), 435-462).
Besonders interessant sind solche Ribozyme für neue Anwendungen in der kombinatorischen Chemie (Roberts und Stostak, PNAS USA 94 (1997), 12297-12302), da durch sie Substrate ortsspezifisch in Proteine eingeführt werden können, welche nicht durch den genetischen Code determiniert sind.Such ribozymes are particularly interesting for new applications in combinatorial chemistry (Roberts and Stostak, PNAS USA 94 (1997), 12297-12302) because they make substrates can be introduced site-specifically into proteins that are not determined by the genetic code.
Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung der erfindungsgemäßen Ribozyme zur Herstellung nucleaseresistenter Ribonucleinsäuren, da gezeigt werden konnte, daß solcherart modifizierte RNAs resistent gegen Nucleasen sind. Diese könnten somit ebenfalls Anwendung in der Gentherapie, beispielsweise als "Antisense" -Oligonucleo-" tide, finden, wenn eine hohe Halbwertszeit der angewandten RNAs wünschenswert ist.Finally, the present invention relates to the use of the ribozymes according to the invention for the production of nuclease-resistant ribonucleic acids, since it has been possible to show that RNAs modified in this way are resistant to nucleases. These could therefore also use in gene therapy, for example as "antisense" -Oligonucleo- "tide, find when a long half-life of the RNAs used is desirable.
Die erfindungsgemäßen Ribozyme bzw. diese codierenden Vektoren können auch zur Herstellung transgener Pflanzen verwendet werden, beispielsweise um durch Hemmung der Expression bestimmter Gene gewünschte Stoffwechselprodukte anzureichern oder eine Virusresistenz zu erzeugen. Somit betrifft die vorliegende Erfindung auch transgene Pflanzen.The ribozymes according to the invention or the vectors coding for them can also be used for the production of transgenic plants, for example in order to enrich desired metabolic products by inhibiting the expression of certain genes or to generate virus resistance. The present invention thus also relates to transgenic plants.
Um die Expression der Ribozym-DNA-Sequenzen in pflanzlichen Zellen zu gewährleisten, können diese im Prinzip unter die Kontrolle eines beliebigen in pflanzlichen Zellen funktionalen Promotors gestellt werden. Die Expression der besagten DNA-Sequenzen kann generell in jedem Gewebe einer aus einer transformierten erfindungsgemäßen Pflanzenzelle regenerierten Pflanze und zu jedem Zeitpunkt stattfinden, bevorzugt jedoch findet sie in solchen Geweben statt, in denen eine veränderte Genexpression von Vorteil entweder für das Wachstum der Pflanze oder für die Bildung von Inhaltsstoffen innerhalb der Pflanze ist. Geeignet erscheinen von daher vor allem Promotoren, die eine spezifische Expression in einem bestimmten Gewebe, zu einem bestimmten Entwicklungszeitpunkt der Pflanze oder aber in einem bestimmten Organ der Pflanze sicherstellen. Geeignete Promotoren sind dem Fachmann bekannt . Die DNA-Sequenzen, die die oben beschriebenen Ribozyme codieren, sind vorzugsweise außer mit einem Promotor mit DNA- Sequenzen verknüpft, die eine weitere Steigerung der Transkription gewährleisten, beispielsweise sogenannte Enhancer-Elemente . Derartige Regionen können von viralen Genen oder geeigneten pflanzlichen Genen gewonnen oder synthetisch hergestellt werden. Sie können homolog oder heterolog zum verwendeten Promotor sein. Vorteilhafterweise werden die Ribozym-DNA-Sequenzen ferner mit 3 ' -DNA-Sequenzen verknüpft,- die die Termination der Transkription gewährleisten. Derartige Sequenzen sind bekannt und beschrieben, beispielsweise die des Octopinsynthasegens aus Agrobacterium tumefaciens.In order to ensure the expression of the ribozyme DNA sequences in plant cells, these can in principle be placed under the control of any promoter which is functional in plant cells. The expression of the said DNA sequences can generally take place in any tissue of a plant regenerated from a transformed plant cell according to the invention and at any time, but preferably takes place in those tissues in which an altered gene expression is advantageous either for the growth of the plant or for is the formation of ingredients within the plant. Promoters which ensure specific expression in a specific tissue, at a specific time of development of the plant or in a specific organ of the plant therefore appear to be particularly suitable. Suitable promoters are known to the person skilled in the art. The DNA sequences which encode the ribozymes described above are preferably linked, in addition to a promoter, to DNA sequences which ensure a further increase in transcription, for example so-called enhancer elements. Such regions can be obtained from viral genes or suitable plant genes or can be produced synthetically. They can be homologous or heterologous to the promoter used. Advantageously, the ribozyme DNA sequences are also linked to 3 'DNA sequences, which ensure the termination of the transcription. Such sequences are known and described, for example that of the octopine synthase gene from Agrobacterium tumefaciens.
Die Ribozym-DNA-Sequenzen, die erfindungsgemäß in pflanzlichen Zellen eingeführt und exprimiert werden, liegen in den erfindungsgemäßem Pflanzenzellen vorzugsweise stabil ins Genom integriert vor.The ribozyme DNA sequences which are introduced and expressed in plant cells according to the invention are preferably stably integrated into the genome in the plant cells according to the invention.
Bei den erfindungsgemäßen transgenen Pflanzenzellen kann es sich grundsätzlich um Zellen jeder beliebigen Pflanzenspezies handeln. Von Interesse sind sowohl Zellen monocotyler als auch dicotyler Pflanzenspezies, insbesondere Zellen stärkespeichernder, ölspeichernder oder landwirtschaftlicher Nutzpflanzen, wie z.B. Roggen, Hafer, Gerste, Weizen, Kartoffel, Mais, Reis, Raps, Erbse, Zuckerrübe, Sojabohne, Tabak, Baumwolle, Sonnenblume, Ölpalme, Wein, Tomate usw.The transgenic plant cells according to the invention can in principle be cells of any plant species. Of interest are both cells of monocotyledonous and dicotyledonous plant species, in particular cells that store starch, oil, or agricultural crops, e.g. Rye, oats, barley, wheat, potato, corn, rice, rapeseed, pea, sugar beet, soybean, tobacco, cotton, sunflower, oil palm, wine, tomato etc.
Der Transfer der DNA-Moleküle, die Ribozym-DNA-Sequenzen enthalten, erfolgt nach dem Fachmann bekannten Methoden, vorzugsweise unter Verwendung von Plasmiden, insbesondere solchen Plasmiden, die eine stabile Integration des DNA-Moleküls in das Genom transformierter Pflanzenzellen gewährleisten, beispielsweise binären Plasmiden oder Ti-Plasmiden des Agrobacterium tumefaciens-Systems . Neben dem Agrobacte- rium-System kommen andere Systeme zur Einführung von DNA-Molekülen in pflanzlichen Zellen in Frage, wie z.B. das sogenannte biolistische Verfahren oder aber die Transformation von Protoplasten (vgl. Willmitzer L. (1993), Transgenic Plants, Biotechnology 2; 627-659 für eine Übersicht) . Verfahren zur Transformation monocotyler und dicotyler Pflanzen sind in der Literatur beschrieben und sind dem Fachmann bekannt .The transfer of the DNA molecules containing the ribozyme DNA sequences takes place according to methods known to the person skilled in the art, preferably using plasmids, in particular those plasmids which ensure stable integration of the DNA molecule into the genome of transformed plant cells, for example binary plasmids or Ti plasmids from the Agrobacterium tumefaciens system. In addition to the Agrobacterium system, other systems for introducing DNA molecules into plant cells are also possible, such as the so-called biolistic method or the transformation of protoplasts (see Willmitzer L. (1993), Transgenic Plants, Biotechnology 2; 627-659 for an overview). Methods for transforming monocotyledonous and dicotyledonous plants are described in the literature and are known to the person skilled in the art.
Die Figuren zeigen:The figures show:
Fig. 1: Verschiedene nucleophile Positionen innerhalb der RNA-Bibliothek könnnen mit der Aminoacyl-Esterfunk- tion von 1 (Biotin-Phe-AMP) reagieren: Der Angriff der Aminofunktion (1) führt zur Peptidbindungsbil- dung. Durch Reaktion interner (2) oder terminaler (3) Hydroxylgruppen mit 1 entstehen RNA-Ami- noacylester .Fig. 1: Different nucleophilic positions within the RNA library can react with the aminoacyl ester function of 1 (biotin-Phe-AMP): The attack of the amino function (1) leads to peptide bond formation. Reaction of internal (2) or terminal (3) hydroxyl groups with 1 results in RNA aminoacyl esters.
Fig. 2: Anreicherung aminoacylierter RNA im Laufe der Selektion. Am Fuß der Graphik sind das Verhältnis von RNA zu Substrat 1 sowie die Inkubationszeiten des jeweiligen Zyklus angegeben. In Zyklen 1 - 7 wurde eine 5 ' -aminofunktionalisierte RNA-Bibliothek (H2N- Cys-Cit-SS-RNA) verwendet, während in allen folgenden Zyklen ohne gekoppeltes Dipeptid selektiert wurde. In den ersten sechs Selektionszyklen betrug der Anteil an aminoacylierter RNA weniger als 0,01 %. Selektionszyklus 10 wurde unter mutagenen Bedingungen durchgeführt, um die Evolution von Ami- noacyltransferasen höherer Aktivität zu ermöglichen.Fig. 2: Enrichment of aminoacylated RNA in the course of the selection. The ratio of RNA to substrate 1 and the incubation times of the respective cycle are given at the bottom of the graphic. A 5 'amino-functionalized RNA library (H 2 N-Cys-Cit-SS-RNA) was used in cycles 1-7, while selection was carried out in all subsequent cycles without a coupled dipeptide. The proportion of aminoacylated RNA was less than 0.01% in the first six selection cycles. Selection cycle 10 was carried out under mutagenic conditions to allow the evolution of aminoacyltransferases of higher activity.
Fig. 3: Sequenzen der selektierten Clone ohne konstante Primerbindungsstellen. Mutationen innerhalb individueller Sequenzen sind unterstrichen. Fig. 4: Vorgeschlagene Sekundärstruktur des Clon 11-Ribo- zyms . Durch Deletionsanalyse wurde gezeigt, daß nur die eingerahmte Sequenz für die Katalyse benötigt wird.3: Sequences of the selected clones without constant primer binding sites. Mutations within individual sequences are underlined. Fig. 4: Proposed secondary structure of the clone 11 ribozyme. Deletion analysis showed that only the framed sequence is needed for the catalysis.
Fig. 5: Die katalytische Aktivität des Clon 11-Ribozyms ist abhängig von der Magnesiumionen-Konzentration. Die Reaktionen wurden bei Raumtemperatur mit 5 μM radioaktiv markierter Clon 11-RNA und 25 μM 1 in Se-' lektionspuffer durchgeführt, wobei die Mg -Konzentration auf den angegebenen Wert (x-Achse) eingestellt wurde. Der Reaktionsmischung wurden Aliquots zu sechs verschiedenen Zeitpunkten entnommen. Zur Quantifizierung der Ribozymaktivität koppelte man die entstandene aminoacylierte RNA an Streptavidin- Agarose .Fig. 5: The catalytic activity of the clone 11 ribozyme is dependent on the magnesium ion concentration. The reactions were carried out at room temperature with 5 μM radioactively labeled clone 11-RNA and 25 μM 1 in selection buffer, the Mg concentration being set to the stated value (x-axis). Aliquots were taken from the reaction mixture at six different times. To quantify the ribozyme activity, the aminoacylated RNA formed was coupled to streptavidin agarose.
Fig. 6: (a) Vorgeschlagene Sekundärstrukturen für den Komplex aus Ribozym 28-136 und Substrat Oligonucleotid (Position 137 - 3 ' -Ende) . Die aminoacylierte Position C147 ist gekennzeichnet.Fig. 6: (a) Proposed secondary structures for the complex of ribozyme 28-136 and substrate oligonucleotide (position 137-3 'end). The aminoacylated position C147 is marked.
(b) RNAse-Sequenzierung des "Wild-Typ Substrat Oli- gonucleotids" (links) und des aminoacylierten 28- mer Oligonucleotids (rechts) . Die Unterschiede im Sequenzierungsmuster zeigen, daß die Basenposition C147 durch das Ribozym 28-136 modifiziert wurde. Das aminoacylierte Substrat wurde wie folgt erzeugt: 10 μM Ribozym 28-136 wurden mit wenigen Picomolen 5 ' -markiertem 28 mer-Oligonucleotid und 1 mM Biotin-Phe-AMP 1 in Selektionspuffer inkubiert. Nach 120 Minuten präzipitierte man die RNA und koppelte sie an Streptavidin-Agarose . Nicht-bioti- nylierte RNAs wurden durch Waschen entfernt, während biotinylierte Oligonucleotide mit 2 M 2-Mer- captoethanol oder Biotin im Überschuß von der Streptavidin-Matrix eluiert wurden. Die Sequenzierung mit RNasen erfolgte nach einem Protokoll des Herstellers (Pharmacia) . Man verwendete folgende RNasen: Tl für die Spur G, RNase U2 für A, RNase Phy M für A/U und RNase B. cereus für U/C. OH: Partieller alkalischer Verdau des Oligonucleotids . R: Unbehandelte Kontroll-RNA. Die Fragmente wurden elektrophoretisch auf einem 20%igen Polyacrylamid- Gel aufgetrennt und durch Autoradiographie visuali- siert. Das Resultat wurde unter Verwendung von 3'- [32P] -markiertem 28-mer Oligonucleotid reproduziert .(b) RNAse sequencing of the "wild-type substrate oligonucleotide" (left) and the aminoacylated 28-mer oligonucleotide (right). The differences in the sequencing pattern show that base position C147 was modified by ribozyme 28-136. The aminoacylated substrate was generated as follows: 10 μM ribozyme 28-136 were incubated with a few picomoles of 5 ′ -labeled 28 mer oligonucleotide and 1 mM biotin-Phe-AMP 1 in selection buffer. After 120 minutes, the RNA was precipitated and coupled to streptavidin agarose. Non-biotinylated RNAs were removed by washing, while biotinylated oligonucleotides were eluted from the streptavidin matrix with 2 M 2-mercaptoethanol or biotin in excess. Sequencing with RNases was carried out according to a protocol of the Manufacturer (Pharmacia). The following RNases were used: T1 for lane G, RNase U2 for A, RNase Phy M for A / U and RNase B. cereus for U / C. OH: partial alkaline digestion of the oligonucleotide. R: Untreated control RNA. The fragments were separated electrophoretically on a 20% polyacrylamide gel and visualized by autoradiography. The result was reproduced using 3'- [ 32 P] -labeled 28-mer oligonucleotide.
Fig. 7: Repräsentative MALDI-TOF-Analyse des durch Ribozym- katalyse erzeugten Reaktionsproduktes (28-mer-Phe- Biotin) . 5 μm Ribozym 28-136 wurden mit 1 μM 28-mer Oligonucleotid und 1 mM Biotin-Phe-AMP 1 in Selektionspuffer für 2 Stunden inkubiert . Die RNA wurde anschließend präzipitiert , in Wasser resuspendiert und ohne weitere Behandlung in ein Dynamo-Massen- spektrometer eingespritzt. Das Molekulargewicht des modifizierten 28 mer-Substrates wurde als Durchschnittswert verschiedener Messungen in Gegenwart des unmodifizierten (nicht-reagierten) 28-mer-Oli- gonucleotids als internem Standard bestimmt. Der Massenunterschied zwischen nicht-reagiertem und reagiertem 28 mer-Oligonucleotid wurde mit gemessen = 370'5 Da kalkuliert. Der theoretische Massenunterschied zwischen 28-mer und 28-mer-Phe-Fig. 7: Representative MALDI-TOF analysis of the reaction product generated by ribozyme catalysis (28-mer Phe-biotin). 5 μm ribozyme 28-136 were incubated with 1 μM 28-mer oligonucleotide and 1 mM biotin-Phe-AMP 1 in selection buffer for 2 hours. The RNA was then precipitated, resuspended in water and injected into a dynamo mass spectrometer without further treatment. The molecular weight of the modified 28-mer substrate was determined as the average value of various measurements in the presence of the unmodified (unreacted) 28-mer oligonucleotide as an internal standard. The mass difference between unreacted and reacted 28 mer oligonucleotide was calculated to be = 370 ' 5 Da . The theoretical difference in mass between 28-mer and 28-mer
Biotin beträgt Δtheoretisch = 372'5 Da- D:Le -Abwei¬ chung von 2 Da, relativ zum gemessenen Wert, liegt innerhalb der Fehlergrenzen für die Meßgenauigkeit des Massenspektrometers .Biotin is Δ theoretical = 372 '5 Da - D: Le -Abwei ¬ monitoring of 2 Da, relative to the measured value is within the error limits of the measurement accuracy of the mass spectrometer.
Fig. 8: Kinetische Charakterisierung der intramolekularen Reaktion, die vom Clon 11-Ribozym katalysiert wird. Die Anfangsgeschwindigkeiten vQ der Reaktion sind gegen verschiedene Konzentrationen von Substrat 1 aufgetragen. Die Michaelis-Menten-Parameter K.-. und kcat erhielt man durch "Curve fitting" der Gleichung vQ = (RNA] 0- [1] -kcat/ (K^ + [1]) unter Verwendung von KaleidaGraph (Abelbeck Software). Einsatz: Exponentialfunktion der Aminoacylierungsreaktion mit 5 μM Clon 11-RNA und 0,5 mM Biotin-Phe-AMP 1. Die Geschwindigkeitskonstanten k0ks wurden mittels der Gleichung [P] t = [RNA] - [RNA] • exp (-kobs • t) bestimmt, wobei [P] t = Konzentration der aminoacylierten RNA zum Zeitpunkt t; [RNA] = Kon¬ zentration von Clon 11-RNA.Figure 8: Kinetic characterization of the intramolecular reaction catalyzed by the clone 11 ribozyme. The initial velocities v Q of the reaction are plotted against different concentrations of substrate 1. The Michaelis-Menten parameters K.-. and k cat was obtained by curve fitting the equation v Q = (RNA] 0 - [1] -k cat / (K ^ + [1]) using KaleidaGraph (Abelbeck Software). Usage: exponential function of the aminoacylation reaction with 5 μM clone 11-RNA and 0.5 mM biotin-Phe-AMP 1. The rate constants k 0 k s were determined using the equation [P] t = [RNA] - [RNA] • exp (-k obs • t), where [P] t = concentration of the aminoacylated RNA at time t; [RNA] = Kon ¬ concentration of clone 11 RNA.
Fig. 9: Analyse der durch das Ribozym 28-136 katalysierten Rückreaktion (28-mer-Phe-Biotin + AMP):5'-9: Analysis of the back reaction catalyzed by the ribozyme 28-136 (28-mer-Phe-biotin + AMP): 5'-
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[ P] markiertes 28-mer-Phe-Biotin wurden über Affinitätschromatographie an Streptavidin-Agarose gereinigt, mit 2 M 2-Mercaptoethanol eluiert und in Selektionspuffer resuspendiert, (a) Repräsentativer Reaktionsverlauf der Rückreaktion sowie Negativkontrollexperimente bei 2,0 mM AMP. tQ, tgo' und tς^. zeigen die Abnahme von 28-mer-Phe-Biotin-Oligo- nucleotid bei gleichzeitiger Zunahme des deacylier- ten Reaktionsproduktes (nicht modifiziertes 28- mer) . In Abwesenheit von AMP bzw. Ribozym ^5^[P] labeled 28-mer Phe-biotin were purified by affinity chromatography on streptavidin-agarose, eluted with 2 M 2-mercaptoethanol and resuspended in selection buffer, (a) representative course of the reaction of the reverse reaction as well as negative control experiments at 2.0 mM AMP. t Q , t go 'and t ς ^. show the decrease in 28-mer Phe-biotin oligonucleotide with simultaneous increase in the deacylated reaction product (unmodified 28-mer). In the absence of AMP or ribozyme ^ 5 ^
(ohne AMP) und tQ (ohne AMP) bzw. t5j-_ (ohne Rib.) und tQ (ohne Rib.)] wurde keine Änderung der 28- mer-Phe-Biotin-Konzentration gefunden. (b) Reaktionsverlauf der Rückreaktion als Exponentialfunktion bei 2 mM AMP, 5 μM Ribozym 28- 136, und 5 nM 28-mer-Phe-Biotin.(without AMP) and t Q (without AMP) or t 5j -_ (without Rib.) and t Q (without Rib.)], no change in the 28-mer Phe-biotin concentration was found. (b) Reaction course of the reverse reaction as an exponential function at 2 mM AMP, 5 μM ribozyme 28-136 and 5 nM 28-mer-Phe-biotin.
Fig. 10: Reaktionsverlauf der durch das Ribozym 28-136 katalysierten Rückreaktionen (28-mer-Phe-Biotin + ATP und 28-mer-Phe-Biotin + tRNAfMet) : • 5 ' - [32P] markiertes 28-mer-Phe-Biotin wurden über Affinitätschromatographie an Streptavidin-Agarose gereinigt, mit 2 M 2-Mercaptoethanol eluiert und in Selektionspuffer resuspendiert. 5 nM 28-mer-Phe-Biotin wurden mit 10 mM ATP bzw. 0,2 mM tRNAfMet und 5 μM Ribozym 28-136 in Selektionspuffer inkubiert. Nach den angegebenen Zeiten wurden der Reaktionsmischung Aliquots entnommen und auf einem 20 %igen Poly- acrylamidgel analysiert. (Repräsentativer Reaktionsverlauf der Rückreaktion bei 2,0 mM AMP) . tQ 5j-, bis t17j1 zeigen die Abnahme von 28-mer-Phe-Biotin- Oligonucleotid bei gleichzeitiger Zunahme des deacylierten Reaktionsproduktes, d.h. nicht-modifi- ziertem 28-mer.10: Reaction course of the back reactions catalyzed by the ribozyme 28-136 (28-mer-Phe-biotin + ATP and 28-mer-Phe-biotin + tRNA fMet ): • 5 ′ - [ 32 P] labeled 28-mer- Phe-biotin were purified by affinity chromatography on streptavidin-agarose, eluted with 2 M 2-mercaptoethanol and resuspended in selection buffer. 5 nM 28-mer Phe-biotin were incubated with 10 mM ATP or 0.2 mM tRNA fMet and 5 μM ribozyme 28-136 in selection buffer. After the times indicated, aliquots were removed from the reaction mixture and analyzed on a 20% polyacrylamide gel. (Representative course of the reaction of the reverse reaction at 2.0 mM AMP). t Q 5j -, to t 17j1 show the decrease in 28-mer Phe-biotin oligonucleotide with a simultaneous increase in the deacylated reaction product, ie unmodified 28-mer.
Fig. 11: Ribozym-katalysierte Beladung von tRNA-3 ' -Enden mit Substraten R. (a) Das Ribozym (fett gezeichnet) katalysiert den Transfer von R-CO, einem Teil des Reaktanden R-AMP, unter Abspaltung von Adenosin-5'- Monophosphat auf sich selbst (auf eine interne 2'- Hydroxylfunktion) . (b) Das acylierte Ribozym transferiert den Ester R-CO auf das 3 ' -Ende einer tRNA (terminales Adenosin ist gezeigt) . Diese Reaktion entspricht im Prinzip der Rückreaktion - statt AMP besetzt allerdings das terminale Adenosin einer tRNA die Bindungstasche für den Reaktanden. (c) Das freigesetzte Ribozym kann erneut mit dem Reaktan- den-R-AMP reagieren ("Multiple turnover"). Für R = Biotin-Phe und Ribozym = Clon 11-Ribozym wurde gezeigt, daß die vorgeschlagene Reaktion im Prinzip möglich ist (vgl. Fig. 10). Das Clon 11-Ribozym fungiert dabei als generelle Aminoacyl-tRNA-Syn- thase, da die Spezifität für den Reaktanden vornehmlich durch den AMP-Teil bestimmt ist (vgl. Beispiel lf , Inhibition durch AMP) .11: Ribozyme-catalyzed loading of tRNA-3 'ends with substrates R. (a) The ribozyme (shown in bold) catalyzes the transfer of R-CO, part of the reactant R-AMP, with elimination of adenosine-5 '- monophosphate on itself (on an internal 2'-hydroxyl function). (b) The acylated ribozyme transfers the ester R-CO to the 3 'end of a tRNA (terminal adenosine is shown). This reaction corresponds in principle to the reverse reaction - however, instead of AMP, the terminal adenosine of a tRNA occupies the binding pocket for the reactant. (c) The released ribozyme can react again with the reactant R-AMP ("multiple turnover"). For R = biotin-Phe and ribozyme = clone 11-ribozyme, it was shown that the proposed reaction is possible in principle (cf. FIG. 10). The clone 11-ribozyme acts as a general aminoacyl-tRNA synthase, since the specificity for the reactant is primarily determined by the AMP part (cf. Example 1f, inhibition by AMP).
Das nachstehende Beispiel erläutert die Erfindung. Beispiel 1 :The following example illustrates the invention. Example 1 :
In vitro-Selektion von RNA-Molekülen mit Ester-Transferase-In Vitro Selection of RNA Molecules Using Ester Transferase
Aktivitätactivity
(a) Einleitung(a) Introduction
Durch Screening von kombinatorischen Nucleinsäure-Bibliothe- ken können RNA- oder DNA-Moleküle mit spezifischen Bindungseigenschaften und neuartigen katalytischen Funktionalitäten isoliert werden. Die dazu angewandte Technik wird in der Literatur oftmals als "in vitro-Selektion" bezeichnet. Jüngste Ergebnisse auf diesem Gebiet haben gezeigt, daß Ribozyme und Desoxyribozyme befähigt sind, eine Vielzahl von chemischen Reaktionen zu katalysieren (Pan, Curr. Opin. Chem. Biol. Vol. 1 Nr. 1 (1997), 17-25). Nachfolgend wird die in vitro- Selektion und Charakterisierung eines neuartigen Ribozyms beschrieben, das die Übertragung des N-biotinylierten Ami- noacylesters von N-biotinyliertem Phenylalanyl-2 ' (3 ' ) -adeno- sin-5'-ester (Biotin-Phe-AMP) auf eine interne 2 '-Hydroxylgruppe innerhalb der Ribozymsequenz katalysiert. Die katalysierte Reaktion wird im folgenden als "Estertransfer" oder "Aminoacylierung" bezeichnet. Es wurde gezeigt, daß die Ami- noacylierung kompetitiv durch den AMP-Teil des Acyldonor- Substrates (Biotin-Phe-AMP) inhibiert wird, was dafür spricht, daß vom Ribozym eine Substrat-spezifische Bindungs- tasche gebildet wird. Durch "Ribozym-Engineering" gelang die Herstellung einer Ribozymvariante (Ribozym 28-136) , welche den Aminoacyltransfer auf ein externes Oligonucleotid katalysiert (im folgenden "in trans-Reaktion" genannt) :By screening combinatorial nucleic acid libraries, RNA or DNA molecules with specific binding properties and novel catalytic functionalities can be isolated. The technique used for this is often referred to in the literature as "in vitro selection". Recent results in this area have shown that ribozymes and deoxyribozymes are capable of catalyzing a variety of chemical reactions (Pan, Curr. Opin. Chem. Biol. Vol. 1 No. 1 (1997), 17-25). In the following, the in vitro selection and characterization of a novel ribozyme is described which involves the transfer of the N-biotinylated aminoacyl ester of N-biotinylated phenylalanyl-2 '(3') -adenosine-5'-ester (Biotin-Phe- AMP) catalyzed to an internal 2 'hydroxyl group within the ribozyme sequence. The catalyzed reaction is hereinafter referred to as "ester transfer" or "aminoacylation". It was shown that the amino acylation is competitively inhibited by the AMP part of the acyl donor substrate (biotin-Phe-AMP), which suggests that a substrate-specific binding pocket is formed by the ribozyme. "Ribozyme engineering" succeeded in producing a ribozyme variant (ribozyme 28-136) which catalyzes the aminoacyl transfer to an external oligonucleotide (hereinafter referred to as "in trans reaction"):
Ribozym 28-136 Oligonucleotid + Biotin-Phe-AMP → Oligonucleotid-Phe-Bio + AMPRibozyme 28-136 oligonucleotide + biotin-Phe-AMP → oligonucleotide-Phe-Bio + AMP
Ferner wurde gezeigt, daß das Ribozym 28-136 auch die Deacy- lierung des Oligonucleotids (d.h. die Rückreaktion) mit hoher Effizienz beschleunigt. Ersetzte man dabei AMP durch eine tRNA, erfolgte die Deacylierung des Oligonucleotids un- ter Aminoacylierung des tRNA-3 ' -Endes . Das hier beschriebene Ribozym erweitert somit das Repertoire von RNA-Katalyse auf Ribozyme, die befähigt sind, den Aminoacyl-Transfer von RNA- 3 ' -Enden auf interne 2 ' -Positionen und revers zu katalysieren.Furthermore, it was shown that the ribozyme 28-136 also accelerates the deacylation of the oligonucleotide (ie the back reaction) with high efficiency. If AMP was replaced by a tRNA, the oligonucleotide was deacylated and ter aminoacylation of the tRNA 3 'end. The ribozyme described here thus extends the repertoire of RNA catalysis to ribozymes which are able to catalyze and reverse-catalyze the aminoacyl transfer from RNA 3 'ends to internal 2' positions.
(b) Herstellung der DNA- und RNA-Bibliotheken(b) Preparation of the DNA and RNA libraries
Die RNA-Bibliothek für den ersten Selektionszyklus wurde durch in vitro-Transkription einer synthetischen DNA-Bibliothek mit folgender Sequenz hergestellt: 5'-GGG AGC TCT GCT CTA GCC AC-N30-GAC GGT TAG GTC GCA C-N30-GTG AAG GAG TGT C- N30-GGC ACC TGC CAC GAG TC-3 ' (N steht für eine äquimolare Mischung der Nucleotide A, C, G, T; bei den unterstrichenen Nucleotiden handelt es sich um ein zu 30 % randomisiertes Citrullin-Aptamer-Motiv (Famulok, J. Am. Chem. Soc . 116 (1994) , 1698-1706) . Die DNA-Bibliothek wurde durch automatisierte Oligonucleotid-Festphasensynthese hergestellt. Die Sequenzen der verwendeten Primer waren TCT AAT ACG ACT CAC TAT AGG GAG CTC TGGC TCT AGC CAC sowie GAT CCC TCG TGG CAG GTG CC (Promotorsequenz für die T7-RNA-Polymerase ist unterstrichen) . Die PCR-Amplifikation der DNA-Bibliothek und die in vitro-Transkription mittels T7-RNA-Polymerase erfolgten nach molekularbiologischen Standardprotokollen (Abelson Hrsg., Meth. in Enzymology 267 (1996), 275-436). Eine genaue Beschreibung findet sich in: A. Jenne, Diplomarbeit aus dem Fachbereich Biochemie an der LMU München, 1995. Um die in den ersten 7 Selektionszyklen verwendete 5 ' -Amino-modifi- zierte RNA-Bibliothek (H2N-Cit-Cys-SS-RNA) herzustellen, wurde die in vitro-Transkription in Gegenwart eines 8 -fachen Überschusses an Guanosin-5 ' -phosphorthioat (Burgin und Pace, EMBO J. 9 (1990) , 4111-4118) gegenüber den restlichen Nucleotidtriphosphaten durchgeführt. Die resultierende 5'- thiolmodifizierte RNA-Bibliothek wurde dann mit einem 50-mo- laren Überschuß an thiopyridyl-aktiviertem NH2-Cit- Cys (thipy) -COOK in Kopplungspuffer (5 mM EDTA, 25 mM Na-P04, pH 7,7) für 20 Minuten zur Reaktion gebracht. Die Vollstän- digkeit der Reaktion wurde spektrometrisch durch Messung des freigesetzten Thiopyridons bei 343 nm bestimmt. Die RNA-Bibliothek wurde dann mit Ethanol präzipitiert und anschließend zweimal mit je 150 μl 70 % Ethanol gewaschen. In den Selektionszyklen 7 - 13 wurde mit einer 5 ' -unmodifizierten RNA-Bibliothek (ohne eingeführte Thio- / Aminofunktion) selektiert, da das gekoppelte Dipeptid nachweislich keinen Einfluß auf die angereicherte Aminoacyltransferase-Aktivität hatte.The RNA library for the first selection cycle was produced by in vitro transcription of a synthetic DNA library with the following sequence: 5'-GGG AGC TCT GCT CTA GCC AC-N30-GAC GGT TAG GTC GCA C-N30-GTG AAG GAG TGT C- N30-GGC ACC TGC CAC GAG TC-3 '(N stands for an equimolar mixture of nucleotides A, C, G, T; the underlined nucleotides are a 30% randomized citrulline aptamer motif (Famulok , J. Am. Chem. Soc. 116 (1994), 1698-1706) The DNA library was generated by automated oligonucleotide solid phase synthesis The sequences of the primers used were TCT AAT ACG ACT CAC TAT AGG GAG CTC TGGC TCT AGC CAC and GAT CCC TCG TGG CAG GTG CC (promoter sequence for the T7 RNA polymerase is underlined) The PCR amplification of the DNA library and the in vitro transcription using T7 RNA polymerase were carried out according to standard molecular biological protocols (Abelson ed., Meth. In Enzymology 267: 275-436 (1996) a detailed description can be found in: A. Jenne, diploma thesis from the Department of Biochemistry at the LMU Munich, 1995. About the 5 'amino-modified RNA library used in the first 7 selection cycles (H 2 N-Cit-Cys- SS-RNA), the in vitro transcription was carried out in the presence of an 8-fold excess of guanosine 5 'phosphorothioate (Burgin and Pace, EMBO J. 9 (1990), 4111-4118) compared to the remaining nucleotide triphosphates. The resulting 5'-thiol-modified RNA library was then treated with a 50-molar excess of thiopyridyl-activated NH 2 -cit-Cys (thipy) -COOK in coupling buffer (5 mM EDTA, 25 mM Na-PO 4 , pH 7 , 7) reacted for 20 minutes. The complete The reaction was determined spectrometrically by measuring the thiopyridone released at 343 nm. The RNA library was then precipitated with ethanol and then washed twice with 150 μl of 70% ethanol. In the selection cycles 7-13, selection was made with a 5 'unmodified RNA library (without an introduced thio / amino function), since the coupled dipeptide had been shown to have no effect on the enriched aminoacyltransferase activity.
( c ) Synthese der Verbindungen Biotin-Phe-AMP und NHn-Cit- Cvs(thipy) -COOH(c) Synthesis of the compounds biotin-Phe-AMP and NHn-Cit-Cvs (thipy) -COOH
Die Synthese der in der Selektion verwendeten Verbindungen NH2-Cit-Cys (thipy) -COOH und N-biotinyliertem Phenylalanyl- 2 ' (3 ' ) -adenosin-5 ' -ester (Biotin-Phe-AMP) sind beschrieben in: A. Jenne, Diplomarbeit an der LMU München aus dem Fachbereich Biochemie, 1995. Beide Verbindungen wurden NMR- und massenspektroskopisch charakterisiert .The synthesis of the compounds used in the selection NH 2 -Cit-Cys (thipy) -COOH and N-biotinylated phenylalanyl-2 '(3') -adenosine-5 '-ester (Biotin-Phe-AMP) are described in: A Jenne, diploma thesis at the LMU Munich from the Department of Biochemistry, 1995. Both compounds were characterized by NMR and mass spectrometry.
(d) Durchführung der in vitro-Selektion(d) performing the in vitro selection
Die in vitro-Selektion wurde mit einer RNA-Bibliothek von etwa 5 x 10 verschiedenen Sequenzen durchgeführt. Die RNA wurde bei 94 °C für 2 Minuten in Magnesium- freiem Selektions- puffer (200 mM NaCl, 50 mM K-MOPS, pH 7,4) denaturiert. Anschließend wurde die Konzentration an Mg -Ionen im Puffer auf 5 mM eingestellt und auf Raumtemperatur abgekühlt . Die Transesterifizierungsreaktion wurde durch Zugabe von N-biotinyliertem Phenylalanyl-2 ' (3 ' ) -adenosin-5 ' -ester (Biotin- Phe-AMP) initiiert. Der Reaktionsansatz wurde dann bei Raumtemperatur inkubiert und nach den in Figur 2 angegebenen Zeiten durch eine Sephadex G-50-Säule (Pharmacia, ca. 10 ml) filtriert, um überschüssiges Biotin-Phe-AMP abzutrennen. Diejenigen Fraktionen, die RNA enthielten, wurden mit Ethanol präzipitiert, in 500 μl Streptavidin-Kopplungspuffer (150 mM NaCl, 25 mM Na-P04, pH 6,9) resuspendiert und mit 250 μl gequollener Streptavidin-Agarose (Pierce) für 30 Minuten inkubiert. Der Ansatz wurde anschließend in eine Po- lyethylen-Säule (Biorad) transferiert und mit je 20 Säulenvolumina Waschpuffer Wl (I M NaCl, 5 mM EDTA, 25 mM K-MOPS, pH 7,4), Waschpuffer W2 (4 M Harnstoff, 5 mM EDTA, mit K- MOPS auf pH 7,4 eingestellt), Waschpuffer W3 (3 M Guanidini- umchlorid, 5 mM EDTA) und schließlich mit Wasser gewaschen, um nicht-biotinylierte RNA-Moleküle abzutrennen. RNA-Moleküle, die über den Biotinteil an Streptavidin-Agarose gekop-- pelt waren, wurden unter Spaltung der Biotin-Streptavidin- Wechselwirkungen mit 0,2 M 2-Mercaptoethanol (Selektions- zyklen 1-6) bzw. 2 M 2-Mercaptoethanol (Selektionszyklen 7- 13) eluiert. Die eluierten RNA-Moleküle wurden mit Ethanol präzipitiert, revers transkribiert, PCR-amplifiziert und für den nächsten Selektionszyklus durch in vitro-Transkription wieder in RNA umgeschrieben (Famulok, J. Am. Chem. Soc . 116The in vitro selection was carried out using an RNA library of approximately 5 × 10 different sequences. The RNA was denatured at 94 ° C. for 2 minutes in magnesium-free selection buffer (200 mM NaCl, 50 mM K-MOPS, pH 7.4). The concentration of Mg ions in the buffer was then adjusted to 5 mM and cooled to room temperature. The transesterification reaction was initiated by adding N-biotinylated phenylalanyl 2 '(3') adenosine 5 'ester (biotin-Phe-AMP). The reaction mixture was then incubated at room temperature and, after the times indicated in FIG. 2, filtered through a Sephadex G-50 column (Pharmacia, approx. 10 ml) in order to remove excess biotin-Phe-AMP. Those fractions that contained RNA were precipitated with ethanol, resuspended in 500 μl streptavidin coupling buffer (150 mM NaCl, 25 mM Na-P0 4 , pH 6.9) and with Incubate 250 μl of swollen streptavidin agarose (Pierce) for 30 minutes. The mixture was then transferred to a polyethylene column (Biorad) and each with 20 column volumes of wash buffer W1 (IM NaCl, 5 mM EDTA, 25 mM K-MOPS, pH 7.4), wash buffer W2 (4 M urea, 5 mM EDTA, adjusted to pH 7.4 with K-MOPS), washing buffer W3 (3 M guanidinium chloride, 5 mM EDTA) and finally washed with water in order to separate non-biotinylated RNA molecules. RNA molecules that were coupled to streptavidin-agarose via the biotin part were cleaved with the biotin-streptavidin interactions with 0.2 M 2-mercaptoethanol (selection cycles 1-6) or 2 M 2-mercaptoethanol (Selection cycles 7-13) eluted. The eluted RNA molecules were precipitated with ethanol, reverse transcribed, PCR-amplified and rewritten into RNA for the next selection cycle by in vitro transcription (Famulok, J. Am. Chem. Soc. 116
(1994) , 1698-1706) . In den ersten sechs Selektionszyklen wurden 1 mM Biotin-Phe-AMP mit 20 μM [c--32P] -UTP markierter aminofunktionalisierter RNA für 20 Stunden inkubiert. In späteren Selektionszyklen wurde der Selektionsdruck durch verkürzte Inkubationszeiten und verringerte Konzentrationen an RNA bzw. Biotin-Phe-AMP erhöht (vergl . Fig. 2). Der Prozentsatz an Transesterasen (Ribozyme, die den Aminoacyl- transfer katalysieren) wurde über den Anteil an radioaktiv markierter RNA bestimmt, der an Streptavidin-Agarose gebunden hatte. In Selektionszyklus 10 wurde die PCR-Amplifikation unter mutagenen Bedingungen durchgeführt, um die Evolution noch aktiverer Ribozyme zu ermöglichen (Cadwell und Joyce, PCR Meth. Appl . 2 (1992) 28-33). Die an Transesterasen angereicherte RNA-Bibliothek wurde nach Selektionszyklus 13 cloniert und sequenziert (Famulok, J. Am. Chem. Soc. 116(1994), 1698-1706). In the first six selection cycles, 1 mM biotin-Phe-AMP was incubated with 20 μM [c-- 32 P] -UTP-labeled amino-functionalized RNA for 20 hours. In later selection cycles, the selection pressure was increased by shortened incubation times and reduced concentrations of RNA or biotin-Phe-AMP (see FIG. 2). The percentage of transesterases (ribozymes which catalyze the aminoacyl transfer) was determined via the proportion of radioactively labeled RNA which had bound to streptavidin agarose. In selection cycle 10, the PCR amplification was carried out under mutagenic conditions in order to enable the evolution of even more active ribozymes (Cadwell and Joyce, PCR Meth. Appl. 2 (1992) 28-33). The RNA library enriched in transesterases was cloned and sequenced after selection cycle 13 (Famulok, J. Am. Chem. Soc. 116
(1994) , 1698-1706) . Allgemeine Anleitungen zu den beschriebenen Selektionsschritten finden sich in Abelson Hrsg., Meth. in Enzymology 267 (1996), 275-436. (e) Selektierte Ribozym-Seguenzen(1994), 1698-1706). General instructions for the selection steps described can be found in Abelson ed., Meth. In Enzymology 267 (1996), 275-436. (e) Selected ribozyme sequences
Man erhielt Sequenzen von 27 Clonen, die in drei Sequenzfamilien (I, II, II) unterteilbar sind (siehe Fig. 3) . Mitglieder einer Familie unterscheiden sich nur durch Punktmutationen, wahrscheinlich auf Grund der zusätzlich eingeführten Diversität in Selektionszyklus 10. Clon 11 aus der Sequenzfamilie III wurde einer genaueren Analyse unterzogen.Sequences of 27 clones were obtained, which can be divided into three sequence families (I, II, II) (see FIG. 3). Members of a family differ only in point mutations, probably due to the additional diversity introduced in selection cycle 10. Clone 11 from sequence family III was subjected to a more detailed analysis.
(f ) Deletionsanalyse des Clons 11-Ribozyms , Magnesiumabhängigkeit und Inhibition der Reaktion(f) Deletion analysis of the clone 11-ribozyme, magnesium dependency and inhibition of the reaction
Durch Deletionsanalyse gelang es, das Voll-Länge-Clon-11-Ri- bozy auf ein katalytisch aktives Minimalmotiv einzuschränken (siehe Fig. 4) . Um die minimalen Sequenzanforderungen des Ribozymes zu bestimmen, wurden verschiedene verkürzte Versionen des Clon-11-Ribozyms hergestellt. Alle getesteten RNA-Konstrukte erhielt man durch in vitro-Transkription von entsprechenden DNA-Fragmenten, die wiederum durch "nested- PCR" unter Verwendung geeigneter Primer erzeugt wurden. In Figur 5 ist die Abhängigkeit der Ribozym-katalysierten Ami- noacylierung von der Konzentration an Magnesiumionen dargestellt. Durch weitere Analyse konnte gezeigt werden, daß das Clon-11-Ribozym kompetitiv durch AMP gehemmt wird (Ki = 4,7 mM) , wohingegen Biotin nur ein sehr schwacher Inhibitor der Reaktion ist.Deletion analysis succeeded in restricting the full-length clon-11 ribyzy to a catalytically active minimal motif (see FIG. 4). In order to determine the minimum sequence requirements of the ribozyme, various shortened versions of the clone 11 ribozyme were produced. All RNA constructs tested were obtained by in vitro transcription of corresponding DNA fragments, which in turn were generated by "nested PCR" using suitable primers. FIG. 5 shows the dependence of the ribozyme-catalyzed aminoacylation on the concentration of magnesium ions. Further analysis showed that the clone-11 ribozyme was competitively inhibited by AMP (Ki = 4.7 mM), whereas biotin is only a very weak inhibitor of the reaction.
(g) Bestimmung der Reaktionsstelle im Clon-11-Ribozym und Herstellung einer in-trans-Ribozymvariante(g) Determination of the reaction site in the clone 11-ribozyme and preparation of an in-trans ribozyme variant
Zur Bestimmung der Reaktionsstelle (= aminoacylierte 2 ' -Hy- droxylfunktion innerhalb der RNA-Sequenz) wurde wie folgt verfahren:The procedure for determining the reaction site (= aminoacylated 2'-hydroxyl function within the RNA sequence) was as follows:
1. Partieller RNase Tl-Verdau des aminoacylierten Clon-11-1. Partial RNase T1 digestion of the aminoacylated clone-11
Ribozyms zur Ermittelung des Sequenzbereiches, in dem die Reaktion erfolgt. 2. Spaltung des Clon-11-Ribozyms in einen Substrat-Teil (28-mer-Oligonucleotid; Basenposition 137-164) und in einen katalytischen Teil (Ribozym 28-136; Basenposition 28-136) auf Grundlage der unter Punkt 1. erhaltenen Daten.Ribozyme for determining the sequence area in which the reaction takes place. 2. Cleavage of the clone 11-ribozyme into a substrate part (28-mer oligonucleotide; base position 137-164) and into a catalytic part (ribozyme 28-136; base position 28-136) on the basis of those obtained under point 1 Data.
3. RNase-Sequenzierung des aminoacylierten 28-mer-Oligo- nucleotids zur exakten Bestimmung der Reaktionsstelle.3. RNase sequencing of the aminoacylated 28-mer oligonucleotide for exact determination of the reaction site.
4. Massenspektroskopische Untersuchung und Modifikationsanalyse der Ribozym-katalysierten Reaktion zur Bestätigung der Reaktionsstelle.4. Mass spectroscopic examination and modification analysis of the ribozyme-catalyzed reaction to confirm the reaction site.
Zu 1.) Um herauszufinden, welche 2 ' -Hydroxylfunktion im Clon-11-Ribozym aminoacyliert wurde, inkubierte man 5'- bzw. 3 '- [32P] -markiertes Ribozym mit Biotin-Phe-AMP und immobilisierte die biotinylierten RNAs an Streptavidin-Agarose. Nachdem man die nicht-aminoacylierten RNAs durch Waschen der Affinitätsmatrix entfernt hatte, wurden die gekoppelten aminoacylierten RNAs partiell an Guanosinresten mit RNase Tl verdaut. Die aus dieser Behandlung resultierenden nicht-aminoacylierten RNA-Fragmente wurden durch Spülen der Affinitätsmatrix gesammelt, wohingegen die auf der Agarose verbleibenden aminoacylierten Fragmente mit 2 M 2-Mercaptoetha- nol in der Hitze eluiert und seperat aufgefangen wurden. Beide Fraktionen (die aminoacylierten bzw. die nicht-aminoacylierten Fragmente) wurden anschließend auf einem denaturierenden 20% Polyacrylamidgel analysiert. Die Analyse ergab, daß sich die Reaktionsstelle innerhalb der 3 ' -Primerre- gion (zwischen dem 3 ' -Ende und der Position 137) befindet, weil aminoacylierte Fragmente im Gegensatz zu nicht-aminoacylierten Fragmenten im Gel stärker retardiert werden, d. h. langsamer wandern.To 1.) In order to find out which 2'-hydroxyl function was aminoacylated in the clone 11-ribozyme, 5'- or 3 '- [ 32 P] -labelled ribozyme was incubated with biotin-Phe-AMP and the biotinylated RNAs were immobilized Streptavidin agarose. After the non-aminoacylated RNAs had been removed by washing the affinity matrix, the coupled aminoacylated RNAs were partially digested on guanosine residues with RNase T1. The non-aminoacylated RNA fragments resulting from this treatment were collected by rinsing the affinity matrix, whereas the aminoacylated fragments remaining on the agarose were eluted with 2 M 2-mercaptoethanol in the heat and collected separately. Both fractions (the aminoacylated and the non-aminoacylated fragments) were then analyzed on a denaturing 20% polyacrylamide gel. The analysis showed that the reaction site is located within the 3 'primer region (between the 3' end and position 137) because, unlike non-aminoacylated fragments, aminoacylated fragments are more retarded in the gel, ie migrate more slowly.
Zu 2. ) Zur exakten Bestimmung der Reaktionsstelle spaltete man das ursprünglich selektierte Clon-11-Ribozym in einen Substrat-Teil (28-mer-Oligonucleotid; Basenposition 137-164) und in einen katalytischen Teil (Ribozym 28-136; Basenposition 28-136) . Die vorgeschlagene Sekundärstruktur des Komplexes aus Ribozym 28-136 und dem Oligonucleotid-Substrat ist in Figur 6a gezeigt. Bei Inkubation des Ribozyms 28-136 und Biotin-Phe-AMP konnte ein signifikanter Anteil des verwendeten 28-mer-Oligonucleotids an Streptavidin-Agarose immobilisiert werden, was eindeutig zeigte, daß das Ribozym 28-136 die Aminoacylierung des Oligonukleotids katalysiert. Zu 3. ) Um zu bestimmen welche 2 ' -Hydroxylfunktion innerhalb des 28-mer-Oligonucleotids reagiert hatte, wurde das aminoacylierte 28-mer-Oligonucleotid mit basenspezifischen R asen sequenziert. Das Ergebnis ist in Figur 6b gezeigt . - Das Sequenzierungsmuster für das aminoacylierte und nicht- aminoacylierte Oligonucleotid ist vom 3 ' -Ende bis zur Position C147 identisch. An Position C147 zeigt das nicht-ami- noacylierte 28-mer-Oligonucleotid die erwartete Bande in der U/C Spur (Kreis in Fig. 6b) , während keine Bande bei dem aminoacylierten 28-mer-Oligonucleotid zu finden ist (Kästchen in Fig. 6b) . Die beobachtete Nucleaseresistenz an Position C147 für das aminoacylierte 28-mer-Oligonucleotid ist offensichtlich eine Folge der 2 ' -Veresterung. Die Sequenzierungsbanden, die den Positionen 148-164 zugeordnet werden können, weisen für das aminoacylierte Oligonucleotid eine reduzierte Gelmobilität auf (relativ zum nicht-aminoacylier- ten Oligonucleotid) .Re 2.) For the exact determination of the reaction site, the originally selected clone-11-ribozyme was split into a substrate part (28-mer oligonucleotide; base position 137-164) and into a catalytic part (ribozyme 28-136; base position 28- 136). The proposed secondary structure of the complex of ribozyme 28-136 and the oligonucleotide substrate is shown in Figure 6a. When the ribozyme 28-136 and biotin-Phe-AMP were incubated, a significant proportion of the 28-mer oligonucleotide used could be immobilized on streptavidin-agarose, which clearly showed that the ribozyme 28-136 catalyzes the aminoacylation of the oligonucleotide. To 3.) In order to determine which 2 'hydroxyl function had reacted within the 28-mer oligonucleotide, the aminoacylated 28-mer oligonucleotide was sequenced with base-specific lawns. The result is shown in Figure 6b. - The sequencing pattern for the aminoacylated and non-aminoacylated oligonucleotide is identical from the 3 'end to position C147. At position C147 the non-amino acylated 28-mer oligonucleotide shows the expected band in the U / C lane (circle in Fig. 6b), while no band is found with the amino-acylated 28-mer oligonucleotide (box in Fig 6b). The observed nuclease resistance at position C147 for the aminoacylated 28-mer oligonucleotide is obviously a result of the 2 'esterification. The sequencing bands which can be assigned to positions 148-164 show a reduced gel mobility for the aminoacylated oligonucleotide (relative to the non-aminoacylated oligonucleotide).
Zu 4.) Das MALDI-TOF-Massenspektrum der in-trans-Aminoacylierung und die in Tabelle II zusammengefaßte Analyse mit modifizierten 28-mer-Oligonucleotiden beweisen zweifelsfrei, daß die 2 ' -OH-Gruppe an Position C147 die atomare Position der Aminoacylierung ist.4.) The MALDI-TOF mass spectrum of the in-trans-aminoacylation and the analysis with modified 28-mer oligonucleotides summarized in Table II prove beyond doubt that the 2'-OH group at position C147 is the atomic position of the aminoacylation .
(h) Kinetische Analyse der Ribozym-katalysierten Aminoacylierung(h) Kinetic analysis of the ribozyme-catalyzed aminoacylation
Sowohl der Voll-Länge-Clon-11, als auch die unter (f) und (g) beschriebenen Ribozymvarianten wurden kinetisch charakterisiert . Die beobachteten Geschwindigkeitskonstanten der intramolekularen Aminoacylierungen sind in Tabelle I zusammengefaßt. Die Michaelis-Menten-Parameter für die vom Voll- Länge-Clon-11 katalysierte Reaktion wurden bestimmt mit kcat = 0,04 min-1 und Km = 119 μM (siehe Fig. 8) . Bei der in- trans-Reaktion (Aminoacylierung eines 28-mer Oligonucleotids mit Biotin-Phe-AMP durch das Ribozym 28-136) wurden sowohl die Hin- als auch die Rückreaktion untersucht. Die Quantifizierung der reversen Reaktion ist in Fig. 9 dargestellt. Die Analyse ergab, daß das Gleichgewicht der Reaktion mit einem logK von etwa -6 stark auf Seiten der Edukte (28-mer und Biotin-Phe-AMP) liegt.Both the full-length clone-11 and the ribozyme variants described under (f) and (g) were characterized kinetically. The observed rate constants for the intramolecular aminoacylations are summarized in Table I. The Michaelis-Menten parameters for the Length-clone-11 catalyzed reactions were determined with kcat = 0.04 min -1 and Km = 119 μM (see Fig. 8). In the in-trans reaction (aminoacylation of a 28-mer oligonucleotide with biotin-Phe-AMP by the ribozyme 28-136) both the outward and the reverse reaction were examined. The quantification of the reverse reaction is shown in Fig. 9. The analysis showed that the equilibrium of the reaction with a logK of approximately -6 is strongly on the side of the starting materials (28-mer and biotin-Phe-AMP).
Tabelle I Geschwindigkeitskonstanten der intramolekularen Aminoacylierung von verkürzten Clon 11-KonstruktenTable I Rate constants for intramolecular aminoacylation of truncated clone 11 constructs
Clon 11 Konstrukt (Nucleotid-Grenzen) ^Q-_s [h-1]^Clone 11 construct (nucleotide boundaries) ^ Q -_ s [h -1 ] ^
1-164 1 , 8 + 0 , 41-164 1, 8 + 0, 4
16-164 2 , 7 ± 0 , 216-164 2, 7 ± 0, 2
28-164 5 , 6 + 0 , 1 35-164§ n . d . *28-164 5, 6 + 0, 1 35-164 § n. d. *
38-164§ 3 , 6 + 0 , 338-164 § 3, 6 + 0, 3
43-164 043-164 0
48-164 048-164 0
1-160 0 1-154 01-160 0 1-154 0
1-145 01-145 0
38-160 038-160 0
38-154 1 , 0 ± 0 , 438-154 1.0 ± 0.4
38-145 038-145 0
# Reaktionsbedingungen: 5 μM RNA wurden mit 50 μM 1 in Selektionspuffer (12,5 mM MgCl2) inkubiert. Zu verschiedenen Zeitpunkten wurden der Reaktionsmischung Aliquots entnommen und an Streptavidin-Agarose gekoppelt . Die Geschwin- digkeitskonstanten k0]-.s wurden mittels der Gleichung [P] t = (RNA] - [RNA] exp(-kobs-t) bestimmt, wobei [P] t = Konzentration der aminoacylierten RNA zum Zeitpunkt t; [RNA] = Konzentration von Clon 11-RNA. * Die Reaktion verlief zu langsam, um k^g zu berechnen.# Reaction conditions: 5 μM RNA were incubated with 50 μM 1 in selection buffer (12.5 mM MgCl 2 ). At different times, aliquots were taken from the reaction mixture and coupled to streptavidin agarose. The speed constants k 0] -. s were determined using the equation [P] t = (RNA] - [RNA] exp (-k obs -t), where [P] t = concentration of the aminoacylated RNA at time t; [RNA] = concentration of clone 11 RNA. * The response was too slow to calculate k ^ g .
§ Die Werte für k^g dieser Konstrukte wurden dreifach bestimmt. Die Aktivitäten der anderen Clone wurden in Doppelbestimmungen gemessen. Die Länge der Clone wurde durch Analyse mittels Polyacrylamid-Gelelektrophorese bestätigt.§ The values for k ^ g of these constructs were determined in triplicate. The activities of the other clones were measured in duplicate. The length of the clones was confirmed by analysis using polyacrylamide gel electrophoresis.
Tabelle II Geschwindigkeitskonstanten der intermolekularen Aminoacylierung unter Verwendung verschiedener 28-mer Oligonucleotid-Table II Rate constants of intermolecular aminoacylation using various 28-mer oligonucleotide
Substräte.Substrates.
RNA 2 ' -Modifikation Base147 ^0_s [min-1]RNA 2 'modification base 147 ^ 0 _ s [min -1 ]
28 OH c 0 , 018 ± 5 - 10 " 4 28 OH c 0.018 ± 5-10 "4
28 -dC H c 028 -dC H c 0
28 -OCH-, OCH c 028 -OCH-, OCH c 0
28-NH. NH. c 028-NH. NH. c 0
28-U OH u 0 , 023 ± 1 , 6 - 1028-U OH u 0, 023 ± 1, 6 - 10
Reaktionsbedingungen: 5 μM Ribozym 28-136 wurden mit 10 nM modifiziertem 28-mer Oligonucleotid-Substrat und 1 mM 1 in Selektionspuffer (12,5 mM MgCl2) inkubiert.Reaction conditions: 5 μM ribozyme 28-136 were incubated with 10 nM modified 28-mer oligonucleotide substrate and 1 mM 1 in selection buffer (12.5 mM MgCl 2 ).
Ribozym-KinetikenRibozyme kinetics
Alle Aminoacylierungsreaktionen wurden bei Raumtemperatur in Selektionspuffer bei einer MgCl2-Konzentration von 12,5 mM durchgeführt . Ribonucleinsäuren wurden nach Standardprotokollen (Sambrook, J. , Fritsch, E.F. & Maniatis, T. (1989). Molecular Cloning: A Laboratory Manual., 2nd ed. CSHL-Press,All aminoacylation reactions were carried out at room temperature in selection buffer with a MgCl 2 concentration of 12.5 mM. Ribonucleic acids were analyzed according to standard protocols (Sambrook, J., Fritsch, EF & Maniatis, T. (1989). Molecular Cloning: A Laboratory Manual., 2nd ed. CSHL-Press,
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Cold Spring Harbor) am 5 ' -Ende [ P] -markiert . Intramolekulare Reaktionen wurden in 100 μl Volumina mit den in Figur 8 und Tabelle I angegebenen Konzentrationen von Ribozym und 1 durchgeführt. Den Reaktionsansätzen wurden zu 8 verschiedenen Zeiten 10 bis 15 μl-Aliquots entnommen. Nach Ethanol- fällung wurden die aminoacylierten RNAs gemäß Herstellerprotokoll (Pierce) an Streptavidin-Agarose gekoppelt, indem man die resuspendierten Proben 30 Minuten mit 50 μl gequollener Affinitätsmatrix inkubierte. Die Streptavidin-Agarose wurde anschließend in ein Spinfilter-Reaktionsgefäß (Millipore) überführt und gründlich mit den denaturierenden Puffern W2 und W3 gewaschen. Zu diesem Zweck zentrifugierte man das Reaktionsgefäß für 1 Minute bei 12 000 g. Der Anteil an aminoacylierter RNA wurde durch Messung der Radioaktivität bestimmt. Dazu wurden sowohl der Durchfluß (Waschfraktionen) als auch die Streptavidin-Agarose im ScintillationszählerCold Spring Harbor) at the 5 'end [P] marked. Intramolecular reactions were carried out in 100 μl volumes with the concentrations of ribozyme and 1 indicated in FIG. 8 and Table I. 10 to 15 μl aliquots were taken from the reaction batches at 8 different times. After ethanol precipitation, the aminoacylated RNAs were coupled to streptavidin agarose according to the manufacturer's protocol (Pierce) by swelling the resuspended samples for 30 minutes with 50 μl Affinity matrix incubated. The streptavidin agarose was then transferred to a spin filter reaction vessel (Millipore) and washed thoroughly with the denaturing buffers W2 and W3. For this purpose, the reaction vessel was centrifuged at 12,000 g for 1 minute. The proportion of aminoacylated RNA was determined by measuring the radioactivity. For this purpose, both the flow (wash fractions) and the streptavidin agarose in the scintillation counter
(Beckman) quantifiziert. Die Anfangsgeschwindigkeiten der Reaktionen wurden aus den erhaltenen Meßdaten durch "Curve fitting" berechnet (vgl. Fig. 8). Intermolekulare Reaktionen wurden in 25 μl-Volumina durchgeführt. Konzentrationen der Hinreaktion: [Ribozym 28-136] = 5,0 μM, [28-mer] = 20 nM und(Beckman) quantified. The initial rates of the reactions were calculated from the measurement data obtained by "curve fitting" (cf. FIG. 8). Intermolecular reactions were carried out in 25 ul volumes. Concentrations of the forward reaction: [Ribozyme 28-136] = 5.0 μM, [28-mer] = 20 nM and
[1] = 0,2, 0,5, 1,0, 2,5, und 5,0 mM. Konzentrationen der Rückreaktion: [Ribozym 28-136] = 5,0 μM, [28-mer-Phe-Biotin] = 5 nM, und [AMP] = 0,1, 0,25, 0,5, 1,0, 2,0, und 10,0 mM. Zu 10 verschiedenen Zeiten wurden 2 μl-Aliquots entnommen, wobei die Reaktion durch Zugabe von 5 μl PAGE Puffer (9,0 M Harnstoff, 20 mM EDTA) und Kühlung auf -80 °C gestoppt wurde. Die so erhaltenen Proben wurden anschließend auf einem 20%igen Polyacrylamidgel analysiert und am Phosphorimager[1] = 0.2, 0.5, 1.0, 2.5, and 5.0 mM. Concentrations of the reverse reaction: [ribozyme 28-136] = 5.0 μM, [28-mer-Phe-biotin] = 5 nM, and [AMP] = 0.1, 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, and 10.0 mM. 2 μl aliquots were removed at 10 different times, the reaction being stopped by adding 5 μl PAGE buffer (9.0 M urea, 20 mM EDTA) and cooling to -80 ° C. The samples thus obtained were then analyzed on a 20% polyacrylamide gel and on a phosphor imager
(Molecular Dynamics) ausgewertet (vgl. Fig. 9a und 10) . Die Werte für kobs wurden mit Hilfe dieser Daten durch "Curve fitting" bestimmt (vgl. Fig. 9b). Die Gleichgewichtskonstante K der intermolekularen Reaktion wurde berechnet nach:(Molecular Dynamics) evaluated (see. Fig. 9a and 10). The values for k obs were determined using this data by "curve fitting" (cf. FIG. 9b). The equilibrium constant K of the intermolecular reaction was calculated according to:
[28merPheBio] x [AMP][28merPheBio] x [AMP]
K =K =
[28mer] x [BioPheAMP][28mer] x [BioPheAMP]
Inhibitionsstudien wurden mit 0,045, 0,45, 2,25, 4,5 und 11,25 mM AMP bzw. Biotin, 11 μM Ribozym 28-164 und 45 μM Substrat 1 durchgeführt . Zu fünf verschiedenen Zeiten wurden dem Reaktionsansatz Aliquots entnommen und wie für die intramolekulare Kinetik beschrieben analysiert. Die Werte der Inhibitionskonstanten K^ berechnete man nach korS kQ/ (1+ [I] /Kj_) , mit 0ks = beobachtete Geschwindigkeitskonstante, kQ = Geschwindigkeit der nicht-inhibierten Reaktion,Inhibition studies were carried out with 0.045, 0.45, 2.25, 4.5 and 11.25 mM AMP or biotin, 11 μM ribozyme 28-164 and 45 μM substrate 1. Aliquots were taken from the reaction batch at five different times and analyzed as described for the intramolecular kinetics. The values of Inhibition constants K ^ were calculated according to k orS k Q / (1+ [I] / K j _), with 0 k s = observed rate constant, k Q = rate of the uninhibited reaction,
[I] = Inhibitorkonzentration, und K^ = Konzentration bei halbmaximaler Inhibition. [I] = inhibitor concentration, and K ^ = concentration at half maximum inhibition.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h eP a t e n t a n s r u c h e
L. Verfahren zur Selektion eines Ribozyms, das 2 ' -OH-Gruppen von Ribonucleinsäuren in trans kovalent modifizieren kann, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:L. A method of selecting a ribozyme capable of modifying 2'-OH groups of ribonucleic acids in trans covalently, the method being characterized by the following steps:
(a) Inkubation einer Ribonucleinsäurebibliothek mit einem Reaktanden, der mit einer 2 ' -OH-Gruppe in Ri- bonculeinsäuren reagieren kann,(a) incubation of a ribonucleic acid library with a reactant which can react with a 2'-OH group in riconculinic acids,
(b) Selektion und Isolation von Ribonucleinsäuren, die mit dem Reaktanden eine kovalente Bindung eingegangen sind,(b) selection and isolation of ribonucleic acids which have covalently bonded with the reactant,
(c) Umschreibung in cDNA und Amplifikation der in Schritt (b) erhaltenen Ribonucleinsäuren,(c) transcription in cDNA and amplification of the ribonucleic acids obtained in step (b),
(d) Iteratives Durchlaufen der Schritte (a) bis (c) ,(d) iteratively running through steps (a) to (c),
(e) Sequenzbestimmung der selektierten Ribonucleinsäuren,(e) sequence determination of the selected ribonucleic acids,
(f) Bestimmung der modifizierten 2 ' -OH-Gruppe innerhalb der selektierten Ribonucleinsäuren,(f) determination of the modified 2'-OH group within the selected ribonucleic acids,
(g) Spaltung der selektierten Ribonucleinsäure in einen Substratteil (I) und katalytischen Teil (II = Ribozym) ,(g) cleavage of the selected ribonucleic acid into a substrate part (I) and catalytic part (II = ribozyme),
(h) Überprüfung, ob der katalytisch aktive Teil (II) den Substratteil in trans kovalent modidfizieren kann.(h) Checking whether the catalytically active part (II) can covalently modify the substrate part.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die 2 ' -OH-Gruppe des Substratteils acyliert wird.2. The method according to claim 1, wherein the 2 '-OH group of the substrate part is acylated.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Donor für den auf die 2 ' -OH-Gruppe des Substratteils zu übertragenden Aminosäureteil Biotinyl-N-Phenylalanyl-2 ' (3 ' ) -Adenosin-5 ' - monophosphat (Bio-Phe-AMP) ist.3. The method according to claim 2, wherein the donor for the amino acid part to be transferred to the 2 'OH group of the substrate part biotinyl-N-phenylalanyl-2' (3 ') -adenosine-5' - monophosphate (Bio-Phe-AMP ) is.
--.. Ribozym, erhältlich durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3. - .. Ribozyme obtainable by the process according to one of claims 1 to 3.
5. Ribozym nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß es5. Ribozyme according to claim 4, characterized in that it
(a) die in Figur 6a durchgestellte Sekundärstruktur und Nucleinsäuresequenz von Position 28 bis 136 aufweist, oder(a) has the secondary structure and nucleic acid sequence shown in Figure 6a from positions 28 to 136, or
(b) eine von (a) abweichende Sequenz und/oder Sekundärstruktur aufweist, wobei diese Abweichungen nicht zum Verlust der ursprünglichen katalytischen Aktiv- tität führen.(b) has a sequence and / or secondary structure deviating from (a), these deviations not leading to the loss of the original catalytic activity.
6. DNA-Sequenz, das Ribozym nach Anspruch 4 oder 5 codierend.6. DNA sequence encoding the ribozyme according to claim 4 or 5.
7. Vektor, eine für ein Ribozym nach einem der Ansprüche 1 bis 5 codierende DNA-Sequenz enthaltend.7. Vector containing a DNA sequence coding for a ribozyme according to one of claims 1 to 5.
8. Vektor nach Anspruch 7, wobei die DNA-Sequenz mit regulatorischen Elementen funktioneil verknüpft ist, die die Transkription in prokaryontischen oder eukaryontischen Wirtszellen erlauben.8. The vector of claim 7, wherein the DNA sequence is functionally linked to regulatory elements that allow transcription in prokaryotic or eukaryotic host cells.
9. Vektor nach Anspruch 7 oder 8, der ein RNA-Virus ist.9. The vector of claim 7 or 8, which is an RNA virus.
10. Vektor nach Anspruch 9, der ein Retrovirus ist.10. The vector of claim 9 which is a retrovirus.
11. Wirtszelle, einen Vektor nach einem der Ansprüche 7 bis 10 enthaltend.11. Host cell containing a vector according to any one of claims 7 to 10.
12. Wirtszelle nach Anspruch 11, die ein Bakterium, eine Hefe-, Insekten-, Pflanzen- oder Tierzelle ist.12. A host cell according to claim 11 which is a bacterium, a yeast, insect, plant or animal cell.
13. Wirtszelle nach Anspruch 12, die eine Säugerzelle ist.13. The host cell of claim 12 which is a mammalian cell.
14. Verfahren zur Herstellung des Ribozyms nach Anspruch 4 oder 5, das ein enzymatisches oder chemisches Verfahren ist. 14. A process for producing the ribozyme according to claim 4 or 5, which is an enzymatic or chemical process.
15. Arzneimittel, enthaltend des Ribozym nach Anspruch 4 oder 5 , die DNA nach Anspruch 6 oder den Vektor nach einem der Ansprüche 7 bis 10.15. Medicament containing the ribozyme according to claim 4 or 5, the DNA according to claim 6 or the vector according to one of claims 7 to 10.
16. Arzneimittel nach Anspruch 15 zur Hemmung der Genexpression oder zur Bekämpfung von Retroviren in vitro oder in vivo .16. Medicament according to claim 15 for inhibiting gene expression or for combating retroviruses in vitro or in vivo.
17. Ribozym nach Anspruch 4 oder 5, DNA nach Anspruch 6 oder Vektor nach einem der Ansprüche 7 bis 10 zur Verwendung als sequenzspezifische Gensonde.17. Ribozyme according to claim 4 or 5, DNA according to claim 6 or vector according to one of claims 7 to 10 for use as a sequence-specific gene probe.
18. Ribozym nach Anspruch 4 oder 5, DNA nach Anspruch 6 oder Vektor nach einem der Ansprüche 7 bis 10 zur Herstellung nucleaseresistenter Ribonucleinsäuren oder zur Herstellung transgener Pflanzen.18. Ribozyme according to claim 4 or 5, DNA according to claim 6 or vector according to one of claims 7 to 10 for the production of nuclease-resistant ribonucleic acids or for the production of transgenic plants.
19. Verwendung des Ribozyms nach Anspruch 4 oder 5, der DNA nach Anspruch 6 oder des Vektors nach einem der Ansprüche 7 bis 10 zur Herstellung eines Medikaments zur Hemmung der Genexpression oder zur Bekämpfung von Retroviren in vivo oder in vitro, zur Herstellung nucleaseresistenter Ribonucleinsäuren oder transgener Pflanzen oder als sequenzspezifische Gensonde.19. Use of the ribozyme according to claim 4 or 5, the DNA according to claim 6 or the vector according to one of claims 7 to 10 for the manufacture of a medicament for the inhibition of gene expression or for the control of retroviruses in vivo or in vitro, for the production of nuclease-resistant ribonucleic acids or transgenic plants or as a sequence-specific gene probe.
20. Ribozym, erhältlich durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei nur die Schritte (a) bis (f) durchgeführt werden.20. Ribozyme obtainable by the method according to any one of claims 1 to 4, wherein only steps (a) to (f) are carried out.
21. Ribozym nach Anspruch 20 zur Verwendung als Ribozym, das tRNA-3 ' -Enden acyliert .21. Ribozyme according to claim 20 for use as a ribozyme which acylates tRNA-3 'ends.
22. Ribozym nach Anspruch 20 zur Verwendung als Aminoacyl- tRNA-Synthetase . 22. Ribozyme according to claim 20 for use as aminoacyl tRNA synthetase.
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