WO2002029094A2 - Verfahren zur selektion hochaffin an ein target bindender nukleinsäuren durch zweidimensionale auftrennung - Google Patents

Verfahren zur selektion hochaffin an ein target bindender nukleinsäuren durch zweidimensionale auftrennung Download PDF

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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6811—Selection methods for production or design of target specific oligonucleotides or binding molecules

Definitions

  • the invention relates to a method for the selection of nucleic acids that bind highly affinely to a target, wherein a mixture of nucleic acids is contacted with one or more defined target molecules and wherein nucleic acids that bind to the target molecule are separated from non-binding nucleic acids.
  • nucleic acids Poly- or oligonucleotides with a nucleotide number of 5 to 200, in particular 20 to 200, are designated as nucleic acids. It can be DNA, RNA or PNA. In particular, the nucleic acids can be chemically derivatized, for example by 2 'and / or 5 substitution, and / or can be provided with reporter molecules (molecules which allow detection using conventional detection methods). The nucleic acid can be single or double stranded.
  • a target molecule can in principle be of any type, provided that it is not itself a nucleic acid which forms base pair bonds with the Crick / atson nucleic acid contacted with it.
  • target molecules are: plastics, ceramics, peptides, proteins, enzymes, oligosaccharides, polysaccharides, nucleic acids which do not form Crick / Watson bonds, lipids but also hormones and other organic compounds, such as pheromones.
  • Targets can also contain cell components and be whole cells, just like whole viruses and bacteria.
  • Nucleic acids which bind to non-nucleic acids are also referred to as aptamers, but also nucleic acids which form non-atson / crick bonds with other nucleic acids.
  • Binding in the context of the invention means non-covalent bonds.
  • the latter aptamers can be used, for example, to detect certain gene defects and / or deletions.
  • bond means non-covalent bonds.
  • affinity relates to the binding strength within complexes of the antigen / antibody type. The binding strength can be quantified by the affinity constant, which is defined according to the law of mass action.
  • affinity refers not only to complexes with one binding site, but also to complexes with multiple binding sites, i.e. also includes the concept of avidity. The avidity is calculated from the number and the binding strength of each binding site for multivalent antibody / antigen complexes.
  • Amplification is understood to mean any enzymatically mediated reaction that serves to replicate a nucleic acid sequence, for example PCR.
  • nucleic acids are primarily used for coding proteins and the like to be expressed in a cell. This is what Primary structure of the nucleic acids, ie the sequence is decisive. Irrespective of this, however, nucleic acids can also enter into antibody / antigen complexes with non-nucleic acids present in a cell. Whether such a bond can take place depends not only on the primary structure, but also on the secondary and tertiary structure in a solution with a defined sequence (three-dimensional structure).
  • the affinity of the nucleic acid for the target molecule therefore ultimately depends on whether the nucleic acid - in addition to the purely chemical binding ability - sterically "fits" in the region of the binding site or the binding sites of the target molecule, in accordance with the conditions in classic antibody / antigen complexes.
  • Appropriate nucleic acids can therefore act as an antibody or antigen.
  • such aptamers are non-natural nucleic acids and, as it were, can be “tailored” for a target molecule.
  • the first approach is to calculate a suitable sequence and / or derivatization for the nucleic acid according to the precisely known structure, including binding sites and tertiary structure, of the target molecule.
  • the second approach consists in isolating the target molecule and in contacting a mixture of prospective nucleic acids with the isolated (and mostly immobilized) target molecule, with highly affinity-binding nucleic acids being less affine or not at all binding nucleic acids are separated.
  • the mixtures with nucleic acids are typically nucleic acid libraries which have been produced, for example, by combinatorial chemistry.
  • a nucleic acid library contains a large number of different nucleic acids, at least one of which
  • Randomization (with natural and / or non-natural nucleotides) is set up in the partial sequence region. A conserved sequence area can, but need not, be provided. Randomization in n positions with different nucleotides leads to a library with n m elements.
  • the selected high affinity nucleic acids are suitable for a variety of applications.
  • the nucleic acids can be used in the context of tests for the presence or absence of the target molecules specific for the nucleic acid in a test solution and / or in a cell or tissue. Then the presence of a reporter molecule usual structure in the nucleic acid is recommended for easy metrological identification. Such tests can be used in diagnostics, for example diagnostics for oncogenic mutants or marker substances which arise in the case of certain physiological malfunctions. It goes without saying that the nucleic acid in question must not only "recognize” the oncogenic mutant selectively, but must not bind to the natural variant in contrast, ie it must discriminate between the oncogenic expression product and the natural expression product. This can easily be done after selecting the Carry out oncogenic expression product of binding nucleic acids, namely by the subsequent selection of nucleic acids which do not bind to the natural expression product from the previously selected nucleic acids.
  • Selected nucleic acids can also be used to separate target molecules from a solution, for example in the context of conventional column or gel separation processes. Then it is advisable to make the nucleic acid immobilizable and to immobilize it in the separation process.
  • Selected nucleic acids can also be used to modulate physiological functions, i.e. to inhibit, induce or amplify. Such nucleic acids are therefore also used in pharmaceutical compositions. Of course, selected nucleic acids must otherwise be physiologically safe to avoid
  • nucleic acids instead of, for example, peptides, is that the identification or selection of suitable nucleic acids is considerably easier than in the case of peptides and proteins because of the comparatively simple manufacture of nucleic acid libraries compared to protein or peptide libraries.
  • a known method for the selection of nucleic acids that bind highly affinely to a target molecule is known as the SE-LEX method (Systematic Evolution of Ligands by EXPONENTIAL ENRICHMENT).
  • SE-LEX method Systematic Evolution of Ligands by EXPONENTIAL ENRICHMENT.
  • US-A-5, 712, 375, US-A-5,864,026, US-A-5, 789, 157, US-A-5, 475, 096, US-A-5, 861,254, US-A-5, 595, 877, US-A-5, 817, 785 are basically separated approximately in a plurality of cycles.
  • the selected group of nucleic acids must be amplified as part of each cycle.
  • the release of binding nucleic acids from the target in each cycle is carried out by specific displacement.
  • This process has several disadvantages. First of all, it is disadvantageous that, owing to the number of cycles required, a very large amount of both nucleic acids and of target molecules is required. Furthermore, in the displacement method stage, more (bound) nucleic acids of lower affinity are displaced from the binding than nucleic acids of higher affinity, as a result of which the difference in quantity is increased at the expense of the higher-affinity nucleic acids in the course of the amplification method stage.
  • the difference in quantity is further increased by the fact that, with a higher affinity, the binding of the detached nucleic acids to the ligands used for detachment is comparatively stronger and the higher affinity nucleic acids are therefore less accessible for the amplification.
  • a further disadvantage is that with increasing affinity of the nucleic acids, a logarithmically increasing concentration of the ligand used for detachment becomes necessary. The attainable affinity is therefore limited by the solubility product of the ligands used. After all, it is disadvantageous to work in multiple cycles must be used for repeated separation or selection in a pre-cycle of selected nucleic acids.
  • Affinity chromatography in particular column chromatography (solid / liquid phase), is well known in the field of separation of non-nucleic acids. It is a process for the isolation or enrichment, up to 10 5 times or more, of, for example, proteins.
  • a ligand of the substance to be enriched is immobilized on a chromatographic matrix. Highly affine connections are bound first, ie on the column entrance side. Downstream, less affine compounds are bound, provided that the amount of affine compounds, based on the specific compound in question, is lower than the amount of ligands in the column. Low-affinity or non-affine connections run through and are thus separated from the affine connections. Bound, ie affine connections are then eluted and used further.
  • the separation performance generally leaves something to be desired if the target molecules are small or very small, for example 50 to 10,000 Da, in particular 70 to 2000 Da, and a derivatization of the target molecules to improve the Separation performance should be avoided.
  • the structural heterogeneity of the nucleic acids of a combinatorial nucleic acid library makes it difficult or impossible in this case to separate the nucleic acid / target molecule complexes from the uncomplexed nucleic acids in the nucleic acid library by means of a simple linear or. one-dimensional separation.
  • the invention is based on the technical problem of specifying a method for the selection of nucleic acids which bind highly affinity to a target molecule and which, with less effort, supplies high-affinity nucleic acids, in particular against very small target molecules, without the need to derivatize the target molecules.
  • the invention teaches a method for the selection of nucleic acids that bind highly affine to a target molecule from a mixture of nucleic acids by two-dimensional separation with the following method steps: a) the mixture of nucleic acids is subjected to a physicochemical separation process, a set of nucleic acids Acid isch fractions is obtained, and each nucleic acid mixture fraction is assigned a running parameter window, b) a nucleic acid mixture fraction is contacted with the target molecules, a binding mix with nucleic acid / target molecule complexes being obtained, c) the binding mix from stage b) is subjected to the same physicochemical separation process as in stage a), nucleic acid / target molecule complexes, the running parameters of which are outside of the run parameter window can be selected.
  • electrophoresis e.g. capillary electrophoresis, flat bed electrophoresis, horizontal electrophoresis
  • chromatography methods e.g. solid-liquid chromatography, liquid-liquid chromatography, capillary electrochromatography.
  • the detailed methods and reagents to be selected for this purpose can easily be determined by the person skilled in the art in accordance with the target molecules and / or the nucleic acids.
  • the applied substance mixtures are separated into fractions, with each fraction having a running parameter or a
  • Run parameter window is assigned. Time and / or distance can be considered as running parameters, for example.
  • a run parameter window denotes an initial value and an end value of the run parameter, within which a fraction is obtained.
  • a fraction can contain one or more nucleic acid species.
  • a binding mix denotes a mixture of different nucleic acid / target molecule complexes.
  • the term two-dimensional separation refers to the subsequent application of the same separation process on the one hand to the nucleic acids and on the other hand to the complexes. This is also made clear in the context of the exemplary embodiments.
  • a single species of target molecules can be used, but several different defined or undefined species can also be used.
  • the nucleic acids and the target molecules are dissolved in conventional buffers, for example Tris buffers or acetate buffers.
  • a mixture of nucleic acids denotes nucleic acid libraries with a number of typically 10 6 to 10 22 / mol, in particular 10 ⁇ to 10 21 / mol, of different nucleic acid species.
  • each nucleic acid species is represented statistically, for example with 10 to 10 17 , in particular 10 to 10, 13 molecules.
  • the nucleic acids are preferably bound to the target molecules under conditions which correspond to a later use of the nucleic acids, ie for example in a buffer which is appropriately matched with regard to temperature, ionic strength, pH value and buffer conditions.
  • the solvent of the nucleic acid library is then to be selected accordingly with regard to its components. The same applies to the solvent in which the target molecules are dissolved.
  • the invention is based on the surprising finding that the binding of a target molecule to a nucleic acid has an influence on the behavior of the nucleic acid in a physicochemical separation process. This influence is greater, the greater the binding affinity constant, ie the stronger the bond between nucleic acids and target molecule.
  • the invention is particularly suitable for the selection of nucleic acids against unmodified small ones Target molecules, for example 50 to 10,000 Da, in particular 70 to 2000 Da. This is because chemical modification of very small target molecules makes it difficult or impossible to select nucleic acids affinity for the unmodified target molecule.
  • Nucleic acids isolated or nucleic acid mixtures (nucleic acids for short) produced using the method according to the invention can be used in a variety of ways. For each specific application, it is only necessary to use target molecules selected in step b) in accordance with the application. For example, it is possible to identify marker substances characteristic of a disease, ⁇ to use the method according to the invention to determine nucleic acids that bind to it with high affinity, and to select the nucleic acids so selected as the main component of a test kit for testing for the marker substance or for the presence of the disease or the risk of the disease. Such test kits can of course also be used to monitor therapy.
  • the Nucleic acids can also be used for the production of pharmaceutical compositions, for example if an inhibition of the marker substance (by binding of the nucleic acid) leads to a reduction or prevention of the clinical picture.
  • an inhibition of the marker substance by binding of the nucleic acid
  • an improved venal excretion in particular of non-polar targets, can additionally be achieved.
  • it is also possible to select nucleic acids by selecting the target molecules and to use them as a pharmaceutical composition which, by activating suitable target molecules, stimulate the formation in an organism of substances which are absent in the event of illness.
  • nucleic acids selected according to the invention can be used, for example, in an affinity matrix as the immobilized phase (for example apheresis) or for the specific desorption of substances from an affinity matrix.
  • An essential element of the invention is the selection of nucleic acids that bind very small target molecules. This is because they can envelop the target molecules to a large extent and thereby eliminate the Prevent target molecules from blood circulation, for example.
  • a separation process step d) is usually carried out, in which the nucleic acids of selected nucleic acid / target molecule complexes are separated from the target molecules.
  • an amplification can be carried out using, for example, PCR, RT-PCT or LCR.
  • a dissociation (in a separation process stage) of the nucleic acid / target molecule complexes obtained with the method according to the invention can take place, for example, by displacement with a sufficiently strong ligand, modification, complexation and / or destruction of the target molecule, physicochemically or thermally.
  • Mechanical methods for example ultrasound, can also be used to dissociate or to reinforce the dissociation.
  • the non-specific dissociation is preferably carried out by means of conventional physicochemical or thermal methods.
  • Thermal dissociation takes place by heating the solution obtained. The heating can be done, for example, by electrical heating or radiation from microwaves or IR respectively. In particular, the heating techniques from the PCR technology are suitable.
  • the non-specific dissociation n can be supported by chemical modification of the target, for example oxy-oxidation by Natriumperj odat or the like, or by non-specific complex formation, eg by means of borate or the like for blocking cis-trans diol bonds in carbohydrates. It is particularly preferred if the non-specific dissociation is carried out by thermal dissociation in a, preferably extended, high-temperature phase of a PCR or RT-PCR. Here a synergy effect is achieved, because in all . Usually, especially when working with nucleic acid libraries with low concentrations of the nucleic acid species, an amplification is necessary anyway.
  • the nucleic acids obtained (after the dissociation) can be amplified easily and without interfering ligand coupling.
  • amplification, PCR, RT-PCR, LCR or the like is carried out, for example with 5 to 60, preferably with 20 to 60, most preferably with 45 to 55 cycles.
  • the primer can have at least one endonuclease interface. Such an interface is used, for example, to free the amplification from larger areas of the primer sequence.
  • Nucleotide building blocks, whether in the primer or in the nucleic acids to be selected, can be labeled, for example, using fluorescent dyes.
  • Examples include fluorescent dyes named: Alexa ® Fluor 488, Fluor 532, Fluor 546, Fluor 568, Fluor 594, Oregon Green 488, Fluorescein, Rhodamine 6G, Tetramethylrhodamine, Rhodamine B and Texas Red.
  • the amplificate can also be modified by two different chemical modifications at different ends be marked if the groups introduced during the modification are suitable for being able to be bound as ligands to a different affinity matrix.
  • nucleic acids are functionalized for the physicochemical separation process. If, for example, an electrophoretic method is used as the physicochemical method, the nucleic acids (of the various species) can be equipped with a group carrying an electrical charge.
  • a nucleic acid library created in the usual way is applied to a suitable gel, for example agarose gel. After heating to melt any double-stranded nucleic acids, they are separated electrophoretically at 4 ° C, in one dimension, the path. The gel is then cut into strips in the direction parallel to the direction of travel and one, several or all strips are incubated with target molecules. A strip with complexes thus obtained is placed on a similar second agarose gel and the complexes of the strip are transferred to the second gel by means of mechanical and / or physicochemical methods. Then, under the same conditions, electrophoretic separation is again carried out, the running direction being orthogonal to the longitudinal extent of the applied strip, ie in a second spatial dimension.
  • a suitable gel for example agarose gel. After heating to melt any double-stranded nucleic acids, they are separated electrophoretically at 4 ° C, in one dimension, the path. The gel is then cut into strips in the direction parallel to the direction of travel and one, several or
  • Nucleic acids that have not formed any complexes then lie on a diagonal in the second gel.
  • the second gel is cut into strips, the length of which is orthogonal to that of the applied strip. From a strip of the second gel obtained in this way, the area is separated which is applied to the path of the part of the strip associated with the strip
  • Strip corresponds.
  • the rest of the strip is collected and subjected to a dissociation stage and an amplification stage.
  • Example 2 Selection using runtime separation methods.
  • a nucleic acid library prepared in the usual way is applied to a suitable HPLC.
  • the nucleic acids are then separated in one time dimension, the runtime, with fractions being collected in defined runtime windows. Such a fraction is then appropriately incubated with the target molecules.
  • the incubated fractions are then separated again under the same conditions, ie in a second time dimension. From the fractions of the second HPLC obtained in this way, those fractions are discarded Term corresponds to the term of the abandoned fraction.
  • the remaining fractions of the second HPLC are collected and subjected to a dissociation process step and an amplification process step. The same is carried out for all fractions of the first HPLC '.

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Abstract

Die Erfindung lehrt ein Verfahren zur Selektion hochaffin an ein Targetmolekül bindender Nukleinsäuren aus einem Gemisch von Nukleinsäuren durch zweidimensionale Auftrennung mit den folgenden Verfahrensschritten: a) das Gemisch aus Nukleinsäuren wird einem physikochemischen Trennungsverfahren unterworfen, wobei ein Set von Nukleinsäuregemischfraktionen erhalten wird, und wobei jeder Nukleinsäuregemischfraktion ein Laufparameterfenster zugeordnet wird, b) eine Nukleinsäuregemischfraktion wird mit den Targetmolekülen kontaktiert, wobei ein Bindungsmix mit Nukleinsäure/Targetmolekül-Komplexe erhalten wird, c) das Bindungsmix aus Stufe b)wird dem gleichen physikochemischen Trennungsverfahren wie in Stufe a) unterworfen, wobei Nukleinsäure/Targetmolekül-Komplexe, deren Laufparameter ausserhalb des Laufparameterfensters liegt, selektiert werden.

Description

Verfahren zur Selektion hochaffin an ein Target bindender Nukleinsäuren durch zweidimensionale
Auftrennung.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Selektion hochaffin an ein Target bindender Nukleinsäuren, wobei ein Gemisch von Nukleinsäuren mit einem oder mehreren definierten Targetmolekülen kontaktiert wird und wobei an dem Targetmolekül bindende Nukleinsäuren von nicht bindenden Nukleinsäuren getrennt werden.
Als Nukleinsäuren sind Poly- oder Oligonukleotide mit einer Nukleotidzahl von 5 bis 200, insbesondere 20 bis 200, bezeichnet. Es kann sich dabei um DNA, RNA oder PNA handeln. Insbesondere können die Nukleinsäuren chemisch derivatisiert, beispielsweise durch 2' und/oder 5 Substitution, und/oder mit Reportermolekülen (Moleküle, welche einen Nachweis mit üblichen Detektionsmethoden erlauben) versehen sein. Die Nukleinsäure kann einzel- oder doppelsträngig sein. Ein Targetmolekül kann grundsätzlich beliebiger Art sein, sofern es sich nicht seinerseits um eine Nukleinsäure handelt, welche mit der der damit kontaktierten Nukleinsäure Crick/ atson Basenpaar-Bindungen eingeht. Beispiele für Targetmoleküle sind: Kunststoffe, Keramiken, Peptide, Proteine, Enzyme, Oligosacharide, Polysaccharide, Nukleinsäuren, welche nicht-Crick/Watson Bindungen eingehen, Lipide aber auch Hormone und andere organische Verbindungen, wie Pheromone. Targets können auch Zellbestandteile und ganze Zellen sein, ebenso wie vollständige Viren und Bakterien. An nicht-Nukleinsäuren bindende Nukleinsäuren werden auch als Aptamere bezeichnet, aber auch Nukleinsäuren, welche mit anderen Nukleinsäuren nicht- atson/Crick Bindungen eingehen. Der Begriff der
Bindung meint im Rahmen der Erfindung nicht-kovalente Bindungen. Letztgenannte Aptamere können beispielsweise eingesetzt werden, zur Erkennung von bestimmten Gendefekten und/oder Deletionen. Der Begriff der Bindung meint im Rahmen der Erfindung nicht-kovalente Bindungen. Der Begriff der Affinität bezieht sich im Rahmen der Erfindung auf die Bindungsfestigkeit innerhalb von Komplexen der Antigen/Antikörper Art. Die Bindungsfestigkeit ist durch die Affinitätskonstante quantifizierbar, welche definiert ist nach dem Massenwirkungsgesetz. Im Rahmen der Erfindung bezieht sich der Begriff der Affinität allerdings nicht nur auf Komplexe mit einer Bindungsstelle, sondern auch auf Komplexe mit mehreren Bindungsstellen, i.e. umfaßt auch den Begriff der Avidität. Die Avidität berechnet sich aus der Anzahl und der Bindungsstärke jeder Bindungsstelle bei mehrvalenten Antikörper/Antigen Komplexen. Als Amplifikation wird jede enzymatisch vermittelte Reaktion verstanden, die der Replikation einer Nukleinsäuresequenz dient, beispielsweise die PCR.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Nukleinsäuren dienen in natürlichen Organismen in erster Linie zur Codierung von in einer Zelle zu exprim- ierenden Proteinen und dergleichen. Hierfür ist die Primärstruktur der Nukleinsäuren, i.e. die Sequenz maßgeblich. Unabhängig hiervon können Nukleinsäuren jedoch auch Antikörper/Antigen Komplexe mit in einer Zelle vorliegenden nicht-Nukleinsäuren eingehen. Ob eine solche Bindung stattfinden kann, hängt dabei nicht nur von der Primärstruktur ab, sondern auch von der in einer Lösung entstehenden Sekundär- und Ter- tiarstruktur bei einer definierten Sequenz (dreidimensionale Struktur) ab. Die Affinität der Nukleinsäure zu dem Targetmolekül hängt daher letztendlich davon ab, ob die Nukleinsäure - neben der rein chemischen Bindungsfähigkeit - in sterischer Hinsicht im Bereich der Bindungsstelle oder der Bindungsstellen des Targetmoleküls "paßt", entsprechend der Verhältnisse bei klassischen Antikörper/Antigen Komplexen. Passende Nukleinsäuren können also die Funktion eines Antikörpers oder Antigens ausüben. Solche Aptamere sind in aller Regel nicht-natürliche Nukleinsäuren und können gleichsam "maßgeschneidert" werden für ein Target- molekül. Für die Maßschneiderung gibt es grundsätzlich zwei Ansätze. Der erste Ansatz besteht in der Berechnung einer geeigneten Sequenz und/oder Deriva- tisierung für die Nukleinsäure nach Maßgabe der genau bekannten Struktur, einschließlich Bindungsstellen und Tertiärstruktur, des Targetmoleküls. Dies ist nicht nur extrem aufwendig; in Fällen, in welchen die Struktur des Targetmoleküls nicht hinreichend bekannt ist, ist dieser Ansatz sogar unmöglich. Der zweite Ansatz besteht in der Isolierung des Targetmoleküls und in der Kontaktierung einer Mischung aus prospektiven Nukleinsäuren mit dem isolierten (und meist immobilisierten) Targetmolekül, wobei hochaffin bindende Nukleinsäuren von den weniger affin oder gar nicht bindenden Nukleinsäuren abgetrennt werden. Bei den Mischungen mit Nukleinsäuren handelt es sich typischerweise um Nukleinsäurenbibliotheken, welche beispielsweise im Wege der kombinatorischen Chemie hergestellt wurden. Eine Nukleinsäurebibliothek enthält eine Vielzahl voneinander unterschiedlicher Nukleinsäuren, wobei zumindest in einem
Teilsequenzbereich eine Randomisierung (mit natürlichen und/oder nicht-natürlichen Nukleotiden) eingerichtet ist. Es kann, muß aber nicht, ein konservierter Sequenzbereich vorgesehen sein. Randomisierung in n Positionen mit verschiedenen Nukleotiden führt zu einer Biblithek mit nm Elementen. Die selektierten hochaffinen Nukleinsäuren sind für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet.
So können die Nukleinsäuren im Rahmen von Tests auf Vorliegen oder Nichtvorliegen der für die Nukleinsäure spezifischen Targetmoleküle in einer Testlösung und/oder in einer Zelle bzw. Gewebe verwendet werden. Dann empfiehlt sich die Anwesenheit eines Reportermoleküls üblichen Aufbaus in der Nukleinsäure zur leichten meßtechnischen Identifizierbarkeit . Solche Tests können in der Diagnostik, beispielsweise der Diagnostik auf onkogene Mutanten oder Markersubstanzen, welche bei bestimmten pysiologischen Fehlfunktionen entstehen, eingesetzt werden. Es versteht sich, daß die betreffende Nukleinsäure dann nicht nur die onkogene Mutante selektiv "erkennen" muß, sondern an die natürliche Variante demgegenüber nicht binden darf, i.e. diskriminieren muß zwischen onkogenem Expressionsprodukt und natürlichem Expressionsprodukt. Dies läßt sich leicht nach der Selektion an das onkogene Expressionprodukt bindender Nukleinsäuren durchführen, nämlich durch die subsequente Selektion von an das natürliche Expressionsprodukt nicht bindender Nukleinsäuren aus den zuvor selektierten Nukleinsäuren.
Selektierte Nukleinsäuren können auch zur Abtrennung von Targetmolekülen aus einer Lösung verwendet werden, beispielsweise im Rahmen üblicher Säulen- oder Gel- trennungsverfahren. Dann empfiehlt es sich, die Nukleinsäure immobilisierbar zu gestalten und in dem Trennungsverfahren zu immobilisieren.
Selektierte Nukleinsäuren können aber auch dazu einge- setzt werden, um physiologische Funktionen zu modulieren, i.e. zu hemmen, zu induzieren oder zu verstärken. Solche Nukleinsäuren haben daher auch Verwendung in pharmazeutischen Zusammensetzungen. Selektierte Nukleinsäuren müssen natürlich ansonsten physiologisch unbedenklich sein zur Vermeidung von
Nebenwirkungen. Der Vorteil des Einsatzes von Nukleinsäuren anstelle von beispielsweise Peptiden liegt darin, daß die Identifizierung bzw. Selektion geeigneter Nukleinsäuren erheblich einfacher als in Falle der Peptide und Proteine ist wegen der vergleichsweise einfachen Herstellbarkeit von Nuklein- säurebibliotheken gegenüber Protein- oder Peptidbibliotheken.
Ein bekanntes Verfahren zur Selektion hochaffin an ein Targetmolekül bindender Nukleinsäuren ist als das SE- LEX Verfahren (Systematic Evolution of Ligands by EX- ponential Enrichment) bekannt. Verschiedene Varianten und Anwendungsbereich sind beispielsweise beschrieben in den Literaturstellen ÜS-A-5, 712, 375, US-A-5,864,026, US-A-5, 789, 157, US-A-5, 475, 096, US-A-5, 861,254, US-A-5, 595, 877, US-A-5, 817, 785. Bei dem insofern bekannten Verfahren werden grundsätzlich approximativ in einer Mehrzahl von Zyklen diejenigen Nukleinsäuren separiert, welche mit hoher bzw. immer höherer Affinität binden. Dabei muß im Rahmem jedes Zyklus die selektierte Gruppe an Nukleinsäuren ampli- fiziert werden. Die Loslösung bindender Nukleinsäuren vom Target in jedem Zyklus erfolgt durch spezifische Verdrängung. Dieses Verfahren hat mehrere Nachteile. Zunächst ist nachteilig, daß aufgrund der erforderlichen Zyklenzahl eine recht große Menge sowohl an Nuk- leinsäuren als auch an Targetmolekülen erforderlich ist. Weiterhin werden bei der Verdrängungsverfahrenstufe mehr (gebundene) Nukleinsäuren geringerer Affinität aus der Bindung verdrängt als Nukleinsäuren höherer Affinität, wodurch der Mengenunterschied zu Lasten der höheraffinen Nukleinsäuren im Rahmen der Amplifikationsverfahrensstufe verstärkt wird. Der Mengenunterschied wird zudem noch weiter dadurch verstärkt, daß bei höherer Affinität die Bindung der losgelösten Nukleinsäuren an die zur Loslösung einge- setzten Liganden vergleichsweise stärker ist und die höheraffinen Nukleinsäuren dadurch schlechter für die Amplifikation zugänglich sind. Nachteilig ist weiterhin, daß mit zunehmender Affinität der Nukleinsäuren eine logarithmisch ansteigende Konzentration des zur Loslösung verwendeten Liganden erforderlich wird. Die erreichbare Affinität ist somit vom Löslichkeitspro- dukt der eingesetzten Liganden limitiert. Schließlich ist es nachteilig, in mehreren Zyklen arbeiten zu müssen zur wiederholten Abtrennung bzw. Selektion in einem Vorzyklus selektierter Nukleinsäuren.
Im Bereich der Trennung von nicht-Nukleinsäuren ist die Affinitätschromatographie, insbesondere als Säulenchromatographie (Fest-/Flüssigphase) wohl bekannt. Es handelt sich hierbei um ein Verfahren zur Isolierung oder Anreicherung, bis zu 105-fach und mehr, von beispielsweise Proteinen. Ein Ligand der anzureichernden Substanz wird dabei an einer chromatographischen Matrix immobilisiert. Hochaffine Verbindungen werden zuerst, i.e. säuleneingangsseitig, gebunden. Stromabwärts werden weniger affine Verbindungen gebunden, sofern die Menge der affinen Ver- bindungen, bezogen auf jeweilige konkrete Verbindung, niedriger als die Menge der Liganden in der Säule ist. Gering affine oder nicht affine Verbindungen laufen durch und werden so von den affinen Verbindungen getrennt. Gebundene, i.e. affine Verbindungen werden dann eluiert und weiter verwendet. Bei unspezifischen Desorptionsverfahren, beispielsweise physikochemischen oder thermischen Verfahren, findet ein Vermengung unterschiedlich hoch affiner (gebundener) Verbindungen statt. Bei der Desorption mit Liganden der gebundenen Verbindungen (Verdrängungsdesorption) ist eine sehr große molare Menge des Liganden zur Loslösung insbesondere der hochaffinen Verbindungen notwendig.
Hinzu kommt generell, daß die Trennleistung dann zu wünschen übrig läßt, wenn die Targetmoleküle klein bzw. sehr klein, beispielsweise 50 bis 10000 Da, insbesondere 70 bis 2000 Da, sind und eine Derivatis- ierung der Targetmoleküle zur Verbesserung der Trennleistung vermieden werden soll . Die strukturelle Heterogenität der Nukleinsäuren einer kombinatorischen Nukleinsäurebibliothek erschwert oder macht unmöglich in diesem Falle die Abtrennung der Nukleinsäure/ Targetmolekül-Komplexe von den nicht komplexierten Nukleinsäuren der Nukleinsäurebibl iothek durch eine einfache lineare bzw . eindimensionale Auftrennung .
Technisches Problem der Erfindung
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Selektion hochaffin an ein Target- molekül bindender Nukleinsäuren anzugeben, welches mit weniger Aufwand hochaffine Nukleinsäuren insbesondere gegen sehr kleine Targetmoleküle liefert, und zwar ohne daß eine Derivatisierung der Targetmoleküle erforderlich ist.
Grundzüge der Erfindung
Zur Lösung dieses Problems lehrt die Erfindung ein Verfahren zur Selektion hochaffin an ein Targetmolekül bindender Nukleinsäuren aus einem Gemisch von Nukleinsäuren durch zweidimensionale Auftrennung mit den folgenden Verfahrensschritten: a) das Gemisch aus Nukleinsäuren wird einem physikochemischen Tren- nungsverfahren unterworfen, wobei ein Set von Nuklein- säurege ischfraktionen erhalten wird, und wobei jeder Nukleinsäuregemischfraktion ein Laufparameterfenster zugeordnet wird, b) eine Nukleinsäuregemischfraktion wird mit den Targetmolekülen kontaktiert, wobei ein Bindungsmix mit Nukleinsäure/Targetmolekül-Komplexe erhalten wird, c) das Bindungsmix aus Stufe b) wird dem gleichen physikochemischen Trennungsverfahren wie in Stufe a) unterworfen, wobei Nukleinsäure/Tar- getmolekül-Komplexe, deren Laufparameter außerhalb des Laufparameterfensters liegt, selektiert werden.
Als physikochemische Verfahren kommen insbesondere in Frage: Elektrophorese (z.B. Kapillarelektrophorese, Flachbettelektrophorese, Horizontalelektrophorese) , und die Chromatographieverfahren ( z . B. Fest-Flüssig Chromatographie, Flüssig-Flüssig-Chromatographie, Kapillarelektrochromatographie) . Die hierfür im ein- zelnen zu wählenden Detailmethoden und Reagenzien sind nach Maßgabe der Targetmoleküle und/oder der Nukleinsäuren vom Fachmann unschwer feststellbar.- In physikochemischen Trennungsverfahren erfolgt eine Trennung der aufgetragenen Substanzgemische in Fraktionen, wobei jeder Fraktion ein Laufparameter bzw. ein
Laufparameterfenster zugeordnet ist. Als Laufparameter kommen beispielsweise in Frage Zeit und/oder Weg. Ein Laufparameterfenster bezeichnet einen Anfangswert und einen Endwert des Laufparameters, innerhalb dessen eine Fraktion gewonnen wird. Eine Fraktion kann eine oder mehrere Nukleinsäurespezies enthalten. Ein Bindungsmix bezeichnet eine Mischung aus verschiedenen Nukleinsäure/Targetmolekül-Komplexen. Der Begriff der zweidimensionalen Auftrennung bezieht sich auf die subsequente Anwendung des gleichen Trennungsverfahrens einerseits auf die Nukleinsäuren und andererseits der Komplexe. Dies wird bildlich auch deutlich im Rahmen der Ausführungsbeispiele. Es kann eine einzige Spezies an Targetmolekülen eingesetzt werden, es können aber auch mehrere verschiedene definierte oder Undefinierte Spezies, verwendet wer- den. Die Lösung der Nukleinsäuren und der Targetmoleküle erfolgt in üblichen Puffern, beispielsweise Tris-Puffer oder Acetat-Puffer . Ein Gemisch aus Nukleinsäuren bezeichnet Nukleinsäurebibliotheken mit einer Anzahl von typischerweise 106 bis 1022/Mol, insbesondere 10δ bis 1021/Mol voneinander verschiedener Nukleinsäurenspezies. In einer eingesetzten Bibliothek ist jede Nukleinsäurespezies statistische beispielsweise mit 10 bis 1017, insbesondere 10 bis 1013, Molekülen vertreten. Die Bindung der Nukleinsäuren an die Targetmoleküle erfolgt vorzugsweise unter Bedingungen, welche einem späteren Einsatz der Nukleinsäuren entsprechen, i.e. beispielsweise in einem Puffer, welcher entsprechend abgestimmt ist hinsichtlich Temperatur, Ionenstärke, pH-Wert und Puffer- bedingungen. Das Lösungsmittel der Nukleinsäurenbibliothek ist dann entsprechend hinsichtlich dessen Komponenten auszuwählen. Gleiches gilt für das Lösungsmittel, in welchem die Targetmoleküle gelöst sind.
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß die Bindung eines Targetmoleküls an eine Nukleinsäure einen Einfluß auf das Verhalten der Nukleinsäure in einem physikochemischen Trennungsverfahren hat. Dieser Einfluß ist umso größer, je größer die Affinitätskonstante der Bindung, i.e. je fester die Bindung zwischen Nukleinsäuren und Targetmolekül ist. Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Selektion von Nukleinsäuren gegen unmodifizierte kleine Targetmoleküle, beispielsweise 50 bis 10000 Da, insbesondere 70 bis 2000 Da. Denn eine chemische Modifikation von sehr kleinen Targetmolekülen erschwert oder macht unmöglich eine Selektion von gegen das unmodi- fizierte Targetmolekül affinen Nukleinsäuren.
Subsequente Seletionsartefakte zu Lasten höheraffiner Nukleinsäuren werden zudem vermieden. Ebensowenig sind Liganden, insbesondere hohe Konzentrationen an Li- ganden, zur Desorption erforderlich. Schließlich stehen praktisch alle gebundenen und dann desorbierten Nukleinsäuremoleküle für eine Amplifikation zur Verfügung. Dies erlaubt es, mit geringen Nukleinsäure- konzentrationen zu arbeiten. Es ist grundsätzlich bereits ausreichend, wenn in der Nukleinsäurebibliothek jede Spezies im statistischen Mittel mit einem Molekül vertreten ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren isolierte Nuklein- säuren bzw. hergestellte Nukleinsäuregemische (kurz Nukleinsäuren) lassen sich vielfältig verwenden. Für eine jeweilige konkrete Anwendung ist es lediglich notwendig, nach Maßgabe der Anwendung ausgewählte Targetmoleküle in der Stufe b) einzusetzen. So ist es 'beispielsweise möglich, für eine Erkrankung charakteristische Markersubstanzen zu identifizieren, ■ mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hochaffin daran bindende Nukleinsäuren zu bestimmen und die so selektierten Nukleinsäuren als Hauptkomponente eines Testkits zur Untersuchung auf die Markersubstanz bzw. auf das Vorliegen der Erkrankung oder das Risiko der Erkrankung einzusetzen. Solche Testkits können selbstverständlich auch zur Therapiekontrolle eingesetzt werden. Die Nukleinsäuren können auch zur Herstellung von pharmazeutischen Zusammensetzungen verwendet werden, beispiels- weise wenn eine Hemmung der Markersubstanz (durch Bindung der Nukleinsäure) zu einer Verringerung oder Verhinderung des Krankheitsbildes führt. Durch Komplexierung kleiner Targetmoleküle durch hochaffine Nukleinsäuren kann zusätzlich eine verbesserte venale Ausscheidung insbesondere von unpolaren Targets erreicht werden. Es ist aber auch möglich, durch Auswahl der Targetmoleküle Nukleinsäuren zu selektieren und als pharmazeutische Zusammensetzung zu verwenden, welche durch Aktivierung geeigneter Targetmoleküle die Bildung von im Krankheitsfall fehlenden Stoffen in einem Organismus stimulieren. Durch Auswahl geeigneter Targetmoleküle lassen sich beispielsweise auch Nukleinsäuren finden, welche als Wirkstoffe die Differenzierung und/oder Stimulation oder Suppression von isolierten Zellen (beispielsweise Blutzellen, wie T- Zellen, Granulozyten, Monozyten oder Thrombozyten) beeinflussen. Gleiches kann für Zellen in einem Verbund (Gewebe) u.a. im Rahmen des Tissue Engineering bewirkt werden. Schließlich können erfindungsgemäß selektierte Nukleinsäuren beispielsweise in einer Affinitätsmatrix als immobilisierte Phase eingesetzt werden (z.B. Apherese) oder zur spezifischen Desorption von Substanzen von einer Affinitätsmatrix verwendet werden.
Ein wesentliches Element der Erfindung ist die Selek- tion an sehr kleinen Targetmolekülen bindenden Nukleinsäuren. Denn diese können die Targetmoleküle weitreichend umhüllen und daurch die Elimination der Targetmoleküle z.B. aus der Blutzirkulation verhindern.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Anschließend an Stufe c) wird meist eine Trennungsverfahrenstufe d) durchgeführt werden, in welcher die Nukleinsäuren selektierter Nukleinsäure/Targetmolekül- Komplexe von den Targetmolekülen getrennt werden. Nach Stufe b) , ggf. nach Dissoziation in Stufe c) der erhaltenen Nukleinsäure/Targetmolekül-Komplexe kann eine Amplifikation mittels beispielsweise PCR, RT-PCT oder LCR, durchgeführt werden.
Eine Dissoziation (in einer Trennungsverfahrensstufe) mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnener Nukleinsäure/Targetmolekül-Komplexe kann beispielsweise durch Verdrängung mit einem hinreichend starken Liganden, Modifikation, Komplexierung und/oder Zerstörung des Targetmoleküls, physikochemisch oder thermisch erfolgen. Auch mechanische Verfahren, beispielsweise Ultraschall, können zur Dissoziation oder zur Verstärkung der Dissoziation eingesetzt wer- den. Es versteht sich, daß die Nukleinsäuren von dem verwendeten Dissoziationsverfahren nicht zersetzt werden dürfen. Vorzugsweise wird die unspezifische Dissoziation mittels üblicher physikochemischer oder thermischer Verfahren durchgeführt. Thermische Dissoz- iation erfolgt durch Erwärmung der erhaltenen Lösung. Die Erwärmung kann beispielsweise durch elektrische Beheizung oder Einstrahlung von Mikrowellen oder IR erfolgen. Insbesondere sind die Erwärmungstechniken aus der PCR Technologie geeignet.
Die unspezifische Dissoziation kannn durch chemische Modifikation des Targets unterstützt werden, z.B. Oxi- dation durch Natriumperj odat oder dergleichen, oder durch unspezifische Komplexbildung, z.B. mittels Borat oder dergleichen zur Blockierung von cis-trans- Diolbindungen in Kohlenhydraten. Es ist besonders bevorzugt, wenn die unspezifische Dissoziation durch thermische Dissoziation in einer, vorzugsweise verlängerten, Hochtemperaturphase einer PCR oder RT-PCR durchgeführt wird. Hierbei wird ein Synergieeffekt erzielt, da in aller .Regel, insbesondere beim Arbeiten mit Nukleinsäurebibliotheken mit niedrigen Konzentrationen der Nukleinsäurespezies, eine Amplifizierung ohnehin erforderlich ist. Die (nach der Dissoziation) gewonnenen Nukleinsäuren lassen sich leicht und ohne störende Ligandenkoppelungen amplifizieren.
Zur Erhöhung der Ausbeute wird bei der Amplifikation, PCR, RT-PCR, LCR oder dergleichen, beispielsweise mit 5 bis 60, vorzugsweise mit 20 bis 60, höchstvorzug- sweise mit 45 bis 55, Zyklen gearbeitet. Im Rahmen der Amplifikation kann mit mindestens einem markierten Primer gearbeitet werden. Der Primer kann mindestens eine Endonukleaseschnittstelle aufweisen. Eine solche Schnittstelle dient beispielsweise dazu, das Amplifi- kat von größeren Bereichen der Primersequenz zu be- freien. Nukleotidbausteine, sei es im Primer oder bei den zu selektierenden Nukleinsäuren, können beispielsweise mittels Fluoreszenzfarbstoffen markiert sein. Als Fluoreszenzfarbstoffe seien beispielsweise genannt: Alexa® Fluor 488, Fluor 532, Fluor 546, Fluor 568, Fluor 594, Oregon Green 488, Fluorescein, Rho- damine 6G, Tetramethylrhodamine, Rhodamine B und Texas Red. Das Amplifikat kann auch durch zwei verschiedene chemische Modifikationen an verschiedenen Enden markiert sein, sofern die bei der Modifikation eingeführten Gruppen geeignet sind, als Liganden jeweils an einer unterschiedlichen Affinitätsmatrix gebunden werden zu können.
Bevorzugt ist es, wenn die Nukleinsäuren für das physikochemische Trennungsverfahren funktionalisiert sind. Wenn als physikochemisches Verfahren beispielsweise ein elektrophoretisches Verfahren eingesetzt wird, so können die Nukleinsäuren (der diversen Spezies) mit einer eine elektrische Ladung tragenden Gruppe ausgestattet sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von nicht lim- itierenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1: Selektion durch Laufweg-Trennmethoden
Eine auf übliche Weise erstellte Nukleinsäurebibliothek wird auf ein geeignetes Gel, z.B. Agarosegel, aufgetragen. Nach Erwärmung zum Aufschmelzen eventuell doppelsträngiger Nukleinsäuren wird bei 4°C elektro- phoretisch getrennt, und zwar in einer Raumdimension, dem Laufweg. Dann wird das Gel in Streifen in Richtung parallel zur Laufrichtung geschnitten und ein, mehrere oder alle Streifen werden mit Targetmolekülen inkubiert. Ein so erhaltener Streifen mit Komplexen wird auf ein gleichartiges zweites Agarosegel gebracht und mittels mechanischer und/oder physikochemischer Methoden werden die Komplexe des Streifens auf das zweite Gel übertragen. Dann wird unter gleichen Bedingungen nochmals elektrophoretisch getrennt, wobei die Laufrichtung orthogonal zur Längserstreckung des aufgebrachten Streifens liegt, i.e. in einer zweiten Raumdimension. Nukleinsäuren, welche keine Komplexe gebildet haben, liegen dann in dem zweiten Gel auf einer Diagonalen. Das zweite Gel wird in Streifen geschnitten, deren Längserstreckung orthogonal zu jener des aufgebrachten Streifens ist. Aus einem so erhaltenen Streifen des zweiten Gels wird jener Bereich herausgetrennt, der dem Laufwegfenster des dem Streifen zugeordneten Teiles des aufgebrachten
Streifens entspricht. Der Rest des Streifens wird gesammelt und einer Dissoziationsverfahrensstufe sowie einer Amplifikationsverfahrensstufe unterworfen.
Beispiel 2: Selektion durch Laufzeit-Trennmethoden.
Eine auf übliche Weise erstellte Nukleinsäurebibliothek wird auf eine geeignete HPLC aufgetragen. Dann wird eine Trennung der Nukleinsäuren in einer Zeitdimension, der Laufzeit, durchgeführt, wobei in definierten Laufzeitfenstern Fraktionen aufgefangen werden. Eine solche Fraktion wird dann mit den Targetmolekülen auf geeignete Weise inkubiert. Die inkubier- ten Fraktionen werden jeweils sodann unter gleichen Bedingungen nochmals getrennt, i.e. in einer zweiten Zeitdimension. Von den so erhaltenen Fraktionen der zweiten HPLC werden jene Fraktionen verworfen, deren Laufzeit der Laufzeit der aufgegebenen Fraktion entspricht. Die verbleibenden Fraktionen der zweiten HPLC werden gesammelt und einer Dissoziationsverfahrensstufe sowie einer Amplifikationsverfahrensstufe unter- worfen. Entsprechendes wird für alle Fraktionen der ersten HPLC durchgeführt'.

Claims

Patentansprüche :
1) Verfahren zur Selektion hochaffin an ein Targetmolekül bindender Nukleinsäuren aus einem Gemisch von Nukleinsäuren durch zweidimensionale Auftrennung mit den folgenden Verfahrensschritten:
a) das Gemisch aus Nukleinsäuren wird einem physikochemischen Trennungsverfahren unterwor- fen, wobei ein Set von Nukleinsäuregemischfrak- tionen erhalten wird, und wobei jeder Nukleinsäuregemischfraktion ein Laufparameterfenster zugeordnet wird,
b) eine Nukleinsäuregemischfraktion wird mit den Targetmolekülen kontaktiert, wobei ein Bindungsmix mit Nukleinsäure/Targetmolekül- Komplexe erhalten wird,
c) das Bindungsmix aus Stufe b) wird dem gleichen physikochemischen Trennungsverfahren wie in Stufe a) unterworfen, wobei Nukleinsäure/Tar- getmolekül-Komplexe, deren Laufparameter außerhalb des Laufparameterfensters liegt, selek- tiert werden.
2) Verfahren nach Anspruch 1, wobei anschließend an Stufe c) eine Trennungsverfahrenstufe d) durchge- führt wird, in welcher die Nukleinsäuren selektierter Nukleinsäure/Targetmolekül-Komplexe von den Targetmolekülen getrennt werden. 3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die selektierten Nukleinsäuren amplifiziert werden.
4) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Nukleinsäuren für das physikochemische Trennungsverfahren funktionalisiert sind.
5) Nukleinsäuren oder Nukleinsäuregemische erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6) Verwendung von Nukleinsäuren oder Nukleinsäure- gemischen nach Anspruch 5 in Testkits zum Nachweis von für eine Erkrankung, einem funktionalen Zustand oder das Risiko einer Erkrankung charakteristische Markersubstanzen oder zur Herstellung von pharmazeutischen Zusammensetzungen.
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