DE10207313A1 - In vitro or in vivo site-specific DNA recombination, useful e.g. for gene inactivation, using Cre recombinase that lacks heterologous protein-transduction domain - Google Patents
In vitro or in vivo site-specific DNA recombination, useful e.g. for gene inactivation, using Cre recombinase that lacks heterologous protein-transduction domainInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft neuartige Verfahren und Kits zum Einbringen eines Polypeptids mit Cre-Rekombinase-Aktivität in eukaryotische Zellen. Die Erfindung betrifft ferner Polypeptide mit Cre-Rekombinase-Aktivität sowie ein Reportersystem, welches nach Einbringen in eine entsprechende Zelle Aufschluß über eine erfolgreiche DNA-Rekombination gibt. Schließlich betrifft die Erfindung Kits zum Nachweis ortsspezifischer DNA- Rekombinationen. The present invention relates to novel methods and kits for introducing a polypeptide having Cre recombinase activity in eukaryotic cells. The invention further relates Polypeptides with Cre recombinase activity and a reporter system, which after introduction into a corresponding cell digestion about successful DNA recombination. In the end The invention relates to kits for the detection of site-specific DNA Recombinations.
Stand der TechnikState of the art
Sequenz-spezifische Rekombinationen, die zu einem gerichteten Einfügen, Ausschneiden oder zu einer Inversion von Nukleinsäureabschnitten führen, können für eine Vielzahl von Anwendungen von großem Nutzen sein. In Bakterien, Bakteriophagen und Hefen wurden bereits einige ortsspezifische Rekombinasen gefunden und charakterisiert. Sie gehören zur Familie der λ-Integrasen (auch bezeichnet als "Tyrosin-Rekombinasen"), für die inzwischen über 100 Mitglieder aufgrund von Sequenzhomologien identifiziert wurden. Rekombinasen erkennen spezifische DNA-Sequenzen und katalysieren den gegenseitigen (reziproken) Austausch der DNA-Abschnitte zwischen diesen Erkennungssequenzen. Die am besten untersuchten Beispiele sind die Integrase aus dem Bakteriophagen λ, die bakteriellen Rekombinasen XerC und XerD, die Flp-Rekombinase aus Hefe sowie die zum Cre/lox-System gehörende Cre-Rekombinase aus dem Bakteriophagen P1. Sequence-specific recombinations leading to a directed Insert, cut or inversion of Nucleic acid sections can be used for a variety of applications be of great use. In bacteria, bacteriophages and yeasts were already found some site-specific recombinases and characterized. They belong to the family of λ integrases (also referred to as "tyrosine recombinases"), for which over 100 now Members were identified based on sequence homologies. Recombinases recognize specific DNA sequences and catalyze the mutual (reciprocal) exchange of the DNA sections between these recognition sequences. The best studied Examples are the integrase from the bacteriophage λ, the bacterial recombinases XerC and XerD, yeast Flp recombinase as well as belonging to the Cre / lox system Cre recombinase from the Bacteriophage P1.
Die Funktion des Cre/lox-Systems im Vermehrungszyklus des Bakteriophagen P1 liegt unter anderem in der Zyklisierung des linearen Genoms und der Auflösung von dimeren Phagen-Plasmiden, um damit eine effiziente Aufteilung des Phagengenoms während der bakteriellen Zellteilung zu gewährleisten (Austin et al. (1981) Cell 25: 729-36; Abremski et al. (1983) Cell 32: 1301-11). Die Zielsequenz der Cre-Rekombinase, die sogenannte loxP-Sequenz, besteht aus 2 Rekombinase-Bindungselementen von 13 bp (Basenpaaren), die als "inverted repeats" eine zentrale Sequenz von 8 bp flankieren. Die zentrale 8 bp-Sequenz bestimmt die Orientierung der 34 bp loxP-Sequenz. Für ein Rekombinationsereignis formen vier Cre- Moleküle und zwei loxP-Sequenzen eine kreuzförmige Zwischenstruktur, die durch den reziproken Strangaustausch aufgelöst wird (Gou et al. (1997) Nature 389: 40-6). The function of the Cre / lox system in the propagation cycle of the Bacteriophage P1 is among other things in the cyclization of the linear Genome and the dissolution of dimeric phage plasmids to order an efficient division of the phage genome during the bacterial cell division (Austin et al. (1981) Cell 25: 729-36; Abremski et al. (1983) Cell 32: 1301-11). The Target sequence of Cre recombinase, the so-called loxP sequence exists from 2 recombinase binding elements of 13 bp (base pairs), the as "inverted repeats" flank a central sequence of 8 bp. The central 8 bp sequence determines the orientation of the 34 bp loxP sequence. For a recombination event, four cre- Molecules and two loxP sequences are cross-shaped Intermediate structure that is resolved by the reciprocal strand exchange (Gou et al. (1997) Nature 389: 40-6).
Das Cre/lox-System ist aufgrund seiner Spezifität ein nützliches Werkzeug für viele Anwendungen in der Gentechnik (Sauer (1998), Methods 14: 381-392; Kilby et al. (1993) Trends Genet. 9: 413-21). Die loxP-Sequenzen können beispielsweise in Vektoren oder in das Genom von anderen Zellen integriert werden und dort als Zielsequenz für gezielte Integrationen, Inversionen oder Exzisionen dienen. Ein DNA-Abschnitt, der von zwei loxP-Sequenzen mit gleicher Orientierung flankiert (d. h. "gefloxt") wird, wird durch die Cre-Aktivität herausgeschnitten. Die Zugabe eines Überschusses an "gefloxter" DNA zu einer Ziel-Sequenz mit einer oder zwei loxP- Stellen kann eine Integration dieser DNA an der entsprechenden Position zur Folge haben. Lox-Sequenzen in entgegengesetzter Orientierung ermöglichen dagegen die Inversion der flankierten Sequenz. Für den Rekombinationsvorgang werden außer der Cre- Rekombinase und den loxP-Sequenzen keine weiteren Faktoren benötigt (Abremski and Hoess (1984) JBC 259: 1509-14). Dies erleichtert die Anwendung des Cre/lox-Systems in den verschiedenen Zelltypen und in zellfreien Systemen. The Cre / lox system is useful because of its specificity Tool for many applications in genetic engineering (Sauer (1998), Methods 14: 381-392; Kilby et al. (1993) Trends Genet. 9: 413-21). The loxP sequences can be used, for example, in vectors or in the Genome can be integrated by other cells and there as Target sequence for targeted integrations, inversions or excisions serve. A DNA section consisting of two loxP sequences Flanked (i.e., "flopped") is flanked by the Cre activity cut out. The addition of an excess "flooded" DNA to a target sequence with one or two loxP- Can provide an integration of this DNA at the appropriate Position result. Lox sequences in opposite Orientation, on the other hand, enables the inversion of the flanked ones Sequence. For the recombination process, in addition to the Recombinase and the loxP sequences no further factors required (Abremski and Hoess (1984) JBC 259: 1509-14). This facilitates the application of the Cre / lox system in the various Cell types and in cell-free systems.
Durch eine Cre-induzierte Inaktivierung von Genen nach abgeschlossener Entwicklung eines Organismus wird zum Beispiel die funktionelle Untersuchung von Genen, die für die Embryonalentwicklung des entsprechenden Organismus essentiell sind, ermöglicht. Auch wird die Entfernung von exogenen Sequenzen ermöglicht, wenn deren Wirkung nicht mehr erwünscht ist. So konnten zum Beispiel primäre Hepatozyten und myogene Zellen durch Expression des gefloxten SV40-Large-T-Antigens reversibel immortalisiert und somit unbegrenzt in vitro expandiert werden (Kobayashi et al. (2000) Science 287: 1258-62; Berghella et al. (1999) Hum Gene Therapy 10: 1607-17). By a Cre-induced inactivation of genes after completed development of an organism becomes for example the functional study of genes responsible for the Embryonic development of the corresponding organism are essential, allows. Also, the removal of exogenous sequences allows if their effect is no longer desirable. So could for example, primary hepatocytes and myogenic cells Expression of the flooded SV40 large T antigen reversible immortalized and thus expanded indefinitely in vitro (Kobayashi et al. (2000) Science 287: 1258-62; Berghella et al. (1999) Hum Gene Therapy 10: 1607-17).
Durch das Ausschneiden eines DNA-Abschnittes können ebenso Gene aktiviert werden, indem sie z. B. in die Nähe eines aktiven Promotors gebracht werden (Lakso et al. (1992) PNAS 89: 6232-6). Cre- vermittelte Aktivierung von Genen kann aber auch durch Inversion von DNA-Abschnitten erreicht werden. By cutting out a DNA segment, genes can also be used be activated by z. B. in the vicinity of an active Promoters (Lakso et al. (1992) PNAS 89: 6232-6). Cre mediated activation of genes can also be achieved by inversion be reached by DNA sections.
Eine weitere Anwendung, die zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist die gezielte Integration von Transgenen (Gorman and Bullock (2000) Current opinion in Biotechnology 11: 455-60). Ferner wurden mit Hilfe des Cre/lox-Systems bereits synthetische Antikörper- Bibliotheken (Tsurushita et al. (1996) Gene 172: 59-63), gerichtete Chromosomen-Translokationen (Qin et al. (1994) PNAS 91: 1706-10) und Mosaik-Genome (Betz et al. (1996) Curr Biol 6: 1307-16) konstruiert oder humanisierte Tiermodelle durch gerichteten Genaustausch (Zou et al. (1994) Curr Biol 4: 1099-103) generiert. Another application that is becoming increasingly important is the targeted integration of transgenes (Gorman and Bullock (2000) Current opinion in Biotechnology 11: 455-60). Furthermore, were already using the Cre / lox system synthetic antibody Libraries (Tsurushita et al. (1996) Gene 172: 59-63), directed chromosomal translocations (Qin et al. (1994) PNAS 91: 1706-10) and mosaic genomes (Betz et al. (1996) Curr Biol 6: 1307-16) constructed or humanized animal models by directional Gene Exchange (Zou et al. (1994) Curr Biol 4: 1099-103).
Die Verwendung des Cre/lox-Systems bei der ortsgerichteten Rekombination von DNA in eukaryotischen Zellen wurde auch in der U.S.- Patentschrift 4,959,317 offenbart. The use of the Cre / lox system in the site-directed Recombination of DNA in eukaryotic cells was also reported in the U.S. Patent 4,959,317.
Ein bemerkenswertes Merkmal der Cre-Rekombinase ist die Fähigkeit, in den Zellkern zu gelangen und somit den Rekombinationsvorgang unabhängig von der Auflösung der Kernmembran während der Mitose einleiten zu können. Dieses ist besonders für eine Anwendung in stationären, postmitotischen Eukaryontenzellen nützlich. Zunächst wurde vermutet, daß die Cre-Rekombinase aufgrund ihrer geringen Größe von 38 Kilodalton passiv durch die Kernporen diffundiert. Einige Gruppen haben klassische Kernlokalisationssequenzen mit der Cre-Rekombinase fusioniert, um die Effizienz des Kerntransportes zu erhöhen (Gu et al. (1993) Cell 73: 1155-1164; Bergemann et al. (1995) NAR 23: 4451-56). 1999 wurde von Le et al. (NAR 27: 4703-9) jedoch gezeigt, daß das Cre-Protein endogene Kernlokalisationssignale aufweist, was ungewöhnlich ist für ein Protein, das seine Funktion in kernlosen Bakterienzellen ausübt. A noteworthy feature of Cre recombinase is the Ability to enter the cell nucleus and thus the Recombination process independent of the dissolution of the nuclear membrane during the Initiate mitosis. This is especially for one Use in stationary, postmitotic eukaryotic cells useful. Initially, Cre recombinase was thought to be responsible for its small size of 38 kilodaltons passively through the nuclear pores diffused. Some groups have classic Nuclear localization sequences fused with the Cre recombinase to increase the efficiency of the Core transport (Gu, et al. (1993) Cell 73: 1155-1164; Bergemann et al. (1995) NAR 23: 4451-56). In 1999, Le et al. (NAR 27: 4703-9), however, demonstrated that the Cre protein is endogenous Nuclear localization signals, which is unusual for a Protein that performs its function in seedless bacterial cells.
Die Cre/lox-spezifische Rekombination in intakten Zellen wurde bei den bislang etablierten Anwendungen nur durch das Einbringen einer Cre-kodierenden Nukleinsäure in die Zielzellen ermöglicht. Das Cre-Gen wurde z. B. mittels Transfektion eines Expressionsvektors oder durch Infektion mit Retro- oder Adenoviren (Bergemann et al. (1995) NAR 23: 4451-56; Kanegae et al. (1995) NAR 23: 3816-3821) eingeschleust, oder es wurde durch Kreuzung mit einem Cre- transgenen Organismus mit den lox-Sequenzen zusammengeführt. Eine Kontrolle der Cre-Expression bzw. der Cre-Aktivität wurde bei diesen Ansätzen auf verschiedene Art erreicht. Das Cre-Gen kann z. B. unter die Kontrolle eines Promotors gebracht werden, der zeitlich bzw. gewebespezifisch reguliert wird (Gu et al. (1994) Science 265: 103-6). The Cre / lox-specific recombination in intact cells was in the previously established applications only by the introduction allows a Cre-encoding nucleic acid in the target cells. The Cre gene was z. B. by transfection of a Expression vector or by infection with retro or adenoviruses (Bergemann et al. (1995) NAR 23: 4451-56; Kanegae et al. (1995) NAR 23: 3816-3821), or it was crossed by crossing with a transgenic organism merged with the lox sequences. A Control of Cre expression or Cre activity was included achieved these approaches in various ways. The cre gene can z. B. be placed under the control of a promoter, the time or tissue-specific regulation (Gu et al. (1994) Science 265: 103-6).
Eine Induzierbarkeit der Cre-Aktivität kann durch die Expression von Cre-Fusionsproteinen mit sogenannten Hormon-Bindungsdomänen (HBDs) des Progesteron- oder Östrogen-Rezeptors erreicht werden (Metzger et al. (1995) PNAS 92: 6991-5; Kellendonk et al. (1996) NAR 24: 1404-11). Das Cre-HBD-Fusionsprotein wird in den Zellen konstitutiv exprimiert, es gelangt aber erst nach Zugabe des entsprechenden Steroid-Hormons in den Zellkern und kann daraufhin die Rekombination einleiten. Für die Induktion werden Hormon- Analoga benutzt, die nur mit der HBD des Fusionsproteins, aber nicht mit den endogenen Steriod-Rezeptoren interagieren. Trotzdem ist die Applikation dieser Steroide nicht unbedenklich. Ein weiterer Nachteil des Systems ist, daß einerseits die induzierte Rekombination auch bei der Applikation von hohen "Inducer"-Mengen nicht komplett ist und daß andererseits auch in Abwesenheit des Inducers eine Restaktivität der Cre-Rekombinase beobachtet werden konnte (Kellendonk et al. (1999) J Mol Biol. 285: 175-82; Schwenk et al. (1998) NAR 26: 1427-32). Diese Hintergrund-Aktivität macht sich besonders in vitro bemerkbar (Zhang et al. 1996 NAR 24: 543-8 Führmann-Benzakein et al. 2000 NAR 28: e99; Cheng et al. 2000 NAR 28: e108). Inducibility of Cre activity may be due to expression of Cre fusion proteins with so-called hormone-binding domains (HBDs) of the progesterone or estrogen receptor (Metzger et al. (1995) PNAS 92: 6991-5; Kellendonk et al. (1996) NAR 24: 1404-11). The Cre-HBD fusion protein is in the cells constitutively expressed, but it does not arrive until after the addition of the appropriate steroid hormone in the nucleus and can then initiate the recombination. For induction, hormone Analogues used only with the HBD of the fusion protein, but do not interact with the endogenous steriod receptors. Nevertheless the application of these steroids is not safe. On Another disadvantage of the system is that on the one hand, the induced Recombination also in the application of high "inducer" amounts is not complete and that on the other hand, even in the absence of Inducers a residual activity of Cre recombinase are observed (Moltendonk et al. (1999) J Mol Biol. 285: 175-82; et al. (1998) NAR 26: 1427-32). This background activity makes especially in vitro (Zhang et al., 1996 NAR 24: 543-8 Guide Benzakein et al. 2000 NAR 28: e99; Cheng et al. 2000 NAR 28: e108).
Mit Hilfe des Tet-Systems (Gossen and Bujard (1992) PNAS 89: 5547-51) konnte die Cre-Expression durch die Anwesenheit von Tetrazyklinen unterdrückt (St-Onge et al. (1996) NAR 24: 3875-77) oder induziert werden (Saam and Gordon (1999) JBC 274: 38071-82). Diese Methode umgeht die Applikation der bedenklichen Hormon- Analoga und benutzt statt dessen ein gut untersuchtes, nicht- toxisches Medikament für die Induktion. Das Tet-System hat aber den Nachteil, daß neben der "gefloxten" Zielsequenz und dem Cre- Gen unter dem tTA-responsiven Promotor ein weiteres Transgen nötig ist, das für das tet-Repressor-Transaktivator-Fusionsprotein (tTA) bzw. dessen reverse Form rtTA kodiert. With the help of the Tet system (Gossen and Bujard (1992) PNAS 89: 5547-51), Cre expression could be due to the presence of Tetracyclines suppressed (St-Onge et al. (1996) NAR 24: 3875-77) or induced (Saam and Gordon (1999) JBC 274: 38071-82). This method avoids the application of the questionable hormone Analogues and instead uses a well-studied, non- toxic drug for induction. But the Tet system has the disadvantage that in addition to the "flooded" target sequence and the Cre Gene under the tTA-responsive promoter another transgene necessary for the tet repressor transactivator fusion protein (tTA) or its reverse form rtTA encoded.
Die Einführung einer Cre-kodierenden Nukleinsäure birgt generell beachtliche Risiken: Zum Einen besteht die Gefahr einer Insertionsmutagenese infolge von unspezifischer Integration der exogenen DNA in das Genom der Zielzelle (Stocking et al. (1988) Cell 53: 869-79). Ein weiterer Risikofaktor ist die mit den meisten Systemen verbundene permanente bzw. für einen längeren Zeitraum anhaltende Expression der Cre-Rekombinase. So wurde kürzlich in zwei unabhängigen Arbeiten gezeigt, daß eine anhaltende Expression der Cre-Rekombinase ein verlangsamtes Wachstum und chromosomale Aberrationen in den untersuchten Zellen hervorruft (Silver and Livingston (2001) Mol Cell 8: 233-43; Loonstra et al. (2001) PNAS 98: 9209-14). Die Abhängigkeit der Cre-vermittelten Zytotoxizität von ihrer Endonukleaseaktivität läßt vermuten, daß kryptische loxP-Sequenzen, die in den Genomen von Säugetier-, Hefe- und Bakterienzellen gefunden wurden, bei einer hohen Expression der Rekombinase erkannt und rekombiniert werden. The introduction of a Cre-encoding nucleic acid generally harbors considerable risks: On the one hand, there is a risk of one Insertional mutagenesis due to non-specific integration of the exogenous DNA into the genome of the target cell (Stocking et al., (1988) Cell 53: 869-79). Another risk factor is the one with the most Systems permanent or for a longer period of time sustained expression of Cre recombinase. So was recently in two independent works demonstrated that a sustained Expression of Cre recombinase slows growth and causes chromosomal aberrations in the examined cells (Silver and Livingston (2001) Mol Cell 8: 233-43; Loonstra et al. (2001) PNAS 98: 9209-14). The dependence of Cre-mediated cytotoxicity from their endonuclease activity suggests that cryptic loxP sequences found in the genomes of mammalian, yeast and Bacterial cells were found at high expression of the Recombinase be recognized and recombined.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit die Bereitstellung von Verfahren zur ortsspezifischen DNA-Rekombination in eukaryotischen Zellen, welche das Einbringen eines Polypeptids mit Cre- Rekombinase-Aktivität in Zellen (vorzugsweise solche, die selbst nicht über ein solches Enzym verfügen) erlauben und die beschriebenen Nachteile der im Stand der Technik etablierten Verfahren, Transfer von für Cre-Rekombinase kodierenden Nukleinsäuren, nicht aufweisen. The object of the present invention is therefore the provision of site-specific DNA recombination methods in eukaryotic cells which inhibit the introduction of a polypeptide Recombinase activity in cells (preferably those that themselves do not have such an enzyme) and the described disadvantages of the methods established in the prior art, Transfer of Cre recombinase-encoding nucleic acids, not respectively.
Es wurde nunmehr überraschenderweise festgestellt, daß eine (z. B. rekombinant hergestellte) Cre-Rekombinase, die keine zusätzliche, heterologe Proteintransduktionsdomäne besitzt, bei Zugabe zum Kulturmedium intakter eukaryotischer Zellen, die weder elektrisch noch chemisch vorbehandelt wurden, von diesen aufgenommen wird und im Zellkern der Zellen einen spezifischen DNA- Rekombinantionsvorgang von DNA-Bereichen, die über entsprechende Erkennungssequenzen verfügen, zu katalysieren vermag. Die Rekombinationsrate kann dabei bereits nach einmaliger Applikation über 50% betragen. It has now surprisingly been found that one (e.g. recombinantly produced) Cre recombinase, which does not require additional, heterologous protein transduction domain has, when added to the Culture medium of intact eukaryotic cells that are neither electrically were still chemically pretreated, is absorbed by these and in the nucleus of the cells a specific DNA Recombination process of DNA regions that have corresponding Have recognition sequences, catalyze. The Recombination rate can already after a single application over 50%.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe somit durch ein in-vitro Verfahren zur ortsspezifischen DNA-Rekombination in eukaryotischen Zellen gelöst, bei dem man ein Polypeptid mit Cre-Rekombinase- Aktivität, das keine heterologe Proteintransduktionsdomäne umfasst, zu einer eukaryotischen Zellkultur hinzufügt, deren Zellen (bzw. deren DNA) mindestens einen DNA-Bereich (DNA-Abschnitt) enthalten, der mindestens eine Erkennungssequenz enthält, die von dem Polypeptid mit Cre-Rekombinase-Aktivität erkannt wird, und man die Zellen unter Bedingungen kultiviert, die eine DNA- Rekombination ermöglichen. According to the invention, the object is thus achieved by an in-vitro Method for site-specific DNA recombination in eukaryotic Cells in which a polypeptide with cre recombinase Activity that is not a heterologous protein transduction domain which adds to a eukaryotic cell culture whose cells (or its DNA) at least one DNA region (DNA segment) containing at least one recognition sequence of the polypeptide with Cre recombinase activity is recognized, and the cells are cultured under conditions that produce a DNA Allow recombination.
In der Regel können selbst lipophile Proteine mit einer molekularen Masse von mehr als 0,5 kD die Zellmembran nicht passieren. In general, even lipophilic proteins with a molecular mass greater than 0.5 kD do not pass the cell membrane.
Einige größere Proteine, wie z. B. das Homeobox-Protein Antennapedia (Antp) aus der Fruchtfliege Drosophila, die HIV-Proteine Tat und Vpr oder das Glykoprotein PreS2 aus dem Hepatitis B Virus (Ford et al. (2001) Gene Therapy 8: 1-4; Schwarze et al. (2000) Trends in Cell Biol 10: 290-5; Oess and Hildt (2000) Gene Ther 7: 750-8) sind hingegen in der Lage, durch die Plasmamembran in intakte Zellen zu gelangen. Der Mechanismus der sogenannten Proteintransduktion ist weitgehend ungeklärt. Die Aminosäuresequenzen, die die vermutlich passive Aufnahme vermitteln, konnten für Antp, Tat und PreS2 auf relativ kurze Abschnitte (11 bis 16 Aminosäuren) eingegrenzt werden. Die Transduktionsdomänen von Tat und PreS2 können relativ große Reporterproteine wie β- Galaktosidase (β-Gal, 120 kD) oder das grüne fluoreszierende Protein aus der Qualle Aequorea victoria (GFP, 27 kD) in intakte Zellen einführen (Schwarze et al. (1999) Science 285: 1569-72; Oess and Hildt (2000) Gene Ther 7: 750-8). Some larger proteins, such as B. the homeobox protein Antennapedia (Antp) from the fruit fly Drosophila, the HIV proteins Tat and Vpr or the glycoprotein PreS2 from the hepatitis B virus (Ford et al., (2001) Gene Therapy 8: 1-4; Schwarze et al. (2000). Trends in Cell Biol 10: 290-5; Oess and Hildt (2000) Gene Ther 7: 750-8), on the other hand, are able to pass through the plasma membrane in to get intact cells. The mechanism of the so-called Protein transduction is largely unexplained. The Amino acid sequences that mediate presumptive passive uptake have been reported for Antp, Tat and PreS2 on relatively short sections (11 to 16 Amino acids) are limited. The transduction domains of Tat and PreS2 can produce relatively large reporter proteins such as β- Galactosidase (β-gal, 120 kD) or the green fluorescent Protein from the jellyfish Aequorea victoria (GFP, 27 kD) intact Introducing cells (Schwarze et al. (1999) Science 285: 1569-72; Oess and Hildt (2000) Gene Ther 7: 750-8).
Nach einer vor kurzem veröffentlichten Arbeit (Jo et al. (2001) Nature Biotechnology 19: 929-33) wurde ein Cre-Fusionsprotein mit der Membran-Translokationssequenz des Kaposi-Fibroblasten- Wachstumsfaktor ("MTS" aus FGF-4) verwendet, um eine spezifische Rekombination in vitro und in vivo zu erreichen. According to a recently published paper (Jo et al. (2001) Nature Biotechnology 19: 929-33) was a Cre fusion protein with the membrane translocation sequence of the Kaposi fibroblast Growth factor ("MTS" from FGF-4) used to produce a specific To achieve recombination in vitro and in vivo.
Umso überraschender ist die der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis, daß eine Cre-Rekombinase ohne heterologe Transduktionsdomäne ebenfalls in der Lage ist, die Plasmamembran der Zelle zu überwinden und in das Zellinnere zu gelangen (vgl. Beispiel 3). All the more surprising is the invention of the underlying Recognizing that a Cre recombinase without heterologous Transduction domain is also able to access the plasma membrane of the cell overcome and get into the cell interior (see Example 3).
Die erfindungsgemäße Verwendung eines Cre-Proteins ohne heterologe Proteintransduktionsdomäne hat gegenüber der Verwendung des Cre-MTS-Fusionsproteins von Jo et al. (loc. cit.) den Vorteil, daß weniger heterologe Peptidsequenzen, die unter Umständen die Zielzelle beeinflussen könnten, "transduziert" "werden. Die Effizienz der Rekombination bei Applikation des Cre-Proteins ohne heterologe Proteintransduktionsdomäne in serumhaltigem Medium ist ebenso hoch wie bei Applikation des von Jo et al. dargestellten Cre-MTS-Fusionsproteins in serumfreiem Medium. Somit können auch Zelltypen, die empfindlich auf Serumentzug reagieren (wie zum Beispiel murine Knochenmarkszellen), bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in serumhaltigem Medium effizient transduziert werden. The inventive use of a Cre protein without heterologous protein transduction domain has over the use of the Cre-MTS fusion protein from Jo et al. (loc.cit.) the advantage that less heterologous peptide sequences, which may be the Could influence the target cell, be "transduced" Efficiency of recombination on application of the Cre protein without heterologous protein transduction domain in serum-containing medium just as high as in the application of the method described by Jo et al. shown Cre-MTS fusion protein in serum-free medium. Thus, too Cell types that are sensitive to serum deprivation (such as Example murine bone marrow cells), in the inventive Methods are efficiently transduced in serum-containing medium.
Die Verwendung einer solchen membrandurchgängigen Cre-Rekombinase eröffnet die Möglichkeit, gerichtete Rekombinationsvorgänge durchzuführen, wobei auf das Einbringen einer Cre-Rekombinase kodierenden Nukleinsäure in die Wirtszellen verzichtet werden kann, und die oben genannten Nachteile somit vermieden werden können. Das Polypeptid wird ferner in den Wirtszellen relativ schnell degradiert und nicht - wie bei Einführung einer für das Polypeptid kodierenden Nukleinsäure - über einen längeren Zeitraum permanent nachproduziert. Dadurch wird die Gefahr von zytotoxischen Effekten minimiert. Es besteht ferner nicht die Möglichkeit einer unspezifischen Integration von DNA in das Genom der verwendeten Wirtszellen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die schnellere Prozedur des Polypeptidtransfers (erfindungsgemäß weniger als 4 Stunden), wohingegen nach einem Nukleinsäuretransfer die Cre- Rekombinase erst ribosomal synthetisiert werden muß. Die spezifische DNA-Rekombination kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren somit innerhalb eines kurzen und definierten Zeitabschnittes durchgeführt werden. The use of such a membrane permeable Cre recombinase opens up the possibility of directed recombination events to perform, with the introduction of a Cre recombinase encoding nucleic acid can be dispensed into the host cells, and the above-mentioned disadvantages can thus be avoided. The polypeptide also becomes relatively fast in the host cells degraded and not - as when introducing one for the polypeptide encoding nucleic acid - permanently over a longer period of time reproduced. This will increase the risk of cytotoxic Minimizes effects. There is also no possibility of nonspecific integration of DNA into the genome of the used Host cells. Another advantage of the invention is the faster procedure of polypeptide transfer (less than 4 hours), whereas after a nucleic acid transfer the Cre Recombinase must first be synthesized ribosomally. The Specific DNA recombination can be carried out by the method according to the invention thus within a short and defined period of time be performed.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung versteht man unter dem Begriff "DNA-Rekombination" generell einen physikalischen Vorgang, der zu einem Austausch von DNA-Bereichen zwischen zwei verschiedenen DNA-Molekülen oder zwei verschiedenen Bereichen eines einzelnen DNA-Moleküls und somit zu einer Neuordnung des genetischen Ausgangsmaterials führt. Bei einer "ortsspezifischen DNA- Rekombination" handelt es sich in diesem Zusammenhang um eine DNA-Rekombination, die von einem Polypeptid mit enzymatischer Aktivität katalysiert wird, welches den zu rekombinierenden DNA- Bereich anhand definierter DNA-Sequenzabschnitte (sog. Erkennungssequenzen) erkennt und einen DNA-Strangaustausch zwischen zwei solchen Erkennungssequenzen (die aber auf unterschiedlichen DNA-Molekülen/Chromosomen lokalisiert sein können) vermittelt. In the context of the present invention is meant by the Term "DNA recombination" generally means a physical process, which leads to an exchange of DNA areas between two different DNA molecules or two different areas of a single DNA molecule and thus to a rearrangement of the genetic Starting material leads. In a "site-specific DNA Recombination "is in this context a Recombinant DNA derived from a polypeptide having enzymatic Activity is catalyzed, which is the DNA to be recombined Range based on defined DNA sequence sections (so-called. Recognition sequences) recognizes and a DNA strand exchange between two such recognition sequences (but on different DNA molecules / chromosomes can be localized).
Bei den enzymatisch aktiven Polypeptiden, die einen solchen Vorgang katalysieren, kann es sich erfindungsgemäß um Polypeptide mit einer Cre-Rekombinase-Aktivität handeln, die mit den spezifischen Erkennungssequenzen interagieren, an denen sie die DNA schneiden und religieren. Als "Polypeptide mit Cre-Rekombinase- Aktivität" werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Polypeptide mit enzymatischer Aktivität bezeichnet, die die gleiche Reaktion zu katalysieren vermögen wie die aus der λ-Integrase-Familie der Rekombinasen stammende Cre-Rekombinase des Bakteriophagen P1. Die Polypeptide können dabei die Cre-Rekombinase-Aktivität als enzymatische Haupt- oder Nebenaktivität aufweisen. Die Polypeptide können darüber hinaus auch andere enzymatische und nicht- enzymatische Funktionen erfüllen. Natürlich kann es sich bei einem Polypeptid mit Cre-Rekombinase-Aktivität, welches in dem erfindungsgemäßen Verfahren Anwendung finden kann, auch um die Cre- Rekombinase des Bakteriophagen P1 selbst handeln. Der von dem Polypeptid mit Cre-Rekombinase-Aktivität katalysierte Rekombinationsvorgang kann zu einem gerichteten Einfügen, Ausschneiden, Austausch oder zu einer Inversion des betreffenden, zu rekombinierenden DNA-Bereiches führen. Die Polypeptide mit Cre-Rekombinase- Aktivität weisen dabei keine heterologen Proteintransduktiondomänen auf. In the enzymatically active polypeptides containing such Catalyst process, it can be according to the invention to polypeptides with a Cre recombinase activity associated with the interacting with specific recognition sequences involving the DNA cut and religate. As "polypeptides with cre recombinase Activity "are within the scope of the present invention Polypeptides with enzymatic activity called the same Catalyze reaction such as those from the λ integrase family recombinase-derived Cre recombinase of bacteriophage P1. The polypeptides may be the Cre recombinase activity as have major or minor enzymatic activity. The In addition, polypeptides may also contain other enzymatic and non-enzymatic fulfill enzymatic functions. Of course it can be a polypeptide having Cre recombinase activity, which is described in U.S. Pat method according to the invention can also be applied to the Recombinase of bacteriophage P1 act on its own. The one of the Polypeptide catalyzed with Cre recombinase activity Recombination process may lead to a directed insertion, cut, Exchange or to an inversion of the subject, too Recombinant DNA area lead. The polypeptides with cre recombinase There are no heterologous activities Protein transduction domains on.
Als Proteintransduktionsdomänen werden im Rahmen der Erfindung kurze Aminosäuresequenzen verstanden, die den Übergang eines größeren Proteins in eine intakte eukaryotische Zelle vermitteln können. Bei diesen Aminosäuresequenzen, die lediglich aus 11-16 Aminosäuren bestehen können, kann es sich beispielsweise um die entsprechenden Transduktionsdomänen aus dem Tat-Protein, dem Homeobox-Protein Antennapedia oder dem PreS2-Protein handeln. Der Begriff "heterolog" verdeutlicht, daß der die Proteintransduktionsdomäne darstellende Aminosäurebereich nicht zur natürlichen Primärstruktur des Polypeptids mit Cre-Rekombinase-Aktivität zählt. As protein transduction domains are within the scope of the invention short amino acid sequences understood that the transition of a mediate larger protein into an intact eukaryotic cell can. For these amino acid sequences, only 11-16 Amino acids may be, for example, to the corresponding transduction domains from the Tat protein, the Homeobox protein Antennapedia or the PreS2 protein act. Of the The term "heterologous" shows that the Protein transduction domain not representing the natural amino acid region Primary structure of the polypeptide with Cre recombinase activity counts.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Polypeptid mit Cre-Rekombinase-Aktivität die in SEQ ID NO: 2 oder SEQ ID NO: 4 angegebene Aminosäuresequenzen auf oder ist ein Derivat, ein Homolog (beispielsweise mit mindestens etwa 70% Identität, vorzugsweise mindestens etwa 85% Identität, wobei ein Homologiegrad von mindestens etwa 95% besonders bevorzugt ist) oder ein Fragment (das vorzugsweise eine Länge von mindestens 304 Aminosäuren und insbesondere mindestens die Aminosäuren 37 bis 340 der SEQ ID NO: 2 aufweist) derselben. Die Bezeichnung "SEQ ID NO:" entspricht der Sequenzkennzahl "<400>" nach WIPO Standard St.25. According to a preferred embodiment of the present invention The invention features the polypeptide having Cre recombinase activity as described in U.S. Pat SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 4 indicated amino acid sequences or is a derivative, a homolog (for example, with at least about 70% identity, preferably at least about 85% identity, with a degree of homology of at least about 95% being particular preferred) or a fragment (which is preferably a length of at least 304 amino acids and in particular at least the Amino acids 37 to 340 of SEQ ID NO: 2) thereof. The Designation "SEQ ID NO:" corresponds to the sequence index "<400>" after WIPO Standard St.25.
Unter einem "Derivat" wird dabei vorliegend ein Polypeptid gleicher Primärstruktur verstanden, welches im Vergleich mit dem jeweiligen erfindungsgemäßen Polypeptid zusätzliche Modifikationen der Peptidseitenketten aufweist. Derartige Modifikationen sind dem Fachmann hinreichend bekannt. Dabei kann es sich beispielsweise um die Glykosylierung von Asparagin-, Serin- oder Threonin- Resten, um die Bildung von Disulfidbrücken zwischen Cysteinresten, um die kovalente Anheftung von Fluoreszenz-Markern (z. B. Alexa 488) oder von Coenzymen wie Biotin, Liponsäure oder Pyridoxalphosphat, oder um die Phosphorylierung von Tyrosin, Serin- oder Threoninresten handeln. Ein "Homolog" bezeichnet ein Polypeptid, dessen Primärstruktur sich zu maximal etwa 30% (vorzugsweise zu maximal etwa 15%, wobei maximal etwa 5% besonders bevorzugt sind) von der Primärstruktur des jeweiligen erfindungsgemäßen Polypeptids unterscheidet. Bei einem homologen Protein können eine oder mehrere Aminosäuren der Originalsequenz gegen andere Aminosäuren ausgetauscht sein. Ferner können eine oder mehrere Aminosäuren der Originalsequenz deletiert oder zusätzliche Aminosäuren inseriert sein. Als "aktives Fragment" wird vorliegend ein Polypeptid bezeichnet, dessen Primärstruktur mit einem Bereich der Primärstruktur des jeweiligen erfindungsgemäßen Polypeptids übereinstimmt, wobei das aktive Fragment weniger Aminosäuren umfasst als das erfindungsgemäße Polypeptid. Ein aktives Fragment eines erfindungsgemäßen Polypeptids weist die gleiche enzymatische Aktivität wie das erfindungsgemäße Polypeptid auf, d. h. es katalysiert die gleiche chemische Reaktion wie das erfindungsgemäße Polypeptid. In the present case, a "derivative" is a polypeptide understood the same primary structure, which in comparison with the respective polypeptide of the invention additional modifications having the peptide side chains. Such modifications are The skilled worker well known. It can be for example, the glycosylation of asparagine, serine or threonine Residues to the formation of disulfide bridges between Cysteine residues to facilitate covalent attachment of fluorescent labels (e.g. Alexa 488) or coenzymes like biotin, lipoic acid or Pyridoxal phosphate, or the phosphorylation of tyrosine, serine or threonine residues. A "homolog" denotes a Polypeptide whose primary structure is about 30% maximum (Preferably at most about 15%, with a maximum of about 5% especially are preferred) of the primary structure of the respective different polypeptide of the invention. For a homologous protein can one or more amino acids of the original sequence against others Be exchanged amino acids. Furthermore, one or more Amino acids of the original sequence deleted or additional Amino acids are inserted. As an "active fragment" is present denotes a polypeptide whose primary structure with a Area of the primary structure of the respective invention Polypeptide matches, wherein the active fragment less Amino acids include as the polypeptide of the invention. An active Fragment of a polypeptide of the invention has the same enzymatic activity such as the polypeptide of the invention, d. H. it catalyzes the same chemical reaction as that polypeptide of the invention.
Bei dem Polypeptid mit der in SEQ ID NO: 2 angegebenen Aminosäuresequenz handelt es sich um eine rekombinante Cre-Rekombinase (nachfolgend als "wtCre" bezeichnet), die sich von dem entsprechenden Enzym aus dem Bakteriophagen P1 durch einen Aminosäureaustausch in der Position 1 (Glycin anstelle von Methionin) unterscheidet. Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Polypeptid die Plasmamembran von intakten Zellen durchqueren und in den Zellkern eindringen kann, wo es bei Vorliegen entsprechender Erkennungssequenzen der dort lokalisierten genomischen DNA der Zelle eine DNA-Rekombination katalysiert. Überraschenderweise war das Polypeptid auch ohne jegliche heterologe Domänen in der Lage, nach externer Zugabe zu einer Kultur von Maus-Fibroblasten eine loxP-spezifische DNA-Rekombination zu katalysieren (Beispiel 6). Das in SEQ ID NO: 4 angegebene und mit "nlsCre" bezeichnete Polypeptid umfasst zu Zwecken der besseren Nachweisbarkeit des Polypeptids in den Zellen zusätzlich zu der in SEQ ID NO: 2 dargestellten Aminosäuresequenz das Antikörperepitop 9E10 (c-myc; Aminosäuren 360-371) sowie eine am N-Terminus lokalisierte SV40- Kernlokalisationssequenz (Aminosäuren 11-17). Die Kernlokalisationssequenz soll dabei die Effizienz des Transports des Polypeptids in den Zellkern erhöhen. In the polypeptide having the in SEQ ID NO: 2 specified Amino acid sequence is a recombinant Cre recombinase (hereinafter referred to as "wtCre") other than the corresponding enzyme from the bacteriophage P1 by a Amino acid exchange in position 1 (glycine instead of methionine) different. It has been found that the inventive Polypeptide cross the plasma membrane of intact cells and in penetrate the nucleus, where it is present in appropriate Recognition sequences of the localized genomic DNA of the Cell catalyzes a DNA recombination. Surprisingly it was the polypeptide is able to function without any heterologous domains, after external addition to a culture of mouse fibroblasts Catalyze loxP-specific DNA recombination (Example 6). The one given in SEQ ID NO: 4 and designated "nlsCre" Polypeptide for purposes of better detectability of the Polypeptides in the cells in addition to that shown in SEQ ID NO: 2 represented amino acid sequence the antibody epitope 9E10 (c-myc; Amino acids 360-371) as well as an SV40 localized at the N-terminus. Nuclear localization sequence (amino acids 11-17). The Nuclear localization sequence is intended to increase the efficiency of the transport of the Increase polypeptide into the nucleus.
Im Hinblick auf die eukaryontischen Zellen, in denen die DNA- Rekombination durchgeführt werden kann, unterliegt das erfindungsgemäße Verfahren keinen Einschränkungen. So können beispielsweise Zellkulturen von isolierten Säugetier-Zellen, wie Zellen der Maus oder des Schweins, sowie isolierte Zellen humanen Ursprungs als Zielzellen dienen. Die Zielzellen können dabei aus den verschiedensten Bereichen des Körpers stammen. Die Zellen sind erfindungsgemäß intakt und bedürfen weder einer chemischen noch physikalischen Vorbehandlung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei den eukaryotischen Zellen um humane oder murine Zellen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den humanen oder murinen Zellen um Knochenmarkszellen oder Fibroblasten. With regard to the eukaryotic cells in which the DNA Recombination can be performed is subject to inventive method no restrictions. So can For example, cell cultures of isolated mammalian cells, such as Cells of the mouse or pig, as well as isolated cells human Origin serve as target cells. The target cells can do this originate in various areas of the body. The cells are intact according to the invention and require neither a chemical still physical pretreatment. According to a preferred Embodiment of the present invention are in the eukaryotic cells around human or murine cells. According to one Particularly preferred embodiment is in the human or murine cells around bone marrow cells or Fibroblasts.
Die Kultivierungsbedingungen, die ein erfolgreiches Einbringen eines Polypeptids mit Cre-Rekombinase-Aktivität in die eukaryotischen Zellen (in das Zellinnere) sowie eine nachfolgende DNA- Rekombination erlauben, sind abhängig von den jeweils gewählten Zellen, in denen die DNA-Rekombination durchgeführt werden soll. Sie entsprechen generell den Kultivierungsbedingungen, die der Fachmann bei einer Zellkultur der entsprechenden Zellen anwenden würde, und sind demnach im Stand der Technik ausführlichst beschrieben. Sie umfassen u. a. die Anzucht und Vermehrung der isolierten Zellen in verschiedenen herkömmlichen Medien. Als Medien kommen u. a. Dulbeccos modifiziertes Bagle's Medium (DMEM) oder Eagle's Minimum Essential Medium (MEM) in Betracht. Für den Fachmann versteht es sich, daß auch andere Medien und Cytokine Verwendung finden können, um den Cre-Transfer in die Zielzellen zu erlauben. Die Medien können Antibiotika wie beispielsweise Penicillin, Streptomycin oder Kanamycin in den gebräuchlichen Konzentrationen, Cytokine (z. B. Il-3, Il-6, SCF) und andere für die Kultivierung von Zellen nützliche Zusätze, wie beispielsweise fötales Kälberserum (FCS) oder Rinder-Serumalbumin (BSA), in verschiedenen Konzentrationen enthalten. The cultivation conditions, the successful introduction a polypeptide having Cre recombinase activity in the eukaryotic cells (into the cell interior) as well as a subsequent DNA Allow recombination are dependent on the chosen one Cells in which the DNA recombination is to be performed. They generally correspond to the cultivation conditions that the Specialist in a cell culture of the corresponding cells apply Accordingly, they are the most detailed in the art described. They include u. a. the cultivation and propagation of the isolated cells in different conventional media. As media come u. a. Dulbecco's Modified Bagle's Medium (DMEM) or Eagle's Minimum Essential Medium (MEM). For the It is understood by those skilled in the art that other media and cytokines Can be used to cre transfer to the target cells too allow. The media can use antibiotics such as Penicillin, streptomycin or kanamycin in the common Concentrations, cytokines (eg Il-3, Il-6, SCF) and others for the Cultivation of cells useful additives, such as fetal calf serum (FCS) or bovine serum albumin (BSA), in contain different concentrations.
Anzucht und Kultivierung der Zellen können jeweils in dem für die jeweiligen Zellen empfohlenen Temperaturbereich in herkömmlichen Kulturschalen durchgeführt werden. Das Einbringen des Polypeptids mit Cre-Rekombinase-Aktivität in die Zellen kann erfindungsgemäß durch eine einfache Zugabe des Polypeptids zum überstand der Zellkultur erfolgen. Dabei kann das Polypeptid in einer gepufferten wässrigen Lösung vorliegen, wie z. B. in einer PBS-Lösung. Die Zellanzucht sowie die Wahl alternativer Methoden der Zugabe, die sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen, liegen im Bereich des durchschnittlichen Könnens des Fachmanns. Die Effizienz der Transduktion ist in erster Linie von der eingesetzten Konzentration des Polypeptids mit Cre-Rekombinase-Aktivität abhängig (siehe Beispiel 4). Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Zugabe des Polypeptids mit Cre-Rekombinase-Aktivität in einer Konzentration von 100 nM bis 30 µM. Nach Zugabe des Polypeptids können die Zellen vorzugsweise für einen Zeitraum von 2-12 h weiter bei den gewählten Bedingungen inkubiert werden. Anschließend kann das Kulturmedium gegen frisches Nährmedium ausgetauscht werden. Cultivation and cultivation of the cells may each be in the for the respective cells recommended temperature range in conventional Culture dishes are carried out. The introduction of the polypeptide with Cre recombinase activity in the cells can according to the invention by simply adding the polypeptide to the supernatant of the Cell culture. In this case, the polypeptide in a buffered aqueous solution, such as. In a PBS solution. The Cell breeding as well as the choice of alternative methods of addition, the are suitable in the context of the method according to the invention, are in Range of the average skill of the specialist. The Efficiency of transduction is primarily used by the Concentration of the polypeptide with Cre recombinase activity dependent (see Example 4). According to a preferred Embodiment of the present invention, the addition of the Polypeptide with Cre recombinase activity in a concentration of 100 nM up to 30 μM. After addition of the polypeptide, the cells preferably for a period of 2-12 h continue at the chosen Conditions are incubated. Subsequently, the culture medium be replaced with fresh nutrient medium.
Bei den Erkennungssequenzen, die von dem Polypeptid mit Cre- Rekombinase-Aktivität erkannt werden, kann es sich vorliegend um Nukleotidsequenzabschnitte handeln, die dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann als "loxP"-Sequenzen bekannt sind. Dabei handelt es sich um Sequenzeabschnitte von 34 bp, die aus zwei umgekehrten Sequenzwiederholungen (inverted repeats) von jeweils 13 bp bestehen (vgl. SEQ ID NO: 5; bp 1-13 und 22-34), welche ein asymetrisches Zwischenelement (spacer) von 8 bp flankieren (vgl. SEQ ID NO: 5; bp 14-21). Das Zwischenelement verleiht dem gesamten loxP- Sequenzabschnitt seine Orientierung. Je nach Lokalisation und Orientierung der loxP-Sequenzabschnitte zueinander resultiert die Rekombination in verschiedene DNA-Anordnungen; so kann der flankierte Nukleotidsequenzbereich im Zuge der Rekombination ausgeschnitten, ausgetauscht, eingefügt oder invertiert werden. Flankieren beispielsweise zwei loxP-Erkennungssequenzen mit identischer Orientierung einen bestimmten DNA-Bereich, so resultiert der durch das Polypeptid mit Cre-Rekombinase-Aktivität katalysierte Rekombinationsvorgang in einem Ausschneiden (oder einem Austausch) des zwischen den loxP-Erkennungssequenzen lokalisierten ("gefloxten") DNA-Bereichs. Der Begriff "identische Orientierung" bezieht sich dabei auf eine gleiche 5' → 3' Basenabfolge der von den inverted repeats eingeschlossenen Zwischenelemente zweier loxP-Erkennungssequenzen. Alle Basen des Zwischenelementes mit Ausnahme einer Position (Position 18 in SEQ ID NO: 5) können variieren, wobei nur Rekombinationen zwischen zwei loxP-Sequenzen mit homologen Zwischenelementen effizient sind (Hoess et al. (1986) NAR 14: 2287-2300). Der zu rekombinierende DNA-Bereich kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl auf einem oder mehreren Chromosomen einer eukaryotischen Zelle, als auch auf einem oder mehreren mobilen genetischen Elementen, wie beispielsweise einem Plasmid, lokalisiert sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Erkennungssequenzen loxP-Sequenzen identischer Orientierung mit der in SEQ ID NO: 5 angegebenen Nukleotidsequenz. Erfindungsgemäß einbezogen sind dabei Nukleotidsequenzen, die sich in Bezug auf Basenaustausche, Deletionen und Insertionen einzelner oder mehrerer Nukleotide von diesen Sequenzen unterscheiden. In jedem der "inverted repeats" müssen 8-10 Basen der 13 Basen mit loxP übereinstimmen, um eine Cre-vermittelte Rekombination zu unterstützen (Abremski et al. (1988), J. Mol. Biol. 202: 59-66; Abremski and Hoess (1985), J. Mol. Biol. 184: 211-220). In the recognition sequences derived from the polypeptide with Recombinase activity can be detected in the present case Nucleotide sequence sections are similar to those in the field Those skilled in the art are known as "loxP" sequences. It acts these are sequence sections of 34 bp, which consist of two inverted ones Repeated repeats of 13 bp each consist (see SEQ ID NO: 5, bp 1-13 and 22-34), which a flank an asymmetric spacer of 8 bp (see SEQ ID NO: 5; bp 14-21). The intermediate element gives the entire loxP- Sequence section its orientation. Depending on the localization and Orientation of the loxP sequence sections results in the Recombination into different DNA arrangements; so can the flanked nucleotide sequence region in the course of recombination cut out, exchanged, inserted or inverted. For example, flanking two loxP recognition sequences identical orientation results in a specific DNA region by the polypeptide having Cre recombinase activity catalyzed recombination process in a cut (or a Exchange) between the loxP recognition sequences isolated ("flogged") DNA region. The term "identical Orientation "refers to an identical 5 '→ 3' base sequence of the of the inverted repeats enclosed intermediate elements of two loxP recognition sequences. All bases of the intermediate element with Exception of a position (position 18 in SEQ ID NO: 5) vary, with only recombinations between two loxP sequences are efficient with homologous intermediates (Hoess et al. (1986) NAR 14: 2287-2300). The DNA region to be recombined can in the context of the present invention both on one or several chromosomes of a eukaryotic cell, as well one or more mobile genetic elements, such as a plasmid, for example. According to a preferred Embodiment of the present invention are the Recognition sequences loxP sequences of identical orientation with in SEQ ID NO: 5 indicated nucleotide sequence. Included in the invention are nucleotide sequences that differ in terms of Base exchanges, deletions and insertions of one or more Differentiate nucleotides from these sequences. In each of the "inverted Repeats "8-10 bases of the 13 bases must match loxP, to support a Cre-mediated recombination (Abremski et al. (1988), J. Mol. Biol. 202: 59-66; Abremski and Hoess (1985) J. Mol. Biol. 184: 211-220).
Die Erfindung betrifft ferner ein Polypeptid mit Cre-Rekombinase- Aktivität, das eine der in SEQ ID NO: 2 oder SEQ ID NO: 4 angegebene Aminosäuresequenz aufweist oder ein Derivat, ein Homolog oder ein Fragment derselben ist, wobei die natürliche Cre- Rekombinase aus dem Bakteriophagen P1 ausgenommen ist. The invention further relates to a polypeptide with Cre recombinase Activity which is one of SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 4 has indicated amino acid sequence or a derivative, a homolog or a fragment thereof, whereby the natural cre- Recombinase is excluded from the bacteriophage P1.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines Polypeptids mit Cre-Rekombinase-Aktivität. Gegenstand ist daher auch ein Verfahren zur Herstellung eines Polypeptids mit der in SEQ ID NO: 2 oder SEQ ID NO: 4 angegebenen Sequenz, bei dem man eine für die genannte Aminosäuresequenz kodierende Nukleinsäuresequenz, vorzugsweise die in SEQ ID NO: 1 oder SEQ ID NO: 3 angegebene Sequenz, in einen Expressionsvektor ligiert, man diesen in für den Vektor geeignete Wirtszellen einbringt und man die Zellen unter zur Expression des Polypeptids geeigneten Bedingungen kultiviert. Gegebenenfalls schließt sich ein Isolierungs- und Reinigungschritt an. Die unter SEQ ID NO: 2 und SEQ ID NO: 4 dargestellten Polypeptide mit Cre-Rekombinase-Aktivität wurden z. B. rekombinant hergestellt und als Glutathion-S-Transferase (GST)-Fusionsprotein heterolog in E. coli exprimiert und mittels Affinitätschromatographie gereinigt (vgl. Beispiel 1). Die Fusionsproteine wurden jeweils in Gegenwart von Thrombin inkubiert, um den GST-Anteil von den Cre-Rekombinase-Polypeptiden abzutrennen. Die Expression der Polypeptide kann selbstverständlich auch mit Hilfe anderer etablierter Verfahren oder in anderen Organismen wie z. B. in Hefe- oder Insektenzellen erfolgen. Entsprechende Verfahren der heterologen Expression von Polypeptiden sowie geeignete Aufreinigungsstrategien der Proteine oder Fusionsproteine sind im Stand der Technik hinreichend bekannt und umfassen u. a. das Baculovirus-Expressionsystem, das 6xHis-tag- Expressionssystem, das Maltose-Bindeprotein (MBP)- Expressionssystem. The invention further relates to a method for Preparation of a Polypeptide Having Cre Recombinase Activity. object is therefore also a process for the preparation of a polypeptide having the sequence given in SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 4, in which one coding for said amino acid sequence Nucleic acid sequence, preferably those shown in SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 3 given sequence, ligated into an expression vector, man introduce this in suitable for the vector host cells and man the cells are suitable for expression of the polypeptide Cultivated conditions. If necessary, an insulation and purification step. The SEQ ID NO: 2 and SEQ ID NO: 4 were shown polypeptides with Cre recombinase activity z. B. recombinantly produced and as glutathione-S-transferase (GST) fusion protein heterologously expressed in E. coli and by means of Purified affinity chromatography (see Example 1). The Fusion proteins were each incubated in the presence of thrombin, to the GST portion of the Cre recombinase polypeptides separate. Of course, the expression of the polypeptides can also be using other established procedures or in others Organisms such. B. in yeast or insect cells. Appropriate Method of heterologous expression of polypeptides and suitable purification strategies of the proteins or fusion proteins are well known in the art and include u. a. the baculovirus expression system, which is 6xHis tagged Expression System, Maltose Binding Protein (MBP) - Expression system.
Die Erfindung betrifft auch eine Nukleinsäure, die ein Polypeptid mit einer der in SEQ ID NO: 2 oder SEQ ID NO: 4 angegebenen Aminosäuresequenz kodiert. Die Nukleinsäuren weisen vorzugsweise die in SEQ ID NO: 1 oder SEQ ID NO: 3 angegebene Nukleotidsequenz auf, wobei die Degenerierung des genetischen Codes erfindungsgemäß eingeschlossen ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung isolierte Wirtszellen, die ein erfindungsgemäßes Polypeptid oder eine erfindungsgemäße Nukleinsäure enthalten bzw. ein erfindungsgemäßes Polypeptid exprimieren. Hinsichtlich der Wahl der Wirtszellen unterliegt die Erfindung keinen Einschränkungen, und es sind neben bakteriellen Zellen (wie E. coli) auch Hefezellen (wie z. B. S. cerevisiae oder P. pastoris), Insektenzellen und (höhere) Euraryontenzellen, wie z. B. CHO- oder BHK-Zellen, eingeschlossen. The invention also relates to a nucleic acid which is a polypeptide with any of those given in SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 4 Amino acid sequence encoded. The nucleic acids preferably have the in SEQ ID NO: 1 or SEQ ID NO: 3 indicated nucleotide sequence on, being the degeneration of the genetic code is included according to the invention. In addition, the invention relates isolated host cells comprising a polypeptide of the invention or contain a nucleic acid according to the invention or a express polypeptide according to the invention. Regarding the choice of Host cells, the invention is not limited, and it In addition to bacterial cells (such as E. coli), yeast cells (such as z. S. cerevisiae or P. pastoris), insect cells and (higher) Euraryote cells, such as. For example, CHO or BHK cells included.
Daneben betrifft die Erfindung die Verwendung eines Polypeptids mit Cre-Rekombinase-Aktivität zur Durchführung einer ortsspezifischen DNA-Rekombination in eukaryotischen Zellen, bei der man Zellen, die mindestens einen DNA-Bereich enthalten, der mindestens eine Erkennungssequenz enthält, die von dem Polypeptid mit Cre-Rekombinase-Aktivität erkannt wird, in Gegenwart des Polypeptids unter Bedingungen kultiviert, die eine DNA-Rekombination erlauben. In addition, the invention relates to the use of a polypeptide with Cre recombinase activity to carry out a Site-specific DNA recombination in eukaryotic cells, in which one Cells containing at least one DNA region, the contains at least one recognition sequence derived from the polypeptide with Cre recombinase activity is detected in the presence of the Polypeptides are cultured under conditions involving a DNA recombination allow.
Gemäß eines weiteren Aspektes betrifft die Erfindung ferner ein
Reportersystem zum Nachweis einer DNA-Rekombination in
eukaryotischen Zellen (beispielsweise ausgelöst durch Verwendung eines
Polypeptids mit Rekombinase-Aktivität), bei dem
- a) ein erstes Reportergen von zwei Erkennungssequenzen identischer Orientierung flankiert und ein zweites Reportergen stromabwärts des ersten Reportergens lokalisiert ist, wobei stromaufwärts der beiden Erkennungssequenzen ein Initiationskodon und eine Ribosomen-Bindungsstelle lokalisiert sind, die eine Translation des ersten Reportergens ermöglichen, die durch ein Stopkodon zwischen den beiden Erkennungssequenzen beendet wird, und im Bereich zwischen den beiden Reportergenen kein funktionstüchtiges Initiationskodon lokalisiert ist; und
- b) durch eine ortsspezifische DNA-Rekombination das zweite Reportergen in eine Position zu dem Initiationskodon gebracht wird, die eine Translation des zweiten Reportergens ermöglicht; und
- c) die Genprodukte der beiden Reportergene voneinander zu unterscheiden sind.
- a) flanking a first reporter gene from two recognition sequences of identical orientation and a second reporter gene located downstream of the first reporter gene, upstream of the two recognition sequences being located an initiation codon and a ribosome binding site enabling translation of the first reporter gene through a stop codon between the two recognition sequences is terminated, and in the region between the two reporter genes no functional initiation codon is located; and
- b) by site-specific recombinant DNA, the second reporter gene is brought to a position to the initiation codon which allows translation of the second reporter gene; and
- c) the gene products of the two reporter genes are to be distinguished from one another.
Das Reportersystem erlaubt eine schnelle und quantitative Detektion einer ortsspezifischen DNA-Rekombination in einer eukaryotischen Zelle. Es eröffnet die Möglichkeit, umgehend zu überprüfen, ob unter gegebenen Versuchsbedingungen bei der Transduktion eines Polypeptids mit Rekombinase-Aktivität eine ausreichend hohe Transduktionseffizienz erzielt wurde. Das Reportersystem erlaubt somit eine begleitende Qualitätskontrolle der Cre- Proteinpräparation und der Transduktionsbedingungen (Medium- Zusammensetzung, Zeit der Inkubation, Temperatur etc.). The reporter system allows fast and quantitative Detection of site-specific DNA recombination in one eukaryotic cell. It opens the possibility to check immediately whether under given experimental conditions in the transduction of a Polypeptides with recombinase activity a sufficiently high Transduction efficiency was achieved. The reporter system allows thus an accompanying quality control of the Protein preparation and the transduction conditions (medium Composition, time of incubation, temperature etc.).
Bei den Erkennungssequenzen, die von einem Polypeptid mit Rekombinase-Aktivität erkannt werden, kann es sich beispielsweise um loxP- (vgl SEQ ID NO: 5), um frt-Erkennungssequenzen oder um deren homologe, von Polypeptiden mit Cre- oder Flp-Rekombinase- Aktivität erkannten Sequenzen handeln. Die Erkennungssequenzen des Reportersystems weisen eine identische Orientierung zueinander auf, was eine Exzision des von ihnen flankierten ("gefloxten") DNA-Bereiches bewirkt. Durch die Exzision wird das erste Reportergen aus dem Genkonstrukt entfernt, wobei das zweite Reportergen in eine Position zu dem Initiationskodon und der Ribosomenbindungsstelle gebracht wird, die eine Translation (des Genprodukts) des zweiten Reportergens erlaubt, d. h. das Initiationskodon und das zweite Reportergen sollten nach der DNA- Rekombination in einem Leserahmen vorliegen. Da ortsspezifische DNA-Rekombinationen basengenau verlaufen, läßt sich eine genaue Vorhersage des zu erwartenden Rekombinationsproduktes treffen. Dem Fachmann ist es somit bei Konstruktion des Reportersystems möglich, die Basenabfolge diesbezüglich auszuwählen und die Funktionstüchtigkeit des Systems zu gewährleisten. In the recognition sequences of a polypeptide with Recombinase activity can be detected, for example loxP (see SEQ ID NO: 5), to frt recognition sequences or to their homologues, polypeptides with Cre or Flp recombinase Activity detected sequences act. The recognition sequences of the reporter system have an identical orientation to each other, what an excision flanked by them ("flooded") DNA region causes. Excision becomes the first Reporter gene removed from the gene construct, with the second Reporter gene in a position to the initiation codon and the Ribosome binding site is brought, the a translation (of the Gene product) of the second reporter gene, d. H. the Initiation codon and the second reporter gene should be used after the DNA Recombination in a reading frame. As site-specific DNA recombinations are based on the base, can be an accurate Predict the expected recombination product. The person skilled in the art is therefore in the construction of the reporter system possible to select the base sequence in this regard and the To ensure proper functioning of the system.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Erkennungssequenzen loxP-Erkennungssequenzen mit der in SEQ ID NO: 5 angegebenen Nukleotidsequenz. Erfindungsgemäß eingeschlossen sind Erkennungssequenzen, die sich von den o. g. Sequenzen herleiten und sich durch einzeln ausgetauschte Nukleotide von diesen unterscheiden. Die Polypeptide mit Rekombinase- Aktivität, die sich in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Reportersystem verwenden lassen, können neben den Polypeptiden mit Cre-Rekombinase-Aktivität auch Polypeptide umfassen, die die enzymatische Aktivität einer anderen Rekombinase, wie beispielsweise die der lambda-Integrase Flp, aufweisen. Nukleotidsequenzen, die in eukaryotischen Zellen als Initiationskodon, Stopkodon oder Ribosomenbindungsstelle genutzt werden können, zählen zum Standardwissen des Fachmanns und können einschlägigen Lehrbüchern entnommen werden. According to a preferred embodiment of the present invention Invention are the recognition sequences loxP recognition sequences with the nucleotide sequence given in SEQ ID NO: 5. According to the invention Included are recognition sequences which differ from the above mentioned. Derive sequences and exchange individually Nucleotides differ from these. The polypeptides with recombinase Activity associated with the invention Reporter system can be used in addition to the polypeptides with Cre recombinase activity also include polypeptides comprising the enzymatic activity of another recombinase, such as for example, those of the lambda integrase Flp, have. nucleotide in eukaryotic cells as an initiation codon, stop codon or Ribosome binding site can be used to count Standard knowledge of the specialist and can be relevant textbooks be removed.
Als Reportergene werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Gene bezeichnet, die für Proteine kodieren, die einen qualitativen und/oder quantitativen Nachweis ihrer Expression ermöglichen. Derartige Reportergene sind im Stand der Technik hinreichend beschrieben und umfassen u. a. die für die β-Galaktosidase, die Luciferase oder die Chloramphenicol-Acetyltransferase kodierenden Gene. Die Durchführung des Nachweises der erfolgten Rekombination kann den Aufschluss der Zellen und/oder die Zugabe zusätzlicher Substanzen erfordern, deren biochemische Umsetzung durch das Genprodukt eines Reportergens erfassbar ist. Die Expression der β- Galaktosidase läßt sich beispielsweise sowohl colorimetrisch (mittels einer Anfärbung der Zellen) durch Umsetzung des Substrats o-Nitrophenyl-β-D-galactosid (ONPG) oder X-Gal, fluorometrisch durch Umsetzung einer 4-Methylumbelliferyl-β- galactopyranosid-Verbindung oder durch Chemilumineszenz anhand der Umsetzung eines 1,2-Dioxetan-Galactopyranosid-Derivates nachweisen. Ferner können Gene Anwendung finden, die den Zellen eine Resistenz gegenüber zytotoxischen oder anderen Substanzen, die das Wachstum hemmen oder inhibieren, vermitteln. Der Nachweis der Expression dieser Gene erfolgt dabei durch Kultivierung der Zellen unter entsprechend selektiven Bedingungen. Reporter genes used in the context of the present invention are genes which code for proteins having a qualitative and / or quantitative detection of their expression. Such reporter genes are sufficient in the art described and include u. a. those for the β-galactosidase, the Luciferase or the chloramphenicol acetyltransferase coding Genes. Carrying out the proof of recombination may be the digestion of the cells and / or the addition of additional Substances require their biochemical conversion by the Gene product of a reporter gene is detectable. Expression of β- For example, galactosidase can be both colorimetrically (By staining the cells) by reacting the Substrate o-nitrophenyl-β-D-galactoside (ONPG) or X-Gal, fluorometrically by reacting a 4-methylumbelliferyl-β- galactopyranoside compound or by chemiluminescence the reaction of a 1,2-dioxetane-galactopyranoside derivative prove. Furthermore, genes can be applied to cells Resistance to cytotoxic or other substances that inhibit or inhibit growth. The proof of Expression of these genes takes place by cultivating the Cells under appropriately selective conditions.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kodiert mindestens eines der Reportergene für ein fluoreszierendes Protein. Die Messung der von lumineszenten Proteinen verursachten Lichtemissionen eignet sich insbesondere für in-vivo Messungen, da die Zellen nicht aufgeschlossen werden müssen und somit einem direkten Nachweis zugänglich sind. Aus diesem Grunde ist die Messung einer Fluoreszenz mit weniger zeitlichem und materiellem Aufwand verbunden. Aliquots der jeweiligen Zellkultur lassen sich während des Kulturwachstums mit Hilfe eines Fluoreszenzmikroskopes oder durchflußcytometrisch auf eine Emission von Licht hin untersuchen. According to a preferred embodiment of the present invention Invention encodes at least one of the reporter genes for a fluorescent protein. The measurement of luminescent proteins caused light emissions is particularly suitable for in vivo Measurements, as the cells do not need to be digested and thus be accessible to direct evidence. For this reason is the measurement of fluorescence with less temporal and material effort. Aliquots of the respective cell culture can be during the culture growth with the help of a Fluorescence microscope or by flow cytometry on an emission of Examine the light.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das fluoreszierende Protein eine der in SEQ ID NO: 6 oder SEQ ID NO: 7 angegebenen Aminosäuresequenzen auf oder ist ein Derivat, ein Homolog oder ein aktives Fragment derselben. Dabei handelt es sich um das rot-fluoreszierende DsRed1- Protein aus Discosoma sp. bzw. um das enhanced green fluorescent protein (eGFP), einer Variante des GFP aus Aequorea victoria. According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the fluorescent protein has one of the in SEQ ID NO: 6 or SEQ ID NO: 7 indicated amino acid sequences or is a derivative, a homolog or an active fragment the same. These are the red-fluorescent DsRed1 Protein from Discosoma sp. or the enhanced green fluorescent protein (eGFP), a variant of the GFP from Aequorea victoria.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Reportersystem die in SEQ ID NO: 8 angegebene Nukleotidsequenz auf. Dieses Reporterkonstrukt (SFr) wurde generiert, in dem das für ein rotes fluoreszierendes Protein kodierende DsRed1-Gen von loxP-Sequenzen mit gleicher Orientierung flankiert wurde. Stromabwärts der zweiten loxP-Sequenz befindet sich der offene Leserahmen eines eGFP-Gens, welches für das "enhanced green fluorescent protein" kodiert und ein deletiertes ATG-Startkodon aufweist. Eine Ribosomenbindungsstelle und ein potentielles ATG-Initiationskodon im Leseraster des DsRed- Gens sind vor der ersten loxP-Sequenz lokalisiert. Die Übergänge sind so konstruiert, daß eine loxP-spezifische Rekombination zur Exzision des DsRed-Genes führt und gleichzeitig das eGFP-Gen in den richtigen Leserahmen zum ATG-Initiationskodon rückt (vgl. Fig. 2). Die Detektion einer Cre-spezifischen Rekombination kann fluoreszenzmikroskopisch oder durchflußcytometrisch erfolgen. Die Durchflußcytometrie erlaubt eine genaue Bestimmung der Rekombinationsrate, ohne daß die Zellen zuvor behandelt werden müssen. According to a further, particularly preferred embodiment of the present invention, the reporter system has the nucleotide sequence given in SEQ ID NO: 8. This reporter construct (SFr) was generated by flanking the red fluorescent protein-encoding DsRed1 gene from loxP sequences of the same orientation. Downstream of the second loxP sequence is the open reading frame of an eGFP gene which encodes the enhanced green fluorescent protein and has a deleted ATG start codon. A ribosome binding site and a potential ATG initiation codon in the reading frame of the DsRed gene are located before the first loxP sequence. The transitions are designed so that loxP-specific recombination results in excision of the DsRed gene and at the same time puts the eGFP gene in the correct reading frame to the ATG initiation codon (see Figure 2). The detection of a Cre-specific recombination can be carried out by fluorescence microscopy or by flow cytometry. Flow cytometry allows an accurate determination of the rate of recombination without the need to pre-treat the cells.
Die Erfindung betrifft somit auch ein Verfahren zum Nachweis einer ortsspezifischen DNA-Rekombination in eukaryotischen Zellen unter Verwendung eines Polypeptids mit Rekombinase-Aktivität, bei dem man das erfindungsgemäße Reportersystem und ein Polypeptid mit Rekombinase-Aktivität in eine eukaryotische Zelle einbringt und die Zellen unter Bedingungen kultiviert, die eine DNA- Rekombination ermöglichen, und im folgenden den Rekombinationsvorgang anhand des vom zweiten Reportergen kodierten Genprodukts nachweist (d. h., beispielsweise durch eine Änderung oder das Aufteten einer Fluoreszenz, wenn wenigstens ein Reportergen für ein fluoreszierendes Protein kodiert). The invention thus also relates to a method for detection a site-specific DNA recombination in eukaryotic cells using a polypeptide having recombinase activity the reporter system according to the invention and a polypeptide with recombinase activity in a eukaryotic cell and cultured the cells under conditions that produce a DNA Allow recombination, and in the following the Recombination process using the gene product encoded by the second reporter gene (i.e., by a change or the like) Occurrence of fluorescence when at least one reporter gene for a fluorescent protein encoded).
Dabei kann das erfindungsgemäße Reportersystem auch dazu verwendet werden, Rekombinationsvorgänge nachzuweisen, bei denen das Polypeptid mit Rekombinase-Aktivität nach den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren in die Zelle eingebracht wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Polypeptid mit Rekombinase-Aktivität durch Transfektion oder durch virale Infektion mit einem Vektor, der eine für das Polypeptid mit Rekombinase-Aktivität kodierende Nukleinsäure enthält, in die Zelle eingebracht, wobei man die Zellen unter Bedingungen kultiviert, die eine Expression des Polypeptids mit Rekombinase- Aktivität ermöglichen. Die Expression kann dabei unter der Kontrolle einer konstitutiven oder induzierbaren Promotorstruktur stehen. Eine induzierbaren Promotorstruktur bezeichnet eine Promotorstruktur, bei der die Zugabe bestimmter Substanzen eine Änderung der Transkriptionsrate der zu kontrollierenden Nukleotidsequenz (wie z. B. eines Gens) zur Folge hat. Weiterhin kann eine Cre-Variante (zum Beispiel eine Fusion mit einer Hormon- Bindungsdomäne), die erst durch Zugabe einer Substanz (zum Beispiel ein Steroid-Hormon) "aktiviert" wird, konstitutiv exprimiert werden. Vorzugsweise erfolgt erst bei Zugabe dieser induzierenden Substanzen überhaupt eine ortsspezifische Rekombination. Das Reportersystem erleichtert die Kontrolle der Induzierbarkeit eines solchen Systems. (Induzierbare Promotorstrukturen, die im Rahmen des Verfahrens Anwendung finden können, sind dem Fachmann hinreichend bekannt.) In this case, the reporter system according to the invention also to be used to detect recombination events in which the Polypeptide with recombinase activity after in the state of Technique described in the cell is introduced. According to a preferred embodiment of the present invention the polypeptide having recombinase activity by transfection or by viral infection with a vector that is one for the Polypeptide containing nucleic acid encoding recombinase activity, placed in the cell, taking the cells under conditions which expresses expression of the polypeptide with recombinase Enable activity. The expression can be under the Control of a constitutive or inducible promoter structure stand. An inducible promoter structure denotes a Promoterstruktur, in which the addition of certain substances a Change in the transcription rate of the to be controlled Nucleotide sequence (such as a gene) results. Furthermore, can a Cre variant (for example, a fusion with a hormone Binding domain), which is first added by adding a substance (for Example, a steroid hormone) becomes "activated", constitutively are expressed. Preferably, this is done only with the addition of this inducing substances are site-specific Recombination. The reporter system facilitates the control of Inducibility of such a system. (Inducible promoter structures, the can be used in the context of the procedure are the Skilled enough known.)
Das Reportersystem eignet sich darüber hinaus selbstverständlich auch dazu, Rekombinationsvorgänge nachzuweisen, die durch das erfindungsgemäße Verfahren der ortsspezifischen DNA-Rekombination initiiert wurden, und bei denen das Polypeptid mit Rekombinase- Aktivität zum Kulturüberstand der eukaryotischen Zellkultur gegeben wurde. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Polypeptid ein Polypeptid mit Cre- Rekombinase-Aktivität, das die in SEQ ID NO: 2 oder SEQ ID NO: 4 angegebenen Aminosäuresequenzen aufweist oder ein Derivat, ein Homolog oder ein aktives Fragment derselben. Of course, the reporter system is also suitable also to detect recombination events caused by the inventive method of site-specific DNA recombination and in which the polypeptide has been treated with recombinase Activity for culture supernatant of eukaryotic cell culture was given. According to a preferred embodiment of In the present invention, the polypeptide is a polypeptide with Recombinase activity corresponding to that shown in SEQ ID NO: 2 or SEQ ID NO: 4 has indicated amino acid sequences or a derivative, a Homolog or an active fragment thereof.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Erkennungssequenzen loxP-Sequenzen mit der in SEQ ID NO: 5 angegebenen Nukleotidsequenz. According to a further preferred embodiment of the present invention Invention are the recognition sequences loxP sequences with in SEQ ID NO: 5 indicated nucleotide sequence.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des beschriebenen Reportersystems zum Nachweis einer ortsspezifischen DNA- Rekombination in eukaryotischen Zellen. The invention further relates to the use of the described Reporter system for the detection of a site-specific DNA Recombination in eukaryotic cells.
Im Rahmen einer in vivo-Anwendung wird ein Polypeptid mit Cre- Rekombinase-Aktivität (ohne heterologe PTD, z. B. nach SEQ ID No. 2 oder 4) beispielsweise in Mäuse injiziert, die entweder transgene Cre-Erkennungssequenzen tragen, mit rekombinanten Viren infiziert wurden oder ein Transplantat (z. B. Knochenmark) mit solchen Sequenzen erhalten haben. Die Injektion kann dabei direkt in das entsprechende Organ oder in die Blutbahn erfolgen und kann, je nach Position der Erkennungssequenzen, in einer partiellen Inaktivierung oder Aktivierung von Genen, oder auch zum Beispiel in einer chromosomalen Translokation resultieren. Die vorliegende Erfindung betrifft somit auch die Verwendung eines Polypeptids mit Cre-Rekombinase-Aktivität (s. o.) zur Herstellung eines pharmazeutischen Präparats zur Durchführung einer ortsspezifischen DNA-Rekombination in eukaryotischen Zellen in vivo. Demgemäß ist Erfindungsgegenstand auch ein das erfindungsgemäße Polypeptid mit Cre-Rekombinase-Aktivität (s. o.) enthaltendes pharmazeutisches Präparat, das gegebenenfalls zusätzlich pharmazeutisch verträgliche Hilfs- und Trägerstoffe enthält. As part of an in vivo application, a polypeptide containing Recombinase activity (without heterologous PTD, eg according to SEQ ID No. 2 or 4) injected, for example, into mice that are either transgenic Carry Cre recognition sequences infected with recombinant viruses or a transplant (such as bone marrow) with such Have received sequences. The injection can be directly into the appropriate organ or into the bloodstream can and can, depending by position of the recognition sequences, in a partial Inactivation or activation of genes, or also, for example, in a chromosomal translocation result. The present The invention thus also relates to the use of a polypeptide with Cre recombinase activity (see above) for the preparation of a pharmaceutical preparation for performing a site-specific DNA recombination in eukaryotic cells in vivo. Accordingly Subject of the invention also a polypeptide of the invention with Cre recombinase activity (s. O.) Containing pharmaceutical Preparation which, if appropriate, additionally pharmaceutical contains compatible excipients and carriers.
Darüber hinaus schließt die Erfindung Wirtszellen, die das erfindungsgemäße Reportersystem enthalten, sowie Wirtszellen, die das erfindungsgemäße Reportersystem und das erfindungsgemäße Polypeptid mit Cre-Rekombinase-Aktivität enthalten, ein. Hinsichtlich der Wahl der Wirtszellen unterliegt die Erfindung keinen Einschränkungen, und es sind neben bakteriellen Zellen (wie E. coli) auch Insektenzellen und (höhere) Euraryontenzellen, wie z. B. murine und humane Zellinien CHO- oder BHK-Zellen, eingeschlossen. In addition, the invention includes host cells containing the Reporter system according to the invention, as well as host cells containing the Reporter system according to the invention and the inventive Containing polypeptide with Cre recombinase activity. Regarding the choice of host cells, the invention is not subject Limitations, and besides bacterial cells (like E. coli) also insect cells and (higher) Euraryontenzellen such. B. murine and human cell lines include CHO or BHK cells.
Die Erfindung betrifft auch Kits zur Durchführung einer ortsspezifischen Rekombination. The invention also relates to kits for carrying out a site-specific recombination.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung Kits zur Durchführung eines Verfahrens zum Nachweis einer ortsspezifischen DNA- Rekombination in eukaryotischen Zellen unter Verwendung eines Polypeptids mit Rekombinase-Aktivität. Die Kits können neben dem erfindungsgemäßen Reportersystem u. a. einen geeigneten Transformationsvektor und verschiedene Reagenzien enthalten, die beim Einbringen des Reportersystems in die Zellen nützlich sind. Finally, the present invention relates to kits for Carrying out a method for detecting a site-specific DNA Recombination in eukaryotic cells using a Polypeptides having recombinase activity. The kits can be next to the Reporter system according to the invention u. a. a suitable one Transformation vector and various reagents contained in the Introducing the reporter system into the cells are useful.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher beschrieben. The invention will be described in more detail below with reference to examples described.
Fig. 1 (A) schematische Darstellung der Polypeptide nlsCre, PTD-nlsCre, TLM-nlsCre und wtCre nach ihrer Aufreinigung als GST- Fusionsprotein und Abspaltung des GST-Anteils mit Thrombin. Die einzige Abweichung des rekombinanten wtCre-Proteins zur nativen Cre-Aminosäuresequenz (Accession No. P06956) ist ein Glycin anstelle von Methionin an Position Nr. 1. Das modifizierte Protein nlsCre weist gegenüber wtCre einen Aminosäureaustausch (Threonin anstelle von Alanin) an Position 207, die zusätzliche SV40- Kernlokalisationssequenz ("NLS", Aminosäuren 11-17 in SEQ ID NO: 4) am N-Terminus und ein 9E10 (c-myc)-Epitop ("myc-tag", Aminosäuren 360-371 in SEQ ID NO: 4) am C-Terminus auf. Demgegenüber enthalten die Proteine TLM-nlsCre und PTD-nlsCre zusätzlich die bekannten Proteintransduktionsdomänen PreS2-TLM aus HBV bzw. Tat- PTD aus HIV-1. (B) SDS-PAGE zum Nachweis von nlsCre, TLM-nlsCre, PTD-nlsCre und wtCre. Die Cre-Proteine wurden als GST- Fusionsproteine in E. coli exprimiert, affinitätsgereinigt und mit Thrombin vom GST-Anteil freigespalten. Die Proteinpräparationen wurden mittels SDS-PAGE in einem 12,5%igen Gel aufgetrennt, und die Proteine wurden anschließend durch Coomassie-Färbung sichtbar gemacht. Fig. 1 (A) is a schematic representation of the polypeptides nlsCre, PTD-nlsCre, TLM-nlsCre and wtCre after their purification as GST fusion protein and cleavage of the GST portion with thrombin. The only aberration of the recombinant wtCre protein to the native Cre amino acid sequence (Accession No. P06956) is a glycine instead of methionine at position # 1. The modified nlsCre protein has an amino acid substitution (wt threonine instead of alanine) at position 207, the additional SV40 nuclear localization sequence ("NLS", amino acids 11-17 in SEQ ID NO: 4) at the N-terminus and a 9E10 (c-myc) epitope ("myc-tag", amino acids 360-371 in SEQ ID NO : 4) at the C-terminus. In contrast, the proteins TLM-nlsCre and PTD-nlsCre additionally contain the known protein transduction domains PreS2-TLM from HBV and Tat-PTD from HIV-1, respectively. (B) SDS-PAGE for detection of nlsCre, TLM-nlsCre, PTD-nlsCre and wtCre. The Cre proteins were expressed as GST fusion proteins in E. coli, affinity purified, and cleaved from the GST portion with thrombin. The protein preparations were separated by SDS-PAGE in a 12.5% gel, and the proteins were then visualized by Coomassie staining.
Fig. 2 Reportersystem zur Detektion von Cre-Rekombinase- Aktivität. In dem retroviralen Reporterkonstrukt SFr (SEQ ID NO: 8) ist das DsRed1-Gen (kodiert für ein rotes fluoreszierendes Protein) von loxP-Sequenzen mit gleicher Orientierung flankiert. Distal der zweiten loxP-Sequenz befindet sich der offene Leserahmen des eGFP-Gens (kodiert für das "enhanced green fluorescent protein"), in dem das ATG-Startkodon deletiert wurde. Eine Kozak- Konsensussequenz und ein potentielles ATG-Initiationskodon im Leseraster des DsRed-Gens sind vor der ersten loxP-Sequenz lokalisiert. Die Übergänge sind so konstruiert, daß eine lox- spezifische Rekombination zur Exzision des DsRed-Genes führt und gleichzeitig das eGFP-Gen in den richtigen Leserahmen zum ATG- Initiationskodon rückt. Zellen, die mit diesem Reporterkonstrukt stabil transduziert sind, zeigen eine rote Fluoreszenz. Nach Cre/lox-spezifischer Rekombination wird eGFP anstelle des DsRed1- Gens exprimiert, und die Zellen zeigen eine grüne Fluoreszenz. Fig. 2 Reporter system for the detection of cre-recombinase activity. In the retroviral reporter construct SFr (SEQ ID NO: 8), the DsRed1 gene (encoded for a red fluorescent protein) is flanked by loxP sequences of the same orientation. Distal to the second loxP sequence is the open reading frame of the eGFP gene (encoded for the "enhanced green fluorescent protein") in which the ATG start codon was deleted. A Kozak consensus sequence and a potential ATG initiation codon in the reading frame of the DsRed gene are located before the first loxP sequence. The transitions are designed so that lox-specific recombination results in excision of the DsRed gene and at the same time puts the eGFP gene in the correct reading frame to the ATG initiation codon. Cells stably transduced with this reporter construct show a red fluorescence. After Cre / lox-specific recombination, eGFP is expressed in place of the DsRed1 gene and the cells show green fluorescence.
Fig. 3 fluoreszenzmikroskopische Aufnahme von klonalen Reporterzellen, die 2 Tage zuvor in Medium mit 800 nM rekombinantem, gereinigtem nlsCre-Protein kultiviert wurden. Unter allen behandelten Reporterzell-Klonen konnten Zellen mit deutlicher grüner Fluoreszenz detektiert werden (hier gezeigt für Klon 12 und 15), die in unbehandelten Zellpopulationen nicht beobachtet wurden. Die nicht-homogene Lokalisation des DsRed1-Proteins in den Zellen ist vermutlich auf dessen Tendenz zur Aggregation zurückzuführen (Clontech-Produktinformation). Fig. 3 fluorescence micrograph of clonal reporter cells, which were cultured 2 days before in medium with 800 nM recombinant, purified nlsCre protein. Among all treated reporter cell clones, cells with distinct green fluorescence could be detected (shown here for clone 12 and 15) that were not observed in untreated cell populations. The non-homogenous localization of the DsRed1 protein in the cells is probably due to its tendency to aggregate (Clontech product information).
Fig. 4 Nachweis der lox-spezifischen Rekombination auf chromosomaler DNA-Ebene. (A) Positionen der Primer für eine PCR auf dem Reporterkonstrukt SFr. Eine präzise, Cre-vermittelte Exzision des DsRed1-Gens führt zu einer Vorlage, die um 735 bp verkürzt ist. (B) Genomische DNA aus unbehandelten (-) oder mit rekombinantem nlsCre-Protein inkubierten (+) Reporterzellen (Klone 12 und 15) wurde als "Template" mit den PCR-Primern p1 und p2 eingesetzt. Neben dem erwarteten PCR-Produkt von 1099 bp für die nicht- rekombinierte Vorlage konnte in den (+)-Proben das nach spezifischer Rekombination erwartete Produkt von 364 bp detektiert werden. Die Identität der sichtbaren Banden wurde durch Sequenzanalyse überprüft. Fig. 4 Detection of lox-specific recombination at the chromosomal DNA level. (A) Positions of primers for a PCR on the reporter construct SFr. Precise, Cre-mediated excision of the DsRed1 gene results in a template that is shortened by 735 bp. (B) Genomic DNA from untreated (-) or recombinant nlsCre protein incubated (+) reporter cells (clones 12 and 15) was used as a template with the PCR primers p1 and p2. In addition to the expected PCR product of 1099 bp for the non-recombined template, the expected product of 364 bp after specific recombination could be detected in the (+) samples. The identity of the visible bands was checked by sequence analysis.
Fig. 5 Abhängigkeit der Rekombinationsrate von der Konzentration des nlsCre-Proteins im Medium. (A) Reporterzellen wurden für 6 Stunden in Medium (MEM mit 10% FCS) mit unterschiedlichen Konzentrationen an nlsCre inkubiert und 48 Stunden später mittels Durchflußzytometrie auf eGFP- und DsRed1-Expression analysiert (zur Auswertung siehe auch Abschnitt B). Der Anteil eGFP- positiver Zellen ist in Abhängigkeit von der nlsCre-Konzentration im Medium dargestellt. Unter diesen Bedingungen wurde durch die Zugabe von 5 µM nlsCre eine Rekombinationsrate von über 50% erreicht. (B) Reporterzellen wurden für 6 Stunden mit 2,5 µM nlsCre in serumfreien Medium (MEM ohne FCS) inkubiert. Nach 48 Stunden wurden die Zellen durchflußzytometrisch analysiert und die DsRed1-Expression gegen die eGFP-Expression mit Hilfe der "Cellquest"-Software (Becton Dickinson) geplottet und ausgewertet. Während in unbehandelten Zellen (mock) keine eGFP-Expression detektiert werden konnte, waren > 50% der nlsCre-behandelten Zellen eGFP-positiv. Fig. 5 Dependence of the recombination rate on the concentration of nlsCre protein in the medium. (A) Reporter cells were incubated for 6 hours in medium (MEM with 10% FCS) with different concentrations of nlsCre and analyzed 48 hours later by flow cytometry for eGFP and DsRed1 expression (see also Section B for evaluation). The proportion of eGFP-positive cells is shown as a function of the nlsCre concentration in the medium. Under these conditions, a recombination rate of over 50% was achieved by the addition of 5 μM nlsCre. (B) Reporter cells were incubated for 6 hours with 2.5 μM nlsCre in serum-free medium (MEM without FCS). After 48 hours, the cells were analyzed by flow cytometry and DsRed1 expression against eGFP expression was plotted and evaluated using the "Cellquest" software (Becton Dickinson). While no expression of eGFP could be detected in untreated cells (mock),> 50% of the nlsCre-treated cells were eGFP-positive.
Fig. 6 Cre/lox-spezifische Rekombination in murinen Knochenmarkzellen nach Zugabe von nlsCre-Protein zum Medium. Schematische Darstellung des endogen "gefloxten" C/EBPα Lokus vor und nach lox-spezifischer Rekombination. Durch die erste PCR mit den Primern p3 und p4 konnte der C/EBPαfl/fl-Lokus in der genomischen DNA der Knochenmarkzellen nachgewiesen werden. Mit der zweiten PCR (Primer p5 und p6) konnte nur in der genomischen DNA von nlsCre- oder PTD-nlsCre-behandelten Knochenmarkzellen das spezifische 400 bp-Produkt detektiert werden, das nach der Exzision von C/EBPα entsteht. Die 400 bp-Produkte wurden durch Sequenzanalyse verifiziert. Fig. 6 Cre / lox-specific recombination in murine bone marrow cells after addition of nlsCre protein to the medium. Schematic representation of the endogenously "flooded" C / EBPα locus before and after lox-specific recombination. By the first PCR with the primers p3 and p4 the C / EBPα fl / fl -Lokus could be proven in the genomic DNA of the bone marrow cells. With the second PCR (primers p5 and p6), it was only in the genomic DNA of nlsCre or PTD-nlsCre-treated bone marrow cells that the specific 400 bp product that results after excision of C / EBPα could be detected. The 400 bp products were verified by sequence analysis.
Fig. 7 spezifische Rekombination nach Zugabe von nicht- modifizierter Cre-Rekombinase. Reporterzellen wurden mit 1 µM des wtCre-Proteins für 3 Stunden inkubiert. Nach zwei Tagen konnten im Fluoreszenzmikroskop ca. 1,5% eGFP-exprimierende Zellen detektiert werden. Fig. 7 specific recombination after addition of unmodified Cre recombinase. Reporter cells were incubated with 1 μM of the wtCre protein for 3 hours. After two days, approximately 1.5% eGFP-expressing cells could be detected by fluorescence microscopy.
Klonierungen, Annealing von Oligonukleotiden, Phosphorylierung von DNA-Fragmenten und die Präparation von chromosomaler DNA wurden nach Standardprotokollen (Ausubel et al. (1994) Current protocols in molecular biology John Wiley & Sons. New York, USA) durchgeführt. PCR-Reaktionen wurden mit Taq-Polymerase (Qiagen) oder Platinum PfxI-Polymerase (Gibco BRL) nach Empfehlungen der entsprechenden Firma durchgeführt. Der Mung bean-Nuklease Verdau wurde nach Empfehlung der Firma Promega durchgeführt. Cloning, annealing of oligonucleotides, phosphorylation of DNA fragments and the preparation of chromosomal DNA were prepared according to standard protocols (Ausubel et al. (1994) Current protocols in molecular biology John Wiley & Sons. New York, USA) carried out. PCR reactions were performed with Taq polymerase (Qiagen) or Platinum PfxI polymerase (Gibco BRL) according to recommendations of corresponding company performed. The mung bean nuclease digestion was carried out according to the recommendation of Promega.
Als Expressionsvektor für die Produktion von GST-Cre- Fusionsproteinen in E. coli wurde pGEX-2T(KT) verwendet (SEQ ID NO: 9), ein modifizierter pGEX-2T-Vektor mit der Multiklonierungsregion aus pEG(KT) (Mitchell et al. (1993) Yeast 9: 715-723). Für die Klonierung von pGEX-nlsCre wurde pGEX-2T(KT) mit XhoI linearisiert, die Überhänge mit dem Klenow-Fragment aufgefüllt und anschließend mit NcoI geschnitten. Ein modifiziertes Cre-Gen (Bergemann et al. (1995) NAR 23: 4451-6) wurde aus R815 (Prassolov et al. (2001) Exp Hematol. 29: 756-65) mit den Restriktionsendonukleasen NcoI und XbaI isoliert, wobei der XbaI-Überhang ebenfalls mit Hilfe des Klenow-Fragmentes geglättet wurde. Das Cre- kodierende DNA-Fragment wurde anschließend mit pGEX-2T(KT) ligiert. As an expression vector for the production of GST-Cre Fusion proteins in E. coli was used pGEX-2T (KT) (SEQ ID NO: 9), a modified pGEX-2T vector with the Multi-cloning region from pEG (KT) (Mitchell et al. (1993) Yeast 9: 715-723). For the cloning of pGEX-nlsCre was pGEX-2T (KT) with XhoI linearized, the overhangs filled with the Klenow fragment and then cut with NcoI. A modified Cre gene (Bergemann et al. (1995) NAR 23: 4451-6) was prepared from R815 (Prassolov et al. (2001) Exp Hematol. 29: 756-65) with the Restriction endonucleases NcoI and XbaI isolated, the XbaI overhang also was smoothed with the help of Klenow fragment. The Cre coding DNA fragment was subsequently mixed with pGEX-2T (KT) ligated.
Für die Konstruktion von pGEX-TLM-nlsCre wurden die Oligonukleotide TLM+ (SEQ ID NO: 10; 5'-GATCCCCGCTGTCTTCCATTTTCTCCCGTATC- GGCGATCCGGGTGGCGGTTC-3') und TLM- (SEQ ID NO: 11; 5'- CATGGAACCGCCACCCGGATCGCCGATACGGGAGAAAATGGAAGACAGCGGG-3'), für pGEX-PTD-nlsCre die Oligonukleotide PTD+ (SEQ ID NO: 12; 5'- GATCCTATGGCCGTAAAAAGCGCCGTCAGCGCCGCCGTCC-3') und PTD- (SEQ ID NO: 13; 5'-CATGGGACGGCGGCGCTGACGGCGCTTTTTACGGCCATAG-3') hybridisiert und phosphoryliert. Die entstandenen 52 bp bzw. 40 bp-Fragmente wurden jeweils in das BamHI/NcoI-linearisierte Plasmid pGEX- nlsCre insertiert. For the construction of pGEX-TLM-nlsCre the Oligonucleotides TLM + (SEQ ID NO: 10; 5'-GATCCCCGCTGTCTTCCATTTTCTCCCGTATC- GGCGATCCGGGTGGCGGTTC-3 ') and TLM (SEQ ID NO: 11; 5'- CATGGAACCGCCACCCGGATCGCCGATACGGGAGAAAATGGAAGACAGCGGG-3 '), for pGEX-PTD-nlsCre the oligonucleotides PTD + (SEQ ID NO: 12, 5'- GATCCTATGGCCGTAAAAAGCGCCGTCAGCGCCGCCGTCC-3 ') and PTD (SEQ ID NO: 13; 5'-CATGGGACGGCGGCGCTGACGGCGCTTTTTACGGCCATAG-3 ') and phosphorylated. The resulting 52 bp and 40 bp fragments, respectively were each inserted into the BamHI / NcoI-linearized plasmid pGEX- nlsCre inserted.
Die eingeführten DNA-Fragmente kodieren für Aminosäuresequenzen aus dem PreS2-Glycoprotein von HBV bzw. aus dem tat-Protein von HIV-1. Für beide Sequenzen wurde gezeigt, daß sie die Aufnahme von rekombinanten Reporterproteinen in Zellen vermitteln können (Oess and Hildt 2000 Gene Therapy 7: 750-8; Schwarze et al. 1999 Science 285: 1569-72). Das modifizierte Cre-Gen aus R815 kodiert für die Cre-Rekombinase aus dem Bakteriophagen P1 mit einem Aminosäureaustausch (Threonin anstelle von Alanin) an Position 207, die zusätzlich die SV40-Kernlokalisationssequenz (Aminosäuren 11-17 in SEQ ID NO: 4) am N-Terminus und ein 9E10 (c-myc)-Epitop (Aminosäuren 360-371 in SEQ ID NO: 4) am C-Terminus enthält. Die modifizierte Cre-Rekombinase wird im Folgenden als "nlsCre" bezeichnet. The introduced DNA fragments encode amino acid sequences from the PreS2 glycoprotein of HBV or from the tat protein of HIV-1. Both sequences were shown to be uptake of recombinant reporter proteins into cells (Oess and Hildt 2000 Gene Therapy 7: 750-8; Schwarze et al., 1999 Science 285: 1569-72). The modified Cre gene from R815 encodes for the Cre recombinase from the bacteriophage P1 with a Amino acid exchange (threonine instead of alanine) at position 207, additionally the SV40 nuclear localization sequence (amino acids 11-17 in SEQ ID NO: 4) at the N-terminus and a 9E10 (c-myc) epitope (Amino acids 360-371 in SEQ ID NO: 4) at the C-terminus. The modified Cre recombinase is hereinafter referred to as "nlsCre" designated.
Für die Herstellung einer Cre-Rekombinase ohne C- und N-terminale Modifikationen wurde zunächst eine PCR mit pGEX-nlsCre als Vorlage und den Oligonukleotide Cre-N (SEQ ID NO: 14; 5'- GAAGAGGAAGGGATCCAATTTACTGACCG-3') und Cre-C (SEQ ID NO: 15; 5'- CAGAAATAAGCTTTTGTTCCTAATCGCCATC-3') unter Verwendung der PfxI- Polymerase (Gibco Life Technologies) durchgeführt. Das entstandene 1060 bp-Fragment wurde mit den Restriktionsendonukleasen BamHI und HindIII geschnitten, und die entstandenen 683 bp (BamHI- HindIII) und 355 bp (BamHI)-Fragmente wurden nacheinander in den BamHI-HindIII-geöffneten Vektor pGEX-2T(KT) insertiert. For the preparation of a Cre recombinase without C and N-terminal Modifications were first performed using PCR with pGEX-nlsCre Template and the oligonucleotides Cre-N (SEQ ID NO: 14, 5'- GAAGAGGAAGGGATCCAATTTACTGACCG-3 ') and Cre-C (SEQ ID NO: 15; 5'- CAGAAATAAGCTTTTGTTCCTAATCGCCATC-3 ') using the PfxI Polymerase (Gibco Life Technologies) performed. The resulting 1060 bp fragment was digested with the restriction endonucleases BamHI and HindIII, and the resulting 683 bp (BamHI) HindIII) and 355 bp (BamHI) fragments were sequentially added to the BamHI-HindIII opened vector pGEX-2T (KT).
Des weiteren wurde der Basenaustausch, der zu der A207T-Mutation in nlsCre führt, unter Verwendung der Oligonukleotide 207+ (SEQ ID NO: 16; 5'-GGTTAGCACCGCAGGTGTAG-3') und 207- (SEQ ID NO: 17; 5'-CTACACCTGCGGTGCTAACC-3') mittels der "overlap extension- Methode" (Ho et al. (1989) Gene 77: 51-59) korrigiert. Das gesamte wtCre-Gen (SEQ ID NO: 1) in dem so entstandenen Vektor pGEX-wtCre wurde durch Sequenzanalyse verifiziert. Furthermore, the base exchange that became the A207T mutation in nlsCre using oligonucleotides 207+ (SEQ ID NO: 16; 5'-GGTTAGCACCGCAGGTGTAG-3 ') and 207- (SEQ ID NO: 17; 5'-CTACACCTGCGGTGCTAACC-3 ') by means of the overlap extension Method (Ho et al., (1989) Gene 77: 51-59) wtCre gene (SEQ ID NO: 1) in the resulting vector pGEX-wtCre was verified by sequence analysis.
Nach der in Beispiel 1b beschriebenen Expression, Aufreinigung und dem Thrombin-Verdau des GST-wtCre-Fusionsproteins wird das "wtCre"-Protein (SEQ ID NO: 2) dargestellt, das sich von der beschriebenen, "natürlichen" Cre-Rekombinase aus dem Bakteriophagen P1 (Accession NO: P06956) nur an Position 1 (Glycin statt Methionin) unterscheidet. After the expression described in Example 1b, purification and thrombin digestion of the GST-wtCre fusion protein becomes "wtCre" protein (SEQ ID NO: 2), which differs from the described, "natural" Cre recombinase from the bacteriophage P1 (Accession NO: P06956) only at position 1 (glycine instead Methionine).
Transformanden des E. coli-Expressionsstammes BL21- CodonPlus(DE3)-RP (Stratagene) mit den Expressionsplasmiden pGEX- nlsCre, pGEX-TLM-nlsCre, pGEX-PTD-nlsCre und pGEX-wtCre wurden in 1 l LB (+ 100 mg/l Ampicillin und 50 mg/l Chloramphenicol) bis zu einer OD600 von 0.7 kultiviert und 8 Stunden bei 25 Grad mit 0.5 mM IPTG induziert. Der Aufschluß der Zellen erfolgte in 40 ml PBS, 0.5% Triton-X-100, 0.5 mM Pefabloc (Roche Diagnostics GmbH) durch Ultraschall. Nach Zentrifugation bei 4000 × g wurde der überstand mit 500 µl Glutathion-Sepharose 4B (Amersham Pharmacia) 3 h bei 4°C im Drehrad inkubiert. Die Sepharose wurde 3 × 10 min im Drehrad mit 40 ml PBS, pH 7.0 gewaschen. Die Identität der GST-Cre-Fusionsproteine wurde immunologisch mit dem monoklonalen anti-myc-Antikörper (9E10) überprüft. Zur Abspaltung der Cre- Proteine vom GST-Anteil wurde die Sepharose mit 10 units Thrombin (Amersham Pharmacia) in 1 ml PBS/100 mM Na2HPO4 16 Stunden bei 25 Grad im Drehrad behandelt. Transformants of the E. coli expression strain BL21-CodonPlus (DE3) -RP (Stratagene) with the expression plasmids pGEX-nlsCre, pGEX-TLM-nlsCre, pGEX-PTD-nlsCre and pGEX-wtCre were incubated in 1 l LB (+ 100 mg / 1 ampicillin and 50 mg / l chloramphenicol) to an OD 600 of 0.7 and induced for 8 hours at 25 degrees with 0.5 mM IPTG. The digestion of the cells was carried out in 40 ml of PBS, 0.5% Triton-X-100, 0.5 mM Pefabloc (Roche Diagnostics GmbH) by ultrasound. After centrifugation at 4000 × g, the supernatant was incubated with 500 μl glutathione-Sepharose 4B (Amersham Pharmacia) at 4 ° C. for 3 h in the rotary wheel. The Sepharose was washed 3 × 10 min in the rotary wheel with 40 ml PBS, pH 7.0. The identity of the GST-Cre fusion proteins was checked immunologically with the monoclonal anti-myc antibody (9E10). To cleave the Cre proteins from the GST portion, the Sepharose was treated with 10 units thrombin (Amersham Pharmacia) in 1 ml PBS / 100 mM Na 2 HPO 4 for 16 hours at 25 degrees in a spinwheel.
Die durch Thrombin-Verdau freigesetzten Cre-Proteine zeigten im SDS-Gel ein Laufverhalten, welches den erwarteten Molmassen entspricht (Fig. 1, A und B). NlsCre, TLM-nlsCre, PTD-nlsCre und wtCre wurden in einer Konzentration von 100 bis 500 ng/µl (2-12 µM) erhalten. The Cre proteins released by thrombin digestion showed a running behavior in the SDS gel which corresponds to the expected molar masses ( FIGS. 1, A and B). NlsCre, TLM-nlsCre, PTD-nlsCre and wtCre were obtained at a concentration of 100 to 500 ng / μl (2-12 μM).
Die Konstruktion des Reporterkonstruktes SFr (= SFβ91-loxP-DsRed1- loxP-eGFP-wPRE, SEQ ID NO: 8) verlief über mehrere Zwischenschritte. Alle Plasmid-Amplifizierungen wurden in RecA- defizienten E. coli-Stämmen (DHSα oder DH10B von Gibco BRL) bei einer Wachstumstemperatur von 28°C durchgeführt.
- 1. Die loxP-Sequenz vor dem DsRed-Gen (loxP1) wurde durch Hybridisierung der Oligonukleotide loxP1+ (SEQ ID NO: 18; 5'- GGCCGCATGATAACTTCGTATAATGTATGCTATACGAAGTTATC-3') und loxP1- (SEQ ID NO: 19; 5'-CATGGATAACTTCGTATAGCATACATTATACGAAGTTATCATGC-3'), die loxP-Sequenz nach dem DsRed-Gen (loxP2) durch Hybridisierung der Oligonukleotide loxP2+ (SEQ ID NO: 20; 5'- GATCTTAGTCGACGCGTATAACTTCGTATAATGTATGCTATACGAAGTTATCAGGCCTGCAC- 3') und loxP2- (SEQ ID NO: 21; 5'-GTGCAGGCCTGATAACTTCGTATAGCATACATTATACGAAGTTATACGCGTCGACTAA-3') erhalten. Die loxP- Fragmente wurden anschließend mit Polynukleotidkinase (MBI- Fermentas) phosphoryliert.
- 2. Für die Konstruktion von pDsRed1-loxP2 wurde pDsRed1-C1 (Clontech) mit XmaI geschnitten, die Überhänge mit Hilfe des Klenow- Fragmentes geglättet, anschließend mit BglII verdaut und das loxP2-Fragment in den so vorbereiteten Vektor insertiert.
- 3. pKS-loxP1-DsRed1(Cterm)-loxP2 entstand durch eine 3-Fragmente- Ligation des loxP1-Fragmentes und des 326 bp NcoI-BamHI- Fragmentes aus pDsRed1-loxP2 mit dem Not1-BamHI-geöffneten Vektor pBlueskript(KS+) (Stratagene). Durch nachfolgende Insertion des 423 bp-NcoI-Fragmentes aus pDsRed1-C1 in den NcoI-geschnittenen pKS-loxP1-DsRed1(Cterm)-loxP2 in der richtigen Orientierung wurde das Zwischenkonstrukt pKS-loxP1-DsRed1-loxP2 erhalten.
- 4. Die loxP1-DsRed1-loxP2-Sequenz wurde mittels NotI/XmaI-Verdau aus pKS isoliert, und die Überhänge wurden mit Mung Bean-Nuklease (Promega) geglättet. pSFβ91-eGFP(tag) (Wahlers et al. (2001) Gene Ther 8: 477-86, Schambach et al. (2000) Mol. Ther. 2: 435-45) wurde mit NcoI linearisiert, die Überhänge mit Mung Bean-Nuklease geglättet, und das loxP1-DsRed1-loxP2-Fragment wurde insertiert. Nach Überprüfung der Orientierung und der Übergänge mittels Sequenzanalyse konnte pSFβ91-loxP-DsRed1-loxP-eGFP mit einem "in frame"-Übergang zwischen loxP2 und dem eGFP-Gen isoliert werden. Der "in frame"-Übergang gewährleistet die Translation von eGFP nach Cre-vermittelter Excision durch die korrekte Positionierung zum ATG-Startkodon vor loxP1.
- 5. Zur Erhöhung der Expression des retroviralen Reporterkonstruktes in den Zielzellen wurde das HindIII-Fragment mit wPRE (woodchuck HBV posttranscriptional regulatory element, Zufferey et al. (1999) J Virol. 73: 2886-92) aus pKS-γwPRE isoliert (Schambach et al. (2000) Mol Ther. 2: 435-45) und in die HindIII-Stelle von SFβ91-loxP-DsRed1-loxP-eGFP insertiert. Die richtige Orientierung wurde durch Restriktionsverdau überprüft.
- 1. The loxP sequence before the DsRed gene (loxP1) was isolated by hybridization of the oligonucleotides loxP1 + (SEQ ID NO: 18, 5'-GGCCGCATGATAACTTCGTATAATGTATGCTATACGAAGTTATC-3 ') and loxP1 (SEQ ID NO: 19; 5'-CATGGATAACTTCGTATAGCATACATTATACGAAGTTATCATGC- 3 '), the loxP sequence after the DsRed gene (loxP2) by hybridization of the oligonucleotides loxP2 + (SEQ ID NO: 20; 5'-GATCTTAGTCGACGCGTATAACTTCGTATAATGTATGCTATACGAAGTTATCAGGCCTGCAC-3') and loxP2- (SEQ ID NO: 21; 5'-GTGCAGGCCTGATAACTTCGTATAGCATACATTATACGAAGTTATACGCGTCGACTAA -3 '). The loxP fragments were subsequently phosphorylated with polynucleotide kinase (MBI-Fermentas).
- 2. For the construction of pDsRed1-loxP2, pDsRed1-C1 (Clontech) was cut with XmaI, the overhangs were smoothed using the Klenow fragment, then digested with BglII, and the loxP2 fragment inserted into the prepared vector.
- 3. pKS-loxP1-DsRed1 (Cterm) -loxP2 was generated by a 3-fragment ligation of the loxP1 fragment and the 326 bp NcoI-BamHI fragment from pDsRed1-loxP2 with the Not1-BamHI-opened vector pBluescript (KS +) ( Stratagene). Subsequent insertion of the 423 bp NcoI fragment from pDsRed1-C1 into the NcoI-cut pKS-loxP1-DsRed1 (Cterm) -loxP2 in the correct orientation yielded the intermediate construct pKS-loxP1-DsRed1-loxP2.
- 4. The loxP1-DsRed1-loxP2 sequence was isolated from pKS by NotI / XmaI digestion and the overhangs were blunted with mung bean nuclease (Promega). pSFβ91-eGFP (tag) (Wahlers et al. (2001) Gene Ther 8: 477-86, Schambach et al. (2000) Mol. Ther. 2: 435-45) was linearized with NcoI, the overhangs were mung bean coated. Nuclease smoothed and the loxP1-DsRed1-loxP2 fragment was inserted. After orientation and transitions were checked by sequence analysis, pSFβ91-loxP-DsRed1-loxP-eGFP could be isolated with an in-frame transition between loxP2 and the eGFP gene. The "in frame" transition ensures the translation of eGFP after Cre-mediated excision by correct positioning to the ATG start codon before loxP1.
- 5. In order to increase the expression of the retroviral reporter construct in the target cells, the HindIII fragment was isolated from pKS-γwPRE with wPRE (woodchuck HBV posttranscriptional regulatory element, Zufferey et al., (1999) J Virol 73: 2886-92) (Schambach et (2000) Mol Ther. 2: 435-45) and inserted into the HindIII site of SFβ91-loxP-DsRed1-loxP-eGFP. The correct orientation was checked by restriction digestion.
Die Verpackungszellinie Phoenix-gp (http: / / www.stanford.edu/group/nolan/) wurde mit dem Reporterkonstrukt SFr sowie mit Expressionsplasmiden für MoMuLV-gag/pol (das Expressionsplasmid für gag/pol, pSVgag/pol, enthält das gagpol-Gen aus MoMuLV unter der Kontrolle des SV40-Promotors) und für das ecotrophe Hüllprotein von MoMuLV (Morita et al. (2000) Gene Ther. 7: 1063-66) transfiziert. Die Maus-Fibroblasten-Zellinie SC-1 wurde mit den virus- haltigen Überständen infiziert. Nach drei Tagen konnten SC-1 Zellen, in denen das Reporterkonstrukt stabil integriert war, durch ihre rote Fluoreszenz mikroskopisch und durchflußytometrisch nachgewiesen werden. Mittels Einzelzellablagen konnten 5 SC-1 Klone (Klon 3, Klon 8, Klon 10, Klon 12 und Klon 15) isoliert werden, die eine stabile Expression von DsRed1 zeigen. Bei keinem dieser Klone konnte in dem Beobachtungszeitraum (Wochen bis Monate) eine spontane Rekombination beobachtet werden, die sich in der Expression von eGFP manifestierte. The packaging cell line Phoenix-gp (http: / / www.stanford.edu/group/nolan/) was using the reporter construct SFr as well Expression plasmids for MoMuLV gag / pol (the expression plasmid for gag / pol, pSVgag / pol, contains the gagpol gene from MoMuLV under the Control of the SV40 promoter) and for the ecotrophic coat protein MoMuLV (Morita et al. (2000) Gene Ther. 7: 1063-66) transfected. The mouse fibroblast cell line SC-1 was infected with the virus infected supernatants infected. After three days, SC-1 Cells in which the reporter construct was stably integrated through their red fluorescence microscopically and by flow cytometry be detected. By means of single cell deposits 5 SC-1 Clones (clone 3, clone 8, clone 10, clone 12 and clone 15) isolated which show stable expression of DsRed1. None In the observation period (weeks to Months) a spontaneous recombination can be observed, which in expression of eGFP.
Zur Verpackung des Reporterkonstruktes SFr in ecotrophe Viren wurden Phoenix-gp Verpackungszellen in Dulbeccos' modifizierten Eagle's Medium (DMEM) mit 2 mM Glutamin und 10% Fötalem Kälberserum (FCS, Sigma) kultiviert. Die Transfektion von 107 Phoenix-gp mit 10 µg Expressionsplasmid für MoMuLV gagpol, 5 µg SFr und 3 µg Expressionsplasmid für MoMuLV-env wurde nach der Ca3(PO4)2- Methode (Ausrubel et al. (1994), s. o.) durchgeführt. Für die Transfektion und die Ernte der Überstände nach 44 Stunden wurde DMEM/FCS mit 20 mM HEPES, pH 7,5 verwendet. Zur Infektion wurden 50 µl des virushaltigen Überstandes in 500 µl DMEM/FCS/HEPES + 4 µg/ml Protaminsulfat auf 105 SC-1 Zellen (ATCC NO CRL-1404) gegeben und 90 min bei 20°C und 800 × g zentrifugiert. To package the reporter construct SFr in ecotrophic viruses, Phoenix-gp packaging cells were cultured in Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) with 2 mM glutamine and 10% fetal calf serum (FCS, Sigma). Transfection of 10 7 Phoenix-gp with 10 ug expression plasmid for MoMuLV gag, pol, 5 ug SFr and 3 ug expression plasmid for MoMuLV env was determined by the Ca 3 (PO 4) 2 - Method (. Ausrubel et al (1994), supra) carried out. For transfection and harvest of supernatants after 44 hours, DMEM / FCS with 20 mM HEPES, pH 7.5 was used. For infection, 50 .mu.l of the virus-containing supernatant in 500 .mu.l of DMEM / FCS / HEPES + 4 .mu.g / ml protamine sulphate were added to 10 5 SC-1 cells (ATCC NO CRL-1404) and centrifuged for 90 min at 20.degree. C. and 800.times.g.
Die Kultivierung der SC-1 Reporterzellen erfolgte in Eagle's Minimum Essential Medium (MEM, Sigma) mit 2 mM Glutamin und 10% FCS bei 37°C im Brutschrank. Cultivation of SC-1 reporter cells was done in Eagle's Minimum Essential Medium (MEM, Sigma) with 2mM glutamine and 10% FCS at 37 ° C in the incubator.
Um zu untersuchen, ob extern zugegebenes Cre-Protein eine lox-
spezifische Excision in den Reporterzellen auslösen kann, wurden
verschiedene SFr-transduzierte SC-1-Klone (jeweils 105 Zellen pro
Zellkultur-Schale mit 1,5 cm Durchmesser) mit
affinitätsgereinigtem nlsCre, PTD-nlsCre oder TLM-nlsCre (Endkonzentration 0,8-1 mm
in MEM mit den in Beispiel 2 genannten Supplementen und 50 U/ml
Penicillin, 50 mg/ml Streptomycin) für 3-4 Stunden im Brutschrank
inkubiert. Nach 48 Stunden wurde der Anteil der eGFP-positiven
Zellen durchflußzytometrisch mit Hilfe des FACScaliber (Becton
Dickinson) bestimmt. Überraschenderweise war der Anteil eGFP-
positiver Zellen nach Zugabe des nlsCre-Proteins ohne heterologe
Proteintransduktionsdomäne mindestens so hoch wie nach Zugabe von
PTD-nlsCre und TLM-nlsCre (Tabelle 1). (n = Anzahl der
Experimente; Schwankungsbereich des Anteils eGFP-positiver Zellen).
Tabelle 1
To investigate whether externally added thereto Cre protein can trigger a lox specific excision into the reporter cells, various SFr-transduced were SC-1 clones (in each case 10 5 cells per cell culture dish with 1.5 cm diameter) with affinity purified nlsCre , PTD-nlsCre or TLM-nlsCre (final concentration 0.8-1 mm in MEM with the supplements mentioned in Example 2 and 50 U / ml penicillin, 50 mg / ml streptomycin) incubated for 3-4 hours in an incubator. After 48 hours, the proportion of eGFP-positive cells was determined by flow cytometry using the FACScaliber (Becton Dickinson). Surprisingly, the proportion of eGFP-positive cells after addition of the nlsCre protein without heterologous protein transduction domain was at least as high as after addition of PTD-nlsCre and TLM-nlsCre (Table 1). (n = number of experiments, range of variation of the proportion of eGFP-positive cells). Table 1
Nach Zugabe von 0,8 µM nlsCre-Protein zu verschiedenen klonalen Reporterzellen (Klon 3, 8, 10, 12 und 15) konnten bei mikroskopischer Betrachtung in allen Ansätzen bereits nach 24 h einige Zellen mit einer schwachen grünen Fluoreszenz detektiert werden, die nach 48 Stunden deutlicher wurde (siehe Fig. 3). Die eGFP- positiven Zellen zeigten dabei keine oder eine deutlich verringerte rote Fluoreszenz im Vergleich zu den umgebenden Zellen. Der Anteil der eGFP-positiven Zellen lag nach durchflußzytometrischer Analyse zwischen 2 und 4%. Unter den Kontrollzellen konnten dagegen keine eGFP-positiven Zellen detektiert werden. After addition of 0.8 μM nlsCre protein to various clonal reporter cells (clones 3, 8, 10, 12 and 15), microscopic examination revealed that all cells with a weak green fluorescence were detected after 24 h in all batches after 48 h Hours became clearer (see Fig. 3). The eGFP-positive cells showed no or significantly reduced red fluorescence compared to the surrounding cells. The proportion of eGFP-positive cells was by flow cytometric analysis between 2 and 4%. By contrast, no eGFP-positive cells could be detected under the control cells.
Zum Nachweis der Cre-spezifischen Rekombination auf DNA-Ebene wurde chromosomale DNA aus den nlsCre-behandelten Mischpopulationen der Klone 12 (4% eGFP-positiv) und 15 (2.5% eGFP positiv) isoliert. Die chromosomale DNA wurde als Vorlage für eine Polymerase-Kettenreaktion eingesetzt, bei der der (+) Primer p1 (SEQ ID NO: 22; 5'-ACGCCGAAACCGCGCCGCGCGTC-3') 173 bp vor der ersten loxP-Sequenz und (-) Primer p2 (SEQ ID NO: 23; 5'- GCAGATGAACTTCAGGGTCAGCTTGC-3') 154 bp nach der zweiten lox- Sequenz anbindet (vgl. Fig. 4A). Die Mischpopulationen zeigen in der ersten PCR neben dem 1099 bp-Produkt, das aus der Vorlage des nicht-rekombinierten Reporterkonstruktes zu erwarten ist, ein weiteres Produkt von 364 bp, das der Länge des erwarteten Produktes aus der rekombinierten Vorlage (d. h. nach Exzision des DsRed1-Gens) entspricht. Das 364 bp-Produkt fehlt, wenn genomische DNA aus den unbehandelten Reporterzellen als Vorlage eingesetzt wurde (Fig. 4B). Die Sequenzanalyse der aus dem Gel isolierten PCR-Produkte bestätigte die präzise, Cre/lox-spezifische Rekombination. To demonstrate Cre-specific recombination at the DNA level, chromosomal DNA was isolated from the nlsCre-treated mixed populations of clones 12 (4% eGFP positive) and 15 (2.5% eGFP positive). The chromosomal DNA was used as template for a polymerase chain reaction in which the (+) primer p1 (SEQ ID NO: 22; 5'-ACGCCGAAACCGCGCCGCGCGTC-3 ') 173 bp before the first loxP sequence and (-) primer p2 (SEQ ID NO: 23; 5'-GCAGATGAACTTCAGGGTCAGCTTGC-3 ') binds 154 bp after the second lox sequence (see Fig. 4A). In the first PCR, the mixed populations show, in addition to the 1099 bp product to be expected from the template of the unrecombined reporter construct, another product of 364 bp, which is the length of the expected product from the recombined template (ie after excision of DsRed1 Gene). The 364 bp product is absent when genomic DNA from the untreated reporter cells was used as a template ( Figure 4B). Sequence analysis of gel-isolated PCR products confirmed the precise, Cre / lox-specific recombination.
Dieses Beispiel zeigt deutlich, daß das nlsCre-Protein ohne heterologe Proteintransduktionddomäne nach externer Zugabe in den Zellkern der Reporterzellen gelangt und dort eine spezifische Rekombination einleitet. This example clearly shows that the nlsCre protein without heterologous protein transduction domain after external addition to the Cell nucleus of reporter cells and there reaches a specific Recombination initiates.
Um die Effizienz der Rekombination durch nlsCre zu erhöhen, wurden zunächst höhere Konzentrationen des gereinigten Proteins eingesetzt, und die Inkubation wurde verlängert. To increase the efficiency of recombination by nlsCre, were initially higher concentrations of the purified protein used, and the incubation was extended.
Hierzu wurden Reporterzellen mit 1,0, 1,5, 2,5 und 5,0 mm nlsCre- Konzentrationen in MEM (mit 2 mM Glutamin, 10% FCS, 50 U/ml Penicillin und 50 mg/ml Streptomycin) für 6 Stunden bei 37°C inkubiert, und das Medium wurde gegen frisches MEM ausgetauscht. Nach zwei Tagen wurde der Anteil eGFP-positiver Zellen durchflußzytometrisch mit einem FACScaliber bestimmt. For this purpose, reporter cells with 1.0, 1.5, 2.5 and 5.0 mm nlsCre- Concentrations in MEM (with 2 mM glutamine, 10% FCS, 50 U / ml Penicillin and 50 mg / ml streptomycin) for 6 hours at 37 ° C incubated and the medium was changed to fresh MEM. After two days became the proportion of eGFP positive cells determined by flow cytometry with a FACScaliber.
Wie erwartet, steigt die Rekombinationseffizienz mit steigender nlsCre-Konzentration. Die Inkubation mit 5 µM nlsCre führte zu einer Rekombinationsrate von über 50% (Fig. 5A). Wurde die Inkubation mit nlsCre in serumfreiem Medium (MEM mit 2 mM Glutamin und 50 U/ml Penicillin, 50 mg/ml Streptomycin) durchgeführt, konnte bereits nach Zugabe von 2,5 µM nlsCre eine Rekombinationsrate von über 50% gemessen werden (Fig. 5B). Eine Verringerung der Rekombinationseffizienz in Anwesenheit von Serum (hier 40% versus 53% nach Zugabe von 2,5 µM nlsCre) kann möglicherweise auf eine Aggregation des rekombinanten Proteins mit Serumproteinen zurückzuführen sein. As expected, the recombination efficiency increases with increasing nlsCre concentration. Incubation with 5 μM nlsCre resulted in a recombination rate of over 50% ( FIG. 5A). When incubation was carried out with nlsCre in serum-free medium (MEM with 2 mM glutamine and 50 U / ml penicillin, 50 mg / ml streptomycin), it was possible to measure a recombination rate of more than 50% after the addition of 2.5 μM nlsCre ( FIG. 5B). A reduction in recombination efficiency in the presence of serum (here 40% versus 53% after addition of 2.5 μM nlsCre) may possibly be due to aggregation of the recombinant protein with serum proteins.
Knochenmarkzellen aus einem C57Bl/6-Mausstamm, in dem das endogene C/EBP-Gen mit loxP-Sequenzen flankiert ist (Zhang et al. (2001) Blood 98: 792a-793a, siehe Fig. 6) wurden zunächst durch Ausspülen von Ober- und Unterschenkelknochen präpariert. Aliquots von 2 × 106 Zellen wurden 7 Stunden bei 37°C in 500 µl einer 1 : 1 Mischung aus 2 × DMDM (mit zweifach konzentrierten Zytokinen (siehe unten), 100 U/ml Penicillin, 100 mg/ml Streptomycin) und PBS (mock) bzw. PBS mit gereinigtem, rekombinantem nlsCre-Protein inkubiert. Die Endkonzentrationen betrugen 1,5 µM nlsCre bzw. 1,5 µM PTD-nlsCre. Die Zellen wurden abzentrifugiert, und das Medium wurde gegen IMDM (mit 20% FCS, 0,1% Rinder-Serumalbumin, 2 mM Glutamin, 5 ng/ml humanes IL-6; 10 ng/ml murines IL-3 und 50 ng/ml murines SCF; alle rekombinanten Wachstumsfaktoren von R&D Systems) ausgewechselt. Nach einer Woche Kultivierung der Zellen bei 37°C im Brutschrank wurde genomische DNA der drei Ansätze präpariert und als Vorlage für zwei verschiedene Polymerase- Kettenreaktionen (PCRs) eingesetzt. Bone marrow cells from a C57Bl / 6 mouse strain in which the endogenous C / EBP gene is flanked with loxP sequences (Zhang et al. (2001) Blood 98: 792a-793a, see Fig. 6) were first removed by rinsing out upper - and lower leg prepared. Aliquots of 2 x 10 6 cells were incubated for 7 hours at 37 ° C in 500 μl of a 1: 1 mixture of 2x DMDM (with doubly concentrated cytokines (see below), 100 U / ml penicillin, 100 mg / ml streptomycin) and PBS (mock) or PBS incubated with purified, recombinant nlsCre protein. Final concentrations were 1.5 μM nlsCre and 1.5 μM PTD-nlsCre, respectively. The cells were spun down and the medium was challenged with IMDM (containing 20% FCS, 0.1% bovine serum albumin, 2 mM glutamine, 5 ng / ml human IL-6, 10 ng / ml murine IL-3 and 50 ng / ml murine SCF; all recombinant growth factors from R & D Systems). After one week of culturing the cells at 37 ° C. in the incubator, genomic DNA of the three batches was prepared and used as template for two different polymerase chain reactions (PCRs).
Die erste PCR unter Verwendung der Oligonukleotide p3 (SEQ ID NO: 24, 5'-TGGCCTGGAGACGCAATGA-3') und p4 (SEQ ID NO: 25; 5'- CGCAGAGATTGTGCGTCTTT-3') dient zum Nachweis des nicht rekombinierten Allels C/EBPαfl/fl, das als Vorlage ein 269 bp-Fragment als PCR-Produkt ergibt. Dieses Produkt konnte in allen Ansätzen, die genomische DNA des C/EBPαfl/fl-Mausstammes enthielt, aber nicht in der Negativkontrolle ohne DNA-Vorlage nachgewiesen werden (Fig.6). Für die zweite PCR wurden die Oligonukleotide p5 (SEQ ID NO: 26; 5'-GCCTGGTAAGCCTAGCAATCCT-3') und p6 (SEQ ID NO: 27; 5'- TGGAAACTTGGGTTGGGTGT-3') eingesetzt, die ein 400 bp-Fragment mit der rekombinierten Vorlage (d. h. nach Exzision des C/EBPα-Gens) und theoretisch ein 6,6 kb Fragment mit der nicht-rekombinierten Vorlage ergeben. Während das 6,6 kb-Fragment unter den gewählten Bedingungen (Standard-Ansatz mit Qiagen-Taq-Polymerase; 30 sec Denaturierung, 45 sec Annealing bei 60°C und 45 sec Verlängerungsphase pro Zyklus) nicht entstand, wurde ein 400 bp-Produkt nur in den Ansätzen detektiert, deren Vorlage aus Zellen stammte, die mit rekombinantem nlsCre oder PTD-nlsCre inkubiert worden waren (Fig. 6). Die Sequenzierung der 400 bp-PCR-Produkte bestätigte die korrekte Exzision von C/EBP. The first PCR using the oligonucleotides p3 (SEQ ID NO: 24, 5'-TGGCCTGGAGACGCAATGA-3 ') and p4 (SEQ ID NO: 25; 5'-CGCAGAGATTGTGCGTCTTT-3') serves to detect the non-recombined allele C / EBPα fl / fl , which gives as template a 269 bp fragment as a PCR product. This product could be detected in all batches containing genomic DNA of the C / EBPα fl / fl mouse strain but not in the negative control without DNA template ( Figure 6). For the second PCR, the oligonucleotides p5 (SEQ ID NO: 26, 5'-GCCTGGTAAGCCTAGCAATCCT-3 ') and p6 (SEQ ID NO: 27; 5'-TGGAAACTTGGGTTGGGTGT-3') were used, containing a 400 bp fragment with the recombined template (ie, after excision of the C / EBPα gene) and theoretically yielded a 6.6 kb fragment with the non-recombined template. While the 6.6 kb fragment did not form under the chosen conditions (standard with Qiagen Taq polymerase, 30 sec denaturation, 45 sec annealing at 60 ° C and 45 sec extension phase per cycle), a 400 bp product was formed detected only in the batches whose template was derived from cells incubated with recombinant nlsCre or PTD-nlsCre ( Figure 6). Sequencing of the 400 bp PCR products confirmed the correct excision of C / EBP.
Dieses Beispiel zeigt, daß sich der direkte Transfer des rekombinanten, gereinigten Cre-Proteins nicht nur für eine spezifische Rekombination des Reporterkonstruktes SFr in der Maus- Fibroblastenzellinie SC-1 eignet, sondern prinzipiell auch für die Rekombination einer anderen Vorlage (hier das "gefloxte" C/EBPα-Gen) in primären Zellen (hier Maus-Knochenmark) eingesetzt werden kann. This example shows that the direct transfer of the recombinant, purified Cre protein not just for a specific Recombination of the reporter construct SFr in the mouse Fibroblast cell line SC-1 is suitable, but in principle also for the recombination of another template (here the "flopped" C / EBPα gene) in primary cells (here mouse bone marrow) used can be.
LoxP-spezifische Rekombination nach Transduktion von unmodifiziertem Cre-ProteinLoxP-specific recombination after transduction of unmodified Cre protein
Die in Beispiel 3 und 4 dargelegten Untersuchungen zeigen eine Cre-spezifische Rekombination in klonalen Reporterzellen, denen rekombinantes, gereinigtes Cre-Protein über das Kulturmedium zugeführt wurde. Die prinzipielle Eigenschaft der Cre-Rekombinase, in intakte Zellen zu gelangen, ist dabei unabhängig von den bekannten Proteintransduktionsdomänen Tat-PTD oder PreS2-TLM. Um zu untersuchen, ob die "künstlich angefügten" Aminosäuresequenzen (die SV40-NLS am N-terminus oder das 9E10-Epitop am C-terminus) des hier verwendeten, modifizierten nlsCre-Proteins diese Eigenschaft vermitteln, sollte ein Cre-Protein ohne Modifikationen getestet werden. The investigations set forth in Examples 3 and 4 show a Cre-specific recombination in clonal reporter cells, which recombinant, purified Cre protein over the culture medium was fed. The principal property of Cre recombinase, to get into intact cells, is independent of the known protein transduction domains Tat-PTD or PreS2-TLM. In order to examine whether the "artificially attached" amino acid sequences (the SV40 NLS at the N-terminus or the 9E10 epitope at the C-terminus) of the modified nlsCre protein used here To convey property, a cre protein should be without modifications getting tested.
Reporterzellen wurden mit 1 µM des wtCre-Proteins (siehe Beispiel 1) für 3 Stunden inkubiert. Nach zwei Tagen konnten im Fluoreszenzmikroskop eGFP-positive Zellen detektiert werden (Fig. 7). Die durchschnittliche Rekombinationsrate liegt bei ca. 1,5% (n = 7; 0,6-2,5%). Reporter cells were incubated with 1 μM of the wtCre protein (see Example 1) for 3 hours. After two days, eGFP-positive cells could be detected by fluorescence microscopy ( FIG. 7). The average recombination rate is about 1.5% (n = 7, 0.6-2.5%).
Da die Transduktion des Cre-Proteins offensichtlich unabhängig
von heterologen Aminosäuresequenzen ist, hat die Cre-Rekombinase
aus dem Bakteriophagen P1 wahrscheinlich eine endogene
Proteintransduktionsdomäne. Die etwas höhere Rekombinationseffizienz von
nlsCre unter gleichen Bedingungen (siehe Tabelle 1) kann auf die
Beschleunigung des Kerntransportes durch die SV40-NLS
zurückgeführt werden.
SEQUENZPROTOKOLL
Since the transduction of the Cre protein is apparently independent of heterologous amino acid sequences, the Cre recombinase from bacteriophage P1 is likely to have an endogenous protein transduction domain. The slightly higher recombination efficiency of nlsCre under the same conditions (see Table 1) can be attributed to the acceleration of the nuclear transport by the SV40 NLS. SEQUENCE LISTING
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