DD245444B5 - Process for the preparation of a new staphylokinase with heterologous producers - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft die Herstellung von gentechnisch konstruierten, rekombinanten Plasmiden, die ein Staphylokinase-Gen tragen, und deren Einführung in verschiedene heterologe bakterielle Wirte, die im Ergebnis dieser Manipulationen vorteilhaftzur Produktion der neuen Staphylokinase durch submerse Fermentation benutzt werden können.The invention relates to the production of genetically engineered recombinant plasmids carrying a staphylokinase gene and their introduction into various heterologous bacterial hosts, which as a result of these manipulations can be advantageously used to produce the novel staphylokinase by submerged fermentation.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt somit hauptsächlich in der mikrobiologisch-pharmazeutischen Forschung und Industrie.The field of application of the invention is thus mainly in the microbiological-pharmaceutical research and industry.
Staphylokinase (SAK) ist ein Protein, das - in der Regel nach lysogener Konversion - von Staphylococcus-aureus-Stämmen gebildet und ins Kulturmedium ausgeschieden wird. Heterolog nennen wir erfindungsgemäß solche Staphylokinaseproduzierenden Bakterien, die nicht dem Genus Staphylococcus angehören und natürlicherweise die Fähigkeit, SAK zu produzieren, nicht besitzen, diese aber durch gezielte genetische Manipulation erwerben können.Staphylokinase (SAK) is a protein that is produced by Staphylococcus aureus strains, usually after lysogenic conversion, and excreted into the culture medium. Heterologous we call according to the invention such Staphylokinaseproduzierenden bacteria that do not belong to the genus Staphylococcus and naturally have the ability to produce SAK, not possess, but can acquire them by targeted genetic manipulation.
Staphylokinase wandelt das fibrinolytisch inaktive Plasminogen des Blutplasmas zum Plasmin um, das durch begrenzte Proteolyse des Fibrinnetzwerkes Blutgerinnsel auflöst (Lack und Glainville, in: Methods in Enzymology XIX, 706-714[197O]). Das ist die bisher einzige bekannte Eigenschaft dieses bakteriell gebildeten Proteins.Staphylokinase converts the fibrinolytically inactive plasminogen of the blood plasma to plasmin, which dissolves blood clots by limited proteolysis of the fibrin network (Lack and Glainville, in: Methods in Enzymology XIX, 706-714 [197O]). This is the only known property of this bacterially formed protein.
Die Aktivierung von Plasminogen zu Plasmin wird auch von einer Reihe anderer Proteine bewirkt (Streptokinase, Urokinase, Gewebeplasminogenaktivator), die z.T. bereits in der klinische Medizin alsthrombolytische Therapeutika eingesetzt werden. Das mögliche Haupteinsatzgebiet von Staphylokinase liegt daher auch in der Humanmedizin, in gewissem Umfang aber auch in der Veterinärmedizin.Activation of plasminogen to plasmin is also effected by a number of other proteins (streptokinase, urokinase, tissue plasminogen activator), which are currently in use. alsthrombolytic therapeutics are already being used in clinical medicine. The possible main application of staphylokinase is therefore also in human medicine, to some extent but also in veterinary medicine.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
Staphylokinase (SAK) kann aus dem Kulturüberstand bestimmter Staphylococcus-aureus-Stämme gewonnen werden. SAK-produzierende Stämme sind in der Regel lysogen für temperente Bakteriophagen, deren Anwesenheit die Zelle zur Staphylokinase-Bildung befähigt (lysogene Konversion) (Winkler et al., J. gen. Microbiol. 39:321-333 [1965]).Staphylokinase (SAK) can be obtained from the culture supernatant of certain Staphylococcus aureus strains. SAK-producing strains are generally lysogenic for temperate bacteriophages whose presence enables the cell to staphylokinase-form (lysogenic conversion) (Winkler et al., J. Gen. Microbiol 39: 321-333 [1965]).
Es ist in diesem Zusammenhang jedoch bekannt, daß S.-aureus-Stämme eine Reihe von extrazellulären Proteinen bilden, die wesentlich für die hohe Pathogenität und Virulenz dieser Bakterien verantwortlich sind (Rogolsky, Microbiol. Rev. 43: 320-360 H 979]). Diese Vielzahl toxischer Produkte und die damit verbundenen Probleme für Fermentationen im technischen Maßstab haben es bislang unmöglich gemacht, SAK in ausreichender Menge und Qualität zu gewinnen, um sie auf ihre Eignung als Therapeutikum hin untersuchen zu können.However, it is known in this connection that S. aureus strains produce a number of extracellular proteins which are substantially responsible for the high pathogenicity and virulence of these bacteria (Rogolsky, Microbiol Rev 43: 320-360 H 979]). , This variety of toxic products and the associated problems for industrial-scale fermentations have so far made it impossible to obtain SAK in sufficient quantity and quality to be able to examine its suitability as a therapeutic agent.
Mittels Standardmethoden der Gentechnik (zusammengefaßt beispielsweise in Maniatis, Fritsch, Sambrook: Molecular Cloning - a laboratory manual; Cold Spring Harbor Laboratory, 1982) ist vor kurzem ein Gen für die Bildung von Staphylokinase aus der DNA des Staphylokokken-Phagen S0-C isoliert und auf dem Plasmid pBR322 in dem gramnegativen Bakterium Escherichia coli kloniert worden (Sakoet al., Mol. Gen. Genetics 190:271-277 [1983]). Die so konstruierten E.-coli-Stämme waren zur Bildung von Staphylokinase befähigt, wobei allerdings das gebildete SAK-Protein nicht oder nur in geringem Anteil in das umgebende Kulturmedium ausgeschieden wurde. Aufschluß oder osmotische Schockbehandlung der Zellen waren zur quantitativen Gewinnung der Staphylokinase nötig (Sakoet al., Mol. Gen. Genet. 190: 271-277(1983]; Sako, Eur. J. Biochem. 149: 557-563By means of standard genetic engineering methods (summarized, for example, in Maniatis, Fritsch, Sambrook: Molecular Cloning - a laboratory manual, Cold Spring Harbor Laboratory, 1982), a gene for the production of staphylokinase from the DNA of staphylococcal phage S0-C has recently been isolated on the plasmid pBR322 in the Gram-negative bacterium Escherichia coli (Sako et al., Mol. Gen. Genetics 190: 271-277 [1983]). The E. coli strains constructed in this way were able to produce staphylokinase, although the SAK protein formed was not secreted or only to a small extent into the surrounding culture medium. Digestion or osmotic shock treatment of the cells was necessary for the quantitative recovery of staphylokinase (Sako et al., Mol. Gen. Genet 190: 271-277 (1983); Sako, Eur. J. Biochem. 149: 557-563
Das in diesem Verfahren klonierte Staphylokinase-Gen ist einer Primärstrukturanalyse unterzogen worden. Die DNA-Sequenz dieses Genes aus S0-C und daraus abgeleitet die Aminosäuresequenz dieser Staphylokinase liegen vor (Sako u. Tsuchida, Nucleic Acids Research 11: 7679-7693 [1983]).The staphylokinase gene cloned in this method has been subjected to a primary structural analysis. The DNA sequence of this gene from S0-C and the amino acid sequence of this staphylokinase derived therefrom are present (Sako and Tsuchida, Nucleic Acids Research 11: 7679-7693 [1983]).
Ziel der ErfindungObject of the invention
Die Erfindung verfolgt das Ziel, heterologe bakterielle Wirte nach Einführung eines zuvor isolierten Gens, das für eine neue Staphylokinase kodiert, zur Produktion dieses Proteins zu befähigen.The invention aims to provide heterologous bacterial hosts for the production of this protein after introduction of a previously isolated gene encoding a novel staphylokinase.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gentechnisches Verfahren zur Isolierung und Klonierung eines Staphylokinase-Gens sowie zur anschließenden Herstellung von heterologen bakteriellen Wirten für die fermentative Produktion des Genprodukts zu entwickeln.The invention has for its object to develop a genetic engineering process for the isolation and cloning of a staphylokinase gene and for the subsequent production of heterologous bacterial hosts for the fermentative production of the gene product.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe in ihrem Grundzug wie folgt gelöst:According to the invention, this object is achieved in its basic feature as follows:
Aus der DNA von Staphylococcus-aureus-Phagen werden zunächst DNA-Fragmente isoliert, die das durch die Nukleotidsequenz gemäß Abb. 1 a charakterisierte Gen für eine neue Staphylokinase (SAK-Gen) enthalten. DNA-Fragmente dieser Charakterisierung werden dann auf einen E.-coll-Klonierungsvektor überführt und die hierbei resultierenden Abkömmlinge einem Screening auf SAK*-rekombinante Vektoren - im weiteren bezeichnet als SAK-Screening - unterworfen (Verfahrensschritt I).From the DNA of Staphylococcus aureus phage DNA fragments are first isolated, which contain the characterized by the nucleotide sequence of Fig. 1 a gene for a new staphylokinase (SAK gene). DNA fragments of this characterization are then transferred to an E. coli cloning vector and the resulting progeny subjected to screening for SAK * recombinant vectors, hereinafter referred to as SAK screening (step I).
Aus jeweils einem der in Verfahrensschritt I erhaltenen SAKT-rekombinanten (Primär-)Vektoren werden im nächsten Schritt Fragmente mit funktionellem SAK-Gen entnommen und zwecks Erhalt von SAK+-rekombinanten Sekundärplasmiden auf jeweils einem Vektorplasmid, welches Komponente eines heterologen bakteriellen Wirts-Vektor-Systems ist, subkloniert, wobei die in diesem Schritt resultierenden Abkömmlinge wiederum einem SAK-Screening unterworfen werden (Verfahrensschritt II).From each one of the SAK T recombinant (primary) vectors obtained in step I, fragments with functional SAK gene are taken in the next step and for obtaining SAK + recombinant secondary plasmids each on a vector plasmid, which component of a heterologous bacterial host vector -Systems is subcloned, wherein the derivatives resulting in this step are again subjected to a SAK screening (process step II).
Jedes in den Verfahrensschritten I und Il erhaltene SAK+-rekombinante Plasmid wird anschließend in heterologe bakterielle Produzentenstämme transformiert (Verfahrensschritt III), und jeder in dieser Weise gentechnisch manipulierte heterologe bakterielle Produzentenstamm wird im letzten Schritt (Verfahrensschritt IV) für eine Submerskultivierung eingesetzt, um die durch die Aminosäuresequenz gemäß Abb. 1 b charakterisierte Staphylokinase zu gewinnen.Each SAK + recombinant plasmid obtained in steps I and II is then transformed into heterologous bacterial producer strains (step III), and each heterologous bacterial producer strain genetically engineered in this manner is used in the last step (step IV) for submiculturation to obtain the Staphylokinase characterized by the amino acid sequence according to Fig. 1 b.
In weiterer Ausgestaltung dieses Grundzuges wird die Erfindungsaufgabe durch die nachstehenden experimentellen Teilschritte realisiert:In a further embodiment of this basic feature, the problem of the invention is realized by the following experimental sub-steps:
1. isolation der DNA des Gen-spendenden Phagen1. isolation of DNA of gene-donating phage
Als Donor für das SAK-Gen gemäß Abb. 1 wird in Schritt I des Verfahrens ein temperenter Staphylococcus-aureus-Phage der serologischen Gruppe F, vorzugsweise ein Phage aus der Menge 0W46,0L80,0L55,042 D, eingesetzt.As a donor for the SAK gene according to Fig. 1, a temperate Staphylococcus aureus phage of the serological group F, preferably a phage from the amount 0W46,0L80,0L55,042 D, is used in step I of the method.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Gendonor der in obiger Menge letztgenannte Phage 042 D, ein bekannter Typisierungsphage, gewählt. Von diesem Bakteriophagen ist bekannt, daß er nach Lysogenisierung von empfindlichen S.-aureus-Stämmen diese zur Bildung von Staphylokinase konvertiert.In a preferred embodiment of the method, the gene donor used in the above amount is the latter phage 042 D, a known typing phage. This bacteriophage is known to convert to the formation of staphylokinase upon lysogenization of susceptible S. aureus strains.
Zur Isolation seiner DNA wird der jeweils gewählten Gruppe F-Gendonor, so auch der vorzugsweise verwendete Phagen 042 D, auf einem empfindlichen Wirtsstamm der Art S.aureus, vorzugsweise auf dem Stamm S.aureusW57, mit der an sich bekannten Weichagarschichttechnik vermehrt und angereichert.In order to isolate its DNA, the group F-gene donor selected in each case, and also the preferably used phage 042 D, are propagated and enriched on a sensitive host strain of the species S. aureus, preferably on the strain S. aureus W57, using the known soft agar layer technique.
Nach Extraktion der Phagen, vorzugsweise der 042 D-Phagen, aus der Weichagarschicht liegt ein Phagenlysat mit einem Titer von wenigstens 1010pfu/ml vor. Zur Abtrennung von Zelltrümmern und zur weiteren Konzentrierung der Bakteriophagen wird das Lysat einem Zyklus von niedrig- und hochtourigen Zentrifugationen unterworfen. Aus dem konzentrierten Phagenlysat wird die potentiell SAK-Gen-tragende DNA durch Zugabe eines Detergenz freigesetzt und in an sich bekannter Weise mittels Phenol- und Chloroformextraktionen von Protein befreit. Abschließend wird die in dieser Weise vorbereitete Phagen-DNA einer Zentrifugation im EB-CsCI-Dichtegradienten unterworfen, so daß gereinigte und konzentrierte Phagen-DNA, vorzugsweise die 042 D, für die nachfolgenden experimentellen Schritte zur Verfügung steht.After extraction of the phages, preferably the 042 D phage, from the soft agar layer, there is a phage lysate with a titer of at least 10 10 pfu / ml. To separate cell debris and further concentrate the bacteriophages, the lysate is subjected to a cycle of low and high speed centrifugations. The potentially SAK gene-carrying DNA is released from the concentrated phage lysate by addition of a detergent and freed of protein in a manner known per se by means of phenol and chloroform extractions. Finally, the phage DNA prepared in this manner is subjected to centrifugation in the EB-CsCl density gradient, so that purified and concentrated phage DNA, preferably the 042 D, is available for the subsequent experimental steps.
2. Klonierung von potentiell SAK-Gen-tragenden DNA-Fragmenten in einem E.-coli-Klonierungsvektor (Teil des Verfahrensschrittes I)2. Cloning of potentially SAK gene-carrying DNA fragments in an E. coli cloning vector (part of method step I)
Die gereinigte Staphylococcus-aureus (GruppeF)-Phagen-DNA, vorzugsweise die gereinigte 042 D-DNA, wird zunächst mit Enzymen behandelt, die DNA an spezifischen Erkennungsstellen spalten. Vorzugsweise werden für diesen Zweck Restriktionsenzyme und insbesondere die Restriktionsenzyme CIaI, Hpall oder EcoRI eingesetzt. Im Ergebnis dieser Behandlung wird die Phagen-DNA, vorzugsweise die 042 D-DNA, jeweils in eine charakteristische Anzahl von Fragmenten zerlegt, die in ihrer Größe zwischen 0,5 und etwa 10,0knp variieren.The purified Staphylococcus aureus (GruppeF) phage DNA, preferably the purified 042 D DNA, is first treated with enzymes that cleave DNA at specific recognition sites. Preferably restriction enzymes and in particular the restriction enzymes CIaI, Hpall or EcoRI are used for this purpose. As a result of this treatment, the phage DNA, preferably the 042 D DNA, is each resolved into a characteristic number of fragments varying in size from 0.5 to about 10.0knp.
Parallel zur Behandlung der potentiell SAK-Gen-tragenden Phagen-DNA wird der gewählte E.-coli-Klonierungsvektor in Vorbereitung auf die angestrebte Überführung mit einem Restriktionsenzym linearisiert, für welches auf dem Vektor ein singulärer Spaltort vorhanden ist und welches gleichzeitig solche Enden generiert, die mit denen der Fragmente der DNA des Spender-Phagen kompatibel sind.In parallel with the treatment of the potentially SAK gene-bearing phage DNA, the selected E. coli cloning vector is linearized in preparation for the desired conversion with a restriction enzyme for which there is a singular cleavage site on the vector and which simultaneously generates such ends, which are compatible with those of fragments of donor phage DNA.
Als E.-coH-Klonierungsvektor wird entweder ein E.-coli-Phagenvektor, vorzugsweise ein λ-Phage, oder ein E.-coli-Plasm idvektor bereitgestellt. Aus der Gesamtheit der E.-coli-Plasmidvektoren wird für den verfahrensgemäßen Zweck ein Vektor aus der Teilmenge der amplifizierbaren E.-coli-Plasmidvektoren gewählt, vorzugsweise ein amplifizierbarer E.-coli-Plasmidvektor, derAs the E. coli cloning vector, either an E. coli phage vector, preferably a λ phage, or an E. coli plasmid vector is provided. From the totality of the E. coli plasmid vectors, a vector is selected from the subset of the amplifiable E. coli plasmid vectors, preferably an amplifiable E. coli plasmid vector, for the purpose according to the invention
a) ein CoIEI-oder ein p15A-Replikationsorigin unda) a CoIEI or a p15A replication origin and
b) darüber hinaus wenigstens zwei Antibiotika-Resistenzmarker sowie in einem dieser Marker wenigstens einen singulären Restriktase-Spaltortb) in addition at least two antibiotic resistance markers and in one of these markers at least one singular Restrictase cleavage site
aufweist.having.
Ein gebräuchlicher Vektor mit CoIE 1 -Replikationsorigin, welcher diesen Kriterien entspricht, ist Plasmid pBR 322; ein Vektor mit ρ 15 A-Replikationsorigin, welcher diesen Kriterien entspricht, ist Plasmid pACYC184. Letzteres wird in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens als E.-coH-Klonierungsvektor verwendet.A common vector with CoIE 1 replication origin satisfying these criteria is plasmid pBR 322; a vector with ρ 15 A replication origin corresponding to these criteria is plasmid pACYC184. The latter is used in a preferred embodiment of the method as E. coli cloning vector.
Ein amplifizierbarer E.-coli-Plasmidvektor voranstehender Kennzeichnung wird für die angestrebte Überführung mit einem Restriktionsenzym linearisiert, dessen singulärer Spaltort auf diesem Vektor so lokalisiert ist, daß eine Insertion von Fremd-DNA zur Inaktivierung eines seiner beiden Antibiotika-Resistenzmarker führt und welches gleichzeitig wiederum solche Enden generiert, die mit denen der Fragmente der DNA des Spender-Phagen kompatibel sind.An amplifiable E. coli plasmid vector of the above label is linearized for the intended conversion with a restriction enzyme whose unique cleavage site on that vector is located so that insertion of foreign DNA leads to inactivation of one of its two antibiotic resistance markers and again simultaneously generates such ends that are compatible with those of fragments of donor phage DNA.
Bei Verwendung des E.-coli-Plasmidvektors pBR322 wird diese Linearisierung mit CIaI vorgenommen; bei Verwendung des E.-coli-Plasmidvektors pACYC 184, d. h. in der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, wird zur Linearisierung EcoRI oder CIaI eingesetzt.When using the E. coli plasmid vector pBR322 this linearization is carried out with CIaI; when using the E. coli plasmid vector pACYC 184, d. H. in the preferred embodiment of the process, EcoRI or CIaI is used for linearization.
Derart linearisierte E.-coli-Klonierungsvektor-DNA, vorzugsweise derart linearisierte E.-coli-Plasmidvektor-DNA und insbesondere derart linearisierte pACYC 184-DNA, wird mit nach voranstehender Vorschrift vorbereiteter S.-aureus-Phagen-DNA, vorzugsweise mit fragmentierter 042 D-DNA, nunmehr so gemischt, daß letztere DNA-Fragmente im Überschuß vorliegen. Durch Zugabe des Enzyms DNA-Ligase, vorzugsweise T4-DNA-Ligase, werden die Phagen-DNA-Fragmente mit dem linearisierten E.-coli-Vektor, insbesondere mit dem linearisierten pACYC184-Vektorplasmid, in an sich bekannter Weise in zufälliger Weise zu rekombinanten Vektoren, vorzugsweise zu zirkulären DNA-Molekülen (rekombinanten Plasmiden), verknüpft.Such linearized E. coli cloning vector DNA, preferably such linearized E. coli plasmid vector DNA and in particular such linearized pACYC 184 DNA, is provided with the above-prepared S. aureus phage DNA, preferably with fragmented 042 D-DNA, now mixed so that the latter DNA fragments are present in excess. By addition of the enzyme DNA ligase, preferably T4 DNA ligase, the phage DNA fragments with the linearized E. coli vector, in particular with the linearized pACYC184 vector plasmid, in a conventional manner in a random manner to recombinant Vectors, preferably to circular DNA molecules (recombinant plasmids) linked.
Das hierbei erhaltene Gemisch rekombinanter E.-coli-Phagen bzw. rekombinanter E.-coli-Plasmide, insbesondere das hierbei erhaltene Gemisch rekombinanter pACYC184-Abkömmlinge, wird in der Folge benutzt, um in an sich bekannter Weise einen gramnegativen Wirtsstamm, vorzugsweise einen E.-coli-Stamm und insbesondere den Stamm E.-coli 294, zu infizieren bzw. zu transformieren. Die anfallenden Transformanten werden im nächsten Schritt einem Vorscreening unterworfen, mit dem die erfolgreiche Etablierung der rekombinanten Phagen bzw. Plasmide in dem jeweiligen Rezipientenstamm feststellbar ist. Um die Beschreibung der erfinderischen Lösung auch im weiteren hinreichend übersichtlich halten zu können, wird die anschließende Darlegung des Wesens der Erfindung in seiner weiteren Ausgestaltung von nun an nur noch eine Grundvariante des Verfahrens umfassen, nämlich jene, bei der die Primärklonierung von potentiell SAK-Gen-tragenden 042 D-Fragmenten in einem E.-coli-Plasmidvektor vorgenommen wurde. Dieser Grundvariante liegt das Konstruktionsschema gemäß Abb.2 zugrunde. Für die erfolgreiche Etablierung der Plasmide in dem jeweils gewählten E.-coli-Stamm (siehe oben) wird durch Zusatz eines Antibiotikums, vorzugsweise durch Zugabe von Tetrazyklin oder Chloramphenikol, zum Kulturmedium selektiert (Vorscreening). Testung der Plasmid-tragenden Transformantenkolonien auf Resistenz gegen das jeweilige andere Antibiotikum, d. h. entweder gegen Chloramphenikol oder gegen Tetrazyklin, erlaubt die Differenzierung zwischen Transformanten mit rekonstituiertem pACYC184-Plasmid (= resistent) oder solchen mit rekombinanten 042 D-DNA-tragenden Plasmiden (= sensitiv).The resulting mixture of recombinant E. coli phages or recombinant E. coli plasmids, in particular the resulting mixture of recombinant pACYC184 derivatives, is subsequently used to produce, in a manner known per se, a Gram-negative host strain, preferably an E. coli . coli strain and in particular the strain E. coli 294, to infect or transform. The resulting transformants are subjected to a screening in the next step, with which the successful establishment of recombinant phages or plasmids in the respective recipient strain can be determined. In order to be able to keep the description of the inventive solution also sufficiently clear, the subsequent description of the essence of the invention in its further embodiment from now on will comprise only one basic variant of the method, namely those in which the primary cloning of potentially SAK gene carrying 042 D fragments in an E. coli plasmid vector. This basic variant is based on the design scheme according to Fig.2. For the successful establishment of the plasmids in each selected E. coli strain (see above) is selected by addition of an antibiotic, preferably by the addition of tetracycline or chloramphenicol, to the culture medium (prescreening). Testing the plasmid-carrying transformant colonies for resistance to the respective other antibiotic, d. H. either against chloramphenicol or against tetracycline, allows the differentiation between transformants with reconstituted pACYC184 plasmid (= resistant) or those with recombinant 042 D-DNA-carrying plasmids (= sensitive).
3. Nachweis von Transformatoren mit rekombinanten Plasmiden, die das Staphylokinase-Gen tragen3. Detection of transformers with recombinant plasmids carrying the staphylokinase gene
Diejenigen E.-coli-Transformanten, die aufgrund des Vorscreenings als solche mit rekombinanten Plasmiden identifiziert sind, werden nunmehr auf Indikatorplatten ausgestrichen, die neben Agar (oder Agarose) und Hefeextrakt Casein in Form von Magermilch sowie Humanplasminogen enthalten. Transformanten, die auf Grund ihrer rekombinanten Plasmide zur Staphylokinase-Bildung befähigt sind, bilden eine klare Lysezone, die durch die caseinolytische Aktivität des SAK-aktivierten Plasminogens hervorgerufen wird. Unspezifische oder auf Proteasen zurückzuführende Reaktionen werden aufgeschlossen durch paralleles Testen dergleichen Transformanten auf Indikatorplatten, denen kein Humanplasminogen zugesetzt worden ist. SAK-positive Transformanten (SAK+-Transformanten) bilden auf solchen Platten keine Lysehöfe. In diesem Assaysystem zeigt der zur Klonierung verwendete E.-coli-Stamm keine unspezifische background-Aktivität.Those E. coli transformants identified as such by recombinant plasmids as a result of screening are now spread on indicator plates containing casein in the form of skimmed milk as well as human plasminogen in addition to agar (or agarose) and yeast extract. Transformants that are capable of staphylokinase production due to their recombinant plasmids form a clear lysis zone caused by the caseinolytic activity of the SAK-activated plasminogen. Nonspecific or protease-responsive reactions are disrupted by parallel testing of the same transformants on indicator plates to which no human plasminogen has been added. SAK positive transformants (SAK + transformants) do not form lysis sites on such plates. In this assay system, the E. coli strain used for cloning does not show nonspecific background activity.
4. Charakterisierung der rekombinanten SAK-Plasmide4. Characterization of recombinant SAK plasmids
Aus mehreren Transformantenklonen, die Staphylokinase bilden, werden die Plasmide in an sich bekannter Weise in sogenannten rapidscreening-Verfahren in kleinen Mengen gewonnen und einer schnellen Analyse mit Restriktionsenzymen,From several transformant clones which form staphylokinase, the plasmids are obtained in a manner known per se in so-called rapidscreening processes in small amounts and subjected to rapid analysis with restriction enzymes,
insbesondere mit CIaI, Hpall und EcoRI, unterworfen. Für die weiteren Arbeiten wird unter den rekombinanten Plasmiden das mit dem kleinsten SAK+-042 O-DNA-Insert ausgewählt. Dieses Plasmid erhielt die Bezeichnung pDB 3. Es trägt ein ca. 7,0 knp großes 042 D-Fragment, das durch Clal-Orte flankiert istin particular with CIaI, Hpall and EcoRI. For further work, among the recombinant plasmids, the one with the smallest SAK + -042 O-DNA insert is selected. This plasmid was named pDB 3. It carries an approximately 7.0-knot 042 D fragment flanked by Clal sites
5. Subklonierung des Staphylokinasegens in E.-coli-Plasmidvektoren 5. Subcloning of the staphylokinase gene into E. coli plasmid vectors
Die DNA des rekombinanten SAK-Plasmides pDB3 wird aus dem E.-coll-Stamm 294 (pDB3) in an sich bekannter Weise in größerer Menge präparativ isoliert und über Farbstoffdichtegradientenzentrifugation gereinigt. Zunächst wird die pDB3-Plasmid-DNA mit einer Reihe unterschiedlicher Restriktasen gespalten, deren Schnittpunkte vorzugsweise im 042 D-DNA-Insert durch vergleichende Analyse in an sich bekannter Weise kartiert werden. Unter den verwendeten Restriktionsenzymen wird ein Paar ausgewählt, vorzugsweise das Enzym-Paar EcoRI und EcoRV, mit dem das 042 D-Insert von pDB3 in zwei nahezu gleichgroße Subfragmente zerlegt wird. Verknüpfung jedes dieser EcoRI-EcoRV-Subfragmente mit einem gleichfalls mit EcoRI bzw. Pvull sowie EcoRV geschnittenen E.-coli-Vektorplasmid, vorzugsweise mit pACYC184 bzw. mit pBR322, durch die Behandlung des Vektor-Fragmentgemisches mit dem Enzym T4-DNA-Ligase führt zur Herstellung neuer rekombinanter Plasmide mit verkürztem 042D-lnsert. Diese Plasmide werden in an sich bekannter Weise benutzt, um einen E.-coli-Wirtsstamm, vorzugsweise den Stamm E.-coli294, zu transformieren. Die Selektion von Plasmid-tragenden Transformanten und die Erkennung von Transformanten mit rekombinanten Plasmiden, darunter solchen, die das SAK-Gen tragen, enthalten, erfolgt in der bereits beschriebenen Weise (vgl. Teilabschnitt 3).The DNA of the recombinant SAK plasmid pDB3 is preparatively isolated from E. coli strain 294 (pDB3) in a manner known per se in a larger amount and purified by dye density gradient centrifugation. First, the pDB3 plasmid DNA is cleaved with a series of different restrictases, the intersections of which are preferably mapped in the 042 D-DNA insert by comparative analysis in a manner known per se. Among the restriction enzymes used, a pair is selected, preferably the EcoRI and EcoRV enzyme pair, which breaks down the 042 D insert of pDB3 into two nearly equally sized subfragments. Linkage of each of these EcoRI-EcoRV subfragments with an EcoRI or Pvull and EcoRV-cut E. coli vector plasmid, preferably with pACYC184 or with pBR322, by treating the vector fragment mixture with the enzyme T4 DNA ligase for the preparation of new recombinant plasmids with shortened 042D insert. These plasmids are used in a manner known per se to transform an E. coli host strain, preferably strain E. coli 294. The selection of plasmid-carrying transformants and the detection of transformants with recombinant plasmids, including those carrying the SAK gene, is carried out in the manner already described (see Part 3).
Im Ergebnis der vorzugsweise ausgeführten Variante dieser Subklonierung I.Ordnung liegt ein SAK-bildender E.-coli-Stamm vor, insbesondere Stamm E.-coil 294 (pDB12), der ein rekombinantes pBR322-Derivat- im weiteren bezeichnet als Plasmid pDB 12 - mit einem ca. 2,5 knp großen 0 42 D-DNA-Insert trägt.As a result of the preferred embodiment of this subcloning I. order, there is an SAK-producing E. coli strain, in particular E. coli 294 strain (pDB12), which contains a recombinant pBR322 derivative, hereinafter referred to as plasmid pDB 12. carries with about 2.5 knp large 0 42 D-DNA insert.
In der Folge wird nun pDB 12-DNA in an sich bekannter Weise in größerer Menge isoliert, gereinigt und hinsichtlich der Lage von Restriktionsspaltorten im (SAK+)-042 D-DNA-Insert charakterisiert. Zu den verwendeten Enzymen gehört insbesondere die Restriktase Rsal.As a result, pDB 12-DNA is now isolated in a known manner in a larger amount, purified and characterized with respect to the location of restriction sites in the (SAK + ) -042 D-DNA insert. The enzymes used in particular include the restrictase Rsal.
Rsal-Fragmente des Plasmides pDB 12 werden in der Folge in an sich bekannter Weise hergestellt und vorzugsweise solche Rsal-Fragmente, die ca. 1,0knp groß sind, isoliert. Diese Rsal-Fragmente, von denen eines aus dem 042 D-DNA-Insert des Plasmides pDB 12 stammt, werden in der bereits beschriebenen Weise mit einem E.-coli-Vektorplasmid, vorzugsweise mit zuvor separat mit der Restriktase EcoRV linearisiertem Plasmid pACYC184 oder pBR322, verknüpft (Subklonierung 2. Ordnung). Transformation eines E.-coli-Wirtsstammes, vorzugsweise des Stammes E.-coli 294, führt in der bereits beschriebenen Weise zur Gewinnung eines Transformantenklons, der aufgrund der Anwesenheit eines neuen rekombinanten Plasmides, bezeichnet als Plasmid pDB17, zur Bildung von Staphylokinase befähigt ist. Nach präparativer Isolation von Plasmid-DNA erfolgt die strukturelle Charakterisierung von pDB 17 in an sich bekannter Weise durch eine Kartierung der Lage von Restriktionsspaltorten für verschiedene Enzyme. Danach ist das Plasmid pDB 17 4,1 knp groß und trägt ein ca. 1,0 knp großes Stück des 042 D-DNA-Inserts mit der kompletten Information für die Bildung von Staphylokinase; gleichzeitig hat es eine ca. 1,25knp große Deletion erlitten, die das gesamte Strukturgen der Tetrazyklinresistenz des Ausgangsvektors pBR322 umfaßt (siehe auch Abb.3). β. DNA-Sequenzanalyse des 042 D-DNA-Inserts von pDB 17Rsal fragments of the plasmid pDB 12 are subsequently prepared in a manner known per se and preferably those Rsal fragments which are approximately 1.0knp in size are isolated. These Rsal fragments, one of which originates from the 042 D-DNA insert of plasmid pDB 12, are transformed in the manner already described with an E. coli vector plasmid, preferably with plasmid pACYC184 or pBR322 previously separately linearized with the EcoRV restriction gene , linked (subcloning 2nd order). Transformation of an E. coli host strain, preferably strain E. coli 294, results in the recovery of a transformant clone which is capable of producing staphylokinase due to the presence of a novel recombinant plasmid, designated plasmid pDB17, as previously described. After preparative isolation of plasmid DNA, the structural characterization of pDB 17 is carried out in a manner known per se by mapping the location of restriction sites for various enzymes. Thereafter, the plasmid pDB 17 is 4.1 knp and carries an approximately 1.0 knp piece of the 042 D DNA insert with complete information for the formation of staphylokinase; at the same time, it has suffered a deletion of approximately 1.25knp, which comprises the entire structural gene of the tetracycline resistance of the parent vector pBR322 (see also Fig. 3). β. DNA sequence analysis of the 042 D-DNA insert of pDB 17
Aus gereinigter pDB17-Plasmid-DNA werden in an sich bekannter Weise Fragmente in präparativer Menge herausgeschnitten und isoliert, die das gesamte (SAK+)-042 D-DNA-Insert oder den größten Teil davon enthalten, vorzugsweise solche Fragmente, die mit den Restriktionsenzymen Hpall oder Hinfl gewonnen werden können.From purified pDB17 plasmid DNA fragments are cut out in a manner known per se preparative amounts and isolated, containing the entire (SAK + ) -042 D-DNA insert or most of it, preferably those fragments with the restriction enzymes Hpall or Hinfl can be won.
Teilabschnitte dieser 042 D-Fragmente aus pDB 17, die vorzugsweise mit solchen kleinschneidenden Restriktasen wie Taql, Sau ЗА, AIuI und Haelll erzeugt werden, bzw. fakultativ auch das komplette Hpall-Fragment (vgl. Abb. 4) werden in der Folge in an sich bekannter Weise mit der doppelsträngigen replikativen Form der E.-coli-Phagen M 13mp9 oder M 13mp18, die mit den Restriktasen Accl oder Hincll linearisiert worden sind, in zufälliger Weise unter Verwendung des Enzyms T4-DN A-Ligase verknüpft. Diese rekombinanten DNA-Moleküle werden dann in an sich bekannter Weise zur Transfektion eines geeigneten E.-coli-Wirtsstamms, vorzugsweise des Stammes E.-collTGI, benutzt. Phagenplaques, die von rekombinanten M 13mp-Phagen herrühren, können in der Folge in an sich bekannter Weise erkannt und zur Gewinnung von hochtitrigen Phagenpräparaten benutzt werden. Dieeinzelsträngige DNA der rekombinanten Phagen wird dann in an sich bekannter Weise isoliert und nach Anheftung eines bekannten DNA-Oligonukleotidprimers als Template für die Synthese eines Komplementärstranges eingesetzt. Der Zusatz von Didesoxynukleotidtriphosphaten zur Synthesereaktion führt zum statistisch verteilten Abbruch der Synthese des Komplementärstranges und erlaubt in an sich bekannter Weise die Ermittlung der DNA-Sequenz des 042D-lnserts der rekombinanten M 13-Phagen.Subsections of these 042 D fragments from pDB 17, which are preferably generated with such small-cutting restrictases as Taql, Sau ЗA, AluI and Haelll, or optionally also the complete Hpall fragment (see Fig. 4) are in the following in As is well known, the double-stranded replicative form of E. coli phages M 13mp9 or M 13mp18 which have been linearized with the restriction genes Accl or Hincll are randomly linked using the enzyme T4-DN A ligase. These recombinant DNA molecules are then used in a manner known per se for the transfection of a suitable E. coli host strain, preferably of the strain E. collTGI. Phage plaques derived from recombinant M 13mp phage can subsequently be recognized in a manner known per se and used to obtain high titre phage preparations. The single-stranded DNA of the recombinant phage is then isolated in a manner known per se and used after attachment of a known DNA oligonucleotide primer as a template for the synthesis of a complementary strand. The addition of didesoxynucleotide triphosphates to the synthesis reaction leads to the randomly discontinued termination of the synthesis of the complementary strand and allows the DNA sequence of the 042D insert of the recombinant M 13 phage to be determined in a manner known per se.
Computergestützte Auswertung der Einzelsequenzen von 042 D-DNA-Inserts individueller rekombinanter M13 mp-Phagenklone erlaubt weiterhin in an sich bekannter Weise das Zusammensetzen der Gesamt-DNA-Sequenz des 042 D-DNA-Inserts aus dem rekombinanten Plasmid pDB 17 und gestattet damit die Ermittlung der DNA-Sequenz der Staphylokinasegens des Phagen 042 D. Diese Sequenz ist in Abb. lain einer Form dargestellt, die auf bestmögliche Weise den Vergleich mit der DNA-Sequenz des S0-C-Stapnylokinasegens ermöglicht.Computer-aided evaluation of the individual sequences of 042 D-DNA inserts of individual recombinant M13 mp phage clones furthermore allows the total DNA sequence of the 042 D-DNA insert from the recombinant plasmid pDB 17 to be assembled in a manner known per se, thus allowing the determination the DNA sequence of the staphylokinase gene of phage 042 D. This sequence is shown in Fig. Lain a form that allows the best possible comparison with the DNA sequence of the S0-C-Stapnylokinasegens.
Bei dem Vergleich zeigt sich: Im Abschnitt von Position 1 bis Position 951 bestehen 11 Unterschiede (sind in der Sequenz gemäß Abb.1 a durch Unterstreichungen kenntlich gemacht) zwischen 042D- und S0-C-SAK-Gen, Diese Unterschiede betreffen entweder Einzelbasenpaar-Austausche oder Insertionen. Im Abschnitt ab Position 952 weicht die Sequenz des 042 D-Fragments völlig ab von der Sequenz des S0-C-Fragments.The comparison shows: In the section from position 1 to position 951 there are 11 differences (indicated by underlines in the sequence shown in Fig. 1a) between 042D and S0-C-SAK genes. These differences concern either single base pair Replacements or insertions. In the section from position 952, the sequence of the 042 D fragment deviates completely from the sequence of the S0-C fragment.
In der kodierenden Sequenz des Gens für das Enzym Staphylokinase liegen 3 Positionsunterschiede vor (kein Unterschied ist übrigens in der Signalpeptid-Sequenz lokalisiert). Von diesen 3 Positionsunterschieden ist einer phänotypisch nicht exprimiert, d. h., er zieht keine Veränderung in der korrespondierenden Aminosäuresequenz nach sich (sog. schweigende Mutation). Die beiden anderen Positionsunterschiede in der für Staphylokinase kodierenden Sequenz ziehen hingegen je einen Aminosäuren-Austausch nach sich (ein konservativer Austausch; aber auch ein Austausch zwischen Aminosäuren mit deutlich unterschiedlichen Eigenschaften).In the coding sequence of the gene for the enzyme staphylokinase there are 3 positional differences (no difference is located in the signal peptide sequence, by the way). Of these 3 positional differences, one is not phenotypically expressed, i. that is, it does not induce any change in the corresponding amino acid sequence (so-called silent mutation). The two other positional differences in the staphylokinase-encoding sequence, however, each involve an amino acid exchange (a conservative exchange, but also an exchange between amino acids with significantly different properties).
Unter Berücksichtigung des letztgenannten Sachverhalts ist das vom 042D-SAK-Gen kodierte Enzym somit als eine neue Staphylokinase einzuordnen.Taking into account the latter, the enzyme encoded by the 042D SAK gene is thus to be classified as a new staphylokinase.
7. Klonierung des SAK-Gens in grampositiven Bakterien7. Cloning of the SAK gene in Gram-positive bacteria
Für die beiden grampositiven Bakteriengattungen Streptococcus und Bacillus stehen neben anderen eine Familie von Plasmidklonierungsvektoren zur Verfügung, die als natürliche shuttle-Vektoren zur autonomen Replikation in Vertretern beiderFor the two gram-positive bacterial genera Streptococcus and Bacillus there are, among others, a family of plasmid cloning vectors available as natural shuttle vectors for autonomous replication in both
Genera befähigt sind. Diese als pGB-Plasmide bezeichneten Vektoren tragen Erythromycin- und/oder Chloramphenikol-Resistenzgene, die die Selektion von Plasmid-tragenden Zellen gestatten. Aus der pGB-Vektorfamilie wird für die verfahrensgemäße Subklonierung 3.Ordnung des SAK-Gens, d. h. für die Subklonierung dieses Gens in grampositiven Wirten, vorzugsweise das Plasmid pGB3631 ausgewählt, das einen kurzen Polylinker sowie ein Erythromycin-(MLS)-Resistenzgen trägt und ca. 6,1 knp groß ist. Dieses Plasmid wird in präparativer Menge gewonnen, gereinigt und nachfolgend mit den Restriktionsenzymen BamHI und EcoRI im Polylinkerbereich gespalten. Parallel dazu wird, ausgehend von dem verfahrensgemäß gewonnenen rekombinanten E.-coli-Plasmid pDB 12, ein SAK-Gen tragendes DNA-Fragment (ca. 2,5 knp) gewonnen, das ebenfalls von Spaltstellen für die Restriktasen BamHI und EcoRI flankiert ist. Die Verknüpfung dieses Fragmentesmit dem pGB3631-Vektor erfolgt in an sich bekannter Weise durch das Enzym T4-DNA-Ligase. Die so konstruierten rekombinanten Plasmide werden benutzt, um parallel geeignete Wirtsstämme der Gattung Streptococcus und Bacillus, vorzugsweise Stämme der Arten S. mflleri var. anginosus oder S. sanguis (so insbesondere Stamm S. sanguis Challis57) sowie B.megaterium oder B.subtilis (so insbesondere Stamm B.subtilis GB500), in an sich bekannter Weise zu transformieren. Streptococcus- und Bacillus-Zellen, die Erythromycin-Resistenz aufweisen und zur Bildung von SAK befähigt sind, tragen das gleiche neue rekombinante Plasmid, das die Bezeichnung pDB 15 erhielt (Größe ca. 8,9knp; siehe auch Abb.5). Sowohl für Streptococcus-wie auch für Bacillus-Zellen ist generell bekannt, daß die Proteine, die die genetische Information für die Proteinsekretion in Form einer Signalpeptidsequenz tragen, in das umgebende Kulturmedium ausscheiden. Der gleiche Sachverhalt konnte auch in der vorliegenden erfinderischen Lösung festgestellt werden: Die mit dem SAK+-rekombinanten Plasmid pDB 15 transformierten Streptococcus- und Bacillus-Stämme des Verfahrens sind zur Ausscheidung aktiver SAK in das Kulturmedium befähigt.Genera are capable. These vectors, referred to as pGB plasmids, carry erythromycin and / or chloramphenicol resistance genes that allow the selection of plasmid-bearing cells. From the pGB vector family, for the subcloning of the SAK gene according to the method, ie for the subcloning of this gene in gram-positive hosts, preferably the plasmid pGB3631 is selected, which carries a short polylinker and an erythromycin (MLS) resistance gene and carries approx 6.1knp is big. This plasmid is recovered in a preparative amount, purified and subsequently cleaved with the restriction enzymes BamHI and EcoRI in the polylinker region. Parallel to this, starting from the recombinant E. coli plasmid pDB 12 obtained according to the method, a SAK gene-carrying DNA fragment (about 2.5 knp) is obtained, which is also flanked by cleavage sites for the restrictases BamHI and EcoRI. The linkage of this fragment with the pGB3631 vector is carried out in a manner known per se by the enzyme T4 DNA ligase. The recombinant plasmids thus constructed are used to detect in parallel suitable host strains of the genus Streptococcus and Bacillus, preferably strains of the species S. mflleri var. Anginosus or S. sanguis (in particular strain S. sanguis Challis57) and B. megaterium or B. subtilis ( in particular strain B.subtilis GB500), in a manner known per se. Streptococcus and Bacillus cells, which have erythromycin resistance and are capable of producing SAK, carry the same new recombinant plasmid, designated pDB 15 (size approximately 8.9knp, see also Fig. 5). It is generally known for both Streptococcus and Bacillus cells that the proteins carrying the genetic information for protein secretion in the form of a signal peptide sequence segregate into the surrounding culture medium. The same situation could also be stated in the present inventive solution: The Streptococcus and Bacillus strains of the method transformed with the SAK + recombinant plasmid pDB 15 are capable of excretion of active SAK into the culture medium.
8. Identifizierung des mit heterogenen Wirten gewonnenen SAK-Genproduktes8. Identification of the heterogeneous host-derived SAK gene product
Folgende Beweise zeigen eindeutig, daß die ausgeführten Klonierungsexperimente zur Isolation eines weiteren Staphylokinasegens geführt haben, welches in den heterologen Wirten so ausgeprägt wird, daß ein Protein mit charakteristischer Substrat- und Immunospezifität gebildet wird:The following evidence clearly shows that the cloning experiments carried out led to the isolation of another staphylokinase gene, which in the heterologous hosts is so pronounced that a protein with characteristic substrate and immunospecificity is formed:
- Die caseino- sowie fibrinolytische Aktivität aller Primär- und Subklone ist abhängig von der Anwesenheit von Humanplasminogen.- The caseino- and fibrinolytic activity of all primary and subclones is dependent on the presence of human plasminogen.
- Im Immunodiffusionstest liefern sowohl Staphylokinase, die aus Kulturüberständen heterologer Wirte gewonnen wurde, wie auch authentische Staphylokinase aus S.-aureus-Stämmen identische Präzipitationslinien mit einem gegen authentische Staphylokinase produzierten Antiserum (Abb.6).- In the immunodiffusion test both staphylokinase obtained from culture supernatants of heterologous hosts and authentic staphylokinase from S. aureus strains yield identical precipitation lines with an antiserum produced against authentic staphylokinase (Fig. 6).
9. Synthese von Staphylokinase mit heterologen Wirten9. Synthesis of staphylokinase with heterologous hosts
Im Ergebnis der Realisierung der Grundvariante des vorliegenden Verfahrens zur Herstellung einer rekombinanten Staphylokinase liegt eine Gruppe gentechnisch manipulierter heterologer bakterieller Stämme vor, die nunmehr Staphylokinase zu bilden vermögen. Aus dieser Gruppe werden namentlich die Produzentenstämme E.-coli SK1590 (pDB3), E.-coli SK1590 (pDB 12), E.-coli SK1590 (pDB 17), E.-coli 294 (pDB 3), E.-coli 294 (pDB 12), E.-coli 294 (pDB 17), S.-sanguis Challis 57 (pDB 15) sowie B.subtilis GB500 (pDB 15) zur Synthese von Staphylokinase eingesetzt.As a result of the realization of the basic variant of the present process for producing a recombinant staphylokinase, there is a group of genetically manipulated heterologous bacterial strains which are now able to form staphylokinase. Specifically, the producer strains E. coli SK1590 (pDB3), E. coli SK1590 (pDB12), E.coli SK1590 (pDB17), E.coli 294 (pDB3), E.coli are named from this group 294 (pDB 12), E. coli 294 (pDB 17), S. sanguis Challis 57 (pDB 15) and B. subtilis GB500 (pDB 15) used for the synthesis of staphylokinase.
Jeder dieser Produzenten wird bei Temperaturen im Bereich von 25°C bis 4O0C, vorzugsweise im Bereich von 330C bis 37,50C, submers in einem Medium mit jeweils an sich bekannten Nährquellen bis zum Ende der logarithmischen Wachstumsphase kultiviert, und die gebildete neue rekombinante Staphylokinase wird durch an sich bekannte Aufarbeitungsschritte, so durch Konzentrierung des Kulturüberstandes und Zellaufschluß im Falle der E.-coli-Stämme, gewonnen (s. a. Abschnitt E des Ausführungsbeispiels).Each of these producers is cultivated at temperatures in the range of 25 ° C to 40 0 C, preferably in the range of 33 0 C to 37.5 0 C, submerged in a medium, each with known nutrient sources until the end of the logarithmic growth phase, and the new recombinant staphylokinase formed is obtained by processing steps known per se, such as by concentration of the culture supernatant and cell disruption in the case of E. coli strains (see also Section E of the embodiment).
Hinweise zur Hinterlegung von MikroorganismenNotes on the deposit of microorganisms
Im Zusammenhang mit dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung einer neuen Staphylokinase in heterologen Produzenten ist in der Hinterlegungsstelle für Mikroorganismen, Zentralinstitut für Mikrobiologie und experimentelle Therapie der Akademie der Wissenschaften, DDR - 6900 Jena, Beutenbergstr. 11, je eine biologisch reine Kultur vonIn connection with the present process for the production of a new staphylokinase in heterologous producers is in the depository for microorganisms, Central Institute of Microbiology and Experimental Therapy of the Academy of Sciences, DDR - 6900 Jena, Beutenbergstr. 11, each a biologically pure culture of
RegistriernummerRegistration number
- Staphylococcus aureus-Bakteriophagen 042 D-Lysat ZIMET11193- Staphylococcus aureus bacteriophage 042 D-lysate ZIMET11193
- Stamm Bacillus subtilis GSB 26 (pGB 3631) ZIMET11137Strain Bacillus subtilis GSB 26 (pGB 3631) ZIMET11137
- Stamm E. coli 294 (pDB 17) ZIMET11136Strain E. coli 294 (pDB 17) ZIMET11136
- Stamm B. subtilis GB 500 ZIMET hinterlegt worden.- Strain B. subtilis GB 500 ZIMET has been deposited.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Gewinnung einer neuen Staphylokinase durch submerse Fermentation von Bakterienspezies möglich, die nicht zur Gattung Staphylococcus gehören und nicht wie diese eine Vielzahl von toxischen und antigenen Produkten bilden. Dabei ist es von besonderem Vorteil, daß grampositive Bakterien wie B.-subtilis oder S.-sanguis als Produzent eingesetzt werden können, da diese Bakterien aktive Staphylokinase in das umgebende Kulturmedium ausscheiden.The process according to the invention makes it possible to obtain a new staphylokinase by submerged fermentation of bacterial species which do not belong to the genus Staphylococcus and do not form, like these, a multiplicity of toxic and antigenic products. It is of particular advantage that Gram-positive bacteria such as B. subtilis or S. sanguis can be used as a producer, since these bacteria excrete active staphylokinase in the surrounding culture medium.
Dieser Umstand macht aufwendige undteure Aufschlußarbeiten, wie sie für die heterologen E.-coli-Wirte nötig sind, überflüssig und senkt den für die Reinigung der Staphylokinase notwendigen Aufwand erheblich.This circumstance makes expensive and expensive digestion work, as they are necessary for the heterologous E. coli hosts, superfluous and considerably reduces the effort required for the purification of staphylokinase.
Die von B. subtilis gebildeten Mengen an Staphylokinase liegen deutlich höher als die in anderen heterologen Wirten gefundenen Werte. B.subtilis ist in der Fermentationsindustrie ein weit genutzter Mikroorganismus, insbesondere zur Produktion von Massenenzymen, die u.a. in der Nahrungsmittelindustrie zum Einsatz kommen. B.-subtilis-Stämme gelten als pathogenetisch unbedenklich.The levels of staphylokinase produced by B. subtilis are significantly higher than those found in other heterologous hosts. B.subtilis is a widely used microorganism in the fermentation industry, particularly for the production of bulk enzymes, which are among others. used in the food industry. B. subtilis strains are considered pathogenetically harmless.
Das klonierte Staphylokinase-Gen und die Kenntnis seiner Primärstruktur schafft die Voraussetzung für gezielte molekulare Manipulationen zur Erhöhung der Produktausbeute der Produktionsstämme.The cloned staphylokinase gene and the knowledge of its primary structure provide the basis for targeted molecular manipulations to increase the product yield of the production strains.
Schließlich sind die die Expression und Sekretion der Staphylokinase steuernden DNS-Strukturen in weiterführenden gentechnischen Verfahren für die Bildung anderer Proteine eukaryotischen oder prokaryotischen Ursprungs durch heterologe bakterielle Wirte einsetzbar.Finally, the DNA structures controlling expression and secretion of staphylokinase are useful in further genetic engineering for the production of other proteins of eukaryotic or prokaryotic origin by heterologous bacterial hosts.
Die folgenden Ausführungen sollen an einem Beispiel die einzelnen Schritte des Verfahrens näher veranschaulichen. Sie enthalten jedoch keine detaillierten Angaben zu standardisierten Einzelverfahren der Gentechnologie (wie Gewinnung von Plasmid-DNA, Spaltung von DNA mit Restriktionsenzymen, Einfügen von Genen in Vektorplasmide, Transformation von bakteriellen Rezipientenstämmen mit Plasmid-DNA und DNA-Sequenzanalyse). Solche Verfahren sind dem Fachmann bekannt und sind in einer Reihe von Veröffentlichungen ausführlich beschrieben, etwa in:The following statements are intended to illustrate an example of the individual steps of the method. However, they do not contain any detailed information on standardized individual methods of genetic engineering (such as extraction of plasmid DNA, cleavage of DNA with restriction enzymes, insertion of genes into vector plasmids, transformation of bacterial recipient strains with plasmid DNA and DNA sequence analysis). Such methods are known to those skilled in the art and are described in detail in a number of publications, such as in:
- Methods in Enzymology, Band 65: Nucleic Acids (Teil 1), Academic Press, 1980;- Methods in Enzymology, Vol. 65: Nucleic Acids (Part 1), Academic Press, 1980;
- Methods in Enzymology, Band 68: Recombinant DNA, Academic Press, 1980;- Methods in Enzymology, Vol. 68: Recombinant DNA, Academic Press, 1980;
- Methods in Enzymology, Band 100, Academic Press, 1983;- Methods in Enzymology, Vol. 100, Academic Press, 1983;
- „Molecular cloning, a laboratory manual" (T.Maniatis, E.R.Fritsch, J.Sambrook), Cold Spring Harbor Laboratory, 1982;"Molecular cloning, a laboratory manual" (T. Maniatis, E. R. Fritsch, J. Sambrook), Cold Spring Harbor Laboratory, 1982;
- „Advanced bacterial genetics, a manual for genetic engineering" R. W. Davis, D. Botstein, J. R. Roth, Cold Spring Harbor Laboratory, 1980.- "Advanced bacterial genetics, a manual for genetic engineering" R.W. Davis, D. Botstein, J.R. Roth, Cold Spring Harbor Laboratory, 1980.
A. Primärklonierung des Staphylokinasegens (SAK-Gen)A. Primary Cloning of the Staphylokinase Gene (SAK Gene)
A.1. Gewinnung der Donor-DNA aus dem S.-aureus-Phagen 042 DA.1. Obtaining donor DNA from S. aureus phage 042 D
Um hochtitrige Lysate des Staphylococcus-areus-Phagen 042 D zu erhalten, wird eine Oberflächenanreicherung in folgender Weise vorgenommen: Ausgehend von einer Einzelkolonie des S.-aureus-Stammes W57 werden 5 ml Nährbouillon Il (NBII)In order to obtain high-titer lysates of Staphylococcus areus phage 042 D, surface enrichment is carried out in the following manner: starting from a single colony of S. aureus strain W57, 5 ml of nutrient broth Il (NBII)
Pankreatisches Pepton (Fleisch, Gelatine, Kasein) 6,75 g/lPancreatic peptone (meat, gelatin, casein) 6.75 g / l
Eiweißhydrolysat 1,75 g/lProtein hydrolyzate 1.75 g / l
Hefeextrakt 1,50 g/lYeast extract 1.50 g / l
NaCI 5,00 g/lNaCl 5.00 g / l
(12 Minuten bei 1210C sterilisiert; pH 7,2 ± 0,3)(Sterilized at 121 ° C. for 12 minutes, pH 7.2 ± 0.3)
angeimpft und für ca. 2 Stunden bei 37 0C geschüttelt. Diese Kultur wird im folgenden zur Vermehrung des Phagen 042 D benutzt, indem zu 2 ml verflüssigtem und temperiertem Weichagar (NBII + 0,7% Agar) 0,5ml der W57-Kultur, 0,1 ml eines 042D-Lysats (ca. 107pfu/ml) sowie 0,05ml einer sterilen 10OmM CaC^-Lösung hinzugegeben werden und dieser nach gründlichem Mischen zum Überschichten von Nähragar Il (NAH; NBII mit 1% Agar verfestigt) Grundschichten in Petrischalen (0100 mm) verwendet wird. Nach Inkubation der Platten über Nacht bei 300C ist der Bakterienrasen in der Oberschicht konfluent lysiert. Auf jede Platte werden 2 ml NBII gegeben, anschließend wird die Weichagaroberschicht sorgfältig mit einem Spatel abgekratzt und durch mehrfaches Pipettieren nachfolgend homogenisiert. Die festen Agar-Bestandteile und die Bakterientrümmer werden durch Zentrifugation abgetrennt (15 Minuten, 6000rpm) und die dekantierten, phagenhaltigen Überstände vereinigt. Um sekundäres Bakterienwachstum zu unterdrücken, wird dem Lysat ca. 1 % bis 2% Chloroform zugesetzt.inoculated and shaken for about 2 hours at 37 0 C. This culture is used in the following to increase the phage 042 D by adding 0.5 ml of the W57 culture, 0.1 ml of a 042D lysate (about 10%) to 2 ml of liquefied and tempered soft agar (NBII + 0.7% agar) 7 pfu / ml) as well as 0.05 ml of a sterile 10OmM CaC ^ -solution and this is used after thorough mixing to overlay Nähragar II (NAH, NBII solidified with 1% agar) base layers in Petri dishes (0100 mm). After incubation of the plates overnight at 30 0 C, the bacterial lawn is lysed in the upper layer confluent. 2 ml of NBII are added to each plate, then the soft agar top layer is carefully scraped off with a spatula and subsequently homogenized by repeated pipetting. The solid agar components and bacterial debris are separated by centrifugation (15 minutes, 6000rpm) and the decanted, phage-containing supernatants pooled. To suppress secondary bacterial growth, approximately 1 % to 2% chloroform is added to the lysate.
DerTiter des Phagenlysats wird ebenfalls mittels derWeichagarschichttechnik bestimmt. Hierbei werden jedoch dem Weichagar nur 0,1 ml einer W57-Kultur und 0,1 ml einer geeigneten Verdünnung des Phagenlysats neben 0,05ml 10OmM CaCI2 zugesetzt. Lysate mit einer 042 D-Konzentration von —1010pfu/ml sind für die weitere Aufarbeitung zur DNA-Gewinnung geeignet. Zur Phagen-DNA-Gewinnung wird das Lysat zunächst einer niedrigtourigen Zentrifugation (10 Minuten; 5 000 rpm bis 6000 rpm) unterworfen, um Zelltrümmer zu entfernen. Danach werden die Phagen durch hochtourige Zentrifugation (2 Stunden; 25000rpm; 4°C) sedimentiert. Das Phagenpellet wird in Vio des Ausgangsvolumens (3,5 ml) TE-Puffer (5OmM Tris-HCI; pH 7,5; 10ml EDTA) aufgenommen und mit 0,25ml einer 10%igen SDS-Lösung versetzt. Anschließend wird zweimal mit je 1 Volumen Phenol-Chloroform (2:1, puffergesättigt), einmal mit 1 Volumen Chloroform-Isoamylalkohol (24:1) und einmal mit 1 Volumen Ether extrahiert. Die Phagen-DNA wird schließlich mit 2,5 Volumen Ethanol bei -7O0C ausgefällt und in 500μΙ 1OmM Tris-HCI (pH 7,5) wieder aufgenommen. Zur weiteren Reinigung wird die Phagen-DNA einer Zentrifugation im Farbstoff-Dichtegradienten unterworfen. Die gereinigte 042D-Phagen-DNA liegt schließlich gelöst in 1OmM Tris-HCI (pH 7,5) in einer Konzentration von ca. 1 mg/ml vor und wird bei 40C oder gefroren bei -200C aufbewahrt. A.2. Klonierung von 042 D-DNA-Fragmenten in einen E.-coli PlasmidvektorThe titer of the phage lysate is also determined by the Weigh agar layer technique. In this case, however, only 0.1 ml of a W57 culture and 0.1 ml of a suitable dilution of the phage lysate in addition to 0.05 ml 10OmM CaCl 2 are added to the soft agar. Lysates with a 042 D concentration of -10 10 pfu / ml are suitable for further processing for DNA recovery. For phage DNA recovery, the lysate is first subjected to low-speed centrifugation (10 minutes, 5,000 rpm to 6,000 rpm) to remove cell debris. The phages are then sedimented by high-speed centrifugation (2 hours, 25,000 rpm, 4 ° C.). The phage pellet is taken up in vio of the starting volume (3.5 ml) of TE buffer (50 mM Tris-HCl, pH 7.5, 10 ml EDTA) and mixed with 0.25 ml of a 10% SDS solution. The mixture is then extracted twice with 1 volume of phenol-chloroform (2: 1, buffer saturated), once with 1 volume of chloroform-isoamyl alcohol (24: 1) and once with 1 volume of ether. The phage DNA is finally precipitated with 2.5 volumes of ethanol at -7O 0 C resumed in 500μΙ 1OmM Tris-HCl (pH 7.5). For further purification, the phage DNA is subjected to centrifugation in the dye density gradient. The purified 042D phage DNA is finally dissolved in 1OmM Tris-HCI (pH 7.5) in a concentration of about 1 mg / ml and stored at 4 0 C or frozen at -20 0 C. A.2. Cloning of 042 D-DNA fragments into an E. coli plasmid vector
Eine ausreichende Menge (5цд bis Юмд) gereinigter DNA des Phagen 042D wird getrennt mit den Restriktionsenzymen EcoRI, CIaI und Hpall in bekannter Weise in Fragmente (0,5knp bis 10knp) zerlegt, die einzelsträngige 5'-Enden haben. Parallel dazu wird DNA des E.-coli-Plasmidvektors pACYC184 entweder mit dem Enzym CIaI oder dem Enzym EcoRI linearisiert. 042 D-DNA-Fragmente, die mit Hpall oder CIaI hergestellt wurden, haben kompatible einzelsträngige Enden mit dem Clal-Iinearisierten pACYC184-Vektor (Analoges gilt für EcoRI). Nach Verknüpfung der 042 D-DNA-Fragmente mit pACYC 184 unter Verwendung des Enzyms T4-DNA-Ligase werden die so in vitro generierten rekombinanten Plasmide durch Standardmethoden der Transformation in den Rezipientenstamm Е.СОІІ294 eingeführt. Die Selektion auf Transformanten erfolgt durch den Zusatz von 25pg/ml Chloramphenikol (bzw. 10pg/ml Tetrazyklin), falls pACYC184-Plasmide mit Clal-Insert (bzw. mit EcoRI-lnsert) gesucht werden. A.3. Erkennen von Transformanten mit SAK-rekombinanten PlasmidenA sufficient amount (5k to Юmd) of purified phage 042D DNA is digested separately with the restriction enzymes EcoRI, CIaI and Hpall in known manner into fragments (0.5knp to 10knp) having single-stranded 5 'ends. In parallel, DNA of the E. coli plasmid vector pACYC184 is linearized with either the enzyme CIaI or the enzyme EcoRI. 042 D-DNA fragments made with Hpall or CIaI have compatible single-stranded ends with the Clal-ionized pACYC184 vector (analogous to EcoRI). After linking the 042 D-DNA fragments with pACYC 184 using the enzyme T4 DNA ligase, the recombinant plasmids thus generated in vitro are introduced into the recipient strain Е.СОІІ294 by standard methods of transformation. The selection for transformants is carried out by the addition of 25pg / ml chloramphenicol (or 10pg / ml tetracycline), if pACYC184 plasmids are sought with Clal insert (or with EcoRI insert). A.3. Detecting transformants with SAK recombinant plasmids
Die Erkennung von Transformanten mit SAK-rekombinanten Plasmiden basiert auf dem Nachweis der Bildung von Staphylokinase. Dazu wird die Staphylokinase-Eigenschaft ausgenutzt, die Aktivierung von Humanplasinogen zum proteolytisch (und fibrinolytisch) aktiven Plasmin zu bewirken. Die Transformantenklone werden zwecks Prüfung einer möglichen Staphylokinasebildung auf Indikatorplatten überimpft, die folgende Zusammensetzung haben:The detection of transformants with SAK recombinant plasmids is based on the detection of the formation of staphylokinase. For this purpose, the staphylokinase property is exploited to effect the activation of human plasinogen to proteolytic (and fibrinolytic) active plasmin. The transformant clones are seeded on indicator plates for the purpose of testing for possible staphylokinase formation, having the following composition:
9ml einer 1%igen Agaroselösung in 5OmM Tris-HCI (pH 8,1) 15OmM NaCI werden bei 48°C temperiert, mit 1 ml steriler Magermilch, 0,1 ml einer Humanplasminogen-Lösung (1 mg/ml) sowie 0,2ml einer sterilen 5%igen Hefeextraktlösung versetzt und in Petrischalen (100mm 0) ausgegossen. Die zu testenden Transformanten werden auf diese Indikatorplatten überstochen und über Nacht bei 370C inkubiert. Staphylokinasebildung ist an einem den Transformantenklon umgebenden, scharf umgrenzten Lysehof erkennbar. Um die Bildung einer unspezifischen Protease auszuschließen, werden die positiven Klone anschließend auf den gleichen Indikatorplatten, jedoch ohne Zusatz von Humanplasminogen, getestet. Staphylokinase selbst besitzt keine proteolytische Aktivität, so daß in Abwesenheit von Humanplasminogen zwischen Protease- und Staphylokinasebildung diskriminiert werden kann. Aus den Klonierungsexperimenten mit pACYC 184 als Vektor gingen insgesamt 11 SAK-bildende rekombinante Plasmide hervor, 7 davon entstanden durch Insertion von Clal-Fragmenten, 3 durch Insertion von Hpall-Fragmenten und einer durch Insertion von EcoRI-Fragmenten des Phagen 042 D.9 ml of a 1% agarose solution in 50 mM Tris-HCl (pH 8.1) 15 mM NaCl are temperature-controlled at 48 ° C., with 1 ml of sterile skimmed milk, 0.1 ml of a human plasminogen solution (1 mg / ml) and 0.2 ml a sterile 5% yeast extract solution and poured into Petri dishes (100mm 0). The transformants to be tested are supernatant on these indicator plates and incubated overnight at 37 0 C. Staphylokinase formation is recognizable at a surrounding the transformant clone, sharply demarcated Lysehof. To exclude the formation of a nonspecific protease, the positive clones are then tested on the same indicator plates, but without the addition of human plasminogen. Staphylokinase itself has no proteolytic activity, so that in the absence of human plasminogen it is possible to discriminate between protease and staphylocinase production. From the cloning experiments with pACYC 184 as a vector, a total of 11 SAK-producing recombinant plasmids were produced, 7 of which were formed by insertion of Clal fragments, 3 by insertion of Hpall fragments and one by insertion of EcoRI fragments of phage 042 D.
A.4. Restriktionsanalyse der rekombinanten SAK-PlasmideA.4. Restriction analysis of the recombinant SAK plasmids
Aus den SAK-bildenden Transformantenklonen, die über Einzelkolonie-Isolierung gereinigt worden sind, wird Plasmid-DNA in bekannterWeise isoliert und einer Restriktionsanalyse unterworfen. Dabei finden im ersten Schritt die zur Klonierung verwendeten Enzyme Anwendung. Unter den rekombinanten Plasmiden wird das Plasmid pDB3 für die detailliertere Restriktionskartierung ausgewählt, da es das kleinste 042 D-DNΑ-Insert, ein ca. 7,0knp großes Clal-Fragment, enthielt. Dieses Fragment ist auch in allen anderen mit CIaI erhaltenen rekombinanten Plasmiden nachweisbar und trägt offensichtlich die SAK-kodierenden Sequenzen. Analyse gereinigter pDB3-Plasmid-DNA mit weiteren Restriktionsenzymen (EcoRI, EcoRV, BgIII, Hindlll, Accl) gestattet die Aufstellung einer Restriktionskarte des Plasmides pDB3 (vgl. Abb.2).From the SAK-forming transformant clones which have been purified via single colony isolation, plasmid DNA is isolated in a known manner and subjected to restriction analysis. In the first step, the enzymes used for cloning are used. Among the recombinant plasmids, plasmid pDB3 is selected for more detailed restriction mapping since it contained the smallest 042 D-DNΑ insert, an approximately 7.0 knp sized ClaI fragment. This fragment is also detectable in all other recombinant plasmids obtained with CIaI and apparently carries the SAK coding sequences. Analysis of purified pDB3 plasmid DNA with further restriction enzymes (EcoRI, EcoRV, BglII, HindIII, Accl) allows the preparation of a restriction map of the plasmid pDB3 (see Fig. 2).
B. Subklonierung der SAK-kodierenden Sequenzen in E. coliB. Subcloning of the SAK-coding sequences in E. coli
Die Subklonierung der SAK-kodierenden Sequenzen wird hier in dem Plasmidvektor pBR322 im Stamm E.coli294 vorgenommen. Als Donor-DNA wird die DNA des Primärklons pDB3 verwendet. Die Subklonierung erfolgt in zwei Schritten, die zu einer weitestgehenden Einengung des SAK-Gens führen und die Grundlage für die DNA-Sequenzanalyse des SAK-Gens bilden.The subcloning of the SAK-coding sequences is carried out here in the plasmid vector pBR322 in strain E. coli294. As donor DNA, the DNA of the primary clone pDB3 is used. Subcloning occurs in two steps, which lead to the greatest possible narrowing of the SAK gene and form the basis for the DNA sequence analysis of the SAK gene.
B.1. Konstruktion des Plasmides pDB12B.1. Construction of plasmid pDB12
Zirka 20цд der DNA des Plasmides pDB3 werden mit den Restriktasen EcoRI und EcoRV simultan gespalten und die Fragmente im Agarosegel elektrophoretisch aufgetrennt. Unter den dabei erhaltenen 5 Fragmenten befinden sich zwei jeweils etwa 2,5knp große, durch EcoRI und EcoRV-Orte flankierte Fragmente, die zusammen den größten Teil des 042 D-DNA-Inserts überspannen (siehe Abb.2). Unter Verwendung von fow-melting-Agarose werden diese Fragmente aus dem Agarosegel herausgeschnitten, gereinigt und für die Insertion in den Plasmidvektor pBR322 verwendet. Der Vektor wird zu diesem Zweck ebenfalls mit dem Enzympaar EcoRI/EcoRV behandelt, und das Einfügen der 042 D-Fragmente erfolgt nach Standardmethoden. Transformanten des Stammes E.coli294 werden durch Inkubation in Abwesenheit von 40pg/ml Ampicillin selektiert. Transformantenklone, die ein Plasmid mit 042 D-Insert tragen, sind erkennbar durch Testung aufTetrazyklinresistenz:lnsert-tragende Plasmide vermitteln nun keine Tetrazyklinresistenz mehr. Die Tetrazyklin-sensitiven Transformantenklone werden mit Hilfe des unter 1.3 beschriebenen Assays auf die Bildung von SAK getestet. Unter den SAK-bildenden Transformantenklonen werden einige für eine vorläufige Charakterisierung ihrer rekombinanten Plasmide ausgewählt. Darunter befindet sich das Plasmid pDB 12, das erwartungsgemäß ein 2,5 knp großes 042 D-Insert trägt, das von EcoRI- und EcoRV-sites flankiert ist.Approximately 20,000 of the DNA of the plasmid pDB3 are simultaneously cleaved with the restriction enzymes EcoRI and EcoRV, and the fragments are separated by electrophoresis in an agarose gel. Among the 5 fragments obtained, there are two approximately 2.5knp fragments flanked by EcoRI and EcoRV sites, which together span most of the 042 D DNA insert (see Figure 2). Using fow-melting agarose, these fragments are excised from the agarose gel, purified and used for insertion into the plasmid vector pBR322. The vector is also treated for this purpose with the enzyme pair EcoRI / EcoRV, and the insertion of the 042 D fragments is carried out according to standard methods. Transformants of strain E. coli 294 are selected by incubation in the absence of 40 μg / ml ampicillin. Transformant clones carrying a plasmid with 042 D insert are recognizable by testing for tetracycline resistance: insert-carrying plasmids no longer confer tetracycline resistance. The tetracycline-sensitive transformant clones are tested for the formation of SAK using the assay described in 1.3. Among the SAK-producing transformant clones, some are selected for preliminary characterization of their recombinant plasmids. Among them is the plasmid pDB 12, which is expected to carry a 2.5-knot 042 D insert flanked by EcoRI and EcoRV sites.
Nach Standardmethoden gereinigte DNA des Plasmides pDB12 wird einer eingehenden Restriktionsanalyse unterzogen. Dazu werden die Restriktasen EcoRI, EcoRV, Hindlll, BgIII, Bstll, Accl und Rsal verwendet. Ein Teil der Restriktionskarte des Plasmides pDB12 ist aus Abb.2 ersichtlichDNA purified from standard methods of plasmid pDB12 is subjected to extensive restriction analysis. The restriction enzymes EcoRI, EcoRV, HindIII, BglII, Bstll, Accl and Rsal are used for this purpose. Part of the restriction map of the plasmid pDB12 is shown in Fig.2
B.2. Konstruktion des Plasmides pDB 17 B.2. Construction of plasmid pDB 17
Die Restriktionsanalyse des Plasmides pDB 12 ergab die Lokalisation eines ca. 1 knp großen Rsal-Fragmentes im Bereich des in pDB 12 vorliegenden 042D-DNA-Inserts. Dieses Rsal-Fragment wird in präparativer Menge gewonnen, indem ca. 1(^g eines pDB 12 x Rsal-Fragmentgemisches elektrophoretisch im Agarosegel aufgetrennt und das gewünschte Fragment aus dem Gel durch Standardmethoden extrahiert wird. Dieses Rsal-Fragment aus dem 042 D-DNA-Insert von pDB 12 wird dann in vitro in den EcoRV-Ort des Plasmides pBR322 hineinligiert. Nach Transformation des Stammes E. coli294 werden Klone mit rekombinanten Plasmiden durch ihre Resistenz gegen Ampicillin und ihre Empfindlichkeit gegenüber Tetrazyklin identifiziert. Nachfolgende Testung der Transformantenklone auf Magermilch/Plasminogen-Agar-Platten erlaubt die Erkennung von SAK-bildenden Transformantenklonen. Auf die beschriebene Weise wird ein Transformantenklon gewonnen, der das Plasmid pDB 17 trägt. Die Struktur dieses Plasmides ist in Abb.3 dargestellt. Das Plasmid pDB 17 ist ca. 4,1 knp groß und trägt ein ca. 1,0 knp großes 042 D-DNA-Insert. Während des Klonierungsvorganges ist spontan eine Deletion entstanden, die aus dem pBR322-Vektor ein 1225np langes Fragment entfernt hat, das den gesamten Bereich des Tetrazyklinreststenzgens einschließt.Restriction analysis of the plasmid pDB 12 revealed the localization of an approximately 1 knp Rsal fragment in the range of 042D DNA insert present in pDB 12. This Rsal fragment is recovered in a preparative amount by electrophoretically separating approximately 1 μg of a pDB 12 × Rsal fragment mixture in the agarose gel and extracting the desired fragment from the gel by standard methods This Rsal fragment from the 042 D-DNA Insert of pDB 12 is then ligated into the EcoRV site of plasmid pBR322 in vitro, and after transformation of strain E. coli 294, clones with recombinant plasmids are identified by their resistance to ampicillin and its susceptibility to tetracycline. Plasminogen agar plates allow the detection of SAK-forming transformant clones, thus obtaining a transformant clone carrying the plasmid pDB 17. The structure of this plasmid is shown in Fig. 3. The plasmid pDB 17 is approximately 4, 1 knp and carries a 1.0 npt DNA insert, which is spontaneously deleterious during the cloning process ion, which has removed from the pBR322 vector a 1225np fragment which includes the entire region of the tetracycline residue gene.
C. DNA-Sequenzanalyse des SAK-GensC. DNA sequence analysis of the SAK gene
CA. Klonierung von Subfragmenten des SAK-Gens in M 13mp-Bakteriophagenvektoren Gereinigte DNA des SAK-rekombinanten Plasmides pDB 17 wird in präparativer Menge gewonnen. 10 bis 200g dieser pDB 17-DNA werden mit dem Restriktionsenzym Hpall komplett verdaut und die Fragmente auf einem 1%igen Agarosegel elektrophoretisch aufgetrennt. Mit Hilfe von Iow-melting-Agarose wird in bekannter Weise unter den pDB 17-Hpall-Fragmenten ein ca. 1,1 knp großes Fragment ausgewählt und fein gewonnen. Dieses 1,1 knp Hpall-Fragment von pDB 17 schließt das gesamte 042 D-DNA-Insert von pDB17 ein und wird von wenigen Nukleotiden der pBR322-Vektor-DNA flankiert. Derart gereinigtes Hpall-SAK-Fragment von pDB 17 wird anschließend in getrennten Reaktionen (jeweils ca. 1 \ig DNA) mit dem Enzym Taql oder einem Gemisch aus den Enzymen AIuI + Haelll (BspRI) in weitere Subfragmente zerlegt, die in bekannter Weise mit der doppelsträngigen replikativen Form der E.-coli-Phagen Mi3mp9 oder M13mp18, die zuvor entweder mit dem Enzym Accl (Enden kompatibel mit Hpall und Taql) oder Hincll (Enden kompatibel mit AIuI und Haelll) linearisiert worden waren, verknüpft werden. Transfektion des E.-coli-Stammes TG1 gestattet dann in bekannter Weise das Erkennen von Phagenplaques, die von rekombinanten M 13-Phagen herrühren (weiße Plaques, im Vergleich zu den blauen Plaques, die von nativen Phagen verursacht werden). Eine Anzahl solcher rekombinanter Phagen wird von jedem Subklonierungsexperiment gewonnen und in an sich bekannter Weise zur DNA-Gewinnung vermehrt. Die einzelsträngige DNA der rekombinanten Phagen wird in der Folge zur DNA-Sequenzanalyse nach dem Kettenterminationsverfahren (Sanger-Technik) eingesetzt. C.2. DNA-Sequenzanalyse des SAK-Gens von 042 D CA. Cloning Subchannels of the SAK Gene into M 13mp Bacteriophage Vectors Purified DNA of the SAK recombinant plasmid pDB 17 is recovered in a preparative amount. 10 to 200 g of this pDB 17 DNA are completely digested with the restriction enzyme Hpall and the fragments are separated by electrophoresis on a 1% agarose gel. With the aid of Iow-melting agarose, an approximately 1.1 knp fragment is selected in a known manner among the pDB 17 Hpall fragments and finely recovered. This 1.1-knp Hpall fragment from pDB 17 includes all of the pDB17 042 D DNA insert and is flanked by a few nucleotides of pBR322 vector DNA. Such purified Hpall-SAK fragment of pDB 17 is then in separate reactions (each about 1 \ ig DNA) with the enzyme Taql or a mixture of the enzymes AIuI + Haelll (BspRI) decomposed into further subfragments, in a known manner with the double-stranded replicative form of E. coli phage Mi3mp9 or M13mp18, previously linearized with either the enzyme Accl (ends compatible with Hpall and Taql) or Hincll (ends compatible with AluI and Haelll). Transfection of the E. coli strain TG1 then allows recognition of phage plaques derived from recombinant M13 phage (white plaques, as compared to the blue plaques caused by native phage) in a known manner. A number of such recombinant phage are recovered from each subcloning experiment and propagated in a manner known per se for DNA recovery. The single-stranded DNA of the recombinant phages is subsequently used for DNA sequence analysis according to the chain termination method (Sanger technique). C.2. DNA sequence analysis of the SAK gene of 042 D
Die DNA-Sequenz der 042 D-DNA-Inserte der rekombinanten M 13-Bakteriophagen wird in der bekannten Weise nach der Sanger-Technikermittelt. Abbildung 4zeigt die Lokalisation und die Länge der ermittelten Teilsequenzen des 042D-lnserts von pDB 17. Alle DNA-Sequenzen werden mindestens in zwei unabhängigen Experimenten ermittelt, und der größte Teil der Sequenzen beider DNA-Stränge wird bestimmt, um die Fehlerquote so klein wie möglich zu halten. Die Gesamtsequenz des 042 D-DNA-Inserts von pDB 17 wird teilweise mit Hilfe eines Computers aus den Einzelsequenzen der M 13-Klone zusammengesetzt. Sie ist in Abb. 1 dargestellt. Computeranalyse der Sequenz erlaubt dann die einzig mögliche Positionierung eines Gens, das für ein Protein von der Größe der Staphylokinase kodiert, in der in Abb. 1 gezeigten Weise.The DNA sequence of the 042 D DNA inserts of the recombinant M13 bacteriophages is determined in the known manner according to the Sanger technique. Figure 4 shows the location and length of the identified partial sequences of the 042D insert of pDB 17. All DNA sequences are determined in at least two independent experiments, and most of the sequences of both DNA strands are determined to minimize the error rate to keep. The overall sequence of the 042 D-DNA insert of pDB 17 is partially assembled by means of a computer from the single sequences of the M 13 clones. It is shown in Fig. 1. Computer analysis of the sequence then allows the only possible positioning of a gene encoding a staphylokinase-sized protein, as shown in FIG.
D. Subklonierung des SAK-Gens in grampositiven BakterienD. Subcloning of the SAK gene in Gram-positive bacteria
Um das SAK-Gen in grampositiven Bakterien zur Expression zu bringen, wird es auf ein Trägerplasmid überführt, das als natürlicher shuttle-Vektor sowohl in Streptococcus- wie auch in Bacillus-Stämmen replikationsfähig ist. Als Trägerplasmid wirdIn order to express the SAK gene in Gram-positive bacteria, it is transferred to a carrier plasmid which is replicable as a natural shuttle vector in both Streptococcus and Bacillus strains. As a carrier plasmid is
zu diesem Zweck der von einem natürlichen Streptokokkenplasmid abgeleitete Vektor pGB3631 (Größe ca. 6,1 knp, kodiert für Resistenz gegen MLS-Antibiotika, trägt einen Polylinker mit verschiedenen unikalen Restriktionsspaltorten, siehe Abb. 2) in präparativer Menge in bekannter Weise isoliert. Aus ebenfalls gereinigter pDB 12-DNA wird mit Hilfe der Restriktionsenzyme BamHI und EcoRI ein 2,5knp großes Fragment mittels präparativer Agarosegelelektrophorese gewonnen. Dieses Fragment überspannt das gesamte 042 D-DNA-Insert von pDB 12 und ein ca. 200 np langes Bruchstück des TetR-Genes aus pBR 322. Dieses isolierte BamHI-EcoRI-Fragment von pDB12 wird in pGB3631, das ebenfalls mit diesem Enzympaar gespalten wurde, in bekannter Weise eingefügt. Nach primärer Transformation von S.-sanguis Challis 57 mit dem rekombinanten Plasmid werden mit Hilfe des bereits ausgeführten Tests SAK-bildende Transformantenklone identifiziert. Diese Transformantenklone enthalten das Plasmid pDB15, dessen Struktur durch standardgemäße Restriktionskartierung ermittelt wird und die im Detail in Abb. 5 wiedergegeben ist.for this purpose, derived from a natural Streptokokkenplasmid vector pGB3631 (size about 6.1 knp, encoded for resistance to MLS antibiotics, carries a polylinker with different unique restriction sites, see Fig. 2) isolated in preparative amount in a known manner. Purified pDB 12 DNA was also used to obtain a 2.5knp fragment using preparative agarose gel electrophoresis using the restriction enzymes BamHI and EcoRI. This fragment spans the entire 042 D-DNA insert of pDB 12 and an approximately 200 np fragment of the Tet R gene from pBR 322. This isolated BamHI-EcoRI fragment from pDB12 becomes pGB3631 which also cleaves with this enzyme pair was inserted, in a known manner. After primary transformation of S. sanguis Challis 57 with the recombinant plasmid, SAK-producing transformant clones are identified using the assay already performed. These transformant clones contain the plasmid pDB15 whose structure is determined by standard restriction mapping and which is reproduced in detail in FIG.
Plasmid-DNA, die aus SAK-positiven Transformantenklonen gewonnen wurde, wird in der Folge zur Konstruktion weiterer grampositiver SAK-Produzentenstämme mittels bekannter Transformationsprozeduren verwendet: Auf diese Weise wird der Stamm Bacillus subtilis GB 500 (pDB 15) gewonnen, der zu Staphylokinasebildung und-Sekretion befähigt ist. E. Synthese von SAK in heterologen Wirten; Identifizierung des gewonnenen SAK-Genproduktes Nachstehend wird die SAK-Synthese durch die verfahrensgemäß erhaltenen ProduzentenPlasmid DNA derived from SAK-positive transformant clones is subsequently used to construct further gram-positive SAK producer strains by known transformation procedures: thus, the strain Bacillus subtilis GB 500 (pDB 15) is recovered, which is capable of staphylokinase production and production. Secretion is capable. E. Synthesis of SAK in heterologous hosts; Identification of the recovered SAK gene product Hereinafter, the SAK synthesis will be carried out by the producers obtained according to the method
- S.-sanguis Challis 57 (pDB 15),- S.-sanguis Challis 57 (pDB 15),
- E.-coll294(pDB17)undE. coll294 (pDB17) and
- B.-subtilitis GB500 (pDB 15) beschrieben.B. subtilitis GB500 (pDB 15).
E.1. Genexpression bei S.sanguis Challis 57 (pDB 15)E.1. Gene Expression in S.sanguis Challis 57 (pDB 15)
Der Produzentenstamm S.sanguis Challis 57 (pDB 15) wird bei 340C in einem Hefeextraktnährboden (40 g/l Hefeextrakt plus 4g/l pankreatisches Caseinpepton) mit 1 % Glucose-Gehalt sowie mit 5μg/ml Erythromycin-Zusatz bei pH 7,2 unter Rühren und ohne Belüftung gezüchtet.The producer strain Challis 57 S.sanguis (pDB 15) at 34 0 C in a Hefeextraktnährboden (40 g / l yeast extract plus 4 g / l pancreatic casein peptone) with 1% glucose content, as well as 5 .mu.g / ml erythromycin addition at pH 7, 2 with stirring and without aeration bred.
Zur Erzielung gesteigerter Staphylokinase-Ausbeuten wird der pH-Wert durch automatische Zugabe von 5M Natronlauge bei gleichzeitiger Zudosierung entsprechender Mengen 2,75 M steriler Glucose-Lösung konstant gehalten.To achieve increased staphylokinase yields, the pH is kept constant by automatic addition of 5M sodium hydroxide solution with simultaneous addition of appropriate amounts of 2.75 M sterile glucose solution.
Die SAK-Bildung erfolgt in der logarithmischen Wachstumsphase. Es wurden ca. 1^g/ml Staphylokinase serologisch durch radiale Immundiffusion nach Mancini gefunden.The SAK formation occurs in the logarithmic growth phase. About 1 ^ g / ml staphylokinase was found serologically by radial immunodiffusion according to Mancini.
E.2. Genexpression bei E. coil294 (pDB 17)E.2. Gene expression in E. coil294 (pDB 17)
Die Bildung von Staphylokinase konnte bei o.g. Produzentenstamm in Schüttelkolben (150ml Hefedialysat-Nährboden in 500-ml-Rundkolben) bei 370C nur bis in die späte logarithmische Phase (5,5 Stunden) nachgewiesen werden. Spätere Proben besaßen keine SAK-Aktivität.The formation of staphylokinase was in the above-mentioned producer strain in shake flasks (150 ml yeast dialysate medium in 500 ml round bottom flask) at 37 0 C until the late logarithmic phase (5.5 hours) are detected. Later samples had no SAK activity.
Nach Konzentrierung des Kulturüberstandes sowie nach Zellaufschluß wurden nur je 0,75цд Staphylokinase pro ml gefunden.After concentration of the culture supernatant and after cell disruption, only 0.75% staphylokinase per ml was found.
E.3. Genexpression bei B.subtilis GB 500 (pDB 15)E.3. Gene expression in B.subtilis GB 500 (pDB 15)
Der Produzentenstamm B. subtilis G B 500 (pDB15) wirdzu 150ml in 500-ml-Rundkolben bei 37°C in Schüttelkultur gezüchtet. Als Nährboden wird wahlweise Trypticase soy broth (30g/l), Todd-Hewittbroth (30g/l), Hefeextrakt dialysiert (40g/l) oder Caseinpepton (20g/l) mit Salz- und Glucosezusätzen gewählt, wobei der Kultur jeweils 5 цд/ті Erythromycin zugegeben werden.The B. subtilis G B 500 (pDB15) producer strain is grown to 150 ml in 500 ml round bottom flasks at 37 ° C. in shake culture. As nutrient medium, either trypticase soy broth (30 g / l), Todd-Hewittbroth (30 g / l), yeast extract dialyzed (40 g / l) or casein peptone (20 g / l) with salt and glucose additives are selected, the culture in each case 5 kd / ті erythromycin be added.
Die SAK-Bildung erfolgt in der logarithmischen Wachstumsphase. Es wurden bis zu 20^g/ml Staphylokinase serologisch durch radiale Immundiffusion nach Mancini gefunden.The SAK formation occurs in the logarithmic growth phase. Up to 20 ^ g / ml of staphylokinase were found serologically by Mancini radial immunodiffusion.
Claims (48)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DD28666986A DD245444B5 (en) | 1986-01-31 | 1986-01-31 | Process for the preparation of a new staphylokinase with heterologous producers |
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Family Applications (1)
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1986
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