Verfahren und Reagenzien zur Untersuchung von Nukleinsäure- Methylierungsreaktionen Methods and reagents for the study of nucleic acid methylation reactions
Die Erfindung betrifft das Gebiet des Screenings nach und der Bewertung von Inhibitoren eukaryontischer Nukleinsäure-Methylierungsreaktionen, sowie dabei nützliche Reporterplasmide und Methylierungsinhibitor-Standards.The invention relates to the field of screening for and evaluation of inhibitors of eukaryotic nucleic acid methylation reactions, as well as useful reporter plasmids and methylation inhibitor standards.
Nukleinsäuremethylierung und insbesondere DNA-Methylierung wird in Euykary- onten, insbesondere in Säugerzellen und insbesondere bei Menschen, durch die DNA-Methyltransferasen Dnmtl (NCBI-Accession numbers: P26358, AAH92517, AAI26228, NP_001370), Dnmt3a (NCBI-Accession numbers: AAH 18214, AAH23612, Q9Y6K1 NP_715640, NP_783329, NP_783328, NP_072046, AAH51864, AAY14761 , AAH43617, AAH32392, AAL57039, AAD33084) und Dnmt3b (NCBI-Accession numbers: CAB53071 , CAB53069, CAB53070, Q9UBC3, NP_787046, NP_787045, NP_787044, NP_008823, ABC48951 , AAL57040, AAF04015, AAD53063, AAD53062, AAD31434, AAD31433, AAD31432) bewirkt. Diese Methyltransferasen übertragen eine Methylgruppe von Koenzym S-Adenosyl-L-Methionin („AdoMet") auf zu methylierende Nukleinsäu- ren, insbesondere DNA („Ziel-DNA"). Bei zahlreichen Krankheiten wird eine Änderung des DNA-Methylierungsmusters genomischer DNA gegenüber dem üblichen Methylierungsmuster genomischer DNA beobachtet. Eine solche aber- rante DNA-Methylierung gilt als ein Auslöser oder Förderer des Entstehens und/oder der Progression insbesondere von Tumorerkrankungen. Es ist deshalb häufig versucht worden, DNA-Methylierungsinhibitoren zu entwickeln, um diese als Arzneimittel zum Vorbeugen oder Behandeln aberranter DNA-Methylierungen verwenden zu können.
Bekannte DNA-Methylierungsinhibitoren wie Sinefungin beruhen auf dem Prinzip, an die Koenzym-Bindungsstelle der jeweiligen DNA-Methyltransferase zu binden und diese so am Binden an das Koenzym AdoMet zu hindern. Allerdings binden diese DNA-Methylierungsinhibitoren auch an die Koenzym-Bindungsstellen anderer Enzyme, die AdoMet als Koenzym benötigen. Durch diese Kreuzreaktivität verursachen diese DNA-Methylierungsinhibitoren zahlreiche Nebenwirkungen.Nucleic acid methylation, and particularly DNA methylation, is described in eukaryotes, particularly in mammalian cells, and particularly in humans, by the DNA methyltransferases Dnmtl (NCBI accession numbers: P26358, AAH92517, AAI26228, NP_001370), Dnmt3a (NCBI accession numbers: AAH 18214 , AAH23612, Q9Y6K1 NP_715640, NP_783329, NP_783328, NP_072046, AAH51864, AAY14761, AAH43617, AAH32392, AAL57039, AAD33084) and Dnmt3b (NCBI accession numbers: CAB53071, CAB53069, CAB53070, Q9UBC3, NP_787046, NP_787045, NP_787044, NP_008823, ABC48951, AAL57040, AAF04015, AAD53063, AAD53062, AAD31434, AAD31433, AAD31432). These methyltransferases transfer a methyl group of coenzyme S-adenosyl-L-methionine ("AdoMet") to the nucleic acids to be methylated, in particular DNA ("target DNA"). In many diseases, a change in DNA methylation pattern of genomic DNA is observed over the usual methylation pattern of genomic DNA. Such aberrant DNA methylation is considered to be a trigger or promoter of the emergence and / or progression, especially of tumor diseases. Therefore, it has often been attempted to develop DNA methylation inhibitors in order to use them as drugs for preventing or treating aberrant DNA methylations. Known DNA methylation inhibitors such as sinefungin are based on the principle to bind to the coenzyme binding site of the respective DNA methyltransferase and thus to prevent them from binding to the coenzyme AdoMet. However, these DNA methylation inhibitors also bind to the coenzyme binding sites of other enzymes that require AdoMet as coenzyme. Due to this cross-reactivity, these DNA methylation inhibitors cause numerous side effects.
Ferner werden Nucleotidanaloga wie Zebularin und Decitabin zum Verringern der DNA-Methylierung verwendet. Die Nucleotidanaloga bewirken, sobald sie in eine DNA eingebaut sind, eine kovalente Bindung der DNA-Methyltransferasen an die DNA. Dadurch wird der zelluläre Vorrat an verfügbaren DNA-Methyltransferasen verringert. Nachteiligerweise kommt es dabei auch zu erheblichen DNA- Schädigungen und zu einer sehr hohen DNA-Reparaturaktivität.Further, nucleotide analogs such as zebularin and decitabine are used to reduce DNA methylation. Once incorporated into DNA, the nucleotide analogs covalently bind the DNA methyltransferases to the DNA. This reduces the cellular supply of available DNA methyltransferases. Disadvantageously, this also leads to considerable DNA damage and to a very high DNA repair activity.
Es besteht deshalb ein Bedarf, weitere Nukleinsäure-Methylierungsinhibitoren zu finden, die nach Möglichkeit die oben beschriebenen Nachteile herkömmlicher DNA-Methylierungsinhibitoren nicht aufweisen sollen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren und insbesondere ein zum Screening geeignetes Verfahren zum Bestimmen der Inhibierungswirkung eines Inhibitors auf eine eukaryontische Nukleinsäure-Methylierungsreaktion bereitzustellen.There is therefore a need to find further nucleic acid methylation inhibitors which, if possible, should not have the disadvantages of conventional DNA methylation inhibitors described above. The object of the present invention was therefore to provide a method and, in particular, a method suitable for screening for determining the inhibiting effect of an inhibitor on a eukaryotic nucleic acid methylation reaction.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen der Inhibierungs- Wirkung eines Inhibitors auf eine eukaryontische Nukleinsäure- Methylierungsreaktion, umfassend die Schritte:The object is achieved by a method for determining the inhibition effect of an inhibitor on a eukaryotic nucleic acid methylation reaction, comprising the steps:
1. Bereitstellen eines Methylierungsansatzes enthaltend1. Providing a Methylierungsansatzes containing
(a) die für die Durchführung der Nukleinsäure-Methylierungs- reaktion benötigten Komponenten,(a) the components required for carrying out the nucleic acid methylation reaction,
(b) eine Reporternukleinsäure mit vorgewähltem Methylierungs- grad, wobei die Reporternukleinsäure
optional einen Abschnitt für eine episomale Replikation der Reportemukleinsäure und(b) a reporter nucleic acid of preselected methylation degree, wherein the reporter nucleic acid Optionally, a section for episomal replication of reporter nucleic acid and
ein in Abhängigkeit vom Methylierungsgrad der Reporter- nukleinsäure exprimiertes Reportergen umfasst, unda reporter gene expressed as a function of the degree of methylation of the reporter nucleic acid, and
(c) den zu untersuchenden Inhibitor;(c) the inhibitor to be tested;
2. Durchführen der Methylierungsreaktion im Methylierungsansatz;2. Performing the methylation reaction in the methylation batch;
3. Bestimmen der Expression des Reportergens in Anwesenheit des zu untersuchenden Inhibitors; und3. Determining the expression of the reporter gene in the presence of the inhibitor to be investigated; and
4. Vergleichen der in Schritt 3 bestimmten Expression des Reportergens mit der Expression des Reportergens bei einem vorgewählten Inhibie- rungsgrad zum Bestimmen der Inhibierungswirkung des zu untersuchenden Inhibitors auf die Nukleinsäure-Methylierungsreaktion.4. comparing the expression of the reporter gene determined in step 3 with the expression of the reporter gene at a preselected level of inhibition to determine the inhibitory effect of the inhibitor to be tested on the nucleic acid methylation reaction.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es auf vorteilhaft einfache Weise, unter standardisierbaren Bedingungen die Inhibierungswirkung eines (vermuteten) Inhibitors einer eukaryontischen Nukleinsäure-Methylierungsreaktion zu bestimmen. Das Verfahren eignet sich besonders als Teil eines Screening-Verfahrens zum Suchen eines Nukleinsäuremethylierungs-Inhibitors. Besonders zweckmäßig ist es dabei, zumindest den Schritt 3 in einem Hochdurchsatz-Ansatz durchzuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich aufgrund seiner Stan- dardisierbarkeit und Einfachheit besonders gut für den Einsatz in Hochdurchsatz- Ansätzen, dazu unten mehr.The method according to the invention makes it possible in an advantageously simple manner to determine the inhibiting effect of a (suspected) inhibitor of a eukaryotic nucleic acid methylation reaction under standardized conditions. The method is particularly useful as part of a screening method for finding a nucleic acid methylation inhibitor. It is particularly expedient to carry out at least step 3 in a high-throughput approach. Due to its standardisability and simplicity, the method according to the invention is particularly well suited for use in high-throughput approaches, more details below.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist der Aufbau der dabei verwendeten Reportemukleinsäure. Diese enthält optional einen Abschnitt für eine episomale Replikation der Reportemukleinsäure. Die Reportemukleinsäure kann deshalb in einer eukaryontischen und insbesondere einer Säuger-Zellline vermehrt werden, ohne dazu in das Genom integrieren zu müssen. Zweckmäßiger-
weise ist die Reporternukleinsäure unabhängig von viralen transkomplementierenden Proteinen in der Zelllinie replizierbar. Die Reporternukleinsäure ist dann in einer Vielzahl an Zelllinien replizierbar, ohne dass die Zelllinien zuvor mit zur Replikation benötigten viralen Genen für trans-komplementierende Faktoren transformiert worden sein müssten. Insbesondere vermeidet die erfindungsgemäße Reporternukleinsäure eine Beschränkung des erfindungsgemäßen Verfahren auf COS7-Zellen und das SV40 Large Transforming Antigen System. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dementsprechend durchführbar in einer -bis auf die Reporternukleinsäure - unveränderten Zelllinie. Das erfin- dungsgemäße Verfahren ist daher besonders geeignet, Artefakte zu umgehen, die durch die Expression trans-komplementierender Proteine hervorgerufen werden können.Essential for the process according to the invention is the structure of the report nucleic acid used. This optionally includes a section for episomal replication of the report nucleic acid. The reporter nucleic acid can therefore be propagated in a eukaryotic and in particular a mammalian cell line without having to integrate into the genome. expediently example, the reporter nucleic acid is replicable independently of viral transcomplementing proteins in the cell line. The reporter nucleic acid is then replicable in a variety of cell lines without the cell lines having to be previously transformed with viral genes needed for replication for trans-complementing factors. In particular, the reporter nucleic acid according to the invention avoids a limitation of the method according to the invention to COS7 cells and the SV40 Large Transforming Antigen System. Accordingly, the method according to the invention can be carried out in a cell line which is unchanged from the reporter nucleic acid. The method according to the invention is therefore particularly suitable for circumventing artifacts which can be caused by the expression of trans-complementing proteins.
Ebenfalls bevorzugt kann die Reporternukleinsäure in eine Zielzelle bzw. Ziel- Zelllinie, bevorzugt einer eukaryontischen und insbesondere einer Säuger- Zellline, stabil transfiziert oder anderweitig exprimierbar eingebracht werden. Dabei ist die Reporternukleinsäure zweckmäßigerweise in das Genom, beispielsweise einem Chromosom, der Zielzelle bzw. Ziel-Zelllinie integriert und repliziert mit dem Genom bzw. Chromosom. Auf diese Weise können Zelllinien (Reporter-Zelllinien) hergestellt werden, die auch in Abwesenheit eines Selekti- onsdrucks deutlich stabiler als bei episomal reproduzierbaren Reporternukleinsäuren das Reportergen in einer die Untersuchung der Nukleinsäure- Methylierungsinhibierung gestattenden Weise exprimieren. Dies trägt zu einer verbesserten Reproduzierbarkeit der Nukleinsäure-Methylierungsanalysen bei und erleichtert zudem die Handhabung der Reporter-Zelllinien.Also preferably, the reporter nucleic acid can be stably transfected or otherwise expressably introduced into a target cell or cell line, preferably a eukaryotic and especially a mammalian cell line. In this case, the reporter nucleic acid is expediently integrated into the genome, for example a chromosome, of the target cell or target cell line and replicated with the genome or chromosome. In this way, it is possible to produce cell lines (reporter cell lines) which, even in the absence of a selection pressure, are significantly more stable than in the case of episomally reproducible reporter nucleic acids expressing the reporter gene in a manner permitting investigation of nucleic acid methylation inhibition. This contributes to an improved reproducibility of the nucleic acid methylation analyzes and also facilitates the handling of the reporter cell lines.
Besonders bevorzugt sind solche episomal replizierbaren Reporternukleinsäuren, die einen Kemgerüst-/Matrix-Anhaftungsbereich („nuclear scaffold/matrix attach- ment region", S/MAR) umfassen. Ein solcher Bereich ist eingerichtet zum Binden an das Chromatingerüst eines eukaryontischen Zellkerns und vorzugsweise eines Säugetierzellen-Kerns. Derartige Reporternukleinsäuren, aber auch stabil in das Genom einer Zielzelle integrierte Reporternukleinsäuren, erlauben vorteilhafterweise die Untersuchung der Nukleinsäure-Methylierungsinhibierung in
Säugetierzellen und vorzugsweise in menschlichen Zellen. Ein erfindungsgemäßes Verfahren, das auf diese Reporternukleinsäuren zurückgreift, ist deshalb besonders vorteilhaft eingerichtet, geeignete Nukleinsäure-Particularly preferred are such episomally replicable reporter nucleic acids comprising a nuclear scaffold / matrix attachment region (S / MAR) Such a region is adapted for binding to the chromating scaffold of a eukaryotic cell nucleus, and preferably one Such reporter nucleic acids, but also reporter nucleic acids stably integrated into the genome of a target cell, advantageously allow the study of nucleic acid methylation inhibition in Mammalian cells and preferably in human cells. A method according to the invention, which makes use of these reporter nucleic acids, is therefore set up particularly advantageously, suitable nucleic acid
Methylierungsinhibitoren insbesondere zur Behandlung aberranter DNA- Methylierungsmuster in Säugerzellen und insbesondere in menschlichen Zellen zu finden. Das erfindungsgemäße Verfahren unterstützt daher insbesondere die Entwicklung von Arzneimitteln zur Vorbeugung oder Behandlung von Tumorerkrankungen.Methylation inhibitors especially for the treatment of aberrant DNA methylation patterns in mammalian cells and especially in human cells. The method according to the invention therefore particularly supports the development of medicaments for the prevention or treatment of tumor diseases.
Die Reporternukleinsäure kann darüber hinaus noch ein oder mehrereGene für in prokaryontischen und/oder eukaryontischen Zellen wirksame Antibiotikaresistenzen oder ein anderes phänotypisches Merkmal (Kontrollmerkmal) umfassen. Dies ermöglicht es, das Vorhandensein der Reporternukleinsäure in einer pro- bzw. eukaryontischen Zelle unabhängig von der Expression des Reportergens zu überprüfen.The reporter nucleic acid may further comprise one or more genes for antibiotic resistance or other phenotypic trait (control feature) effective in prokaryotic and / or eukaryotic cells. This makes it possible to check the presence of the reporter nucleic acid in a pro- or eukaryotic cell independently of the expression of the reporter gene.
Die in einem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Reporternukleinsäure umfasst zudem ein in Abhängigkeit vom Methylierungsgrad der Reporternukleinsäure exprimiertes Reportergen, vorzugsweise ein Gen für ein fluoreszierendes oder lumineszierendes Protein, insbesondere Green Fluorescent Protein (GFP, EMBL Accession Nr.: gi|1277124 und gb|AAC53684.1 ), verbessertes GFP (en- hanced green fluorescent protein, eEFP, EMBL Accession Nr.: gi|1377914 und gb|U55763.1 |), Red Fluorescent Protein (RFP, EMBL Accession Nr.: gi|21464837 und gb|AF506027.1 ), Luciferase (EMBL Accession Nr.: gi|2582510, gb|AAB82573.1 , gi|1469268 und emb|CAA59282.1. Die Produkte dieser Reportergene sind entweder ohne weiteres bereits anhand ihrer Fluoreszenz nach- weisbar, oder sie erzeugen ein in Säugetierzellen üblicherweise nicht vorkommendes Lumineszenzsignal. In beiden Fällen ist das dem Produkt des jeweiligen Reportergens zugehörige Signal (Fluoreszenz oder Lumineszenz) charakteristisch für das Reportergen, so dass Fehlsignale durch andere Zellbestandteile ausgeschlossen werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht so ein weitgehend fehlerfreies Bestimmen des Methylierungsgrades der Reporternukleinsäure.
Das Reportergen steht vorzugsweise unter der Kontrolle eines vom Methylie- rungsgrad der Reporternukleinsäure abhängigen Promotors, der die Expression des Reportergens im methylierten Zustand der Reporternukleinsäure unterdrückt und im demethylierten Zustand ermöglicht, vorzugsweise eines Cytomegalovirus Immediate Early-Promotors.The reporter nucleic acid used in a method according to the invention additionally comprises a reporter gene expressed as a function of the degree of methylation of the reporter nucleic acid, preferably a gene for a fluorescent or luminescent protein, in particular green fluorescent protein (GFP, EMBL accession no .: gi | 1277124 and gb | AAC53684.1 ), Enhanced GFP (Enhanced Green Fluorescent Protein, EEFP, EMBL Accession No .: gi | 1377914 and gb | U55763.1 |), Red Fluorescent Protein (RFP, EMBL Accession No .: gi | 21464837 and gb | AF506027. 1), luciferase (EMBL Accession No .: gi | 2582510, gb | AAB82573.1, gi | 1469268 and emb | CAA59282.1) The products of these reporter genes are either readily detectable by their fluorescence or they generate one In both cases, the signal associated with the product of the respective reporter gene (fluorescence or luminescence) is characteristic of the report so that false signals can be excluded by other cell components. The inventive method thus allows a largely error-free determination of the degree of methylation of the reporter nucleic acid. The reporter gene is preferably under the control of a methylation of the reporter nucleic acid dependent promoter which suppresses the expression of the reporter gene in the methylated state of reporter nucleic acid and allows in the demethylated state, preferably a cytomegalovirus immediate early promoter.
Vorzugsweise enthält eine erfindungsgemäße Reporternukleinsäure ferner einen in Prokaryonten wirksamen Replikations-Startbereich („origin of replication"). Die erfindungsgemäße Reporternukleinsäure kann daher vorteilhafterweise auch in prokaryontischen Zellen vermehrt und mit üblichen Verfahren geerntet und für die Transfektion eukaryontischer Zellen aufbereitet werden.A reporter nucleic acid according to the invention preferably also contains an origin of replication effective in prokaryotes The reporter nucleic acid according to the invention can therefore also be advantageously propagated in prokaryotic cells and harvested by conventional methods and processed for the transfection of eukaryotic cells.
Vorzugsweise wird die Methylierungsreaktion im erfindungsgemäßen Verfahren in einer Zelllinie durchgeführt. Dazu wird üblicherweise die Zelllinie mit der Reporternukleinsäure transformiert und anschließend in der Zelllinie vervielfältigt, vorzugsweise durch episomale Replikation, oder durch Vermehrung von Zellen mit stabil integrierter Reporternukleinsäure. Dabei wird die Reporternukleinsäure unter der Einwirkung von Methyltransferasen der Zelllinie gegebenenfalls methy- liert. Besonders bevorzugt ist es, die Zelllinie mit einer methylierten Reporternukleinsäure zu transformieren. Bei der episomalen Replikation der Reporternukleinsäure werden auch die Replikationsprodukte methyliert; eine ins Genom integ- rierte Reporternukleinsäure wird bei der Replikation des Genoms methyliert. Die Wirkung eines Nukleinsäure-Methylierungsinhibitors kann dann dadurch nachgewiesen werden, dass die Replikationsprodukte der Reporternukleinsäure nicht mehr oder nicht mehr vollständig methyliert sind. Insbesondere bei Verwendung bevorzugter Reporternukleinsäuren, deren Reportergen unter der Kontrolle eines im methylierten Zustand reprimierten Promotors steht, kann die Wirkung eines Methylierungs-Inhibitors nachgewiesen werden durch den Nachweis des Reportergen-Produktes. Dieser Nachweis ist insbesondere bei fluoreszenten oder lumineszenten Reportergen-Produkten sehr einfach und reproduzierbar möglich, so dass ein entsprechendes erfindungsgemäßes Verfahren in einem Hochdurch- satz-Ansaz durchgeführt werden kann.
Der Methylierungsansatz, insbesondere die mit der Reportemukleinsäure transformierte Zelllinie, umfasst vorzugsweise ferner, also ggf. zusätzlich zu einem Gen für ein Kontrollmerkmal wie oben beschrieben, eine Kontrollnukleinsäure, die ein unabhängig vom Methylierungsgrad der Kontrollnukleinsäure exprimierba- res Kontroll-Reportergen umfasst. In einem solchen Methylierungsansatz kann neben dem Überprüfen der Wirkung eines Nukleinsäuremethylierungs-Inhibitors auch die Lebensfähigkeit („viability") der jeweils zu untersuchenden Zelle der Zelllinie überprüft werden. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass das wegen fehlender Lebensfähigkeit der jeweiligen Zelle auftretende Fehlen der Expression des Reportergens irrtümlich als Zeichen für das Vorliegen einer Nukleinsäure-Methylierung gewertet wird. Zweckmäßigerweise werden nur solche Zellen der Zelllinie in Schritt 4 des erfindungsgemäßen Verfahren berücksichtigt, die das Kontroll-Reportergen exprimieren. Dabei ist es sinnvoll, wenn das Kontroll-Reportergen für ein vom Reportergen verschiedenes fluoreszentes oder lumineszentes Genprodukt codiert.Preferably, the methylation reaction is carried out in the inventive method in a cell line. For this purpose, the cell line is usually transformed with the reporter nucleic acid and subsequently amplified in the cell line, preferably by episomal replication, or by proliferation of cells with stably integrated reporter nucleic acid. The reporter nucleic acid is optionally methylated under the action of methyltransferases of the cell line. It is particularly preferable to transform the cell line with a methylated reporter nucleic acid. In episomal replication of reporter nucleic acid, the replication products are also methylated; a reporter nucleic acid integrated into the genome is methylated during the replication of the genome. The effect of a nucleic acid methylation inhibitor can then be demonstrated by the fact that the replication products of the reporter nucleic acid are no longer or no longer completely methylated. In particular, when using preferred reporter nucleic acids whose reporter gene is under the control of a repressed in the methylated state promoter, the effect of a methylation inhibitor can be detected by the detection of the reporter gene product. This detection is possible in a very simple and reproducible manner, particularly in the case of fluorescent or luminescent reporter gene products, so that a corresponding method according to the invention can be carried out in a high-throughput assay. The methylation mixture, in particular the cell line transformed with the reporter nucleic acid, preferably further comprises, therefore optionally in addition to a gene for a control feature as described above, a control nucleic acid comprising a control reporter gene which can be expressed independently of the degree of methylation of the control nucleic acid. In such a methylation approach, in addition to checking the effect of a nucleic acid methylation inhibitor, the viability of each cell cell to be tested can be checked, thus preventing the lack of viability of the cell from occurring Conveniently, only those cells of the cell line are considered in step 4 of the method according to the invention which express the control reporter gene, in which case it makes sense to use the control reporter gene for a coded by the reporter gene different fluorescent or luminescent gene product.
In einem Hochdurchsatz-Ansatz werden die mit der Reportemukleinsäure und vorzugsweise auch mit der Kontrollnukleinsäure transformierten Zellen der Zelllinie auf die Expression des Reportergens und vorzugsweise auch des Kontroll- Reportergens untersucht. Dabei ist es zweckmäßig, die transformierten Zellen der Zelllinie in einzelnen Mikrotitergefäßen vorzulegen, darin zu vermehren und dabei mit dem zu untersuchenden Inhibitor zu beaufschlagen. Das Beaufschlagen kann auf beliebige Weise erfolgen, beispielsweise durch Zugeben des Inhibitors oder durch Induzieren der Expression eines Inhibitor-Gens. Die Zellen der Zelllinie werden nach oder unter fortgesetztem Beaufschlagen mit dem Inhibitor vermehrt, wobei die Reportemukleinsäure und, soweit vorhanden, die Kontrollnukleinsäure ebenfalls vermehrt werden. Dabei wird die Reportemukleinsäure je nach Wirksamkeit des Inhibitors methyliert, wenn der Inhibitor in der jeweils vorliegenden Konzentration keine oder nur eine geringe Wirkung hat, oder nicht oder weniger stark methyliert, wenn der Inhibitor in der jeweils vorliegenden Konzentration eine die Nukleinsäuremethylierung inhibierende Wirkung besitzt. Ferner wird die Expression des Reportergens und ggf. des Kontroll-Reportergens bestimmt, vorzugsweise durch Bestimmen der Fluoreszenzintensität auf der
Wellenlänge des Genproduktes des Reportergens und ggf. des Kontroll- Reportergens. Durch Vergleichen der bestimmten Expression des Reportergens, wobei gegebenenfalls nur solche Zellen berücksichtigt werden, die das Kontroll- Reportergen exprimieren, mit der Expression des Reportergens bei einem vor- gewählten Inhibierungsgrad kann die Inhibierungswirkung des zu untersuchenden Inhibitors auf die Nukleinsäure-Methylierungsreaktion auf einfache und reproduzierbare Weise bestimmt werden.In a high-throughput approach, the cells of the cell line transformed with the report nucleic acid and preferably also with the control nucleic acid are examined for the expression of the reporter gene and preferably also of the control reporter gene. It is expedient to submit the transformed cells of the cell line in individual microtiter vessels, to multiply therein and thereby to pressurize the inhibitor to be examined. The application may be effected in any desired manner, for example by adding the inhibitor or by inducing the expression of an inhibitor gene. The cells of the cell line are propagated after or with continued exposure to the inhibitor, wherein the reporter nucleic acid and, if present, the control nucleic acid are also increased. Depending on the effectiveness of the inhibitor, the report nucleic acid is methylated if the inhibitor has no or only a slight effect in the particular concentration present, or if it has no or less methylated if the inhibitor has a nucleic acid methylation-inhibiting activity in the particular concentration present. Furthermore, the expression of the reporter gene and optionally the control reporter gene is determined, preferably by determining the fluorescence intensity on the Wavelength of the gene product of the reporter gene and optionally of the control reporter gene. By comparing the particular expression of the reporter gene, optionally taking into account only those cells which express the control reporter gene, with the expression of the reporter gene at a preselected degree of inhibition, the inhibitory effect of the inhibitor to be examined on the nucleic acid methylation reaction can be simple and reproducible Be determined manner.
In bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt 4 die Expression des Reportergens in Anwesenheit des zu untersuchen- den Inhibitors vergleichen mit einer Expression des Reportergens in Anwesenheit einer vorgewählten Konzentration eines Standard-Methylierungsinhibitors, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 5'-Azacytidin und einem Peptid von bis zu 17 Aminosäuren Länge, enthaltend eine Aminosäure-Sequenz gemäß Figur 7, wobei „x" phosphoryliertes Serin bedeutet, und besonders bevorzugt die Aminosäure-Sequenz E K I Y (I oder M) S K I (V oder L) (V oder I) E, wobei die Buchstaben einzelne Aminosäuren gemäß IUPACIn preferred embodiments of the method according to the invention, in step 4 the expression of the reporter gene in the presence of the inhibitor to be tested is compared with an expression of the reporter gene in the presence of a preselected concentration of a standard methylation inhibitor selected from the group consisting of 5'-azacytidine and a peptide of up to 17 amino acids in length, containing an amino acid sequence according to Figure 7, wherein "x" is phosphorylated serine, and particularly preferably the amino acid sequence EKIY (I or M) SKI (V or L) (V or I ) E, where the letters are individual amino acids according to IUPAC
(http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/AminoAcid/) bezeichnen. Dabei bedeutet „Standard-Methylierungsinhibitor", dass dieser Nukleinsäure-(http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/AminoAcid/). Here, "standard methylation inhibitor" means that this nucleic acid
Methylierungsinhibitor als Standard für mehrere Durchgänge des erfindungsge- mäßen Verfahrens oder für mehrere zu untersuchende Inhibitoren verwendet wird. Besonders bevorzugt ist dabei ein Standard-Methylierungsinhibitor, bestehend aus einem bis zu 17 Aminosäuren langen Peptid umfassend die Aminosäuresequenz E K I Y I Phosphoryliertes S K I V V E. Dieses Peptid hat sich als besonders guter Nukleinsäure-Methylierungsinhibitor erwiesen.Methylation inhibitor is used as a standard for several rounds of the inventive method or for several inhibitors to be examined. Particularly preferred is a standard methylation inhibitor consisting of a peptide of up to 17 amino acids comprising the amino acid sequence E K I Y I phosphorylated S K I V V E. This peptide has proven to be a particularly good nucleic acid methylation inhibitor.
Soweit nichts anderes gesagt ist, ist jede Kombination von Merkmalen von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens miteinander und mit Merkmalen einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reporternukleinsäure und Ausführungsformen einer hier beschriebenen Kontroll-Nukleinsäure möglich.Unless otherwise stated, any combination of features of embodiments of the method according to the invention with one another and with features of an embodiment of a reporter nucleic acid according to the invention and embodiments of a control nucleic acid described here is possible.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beispiele näher beschrieben, ohne dass die Beispiele den Schutzbereich der Ansprüche einschränken sollen.
Beispiel 1 : Herstellung einer ReporternukleinsäureThe invention will be described in more detail below with reference to the examples, without the examples intended to limit the scope of the claims. Example 1: Preparation of a reporter nucleic acid
Die Reporternukleinsäure sollte episomal in Plasmidform in eukaryontischen Zellen, insbesondere in humanen Zelllinien, replizierbar sein. Als Reportergen wurde ein Gen für Green Fluorescent Protein (enhanced green fluorescent prote- in, eGFP, EMBL Accession Nummer: s.o.) gewählt.The reporter nucleic acid should be episomally replicable in plasmid form in eukaryotic cells, especially in human cell lines. The reporter gene selected was a gene for green fluorescent protein (enhanced green fluorescent protein, eGFP, EMBL accession number: see above).
Ein etwa 2 kb großer Kemgerüst-/Matrix-Anhaftungsbereich (S/MAR-Bereich; Jenke et al., Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 101 (2004), 11322-11327) wurde in einen peG FP-C 1 -Vektor (Clontech) stromabwärts vom eGFP-Gen kloniert. Der Vektor enthält zudem ein Gen für Neomy- cinphosphotransferase als in Pro- und Eukaryonten wirksames Antibiotikare- sistenzgen (Kanamycin- und Neomycinresistenz), sowie als bakteriellen Replica- tionsstartbereich einen pUC-"origin of replication".An approximately 2 kb backbone / matrix adhesion region (S / MAR range; Jenke et al., Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 101 (2004), 11322-11327) was transformed into a peG FP-C 1 - Vector (Clontech) downstream of the eGFP gene. The vector also contains a gene for neomycin phosphotransferase as an antibiotic resistance gene active in prokaryotes and eukaryotes (kanamycin and neomycin resistance), as well as a pUC "origin of replication" as a bacterial replication initiation area.
Figur 1 zeigt eine Karte der Reporternukleinsäure.FIG. 1 shows a map of the reporter nucleic acid.
Beispiel 2: Methylierung der ReporternukleinsäureExample 2: Methylation of reporter nucleic acid
Die Reporternukleinsäure wurde mit einer Methyltransferase aus Spiroplasma sp. (M.Sssl, New England Biolabs) methyliert. Die Methyltransferase methyliert alle Cytosinreste in doppelsträngigen Cytosin-Guanin-Dinucleotiden. Die Methylierung wurde in vitro gemäß den Vorschriften des Herstellers ausgeführt.The reporter nucleic acid was isolated with a methyltransferase from Spiroplasma sp. (M.Sssl, New England Biolabs). Methyltransferase methylates all cytosine residues in double-stranded cytosine guanine dinucleotides. Methylation was carried out in vitro according to the manufacturer's instructions.
Es wurden zur Methylierung eingesetzt: 10 μg Reporternukleinsäure, 1x Puffer (10 mM Tris-HCI, 50 mM NaCI, 10 mM MgCI2, 1 mM Dithiothreitol, pH 7.9 bei 25°C), 160 μM S-adenosylmethionin (Sigma), 20 U M.Sssl (NEB, 5 μl) in einem Gesamtvolumen von 50 μl. Der Ansatz wurde eine Stunde lang bei 37 0C inkubiert. Die Methylierung wurde gestoppt durch 20minütiges Erwärmen auf 65 0C. Die methylierte Reporternukleinsäure wurde durch Säulenaufreinigung aufgerei- nigt.
Die Vollständigkeit der Methylierung der Reporternukleinsäure wurde überprüft durch Restriktionsverdau mit Hpall und anschließende Gelelektrophorese. Diese Restriktionsnuklease spaltet nur unmethylierte CCGG-Nukleinsäureabschnitte. Zur Kontrolle wurde die methylierte Reporternukleinsäure ebenfalls mit Mspl, einem methylierungsinsensitiven Isoschizomer von Hpall, verdaut. Die Vollständigkeit der Methylierung konnte bestätigt werden. Fig. 2 zeigt ein Elektrophoresegel der mit Hpall verdauten Reporternukleinsäure.Methylation was used: 10 μg reporter nucleic acid, 1 × buffer (10 mM Tris-HCl, 50 mM NaCl, 10 mM MgCl 2 , 1 mM dithiothreitol, pH 7.9 at 25 ° C.), 160 μM S-adenosylmethionine (Sigma), 20 U M.Sssl (NEB, 5 μl) in a total volume of 50 μl. The mixture was incubated for one hour at 37 0 C. The methylation was stopped by 20 minutes heating at 65 0 C. The methylated reporter nucleic acid was nigt aufgerei- by column purification. The completeness of methylation of reporter nucleic acid was checked by restriction digestion with Hpall and subsequent gel electrophoresis. This restriction nuclease cleaves only unmethylated CCGG nucleic acid segments. As a control, the methylated reporter nucleic acid was also digested with Mspl, a methylation insensitive isoschizomer of Hpall. The completeness of the methylation could be confirmed. Fig. 2 shows an electrophoresis gel of reporter nucleic acid digested with Hpall.
Beispiel 3: Transfektion von HEK293-Zellen mit der methylierten ReporternukleinsäureExample 3: Transfection of HEK293 cells with the methylated reporter nucleic acid
Die methylierte Reporternukleinsäure und ein unmodifiziertes, für rot fluoreszierendes Protein (red fluorecent protein, EMBL Accession Nummer: s.o.) codierendes Plasmid (Kontroll-Nukleinsäure) wurden mit dem Transfektionsreagens FuGene-6 (Roche) in HEK293-Zellen transfiziert. Dazu wurden die HEK 293- Zellen zunächst in Dulbecco's Modified Eagle-Medium (DMEM), ergänzt um 5 % fötales Rinderserum (FBS), 100 U/ml Penicillin/Streptomycin und 2 mM Glutamin in einem feuchten Inkubator bei 5 % CO2 und 37 0C inkubiert. Die Zellen befanden sich in der 25.-35. Passage. Am Tag vor der Transfektion wurden die Zellen in 6-Well-Platten ausgesäht. DNA (Reporternukleinsäure und Kontroll- Nukleinsäure) in einer Gesamtmenge von 1 μg pro Well wurden mit 4 μl des Transfektionsreagens entsprechend den Herstellerempfehlungen gemischt und nach 20minütiger Inkubation tropfenweise auf die Zellen gegeben.The methylated reporter nucleic acid and an unmodified, red fluorecent protein (EMBL accession number: see above) encoding plasmid (control nucleic acid) were transfected with the transfection reagent FuGene-6 (Roche) in HEK293 cells. For this purpose, the HEK 293 cells were first in Dulbecco's Modified Eagle medium (DMEM), supplemented with 5% fetal bovine serum (FBS), 100 U / ml penicillin / streptomycin and 2 mM glutamine in a humid incubator at 5% CO 2 and 37 0 C incubated. The cells were in the 25th-35th Passage. The day before transfection, cells were seeded in 6-well plates. DNA (reporter nucleic acid and control nucleic acid) in a total amount of 1 μg per well were mixed with 4 μl of the transfection reagent according to the manufacturer's recommendations and, after 20 minutes of incubation, added dropwise to the cells.
Die transfizierten Zellen wurden auf rote und grüne Fluoreszenz mit einem Carl Zeiss LSM501 Meta-Mikroskop untersucht. Grüne und rote Fluoreszenz wurden gegeneinander aufgetragen. Als Grenze für eine nachgewiesene Fluoreszenz wurde jeweils der höchste Fluoreszenzwert nicht-transfizierter Zellen verwendet.The transfected cells were examined for red and green fluorescence with a Carl Zeiss LSM501 meta-microscope. Green and red fluorescence were plotted against each other. The highest fluorescence value of non-transfected cells was used as limit for a detected fluorescence.
Beispiel 4: Methylierung der Reporternukleinsäure führt zu erheblicher Transkriptions-Repression des Reportergens
Es wurden wie in Beispiel 3 beschrieben Hek293-Zellen mit methylierter und nicht methylierter Reportemukleinsäure und gleichzeitig mit Kontroll- Nukleinsäure transfiziert. Fig. 3 zeigt die Transfektionsergebnisse.Example 4: Methylation of the reporter nucleic acid leads to significant transcriptional repression of the reporter gene Hek293 cells were transfected with methylated and non-methylated reporter nucleic acid and simultaneously with control nucleic acid as described in Example 3. Fig. 3 shows the transfection results.
Bei Transfektion mit unmethylierter Reportemukleinsäure waren Zellen, die so- wohl rot als auch grün fluoreszierten, am fünften Tag nach der Transfektion gleichmäßig in der Zellkultur verteilt (Fig. 3A). Die Fluoreszenzverteilung (Fig.When transfected with unmethylated reporter nucleic acid, cells which fluoresced both red and green were evenly distributed in the cell culture on the fifth day post-transfection (Figure 3A). The fluorescence distribution (Fig.
3C) zeigt, dass die Fluoreszenz der Zellkultur verteilt ist auf Zellen mit grüner3C) shows that the fluorescence of the cell culture is distributed to cells with green
Fluoreszenz (Bereich 1 ), roter Fluoreszenz (Bereich 2) und gleichzeitig grüner und roter Fluoreszenz (Bereich 3). Die Anzahl (Fig. 3E) der grün bzw. rot fluores- zierenden Zellen ist dabei in etwa gleich; dies deutet auf eine etwa gleich starkeFluorescence (region 1), red fluorescence (region 2) and simultaneously green and red fluorescence (region 3). The number (FIG. 3E) of the green or red fluorescing cells is approximately the same; this indicates an approximately equally strong
Expression der Fluoreszenz-Reportergene der Reportemukleinsäure und derExpression of Reportemucleic Acid and Reporter Fluorescence Reporter Genes
Kontroll-Nukleinsäure hin.Control nucleic acid out.
Bei Transfektion mit methylierter Reportemukleinsäure wurden keine grün fluoreszierenden Zellen am fünften Tag nach der Transfektion beobachtet, lediglich rot fluoreszierende Zellen wurden nachgewiesen (Fig. 3B). Dementsprechend zeigt die Fluoreszenzverteilung (Fig. 3D) eine klare Häufung im Bereich der nur rot fluoreszierenden Zellen (Bereich 2). Die Anzahl der sowohl grün als auch rot fluoreszierenden Zellen (Fig. 3F) ist im Vergleich zur Anzahl der nur rot fluoreszierenden Zellen vernachlässigbar.Upon transfection with methylated report nucleic acid, no green fluorescent cells were observed on the fifth day post transfection, only red fluorescent cells were detected (Fig. 3B). Accordingly, the fluorescence distribution (FIG. 3D) shows a clear accumulation in the area of the only red-fluorescing cells (area 2). The number of both green and red fluorescent cells (Figure 3F) is negligible compared to the number of red fluorescent cells alone.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Transfektion gelungen ist (da rote Fluoreszenz nachgewiesen werden konnte), und dass eine Methylierung der Reportemukleinsäure zu einem fast vollständigen Verlust der Expression des Reportergens eGFP führt (da in diesem Fall keine grüne Fluoreszenz nachgewiesen werden konnte).The results show that the transfection was successful (as red fluorescence could be detected) and that methylation of the reporter nucleic acid results in an almost complete loss of the expression of the reporter gene eGFP (since no green fluorescence could be detected in this case).
Beispiel 5: Inhibierung der endogenen DNA-Methylierung führt zum Rückgewinn der Expression des Reportergens methylierter ReporternukleinsäurenExample 5: Inhibition of endogenous DNA methylation leads to the recovery of expression of the reporter gene of methylated reporter nucleic acids
Hek293-Zellen wurden wie in Beispiel 3 beschrieben mit methylierter Reporter- nukleinsäure und unmethylierter Kontroll-Nukleinsäure transfiziert. Am Tag der
Transformation wurden die Zellen entweder mit dem demethylierenden Reagens 5'-Azacytidin (Sigma) oder zur Kontrolle mit Puffer behandelt. Dieser Zeitpunkt wurde als "Zeitpunkt 0 h" allen Expressionsuntersuchungen zugrunde gelegt. Das Reagens wurde 7 Tage lang täglich frisch in einer Endkonzentration von 2 μM zugegeben, während im Kontrollversuch lediglich Puffer und Lösungsmittel des Reagens zugegeben wurden. Die Versuche wurden zweimal wiederholt.Hek293 cells were transfected with methylated reporter nucleic acid and unmethylated control nucleic acid as described in Example 3. On the day of Transformation, the cells were treated with either the demethylating reagent 5'-azacytidine (Sigma) or buffer control. This time was taken as the "time 0 h" all expression studies. The reagent was added freshly for 7 days daily at a final concentration of 2 μM, while in the control experiment only buffer and solvent of the reagent were added. The experiments were repeated twice.
Figur 4 zeigt die Entwicklung der Expression des Reportergens der Reporternuk- leinsäure und demethylierenden und unter nicht-demethylierunden Kultivierungsbedingungen. Bereits am zweiten Tag konnte ein Anstieg der grünen Fluores- zenz und damit ein Anstieg in der Expression des Reportergens der Reporter- nukleinsäure nachgewiesen werden (Fig. 4C). Der Anstieg der Reportergenexpression wurde fortdauernd bis zum 7. Tag des Versuchs beobachtet, dann wurden die Versuche abgebrochen. Nach 7tägiger Kultivierung unter demethylierenden Bedingungen wurde etwa 75% der Expression des Reportergens beo- bachtet, wie sie bei Verwendung nicht-methylierter Reporternukleinsäure erreicht wird (maximal erreichbare Expression). Unter nicht-demethylierenden Kultivierungsbedingungen betrug die Expression des Reportergens der methylierten Reporternukleinsäure jedoch lediglich 5% der maximal erreichbaren Expression.FIG. 4 shows the development of the expression of the reporter gene of reporter nucleic acid and demethylating and under non-demethylation cultivation conditions. Already on the second day, an increase in the green fluorescence and thus an increase in the expression of the reporter gene of the reporter nucleic acid could be detected (FIG. 4C). The increase in reporter gene expression was continuously observed until the 7th day of the experiment, then the experiments were discontinued. After culturing for 7 days under demethylating conditions, about 75% of the expression of the reporter gene was observed, as is achieved when using non-methylated reporter nucleic acid (maximum achievable expression). However, under non-demethylating culture conditions, expression of the reporter gene of the methylated reporter nucleic acid was only 5% of the maximum achievable expression.
Figur 5 zeigt die Expression des Reportergens der Reporternukleinsäure und der Kontroll-Nukleinsäure. HEK293-Zellen, die unter nicht-demethylierenden Bedingungen kultiviert worden waren, zeigten praktisch keine Expression des Reportergens eGFP (Fig. 5A), in Übereinstimmung mit den Befunden aus Beispiel 4. Dagegen zeigten HEK293-Zellen, die unter demethylierenden Bedingungen kultiviert worden waren, eine starke Expression des Reportergens der Reporter- nukleinsäure (Fig. 5B).FIG. 5 shows the expression of the reporter gene of the reporter nucleic acid and of the control nucleic acid. HEK293 cells cultured under non-demethylating conditions showed virtually no expression of the reporter gene eGFP (Fig. 5A) in accordance with the findings of Example 4. In contrast, HEK293 cells cultured under demethylating conditions showed strong expression of the reporter nucleic acid reporter gene (Figure 5B).
Beispiel 6: Hochdurchsatz-Ansatz zum Finden von Nukleinsäure- MethylierungsinhibitorenExample 6: High throughput approach to finding nucleic acid methylation inhibitors
HEK293-Zellen wurden wie in Beispiel 3 beschrieben mit methylierter Reporternukleinsäure und mit nicht-methylierter Kontroll-Nukleinsäure transfiziert und
nach dem Transfizieren in 96-Well-Mikrotiterplatten verteilt. Die Zellkulturen wurden mit einem Safire XFLU0R4 (Tecan) - Fluorimeter auf grüne und rote Fluoreszenz hin vermessen. Die Zellkulturen wurden wie in Beispiel 5 beschrieben 5'-Azacytidin (Sigma) zum Herstellen demethylierender Kultivierungsbedin- gungen behandelt. Figur 7 zeigt schematisch den Ablauf des Ansatzes.HEK293 cells were transfected with methylated reporter nucleic acid and non-methylated control nucleic acid as described in Example 3, and after transfecting into 96-well microtiter plates. The cell cultures were measured for green and red fluorescence with a Safire XFLU0R4 (Tecan) fluorimeter. The cell cultures were treated as described in Example 5 5'-azacytidine (Sigma) for preparing demethylierender cultivation conditions. Figure 7 shows schematically the flow of the approach.
Unter demethylierenden Bedingungen wurde fünf Tage nach der Transfektion eine Expression des Reportergens eGFP ermittelt, die 120fach stärker war als die unter nicht-demethylierenden Bedingungen erzielte. Die Expression des Reportergens der Kontroll-Nukleinsäure war unter demethylierenden Kultivie- rungsbedingungen etwa 4 Mal stärker als unter nicht-demethylierenden Bedingungen. Dies deutet auf eine geringe unspezifische Transkriptionsaktivierung durch 5'-Azacytidin hin. Der Anstieg der Expression des Reportergens der Repor- ternukleinsäure ist jedoch hierdurch nicht erklärbar, sondern ist das Ergebnis der Demethylierung der Reporternukleinsäure.Under demethylating conditions, expression of the reporter gene eGFP, which was 120-fold stronger than that achieved under non-demethylating conditions, was determined five days after transfection. The expression of the reporter gene of the control nucleic acid was about 4 times more potent under demethylating culture conditions than under non-demethylating conditions. This indicates a low non-specific transcriptional activation by 5'-azacytidine. However, the increase in the expression of the reporter gene of the reporter nucleic acid can not be explained by this, but is the result of the demethylation of the reporter nucleic acid.
Der Ansatz wurde wiederholt, wobei statt des demethylierenden Reagens 5'- Azacytidin ein Peptid mit der Aminosäuresequenz EKIYISKIWE mit phosphory- liertem Serinrest verwendet wurde. Auch hier konnte eine nach 5 Tagen deutlich stärkere eGFP-Expression unter demethylierenden Kultivierungsbedingungen im Vergleich zu nicht-demethylierenden Kultivierungsbedingungen nachgewiesen werden.
The mixture was repeated using, instead of the demethylating reagent 5'-azacytidine, a peptide having the amino acid sequence EKIYISKIWE with phosphorylated serine residue. Here, too, a significantly stronger eGFP expression after 5 days under demethylating cultivation conditions could be detected in comparison to non-demethylating cultivation conditions.