WO2013026445A1 - Method for quickly isolating or purifying recombinant proteins using a (non-toxic) cholera toxin domain - Google Patents

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WO2013026445A1
WO2013026445A1 PCT/DE2012/000877 DE2012000877W WO2013026445A1 WO 2013026445 A1 WO2013026445 A1 WO 2013026445A1 DE 2012000877 W DE2012000877 W DE 2012000877W WO 2013026445 A1 WO2013026445 A1 WO 2013026445A1
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cholera toxin
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PCT/DE2012/000877
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Inventor
Holger PRIETZSCH
Juliane KLÜSS
Alain Steinmann
Udo Meyer
Nadine KOLP
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Bioserv Analytik Und Medizinprodukte Gmbh
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07KPEPTIDES
    • C07K1/00General methods for the preparation of peptides, i.e. processes for the organic chemical preparation of peptides or proteins of any length
    • C07K1/14Extraction; Separation; Purification
    • C07K1/16Extraction; Separation; Purification by chromatography
    • C07K1/22Affinity chromatography or related techniques based upon selective absorption processes

Abstract

The invention relates to a method for quickly, efficiently, and easily purifying proteins of protein or substance mixtures. The binding of a toxin (such as a cholera toxin) to the corresponding receptor (such as the GM1 receptor) is used, the binding being carried out not only in a very specific manner but also with high affinity. Said binding properties (affinity, specificity) are used in the invention in that a fusion protein is expressed which has a toxin-binding domain. The fusion protein can be used as a whole or only partly (without the toxin-binding domain) after being cleaved by a protease at a defined point. The aim of the invention consists in providing a quick and highly economical purification for proteins. The method can be used in medicine, veterinary medicine, science, research, and different branches of industry.

Description

Verfahren zur schnellen Isolation bzw. Aufreinigung von rekombinanten Proteinen mit einer (nicht-toxischen) Choleratoxin-Domäne  Process for the rapid isolation or purification of recombinant proteins with a (non-toxic) cholera toxin domain
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Isolation bzw. Aufreinigung von rekombinanten Proteinen mit einer (nicht-toxischen) Choleratoxin-Domäne. Anwendungsgebiete der Erfindung sind die Medizin, Veterinärmedizin, Wissenschaft und Forschung sowie verschiedene Zweige der Industrie  The invention relates to a process for the rapid isolation or purification of recombinant proteins with a (non-toxic) cholera toxin domain. Fields of application of the invention are medicine, veterinary medicine, science and research as well as various branches of industry
Cholera ist eine schwere, bakterielle Infektionskrankheit vorwiegend des Dünndarms, ausgelöst durch das Exotoxin (auch Choleratoxin genannt) des Erregers Vibrio cholerae. Die Infektion erfolgt zumeist über verunreinigtes Trinkwasser oder infizierte Nahrung, in denen sich die Bakterien befinden können. Die Folge einer Infektion ist extremer Durchfall und starkes Erbrechen, was zu einer sehr schnellen Austrocknung mit Elektrolytverlust führt. Obwohl die meisten Infektionen (etwa 85 %) ohne Symptome verlaufen, sterben jährlich immer noch 100000 bis 120000 Menschen an dieser Krankheit, insbesondere in der Dritten Welt (WHO, 2011). Aufgrund der Gefährlichkeit des Erregers wurde dieser frühzeitig intensiv erforscht. Das führte dazu, dass das Choleratoxin eines der ersten Toxine war, welches in Funktion und in seiner molekularen Struktur detailliert beschrieben wurde. Bakterielle Toxine sind dabei für Mikroorganismen biologische Instrumente, sich in einer feindlichen Umgebung durchzusetzen. Üblicherweise werden die klassischen Toxine von den Mikroorganismen in die Umgebung freigelassen, um dort in oder an den Zellen unabhängig von der Anwesenheit von Bakterien zu wirken. Dafür haben die Mikroorganismen eine erstaunliche Anzahl von Techniken entwickelt, um den Wirtsorganismus anzugreifen. Diese Eigenschaften der Proteintoxine werden häufig ausgenutzt, um sie als pharmakologische Werkzeuge beim Studium der Zellbiologie höher entwickelter Zellen auszunutzen. Unter diesen Toxinen, welche auf der Zelloberfläche wirken, gibt es solche die eine Formation mit einer Pore bilden. Andere Toxine wirken nur im Zytoplasma von Zellen und ermöglichen so die Erforschung der Mechanismen, wie diese in die Zellen eindringen können. Diese Proteintoxine sind dabei nicht nur hoch spezifisch, sondern ebenfalls sehr wirksam und außerordentlich effizient. Auch wenn diese Toxine sehr groß sind, können viele trotzdem in die Zelle eindringen, ohne die Zellmembran wesentlich zu schädigen. Diese hohe Spezifität und Effizienz der Toxine ist sehr wichtig für den Einsatz als Cholera is a severe, bacterial infectious disease predominantly of the small intestine, caused by the exotoxin (also called cholera toxin) of the pathogen Vibrio cholerae. The infection usually takes place via contaminated drinking water or infected food in which the bacteria may be present. The result of infection is extreme diarrhea and severe vomiting, resulting in very rapid dehydration with electrolyte loss. Although most infections (about 85%) have no symptoms, between 100,000 and 120,000 people still die every year from this disease, especially in the developing world (WHO, 2011). Due to the dangerous nature of the pathogen, it was investigated intensively at an early stage. As a result, cholera toxin was one of the first toxins to be described in detail and functionally and in terms of its molecular structure. Bacterial toxins are for microorganisms biological instruments to prevail in a hostile environment. Typically, the classical toxins are released by the microorganisms into the environment to act there in or on the cells regardless of the presence of bacteria. For this, the microorganisms have developed a surprising number of techniques to attack the host organism. These properties of protein toxins are often exploited to exploit them as pharmacological tools in the study of cell biology of more sophisticated cells. Among these toxins that act on the cell surface are those that form a formation with a pore. Other toxins only work in the cytoplasm of cells and thus allow the study of the mechanisms of how they can penetrate into the cells. These protein toxins are not only highly specific, but also very effective and extremely efficient. Even though these toxins are very large, many can still invade the cell without significantly damaging the cell membrane. This high specificity and efficiency of the toxins is very important for use as
BESTÄTIGUNGSKOPIE wissenschaftliches Werkzeug. Viele dieser Toxine können außerordentlich exakt zwischen (evolutionär) verwandten und strukturell sehr ähnlichen Ziel-Strukturen der Wirtsorganismen unterscheiden. Ein bakterielles Toxin aus dieser Gruppe ist das Choleratoxin, welches als eines der ersten Toxine detailliert analysiert und wissenschaftlich umfangreich beschrieben werden konnte. Im Rahmen der weltweiten Forschungen wurden die komplexen immunologischen Eigenschaften untersucht (protektives Immunogen, wirksames mukosales Adjuvant, Immunmodulator). Insbesondere die nicht toxische Untereinheit B (CTB) wird in einer mukosalen Vakzine für die Induktion einer effektiven intestinalen Immunität gegen das Choleratoxin genutzt, um so vor einer Choleraerkrankung zu schützen. Häufig ist dabei auch eine zusätzliche Kreuzimmunität gegen enterotoxische Escherichi coli zu beobachten (Clemens et al., 1988; Peltola et al., 1991; Scerpella et al., 1995). Das Toxin selber besteht dabei aus 2 Untereinheiten, dem Cholera-Toxin A (CTA) und dem Choleratoxin B (CTB). Während sich für den Infektionsvorgang 5 identische CTB-Einheiten zu einem ringförmigen Pentamer zusammenlagern und dabei im Zentrum eine Pore bilden, kann das Cholera-Toxin A durch diese Pore hindurch die betreffende Zelle infizieren. Eine wesentliche Vorraussetzung für Infektionsvorgang ist jedoch der Kontakt zur betreffenden Zielzelle. Dazu werden von den nichttoxischen CTB-Pentameren membranständige Glykolipid-Rezeptoren rekrutiert. Die bevorzugten Zielstrukturen des Choleratoxins B beim Infektionsvorgang sind dabei die ubiquitär auf den Oberflächen eukaryontischer Zellen vorkommenden GM 1 -Rezeptoren, wobei am mGM1 -Rezeptor die Bindung mit der höchsten Affinität erfolgt (Galßl , 3GalNAcß1,4[NeuAca2,3]Galß14GlcCer) (Van Heyningen et al., 1971 ; Cuatrecasas, 1973). Die Bindung des Choleratoxins an die GM 1 -Rezeptoren erfolgt dabei über eine so genannte Bindungstasche in der Proteinstruktur des Toxins. Nach Kontakt mit dem Rezeptor wird mit einem flexiblen "Loop" im Toxin (Aminosäuren 51- 58) das Choleratoxin durch molekulare Wechselwirkungen noch stärker an den Rezeptor herangezogen, was den Toxin-GM1 -Rezeptor-Komplex weiter stabilisiert. Eine weitere Erhöhung der Bindungsstärke wird durch Wasserstoffbrücken- Bindungen zu den endständigen Galaktose- und Sialinsäure-Molekülen der Zuckerreste der Rezeptoren bewirkt, was zu einer außergewöhnlich hohen Affinität führt (Dissoziationskonstante: CTB - mGM1 -Rezeptor: 7,3 χ 10'10 mol/L). Das Choleratoxin bindet ebenfalls (mit niedrigerer Affinität) an andere Rezeptoren (z.B. GD1 b, GQ1b, GD1a, GT1b und GM2) (Kuziemko et al., 1996; Fukuta et al., 1988; Angstrom et al., 1994; Lauer et al., 2002). CONFIRMATION COPY scientific tool. Many of these toxins can distinguish extremely precisely between (evolutionarily) related and structurally very similar target structures of the host organisms. A bacterial toxin from this group is cholera toxin, which was one of the first toxins to be analyzed in detail and scientifically extensively described. As part of the global research, the complex immunological properties were investigated (protective immunogen, effective mucosal adjuvant, immunomodulator). In particular, non-toxic subunit B (CTB) is used in a mucosal vaccine for the induction of effective intestinal immunity to cholera toxin so as to protect against cholera disease. Frequently, additional cross-immunity to enterotoxic Escherichia coli is also observed (Clemens et al., 1988, Peltola et al., 1991, Scerpella et al., 1995). The toxin itself consists of 2 subunits, the cholera toxin A (CTA) and the cholera toxin B (CTB). While for the infection process 5 identical CTB units assemble to form an annular pentamer and thereby form a pore in the center, the cholera toxin A can infect the cell in question through this pore. An essential prerequisite for the infection process, however, is the contact with the relevant target cell. For this purpose, non-toxic CTB pentamers are used to recruit membrane-bound glycolipid receptors. The preferred targets of cholera toxin B in the process of infection are the ubiquitous on the surfaces of eukaryotic cells occurring GM 1 receptors, wherein at the mGM1 receptor binding with the highest affinity occurs (Galßl, 3GalNAcß1,4 [NeuAca2,3] Galß14GlcCer) (Van Heyningen et al., 1971, Cuatrecasas, 1973). The binding of the cholera toxin to the GM 1 receptors takes place via a so-called binding pocket in the protein structure of the toxin. Upon contact with the receptor, a flexible "loop" in the toxin (amino acids 51-58) causes the cholera toxin to be even more strongly attracted to the receptor through molecular interactions, further stabilizing the toxin-GM1 receptor complex. A further increase in the binding strength is caused by hydrogen bonds to the terminal galactose and sialic acid molecules of the sugar residues of the receptors, resulting in an exceptionally high affinity (dissociation constant: CTB mGM1 receptor: 7.3 × 10 -10 mol / L). Cholera toxin also binds (with lower affinity) to other receptors (eg, GD1b, GQ1b, GD1a, GT1b, and GM2) (Kuziemko et al., 1996; Fukuta et al., 1988; Angstrom et al., 1994; Lauer et al., 2002).
Nach Ausbildung des Kontaktes vom Choleratoxin zum GM 1 -Rezeptor kommt es zur Endozytose des Komplexes in die Zellen. Das erfolgt durch Signalpeptide des Choleratoxins unter Ausnutzung entsprechender Transporter in der Zellmembran. Nach Internalisation des Choleratoxins wird es nach dem retrograden Transport über den Trans-Golgi-Komplex in das endoplasmatische Retikulum aufgenommen (Sandvig et al., 1994; Nichols & Lippincott-Schwartz; 2001). Dabei werden ARF- Proteine (ADP-Ribosylierungs-Faktoren) rekrutiert, um eine irreversible Ribosylierung des trimären GTP-bindenden Proteins Gsa hervorzurufen. Dadurch erfolgt eine permanente Aktivierung der Adenylatcyclase, wodurch ein starker Anstieg des cAMP-Spiegels in der Zelle erzwungen wird. Der Anstieg des Signalmetaboliten cAMP führt dann zu einer starken Erhöhung der Proteinkinase A-Aktivität, welche nun eine Phosphorylierung vieler apikaler Chloridkanäle in den intestinalen Epithelzellen bewirkt (Field, 1989). Die dadurch erhöhte Chlorid-Sekretion und die gleichzeitige Blockade basolateraler Ionen-Transporter (McRoberts et al.,1985) führt durch osmotische Mechanismen zum starken Wasserverlust. After the formation of contact from the cholera toxin to the GM 1 receptor, endocytosis of the complex occurs in the cells. This is done by signal peptides of the cholera toxin using appropriate transporters in the cell membrane. Upon internalization of the cholera toxin, it is taken up into the endoplasmic reticulum via the trans-Golgi complex after retrograde transport (Sandvig et al., 1994, Nichols & Lippincott-Schwartz, 2001). It recruits ARF proteins (ADP-ribosylation factors) to induce irreversible ribosylation of the trimeric GTP-binding protein Gs a . This results in a permanent activation of adenylate cyclase, which enforces a strong increase of the cAMP level in the cell. The increase in the signal metabolite cAMP then leads to a strong increase in protein kinase A activity, which now causes phosphorylation of many apical chloride channels in the intestinal epithelial cells (Field, 1989). The increased chloride secretion and concomitant blockade of basolateral ion transporters (McRoberts et al., 1985) leads to severe water loss through osmotic mechanisms.
Anwendungen in Forschung und Biotechnologie (aus: Miller, 2008, sowie Alouf und Popoff, 2006): Applications in research and biotechnology (from: Miller, 2008, and Alouf and Popoff, 2006):
1. Verteilung von GM-1 -Rezeptoren auf der Zelloberfläche und Internalisierung1. Distribution of GM-1 Receptors on the Cell Surface and Internalization
Die hohe und sehr spezifische Bindung von CTB an GM 1 -Rezeptoren wird in der Forschung genutzt, um GM 1 -Rezeptoren in zellulären Membranen zu markieren. Dadurch kann die Verteilung bzw. Vorkommen von GM 1 -Rezeptoren in Lipiddomänen ermittelt werden. Ebenso ist auch die Dynamik der Internalisierung von GM 1 -Rezeptoren analysierbar. Durch die Markierung des CTB mit Fluoreszenzfarbstoffen kann der Weg nach der Internalisierung, d.h. welche Kompartimente/Zellorganellen in den Zellen beteiligt sind, verfolgt werden. Auf diese Art und Weise ist der Import ins endoplasmatische Retikulum der Wirtszelle dokumentierbar. The high and very specific binding of CTB to GM 1 receptors is being used in research to tag GM 1 receptors in cellular membranes. As a result, the distribution or occurrence of GM 1 receptors in lipid domains can be determined. Similarly, the dynamics of internalization of GM 1 receptors can be analyzed. By labeling the CTB with fluorescent dyes, the route to internalization, i. which compartments / cell organelles are involved in the cells. In this way, the import into the endoplasmic reticulum of the host cell is documented.
2. Funktionen des Choleratoxins 2. Functions of cholera toxin
Auf Grund der nichttoxischen Eigenschaft der CTB-Untereinheit wird diese verwendet, um das Infektionsverhalten bzw. den Krankheitsverlauf der Cholera aufzuklären. CTB kann risikolos an lebenden Zellen angewendet werden. Durch Einsatz der CTB-Untereinheit konnten Erkenntnisse über Effekte der Infektion auf die Expression von Genen, der Aktivierung von Enzymen (z.B. Adenylatcyclase, Proteinkinase A) und Veränderungen der Konzentration von Signalmetaboliten (z.B. cAMP) in der Wirtszelle analysiert werden. Due to the non-toxic nature of the CTB subunit, it is used to assess the infection behavior or disease course of cholera enlighten. CTB can be used safely on living cells. By using the CTB subunit, insights into the effects of infection on the expression of genes, the activation of enzymes (eg adenylate cyclase, protein kinase A) and changes in the concentration of signal metabolites (eg cAMP) in the host cell could be analyzed.
3. Bestimmung des Choleratoxin-Gehaltes 3. Determination of cholera toxin content
Die Messung der Menge an Choleratoxin kann durch Quantifizierung über die Choleratoxin B-Untereinheit erfolgen. Dazu werden in einem ELISA-Assay Kavitäten einer Platte mit Fängermolekülen (Anti-Choleratoxin-Antikörper oder GM1- Rezeptoren) beschichtet und mit der zu analysierenden Lösung in Kontakt gebracht. Sollten Choleratoxin-Moleküle enthalten sein, werden diese vom Beschichtungs- Antikörper bzw. dem GM 1 -Rezeptor fixiert. Nach Zugabe eines weiteren Antikörpers (markiert mit Enzymen oder Fluoreszenzfarbstoffen) der gegen Choleratoxin- Moleküle gerichtet ist, kann eine Quantifizierung erfolgen.  The measurement of the amount of cholera toxin can be made by quantification via the cholera toxin B subunit. To this end, in an ELISA assay, wells of a plate are coated with catcher molecules (anti-cholera toxin antibodies or GM1 receptors) and brought into contact with the solution to be analyzed. If cholera toxin molecules are contained, they are fixed by the coating antibody or the GM 1 receptor. After addition of another antibody (labeled with enzymes or fluorescent dyes) which is directed against cholera toxin molecules, quantification can take place.
4. Analyse der Verteilung von Lipid-Mikrodomänen auf der Zelloberfläche 4. Analysis of the distribution of lipid microdomains on the cell surface
Der Einsatz von biotin- oder radioaktiv markierten GM 1 -Rezeptoren dient der Lokalisation sogenannter Lipid-Mikrodomänen. Diese mit Sphigolipiden und Cholesterin angereicherten Bereiche werden mit markierten GM 1 -Rezeptoren sichtbar gemacht, so dass diese Mikrodomänen in Bezug auf Anzahl, Größe und Verteilung auf der Zelloberfläche untersucht werden können. Insbesondere für die Untersuchungen zur Endo- bzw. Transzytose (z.B. Bildung von Caveolen bzw. Weitertransport als Vesikel in der Zelle) sind diese Mikrodomänen von Bedeutung.  The use of biotin or radioactively labeled GM 1 receptors serves to localize so-called lipid microdomains. These sphigolipid and cholesterol enriched regions are visualized with labeled GM 1 receptors so that these microdomains can be screened for cell surface number, size, and distribution. These microdomains are of particular importance for the studies on endo- or transcytosis (for example formation of caveols or further transport as vesicles in the cell).
5. Verwendung von CTB für immunologische Anwendungen 5. Use of CTB for immunological applications
Das Choleratoxin war eines der ersten Toxine, dessen molekulare Struktur und Funktion detailliert beschrieben wurde, ebenso wie dessen komplexe immunologische Eigenschaften (protektives Immunogen, Adjuvanz und Immunmodulator) (Holmgren, 1981; Guerrant, 1985). Diese Untersuchungen führten unter anderem auch zur Identifikation der nichttoxischen CTB-Untereinheit als besseres Ziel für neutralisierende Antikörper im Vergleich mit der CTA-Untereinheit. Dementsprechend erfolgte auch der Einsatz von CTB als mukosale Vakzine für die Induktion einer intestinalen Immunität gegen die Choleraerkrankung (Holmgren & Svennerholm, 1998). Die hohe Stabilität von CTB als Pentamer ermöglicht damit die gute Eignung dieses Moleküls zur oralen Verabreichung. Aufgrund der strukturellen Verwandtschaft von CTB mit dem Hitzelabilen Enterotoxin aus Escherichia coli, wird auch eine, wenn auch zeitlich kürzere, Immunität erreicht. Cholera toxin was one of the first toxins whose molecular structure and function has been described in detail, as well as its complex immunological properties (protective immunogen, adjuvant and immunomodulator) (Holmgren, 1981, Guerrant, 1985). Among other things, these studies also led to the identification of the non-toxic CTB subunit as a better target for neutralizing antibodies compared to the CTA subunit. Accordingly, the use of CTB as a mucosal vaccine for the induction of intestinal immunity to cholera disease (Holmgren & Svennerholm, 1998). The high stability of CTB as a pentamer thus allows the suitability of this molecule for oral administration. Due to the structural similarity of CTB with the heat-labile enterotoxin from Escherichia coli, immunity is achieved, albeit temporally shorter.
6. Einsatz des GM 1 -Rezeptors zur Absorbierung enteraler viraler Pathogene 6. Use of the GM 1 receptor for the absorption of enteric viral pathogens
Ein weiterer Verwendungszweck für einen GM 1 -Rezeptor besteht in der Bindung oder Absorption von pathogenen viralen Partikeln bzw. enteraler Viren im gastrointestinalen Trakt. Durch diesen Einsatz soll nach oraler Gabe bei Menschen oder Tieren eine Absorption viraler Partikel ermöglicht werden, so dass diese dann ausgeschieden werden können. Damit soll eine Infektion enteraler Viren verhindert bzw. vermindert werden. Mögliche Applikationsformen sind die Gabe von GM1- Rezeptoren allein oder gekoppelt an nicht resorbierbare Beads (US Patent 5192551, 2. Mai 1989 ) Another use for a GM 1 receptor is the binding or absorption of pathogenic viral particles or enteric viruses in the gastrointestinal tract. Through this application, after oral administration in humans or animals, absorption of viral particles is made possible, so that they can then be eliminated. This is intended to prevent or reduce the infection of enteric viruses. Possible administration forms are the administration of GM1 receptors alone or coupled to nonabsorbable beads (US Pat. No. 5,195,551, May 2, 1989)
Die Erfindung hat das Ziel, eine schnelle und sehr ökonomische Aufreinigung von Proteinen zu erreichen. Die Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Isolierung über Fusionsproteine zu entwickeln. Die Erfindung wird entsprechend den Ansprüchen realisiert. The invention aims to achieve a fast and very economical purification of proteins. The object is to develop a method for isolation via fusion proteins. The invention is realized according to the claims.
Kernstück der Erfindung ist Ausnutzung der bekannten hohen Affinität und Spezifität zwischen GM 1 -Rezeptoren und dem Choleratoxin B (CTB). Es werden mit GM1- Rezeptoren-beschichtete Beads oder andere GM 1 -Rezeptor-beschichteten Oberflächen eingesetzt, um Fusionsproteine (die eine CTB-Domäne besitzen) aus einer Lösung bzw. einem Proteingemisch isolieren. Durch die Bindung der GM1- Rezeptoren mit der CTB-Domäne des Fusionsproteins wird die Abtrennung von anderen Proteinen bzw. aus Stoffgemischen hochspezifisch durchgeführt. At the heart of the invention is the utilization of the known high affinity and specificity between GM 1 receptors and cholera toxin B (CTB). GM1 receptor-coated beads or other GM 1 receptor-coated surfaces are used to isolate fusion proteins (which have a CTB domain) from a solution or protein mixture. The binding of the GM1 receptors with the CTB domain of the fusion protein, the separation of other proteins or from mixtures of substances is carried out highly specific.
Es ergibt sich dadurch ebenfalls die Möglichkeit der Isolation eines Fusionsproteins, dass als Bestandteil das Amyloid-Precurser-Protein enthält (bzw. die Aminosäuresequenz der Bindungsstelle oder ein verkürztes Peptidstück mit der Bindungsstelle im Amyloid-Precurser-Protein für die Bindung an einen GM1- Rezeptor). Hierbei erfolgt ebenfalls eine effiziente Bindung an die GM1-Rezeptoren. Natürlich können auch andere Toxine, die als Domäne eines Fusionsproteins genutzt werden, um mit den zu diesen Toxinen passenden/spezifischen/komplementären Rezeptoren gebunden werden und damit analog wie in 1 aufgereinigt/isoliert werden können. Eine Eigenart von Toxinen, die an passende Rezeptoren binden, ist die hohe Affinität und Spezifität der Bindung die sich für den hier dargestellten Zweck eignen. This also results in the possibility of isolating a fusion protein that contains as component of the amyloid precursor protein (or the amino acid sequence of the binding site or a truncated piece of peptide with the binding site in the amyloid precursor protein for binding to a GM1 receptor ). Efficient binding to the GM1 receptors also takes place here. Of course, other toxins that are used as the domain of a fusion protein may be compatible with the specific / complementary to these toxins Receptors are bound and thus can be cleaned / isolated analogously as in 1. A peculiarity of toxins that bind to suitable receptors is the high affinity and specificity of the binding that are suitable for the purpose shown here.
Der entscheidende Vorteil unserer Entwicklung liegt in der Vermeidung des Einsatzes von Antikörpern zum einen und in der großen Zeitersparnis zum anderen, wie das im Folgenden dargestellt wird. The decisive advantage of our development lies in the avoidance of the use of antibodies on the one hand and in the large time savings on the other, as shown below.
Viele Arbeitsgruppen weltweit setzen Antikörper zur Anreicherung bzw. Isolation von Proteinen ein. Die Herstellung der dazu notwendigen Antikörper (für jedes einzelne Protein muss dabei eine separate Erzeugung der entsprechenden Antikörper erfolgen) müssen fast immer Tiere eingesetzt werden. Diese werden mehrfach geimpft, damit nach mehreren Wochen ausreichende Mengen von spezifischen Antikörpern aus dem Serum extrahiert werden können. Dabei fallen Tierhaltungskosten an (besonders große Säuger wie Schaf, Esel oder Ziege sind sehr kostenintensiv) und enden oft mit dem Tod der Tiere, was insbesondere bei kleineren Säugern der Fall ist, um das gesamte Blut und die darin enthaltenen Antikörper zu gewinnen. Ein weiteres Problem ist auch die unterschiedliche Qualität in Bezug auf die Spezifität der gegen das Antigen gerichteten Antikörper, die von Tier zu Tier oft sehr schwankend ist. Des Weiteren wird mit dieser Methode selbst im gleichen Tier keine einheitliche Antikörperpopulation erzeugt, sondern nur ein Gemisch verschiedener Antikörper gegen unterschiedliche Epitope des Antigens (sogenannte polyklonale Antikörper), so dass erneute Immunisierungen weiterer, zusätzlicher Tiere häufig erforderlich sind. Neben den polyklonalen Antikörpern besteht auch die Methode der Produktion von monoklonalen Antikörpern, die dann lange eine gleichbleibende Qualität gewährleisten können. Aber auch hier müssen Tiere eingesetzt werden, denen nach mehrmaligen Impfungen die Milz entnommen wird, um eine Verschmelzung mit Hybridomazellen durchzuführen. Allerdings sind das ausgesprochen arbeits- und kosten intensive Verfahren. Die Etablierung einer monoklonale Antikörper produzierenden Zelllinie für ein einziges Antigen bzw. Zielprotein kostet in der Regel nicht unter 10000€ realisierbar.  Many research groups around the world use antibodies to enrich or isolate proteins. The preparation of the necessary antibodies (for each protein must be carried out a separate generation of the corresponding antibodies) almost always animals must be used. These are vaccinated several times, so that after several weeks sufficient quantities of specific antibodies can be extracted from the serum. Animal husbandry costs are incurred (especially large mammals such as sheep, donkeys or goats are very cost intensive) and often end in death, which is particularly the case in smaller mammals to recover all the blood and antibodies contained therein. Another problem is also the difference in quality with respect to the specificity of the antibodies directed against the antigen, which is often very variable from animal to animal. Furthermore, with this method, even in the same animal no uniform antibody population is generated, but only a mixture of different antibodies against different epitopes of the antigen (so-called polyclonal antibodies), so that re-immunizations of other, additional animals are often required. In addition to the polyclonal antibodies, there is also the method of producing monoclonal antibodies, which can then ensure a consistent quality for a long time. But here, too, animals must be used, which after repeated vaccinations, the spleen is removed to perform a merger with hybridoma cells. However, these are extremely labor-intensive and cost-intensive procedures. The establishment of a monoclonal antibody-producing cell line for a single antigen or target protein usually costs not less than € 10000 feasible.
Andere Möglichkeiten der Proteinisolation sind die Nutzung von Verfahren, wie z.B. Gelfiltration, lonenaustauschchromatographie, Aussalzungen oder auf hydrophoben Interaktionen basierende Chromatographiemethoden. Dabei wird versucht, durch Ausnutzung individueller chemischer/biochemischer bzw. physikalischer Eigenschaften der Zielproteine diese von unerwünschten Proteinen abzutrennen. Häufig müssen dazu verschiedene Verfahren gekoppelt werden. Das Austesten bzw. Anpassen der Verfahren ist dabei nicht nur sehr zeit- und damit kostenaufwändig, sondern führt auch zwangläufig zu einen zunehmenden Verlust des Zielproduktes während der Bearbeitung. Other possibilities of protein isolation include the use of methods such as gel filtration, ion exchange chromatography, salting out or chromatography methods based on hydrophobic interactions. An attempt is made, by using individual chemical / biochemical or physical Characteristics of the target proteins to separate them from unwanted proteins. Frequently, different procedures have to be coupled with it. The testing or adaptation of the method is not only very time-consuming and thus costly, but also inevitably leads to an increasing loss of the target product during processing.
In dem von uns dargestellten Verfahren wird der Aufwand und das Risiko des Erfolges bei der Isolation sehr stark begrenzt. Vorbereitend erfolgt nur die Einschleusung eines Gens (es enthält die DNA-Sequenz für die CTB-Domäne und die des Zielproteins und ggf. den Arbeitszielen entsprechend, eine Proteaseschnittstelle zwischen der DNA-Sequenz der CTB-Domäne und dem Zielprotein) in einen Expressionorganismus (z.B. Hefen, Bakterien oder Pflanzen). Die dazu notwendigen Abläufe sind vielfach in der Molekularbiologie praktizierte und gut bekannte bzw. gut kontrollierbare Methoden. Während der natürlicherweise im Organismus permanent ablaufenden Protein-Synthesen wird auch das über ein Gen in den Organismus einklonierte Fusionsprotein produziert, welches mit den GM1- Rezeptoren (kostengünstig kommerziell beziehbar) von den anderen, unerwünschten Proteinen/Stoffen abgetrennt wird.  In the method we have described, the effort and risk of success in isolation is very limited. Preparatory takes place only the introduction of a gene (it contains the DNA sequence for the CTB domain and the target protein and, where appropriate, the objectives of the work, a protease interface between the DNA sequence of the CTB domain and the target protein) in an expression organism (eg Yeasts, bacteria or plants). The necessary processes are often practiced in molecular biology and well-known or well-controlled methods. During the protein synthesis, which naturally takes place permanently in the organism, the fusion protein which is cloned into the organism via a gene is also produced, which is separated from the other unwanted proteins / substances by the GM1 receptors (commercially commercially available).
Die Erfindung soll nachfolgend durch Anwendungsbeispiele näher erläutert werden. The invention will be explained in more detail by application examples.
Anwendungsbeispiele: Application examples:
1. Isolation eines Fusionsproteins zur Immunisierung durch permanente 1. Isolation of a fusion protein for immunization by permanent
Fixierung an eine mobile Matrix: Fixation to a mobile matrix:
Die Aufreinigung von Proteinen u. a. zur Immunisierung in einer hohen Reinheit ist sehr oft mit vielen Teilschritten verbunden, welche in der Summe nicht nur zeit- und kostenintensiv sind, sondern auch zu Verlusten bei der Ausbeute des Produktes im Vergleich zur vorhandenen Ausgangsmenge führen. Wir minimieren diese Verluste und beschleunigen die Gewinnung der Zielproteine, indem wir GM 1 -Rezeptoren auf biodegradierbare Beads binden und diese in ein Proteingemisch aus gentechnisch modifizierten Organismen applizieren. In diese Organismen wurde mittels Genvektoren die Gensequenz für das Fusionsprotein (bestehend aus dem Choleratoxin und dem gewünschten Ziel-Protein) einkloniert, damit die gentechnisch modifizierten Organismen dieses Fusionsprotein exprimieren. Die Zugabe von den mit den GM1 -Rezeptoren beschichteten Beads führt zur Bildung von Komplexen, bestehend aus (biodegradierbaren) Beads+GM1-Rezeptoren+Fusionsproteine, welche sich mit wenigen Waschschritten zuverlässig, einfach und schnell von anderen, unerwünschten Proteinen separieren lassen. Auf Grund der Tatsache, dass die CTB-Domäne einen adjuvanten, Immunogenitäts-steigernden Effekt hat, kann dieser Komplex zur Immunisierung gegen Krankheiten eingesetzt werden. The purification of proteins, among other things, for immunization in a high purity is very often associated with many substeps, which in sum are not only time and cost intensive, but also lead to losses in the yield of the product compared to the existing starting amount. We minimize these losses and accelerate the recovery of target proteins by binding GM 1 receptors to biodegradable beads and applying them to a protein mixture of genetically modified organisms. The gene sequence for the fusion protein (consisting of the cholera toxin and the desired target protein) was cloned into these organisms by means of gene vectors, so that the genetically modified organisms express this fusion protein. The addition of the beads coated with the GM1 receptors leads to the formation of complexes consisting of (biodegradable) beads + GM1 receptors + fusion proteins, which can be reliably, easily and quickly separated from other unwanted proteins with just a few washes. Due to the fact that the CTB domain has an adjuvant, immunogenicity-enhancing effect, this complex can be used to immunize against diseases.
2. Isolation eines Fusionsproteins ohne permanente Fixierung an eine Matrix Die Aufreinigung bzw. Isolierung des Fusionsproteins erfolgt genauso wie im Anwendungsbeispiel 1. Eine Erweiterung dieser Methode besteht darin, dass nach Bindung des GM1 -Rezeptors an das Fusionsprotein der gesamte Komplex von der Matrix wieder abgelöst wird. Somit kann der gesamte Komplex wieder in Lösung aufgenommen werden. Dazu werden Reagenzien eingesetzt, welche die Bindung des Rezeptors von der Matrix ermöglichen. 2. Isolation of a Fusion Protein Without Permanent Fixation to a Matrix The purification or isolation of the fusion protein takes place in the same way as in Application Example 1. An extension of this method is that after binding of the GM1 receptor to the fusion protein, the entire complex is detached from the matrix again becomes. Thus, the entire complex can be resumed in solution. For this purpose, reagents are used which allow the binding of the receptor from the matrix.
Eine weitere, zusätzliche Möglichkeit der Ablösung des gesamten Komplexes von der Matrix kann auf folgende Art durchgeführt werden: Holmberg ei al. beschrieben die Möglichkeit einer Trennung von aneinander gebundenen Biotin- und Streptavidin-Molekülen nach kurzzeitiger Hitzeeinwirkung in wässrigen Systemen (Holmberg et al., 2005). Dieser von Holmberg beschriebene Effekt wird für die Trennung der GM1 -Fusionsprotein-Komplexe von der Matrix angewendet. Unter Einsatz von biotinylierten GM 1 -Rezeptoren und magnetischen Beads (beschichtet mit Streptavidin) können Fusionsproteine mit einer Choleratoxin- Domäne gebunden werden. Nach Separation der magnetischen (Streptavidin- beschichteten) Beads mit den daran gebundenen (biotinylierten) GM1- Fusionsprotein-Komplexen von den restlichen Proteinen, kann nun die Trennung von der Matrix (den Beads) durch Hitzeeinwirkung erfolgen, indem die Bindung zwischen Biotin und Streptavidin gebrochen wird. Um die Zeit der Hitzeeinwirkung auf das Fusionsprotein möglichst gering zu halten (Schutz vor möglicher Denaturierung durch thermische Effekte) durchströmen die Beads mit den daran gekoppelten GM1 -Rezeptor-Fusionsprotein-Komplexen in einem wässrigen Milieu eine dünne Kapillare/Röhre. Durch diesen geringen Durchmesser kann punktuell die Lösung sehr schnell erhitzt und danach wieder abgekühlt werden (weil das erhitzte Volumen der Lösung sehr klein ist), um die Gefahr der Denaturierung des Fusionsproteins zu minimieren. Die Energiezufuhr kann beispielsweise durch einen Infrarotlaser erfolgen. Ebenfalls kann eine Energiequelle zur Wärmeerzeugung in Form eines elektromagnetischen Wechselfeldes (Induktionsfeld) zum Einsatz kommen. Dabei werden durch das Induktionsfeld nur die magnetischen Beads erhitzt, so dass die Gefahr der Denaturierung des Fusionsproteins weiter minimiert werden kann, weil weniger das wässrige Medium sondern in erster Linie die Matrix (magnetische Beads) erwärmt wird. Nach der Trennung der magnetischen (Streptavidin-beschichteten) Beads von den biotinylierten GM1 -Rezeptoren (mit den daran gebunden Fusionsprotein- Komplexen) muss eine erneute Wiederherstellung der Streptavidin-Biotin- Bindung verhindert werden. Das kann durch eine starke Erweiterung des Kapillar- /Rohrquerschnitts zusammen mit einer Ummantelung der geweiteten/vergrößerten Kapillare (bzw. Rohres) mit einem Ringmagneten (oder einer anderen Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes) unmittelbar im Anschluss an die Stelle erfolgen, an der in der Kapillare die Energiezufuhr zur Wärmeerzeugung erfolgt (siehe Abbildung 2/2). Es ergibt sich folgender Effekt: Während die abgetrennten (biotinylierten) GM 1 -Rezeptoren mit den gebundenen Fusionsproteinkomplexen mit dem Flüssigkeitsstrom weiter transportiert werden, verbleiben die (Streptavidin-beschichteten) Beads an den Innenseiten der von dem Magneten ummantelten (geweiteten) Kapillarwände. Another additional possibility of removing the entire complex from the matrix can be carried out in the following manner: Holmberg et al. described the possibility of a separation of bound biotin and streptavidin molecules after short-term exposure to heat in aqueous systems (Holmberg et al., 2005). This effect, described by Holmberg, is used for the separation of the GM1 fusion protein complexes from the matrix. Using biotinylated GM 1 receptors and magnetic beads (coated with streptavidin), fusion proteins can be bound to a cholera toxin domain. After separation of the magnetic (streptavidin-coated) beads with the (biotinylated) GM1 fusion protein complexes bound thereto from the remaining proteins, the separation of the matrix (s) by heat can now be effected by breaking the bond between biotin and streptavidin becomes. In order to keep the time of the heat impact on the fusion protein as low as possible (protection against possible denaturation by thermal effects), the beads with the coupled GM1 receptor fusion protein complexes flow through a thin capillary / tube in an aqueous medium. Due to this small diameter, the solution can be heated very rapidly at one point and then cooled again (because the heated volume of the solution is very small) in order to minimize the risk of denaturation of the fusion protein. The energy supply can, for example, by an infrared laser. Likewise, an energy source for heat generation in the form of an electromagnetic alternating field (induction field) can be used. In this case, only the magnetic beads are heated by the induction field, so that the risk of denaturation of the fusion protein can be further minimized, because less the aqueous medium but primarily the matrix (magnetic beads) is heated. After separation of the magnetic (streptavidin-coated) beads from the biotinylated GM1 receptors (with the fusion protein complexes bound to them), re-restoration of streptavidin-biotin binding must be prevented. This can be done by a strong extension of the Kapillar- / Rohrquerschnitts together with a sheath of the widened / enlarged capillary (or tube) with a ring magnet (or other device for generating a magnetic field) immediately after the point at which in the Capillary the energy supply for heat generation takes place (see Figure 2/2). The result is the following effect: While the separated (biotinylated) GM 1 receptors with the bound fusion protein complexes are transported further with the liquid flow, the (streptavidin-coated) beads remain on the insides of the capillary walls enclosed by the magnet.
Die freien GM1-Fusionsprotein-Komplexe können in Emulsion für Immunisierungszwecke eingesetzt werden, möglich ist aber auch die Gewinnung nativer Enzyme für wissenschaftliche, industrielle oder medizinische Zwecke (z.B. Restriktionsnukleasen, Proteasen, Enzyme für Synthesen), es kann aber auch eine Konservierung zur längerfristigen Lagerung (Gefriertrocknung) erfolgen. Mit dem Anwendungsbeispiel 2 (unter Nutzung einer mit GM1 -Rezeptoren beschichteten, planen Matrix) kann man nach Inkubation eines Proteinextraktes aus Pflanzen (das exprimierte Fusionsprotein enthaltend) und nur drei finalen Waschvorgängen eine Reinheit von mindestens 95 % erreichen (Kontrolle erfolgte durch Auftrennung der abgelösten Komplexe von der Matrix in einer SDS-PAGE, gefolgt von einer Silberfärbung) The free GM1 fusion protein complexes can be used in emulsion for immunization purposes, but it is also possible to obtain native enzymes for scientific, industrial or medical purposes (eg restriction nucleases, proteases, enzymes for syntheses), but it can also be a preservative for longer-term storage (Freeze-drying). With application example 2 (using a GM1 receptor-coated, planar matrix), after incubation of a protein extract from plants (containing the expressed fusion protein) and only three final washings, a purity of at least 95% can be achieved (control was carried out by separation of the detached Complexes of the matrix in SDS-PAGE followed by silver staining)
3. Isolation eines Fusionsproteins mit einer Proteaseschnittstelle 3. Isolation of a fusion protein with a protease cleavage site
Eine Weiterentwicklung dieser schnellen und einfachen Aufreinigung besteht in der nachträglichen Trennung der Choleratoxin-Domäne vom restlichen Teil des Fusionsproteins (Zielprotein-Domäne). Dazu wird vor der Einklonierung des Fusionsprotein-Gens in den Expressionsvektor eine Gensequenz für eine Proteaseschnittstelle zwischen der für das Choleratoxin und dem "angehängten" (Ziel-)Protein codierende Sequenz eingefügt. Nach Synthese des Fusionsproteins mit der Proteaseschnittstelle in einem entsprechenden Expressionssystem erfolgt wie in Anwendungsbeispiel 1 die Abtrennung von den anderen Proteinen bzw. Stoffgemischen. Durch Zugabe einer für die Schnittstelle passenden Protease, kann von dem auf der Matrix fixierten Komplex (bestehend aus: A further development of this quick and easy purification consists in the subsequent separation of the cholera toxin domain from the remaining part of the Fusion protein (target protein domain). For this purpose, before cloning the fusion protein gene into the expression vector, a gene sequence for a protease cleavage site is inserted between the sequence coding for the cholera toxin and the "attached" (target) protein. After synthesis of the fusion protein with the protease cleavage site in a corresponding expression system, as in application example 1, the separation from the other proteins or mixtures of substances takes place. By adding a protease suitable for the interface, the complex fixed on the matrix (consisting of:
GM1-Rezeptor+Choleratoxindomäne+Proteaseschnittstelle+Zielprotein-Domäne) der Teil des Funktionsproteins abgetrennt werden. Wird zuvor die eingesetzte Protease biotinyliert, kann mittels Streptavidin-gecoateter Beads die Protease wieder entfernt werden (entsprechende Kits bestehend aus biotinylierter Protease und Streptavidin-beschichteter Beads sind kommerziell erhältlich). Das sich nach der Abtrennung in Lösung befindliche Funktionsprotein kann nachfolgend mit Molekularsieben eingeengt bzw. aufkonzentriert werden. Die auf der Matrix verbliebenen GM 1 -Rezeptoren mit der gebunden Choleratoxin-Domäne werden komplett verworfen oder die Matrix wird regeneriert. GM1 receptor + cholera toxin domain + protease interface + target protein domain) the part of the functional protein can be separated. If the protease used is previously biotinylated, the protease can be removed again using streptavidin-coated beads (corresponding kits consisting of biotinylated protease and streptavidin-coated beads are commercially available). The functional protein in solution after separation can subsequently be concentrated or concentrated with molecular sieves. The remaining on the matrix GM 1 receptors with the bound cholera toxin domain are completely discarded or the matrix is regenerated.
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Abbildungsverzeichnis List of Figures
Abbildung 1 : Schematische Darstellung der Aufreinigung eines Proteins durch Isolation über eine Toxinbindungs-Domäne und der Abspaltung durch eine Protease Figure 1: Schematic representation of the purification of a protein by isolation via a toxin binding domain and the cleavage by a protease
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Isolation eines Fusionsproteins ohne permanente Fixierung an eine Matrix Figure 2: Schematic representation of the isolation of a fusion protein without permanent fixation to a matrix

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur schnellen Isolation bzw. Aufreinigung von rekombinanten Proteinen mit einer (nicht-toxischen) Choleratoxin-Domäne, dadurch gekennzeichnet, dass eine Matrix mit GM1 -Rezeptoren beschichtet und mit einem Proteinextrakt in Kontakt gebracht wird, welcher ein rekombinantes Protein bestehend aus einer Choleratoxinproteindomäne und einem zu reinigenden Protein enthält, nach Bindung des rekombinanten Proteins an der Matrix mehrfach mit Puffer gewaschen wird und schließlich eine weitere Verarbeitung der erhaltenen Proteins erfolgt. 1. A process for the rapid isolation or purification of recombinant proteins with a (non-toxic) cholera toxin domain, characterized in that a matrix is coated with GM1 receptors and brought into contact with a protein extract, which is a recombinant protein consisting of a Choleratoxinproteindomäne and a protein to be purified, after binding of the recombinant protein to the matrix is washed several times with buffer and finally carried out a further processing of the resulting protein.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Matrix z.B. aus Kugeln (beads) der Größe von 1 μηι bis 100 μηι besteht.  Method according to claim 1, characterized in that a matrix e.g. consists of beads (beads) of size from 1 μηι to 100 μηι.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Fusionsprotein von der Matrix abgelöst wird.  3. The method according to claim 1, characterized in that the fusion protein is detached from the matrix.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Fusionsprotein zusammen mit der Matrix weiterverarbeitet wird. 4. The method according to claim 1, characterized in that the fusion protein is further processed together with the matrix.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Fusionsprotein entweder auf der Matrix oder nach Ablösung von der Matrix durch geeigneter5. The method according to claim 1, characterized in that the fusion protein either on the matrix or after detachment from the matrix by suitable
Proteasen gespalten wird. Proteases is split.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das6. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the
Fusionsprotein, gegebenenfalls nach seiner Isolierung, zur Immunisierung vonFusion protein, optionally after isolation, for the immunization of
Krankheiten eingesetzt wird. Diseases is used.
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