GEN QUIMÉRICO QUE UTILIZA EL GEN O CDNA DE LA INSULINA, EN ESPECIAL PARA TERAPIA GENICA DE LA DIABETES.
La presente invención se refiere en primer lugar a un gen quimérico que utiliza el gen o cDNA (ADN comple¬ mentario) de la insulina dirigido por un promotor o fusión de promotores.
Más concretamente se refiere al diseño de un gen quimérico formado por la fusión del promotor de la P- enolpiruvato carboxiquinasa al gen estructural de la insulina humana, que permite la producción de insulina humana, de manera fisiológicamente regulada, en un tejido diferente del páncreas.
La invención se refiere también a otros objetos que se describen más adelante.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los pacientes afectados de diabetes mellitus dependiente de insulina (IDDM) (tipo I) dependen dramáti¬ camente de la administración de la hormona. La interrup¬ ción de la administración de insulina provoca primero hiperglucemia y cetoacidosis , posteriormente coma y final¬ mente muerte si la hormona no es inyectada. Por tanto, la vida y la calidad de vida de estos pacientes depende completamente de las fluctuaciones de sus niveles de insulina en sangre.
La terapia géπica consiste en la transferencia de material genético en células de un paciente a fin de tratar una enfermeda. Actualmente se están desarrollando diferentes aproximaciones de terapia génica, basadas en la introducción de genes directamente en animales o en célu¬ las -que posteriormente son trasplantadas.
Sin embargo, la meta más importante no es conse¬ guir trasplantar con éxito células que expresen el gen en un animal, sino conseguir que el gen se exprese de manera regulada y fisiológica. La elección de un buen promotor que dirija la expresión del gen adecuado es crucial a fin de obtener niveles plasmáticos adecuados de la correspon¬ diente proteína.
En el caso de la diabetes se trata de elegir el promotor que dirija la expresión del gen para obtener niveles plasmáticos de insulina adecuados a cada circuns¬ tancia en que se encuentre el individuo. La sobreexpresión del gen de la insulina provocaría hipoglucemia y una expresión baja de dicho gen no modificaría los niveles de glucosa elevados en el proceso diabético.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La invención tiene por objeto un gen quimérico que utiliza el gen o cDNA (ADN complementario) de la insulina dirigido por un promotor o fusión de promotores, preferentemente regulables y activados por el proceso diabético.
Preferentemente, la invención tiene por objeto un gen quimérico que se obtiene por la fusión del gen de la insulina humana al promotor de la P-enolpiruvato carboxi- quinasa (PEPCK) .
La P-enolpiruvato carboxiquinasa es un enzima clave en el control de la vía gluconeogénica, y se encuen¬ tra principalmente en el hígado, riñon, yeyuno y tejido adiposo. La actividad de este enzima se regula a nivel de la expresión de su gen (Hanson, R.W., et al. (1976) Gluco- neogenesis : I ts Regulation in mammalian Species. John Wiley & Sons, Inc., New York). La expresión del gen de la PEPCK
se encuentra finamente regulada por hormonas. En el frag¬ mento del promotor de la PEPCK utilizado (-550 pb a +73 pb) se han descrito secuencias que responden a AMPc, a glucocorticoides y a insulina ( ynshaw-Boris, A. et al (1984) J. Biol. Chem. 259, 12161-12169; Wynshaw-Boris, A. et al. (1986) J. Biol. Chem. 261, 9714-9720; Short, J.M. et al. (1986) J. Biol. Chem. 261, 9721-9726; O'Brien R.M., et al. (1990) Science 249, 533-537). El glucagón actuando vía AMPc, y los glucocorticoides activan la expresión del gen, mientras que la insulina inhibe dicha expresión. En animales diabéticos, la expresión del gen de la PEPCK está incrementada debido al aumento de los nive¬ les plasmáticos de glucagón y al descenso en los niveles de insulina (Tilghman, S.M., et al. (1974) Proc. Nati. Acad. Sci. USA 71, 1304-1308; Hopgood, M.F., et al (1973) Biochem. J. 134, 445-453; Kioussis, D., et al. (1978) J. Biol. Chem. 253, 4327-4332). Este fragmento del promotor de la PEPCK es capaz de dirigir la expresión del gen de la hormona de crecimiento bovino de manera regulada y especí- fica de tejido en animales transgénicos (McGrane, M.M., et al (1988) J. Biol. Chem. 263, 11443-11451; Short, M.K., et al. (1992) Mol. Cell. Biol. 12, 1007-1020; Eisenberger, C.L. (1992) Mol. Cell. Biol. 12, 1396-1403).
Por tanto, al fusionar este promotor de la PEPCK al gen de la insulina humana se producirá insulina en los tejidos donde se expresa el promotor de la PEPCK. En un animal diabético, se transcribirá el gen quimérico, pero, cuando ya se haya sintetizado suficiente, la propia insu¬ lina inhibirá el promotor de la PEPCK que dirige su expre- sión.
La invención tiene, pues, por objeto la creación de un gen quimérico PEPCK/insulina. En este gen quimérico, el fragmento correspondiente al gen de la insulina conser-
va 170 pb de la zona flanqueante 5' . El gen quimérico PEPCK/insulina contiene dos inicios de transcripción, uno correspondiente al promotor de la insulina, y el otro al promotor de la PEPCK. Se trata en realidad de un promotor quimérico, al que la parte del promotor de la PEPCK le confiere especi¬ ficidad de tejido (principalmente hígado, riñon, yeyuno y adiposo). Este gen quimérico se ha introducido en células de hepato a en cultivo y en hepatocitos en cultivo prima- rio mediante transfección transitoria, observándose que aparecía en estas células mRNA específico de insulina en hígado e insulina inmunoreactiva en el medio de cultivo.
La invención tiene también por objeto un procedi¬ miento de fusión de promotores o elementos reguladores de genes que permitan expresar la insulina en tipos celulares distintos de las células β del páncreas. En el gen quimé¬ rico, la parte del promotor de la PEPCK le confiere espe¬ cificidad de tejido (principalmente hígado, riñ-ón, yeyuno y adiposo) . Esta invención también tiene por objeto un vector de expresión que permite expresar insulina en células diferentes de las células β del páncreas, más particular¬ mente, un vector plasmídico pPCK/Ins y un vector retroví- rico vPCK/Ins. Estos vectores permiten la expresión del gen quimérico en células. También pueden utilizarse otros vectores de expresión virales (adenovirus, herpes virus, papilonavirus , etc.) o no virales.
Se han utilizado para infectar diferentes tipos de células en cultivo primario y líneas celulares estable- cidas (hepatoma, fibroblastos, mioblastos, preadipocitos ) . Las líneas celulares infectadas expresan insulina humana de manera predecible.
La invención tiene por objeto, además, un animal transgénico que expresa el gen quimérico descrito ante¬ riormente, así como un tipo celular originado a partir de este animal transgénico. En el laboratorio se han obtenido ratones trans- génicos mediante la técnica de microinyección del gen quimérico a óvulos fecundados de ratón antes de la fusión de los dos pronúcleos femenino y masculino. Los animales obtenidos resultaron estar sanos y normoglucémicos , indi- cando que existe un buen control en la regulación del gen quimérico.
Otro objeto de la invención es el cromosoma del animal transgenico que contiene el gen quiméri "' anterior¬ mente descrito. Finalmente la invención tiene por objeto un gen quimérico del tipo descrito anteriormente, para la utili¬ zación en la terapia génica de la diabetes, más concreta¬ mente, para la utilización en la terapia génica de la diabetes en tejidos diferentes del páncreas en mamíferos , particularmente, en la especie humana.
También se refiere a un animal transgénico del tipo descrito para su utilización en el desarrollo de protocolos de terapia génica.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para mejor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos referidos a ejemplos de realiza¬ ción. En dichos dibujos, la figura 1 representa la construcción del gen quimérico PEPCK/Insulina a partir del plásmido pB7.0 y del gen de la insulina humana; la figura 2 representa la estructura del gen quimérico PEPCK/insuli-
na; y la figura 3 representa el proceso de obtención del vector retrovírico vPCK/Ins a partir del plásmido pPCK/- Ins .
EJEMPLOS DE REALIZACIÓN
Para la construcción del gen quimérico PEPCK/in- sulina (Fig. 1) se partió del plásmido pB7.0 que contiene el gen completo de la PEPCK. La zona 5* flanqueante de este gen se obtuvo mediante digestión con los enzimas Xbal y BglII (fragmento -460 pb a +73 pb). A continuación, se subclonó este fragmento en el polylinker del plásmido pTZ18. Para ello se digirió este plásmido con Xbal y BglII y se ligó posteriormente el fragmento del promotor, a estas dianas. De esta manera se había subclonado el promo¬ tor de la PEPCK en pTZ18 y aún quedaban otras dianas en el polylinker que podían ser utilizadas posteriormente. A continuación se procedió a introducir el gen de la insuli¬ na humana. En este caso, se cortó el gen completo de la insulina con BglII y Sphl y se obtuvo el fragmento -170 pb a +1561 pb (Bell, I.B., et al (1980) Nature 284, 26-32). El plásmido pTZ18, que contenía el promotor de la PEPCK, se digirió con BglII, diana situada al final del promotor (extremo 3'), y con Sphl, diana situada en el polylinker. Este plásmido linearizado se ligó con el fragmento BglII/- Sphl del gen de las insulina, y se obtuvo el gen quimérico PEPCK/insulina , subclonado en pTZ18 (Fig. 1). Este plásmi¬ do se nombró pPCK/Ins.
En la Fig. 2 se presenta, con detalle, la estruc- tura del gen quimérico PEPCK/insulina. El promotor de la PEPCK (fragmento -460 pb a +73 pb) está fusionado a la zona 5* flanqueante del gen de la insulina humana (-170 pb a +1). Este fragmento del promotor de la insulina contiene
los elementos que reconoce la maquinaria general de trans¬ cripción y un elemento de respuesta a AMPc (que induce la expresión del gen). Por tanto, en la región 5* flanqueante del gen quimérico se encontraban dos TATA box y dos ini- cios de la transcripción, uno al final del promotor de la PEPCK y otro al final del promotor de la insulina. El gen de la insulina humana contiene tres exones (dos codifican¬ tes, El y E2) y dos intrones (A y B). En posición 5' respecto al intrón A se encuentra el "cap site" y en 3' del último exón se encuentra la zona de polyadenilación (Fig. 2).
Este gen quimérico se ha introducido en células de hepatoma en cultivo y en hepatocitos en cultivo prima¬ rio mediante transfección transitoria del plásmido pPCK/I- ns , observándose que aparecía en estas células mRNA espe¬ cífico de insulina, e insulina inmunoreactiva en el medio de cultivo.
Una vez comprobado que el gen quimérico PEPCK/In- sulina se expresaba de manera predecible procedimos a la obtención de un vector retrovírico que contuviera el gen quimérico, y que, a su vez, se expresara de manera regula¬ da y controlable por el propio producto de expresión, la insulina. Este es un requisito imprescindible para la elaboración de un vector de utilidad en terapia génica. Tal como se esquematiza en la figura 3, para la construcción del vector retrovírico se subclonó el frag¬ mento EcoRI-HindI11 del plásmido pPCK/Ins, que contiene el gen quimérico PEPCK/insulina completo, al plásmido pl2N. Posteriormente se obtuvo el fragmento Clal del pl2NPCK/I- ns , conteniendo el gen quimérico, y se introdujo en la diana Cía I del vector retrovírico pLJ(-SV40) (derivado del vector parental pLJ (Korman, A.J., et al. (1987) Proc. Nati. Acad. Sci. USA 84. 2150-2154)). El vector resultan-
te, vPCK/Ins, contiene el gen quimérico PEPCK/insulina en orientación contraria al LTR 5' (promotor del retrovirus).
Este vector fue introducido en células psi-2 (Mann, R. , (1983) Cell 33, 153-159) mediante precipitación con fosfato calcico. Las células fueron expuestas al antibiótico de selección G418 a las 48 horas de la trans- fección, y las que fueron positivas a la integración del vector sobrevivieron al tóxico. Se mantuvieron estas células en cultivo durante un mes, y cuando llegaron a confluencia se recolectó el medio de cultivo, que contenía los viriones defectivos.
A continuación se expone brevemente el proceso de obtención de un animal transgénico que expresa el gen quimérico PEPCK/Insulina. Una vez verificado que el gen quimérico era funcional mediante transfección de células en cultivo, se procedió a microinyectar el gen quimérico (fragmento Xbal-Sphl) a óvulos fecundados de ratón antes de la fusión de los dos pronúcleos femenino y masculino según el método descrito por Wagner, et al. (1981) Proc. Nati. Acad. Sci. USA 78, 5016). Estos embriones eran posteriormente trans¬ feridos a una madre receptora. De los animales obtenidos se aisló DNA a partir de un fragmento de cola y a conti¬ nuación, se analizó la presencia del transgen mediante Southern blot y posterior hibridación con una sonda espe¬ cífica que contenía un fragmento del gen quimérico mi- croinyectado. Con los animales transgénicos se han esta¬ blecido colonias, en las que se ha analizado la expresión del gen quimérico. Así los animales transgénicos obtenidos expresan el transgen en los tejidos donde normalmente se expresa la PEPCK. Los animales obtenidos resultaron estar sanos y norraoglucémicos , indicando por tanto que existe un buen control en la regulación del gen quimérico.