WO2002081686A2 - Nucleic acids binding a neuropeptide - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to nucleic acids capable of binding to neuropeptide Y and various uses thereof.
- NPY neuropeptide Y was first isolated from porcine brain by Tatemoto in 1982 (Tatemoto et al, 1982). Together with the pancreatic polypeptide (PP) and the peptide YY (PYY), NPY belongs to the family of pancreatic polypeptides. A common feature of these structurally related, tyrosine-rich peptides is a sequence of 36 amino acids with a C-terminal tyrosinamide residue (cf. FIG. 1) (Conlon et al, 1991), (Larhammar, 1996). While NPY acts as a neurotransmitter in the central and peripheral nervous system, PYY and PP are mainly hormone-like (Michel et al, 1998).
- the neuropeptide Y is an evolutionarily highly conserved peptide, which suggests an important role in the regulation of fundamental physiological functions.
- the pig and human NPY differ only in a single amino acid at position 17 (hNPY: methionine, pNPY: leucine). Even the NPY sequence of the ray (Torpedo mamorata), which is very distant in terms of development, is identical to the human NPY in 33 of the 36 positions (Larhammar, 1996).
- NPY The three-dimensional structural model of NPY is based on X-ray crystal structure data for the pancreatic polypeptide of turkey (aPP) (Glover et al, 1983), on comparative secondary structure studies of NPY and aPP using circular dichroism (Tonan et al, 1990) and on 2-D NMR analyzes ( Saudek and Pelton, 1990), (Darbon et al, 1992).
- This model largely agrees with the structure of Allen and co-workers generated by molecular modeling (Allen et al, 1987).
- N-terminal polyproline helix (AS 1-8) is connected antiparallel via a ß-turn (AS 9-14) with a -helix (AS 15-32). While the two helices are closely associated by hydrophobic interactions, the C-terminus is relatively free to move.
- This hairpin-shaped motif referred to as the "PP" fold, is characteristic of all members of the pancreatic polypeptide family (Monks et al, 1996).
- NPY is important in controlling a large number of physiological and pathophysiological processes:
- the NPY release leads, for example, to an increase in food intake (Inui, 1999), (Loftus et al, 2000), to an inhibition of lipolysis, to an increase in the activity of lipoprotein lipase and thus to increase fat storage (Ingenhoven and Beck-Sickinger, 1999).
- NPY modulates within the central nervous system (CNS) the increase in the secretion of luteinizing hormone and insulin and the reduction in the secretion of growth hormones (Kalra et al, 1992), (McDonald et al, 1985), (Moltz and McDonald, 1985).
- NPY has been assigned an important role in the pathophysiology of obesity and diabetes.
- NPY has a direct vasoconstrictive effect or potentiates the vasoconstrictive effects of noradrenaline and angiotensin II (Maturi et al, 1989), (Wahlestedt and Hakanson, 1986), (Lundberg et al, 1987).
- NPY also enhances memory performance (Flood et al, 1989) and regulates the circadian rhythm of mammals (Hall et al, 1999).
- Comparative studies with NPY deficient and NPY overexpressing mice showed that the experimental alcohol consumption of mice is inversely proportional to the NPY level in the brain. Animals with normal NPY expression had a lower preference for alcohol and were more sensitive to its hypnotic properties (Thiele et al, 1998).
- NPY neuropeptide hormone
- NPY receptor subtypes There are currently six NPY receptor subtypes, five of which are already cloned (Yl, Y2, Y4, Y5 and Y6). Pharmacological studies suggest the existence of another receptor called Y3 (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000).
- the NPY receptors belong to the family of G protein-coupled, heptahelical membrane receptors (Michel, et al, 1998). The receptors are localized in a wide variety of tissues, with particularly high expression densities for blood vessels, kidneys, pancreas, intestine and brain being characteristic (Ingenhoven and Beck-Sickinger, 1999).
- NPY receptors The activation of the NPY receptors leads to inhibition of the adenylate cyclase in almost all examined tissues and cells and thus to the accumulation of cyclic AMP (cAMP) (Beck-Sickinger, 1996). In addition, further signal responses are described, such as the inhibition of Ca ++ channels in neurons (Walker et al, 1988), the modulation of K + channels in cardiomyocytes (Bleakman et al, 1991) and the release of Ca ++ from intracellular Save (Perney and Miller, 1989).
- Yl receptors the receptors that can only be activated by the holopeptide NPY have been referred to as Yl receptors, while those that are also activated by C-terminal NPY fragments, such as. B. NPY 13-36 and NPY 18-36, activatable receptors of the Y2 class have been assigned.
- NPY receptors Due to the homology between the different G protein-coupled receptors, it is also possible to draw conclusions about the functional domains of NPY receptors. However, little is known about the molecular mechanisms of signal transmission, the precise binding sites and the specific NPY-NPY receptor subtype interactions. de- Exact characterization requires the use of alternative investigation methods. Indirect methods, such as mutagenesis within the transmembrane regions and the extracellular loops of the receptors, have elucidated a large number of the structure-function relationships of NPY with the different receptor subtypes (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000). The development of anti-receptor antibodies should provide further insight into the structural relationships between receptor and ligand (Eckard et al, 1999).
- the large immunoglobulins can specifically bind to a receptor subtype, they are often unable to competitively inhibit the natural ligand. Binding of the antibody to the receptor can trigger a signal transmission that normally only takes place after activation by a hormone or neurotransmitter (Strosberg, 1992). Modifications to the primary and, consequently, the secondary and tertiary structure of the natural ligand NPY also provided further insights into the interactions between receptor and ligand. The systematic exchange of the 36 amino acids of the NPY for alanine (so-called alanine scan) as well as various amino acid deletions and amino acid substitutions led to the identification of amino acids important for the ligand-receptor interaction (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000).
- Both the N and the C terminus of the peptide are required for the interaction of the Y1 receptor with the NPY, while in the case of the Y2 receptor short fragments of the C terminus (e.g. NPY 18-36) represent the binding domain for NPY.
- the Y5 receptor can also be activated by partially N-terminally deleted variants (e.g. NPY 2-36) of the NPY.
- the mRNA of the Yl receptor was detected in the brain (hippocampus, thalamus, amygdala and cortex) as well as in the peripheral organs such as the heart, kidney, spleen and lungs. Activation of the Yl receptor triggers a long-lasting vasoconstriction and increases the effects of other vasoconstricting substances such as angiotensin II and noradrenaline (Buschauer, 2000). In addition to other receptor subtypes, the Yl receptor also seems to play an important role in regulating food intake (Inui, 1999). The effects of anxiolysis and sedation mediated by the central nervous system are Receptor modulated (Hilor et al, 1993).
- the pharmacological profile of the Yl receptor is characterized by a high affinity for NPY (IC 50 : 0.2 nM) and PYY (IC 50 : 0.7 nM) as well as for the NPY mutant NPY [P 34 ] with an IC 50 - Characterized value of 0.5 nM.
- NPY NPY
- PYY NPY mutant
- IC 50 - Characterized value of 0.5 nM NPY mutant
- the glutamine side chain residue at position 34 was substituted by a proline residue, creating a selective Yl receptor agonist.
- a strongly reduced affinity of the Yl receptor for N-terminally shortened variants of NPY and PYY was observed.
- the NPY (NPY 2-36) truncated by an amino acid N-terminal shows a 75-fold worse Yl receptor affinity compared to the NPY.
- the affinity of even shorter NPY variants with Kd values lies in the micromolar range z.
- the D-arginine derivative BIBP 3226 was described as the first Yl-selective NPY antagonist with an affinity in the nanomolar range (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000).
- the Y2 receptor is primarily located centrally in the nervous system, although it is found in high density in the hippocampus (Dumont et al, 1992). Numerous effects mediated by it are based on inhibition of neurotransmitter release. By attacking presynaptic Y2 receptors, NPY inhibits the release of glutamate in the CNS and the release of norepinephrine and acetylcholine in the peripheral nervous system.
- NPY 13-36 IC 50 : 0.32 nM
- NPY18-36 IC 50 : 0.25 nM
- NPY [Ahx 5 "24 ] IC 50 : 2 nM
- amino acids 5-24 were replaced by an aminohexanoic acid spacer. It was only recently possible to develop the first selective Y2 receptor antagonist BIIE0246 with an affinity of IC 50 : 3.3 nM (Dumont et al, 2000).
- Y5 mRNA was detected almost exclusively in the brain, especially in areas that are important for appetite regulation (Gerald et al, 1996).
- alanine at position 31 and aminoisobutyric acid (Aib) at position 32 created a highly selective Y5 receptor agonist that does not bind to either Yl or Y2. It is assumed that the biologically active conformation of the C-terminus of NPY at the Y5 receptor is characterized by a special turn structure, which is induced or stabilized by the dipetid Ala-Aib (Cabrele et al, 2000).
- Table 1 shows a summary of the characteristics of the NPY receptor subtypes. The information in brackets relates to the ICsQ value. The basis for the compilation of this data was the review article by Cabrele 2000 (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000)
- the present invention has for its object to provide an agent that is able to bind to neuropeptide Y and fragments thereof. Furthermore, the invention is based on the object of providing a means which allows differentiation of the different NPY receptor subtypes.
- the object is achieved in a first aspect by a nucleic acid, in particular an isolated nucleic acid, binding neuropeptide Y or a derivative thereof and derivatives of this nucleic acid.
- the derivative of neuropeptide Y is the C-terminal part of neuropeptide Y, in particular the part comprising at least amino acid positions 24 to 36.
- the object is achieved by a nucleic acid, in particular isolated nucleic acid, which discriminates in terms of its binding behavior between the members of the pancreatic polypeptide family.
- the object is achieved by a nucleic acid, in particular isolated nucleic acid, which inhibits the interaction between the neuropeptide Y receptor Y2 and a ligand of the neuropeptide Y receptor Y2.
- the ligand is selected from the group comprising NPY, hPP and BIIE 0246.
- the object is achieved by a nucleic acid, in particular isolated nucleic acid, which binds to different conformations of neuropeptide Y.
- the object is achieved by nucleic acid, in particular isolated nucleic acid, binding to the conformation of neuropeptide Y, which activates the neuropeptide Y receptor Y2.
- the nucleic acid comprises a sequence which is selected from the group comprising SEQ H> NO: 1-18 and 44-64 and their derivatives.
- the nucleic acid is one that is selected from the group comprising DNA, RNA, polynucleotides, oligonucleotides, aptamers, apazymes and intramers.
- the derivatives of the nucleic acid comprise at least one modified connecting group, preferably at least one modified connecting group in the sugar phosphate backbone and / or at least one modified sugar residue and / or at least one modified base or one or more combinations thereof.
- the modified base is selected from the group consisting of 5-fluoroaracil, 5-bromouracil, 5-chloroaracil, 5-ioduracil, hypoxanthine, xanthine, ethenoadenosine, 4-acetylcytosine, 5- ( Carboxyhydroxylmethyl) uracil, 5-carboxymethylaminomethyl-2-thio-uridine, 5-carboxymethylaminomethyluracil, dihydrouracil, ß-D-galactosylqueosine, inosine, N6-isopentenyladenine, 1-methyladenine, 1-methylpseudouracil, 1-methylguanine, 1-methylguanine 2,2-dimethylguanine, 2-methyladenine, 2-ethylguanine, 3-methylcytosine, 5-methylcytosine, N6-methyladenine, 7-methylguanine, 5-methylamino
- nucleic acids in a further embodiment, they have at least one modification or label at the 5 'and / or 3' end, the modification and / or label preferably being selected from the group which comprises the biotin group; the digoxygenine cluster; Fluorescent dyes, in particular fluorescein and rhodamine; psoralen; Contains thiol group (s), amino group (s), ethylene glycol group (s) - or cholesteryl group (s).
- the modified group of compounds is selected from the group of grapes, the phosphomono- or phosphodithioates, alkylphosphonates, arylphosphonates, phosphoroamidates, phosphate triesters, preferably P (O) -alkyl derivatives; Compound groups in which oxygen atoms in the bridge between the sugars formed by the phosphate group are replaced by other bonds, preferably NH, CH 2 or SP compounds, more preferably 3'-NHP (O) - (O " ) O-5 'phosphoramidates; dephosphointemucleotide compounds, preferably acetamidate, carbamate compounds or peptide nucleic acids (PNA).
- PNA peptide nucleic acids
- the modified sugar residue is selected from the group consisting of 2'-azido-2'-deoxy, 2'-amino-2'-deoxy, 2'-fluoro-2'- Deoxy-, 2'-chloro-2'-deoxy, 2'-O-methyl, 2'-O-allyl, 2'-C-fluoromethyl grappa and / or modifications.
- the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention for the manufacture of a medicament.
- the object is achieved by the use of a nucleic acid according to the invention for the manufacture of a medicament for the treatment of diseases or conditions in which an inhibition of the interaction between the neuropeptide Y or a derivative thereof and a neuropeptide Y receptor leads to a change in the Disease or condition.
- the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention, in particular for the production of a medicament, for reducing the effectiveness.
- a nucleic acid according to the invention in particular for the production of a medicament, for reducing the effectiveness.
- the object is achieved by the use of a nucleic acid according to the invention, in particular for the manufacture of a medicament, for reducing the rank of food intake, for promoting lipolysis, for decreasing the activity of lipoprotease, for decreasing rank for fat storage, for decreasing the secretion of luteinizing hormone , to reduce the secretion of insulin, to increase the secretion of growth hormone, to expand the vascular system, to reduce the vasoconstrictor effect of norepinephrine, to reduce the vasoconstrictor effect of angiotensin and to influence the circadian rhythm in mammals.
- the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention to characterize the interaction topology of the interaction between neuropeptide Y and neuropeptide Y receptor at the molecular level.
- the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention for the detection and / or comparison of the receptor activation, in particular the receptor activation in the brain and very particularly the activation of neuropeptide Y receptors.
- the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention for the detection of neuropeptide Y or a derivative thereof.
- the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention for the purification of neuropeptide Y or a derivative thereof.
- the problem is solved by an antagonist for a neuro peptide ⁇ Y receptor, particularly for the neuropeptide Y Y2 receptor.
- the antagonist is a nucleic acid according to the invention comprises or is ⁇ .
- the object is achieved by a receptor mimetic for a neuropeptide Y receptor, in particular the neuropeptide Y receptor Y2.
- the receptor mimetic comprises or is a nucleic acid according to the invention.
- the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention for screening compounds, the compounds being selected from the group comprising agonists of a neuropeptide Y receptor and antagonists of a neuropeptide Y receptor.
- the compounds are low molecular weight compounds.
- the object is achieved by a compound obtainable from the use of the nucleic acids according to the invention for screening compounds.
- the object is achieved by using a neuropeptide Y or a derivative as the target molecule in the context of an in vitro selection process.
- the object is achieved by a method for identifying and isolating nucleic acids which are able to bind to a target molecule, comprising the following steps:
- nucleic acids preferably a nucleic acid library, the nucleic acids having different sequences
- target molecule is neuropeptide Y or a derivative thereof.
- the object is achieved by the uses according to the invention of one or more of the nucleic acids according to the invention, preferably in a complex with a neuropeptide Y or a derivative thereof, for the rational design of compounds, in particular agonists and antagonists of the neuropeptide Y receptor, preferably of inhibitors.
- the inhibitors are preferably low molecular weight inhibitors.
- the present invention is based on the surprising finding that it is possible to produce nucleic acids which bind to neuropeptide Y or a derivative thereof. It is particularly noteworthy here that the nucleic acids according to the invention are able to discriminate between the different receptor sub-types within the group of the neuropeptide Y receptors.
- the various receptor sub-types are those as indicated in Table 1, the disclosure content of which is included here. Discrimination is to be understood here in particular to mean that the individual nucleic acid according to the invention relates to the compounds to be discriminated, i.e. the different conformations of neuropeptide Y or its analogs, has a different affinity. The difference between such affinities is typically 1 nmolar to 5 mmolar.
- nucleic acids according to the invention have a number of surprising properties which also allow a wide range of possible uses. One of these properties can be seen in the fact that discrimination takes place in the sense that the nucleic acids according to the invention can distinguish between the members of the pancreatic polypeptide family. In addition to the neuropeptide Y, this polypeptide family also includes the pancreatic polypeptide and the peptide YY.
- nucleic acids according to the invention specifically the interaction between new ropeptide Y, or a derivative thereof, and the receptor for the neuropeptide Y, also referred to herein as the neuropeptide Y receptor.
- the type of influence is an inhibition. It is particularly noteworthy here that the interaction also takes place specifically between the neuropeptide Y or a derivative thereof and the neuropeptide Y receptor subtype Y2.
- nucleic acids according to the invention can distinguish between the different conformations which can be ingested by neuropeptide Y.
- the presence of different conformations also appears to be responsible for the binding specificity of neuropeptide Y to the different receptor subtypes.
- the inventors have succeeded in generating nucleic acids which specifically interact with that conformation of the neuropeptide Y and form a complex which is required for a high-affinity interaction with receptor subtype Y2.
- the nucleic acids according to the invention can be viewed and used as mimetics of the neuropeptide Y receptors and in particular of the neuropeptide Y receptor Y2.
- nucleic acids according to the invention in test or detection systems in which neuropeptide Y receptors and in particular neuropeptide Y receptor Y2 can be used, for example when screening for agonists and antagonists of neuropeptide Y, but also in the areas of therapy and research.
- a derivative of neuropeptide Y is to be understood here to mean in particular a derivative which is capable of binding to a neuropeptide Y receptor.
- the term is also intended to encompass those molecules which comprise part of the amino acid sequence of neuropeptide Y, in particular a sequence of 5 consecutive amino acids of the natural sequence of neuropeptide Y.
- Nucleic acids or nucleic acid ligands in the sense of this invention preferably comprise DNA, RNA or chemically modified forms of DNA or RNA. More preferably, the nucleic acid ligands belong to one of the classes of aptamers, aptazymes, ribozymes, intramers, Spiegelmers, natural nucleic acid ligands or are naturally occurring protein-binding nucleic acids. Particularly preferred are the Aptazymes, intramers and Ap ⁇ are Tamere, of the three turn, especially the group of intramers.
- Natural nucleic acids are also to be understood here as nucleic acids, be it as a starting materials (partially or completely) for in vitro selection methods or as nucleic acids according to the invention which have a sequence which is contained in the transcriptome of a cell or an organism, the term transcriptome here being understood to mean in particular the entirety of the nucleic acids expressed. If natural nucleic acids are used, it is particularly preferred if natural libraries, such as cDNA fragments of transcribed R As, are used instead of randomized libraries in selection processes.
- Vitro selection is to be understood here to mean in particular the process by which the nucleic acid ligands according to the invention, preferably from the grappa of aptamers, intramers, aptazymes or ribozymes, more preferably from the grappa of aptamers and aptazymes, by in vitro selection from combinatorial libraries can be isolated from nucleic acids with different sequences.
- aptamers are understood to mean single-stranded nucleic acid ligands which are isolated from combinatorial libraries of randomized nucleic acids by in vitro selection. This process is sometimes referred to as SELEX ("systematic evolution of ligands by exponential enrichment") (Tuerk and Gold, Science 249 (1990), 505-519). These aptamers consisting of ssDNA or ssRNA have very high affinities and specificities for their antigens.
- nucleic acid ligands for metal ions, organic compounds, peptides, proteins, or even complex structures such as viruses and cells have been isolated (review article: Gold et al., Annu. Rev. Biochem. 64 (1995), 763-797; Ellington and Conrad, Biotechnol. Annu. Rev. 1 (1995), 185-214; Famulok, Curr. Opin. Struct. Biol. 9 (1999), 324-329, Hofmann, 1997).
- the high potential of the technology lies in the in vitro process of aptamer selection.
- the nucleic acid ligands are enriched from combinatorial libraries of up to 10 15 individual sequences by repeated cycles of contact with the antigen, separation of all non-binding nucleic acids and enzymatic amplification of the molecules interacting with the target molecule.
- Aptazymes in the sense of the present invention are hybrid molecules of ribozymes and aptamers and accordingly consist of a catalytic and a ligand-binding nucleic acid domain.
- the activity of the ribozyme is regulated, ie activated, by the binding of the ligand to the ligand-binding nucleic acid domain (allosteric center) or inhibited.
- Aptazyme technology is known to the expert and is described, for example, in Soukup and Breaker, Curr. Opin. Stract. Biol. J0 (2000), 318-325.
- Aptazymes can be modularly constructed from a ribozyme part and the allosteric centimeter by rational design or can be isolated de novo by in vitro selection.
- an aptazyme was developed from a hammerhead ribozyme, a small catalytic motif that can cleave RNA sequences in a sequence-specific manner (Forster and Symons, Cell 49 (1987), 211-220; Haseloff and Gerlach, Nature 334 (1988), 585-591 ), and an aptamer domain that specifically binds to ATP, so that the binding of ATP led to an allosteric inhibition of catalytic activity (Tang and Breaker, Chem. Biol.
- aptazymes could also be isolated by in vitro selection from combinatorial libraries of different nucleic acid sequences which contained a novel binding domain for a ligand (Robertson and Ellington, Nat. Biotechnol. 17 (1999), 62-66, Koizumi et al, Nat Stract. Biol. 6: 1062-1071 (1999).
- Aptazymes in the sense of this invention can, for example, be those which contain a ligand binding site for NPY.
- Such aptazymes can be produced on the basis of the nucleic acids according to the invention by building them modularly with a ribozyme part and the allosteric centimeter.
- a schematic representation of an aptazyme is shown in Figure 15
- nucleic acid ligands are also to be understood here as meaning those nucleic acids, nucleic acid ligands or parts thereof, ie nucleic acid motifs, which are encoded as such in the genomes of organisms and have the ability to bind to a target protein.
- examples include the HIV-Tar RNA, which binds to the HIV Tat protein, or the HIV-RRE-RNA, which binds to the HIV-REV protein, among many others.
- a large number of such natural nucleic acid ligands are known to the person skilled in the art.
- nucleic acid ligands for certain target proteins can also be isolated from combinatorial libraries of natural nucleic acids of different sequences, which represent, for example, the genomic RNA of an organism, an organ or a cell, by in vitro selection.
- the preparation of such combinatorial libraries is known to the person skilled in the art and is described, for example, in Singer et al., Nucleic Acid Res. 25 (1997), 781-786. In this way it was possible, for example, to isolate genomic DNA sequences which bind the transcription factor TFIIIA from Xenopus laevis (Kinzler and Vogelstein, Nucleic Acid Res. 17 (1989), 3645-3653).
- Another experiment failed mRNA fragments can be isolated from the transcriptome of the bacterium E.
- nucleic acids according to the invention can be administered directly by means of all galenical techniques and compositions which comprise one or more of the nucleic acids according to the invention in their various embodiments. Examples include solutions, powders, tablets, gels and the like.
- the nucleic acid according to the invention is typically produced and / or administered together with a stabilizer, adjuvant, pharmaceutically acceptable carrier, preservative, diluent, carrier or a combination thereof. Methods for introducing the nucleic acids according to the invention into cells are known to the person skilled in the art.
- the therapeutic use of the nucleic acids according to the invention is based on the surprising properties of the nucleic acids according to the invention disclosed herein.
- the nucleic acids according to the invention can be contained individually or in combination with a wide range of active ingredients in corresponding medicaments.
- these can be used therapeutically to influence diseases or conditions in which the inhibition of the interaction between neuropeptide Y and a neuropeptide Y receptor, in particular neuropeptide Y receptor Y2, leads to a change in the disease or drive the state.
- diseases or conditions which are based on this mechanism or which are to be treated or changed via this mechanism are known to those skilled in the art.
- Examples in this connection are: hypertension, stress (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808 - 813), neuroblastomas (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808-813), Phaochromocytome (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808-813) , endocrine pancreatic tumors Waeber, G. et al. Peptides, vol. 16 (5), pp. 921-929.
- the nucleic acids according to the invention can be used in the diagnostic field like antibodies in a large number of diagnostic applications (review article: Hesseberth et al, J Biotechnol 74 (2000), 15-25; Brody and Gold, Biotechnol 74 (2000), 5-13 ; Jayasna Clin Chem 45 (1999), 1628-1650; Osbome et al., Curr Opin Chem Biol I (1997), 5-9).
- the target structure i.e. the NPY
- this can be marked. If the nucleic acid according to the invention bears a label, this and thus the complex of NPY and nucleic acid according to the invention can be detected.
- Suitable labels are known to those skilled in the art and include, among others, those selected from the group consisting of radioactive labels, labels with fluorescent dyes, labels with groups such as biotin or digoxygenin, or labels with enzymes such as beta-galactosidase.
- Suitable fluorescent dyes for labeling nucleic acids are known to those skilled in the art and include i.a. AMCA-X, fluorescein, rhodamine, Cy3, Cy 5, Cy 5.5, HEX, D-AMCA, tetramethylrhodamine or Texas Red. Detection of the said complex with other nucleic acid / protein complexes can be done, for example, by FACS (Ringquist and Parma, Anal Chem.
- the nucleic acids according to the invention, the NPY or both can be labeled with fluorescent dyes and the interaction between the nucleic acid and the NPY can lead to a measurable change in the fluorescence signal.
- Such changes in fluorescence can also be based on a change in the intrinsic fluorescence of the NPY after binding of one of the nucleic acids according to the invention.
- a change in the intrinsic fluorescence of the change of NPY may lead itself, for example, which can be used for the measurement signal and whose Verändemng due to binding of the nuc ⁇ leinklaren by introducing a Trp-point mutation.
- fluorescence-based detection is the binding of thrombin to anti-thrombin aptamers labeled with fluorescent dyes by measuring the change in fluorescence anisotropy (Potyrailo RA et al, Anal Chem 70 (1998), 3419-25). Up to 0.7 amol Thrombin can be detected.
- one interaction partner, the nucleic acid or the protein is labeled with a fluorescence-quenching grappe (quencher), the other is labeled with a fluorophoric grappe (donor), the interaction between the two interaction partners leading to the quencher quenching the fluorescent emission of the donor. If the interaction takes place, this can be measured by reducing the fluorescence signal.
- FRET fluorescence resonance energy transfer
- the complexes comprising the nucleic acids according to the invention and the NPY can be detected on suitable sensors which are coated with one of the two binding partners.
- the detection can take place here via the increase in mass after the binding of the second binding partner.
- complexes of RNA aptamers and the enzyme 2'-5'-oligoadenylate cyclase or RNA aptamers and the NS3 protease of the hepatitis C virus were detected by so-called SRP ("surface plasmon resonance") analyzes (Hartmann et al., J Biol Chem 273 (1998), 3236-3246; Hwang et al., Biochem Biophys Res Commun 279 (2000), 557-562).
- Quartz crystal microbalance (“Qartz Crystal Microbalance", QCM) (Kosslinger et al., Biosens Bioelectron 7 (1992), 397-404; Hengerer et al., Biosens Bioelectron 14 (1999), 139-144) are also known to the person skilled in the art.
- QCM Quadrat Crystal Microbalance
- the interaction between the protein and the nucleic acid ligand, in particular an aptazyme can be detected by a catalytic event.
- the NPY-recognizing nucleic acid domain is linked to a ribozyme domain in such a way that the binding of the NPY allosterically influences the activity of the ribozyme domain, ie activates or inhibits it.
- the active ribozyme domain can be detected via reverse transcription PCR with a primer complementary to the linked oligonucleotide (Robertson and Ellington, Nat Biotechnol 17 (1999), 62-66). Active hammerhead domains can be detected by cleaving a substrate oligonucleotide, for example in a FRET assay (Jenne et al, Angew. Chem. 111 (1999), 1383-1386).
- the oligonucleotide to be cleaved is marked with a fluorescent (donor) and a fluorescent quenching (quencher) group. In the unsplit state, the donor and quencher are in the immediate vicinity and the light emitted by the donor is absorbed by the quencher. After the cleavage, the donor is released and the fluorescence now freely emitted by it can be detected.
- nucleic acids according to the invention result from the differential interaction of the aptamer DP3 disclosed herein with receptor subtype-specific conformations of the NPY, which enable the use of the nucleic acids according to the invention to characterize the interaction topology of the NPY-NPY receptor interaction at the molecular level.
- nucleic acids according to the invention can often be used as an alternative to antibodies, in particular in the field of diagnosis, additional possibilities for differentiation being provided by the increased specificity or selectivity of the nucleic acids according to the invention towards antibodies.
- tension headache (Ashina, M et al Pain 83 (1999) 541-547), stress (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol . 68 (4), p. 808-813), neuroblastomas (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808-813), phaeochromocytome (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p.
- noradrenaline and angiotensin II presynaptic: inhibition of the release of neurotransmitters, e.g. of noradrenaline and co-transmitter (NPY , ATP) from sympathetic neurons, influencing the intestinal function (secretion decreases), Adipose tissue: lipolysis and thermogenesis decrease (uncoupling protein decreases), kidney: reduction of the global filtration rate, but diuretic and natriuretic effects (renin decreases).
- NPY noradrenaline and co-transmitter
- NPY noradrenaline and co-transmitter
- Adipose tissue lipolysis and thermogenesis decrease (uncoupling protein decreases)
- kidney reduction of the global filtration rate, but diuretic and natriuretic effects (renin decreases).
- DP3 is characterized by a high specificity within the pancreatic polypeptide family.
- the human pancreatic polypeptide (liPP) has a 50% sequence homology to NPY, it was not complexed by DP3.
- This sequence specificity is with regard to a diagnostic application of the nucleic acids according to the invention both in immunohistochemical analyzes and for the quantification of NPY, which in endocrine tumors, for.
- An increased concentration in the plasma can be found, for example, in the pheochromocytoma (Grouzmann et al., 1994; (Grouzmann et al., 1998).
- Drolet and co-workers have already used fluorescent aptamers to determine protein concentrations in an ELISA-like assay (ELONA , enzyme-linked oligonucleotide assay) (Drolet, et al., 1996).
- nucleic acid ligands according to the invention can be used in ELISA applications known to the person skilled in the art.
- An example of the use of an aptamer in an ELISA application is the specific detection of the VEGF protein using anti-VEGF aptamers (Drolet et al., Nat Biotechnol 14 (1996), 1021-1024; Kato et al., Analyst 125 ( 2000), 1371-1373).
- the nucleic acids according to the invention can also be used for the detection of NPY on chips as carrier materials. The use of nucleic acid ligands in such formats has been described, for example, in Brody et al. (Mol Diagn 4 (1999), 381-388).
- Suitable sample materials include body fluids such as blood, urine, lymph fluid, vaginal fluid, cerebrospinal fluid, punctures, stool, biopsies, cellular samples and digestions thereof. This results in the specific detection of NPY in the samples to be examined.
- kits comprising at least one of the nucleic acids according to the invention, which has optionally already been labeled with one of the brands described above. markings are provided.
- Other embodiments include other reagents, such as positive and negative controls. Negative controls can be designed in such a way that a nucleic acid is contained in the kit that does not bind to NPY or certain forms thereof, as are also described here, or does not modulate their function, and in particular does not inhibit them.
- an NPY can be added as a positive control to which the nucleic acid according to the invention also present in the kit binds.
- both the nucleic acid according to the invention and the NPY can be expressed either individually or together in a cell, preferably expressed or in an expressible form.
- the kit may further include buffers, wash solutions, and the like.
- the nucleic acids according to the invention can be used to form a complex with the NPY described herein, in addition to the therapeutic and diagnostic area, also in the technical or preparative area. Due to their high specificity and stability, a purification of natural NPY from various biological materials by an affinity-chromatographic process is conceivable.
- the RNA molecules could be biotinylated at the 5 'end via a thiophosphate group and thus coupled to streptavidin columns as an aptamer affinity matrix.
- the nucleic acids according to the invention can be coupled to carrier materials such as, for example, Sepharose, agarose, or magnetic particles. These affinity carrier materials can then be used for the preparative purification of NPY.
- carrier materials such as, for example, Sepharose, agarose, or magnetic particles.
- affinity carrier materials can then be used for the preparative purification of NPY.
- Corresponding protocols such as affinity precipitation, analogous to immunoprecipitation, or affinity chromatography are known to the person skilled in the art. Protocols for analog immunoprecipitations are described, for example, in Ausubel et al. (Current Protocols in Molecular Biology (1991), Wiley Interscience, New York) or Sambrook et al. (Molecular cloning - a laboratory manual, 2nd Ed (1989), Cold Sprin Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor.).
- the material can be freed from unspecific binding partners with suitable washing solutions.
- the specifically bound interaction partner ie the NPY
- the specifically bound interaction partner ie the NPY
- high salt concentrations detergents such as SDS, chaotropic agents such as urea or guanadinium hydrochloride are used as eluents or elution conditions.
- the protein can be obtained by heat denaturation Nucleic acid ligands, typically between 60 ° C. and 95 ° C., or denaturing the structure of the nucleic acid ligands by complexing divalent ions, for example by EDTA.
- Protocols that can be used to resolve the interaction between the nucleic acid ligands and the target protein to be purified are known to the person skilled in the art.
- the above-mentioned samples can be used as a sample.
- the sample can also be a cultivation medium for cells which form the respective binding partner, with or without cells (in the case of the export of the binding partner), or a disruption of cells.
- a protocol for the purification of human L-selectin expressed in CHO cells by means of a specific aptamer via affinity chromatography has been described by Romig and co-workers (Romig, J Chromatogr B Biomed Sei Appl 731 (1999), 275-284).
- nucleic acids according to the invention Another application for the nucleic acids according to the invention is the use thereof for the rational design of small molecules, in particular inhibitors.
- the structure of the complex of the nucleic acids according to the invention and the neuropeptide Y is determined by means of techniques known to the person skilled in the art, such as NMR or X-ray analysis.
- Another form of using complex formation between one of the nucleic acids according to the invention and NPY takes place in the screening methods according to the invention, which are described below.
- libraries of substances can be searched for substances which, by binding to one of the two interaction partners, ie NPY or at least one of the nucleic acids according to the invention, block the interaction of the two interaction partners.
- Analog screening systems have been developed, for example, for screening inhibitors of protein / protein interactions.
- small-molecule inhibitors for the interaction between cyanovirin-N and the HIV protein gpl20 McMahon et al., J. Biomol. Screen 5 (2000), 169-176) or small-molecule inhibitors for the interaction between peptides in a phage library of the tyrosyl- H.
- nucleic acids ie more precisely inhibitors, which displace the nucleic acid sequences of NPY according to the invention could be functionally equivalent to those according to the invention Be nucleic acids.
- nucleic acids according to the invention they can thus also be used to identify compounds from a library or assign a specific function or use to the members of this library, namely that they have an action analogous to the nucleic acids according to the invention and the interaction between Modulate NPY and Y2 receptor, inhibit more precisely.
- the nucleic acids according to the invention can also be valuable guide structures and thus serve to develop novel therapeutic agents.
- the interaction between the nucleic acids according to the invention and the NPY can, as already described, be detected using fluorescence-based methods (for example FRET) or using aptazyme contracts.
- FRET fluorescence-based methods
- aptazyme contracts When the nucleic acids according to the invention are displaced by a substance present in the library, a signal is generated. The substance identified in this way binds to the same interaction center as the nucleic acids according to the invention.
- the identified substance with regard to binding is a functional analog of the nucleic acid according to the invention and, with increased probability, is a substance that can inhibit the downstream signal transduction cascade by binding to the active conformation of the NPY.
- An advantage of this screening system is that neither the substance library nor the target protein has to be labeled. As a result, the process can be considerably rationalized. In addition, the properties of the substances contained in the library and of the protein are not changed by the markings that are usually introduced retrospectively in conventional processes. Another advantage is that the screening is focused on the interaction center, since all substances that bind to other areas of the protein are not detected. This increases the chances of identifying substances with the desired inhibitory effect.
- this also relates to those compounds which are obtained by such a process or to which a certain property can be assigned by such a process and in particular their use for the manufacture of medicaments, the medicaments preferably being intended for those diseases whose pathogenicity mechanism is based on the screening process or its conception.
- NPY N-terminally biotinylated and immobilized on streptavidin agarose
- 3 shows the course of the NPY selection up to the sixth selection cycle
- Fig. 5 shows a binding study of the selected RNA library to NPY after cycle
- 8A shows the sequences of the synthetic peptides neuropeptide Y, random NPY and the human pancreatic polypeptide; 8B shows the dissociation constants determined for various aptamers;
- FIG. 9 shows the desorption profile of the aptamer DP3 in the presence of NPY immobilized on streptavidin agarose;
- FIG. 10 Stability of 2'-amino-2'-deoxypyrimidine (2'NH 2 ) DP3-RNA (A) and unmodified 2 'hydroxy (2'OH) DP3-RNA (B) in fetal calf serum;
- Example 1 In vitro selection of neuropeptide Y (NPY) specific RNA molecules and their functional characterization
- a radioactively labeled 2'-amino-pyrimidine-RNA library of 3.75 nmol (approx. 2.3 genome copies) with the N-terminally biotinylated and immobilized NPY (see FIG. 2) was obtained after separation the pre-column binder (streptavidin agarose binder) by the preselection. It can be assumed statistically that two candidates from each sequence are represented in the initial pool. The non-binding RNA molecules were removed by washing with 100 column volumes of selection buffer. Subsequently, the 0.34% (based on the total amount of radioactively labeled RNA) of the functional sequences bound to NPY was determined under denaturing conditions (7M urea, 3 mM EDTA).
- the selection pressure was gradually increased with the background of selecting as specific NPY aptamers as possible.
- the non-specific competitor heparin a negatively charged glucosaminoglycan
- the washing volumes were increased and both NaCl (300mM, 500mM and 750mM) and Triton X100 (1% ) added.
- the NPY concentration was gradually reduced to 2.5 ⁇ M (cycle 9 to 12).
- the further course of the selection (6c-12) and the detailed selection conditions are shown in FIG. 5 and the table below, which is also referred to as Table 3 herein.
- the 8th selection cycle was carried out with two parallel approaches.
- the ninth selection cycle was continued with the RNA library generated in cycle 8b. Due to the more stringent selection conditions, the proportion of NPY-binding RNA molecules decreased from approx. 8% in the 7th cycle to less than 2% in cycle 9 to 12.
- the amino acid sequences of peptides I and III are as follows:
- the target peptide was incubated with the enriched pool for 1 hour at 37 ° C. in solution and only then on streptavidin agarose for 15 minutes at 37 ° C. immobilized.
- derivatized precolumn material cycle 7 to 9
- immobilized with synthetic peptides which are characterized by different isoelectric points of pI 6, l (peptide I) and a pl 10 (peptide III) (cf. material)
- RNA sequences binding due to non-specific peptide interactions are eliminated. Since no increased proportion of bound nucleic acids was detectable up to the ninth cycle in the case of the precolumn material (FIG. 4), preselection was dispensed with in the last three rounds.
- the ninth to twelfth selection mouths were carried out in the presence of 10% FCS.
- the proportion of NPY-binding RNA ligands has thus decreased further.
- no signs of degradation were detectable for NPY in the presence of 10% FCS and the protease inhibitors aprotinin, pefabloc and leupeptin for more than 2 hours.
- a renewed enrichment under FCS conditions could not be achieved in the following selection cycles. The selection was ended after the 12th cycle.
- the binding behavior of the enriched RNA library from cycle 12 and the unselected pool RNA was examined in the presence of NPY.
- the individual binding reactions were composed of different peptide concentrations (50 nM-7 ⁇ M) and a constant RNA concentration (1 nM), which was kinased at the 5 'end.
- the batches in binding buffer without peptide were heated to 90 ° C. for 1 min, immediately cooled on ice, MgCl 2 (1 mM) was added, the mixture was centrifuged briefly and the peptide was then mixed in carefully. Incubation was carried out for 1 h at 37 ° C under schwa ⁇ chem agitation (7,000 rpm) in a Thermomixer. Bound and unbound RNA were separated by nitrocellulose filtration and the radioactivity remaining on the filter membranes (0.45 ⁇ m, Millipore) was quantified using the phosphorimager (STORM860).
- Equation 1 q is the proportion of RNA bound in equilibrium.
- P t and R t are the total peptide and RNA concentrations, respectively.
- f represents the efficiency of RNA-peptide complexes retained on the nitrocellulose filter (Jellinek et al, 1994).
- the binding study shown in FIG. 5 shows a comparison of the binding behavior of the selected RNA library to NPY after cycle 12 with that of the unselected RNA.
- the relative proportion of complexed RNA [%] is shown depending on the NPY concentration [ ⁇ M] used.
- the enriched RNA library from cycle 12 shows a substantially higher affinity for NPY than the unselected pool. While the curve of the selected library had a saturation range at an NPY concentration of 5 ⁇ M, no significant retention on the nitrocellulose membrane could be detected for the unselected pool. For this reason, it was not possible to determine the dissociation constants for the unselected pool RNA. A dissociation constant of approx. 500 nM was calculated for the selected pool RNA.
- RNA molecules in the enriched pool which have different binding properties for the target peptide NPY.
- the RNA library was cloned after the 12th cycle.
- the restriction sites necessary for the cloning rank could be introduced by the primers PM39-5 'and PM-25-3'.
- the ds DNA was ligated into the analogously treated vector pGEM-4Z (Promega). The ligation products were transformed into E. coli, propagated and the plasmid DNA for sequencing was isolated from individual E. coli clones.
- sequences according to the invention which can be assigned to the various families and the resulting consensus sequences according to the invention, generally referred to herein as sequences according to the invention, are as follows and are shown again in FIG. 6:
- R means either A or G. Family II
- L means either T / U or a deletion by one nucleotide at the site.
- sequences according to the invention shown in FIG. 6 represent only the originally randomized region 40 N of the nucleic acid library used without the constant primer binding sites. The number of identical sequences is indicated in the brackets.
- the 2'-amino-2'-deoxycytidine and 2'-amino-deoxyuridine residues are designated as C or T.
- N shows a nucleotide residue that cannot be clearly determined. Mutations and deletions (-) within a family are shown in bold, which always refer to the first sequence shown.
- sequence family I The members of this highly conserved family differ only in point mutations and deletions.
- the most common family I sequence is clone DP11.
- the second sequence family consists of only two sequences that differ in one position (see Fig. 6).
- nucleic acid sequences according to the invention further comprise those sequences which are in the sequences according to SEQ. ID.No. 1 to 18 are contained, in particular those which have a length of at least 10, 15, 20, 25, 30, 35 or 40 nucleotides.
- Example 2 Determination of the dissociation constant of individual sequences on NPY by nitrocellulose filter binding studies
- nitrocellulose filter binding studies were carried out.
- the target peptide NPY was incubated in increasing concentrations with the individual, radioactively labeled RNA sequences. Bound RNA was separated from unbound RNA via nitrocellulose filtration and the radioactivity remaining on the filter membranes was quantified as in the preceding examples. By adding 20 ⁇ g streptavidin per batch, the retention of the short peptides on the filters should be improved.
- FIG. 7 shows the proportion of NPY-bound RNA which was retained on the filter as a function of the NPY concentration. The following assignment applies: Family I DP4 (open square) and 11 (filled square), Family II DP3 3 (filled circle), orphan 25 (filled triangle), orphan 19 (open triangle), pool (open circle). The fraction of the bound 32 P -labeled RNA is shown as a function of the NPY concentration used, the lines representing the fit of the individual data points for each aptamer in accordance with a monophase binding reaction. The results from two independent determinations (standard deviation) are included in each curve.
- Kd The dissociation constants (Kd), which describe a monophase reaction (cf. Eq. 1), could be determined from the kinetics of the individual sequences. Kd values of 470 nM and 410 nM were calculated for the most frequently occurring sequence DP 11 and for the clone DP4, which also belongs to family I. Ligand DP3 from family II shows the highest NPY affinity with a dissociation constant of 370 nM. From this grand, DP3 was used for further investigations. A Kd value of 25 ⁇ M was determined for DP25, an affinity for NPY almost 70 times lower than that of DP3.
- the dissociation constants for the sequences DP 14 and DP 19 could not be determined because only 10% of the entered set RNA at a concentration of 7 ⁇ M NPY were retained on the filter.
- the unselected pool RNA shows a low binding of 4% at an NPY concentration of 7 ⁇ M, which cannot be quantified in terms of a monophase reaction.
- Example 3 Specificity of DP 3 within the pancreatic polypeptide family
- pancreatic polypeptide which is a member of the pancreatic polypeptide family along with the neuropeptide Y (NPY) and the peptide YY (PYY) was tested in a nitrocellulose filter assay.
- PP pancreatic polypeptide
- NPY neuropeptide Y
- PYY peptide YY
- the hPP was immobilized on streptavidin agarose (30 ⁇ M) via its N-terminal biotin residue and incubated with radioactively labeled RNA under selection conditions (corresponding to cycle 5). No interaction between DP3 and the hPP could be detected here either.
- Example 4 Determination of the dissociation constants of the aptamer DP 3 on NPY by analytical affinity chromatography
- the aptamer DP3 is characterized by the best affinity for NPY in comparison to the other sequences examined. Since incomplete retention of the peptide complexes can influence the Kd values, the dissociation constant of DP3 should be verified by analytical affinity chromatography. 300 ⁇ l NPY streptavidin agarose material (120 ⁇ M) was filled into a 1 ml syringe without air bubbles, which was sealed with glass wool at the bottom. Care should be taken to prevent the column material from running dry. The affinity matrix was first equilibrated in the binding buffer
- the elution profiles were then plotted by adding the absolute radioactive values (y-axis) against the corresponding elution volume (x-axis).
- the first wash fractions which contained non-binding RNA, were not taken into account.
- the elution profiles were used to determine the elution volume (V) at which half of the aptamers bound to NPY (L) could be eluted again from the affinity matrix.
- Equation 1 ⁇ d _ (V - Vm) x [L] V - Vo
- [L] concentration of the peptide immobilized on the affinity matrix.
- V The elution volume of the ligand corresponds to the washing volume with binding buffer, in which half of the ligand bound to the affinity matrix is again eluted from the column.
- V 0 total penetrable volume of the column. It was determined on the basis of the elution volume of non-specific RNA molecules (Pool Mic Pmodl-40N).
- V m the gel exclusion volume was determined using the elution tip of a Sepharose
- Kd dissotation constant of the ligand (RNA aptamer) to the target molecule (peptide) immobilized on the matrix. The following applies: the smaller the aptamer dissociation constant, the later the nucleic acid ligands will elute.
- DP3 results in a Kd value of 300 nM. This Kd value is comparable to the Kd value determined by the filter retention experiment (370 nM) for DP 3.
- FIG. 10 shows the autoradiograms for 2'-amino-2'-deoxy DP3 (A) and for 2 'hydroxy DP3 RNA (B). It could be shown that the stability of the 2'-amino-2'-deoxy modified RNA aptamer DP3 in 10% FCS is significantly increased compared to the unmodified RNA with the same primary sequence.
- FIG. 10 A shows that no degradation can be detected for the 2'-amino-2'-deoxy DP3 RNA within 12 hours. Only after 48 hours can part of the 2'-A_nmo-2'-Deoxy DP3 RNA degradation be detected. In contrast, the unmodified DP3-RNA molecules show a very low stability in 10% FCS (FIG. 10 B).
- mice After 5 min they are completely broken down into shorter fragments, after 10 min only the radioactive labeled nucleotides can be seen on the lowest running front of the gel.
- the unselected MicMod40N pool has sufficient stability for the cell culture experiments in which cells are incubated with the RNA for 90 min (Blind, 2000). These observations are in good agreement with previous studies of 2'-modified RNA libraries in biological media (Lin, et al., 1994).
- biotinylated NPY fragments 7 ⁇ M were incubated with the radioactively labeled RNA ligand DP3 (50 pmol).
- the biotinylated peptides were present in the immobilized state in order to avoid precipitation problems, such as those that occurred with some peptide fragments in previous experiments in solution.
- the various NPY peptides used are shown in Fig. 11, with the following assignment:
- NPY variants with different N- and C-terminal amino acid elements 11 to 14 substitutions of the amino acid arginine by alanine at different positions in the C-terminal region, amino acid mutations are given in square brackets and highlighted in bold in the peptide sequence.
- Y2 receptor agonist characterized by the substitution of the central amino acids 5-24 with an aminohexanoic acid linker.
- 15: Yl receptor agonist, 16 Y5 receptor agonist, Aib aminoisobutyric acid
- the amino-terminal Biotinyliemng and the carboxy-terminal Amidierang are characterized by Biotin and -CONH 2 .
- the relative binding affinities of the different peptide variants are divided into three classes compared to the NPY: - 0-10% binding compared to the NPY control, + 11-80% binding compared to the NPY control, ++ 81-100% binding in Comparison to the NPY control.
- the amino acid residue (R33), which is essential for the interaction with the aptamer DP3, is highlighted.
- the arginine residue 35 plays a minor role in the formation of aptamer NPY complexes: Despite substitution by the uncharged alanine, about 3/4 of the RNA used is still bound in a binding experiment (cf. FIG. 11). These results allow the following conclusions to be drawn: The C-terminal NPY region represents the epitope which is bound by DP3, DP3 having a high specificity with regard to an amino acid residue, arginine 33. A point mutation at this point (R33A) leads to a complete loss of peptide recognition.
- Example 7 Interaction of aptamer DP 3 with specific NPY receptor agonists
- NPY receptor subtype interaction One method of characterizing the NPY receptor subtype interaction was the development of specific receptor subtype agonists (cf. Table 1). In analogy to this, the binding behavior of the aptamer DP3 to various NPY agonists should be investigated.
- DP3 has a high affinity for the centrally shortened Y2 receptor agonist NPY [Ahx 5 "24 ] (see Fig. 11, No. 8) (Beck et al., 1989).
- the N-terminally shortened NPY Variants (cf. FIG. 11, No. 9 and 10) which are only bound by the Y2 receptor, but not by the Y1 or Y5 receptor, are bound by DP3 almost as well as the entire NPY.Aptamer DP3 shows binding behavior to NPY is similar to that of the Y2 receptor, and these clues will be further investigated in the following by receptor competence studies.
- NPY binding to individual receptor subtypes by DP3 was investigated on neuroblastoma cell lines which endogenously express either the hYl receptor (SK-NM-C cells) or the hY2 receptor (SMS-KAN cells).
- BHK cells ATCC No. CRL-1632
- rY5 receptor Y5 receptor
- Clone DP 3 showed the highest affinity within the analyzed sequences in the in vitro investigations to determine the dissociation constant and was therefore used for the cell culture studies.
- the unselected pool RNA which has no in vitro affinity for NPY, was used as a control approach.
- the competition between DP3 and the Y2 receptor for the NPY can be described by monophasic kinetics.
- the IC 50 values determined indicate the concentration of DP3 at which half-maximum inhibition of the binding of NPY to a receptor subtype is achieved.
- an IC 50 value of 73 + 25 nM was calculated.
- the competition curves at the Y5 and Yl receptors are characterized by a flat, biphasic course.
- the determined IC 50 values for Yl and Y5 with 328 nM ⁇ 141 (Yl) and 416 nM + 63 nM (Y5) are significantly higher than the IC 50 value for DP3 at the Y2 receptor. From the competition curves (Fig. 12, A and C) it is also clear that at a DP3 concentration of 1-10 nM about 10-20% of the binding of NPY to the Yl or Y5 receptor is inhibited. A complete competition of the complex formation of NPY and the receptor subtypes (Yl, Y5) is only achieved at a DP3 concentration of 1000 nM.
- the corresponding Kj values could be calculated from the calculated IC 50 values, taking into account the Kd value for NPY for the respective receptor subtype (cf. Table 4). Demzu- consequently, a Kj value of 1.3 nM shows an approximately 40-200 times higher DP3-dependent inhibition of the NPY / ⁇ 2 receptor interaction than the inhibition of NPY binding to the Y1 and Y5 receptors, although the Y2 Receptor has the highest affinity for NPY.
- IC 5 o values for the receptors were determined from the competition studies of DP3 in the cell culture system.
- the individual Kd values for NPY binding to the receptor subtypes Yl, Y2 and Y5 are taken from the literature (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000).
- Example 8 The selection and in vitro characterization of NPY-specific aptamers
- the neuropeptide hormone NPY is involved in a variety of physiological control processes in the human organism. Complex ligand-receptor interactions on different G-protein-coupled NPY receptor subtypes are necessary for the differential regulation of different target organs by a peptide.
- the stabilized 2 'amino-modified RNA aptamers were selected in vitro, which can bind the neuropeptide Y with high specificity in order to create a selective tool for characterizing the NPY-NPY receptor subtype interaction. Sequences of frequently selected structure motifs bind highly affinitely
- the affinity of the NPY aptamers for their target molecule is comparable to that of previous peptide selections.
- a Kd value of 19 nM for the HIV-1REV aptamer, for example, a Kd value of 19 nM (Xu and Ellington, 1996), for the substance P aptamer of 190 nM (Nieuwlandt, et al., 1995), for the CD18-cyt peptide aptamer of 500 nM (Blind, et al, 1999) and a Kd of 900 nM (Williams, et al., 1997) for the vasopressin aptamer.
- the HIV-1 REV aptamers show the highest affinity among the anti-peptide aptamers due to the high proportion of positively charged arginine residues (10 of the 17 amino acids in total) of the HIV-1 REV peptide, which is also a natural RNA binding partner.
- DP3 Since the aptamer DP 3 has the highest NPY affinity compared to the other representative sequences examined, DP3 was used for the further characterization of the NPY-aptamer interaction as well as for the subsequent NPY-NPY receptor subtype interaction.
- NPY N- and C-terminally shortened NPY variants
- mutant variants of NPY were examined (see Fig. 11).
- the full C-terminus in particular the amino acid arginine at position 33, is required for the interaction with the DP3 aptamer.
- the C-terminal epitope of NPY also represents the NPY interaction domain for the interaction with all receptor subtypes (see Fig. 2). Only biologically active NPY forms are bound by DP3.
- NPY fragments that only consist of parts of the C-terminus are neither complexed by DP3 (Fig.
- NPY 18-34 are missing the two terminal amino acids R35 and Y36 compared to the NPY 18-36 contract.
- IC 50 0.25 nM
- the affinity of DP3 to NPY 18-36 is also comparable to the affinity of DP3 to NPY.
- the complete C-terminus of the NPY is mandatory for the interaction with the receptors, but not sufficient. It is believed that there are various biologically active conformations of NPY that can selectively activate certain NPY receptor subtypes (Beck-Sickinger, 1996).
- DP3 can bind a selective Y2 receptor agonist (NPY 18-36) with high affinity
- NPY 18-36 selective Y2 receptor agonist
- NPY 13-36 and NPY 18-36: N-terminal shortened NPY variants
- NPY 18-34 N- and C-terminal shortened NPY variants
- NPY [Ahx 5 "24 ] substitution of the central amino acids 5 -24 by an aminohexanoic acid linker
- NPY [L 31 P 34 ] substitution of the amino acids at position 31 from isoleucine to leucine and at position 34 from glutamine to proline
- NPY [A 31 , Aib 32 ] substitution of the amino acids at position 31 from isoleucine to alanine and at position 32 from tyrosine to aminoisobutyric acid.
- binding affinities for NPY and for the NPY variants to the individual NPY receptors are taken from the publication Cabrele & Beck-Sickinger (2000) (cf. Tab. 1).
- Y2 receptor For the Y2 receptor, on the other hand, there is a monophasic curve, which corresponds to a receptor binding model based on a binding site.
- the attempt to compete on the Y2 receptor lacks the aptamer's initial high-affinity binding behavior at the NPY, which characterizes the DP3 concentration range of 1-5 nM at the Yl and Y5 receptors.
- NPY exists in different conformations that differentially activate certain receptor subtypes.
- the aptamer DP3 binds to the different conformations of the NPY with different affinities.
- the NPY conformation which activates the Y2 receptor, is a conformation bound by DP3 with a relatively high affinity.
- two active NPY conformations can be postulated for the receptors Y1 and Y5, one of DP3 highly affine and a second of DP3 very low affinity-bound NPY conformation.
- the comparison shows the strongest overall inhibition of the aptamer DP3 on the Y2 receptor and the strongest interaction of the aptamer with the NPY conformation activating the Y2 receptor. It cannot be clarified whether these different conformations are induced by the Y2 receptor and then preferentially recognized by the aptamer or induced and / or stabilized by the aptamer itself. Ultimately, on the basis of the competition studies alone, it cannot be ruled out that the different inhibition of the aptamer in the binding of the NPY to its receptors is solely due to different NPY conformations and not to the structural characteristics of the receptor subtypes themselves in the sense of a "low and high affinity binding site" is due.
- Arginine33 of the NPY is essential for aptamer binding
- the C-terminal binding region for the aptamer DP3 to NPY is red (red, in black and white representation, lighter gray: for Binding essential) is highlighted, whereby the color gradation shows the corresponding meaning of the individual amino acids for the complex formation of DP3 and NPY (black: AS not involved in the binding).
- a number of viral proteins contain arginine-rich epitopes, which represent the binding region for the natural nucleic acid ligands.
- Structural analysis of the RNA-peptide complexes by means of NMR spectroscopy has succeeded in elucidating the molecular interactions between the arginine residues of the peptides and the RNA aptamers and in defining a typical arginine binding motif.
- the peptides are located in the "major groove" of RNA. Specific interactions through hydrogen bonds between the guanine residues of the RNA and guanidinium groups of the arginine side chains of the peptides stabilize the complex.
- RNA aptamers which are unstructured in solution, are characterized by a defined architecture in the presence of the peptide (Hermann and Patel, 2000). For the HIV-1 Rev complex it was shown, for example by NMR analysis, that the structure of the peptide is also changed as a function of the nucleic acid ligand after the RNA binding.
- the HIV-1 REV peptide adopts an ⁇ -helical conformation after binding of a Rev aptamer (sequence family I), while the same peptide takes on an unfolded structure in complex with another Rev aptamer (sequence family II).
- a Rev aptamer sequence family I
- another Rev aptamer Rev aptamer
- For the MS2 coat protein it could be shown by X-ray crystal structure analysis that the protein has no conformational differences in comparison to the freely available MS2 coat protein despite the binding of a natural viral RNA or aptamer RNA. In this example, an induced fit mechanism only changes the structure of the RNA (Valegard et al., 1990), (Convery, et al., 1998).
- Example 9 Selection of aptamers binding to neuropeptide Y.
- NPY neuropeptide Y
- binding buffer 20 mM Tris pH 7.5, 100 mM NaCl, 5 mM MgCl 2 .
- the incubation time was 7 minutes at 22 ° C.
- the target molecule used was synthetic, biotinylated NPY which was coupled to beads coated with streptavidin (Magnetic Dynabeack Dynal).
- the pool used, ie the nucleic acid library used as the starting library, had the following structure: 5'- GGGATAGGATCCACATCTACGTATTA N30 TTCACTGCAGACTTGACGAAGCTT-3 ', N30 for 30 randomized positions with a balanced ratio of the four bases A, C, G and T of 1: 1: 1 stands.
- RNA and reverse transcription in cDNA was carried out according to protocols known to the person skilled in the art.
- the conditions for carrying out the PCR are: 45 sec at 94 ° C, 60 sec at 50 ° C and 90 sec at 72 ° C.
- the amplification for rounds 1-6 consisted of 20 PCR cycles or for the rounds 7 - 11 out of 16 PCR cycles.
- Non-binding RNA sequences were separated by washing with 500 ⁇ l binding buffer. The bound sequences were eluted using 51 ⁇ l H 2 O for 3 min at 98 ° C. The entire selection was carried out over 11 selection cycles.
- RNA formed in 50 ⁇ l transcription batches and labeled with 33 P-GTP was carried out using the Qiaquick nucleotide removal kit according to the manufacturer (Qiagen). Binding studies were carried out for 1 h at 37 ° C using an aliquot of 1 ⁇ l of the purified RNA in each binding assay.
- NCIH RndO represents the unselected pool
- NCIH Rnd6 the pool obtained after 6 rounds of selection
- NCIH Rndl 1 the pool obtained after 11 rounds of selection. It can be established that after 11 selection edges there is a considerable accumulation of aptamers that specifically bind to the target, which, although to a lesser extent, can already be observed after 6 rounds of selection.
- the above nucleic acids can contain at least one of the constant parts of the sequence of the starting library, i. H. fully or partially include the constant portion of the 5 'end (5' -GGGATAGGATCCACATCTACGTATTA) and / or the 3 'end (TTCACTGCAGACTTGACGAAGCTT-3').
- FIG. 15 shows, on the basis of various selected clones, the binding behavior as a function of the amount of target offered, ie NPY. It can be seen that, in the present case, clone NC1H11C29, for example, binds only slightly better than the starting pool, referred to in FIG. 15 as N30 Ellington Pool.
- the references cited here are as follows in detail:
- Neuropeptide Y inhibits Ca2 + influx into eultured dorsal root ganglion neurones of the rat via a Y2 reeeptor, Br J Pharmacol 103, 1781-9
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Abstract
Description
Neuropeptid bindende Nukleinsäuren Neuropeptide binding nucleic acids
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft Nukleinsäuren, die in der Lage sind, an Neuropeptid Y zu binden, sowie verschiedene Verwendungen derselben.The present invention relates to nucleic acids capable of binding to neuropeptide Y and various uses thereof.
Stand der TechnikState of the art
Neuropeptid YNeuropeptide Y
Das Neuropeptid Y wurde erstmals 1982 von Tatemoto aus Schweinehirn isoliert (Tatemoto et al, 1982). Zusammen mit dem Pankreatischen Polypeptid (PP) und dem Peptid YY (PYY) gehört NPY zur Familie der pankreatischen Polypeptide. Gemeinsames Merkmal dieser strukturverwandten, tyrosinreichen Peptide ist eine Sequenz von 36 Aminosäuren mit einem C- terminalem Tyrosinamidrest (vgl. Fig. 1) (Conlon et al, 1991), (Larhammar, 1996). Während NPY als Neurotransmitter im zentralen und peripheren Nervensystem fungiert, haben PYY und PP hauptsächlich Hormoncharakter (Michel et al, 1998). Hohe Konzentrationen an NPY sind vor allem im Gehirn, speziell im Hypothalamus, im Nucleus accumbens und in den Amygdala nachgewiesen worden (Chronwall, 1985), (O'Donohue et al, 1985).The neuropeptide Y was first isolated from porcine brain by Tatemoto in 1982 (Tatemoto et al, 1982). Together with the pancreatic polypeptide (PP) and the peptide YY (PYY), NPY belongs to the family of pancreatic polypeptides. A common feature of these structurally related, tyrosine-rich peptides is a sequence of 36 amino acids with a C-terminal tyrosinamide residue (cf. FIG. 1) (Conlon et al, 1991), (Larhammar, 1996). While NPY acts as a neurotransmitter in the central and peripheral nervous system, PYY and PP are mainly hormone-like (Michel et al, 1998). High concentrations of NPY have been detected especially in the brain, especially in the hypothalamus, in the nucleus accumbens and in the amygdala (Chronwall, 1985), (O'Donohue et al, 1985).
Das Neuropeptid Y ist ein evolutionär hoch konserviertes Peptid, was eine bedeutende Rolle in der Regulation von fundamentalen physiologischen Funktionen vermuten läßt. So unterscheiden sich das NPY von Schwein und Mensch nur in einer einzigen Aminosäure an Position 17 (hNPY: Methionin, pNPY: Leucin). Selbst die NPY-Sequenz des entwicklungsgeschichtlich sehr weit entfernten Rochen {Torpedo mamorata) ist in 33 der 36 Positionen identisch mit dem humanen NPY (Larhammar, 1996).The neuropeptide Y is an evolutionarily highly conserved peptide, which suggests an important role in the regulation of fundamental physiological functions. The pig and human NPY differ only in a single amino acid at position 17 (hNPY: methionine, pNPY: leucine). Even the NPY sequence of the ray (Torpedo mamorata), which is very distant in terms of development, is identical to the human NPY in 33 of the 36 positions (Larhammar, 1996).
Struktur und Funktion von NPYStructure and function of NPY
Das dreidimensionale Strukturmodell von NPY basiert auf Röntgenkristallstrukturdaten für das Pankreatische Polypeptid des Truthahns (aPP) (Glover et al, 1983), auf vergleichenden Sekundärstrukturuntersuchungen von NPY und aPP mittels Cirkulardichroismus (Tonan et al, 1990) und auf 2-D NMR-Analysen (Saudek und Pelton, 1990), (Darbon et al, 1992). Dieses Modell stimmt weitgehend mit der durch molekulares Modelling generierten Struktur von Allen und Mitarbeitern überein (Allen et al, 1987).The three-dimensional structural model of NPY is based on X-ray crystal structure data for the pancreatic polypeptide of turkey (aPP) (Glover et al, 1983), on comparative secondary structure studies of NPY and aPP using circular dichroism (Tonan et al, 1990) and on 2-D NMR analyzes ( Saudek and Pelton, 1990), (Darbon et al, 1992). This model largely agrees with the structure of Allen and co-workers generated by molecular modeling (Allen et al, 1987).
Dabei ist eine N-terminale Polyprolinhelix (AS 1-8) antiparallel über einen ß-Turn (AS 9-14) mit einer -Helix verbunden (AS 15-32). Während die beiden Helices durch hydrophobe Wechselwirkungen eng assoziert sind, ist der C-Terminus relativ frei beweglich. Dieses als "PP"-Faltung bezeichnete haamadelförmige Motiv ist charakteristisch für alle Mitglieder der pankreatischen Polypeptidfamilie (Monks et al, 1996).An N-terminal polyproline helix (AS 1-8) is connected antiparallel via a ß-turn (AS 9-14) with a -helix (AS 15-32). While the two helices are closely associated by hydrophobic interactions, the C-terminus is relatively free to move. This hairpin-shaped motif, referred to as the "PP" fold, is characteristic of all members of the pancreatic polypeptide family (Monks et al, 1996).
NPY ist bei der Steuerung einer Vielzahl von physiologischen und pathophysiologischen Prozessen von Bedeutung: Die NPY-Freisetzung führt beispielsweise zur Steigerung der Nahrungsaufnahme (Inui, 1999), (Loftus et al, 2000), zur Hemmung der Lipolyse, zur Erhöhung der Aktivität der Lipoproteinlipase und damit zur Steigerung der Fettspeicherung (Ingenhoven und Beck- Sickinger, 1999). NPY moduliert innerhalb des zentralen Nervensystems (ZNS) die Steigerung der Sekretion von luteinisierendem Hormon und Insulin sowie die Reduktion der Sekretion von Wachstumshormonen (Kalra et al, 1992), (McDonald et al, 1985), (Moltz und McDonald, 1985). Aufgrund dieser Erkenntnisse wird NPY eine bedeutende Rolle in der Pathophysiologie von Fettleibigkeit und Diabetes zugeschrieben. Im peripheren Nervensystem wirkt NPY direkt gefäßverengend bzw. potenziert die vasokonstriktorische Wirkung von Noradrenalin und Angio- tensin II (Maturi et al, 1989), (Wahlestedt und Hakanson, 1986), (Lundberg et al, 1987). Desweiteren verstärkt NPY Gedächtnisleistungen (Flood et al, 1989) und reguliert den zirkadianen Rhythmus von Säugern (Hall et al, 1999). Vergleichende Studien mit NPY-defizienten und NPY überexprimierenden Mäusen zeigten, daß der experimentelle Alkoholkonsum von Mäusen umgekehrt proportional zu dem NPY-Spiegel im Gehirn ist. Tiere mit normaler NPY-Expression hatten eine geringere Präferenz für Alkohol und reagierten empfindlicher auf dessen hypnotische Eigenschaften (Thiele et al, 1998).NPY is important in controlling a large number of physiological and pathophysiological processes: The NPY release leads, for example, to an increase in food intake (Inui, 1999), (Loftus et al, 2000), to an inhibition of lipolysis, to an increase in the activity of lipoprotein lipase and thus to increase fat storage (Ingenhoven and Beck-Sickinger, 1999). NPY modulates within the central nervous system (CNS) the increase in the secretion of luteinizing hormone and insulin and the reduction in the secretion of growth hormones (Kalra et al, 1992), (McDonald et al, 1985), (Moltz and McDonald, 1985). Based on these findings, NPY has been assigned an important role in the pathophysiology of obesity and diabetes. In the peripheral nervous system, NPY has a direct vasoconstrictive effect or potentiates the vasoconstrictive effects of noradrenaline and angiotensin II (Maturi et al, 1989), (Wahlestedt and Hakanson, 1986), (Lundberg et al, 1987). NPY also enhances memory performance (Flood et al, 1989) and regulates the circadian rhythm of mammals (Hall et al, 1999). Comparative studies with NPY deficient and NPY overexpressing mice showed that the experimental alcohol consumption of mice is inversely proportional to the NPY level in the brain. Animals with normal NPY expression had a lower preference for alcohol and were more sensitive to its hypnotic properties (Thiele et al, 1998).
Die Beteiligung des NPY bei der Steuerung von verschiedenen physiologischen Prozessen erfordert mechanistisch eine komplexe Signaltransduktion zur Generierung von selektiven Steuerungssignalen in den einzelnen Effektororganen. Dabei wird angenommen, daß die unterschiedlichen Rezeptorsubtypen durch die Bindung verschiedener NPY-Konformationen und spezifischer Aminosäureseitenkettenreste des Neuropeptidhormons selektiv aktiviert werden können (Beck-Sickinger, 1996). Neuropetid Y-RezeptorenThe involvement of the NPY in the control of various physiological processes mechanistically requires a complex signal transduction to generate selective control signals in the individual effector organs. It is assumed that the different receptor subtypes can be selectively activated by binding different NPY conformations and specific amino acid side chain residues of the neuropeptide hormone (Beck-Sickinger, 1996). Neuropetid Y receptors
Man unterscheidet derzeit sechs NPY-Rezeptorsubtypen, wobei fünf davon bereits Moniert sind (Yl, Y2, Y4, Y5 und Y6). Pharmakologische Untersuchungen legen die Existenz eines weiteren, als Y3-bezeichneten Rezeptor, nahe (Cabrele und Beck-Sickinger, 2000). Die NPY-Rezeptoren gehören zur Familie der G-Protein-gekoppelten, heptahelikalen Membranrezeptoren (Michel, et al, 1998). Die Rezeptoren sind in den verschiedensten Geweben lokalisiert, wobei besonders hohe Expressionsdichten für Blutgefäße, Nieren, Pankreas, Darm, und Gehirn charakteristisch sind (Ingenhoven und Beck-Sickinger, 1999). Die Aktivierung der NPY-Rezeptoren fuhrt in fast allen untersuchten Geweben und Zellen zur Hemmung der Adenylatzyklase und damit zur Akkumulation von zyklischem AMP (cAMP) (Beck-Sickinger, 1996). Daneben sind weitere Signalantworten beschrieben, so die Hemmung von Ca++-Kanälen in Neuronen (Walker et al, 1988), die Modulation von K+-Kanälen in Kardiomyozyten (Bleakman et al, 1991) sowie die Freisetzung von Ca++ aus intrazellulären Speichern (Perney und Miller, 1989). Aus historischer Sicht wurden die Rezeptoren, die nur durch das Holopeptid-NPY aktiviert werden können, als Yl -Rezeptoren bezeichnet, während die auch durch C-terminale NPY-Fragmente, wie z. B. NPY 13-36 und NPY 18-36, aktivierbaren Rezeptoren der Y2 -Klasse zugeordnet wurden.There are currently six NPY receptor subtypes, five of which are already cloned (Yl, Y2, Y4, Y5 and Y6). Pharmacological studies suggest the existence of another receptor called Y3 (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000). The NPY receptors belong to the family of G protein-coupled, heptahelical membrane receptors (Michel, et al, 1998). The receptors are localized in a wide variety of tissues, with particularly high expression densities for blood vessels, kidneys, pancreas, intestine and brain being characteristic (Ingenhoven and Beck-Sickinger, 1999). The activation of the NPY receptors leads to inhibition of the adenylate cyclase in almost all examined tissues and cells and thus to the accumulation of cyclic AMP (cAMP) (Beck-Sickinger, 1996). In addition, further signal responses are described, such as the inhibition of Ca ++ channels in neurons (Walker et al, 1988), the modulation of K + channels in cardiomyocytes (Bleakman et al, 1991) and the release of Ca ++ from intracellular Save (Perney and Miller, 1989). Historically, the receptors that can only be activated by the holopeptide NPY have been referred to as Yl receptors, while those that are also activated by C-terminal NPY fragments, such as. B. NPY 13-36 and NPY 18-36, activatable receptors of the Y2 class have been assigned.
Aufgrund der Beteiligung von NPY an zahlreichen zentralen und peripheren Effekten kommt der Entwicklung von rezeptorsubtypspezifischen Wirkstoffen besondere Bedeutung zu. Voraussetzung dafür ist eine detaillierte Charakterisierung der unterschiedlichen Rezeptorsubtyp-Ligand- Komplexe.Due to the involvement of NPY in numerous central and peripheral effects, the development of receptor-subtype-specific active substances is of particular importance. A prerequisite for this is a detailed characterization of the different receptor subtype-ligand complexes.
Charakterisierung der Rezeptor-Ligand WechselwirkungCharacterization of the receptor-ligand interaction
Generell sind strukturelle Aussagen bezüglich der Aktivierung G-Protein-gekopp elter Rezeptoren sehr schwierig. Mit der vor kurzem gelösten, ersten Röntgenkristallstruktur eines G-Protein- gekoppelten Rezeptors, dem Rhodopsin, wurde ein Meilenstein auf dem Weg zur Aufklärung der Interaktion von Rezeptor und Ligand für diesen speziellen Fall erzielt (Palczewski et al, 2000).In general, structural statements regarding the activation of G protein-coupled receptors are very difficult. The recently resolved first X-ray crystal structure of a G protein-coupled receptor, rhodopsin, was a milestone on the way to elucidating the interaction of receptor and ligand for this special case (Palczewski et al, 2000).
Aufgrund der Homologie zwischen den unterschiedlichen G-Protein gekoppelten Rezeptoren sind bedingt auch Rückschlüsse auf die funktionellen Domänen von NPY-Rezeptoren möglich. Über die molekularen Mechanismen der Signalübertragung, die genauen Bindungsstellen und die spezifischen NPY-NPY-Rezeptorsubtypwechselwirkungen ist bisher jedoch wenig bekannt. De- ren genaue Charakterisierung erfordert den Einsatz von alternativen Untersuchungsmethoden. Durch indirekte Methoden, wie Mutagenesen innerhalb der Transmembranregionen und der extrazellulären Loops der Rezeptoren, wurde eine Vielzahl der Struktur-Funktionsbeziehungen von NPY mit den verschiedenen Rezeptorsubtypen aufgeklärt (Cabrele und Beck-Sickinger, 2000). Die Entwicklung von anti-Rezeptor-Antikörpern sollte weitere Einblicke in die strukturellen Verhältnisse von Rezeptor und Ligand ermöglichen (Eckard et al, 1999). Obwohl die großen Immunglobuline spezifisch an einen Rezeptorsubtyp binden können, sind sie oft nicht in der Lage, den natürlichen Liganden kompetitiv zu inhibieren. Durch die Bindung des Antikörpers an den Rezeptor kann eine Signalübertragung ausgelöst werden, welche normalerweise nur nach Aktivierung durch ein Hormon oder Neurotransmitter stattfindet (Strosberg, 1992). Auch durch Modifikationen der Primär- und demzufolge der Sekundär- und Tertiärstruktur des natürlichen Liganden NPY konnten weitere Erkenntnisse über die Wechselwirkungen von Rezeptor und Ligand gesammelt werden. Der systematische Austausch der 36 Aminosäuren des NPY gegen A- lanin (sog. Alaninscan) sowie verschiedene Aminosäuredeletionen und Aminosäuresubstitutionen führte zur Identifizierung von für die Ligand-Rezeptor-Interaktion wichtigen Aminosäuren (Cabrele und Beck-Sickinger, 2000).Due to the homology between the different G protein-coupled receptors, it is also possible to draw conclusions about the functional domains of NPY receptors. However, little is known about the molecular mechanisms of signal transmission, the precise binding sites and the specific NPY-NPY receptor subtype interactions. de- Exact characterization requires the use of alternative investigation methods. Indirect methods, such as mutagenesis within the transmembrane regions and the extracellular loops of the receptors, have elucidated a large number of the structure-function relationships of NPY with the different receptor subtypes (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000). The development of anti-receptor antibodies should provide further insight into the structural relationships between receptor and ligand (Eckard et al, 1999). Although the large immunoglobulins can specifically bind to a receptor subtype, they are often unable to competitively inhibit the natural ligand. Binding of the antibody to the receptor can trigger a signal transmission that normally only takes place after activation by a hormone or neurotransmitter (Strosberg, 1992). Modifications to the primary and, consequently, the secondary and tertiary structure of the natural ligand NPY also provided further insights into the interactions between receptor and ligand. The systematic exchange of the 36 amino acids of the NPY for alanine (so-called alanine scan) as well as various amino acid deletions and amino acid substitutions led to the identification of amino acids important for the ligand-receptor interaction (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000).
Für die Interaktion des Yl -Rezeptors mit dem NPY sind sowohl N- als auch C-Terminus des Peptides erforderlich, während im Falle des Y2-Rezeptors kurze Fragmente des C-Terminus (z.B. NPY 18-36) die Bindungsdomäne für NPY darstellen. Der Y5-Rezeptor kann neben dem Holopeptid-NPY auch durch partiell N-terminal-deletierte Varianten (z.B. NPY 2-36) des NPY's aktiviert werden. Ein vielversprechender Ansatz zur Klärung der physiologischen und pathophy- siologischen Rolle von NPY ist die Entwicklung von hochaffinen und spezifischen Nichtpeptid- Antagonisten als "pharmakologische Werkzeuge".Both the N and the C terminus of the peptide are required for the interaction of the Y1 receptor with the NPY, while in the case of the Y2 receptor short fragments of the C terminus (e.g. NPY 18-36) represent the binding domain for NPY. In addition to the holopeptide NPY, the Y5 receptor can also be activated by partially N-terminally deleted variants (e.g. NPY 2-36) of the NPY. A promising approach to clarify the physiological and pathophysiological role of NPY is the development of highly affine and specific non-peptide antagonists as "pharmacological tools".
Der Yl -RezeptorThe Yl receptor
Die mRNA des Yl -Rezeptors konnte im Gehirn (Hippocampus, Thalamus, Amygdala und Cor- tex) sowie in den peripheren Organen wie Herz, Niere, Milz und Lunge nachgewiesen werden. Die Aktivierung des Yl -Rezeptors löst eine lang anhaltende Vasokonstriktion aus und verstärkt die Wirkung anderer gefäßverengender Substanzen wie Angiotensin II und Noradrenalin (Buschauer, 2000). Auch bei der Regulation der Nahrungsaufnahme scheint dem Yl-Rezeptor neben anderen Rezeptorsubtypen eine bedeutende Rolle zuzukommen (Inui, 1999). Die vom zentralem Nervensystem vermittelten Wirkungen der Anxiolyse und Sedation werden vom Yl- Rezeptor moduliert (Heilig et al, 1993). Das pharmakologische Profil des Yl-Rezeptors ist durch eine hohe Affinität zum NPY (IC50: 0,2 nM) und dem PYY (IC50: 0,7 nM) sowie zur NPY- Mutante NPY [P34] mit einem IC50-Wert von 0,5 nM charakterisiert. Bei dieser NPY-Mutante wurde der Glutammseitenkettenrest an Position 34 durch einen Prolinrest substituiert und so ein selektiver Yl -Rezeptor Agonist geschaffen. Im Gegensatz dazu wurde eine stark reduzierte Affinität des Yl-Rezeptors zu N-terminal verkürzten Varianten von NPY und PYY beobachtet. Das um eine Aminosäure N-terminal verkürzte NPY (NPY 2-36) zeigt eine 75-fach schlechtere Yl- Rezeptor- Affinität im Vergleich zum NPY. Die Affinität noch kürzerer NPY-Varianten liegt mit Kd- Werten im mikromolarem Bereich z. B. NPY 3-36, NPY 13-36, NPY 18-36. Als erster Yl- selektiver NPY Antagonist mit einer Affinität im nanomolarem Bereich wurde das D- Argininderivat BIBP 3226 beschrieben (Cabrele und Beck-Sickinger, 2000).The mRNA of the Yl receptor was detected in the brain (hippocampus, thalamus, amygdala and cortex) as well as in the peripheral organs such as the heart, kidney, spleen and lungs. Activation of the Yl receptor triggers a long-lasting vasoconstriction and increases the effects of other vasoconstricting substances such as angiotensin II and noradrenaline (Buschauer, 2000). In addition to other receptor subtypes, the Yl receptor also seems to play an important role in regulating food intake (Inui, 1999). The effects of anxiolysis and sedation mediated by the central nervous system are Receptor modulated (Heilig et al, 1993). The pharmacological profile of the Yl receptor is characterized by a high affinity for NPY (IC 50 : 0.2 nM) and PYY (IC 50 : 0.7 nM) as well as for the NPY mutant NPY [P 34 ] with an IC 50 - Characterized value of 0.5 nM. In this NPY mutant, the glutamine side chain residue at position 34 was substituted by a proline residue, creating a selective Yl receptor agonist. In contrast, a strongly reduced affinity of the Yl receptor for N-terminally shortened variants of NPY and PYY was observed. The NPY (NPY 2-36) truncated by an amino acid N-terminal shows a 75-fold worse Yl receptor affinity compared to the NPY. The affinity of even shorter NPY variants with Kd values lies in the micromolar range z. B. NPY 3-36, NPY 13-36, NPY 18-36. The D-arginine derivative BIBP 3226 was described as the first Yl-selective NPY antagonist with an affinity in the nanomolar range (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000).
Der Y2 -RezeptorThe Y2 receptor
Der Y2 -Rezeptor ist im Nervensystem vor allem zentral lokalisiert, wobei er in hoher Dichte im Hippocampus gefunden wird (Dumont et al, 1992). Zahlreiche über ihn vermittelte Effekte beruhen auf einer Hemmung von Neurotransmitterfreisetzung. NPY inhibiert durch den Angriff an präsynaptischen Y2 -Rezeptoren die Freisetzung von Glutamat im ZNS sowie die Freisetzung von Noradrenalin und Acetylcholin im peripheren Nervensystem. Selektive Agonisten (vgl. Tab. 1) sind trunkierte NPY-Peptide, NPY 13-36 (IC50: 0,32 nM), NPY18-36 (IC50: 0,25 nM) und NPY [Ahx5"24] (IC50: 2 nM). Bei der zentral verkürzten NPY- Variante NPY [Ahx5"24] wurden die Aminosäuren 5-24 durch einen Aminohexansäurespacer ersetzt. Erst kürzlich ist es gelungen, den ersten selektiven Y2-Rezeptor-Antagonisten BIIE0246 mit einer Affinität von IC50: 3,3 nM zu entwickeln (Dumont et al, 2000).The Y2 receptor is primarily located centrally in the nervous system, although it is found in high density in the hippocampus (Dumont et al, 1992). Numerous effects mediated by it are based on inhibition of neurotransmitter release. By attacking presynaptic Y2 receptors, NPY inhibits the release of glutamate in the CNS and the release of norepinephrine and acetylcholine in the peripheral nervous system. Selective agonists (see Table 1) are truncated NPY peptides, NPY 13-36 (IC 50 : 0.32 nM), NPY18-36 (IC 50 : 0.25 nM) and NPY [Ahx 5 "24 ] ( IC 50 : 2 nM) In the centrally shortened NPY variant NPY [Ahx 5 "24 ], amino acids 5-24 were replaced by an aminohexanoic acid spacer. It was only recently possible to develop the first selective Y2 receptor antagonist BIIE0246 with an affinity of IC 50 : 3.3 nM (Dumont et al, 2000).
Der Y5 - RezeptorThe Y5 receptor
Die Y5-mRNA wurde fast ausschließlich im Gehirn nachgewiesen, vor allem in Arealen, die für die Appetitregulation wichtig sind (Gerald et al, 1996). Durch die Einführung von Alanin an Position 31 und Aminoisobuttersäure (Aib) an Position 32 wurde ein hochselektiver Y5- Rezeptoragonist geschaffen, der weder an Yl noch an Y2 bindet. Man geht davon aus, daß die biologisch aktive Konformation des C-Terminus von NPY am Y5-Rezeptor durch eine spezielle turn-Struktur charakterisiert ist, welche durch das Dipetid Ala-Aib induziert oder stabilisiert wird (Cabrele et al, 2000). Vor der Entdeckung des Y5-Rezeptors vermutete man, daß Yl und ein Y- 1 ähnlicher Rezeptor für die Appetit steigernde Wirkung von NPY verantwortlich ist. Später fand man, daß das N-terminal verkürzte NPY-Derivat NPY 2-36, welches eine niedrige Affinität zum Yl-Reteptor besitzt, aber noch stärker die Nah ngsaufnahme stimuliert als das NPY, eine hohe Affinität zu einem neuen NPY-Rezeptor, dem Y5-Subtyp, aufweist (Buschauer, 2000). Durch die Gabe von selektiven Y5-Antagonisten (CGP 71683 A) ließ sich die Nahmngsaufnahme hemmen. Die Beobachtungen an Y5 und Yl Knock-out-Mäuse haben die Bedeutung von NPY in der Regulation der Nahrungsaufnahme in Frage gestellt. Weder Yl- noch Y5-Rezeptor- defiziente Mäuse verlieren an Körpergewicht (Inui, 1999). Es wird eine Beteiligung weiterer Faktoren und Rezeptoren diskutiert.The Y5 mRNA was detected almost exclusively in the brain, especially in areas that are important for appetite regulation (Gerald et al, 1996). The introduction of alanine at position 31 and aminoisobutyric acid (Aib) at position 32 created a highly selective Y5 receptor agonist that does not bind to either Yl or Y2. It is assumed that the biologically active conformation of the C-terminus of NPY at the Y5 receptor is characterized by a special turn structure, which is induced or stabilized by the dipetid Ala-Aib (Cabrele et al, 2000). Before the discovery of the Y5 receptor, it was thought that Yl and a Y-1-like receptor are responsible for the appetite-increasing effects of NPY. Later It was found that the N-terminally truncated NPY derivative NPY 2-36, which has a low affinity for the Yl reteptor but which stimulates close up absorption even more than the NPY, has a high affinity for a new NPY receptor, the Y5 Subtype, has (Buschauer, 2000). The uptake could be inhibited by the administration of selective Y5 antagonists (CGP 71683 A). The observations on Y5 and Yl knock-out mice have questioned the importance of NPY in regulating food intake. Neither Yl nor Y5 receptor-deficient mice lose body weight (Inui, 1999). The involvement of other factors and receptors is discussed.
Tabelle 1 zeigt eine Zusammenfassung der Charakteristika der NPY-Rezeptorsubtypen. Die Angaben in Klammern beziehen sich auf den ICsQ-Wert. Gmndlage für die Aufstellung dieser Daten war die Übersichtsartikel von Cabrele 2000 (Cabrele und Beck-Sickinger, 2000)Table 1 shows a summary of the characteristics of the NPY receptor subtypes. The information in brackets relates to the ICsQ value. The basis for the compilation of this data was the review article by Cabrele 2000 (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000)
Tabelle 1 : Charakterisierung der NPY-Rezeptorsubtypen. Die Aufgabe der Erfindung Table 1: Characterization of the NPY receptor subtypes. The object of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mittel bereitzustellen, das in der Lage ist, an Neuropeptid Y sowie Fragmente desselben zu binden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrande, ein Mittel bereitzustellen, das eine Differenzierung der verschiedenen NPY-Rezeptorsubtypen erlaubt.The present invention has for its object to provide an agent that is able to bind to neuropeptide Y and fragments thereof. Furthermore, the invention is based on the object of providing a means which allows differentiation of the different NPY receptor subtypes.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in einem ersten Aspekt gelöst durch eine Nukleinsäure, insbesondere eine isolierte Nukleinsäure, bindend Neuropeptid Y oder ein Derivat davon und Derivate dieser Nukleinsäure.According to the invention, the object is achieved in a first aspect by a nucleic acid, in particular an isolated nucleic acid, binding neuropeptide Y or a derivative thereof and derivatives of this nucleic acid.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Derivat von Neuropeptid Y der C-terminale Teil von Neuropeptid Y ist, insbesondere der Teil umfassend mindestens die Aminosäurepositionen 24 bis 36.In one embodiment it is provided that the derivative of neuropeptide Y is the C-terminal part of neuropeptide Y, in particular the part comprising at least amino acid positions 24 to 36.
In einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Nukleinsäure, insbesondere isolierte Nukleinsäure, die hinsichtlich ihres Bindungsverhaltens zwischen den Mitgliedern der pankreatischen Polypeptidfamilie diskriminiert.In a second aspect, the object is achieved by a nucleic acid, in particular isolated nucleic acid, which discriminates in terms of its binding behavior between the members of the pancreatic polypeptide family.
In einem dritten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Nukleinsäure, insbesondere isolierte Nukleinsäure, die die Wechselwirkung zwischen dem Neuropeptid Y-Rezeptor Y2 und einen Liganden des Neuropeptid Y-Rezeptors Y2 inhibiert.In a third aspect, the object is achieved by a nucleic acid, in particular isolated nucleic acid, which inhibits the interaction between the neuropeptide Y receptor Y2 and a ligand of the neuropeptide Y receptor Y2.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Ligand ausgewählt ist aus der Gruppe, der NPY, hPP und BIIE 0246 umfasst.In a preferred embodiment it is provided that the ligand is selected from the group comprising NPY, hPP and BIIE 0246.
In einem vierten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Nukleinsäure, insbesondere isolierte Nukleinsäure, bindend an verschiedene Konformationen von Neuropeptid Y. In einem fünften Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch Nukleinsäure, insbesondere isolierte Nukleinsäure, bindend an die Konformation von Neuropeptid Y, die den Neuropeptid Y- Rezeptor Y2 aktiviert.In a fourth aspect, the object is achieved by a nucleic acid, in particular isolated nucleic acid, which binds to different conformations of neuropeptide Y. In a fifth aspect, the object is achieved by nucleic acid, in particular isolated nucleic acid, binding to the conformation of neuropeptide Y, which activates the neuropeptide Y receptor Y2.
In Ausführangsform der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Nukleinsäure eine Sequenz umfasst, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die SEQ H> NO: 1-18 und 44-64 und deren Derivate umfasst.In an embodiment of the various aspects of the present invention, it is provided that the nucleic acid comprises a sequence which is selected from the group comprising SEQ H> NO: 1-18 and 44-64 and their derivatives.
In einer weiteren Ausführangsform ist vorgesehen, dass die Nukleinsäure eine solche ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die DNA, RNA, Polynukleotide, Oligonukleotide, Aptamer, Ap- tazyme und Intramere umfaßt.In a further embodiment it is provided that the nucleic acid is one that is selected from the group comprising DNA, RNA, polynucleotides, oligonucleotides, aptamers, apazymes and intramers.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren ist vorgesehen, dass die Derivate der Nukleinsäure wenigstens eine modifizierte Verbindungsgrappe, bevorzugterweise wenigstens eine modifizierte Verbindungsgruppe im Zuckerphosphatrückgrat und/oder wenigstens einen modifizierten Zuckerrest und/oder wenigstens eine modifizierte Base oder eine oder mehrere Kombinationen davon umfaßt.In one embodiment of the nucleic acids according to the invention it is provided that the derivatives of the nucleic acid comprise at least one modified connecting group, preferably at least one modified connecting group in the sugar phosphate backbone and / or at least one modified sugar residue and / or at least one modified base or one or more combinations thereof.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren ist vorgesehen, dass die modifizierte Base ausgewählt ist aus der Gruppe , die 5- Fluoraracil, 5-Bromuracil, 5- Chloraracil, 5-Ioduracil, Hypoxanthin, Xanthin, Ethenoadenosin, 4-Acetylcytosin, 5- (Carboxyhydroxylmethyl)uracil, 5- Carboxymethylaminomehtyl-2-thio-uridin, 5- Carboxy- methylaminomethyluracil, Dihydrouracil, ß-D-Galactosylqueosin, Inosin, N6-Isopentenyladenin, 1-Methyladenin, 1- Methylpseudouracil, 1-Methylguanin, 1-Methylinosin, 2,2-Dimethylguanin, 2-Methyladenin, 2-Ethylguanin, 3-Methylcytosin, 5-Methylcytosin, N6-Methyladenin, 7- Methylguanin, 5-Methylaminomethyluracil, 5-Methoxyaminomethyl-2-thiouracil, ß-D- Mannosylqueosin, 5 '-Methoxycarbonylmethyluracil, 5-Methoxyuracil, 2-Methylthio-N6- Isopentenyladenin, Uracil-5-oxyesseigsäuremethylester, Uracil-5-oxyessigsäure, Pseudouracil, Queosin, 3-Thiocytosin, 5-Methyl-2-thiouracil, 2-Thiouracil, 4-Thiouracil, 5-Methyluracil, Ura- cil-5-oxyessigsäuremethylester, Uracil-5-oxyessigsäure, 3(3-Arnino-3-N-2-carboxypropyl)Uracil und 2,6-Diaminopurin. In einer weiteren Ausführangsform der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren ist vorgesehen , dass diese mindestens eine Modifikation oder Markierung am 5'- und/oder 3 '-Ende, wobei bevorzugterweise die Modifikation und/oder die Markierung ausgewählt ist aus der Grappe, die die Biotingrappe; die Digoxygeningrappe; Fluoreszenzfarbstoffe, insbesondere Fluorescein und Rho- damin; Psoralen; Thiolgrappe(n), Aminogruppe(n), Ethylenglykolgrappe(n)- oder Choleste- rylgrappe(n) enthält.In a preferred embodiment of the nucleic acids according to the invention it is provided that the modified base is selected from the group consisting of 5-fluoroaracil, 5-bromouracil, 5-chloroaracil, 5-ioduracil, hypoxanthine, xanthine, ethenoadenosine, 4-acetylcytosine, 5- ( Carboxyhydroxylmethyl) uracil, 5-carboxymethylaminomethyl-2-thio-uridine, 5-carboxymethylaminomethyluracil, dihydrouracil, ß-D-galactosylqueosine, inosine, N6-isopentenyladenine, 1-methyladenine, 1-methylpseudouracil, 1-methylguanine, 1-methylguanine 2,2-dimethylguanine, 2-methyladenine, 2-ethylguanine, 3-methylcytosine, 5-methylcytosine, N6-methyladenine, 7-methylguanine, 5-methylaminomethyluracil, 5-methoxyaminomethyl-2-thiouracil, ß-D-mannosylqueosine, 5 ' -Methoxycarbonylmethyluracil, 5-methoxyuracil, 2-methylthio-N6-isopentenyladenine, uracil-5-oxyacetic acid, methyl ester, uracil-5-oxyacetic acid, pseudouracil, queosin, 3-thiocytosine, 5-methyl-2-thiouracilil, 2-thiouracil , 5-methyluracil, uracil-5-oxyessi methyl acid, uracil-5-oxyacetic acid, 3 (3-arnino-3-N-2-carboxypropyl) uracil and 2,6-diaminopurine. In a further embodiment of the nucleic acids according to the invention, it is provided that they have at least one modification or label at the 5 'and / or 3' end, the modification and / or label preferably being selected from the group which comprises the biotin group; the digoxygenine cluster; Fluorescent dyes, in particular fluorescein and rhodamine; psoralen; Contains thiol group (s), amino group (s), ethylene glycol group (s) - or cholesteryl group (s).
In einer noch weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren ist vorgesehen, dass die modifizierte Verbindungsgrappe ausgewählt ist aus der Grappe, die Phosphomono- oder Phosphodithioate, Alkylphosphonate, Arylphosphonate, Phosphoroamidate, Phosphattriester, bevorzugterweise P(O)-Alkylderivate; Verbindungsgrappen, in denen Sauerstoffatome in der durch die Phosphatgrappe gebildetet Brücke zwischen den Zuckern durch andere Bindungen ersetzt werden, bevorzugterweise NH-, CH2- oder S-P- Verbindungen, bevorzugtererweise 3'- NHP(O)-(O")O-5 'phosphoramidate; Dephosphointemukleotidverbindungen, bevorzugterweise Acetamidat-, Carbamatverbindungen oder Peptidnukleinsäuren (PNA) umfaßt.In a still further embodiment of the nucleic acids according to the invention it is provided that the modified group of compounds is selected from the group of grapes, the phosphomono- or phosphodithioates, alkylphosphonates, arylphosphonates, phosphoroamidates, phosphate triesters, preferably P (O) -alkyl derivatives; Compound groups in which oxygen atoms in the bridge between the sugars formed by the phosphate group are replaced by other bonds, preferably NH, CH 2 or SP compounds, more preferably 3'-NHP (O) - (O " ) O-5 'phosphoramidates; dephosphointemucleotide compounds, preferably acetamidate, carbamate compounds or peptide nucleic acids (PNA).
In einer Ausführangsform der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren ist vorgesehen, dass der modifizierte Zuckerrest ausgewählt ist aus der Gmppe, die 2'-Azido-2'-Deoxy-, 2'-Amino-2'-Deoxy-, 2'-Fluoro-2'-Deoxy-, 2'-Chloro-2'-Deoxy, 2'-O-Methyl, 2'-O-Allyl-, 2'-C-Fluoromethyl- Grappen und/oder Modifikationen umfaßt.In one embodiment of the nucleic acids according to the invention it is provided that the modified sugar residue is selected from the group consisting of 2'-azido-2'-deoxy, 2'-amino-2'-deoxy, 2'-fluoro-2'- Deoxy-, 2'-chloro-2'-deoxy, 2'-O-methyl, 2'-O-allyl, 2'-C-fluoromethyl grappa and / or modifications.
In einem sechsten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Nukleinsäure zur Herstellung eines Medikamentes.In a sixth aspect, the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention for the manufacture of a medicament.
In einem siebten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Nukleinsäure zur Herstellung eines Medikamentes für die Behandlung von Erkrankungen oder Zuständen, bei denen eine Inhibierung der Wechselwirkung zwischen dem Neuropeptid Y oder einem Derivat davon und einem Neuropeptid Y-Rezeptor zu einer Verändemng der Erkrankung oder des Zustandes führt.In a seventh aspect, the object is achieved by the use of a nucleic acid according to the invention for the manufacture of a medicament for the treatment of diseases or conditions in which an inhibition of the interaction between the neuropeptide Y or a derivative thereof and a neuropeptide Y receptor leads to a change in the Disease or condition.
In einem achten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Nukleinsäure, insbesondere zur Herstellung eines Medikamentes, zur Verringerung der Wir- kung von Neuropeptid Y in einem Organismus, insbesondere in einem menschlichen oder tierischen Organismus.In an eighth aspect, the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention, in particular for the production of a medicament, for reducing the effectiveness. tion of neuropeptide Y in an organism, in particular in a human or animal organism.
In einem neunten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Nukleinsäure, insbesondere zur Herstellung eines Medikaments, zur Verringerang der Nahrungsaufnahme, zur Förderung der Lipolyse, zur Verringerang der Aktivität der Lipoprotease, zur Verringerang der Fettspeicherang, zur Verringerang der Sekretion von luteinisierendem Hormon, zur Verringerang der Sekretion von Insulin, zur Erhöhung der Sekretion von Wachstumshormon, zur Gefäß erweiterang, zur Verringerang der vasokonstriktorischen Wirkung von Noradrenalin, zur Verringerang der vasokonstriktorischen Wirkung von Angiotensin und zur Beeinflussung des zirkadianen Rhythmus bei Säugetieren.In a ninth aspect, the object is achieved by the use of a nucleic acid according to the invention, in particular for the manufacture of a medicament, for reducing the rank of food intake, for promoting lipolysis, for decreasing the activity of lipoprotease, for decreasing rank for fat storage, for decreasing the secretion of luteinizing hormone , to reduce the secretion of insulin, to increase the secretion of growth hormone, to expand the vascular system, to reduce the vasoconstrictor effect of norepinephrine, to reduce the vasoconstrictor effect of angiotensin and to influence the circadian rhythm in mammals.
In einem zehnten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Nukleinsäure zur Charakterisierung der Interaktionstopologie der Interaktion zwischen Neuropeptid Y und Neuropeptid Y-Rezeptor auf molekularer Ebene.In a tenth aspect, the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention to characterize the interaction topology of the interaction between neuropeptide Y and neuropeptide Y receptor at the molecular level.
In einem elften Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Nukleinsäure zum Nachweis und/oder Vergleich der Rezeptoraktivierang, insbesondere der Rezeptoraktivierung im Him und ganz besonders der Aktivierung von Neuropeptid Y-Rezeptoren.In an eleventh aspect, the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention for the detection and / or comparison of the receptor activation, in particular the receptor activation in the brain and very particularly the activation of neuropeptide Y receptors.
In einem zwölften Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Nukleinsäure zum Nachweis von Neuropeptid Y oder einem Derivat davon.In a twelfth aspect, the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention for the detection of neuropeptide Y or a derivative thereof.
In einem dreizehnten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Nukleinsäure zum Aufreinigen von Neuropeptid Y oder einem Derivat davon.In a thirteenth aspect, the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention for the purification of neuropeptide Y or a derivative thereof.
In einem vierzehnten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch einen Antagonist für einen Neuro¬ peptid Y-Rezeptor, insbesondere für den Neuropeptid Y-Rezeptor Y2.In a fourteenth aspect the problem is solved by an antagonist for a neuro peptide ¬ Y receptor, particularly for the neuropeptide Y Y2 receptor.
In einer Ausführangsform ist vorgesehen, dass der Antagonist eine erfindungsgemäße Nuklein¬ säure umfasst oder ist. In einem fünfzehnten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Rezeptormimetikum für einen Neuropeptid Y-Rezeptor, insbesondere den Neuropeptid Y-Rezeptor Y2.In a Ausführangsform is contemplated that the antagonist is a nucleic acid according to the invention comprises or is ¬. In a fifteenth aspect, the object is achieved by a receptor mimetic for a neuropeptide Y receptor, in particular the neuropeptide Y receptor Y2.
In einer bevorzugten Ausführangsform ist vorgesehen, dass das Rezeptormimetikum eine erfindungsgemäße Nukleinsäure umfasst oder ist.In a preferred embodiment it is provided that the receptor mimetic comprises or is a nucleic acid according to the invention.
In einem sechzehnten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Nukleinsäure zum Screenen von Verbindungen, wobei die Verbindungen ausgewählt sind aus der Gruppe, die Agonisten eines Neuropeptid Y-Rezeptors und Antagonisten eines Neuropeptid Y-Rezeptors umfasst.In a sixteenth aspect, the object is achieved by using a nucleic acid according to the invention for screening compounds, the compounds being selected from the group comprising agonists of a neuropeptide Y receptor and antagonists of a neuropeptide Y receptor.
In einer bevorzugten Ausführangsform handelt es sich bei den Verbindungen um niedermolekulare Verbindungen.In a preferred embodiment, the compounds are low molecular weight compounds.
In einem siebzehnten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Verbindung erhältlich aus der Verwendung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren zum Screenen von Verbindungen.In a seventeenth aspect, the object is achieved by a compound obtainable from the use of the nucleic acids according to the invention for screening compounds.
In einem achtzehnten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Neuropeptid Y oder eines Derivates als Zielmolekül im Rahmen eines in vitro Selektions- Verfahrens.In an eighteenth aspect, the object is achieved by using a neuropeptide Y or a derivative as the target molecule in the context of an in vitro selection process.
In einem neunzehnten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Identifizierung und Isolierung von Nukleinsäuren, die in der Lage sind, an ein Zielmolekül zu binden, umfassend die folgenden Schritte:In a nineteenth aspect, the object is achieved by a method for identifying and isolating nucleic acids which are able to bind to a target molecule, comprising the following steps:
- fnkubieren des Zielmoleküls oder eines Teils davon mit einer Vielzahl von Nukleinsäuren, bevorzugterweise einer Nukleinsäurebibliothek, wobei die Nukleinsäuren verschiedene Sequenzen aufweisen,incubating the target molecule or a part thereof with a large number of nucleic acids, preferably a nucleic acid library, the nucleic acids having different sequences,
- Selektieren und Isolieren jener Nukleinsäuren, die in der Lage sind, an das Zielmolekül oder einen Teil davon zu binden,Selection and isolation of those nucleic acids which are able to bind to the target molecule or a part thereof,
-optional Amplifizieren der isolierten Nukleinsäuren and Wiederholen der ersten beiden Schritte; und - optional Bestimmen der Sequenz und/oder Bindungsspezifität der isolierten Nukleinsäuren,optionally amplifying the isolated nucleic acids and repeating the first two steps; and optionally determining the sequence and / or binding specificity of the isolated nucleic acids,
wobei, dass das Zielmolekül Neuropeptid Y oder ein Derivat davon ist.wherein the target molecule is neuropeptide Y or a derivative thereof.
In einem zwanzigstem Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch die erfindungsgemäßen Verwendungen einer oder mehrerer der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren, bevorzugterweise in einem Komplex mit einem Neuropeptid Y oder einem Derivat davon, zum rationalen Design von Verbindungen, insbesondere von Agonisten und Antagonisten des Neuropeptid Y-Rezeptors, bevorzugterweise von Inhibitoren. Bei den Inhibitoren handelt es sich bevorzugterweise um niedermolekulare Inhibitoren.In a twentieth aspect, the object is achieved by the uses according to the invention of one or more of the nucleic acids according to the invention, preferably in a complex with a neuropeptide Y or a derivative thereof, for the rational design of compounds, in particular agonists and antagonists of the neuropeptide Y receptor, preferably of inhibitors. The inhibitors are preferably low molecular weight inhibitors.
Der vorliegenden Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist, an Neuropeptid Y, oder ein Derivat davon, bindende Nukleinsäuren herzustellen. Dabei ist besonders beachtlich, dass die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren in der Lage sind, zwischen den verschiedenen Rezeptorsub typen innerhalb der Gruppe der Neuropeptid Y-Rezeptoren zu diskriminieren. Die verschiedenen Rezeptorsub typen sind dabei jene, wie sie in Tabelle 1 angegeben sind, deren Offenbarungsgehalt hierin aufgenommen wird. Unter Diskriminieren soll dabei hierin insbesondere verstanden werden, dass die einzelne erfindungsgemäße Nukleinsäure zu den zu diskriminierenden Verbindungen, d.h. den unterschiedlichen Konformationen von Neuropeptid Y bzw. dessen Analoga, eine unterschiedliche Affinität aufweist. Typischerweise beträgt der Unterschied zwischen derartigen Affinitäten 1 nmolar bis 5 mmolar.The present invention is based on the surprising finding that it is possible to produce nucleic acids which bind to neuropeptide Y or a derivative thereof. It is particularly noteworthy here that the nucleic acids according to the invention are able to discriminate between the different receptor sub-types within the group of the neuropeptide Y receptors. The various receptor sub-types are those as indicated in Table 1, the disclosure content of which is included here. Discrimination is to be understood here in particular to mean that the individual nucleic acid according to the invention relates to the compounds to be discriminated, i.e. the different conformations of neuropeptide Y or its analogs, has a different affinity. The difference between such affinities is typically 1 nmolar to 5 mmolar.
Darüber hinaus weisen die erfmdungsgemäßen Nukleinsäuren eine Reihe von überraschenden Eigenschaften auf, die ebenfalls vielfältige Anwendungsmöglichkeiten erlauben. Eine dieser Eigenschaften ist darin zu sehen, dass eine Diskriminierung in dem Sinne erfolgt, dass die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren zwischen der Mitgliedern der pankreatischen Polypeptidfamilie unterscheiden können. Diese Polypeptidfamilie umfasst neben dem Neuropeptid Y unter anderem das pankreatische Polypeptid und das Peptid YY.In addition, the nucleic acids according to the invention have a number of surprising properties which also allow a wide range of possible uses. One of these properties can be seen in the fact that discrimination takes place in the sense that the nucleic acids according to the invention can distinguish between the members of the pancreatic polypeptide family. In addition to the neuropeptide Y, this polypeptide family also includes the pancreatic polypeptide and the peptide YY.
Eine weitere überraschende Eigenschaft der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren ist darin zu sehen, dass die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren spezifisch die Wechselwirkung zwischen Neu- ropeptid Y, oder einem Derivat davon, und dem Rezeptor für das Neuropeptid Y, hierin auch als Neuropeptid Y-Rezeptor bezeichnet, beeinflussen. Die Art der Beeinflussung ist dabei eine Inhibierung. Besonders beachtlich ist dabei, dass die Wechselwirkung auch spezifisch zwischen dem Neuropeptid Y oder einem Derivat davon und dem Neuropeptid Y-Rezeptorsubtyp Y2 erfolgt.Another surprising property of the nucleic acids according to the invention can be seen in the fact that the nucleic acids according to the invention specifically the interaction between new ropeptide Y, or a derivative thereof, and the receptor for the neuropeptide Y, also referred to herein as the neuropeptide Y receptor. The type of influence is an inhibition. It is particularly noteworthy here that the interaction also takes place specifically between the neuropeptide Y or a derivative thereof and the neuropeptide Y receptor subtype Y2.
Besonders überraschend war auch die Erkenntnis, dass die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren ι zwischen den verschiedenen, durch Neuropeptid Y einnehmbaren Konformationen unterscheiden können. Das Vorliegen verschiedener Konformationen scheint auch für die Bindungsspezifität von Neuropeptid Y an die verschiedenen Rezeptorsubtypen verantwortlich zu sein. Den Erfindern ist es mit den erfindungsgemäßen Nukleinsäuren gelungen, Nukleinsäuren zu erzeugen, die insbesondere spezifisch mit derjenigen Konformation des Neuropeptids Y in Wechselwirkung treten und einen Komplex ausbilden, die für eine hochaffine Wechselwirkung mit Rezeptorsubtyp Y2 erforderlich ist. Infolge dieser Konformationsspezifität der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren können die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren als Mimetika der Neuropeptid Y- Rezeptoren und insbesondere des Neuropeptid Y-Rezeptor Y2 betrachtet und verwendet werden. Daraus ergibt sich unmittelbar die Anwendung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren in Testoder Nachweissystemen, bei denen Neuropeptid Y-Rezeptoren und insbesondere Neuropeptid Y- Rezeptor Y2 verwendet werden kann, beispielsweise beim Screenen auf Agonisten und Antagonisten von Neuropeptid Y, aber auch in den Bereichen Therapie und Forschung.It was also particularly surprising to discover that the nucleic acids according to the invention can distinguish between the different conformations which can be ingested by neuropeptide Y. The presence of different conformations also appears to be responsible for the binding specificity of neuropeptide Y to the different receptor subtypes. With the nucleic acids according to the invention, the inventors have succeeded in generating nucleic acids which specifically interact with that conformation of the neuropeptide Y and form a complex which is required for a high-affinity interaction with receptor subtype Y2. As a result of this conformation specificity of the nucleic acids according to the invention, the nucleic acids according to the invention can be viewed and used as mimetics of the neuropeptide Y receptors and in particular of the neuropeptide Y receptor Y2. This immediately results in the use of the nucleic acids according to the invention in test or detection systems in which neuropeptide Y receptors and in particular neuropeptide Y receptor Y2 can be used, for example when screening for agonists and antagonists of neuropeptide Y, but also in the areas of therapy and research.
Unter Derivat von Neuropeptid Y soll hierin insbesondere ein solches Derivat verstanden werden, das in der Lage ist, an einen Neuropeptid Y-Rezeptor zu binden. Darüber hinaus soll der Begriff auch jene Moleküle umfassen, die einen Teil der Aminosäuresequenz von Neuropeptid Y umfassen, insbesondere eine Sequenz von 5 aufeinanderfolgenden Aminosäure der natürlichen Sequenz von Neuropeptid Y.A derivative of neuropeptide Y is to be understood here to mean in particular a derivative which is capable of binding to a neuropeptide Y receptor. In addition, the term is also intended to encompass those molecules which comprise part of the amino acid sequence of neuropeptide Y, in particular a sequence of 5 consecutive amino acids of the natural sequence of neuropeptide Y.
Nukleinsäuren oder Nukleinsäureliganden im Sinne dieser Erfindung umfassen bevorzugt DNA, RNA oder chemisch modifizierte Formen von DNA oder RNA. Noch bevorzugter gehören die Nukleinsäureliganden zu einer der Klassen der Aptamere, Aptazyme, Ribozyme, Intramere, Spiegelmere natürlichen Nukleinsäureliganden oder sind natürlich vorkommende Proteinbindende Nukleinsäuren. Besonders bevorzugt sind dabei die Aptazyme, Intramere und die Ap¬ tamere, von den dreien wiederum insbesondere die Gruppe der Intramere. Unter natürlichen Nukleinsäuren sollen hierin auch solche Nukleinsäuren verstanden werden, sei es als Ausgang- materialien (teilweise oder vollständig) für in vitro Selektionsverfahren oder sei es als erfindungsgemäße Nukleinsäuren, die eine Sequenz aufweisen, die im Transkriptom einer Zelle bzw. eines Organismus enthalten ist, wobei unter Transkriptom hierein insbesondere die Gesamtheit der exprimierten Nukleinsäuren verstanden wird. Im Falle der Verwendung von natürlichen Nukleinsäuren ist besonders bevorzugt, wenn statt randomisierten Bibliotheken in Selektionsprozessen natürliche Bibliotheken einzusetzen, wie z.B. cDNA-Fragmente transkribierter R As.Nucleic acids or nucleic acid ligands in the sense of this invention preferably comprise DNA, RNA or chemically modified forms of DNA or RNA. More preferably, the nucleic acid ligands belong to one of the classes of aptamers, aptazymes, ribozymes, intramers, Spiegelmers, natural nucleic acid ligands or are naturally occurring protein-binding nucleic acids. Particularly preferred are the Aptazymes, intramers and Ap ¬ are Tamere, of the three turn, especially the group of intramers. Natural nucleic acids are also to be understood here as nucleic acids, be it as a starting materials (partially or completely) for in vitro selection methods or as nucleic acids according to the invention which have a sequence which is contained in the transcriptome of a cell or an organism, the term transcriptome here being understood to mean in particular the entirety of the nucleic acids expressed. If natural nucleic acids are used, it is particularly preferred if natural libraries, such as cDNA fragments of transcribed R As, are used instead of randomized libraries in selection processes.
Unter vitro Selektion soll hierin insbesondere auch der Prozess verstanden werden durch den die erfindungsgemäßen Nukleinsäureliganden, bevorzugt aus der Grappe der Aptamere, der Intramere, der Aptazyme oder der Ribozyme, noch bevorzugter aus der Grappe der Aptamere und Aptazyme, durch in vitro Selektion aus kombinatorischen Bibliotheken von Nukleinsäuren mit unterschiedlichen Sequenzen isoliert werden können.Vitro selection is to be understood here to mean in particular the process by which the nucleic acid ligands according to the invention, preferably from the grappa of aptamers, intramers, aptazymes or ribozymes, more preferably from the grappa of aptamers and aptazymes, by in vitro selection from combinatorial libraries can be isolated from nucleic acids with different sequences.
Unter Aptameren (Ellington uns Szostak, Nature 346 (1990), 818-822) sind im Sinne dieser Erfindung einzelsträngige Nukleinsäureliganden zu verstehen die aus kombinatorischen Bibliotheken von randomisierten Nukleinsäuren, durch in vitro Selektion isoliert werden. Dieser Prozess wird manchmal auch als SELEX ("systematic evolution of ligands by exponential enrichment") bezeichnet (Tuerk und Gold, Science 249 (1990), 505-519). Diese aus ssDNA oder ssRNA bestehenden Aptamere besitzen sehr hohe Affinitäten und Spezifitäten für ihre Antigene. Bis dato wurden Nukleinsäureliganden für Metallionen, organische Verbindungen, Peptide, Proteine, oder sogar komplexe Strukturen wie Viren und Zellen isoliert (Übersichtsartikel: Gold et al., Annu. Rev. Biochem. 64 (1995), 763-797; Ellington und Conrad, Biotechnol. Annu. Rev. 1 (1995), 185-214; Famulok, Curr. Opin. Struct. Biol. 9 (1999), 324-329, Hofmann, 1997). Das hohe Potential der Technologie liegt in dem rein in vitro stattfindenden Prozess der Aptamerselektion. Die Nukleinsäureliganden werden aus kombinatorischen Bibliotheken von bis zu 1015 individuellen Sequenzen durch wiederholte Zyklen aus Kontakt mit dem Antigen, Abtrennung aller nicht bindenden Nukleinsäuren und enzymatischer Amplifikation der mit dem Zielmolekül interagie- renden Moleküle angereichert.For the purposes of this invention, aptamers (Ellington and Szostak, Nature 346 (1990), 818-822) are understood to mean single-stranded nucleic acid ligands which are isolated from combinatorial libraries of randomized nucleic acids by in vitro selection. This process is sometimes referred to as SELEX ("systematic evolution of ligands by exponential enrichment") (Tuerk and Gold, Science 249 (1990), 505-519). These aptamers consisting of ssDNA or ssRNA have very high affinities and specificities for their antigens. To date, nucleic acid ligands for metal ions, organic compounds, peptides, proteins, or even complex structures such as viruses and cells have been isolated (review article: Gold et al., Annu. Rev. Biochem. 64 (1995), 763-797; Ellington and Conrad, Biotechnol. Annu. Rev. 1 (1995), 185-214; Famulok, Curr. Opin. Struct. Biol. 9 (1999), 324-329, Hofmann, 1997). The high potential of the technology lies in the in vitro process of aptamer selection. The nucleic acid ligands are enriched from combinatorial libraries of up to 10 15 individual sequences by repeated cycles of contact with the antigen, separation of all non-binding nucleic acids and enzymatic amplification of the molecules interacting with the target molecule.
Aptazyme im Sinne der vorliegenden Erfindung, sind Hybridmoleküle aus Ribozymen und Aptameren und bestehen dementsprechend aus einer katalytischen und einer ligandenbindenden Nukleinsäuredomäne. Dabei wird die Aktivität des Ribozyms durch die Bindung des Liganden an die ligandenbindende Nukleinsäuredomäne (allosterisches Zentrum) reguliert, d.h. aktiviert oder inhibiert. Die Aptazymtechnologie ist dem Experten bekannt und beispielsweise beschrieben in Soukup und Breaker, Curr. Opin. Stract. Biol. j0 (2000), 318-325. Dabei können Aptazyme durch rationales Design aus einem Ribozymteil und dem allosterischen Zentmm modular aufgebaut werden oder de novo durch in vitro Selektion isoliert werden. Beispielsweise wurde ein Aptazym aus einem Hammerhead-Ribozym, einem kleinen katalytischen Motiv, das RNA- Sequenzen sequenzspezifisch spalten kann (Forster und Symons, Cell 49 (1987), 211-220; Haseloff und Gerlach, Nature 334 (1988), 585-591), und einer Aptamerdomäne, die spezifisch an ATP bindet, so konstruiert, dass die Bindung von ATP zu einer allosterischen Inhibition der katalytischen Aktivität führte (Tang und Breaker, Chem. Biol. 4 (1997), 453-459, Tang und Breaker, Nucleic Acid Res. 26 (1999), 4222-4229). Andererseits konnten auch Aptazyme durch in vitro Selektion aus kombinatorischen Bibliotheken von unterschiedlichen Nukleinsäurese- quenzen isoliert werden, die eine neuartige Bindungsdomäne für einen Liganden enthielten (Robertson und Ellington, Nat. Biotechnol. 17 (1999), 62-66,Koizumi et al, Nat. Stract. Biol. 6 (1999), 1062-1071). Aptazyme im Sinne dieser Erfindung können beispielsweise solche sein, die eine Liganden-Bindungsstelle für NPY enthalten. Derartige Aptazyme können auf der Grundlage der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren dadurch hergestellt werden, dass diese mit einem Ribozymteil und dem allosterischen Zentmm modular aufgebaut werden. Eine schematische Darstellung eines Aptazyms ist in Abbildung 15 dargestelltAptazymes in the sense of the present invention are hybrid molecules of ribozymes and aptamers and accordingly consist of a catalytic and a ligand-binding nucleic acid domain. The activity of the ribozyme is regulated, ie activated, by the binding of the ligand to the ligand-binding nucleic acid domain (allosteric center) or inhibited. Aptazyme technology is known to the expert and is described, for example, in Soukup and Breaker, Curr. Opin. Stract. Biol. J0 (2000), 318-325. Aptazymes can be modularly constructed from a ribozyme part and the allosteric centimeter by rational design or can be isolated de novo by in vitro selection. For example, an aptazyme was developed from a hammerhead ribozyme, a small catalytic motif that can cleave RNA sequences in a sequence-specific manner (Forster and Symons, Cell 49 (1987), 211-220; Haseloff and Gerlach, Nature 334 (1988), 585-591 ), and an aptamer domain that specifically binds to ATP, so that the binding of ATP led to an allosteric inhibition of catalytic activity (Tang and Breaker, Chem. Biol. 4 (1997), 453-459, Tang and Breaker, Nucleic Acid Res. 26 (1999), 4222-4229). On the other hand, aptazymes could also be isolated by in vitro selection from combinatorial libraries of different nucleic acid sequences which contained a novel binding domain for a ligand (Robertson and Ellington, Nat. Biotechnol. 17 (1999), 62-66, Koizumi et al, Nat Stract. Biol. 6: 1062-1071 (1999). Aptazymes in the sense of this invention can, for example, be those which contain a ligand binding site for NPY. Such aptazymes can be produced on the basis of the nucleic acids according to the invention by building them modularly with a ribozyme part and the allosteric centimeter. A schematic representation of an aptazyme is shown in Figure 15
Unter natürlichen Nukleinsäureliganden sollen hierin in Ergänzung zu dem vorstehend Gesagtem auch solche Nukleinsäuren, Nukleinsäureliganden oder Teile davon, d.h. Nukleinsäuremotive, verstanden werden, die als solche in den Genomen von Organismen kodiert werden und die Fähigkeit besitzen, an ein Zielprotein zu binden. Beispiele sind unter vielen anderen die HIV-Tar- RNA, die an das HIV Tat-Protein bindet, oder das HIV-RRE-RNA, die an das HIV-REV-Protein bindet. Dem Fachmann sind eine Fülle solcher natürlicher Nukleinsäureliganden bekannt. Bislang unbekannte Nukleinsäureliganden für bestimmte Zielproteine können auch aus kombinatorischen Bibliotheken von natürlichen Nukleinsäuren unterschiedlicher Sequenz, die beispielsweise die genomische RNA eines Organismus, eines Organs oder einer Zelle repräsentieren, durch in vitro Selektion isoliert werden. Die Herstellung solcher kombinatorischer Bibliotheken ist dem Fachmann bekannt und beispielsweise beschrieben in Singer et al., Nucleic Acid Res. 25 (1997), 781-786. Auf diese Weise konnten beispielsweise genomische DNA-Sequenzen, die den Transkriptionsfaktor TFIIIA von Xenopus laevis binden, isoliert werden (Kinzler und Vogelstein, Nucleic Acid Res. 17 (1989), 3645-3653). In einem anderen Experiment konnten aus mRNA-Fragmenten aus dem Transkriptom des Bakteriums E.coli Liganden für das Bakteriopha- gen MS2 Protein isoliert werden (Shtatland et al, Nucleic Acids Res. 28 (2000), E93). Dabei wurden überraschenderweise neue, bislang unbekannte Interaktionen beispielsweise mit den mRNAs des rffG-Gens oder des ebgR-Gens gefunden. Dies zeigt, dass neue Nukleinsäure- Liganden für Proteine aus Bibliotheken, die aus dem Transkriptom eines Organismus aufgebaut sind, isoliert werden können.In addition to what has been said above, natural nucleic acid ligands are also to be understood here as meaning those nucleic acids, nucleic acid ligands or parts thereof, ie nucleic acid motifs, which are encoded as such in the genomes of organisms and have the ability to bind to a target protein. Examples include the HIV-Tar RNA, which binds to the HIV Tat protein, or the HIV-RRE-RNA, which binds to the HIV-REV protein, among many others. A large number of such natural nucleic acid ligands are known to the person skilled in the art. So far unknown nucleic acid ligands for certain target proteins can also be isolated from combinatorial libraries of natural nucleic acids of different sequences, which represent, for example, the genomic RNA of an organism, an organ or a cell, by in vitro selection. The preparation of such combinatorial libraries is known to the person skilled in the art and is described, for example, in Singer et al., Nucleic Acid Res. 25 (1997), 781-786. In this way it was possible, for example, to isolate genomic DNA sequences which bind the transcription factor TFIIIA from Xenopus laevis (Kinzler and Vogelstein, Nucleic Acid Res. 17 (1989), 3645-3653). Another experiment failed mRNA fragments can be isolated from the transcriptome of the bacterium E. coli ligands for the bacteriophage MS2 protein (Shtatland et al, Nucleic Acids Res. 28 (2000), E93). Surprisingly, new, previously unknown interactions were found, for example with the mRNAs of the rffG gene or the ebgR gene. This shows that new nucleic acid ligands for proteins can be isolated from libraries that are constructed from the transcriptome of an organism.
Die direkte Verabreichung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren kann dabei vermittels aller galenischer Techniken und Zusammensetzungen, die eine oder mehrere der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren in ihren verschiedenen Ausführungsformen umfassen, erfolgen. Beispielhaft sei hier auf Lösungen, Pulver, Tabletten, Gele und dergleichen verwiesen. Dabei wird typischerweise die erfindungsgemäße Nukleinsäure zusammen mit einem Stabilisator, Adjuvanz, pharmazeutisch akzeptablen Träger, Konservierungsmittel, Verdünnungsmittel, Träger oder einer Kombination davon hergestellt und/oder verabreicht. Methoden zur Einschleusung der erfmdungsgemäßen Nukleinsäuren in Zellen sind dem Fachmann bekannt.The nucleic acids according to the invention can be administered directly by means of all galenical techniques and compositions which comprise one or more of the nucleic acids according to the invention in their various embodiments. Examples include solutions, powders, tablets, gels and the like. The nucleic acid according to the invention is typically produced and / or administered together with a stabilizer, adjuvant, pharmaceutically acceptable carrier, preservative, diluent, carrier or a combination thereof. Methods for introducing the nucleic acids according to the invention into cells are known to the person skilled in the art.
Die therapeutische Anwendung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren beruht auf den hierin offenbarten überraschenden Eigenschaften der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren. Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren können dabei einzeln oder in Kombination mit weitem Wirkstoffen in entsprechenden Medikamenten enthalten sein. Infolge der spezifischen Interaktion der erfmdungsgemäßen Nukleinsäuren mit Neuropeptid Y können diese therapeutisch dazu verwendet werden, Erkrankungen oder Zustände zu beeinflussen, bei denen die Inhibierang der Wechselwirkung zwischen Neuropeptid Y und einem Neuropeptid Y-Rezeptor, insbesondere Neuropeptid Y-Rezeptor Y2 zu einer Änderung der Erkrankung oder des Zustandes fuhren. Derartige, auf diesem Mechanismus bemhenden oder über diesen Mechanismus zu behandelnden bzw. zu ändernden Erkrankungen oder Zustände sind den Fachleuten bekannt. Beispielhaft seien in diesem Zusammenhang genannt: Hypertension, Stress (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808 - 813), Neuroblastomen (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808 - 813), Phaochromo- cytome (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808 - 813), endokrine Pankreastumore Waeber, G. et al. Peptides, Vol. 16 (5), pp. 921-929. 1995), menschlicher Hypophysentumor (Grouzmann, E. et al. Regulatory Peptides 75 - 76 (1998) p. 89 - 92), Hypertonie, instabile Angina pectoris, Herzinfarkt, Adiprositas, Bulimie, Ängstlichkeit, Epilepsie, Depression, Gedächtnis und Erinnerungsvermögen.The therapeutic use of the nucleic acids according to the invention is based on the surprising properties of the nucleic acids according to the invention disclosed herein. The nucleic acids according to the invention can be contained individually or in combination with a wide range of active ingredients in corresponding medicaments. As a result of the specific interaction of the nucleic acids according to the invention with neuropeptide Y, these can be used therapeutically to influence diseases or conditions in which the inhibition of the interaction between neuropeptide Y and a neuropeptide Y receptor, in particular neuropeptide Y receptor Y2, leads to a change in the disease or drive the state. Such diseases or conditions which are based on this mechanism or which are to be treated or changed via this mechanism are known to those skilled in the art. Examples in this connection are: hypertension, stress (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808 - 813), neuroblastomas (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808-813), Phaochromocytome (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808-813) , endocrine pancreatic tumors Waeber, G. et al. Peptides, vol. 16 (5), pp. 921-929. 1995), human pituitary tumor (Grouzmann, E. et al. Regulatory Peptides 75-76 (1998) p. 89-92), hypertension, unstable angina, heart attack, adiprositas, bulimia, anxiety, epilepsy, depression, memory and memory.
Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren können im diagnostischen Bereich wie Antikörper in einer Vielzahl von diagnostischen Applikationen weingesetzt werden (Übersichtsartikel: Hessel- berth et al, J Biotechnol 74 (2000), 15-25; Brody und Gold, Biotechnol 74 (2000), 5-13; Jayase- na Clin Chem 45 (1999), 1628-1650; Osbome et al., Curr Opin Chem Biol l (1997), 5-9). Durch die Bindung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren an die Zielstraktur, d.h. das NPY, kann dieses markiert werden. Trägt die erfindungsgemäße Nukleinsäure ihrerseits ein Markierung, kann diese und damit der Komplex aus NPY und erfindungsgemäßer Nukleinsäure nachgewiesen werden. Geeignete Markierungen sind den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt und umfassen, unter anderem, jene, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die radioaktive Markierungen, Markierungen mit Fluoreszenzfarbstoffen, Markierung mit Gmppen wie Biotin oder Digoxygenin oder Markierungen mit Enzymen wie beta-Galaktosidase umfasst. Geeignete Fluoreszenzfarbstoffe für die Markierung von Nukleinsäuren sind den Fachleuten bekannt und umfassen u.a. AMCA- X, Fluorescein, Rhodamin, Cy3, Cy 5, Cy 5.5, HEX, D-AMCA, Tetramethylrhodamin oder Texas Red. Der Nachweis des besagten Komplexes mit andern Nukleinsäure/Proteinkomplexen kann beispielsweise durch FACS (Ringquist und Parma , Anal Chem. 70 (1998), 3419-3425), fiberoptische Microarray Sensoren (Lee und Walt, Anal Biochem 282 (2000), 142-146), Kapillarelektrophorese (German I, Anal Chem 70 (1998), 4540-4545), intermolekulare Kraftmessungen (Moy et al., Science 265, (1994), 257-259) oder Fluoreszenzmikroskopie erfolgen.The nucleic acids according to the invention can be used in the diagnostic field like antibodies in a large number of diagnostic applications (review article: Hesseberth et al, J Biotechnol 74 (2000), 15-25; Brody and Gold, Biotechnol 74 (2000), 5-13 ; Jayasna Clin Chem 45 (1999), 1628-1650; Osbome et al., Curr Opin Chem Biol I (1997), 5-9). By binding the nucleic acids according to the invention to the target structure, i.e. the NPY, this can be marked. If the nucleic acid according to the invention bears a label, this and thus the complex of NPY and nucleic acid according to the invention can be detected. Suitable labels are known to those skilled in the art and include, among others, those selected from the group consisting of radioactive labels, labels with fluorescent dyes, labels with groups such as biotin or digoxygenin, or labels with enzymes such as beta-galactosidase. Suitable fluorescent dyes for labeling nucleic acids are known to those skilled in the art and include i.a. AMCA-X, fluorescein, rhodamine, Cy3, Cy 5, Cy 5.5, HEX, D-AMCA, tetramethylrhodamine or Texas Red. Detection of the said complex with other nucleic acid / protein complexes can be done, for example, by FACS (Ringquist and Parma, Anal Chem. 70 (1998), 3419-3425), fiber-optical microarray sensors (Lee and Walt, Anal Biochem 282 (2000), 142-146), capillary electrophoresis (German I, Anal Chem 70 (1998), 4540-4545), intermolecular force measurements (Moy et al., Science 265, (1994), 257-259) or fluorescence microscopy.
Alternativ können die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren, das NPY oder beide mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert sein und die Wechselwirkung zwischen der Nukleinsäure und dem NPY zu einer meßbaren Verändemng des Fluoreszenzsignals führen. Derartige Verändemngen der Fluoreszenz können auch auf einer Änderung der intrinsischen Fluoreszenz des NPY nach Bindung einer der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren beruhen. Ebenfalls zu einer Änderung der intrinsischen Fluoreszenz kann die Veränderung des NPY selbst führen, z.B. durch Einführung einer Trp-Punktmutation, was für das Messignal und dessen Verändemng infolge Bindung der Nuk¬ leinsäuren verwendet werden kann. Ein anderes Beispiel für einen fluoreszenzbasierenden Nachweis ist die Bindung von Thrombin an mit Fluoreszenzfarbstoffen markierten anti- Thrombin-Aptameren durch Messung der Änderung der Fluoreszenz-Anisotropy nachgewiesen werden (Potyrailo R. A. et al, Anal Chem 70 (1998), 3419-25). Dabei konnten bis zu 0,7 amol Thrombin nachgewiesen werden. In einer anderen Ausführungsform ist ein Interaktionspartner, die Nukleinsäure oder das Protein mit einer fluoreszenzlöschenden Grappe (Quencher), der andere mit einer fluorophoren Grappe (Donor) markiert ist, wobei die Wechselwirkung zwischen beiden Interaktionspartnern zur Löschung der Fluoreszenzemission des Donors durch den Quencher fuhrt. Findet die Wechselwirkung statt, kann dies durch eine Verminderung des Fluoreszenzsignals gemessen werden. Diese auch als FRET ("fluoreszenz resonanz energy transfer") bezeichnete Methode ist dem Fachmann bekannt und wird auch zur Detektion von Protein/Proteinwechselwirkungen angewendet (Sorkin A. et al, Curr Biol. 10 (2000), 1395-1388; Latif R. und Graves P., Thyroid. 10 (2000), 407-412, 14: Buranda T. et al, Cytometry 37 (1999), 21-31). Dem Fachmann sind die Prinzipien des Nachweises von Interaktionen zwischen Molekülen durch Fluoreszenzmarkierang und die verschiedenen Gestaltungsmöglichkeiten der Nachweise über einfache oder mehrfache Flureszenzmarkiemng eines oder beider Interaktionspartner vertraut.Alternatively, the nucleic acids according to the invention, the NPY or both can be labeled with fluorescent dyes and the interaction between the nucleic acid and the NPY can lead to a measurable change in the fluorescence signal. Such changes in fluorescence can also be based on a change in the intrinsic fluorescence of the NPY after binding of one of the nucleic acids according to the invention. Also a change in the intrinsic fluorescence of the change of NPY may lead itself, for example, which can be used for the measurement signal and whose Verändemng due to binding of the nuc ¬ leinsäuren by introducing a Trp-point mutation. Another example of fluorescence-based detection is the binding of thrombin to anti-thrombin aptamers labeled with fluorescent dyes by measuring the change in fluorescence anisotropy (Potyrailo RA et al, Anal Chem 70 (1998), 3419-25). Up to 0.7 amol Thrombin can be detected. In another embodiment, one interaction partner, the nucleic acid or the protein is labeled with a fluorescence-quenching grappe (quencher), the other is labeled with a fluorophoric grappe (donor), the interaction between the two interaction partners leading to the quencher quenching the fluorescent emission of the donor. If the interaction takes place, this can be measured by reducing the fluorescence signal. This method, also known as FRET ("fluorescence resonance energy transfer"), is known to the person skilled in the art and is also used for the detection of protein / protein interactions (Sorkin A. et al, Curr Biol. 10 (2000), 1395-1388; Latif R. and Graves P., Thyroid. 10 (2000), 407-412, 14: Buranda T. et al, Cytometry 37 (1999), 21-31). The person skilled in the art is familiar with the principles of the detection of interactions between molecules by means of fluorescent labeling and the various design options for the detection by single or multiple fluorescent labeling of one or both interaction partners.
Ebenso kann die Detektion der Komplexe aus den erfindungsgemäßen Nukleinsäuren und dem NPY auf geeigneten Sensoren erfolgen, die mit einem der beiden Bindungspartnem beschichtet sind. Die Detektion kann hier über die Zunahme der Masse nach der Bindung des zweiten Bindungspartners erfolgen. Beispielsweise wurden Komplexe aus RNA-Aptameren und dem Enzym 2'-5'-Oligoadenylatzyklase oder RNA-Aptameren und der NS3-Protease des Hepatitis C Virus durch sogenannte SRP-("Surface Plasmon Resonance")-Analysen detektiert (Hartmann et al., J Biol Chem 273 (1998), 3236-3246; Hwang et al., Biochem Biophys Res Commun 279 (2000), 557-562). Andere geeignete Analysemethoden, wie Quarzkristall-Mikrowaagen ("quartz crystal microbalance", QCM) (Kosslinger et al., Biosens Bioelectron 7 (1992), 397-404; Hengerer et al., Biosens Bioelectron 14 (1999), 139-144), sind dem Fachmann ebenfalls bekannt.Likewise, the complexes comprising the nucleic acids according to the invention and the NPY can be detected on suitable sensors which are coated with one of the two binding partners. The detection can take place here via the increase in mass after the binding of the second binding partner. For example, complexes of RNA aptamers and the enzyme 2'-5'-oligoadenylate cyclase or RNA aptamers and the NS3 protease of the hepatitis C virus were detected by so-called SRP ("surface plasmon resonance") analyzes (Hartmann et al., J Biol Chem 273 (1998), 3236-3246; Hwang et al., Biochem Biophys Res Commun 279 (2000), 557-562). Other suitable analysis methods, such as quartz crystal microbalance ("Qartz Crystal Microbalance", QCM) (Kosslinger et al., Biosens Bioelectron 7 (1992), 397-404; Hengerer et al., Biosens Bioelectron 14 (1999), 139-144) are also known to the person skilled in the art.
In einer besonderen Ausführung kann die Interaktion zwischen dem Protein und dem Nukleinsäureliganden, insbesondere einem Aptazym, durch ein katalytisches Ereignis nachgewiesen werden. Dabei ist die NPY-erkennende Nukleinsäuredomäne mit einer Ribozymdomäne in einer Weise verknüpft, dass die Bindung des NPY's die Aktivität der Ribozymdomäne allosterisch beeinfiusst, d.h. aktiviert oder inhibiert. Die Konstruktion von signalgebenden Aptazymen ist dem Fachmann bekannt und in der Literatur beschrieben (Hesselberth et al, J Biotechnol 74 (2000), 15-25; Marshai und Ellington, Nat Stract Biol 6 (1999), 992-994; Soukup und Breaker, Trends Biotechnol 17 (1999), 469-476). Beispiele für Ribozymdomänen, die in Aptazym- konstrukten eingesetzt worden sind, sind effektoraktivierte Ribozymligasen (Robertson und Ellington Nucleic Acids Res 28 (2000),:1751-1759) oder Hammerhead-Ribozyme (Soukup et al., J Mol Biol 298 (2000), 623-632). Der Nachweis der aktiven Ribozymdomäne kann im Fall der Ribozymligasen, die sich selbst mit einem Oligonukleotid verknüpfen, über reverse Transcription PCR mit einem zu dem verknüpften Oligonukleotid komplementären Primer erfolgen (Robertson und Ellington, Nat Biotechnol 17 (1999), 62-66). Aktive Hammerhead-Domänen können durch Spaltung eines Substratoligonukleotids beispielsweise in einem FRET-Assay nachgewiesen werden (Jenne et al, Angew. Chem. 111 (1999), 1383-1386). Dabei ist das zu spaltende Oligonukleotid mit einer fluoreszenzgebenden (Donor) und einer fluoreszenzlöschenden Gmppe (Quencher) markiert. Im ungespaltenen Zustand sitzen Donor und Quencher in unmittelbarer Nachbarschaft und das vom Donor emitierte Licht wird vom Quencher absorbiert. Nach der Spaltung wird der Donor freigesetzt und die jetzt von ihm frei emittierte Fluoreszenz kann detektiert werden.In a special embodiment, the interaction between the protein and the nucleic acid ligand, in particular an aptazyme, can be detected by a catalytic event. The NPY-recognizing nucleic acid domain is linked to a ribozyme domain in such a way that the binding of the NPY allosterically influences the activity of the ribozyme domain, ie activates or inhibits it. The construction of signaling aptazymes is known to the person skilled in the art and is described in the literature (Hesselberth et al, J Biotechnol 74 (2000), 15-25; Marshai and Ellington, Nat Stract Biol 6 (1999), 992-994; Soukup and Breaker, Trends Biotechnol 17 (1999), 469-476). Examples of ribozyme domains found in aptazyme constructs have been used are effector-activated ribozyme ligases (Robertson and Ellington Nucleic Acids Res 28 (2000): 1751-1759) or Hammerhead ribozymes (Soukup et al., J Mol Biol 298 (2000), 623-632). In the case of ribozyme ligases that self-link to an oligonucleotide, the active ribozyme domain can be detected via reverse transcription PCR with a primer complementary to the linked oligonucleotide (Robertson and Ellington, Nat Biotechnol 17 (1999), 62-66). Active hammerhead domains can be detected by cleaving a substrate oligonucleotide, for example in a FRET assay (Jenne et al, Angew. Chem. 111 (1999), 1383-1386). The oligonucleotide to be cleaved is marked with a fluorescent (donor) and a fluorescent quenching (quencher) group. In the unsplit state, the donor and quencher are in the immediate vicinity and the light emitted by the donor is absorbed by the quencher. After the cleavage, the donor is released and the fluorescence now freely emitted by it can be detected.
Besonders vorteilhafte Anwendungen der erfmdungsgemäßen Nukleinsäuren ergeben sich aus der differentiellen Interaktion des hierin offenbarten Aptamers DP3 mit Rezeptorsubtyp- spezifischen Konformationen des NPY, die die Anwendung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren zur Charakterisierung der Interaktionstopologie der NPY-NPY-Rezeptor-Interaktion auf molekularer Ebene ermöglichen.Particularly advantageous applications of the nucleic acids according to the invention result from the differential interaction of the aptamer DP3 disclosed herein with receptor subtype-specific conformations of the NPY, which enable the use of the nucleic acids according to the invention to characterize the interaction topology of the NPY-NPY receptor interaction at the molecular level.
Die von Grouzmann et al. beschriebenen monoklonalen Antikörper gegen verschiedene NPY- Epitope können zwischen NPY und den anderen Mitgliedern der pankreatischen Polypeptidfamilie mit einer Affinität von 3,8 x 10"8 M bis 2,5 x 10 "10 M diskriminieren (Grouzmann et al., 1992). Eine Selektivät dieser Antikörper gegenüber distinkten, biologisch aktiven NPY- Konformationen wurde bisher nicht beschrieben. Zudem haben Antikörper aufgrund ihrer Größe den Nachteil möglicher sterischer Effekte auf die Ligand-Rezeptor-Interaktion. Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren können jedoch ein differenziertes Werkzeug zum Studium der Rezep- toraktivierang sein. Diese kann beispielsweise in in vivo Studien oder in Experimenten an Hirnschnitten genutzt werden: In Himbereichen, wo mehrere NPY-Rezeptorsubtypen exprimiert werden, könnte durch selektive Inhibition des Y2-Rezeptorsubtyps durch DP3 dessen Bedeutung im Kontext mit der Funktion der anderen Rezeptoren besser verstanden werden. Wie sich aus dem vorstehend Gesagtem ergibt, können die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren infolge ihrer distinkten Eigenschaften oftmals alternativ zu Antikörpern, insbesondere im Bereich der Diagnose verwendet werden, wobei zusätzliche Unterscheidungsmöglichkeiten durch die erhöhte Spezifität bzw. Selektivität der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren gegenüber Antikörpern gegeben ist.The Grouzmann et al. Monoclonal antibodies against various NPY epitopes described can discriminate between NPY and the other members of the pancreatic polypeptide family with an affinity of 3.8 x 10 "8 M to 2.5 x 10 " 10 M (Grouzmann et al., 1992). A selectivity of these antibodies towards distinct, biologically active NPY conformations has not been described so far. Because of their size, antibodies also have the disadvantage of possible steric effects on the ligand-receptor interaction. However, the nucleic acids according to the invention can be a differentiated tool for studying the receptor activation. This can be used, for example, in in vivo studies or in experiments on brain sections: In areas of the brain where several NPY receptor subtypes are expressed, selective inhibition of the Y2 receptor subtype by DP3 could better understand its importance in the context of the function of the other receptors. As can be seen from what has been said above, the distinct properties of the nucleic acids according to the invention can often be used as an alternative to antibodies, in particular in the field of diagnosis, additional possibilities for differentiation being provided by the increased specificity or selectivity of the nucleic acids according to the invention towards antibodies.
Folgende Verwendungen bzw. diagnostische Anwendungsbeispiele für die erfmdungsgemäßen Nukleinsäuren seien an dieser Stelle genannt: Spannungskopfschmerzen (Ashina, M et al Pain 83 (1999) 541 - 547), Stress (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808 - 813), Neuroblastomen (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808 - 813) , Phaeochromocytome (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808 - 813), endokrine Pankreastumore Waeber, G. et al. Peptides, Vol. 16 (5), pp. 921-929. 1995), menschlicher Hypophysentumor (Grouzmann, E. et al. Regulatory Peptides 75 - 76 (1998) p. 89 - 92) und bei Zuständen bzw. Erkrankungen, bei denen die ZNS -vermittelte Wirkung von Neuropeptid Y im Vordergmnd steht (Beeinflussung der Hormonsekretion (Corticosteron, Aldosteron, LH, Insulin und Vasopression steigen, Somatotropin nimmt ab); zentrale Beeinflussung kardiovaskulärer Funktionen, Steigemng der Nahrungsaufnahme, Verbesserung der kognitiven Leistungsfähigkeit, antikonvulsive Wirkung, Analgesie, Anxiolyse, Sedation) und bei solchen, bei denen die peripheren Wirkungen im Vordergrand stehen (Vasokonstriktion (Blutdruck steigt), Kardiodepression, Potentierang verschiedener Transmitter-Effekte, z. B. Verstärkung der durch Noradrenalin und Angiotensin II ausgelösten Vasokonstriktion, präsynaptisch: Hemmung der Freisetzung von Neurotransmittem, z. B. von Noradrenalin und Cotransmittem (NPY, ATP) aus sympathischen Neuronen, Beeinflussung der Darmfunktion (Sekretion nimmt ab), Fettgewebe: Lipolyse und Thermogenese nehmen ab (Uncoupling Protein sinkt), Niere: Reduktion der glo- meralären Filtrationsrate, aber diuretische und natriuretische Wirkung (Renin nimmt ab). Für den Fachmann ist offensichtlich, dass die im Zusammenhang mit der Diagnose hierin aufgezeigten Anwendungen der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren sich auch auf den therapeutischen Bereich erstreckt, insbesondere dann, wenn die Wirkung des Neuropeptids Y kausal ist.The following uses and diagnostic application examples for the nucleic acids according to the invention are mentioned here: tension headache (Ashina, M et al Pain 83 (1999) 541-547), stress (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol . 68 (4), p. 808-813), neuroblastomas (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808-813), phaeochromocytome (Grouzmann, E. et al; Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism, Vol. 68 (4), p. 808-813), endocrine pancreatic tumors Waeber, G. et al. Peptides, vol. 16 (5), pp. 921-929. 1995), human pituitary tumor (Grouzmann, E. et al. Regulatory Peptides 75 - 76 (1998) p. 89 - 92) and in conditions or diseases in which the CNS-mediated effect of neuropeptide Y is in the foreground (influencing the Hormone secretion (corticosterone, aldosterone, LH, insulin and vasopression increase, somatotropin decreases); central influence on cardiovascular functions, increased intake of food, improvement of cognitive performance, anticonvulsant effect, analgesia, anxiolysis, sedation) and in those in which the peripheral effects in the foreground (vasoconstriction (blood pressure rises), cardiodepression, potentiation of various transmitter effects, e.g. intensification of the vasoconstriction triggered by noradrenaline and angiotensin II, presynaptic: inhibition of the release of neurotransmitters, e.g. of noradrenaline and co-transmitter (NPY , ATP) from sympathetic neurons, influencing the intestinal function (secretion decreases), Adipose tissue: lipolysis and thermogenesis decrease (uncoupling protein decreases), kidney: reduction of the global filtration rate, but diuretic and natriuretic effects (renin decreases). It is obvious to the person skilled in the art that the applications of the nucleic acids according to the invention shown here in connection with the diagnosis also extend to the therapeutic area, in particular when the effect of the neuropeptide Y is causal.
Um die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren wie beispielsweise DP3 als Detektionsmodul für wissenschaftliche aber auch diagnostische Applikationen zu verwenden, sind neben dem radioaktivem Labeling der Aptamere alternative Markierungsstrategien notwendig. Eine Fluoreszenzmar- kierang (z.B. Fluorescein) am 5 '-Ende von DP3 über eine Guanosin-5'-phosphorthioat-Gruppe ((Burgin und Pace, 1990)) führte in den in vitro Bindungsanalysen zu keiner Einschränkung des Bindungsverhaltens an NPY (Daten nicht gezeigt). Demzufolge sollte der Fluoreszenzfarbstoff an dieser Position die funktionelle Konformation des Aptamers nicht beeinflussen. Auch eine sterische Kompetition der Bindung von DP3 an NPY durch den Fluoreszenzfarbstoff ist nicht wahrscheinlich.In order to use the nucleic acids according to the invention such as DP3 as a detection module for scientific but also diagnostic applications, alternative labeling strategies are necessary in addition to the radioactive labeling of the aptamers. A fluorescence mark Kierang (eg fluorescein) at the 5 'end of DP3 via a guanosine 5'-phosphorothioate group ((Burgin and Pace, 1990)) did not restrict the binding behavior to NPY in the in vitro binding analyzes (data not shown). As a result, the fluorescent dye at this position should not affect the functional conformation of the aptamer. Steric competition of the binding of DP3 to NPY by the fluorescent dye is also not likely.
Weiterhin konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich DP3 innerhalb der pankreatischen Polypeptidfamilie durch eine hohe Spezifität auszeichnet. Obwohl das humane Pankreatische Polypeptid (liPP) eine 50%ige Sequenzhomologie zum NPY aufweist, wurde es von DP3 nicht kom- plexiert. Diese Sequenzspezifität ist im Hinblick auf eine diagnostische Anwendung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren sowohl bei immunhistochemischen Analysen als auch zur Quantifizierung von NPY, welches bei endokrinen Tumoren, z. B. beim Phäochromocytom (Grouzmann et al., 1994; (Grouzmann et al., 1998) in erhöhter Konzentration im Plasma gefunden wird, denkbar. Von Drolet und Mitarbeitern wurden bereits fluoreszierende Aptamere eingesetzt, um Proteinkonzentrationen in einem ELISA-ähnlichen Assay (ELONA, enzyme linked oligonukleotid assay) zu quantifizieren (Drolet, et al., 1996).Furthermore it could be shown in the work that DP3 is characterized by a high specificity within the pancreatic polypeptide family. Although the human pancreatic polypeptide (liPP) has a 50% sequence homology to NPY, it was not complexed by DP3. This sequence specificity is with regard to a diagnostic application of the nucleic acids according to the invention both in immunohistochemical analyzes and for the quantification of NPY, which in endocrine tumors, for. An increased concentration in the plasma can be found, for example, in the pheochromocytoma (Grouzmann et al., 1994; (Grouzmann et al., 1998). Drolet and co-workers have already used fluorescent aptamers to determine protein concentrations in an ELISA-like assay (ELONA , enzyme-linked oligonucleotide assay) (Drolet, et al., 1996).
Ebenso können die erfindungsgemäßen Nukleinsäureliganden wie Antikörper in dem Fachmann bekannten ELISA- Applikationen eingesetzt werden. Ein Beispiel für die Anwendung eines Aptamers in einer ELISA- Applikation ist der spezifische Nachweis des Proteins VEGF mittels anti- VEGF-Aptameren (Drolet et al., Nat Biotechnol 14 (1996), 1021-1024; Kato et al., Analyst 125 (2000), 1371-1373). Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren können auch zur Detektion von NPY auf Chips als Trägermaterialien eingesetzt werden. Die Anwendung von Nukleinsäureliganden in derartigen Formaten wurde beispielsweise beschrieben in Brody et al. (Mol Diagn 4 (1999), 381-388). Als Probenmaterialien eignen sich dabei unter anderem Körperflüssigkeiten wie Blut, Urin, Lymphflüssigkeit, Vaginalflüssigkeit, Cerebrospinalflüssigkeit, Punktate, Stuhl, Biopsien, zelluläre Proben und Aufschlüsse davon. Daraus ergibt sich der spezifische Nachweis von NPY in den zu untersuchenden Proben.Likewise, the nucleic acid ligands according to the invention, such as antibodies, can be used in ELISA applications known to the person skilled in the art. An example of the use of an aptamer in an ELISA application is the specific detection of the VEGF protein using anti-VEGF aptamers (Drolet et al., Nat Biotechnol 14 (1996), 1021-1024; Kato et al., Analyst 125 ( 2000), 1371-1373). The nucleic acids according to the invention can also be used for the detection of NPY on chips as carrier materials. The use of nucleic acid ligands in such formats has been described, for example, in Brody et al. (Mol Diagn 4 (1999), 381-388). Suitable sample materials include body fluids such as blood, urine, lymph fluid, vaginal fluid, cerebrospinal fluid, punctures, stool, biopsies, cellular samples and digestions thereof. This results in the specific detection of NPY in the samples to be examined.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren zu diesen Zwecken kann auch mittels sogenannter Kits erfolgen. Im vorliegenden Fall umfasst ein derartiger Kit zumindest eine der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren, die optional bereits mit einer der oben beschriebenen Mar- kierungen versehen sind. Weitere Ausfuhrungsformen umfassen weitere Reagenzien, wie z.B. Positiv- und Negativkontrollen. Negativkontrollen können dabei so ausgebildet sein, dass eine Nukleinsäure im Kit enthalten ist, die an NPY, oder bestimmten Formen davon, wie sie hierin auch beschrieben sind, nicht binden oder deren Funktion nicht modulieren, und insbesondere diese nicht inhibieren. Als Positivkontrolle kann in einer weiteren Ausführangsform ein NPY beigefügt werden, an den die in dem Kit ebenfalls vorhandene erfindungsgemäße Nukleinsäure bindet. Sowohl die erfindungsgemäße Nukleinsäure als auch das NPY kann in einer Ausführangsform des Kits dabei entweder einzeln oder gemeinsam in einer Zelle, bevorzugterweise exprimiert oder in einer exprimierbaren Form vorliegen. In weiteren Ausfühmngsformen kann der Kit weiterhin umfassen Puffer, Waschlösungen und dergleichen.The nucleic acids according to the invention can also be used for these purposes by means of so-called kits. In the present case, such a kit comprises at least one of the nucleic acids according to the invention, which has optionally already been labeled with one of the brands described above. markings are provided. Other embodiments include other reagents, such as positive and negative controls. Negative controls can be designed in such a way that a nucleic acid is contained in the kit that does not bind to NPY or certain forms thereof, as are also described here, or does not modulate their function, and in particular does not inhibit them. In a further embodiment, an NPY can be added as a positive control to which the nucleic acid according to the invention also present in the kit binds. In one embodiment of the kit, both the nucleic acid according to the invention and the NPY can be expressed either individually or together in a cell, preferably expressed or in an expressible form. In other embodiments, the kit may further include buffers, wash solutions, and the like.
Die Verwendung der erfmdungsgemäßen Nukleinsäuren, um einen Komplex mit den hierin beschriebenen NPY auszubilden, kann neben dem therapeutischen und diagnostischen Bereich auch im technischen oder präparativen Bereich erfolgen. Aufgmnd deren hohen Spezifität und Stabilität ist eine Aufreinigung von natürlichem NPY aus verschiedenen biologischen Materialen durch einen affmitätschromatographischen Prozess denkbar. Dabei könnten die RNA-Moleküle am 5 '-Ende über eine Thiophosphatgrappe biotinyliert und so an Streptavidinsäulen als Aptamer- Affmitätsmatrix gekoppelt werden.The nucleic acids according to the invention can be used to form a complex with the NPY described herein, in addition to the therapeutic and diagnostic area, also in the technical or preparative area. Due to their high specificity and stability, a purification of natural NPY from various biological materials by an affinity-chromatographic process is conceivable. The RNA molecules could be biotinylated at the 5 'end via a thiophosphate group and thus coupled to streptavidin columns as an aptamer affinity matrix.
Bei diesen Aufreinigungsprozeduren können die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren an Trägermaterialien wie z.B. Sepharosen, Agarosen, oder magnetische Partikel gekoppelt werden. Diese Affmitätsträgermaterialien können daraufhin zur präparativen Aufreinigung von NPY verwendet werden. Entsprechende Protokolle wie Affmitätspräzipitationen, analog zu Immunpräzipitatio- nen, oder Affmitätschromatographien sind dem Fachmann bekannt. Protokolle für analoge Im- munpräzipitationen sind beispielsweise beschrieben in Ausubel et al. (Current Protocolls in Mo- lecular Biology (1991), Wiley Interscience , New York) oder Sambrook et al. (Molecular cloning - a laboratory manual, 2nd Ed. (1989), Cold Sprin Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor). Nach Auftragen der Probe und Bindung des Wechselwirkungspartners kann das Material mit geeigneten Waschlösungen von unspezifischen Bindungspartnem befreit werden. Anschließend wird der spezifisch gebundene Wechselwirkungspartner, d.h. das NPY, eluiert und optional quantifiziert. Als Elutionsmittel bzw. Elutionsbedingungen werden dabei typischerweise hohe Salzkonzentrationen, Detergenzien wie SDS, chaotrope Agenzien wie Harnstoff oder Guanadi- niumhydrochlorid verwendet. Desweiteren kann das Protein durch Hitzedenaturierang der Nukleinsäureliganden, typischerweise zwisch 60°C und 95°C, oder Denaturierang der Strkutur der Nukleinsäureliganden durch Komplexierang zweiwertiger Ionen beispielsweise durch EDTA eruiert werden. Dem Fachmann sind Protokolle, die zur Auflösung der Interaktion zwischen den Nukleinsäureliganden und dem aufzureinigenden Zielprotein verwendet werden können, bekannt. Als Probe können die vorstehend genannten Proben verwendet werden. Zusätzlich kann infolge des präparativen Charakters dieser Ausführangsform die Probe auch eine Kultivierangs- medium für Zellen sein, die den jeweiligen Bindungspartner bilden, mit oder ohne Zellen (im Falle des Exports des Bindungspartners), bzw. ein Aufschluß von Zellen sein. Ein Protokoll für die Aufreinigung von in CHO-Zellen exprimiertem humanem L-Selektin mittels eines spezifischen Aptamers über Affinitätschromatographie wurde von Romig und Mitarbeitern beschrieben (Romig, J Chromatogr B Biomed Sei Appl 731 (1999), 275-284).In these purification procedures, the nucleic acids according to the invention can be coupled to carrier materials such as, for example, Sepharose, agarose, or magnetic particles. These affinity carrier materials can then be used for the preparative purification of NPY. Corresponding protocols such as affinity precipitation, analogous to immunoprecipitation, or affinity chromatography are known to the person skilled in the art. Protocols for analog immunoprecipitations are described, for example, in Ausubel et al. (Current Protocols in Molecular Biology (1991), Wiley Interscience, New York) or Sambrook et al. (Molecular cloning - a laboratory manual, 2nd Ed (1989), Cold Sprin Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor.). After application of the sample and binding of the interaction partner, the material can be freed from unspecific binding partners with suitable washing solutions. The specifically bound interaction partner, ie the NPY, is then eluted and optionally quantified. Typically, high salt concentrations, detergents such as SDS, chaotropic agents such as urea or guanadinium hydrochloride are used as eluents or elution conditions. Furthermore, the protein can be obtained by heat denaturation Nucleic acid ligands, typically between 60 ° C. and 95 ° C., or denaturing the structure of the nucleic acid ligands by complexing divalent ions, for example by EDTA. Protocols that can be used to resolve the interaction between the nucleic acid ligands and the target protein to be purified are known to the person skilled in the art. The above-mentioned samples can be used as a sample. In addition, owing to the preparative character of this embodiment, the sample can also be a cultivation medium for cells which form the respective binding partner, with or without cells (in the case of the export of the binding partner), or a disruption of cells. A protocol for the purification of human L-selectin expressed in CHO cells by means of a specific aptamer via affinity chromatography has been described by Romig and co-workers (Romig, J Chromatogr B Biomed Sei Appl 731 (1999), 275-284).
Eine weitere Anwendung für die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren liegt in der Verwendung derselben beim rationalen Design von kleinen Molekülen, insbesondere Inhibitoren. Dabei erfolgt die Bestimmung der Struktur des Komplexes aus den erfindungsgemäßen Nukleinsäuren und dem Neuropeptid Y mittels dem Fachmann bekannten Techniken wie NMR oder Röntgen- analyse.Another application for the nucleic acids according to the invention is the use thereof for the rational design of small molecules, in particular inhibitors. The structure of the complex of the nucleic acids according to the invention and the neuropeptide Y is determined by means of techniques known to the person skilled in the art, such as NMR or X-ray analysis.
Eine weitere Form der Anwendung der Komplexbildung zwischen einer der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren und NPY erfolgt in den erfindungsgemäßen Screeningverfahren, die im folgenden beschrieben werden.Another form of using complex formation between one of the nucleic acids according to the invention and NPY takes place in the screening methods according to the invention, which are described below.
Beispielsweise können Bibliotheken von Substanzen, bevorzugt von niedermolekularen Substanzen, auf solche Substanzen durchsucht werden, die durch Bindung an einen der beiden Interaktionspartner, d.h. NPY oder zumindest eine der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren, die Interaktion der beiden Interaktionspartner blockieren. Analoge Screeningsysteme wurden beispielsweise zum Screening von Inhibitoren von Protein/Proteinwechselwirkungen entwickelt. So konnten niedermolekulare Inhibitoren für die Wechselwirkung zwischen Cyanovirin-N und dem HIV- Protein gpl20 (McMahon et al., J. Biomol. Screen 5 (2000), 169-176) oder niedermolekulare Inhibitoren für die Wechselwirkung zwischen Peptiden einer Phagenbibliothek der Tyrosyl- tRNA Synthase von H. influenza (Hyde-DeRuyscher et al, Chem. Biol. 7 (2000), 17-25) identifiziert werden. Moleküle, d.h. genauer gesagt Inhibitoren, die die erfmdungsgemäßen Nuklein- säuresequenzen von NPY verdrängen, könnten funktional äquivalent zu den erfindungsgemäßen Nukleinsäuren sein. Neben der Verwendung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren als Inhibitoren können diese somit auch zur Identifizierung von Verbindungen aus einer Bibliothek dienen bzw. den Mitgliedern dieser Bibliothek eine bestimmte Funktion oder Verwendung zuweisen, nämlich die, dass sie eine zu den erfindungsgemäßen Nukleinsäuren funktionsanaloge Wirkung aufweisen und die Wechselwirkung zwischen NPY und Y2-Rezeptor modulieren, genauer inhibieren. Neben dieser Verwendung können die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren ebenso wie die in dem erfindungsgemäßen Screening-V erfahren identifizierten Mitglieder der Bibliothek aber auch wertvolle Leitstmkturen sein und somit zur Entwicklung neuartiger Therapeutika dienen. In diesen Screeningsystemen kann die Interaktion zwischen den erfindungsgemäßen Nukleinsäuren und dem NPY wie schon beschrieben über fluoreszenzbasierende Methoden (z.B. FRET) oder über Aptazymkonstrakte nachgewiesen werden. Bei Verdrängung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuren durch ein in der Bibliothek vorhandene Substanz wird ein Signal generiert. Die so identifizierte Substanz bindet an das gleiche Interaktionszentram wie die erfindungsgemäßen Nukleinsäuren. Dadurch ist die identifizierte Substanz in bezug auf die Bindung ein funktionelles Analog der erfindungsgemäßen Nukleinsäure und mit erhöhter Wahrscheinlichkeit eine Substanz die durch Bindung an das aktive Konformation des NPY die nachgeschaltete Signaltransdukti- onskaskade inhibieren kann. Ein Vorteil dieses Screeningsystems ist, dass weder die Substanzbibliothek noch das Zielprotein markiert werden müssen. Dadurch kann eine erhebliche Rationalisierang des Prozesses erreicht werden. Zudem werden die Eigenschaften der in der Bibliothek enthaltenen Substanzen und des Proteins durch die bei konventionellen Verfahren meist nachträglich eingeführten Markierungen nicht verändert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Screening fokussiert auf das Interaktionszentram ist, da alle an andere Bereiche des Proteins bindenden Substanzen nicht detektiert werden. Dies erhöht die Chancen auf die Identifizierang von Substanzen mit der gewünschten inhibitorischen Wirkung.For example, libraries of substances, preferably of low molecular weight substances, can be searched for substances which, by binding to one of the two interaction partners, ie NPY or at least one of the nucleic acids according to the invention, block the interaction of the two interaction partners. Analog screening systems have been developed, for example, for screening inhibitors of protein / protein interactions. Thus, small-molecule inhibitors for the interaction between cyanovirin-N and the HIV protein gpl20 (McMahon et al., J. Biomol. Screen 5 (2000), 169-176) or small-molecule inhibitors for the interaction between peptides in a phage library of the tyrosyl- H. influenza tRNA synthase (Hyde-DeRuyscher et al, Chem. Biol. 7 (2000), 17-25). Molecules, ie more precisely inhibitors, which displace the nucleic acid sequences of NPY according to the invention could be functionally equivalent to those according to the invention Be nucleic acids. In addition to the use of the nucleic acids according to the invention as inhibitors, they can thus also be used to identify compounds from a library or assign a specific function or use to the members of this library, namely that they have an action analogous to the nucleic acids according to the invention and the interaction between Modulate NPY and Y2 receptor, inhibit more precisely. In addition to this use, the nucleic acids according to the invention, like the members of the library identified in the screening method according to the invention, can also be valuable guide structures and thus serve to develop novel therapeutic agents. In these screening systems, the interaction between the nucleic acids according to the invention and the NPY can, as already described, be detected using fluorescence-based methods (for example FRET) or using aptazyme contracts. When the nucleic acids according to the invention are displaced by a substance present in the library, a signal is generated. The substance identified in this way binds to the same interaction center as the nucleic acids according to the invention. As a result, the identified substance with regard to binding is a functional analog of the nucleic acid according to the invention and, with increased probability, is a substance that can inhibit the downstream signal transduction cascade by binding to the active conformation of the NPY. An advantage of this screening system is that neither the substance library nor the target protein has to be labeled. As a result, the process can be considerably rationalized. In addition, the properties of the substances contained in the library and of the protein are not changed by the markings that are usually introduced retrospectively in conventional processes. Another advantage is that the screening is focused on the interaction center, since all substances that bind to other areas of the protein are not detected. This increases the chances of identifying substances with the desired inhibitory effect.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese auch diejenigen Verbindungen, die durch ein derartiges Verfahren erhalten werden bzw. denen durch ein derartiges Verfahren eine bestimmte Eigenschaft zugewiesen werden kann und insbesondere deren Verwendung zur Herstellung von Medikamenten, wobei die Medikamente bevorzugt für jene Erkrankungen bestimmt sind, deren Pathogenitätsmechanismus dem Screeningverfahren bzw. dessen Konzeption zugrande liegt. Beispiele und FigurenIn a further aspect of the invention, this also relates to those compounds which are obtained by such a process or to which a certain property can be assigned by such a process and in particular their use for the manufacture of medicaments, the medicaments preferably being intended for those diseases whose pathogenicity mechanism is based on the screening process or its conception. Examples and figures
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Beispiele, Figuren und des Sequenzprotokolls erläutert, aus denen sich weitere Merkmale, Ausführangsformen und Vorteile der verschiedenen Aspekte der Erfindung ergeben. Dabei zeigt:The invention is explained below on the basis of examples, figures and the sequence listing, from which further features, embodiments and advantages of the various aspects of the invention result. It shows:
Fig. 1 die Primärstruktur von Neuropeptid Y ;1 shows the primary structure of neuropeptide Y;
Fig. 2 das Selektionstarget NPY, das N-terminal biotinyliert und an Streptavidi- nagarose immobilisiert vorliegt; Fig. 3 den Verlauf der NPY-Selektion bis zum sechsten Selektionszyklus;2 shows the selection target NPY, which is N-terminally biotinylated and immobilized on streptavidin agarose; 3 shows the course of the NPY selection up to the sixth selection cycle;
Fig. 4 den Verlauf der NPY-Selektion ab Selektionszyklus 6c;4 shows the course of the NPY selection from selection cycle 6c;
Fig. 5 eine Bindungsstudie der selektierten RNA-Bibliothek an NPY nach ZyklusFig. 5 shows a binding study of the selected RNA library to NPY after cycle
12 im Vergleich zur unselektierten Pool RNA ; Fig. 6 die aus dem angereicherten Pool der NPY-Selektion ermittelten Sequenzen und davon abgeleiteter Konsensussequenzen; Fig. 7 Bindungskurven repräsentativer Aptamersequenzen an NPY;12 compared to the unselected pool RNA; 6 shows the sequences determined from the enriched pool of the NPY selection and consensus sequences derived therefrom; Fig. 7 binding curves of representative aptamer sequences to NPY;
Fig. 8A die Sequenzen der synthetischen Peptide Neuropeptid Y, random-NPY und des humanen pankreatischen Polypeptids; Fig. 8B die für verschiedene Aptameree ermittelten Dissoziationskonstanten;8A shows the sequences of the synthetic peptides neuropeptide Y, random NPY and the human pancreatic polypeptide; 8B shows the dissociation constants determined for various aptamers;
Fig. 9 das Desorptionsprofil des Aptamers DP3 in Gegenwart von an Streptavi- dinagarose immobilisiertem NPY; Fig. 10 Stabilität von 2'-Amino-2'-Deoxy-pyrimidin (2'NH2) DP3-RNA (A) und unmodifizierter 2' Hydroxy (2'OH) DP3-RNA (B) in fötalem Kälberserum;9 shows the desorption profile of the aptamer DP3 in the presence of NPY immobilized on streptavidin agarose; Fig. 10 Stability of 2'-amino-2'-deoxypyrimidine (2'NH 2 ) DP3-RNA (A) and unmodified 2 'hydroxy (2'OH) DP3-RNA (B) in fetal calf serum;
Fig. 11 die Bindung des NPY- Aptamers (DP3) an verschiedene, immobilisierte11 shows the binding of the NPY aptamer (DP3) to various, immobilized
NPY-Varianten;NPY variants;
Fig. 12 die Kompetition der spezifischen Bindung von 3H-NPY an G-Protein- gekoppelte transmembrane Rezeptorsubtypen;12 shows the competition of the specific binding of 3H-NPY to G protein-coupled transmembrane receptor subtypes;
Fig. 13 eine Modellvorstellung zur biologisch aktiven NPY-Konformation am Y2-13 shows a model of the biologically active NPY conformation on the Y2-
Rezeptor;Receptor;
Fig. 14 das Ergebnis einer Studie zur Bindung von unselektiertem und selektiertem Nukleinsäurepool an NPY; und14 shows the result of a study on the binding of unselected and selected nucleic acid pools to NPY; and
Fig. 15 das Bindungsverhalten verschiedener selektierter Klone als Funktion der15 shows the binding behavior of various selected clones as a function of
Menge an verfugbarem NPY als Zielmolekül der Aptamere. Beispiel 1: In vitro Selektion von Neuropeptid Y (NPY) spezifischen RNA-Molekülen und deren funktionelle CharakterisierungAmount of available NPY as the target molecule of the aptamers. Example 1: In vitro selection of neuropeptide Y (NPY) specific RNA molecules and their functional characterization
Der Verlauf der in vitro SelektionThe course of the in vitro selection
In der ersten Selektionsrande wurde eine radioaktiv markierte 2'-amino-Pyrimidin-RNA- Bibliothek von 3,75 nmol (ca. 2,3 Genomkopien) mit dem N-terminal biotinylierten und immobilisierten NPY (vgl. Fig. 2), nach Abtrennung der Vorsäulenbinder (Streptavidinagarosebinder) durch die Präselektion, inkubiert. Damit ist statistisch davon auszugehen, daß von jeder Sequenz zwei Kandidaten im Ausgangspool repräsentiert sind. Durch den Waschschritt mit 100 Säulenvolumen Selektionspuffer wurden die nicht bindenden RNA-Moleküle entfernt. Anschließend wurden die 0,34% (bezogen auf die Gesamtmenge der eingesetzten radioaktiv markierten RNA) der an NPY gebundenen, funktionellen Sequenzen unter denaturierenden Bedingungen (7M Harnstoff, 3 mM EDTA) eruiert In den folgenden Selektionsranden (Zyklus 2 bis 6) wurde sowohl die RNA-Konzentration (500 pmol = 3,3 μM) als auch die NPY-Konzentration (26 μM) weitgehend konstant gehalten. Ein detaillierter Überblick über die Elutionsergebnisse sowie die Inkubations-und Waschbedingungen der ersten sechs Selektionszyklen ist in Fig. 3 dargestellt, wobei der relative Anteil an gebundener RNA in [%] für die einzelnen Selektionszyklen aufgetragen (Abszisse) ist. Eine unspezifische Bindung der Nukleinsäurebibliotheken an das underiva- tisierte Säulenmaterial (siehe Vorsäule [%]) konnte im Verlauf der gesamten Selektion nicht detektiert werden, wie dies auch ebenso wie die detaillierten Bedingungen der Selektions und Präselektion und deren Ergebnisse aus den Tabellen 2 und 3 ersichtlich ist (SV = Säulenbedingungen) (Die Tabellen 2 und 3 sind als Aufstellungen unter den Pfeildiagrammen in den Figs 4 und 5 enthalten.)In the first selection margin, a radioactively labeled 2'-amino-pyrimidine-RNA library of 3.75 nmol (approx. 2.3 genome copies) with the N-terminally biotinylated and immobilized NPY (see FIG. 2) was obtained after separation the pre-column binder (streptavidin agarose binder) by the preselection. It can be assumed statistically that two candidates from each sequence are represented in the initial pool. The non-binding RNA molecules were removed by washing with 100 column volumes of selection buffer. Subsequently, the 0.34% (based on the total amount of radioactively labeled RNA) of the functional sequences bound to NPY was determined under denaturing conditions (7M urea, 3 mM EDTA). In the following selection margins (cycles 2 to 6) both RNA concentration (500 pmol = 3.3 μM) and the NPY concentration (26 μM) were kept largely constant. A detailed overview of the elution results and the incubation and washing conditions of the first six selection cycles is shown in FIG. 3, the relative proportion of bound RNA in [%] being plotted for the individual selection cycles (abscissa). An unspecific binding of the nucleic acid libraries to the underivatized column material (see guard column [%]) could not be detected in the course of the entire selection, as can be seen in Tables 2 and 3, as can the detailed conditions of the selection and preselection and their results (SV = column conditions) (Tables 2 and 3 are shown as a list under the arrow diagrams in Figs. 4 and 5.)
Nach sechs Selektionszyklen zeigte sich eine deutliche Anreicherung von 23,8% an NPY- bindenden RNA-Molekülen (Fig. 3, Zyklus 6, Fig. 4, Zyklus 6a). Mit dem Ziel, in diesem Selektionszyklus möglichst affine Aptamere zu selektieren, wurde in zwei Parallelansätzen mit der in Zyklus 5 generierten RNA-Bibliothek der Selektionszyklus 6a unter anderen, stringenteren Bedingungen wiederholt:After six selection cycles, there was a clear accumulation of 23.8% of NPY-binding RNA molecules (FIG. 3, cycle 6, FIG. 4, cycle 6a). With the aim of selecting as affine aptamers as possible in this selection cycle, the selection cycle 6a was repeated in two parallel approaches with the RNA library generated in cycle 5 under different, more stringent conditions:
Reduzierte man die eingesetzte Peptidkonzentration auf 5 μM, erniedrigte sich der prozentuale Anteil an gebundener RNA auf 10% (Parallelansatz 6b). Unter noch stringenteren Bedingungen mit einer Ionenstärke von 300 mM NaCl im Inkubationsansatz, einem erhöhten Waschvolumen von 100 auf 650 Säulenvolumen sowie einem Waschpuffer versetzt mit 300 bis 750 mM NaCl und 1% Triton X-100 (Abb. 12 6c) zeigte sich eine drastische Reduktion der NPY-RNA- Liganden auf 0,95% (Parallelansatz 6c). Diese sehr affinen Binder wurden eluiert und im 7. Selektionszyklus weiterverwendet.If the peptide concentration used was reduced to 5 μM, the percentage decreased Proportion of bound RNA to 10% (parallel approach 6b). Under even more stringent conditions with an ionic strength of 300 mM NaCl in the incubation batch, an increased wash volume from 100 to 650 column volumes and a wash buffer mixed with 300 to 750 mM NaCl and 1% Triton X-100 (Fig. 12 6c), a drastic reduction was shown the NPY-RNA ligand to 0.95% (parallel approach 6c). These very affine binders were eluted and used in the 7th selection cycle.
In den folgenden Selektionsranden (Zyklus 7-12) wurde der Selektionsdruck mit dem Hintergrund, möglichst spezifische NPY-Aptamere zu selektieren, sukzessiv erhöht. Man setzte beispielsweise den unspezifischen Kompetitor Heparin, ein negativ geladenes Glukosaminoglykan, dem Bindungsansatz ab Zyklus 7 hinzu (final 1 μg/μl), die Waschvolumina wurden erhöht und dem Waschpuffer sowohl NaCl (300mM, 500mM und 750mM) als auch Triton X100 (1%) zugesetzt. Des weiteren wurde die NPY-Konzentration schrittweise bis auf 2,5 μM (Zyklus 9 bis 12) erniedrigt. Der weitere Selektionsverlauf (6c- 12) sowie die detaillierten Selektionsbedingungen sind in Fig. 5 und der darunter angegebenen Tabelle, die hierin auch als Tabelle 3 bezeichnet wird, dargestellt. Analog zu Zyklus 6 wurde der 8. Selektions-zyklus mit zwei Parallelansätzen durchgeführt. Der neunte Selektionszyklus wurde mit der in Zyklus 8b generierten RNA- Bibliothek fortgeführt. Bedingt durch die stringenteren Selektionsbedingungen reduzierte sich der Anteil NPY-bindender RNA-Moleküle von ca. 8% im 7. Zyklus auf unter 2% in Zyklus 9 bis 12. Die Aminosäuresequenzen der Peptide I und III lauten wie folgt:In the following selection margins (cycle 7-12) the selection pressure was gradually increased with the background of selecting as specific NPY aptamers as possible. For example, the non-specific competitor heparin, a negatively charged glucosaminoglycan, was added to the binding approach from cycle 7 (final 1 μg / μl), the washing volumes were increased and both NaCl (300mM, 500mM and 750mM) and Triton X100 (1% ) added. Furthermore, the NPY concentration was gradually reduced to 2.5 μM (cycle 9 to 12). The further course of the selection (6c-12) and the detailed selection conditions are shown in FIG. 5 and the table below, which is also referred to as Table 3 herein. Analogous to cycle 6, the 8th selection cycle was carried out with two parallel approaches. The ninth selection cycle was continued with the RNA library generated in cycle 8b. Due to the more stringent selection conditions, the proportion of NPY-binding RNA molecules decreased from approx. 8% in the 7th cycle to less than 2% in cycle 9 to 12. The amino acid sequences of peptides I and III are as follows:
Peptid I NH2 -WNNDNPLFKS ATTTVMNPKFAES-COOH (SEQ.ID.No. 19)Peptide I NH 2 -WNNDNPLFKS ATTTVMNPKFAES-COOH (SEQ.ID.No. 19)
Peptid III NH2 -DLREYRRFEKEKLKSQW-COOH (SEQ.ID.No. 20)Peptide III NH 2 -DLREYRRFEKEKLKSQW-COOH (SEQ.ID.No. 20)
Als Proteaseinhibitoren (Inhibitoren) in Zyklus 9-12 wurden Aprotinin (0,2 μg/μ), Leupeptin (0,2 μg μ) und Pefabloc (0,5 mM) verwendet (SV = Säulenvolumen, FKS = fötales Kälberse- ram).Aprotinin (0.2 μg / μ), leupeptin (0.2 μg μ) and Pefabloc (0.5 mM) were used as protease inhibitors (inhibitors) in cycle 9-12 (SV = column volume, FCS = fetal calf serum) ,
Um eine Bindung der selektierten RNA-Moleküle an nicht immobilisiert vorliegendem NPY zu gewährleisten, wurde in den letzten vier Zyklen das Zielpeptid mit dem angereicherten Pool für 1 Stunde bei 37°C in Lösung inkubiert und erst anschließend an Streptavidinagarose für 15 min bei 37°C immobilisiert. Durch die Verwendung von derivatisiertem Vorsäulenmaterial (Zyklus 7 bis 9), immobilisiert mit synthetischen Peptiden, welche durch unterschiedliche isoelektrische Punkte von pI 6,l (Peptid I) und einen pl 10 (Peptid III) charakterisiert sind (vgl. Material), sollten aufgrund unspezifischer Peptid-Wechselwirkungen bindende RNA-Sequenzen eliminiert werden. Da im Falle des Vorsäulenmaterials kein erhöhter Anteil an gebundenen Nukleinsäuren bis zum neunten Zyklus detektierbar war (Fig. 4), wurde in den letzten drei Runden auf eine Präselektion verzichtet.In order to ensure binding of the selected RNA molecules to non-immobilized NPY, the target peptide was incubated with the enriched pool for 1 hour at 37 ° C. in solution and only then on streptavidin agarose for 15 minutes at 37 ° C. immobilized. Through the use of derivatized precolumn material (cycle 7 to 9), immobilized with synthetic peptides, which are characterized by different isoelectric points of pI 6, l (peptide I) and a pl 10 (peptide III) (cf. material) RNA sequences binding due to non-specific peptide interactions are eliminated. Since no increased proportion of bound nucleic acids was detectable up to the ninth cycle in the case of the precolumn material (FIG. 4), preselection was dispensed with in the last three rounds.
Um die Stringenz der Selektion noch weiter zu verstärken und die in vitro Bedingungen den Bedingungen "in vivo" möglichst anzunähern, wurde die neunte bis zwölfte Selektionsmnde in Gegenwart von 10% FKS durchgeführt. Damit hat sich der Anteil an NPY bindenden RNA- Liganden weiter erniedrigt. Wie in einem Vorexperiment gezeigt wurde, sind für NPY in Gegenwart von 10% FKS sowie den Proteaseinhibitoren Aprotinin, Pefabloc und Leupeptin über mehr als 2 Stunden keine Degradationserscheinungen detektierbar. Eine erneute Anreicherung unter FKS-Bedingungen konnte in den folgenden Selektionszyklen nicht erzielt werden. Die Selektion wurde nach dem 12. Zyklus beendet.In order to further increase the stringency of the selection and to bring the in vitro conditions as close as possible to the conditions "in vivo", the ninth to twelfth selection mouths were carried out in the presence of 10% FCS. The proportion of NPY-binding RNA ligands has thus decreased further. As was shown in a preliminary experiment, no signs of degradation were detectable for NPY in the presence of 10% FCS and the protease inhibitors aprotinin, pefabloc and leupeptin for more than 2 hours. A renewed enrichment under FCS conditions could not be achieved in the following selection cycles. The selection was ended after the 12th cycle.
Die Bindung des selektierten Pools an NPYThe binding of the selected pool to NPY
Vor der Klonierang und Sequenzierung der selektierten Liganden wurde das Bindungsverhalten der angereicherten RNA-Bibliothek aus Zyklus 12 und der unselektierten Pool-RNA in Gegenwart von NPY untersucht. Die einzelnen Bindungsreaktionen setzten sich aus unterschiedlichen Peptidkonzentrationen (50 nM-7 μM) und einer konstanten RNA-Konzentration (1 nM), welche am 5 '-Ende kinasiert war, zusammen.Before the cloning rank and sequencing of the selected ligands, the binding behavior of the enriched RNA library from cycle 12 and the unselected pool RNA was examined in the presence of NPY. The individual binding reactions were composed of different peptide concentrations (50 nM-7 μM) and a constant RNA concentration (1 nM), which was kinased at the 5 'end.
Zur Denaturierang der Ribonukleinsäuren wurden die Ansätze in Bindungspuffer ohne Peptid 1 min auf 90°C erhitzt, sofort auf Eis abgekühlt, mit MgCl2 versetzt (1 mM), kurz abzentrifugiert und dann das Peptid vorsichtig beigemischt. Die Inkubation erfolgte 1 h bei 37°C unter schwa¬ chem Schütteln (7.000 rpm) im Thermomixer. Durch Nitrozellulosefiltration wurde gebundene von nicht gebundener RNA separiert und die auf den Filtermembranen (0,45 μm, Millipore) verbleibende Radioaktivität mit Hilfe des Phosphorimagers (STORM860) quantifiziert.To denature the ribonucleic acids, the batches in binding buffer without peptide were heated to 90 ° C. for 1 min, immediately cooled on ice, MgCl 2 (1 mM) was added, the mixture was centrifuged briefly and the peptide was then mixed in carefully. Incubation was carried out for 1 h at 37 ° C under schwa ¬ chem agitation (7,000 rpm) in a Thermomixer. Bound and unbound RNA were separated by nitrocellulose filtration and the radioactivity remaining on the filter membranes (0.45 μm, Millipore) was quantified using the phosphorimager (STORM860).
Die Dissoziationskonstanten (Kd- Werte) für die einzelnen repräsentativen Aptamersequenzen am NPY wurden mit Hilfe folgender Gleichung ermittelt:The dissociation constants (Kd values) for the individual representative aptamer sequences at the NPY were determined using the following equation:
q= (f/2Rt)= (Pt+ Rt+Kd-[(Pt+Rt+ Kd)2-4PtRt]1 2 (Gleichung 1) q ist der Anteil an im Gleichgewicht gebundener RNA. Pt und Rt sind die totalen Peptid bzw. RNA-Konzentrationen. f stellt die Effizienz an auf den Nitrozellulosefiltem zurückgehaltenen RNA-Peptid-Komplexen dar (Jellinek et al, 1994).q = (f / 2R t ) = (P t + R t + Kd - [(P t + R t + Kd) 2 -4P t R t ] 1 2 (Equation 1) q is the proportion of RNA bound in equilibrium. P t and R t are the total peptide and RNA concentrations, respectively. f represents the efficiency of RNA-peptide complexes retained on the nitrocellulose filter (Jellinek et al, 1994).
Die in Fig. 5 dargestellte Bindungsstudie zeigt einen Vergleich des Bindungsverhalten der selektierten RNA-Bibliothek an NPY nach Zyklus 12 mit dem der unselektierten RNA. Der relative Anteil an komplexierter RNA [%] ist in Abhängigkeit von der eingesetzten NPY-Konzentration [μM] dargestellt.The binding study shown in FIG. 5 shows a comparison of the binding behavior of the selected RNA library to NPY after cycle 12 with that of the unselected RNA. The relative proportion of complexed RNA [%] is shown depending on the NPY concentration [μM] used.
Aus den in Fig. 5 dargestellten Bindungskurven wird deutlich, daß die angereicherte RNA- Bibliothek aus Zyklus 12 eine wesentlich höhere Affinität zum NPY zeigt als der unselektierte Pool. Während der Kurvenverlauf der selektierten Bibliothek bei einer NPY-Konzentration von 5 μM einen Sättigungsbereich aufweist, konnte für den unselektierten Pool keine signifikante Retention auf der Nitrozellulosemembran detektiert werden. Eine Bestimmung der Dissoziationskonstanten für die unselektierte Pool-RNA war aus diesem Grund nicht möglich. Für die selektierte Pool-RNA wurde eine Dissoziationskonstante von ca. 500 nM berechnet.It is clear from the binding curves shown in FIG. 5 that the enriched RNA library from cycle 12 shows a substantially higher affinity for NPY than the unselected pool. While the curve of the selected library had a saturation range at an NPY concentration of 5 μM, no significant retention on the nitrocellulose membrane could be detected for the unselected pool. For this reason, it was not possible to determine the dissociation constants for the unselected pool RNA. A dissociation constant of approx. 500 nM was calculated for the selected pool RNA.
Klonierung und Sequenziemng des selektierten PoolsCloning and sequencing of the selected pool
Nach erfolgter Selektion befinden sich im angereicherten Pool verschiedene RNA-Moleküle, die unterschiedliche Bindungseigenschaften für das Targetpeptid NPY aufweisen. Um diese individuellen Sequenzen identifizieren und charakterisieren zu können, wurde die RNA-Bibliothek nach dem 12. Zyklus Moniert. Durch reverse Transkription der eluierten RNA und anschließender PCR-Amplifikation der erhaltenen cDNA konnten durch die Primer PM39-5' und PM-25-3' die für die Klonierang notwendigen Restriktionsschnittstellen eingeführt werden. Nach dem Restriktionsverdau des PCR-Produktes mit Hind III und Bam HI wurde die ds DNA in den analog behandelten Vektor pGEM-4Z (Promega) ligiert. Die Ligationsprodukte wurden in E.coli transformiert, vermehrt und die Plasmid-DNA für die Sequenzierung aus einzelnen E.coli Klonen isoliert.After the selection has been made, there are various RNA molecules in the enriched pool which have different binding properties for the target peptide NPY. In order to identify and characterize these individual sequences, the RNA library was cloned after the 12th cycle. By reverse transcription of the eluted RNA and subsequent PCR amplification of the cDNA obtained, the restriction sites necessary for the cloning rank could be introduced by the primers PM39-5 'and PM-25-3'. After restriction digestion of the PCR product with Hind III and Bam HI, the ds DNA was ligated into the analogously treated vector pGEM-4Z (Promega). The ligation products were transformed into E. coli, propagated and the plasmid DNA for sequencing was isolated from individual E. coli clones.
Die Sequenziemng von 30 Klonen (Sanger, et al., 1977) ergab Sequenzen, die sich aufgrund ihrer fast identischen Primärstraktur in zwei Familien (I, II) unterteilen ließen. Darüber hinaus befanden sich unter den sequenzierten Klonen Kandidaten, die keine Homologien zu den Se- quenzfamihen bzw. zueinander aufweisen. Man bezeichnet diese nur einmal vorkommenden Sequenzen allgemein als Orphans (Fig. 6).Sequencing of 30 clones (Sanger, et al., 1977) resulted in sequences that could be divided into two families (I, II) due to their almost identical primary structure. In addition, among the sequenced clones were candidates who had no homology to the quenzfamihen or have each other. These sequences, which occur only once, are generally referred to as orphans (FIG. 6).
Die den verschiedenen Familien zuweisbaren erfindungsgemäßen Sequenzen und die sich daraus ergebenden erfmdungsgemäßen Konsensussequenzen, hierin allgemein als erfindungsgemäße Sequenzen bezeichnet, lauten wie folgt und sind nochmals in Fig. 6 dargestellt:The sequences according to the invention which can be assigned to the various families and the resulting consensus sequences according to the invention, generally referred to herein as sequences according to the invention, are as follows and are shown again in FIG. 6:
Familie IFamily I
Klon SequenzClone sequence
DPll(ll) CAAGGCCGGGTTAGGTGGGACCGTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.No 1)DPll (ll) CAAGGCCGGGTTAGGTGGGACCGTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.No 1)
DPI CAAGGCCGGGTTAGGCGGGACCGTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.No 2)DPI CAAGGCCGGGTTAGGCGGGACCGTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.No 2)
DP27 CAAGGCCGGGTGAGGTGGGACCGTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.NO 3)DP27 CAAGGCCGGGTGAGGTGGGACCGTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.NO 3)
DP12 (2 ) CAA.GGCCGGGTTAGGTGGGACCGTGATCTGATGTGACGTG (SEQ . ID .No 4)DP12 (2) CAA.GGCCGGGTTAGGTGGGACCGTGATCTGATGTGACGTG (SEQ. ID .No 4)
DP28(2) CAAGGCCGGGTTAGGGGGGACCGTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.No 5)DP28 (2) CAAGGCCGGGTTAGGGGGGACCGTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.No 5)
DP2 CAAGGCCGGGTTAGGTGGGACGTGATACTGATGTGGGGAG (SEQ.ID.No 6)DP2 CAAGGCCGGGTTAGGTGGGACGTGATACTGATGTGGGGAG (SEQ.ID.No 6)
DP5(2) CAAGGCCGGGTTAGG-GGGACCGTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.No 7)DP5 (2) CAAGGCCGGGTTAGG-GGGACCGTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.No 7)
DP20 CAAGGCCGGGTTAGG-GGGACCGTGATCTGTAGTGGCGTG (SEQ.ID.No 8)DP20 CAAGGCCGGGTTAGG-GGGACCGTGATCTGTAGTGGCGTG (SEQ.ID.No 8)
DP26(2) CAAGGCCGGGTTAGGTGGGAC-GTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.No 9)DP26 (2) CAAGGCCGGGTTAGGTGGGAC-GTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.No 9)
DP22 CAAGGCCGGGTTAGGTGGGACTGTGATTTCGATGTGGCTG (SEQ.ID.No 10)DP22 CAAGGCCGGGTTAGGTGGGACTGTGATTTCGATGTGGCTG (SEQ.ID.No 10)
DP4 CAAGG GGTTAGG-GGGACCGTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.No 11)DP4 CAAGG GGTTAGG-GGGACCGTGATCTGATGTGGCGTG (SEQ.ID.No 11)
Konsensussequenz:Consensus sequence:
CAAGG FFHGG TKAGG XGGGA CX KR W YTS DWKKK RSS G (SEQ.ID.No 12) wobei F entweder C oder eine Deletion um ein Nukleotid an der Stelle, H entweder G oder eine Deletion um ein Nukleotid an der Stelle K entweder G oder T, X entweder G, C oder T oder eine Deletion um einCAAGG FFHGG TKAGG XGGGA CX KR W YTS DWKKK RSS G (SEQ.ID.No 12) where F is either C or a nucleotide deletion at the site, H either G or a nucleotide deletion at K site either G or T , X is either G, C or T or a deletion by one
Nukleotid an der Stelle W entweder A oder T Y entweder C oder TNucleotide at W either A or T Y either C or T
S entweder C oder GS either C or G
D entweder A oder G oder TD either A or G or T
R entweder A oder G bedeutet. Familie IIR means either A or G. Family II
DP3 CAGCAGGAGGGCCGGCGTTAGGGTTAGCGAGCCGATTGAA SEQ.ID.No. 13)DP3 CAGCAGGAGGGCCGGCGTTAGGGTTAGCGAGCCGATTGAA SEQ.ID.No. 13)
DP8 CAGCAGGAGGGCCGGCGTTAGGGTTAGCGAGCCGAT-GAA SEQ.ID.No. 14)DP8 CAGCAGGAGGGCCGGCGTTAGGGTTAGCGAGCCGAT-GAA SEQ.ID.No. 14)
Konsensussequenz:Consensus sequence:
CAGCAGGAGGGCCGGCGTTAGGGTTAGCGAGCCGATLGAA SEQ . ID . No . 15 )CAGCAGGAGGGCCGGCGTTAGGGTTAGCGAGCCGATLGAA SEQ. ID. No. 15)
wobei L entweder T/U oder eine Deletion um ein Nukleotid an der Stelle bedeutet.where L means either T / U or a deletion by one nucleotide at the site.
orphansorphans
DP14 CTGCCAAAGGTTGGCCATGTGTGGGGGAAGCTCCAACGT- SEQ . ID .No .16) DP19 GCCACCAATGCGCACCCACCCAGACACGTCAAGTCAAGT- SEQ. ID .No .17) DP25 GGATACTTAGCGTAAGTNAGTGGCTGGGGGGTGACGAAG- SEQ . ID .No .18)DP14 CTGCCAAAGGTTGGCCATGTGTGGGGGAAGCTCCAACGT- SEQ. ID .No .16) DP19 GCCACCAATGCGCACCCACCCAGACACGTCAAGTCAAGT- SEQ. ID .No .17) DP25 GGATACTTAGCGTAAGTNAGTGGCTGGGGGGTGACGAAG- SEQ. ID .No .18)
Die in Fig. 6 dargestellten erfindungsgemäßen Sequenzen stellen nur die ursprünglich randomi- sierte Region 40 N der verwendeten Nukleinsäure-Bibliothek ohne die konstanten Primerbin- dungsstellen dar. Die Anzahl identischer Sequenzen ist in den Klammem angegeben. Die 2'- Amino-2'Deoxycytidin and 2'-Amino-Deoxyuridine Reste sind als C oder T bezeichnet. N zeigt einen nicht eindeutig bestimmbaren Nukleotidrest. Mutationen und Deletionen (-) innerhalb einer Familie sind fettgedruckt, wobei diese sich immer auf die erste dargestellte Sequenz beziehen.The sequences according to the invention shown in FIG. 6 represent only the originally randomized region 40 N of the nucleic acid library used without the constant primer binding sites. The number of identical sequences is indicated in the brackets. The 2'-amino-2'-deoxycytidine and 2'-amino-deoxyuridine residues are designated as C or T. N shows a nucleotide residue that cannot be clearly determined. Mutations and deletions (-) within a family are shown in bold, which always refer to the first sequence shown.
Die Sequenzierang ergab, daß die Diversität des Pools nach 12 Selektionsranden am NPY stark minimiert wurde. Die Mehrheit (ca. 80%) aller selektierten Klone gehören zur Sequenzfamilie I. Die Mitglieder dieser hoch konservierten Familie unterscheiden sich nur durch Punktmutationen und Deletionen. Die am häufigsten vorkommende Sequenz aus der Familie I ist der Klon DP11. Die zweite Sequenzfamilie besteht nur aus zwei Sequenzen, die sich in einer Position unterscheiden (vgl.Fig. 6).The sequencing showed that the diversity of the pool was greatly minimized after 12 selection edges at the NPY. The majority (approx. 80%) of all selected clones belong to sequence family I. The members of this highly conserved family differ only in point mutations and deletions. The most common family I sequence is clone DP11. The second sequence family consists of only two sequences that differ in one position (see Fig. 6).
Die erfindungsgemäßen Nukleinsäuresequenzen umfassen weiterhin solche Sequenzen, die in den Sequenzen nach SEQ. ID.No. 1 bis 18 enthalten sind, insbesondere solche, die eine Länge von mindestens 10, 15, 20 , 25, 30, 35 oder 40 Nukleotiden aufweisen. Beispiel 2: Bestimmung der Dissoziationskonstanten individueller Sequenzen an NPY durch Nitrozellulosefilterbindungsstu dienThe nucleic acid sequences according to the invention further comprise those sequences which are in the sequences according to SEQ. ID.No. 1 to 18 are contained, in particular those which have a length of at least 10, 15, 20, 25, 30, 35 or 40 nucleotides. Example 2: Determination of the dissociation constant of individual sequences on NPY by nitrocellulose filter binding studies
Um die Affinität repräsentativer Sequenzen an NPY zu bestimmen, wurden Nitrozellulosefilter- bindungsstudien durchgeführt. Das Targetpeptid NPY wurde in steigenden Konzentrationen mit den individuellen, radioaktiv markierten RNA Sequenzen inkubiert. Über Nitrozellulosefiltration wurde gebundene von nicht gebundener RNA separiert und die auf den Filtermembranen verbleibende Radioaktivität wie in den vorstehenden Beispielen quantifiziert. Durch Zusatz von 20 μg Streptavidin pro Ansatz sollte die Retention der kurzen Peptide auf den Filtern verbessert werden.In order to determine the affinity of representative sequences on NPY, nitrocellulose filter binding studies were carried out. The target peptide NPY was incubated in increasing concentrations with the individual, radioactively labeled RNA sequences. Bound RNA was separated from unbound RNA via nitrocellulose filtration and the radioactivity remaining on the filter membranes was quantified as in the preceding examples. By adding 20 μg streptavidin per batch, the retention of the short peptides on the filters should be improved.
Es konnte gezeigt werden, daß alle getesteten Sequenzen außer DP 14 und DP 19 (orphans) das in Lösung vorliegende, freie Peptid komplexieren können, obwohl in den ersten Selektionszyklen Aptamere gegen das immobilisierte NPY generiert wurden. In Fig. 7 ist der Anteil an NPY- gebundener RNA, welche auf dem Filter zurückgehalten wurde, in Abhängigkeit von der NPY- Konzentration dargestellt. Dabei gilt die folgende Zuordnung: Familie I DP4 (offenes Quadrat) und 11 (gefülltes Quadrat), Familie II DP3 3 (gefüllter Kreis), orphan 25 (gefülltes Dreieck), orphan 19 (offenes Dreieck), pool (offener Kreis). Die Fraktion der gebundenen 32P -markierten RNA ist dargestellt als Funktion der eingesetzten NPY-Konzentration, wobei die Linien den Fit der einzelnen Datenpunkte für jedes Aptamer entsprechend einer monophasigen Bindungsreaktion repreäsentieren. In jeden Kurvenverlauf gehen die Ergebnisse aus zwei unabhängigen Bestimmungen (Standardabweichung) ein.It could be shown that all tested sequences except DP 14 and DP 19 (orphans) can complex the free peptide in solution, although aptamers against the immobilized NPY were generated in the first selection cycles. FIG. 7 shows the proportion of NPY-bound RNA which was retained on the filter as a function of the NPY concentration. The following assignment applies: Family I DP4 (open square) and 11 (filled square), Family II DP3 3 (filled circle), orphan 25 (filled triangle), orphan 19 (open triangle), pool (open circle). The fraction of the bound 32 P -labeled RNA is shown as a function of the NPY concentration used, the lines representing the fit of the individual data points for each aptamer in accordance with a monophase binding reaction. The results from two independent determinations (standard deviation) are included in each curve.
Aus den Kinetiken der einzelnen Sequenzen konnten die Dissoziationskonstanten (Kd), welche eine monophasige Reaktion beschreiben (vgl. Gl.l), ermittelt werden. Für die am häufigsten vorkommende Sequenz DP 11 und für den ebenfalls zur Familie I zugehörenden Klon DP4 wurden Kd- Werte von 470 nM bzw. 410 nM berechnet. Der Ligand DP3 aus der Familie II zeigt mit einer Dissoziationskonstante von 370 nM die höchste NPY-Affinität. Aus diesem Grand wurde DP3 für weitere Untersuchungen herangezogen. Für DP25 wurde ein Kd-Wert von 25 μM ermittelt, eine fast 70 mal niedrigere Affinität für NPY verglichen zu DP3. Die Dissoziationskonstanten für die Sequenzen DP 14 und DP 19 konnten nicht bestimmt werden, da nur 10% der einge- setzten RNA bei einer Konzentration von 7 μM NPY auf dem Filter zurückgehalten wurden. Die unselektierte Pool RNA zeigt bei einer NPY-Konzentration von 7 μM eine geringe Bindung von 4%, die nicht im Sinne einer monophasigen Reaktion quantifiziert werden kann.The dissociation constants (Kd), which describe a monophase reaction (cf. Eq. 1), could be determined from the kinetics of the individual sequences. Kd values of 470 nM and 410 nM were calculated for the most frequently occurring sequence DP 11 and for the clone DP4, which also belongs to family I. Ligand DP3 from family II shows the highest NPY affinity with a dissociation constant of 370 nM. From this grand, DP3 was used for further investigations. A Kd value of 25 μM was determined for DP25, an affinity for NPY almost 70 times lower than that of DP3. The dissociation constants for the sequences DP 14 and DP 19 could not be determined because only 10% of the entered set RNA at a concentration of 7 μM NPY were retained on the filter. The unselected pool RNA shows a low binding of 4% at an NPY concentration of 7 μM, which cannot be quantified in terms of a monophase reaction.
Beispiel 3: Spezifität von DP 3 innerhalb der Pankreatischen PolypeptidfamilieExample 3: Specificity of DP 3 within the pancreatic polypeptide family
In einem Vorexperiment konnte mittels in vitro Filterretentionssassay gezeigt werden, daß sowohl Aptamer DP3 als auch DP 11 das vollständig randomisierte NPY nicht binden. Um die Spezifität von DP3 innerhalb der Pankreatischen Polypeptidfamilie zu untersuchen, wurde dessen Bindungsfähigkeit gegenüber dem pankreatischen Polypetid (PP), welches neben dem Neuropeptid Y (NPY) und dem Peptid YY (PYY) Mitglied der pankreatischen Polypetidfamilie ist, im Nitrozellulosefilterassay getestet. Gemeinsames Merkmal der strakturverwandten, tyrosinreichen Peptide ist eine Sequenz von 36 Aminosäuren mit einem C-terminalem Tyrosinamid wie in der Einleitung dargestellt. Das hPP wurde bei einer Konzentration von 10 μM von DP3 nicht gebunden, obwohl NPY und hPP zu 50% sequenzhomolog sind, wie aus Fig. 8 ersichtlich, die in Teil A die Sequenz der synthetischen Peptide Neuropeptid Y (NPY), random-NPY (rNPY) und des humanen pankreatischen Polypeptids (hPP) (homologe Aminosäurereste von NPY und hPP sind fett hervorgehoben, CONH2 repräsentiert die carboxyterminale Amidierung) und in Teil B die ermittelten Dissoziationskonstanten (nM) der in vitro selektierten Aptamere (n.d. = nicht detektierbar) zeigt. Bei einem weiteren Experiment wurde das hPP über seinen N-terminalen Biotinrest an Streptavidinagarose immobilisiert (30 μM) und mit radioaktiv markierter RNA unter Selektionsbedingungen (entsprechend Zyklus 5) inkubiert. Auch hier konnte keine Interaktion zwischen DP3 und dem hPP detektiert werden.In a preliminary experiment, an in vitro filter retention assay showed that both aptamer DP3 and DP 11 did not bind the completely randomized NPY. In order to investigate the specificity of DP3 within the pancreatic polypeptide family, its binding ability to the pancreatic polypeptide (PP), which is a member of the pancreatic polypeptide family along with the neuropeptide Y (NPY) and the peptide YY (PYY), was tested in a nitrocellulose filter assay. A common feature of the structure-related, tyrosine-rich peptides is a sequence of 36 amino acids with a C-terminal tyrosinamide as shown in the introduction. The hPP was not bound at a concentration of 10 μM of DP3, although NPY and hPP are 50% sequence homologous, as can be seen from FIG. 8, which in part A shows the sequence of the synthetic peptides neuropeptide Y (NPY), random NPY ( rNPY) and the human pancreatic polypeptide (hPP) (homologous amino acid residues of NPY and hPP are highlighted in bold, CONH 2 represents the carboxy-terminal amidation) and in part B shows the determined dissociation constants (nM) of the in vitro selected aptamers (nd = undetectable) , In a further experiment, the hPP was immobilized on streptavidin agarose (30 μM) via its N-terminal biotin residue and incubated with radioactively labeled RNA under selection conditions (corresponding to cycle 5). No interaction between DP3 and the hPP could be detected here either.
Beispiel 4: Bestimmung der Dissoziationskonstanten des Aptamers DP 3 an NPY durch analytische AffinitätschromatographieExample 4: Determination of the dissociation constants of the aptamer DP 3 on NPY by analytical affinity chromatography
Im Filterretentionsassay wurde ermittelt, daß das Aptamer DP3 sich durch die beste Affinität zum NPY im Vergleich zu den anderen untersuchten Sequenzen auszeichnet. Da eine unvollständige Retention der Peptidkomplexe die Kd- Werte beeinflussen kann, sollte die Dissoziationskonstante von DP3 durch analytische Affinitätschromatographie verifiziert werden. 300 μl NPY-Streptavidinagarosematerial (120 μM) wurde luftblasenfrei in eine 1 ml Spritze gefüllt, welche am unteren Ende mit Glaswolle abgedichtet wurde. Es war darauf zu achten, ein Trockenlaufen des Säulenmaterials zu vermeiden. Zuerst äquilibrierte man die Affinitätsmatrix im BindungspufferIn the filter retention assay it was determined that the aptamer DP3 is characterized by the best affinity for NPY in comparison to the other sequences examined. Since incomplete retention of the peptide complexes can influence the Kd values, the dissociation constant of DP3 should be verified by analytical affinity chromatography. 300 μl NPY streptavidin agarose material (120 μM) was filled into a 1 ml syringe without air bubbles, which was sealed with glass wool at the bottom. Care should be taken to prevent the column material from running dry. The affinity matrix was first equilibrated in the binding buffer
K2HPO4 0,9 mMK 2 HPO 4 0.9 mM
NaH2PO4 5 mMNaH 2 PO 4 5 mM
NaCl 70 mMNaCl 70 mM
MgCl2 I mMMgCl 2 I mM
KC1 1,3 mMKC1 1.3 mM
Heparin 1 μg. μlHeparin 1 μg. ul
und stellte den optimalen pH- Wert von 7,6 und die MgCl Konzentration von 1 mM sicher. Anschließend wurden 50 pmol [α-32P]-GTP-markierte RNA in einem Volumen von 50 μl Bindungspuffer, in welchem sie de- und renaturiert wurde, auf die derivatisierte Streptavidinagarose aufgetragen. Um eine möglichst scharfe Peakabtrennung zu gewährleisten, wurde die Säule mit dem derivatisierten Sepharosematerial mit einem kleinen Durchmesser von 5 mm und einer Füllhöhe von 6 cm präpariert. Anschließend wurde mit Bindungspuffer gewaschen, bis keine Radioaktivität mehr auf der Säule zu detektieren war. Der Durchlauf wurde in Fraktionen von 250 μl bis 1000 μl Bindungspuffer gesammelt und die Radioaktivitätsmenge für jede Fraktion im Scintillationszähler bestimmt. Die Elutionsprofile wurden danach durch Addition der absoluten radioaktiven Werte (y- Achse) gegen das entsprechende Elutionsvolumen (x-Achse) aufgetragen. Dabei wurden die ersten Waschfraktionen, welche nicht bindende RNA enthielten, nicht berücksichtigt. Anhand der Elutionsprofile wurde das Elutionsvolumen (V) bestimmt, bei dem die Hälfte der an NPY (L) gebundenen Aptamere wieder von der Affinitätsmatrix eluiert werden konnte.and ensured the optimal pH of 7.6 and the MgCl concentration of 1 mM. Then 50 pmol of [α- 32 P] -GTP-labeled RNA were applied to the derivatized streptavidin agarose in a volume of 50 μl binding buffer, in which it was denatured and renatured. In order to ensure the sharpest possible peak separation, the column was prepared with the derivatized Sepharose material with a small diameter of 5 mm and a filling height of 6 cm. The mixture was then washed with binding buffer until no radioactivity could be detected on the column. The run was collected in fractions from 250 ul to 1000 ul binding buffer and the radioactivity amount for each fraction was determined in the scintillation counter. The elution profiles were then plotted by adding the absolute radioactive values (y-axis) against the corresponding elution volume (x-axis). The first wash fractions, which contained non-binding RNA, were not taken into account. The elution profiles were used to determine the elution volume (V) at which half of the aptamers bound to NPY (L) could be eluted again from the affinity matrix.
Die Berechnung der Dissoziationskonstanten erfolgte nach folgender Gleichung (Dean, 1995):The dissociation constants were calculated according to the following equation (Dean, 1995):
Gleichung 1 κd _ (V - Vm) x [L] V - VoEquation 1 κd _ (V - Vm) x [L] V - Vo
[L] = Konzentration des auf der Affinitätsmatrix immobilisierten Peptides. V = Das Elutionsvolumen des Liganden entspricht dem Waschvolumen mit Bindungspuffer, bei dem die Hälfte des an die Affinitätsmatrix gebundenen Liganden wieder von der Säule eluiert ist.[L] = concentration of the peptide immobilized on the affinity matrix. V = The elution volume of the ligand corresponds to the washing volume with binding buffer, in which half of the ligand bound to the affinity matrix is again eluted from the column.
V0 = Totales penetrierbares Volumen der Säule. Es wurde anhand des Elutionsvolu- mens von unspezifischen RNA Molekülen (Pool Mic Pmodl-40N) ermittelt.V 0 = total penetrable volume of the column. It was determined on the basis of the elution volume of non-specific RNA molecules (Pool Mic Pmodl-40N).
Vm = Das Gelausschluß-Volumen wurde anhand der Elutionsspitze eines die Sepharose-V m = the gel exclusion volume was determined using the elution tip of a Sepharose
Matrix nicht penetrierenden Moleküls (Dextran Blau) ermittelt.Matrix of non-penetrating molecule (dextran blue) determined.
Kd = Dissotiationskonstante des Liganden (RNA- Aptamer) an das auf der Matrix immobilisierte Zielmolekül (Peptid). Hierbei gilt: Je kleiner die Dissoziationskonstante der Aptamere ist, desto später werden die Nukleinsäureliganden eluieren.Kd = dissotation constant of the ligand (RNA aptamer) to the target molecule (peptide) immobilized on the matrix. The following applies: the smaller the aptamer dissociation constant, the later the nucleic acid ligands will elute.
Da ein Sättigungsbereich erzielt wird (Fig. 9), war es möglich, das Elutionsvolumen, bei dem die Hälfte des an die Affinitätsmatrix gebundenen Liganden unter Verwendung des oben beschriebenen Bindungspuffers wieder von der Säule eluiert ist, zu bestimmen. Die in Doppelbestimmungen ermittelten Elutionsvolumina sowie die Konzentration des immobilisierten Peptides waren Grandlage zur Berechnung der Dissoziationskonstanten. Für DP3 resultiert gemäß Gleichung 2 ein Kd-Wert von 300 nM. Dieser Kd-Wert ist vergleichbar mit dem Kd-Wert, welcher durch das Filterretentionsexperiment (370 nM) für DP 3 ermittelt wurde. Aufgmnd dieses Ergebnisses kann zum einen davon ausgegangen werden, daß die Retention der RNA-Peptid- Komplexe auf den Nitrozellulosefiltem quantitativ war, und zum anderen, daß das Bindungsverhalten von DP3 an den immobilisierten Liganden im Vergleich zum Liganden in Lösung nahezu identisch ist. Es konnte keine Interaktion mit der unselektierten RNA-Bibliothek (Mic Mod 40N) und dem NPY-derivatisierten Säulenmaterial detektiert werden.Since a saturation range is achieved (Fig. 9), it was possible to determine the elution volume at which half of the ligand bound to the affinity matrix was again eluted from the column using the binding buffer described above. The elution volumes determined in duplicate and the concentration of the immobilized peptide were ideal for calculating the dissociation constants. According to equation 2, DP3 results in a Kd value of 300 nM. This Kd value is comparable to the Kd value determined by the filter retention experiment (370 nM) for DP 3. Based on this result, it can be assumed, on the one hand, that the retention of the RNA-peptide complexes on the nitrocellulose filter was quantitative, and, on the other hand, that the binding behavior of DP3 to the immobilized ligand is almost identical in comparison to the ligand in solution. Interaction with the unselected RNA library (Mic Mod 40N) and the NPY-derivatized column material could not be detected.
Beispiel 5: Stabilität der 2'-Amino-2'Deoxy-NukleinsäurenExample 5: Stability of the 2'-amino-2'-deoxy nucleic acids
Da die biologische Aktivität des Aptamers DP3 in Kompetitionsstudien im Zellkulturmodell untersucht werden sollte, war in einem Vorexperiment die Stabilität von DP3 in MEM-Medium, welches 10% fötales Kälbersemm (FKS) enthält, zu untersuchen. Die radioaktiv markierte RNA wurde bei 37°C mit dem Medium für 48 Stunden inkubiert und nach verschiedenen Zeitpunkten analysiert. (60 pmol 2'NH2 bzw. 2'OH RNA wurden jeweils in 200 μl MEM Puffer versetzt mit 10% FKS bei 37°C für 24 bzw. 48 h Stunden inkubiert. Ein 20 μl Aliquot wurde von jedem Reaktionsansatz nach den entsprechenden Zeiten entnommen und auf einem 15%igem PAA-Gel aufgetragen.)Since the biological activity of the aptamer DP3 was to be investigated in competition studies in a cell culture model, the stability of DP3 in MEM medium was which contains 10% fetal calf semen (FKS). The radioactively labeled RNA was incubated at 37 ° C. with the medium for 48 hours and analyzed after various times. (60 pmol 2'NH 2 or 2'OH RNA were incubated in 200 μl MEM buffer with 10% FCS for 24 or 48 hours at 37 ° C. A 20 μl aliquot was taken from each reaction mixture after the corresponding times removed and applied to a 15% PAA gel.)
In Fig. 10 sind die Autoradiogramme für 2'-Amino-2'-Deoxy DP3 (A) und für 2' Hydroxy DP3 RNA (B) dargestellt. Es konnte gezeigt werden, daß die Stabilität des 2'-Amino-2'-Deoxy modifizierten RNA- Aptamers DP3 in 10% FKS im Vergleich zur unmodifizierten RNA mit der gleichen Primärsequenz wesentlich erhöht ist. Fig. 10 A zeigt, daß für die 2'-Amino-2'-Deoxy DP3 RNA innerhalb von 12 Stunden keine Degradation detektiert werden kann. Erst nach 48 Stunden kann bei einem Teil der 2'-A_nmo-2'-Deoxy DP3 RNA Degradation nachgewiesen werden. Dagegen zeigen die unmodifizierten DP3-RNA -Moleküle eine sehr geringe Stabilität in 10%igem FKS (Fig. 10 B). Nach 5 min sind sie vollständig in kürzere Fragmente abgebaut, nach 10 min sind nur noch die radioaktiv markierten Nukleotide auf der untersten Lauffront des Gels zu erkennen. Der unselektierte Pool MicMod40N weisst ausreichende Stabilität für die Zellkulturexperimente auf, in denen Zellen über 90 min mit der RNA inkubiert werden (Blind, 2000). Diese Beobachtungen liegen in guter Übereinstimmung mit füheren Untersuchungen 2'-modifizierter RNA-Bibliotheken in biologischen Medien (Lin, et al., 1994).10 shows the autoradiograms for 2'-amino-2'-deoxy DP3 (A) and for 2 'hydroxy DP3 RNA (B). It could be shown that the stability of the 2'-amino-2'-deoxy modified RNA aptamer DP3 in 10% FCS is significantly increased compared to the unmodified RNA with the same primary sequence. FIG. 10 A shows that no degradation can be detected for the 2'-amino-2'-deoxy DP3 RNA within 12 hours. Only after 48 hours can part of the 2'-A_nmo-2'-Deoxy DP3 RNA degradation be detected. In contrast, the unmodified DP3-RNA molecules show a very low stability in 10% FCS (FIG. 10 B). After 5 min they are completely broken down into shorter fragments, after 10 min only the radioactive labeled nucleotides can be seen on the lowest running front of the gel. The unselected MicMod40N pool has sufficient stability for the cell culture experiments in which cells are incubated with the RNA for 90 min (Blind, 2000). These observations are in good agreement with previous studies of 2'-modified RNA libraries in biological media (Lin, et al., 1994).
Beispiel 6: Identifizierung der minimalen Aptamer-Bindungsstelle an NPYExample 6: Identification of the minimal aptamer binding site on NPY
Um die Bindungsregion von DP3 am NPY genauer definieren zu können, wurden verschiedene biotinylierte NPY-Fragmente (7 μM) mit dem radioaktiv markierten RNA-Liganden DP3 (50 pmol) inkubiert. Die biotinylierten Peptide lagen dabei im immobilisiertem Zustand vor, um Präzipitationsprobleme, wie sie mit einigen Peptidfragmenten in Vorexperimenten in Lösung auftraten, zu vermeiden. Die verschiedenen verwendeten NPY-Peptide sind in Fig. 11 dargestellt, wobei folgende Zuordnung gilt:In order to be able to define the binding region of DP3 at the NPY more precisely, various biotinylated NPY fragments (7 μM) were incubated with the radioactively labeled RNA ligand DP3 (50 pmol). The biotinylated peptides were present in the immobilized state in order to avoid precipitation problems, such as those that occurred with some peptide fragments in previous experiments in solution. The various NPY peptides used are shown in Fig. 11, with the following assignment:
1 bis 7, 9, 10: NPY- Varianten mit verschiedenen N-und C-terminalen Aminosäuredele- tionen 11 bis 14 Substituitionen der Aminosäure Arginin durch Alanin an unterschiedlichen Positionen im C-terminalem Bereich, Aminosäuremutationen sind in eckigen Klammem angegeben und in der Peptidsequenz fett hervorgehoben.1 to 7, 9, 10: NPY variants with different N- and C-terminal amino acid elements 11 to 14 substitutions of the amino acid arginine by alanine at different positions in the C-terminal region, amino acid mutations are given in square brackets and highlighted in bold in the peptide sequence.
8: Y2-Rezeptoragonist, charakterisiert durch die Substitution der zentralen Aminosäuren 5-24 durch einen Aminohexansäurelinker 15: Yl-Rezeptoragonist, 16 Y5-Rezeptoragonist, Aib = Aminoisobuttersäure8: Y2 receptor agonist, characterized by the substitution of the central amino acids 5-24 with an aminohexanoic acid linker. 15: Yl receptor agonist, 16 Y5 receptor agonist, Aib = aminoisobutyric acid
Die aminoterminale Biotinyliemng und die carboxyterminale Amidierang sind durch Biotin- bzw. -CONH2 gekennzeichnet . Die relativen Bindungsaffinitäten der verschiedenen Peptidvari- anten sind im Vergleich zum NPY in drei Klassen unterteilt: - 0-10% Bindung im Vergleich zur NPY Kontrolle, + 11-80% Bindung im Vergleich zur NPY Kontrolle, ++ 81-100% Bindung im Vergleich zur NPY Kontrolle. Der Aminosäurerest (R33), welcher essentiell für die Wechselwirkung mit dem Aptamer DP3 ist, ist hervorgehoben.The amino-terminal Biotinyliemng and the carboxy-terminal Amidierang are characterized by Biotin and -CONH 2 . The relative binding affinities of the different peptide variants are divided into three classes compared to the NPY: - 0-10% binding compared to the NPY control, + 11-80% binding compared to the NPY control, ++ 81-100% binding in Comparison to the NPY control. The amino acid residue (R33), which is essential for the interaction with the aptamer DP3, is highlighted.
Es konnte gezeigt werden, daß sowohl der N-Terminus von NPY (AS 1-10) als auch der zentrale Aminosäureabschnitt (AS 5-24) nicht für die Wechselwirkung mit dem Aptamer notwendig sind (Fig. 11 Nr. 1 bis 8). Dagegen wurden für die C-terminalen NPY- Varianten folgende Dissoziationskonstanten für DP3 in einer Filterbindungsstudie ermittelt: NPY 18-36: 1160 nM, NPY [Ahx5"24]: 710 nM und NPY 13-36: 760 nM, was einer ca. 2-3-fach schlechter Affinität im Vergleich zum gesamten NPY entspricht (Fig. 11 Nr. 8 bis 10). Demzufolge repräsentiert der C- Terminus den Interaktionsb ereich zwischen NPY und DP3.It could be shown that both the N-terminus of NPY (AS 1-10) and the central amino acid section (AS 5-24) are not necessary for the interaction with the aptamer (Fig. 11 Nos. 1 to 8). In contrast, the following dissociation constants for DP3 were determined for the C-terminal NPY variants in a filter binding study: NPY 18-36: 1160 nM, NPY [Ahx 5 "24 ]: 710 nM and NPY 13-36: 760 nM, which is an approx. Corresponds to 2-3 times poor affinity compared to the total NPY (Fig. 11 Nos. 8 to 10), so the C-terminus represents the interaction area between NPY and DP3.
Um zu untersuchen, inwieweit die basischen Argininseitenketten die elektrostatische Interaktion zwischen dem negativ geladenen RNA-Molekül und dem positiv geladenem Peptidmotiv beeinflussen, wurden vier Arginine im C-terminalen Bereich durch Alaninreste substituiert. Es zeigte sich, daß Arginin an Position 33 essentiell für die Interaktion mit dem Aptamer ist. Dagegen beeinflußt ein Austausch des Arginins an Position 19 zum Alanin die Interaktion mit der RNA nicht. Die Bindung an das NPY-Derivat mit einer Argininsubstitution durch Alanin an Stelle 25 ist um 50%o reduziert. Der Argininrest 35 spielt eher eine untergeordnete Rolle bei der Aptamer- NPY-Komplexbildung: Trotz Substitution durch das ungeladene Alanin werden in einem Bindungsexperiment immer noch ca. 3/4 der eingesetzten RNA gebunden (vgl. Fig. 11). Diese Ergebnisse lassen folgende Schlußfolgerungen zu: Der C-terminale NPY-Bereich repräsentiert das Epitop, welches von DP3 gebunden wird, wobei DP3 eine hohe Spezifität bzgl. eines Aminosäurerestes, des Arginins 33, aufweist. Eine Punktmutation an dieser Stelle (R33A) führt zu einem vollständigen Verlust der Peptiderkennung.To investigate the extent to which the basic arginine side chains influence the electrostatic interaction between the negatively charged RNA molecule and the positively charged peptide motif, four arginines in the C-terminal region were substituted by alanine residues. It was shown that arginine at position 33 is essential for the interaction with the aptamer. In contrast, an exchange of the arginine at position 19 to the alanine does not affect the interaction with the RNA. Binding to the NPY derivative with arginine substitution by alanine at position 25 is reduced by 50%. The arginine residue 35 plays a minor role in the formation of aptamer NPY complexes: Despite substitution by the uncharged alanine, about 3/4 of the RNA used is still bound in a binding experiment (cf. FIG. 11). These results allow the following conclusions to be drawn: The C-terminal NPY region represents the epitope which is bound by DP3, DP3 having a high specificity with regard to an amino acid residue, arginine 33. A point mutation at this point (R33A) leads to a complete loss of peptide recognition.
Aus den Untersuchungen geht weiterhin hervor, daß die stärker verkürzten C-terminalen Fragmente NPY 18-32, NPY 18-34, NPY 18-28, NPY 25-34, NPY 25-36 (Fig. 19, Nr. 3 bis 7), welche die postulierte Interaktionsdomäne widerspiegeln, als trankierte NPY-Konstrakte keine bzw. eine nur sehr schwache Wechselwirkung mit DP3 aufweisen.The investigations also show that the more shortened C-terminal fragments NPY 18-32, NPY 18-34, NPY 18-28, NPY 25-34, NPY 25-36 (Fig. 19, No. 3 to 7) , which reflect the postulated interaction domain, have no or only a very weak interaction with DP3 as drank NPY contracts.
Beispiel 7: Wechselwirkung von Aptamer DP 3 mit spezifischen NPY-Rezeptor- AgonistenExample 7: Interaction of aptamer DP 3 with specific NPY receptor agonists
Eine Methode zur Charakterisierang der NPY-Rezeptorsubtyp-Interaktion war die Entwicklung von spezifischen Rezeptorsubtypagonisten (vgl. Tab. 1). In Analogie dazu sollte das Bindungsverhalten des Aptamers DP3 an verschiedenen NPY- Agonisten untersucht werden.One method of characterizing the NPY receptor subtype interaction was the development of specific receptor subtype agonists (cf. Table 1). In analogy to this, the binding behavior of the aptamer DP3 to various NPY agonists should be investigated.
Die Substitution von Gin 34 nach Prolin erzeugt einen hoch selektiven Yl -Rezeptor Agonisten (Fuhlendorff et al, 1990), welcher vom Y2-Rezeptor nicht mehr gebunden wird. Cabrele et al. konnten zeigen, daß das Dipeptid Ala31-Aib32 eine Konformation begünstigt, die vom Y5- Rezeptor präferentiell gebunden wird (Cabrele, et al., 2000). Beide Modifikationen beeinflussen die Interaktion mit DP3. Während an der NPY-Mutante Pro 34 (Yl -Rezeptor Agonist) (vgl. Abb. 11, Nr. 15) keine Bindung detektiert werden konnte, ist die Wechselwirkung mit der Ala31 Aib32 NPY-Mutation um ca. 50% reduziert verglichen zur Interaktion von DP3 und NPY (vgl. Abb. 11, Nr. 16). Im Gegensatz dazu weist DP3 eine hohe Affinität zum zentral verkürzten Y2- Rezeptor Agonisten NPY [Ahx5"24] (vgl. Abb. 11, Nr. 8) auf (Beck et al., 1989). Auch die N- terminal verkürzten NPY- Varianten (vgl. Fig. 11, Nr. 9 und 10), die nur vom Y2-Rezeptor gebunden werden, nicht aber vom Yl- oder Y5-Rezeptor, werden von DP3 annähernd so gut gebunden wie das gesamte NPY. Aptamer DP3 zeigt ein ähnliches Bindungsverhalten an NPY wie der Y2 -Rezeptor. Diese Hinweise werden im folgenden durch Rezeptorkompetitionsstudien weiter untersucht. Die selektive Inhibition der NPY/NPY-Rezeptorinteraktion durch DP3The substitution of gin 34 after proline produces a highly selective Y1 receptor agonist (Fuhlendorff et al, 1990), which is no longer bound by the Y2 receptor. Cabrele et al. were able to show that the dipeptide Ala31-Aib32 favors a conformation which is preferentially bound by the Y5 receptor (Cabrele, et al., 2000). Both modifications affect the interaction with DP3. While no binding could be detected on the NPY mutant Pro 34 (Yl receptor agonist) (see Fig. 11, No. 15), the interaction with the Ala31 Aib32 NPY mutation is reduced by approx. 50% compared to the interaction of DP3 and NPY (see Fig. 11, No. 16). In contrast, DP3 has a high affinity for the centrally shortened Y2 receptor agonist NPY [Ahx 5 "24 ] (see Fig. 11, No. 8) (Beck et al., 1989). The N-terminally shortened NPY Variants (cf. FIG. 11, No. 9 and 10) which are only bound by the Y2 receptor, but not by the Y1 or Y5 receptor, are bound by DP3 almost as well as the entire NPY.Aptamer DP3 shows binding behavior to NPY is similar to that of the Y2 receptor, and these clues will be further investigated in the following by receptor competence studies. The selective inhibition of NPY / NPY receptor interaction by DP3
Die Inhibition der Bindung von NPY an individuelle Rezeptorsubtypen durch DP3 wurde an Neuroblastomzellinien, die entweder den hYl Rezeptor (SK-NM-C Zellen) oder den hY2- Rezeptor (SMS-KAN-Zellen) endogen exprimieren, untersucht. Für die Kompetition am Y5- Rezeptor nutzte man BHK-Zellen (ATCC-Nr. CRL-1632), die stabil mit dem Y5-Rezeptor (rY5) transfiziert waren. Klon DP 3 zeigte in den in vitro Untersuchungen zur Bestimmung der Dissoziationskonstanten die höchste Affinität innerhalb der analysierten Sequenzen und wurde deshalb für die Zellkulturstudien herangezogen. Die unselektierte Pool-RNA, welche keine in vitro Affinität zum NPY aufweist, wurde als Kontrollansatz verwendet.The inhibition of NPY binding to individual receptor subtypes by DP3 was investigated on neuroblastoma cell lines which endogenously express either the hYl receptor (SK-NM-C cells) or the hY2 receptor (SMS-KAN cells). BHK cells (ATCC No. CRL-1632), which were stably transfected with the Y5 receptor (rY5), were used for competition on the Y5 receptor. Clone DP 3 showed the highest affinity within the analyzed sequences in the in vitro investigations to determine the dissociation constant and was therefore used for the cell culture studies. The unselected pool RNA, which has no in vitro affinity for NPY, was used as a control approach.
In Fig. 12 sind die Ergebnisse der Kompetitionsstudien zusammengefaßt, genauer die Kompetition der spezifischen Bindung von 3H-NPY an G-Protein-gekoppelte transmembrane Rezeptorsubtypen Yl (A), Y2 (B), Y5 (C) in Abhängigkeit von der RNA-Konzentration (Aptamer-RNA (gefüllter Kreis), unselektierte Pool-RNA (ungefülltes Dreieck)). Es zeigt sich, daß mit steigender Konzentration an DP3 die spezifische Bindung von NPY an den untersuchten Rezeptorsubtypen zunehmend inhibiert wird. Dieser Effekt ist in Gegenwart des unselektierten RNA-Pools nicht zu beobachten. Dabei unterscheidet sich der Verlauf der Kompetitionskurven am Yl- und Y5 -Rezeptor deutlich von dem der Kompetitionskurve am Y2-Rezeptor: Die Kompetition zwischen DP3 und dem Y2 -Rezeptor um das NPY kann durch eine monophasische Kinetik beschrieben werden. Die dabei ermittelten IC50-Werte geben an, -bei welcher Konzentration von DP3 eine halbmaximale Inhibition der Bindung von NPY an einen Rezeptorsubtyp erzielt wird. Dabei wurde für die Kompetition der Bindung von NPY an den Y2-Rezeptor ein IC50-Wert von 73+25 nM berechnet. Im Gegensatz dazu sind die Kompetitionskurven am Y5- und Yl -Rezeptor durch einen flachen, biphasischen Verlauf charakterisiert. Die ermittelten IC50-Werte für Yl und Y5 liegen mit 328 nM±141 (Yl) und 416 nM+63 nM (Y5) deutlich über den IC50-Wert für DP3 am Y2-Rezeptor. Aus den Kompetitionskurven (Abb. 12, A und C) wird weiter deutlich, daß bei einer DP3-Konzentration von 1-10 nM etwa 10-20% der Bindung von NPY an den Yl bzw. Y5- Rezeptor inhibiert wird. Eine vollständige Kompetition der Komplexbildung von NPY und den Rezeptorsubtypen (Yl, Y5) wird erst bei einer DP3 Konzentration von 1000 nM erzielt.The results of the competition studies are summarized in FIG. 12, more precisely the competition of the specific binding of 3 H-NPY to G protein-coupled transmembrane receptor subtypes Yl (A), Y2 (B), Y5 (C) as a function of the RNA Concentration (aptamer RNA (filled circle), unselected pool RNA (unfilled triangle)). It can be seen that the specific binding of NPY to the investigated receptor subtypes is increasingly inhibited with increasing concentration of DP3. This effect cannot be observed in the presence of the unselected RNA pool. The course of the competition curve at the Yl and Y5 receptor differs significantly from that of the competition curve at the Y2 receptor: The competition between DP3 and the Y2 receptor for the NPY can be described by monophasic kinetics. The IC 50 values determined indicate the concentration of DP3 at which half-maximum inhibition of the binding of NPY to a receptor subtype is achieved. For the competition of the binding of NPY to the Y2 receptor, an IC 50 value of 73 + 25 nM was calculated. In contrast, the competition curves at the Y5 and Yl receptors are characterized by a flat, biphasic course. The determined IC 50 values for Yl and Y5 with 328 nM ± 141 (Yl) and 416 nM + 63 nM (Y5) are significantly higher than the IC 50 value for DP3 at the Y2 receptor. From the competition curves (Fig. 12, A and C) it is also clear that at a DP3 concentration of 1-10 nM about 10-20% of the binding of NPY to the Yl or Y5 receptor is inhibited. A complete competition of the complex formation of NPY and the receptor subtypes (Yl, Y5) is only achieved at a DP3 concentration of 1000 nM.
Aus den berechneten IC50- Werten konnten unter Einbeziehung des Kd- Wertes für NPY an den jeweiligen Rezeptorsubtyp (vgl. Tab. 4) die entsprechenden Kj-Werte berechnet werden. Demzu- folge zeigt sich mit einem Kj-Wert von 1,3 nM eine etwa 40-200-fach höhere DP3 abhängige Inhibition der NPY/Υ2-Rezeptorinteraktion als die Inhibition der NPY-Bindung an den Yl- und den Y5-Rezeptor, obwohl der Y2-Rezeptor die höchste Affinität zum NPY aufweist.The corresponding Kj values could be calculated from the calculated IC 50 values, taking into account the Kd value for NPY for the respective receptor subtype (cf. Table 4). Demzu- consequently, a Kj value of 1.3 nM shows an approximately 40-200 times higher DP3-dependent inhibition of the NPY / Υ2 receptor interaction than the inhibition of NPY binding to the Y1 and Y5 receptors, although the Y2 Receptor has the highest affinity for NPY.
Rezeptor IC50 (nM) Kd (nM) Kj (nM)Receptor IC 50 (nM) Kd (nM) Kj (nM)
Yl 328+141 0,18 50+21 Y2 73+25 0,02 1,3+0,5 Y5 416+63 1,7 262±40Yl 328 + 141 0.18 50 + 21 Y2 73 + 25 0.02 1.3 + 0.5 Y5 416 + 63 1.7 262 ± 40
Tabelle 2: Die IC5o-Werte für die Rezeptoren wurden aus den Kompetitionsstudien von DP3 im Zellkultursystem ermittelt. Die einzelnen Kd-Werte für die NPY-Bindung an die Rezeptorsubtypen Yl, Y2 bzw. Y5 sind der Literatur entnommen (Cabrele und Beck-Sickinger, 2000). Die Kj- Werte für DP3 wurden mittels folgender Gleichung 2 berechnet: K( = IC50 [(l+L)Kd"1]"1 , wobei L die Konzentration des eingesetzten 3H NPY ist (für Yl und Y5 [1 nM], für Y2 [2 nM]).Table 2: IC 5 o values for the receptors were determined from the competition studies of DP3 in the cell culture system. The individual Kd values for NPY binding to the receptor subtypes Yl, Y2 and Y5 are taken from the literature (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000). The Kj values for DP3 were calculated using the following equation 2: K ( = IC 50 [(l + L) Kd "1 ] " 1 , where L is the concentration of 3 H NPY used (for Yl and Y5 [1 nM] , for Y2 [2 nM]).
Beispiel 8: Die Selektion und in vitro Charakterisierun von NPY-spezifischen Aptame- renExample 8: The selection and in vitro characterization of NPY-specific aptamers
Das Neuropeptidhormon NPY ist an einer Vielzahl von physiologischen Steuerangsprozessen im menschlichen Organismus beteiligt. Für die differentielle Regulation unterschiedlicher Zielorgane durch ein Peptid sind komplexe Ligand-Rezeptor-Interaktionen an verschiedenen G-Protein gekoppelten NPY-Rezeptorsubtypen notwendig.The neuropeptide hormone NPY is involved in a variety of physiological control processes in the human organism. Complex ligand-receptor interactions on different G-protein-coupled NPY receptor subtypes are necessary for the differential regulation of different target organs by a peptide.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgte die in vitro Selektion von stabilisierten 2' aminomodifizierten RNA-Aptameren, die das Neuropeptid Y mit hoher Spezifität binden können, um damit ein selektives Werkzeug zur Charakterisierang der NPY-NPY-Rezeptorsubtyp- Wechselwirkung zu schaffen. Sequenzen häufig selektierter Strakturmotive binden hochaffinIn the context of the present invention, the stabilized 2 'amino-modified RNA aptamers were selected in vitro, which can bind the neuropeptide Y with high specificity in order to create a selective tool for characterizing the NPY-NPY receptor subtype interaction. Sequences of frequently selected structure motifs bind highly affinitely
In Bindungsstudien an NPY wurden für die Sequenzfamilien I und II (DP3, DP4 und DP11) Dissoziationskonstanten von 370 nM bis 470 nM ermittelt. Im Gegensatz dazu weisen die einfach vorkommenden Klone eine niedrigere NPY-Affmität auf (vgl. Fig. 7). Die Mehrheit der selektierten und analysierten Aptamere ist in der Lage, das freie Peptid zu binden, obwohl diese in einem affmitätschromatographischen Selektionsprozess mit immobilisierten NPY generiert wurden. Für DP3 wurden sowohl im Filterbindungsassay als auch in der analytischen Affinitätschromatographie quantitativ vergleichbare Dissoziationskonstanten bestimmt (vgl. Fig. 9). Diese Beobachtung ist ein Hinweis dafür, daß NPY im löslichen oder immobilisierten Zustand eine ähnliche Konformation einnehmen kann und die potentiellen Bindungsdomänen in beiden Fällen für die Aptamere zugänglich sind.In binding studies with NPY, dissociation constants from 370 nM to 470 nM were determined for the sequence families I and II (DP3, DP4 and DP11). In contrast, the simple clones have a lower NPY affinity (see FIG. 7). The majority of the selected and analyzed aptamers are able to bind the free peptide, although these were generated in an affinity-chromatographic selection process with immobilized NPY. For DP3, quantitatively comparable dissociation constants were determined both in the filter binding assay and in analytical affinity chromatography (cf. FIG. 9). This observation is an indication that NPY can adopt a similar conformation in the soluble or immobilized state and that the potential binding domains are accessible to the aptamers in both cases.
Die Affinität der NPY-Aptamere zu ihrem Zielmolekül ist vergleichbar zu denen von bisher durchgeführten Peptidselektionen. Für das HIV-1REV Aptamer wurde beispielsweise ein Kd- Wert von 19 nM (Xu und Ellington, 1996), für das Substanz P- Aptamer von 190 nM (Nieuwlandt, et al., 1995), für das CD18-cyt Peptid-Aptamer von 500 nM (Blind, et al, 1999) und für das Vasopressin-Aptamer ein Kd von 900 nM (Williams, et al., 1997) ermittelt. Die HIV- 1 REV- Aptamere zeigen aufgmnd des hohen Anteils an positiv geladenen Argininresten (10 der insgesamt 17 Aminosäuren) des HIV- 1 REV Peptides, welches zudem ein natürlicher RNA- Bindungspartner ist, die höchste Affinität unter den anti-Peptidaptameren.The affinity of the NPY aptamers for their target molecule is comparable to that of previous peptide selections. For the HIV-1REV aptamer, for example, a Kd value of 19 nM (Xu and Ellington, 1996), for the substance P aptamer of 190 nM (Nieuwlandt, et al., 1995), for the CD18-cyt peptide aptamer of 500 nM (Blind, et al, 1999) and a Kd of 900 nM (Williams, et al., 1997) for the vasopressin aptamer. The HIV-1 REV aptamers show the highest affinity among the anti-peptide aptamers due to the high proportion of positively charged arginine residues (10 of the 17 amino acids in total) of the HIV-1 REV peptide, which is also a natural RNA binding partner.
Da das Aptamer DP 3 die höchste NPY- Affinität verglichen zu den anderen untersuchten repräsentativen Sequenzen aufweist, wurde DP3 für die weitere Charakterisierang der NPY-Aptamer- Interaktion als auch für die anschließende NPY-NPY-Rezeptorsubtyp-Interaktion herangezogen.Since the aptamer DP 3 has the highest NPY affinity compared to the other representative sequences examined, DP3 was used for the further characterization of the NPY-aptamer interaction as well as for the subsequent NPY-NPY receptor subtype interaction.
Der vollständige C-Terminus von NPY ist obligat für die Rezeptor- und DP3 BindungThe full C-terminus of NPY is mandatory for receptor and DP3 binding
Um die Bindungsregion von DP3 an NPY zu kartieren, wurden verschiedene Untereinheiten von NPY (N- und C-terminal verkürzte NPY- Varianten) sowie mutierte Varianten von NPY untersucht (vgl.Fig. 11). Unserer Bindungsstudie zufolge wird der vollständige C-Terminus insbesondere die Aminosäure Arginin an Position 33 für die Interaktion mit dem DP3 -Aptamer benötigt. Das C-terminale Epi- top von NPY stellt gleichzeitig die NPY-Interaktionsdomäne für die Wechselwirkung mit allen Rezeptorsubtypen dar (vgl. Abb. 2). Dabei werden von DP3 nur biologisch aktive NPY-Formen gebunden. NPY-Fragmente, die nur aus Teilen des C-Terminus bestehen, werden weder von DP3 (Abb. 19, Eintrag 1-7) noch von einem NPY-Rezeptorsubtyp komplexiert (persönliche Mitteilung A. Beck Sickinger): Dem C-terminalen Konstrakt NPY 18-34 fehlen verglichen zu dem Konstrakt NPY 18-36 die beiden endständigen Aminosäuren R35 und Y36. Das Konstrakt NPY 18-34 zeigt keine Bindung zu DP3 oder zu einem NPY-Rezeptor, während das N-terminal verkürzte NPY Fragment NPY 18-36 ein selektiver Y2-Rezeptor Agonist (IC50=0,25 nM) ist. Auch die Affinität von DP3 zu NPY 18-36 ist vergleichbar zu der Affinität von DP3 zu NPY. Dabei ist der vollständige C-Terminus des NPY für die Interaktion mit den Rezeptoren obligat, jedoch nicht hinreichend. Es wird angenommen, daß verschiedene biologisch aktive Konformationen des NPY existieren, die bestimmte NPY-Rezeptorsubtypen selektiv aktivieren können (Beck-Sickinger, 1996).In order to map the binding region of DP3 to NPY, different subunits of NPY (N- and C-terminally shortened NPY variants) and mutant variants of NPY were examined (see Fig. 11). According to our binding study, the full C-terminus, in particular the amino acid arginine at position 33, is required for the interaction with the DP3 aptamer. The C-terminal epitope of NPY also represents the NPY interaction domain for the interaction with all receptor subtypes (see Fig. 2). Only biologically active NPY forms are bound by DP3. NPY fragments that only consist of parts of the C-terminus are neither complexed by DP3 (Fig. 19, entries 1-7) nor by an NPY receptor subtype (personal message A. Beck Sickinger): The C-terminal contract NPY 18-34 are missing the two terminal amino acids R35 and Y36 compared to the NPY 18-36 contract. The NPY 18-34 contract shows no binding to DP3 or to an NPY receptor, while the N-terminally truncated NPY fragment NPY 18-36 is a selective Y2 receptor agonist (IC 50 = 0.25 nM). The affinity of DP3 to NPY 18-36 is also comparable to the affinity of DP3 to NPY. The complete C-terminus of the NPY is mandatory for the interaction with the receptors, but not sufficient. It is believed that there are various biologically active conformations of NPY that can selectively activate certain NPY receptor subtypes (Beck-Sickinger, 1996).
DP3 und der Y2 -Rezeptor zeigen ein vergleichbares Bindungsverhalten an selektiven NPY- VariantenDP3 and the Y2 receptor show comparable binding behavior to selective NPY variants
Eine etablierte Methode zum Studium der selektiven Bindung und Aktivierung der unterschiedlichen Rezeptorsubtypen durch NPY ist die Untersuchung von selektiven Rezeptoragonisten und deren Bindungsverhalten an NPY-Rezeptorsubtypen (vgl. Einleitung), (Cabrele und Beck- Sickinger, 2000). Dabei handelt es sich bei den bislang aus der Literatur bekannten selektiven Agonisten ausschließlich um NPY-Peptidvarianten.An established method for studying the selective binding and activation of the different receptor subtypes by NPY is the investigation of selective receptor agonists and their binding behavior to NPY receptor subtypes (see introduction), (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000). The selective agonists known to date from the literature are exclusively NPY peptide variants.
Nachdem gezeigt wurde, daß DP3 einen selektiven Y2 -Rezeptor Agonisten (NPY 18-36) mit hoher Affinität binden kann, wurde das Bindungsverhalten von DP3 an weiteren Rezeptorsubtyp-spezifischen NPY-Varianten untersucht.After it was shown that DP3 can bind a selective Y2 receptor agonist (NPY 18-36) with high affinity, the binding behavior of DP3 to other receptor subtype-specific NPY variants was examined.
Die Substitution von Isoleucin durch Leucin an Position 31 des NPY und insbesondere der Austausch des Glutaminseitenkettenrestes an Position 34 gegen die tum-induzierende Aminosäure Prolin führt zu einem spezifischen Yl -Rezeptor- Agonisten (Fuhlendorff, et al., 1990). Eine Interaktion von DP3 mit der Yl -spezifischen NPY [L31P3 ]-Mutante konnte nicht detektiert wer- den. Auch die Y5 -spezifische NPY-Mutante Ala31-Aib32 wird von DP3 nur mit reduzierter Affinität gebunden (vgl. Abb. 11).The substitution of isoleucine by leucine at position 31 of the NPY and in particular the replacement of the glutamine side chain residue at position 34 with the tumor-inducing amino acid proline leads to a specific Y1 receptor agonist (Fuhlendorff, et al., 1990). Interaction of DP3 with the Yl -specific NPY [L 31 P 3 ] mutant could not be detected the. The Y5-specific NPY mutant Ala31-Aib32 is also only bound by DP3 with reduced affinity (see Fig. 11).
Bei dem selektiven Y2-Rezeptor Agonisten NPY [Ahx5"24] sind 4 N-terminale Aminosäuren über einen Aminohexansäurelinker mit dem C-terminalem NPY-Fragment NPY 25-36 verknüpft. Während das isolierte C-terminale Fragment NPY 25-36 weder biologisch aktiv ist noch von DP3 gebunden wird, ist die zentral deletierte NPY- Variante sowohl ein selektiver Y2-Rezeptor Agonist (Y2=IC50 2nM, Yl=IC5o>4 μM, Y5=IC50795 nM) als auch ein Bindungspartner von DP3 (Beck, et al, 1989). Es wird diskutiert, daß die biologisch aktive NPY-Konformation, welche selektiv vom Y2-Rezeptor gebunden wird, eine Hairpin-ähnliche Struktur ausbildet, wobei N- und C-Terminus räumlich eng beieinander liegen (vgl. Abb. 2). Dabei repräsentiert der C- Terminus die funktionelle Region (Bindungsregion), wobei die N-terminale Region die strukturelle Komponente darstellt, welche die richtige Orientierung des C-Terminus stabilisiert (Cabrele und Beck-Sickinger, 2000).In the selective Y2 receptor agonist NPY [Ahx 5 "24 ], 4 N-terminal amino acids are linked to the C-terminal NPY fragment NPY 25-36 via an aminohexanoic acid linker. While the isolated C-terminal fragment NPY 25-36 is neither biologically is still bound by DP3, the centrally deleted NPY variant is both a selective Y2 receptor agonist (Y2 = IC 50 2nM, Yl = IC 5 o> 4 μM, Y5 = IC 50 795 nM) and a binding partner of DP3 (Beck, et al, 1989) It is discussed that the biologically active NPY conformation, which is selectively bound by the Y2 receptor, forms a hairpin-like structure, with the N and C terminus being spatially close together ( See Fig. 2. The C-terminus represents the functional region (binding region), the N-terminal region being the structural component that stabilizes the correct orientation of the C-terminus (Cabrele and Beck-Sickinger, 2000).
Aus den Bindungsstudien mit den NPY-Varianten, spezifisch für einzelne Rezeptorsubtypen, geht hervor, daß DP3 durch ein dem Y2 -Rezeptorsubtyp ähnliches selektives Bindungsverhalten an NPY charakterisiert ist (vgl. Tab. 5).The binding studies with the NPY variants, specific for individual receptor subtypes, show that DP3 is characterized by a selective binding behavior to NPY similar to the Y2 receptor subtype (cf. Table 5).
NPY-Variante Yl -Rezeptor Y2-Rezeptor Y5 -Rezeptor Aptamer-DP3NPY variant Yl receptor Y2 receptor Y5 receptor aptamer-DP3
NPY + + + + + + + +NPY + + + + + + + +
NPY 18-34 - - - -NPY 18-34 - - - -
NPY 13-36 - + + - -H-NPY 13-36 - + + - -H-
NPY 18-36 - + + - + +NPY 18-36 - + + - + +
NPY [Ahx5"24] - + + - + +NPY [Ahx 5 "24 ] - + + - + +
NPY [L31P34] + + - + + -NPY [L 31 P 34 ] + + - + + -
NPY [A31, Aib32] - - + + +NPY [A 31 , Aib 32 ] - - + + +
Tabelle 3: Bindungsverhalten von NPY und NPY-Varianten an den Yl-, Y2- und Y5-Rezeptor und das Aptamer DP3 im Vergleich. Bindungsaffinitäten: ++ Affinität von den NPY-Rezeptorsubtypen oder von DP3 zu einer NPY- Variante ist vergleichbar zur Affinität zum NPY; + die Affinität ist um 50% reduziert im Vergleich zum NPY; - keine Bindung ist detektierbarTable 3: Binding behavior of NPY and NPY variants to the Yl, Y2 and Y5 receptor and the aptamer DP3 in comparison. Binding affinities: ++ Affinity from the NPY receptor subtypes or from DP3 to an NPY variant is comparable to the affinity for NPY; + the affinity is reduced by 50% compared to the NPY; - no binding is detectable
Mutanten: NPY 13-36: und NPY 18-36: N-terminal verkürzte NPY-Varianten, NPY 18-34: N- und C-terminal verkürzte NPY-Variante, NPY [Ahx5"24]: Substitution der zentralen Aminosäuren 5-24 durch einen Aminohexansäurelinker, NPY [L31P34]: Substitution der Aminosäuren an Position 31 von Isoleucin zu Leucin und an Position 34 von Glutamin zu Prolin, NPY [A31, Aib32]: Substitution der Aminosäuren an Position 31 von Isoleucin zu Alanin und an Position 32 von Tyrosin zur Aminoisobuttersäure.Mutants: NPY 13-36: and NPY 18-36: N-terminal shortened NPY variants, NPY 18-34: N- and C-terminal shortened NPY variants, NPY [Ahx 5 "24 ]: substitution of the central amino acids 5 -24 by an aminohexanoic acid linker, NPY [L 31 P 34 ]: substitution of the amino acids at position 31 from isoleucine to leucine and at position 34 from glutamine to proline, NPY [A 31 , Aib 32 ]: substitution of the amino acids at position 31 from isoleucine to alanine and at position 32 from tyrosine to aminoisobutyric acid.
Die Bindungsaffimtäten für NPY und für die NPY-Varianten an die einzelnen NPY-Rezeptoren sind der Veröffentlichung Cabrele & Beck-Sickinger (2000) entnommen (vgl. Tab. 1).The binding affinities for NPY and for the NPY variants to the individual NPY receptors are taken from the publication Cabrele & Beck-Sickinger (2000) (cf. Tab. 1).
Die selektive Kompetition der Bindung von NPY an den Yl-, Y2- und Y5-Rezeptor durch DP3The selective competition of the binding of NPY to the Yl, Y2 and Y5 receptor by DP3
Infolge des selektiven in vitro-Bindungs Verhaltens von DP3 an NPY-Varianten vergleichbar zum Y2-Rezeptor stellt sich die Frage: Wird das Bindungsverhalten von NPY an seine verschiedenen NPY-Rezeptorsubtypen (Yl, Y2 und Y5) im Zellkulturmodell durch DP3 differentiell moduliert ?As a result of the selective in vitro binding behavior of DP3 to NPY variants comparable to the Y2 receptor, the question arises: Is the binding behavior of NPY to its various NPY receptor subtypes (Yl, Y2 and Y5) differentially modulated by DP3 in the cell culture model?
In den im Zellkulturmodell durchgeführten Kompetitionsstudien zwischen Aptamer, NPY und NPY-Rezeptorsubtyp konnte für den Y2 -Rezeptor der niedrigste Ki-Wert für DP3 ermittelt werden (KJ:Y2 = 1,3+0,5). Die Kompetition von NPY am Yl- und Y5-Rezeptor durch DP3 war im Vergleich zur Kompetition am Y2 -Rezeptor um den Faktor 40 (Yl) bis 200 (Y5) niedriger (KJ:Y1 = 50±21, KJ:Y5 = 262+40). Die unselektierte Pool-RNA zeigte bei keinem Rezeptorsubtyp eine Inhibition der NPY-Bindung (Abb. 12, Tabelle 4).In the competition studies between aptamer, NPY and NPY receptor subtype carried out in the cell culture model, the lowest Ki value for DP3 was determined for the Y2 receptor (KJ: Y2 = 1.3 + 0.5). The competition of NPY on the Yl and Y5 receptors by DP3 was lower by a factor of 40 (Yl) to 200 (Y5) compared to competition on the Y2 receptor (KJ: Y1 = 50 ± 21, KJ: Y5 = 262+ 40). The unselected pool RNA showed no inhibition of NPY binding in any receptor subtype (Fig. 12, Table 4).
Nicht nur die Inhibitionskonstante von DP3 in Gegenwart des Y2-Rezeptors, auch der Kurvenverlauf in Gegenwart des Y2 -Rezeptor unterscheidet sich von der Kompetition am Yl- und Y5- Rezeptor. Während für den Yl- und Y5-Rezeptor ein biphasischer Kurvenverlauf charakteristisch ist, zeigt sich am Y2-Rezeptor ein monophasischer Kurvenverlauf. Für den Yl- und Y5- Rezeptor konnte zwar bereits bei niedrigen Konzentrationen (1 -5 nM) eine Inhibition der Bindung des NPY an den Rezeptor durch DP3 gezeigt werden (vgl. Abb. 12): Diese initial sehr affϊ- ne NPY-Bindung durch DP3 führt bei Erhöhung der Aptamer-Konzentration zu keiner wesentlichen Steigerang der Inhibition der NPY-NPY-Rezeptorwechselwirkung. Erst bei einer DP3- Konzentration von 50-100 nM nimmt die Inhibition der NPY-Rezeptorbindung wieder deutlich zu. Mathematisch läßt sich ein derartiger biphasischer Kurvenverlauf durch ein auf zwei Bindungsstellen beruhendes Rezeptorbindungsmodell beschreiben.Not only the inhibition constant of DP3 in the presence of the Y2 receptor, but also the course of the curve in the presence of the Y2 receptor differs from the competition on the Yl and Y5 receptors. While a biphasic curve is characteristic of the Y1 and Y5 receptors, a monophasic curve is evident on the Y2 receptor. For the Yl and Y5 receptors, an inhibition of the binding of the NPY to the receptor by DP3 could be shown even at low concentrations (1-5 nM) (cf. Fig. 12). NPY binding by DP3 does not lead to a significant increase in the inhibition of the NPY-NPY receptor interaction when the aptamer concentration is increased. Only at a DP3 concentration of 50-100 nM does the inhibition of NPY receptor binding increase again significantly. Such a biphasic curve shape can be described mathematically by a receptor binding model based on two binding sites.
Für den Y2-Rezeptor hingegen zeigt sich ein monophasischer Kurvenverlauf, der modellhaft einem auf einer Bindungsstelle beruhenden Rezeptorbindungsmodell entspricht. Bei dem Kom- petitionsversuch am Y2 -Rezeptor fehlt das intitiale hochaffine Bindungsverhalten des Aptamers am NPY, welches am Yl- und Y5-Rezeptor den DP3-Konzentrationsbereich von 1-5 nM charakterisiert.For the Y2 receptor, on the other hand, there is a monophasic curve, which corresponds to a receptor binding model based on a binding site. The attempt to compete on the Y2 receptor lacks the aptamer's initial high-affinity binding behavior at the NPY, which characterizes the DP3 concentration range of 1-5 nM at the Yl and Y5 receptors.
Dies legt die Vermutung nahe, daß NPY in verschiedenen Konformationen vorliegt, die bestimmte Rezeptorsubtypen differentiell aktivieren. Das Aptamer DP3 bindet mit unterschiedlichen Affinitäten an die verschiedenen Konformationen des NPY. So stellt die NPY- Konformation, die den Y2 Rezeptor aktiviert, eine von DP3 mit relativ hoher Affinität gebundene Konformation dar. Für die Rezeptoren Yl und Y5 können dagegen zwei aktive NPY Konformationen postuliert werden, eine von DP3 hochaffin und eine zweite von DP3 sehr niedrig affin gebundene NPY-Konformation.This suggests that NPY exists in different conformations that differentially activate certain receptor subtypes. The aptamer DP3 binds to the different conformations of the NPY with different affinities. Thus, the NPY conformation, which activates the Y2 receptor, is a conformation bound by DP3 with a relatively high affinity. On the other hand, two active NPY conformations can be postulated for the receptors Y1 and Y5, one of DP3 highly affine and a second of DP3 very low affinity-bound NPY conformation.
Im Vergleich zeigt sich die insgesamt stärkste Inhibition des Aptamers DP3 am Y2-Rezeptor bzw. die stärkste Interaktion des Aptamers mit der den Y2-Rezeptor aktivierenden NPY- Konformation. Ob diese unterschiedlichen Konformationen vom Y2-Rezeptor induziert und dann präferentiell vom Aptamer erkannt werden oder vom Aptamer selber induziert und/oder stablisiert werden, kann nicht geklärt werden. Letztendlich kann aufgrund der Kompetitionsstu- dien allein nicht ausgeschlossen werden, daß die unterschiedliche Inhibition des Aptamers in der Bindung des NPY an seine Rezeptoren ausschließlich auf unterschiedliche NPY- Konformationen und nicht auf stukturelle Charakteristika der Rezeptorsubtypen selbst im Sinne einer "niedrig und hoch affinen Bindungsstelle" zurückzuführen ist.The comparison shows the strongest overall inhibition of the aptamer DP3 on the Y2 receptor and the strongest interaction of the aptamer with the NPY conformation activating the Y2 receptor. It cannot be clarified whether these different conformations are induced by the Y2 receptor and then preferentially recognized by the aptamer or induced and / or stabilized by the aptamer itself. Ultimately, on the basis of the competition studies alone, it cannot be ruled out that the different inhibition of the aptamer in the binding of the NPY to its receptors is solely due to different NPY conformations and not to the structural characteristics of the receptor subtypes themselves in the sense of a "low and high affinity binding site" is due.
Aus den Resultaten der Rezeptorbindungsstudien zusammen mit den Ergebnissen der Versuche mit trunkierten und mutierten NPY-Varianten wird klar, daß DP3 ein spezifischer NPY-Ligand, mit mimetischen Y2 -Rezeptoreigenschaften ist. Damit konnte erstmals mit Hilfe eines selektiven NPY-Nukleinsäureliganden bestätigt werden, daß das Neuropeptid Y in unterschiedlichen biologisch aktiven Konformationen in vivo vorliegen kann, wobei sich die Y2 -Rezeptor spezifische NPY-Konformation von der Konformation, welche den Yl- bzw. Y5-Rezeptor aktivieren kann, unterscheidet.It is clear from the results of the receptor binding studies together with the results of the trials with truncated and mutated NPY variants that DP3 is a specific NPY ligand with mimetic Y2 receptor properties. This was the first time with the help of a selective NPY nucleic acid ligands are confirmed that the neuropeptide Y can be present in different biologically active conformations in vivo, the Y2 receptor-specific NPY conformation differing from the conformation which can activate the Y1 or Y5 receptor.
Arginin33 des NPY ist essentiell für die Aptamer BindungArginine33 of the NPY is essential for aptamer binding
Im Rahmen von Feinmappingexperimenten zur Charakterisierang der minimalen Aptamer- Bindungsstelle an NPY wurden vier positiv geladene Argininreste im C-terminalem Bereich durch Alanin substituiert. Dabei konnte gezeigt werden, daß der Argininrest an Position 33 essentiell für die DP3-NPY-Komplexbüdung ist. Eine Substitution durch Alanin führt zum vollständigen Verlust der Aptamerbindung.In the context of fine mapping experiments to characterize the minimal aptamer binding site at NPY, four positively charged arginine residues in the C-terminal region were substituted by alanine. It was shown that the arginine residue at position 33 is essential for the DP3-NPY complex bond. Substitution by alanine leads to complete loss of aptamer binding.
Fig. 13 zeigt eine Modellvorstellung zur biologisch aktiven NPY-Konformation am Y2- Rezeptor, die durch das Aptamer kompetitiert wird: Die C-terminale Bindungsregion für das Aptamer DP3 an NPY ist rot (rot, in schwarz-weiß-Darstellung helleres Grau: für Bindung essentiell) hervorgehoben, wobei durch die farbliche Abstufung die entsprechende Bedeutung der einzelnen Aminosäuren für die Komplexbildung von DP3 und NPY dargestellt ist (schwarz: nicht an der Bindung beteiligte AS).13 shows a model for the biologically active NPY conformation at the Y2 receptor, which is competed for by the aptamer: the C-terminal binding region for the aptamer DP3 to NPY is red (red, in black and white representation, lighter gray: for Binding essential) is highlighted, whereby the color gradation shows the corresponding meaning of the individual amino acids for the complex formation of DP3 and NPY (black: AS not involved in the binding).
Eine Reihe von viralen Proteinen (z. B. HIV -Rev, HIV-TAT) enthalten argininreiche Epitope, welche die Bindungsregion für die natürlichen Nukleinsäureliganden repräsentieren. Durch Strukturanalyse der RNA-Peptid-Komplexe mittels NMR-Spektroskopie ist es gelungen, die molekularen Wechselwirkungen zwischen den Argininresten der Peptide und den RNA- Aptameren aufzuklären und ein typisches Argininbindungsmotiv zu definieren. Dabei liegen die Peptide in der "großen Furche" der RNA. Spezifische Wechselwirkungen durch Wasserstoffbrücken zwischen den Guaninresten der RNA und Guanidiniumgrappen der Argininseitenketten der Peptide stabilisieren den Komplex. In vielen Fällen erfordert die Ligandbindung eine Erweiterang der "großen Furche" der RNA Helix, die beispielsweise durch Purin-Purin-Basenpaare erreicht wird. Die RNA-Aptamere, welche unstrukturiert in Lösung vorliegen, sind in Gegenwart des Peptides durch eine definierte Architektur gekennzeichnet (Hermann und Patel, 2000). Für den HIV- 1 Rev Komplex wurde beispielsweise durch NMR- Analyse gezeigt, daß auch die Straktur des Peptides in Abhängigkeit von dem Nukleinsäureliganden nach der RNA-Bindung verändert wird. So nimmt das HIV-1 REV-Peptid nach Bindung eines Rev-Aptameres (Sequenzfamilie I) eine α-helikale Konformation ein, während das gleiche Peptid im Komplex mit einem anderen Rev-Aptamer (Sequenzfamilie II) eine entfaltete Straktur einnimmt. Für das MS2 Coat- Protein konnte durch Röntgenkristallstrakturanalyse gezeigt werden, daß das Protein trotz Bindung einer natürlichen viralen RNA oder Aptamer-RNA keine konformationellen Unterschiede im Vergleich zum frei vorliegenden MS2 Coat-Protein aufweist. Bei diesem Beispiel ändert sich durch einen "induced fit" Mechanismus nur die Straktur der RNA (Valegard et al., 1990), (Convery, et al., 1998).A number of viral proteins (e.g. HIV-Rev, HIV-TAT) contain arginine-rich epitopes, which represent the binding region for the natural nucleic acid ligands. Structural analysis of the RNA-peptide complexes by means of NMR spectroscopy has succeeded in elucidating the molecular interactions between the arginine residues of the peptides and the RNA aptamers and in defining a typical arginine binding motif. The peptides are located in the "major groove" of RNA. Specific interactions through hydrogen bonds between the guanine residues of the RNA and guanidinium groups of the arginine side chains of the peptides stabilize the complex. In many cases, ligand binding requires an expansion of the "large groove" of the RNA helix, which is achieved, for example, by purine-purine base pairs. The RNA aptamers, which are unstructured in solution, are characterized by a defined architecture in the presence of the peptide (Hermann and Patel, 2000). For the HIV-1 Rev complex it was shown, for example by NMR analysis, that the structure of the peptide is also changed as a function of the nucleic acid ligand after the RNA binding. The HIV-1 REV peptide adopts an α-helical conformation after binding of a Rev aptamer (sequence family I), while the same peptide takes on an unfolded structure in complex with another Rev aptamer (sequence family II). For the MS2 coat protein it could be shown by X-ray crystal structure analysis that the protein has no conformational differences in comparison to the freely available MS2 coat protein despite the binding of a natural viral RNA or aptamer RNA. In this example, an induced fit mechanism only changes the structure of the RNA (Valegard et al., 1990), (Convery, et al., 1998).
Um qualitative Informationen bzgl. der Änderung der Sekundärstraktur von Aptamer DP3 und NPY nach Komplexbildung zu erhalten, wurden CD-spektroskopische Analysen durchgeführt.In order to obtain qualitative information regarding the change in the secondary structure of aptamer DP3 and NPY after complex formation, CD spectroscopic analyzes were carried out.
Beispiel 9: Selektion von an Neuropeptid Y bindenden AptamerenExample 9: Selection of aptamers binding to neuropeptide Y.
Grundsätzlich ähnlich der in den vorangehenden Beispielen beschriebenen Vorgehensweise wurden weitere Aptamere gegen Neuropeptid Y (NPY) gemäß den folgenden Verfahrensschrit- ten selektiert.Basically similar to the procedure described in the preceding examples, further aptamers against neuropeptide Y (NPY) were selected in accordance with the following process steps.
Selektionsbedingungenselection Criteria
Als Bindungspuffer wurde der folgende Puffer verwendet: 20mM Tris pH 7,5, lOOmM NaCl, 5mM MgCl2. Die Inkubationszeit betrag 7 Minuten bei 22° C. Als Zielmolekül wurde synthetisches, biotinyliertes NPY eingesetzt, das an mit Streptavidin beschichteten Kügelchen (Magnetic Dynabeack Dynal) gekoppelt war. Der verwendete Pool, d. h. die Nukleinsäurebibliothek, die als Ausgangsbibliothek verwendet wurde, wies dabei die folgende Struktur auf: 5'- GGGATAGGATCCACATCTACGTATTA N30 TTCACTGCAGACTTGACGAAGCTT-3 ', wobei N30 für 30 randomisierte Positionen mit einem ausgewogenen Verhältnis der vier Basen A, C, G und T von 1:1:1:1 steht. Als Primer für die Amplifikation wurde als 5 '-Primer 5'- GATAATACGACTCACTATA GGG ATA GGA TCC ACA TCT ACG T-3' und für das 3'- Ende: 5 '-AAG CTT CGT CAA GTC TGC AGT GAA-3 ' verwendet. Transkription in RNA und reverse Transkription in cDNA erfolgten nach dem Fachmann bekannten Protokollen. Die Bedingungen für die Durchführang der PCR betragen: 45 sec bei 94° C, 60 sec bei 50° C und 90 sec bei 72° C. Die Amplifikation bestand dabei für die Runden 1 - 6 aus 20 PCR-Zyklen bzw. für die Runden 7 - 11 aus 16 PCR-Zyklen. Die Abtrennung von nicht bindenden RNA- Sequenzen erfolgte durch Waschen mit 500 μl Bindungspuffer. Die Elution der gebundenen Sequenzen erfolgte mittels 51 μl H2O für 3 min bei 98°C. Die gesamte Selektion erfolgte über 11 S elektionszyklen.The following buffer was used as binding buffer: 20 mM Tris pH 7.5, 100 mM NaCl, 5 mM MgCl 2 . The incubation time was 7 minutes at 22 ° C. The target molecule used was synthetic, biotinylated NPY which was coupled to beads coated with streptavidin (Magnetic Dynabeack Dynal). The pool used, ie the nucleic acid library used as the starting library, had the following structure: 5'- GGGATAGGATCCACATCTACGTATTA N30 TTCACTGCAGACTTGACGAAGCTT-3 ', N30 for 30 randomized positions with a balanced ratio of the four bases A, C, G and T of 1: 1: 1: 1 stands. 5'-GATAATACGACTCACTATA GGG ATA GGA TCC ACA TCT ACG T-3 'was used as the primer for the amplification and 5' -AAG CTT CGT CAA GTC TGC AGT GAA-3 'for the 3' end. Transcription in RNA and reverse transcription in cDNA was carried out according to protocols known to the person skilled in the art. The conditions for carrying out the PCR are: 45 sec at 94 ° C, 60 sec at 50 ° C and 90 sec at 72 ° C. The amplification for rounds 1-6 consisted of 20 PCR cycles or for the rounds 7 - 11 out of 16 PCR cycles. Non-binding RNA sequences were separated by washing with 500 μl binding buffer. The bound sequences were eluted using 51 μl H 2 O for 3 min at 98 ° C. The entire selection was carried out over 11 selection cycles.
Analyse der angereicherte PoolsAnalysis of the enriched pools
Die Aufreinigung der in 50 μl Transkriptionsansätzen gebildeten, mit 33P-GTP markierten RNA erfolgte unter Verwendung des Qiaquick Nukleotide Removal Kits nach Angabe des Herstellers ( Qiagen). Die Bindungsstudien wurden für 1 h bei 37° C durchgeführt, wobei jeweils ein Aliquot von 1 μl der aufgereinigten RNA in jedem Bindungsassay verwendet wurde.The purification of the RNA formed in 50 μl transcription batches and labeled with 33 P-GTP was carried out using the Qiaquick nucleotide removal kit according to the manufacturer (Qiagen). Binding studies were carried out for 1 h at 37 ° C using an aliquot of 1 µl of the purified RNA in each binding assay.
Das Ergebnis des Bindungstests ist in Fig. 14 dargestellt. Insgesamt wurden drei Pools hinsichtlich ihres Bindungsverhaltens an das Target bzw. an die für die Selektion verwendeten Kügel- chen ohne Target untersucht. Dabei stellt NCIH RndO den unselektierten Pool, NCIH Rnd6 den nach 6 Selektionsrunden erhaltenen Pool und NCIH Rndl 1 den nach 11 Selektionsrunden erhaltenen Pool dar. Es kann festgestellt werden, dass es nach 11 Selektionsranden zu einer erheblichen Anreicherung von das Target spezifisch bindenden Aptameren kommt, die, wenngleich in geringerem Maße, auch bereits nach 6 Selektionsrunden beobachtet werden kann.The result of the binding test is shown in Fig. 14. A total of three pools were examined with regard to their binding behavior to the target or to the beads used for the selection without target. NCIH RndO represents the unselected pool, NCIH Rnd6 the pool obtained after 6 rounds of selection and NCIH Rndl 1 the pool obtained after 11 rounds of selection. It can be established that after 11 selection edges there is a considerable accumulation of aptamers that specifically bind to the target, which, although to a lesser extent, can already be observed after 6 rounds of selection.
Das Ergebnis einer Sequenzanalyse der selektierten Aptamere ist in der nachfolgenden Tabelle zusa mengefasst.The result of a sequence analysis of the selected aptamers is summarized in the table below.
Tabelle 4: Gegen NPY selektierte AptamereTable 4: Aptamers selected against NPY
Die vorstehenden Nukleinsäuren (SEQ ID No. 44 - 64) können in einer weiteren Ausführangsform mindestens einen der konstanten Teile der Sequenz der Ausgangsbibliothek, d. h. den konstanten Teil des 5'-Endes (5 '-GGGATAGGATCCACATCTACGTATTA) und/oder des 3'- Endes (TTCACTGCAGACTTGACGAAGCTT-3 '), vollständig oder teilweise umfassen.In a further embodiment, the above nucleic acids (SEQ ID No. 44-64) can contain at least one of the constant parts of the sequence of the starting library, i. H. fully or partially include the constant portion of the 5 'end (5' -GGGATAGGATCCACATCTACGTATTA) and / or the 3 'end (TTCACTGCAGACTTGACGAAGCTT-3').
Es ist dabei im Rahmen der üblichen Fähigkeiten des Fachmannes auf dem Gebiet, diese Sequenzen bzw. Nukleinsäuren zu verkürzen um den für eine Bindung an das Zielmolekül erforderlichen - minimalen - Teil des Moleküls bzw. der Sequenz zu bestimmen.It is within the scope of the usual skills of a person skilled in the art to shorten these sequences or nucleic acids in order to determine the - minimal - part of the molecule or the sequence required for binding to the target molecule.
Weiterhin zeigt Fig. 15 anhand verschiedener ausgewählter Klone das Bindungsverhalten in Abhängigkeit von der Menge an angebotenem Target, d. h. NPY. Dabei ist ersichtlich, dass im vorliegenden Falle beispielsweise der Klon NC1H11C29 nur geringfügig besser bindet als der Ausgangspool, in Fig. 15 als N30 Ellington Pool bezeichnet. Die hierin zitierten Literaturstellen lauten im Detail wie folgt:Furthermore, FIG. 15 shows, on the basis of various selected clones, the binding behavior as a function of the amount of target offered, ie NPY. It can be seen that, in the present case, clone NC1H11C29, for example, binds only slightly better than the starting pool, referred to in FIG. 15 as N30 Ellington Pool. The references cited here are as follows in detail:
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen, den Zeichnungen und dem Sequenzprotokoll offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführangsformen wesentlich sein. The features of the invention disclosed in the above description, the claims, the drawings and the sequence listing can be essential both individually and in any combination for realizing the invention in its various embodiments.
Claims
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