DE19646372C1 - Conjugates of polypeptide and encoding nucleic acid - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindung aus einer Struktureinheit A (Genotyp) und einer weiteren Struktureinheit B (Phänotyp) gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Ver fahren zur molekularen Genotyp/Phänotyp Kopplung durch Her stellung eines Fusionsproduktes gemäß der erfindungsgemäßen Verbindung nach Anspruch 12.The present invention relates to a compound of a Structural unit A (genotype) and another structural unit B (phenotype) according to the preamble of claim 1 and a ver drive to molecular genotype / phenotype coupling by Her position of a fusion product according to the invention A compound according to claim 12.
Eine Kopplung von Genotyp und Phänotyp ist insbesondere für die evolutive Biotechnologie wünschenswert, da auf diese Weise nach der Selektion von Polypeptid-Molekülen mit besonderen oder verbesserten Eigenschaften direkt auf deren codierende Sequenz zurückgegriffen werden kann. Es sind Verfahren beschrieben worden, die eine derartige Kopplung ermöglichen. Es handelt sich hierbei in erster Linie um Verfahren, welche die zu selektieren den Moleküle in vivo auf einer Oberfläche präsentieren z. B. auf einer Phagen-Oberfläche (Phage Display) auf einer Bakterien oberfläche (Bacterial Surface Display) oder auch direkt auf molekularer Ebene (Molecular Display) . Diese in vivo Verfahren zeichnen sich jedoch durch gravierende Nachteile aus. So ist, z. B. durch Transformation bedingt, die Repertoire-Größe auf etwa 10⁸ verschiedene Moleküle beschränkt. Selbst durch ein in vivo Diversifizierungsverfahren ließe sich das verfügbare Repertoire nur auf etwa 10¹² Moleküle erweitern. Theoretisch möglich wäre jedoch eine Diversität von < 10¹⁵ Molekülen. Darüberhinaus würden in vivo Systeme die Expression cytotoxischer Gene nicht ge statten. Zudem erlauben derartige Systeme nur wahlweise den direkten Zugriff auf cytoplasmatische oder auf sekretorische Proteine. Diese in vivo Systeme sind zudem mit einem bio logischen Sicherheitsrisiko behaftet, das in einigen Ländern die Arbeit mit derartigen Systemen nur eingeschränkt zuläßt. A coupling of genotype and phenotype is particularly important for evolutionary biotechnology desirable since this way the selection of polypeptide molecules with special or improved properties directly on their coding sequence can be used. Procedures are described that enable such a coupling. It is about primarily in the process of selecting the present the molecules in vivo on a surface such. B. on a phage surface (phage display) on a bacteria surface (Bacterial Surface Display) or directly on molecular level (Molecular Display). This in vivo procedure are characterized by serious disadvantages. So is, e.g. B. due to transformation, the repertoire size to about 10⁸ different molecules limited. Even through an in vivo The available repertoire could be diversified only expand to about 10 12 molecules. Would be theoretically possible however a diversity of <10¹⁵ molecules. Beyond that would in vivo systems the expression of cytotoxic genes not ge equip. In addition, such systems only allow that direct access to cytoplasmic or secretory Proteins. These in vivo systems are also with a bio logical security risk in some countries working with such systems is restricted.
Darüberhinaus ist ein in vitro Verfahren beschrieben, in dem DNA-Moleküle, welche die Sequenz eines Peptides und die eines Streptavidin-Bindungspeptides enthalten, in vitro transkribiert werden. An die Transkripte wird chemisch ein Streptavidin geknüpft, so daß bei der in vitro Translation die codierende RNA-Matrize mit dem entstandenen Peptid verknüpft wird. Dieses Verfahren besitzt jedoch mehrere Nachteile. So sind die Wechsel wirkungen zwischen Streptavidin und dem Streptavidin-Bindungs protein unter bestimmten Assay-Bedingungen nicht stabil. Zudem können Wechselwirkungen zwischen dem Streptavidin einer mRNA und dem Streptavidin-Bindungsprotein eines nicht von dieser mRNA codierten Fusionsproteins auftreten. Darüber hinaus kann eine Beeinflussung der Faltungsstruktur des zu selektierenden Peptides durch das Streptavidin-Bindungsprotein auftreten.In addition, an in vitro method is described in which DNA molecules, the sequence of a peptide and that of a Contain streptavidin binding peptides, transcribed in vitro will. A streptavidin is chemically attached to the transcripts knotted so that the coding in vitro translation RNA template is linked to the resulting peptide. This However, the process has several disadvantages. So are the changes effects between streptavidin and the streptavidin binding protein not stable under certain assay conditions. In addition can interactions between the streptavidin of an mRNA and the streptavidin binding protein, one not of this mRNA encoded fusion protein occur. In addition, a Influencing the folding structure of the one to be selected Peptides occur through the streptavidin binding protein.
Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht darin, ein risikominimiertes Verfahren zur Genotyp-Phänotyp- Kopplung anzugeben, und ein Konstrukt bereitzustellen, welche die bislang erreichbare Diversität übersteigen, die Expression cytotoxischer Gene und auch gleichermaßen die Selektion sowohl von cytoplasmatischen als auch sekretorischen Proteinen er möglichen und zudem nicht auf rekombinante Zellen angewiesen sind. Es sollen zudem insbesondere die Nachteile des oben be schriebenen in vitro Verfahrens vermieden werden.The technical problem underlying the invention exists in a risk-minimized method for genotype-phenotype- Specify coupling, and provide a construct, which the diversity achievable so far exceeds expression cytotoxic genes and equally selection both of cytoplasmic as well as secretory proteins possible and also not dependent on recombinant cells are. It should also be the disadvantages of the above described in vitro procedure can be avoided.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird gelöst durch eine Verbindung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß An spruch 12 zur molekularen Genotyp/Phänotyp Kopplung.The problem underlying the invention is solved by a compound according to claim 1 and a method according to An Proverb 12 on molecular genotype / phenotype coupling.
Die erfindungsgemäße Verbindung besteht aus einer Struktur einheit A (Genotyp) und einer weiteren Struktureinheit B (Phäno typ), bei der Genotyp und Phänotyp dauerhaft miteinander ver bunden sind, wobei die Struktureinheit A mindestens einen für mindestens ein aus Aminosäureeinheiten aufgebautes, polymeres Molekül codierenden Bereich aufweist und der oder die codieren de(n) Bereich(e) translatierbar ist oder sind, weiterhin in der Struktureinheit A eine erste Strukturuntereinheit (Terminator) in einem nicht translatierten Abschnitt angeordnet ist, die die Struktureinheit B als Translationsprodukt der Struktureinheit A mit der Struktureinheit A dauerhaft verbindet.The connection according to the invention consists of a structure unit A (genotype) and another structural unit B (pheno type), in which the genotype and phenotype are permanently ver are bound, the structural unit A at least one for at least one polymer composed of amino acid units Has molecule coding region and the one or more encode de (n) area (s) is or are translatable, still in the Structural unit A a first structural subunit (terminator) is arranged in a non-translated section that the Structural unit B as a translation product of the structural unit A permanently connects to the structural unit A.
Die dauerhafte Verknüpfung der Struktureinheiten A und B kann insbesondere durch Verwendung eines ribosomalen Translations systemes erfolgen.The permanent linking of structural units A and B can especially by using ribosomal translation system.
Erfindungsgemäß bezeichnet der Begriff Terminator eine Struktur untereinheit, welche die Struktureinheit B als Translations produkt der Struktureinheit A mit der Struktureinheit A dauer haft verknüpft. Als Terminatoren können erfindungsgemäß nucleophile chemische Gruppen, insbesondere organische Amino gruppen, verwendet werden, welche einen Carbonsäureester, insbesondere zwischen einer tRNA und der Struktureinheit B, unter Ausbildung einer dauerhaften, insbesondere kovalenten Bindung zu spalten vermögen. So können zum Beispiel alipha tische, zyklische oder aromatische Verbindungen, mit einer Aminogruppe, natürliche oder nicht natürliche Aminosäuren und Derivate, oder auch Puromycin und Derivate verwendet werden. Bei Verwendung eines ribosomalen Translationssystemes enthält der Terminator vorzugsweise zusätzlich eine stabile Molekül gruppe, die die 2′-3′-ortho-Ester-Struktur einer Aminoacyl-tRNA im Komplex mit Elongationsfaktor EF-Tu und GTP imitiert und daher vom Elongationsfaktor gebunden wird.According to the invention, the term terminator denotes a structure subunit, which the structural unit B as translations Product of structural unit A with structural unit A permanent linked. As terminators according to the invention nucleophilic chemical groups, especially organic amino groups, which are a carboxylic acid ester, in particular between a tRNA and the structural unit B, forming a permanent, especially covalent Can split bonds. For example, alipha table, cyclic or aromatic compounds, with a Amino group, natural or unnatural amino acids and Derivatives, or puromycin and derivatives are used. When using a ribosomal translation system the terminator preferably also has a stable molecule group that the 2'-3'-ortho-ester structure of an aminoacyl tRNA imitated in complex with elongation factor EF-Tu and GTP and is therefore bound by the elongation factor.
Die Kopplungsreaktion kann zufällig erfolgen, jedoch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, die Verknüpfung der Struktureinheit A mit der durch Translation entstandenen Struktureinheit B über eine auf der Struktureinheit A angeordnete zweite Strukturunter einheit wie z. B. ein Terminatorcodon zu steuern.The coupling reaction can be random, but it is advantageous according to the invention, the linkage of the structural unit A with the structural unit B created by translation a second structure below arranged on the structural unit A. unit such as B. to control a terminator codon.
Bei dem Terminatorcodon kann es sich um zufällige, auch inner halb eines codierenden Bereiches der Struktureinheit A liegende, bevorzugt jedoch um definierte, am 3′-terminalen Ende des codierenden Bereiches liegende Codons, beispielsweise Nonsense- Codons (UAG, UAA, UGA) oder beliebige Sinn-Codons, bevorzugt jedoch bezüglich des verwendeten Translationssystems seltene Sinn-Codons (z. B. AGA bei Verwendung eines E. coli Translations systems) handeln.The terminator codon can be random, even internal half of a coding area of the structural unit A, however preferred to defined at the 3'-terminal end of the coding area lying codons, for example nonsense Codons (UAG, UAA, UGA) or any sense codons, preferred however rare with regard to the translation system used Sinn codons (e.g. AGA when using an E. coli translation systems) act.
Die ortsspezifische Kopplung an einem definierten Terminator codon kann vorzugsweise mittels zweier Varianten des erfindungs gemäßen Verfahrens erfolgen:The site-specific coupling to a defined terminator codon can preferably by means of two variants of the invention according to the procedure:
- 1. Die ortsspezifische Kopplung kann erfindungsgemäß unter Verwendung eines Sinn-Codons als Terminatorcodon erfolgen, welches nicht stromaufwärts im codierenden Bereich der Struktur einheit A bereits vorhanden ist. Vorzugsweise wird hierfür das seltene AGA-Codon herangezogen, wobei in diesem Fall der Trans lationsansatz keine für das AGA-Codon spezifische tRNA enthalten sollte. Am AGA-Codon findet erfindungsgemäß der Peptidyltransfer auf den Terminator statt, welcher in diesem Fall nicht mit den entsprechenden tRNA-Molekülen des Translationsgemisches um die Besetzung der Aminoacyl-Bindungsstelle des Ribosoms konkurriert.1. According to the invention, the site-specific coupling can be found under Use of a sense codon as terminator codon, which is not upstream in the coding area of the structure unit A already exists. For this, preferably rare AGA codon used, in which case the Trans lation approach contain no tRNA specific for the AGA codon should. According to the invention, the peptidyl transfer takes place at the AGA codon on the terminator, which in this case does not match the corresponding tRNA molecules of the translation mixture around the Occupation of the aminoacyl binding site of the ribosome competes.
- 2. Die ortsspezifische Kopplung kann erfindungsgemäß auch durch eine Codon-Anticodon-Wechselwirkung erfolgen. Es ist erfindungsgemäß möglich, den Terminator über einen Spacer mit anderen Bereichen der Struktureinheit A zu verknüpfen. Im Falle der ortsspezifischen Kopplung mittels Codon-Anticodon-Wechsel wirkung wird ein Spacer mit tRNA-Struktur gewählt, welcher am Terminatorcodon den Transfer der naszierenden Struktureinheit B auf den Terminator vermittelt. Vorzugsweise wird auch hierfür wie oben beschrieben das AGA-Codon herangezogen, so daß das Translationsgemisch entsprechend vorbehandelt werden sollte.2. According to the invention, the site-specific coupling can also through a codon-anticodon interaction. It is possible according to the invention with the terminator via a spacer to link other areas of the structural unit A. In the event of the site-specific coupling by means of codon-anticodon change effect, a spacer with a tRNA structure is selected, which on Terminator codon the transfer of the nascent structural unit B conveyed to the terminator. This is also preferred the AGA codon as described above, so that the Translation mixture should be pretreated accordingly.
Im allgemeinen können als Spacer erfindungsgemäß beispielsweise natürliche und/oder synthetische Oligomere oder Polymere, wie z. B. beliebige Nukleinsäuresequenzen, eingesetzt werden. Die Verknüpfung des Spacers an weitere Bereiche der Struktureinheit A, wie z. B. das 3′-terminale Nukleotid einer mRNA, kann in beliebiger Weise erfolgen, vorzugsweise jedoch über die 3′-Position des terminalen Nukleotids. Es ist erfindungsgemäß zweckmäßig, diese Verknüpfung sowie weitere mögliche Ver knüpfungen innerhalb der Struktureinheit A so zu wählen, daß diese unter Assay-Bedingungen nicht spaltbar sind. Somit wird auch gewährleistet, daß nach dem Transfer der naszierenden Polypeptidkette auf den Terminator ein weiterer Transfer auf eine neue Aminoacyl-tRNA unterbleibt. Derartige Verknüpfungen können sowohl kovalenter Natur sein als auch auf molekularen Wechselwirkungen, z. B. zwischen Streptavidin oder Avidin und Biotin, Nickel-NTA und oligo-Histidin, Protein und Ligand, Antikörper und Antigen, oder auch zwischen zwei hybridisierenden Nukleinsäuren, beruhen. Die Verknüpfung des Terminators mit einem Ribonukleinsäure-Spacer kann beispielsweise über die 2′ und/oder 3′-Position erfolgen.In general, according to the invention, as spacers, for example natural and / or synthetic oligomers or polymers, such as e.g. B. any nucleic acid sequences can be used. The Linking the spacer to other areas of the structural unit A, such as B. the 3'-terminal nucleotide of an mRNA can in done in any way, but preferably via the 3'-position of the terminal nucleotide. It is according to the invention expedient, this link and other possible ver to choose links within the structural unit A so that these cannot be cleaved under assay conditions. Thus also ensures that after transferring the nascent Another transfer to the polypeptide chain on the terminator a new aminoacyl tRNA is omitted. Such links can be both covalent in nature and molecular Interactions, e.g. B. between streptavidin or avidin and Biotin, nickel-NTA and oligo-histidine, protein and ligand, Antibodies and antigen, or between two hybridizing Nucleic acids. Linking the terminator with a ribonucleic acid spacer can, for example, via the 2 ′ and / or 3'-position.
Die erfindungsgemäße Verbindung sowie das erfindungsgemäße Verfahren werden im folgenden beispielhaft anhand von Figuren dargestellt.The compound of the invention and the invention Methods are exemplified below with reference to figures shown.
Fig. 1: Allgemeines Prinzip der ribosomal katalysierten Kopp lung eines Polypeptids an seine eigene mRNA in vitro. Fig. 1: General principle of the ribosomally catalyzed coupling of a polypeptide to its own mRNA in vitro.
Fig. 2: Kopplung der naszierenden Polypeptidkette an ihre eigene mRNA durch ein aliphatisches Amin. Fig. 2: Coupling of the nascent polypeptide chain to its own mRNA by an aliphatic amine.
Fig. 3: Kopplung der naszierenden Polypeptidkette an ihre eigene mRNA durch ein Puromycin-Molekül. Fig. 3: coupling of the nascent polypeptide to its own mRNA through a puromycin molecule.
Fig. 4: Kopplung der naszierenden Polypeptidkette an ihre eigene mRNA durch eine mit Phenylalanin beladene, modifizierte tRNA. Fig. 4: Coupling of the nascent polypeptide chain at their own mRNA by a loaded with phenylalanine, modified tRNA.
Fig. 5: Kopplung der naszierenden Polypeptidkette an ihre eigene mRNA durch eine Anthraniloyl-tRNA. Fig. 5: Coupling of the nascent polypeptide to its own mRNA by an anthraniloyl-tRNA.
Fig. 6: Kopplung der naszierenden Polypeptidkette an ihre eigene mRNA durch eine intramolekulare, beladene Nonsense-Suppressor-tRNA. Fig. 6: Coupling of the nascent polypeptide chain at their own mRNA by an intramolecular laden nonsense suppressor tRNA.
Fig. 7: Kopplung der naszierenden Polypeptidkette an ihre eigene mRNA durch eine intramolekulare, mit Puromycin beladene tRNA. Fig. 7: Coupling of the nascent polypeptide chain at their own mRNA by an intramolecular loaded with puromycin tRNA.
Fig. 8: Kopplung der naszierenden Polypeptidkette an ihre eigene mRNA durch eine beladene tRNA, deren Amino säure mit der mRNA verknüpft ist. Fig. 8: Coupling of the nascent polypeptide chain to its own mRNA by a loaded tRNA, the amino acid of which is linked to the mRNA.
Die Fig. 1 zeigt das allgemeine Prinzip der in vitro Genotyp- Phänotyp Kopplung unter Verwendung eines ribosomalen Trans lationssystems. An den codierenden, translatierbaren Bereich der Struktureinheit A schließt sich ein Terminatorcodon an, welches über einen Spacer mit dem Terminator verknüpft ist. Nach Synthese des beschriebenen Konstruktes wird der codierende Bereich in vitro translatiert. Am Terminatorcodon gelangt der Terminator in die Aminoacyl-Bindungsstelle des translatierenden Ribosoms. Die naszierende Polypeptidkette (Struktureinheit B) wird katalytisch auf den Terminator transferiert. Als Kopplungs produkt entsteht ein Polypeptid, das am C-terminalen Ende über einen Terminator und einen Spacer stabil mit seiner codierenden Nukleinsäure verknüpft ist. Die Stabilität der Kopplung gewähr leistet, daß nach Selektion des Polypeptids mit der gewünschten Eigenschaft gleichzeitig der genetische Bauplan zur Verfügung steht. Symbole: A und P, Aminoacyl- bzw. Peptidyl-Bindungsstelle des Ribosoms; x Terminator. Fig. 1 shows the general principle of in vitro genotype-phenotype coupling using a ribosomal translation system. The coding, translatable region of the structural unit A is followed by a terminator codon, which is linked to the terminator via a spacer. After synthesis of the construct described, the coding region is translated in vitro. At the terminator codon, the terminator enters the aminoacyl binding site of the translating ribosome. The nascent polypeptide chain (structural unit B) is catalytically transferred to the terminator. The coupling product is a polypeptide that is stably linked to its coding nucleic acid at the C-terminal end via a terminator and a spacer. The stability of the coupling ensures that, after selection of the polypeptide with the desired property, the genetic blueprint is available at the same time. Symbols: A and P, aminoacyl and peptidyl binding site of the ribosome; x terminator.
Die Fig. 2 zeigt die Verwendung eines primären Amins als Terminator. Der codierende, translatierbare Bereich der Struktureinheit A ist hier eine mRNA, welche an Stelle eines Stop-Codons ein einziges AGA-Codon enthält, an das sich ein Spacer (hier Ribonukleinsäure) anschließt. Dessen 3′-Ende weist einen 3′-Desoxy-3′-aminoadenosin-Rest auf, der eine aliphatische Aminogruppe trägt. Der Translationsansatz enthält keine für das Arginin-Codon AGA spezifischen tRNA-Moleküle, so daß am AGA- Codon das modifizierte 3′-Ende das Spacers in die Aminoacyl- Bindungsstelle des translatierenden Ribosoms gelangen und die naszierende Polypeptidkette auf den Terminator übertragen werden kann. Als Kopplungsprodukt entsteht ein Polypeptid, das am C-terminalen Ende kovalent mit dem Terminator, der Spacer-RNA und mRNA verknüpft ist. Fig. 2 shows the use of a primary amine as a terminator. The coding, translatable region of the structural unit A here is an mRNA which, instead of a stop codon, contains a single AGA codon to which a spacer (here ribonucleic acid) is connected. Its 3'-end has a 3'-deoxy-3'-aminoadenosine residue which carries an aliphatic amino group. The translation approach contains no tRNA molecules specific for the arginine codon AGA, so that at the AGA codon the modified 3'-end of the spacer can enter the aminoacyl binding site of the translating ribosome and the nascent polypeptide chain can be transferred to the terminator. A polypeptide is formed as the coupling product, which is covalently linked at the C-terminal end to the terminator, the spacer RNA and mRNA.
Die Fig. 3 zeigt die Verwendung eines Puromycin-Moleküls als Terminator. Die mRNA enthält statt eines Stop-Codons ein einziges AGA-Codon, an das sich ein Spacer (hier Ribonuklein säure) anschließt. Dessen 3′-Ende weist einen über die 5′-OH- Gruppe gekoppelten Puromycin-Rest auf. Der Translationsansatz enthält keine für das Arginin-Codon AGA spezifischen tRNA- Moleküle, so daß am AGA-Codon das modifizierte 3′-Ende des Spacers in die Aminoacyl-Bindungsstelle des translatierenden Ribosoms gelangen und die naszierende Polypeptidkette auf den Terminator übertragen werden kann. Als Kopplungsprodukt entsteht ein Polypeptid, das am C-terminalen Ende kovalent mit dem Terminator, der Spacer-RNA und mRNA verknüpft ist. FIG. 3 shows the use of puromycin molecule as a terminator. The mRNA contains a single AGA codon instead of a stop codon, followed by a spacer (here ribonucleic acid). Its 3'-end has a puromycin residue coupled via the 5'-OH group. The translation approach does not contain any tRNA molecules specific for the arginine codon AGA, so that at the AGA codon the modified 3'-end of the spacer can enter the aminoacyl binding site of the translating ribosome and the nascent polypeptide chain can be transferred to the terminator. A polypeptide is formed as the coupling product, which is covalently linked at the C-terminal end to the terminator, the spacer RNA and mRNA.
Die Fig. 4 beschreibt die Kopplung der naszierenden Polypeptid kette an ihre eigene mRNA durch eine mit Phenylalanin beladene, modifizierte tRNA. Die mRNA enthält statt eines Stop-Codons ein einziges AGA-Codon, an das sich eine beliebige Ribonukleinsäure sequenz anschließt. Deren 3′-Ende weist einen 3′-Desoxy-3′- aminoadenosin-Rest auf, der kovalent an die X₄₇-Base einer mit Phenylalanin beladenen, am 3′-Ende modifizierten tRNA gekoppelt ist. Der Translationsansatz enthält keine für das Arginin-Codon AGA spezifischen tRNA-Moleküle, so daß am AGA-Codon das modi fizierte 3′-Ende des Spacers in die Aminoacyl-Bindungsstelle des translatierenden Ribosoms gelangen und so die naszierende Polypeptidkette auf den Terminator übertragen werden kann. Als Kopplungsprodukt entsteht ein Polypeptid, das am C-terminalen Ende kovalent mit dem Terminator, der Spacer-RNA und mRNA verknüpft ist. FIG. 4 describes the coupling of the nascent polypeptide chain to its own mRNA by a modified tRNA loaded with phenylalanine. Instead of a stop codon, the mRNA contains a single AGA codon, which is followed by any ribonucleic acid sequence. Their 3'-end has a 3'-deoxy-3'-aminoadenosine residue which is covalently coupled to the X₄₇ base of a tRNA loaded with phenylalanine and modified at the 3'-end. The translation approach does not contain any tRNA molecules specific for the arginine codon AGA, so that at the AGA codon the modified 3'-end of the spacer enters the aminoacyl binding site of the translating ribosome and the nascent polypeptide chain can thus be transferred to the terminator . A polypeptide is formed as the coupling product, which is covalently linked at the C-terminal end to the terminator, the spacer RNA and mRNA.
Die Fig. 5 verdeutlicht die Kopplung der naszierenden Poly peptidkette an ihre eigene mRNA durch eine derivatisierte Anthraniloyl-tRNA. Die mRNA enthält statt eines Stop-Codons ein einziges AGA-Codon, an das sich eine beliebige Ribonukleinsäure sequenz anschließt. Deren 3′-Ende weist einen 3′-Desoxy-3′- aminoadenosin-Rest auf, der kovalent an die X₄₇-Base einer derivatisierten Anthraniloyl-tRNA gekoppelt ist. Der Trans lationsansatz enthält keine für das Arginin-Codon spezifischen tRNA-Moleküle, so daß am AGA-Codon das modifizierte 3′-Ende des Spacers in die Aminoacyl-Bindungsstelle des translatierenden Ribosoms gelangen und so die naszierende Polypeptidkette auf den Terminator übertragen werden kann. Als Kopplungsprodukt entsteht ein Polypeptid, das am C-terminalen Ende kovalent mit dem Terminator, der Spacer-RNA und mRNA verknüpft ist. Fig. 5 illustrates the coupling of the nascent polypeptide chain to its own mRNA by a derivatized anthraniloyl tRNA. Instead of a stop codon, the mRNA contains a single AGA codon, which is followed by any ribonucleic acid sequence. Its 3'-end has a 3'-deoxy-3'-aminoadenosine residue which is covalently coupled to the X₄₇ base of a derivatized anthraniloyl tRNA. The translation approach contains no tRNA molecules specific for the arginine codon, so that at the AGA codon the modified 3'-end of the spacer can enter the aminoacyl binding site of the translating ribosome and the nascent polypeptide chain can be transferred to the terminator. A polypeptide is formed as the coupling product, which is covalently linked at the C-terminal end to the terminator, the spacer RNA and mRNA.
Die Fig. 6 verdeutlicht die Kopplung der naszierenden Poly peptidkette an ihre eigene mRNA durch eine intramolekulare, beladene Nonsense-Suppressor-tRNA. Die mRNA enthält das Stop- Codon UAG, an das sich ein Spacer (hier Ribonukleinsäure) anschließt. Der Spacer enthält die Nukleotidsequenz das Vor läufermoleküls einer Nonsense-Suppressor-tRNA und bildet eine entsprechende Tertiärstruktur aus. Das 3′-Ende ist durch eine stabile Amidbindung mit einer beliebigen (natürlichen oder unnatürlichen) Aminosäure verknüpft. Am Nonsense-Codon UAG kann der Spacer, der als beladende Suppressor-tRNA fungiert, in die Aminoacyl Bindungsstelle des translatierenden Ribosoms gelangen und die naszierende Polypeptidkette auf den Terminator über tragen werden. Als Kopplungsprodukt entsteht ein Polypeptid, das am C-terminalen Ende kovalent mit dem Terminator, der Spacer-RNA und mRNA verknüpft ist. Fig. 6 illustrates the coupling of the nascent polypeptide chain to its own mRNA by an intramolecular, loaded nonsense suppressor tRNA. The mRNA contains the stop codon UAG, which is followed by a spacer (here ribonucleic acid). The spacer contains the nucleotide sequence of the precursor molecule of a nonsense suppressor tRNA and forms a corresponding tertiary structure. The 3'-end is linked to any (natural or unnatural) amino acid by a stable amide bond. At the nonsense codon UAG, the spacer, which acts as a loading suppressor tRNA, can reach the aminoacyl binding site of the translating ribosome and the nascent polypeptide chain can be transferred to the terminator. A polypeptide is formed as the coupling product, which is covalently linked at the C-terminal end to the terminator, the spacer RNA and mRNA.
Die Fig. 7 zeigt die Kopplung der naszierenden Polypeptidkette an ihre eigene mRNA durch eine intramolekulare, mit Puromycin beladene tRNA. Die mRNA enthält statt eines Stop-Codons ein einziges AGA-Codon, an das sich ein Spacer (hier Ribonuklein säure) anschließt. Der Spacer enthält die Nukleotidsequenz des Vorläufermoleküls einer für das AGA-Codon spezifischen tRNA und bildet eine entsprechende Tertiärstruktur aus. Das 3′-terminale Nukleotid des Spacers (A₇₆) weist einen Puromycin-Rest auf. Der Translationsansatz enthält keine für das Arginin-Codon AGA spezifischen tRNA-Moleküle, so daß am AGA-Codon der Spacer, der als beladene tRNA fungiert, in die Aminoacyl-Bindungsstelle des translatierenden Ribosoms gelangen und die naszierende Poly peptidkette auf den Terminator übertragen werden kann. Als Kopplungsprodukt entsteht ein Polypeptid, das am C-terminalen Ende kovalent mit dem Terminator, der Spacer-RNA und mRNA verknüpft ist. FIG. 7 shows the coupling of the nascent polypeptide chain to its own mRNA by an intramolecular tRNA loaded with puromycin. The mRNA contains a single AGA codon instead of a stop codon, followed by a spacer (here ribonucleic acid). The spacer contains the nucleotide sequence of the precursor molecule of a tRNA specific for the AGA codon and forms a corresponding tertiary structure. The 3′-terminal nucleotide of the spacer (A₇₆) has a puromycin residue. The translation approach contains no tRNA molecules specific for the arginine codon AGA, so that on the AGA codon the spacer, which acts as a loaded tRNA, can enter the aminoacyl binding site of the translating ribosome and the nascent poly peptide chain can be transferred to the terminator . A polypeptide is formed as the coupling product, which is covalently linked at the C-terminal end to the terminator, the spacer RNA and mRNA.
Die Fig. 8 verdeutlicht die Kopplung der naszierenden Poly peptidkette an ihre eigene mRNA durch eine beladene tRNA, deren Aminosäure mit der mRNA verknüpft ist. Die mRNA enthält ein einziges AGA-Codon, an das sich ein Stop-Codon und ein Spacer (hier Ribonukleinsäure) anschließt. Der Spacer ist am 3′-Ende über eine Phosphodiesterbindung mit der Seitenkette des Termina tors kovalent verknüpft. Der Terminator wiederum ist über eine Aminoacylbindung an eine tRNA gebunden. Der Translationsansatz enthält keine für das Arginin-Codon AGA spezifischen tRNA- Moleküle, so daß am AGA-Codon der mit der mRNA gekoppelte Terminator in die Aminoacyl-Bindungsstelle des translatierenden Ribosoms gelangen und die naszierende Polypeptidkette auf den Terminator übertragen werden kann. Der darauffolgende Transfer des Peptidylrestes auf Wasser am Stop-Codon bewirkt die Frei setzung der AGA-spezifischen tRNA. Als Kopplungsprodukt entsteht ein Polypeptid, das am C-terminalen Ende kovalent mit dem Terminator, der Spacer-RNA und mRNA verknüpft ist. Weder die tRNA noch die Art der Aminosäure-Verknüpfung ist in dieser Ausführungsform verändert, so daß eine Bindung durch den Elongationsfaktor Tu unter nahezu natürlichen Bedingungen und somit ein effizienter Einbau des Terminatormoleküls ermöglicht werden. Fig. 8 illustrates the coupling of the nascent polypeptide chain to its own mRNA by a loaded tRNA, the amino acid of which is linked to the mRNA. The mRNA contains a single AGA codon, which is followed by a stop codon and a spacer (here ribonucleic acid). The spacer is covalently linked at the 3'-end via a phosphodiester bond with the side chain of the termina tors. The terminator in turn is linked to a tRNA via an aminoacyl bond. The translation approach contains no tRNA molecules specific for the arginine codon AGA, so that at the AGA codon the terminator coupled to the mRNA can enter the aminoacyl binding site of the translating ribosome and the nascent polypeptide chain can be transferred to the terminator. The subsequent transfer of the peptidyl residue to water at the stop codon causes the release of the AGA-specific tRNA. A polypeptide is formed as the coupling product, which is covalently linked at the C-terminal end to the terminator, the spacer RNA and mRNA. Neither the tRNA nor the type of amino acid linkage is changed in this embodiment, so that binding by the elongation factor Tu under almost natural conditions and thus an efficient incorporation of the terminator molecule are made possible.
Die experimentelle Umsetzung der in Fig. 8 dargestellten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispiel
haft durch folgende Schritte erfolgen:
Vorbereitende Schritte: (Endprodukt einsetzbar für beliebige
Kopplungsreaktionen)The experimental implementation of the embodiment of the method according to the invention shown in FIG. 8 can be carried out, for example, by the following steps:
Preparatory steps: (final product can be used for any coupling reactions)
- 1. Chemische Aminoacylierung des Diribonukleotids pC₇₅pA₇₆ mit einer Aminosäure, deren Seitenkette R mit einem beliebigen Diribonukleotid oder Didesoxyribonukleotid modifiziert ist [R = -CH₂-3′-pXpXp-5′];1. Chemical aminoacylation of the diribonucleotide pC₇₅pA₇₆ with an amino acid, the side chain R with any Diribonucleotide or dideoxyribonucleotide is modified [R = -CH₂-3′-pXpXp-5 ′];
- 2. Ligation des aminoacylierten Diribonukleotids mit einer für das Codon AGA spezifischen tRNA (C₇₄-Ende!) durch T4 -RNA-Ligase;2. Ligation of the aminoacylated diribonucleotide with a for the codon AGA specific tRNA (C₇₄ end!) T4 RNA ligase;
- 3. Reinigung der korrekten und funktionalen Ligationsprodukte (Aminoacyl-tRNAs) durch immobilisierten Elongationsfaktor EF-TU in Gegenwart von GTP;3. Cleaning the correct and functional ligation products (Aminoacyl tRNAs) by immobilized elongation factor EF-TU in the presence of GTP;
Weitere Schritte: (abhängig von dem zu selektierenden Ziel molekül);Further steps: (depending on the target to be selected molecule);
- 4. Diversifizierung des entsprechenden Polypeptid-Strukturgens durch chemische Resynthese (codon-based mutagenesis) oder durch Mutagenese- und/oder Rekombinations-PCR Unter dem Begriff "codon-based mutagenesis" wird im Sinne der Erfindung eine chemische Synthese von DNA verstanden, bei der statt Monomer-Bausteinen Trimere eingesetzt werden, die jeweils für eine bestimmte Aminosäure codieren. Durch Mischen von TrimerBausteinen bei der Synthese kann der Einbau verschiedener Codons im gewünschten Verhältnis an jeder Position erzielt werden.4. Diversification of the corresponding polypeptide structural gene through chemical resynthesis (codon-based mutagenesis) or by mutagenesis and / or recombination PCR The term "codon-based mutagenesis" is used in the sense the invention understood a chemical synthesis of DNA, in which trimers are used instead of monomer units, which each code for a specific amino acid. By The mixing of trimer building blocks in the synthesis can Installation of different codons in the desired ratio be achieved in any position.
- Unter dem Begriff "Mutagenese-PCR" wird im Sinne der Erfindung eine in-vitro-Amplifikation von DNA verstanden, bei der durch bestimmte Bedingungen eine fehlerhafte Verdopplung der DNA erzwungen wird.The term "mutagenesis PCR" is used in the sense of Invention understood an in vitro amplification of DNA, which is faulty due to certain conditions DNA duplication is enforced.
- Unter dem Begriff "Rekombinations-PCR" wird im Sinne der Erfindung eine in-vitro-Amplifikation von DNA verstanden, bei der durch Mischen von zufälligen DNA-Subfragmenten homologer Gene neue, mosaikartige Gene synthetisiert werden. Dieser Prozeß ist mit einer natürlichen Rekom bination vergleichbar;The term "recombination PCR" is used in the sense of Invention understood an in vitro amplification of DNA, by mixing random DNA subfragments homologous genes new, mosaic-like genes synthesized will. This process is with a natural recom bin comparable;
- 5. Erneute Amplifikation (Reamplification) der synthetisierten Strukturgene durch PCR, wobei der 5′-Primer einen Promotor (z. B. T7-Promotor) und eine Translationsinitationsregion (einschließlich ATG-Start- Codon), während der 3′-Primer sechs Histidin-Codons, das Terminatorcodon AGA und das Nonsense-Codon TAG einführt;5. Reamplification of the synthesized Structural genes by PCR, the 5'-primer being a promoter (e.g. T7 promoter) and one Translation initiation region (including ATG start Codon), while the 3'-primer six histidine codons, the Introduces terminator codon AGA and the nonsense codon TAG;
- 6. Präparation einer Spacer-DNA (z. B. chemische Synthese oder durch PCR), deren 5′-terminale Sequenz mit der 3′-termina len Sequenz des reamplifizierten Strukturgens überlappt;6. Preparation of a spacer DNA (e.g. chemical synthesis or by PCR), whose 5'-terminal sequence with the 3'-termina len sequence of the reamplified structural gene overlaps;
- 7. Verspleißen beider DNA-Fragmente durch SOE-PCR (splicing by overlap extension), wobei der Spacer den 3′ -terminalen Fusionspartner bildet.7. Splicing of both DNA fragments by SOE-PCR (splicing by overlap extension), the spacer being the 3 ′ terminal Fusion partner forms.
- Unter dem Begriff "SOE-PCR" wird im Sinne der Erfindung eine in-vitro-Amplifikation von DNA verstanden, bei der aufgrund überlappender Bereiche zwei DNA-Fragmente mit einander verspleißt werden;The term "SOE-PCR" is used in the sense of the invention understood an in vitro amplification of DNA in which due to overlapping areas with two DNA fragments be spliced together;
- 8. In-vitro-Transkription des Fusionsgens mit m⁷GpppG (5′- Cap-Struktur) als Primer (z. B. mit T7-DNA-Polymerase);8. In vitro transcription of the fusion gene with m⁷GpppG (5′- Cap structure) as a primer (e.g. with T7 DNA polymerase);
- 9. Reinigung des run-off-Transkriptes durch Polyacrylamidgel elektrophorese;9. Purification of the run-off transcript using polyacrylamide gel electrophoresis;
- 10. Ligation der synthetisierten RNA (freies 3′-OH-Ende; 5′-Ende durch Cap-Struktur geschützt) mit der Aminosäure- Seitenkette der aminoacylierten tRNA durch T4-RNA-Ligase;10. Ligation of the synthesized RNA (free 3'-OH end; 5'-end protected by cap structure) with the amino acid Side chain of aminoacylated tRNA by T4 RNA ligase;
- 11. Reinigung des Produktes durch Polyacrylamidgelelektro phorese;11. Cleaning of the product by polyacrylamide gel electro phoresis;
- 12. In-vitro-Translation der mRNA und Kopplung der naszierenden Polypeptidkette durch die für das AGA-Codon spezifische, aminoacylierte tRNA in Gegenwart eines E. coli Trans lationsgemisches, das durch entsprechende Vorbehandlung keine für das Arginin-Codon AGA spezifische tRNA-Moleküle mehr enthält;12. In vitro translation of the mRNA and coupling of the nascent Polypeptide chain by the specific for the AGA codon, aminoacylated tRNA in the presence of an E. coli trans lationsgemisch, by appropriate pretreatment no tRNA molecules specific for the arginine codon AGA contains more;
- 13. Abtrennung der Translationsfaktoren und Reinigung der Fusionsmoleküle durch Affinitätschromatographie an einer Nickel -NTA-Matrix.13. Separation of the translation factors and purification of the Fusion molecules by affinity chromatography on one Nickel -NTA matrix.
- Unter dem Begriff "Nickel-NTA-Matrix" wird im Sinne der Erfindung eine Matrix verstanden, die aufgrund eines immobilisierten Nickelions die Reinigung von Oligohistidin haltigen Biomolekülen ermöglicht;The term "nickel-NTA matrix" is used in the sense of Invention understood a matrix based on a immobilized nickel ions the purification of oligohistidine containing biomolecules;
- 14. In-vitro-Selektion von Fusionsmolekülen mit gewünschten Eigenschaften (z. B. durch Panning);14. In vitro selection of fusion molecules with desired ones Properties (e.g. through panning);
- 15. Reverse Transkription der angereicherten Fusionsmoleküle und Reamplifikation der genetischen Information durch PCR, wobei der 5′-Primer wiederum den Promoter und die Trans lationsinitiationsregion einführt, während der 3′-Primer mit der 3′-terminalen Sequenz des Spacers hybridisiert;15. Reverse transcription of the enriched fusion molecules and reamplification of the genetic information by PCR, the 5'-primer in turn the promoter and the trans lationsinitiationsregion introduces during the 3'-primer hybridizes with the 3'-terminal sequence of the spacer;
- 16. Wiederholung des beschriebenen Verfahrens ab Schritt 8.16. Repeat the procedure described from step 8.
Die experimentelle Umsetzung des ersten vorbereitenden Schrittes kann insbesondere auch unter Verwendung einer Aminosäure, deren Seitenkette mit einem beliebigen Oligoribonukleotid oder Oligo desoxyribonukleotid modifiziert ist, erfolgen.The experimental implementation of the first preparatory step can in particular also using an amino acid whose Side chain with any oligoribonucleotide or oligo deoxyribonucleotide is modified.
Weiterhin kann es bevorzugt sein, wenn die Seitenkette der Aminosäure ein freies 5′-OH-Ende aufweist, welches erst nach Ligation gemäß Schritt 2 5′-phosphoryliert wird. In vorteil hafter Weise läßt sich somit die Ausbeute von funktionalen Ligationsprodukten erhöhen.Furthermore, it can be preferred if the side chain of the Amino acid has a free 5'-OH end, which only after Ligation according to step 2 is 5'-phosphorylated. In an advantage The yield of functional ones can thus be obtained Increase ligation products.
In Anlehnung an Fig. 8 befindet sich in einer weiteren Aus führungsform mindestens ein Sinn-Codon zwischen Terminatorcodon und Stop-Codon. Auf diese Weise wird eine Kopplung zwischen Terminator und Polypeptidkette nicht mehr auf deren C-terminale Aminosäure beschränkt.Following Fig. 8 is located in a further guide form at least one sense codon between terminator codon and stop codon. In this way, coupling between the terminator and polypeptide chain is no longer restricted to their C-terminal amino acid.
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