рекомбинантная плазмида pbi121-esat6-cfp10-gifn, кодирующая белки esat6 и cfp10 mycobacterium tuberculosis и гамма-интерферон человека в трансгенных растениях
Классы МПК: | C12N15/00 Получение мутаций или генная инженерия; ДНК или РНК, связанные с генной инженерией, векторы, например плазмиды или их выделение, получение или очистка; использование их хозяев A61K48/00 Лекарственные препараты, содержащие генетический материал, который включен в клетки живого организма для лечения генетических заболеваний; для генной терапии |
Автор(ы): | Татьков Сергей Иванович (RU), Дейнеко Елена Викторовна (RU), Белавин Павел Александрович (RU), Загорская Алла Алексеевна (RU), Филипенко Елена Анатольевна (RU), Уварова Елена Александровна (RU), Какимжанова Алмагуль Апсаламовна (KZ), Раманкулов Ерлан Мирхайдарович (KZ) |
Патентообладатель(и): | Учреждение Российской академии наук Институт цитологии и генетики Сибирского отделения РАН (ИЦиГ СО РАН) (RU), Республиканское государственное предприятие "Национальный центр биотехнологии Республики Казахстан" Министерства образования и науки Республики Казахстан (KZ) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2011-11-10 публикация патента:
27.11.2012 |
Изобретение относится к генной инженерии, биохимии, биотехнологии и иммунологии. Сконструирована рекомбинантная плазмида pBi121-ESAT6-CFP10-gIFN размером 15796 п.н., содержащая следующие конструктивные элементы: фрагмент ДНК векторной плазмиды рBi121 размером 14726 п.н.; XbaI - BamHI фрагмент, кодирующий химерный ген, состоящий из двух генов esat6 и cfp10 M. tuberculosis и -интерферон человека; 5'UTR область из генома вируса гравировки табака; двойной 35S CaMV промотор из генома вируса мозаики цветной капусты; 3'UTR область из генома вируса мозаики цветной капусты. Сконструированная плазмида обеспечивает перенос нуклеотидной последовательности химерного гена cfp10-esat6-gIFN в геномную ДНК растений. Изобретение может быть применено для получения противотуберкулезных вакцин нового поколения. 3 ил., 2 пр.
Формула изобретения
Рекомбинантная плазмида pBi121-ESAT6-CFP10-gIFN, кодирующая белки ESAT6 и CFP10 Mycobacterium tuberculosis и -интерферон человека в трансгенных растениях, имеющая размер 15796 п.н. и содержащая следующие конструктивные элементы:
фрагмент ДНК векторной плазмиды рВi121 размером 14726 п.н.;
XbaI - BamHI фрагмент, кодирующий химерный ген, состоящий из двух генов esat6 и cfp10 M. tuberculosis и -IFN человека;
5'UTR область из генома вируса гравировки табака;
двойной 35S CaMV промотор из генома вируса мозаики цветной капусты;
3'UTR область из генома вируса мозаики цветной капусты.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к генной инженерии, биохимии, биотехнологии и иммунологии. Описана рекомбинантная плазмида pBi121-ESAT6-CFP10-gIFN, включающая химерный ген, кодирующий белки ESAT6 и CFP10 Mycobacterium tuberculosis и -интерферон человека под управлением 35S-промотра гена мозаики цветной капусты для экспрессии в тканях трансгенных растений.
Одним из направлений в создании противотуберкулезных вакцин нового поколения является использование основных белков М. tuberculosis.
Полученные к настоящему времени субъединичные вакцины показали протективный, но сильно варьирующий и, в ряде случаев, непредсказуемый эффект. Для преодоления этих недостатков актуальной задачей является создание и использование конструкций, обеспечивающих коэкспрессию рекомбинантных антигенов с цитокинами (Sharma, Khuller // J. Exp.Biol, 2001, V.39, P.1214-1219). Центральное место среди групп антигенов с протективной активностью занимает группа секретируемых белков (Mustafa et al. // Mol. Immunol., 2002, V.39, P.113-119), среди которых особое внимание уделяется белкам ESAT6 и CFP10.
Секретируемые белки ESAT6 и CFP10 являются иммунодоминантными Т-клеточными антигенами (Okkels et al. // Infection and Immunity, 2003, V.71, P.6148-6150). Высокая иммуногенность и специфичность ESAT6 и CFP10 подтверждается высоким уровнем синтеза -интерферона мононуклеарными клетками периферийной крови доноров в ответ на контакт с этими антигенами (Skjot et al. // Infection and Immunity, 2000, V.68, P.214-220).
Известно, что действие адъювантов, используемых в вакцинах для повышения иммуногенной активности, опосредуется через действие цитокинов (Gursel, Gregoriadis // J. Drug Target, 1998, V.5, P.93-98). Использование -интерферона и его аналогов, обладающих свойствами иммунономодуляторов, позволит направленно стимулировать иммунный ответ при вакцинации.
Использование трансгенных растений, коэкспрессирующих специфические антигены возбудителя туберкулеза и -интерферон для пероральной доставки в организм теплокровных, позволит создать более эффективные, дешевые и безопасные средства иммунизации против М. tuberculosis по сравнению с традиционными системами.
Наиболее близким к заявляемой плазмиде - прототипом является рекомбинантный вектор экспрессии на основе плазмиды pET22b(+), кодирующий гибридный белок CFP10-ESAT6 из М. tuberculosis (Патент RU С1 2360926, оп. 10.07.2009). Данный вектор разработан для экспрессии в клетках E.coli штамма BL21 (DE3) и наработки в них гибридного белка.
Недостатком прототипа является то, что используемая плазмида создана для продукции белка в прокариотических клетках, в которых не обеспечивается посттрансляционная модификация рекомбинантного белка, характерная для эукариотических клеток, а также его сборка и фолдинг. При этом возможна также контаминация целевого белка бактериальными токсинами.
Технической задачей изобретения является создание рекомбинантной плазмиды, обеспечивающей продукцию химерного белка, включающего эпитопы антигенов ESAT6 и CFP10 М. tuberculosis и -интерферона человека в качестве иммуномодулирующего медиатора в трансгенных растениях.
Поставленная техническая задача достигается новой сконструированной плазмидой pBi121-ESAT6-CFP10-gIFN размером 15796 н.п., обеспечивающей перенос целевой последовательности ДНК в геном растений и экспрессию химерного гена.
Способ конструирования плазмиды заключается в синтезе полноразмерного гена, состоящего из двух отдельных генов esat6 и cfp10 М. tuberculosis и -IFN человека в одной рамке трансляции, между которыми нет стоп-кодонов, но присутствует «шарнир» из трех аминокислотных остатков - «gly-ala-gly» для гибкой связи между доменами гибридного белка. Сначала при помощи ПЦР получают химерный ген. Праймеры для ПЦР, специфичные к генам cfp10, esat6 и -IFN, были разработаны так, чтобы они перекрывались друг с другом и, таким образом, позволяли синтезировать один непрерывный синтетический «химерный» ген из отдельных фрагментов ДНК. Внутренние праймеры имеют на 5'конце взаимокомплементарные последовательности, позволяющие ввести «gly-ala-gly» - шарнир. В ограничивающие химерный ген олигонуклеотиды вводят сайты узнавания для эндонуклеаз рестрикции BamHI и HindIII, позволяющие на следующем этапе получать экспрессирующую конструкцию в Е.coli. Для получения на завершающем этапе рекомбинантной плазмиды в структуру праймеров вводят сайты XbaI и BamHI, позволяющие клонировать химерный ген в бинарный вектор pBi121. В результате получают рекомбинантную плазмиду размером 15796 п.н., обеспечивающую перенос целевой последовательности в геном растений и экспрессию химерного белка.
Заявляемая плазмида состоит из следующих элементов:
ДНК векторной плазмиды pBi121 размером 15796. п.н.;
- XbaI-BamHI фрагмента, кодирующего химерный ген, состоящий из двух генов esat6 и cfp10 М. tuberculosis и -IFN человека;
- 5'UTR области из генома вируса гравировки табака;
- Двойного 35S CaMV промотора из генома вируса мозаики цветной капусты;
- 3'UTR области из генома вируса мозаики цветной капусты.
Физическая карта плазмиды pBi121-ESAT6-CFP10-gIFN с указанием генетических маркеров приведена на фиг.1, где cfp10-esat6-gIFN - нуклеотидная последовательность, химерного гена, PI - промотор гена нопалинсинтазы из Ti-плазмиды Agrobacterium tumefaciens; nptII-ген неомицинфосфотрансферазы II; Terminator 1 - терминатор гена нопалинсинтетазы; Promoter 2 - двойной промотор гена 35S РНК вируса мозаики цветной капусты; gusA - нуклеотидная последовательность бета-глюкуронидазы E.coli, Terminator 2 - терминатор гена 35S РНК вируса мозаики цветной капусты.
Отличием предлагаемой плазмиды от прототипа является наличие в ее составе гена, кодирующего синтез -интерферона человека, являющегося иммуномодулятором.
Сущность изобретения поясняется следующими примерами конкретного выполнения изобретения.
Пример 1. Конструирование плазмиды pBi121-ESAT6-CFP10-gIFN
Для получения химерного гена cfp10-esat6-gIFN сначала проводили дизайн самого гена и олигонуклеотидов. Был проведен дизайн шести олигонуклеотидов - праймеров, таким образом, чтобы:
1. Можно было по отдельности получить копии генов cfp10, esat6 и gIFN. Праймеры рассчитывали так, чтобы они перекрывались друг с другом и, таким образом, можно было «сшивать» в один ген три.
2. В ограничивающие химерный ген олигонуклеотиды ввели сайты узнавания для рестриктаз XbaI и BamHI, что позволило провести клонирование по этим сайтам в векторную плазмиду pBi121.
3. Были введены дополнительные нуклеотиды, формирующие кодоны для коротких «шарниров» из трех аминокислотных остатков.
Общий дизайн химерного гена приведен на фиг.2.
Олигонуклеотиды - праймеры:
up1-Xbal CCCTCTAGAATGGCAGAGATGAAGACCGAT
up2 GCTTCGGCGCGGGGATGACAGAGCAGCAGTGGAATT
up3 TCGCAGGCGCGGGGATGCAGGACCCATATGTAAAAGAA
lo1 TGTCATCCCCGCGCCGAAGCCCATTTGCGAGGA
lo2 TGCATCCCCGCGCCTGCGAACATCCCAGTGACG
lo3-BamHI CCCGGATCCACTGGGATGCTCTTCGACCT
Для клонирования генов esat6 и cfp10 использовали геномную ДНК Mycobacterium tuberculosis, выделенную из биомассы клинического изолята М. tuberculosis, полученного от больного туберкулезом (г.Новосибирск). Гены esat6 и cfp10 были амплифицированы с геномной ДНК М. tuberculosis, а ген -интерферона - с плазмиды pIFN- -trp2- . Полученные ампликоны генов esat6 и cfp10 были клонированы в промежуточные прокариотические вектора pGEX2T и эукариотический вектор pcDNA-3.1. В результате были получены рекомбинантные ДНК pGEX-2T-ESAT6, pGEX-2T-CFP10, pcDNA-ESAT6.
Синтез отдельных генов, составляющих химерный ген, осуществляли методом ПНР в течение 25 циклов при следующих условиях: денатурация 95°С-30 с, отжиг 50°С-30 с, элонгация 72°С-30 с.
Протокол реакций синтеза генов:
А смесь | 9 мкл |
H2 O - | 105 мкл |
В 10x буфер (производство СибЭнзим) | 15 мкл |
dNTP (2.5 мM) | 3 мкл |
Taq-pol | 1.5 мкл |
Состав А смеси для синтеза Cfp10:
1:200(plasmid pGEX-cfp10 | 1 мкл |
up1 (10 пМ/мкл) | 4 мкл |
lo1 (10 пМ/мкл) | 4 мкл |
Состав А смеси для синтеза Esat6
1:200 (plasmid pGEX-esat6) | 1 мкл |
up2 (10 пМ/мкл) | 4 мкл |
lo2 (10 пМ/мкл) | 4 мкл |
Состав А смеси для синтеза gIFN
1:200 (plasmid with gIFN) | 1 мкл |
Up3 (10 пМ/мкл) | 4 мкл |
Lo3 (10 пМ/мкл) | 4 мкл |
Продукты ПЦР-реакции подвергали электрофорезу в 1.5% агарозном геле, содержащем бромистый этидий. Визуализированные в УФ-свете ПЦР-фрагменты вырезали, помещали кусочки геля в пробирки, измельчали и экстрагировали ДНК в ТЕ-буфере (0,04 моль Трис-ацетат, 0,002 моль ЭДТА, рН 8,0). Центрифугировали в центрифуге при 10000 г, 5 мин. Далее 2 мкл супернатанта, содержащего амплифицированную ДНК, использовали в последующей амплификации для синтеза химерного гена.
Состав А-смеси для ПЦР
H2O | 38 мкл |
В 10х буфер (производство СибЭнзим) | 5 мкл |
dNTP (2.5 мM) | 1 мкл |
Taq-pol (производство СибЭнзим) | 0.5 мкл |
Супер cfp-pcr | 2 мкл |
Супер esat-pcr | 2 мкл |
Супер gIFN-pcr | 2 мкл |
Состав В-смеси для ПЦР:
H2O | 175 мкл |
В 10х буфер (производство СибЭнзим) | 25 мкл |
dNTP (2.5 мM) | 5 мкл |
Taq-pol (производство СибЭнзим) | 2.5 мкл |
Up1 (10 пМ/мкл) | 20 мкл |
Lo3 (10 пМ/мкл) | 20 мкл |
Вначале проводили ПЦР-реакцию с А-смесью в течение 3 циклов при следующих условиях: 95°С - 2 мин, 50°С - 1 мин, 72°С - 2 мин.
После этого смешивали А-смесь и В-смесь, раскапывали в пробирки по 50 мкл и проводили второй раунд ПЦР в течение 25 циклов, 95°С 2 мин, 50°С - 1 мин, 72°С - 1.5 минуты, в результате которого синтезировали полный химерный ген.
Полученный полноразмерный фрагмент ДНК, соответствующий слитым генам М. tuberculosis - cfp10 и esat6, а также человеческого -интерферона, переосаждали добавлением 2 объемов 96% спирта и 1/10 объема 3М ацетата Na, растворяли в 1×ТЕ буфере, после чего обрабатывали эндонуклеазами рестрикции XbaI и BamHI (100 е.а.) (производство СибЭнзим) в соответствующих буферах, рекомендованных производителем, при 37°С в течение 3 часов. Очистку гидролизата от праймеров проводили с использованием набора для очистки фирмы «Sigma» GenElute PCR DNA PURIFICATION KIT.
10 мкг векторной ДНК pBi121 подвергали гидролизу рестриктазами BamHI и Xbal (100 е.а.) в соответствующих буферах при 37°С в течение 1 часа. Гидролизат разделяли электрофорезом в 1.5% агарозном геле, фрагмент ДНК элюировали из геля методом сорбции ДНК на силикагеле. Проводили лигирование 0.3 мкг полученного вектора pBi121 и 0.1 мкг фрагмента ДНК химерного гена в 10 мкл лигазного буфера, содержащего 50 мМ Nris-HCl рН7.8, 10 мМ MgCl, 10 мM DTT, 1 мM ATP, 25 мкг/мл BSA, 100 е.а. лигазы фага Т4 в течение 10 при 4°С.
После электротрансформации компетентных клеток Е.coli штамма ВН10 В и отбора клонов, несущих рекомбинатные плазмиды со встроенным геном, получали плазмиду pBi121-ESAT6-CFP10-gIFN.
Пример 2. Получение трансгенных растений моркови.
С помощью конструкции pBi121-ESAT6-CFP10-gIFN, описанной в примере 1, были получены трансгенные растения моркови (Daucus carota, сорт Нантская 4). Для агробактериальной трансформации в качестве исходных эксплантов были использованы девятинедельные каллусы, полученные из зрелых зародышей моркови. Для получения каллусов зрелые семена моркови сорта Нантская 4 стерилизовали 25% раствором Domestos в течение 10 минут. После этого семена промывали стерильной дистиллированной водой 4-5 раз, помещали в стерильную влажную камеру и оставляли на 24 часа для набухания. Набухшие семена моркови стерилизовали 50% раствором Domestos 20 мин, после чего промывали стерильной водой 4-5 раз. Выделение зародышей проводили препаровальной иглой путем надавливания на основание набухшего семени. Выделенные зародыши помещали на среду для индукции каллуса (среда MS (Murashige and Shoog, 1962) с добавлением 0,2 мг/л 2.4-Д (2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота) и 0,2 мг/л кинетина и культивировали в темноте в течение 9-10 недель с пассажами на свежие среды того же состава каждые 3 недели.
Для трансформации использовали ночную культуру агробактерии Agrobacterium tumefaciens, плотностью 1 о.е. при 600 нм, предварительно разведенную средой MS в соотношении 1:3. Каллус 9-10-недельного возраста разделяли на небольшие фрагменты (3-5 мм в диаметре) и выкладывали на фильтровальную бумагу в чашки Петри. На каждый фрагмент наносили по 5-10 мкл приготовленной суспензии ночной культуры агробактерии. После того, как избыток суспензии впитывался фильтровальной бумагой, кусочки каллуса переносили в чашки Петри со средой для индукции каллуса (MS1:MS+0,2 мг/л 2,4-Д+0,2 мг/л кинетина). Ко-культивирование проводили в течение 3 суток в темноте при температуре 22°С.
После ко-культивирования экспланты переносили на среду для индукции канамицинустойчивого каллуса (MS2: MS1+100 мг/л канамицина +500 мг/л цефотаксима). Культивирование проводили при температуре 22 С, освещенности 5 тыс. люкс и световом периоде 16/8 с пассированием на свежую среду аналогичного состава каждые 3-4 недели до начала эмбриогенеза. Хорошо сформировавшиеся эмбриоиды с развивающейся первой листовой пластинкой переносили на бумажные мостики в пробирки с жидкой питательной средой (MS3:MS+100 мг/л канамицина +500 мг/л цефотаксима) для развития растений-регенерантов. Растения с хорошо развитой корневой системой и розеткой листьев пересаживали в закрытый контейнер со стерильным грунтом (смесь мелкой фракции керамзита и вермикулита) и выращивали 3-4 недели, постепенно приоткрывая крышку для адаптации растений к атмосферной влажности. Хорошо адаптированные растения переносили в теплицу и помещали в ванны с керамзитом и автоматической подачей питательного раствора (стандартный раствор Кноппа) при освещенности 20 тыс. люкс и световом периоде 18/6 часов.
Были получены 70 первичных трансформантов, устойчивых к канамицину (100 мг/л). Трансгенная природа исходных растений была подтверждена методом полимеразной цепной реакции, показавшей наличие в растительном геноме полноразмерной встройки химерного гена (фиг.3).
На фиг.3 представлены результаты ПЦР с геномными ДНК 4-х отобранных трансформантов на наличие последовательности химерного гена (электрофореграмма, 1,5% агарозный гель), где: 1 - ДНК нетрансгенного растения; 2 - положительный контроль (pBi121-ESAT6-CFP10-gIFN); 3-6 - ДНК отобранных трансформантов поколения Т0; М - маркер длин фрагментов ДНК (в пн). Наличие амплифицированных фрагментов ДНК, размер которых совпадает с ПНР-фрагментом плазмидной ДНК, содержащей химерный ген, подтверждает присутствие в растительном геноме встройки целевого химерного гена.
Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о том, что сконструированная плазмида pBi121-ESAT6-CFP10-gIFN обеспечивает перенос нуклеотидной последовательности химерного гена cfp10-esat6-gIFN в геномную ДНК растений.
Класс C12N15/00 Получение мутаций или генная инженерия; ДНК или РНК, связанные с генной инженерией, векторы, например плазмиды или их выделение, получение или очистка; использование их хозяев
Класс A61K48/00 Лекарственные препараты, содержащие генетический материал, который включен в клетки живого организма для лечения генетических заболеваний; для генной терапии