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DE4438838C1 - DNA sequences for matrix metal proteases, their preparation and their use - Google Patents

DNA sequences for matrix metal proteases, their preparation and their use

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DE4438838C1
DE4438838C1 DE4438838A DE4438838A DE4438838C1 DE 4438838 C1 DE4438838 C1 DE 4438838C1 DE 4438838 A DE4438838 A DE 4438838A DE 4438838 A DE4438838 A DE 4438838A DE 4438838 C1 DE4438838 C1 DE 4438838C1
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DE
Germany
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mmpm1a
mmpm2
mmpm1b
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base pairs
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DE4438838A
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German (de)
Inventor
Horst Prof Dr Will
Bernd Dr Hinzmann
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Max Delbrueck Centrum fuer Molekulare in der Helmholtz Gemeinschaft
Original Assignee
Max Delbrueck Centrum fuer Molekulare in der Helmholtz Gemeinschaft
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Priority to JP52377995A priority patent/JP3802560B2/en
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    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/14Hydrolases (3)
    • C12N9/48Hydrolases (3) acting on peptide bonds (3.4)
    • C12N9/50Proteinases, e.g. Endopeptidases (3.4.21-3.4.25)
    • C12N9/64Proteinases, e.g. Endopeptidases (3.4.21-3.4.25) derived from animal tissue
    • C12N9/6421Proteinases, e.g. Endopeptidases (3.4.21-3.4.25) derived from animal tissue from mammals
    • C12N9/6489Metalloendopeptidases (3.4.24)
    • C12N9/6491Matrix metalloproteases [MMP's], e.g. interstitial collagenase (3.4.24.7); Stromelysins (3.4.24.17; 3.2.1.22); Matrilysin (3.4.24.23)
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Abstract

DNA sequences for human matrix metalloproteases are disclosed, as well as homologous DNA sequences homologous and derived therefrom. Also disclosed are the proteins and protein variants coded by these DNA sequences, their expression, preparation and use. The invention has applications in the fields of biomolecular, medical and pharmaceutical research, for medical diagnosis and therapy, and in the pharmaceutical and biotechnological industry.

Description

Die Erfindung betrifft DNA-Sequenzen für menschliche Matrix-Metalloproteasen sowie davon abgeleitete und homologe Sequenzen. Sie betrifft ferner die durch die DNA-Sequenzen kodierten Proteine und Proteinvarianten, ihre Expression, Gewinnung und Nutzung. Anwendungsgebiete sind die molekularbiologische, medizinische und pharmazeutische Forschung, die medizinische Diagnostik und Therapie, die pharmazeutische und die biotechnologische Industrie.The invention relates to DNA sequences for human matrix metalloproteases as well as thereof derived and homologous sequences. It also affects those caused by the DNA sequences encoded proteins and protein variants, their expression, extraction and use. Areas of application are molecular biological, medical and pharmaceutical Research, medical diagnostics and therapy, pharmaceutical and biotechnology industry.

Matrix-Metalloproteasen hydrolysieren Proteine der extrazellulären Matrix. Sie verändern die Matrixstruktur und beeinflussen Zell-Matrix-Wechselwirkungen. Zu den Matrix-Me­ talloproteasen gehören Kollagenasen, Gelatinasen, Stromelysine und Metalloelastasen /1/. Die Enzyme sind u. a. an folgenden physiologischen Prozessen beteiligt: Ovulation /2 /, Embryoimplantation in den Uterus /3/, Zellmigrationen und Gewebeumlagerungen während der Embryogenese /4/, Involution von Brustdrüse /5/ und Uterus /6/, Angiogenese /7/. Matrix-Metalloproteasen spielen eine wichtige Rolle in der Wundheilung und Narbenbildung /8/, bei der Metastasierung von Tumorzellen /9, 10/, bei rheumatischer Arthritis und bei Osteoarthritis /11, 12/, bei periodontalen Erkrankungen /13/.Matrix metalloproteases hydrolyze proteins from the extracellular matrix. You change that Matrix structure and affect cell-matrix interactions. To the Matrix-Me talloproteases include collagenases, gelatinases, stromelysins and metalloelastases / 1 /. The enzymes are u. a. involved in the following physiological processes: ovulation / 2 /, Embryo implantation in the uterus / 3 /, cell migration and tissue rearrangement during embryogenesis / 4 /, involution of the mammary gland / 5 / and uterus / 6 /, angiogenesis / 7 /. Matrix metalloproteases play an important role in wound healing and scar formation / 8 /, in the metastasis of tumor cells / 9, 10 /, in rheumatoid arthritis and in Osteoarthritis / 11, 12 /, for periodontal diseases / 13 /.

Alle Matrix-Metalloproteasen enthalten im aktiven Zentrum ein Zn2+-Ion. Die Aktivierung der in Form inaktiver Proenzyme synthetisierten Matrix-Metalloproteasen erfordert die Lösung einer Bindung zwischen dem Zn2+-Ion im aktiven Zentrum und einem Cys-Rest im N-terminalen Propeptid von Matrix-Metalloproteasen (Cystein-Schalter) /14/. Matrix-Me­ talloproteasen bestehen aus mehreren Proteindomänen, die Homologie zueinander aufweisen /1, 14/. Während die Protease Matrilysin nur aus einem Propeptid und der Aminosäuresequenz der katalytischen Domäne besteht, enthalten andere Matrix-Metallo­ proteasen darüberhinaus eine hämopexin-ähnliche Sequenz von ca. 200 Aminosäuren. Die Gelatinasen A und B enthalten zusätzliche Aminosäurefolgen. Bekannte Matrix-Me­ talloproteasen des Menschen, ihre Molekulargewichte und ihre bevorzugten Substrate sind in Tabelle 1 aufgeführt. All matrix metalloproteases contain a Zn 2+ ion in the active center. The activation of the matrix metalloproteases synthesized in the form of inactive proenzymes requires the release of a bond between the Zn 2+ ion in the active center and a Cys residue in the N-terminal propeptide of matrix metalloproteases (cysteine switch) / 14 /. Matrix metal talloproteases consist of several protein domains that have homology to each other / 1, 14 /. While the protease Matrilysin consists of only one propeptide and the amino acid sequence of the catalytic domain, other matrix metalloproteases also contain a hemopexin-like sequence of approx. 200 amino acids. Gelatinases A and B contain additional amino acid sequences. Known human matrix metalloproteases, their molecular weights and their preferred substrates are listed in Table 1.

Die verschiedenen Matrix-Metalloproteasen zeichnen sich nicht nur durch charakteristische makromolekulare Spezifität für Matrixproteine aus. Ihre Aktivität wird auf verschiedenen molekularen und zellulären Ebenen kontrolliert:The different matrix metalloproteases are not only characterized by characteristic ones macromolecular specificity for matrix proteins. Your activity will be on different molecular and cellular levels controlled:

  • 1. Regulation der Synthese von Matrix-Metalloproteasen durch Wachstumsfaktoren, Cytokine, Polypeptidhormone, Prostaglandine, Glukocorticoide, Estrogen, Progesteron und andere Effektoren /1, 14/.1. Regulation of the synthesis of matrix metalloproteases by growth factors, cytokines, Polypeptide hormones, prostaglandins, glucocorticoids, estrogen, progesterone and others Effectors / 1, 14 /.
  • 2. Bindung von Matrix-Metalloproteasen an Membranrezeptoren /15/.2. Binding of matrix metalloproteases to membrane receptors / 15 /.
  • 3. Aktivierung inaktiver Proenzyme durch spezifische Hydrolyse der jeweiligen Propeptide /16/ oder durch Oxydation /17/.3. Activation of inactive proenzymes by specific hydrolysis of the respective propeptides / 16 / or by oxidation / 17 /.
  • 4. Hemmung von Matrix-Metalloproteasen durch spezifische Proteininhibitoren wie TIMP-1, TIMP-2 und TIMP-3 (TIMP = Tissue Inhibitor of Matrix-Metalloproteases) /16/.4. inhibition of matrix metalloproteases by specific protein inhibitors such as TIMP-1, TIMP-2 and TIMP-3 (TIMP = Tissue Inhibitor of Matrix-Metalloproteases) / 16 /.
  • 5. Proteolytischer Abbau von Matrix-Metalloproteasen.5. Proteolytic degradation of matrix metalloproteases.

Matrix-Metalloproteasen werden auf Grund ihrer wichtigen physiologischen Funktionen und ihrer Rolle in der Pathogenese von Krankheiten intensiv untersucht. Es besteht Interesse an der Auffindung und Charakterisierung weiterer Matrix-Metalloproteasen.Matrix metalloproteases are due to their important physiological functions and their role in the pathogenesis of diseases has been intensively studied. There is interest in the Discovery and characterization of further matrix metalloproteases.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, neuartige und bisher nicht bekannte Matrix-Me­ talloproteasen des Menschen für die medizinische Forschung, Diagnostik und Therapie zu erschließen. Die Aufgabe besteht darin, DNA-Sequenzen für Matrix-Metalloproteasen zu identifizieren und zu isolieren, sowie die durch die DNA-Sequenzen kodierten Proteine zu charakterisieren.The aim of the present invention is to develop novel and previously unknown matrix measurements human talloproteases for medical research, diagnostics and therapy open up. The task is to create DNA sequences for matrix metalloproteases identify and isolate, as well as the proteins encoded by the DNA sequences characterize.

Die Erfindung wird gemäß den Ansprüchen 1-13 realisiert.The invention is implemented according to claims 1-13.

Neuartige Matrix-Metalloproteasen werden durch folgendes Verfahren ermittelt:
In Sequenzen bekannter Matrix-Metalloproteasen werden konservierte Aminosäurefolgen ausgewählt. Zwei geeignete Folgen sind Aminosäuren um einen konservierten Cys-Rest im Propeptid (Cystein-Schalter) und Aminosäuren, die an der Zn2+-Bindung im aktiven Zentrum der Enzyme beteiligt sind. Für die ausgewählten Peptide werden degenerierte Oligonukleotide synthetisiert. Mit den Oligonukleotiden und cDNA, welche durch reverse Transkription von mRNA aus Zellen und Geweben erhältlich ist, werden Polymerase-Ketten-Reaktionen (PCR) durchgeführt. Synthetisierte DNA-Fragmente werden kloniert und sequenziert. Die ermittelten Sequenzen werden mit Sequenzen in Gendatenbanken verglichen. PCR-Produkte mit neuartigen, bisher nicht bekannten Nukleotidfolgen und Homologie zu DNA-Sequenzen von Matrix-Metalloproteasen werden als Sonden zur Bestimmung der Genexpression und zur Gewinnung vollständiger cDNA-Sequenzen aus cDNA-Banken genutzt. Die Nukleotidfolgen vollständiger cDNA werden ermittelt. Die Aminosäuresequenzen der zugehörigen Proteine werden durch Translation der kodierenden Nukleotidregionen abgeleitet und nach bekannten Verfahren analysiert.
Novel matrix metalloproteases are determined using the following method:
Conserved amino acid sequences are selected in sequences of known matrix metalloproteases. Two suitable sequences are amino acids around a conserved Cys residue in the propeptide (cysteine switch) and amino acids that are involved in Zn 2+ binding in the active center of the enzymes. Degenerate oligonucleotides are synthesized for the selected peptides. Polymerase chain reactions (PCR) are carried out with the oligonucleotides and cDNA, which can be obtained by reverse transcription of mRNA from cells and tissues. Synthesized DNA fragments are cloned and sequenced. The determined sequences are compared with sequences in gene databases. PCR products with novel, previously unknown nucleotide sequences and homology to DNA sequences from matrix metalloproteases are used as probes for determining gene expression and for obtaining complete cDNA sequences from cDNA banks. The nucleotide sequences of complete cDNA are determined. The amino acid sequences of the associated proteins are derived by translation of the coding nucleotide regions and analyzed by known methods.

Folgende cDNA-Sequenzen wurden ermittelt:The following cDNA sequences were determined:

  • 1. cDNA-Sequenz mmpm1a bestehend aus1. cDNA sequence mmpm1a consisting of
  • - 5′-nichttranslatierter Region: Basenpaare 1 bis 141- 5′-non-translated region: base pairs 1 to 141
  • - kodierender Region: Basenpaare 142 bis 1881- coding region: base pairs 142 to 1881
  • - 3′-nichttranslatierter Region: Basenpaare 1882 bis 3456 (siehe Anlage 1)- 3′-non-translated region: base pairs 1882 to 3456 (see Attachment 1)
  • 2. cDNA-Sequenz mmpm1b bestehend aus2. cDNA sequence mmpm1b consisting of
  • - 5′-nichttranslatierter Region: Basenpaare 1 bis 113- 5′-non-translated region: base pairs 1 to 113
  • - kodierender Region: Basenpaare 114 bis 1862coding region: base pairs 114 to 1862
  • - 3′-nichtranslatierter Region: Basenpaare 1863 bis 3437 (siehe Anlage 2)- 3'-untranslated region: base pairs 1863 to 3437 (see Appendix 2)
  • 3. cDNA-Sequenz mmpm2 bestehend aus3. cDNA sequence mmpm2 consisting of
  • - 5′-nichttranslatierter Region: Basenpaare 1 bis 48- 5′-non-translated region: base pairs 1 to 48
  • - kodierender Region: Basenpaare 49 bis 2058- coding region: base pairs 49 to 2058
  • - 3′-nichttranslatierende Region: Basenpaare 2059 bis 3530 (siehe Anlage 3)- 3′-non-translating region: base pairs 2059 to 3530 (see Appendix 3)

Die Erfindung umfaßt auch Varianten dieser Sequenzen sowie homologe DNA-Sequenzen des Menschen und anderer Säugerspezies, die durch Kreuzhybridisierung mit diesen Sequenzen aufgefunden werden. Zur Erfindung gehören ebenfalls Konstrukte, die aus einem Vektor für den Gentransfer in prokaryotische oder eukaryotische Zellen und einer der erfindungsgemäßen Sequenzen bestehen.The invention also includes variants of these sequences and homologous DNA sequences of the Humans and other mammalian species by cross hybridization with these sequences be found. The invention also includes constructs that consist of a vector for gene transfer into prokaryotic or eukaryotic cells and one of the invention Sequences exist.

Mit Hilfe der Sequenzen mmpm1a, mmpm1b und mmpm2 können verschiedene Aspekte der Biosynthese kodierter Matrix-Metalloproteasen untersucht werden. Es können die Strukturgene einschließlich flankierender Sequenzen ermittelt werden. cDNA-Sequenzen können als molekulare Sonden zur Analyse der Genexpression in Zellen und Geweben verwendet werden.With the help of the sequences mmpm1a, mmpm1b and mmpm2 different aspects of the Biosynthesis of encoded matrix metalloproteases will be investigated. They can Structural genes including flanking sequences can be determined. cDNA sequences can be used as molecular probes to analyze gene expression in cells and tissues be used.

Die cDNA-Sequenzen mmpm1a, mmpm1b und mmpm2 kodieren folgende Aminosäuresequenzen:The cDNA sequences mmpm1a, mmpm1b and mmpm2 encode the following Amino acid sequences:

MMPm1a MMPm1a

MMPm1b MMPm1b

MMPm2 MMPm2

Die Erfindung umfaßt auch Varianten dieser Proteine, die durch posttranslationale Proteinmodifizierung, durch proteinchemische Modifikationen oder durch in vitro Mutagenese und Expression von Nukleotidfolgen erhalten werden sowie homologe Proteine des Menschen und anderer Säugerspezies, die durch immunologische Kreuzreaktivität oder vergleichbare Enzymaktivität identifiziert werden. Zur Erfindung gehören ebenfalls Komplexe dieser Proteine mit einem oder mehreren Liganden.The invention also encompasses variants of these proteins by post-translational Protein modification, by protein chemical modifications or by in vitro mutagenesis and expression of nucleotide sequences and homologous proteins of humans and other mammalian species by immunological cross-reactivity or equivalent Enzyme activity can be identified. The invention also includes complexes of these proteins with one or more ligands.

MMPm1a, MMPm1b und MMPm2 können aus natürlichen Quellen isoliert werden. Die Proteine können auch durch Gentransfer und Expression in prokaryotischen und eukaryotischen Zellen synthetisiert und aus den rekombinanten Zellen gewonnen werden. Die Verfügbarkeit der Proteine MMPm1a, MMPm1b und MMPm2 ermöglicht Untersuchungen ihrer Struktur und Funktion. Es können Methoden der Bestimmung der enzymatischen Aktivität und Spezifität ausgearbeitet werden. Ausgehend von der Primärstruktur der Proteine MMPm1a, MMPm1b und MMPm2 können monoklonale und polyklonale Antikörper hergestellt werden. Die Antikörper können zur diagnostischen Analytik von MMPm1a, MMPm1b und MMPm2 eingesetzt werden. MMPm1a, MMPm1b und MMPm2 können als Teststrukturen für die Auffindung natürlicher und synthetischer Aktivatoren und Inhibitoren von Matrix-Metalloproteasen verwendet werden.MMPm1a, MMPm1b and MMPm2 can be isolated from natural sources. The Proteins can also be generated by gene transfer and expression in prokaryotic and eukaryotic cells are synthesized and obtained from the recombinant cells. The availability of the proteins MMPm1a, MMPm1b and MMPm2 enables Studies of their structure and function. There can be methods of determining the enzymatic activity and specificity are worked out. Starting from the The primary structure of the proteins MMPm1a, MMPm1b and MMPm2 can be monoclonal and polyclonal antibodies are produced. The antibodies can be used for diagnostic analysis of MMPm1a, MMPm1b and MMPm2. MMPm1a, MMPm1b and MMPm2 can be used as test structures for finding natural and synthetic Activators and inhibitors of matrix metalloproteases can be used.

Zur Charakterisierung von mmpm1a, mmpm1b und mmpm2 sowie MMPm1a, MMPM1b und MMPm2 werden folgende weitere Angaben gemacht:
Die DNA-Sequenzen mmpm1a und mmpm1b unterscheiden sich nur in ihren 5′-nichttrans­ latierten Regionen und in den unmittelbar darauffolgenden Teilen ihrer kodierenden Regionen. Beginnend mit den Nukleotiden 363 (mmpm1a) bzw. 344 (mmpm1b) sind beide Sequenzen identisch. In der Sequenz mmpm1a ist ein offener Leserahmen von 580 Codons enthalten. Der Leserahmen beginnt mit den Nukleotiden A₁₄₂TG. Die Umgebung dieser Nukleotide ist für eine effektive Translation jedoch ungünstig. Dagegen befinden sich die im Leserahmen darauffolgenden Nukleotide A₁₅₄TG in einer für einen Translationsstart favorisierten Umgebung. Es ist möglich, daß die Translation von mmpm1a erst bei dem zweiten ATG beginnt. Die Sequenz mmp1b weist beginnend mit A₁₁₄TG einen offenen Leserahmen von 583 Codons aus. Das Startcodon befindet sich innerhalb der Nukleotidfolge ACCATGT, die eine effektive Translation begünstigt.
For the characterization of mmpm1a, mmpm1b and mmpm2 as well as MMPm1a, MMPM1b and MMPm2 the following further details are given:
The DNA sequences mmpm1a and mmpm1b differ only in their 5′-untranslated regions and in the immediately following parts of their coding regions. Starting with nucleotides 363 (mmpm1a) and 344 (mmpm1b), both sequences are identical. The mmpm1a sequence contains an open reading frame of 580 codons. The reading frame begins with the nucleotides A₁₄₂TG. However, the area surrounding these nucleotides is unfavorable for effective translation. In contrast, the following nucleotides A₁₅₄TG in the reading frame are in an environment preferred for a translation start. It is possible that the translation of mmpm1a does not start until the second ATG. The sequence mmp1b has an open reading frame of 583 codons starting with A₁₁₄TG. The start codon is located within the ACCATGT nucleotide sequence, which favors effective translation.

Der Translationsstart von mmpm2 befindet sich bei A₄₉TG. Der offene Leserahmen von mmpm2 enthält 670 Codons.The translation start of mmpm2 is at A₄₉TG. The open reading frame from mmpm2 contains 670 codons.

Die Proteine MMPm1a, MMPm1b und MMPm2, die sich aus den cDNA-Sequenzen mmpm1a, mmpm1b und mmpm2 ableiten, haben berechnete Molekulargewichte von 65 591, 65 900 und 75 813. Die Primärsequenzen von MMPm1a, MMPm1b und MMPm2 sind homolog zu Sequenzen bekannter Matrix-Metalloproteasen. Die drei neuartigen Enzyme enthalten je ein Signalpeptid, eine Prosequenz mit der Cystein-Schalter-Region PRCGVPD und eine Consensus-Sequenz RRKRYA. Es folgen Sequenzen katalytischer Domänen mit der spezifischen Anordnung von drei Histidinresten HELGHALGLEH und hämopexin-homologe Sequenzen. Im Unterschied zu bekannten Matrix-Metalloproteasen enthalten MMPm1a, MMPm1b und MMPm2 darüberhinaus C-terminale Sequenzen mit charakteristischen Folgen hydrophober Aminosäurereste. MMPm1a und MMPm1b weisen die hydrophobe Aminosäurefolge AAAVVLPVLLLLLVLAVGLAV (Aminosäurepositionen 536-556 in MMPm1a, Aminosäurepositionen 539-559 in MMPm1b) auf. Eine analoge Sequenz in MMPm2 ist VVMVLVPLLLLLCVLGLTY (Aminosäurereste 626-645). Die hydrophoben Sequenzen, die noch über die angegebenen Positionen hinausgehen, werden von geladenen Aminosäureresten flankiert. N-terminal überwiegen negativ geladene Glutamin- und Aspartatreste, C-terminal positiv geladenen Arginin- und Lysinreste.The proteins MMPm1a, MMPm1b and MMPm2, which are composed of the cDNA sequences mmpm1a, mmpm1b and mmpm2 derive have calculated molecular weights of 65 591, 65 900 and 75 813. The primary sequences of MMPm1a, MMPm1b and MMPm2 are homologous to Sequences of known matrix metalloproteases. The three novel enzymes each contain one Signal peptide, a prosequence with the cysteine switch region PRCGVPD and one RRKRYA consensus sequence. Sequences of catalytic domains follow with the specific arrangement of three histidine residues HELGHALGLEH and hemopexin homologue Sequences. In contrast to known matrix metalloproteases, MMPm1a contain MMPm1b and MMPm2 also have C-terminal sequences with characteristic sequences hydrophobic amino acid residues. MMPm1a and MMPm1b have the hydrophobic Amino acid sequence AAAVVLPVLLLLLVLAVGLAV (amino acid positions 536-556 in MMPm1a, amino acid positions 539-559 in MMPm1b). An analog sequence in MMPm2 is VVMVLVPLLLLLCVLGLTY (amino acid residues 626-645). The hydrophobic Sequences that go beyond the specified positions are loaded by Flanked by amino acid residues. Negatively charged glutamine and Aspartate residues, C-terminally positively charged arginine and lysine residues.

Die Anwesenheit der hydrophoben Sequenzen in MMPm1a, MMPm1b und MMPm2 erlaubt die Schlußfolgerung, daß MMPm1a, MMPm1b und MMPm2 - im Unterschied zu bekannten löslichen Matrix-Metalloproteasen (Tabelle 2) - membran-assoziierte Enzyme sind. Aus den Primärsequenzen folgt, daß Propeptide, katalytische Domänen und hämopexin-homologe Domänen der Proteasen extrazellulär lokalisiert sind. Die äußersten C-Termini der Proteine sollten sich dagegen im Zytosol MMPm1a-, MMPm1b- bzw. MMPm2-expremierender Zellen befinden.The presence of the hydrophobic sequences in MMPm1a, MMPm1b and MMPm2 allowed the conclusion that MMPm1a, MMPm1b and MMPm2 - in contrast to known ones soluble matrix metalloproteases (Table 2) - are membrane-associated enzymes. From the Primary sequences follow that propeptides, catalytic domains and hemopexin homologous Domains of the proteases are located extracellularly. The outermost C-termini of the proteins cells should express themselves in the cytosol of MMPm1a, MMPm1b or MMPm2 expressing cells are located.

MMPm2 enthält in Unterschied zu MMPm1a und MMPm1b einen potentiellen Glykosylierungsort bei N₁₄₀YT.In contrast to MMPm1a and MMPm1b, MMPm2 contains a potential  Glycosylation site at N₁₄₀YT.

MMPm1a und MMPm1b unterscheiden sich nur in ihren Signal und Prosequenzen. Die unterschiedliche Struktur der Prosequenzen impliziert unterschiedliche Aktivierungs­ mechanismen von MMPm1a und MMPm1b. Da die Prosequenzen im Laufe der Aktivierung von Matrix-Metalloproteasen durch Hydrolyse abgetrennt werden, sollte die Aktivierung von MMPm1a und MMPm1b zu einem identischen aktiven Enzym führen.MMPm1a and MMPm1b differ only in their signal and prosequences. The different structure of the pro sequences implies different activation mechanisms of MMPm1a and MMPm1b. As the pro sequences in the course of activation are separated from matrix metalloproteases by hydrolysis, the activation of MMPm1a and MMPm1b lead to an identical active enzyme.

Northern-Blot-Analysen von mRNA menschlicher Gewebe belegen eine unterschiedliche Expression von MMPm1 und MMPm2. Matrix-Metalloproteasen vom Typ MMPm1 werden vor allem in Lungen-, Plazenta- Nieren-, Ovar-, Prostata-, Dünndarm-, Milz-, Thymus-, und Testisgewebe expremiert. Ihre Expression ist in Herz- und Pankreasgewebe deutlich geringer, in Hirn, Leber und Skelettmuskulatur kaum nachweisbar. MMPm2 wird in Plazenta, Herz, Leber, Skelettmuskel, Niere, Pankreas, Lunge, Testis, Colon und Dünndarm expremiert.Northern blot analyzes of human tissue mRNA show a different Expression of MMPm1 and MMPm2. MMPm1 type matrix metalloproteases especially in lung, placenta, kidney, ovary, prostate, small intestine, spleen, thymus, and Testis tissue expressed. Their expression is significantly lower in heart and pancreatic tissue, hardly detectable in the brain, liver and skeletal muscles. MMPm2 is in placenta, heart, Liver, skeletal muscle, kidney, pancreas, lungs, testis, colon and small intestine expressed.

Zusammenfassend wird festgestellt, daß die Erfindung neuartige, bisher nicht bekannte Matrix-Me­ talloproteasen des Menschen zur Verfügung stellt. Die Kenntnis von cDNA und Proteinsequenzen der Matrix-Metalloproteasen gestattet die weitere Untersuchung von Biosynthese, Struktur und Funktion der Enzyme. Durch Analyse der Gensequenzen können vererbte und erworbene Mutationen aufgefunden werden. Die Bestimmung von Konzentration und Aktivität der Matrix-Metalloproteasen in Zellen, Geweben und Körperausscheidungen ermöglicht diagnostische Aussagen. Die Enzyme können vorteilhaft als Teststrukturen zur Auffindung neuer Pharmaka, darunter Aktivatoren und Inhibitoren von Matrix-Metalloproteasen verwendet werden.In summary, it is found that the invention is novel, previously unknown Matrix-Me human talloproteases. Knowledge of cDNA and Protein sequences of the matrix metalloproteases allow further investigation of Biosynthesis, structure and function of the enzymes. By analyzing the gene sequences you can inherited and acquired mutations can be found. The determination of concentration and activity of the matrix metalloproteases in cells, tissues and body waste enables diagnostic statements. The enzymes can advantageously be used as test structures for Discovery of new drugs, including activators and inhibitors of Matrix metalloproteases can be used.

Die Erfindung wird durch folgende Anwendungsbeispiele weiter erläutert:The invention is further illustrated by the following application examples:

1. Identifizierung neuartiger DNA-Sequenzen für Matrix-Metalloproteasen1. Identification of novel DNA sequences for matrix metalloproteases

Zur Auffindung von cDNA-Sequenzen, die für Matrix-Metalloproteasen kodieren, wurde mRNA aus menschlichen Zellen und Tumorgeweben, darunter Neuroblastomzellen, Nierenkarzinom- und Osteosarkomgeweben, isoliert. Die mRNA wurde mit reverser Transkriptase in cDNA umgeschrieben.To find cDNA sequences that code for matrix metalloproteases, was mRNA from human cells and tumor tissues, including neuroblastoma cells, Renal carcinoma and osteosarcoma tissues isolated. The mRNA was reversed Transcriptase rewritten in cDNA.

In den Proteinsequenzen bekannter Matrix-Metalloproteasen wurden zwei konservierte Aminosäurefolgen ausgewählt.Two were conserved in the protein sequences of known matrix metalloproteases Selected amino acid sequences.

  • 1. Eine Sequenz um einen charakteristischen Cys-Rest in Propeptiden von Matrix-Metalloproteasen (Cystein-Schalter):
    P - R - C - G - V/N - P - D
    1. A sequence around a characteristic Cys residue in propeptides of matrix metalloproteases (cysteine switch):
    P - R - C - G - V / N - P - D
  • 2. Eine Sequenz mit drei His-Resten in der katalytischen Proteindomäne von Matrix-Metalloproteasen (Zn2+-Bindungsregion):
    H - E - L/I/F - G - H - S/V/A - L/M - G
    2. A sequence with three His residues in the catalytic protein domain of matrix metalloproteases (Zn 2+ binding region):
    H - E - L / I / F - G - H - S / V / A - L / M - G

Entsprechend den Aminosäurefolgen wurden degenerierte Oligonukleotid-Primer, die sowohl die Variation der Aminosäuren in den beiden konservierten Sequenzen, als auch die Degeneration des genetischen Codes berücksichtigen, synthetisiert:According to the amino acid sequences, degenerate oligonucleotide primers, both the variation of the amino acids in the two conserved sequences, as well as the Consider degeneration of the genetic code, synthesized:

1. Propeptid-Primer 1. Propeptide primer

2. Zn-Bindungsregion-Primer 2. Zn binding region primer

Beide Primer enthalten je vier Deoxyinosinnukleotide sowie zusätzliche Nukleotide für Erkennungsorte der Restriktionsendonukleasen XbaI (Propeptid-Primer) und BamHI (Zn2+-Bindungsregion-Primer).Both primers each contain four deoxyinosine nucleotides and additional nucleotides for the recognition sites of the restriction endonucleases XbaI (propeptide primer) and BamHI (Zn 2+ binding region primer).

Die degenerierten Primer wurden zusammen mit cDNA in der PCR eingesetzt. The degenerate primers were used in the PCR together with cDNA.  

Das Reaktionsgemisch enthielt:The reaction mixture contained:

100 ng cDNA
1 µg Propeptid-Primer
1 µg Zn2+-Bindungsregion-Primer
2,5 E/100 µl DNA Polymerase AmpliTaq
100 µM dNTP
0,01% Gelatine
50 mM KCl
1,5 mM MgCl₂
10 mM Tris-HCl, pH 8,3
100ng cDNA
1 µg propeptide primer
1 µg Zn 2+ binding region primer
2.5 U / 100 µl DNA polymerase AmpliTaq
100 µM dNTP
0.01% gelatin
50 mM KCl
1.5 mM MgCl₂
10 mM Tris-HCl, pH 8.3

Es wurden 30 Reaktionszyklen der Folge 50 sec 94°, 1 min 56°, 2 min 72° durchgeführt. Die amplifizierte DNA wurde mit Phenol/Chloroform extrahiert und anschließend mit den Restriktionsenzymen XbaI und BamHI gespalten. DNA-Fragmente der Größe 350-500 Basenpaare wurden durch Agarose-Gel-Elektrophorese isoliert (Abb. 1) und in dem Plasmid pBluescript SK (Stratagene) kloniert. Einzelne Klone wurden mit T3- und T7-Primern und Sequenase 2.0 (USB/Amersham Life Science) sequenziert. Die erhaltenen Sequenzen wurden mit DNA-Sequenzen in den Datenbanken Genbank und EMBL verglichen. Der Sequenzvergleich erfolgte mit dem Programm FASTA des Programmpaketes HUSAR (GCG Package, Copyright Genetics Computer Group, Inc.). Ausgehend von Nierenkarzinom-cDNA wurden z. B. mehrere hundert Klone mit amplifizierter DNA erhalten, von denen 50 sequenziert wurden. Die Auswertung ergab sowohl bekannte als auch neuartige DNA-Sequenzen. Unter den ersteren waren Sequenzen für menschliche interstitielle Kollagenase und für Matrilysin. Unter den letzteren waren zwei Sequenzen mit Homologie zu menschlichen Matrix-Metalloproteasen. Die zwei neuartigen Sequenzen, die PCRmmpm1 und PCRmmpm2 bezeichnet wurden, enthielten folgende Nukleotide:30 reaction cycles of the sequence 50 sec 94 °, 1 min 56 °, 2 min 72 ° were carried out. The amplified DNA was extracted with phenol / chloroform and then cleaved with the restriction enzymes XbaI and BamHI. DNA fragments of the size 350-500 base pairs were isolated by agarose gel electrophoresis ( FIG. 1) and cloned in the plasmid pBluescript SK (Stratagene). Individual clones were sequenced with T3 and T7 primers and Sequenase 2.0 (USB / Amersham Life Science). The sequences obtained were compared with DNA sequences in the Genbank and EMBL databases. The sequence comparison was carried out using the FASTA program of the HUSAR program package (GCG Package, Copyright Genetics Computer Group, Inc.). Starting from renal carcinoma cDNA z. B. several hundred clones with amplified DNA obtained, 50 of which were sequenced. The evaluation revealed both known and novel DNA sequences. Among the former were sequences for human interstitial collagenase and for matrilysin. Among the latter were two sequences with homology to human matrix metalloproteases. The two new sequences, designated PCRmmpm1 and PCRmmpm2, contained the following nucleotides:

PCRmmpm1 PCRmmpm1

PCRmmpm2 PCRmmpm2

2. Northern-Blot-Analyse2. Northern blot analysis

Die Expression von Matrix-Metalloproteasen in menschlichen Geweben wurde mit Hilfe der Fragmente PCRmmpm1 und PCRmmpm2 untersucht. Die Fragmente wurden radioaktiv markiert (Multiprime DNA-Labeling Kit, Amersham Life Science) und mit mRNA auf Nylon (Multiple Tissue Blot, Clontech) hybridisiert. Die Hybridisierungen und anschließenden Waschungen erfolgten unter Standardbedingungen /18/.The expression of matrix metalloproteases in human tissues was determined using the Fragments PCRmmpm1 and PCRmmpm2 examined. The fragments became radioactive labeled (Multiprime DNA Labeling Kit, Amersham Life Science) and with mRNA on nylon (Multiple Tissue Blot, Clontech) hybridized. The hybridizations and subsequent Washes were carried out under standard conditions / 18 /.

Sowohl PCRmmpm1 als auch PCRmmpm2 hybridisieren mit RNA von ca. 3,6 kb. Die Experimente belegten jedoch eine unterschiedliche Expression der mit PCRmmpm1 und PCRmmpm2 hybridisierenden mRNA (Abb. 2). Spezifische Transkripte, die mit PCRmmpm1 hybridisieren, sind insbesondere in Lungen-, Plazenta-, Nieren- und Nierenkarzinomgewebe (nicht dargestellt) enthalten. Sie sind in Pankreas- und Herzgewebe in deutlich geringer Menge, in Leber, Skelettmuskulatur und Hirn kaum vertreten.Both PCRmmpm1 and PCRmmpm2 hybridize with RNA of approximately 3.6 kb. However, the experiments demonstrated a different expression of the mRNA hybridizing with PCRmmpm1 and PCRmmpm2 ( Fig. 2). Specific transcripts that hybridize with PCRmmpm1 are particularly found in lung, placenta, kidney and kidney carcinoma tissues (not shown). They are present in a significantly small amount in pancreas and heart tissue, in the liver, skeletal muscles and brain.

Messenger RNA, die mit PCRmmpm2 hybridisiert, wird insbesondere in Plazentagewebe synthetisiert. Ihre Expression in Herz, Leber, Skelettmuskel, Niere, Pankreas und Lunge ist jedoch vergleichbar. Sie ist in Hirngewebe deutlich geringer.Messenger RNA that hybridizes with PCRmmpm2 is particularly found in placental tissue synthesized. Their expression is in the heart, liver, skeletal muscle, kidney, pancreas and lungs  however comparable. It is significantly lower in brain tissue.

3. Isolierung und Sequenzierung von cDNA mmpm1 und mmpm23. Isolation and sequencing of cDNA mmpm1 and mmpm2

Eine Lungen-cDNA-Bank im Vektor λgt 11 (Clontech) wurde mittels Phagentransfer auf Nylon und Hybridisierung mit den radioaktiv markierten Sonden PCRmmpm1 und PCRmmpm2 analysiert /18/. Die Hybridisierungen wurden 16 h bei 40° in 50% Formamid, 5 × SSPE, 5 × Denhardt, 0,5% SDS, 50 µg/ml denaturierte Heringssperma-DNA durchgeführt. Nach der Hybridisierung wurden die Filter bei Raumtemperatur und bei 65° in 2 × SSC, 0,1% SDS gewaschen und anschließend in einem Bio-Imaging-Analyzer (BAS 2000, Fuji Photo Film Co, LTD) ausgewertet. Phagenklone, die mit PCRmmpm1 und PCRmmpm2 hybridisierten, wurden anhand spezifisch gebundener Radioaktivität identifiziert. Die aufgefundenen Phagen wurden durch Ausverdünnen schrittweise vereinzelt. Die DNA vereinzelter Phagen wurde isoliert (Quiagen Lambda Kit, Diagen GmbH) und enthaltene cDNA-Inserte wurden in den Plasmidvektor pBluescript SK (Stratagene) eingefügt. Die Inserte wurden anschließend in Teilfragmente zerlegt (Erase-a-Base-System, Promega) und sequenziert (Sequenase 2.0, USB/Amersham Life Science). Ermittelte DNA-Sequenzen wurden mit Hilfe der Programmpakete DNA-STAR (DNA-STAR. Inc) und HUSAR (GCG Package, Copyright Genetics Computer Group, Inc) analysiert. Die Translation der kodierenden Sequenzen und der Vergleich der erhaltenen Aminosäuresequenzen mit bekannten Matrix-Metalloproteasen belegte, daß die neuartigen Sequenzen zu der Familie der Matrix-Metalloproteasen gehören (Abb. 3). A lung cDNA library in the vector λgt 11 (Clontech) was analyzed by phage transfer to nylon and hybridization with the radioactively labeled probes PCRmmpm1 and PCRmmpm2 / 18 /. The hybridizations were carried out for 16 h at 40 ° in 50% formamide, 5 × SSPE, 5 × Denhardt, 0.5% SDS, 50 μg / ml denatured herring sperm DNA. After the hybridization, the filters were washed at room temperature and at 65 ° in 2 × SSC, 0.1% SDS and then evaluated in a bio-imaging analyzer (BAS 2000, Fuji Photo Film Co, LTD). Phage clones that hybridized with PCRmmpm1 and PCRmmpm2 were identified using specifically bound radioactivity. The phages found were gradually separated by dilution. The DNA of individual phages was isolated (Quiagen Lambda Kit, Diagen GmbH) and the cDNA inserts contained were inserted into the plasmid vector pBluescript SK (Stratagene). The inserts were then broken down into partial fragments (Erase-a-Base system, Promega) and sequenced (Sequenase 2.0, USB / Amersham Life Science). Determined DNA sequences were analyzed with the aid of the program packages DNA-STAR (DNA-STAR. Inc) and HUSAR (GCG Package, Copyright Genetics Computer Group, Inc). The translation of the coding sequences and the comparison of the amino acid sequences obtained with known matrix metalloproteases showed that the novel sequences belong to the family of matrix metalloproteases ( Fig. 3).

TABELLEN UND ABBILDUNGENTABLES AND FIGURES Tabelle 1Table 1

Matrix-Metalloproteasen des Menschen. Die angegebenen Molekulargewichte sind aus den cDNA-Sequenzen der Enzyme berechnet.Human matrix metalloproteases. The molecular weights given are from the cDNA sequences of the enzymes calculated.

Abb. 1:
Agarose-Gel-Elektrophorese von PCR-Produkten, die mit degenerierten Primern für Matrix-Me­ talloproteasen und cDNA der menschlichen Neuroblastomzellinie SK-N-SH (Bahn 1), cDNA von Nierenkarzinomgewebe (Bahn 2) und cDNA von Osteosarkomgewebe (Bahn 3) erhalten wurden.
Fig. 1:
Agarose gel electrophoresis of PCR products obtained with degenerate primers for matrix metal talloproteases and cDNA of the human neuroblastoma cell line SK-N-SH (lane 1), cDNA from renal carcinoma tissue (lane 2) and cDNA from osteosarcoma tissue (lane 3) were.

Abb. 2:
Northern-Blot-Analyse von mRNA für MMPm1 (oben) und MMPm2 (unten)
Fig. 2:
Northern blot analysis of mRNA for MMPm1 (top) and MMPm2 (bottom)

Abb. 3:
Homologievergleich von MMPm1a, MMPm1b und MMPm2 mit bekannten Matrix-Metall­ oproteasen des Menschen. Der Vergleich wurde mit dem Programm CLUSTAL durchgeführt. Die Abkürzungen bedeuten: hscollr. pep - Interstitielle Kollagenase, hsclgna.pep - Neutrophile Kollagenase, P08253.swisspro - Gelatinase A, hs4cola.pep - Gelatinase B, hsmmp3a.pep - Stromelysin 1, hsstrom2.pep - Stromelysin 2, hsstro13.pep - Stromelysin 3.
Fig. 3:
Homology comparison of MMPm1a, MMPm1b and MMPm2 with known matrix metal oproteases in humans. The comparison was carried out with the CLUSTAL program. The abbreviations mean: hscollr. pep - Interstitial collagenase, hsclgna.pep - Neutrophil collagenase, P08253.swisspro - Gelatinase A, hs4cola.pep - Gelatinase B, hsmmp3a.pep - Stromelysin 1, hsstrom2.pep - Stromelysin 2, hsstro13.pep - Stromelysin

Literaturliterature

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Tabelle 1 Table 1

Matrix-Metalloproteasen Matrix metalloproteases

Claims (16)

1. DNA-Sequenzen mmpm1a, mmpm1b, mmpm2 und davon abgeleitete Aminosäuresequenzen für menschliche Matrix-Metalloproteasen, dadurch gekennzeichnet, daß die cDNA-Sequenz mmpm1a (Anlage 1) aus
  • - 5′-nichuranslatierter Region: Basenpaare 1 bis 141
  • - kodierender Region für die Matrix-Metalloprotease MMPm1a: Basenpaare 142 bis 1881
  • - 3′-nichttranslatierter Region: Basenpaare 1882 bis 3456
1. DNA sequences mmpm1a, mmpm1b, mmpm2 and amino acid sequences derived therefrom for human matrix metalloproteases, characterized in that the cDNA sequence mmpm1a (Appendix 1) from
  • - 5′-nichuran-translated region: base pairs 1 to 141
  • coding region for the matrix metalloprotease MMPm1a: base pairs 142 to 1881
  • - 3′-non-translated region: base pairs 1882 to 3456
besteht,
die cDNA-Sequenz mmpm1b (Anlage 2) aus
  • - 5′-nichttranslatierter Region: Basenpaare 1 bis 113
  • - kodierender Region für die Matrix-Metalloprotease MMPm1b: Basenpaare 114 bis 1862
  • - 3′-nichttranslatierter Region: Basenpaare 1863 bis 3437
consists,
the cDNA sequence mmpm1b (Appendix 2)
  • - 5′-non-translated region: base pairs 1 to 113
  • coding region for the matrix metalloprotease MMPm1b: base pairs 114 to 1862
  • - 3′-non-translated region: base pairs 1863 to 3437
besteht und
die cDNA-Sequenz mmpm2 (Anlage 3) aus
  • - 5′-nichttranslatierter Region: Basenpaare 1 bis 48
  • - kodierender Region für die Matrix-Metalloprotease MMPm2: Basenpaare 49 bis 2058
  • - 3′- nichttranslatierter Region: Basenpaare 2059 bis 3530
exists and
the cDNA sequence mmpm2 (Appendix 3)
  • - 5′-non-translated region: base pairs 1 to 48
  • coding region for the matrix metalloprotease MMPm2: base pairs 49 to 2058
  • - 3′- non-translated region: base pairs 2059 to 3530
besteht, wobei die Anlagen 1, 2 und 3 Bestandteile dieses Anspruchs sind.consists, the annexes 1, 2 and 3 components of this Are demanding. 2. DNA-Sequenzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese in Genen des Menschen sowie homologen Genen anderer Säugerspezies enthalten sind.2. DNA sequences according to claim 1, characterized in that these in Human genes as well as homologous Genes from other mammalian species are included. 3. Varianten der Sequenzen mmpm1a, mmpm1b und mmpm2, sowie homologe DNA-Sequenzen des Menschen und anderer Säugerspezies, die durch Kreuzhybridisierung mit den in dem Anspruch 1 aufgeführten Sequenzen erhalten werden.3. Variants of the sequences mmpm1a, mmpm1b and mmpm2, as well as homologous DNA sequences of humans and other mammalian species, which by cross-hybridization with the in the sequences listed in claim 1 are obtained. 4. Konstrukte, die aus einem Vektor für den Gentransfer in prokaryotische oder eukaryotische Zellen und einer der Nukleotidsequenzen gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 bestehen. 4. Constructs made from a vector for gene transfer to prokaryotic or eukaryotic Cells and one of the nucleotide sequences according to claims 1 to 3 exist.   5. Die Matrix-Metalloprotease MMPm1a folgender Primärstruktur: 5. The matrix metalloprotease MMPm1a of the following primary structure: 6. Die Matrix-Metalloprotease MMPm1b folgender Primärstruktur: 6. The matrix metalloprotease MMPm1b of the following primary structure: 7. Die Matrix-Metalloprotease MMPm2 folgender Primärstruktur: 7. The matrix metalloprotease MMPm2 of the following primary structure: 8. Varianten der Proteine MMPm1a, MMPm1b und MMPm2 gemäß den Ansprüchen 5-7, die durch posttranslationale Proteinmodifizierung, durch proteinchemische Modifikationen oder durch in vitro Mutagenese und Expression von Nukleotidfolgen nach Ansprüchen 1 und 2 erhalten werden, sowie homologe Proteine des Menschen und anderer Säugerspezies, die immunologische Kreuzreaktivität oder vergleichbare Enzymaktivität aufweisen. 8. Variants of the proteins MMPm1a, MMPm1b and MMPm2 according to claims 5-7, through post-translational protein modification, through protein chemical modifications or by in vitro mutagenesis and expression of nucleotide sequences according to claims 1 and 2 are obtained, as well as homologous proteins of humans and other mammalian species that have immunological cross-reactivity or comparable enzyme activity.   9. Proteine nach den Ansprüchen 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß diese mit einem oder mehreren Liganden als Komplex vorliegen.9. Proteins according to claims 5-8, characterized in that these with one or several ligands are present as a complex. 10. Rekombinante prokaryotische und eukaryotische Zellen, die durch Transfer von DNA-Sequenzen gemäß Ansprüchen 1 bis 3 in Zellen erhalten werden und die Proteine gemäß den Ansprüchen 5-8 expremieren.10. Recombinant prokaryotic and eukaryotic cells generated by transfer of DNA sequences according to claims 1 to 3 are obtained in cells and the proteins according to the Express claims 5-8. 11. Verfahren der Gewinnung der Proteine MMPm1a, MMPm1b, MMPm2 und von Varianten dieser Proteine aus natürlichen Quellen und aus rekombinanten Zellen gemäß Anspruch 10 bzw. aus Kulturüberständen rekombinanter Zellen gemäß Anspruch 10.11. Method of obtaining the proteins MMPm1a, MMPm1b, MMPm2 and variants said proteins from natural sources and from recombinant cells according to claim 10 or from culture supernatants of recombinant cells according to claim 10. 12. Verwendung von Matrix-Metalloproteasen MMPm1a, MMPm1b und MMPm2 gemäß Ansprüchen 5-8 und von Zellen, die diese Enzyme expremieren, zur Generierung proteolytischer Aktivität.12. Use of matrix metalloproteases MMPm1a, MMPm1b and MMPm2 according to Claims 5-8 and of cells that express these enzymes for generation proteolytic activity. 13. Verwendung von Matrix-Metalloproteasen MMPm1a, MMPm1b, MMPm2 gemäß Ansprüchen 5-8 und von Zellen, die MMPm1a, MMPm1b und MMPm2 expremieren, zum Screening von Protease-Effektoren.13. Use of matrix metalloproteases MMPm1a, MMPm1b, MMPm2 according to Claims 5-8 and of cells expressing MMPm1a, MMPm1b and MMPm2 to Screening protease effectors.
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