DE10107677A1 - Process for the creation and transformation of mitochondrial conglomerates - Google Patents
Process for the creation and transformation of mitochondrial conglomeratesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Mitochondrien-Konglomeraten zur erleichterten Durchführung einer anschließenden Transformation der Mitochondrien, worin die Erzeugung der Mitochondrien-Konglomerate die Expression einer ersten Proteinkomponente, die zu einer Verankerung in der äußeren Mitochondrien-Membran befähigt ist, und einer zweiten Proteinkomponente, die in der Lage ist, Determinanten auf der Oberfläche von Mitochondrien sterisch abzuschirmen, in den die Mitochondrien enthaltenden Zellen umfaßt. The invention relates to a method for producing mitochondrial conglomerates for facilitated subsequent transformation of the mitochondria, in which the generation of the mitochondrial conglomerates the expression of a first one Protein component leading to anchoring in the outer mitochondrial membrane is capable, and a second protein component, which is able to determine determinants on the Sterically shield the surface of mitochondria into those containing mitochondria Cells includes.
Die Expression der genannten Proteinkomponenten, die Bestandteile eines gemeinsamen (Fusions)Protein sind, führt zu der Bildung von Mitochondrien-Konglomeraten, die dank ihrer Größe im Vergleich zu einzeln vorliegenden Mitochondrien mit fremden Nukleinsäuren transformiert werden können.The expression of the protein components mentioned, the components of a common (Fusion) protein leads to the formation of mitochondrial conglomerates, which thanks to their Size compared to single mitochondria with foreign nucleic acids can be transformed.
Bei Mitochondrien handelt es sich wie bei Plastiden um Organellen von eukaryontischen Zellen. Sowohl die Mitochondrien als auch die Plastiden, insbesondere Chloroplasten, enthalten ihre eigene DNA. Im allgemeinen sind Mitochondrien gestreckt zylindrisch, selten kugelförmig, bei einem Durchmesser von 0,5 bis 1 µm. Wie ihre prokaryontischen Vorfahren teilen sich Mitochondrien und Chloroplasten durch Einschnürung. Es bildet sich dabei ein Ring aus mit Tubulin verwandten Proteinen, der sich unter GTP-Verbrauch einschnürt. Bei Chloroplasten besteht dieser Ring aus FtsZ. Über die Teilung von Mitochondrien ist weniger bekannt. In den vollständig bekannten Genomen von Caenorhabditis elegans und Saccharomyces cerevisiae wurden keine ftsz-Homologen gefunden, die für eine mitochondriale Teilung zuständig sein könnten, wohl aber in der einzelligen Alge Mallomonas splendens und der einzelligen Rotalge Cyanidioschyzon merolae. In Hefe und Tieren geschieht die Einschnürung der Mitochondrien unter Mitwirkung von Dynamin. Dynamine waren vorher im Zusammenhang mit Endocytose bekannt, wo sie zu einer Abschnürung der Endocytose-Vesikel führen.Mitochondria, like plastids, are organelles of eukaryotic Cells. Both the mitochondria and the plastids, especially chloroplasts, contain their own DNA. In general, mitochondria are cylindrical, rare spherical, with a diameter of 0.5 to 1 µm. Like their prokaryotic ancestors divide mitochondria and chloroplasts by constriction. It is imagined Ring made of tubulin-related proteins that constricts while consuming GTP. at Chloroplasts, this ring is made of FtsZ. About the division of mitochondria is less known. In the fully known genomes of Caenorhabditis elegans and Saccharomyces cerevisiae, no ftsz homologues were found that were suitable for one mitochondrial division could be responsible, but probably in the unicellular algae Mallomonas splendens and the unicellular red algae Cyanidioschyzon merolae. In yeast and Animals constrict the mitochondria with the participation of dynamin. Dynamins were previously known to be associated with endocytosis, where they become one Pinching off the endocytosis vesicles.
Das Mitochondrium ist von zwei hoch spezialisierten Membranen umgeben, die äußere Membran und die innere Membran, die für seine Aktvität entscheidend sind. Jede der beiden Lipid-Doppelschichten enthält ein einzigartiges Proteinmuster, und zusammen umschließen und definieren sie zwei getrennte Mitochondrienkompartimente: den inneren Matrixraum und den engen Raum zwischen den beiden Membransystemen (Intermembranraum). The mitochondrion is surrounded by two highly specialized membranes, the outer one Membrane and the inner membrane, which are crucial for its activity. Each of the two Lipid bilayers contain a unique protein pattern, and enclose together and define two separate mitochondrial compartments: the inner matrix space and the narrow space between the two membrane systems (inter-membrane space).
Veröffentlichungen über erfolgreich transformierte Pflanzen-Mitochondrien liegen bislang nicht vor. Die Transformation von Mitochondrien ist aber insbesondere für die pflanzliche Biotechnologie und molekulare Pflanzenzüchtung von großem Interesse, da die Transformation von Zellorganellen, die bereits bei größeren Chloroplasten möglich ist, gegenüber der Zellkern-Manipulation deutliche Vorteile bietet. So beobachtet man bei einer Organell-Transformation eine höhere Expression des Transgens, das in der Regel nur mütterlich vererbt wird, was einen weiteren Vorteil der Organell-Transformation darstellt, da beispielsweise eine Verbreitung des Transgens durch Pollen kaum stattfindet (Bogorad L. (2000) Trends Biotechnol. 18: 257-263; Daniell H. (1999) Nat. Biotechnol. 17: 855-856).There have been publications on successfully transformed plant mitochondria not before. The transformation of mitochondria is especially for the plant Biotechnology and molecular plant breeding of great interest since the Transformation of cell organelles, which is already possible with larger chloroplasts, offers significant advantages over cell nucleus manipulation. So you watch one Organelle transform a higher expression of the transgene, which usually only is inherited maternally, which is another advantage of the Organell transformation, because for example, there is hardly any spread of the transgene through pollen (Bogorad L. (2000) Trends in biotechnology. 18: 257-263; Daniell H. (1999) Nat. Biotechnol. 17: 855-856).
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, vergrößerte Mitochondrien bzw. Mitochondrien-Konglomerate, also Zusammenballungen oder Verbände von Mitochondrien, zu erzeugen, die Transformationsverfahren zugänglich sind. Bei Transformationsverfahren, die für die Übertragung von Fremdgenen auf Mitochondrien geeignet sind, handelt es sich beispielsweise um die Mikromanipulation oder den Beschuß mit DNA.It is therefore an object of the present invention to enlarge mitochondria or Mitochondrial conglomerates, i.e. aggregations or associations of mitochondria, to generate accessible transformation processes. With transformation processes, which are suitable for the transfer of foreign genes to mitochondria for example micromanipulation or bombardment with DNA.
Diese und weitere Aufgaben, die sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben, werden durch das im Hauptanspruch definierte Verfahren gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.These and other tasks that will become apparent from the description below solved by the method defined in the main claim. Preferred embodiments are specified in the subclaims.
Es wurde jetzt überraschend gefunden, daß die Expression eines (Fusions)Proteins, welches zwei Komponenten umfaßt, nämlich eine erste, die eine Verankerung des Proteins in der äußeren Mitochondrien-Membran bewirkt, und eine zweite, die in der Lage ist, Determinanten auf der Oberfläche von Mitochondrien sterisch abzuschirmen, die Bildung von Mitochondrien-Konglomeraten bewirkt. Bei dem jetzt erstmals beobachteten Phänomen handelt es sich nicht etwa um ein zufälliges Ereignis, sondern um einen reproduzierbaren Weg zur Bereitstellung größerer Mitochondrien-Gebilde, die aufgrund ihrer Größe mittels herkömmlicher Transformationsmethoden genetisch manipuliert werden können. It has now surprisingly been found that the expression of a (fusion) protein which comprises two components, namely a first, which anchors the protein in the outer mitochondrial membrane, and a second one that is able Sterically shielding determinants on the surface of mitochondria, the formation of Mitochondrial conglomerates. With the phenomenon now observed for the first time it is not a coincidental event, but a reproducible one Way to provide larger mitochondrial structures, which due to their size means conventional transformation methods can be genetically manipulated.
Die Möglichkeit, größere Mitochondrien-Zusammenschlüsse durch gezielte Expression eines Proteins, umfassend eine Verankerungskomponente (targeting-Komponente) für die äußere Mitochondrienmembran sowie eine sterische Abschirmungskomponente (shielding- Komponente) herzustellen, wird hier erstmals beschrieben.The possibility of larger mitochondrial associations through targeted expression of a Proteins comprising an anchoring component (targeting component) for the outer Mitochondrial membrane and a steric shielding component (shielding Manufacturing component) is described here for the first time.
Ohne an eine Hypothese gebunden sein zu wollen, wird gegenwärtig davon ausgegangen, daß die Expression der genannten Proteinkomponenten eine Hemmung der Mitochondrien- Teilung bewirkt, wodurch Mitochondrien-Konglomerate entstehen, die man als "Riesenmitochondrien" bezeichnen könnte und aufgrund ihrer Größe genetisch manipuliert werden können.Without wishing to be bound by a hypothesis, it is currently assumed that the expression of the named protein components an inhibition of the mitochondrial Division causes mitochondrial conglomerates, which are called "Giant mitochondria" could refer to and genetically manipulated due to their size can be.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Verankerungskomponente um das Enzym Hexokinase (HK) oder Teile dieses Enzyms, die zu einer Verankerung in der äußeren Mitochondrienmembran befähigt sind. Andere bevorzugte Verankerungs komponenten sind Porine bzw. Teile davon, die zur Verankerung in der äußeren Mitochondrienmembran in der Lage sind. Grundsätzlich ist jedes Protein bzw. jeder Teil eines Proteins geeignet, der eine cytoplasmatische Lokalisierung mit Verankerung in der äußeren Mitochondrienmembran aufweist.In a preferred embodiment, the anchoring component is the enzyme hexokinase (HK) or parts of this enzyme that are anchored in the outer mitochondrial membrane are capable. Other preferred anchoring Components are porins or parts thereof, which are used for anchoring in the outer Mitochondrial membrane are capable. Basically, every protein or part is one Protein suitable for a cytoplasmic localization with anchoring in the outer Mitochondrial membrane has.
Als Verankerungskomponente bietet sich beispielsweise die Hexokinase Hxk 1 aus Nicotiana tabacum an. Die Sequenz von Hxk 1 wurde unter der Accession No. AF 118133 veröffentlicht, wobei der Beschreibung der Sequenz in der Datenbank zu entnehmen ist, daß es sich bei Hxk 1 um ein Chloroplastenprotein handele. Die Sequenz der Hexokinase aus Tabak wurde gewonnen, indem mit einer vorher charakterisierten Hexokinase aus Spinat (Accession No. AF 118132) eine cDNA-Bank aus Tabak gescreent wurde (Wiese et al. (1999) FEBS Lett. 461: 13-18). Die erhaltene Tabak-Hexokinase wurde anschließend offensichtlich nicht weiter charakteriseirt, sondern es wurde nur die Beschreibung der Spinat- Hexokinase übernommen, die auf eine Lokasisierung der Hexokinase I in der äußeren Hüllmembran hinweist.Hexokinase Hxk 1 from Nicotiana, for example, is an anchoring component tabacum. The sequence of Hxk 1 was published under accession no. AF 118133 published, whereby the description of the sequence in the database shows that Hxk 1 is a chloroplast protein. The sequence of the hexokinase Tobacco was obtained by using a previously characterized hexokinase from spinach (Accession No. AF 118132) a cDNA library was screened from tobacco (Wiese et al. (1999) FEBS Lett. 461: 13-18). The tobacco hexokinase obtained was then obviously not further characterized, but only the description of the spinach Hexokinase, which is due to a localization of Hexokinase I in the outer Envelope membrane indicates.
Dem Fachmann sind neben der in den beigefügten Beispielen erwähnten Hexokinase weitere geeignete Verankerungsproteine bzw. Teile von Proteinen, die als Verankerungsdomäne eingesetzt werden können, bekannt. Im folgenden werden diverse Proteine, die in der äußeren Mitochondrienmembran verankert sind, aufgeführt. Der Fachmann kann anhand der untenstehenden Referenzen mittels üblicher Klonierungsverfahren geeignete Fusionsproteine herstellen und zur Erzeugung der gewünschten Mitochondrien-Konglomerate einsetzen.In addition to the hexokinase mentioned in the accompanying examples, the person skilled in the art is familiar with further suitable anchoring proteins or parts of proteins that serve as anchoring domain can be used, known. The following are various proteins that are in the outer Mitochondrial membrane are anchored. The expert can use the References below using suitable cloning methods suitable fusion proteins produce and use to generate the desired mitochondrial conglomerates.
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- AKAP1, Accession No. Q92667; Accession No. Q13320: Trendelenburg G., Hummel M.,
Riecken E.-O., Hanski C.;
"Molecular characterization of AKAP149, a novel A kinase anchor protein with a KH domain."
Biochem. Biophys. Res. Commun. 225: 313-319 (1996)- AKAP1, Accession No. Q92667; Accession No. Q13320: Trendelenburg G., Hummel M., Riecken E.-O., Hanski C .;
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Biochem. Biophys. Res. Commun. 225: 313-319 (1996) -
- CPT1_HUMAN, Accession No. P50416: Britton C. H., Schultz R. A., Zhang B., Esser V.,
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"Human liver mitochondrial carnitine palmitoyltransferase I: characterization of its cDNA and chromosomal localization and partial analysis of the gene."
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"Human liver mitochondrial carnitine palmitoyl transferase I: characterization of its cDNA and chromosomal localization and partial analysis of the gene."
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92: 1984-1988 (1995) -
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"Cloning, sequencing, and expression of a cDNA encoding rat liver carnitine palmitoyltransferase I. Direct evidence that a single polypeptide is involved in inhibitor interaction and catalytic function."
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FEBS Lett. 375: 307-310 (1995). - - OM20_NEUCR, Accession No. P35848: Mayer A., Nargans F. E., Neupert W., Lill R. "MOM22 is a receptor for mitochondrial targeting sequences and cooperates with MOM19." EMBO J. 14: 4204-4211 (1995)- OM20_NEUCR, Accession No. P35848: Mayer A., Nargans F.E., Neupert W., Lill R. "MOM22 is a receptor for mitochondrial targeting sequences and cooperates with MOM19." EMBO J. 14: 4204-4211 (1995)
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J. Cell Biol. 129: 25-34 (1995- OM37_YEAST, Accession No. P50110: Gratzer S., Lithgow T., Bauer RE, Lamping E., Paltauf F., Kohlwein SD, Haucke V., Junne T., Schatz G., Horst M.
"Mas37p, a novel receptor subunit for protein import into mitochondria.";
J. Cell Biol. 129: 25-34 (1995 - - OM40_CAEEL, Accession No. Q18090- OM40_CAEEL, Accession No. Q18090
-
- OM40_DROME, Accession No: Q9U4L6; Accession No. Q9W3P9: Adams MD et al.
"The genome sequence of Drosophila melanogaster."
Science 287: 2185-2195 (2000)- OM40_DROME, Accession No: Q9U4L6; Accession No. Q9W3P9: Adams MD et al. "The genome sequence of Drosophila melanogaster."
Science 287: 2185-2195 (2000) -
- OM40_HUMAN, Accession No. O96008: Freitas E. M., Zhang W. J., Lalonde J. P., Tay
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RA Ashworth L. K., Van Bockxmeer F. M., Dawkins R. L:
"Sequencing of 42 kb of the APO E-C2 gene cluster reveals a new gene: PEREC1." DNA Seq. 9: 89-101 (1998)- OM40_HUMAN, Accession No. O96008: Freitas EM, Zhang WJ, Lalonde JP, Tay GK, Gaudieri S.,
RA Ashworth LK, Van Bockxmeer FM, Dawkins R. L:
"Sequencing of 42 kb of the APO E-C2 gene cluster reveals a new gene: PEREC1." DNA Seq. 9: 89-101 (1998) - - OM40_MOUSE, Accession No. Q90YA2; Accession No. Q9Z2N1- OM40_MOUSE, Accession No. Q90YA2; Accession No. Q9Z2N1
-
- OM40_NEUCR, Accession No. P24391: Kiebler M., Pfaller R., Soellner T., Griffiths G.,
Horstmann H.,
RA Pfanner N., Neupert W.
"Identification of a mitochondrial receptor complex required for recognition and membrane insertion of precursor proteins."
Nature 348: 610-616(1990)- OM40_NEUCR, Accession No. P24391: Kiebler M., Pfaller R., Soellner T., Griffiths G., Horstmann H.,
RA Pfanner N., Neupert W.
"Identification of a mitochondrial receptor complex required for recognition and membrane insertion of precursor proteins."
Nature 348: 610-616 (1990) - - OM40_SCHPO; Accession No. O13656; Accession No. O13655- OM40_SCHPO; Accession No. O13656; Accession No. O13655
-
- OM40_YEAST, Accession No. P23644: Baker K. P., Schaniel A., Vestweber D., Schatz G.
"A yeast mitochondrial outer membrane protein essential for protein import and cell
viability."
Nature 348: 605-609 (1990)- OM40_YEAST, Accession No. P23644: Baker KP, Schaniel A., Vestweber D., Schatz G. "A yeast mitochondrial outer membrane protein essential for protein import and cell viability."
Nature 348: 605-609 (1990) -
- OM45_YEAST, Accession No. P16547: Yaffe M. P., Jensen R. E., Guido E. C.
"The major 45-kDa protein of the yeast mitochondrial outer membrane is not essential for cell growth or mitochondrial function."
J. Biol. Chem. 264: 21091-21096 (1989)- OM45_YEAST, Accession No. P16547: Yaffe MP, Jensen RE, Guido EC
"The major 45-kDa protein of the yeast mitochondrial outer membrane is not essential for cell growth or mitochondrial function."
J. Biol. Chem. 264: 21091-21096 (1989) -
- OM70_NEUCR, Accession No. P23231: Steger H. F., Soellner T., Kiebler M., Dietmeier
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J. Cell Biol. 111: 2353-2363 (1990)- OM70_NEUCR, Accession No. P23231: Steger HF, Soellner T., Kiebler M., Dietmeier KA, Pfaller R.,
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J. Cell Biol. 111: 2353-2363 (1990) -
- OM70_YEAST, Accession No. P07213: de Antoni A., D Angelo M., Dal Pero F., Sartorello
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"The DNA sequence of cosmid 14-13b from chromosome XIV of Saccharomyces cerevisiae reveals an unusually high number of overlapping open reading frames.";
Yeast 13: 261-266(1997)- OM70_YEAST, Accession No. P07213: de Antoni A., D Angelo M., Dal Pero F., Sartorello F., Pandolfo D.,
RA Pallavicini A., Lanfranchi G., Valle G.
"The DNA sequence of cosmid 14-13b from chromosome XIV of Saccharomyces cerevisiae reveals an unusually high number of overlapping open reading frames.";
Yeast 13: 261-266 (1997) -
- POR1_HUMAN, Accession No. P21796; Accession No. Q9UIQ5; Accession No. Q9UPL0:
Blachly-Dyson E. G., Zambronicz E. B., Yu W. H., Adams V., McCabe E. R., Adelman J. P.,
Colombini M., Forte M.;
"Cloning and functional expression in yeast of two human isoforms of the outer mitochondrial membrane channel; the voltage-dependent anion channel.";
J. Biol. Chem. 268: 1835-1841 (1993)- POR1_HUMAN, Accession No. P21796; Accession No. Q9UIQ5; Accession No. Q9UPL0: Blachly-Dyson EG, Zambronicz EB, Yu WH, Adams V., McCabe ER, Adelman JP, Colombini M., Forte M .;
"Cloning and functional expression in yeast of two human isoforms of the outer mitochondrial membrane channel; the voltage-dependent anion channel.";
J. Biol. Chem. 268: 1835-1841 (1993) -
- POR1_MOUSE, Accession No. Q60932: Sampson M. J., Lovell R. S., Craigen W. J.
"Isolation, characterization, and mapping of two mouse mitochondrial voltage-dependent
anion channel isoforms."
Genomics 33: 283-288 (1996)- POR1_MOUSE, Accession No. Q60932: Sampson MJ, Lovell RS, Craigen WJ "Isolation, characterization, and mapping of two mouse mitochondrial voltage-dependent anion channel isoforms."
Genomics 33: 283-288 (1996) - - POR1_RABIT, Accession No. Q9TT15- POR1_RABIT, Accession No. Q9TT15
-
- POR1_RAT, Accession No. Q9Z2L0: Anflous K., Blondel O., Bernard A., Khrestchatisky
M., Ventura-Clapier R.
"Characterization of rat porin isoforms: cloning of a cardiac type-3 variant encoding an additional methionine at its putative N-terminal region."
Biochim. Biophys. Acta 1399: 47-50 (1998)- POR1_RAT, Accession No. Q9Z2L0: Anflous K., Blondel O., Bernard A., Khrestchatisky M., Ventura-Clapier R.
"Characterization of rat porin isoforms: cloning of a cardiac type-3 variant encoding an additional methionine at its putative N-terminal region."
Biochim. Biophys. Acta 1399: 47-50 (1998) - - POR1_WHEAT, Accession No. P46274- POR1_WHEAT, Accession No. P46274
-
- POR1_YEAST, Accession No. P04840: Mihara K., Sato R.
"Molecular cloning and sequencing of cDNA for yeast porin, an outer mitochondrial membrane protein: a search for targeting signal in the primary structure."
EMBO J. 4: 769-774 (1985)- POR1_YEAST, Accession No. P04840: Mihara K., Sato R.
"Molecular cloning and sequencing of cDNA for yeast porin, an outer mitochondrial membrane protein: a search for targeting signal in the primary structure."
EMBO J. 4: 769-774 (1985) -
- POR2_HUMAN, Accession No. P45880; Accession No. Q9Y516: Ha H., Hajek P., Bedwell
D. M., Burrows P. D.
"A mitochondrial porin cDNA predicts the existence of multiple human porins."
J. Biol. Chem. 268: 12143-12149 (1993)- POR2_HUMAN, Accession No. P45880; Accession No. Q9Y516: Ha H., Hajek P., Bedwell DM, Burrows PD
"A mitochondrial porin cDNA predicts the existence of multiple human porins."
J. Biol. Chem. 268: 12143-12149 (1993) - - POR2_MELGA, Accession No. P82013- POR2_MELGA, Accession No. P82013
-
- POR2_MOUSE, Accession No. Q60930: Sampson M. J., Lovell R. S., Craigen W. J.
"Isolation; characterization, and mapping of two mouse mitochondrial voltage-dependent anion channel isoforms."
Genomics 33: 283-288 (1996)- POR2_MOUSE, Accession No. Q60930: Sampson MJ, Lovell RS, Craigen WJ
"Isolation; characterization, and mapping of two mouse mitochondrial voltage-dependent anion channel isoforms."
Genomics 33: 283-288 (1996) - - POR2_RABIT; Accession No. Q9TT14- POR2_RABIT; Accession No. Q9TT14
-
- POR2_RAT, Accession No. P81155: Bureau M. H., Khrestchatisky M., Heeren M. A.,
Zambrowicz E. B., Kim H., Grisar T. M., Colombini M., Tobin A. J., Olsen R. W.
"Isolation and cloning of a voltage-dependent anion channel-like Mr 36,000 polypeptide from mammalian brain."
J. Biol. Chem. 267: 8679-8684 (1992)- POR2_RAT, Accession No. P81155: Bureau MH, Khrestchatisky M., Heeren MA, Zambrowicz EB, Kim H., Grisar TM, Colombini M., Tobin AJ, Olsen RW
"Isolation and cloning of a voltage-dependent anion channel-like Mr 36,000 polypeptides from mammalian brain."
J. Biol. Chem. 267: 8679-8684 (1992) -
- POR2_XENLA, Accession No. P81004: Steinacker P., Awni L. A., Becker S., Cole T.,
Reymann S., Hesse D., Kratzin H. D., Morris-Wortmann C., Schwarzer C., Thinnes
F. P., Hilschmann N.
"The plasma membrane of Xenopus laevis oocytes contains voltage- dependent anion selective porin channels."
Int. J. Biochem. Cell Biol. 32: 225-234 (2000)- POR2_XENLA, Accession No. P81004: Steinacker P., Awni LA, Becker S., Cole T., Reymann S., Hesse D., Kratzin HD, Morris-Wortmann C., Schwarzer C., Thinnes FP, Hilschmann N.
"The plasma membrane of Xenopus laevis oocytes contains voltage-dependent anion selective porin channels."
Int. J. Biochem. Cell Biol. 32: 225-234 (2000) -
- POR2_YEAST, Accession No. P40478: Blachly-Dyson A., Song J., Colombini M., Forte
M.
"Multicopy suppressors of phenotypes resulting from the absence of yeast VDAC encode a VDAC-like protein."
Mol. Cell. Biol. 17: 5727-5738 (1997)- POR2_YEAST, Accession No. P40478: Blachly-Dyson A., Song J., Colombini M., Forte M.
"Multicopy suppressors of phenotypes resulting from the absence of yeast VDAC encode a VDAC-like protein."
Mol. Cell. Biol. 17: 5727-5738 (1997) -
- POR3_HUMAN, Accession No. Q9Y277; Accession No. Q9UIS0: Mao M., Fu G., Wu J.-
S., Zhang Q.-H., Zhou J., Kan L.-X., Huang Q.-H., He K.-L., Gu B.-W., Han Z.-G., Shen Y.,
Gu J., Yu Y.-P., Xu S.-H.,Wang Y.-X., Chen S.-J., Chen Z.
"Identification of genes expressed in human CD34(+) hematopoietic stem/progenitor cells by expressed sequence tags and efficient full-length cDNA cloning."
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 95: 8175-8180 (1998)- POR3_HUMAN, Accession No. Q9Y277; Accession No. Q9UIS0: Mao M., Fu G., Wu J.- S., Zhang Q.-H., Zhou J., Kan L.-X., Huang Q.-H., He K.-L., Gu B.-W., Han Z.-G., Shen Y., Gu J., Yu Y.-P., Xu S.-H., Wang Y.-X., Chen S.-J., Chen Z.
"Identification of genes expressed in human CD34 (+) hematopoietic stem / progenitor cells by expressed sequence tags and efficient full-length cDNA cloning."
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95: 8175-8180 (1998) -
- POR3_MOUSE, Accession No. Q60931: Sampson M. J., Lovell R. S., Davison D. B., Craigen
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"A novel mouse mitochondrial voltage-dependent anion channel gene localizes to chromosome 8."
Genomics 36: 192-196 (1996)- POR3_MOUSE, Accession No. Q60931: Sampson MJ, Lovell RS, Davison DB, Craigen WJ
"A novel mouse mitochondrial voltage-dependent anion channel gene localizes to chromosome 8."
Genomics 36: 192-196 (1996) -
- POR3_PIG, Accession No. Q29380: Winteroe A. K., Fredholm M., Davies W.
"Evaluation and characterization of a porcine small intestine cDNA library: analysis of 839 clones."
Mamm. Genome 7:509-517 (1996)- POR3_PIG, Accession No. Q29380: Winteroe AK, Fredholm M., Davies W.
"Evaluation and characterization of a porcine small intestine cDNA library: analysis of 839 clones."
Mamm. Genome 7: 509-517 (1996) - - POR3_RABIT, Accession No. Q9TT13- POR3_RABIT, Accession No. Q9TT13
-
- POR3_RAT, Accession No. Q9R1Z0; Accession No. Q9WTU2: Anflous K., Blondel O.,
Bernard A., Khrestchatisky M., Ventura-Clapier R.
"Characterization of rat porin isoforms: cloning of a cardiac type-3 variant encoding an additional methionine at its putative N-terminal region."
Biochim. Biophys. Acta 1399: 47-50 (1998)- POR3_RAT, Accession No. Q9R1Z0; Accession No. Q9WTU2: Anflous K., Blondel O., Bernard A., Khrestchatisky M., Ventura-Clapier R.
"Characterization of rat porin isoforms: cloning of a cardiac type-3 variant encoding an additional methionine at its putative N-terminal region."
Biochim. Biophys. Acta 1399: 47-50 (1998) -
- POR4_SOLTU, Accession No. P42055: Heins L., Mentzel H., Schmid A., Benz R., Schmitz
U. K. "Biochemical, molecular; and functional characterization ofporin isoforms from potato
mitochondria."
J. Biol. Chem. 269: 26402-26410 (1994)- POR4_SOLTU, Accession No. P42055: Heins L., Mentzel H., Schmid A., Benz R., Schmitz UK "Biochemical, molecular; and functional characterization ofporin isoforms from potato mitochondria."
J. Biol. Chem. 269: 26402-26410 (1994) -
- POR6_SOLTU, Accession No. P42056: Heins L., Mentzel H., Schmid A., Benz R., Schmitz
U. K. "Biochemical, molecular, and functional characterization of porin isoforms from potato
mitochondria."
J. Biol. Chem. 269: 26402-26410 (1994)- POR6_SOLTU, Accession No. P42056: Heins L., Mentzel H., Schmid A., Benz R., Schmitz UK "Biochemical, molecular, and functional characterization of porin isoforms from potato mitochondria."
J. Biol. Chem. 269: 26402-26410 (1994) - - PORI_CAEEL, Accession No. Q21752- PORI_CAEEL, Accession No. Q21752
-
- PORI_DICDI, Accession No. Q01501: Troll H., Malchow D., Mueller-Taubenberger A.,
Humbel B., Lottspeich F., Ecke M., Gerisch G., Schmid A., Benz R.
"Purification, functional characterization, and cDNA sequencing of mitochondrial porin from Dictyostellum discoideum."
J. Biol. Chem. 267: 21072-21079 (1992)- PORI_DICDI, Accession No. Q01501: Troll H., Malchow D., Mueller-Taubenberger A., Humbel B., Lottsspeich F., Ecke M., Gerisch G., Schmid A., Benz R.
"Purification, functional characterization, and cDNA sequencing of mitochondrial porin from Dictyostellum discoideum."
J. Biol. Chem. 267: 21072-21079 (1992) -
- PORI_DROM, Accession No. Q94920; Accession No. Q94997; Accession No. Q9VKP1:
Caggese C., Ragone G., Perrini B., Moschetti R., De Pinto V., Caizzi R., Barsanti P.
"Identification of nuclear genes encoding mitochondrial proteins: isolation of a collection of D. melanogaster cDNAs homologous to sequences in the Human Gene Index database."
Mol. Gen. Genet. 261: 64-70 (1999) - PORI_DROM, Accession No. Q94920; Accession No. Q94997; Accession No. Q9VKP1: Caggese C., Ragone G., Perrini B., Moschetti R., De Pinto V., Caizzi R., Barsanti P.
"Identification of nuclear genes encoding mitochondrial proteins: isolation of a collection of D. melanogaster cDNAs homologous to sequences in the Human Gene Index database."
Mol. Gen. Genet. 261: 64-70 (1999) -
- PORI_MAIZE, Accession No. P42057: Fischer K., Weber A., Brink S., Arbinger B.,
Schuenemann D., Borchert S., Heldt H. W., Popp B., Benz R., Link T., Eckerskorn C.,
Fluegge U. I.
"Porins from plants. Molecular cloning and functional characterization of two new members of the porin family."
J. Biol. Chem. 269: 25754-25760 (1994)- PORI_MAIZE, Accession No. P42057: Fischer K., Weber A., Brink S., Arbinger B., Schuenemann D., Borchert S., Heldt HW, Popp B., Benz R., Link T., Eckerskorn C., Fluegge UI
"Porins from plants. Molecular cloning and functional characterization of two new members of the porin family."
J. Biol. Chem. 269: 25754-25760 (1994) -
- PORI_NEUCR, Accession No. P07144: Kleene R., Pfanner N., Pfaller R., Link T. A., Sebald
W., Neupert W., Tropschug M.
"Mitochondrial porin of Neurospora crassa: cDNA cloning, in vitro expression and import into mitochondria."
EMBO J. 6: 2627-2633 (1987).- PORI_NEUCR, Accession No. P07144: Kleene R., Pfanner N., Pfaller R., Link TA, Sebald W., Neupert W., Tropschug M.
"Mitochondrial porin of Neurospora crassa: cDNA cloning, in vitro expression and import into mitochondria."
EMBO J. 6: 2627-2633 (1987). -
- PORI_PEA, Accession No. P42054: Fischer K., Weber A., Brink 5., Arbinger B.,
Schuenemann D., Borchert 5., Heldt H. W., Popp B., Benz R., Link T., Eckerskom C.,
Fluegge U. I.
"Porins from plants. Molecular cloning and functional characterization of two new members of the porin family."
J. Biol. Chem. 269: 25754-25760 (1994)- PORI_PEA, Accession No. P42054: Fischer K., Weber A., Brink 5th, Arbinger B., Schuenemann D., Borchert 5th, Heldt HW, Popp B., Benz R., Link T., Eckerskom C., Fluegge UI
"Porins from plants. Molecular cloning and functional characterization of two new members of the porin family."
J. Biol. Chem. 269: 25754-25760 (1994)
Der Fachmann kann durch Herstellung geeigneter Genkonstrukte und Übertragung auf Pflanzenzellen mittels Routineverfahren feststellen, welche Proteine bzw. Teile von Proteinen in der Lage sind, eine Verankerung in der äußeren Mitochondrienmembran zu bewirken, und welche Proteine aufgrund ihrer Aminosäuresequenz oder auch aufgrund ihrer nicht ausreichenden Länge, insbesondere bei Teilen von Proteinen, keine Verankerung in der äußeren Mitochondrien-Membran vermitteln können.The person skilled in the art can generate suitable gene constructs and transfer them to Plant cells use routine procedures to determine which proteins or parts of proteins are capable of anchoring in the outer mitochondrial membrane, and which proteins because of their amino acid sequence or not because of their sufficient length, especially with parts of proteins, no anchoring in the mediate outer mitochondrial membrane.
Der Fachmann kann darüber hinaus anhand der im Stand der Technik beschriebenen Proteine, die eine cytoplasmatische Lokalisierung mit Verankerung in der äußeren Mitochondrien- Membran aufweisen, insbesondere Hexokinasen und Porinen, weitere geeignete Proteine auffinden, z. B. durch PCR unter Verwendung von Oligonukleotiden, die von bekannten Nukleinsäuresequenzen abgeleitet sind, oder durch Hybridisierung von cDNA- oder genomischen Bibliotheken mit Gensonden, die bekannten Nukleinsäuresequenzen entsprechen.The person skilled in the art can also use the proteins described in the prior art, cytoplasmic localization with anchoring in the outer mitochondria Have membrane, especially hexokinases and porins, other suitable proteins find z. B. by PCR using oligonucleotides known from Nucleic acid sequences are derived, or by hybridization of cDNA or genomic libraries with gene probes, the known nucleic acid sequences correspond.
Der zweite Bestandteil des Proteins, dessen Expression in Pflanzenzellen zu der gewünschten Bildung von Mitochondrien-Konglomeraten führt, ist die sog. shielding-Komponenten, die eine sterische Abschirmung von Determinanten auf der Mitochondrien-Oberfläche bewirkt.The second component of the protein, whose expression in plant cells to the desired Formation of mitochondrial conglomerates leads to the so-called shielding components steric shielding of determinants on the mitochondrial surface causes.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um das unter UV-Bestrahlung grün leuchtende Protein Green Fluorescent Protein (GFP), das häufig als Reportergen bzw. als Selektionsmarker eingesetzt wird. Grundsätzlich ist aber jedes Protein bzw. jeder Teil eines Proteins geeignet, der in der Lage ist, eine sterische Abschirmung von Determinanten auf der Oberfläche der Mitochondrien, insbesondere von Rezeptoren, zu bewirken.In a preferred embodiment, it is green under UV radiation luminous protein Green Fluorescent Protein (GFP), which is often used as a reporter gene or as Selection marker is used. Basically, however, every protein or part is one Suitable protein that is capable of steric shielding of determinants on the Mitochondria surface, especially of receptors.
Auch im Falle dieser Abschirmungs- oder Maskierungskomponente ist der Fachmann mittels Routineexperimenten problemlos in der Lage, die Eignung eines bestimmten Proteins bzw. eines Teils eines Proteins durch Expression in Pflanzenzellen zu überprüfen. Wichtig ist dabei, daß der ins Cytosol ragende Teil in der Lage ist, die relevanten Determinanten auf der Oberfläche der Mitochondrien sterisch abzuschirmen. Es wird davon ausgegangen, daß die Abschirmungskomponente eine Größe haben sollte, die einem Molekulargewicht von etwa 20 kDa, vorzugsweise von 25 kDa und besonders bevorzugt von mindestens 28 kDa entspricht.In the case of this shielding or masking component, too, the person skilled in the art is familiar with Routine experiments can easily determine the suitability of a particular protein or to check part of a protein by expression in plant cells. Important is that the part protruding into the cytosol is able to determine the relevant determinants on the Sterically shield the surface of the mitochondria. It is assumed that the Shielding component should have a size that has a molecular weight of about 20 kDa, preferably 25 kDa and particularly preferably at least 28 kDa equivalent.
Die Verankerungskomponente und die sterische Komponenten werden bevorzugt in Form eines Fusionsproteins in der Pflanzenzelle exprimiert, d. h. das Fusionsprotein wird von einem chimären Genkonstrukt kodiert, das eine künstliche Zusammenfügung der für die Verankerungskomponente und die sterische Komponente kodierenden DNA-Sequenzen darstellt. Es ist aber grundsätzlich nicht ausgeschlossen, daß die Expression eines natürlich vorkommenden Proteins für das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Mitochondrien-Konglomeraten geeignet ist. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, daß die Expression von zwei interagierenden Proteinen, von denen eines als Abschirmungskomponente wirkt und das andere Protein die Aufgabe der Verankerungskomponente übernimmt, ebenfalls die gewünschte Konglomeration der Mitochondrien bewirkt.The anchoring component and the steric components are preferably in the form a fusion protein expressed in the plant cell, d. H. the fusion protein is made by one chimeric gene construct encoding an artificial assembly of the for the Anchoring component and DNA sequences encoding the steric component represents. In principle, however, it is not excluded that the expression of a natural occurring protein for the inventive method for producing Mitochondrial conglomerates is suitable. In addition, it is assumed that the Expression of two interacting proteins, one of which as Shielding component acts and the other protein does the job Anchoring component also takes over the desired conglomeration of the Mitochondria causes.
Die Herstellung geeigneter Genkonstrukte, die für Fusionsproteine, umfassend die Verankerungskomponente und die sterische Komponente, kodieren, ist dem Fachmann geläufig und mittels molekularbiologischer Standardverfahren möglich, siehe bspw. Sambrook et al. (1989) Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2. Auflage, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, USA.The preparation of suitable gene constructs for fusion proteins, comprising the Anchoring component and the steric component, encode, is the expert common and possible using standard molecular biological methods, see e.g. Sambrook et al. (1989) Molecular Cloning: A Laboratory Manual, 2nd edition, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY, USA.
Auch die diversen Methoden zur Übertragung von Genkonstrukten und Plasmiden auf Pflanzenzellen sind dem Fachmann bestens bekannt. Gleiches gilt für regulatorische Sequenzen, die für die Expression von Genen in Pflanzen geeignet sind, wie z. B. konstitutive Promotoren, gewebe- und entwicklungsspezifische Promotoren, induzierbare Promotoren, Enhancer-Sequenzen und andere regulatorische Sequenzen, die die Transkription und Translation einer mit einer Promotorregion operativ verknüpften kodierenden DNA-Sequenz in transformierten Pflanzenzellen steuern.Also the various methods for transferring gene constructs and plasmids Plant cells are well known to those skilled in the art. The same applies to regulatory Sequences that are suitable for the expression of genes in plants, such as. B. constitutive Promoters, tissue and development-specific promoters, inducible promoters, Enhancer sequences and other regulatory sequences that transcribe and Translation of a coding DNA sequence operatively linked to a promoter region control in transformed plant cells.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem die Expression des Fusionsproteins kontrollierenden Promotor um einen konstitutiven Promotor, wie beispielsweise den 35S RNA-Promotor von CaMV, oder um einen blattspezifischen Promotor. In a preferred embodiment, the expression of the Fusion protein controlling promoter to a constitutive promoter, such as for example the 35S RNA promoter from CaMV, or a leaf-specific one Promoter.
Zur Vorbereitung der Einführung fremder Gene in höhere Pflanzen bzw. deren Zellen stehen eine große Anzahl von Klonierungsvektoren zur Verfügung, die ein Replikationssignal für E. coli und ein Markergen zur Selektion transformierter Bakterienzellen enthalten. Beispiele für derartige Vektoren sind pBR322, pUC-Serien, M13mp-Serien, pACYC184 usw. Die gewünschte Sequenz, im vorliegenden Fall also die Fusion von (i) Sequenzen, die für die Verankerungskomponente kodieren, mit (ii) Sequenzen, die für die sterische Abschirmungskomponente kodieren, kann an einer passenden Restriktionsschnittstelle in den Vektor eingeführt werden. Das erhaltene Plasmid wird dann für die Transformation von E. coli-Zellen verwendet. Transformierte E. coli-Zellen werden in einem geeigneten Medium gezüchtet und anschließend geerntet und lysiert, und das Plasmid wird wiedergewonnen. Als Analysenmethode zur Charakterisierung der gewonnenen Plasmid-DNA werden im allgemeinen Restriktionsanalysen, Gelelektrophoresen und weitere biochemisch- molekularbiologische Methoden eingesetzt. Nach jeder Manipulation kann die Plasmid-DNA gespalten und gewonnene DNA-Fragmente mit anderen DNA-Sequenzen verknüpft werden.Prepare for the introduction of foreign genes into higher plants or their cells a large number of cloning vectors are available which provide a replication signal for E. coli and a marker gene for the selection of transformed bacterial cells. examples for such vectors are pBR322, pUC series, M13mp series, pACYC184 etc. The desired sequence, in the present case the fusion of (i) sequences which are necessary for the Code anchoring component, with (ii) sequences for the steric Coding shielding component can at a suitable restriction interface in the Vector are introduced. The plasmid obtained is then used for the transformation of E. coli cells used. Transformed E. coli cells are in a suitable medium grown and then harvested and lysed, and the plasmid is recovered. As Analysis method for the characterization of the plasmid DNA obtained are in general restriction analyzes, gel electrophoresis and other biochemical molecular biological methods used. After each manipulation, the plasmid DNA cleaved and DNA fragments obtained are linked to other DNA sequences.
Für die Einführung von DNA in eine pflanzliche Wirtszelle stehen eine Vielzahl von Techniken zur Verfügung, wobei der Fachmann die jeweils geeignete Methode ohne Schwierigkeiten ermitteln kann. Diese Techniken umfassen die Transformation pflanzlicher Zellen mit T-DNA unter Verwendung von Agrobacterium tumefaciens oder Agrobacterium rhizogenes als Transformationsmedium, die Fusion von Protoplasten, die Injektion, die Elektroporation, den direkten Gentransfer isolierter DNA in Protoplasten, die Einbringung von DNA mittels der biolistischen Methode sowie weitere Möglichkeiten die bereits seit mehreren Jahren gut etabliert sind und zum üblichen Repertoire des Fachmanns in der pflanzlichen Molekularbiologie bzw. Pflanzenbiotechnologie gehören.There are a large number of for the introduction of DNA into a plant host cell Techniques are available, the person skilled in the art the most suitable method without Can identify difficulties. These techniques include plant transformation T-DNA cells using Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes as a transformation medium, the fusion of protoplasts, the injection, the Electroporation, the direct gene transfer of isolated DNA into protoplasts, the introduction of DNA using the biolistic method and other options that have been around since are well established for several years and are part of the usual repertoire of professionals in the plant molecular biology or plant biotechnology belong.
Bei der Injektion und Elektroporation von DNA in Pflanzenzellen werden per se keine speziellen Anforderungen an die verwendeten Plasmide gestellt. Ähnliches gilt für den direkten Gentransfer. Es können einfache Plasmide, wie z. B. pUC-Derivate, verwendet werden. Sollen aber aus derartig transformierten Zellen ganze Pflanzen regeneriert werden, ist die Anwesenheit eines selektierbaren Markergens empfehlenswert. Dem Fachmann sind die gängigen Selektionsmarker bekannt, und es stellt für ihn kein Problem dar, einen geeigneten Marker auszuwählen.In the injection and electroporation of DNA into plant cells, none per se made special demands on the plasmids used. The same applies to the direct gene transfer. Simple plasmids such as e.g. B. pUC derivatives used become. However, whole plants are to be regenerated from cells transformed in this way the presence of a selectable marker gene is recommended. Those skilled in the art are known selection marker, and it is not a problem for him, a suitable one Select marker.
Je nach Einführungsmethode gewünschter Gene in die Pflanzenzelle können weitere DNA- Sequenzen erforderlich sein. Werden z. B. für die Transformation der Pflanzenzelle das Ti- oder Ri-Plasmid verwendet, so muss mindestens die rechte Begrenzung, häufig jedoch die rechte und linke Begrenzung der im Ti- bzw. Ri-Plasmid enthaltenen T-DNA als Flankenbereich mit den einzuführenden Genen verbunden werden. Werden für die Transformation Agrobakterien verwendet, muss die einzuführende DNA in spezielle Plasmide kloniert werden, und zwar entweder in einen intermediären oder in einen binären Vektor. Die intermediären Vektoren können aufgrund von Sequenzen, die homolog zu Sequenzen in der T-DNA sind, durch homologe Rekombination in das Ti- oder Ri-Plasmid der Agrobakterien integriert werden. Dieses enthält außerdem die für den Transfer der T-DNA notwendige vir- Region. Intermediäre Vektoren können nicht in Agrobakterien replizieren. Mittels eines Helferplasmids kann der intermediäre Vektor auf Agrobacterium tumefaciens übertragen werden (Konjugation). Binäre Vektoren können sowohl in E. coli als auch in Agrobakterien replizieren. Sie enthalten ein Selektionsmarkergen und einen Linker oder Polylinker, welche von der rechten und linken T-DNA-Grenzregion eingerahmt werden. Sie können direkt in die Agrobakterien transformiert werden. Das als Wirtszelle dienende Agrobakterium soll ein Plasmid, das eine vir-Region trägt, enthalten. Die vir-Region ist für den Transfer der T-DNA in die Pflanzenzelle notwendig. Zusätzliche T-DNA kann vorhanden sein. Das derartig transformierte Agrobakterium wird zur Transformation von Pflanzenzellen verwendet. Die Verwendung von T-DNA für die Transformation von Pflanzenzellen ist intensiv untersucht und ausreichend in allseits bekannten Übersichtsartikeln und Handbüchern zur Pflanzentransformation beschrieben worden. Für den Transfer der DNA in die Pflanzenzelle können Pflanzen-Explantate zweckmäßigerweise mit Agrobacterium tumefaciens oder Agrobacterium rhizogenes kultiviert werden. Aus dem infizierten Pflanzenmaterial (z. B. Blattstücke, Stengelsegmente, Wurzeln, aber auch Protoplasten oder Suspensions-kultivierte Pflanzenzellen) können dann in einem geeigneten Medium, welches Antibiotika oder Biozide zur Selektion transformierter Zellen enthalten kann, wieder ganze Pflanzen regeneriert werden.Depending on the method of introducing desired genes into the plant cell, additional DNA Sequences may be required. Are z. B. for the transformation of the plant cell the Ti or Ri plasmid is used, at least the right boundary, but often the right and left delimitation of the T-DNA contained in the Ti and Ri plasmid as Flank area with the genes to be introduced. Will for the Transformation Agrobacteria used, the DNA to be introduced into special plasmids be cloned, either in an intermediate or in a binary vector. The intermediate vectors may be due to sequences homologous to sequences in the T-DNA are, by homologous recombination in the Ti or Ri plasmid of the agrobacteria to get integrated. This also contains the vir- necessary for the transfer of the T-DNA Region. Intermediate vectors cannot replicate in agrobacteria. By means of a Helper plasmids can transfer the intermediate vector to Agrobacterium tumefaciens become (conjugation). Binary vectors can be found in E. coli as well as in Agrobacteria replicate. They contain a selection marker gene and a linker or polylinker, which be framed by the right and left T-DNA border regions. You can go straight to the Agrobacteria are transformed. The agrobacterium serving as the host cell is said to be Plasmid carrying a vir region included. The vir region is for the transfer of T-DNA necessary in the plant cell. Additional T-DNA may be present. That like that transformed agrobacterium is used to transform plant cells. The Use of T-DNA for the transformation of plant cells has been intensively investigated and sufficient in well-known overview articles and manuals for Plant transformation has been described. For the transfer of DNA into the plant cell can plant explants expediently with Agrobacterium tumefaciens or Agrobacterium rhizogenes can be cultivated. From the infected plant material (e.g. Leaf pieces, stem segments, roots, but also protoplasts or suspension cultivated Plant cells) can then be in a suitable medium, which is antibiotics or biocides for the selection of transformed cells, can regenerate whole plants again become.
Ist die eingeführte DNA einmal im Genom der Pflanzenzelle integriert, so ist sie dort in der Regel stabil und bleibt auch in den Nachkommen der ursprünglich transformierten Zelle erhalten. Sie enthält normalerweise einen Selektionsmarker, der den transformierten Pflanzenzellen Resistenz gegenüber einem Biozid oder einem Antibiotikum wie Kanamycin, G 418, Bleomycin, Hygromycin, Methotrexat, Glyphosat, Streptomycin, Sulfonylharnstoff, Gentamycin oder Phosphinotricin u. a. vermittelt. Der individuell gewählte Marker sollte daher die Selektion transformierter Zellen gegenüber Zellen, denen die eingeführte DNA fehlt, gestatten. Hierzu sind auch alternative Marker geeignet, wie nutritive Marker, Screeningmarker. Selbstverständlich kann auch vollkommen auf Selektionsmarker verzichtet werden, was allerdings mit einem ziemlich hohen Screeningbedarf einhergeht. Falls markerfreie transgene Pflanzen erwünscht sind, stehen dem Fachmann auch Strategien zur Verfügung, die eine nachträgliche Entfernung des Markergens erlauben, z. B. Cotransformation, Sequenz-spezifische Rekombinasen.Once the introduced DNA is integrated in the genome of the plant cell, it is there in the Usually stable and remains in the progeny of the originally transformed cell receive. It usually contains a selection marker, which is the transformed one Plant cells resistance to a biocide or an antibiotic like kanamycin, G 418, bleomycin, hygromycin, methotrexate, glyphosate, streptomycin, sulfonylurea, Gentamycin or Phosphinotricin u. a. taught. The individually chosen marker should hence the selection of transformed cells over cells to which the introduced DNA missing, allow. Alternative markers are also suitable for this, such as nutritive markers, Screening markers. Of course, selection markers can also be dispensed with entirely which, however, goes hand in hand with a fairly high need for screening. If Strategies are also available to those skilled in the art if marker-free transgenic plants are desired Available, which allow a subsequent removal of the marker gene, e.g. B. Cotransformation, sequence-specific recombinases.
Die Regeneration der transgenen Pflanzen aus transgenen Pflanzenzellen erfolgt nach üblichen Regenerationsmethoden unter Verwendung bekannter Nährmedien. Die so erhaltenen Pflanzen können dann mittels üblicher Verfahren, einschließlich molekularbiologischer Methoden, wie PCR, Blot-Analysen, auf Anwesenheit der eingeführten Nukleinsäure, die für das Fusionsprotein, bestehend aus Verankerungskomponente und Abschirmungskomponente, kodiert, untersucht werden. The regeneration of the transgenic plants from transgenic plant cells takes place after usual regeneration methods using known nutrient media. The so Plants obtained can then be subjected to conventional procedures including molecular biological methods, such as PCR, blot analysis, for the presence of the Introduced nucleic acid for the fusion protein consisting of Anchoring component and shielding component, coded, are examined.
Bei der transgenen Pflanze bzw. den transgenen Pflanzenzellen kann es sich um jede beliebige monokotyle oder dikotyle Pflanze bzw. deren Pflanzenzelle handeln. Vorzugsweise handelt es sich um Nutzpflanzen bzw. Zellen von Nutzpflanzen. Besonders bevorzugt handelt es sich um Mais, Reis, Weizen, Gerste, Hafer, Roggen, Soja, Raps, Kartoffel, Tomate, Tabak, Zuckerrübe, Erbse, Banane, Ananas, Paprika, Yams, Maniok, Baumwolle.The transgenic plant or the transgenic plant cells can be any act any monocot or dicot plant or its plant cell. Preferably are useful plants or cells of useful plants. Acts particularly preferred it is corn, rice, wheat, barley, oats, rye, soybeans, rapeseed, potatoes, tomatoes, tobacco, Sugar beet, pea, banana, pineapple, paprika, yams, cassava, cotton.
Die mit dem für das Fusionsprotein kodierenden Fusionsgenkonstrukt transformierten Pflanzenzellen zeigen das erfindungsgemäße Phänomen der Bildung von Mitochondrien- Konglomeraten, bedingt durch eine Hemmung der natürlicherweise stattfindenden Mitochondrien-Teilung. Diese Hemmung wird durch Verankerung des Fusionsproteins in der äußeren Mitochondrienmembran, bewirkt durch die Verankerungskomponente des Fusionsproteins, und Abschirmung von Determinanten auf der Mitochondrien-Oberfläche, bewirkt durch die sterische Komponente des Fusionsproteins, vermittelt.Those transformed with the fusion gene construct coding for the fusion protein Plant cells show the phenomenon according to the invention of the formation of mitochondria Conglomerates caused by an inhibition of the naturally occurring Mitochondrial division. This inhibition is achieved by anchoring the fusion protein in the outer mitochondrial membrane, caused by the anchoring component of the Fusion protein, and shielding of determinants on the mitochondrial surface, caused by the steric component of the fusion protein, mediated.
Die Mitochondrien-Konglomerate der transformierten Pflanzenzellen können aufgrund ihrer Größe mittels bekannter Transformationsmethoden genetisch verändert werden.The mitochondrial conglomerates of the transformed plant cells can because of their Size can be genetically modified using known transformation methods.
Als Transformationsmethode eignet sich hier besonders das "Particle Bombardment" oder die Mikroinjektion, aber auch andere Methoden sind denkbar, wenn sie sich beispielsweise für die Transformation von Plastiden oder Protoplasten eignen bzw. für diese Objekte bewährt haben.The "particle bombardment" or the is particularly suitable as a transformation method Microinjection, but also other methods are conceivable if they are for example the transformation of plastids or protoplasts are suitable or proven for these objects to have.
Die Methode des "Particle Bombardment" wurde 1987 (Klein et al., Nature 327: 70-73) veröffentlicht und hat mittlerweile als Standardmethode Eingang in die einschlägigen Fachbücher gefunden. Die Methode wurde inzwischen auch angewandt, um Mitochondrien von Saccharomyces cerevisiae und Chlamydomonas reinhardtii zu transformieren (siehe z. B. Johnston et al. (1988) Science 240: 1538-1541; Boynton et al. (1996) Methods Enzymol. 264: 279-296; Butow and Fox (1990) Trends Biochem, Bei. 15: 465-468). The particle bombardment method was introduced in 1987 (Klein et al., Nature 327: 70-73) published and has meanwhile entered the relevant as the standard method Technical books found. The method has now also been applied to mitochondria of Saccharomyces cerevisiae and Chlamydomonas reinhardtii (see e.g. Johnston et al. (1988) Science 240: 1538-1541; Boynton et al. (1996) Methods Enzymol. 264: 279-296; Butow and Fox (1990) Trends Biochem, Bei. 15: 465-468).
Tierische Mitochondrien wurden bereits durch Elektroporation erfolgreich transformiert (Collombet et al. (1997) J. Biol. Chem. 272: 5342-5347).Animal mitochondria have already been successfully transformed by electroporation (Collombet et al. (1997) J. Biol. Chem. 272: 5342-5347).
Bereits seit Jahren als Mittel zur Kerntransformation bekannt (Crossway et al. (1986) Mol. Gen. Genet. 202: 79-85), wurde die Methode der Injektion von DNA mittels einer feinen Kapillare inzwischen so weit verfeinert, daß auch Chloroplasten transformiert werden können. (Knoblauch et al. (1999) Nat. Biotechnol. 17: 906-909.) Die erfindungsgemäßen Mitochondrien-Konglomerate übertreffen teilweise die Größe von Chloroplasten, so daß auch deren Transformation mittels Mikroinjektion durchführ sein dürfte.Known for years as a means of nuclear transformation (Crossway et al. (1986) Mol. Gene. Genet. 202: 79-85), the method of injecting DNA using a fine Capillaries have now been refined to such an extent that chloroplasts can also be transformed. (Knoblauch et al. (1999) Nat. Biotechnol. 17: 906-909.) The inventive Mitochondrial conglomerates partially exceed the size of chloroplasts, so that too whose transformation should be carried out by means of microinjection.
Nach erfolgreicher Transformation der Mitochondrien müssen diese, analog zu transgenen Chloroplasten, durch Rückkreuzungen selektiert werden. Ein Rückkreuzung derjenigen Pflanzen mit transformierten Mitochondrien ist notwendig, um den Phänotyp der Mitochondrien-Konglomerate zu eliminieren. Die Rückkreuzung kann erleichtert werden, indem das zu den Konglomeraten führende Gen mit einem negativen Selektionsmarker cotransformiert wird. Dieser negative Selektionsmarker tötet unter geeigneten Bedingungen alle im Kern transformierten Pflanzen ab. Zusammen mit Bedingungen, die eine positive Selektion von transformierten Mitochondrien ermöglichen, können nur Pflanzen überleben, die transformierte Mitochondrien besitzen und deren zu Konglomeraten führendes Gen samt negativem Selektionsmarker ausgekreuzt wurde.After successful transformation of the mitochondria, they must be analogous to transgenic Chloroplasts can be selected by backcrossing. A backcross of those Plants with transformed mitochondria is necessary to determine the phenotype of the Eliminate mitochondrial conglomerates. The back crossing can be facilitated by the gene leading to the conglomerates with a negative selection marker is cotransformed. This negative selection marker kills under appropriate conditions all plants transformed in the core. Along with conditions that are positive Enable selection of transformed mitochondria, only plants can survive which have transformed mitochondria and their gene leading to conglomerates together negative selection marker was crossed out.
Beispiele für negative Selektionsmarker sind z. B. codA (Cytosin-Deaminase; Stougaard (1993) Plant J. 3: 755-761) und dhlA (Haloalkan-Dehalogenase; Naested et al. (1999) Plant J. 18: 571-576).Examples of negative selection markers are e.g. B. codA (cytosine deaminase; Stougaard (1993) Plant J. 3: 755-761) and dhlA (haloalkane dehalogenase; Naested et al. (1999) Plant J. 18: 571-576).
Die Erfindung betrifft somit auch Pflanzenzellen und Pflanzen, die Mitochondrien aufweisen, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens transformiert wurden, sowie Vermehrungsmaterial und Ernteprodukte dieser Pflanzenzellen bzw. Pflanzen, beispielsweise Früchte, Samen, Knollen, Wurzelstöcke, Sämlinge, Stecklinge usw.The invention thus also relates to plant cells and plants which have mitochondria, which were transformed by means of the method according to the invention, and propagation material and harvest products of these plant cells or plants, for example fruits, Seeds, tubers, rhizomes, seedlings, cuttings, etc.
Die vorliegende Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen, die nur der Veranschaulichung der Erfindung dienen und in keiner Weise als Einschränkung zu verstehen sind, erläutert.The present invention is illustrated in the following examples, which are only the Serve to illustrate the invention and are not to be understood in any way as a limitation are explained.
Klonierungsverfahren wie z. B. Restriktionsspaltungen, DNA-Isolierung, Agarose- Gelelektrophorese, Reinigung von DNA-Fragmenten, Transfer von Nukleinsäuren auf Nitrocellulose und Nylon-Membranen, Verknüpfen von DNA-Fragmenten, Transformation von E. coli-Zellen, Anzucht von Bakterien, Sequenzanalyse rekombinanter DNA, wurden nach Sambrook et al. (1989, vide supra) durchgeführt.Cloning procedures such as B. restriction cleavages, DNA isolation, agarose Gel electrophoresis, purification of DNA fragments, transfer of nucleic acids to Nitrocellulose and nylon membranes, linking DNA fragments, transformation of E. coli cells, culture of bacteria, sequence analysis of recombinant DNA according to Sambrook et al. (1989, vide supra).
Die Transformation von Agrobacterium tumefaciens wurde entsprechend der Methode von Höfgen und Willmitzer (Nucl. Acids Res. (1988) 16, 9877) ausgeführt. Die Anzucht der Agrobakterien erfolgte in YEB-Medium (Vervliet et al. (1975) J. Gen. Virol. 26, 33).The transformation of Agrobacterium tumefaciens was carried out according to the method of Höfgen and Willmitzer (Nucl. Acids Res. (1988) 16, 9877). The cultivation of the Agrobacteria occurred in YEB medium (Vervliet et al. (1975) J. Gen. Virol. 26, 33).
E. coli (XL-1 Blue)-Bakterien wurden von der Firma Stratagene (La Jolla, Californien, USA) bezogen. Der für die Pflanzentransformation eingesetzte Agrobacterium-Stamm (C58C1 mit dem Plasmid pGV 3850kan) wurde von Debleare et al. (1985, Nucl. Acids Res. 13, 4777) beschrieben. Zur Klonierung wurden die Vektoren pCR-Blunt (Invitrogen, Carlsbad, Californien, USA), pBluescript SK-(Stratagene) und pBinAR (Höfgen und Willmitze (1990) Plant Sci. 66: 221-230) verwendet.E. coli (XL-1 Blue) bacteria were from Stratagene (La Jolla, California, USA) based. The Agrobacterium strain (C58C1 with the plasmid pGV 3850kan) was developed by Debleare et al. (1985, Nucl. Acids Res. 13, 4777) described. For the cloning, the vectors pCR-Blunt (Invitrogen, Carlsbad, California, USA), pBluescript SK- (Stratagene) and pBinAR (Höfgen and Willmitze (1990) Plant Sci. 66: 221-230) is used.
Zur Tabaktransformation von Tabakpflanzen (Nicotiana tabacum L.cv. Samsun NN) wurden 10 ml einer unter Selektion gewachsenen Übernachtkultur von Agrobacterium tumefaciens abzentrifugiert, der Überstand verworfen, und die Bakterien im gleichen Volumen Antibiotika-freien Mediums resuspendiert. In einer sterilen Petrischale wurden Blattscheiben steriler Pflanzen (Durchmesser ca. 1 cm) in dieser Bakterienlösung gebadet. Anschließend wurden die Blattscheiben in Petrischalen auf MS-Medium (Murashige und Skoog (1962) Physiol. Plant 15, 473) mit 2% Saccharose und 0,85 Bacto-Agar aus gelegt. Nach 2-tägiger Inkubation im Dunkeln bei 25°C wurden die Blattscheiben auf MS-Medium mit 100 mg/l Kanamycin, 500 mg/l Claforan, 1 mg/l Benzylaminopurin (BAP), 0,2 mg/l Naphthyl essigsäure (NAA), 1,6% Glukose und 0,85 Bacto-Agar übertragen und die Kultivierung (16 h Licht/8 h Dunkelheit) fortgesetzt. Wachsende Sprosse wurden auf hormonfreies MS- Medium mit 2% Saccharose, 215 mg/l Claforan und 0,8% Bacto-Agar überführt.For the tobacco transformation of tobacco plants (Nicotiana tabacum L.cv. Samsun NN) 10 ml of an overnight culture of Agrobacterium tumefaciens grown under selection centrifuged, the supernatant discarded, and the bacteria in the same volume Resuspended medium free of antibiotics. Leaf disks were placed in a sterile petri dish sterile plants (diameter approx. 1 cm) bathed in this bacterial solution. Subsequently the leaf disks were placed in petri dishes on MS medium (Murashige and Skoog (1962) Physiol. Plant 15, 473) with 2% sucrose and 0.85 Bacto agar. After 2 days The leaf disks were incubated in the dark at 25 ° C. on MS medium at 100 mg / l Kanamycin, 500 mg / l Claforan, 1 mg / l benzylaminopurine (BAP), 0.2 mg / l naphthyl acetic acid (NAA), 1.6% glucose and 0.85 Bacto agar transferred and the cultivation (16 h Light / 8 h dark) continued. Growing sprouts were on hormone-free MS Medium transferred with 2% sucrose, 215 mg / l Claforan and 0.8% Bacto agar.
Es wurden zwei Fusionskonstrukte von Hexokinase 1 (Hxk1, siehe oben) mit dem Green Fluorescent Protein (GFP) erzeugt, in denen der Hxk1-Anteil unterschiedlich groß war. Die Fusionskonstrukte von Hxk1 und GFP sind in Abb. 1 dargestellt. In dem kürzeren Konstrukt HxK1N::GFP (N steht für N-Terminus) wurde nur der N-Terminus von Hxk1, umfassend das putative Signalpeptid, mit GFP fusioniert. Bei dem größeren Konstrukt HxK1::GFP wurde die gesamte für Hxk1 kodierende Sequenz mit der für GFP zusammengefügt.Two fusion constructs of hexokinase 1 (Hxk1, see above) were generated with the Green Fluorescent Protein (GFP), in which the Hxk1 content was different. The fusion constructs of Hxk1 and GFP are shown in Fig. 1. In the shorter construct HxK1N :: GFP (N stands for N-terminus), only the N-terminus of Hxk1, comprising the putative signal peptide, was fused with GFP. In the larger construct HxK1 :: GFP, the entire sequence coding for Hxk1 was combined with that for GFP.
Die Fusionspartner GFP und Hxk1 bzw. Hxk1N wurden mit Hilfe der Polymeraseketten reaktion (polymerase chain reaction, PCR) kloniert. Die Polymerisierungsschritte wurden in einem automatisierten T3-Thermocycler (Biometra, Göttingen, Deutschland) nach den unten angegebenen Programmen durchgeführt. Die PCR-Konstrukte wurden in dem Vektor pCR- Blunt (Invitrogen) vermehrt. Die Hxk1-Subfragmente wurden dann als BamHI/EcoRI- Restriktionsfragmente in den Vektor pBluescript SK-(Stragagene) ligiert. Das GFP-Fragment wurde als EcoRI/SalI-Restriktionsfragment angeschlossen. Das gesamte Konstrukt wurde dann als BamHI/SalI-Fragment ausgeschnitten und in den binären Vektor pBinAR ligiert.The fusion partners GFP and Hxk1 and Hxk1N were created using the polymerase chains reaction (polymerase chain reaction, PCR) cloned. The polymerization steps were in an automated T3 thermal cycler (Biometra, Göttingen, Germany) according to the below specified programs. The PCR constructs were in the vector pCR Blunt (Invitrogen) increased. The Hxk1 subfragments were then labeled as BamHI / EcoRI Restriction fragments ligated into the vector pBluescript SK- (Stragagene). The GFP fragment was connected as an EcoRI / SalI restriction fragment. The whole construct was then cut out as a BamHI / SalI fragment and ligated into the binary vector pBinAR.
Für die PCR-Amplifikationen wurden folgende Oligonukleotide und Templates eingesetzt.The following oligonucleotides and templates were used for the PCR amplifications.
(Die Restriktionsschnittstellen für die Enzyme EcoRI, BamHI und SalI sind unterlegt).(The restriction sites for the enzymes EcoRI, BamHI and SalI are highlighted).
Als Matrize für Hxk1 wurde ein HK1-cDNA-Klon verwendet, der aus einer cDNA-Bank isoliert wurde, die mit derjenigen identisch ist, aus welcher der von Wiese et al. veröffent lichte Klon Hxk1 isoliert wurde (Wiese et al. (1999) FEBS Lett. 461: 13-8.).A HK1 cDNA clone was used as a template for Hxk1, which clone from a cDNA library was isolated, which is identical to that from which the by Wiese et al. published light clone Hxk1 was isolated (Wiese et al. (1999) FEBS Lett. 461: 13-8.).
Als Matrize für GFP wurde der Vektor pBin-mGFPS-ER eingesetzt (Siemering K. R. et al. (1996), Curr. Biol. 6: 1653-1663). The vector pBin-mGFPS-ER was used as the template for GFP (Siemering K.R. et al. (1996), Curr. Biol. 6: 1653-1663).
Die Zusammensetzung der PCR-Reaktionsansätze und das jeweils verwendete PCR- Programm sind im folgenden angegeben.The composition of the PCR reaction batches and the PCR used in each case Program are given below.
Die Nukleinsäuresequenzen der oben beschriebenen Fusionskonstrukte sind zusammen mit den Aminosäuresequenzen der von den Fusionskonstrukten kodierten Fusionsproteine unten angegeben.The nucleic acid sequences of the fusion constructs described above are together with the amino acid sequences of the fusion proteins encoded by the fusion constructs below specified.
Die ersten 25 Basen entsprechen der Sequenz des PCR-Primer HK9GFP5, einschließlich der BamHI-Restriktionsschnittstelle (kursiv). Das ATG-Startkodon von Hxk1 ist unterlegt. Die EcoRI-Restriktionsschnittstelle, über die das GFP-Fragment an das Hxk1-Fragment angeschlossen wurde, ist ebenfalls kursiv dargestellt. Die letzten 29 Basen ergeben sich aus dem verwendeten PCR-Primer K76 (Gegenstrang, einschließlich SalI- Restriktionsschnittstelle). The first 25 bases correspond to the sequence of the PCR primer HK9GFP5, including the BamHI restriction site (italic). The ATG start codon from Hxk1 is highlighted. The EcoRI restriction site via which the GFP fragment connects to the Hxk1 fragment connected, is also shown in italics. The last 29 bases result from the PCR primer K76 used (counter strand, including SalI- Restriction site).
Die EcoRI-Fusion resultiert in den Aminosäuren 43-44, EF. Die EcoRI-Schnittstelle GAATTC befindet sich bereits in dem GFP-Template pBin-mGFP5-ER, wodurch eine Endoplasmatische Reticulum-Signalsequenz (pBin-mGFP5-ER) vorgeschaltet wurde. Diese Signalsequenz wurde allerdings im Rahmen der Erfindung nicht verwendet und die EcoRI- Nucleotide sind für die Funktion von GFP nicht notwendig (vgl. Accessionsnummern U87974 mit, und U87973 ohne diese Restriktionsstelle). Die Sequenz von Hxk1 an der betreffenden Stelle lautet GAATTT, was ebenfalls zu EF translatiert wird. Die Aminosäuren EF können demnach noch zur Hexokinase-Sequenz gerechnet werden.The EcoRI fusion results in amino acids 43-44, EF. The EcoRI interface GAATTC is already in the GFP template pBin-mGFP5-ER, which means that Endoplasmic reticular signal sequence (pBin-mGFP5-ER) was connected upstream. This However, signal sequence was not used in the context of the invention and the EcoRI Nucleotides are not necessary for GFP to function (see Access Numbers U87974 with, and U87973 without this restriction site). The sequence of Hxk1 on that Digit is GAATTT, which is also translated to EF. The amino acids EF can therefore still count towards the hexokinase sequence.
Bei HxK1::GFP wurde das Hxk-Stopcodon TAG in GAA von EcoRI mutiert. Die Aminosäuren EF befinden sich an Position 498-499.In HxK1 :: GFP, the Hxk stop codon TAG was mutated by EcoRI in GAA. The Amino acids EF are at positions 498-499.
Von der Unterseite eines Blatts wurde in Stück Epidermis abgezogen und am CLSM 410 der Firma Zeiss (Jena, Deutschland) mit Licht der Wellenlängen 488 bzw. 543 nm bestrahlt. Die Emissionen wurden durch einen Bandpaßfilter auf 510 bis 525 nm beschränkt. GFP-Protein wurde dabei hellgrün sichtbar.The epidermis was peeled off from the underside of a leaf and the CLSM 410 Zeiss (Jena, Germany) irradiated with light of the wavelengths 488 and 543 nm. The Emissions were limited to 510 to 525 nm by a bandpass filter. GFP protein became visible in light green.
Die Fusionskonstrukte wurden wie oben angegeben auf Tabakzellen übertragen und transgene Pflanzen regeneriert. Epidermis-Proben der transgenen Pflanzen zeigten im Fluoreszenz- Mikroskop grün leuchtende Signale des GFP. Überraschend war allerdings zunächst, daß die beiden Konstrukte unterschiedliche Verteilungsmuster von GFP zeigten. Während das kleine Konstrukt mehrere kleine leuchtende GFP-Signale verursachte, wurden durch das größere Konstrukt deutlich größere leuchtende Bereiche, in der Größe vergleichbar dem Zellkern, markiert. Die elektronenmikroskopische Untersuchung des Pflanzengewebes zeigte dann, daß die großen GFP-markierten Bereiche Ansammlungen von Mitochondrien waren, die in unterschiedlichem Ausmaß aggregiert waren. Assoziiert mit diesen Aggregaten waren auch Peroxisomen. In den mit dem kleineren Konstrukt, Hxk1N::GFP, transformierten Pflanzen zeigten die Mitochondrien ebenfalls eine Affinität zueinander, jedoch in schwächerem Ausmaß als bei Hxk1::GFP. The fusion constructs were transferred to tobacco cells and transgenic as indicated above Plants regenerate. Epidermis samples of the transgenic plants showed in fluorescence Microscope glowing green signals of the GFP. What was surprising at first was that the both constructs showed different distribution patterns of GFP. While the little one Construct several small glowing GFP signals caused by the larger one Construct significantly larger luminous areas, comparable in size to the cell nucleus, marked. The electron microscopic examination of the plant tissue then showed that the large GFP-marked areas were collections of mitochondria that were found in were aggregated to varying degrees. Associated with these aggregates were also Peroxisomes. In the plants transformed with the smaller construct, Hxk1N :: GFP the mitochondria also showed an affinity for each other, but in a weaker way Extent than Hxk1 :: GFP.
Durch die Lokalisierung von GFP an der äußeren Mitochondrien-Membran kam es zur Aggregation der Mitochondrien. Der Grad der Aggregation war dabei von der Größe des GFP-Fusionsproteins abhängig. Durch das chimäre Protein Hxk1::GFP kam es zu großen Konglomeraten von Mitochondrien und Peroxisomen, während das kleinere Fusionsprotein HxK1N::GFP nur eine Affinität beider Organelltypen erzeugte. Während der Effekt des größeren Konstrukts bereits im Lichtmikroskop nachweisbar war, war der kleine Effekt von HxK1N::GFP erst unter dem Elektronenmikroskop erkennbar.The localization of GFP on the outer mitochondrial membrane led to Mitochondrial aggregation. The degree of aggregation was of the size of the GFP fusion protein dependent. The chimeric protein Hxk1 :: GFP led to large ones Conglomerates of mitochondria and peroxisomes, while the smaller fusion protein HxK1N :: GFP only generated an affinity for both organelle types. While the effect of the larger construct was already detectable in the light microscope, was the small effect of HxK1N :: GFP can only be seen under the electron microscope.
Es wird davon ausgegangen, daß die Entstehung der Mitochondrien-Konglomerate darauf zurückzuführen ist, daß durch die große Menge in der äußeren Mitochondrien-Membran verankerter fremder Proteine die vollständige Teilung der Organellen gestört ist, die Anwesenheit des Fusionsproteins somit die Teilung der Mitochondrien durch Abschnürung be- bzw. verhindert. Hierfür sprechen auch die in Abb. 3 gezeigten elektronenmikroskopischen Aufnahmen.It is assumed that the formation of the mitochondrial conglomerates is due to the fact that the large amount of foreign proteins anchored in the outer mitochondrial membrane disturbs the complete division of the organelles, and the presence of the fusion protein thus limits the division of the mitochondria by constriction - or prevented. The electron micrographs shown in Fig. 3 also speak for this.
Bei der ersten veröffentlichten Transformation von Hefe-Mitochondrien wurde eine Mutation im mitochondriellen Gen oxi3, kodierend für größte Untereinheit von Cytochrom Oxidase (COXI), durch homologe Rekombination mit dem WT-Gen korrigiert. Da die Zellen hierdurch die Fähigkeit zu atmen wiedererlangten, konnte man sie dadurch screenen. Die hier beschriebene Transformation der erfindungsgemäßen Mitochondrien-Konglomerate basiert auf einer durch mitochondrielle Transformation vermittelten Oligomycin-Resistenz. Oligomycin hemmt spezifisch die mitochondrielle FOFl ATPase (daher auch die Benennung FO für Oligomycin-sensitiv; diese Bezeichnung wurde dann bei der chloroplastidären ATPase beibehalten, obwohl diese nicht sensitiv ist). Im mitochondriellen Genom Oligomycin resistenter Hefe- und Hamsterzellen wurden im Gen für die Untereinheit 6 Mutationen gefunden, die wahrscheinlich für die Resistenz verantwortlich sind. (Breen et al. (1986) J. Biol. Chem. 261: 11680-11685; Holmans et al. (1987) Somat. Cell. Mol. Genet. 13: 347-353; John and Nagley (1986) FEBS Lett. 207: 79-83). Für eine weitere Form von Resistenz gegen Oligomycin, bzw. Venturicidin und Ossamycin in Hefe wurde eine Mutation im mitochondriellen Gen für die Untereinheit 9 verantortlich gemacht. (Galanis M et al. (1989) FEBS Lett. 249: 333-336; Nagley et al. (1986) FEBS Lett. 195: 159-163). Beide Gene sind auch in pflanzlichen Mitochondrien verbreitet, so daß auf einer dadurch vermittelten Resistenz ein Transformations-Protokoll aufgebaut werden kann.In the first published transformation of yeast mitochondria, a mutation in the mitochondrial gene oxi3, coding for the largest subunit of cytochrome oxidase (COXI), was corrected by homologous recombination with the WT gene. Because the cells regained the ability to breathe, they could be screened. The transformation of the mitochondrial conglomerates according to the invention described here is based on oligomycin resistance mediated by mitochondrial transformation. Oligomycin specifically inhibits the mitochondrial F O F l ATPase (hence the name FO for oligomycin-sensitive; this designation was then retained for the chloroplastid ATPase, although it is not sensitive). In the mitochondrial genome oligomycin-resistant yeast and hamster cells, 6 mutations were found in the gene for the subunit, which are probably responsible for the resistance. (Breen et al. (1986) J. Biol. Chem. 261: 11680-11685; Holmans et al. (1987) Somat. Cell. Mol. Genet. 13: 347-353; John and Nagley (1986) FEBS Lett. 207: 79-83). A mutation in the mitochondrial gene for subunit 9 was made responsible for a further form of resistance to oligomycin, or venturicidin and ossamycin in yeast. (Galanis M et al. (1989) FEBS Lett. 249: 333-336; Nagley et al. (1986) FEBS Lett. 195: 159-163). Both genes are also widespread in plant mitochondria, so that a transformation protocol can be built up on resistance imparted thereby.
Der erste Schritt zu einem reproduzierbaren Protokoll besteht darin, eine mutierte Form eines der beiden benannten Gene, welche Oligomycin-Resistenz verleiht, in ein Mitochondrion einzubringen. Bei es durch Particle Bombardment oder durch Mikroinjektion. Beide Verfahren werden analog zur Plastiden-Transformation eingesetzt. Das Screening auf Oligomycin-Resistenz erbringt dabei den Beweis einer gelungenen Transformation.The first step to a reproducible protocol is a mutated form of a of the two named genes that confer resistance to oligomycin into a mitochondrion contribute. At it by particle bombardment or by microinjection. Both Methods are used analogously to plastid transformation. The screening on Resistance to oligomycin provides proof of a successful transformation.
Der zweite Schritt ist die Herstellung eines Gens, welches a) Oligomycin-Resistenz als
Marker und b) das biotechnologisch oder physiologisch interessante Gen unter Kontrolle
eines mitochondriellen Promotors enthält (zum mitochondriellen Genom von Arabidopsis
thaliana siehe z. B. Unseld et al. (1997) Nat. Genet. 15: 57-61). Das chimäre Gen aus
Oligomycinresistenter ATPase-Untereinheit, Promotor und Transgen, wird an beiden Enden
mit mitochondrieller DNA versehen, die ihm die homologe Rekombination ins Zielgenom
ermöglicht. Dabei werden evtl. größere Bereiche des Zielgenoms ausgetauscht. Hier muß der
Fachmann entscheiden, welche Bereiche des ursprünglichen mitochondriellen Genoms
entbehrlich sind. Dabei gibt es zwei Strategien:
The second step is the production of a gene which contains a) oligomycin resistance as a marker and b) the biotechnologically or physiologically interesting gene under the control of a mitochondrial promoter (for the mitochondrial genome of Arabidopsis thaliana, see e.g. Unseld et al. (1997 ) Nat. Genet. 15: 57-61). The chimeric gene from oligomycin-resistant ATPase subunit, promoter and transgene is provided with mitochondrial DNA at both ends, which enables it to be homologously recombined into the target genome. Larger areas of the target genome may be exchanged. Here the expert has to decide which areas of the original mitochondrial genome are unnecessary. There are two strategies:
- a) Das ursprüngliche Gen für ATPase-Untereinheit wird durch das Markergen ersetzt. Durch das ebenfalls an diese Stelle integrierende Transgen werden möglicherweise wichtige Gene ersetzt. a) The original gene for ATPase subunit is replaced by the marker gene. By the transgene also integrating here may become important Genes replaced.
- b) Das chimäre Gen integriert an einer unwichtigen Stelle im mitochondriellen Genom, wodurch der Fortbestand der ursprünglichen Gene gesichert ist. Das Markergen für die Oligomycin-Resistenz ersetzt dabei nicht das ursprüngliche Gen für die ATPase- Untereinheit, sondern auch dieses bleibt bestehen. Somit hätte das transformierte mitochondrielle Genom zwei Gene für die ATPase-Untereinheit, wobei nur eines Oligomycin-Resistenz verleiht. Der Nachteil wäre hier möglicherweise eine verminderte Resistenz.b) the chimeric gene integrates at an unimportant location in the mitochondrial genome, which ensures the survival of the original genes. The marker gene for the Oligomycin resistance does not replace the original gene for ATPase Subunit, but this also remains. So that would have transformed mitochondrial genome two genes for the ATPase subunit, only one Confers resistance to oligomycin. The disadvantage here would possibly be a diminished one Resistance.
Thorsness und Fox gelang es, ein fremdes Gen (ura3) in das mitochondrielle Genom von Hefe zu integrieren. Dieses jedoch ohne Promotor, da nur untersucht wurde, ob dieses Gen vom mitochondriellen ins nukleäre Genom gelangen kann. (Thorsness and Fox (1990) Nature 346: 376-379). Analog ist nach dem oben beschriebenen Protokoll und den ebenfalls oben erwähnten Transformationsmethoden die Integration fremder DNA auch bei pflanzlichen Mitochondrien möglich.Thorsness and Fox managed to insert a foreign gene (ura3) into the mitochondrial genome of yeast to integrate. This, however, without a promoter, since it was only examined whether this gene from mitochondrial into the nuclear genome. (Thorsness and Fox (1990) Nature 346: 376-379). The same is true according to the protocol described above and also above mentioned transformation methods the integration of foreign DNA also in plant Mitochondria possible.
Fig. 1 zeigt die Fusionskonstrukte von Hexokinase 1 (Hxk1) mit dem Green Fluorescent Protein (GFP), in denen der Hxk1-Anteil unterschiedlich groß war. In dem kürzeren Konstrukt Hxk1N:: GFP wurde nur der N-Terminus von Hxk 1, umfassend das putative Signalpeptid, mit GFP fusioniert. Bei dem größeren Konstrukt Hxk1::GFP wurde die gesamte für Hxk1 kodierende Sequenz mit der für GFP zusammengefügt. In Fig. 1 steht HK1 für Hxk1 bzw. HK1N für Hxk1N. Fig. 1 shows the fusion constructs of hexokinase 1 (Hxk1) with the Green Fluorescent Protein (GFP) in which the Hxk1 proportion was different in size. In the shorter construct Hxk1N :: GFP, only the N-terminus of Hxk 1, comprising the putative signal peptide, was fused to GFP. In the larger construct Hxk1 :: GFP, the entire sequence coding for Hxk1 was combined with that for GFP. In Fig. 1, HK1 stands for Hxk1 and HK1N for Hxk1N.
Fig. 2 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme von Hxk1::GFP-Organellen. Im linken Bild sind mittig aggregierte Mitochondrien zu sehen, in der oberen rechten Ecke Peroxisomen. Im rechten Bild sind aggregierte Mitochondrien und Chloroplasten zu sehen. Die schwarzen Punkte sind goldmarkierte Antikörper gegen GFP. Fig. 2 shows an electron micrograph of Hxk1 :: GFP-organelles. In the left picture, aggregated mitochondria can be seen in the middle, peroxisomes in the upper right corner. The right picture shows aggregated mitochondria and chloroplasts. The black dots are gold-labeled antibodies against GFP.
Fig. 3a und b (verschiedene Vergrößerungen) zeigen ebenfalls elektronenmikroskopische Aufnahmen von HxK1::GFP-Organellen, wobei deutlich zu erkennen ist, daß die Bildung der Mitochondrien-Konglomerate auf eine gestörte Mitochondrien-Teilung zurückzuführen sein scheint. Figures 3a and b (different magnifications). Also show electron micrographs of HxK1 :: GFP organelles, it being clearly seen that the formation of the mitochondria conglomerates to impaired mitochondrial division appears to be due.
Claims (10)
- a) Erzeugung von Mitochondrien-Konglomeraten nach einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- b) Transformation der Mitochondrien mit einem Nukleinsäuremolekül
- c) Auskreuzen des Phänotyps der konglomerierten Mitochondrien.
- a) generation of mitochondrial conglomerates by a method according to one of the preceding claims,
- b) transformation of the mitochondria with a nucleic acid molecule
- c) Crossing out the phenotype of the conglomerated mitochondria.
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