DE19826444C1 - DNA encoding a spinach glucose translocator, plasmids, bacteria, yeast and transformed plant cells - Google Patents
DNA encoding a spinach glucose translocator, plasmids, bacteria, yeast and transformed plant cellsInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine DNA-Sequenz aus Spinacia oleracea (Spinat), die die Kodierregion eines Glukose-Translokators enthält, deren Einführung in ein pflanzliches Genom die Bildung und Weiterleitung von Kohlenstoffgrundgerüsten in transgenen Pflanzen verändert, Plasmide, Hefen und Bakterien enthaltend diese DNA-Sequenzen, sowie transgene Pflanzen, bei denen durch Einführung der DNA- Sequenz Veränderungen der Aktivität des Glukose-Translokators und somit Änderungen im Kohlenstoffwechsel hervorgerufen werden. Weiterhin betrifft die Erfindung die Nutzung der beschriebenen Sequenz des Glukose-Translokators zur Identifizierung verwandter Translokatoren aus anderen Pflanzen (Angiospermen, Gymnospermen, sowie Algen) durch Hybridisierung mit niedriger Stringenz oder durch PCR-Techniken, sowie die Nutzung des Glukose-Translokators als Ziel ("Target") für Herbizide.The present invention relates to a DNA sequence from Spinacia oleracea (spinach), which contains the coding region of a glucose translocator, its introduction into a plant genome the formation and transfer of carbon skeletons in transgenic plants altered, containing plasmids, yeasts and bacteria DNA sequences, as well as transgenic plants in which the introduction of DNA Sequence changes in the activity of the glucose translocator and thus Changes in carbon change are caused. Furthermore concerns the invention the use of the described sequence of the glucose translocator to identify related translocators from other plants (Angiosperms, gymnosperms, as well as algae) through hybridization with lower Stringency or by PCR techniques, as well as the use of the glucose translocator as a target for herbicides.
Die pflanzliche Photosynthese ist der größte Produktionsprozeß der Erde und der einzige Prozeß, der den Gesamtvorrat an nutzbarer Energie auf unserem Planeten vergrößert: mehr als 10 Milliarden Tonnen Kohlenstoff werden jährlich in Kohlenhydrate oder andere organische Materie als Energie und letztlich als unsere Nahrungsgrundlage gespeichert. Diese Energiemenge entspricht etwa 5% der aller bekannten fossilen Energiequellen. Die Photosynthese ist damit die Grundlage allen Lebens. Während dieses in photosynthetisch aktiven Plastiden stattfindenden Prozesses werden aus dem atmosphärischen CO2, anorganischem Phosphat und Wasser mit Hilfe der im Zuge der Lichtreaktion gebildeten Produkte, Adenosintriphosphat (ATP) und Reduktionsäquivalente (NADPH2), ein Kohlenstoffgerüst mit 3 C-Atomen, Triosephosphate, synthetisiert. Dieses Primärprodukt der CO2-Fixierung wird über einen speziellen Translokator (Triosephosphat/Phosphat-Translokator, TPT; Flügge et al., 1989, EMBO J. 8: 39-46; Flügge et al., 1991, Nature 353: 364-367) aus dem Chloroplasten austransportiert und im Cytoplasma in einer Reihe von aufeinanderfolgenden Reaktionen in Saccharose (Rohrzucker) überführt. Während der Biosynthese von Saccharose wird das anorganische Phosphat wieder freigesetzt und über den oben erwähnten Triosephosphat/Phosphat-Translokator in die Chloroplasten zurücktransportiert. Hier wird aus dem Phosphat neuerlich ATP gebildet, eine Reaktion, die von der lichtgetriebenen ATP-Synthase katalysiert wird. Es ist ersichtlich, daß der von dem Triosephosphat/Phosphat-Translokator katalysierte Export des während des Tages fixierten Kohlenstoffs im Austausch mit anorganischem Phosphat in essentieller Weise die beiden Kompartimente Chloroplast und Cytoplasma verbindet. Plant photosynthesis is the largest production process on earth and the only process that increases the total supply of usable energy on our planet: more than 10 billion tons of carbon are stored annually in carbohydrates or other organic matter as energy and ultimately as our food base. This amount of energy corresponds to about 5% of all known fossil energy sources. Photosynthesis is the basis of all life. During this process, which takes place in photosynthetically active plastids, adenosine triphosphate (ATP) and reduction equivalents (NADPH 2 ), a carbon skeleton with 3 carbon atoms, triosephosphates are formed from the atmospheric CO 2 , inorganic phosphate and water with the help of the products formed in the course of the light reaction. synthesized. This primary product of the CO 2 fixation is via a special translocator (triose phosphate / phosphate translocator, TPT; Flügge et al., 1989, EMBO J. 8: 39-46; Flügge et al., 1991, Nature 353: 364-367 ) transported out of the chloroplast and converted into sucrose (cane sugar) in the cytoplasm in a series of successive reactions. During the biosynthesis of sucrose, the inorganic phosphate is released again and transported back into the chloroplasts via the triose phosphate / phosphate translocator mentioned above. Here ATP is again formed from the phosphate, a reaction that is catalyzed by the light-driven ATP synthase. It can be seen that the export of the carbon fixed during the day, catalyzed by the triose phosphate / phosphate translocator, in an exchange with inorganic phosphate, essentially connects the two compartments chloroplast and cytoplasm.
Während der Lichtperiode können die über die Photosynthese gebildeten Triosephosphate auch in Stärke, die sog. Assimilationsstärke, überführt werden. Dieser Prozeß läuft in den Chloroplasten ab und dient dem Aufbau eines transienten Kohlenstoff-Speichers, auf den die Pflanze während der anschließenden Nacht- Periode zurückgreifen kann. Weiterhin kann auf diesem Wege auch dann Kohlenstoff assimiliert werden, falls die Saccharose-Biosynthese im Cytosol nicht mit der Netto-CO2-Assimilation Schritt hält. In der folgenden Dunkelperiode wird der Stärkespeicher wieder abgebaut und die Spaltprodukte der Stärkemobilisierung werden aus den Chloroplasten ausgeschleust und, nach einem weiteren Umbau in die Transportform des Photoassimilates (vornehmlich Saccharose), aus dem Blatt exportiert. Somit ist gewährleistet, daß die nicht-grünen Gewebe kontinuierlich, sowohl während des Tages als auch während der Nacht, mit Photoassimilaten versorgt werden.During the light period, the triose phosphates formed by photosynthesis can also be converted into starch, the so-called assimilation starch. This process takes place in the chloroplasts and serves to build up a transient carbon store that the plant can use during the subsequent night period. Furthermore, carbon can also be assimilated in this way if the sucrose biosynthesis in the cytosol does not keep pace with the net CO 2 assimilation. In the following dark period, the starch storage is broken down again and the fission products of the starch mobilization are removed from the chloroplasts and, after further conversion into the form of transport of the photoassimilate (primarily sucrose), exported from the leaf. This ensures that the non-green tissues are continuously supplied with photoassimilates, both during the day and during the night.
Der Mobilisierung der Assimilations-Stärke kann sowohl über einen phosphorolytischen als auch über einen hydrolytischen Abbau erfolgen. Im ersten Fall gelangt man zu Hexosephosphaten und letztlich zu Triosephosphaten, die über den oben erwähnten TPT aus den Chloroplasten exportiert werden können. Im Cytosol erfolgt dann die weitere Umsetzung zu Saccharose. Zunächst wird unter Katalyse der Triosephosphat-Isomerase und der Aldolase aus den Triosephosphaten Glycerinaldehyd-3-Phosphat und Dihydroxyaceton-Phosphat Fruktose-1,6- bisphosphat gebildet. Diese reversiblen Gleichgewichtsreaktionen werden durch die Abspaltung einer Phosphatgruppe von Fruktose-1,6-bisphosphat in Richtung Fruktose-6-Phosphat vorangetrieben. Allerdings setzt dies die Aktivität der cytosolischen Fruktose-1,6-bisphosphatase (FBPase) voraus, die als eines der Schlüsselenzyme für die Saccharose-Biosynthese angesehen werden kann. Die FBPase steht allerdings unter strenger Kontrolle von Fruktose 2,6-bisphosphat, einem effizienten negativen Modulator. Die Konzentration dieses FBPase-Inhibitors weist einen diurnalen Rhythmus auf, ist im Licht niedrig und im Dunkel so hoch, daß hier die FBPase weitgehend ausgeschaltet ist (Stift, 1990, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 41: 153-185). Ist die FBPase nicht aktiv, können aus den Plastiden exportierte Triosephosphate nicht in Saccharose umgesetzt werden. Damit steht auch das für den Export von Triosephosphaten erforderliche Gegentausch-Substrat Phosphat nicht zur Verfügung. Im Plastiden würde Phosphat jedoch als Substrat für den phosphorolytischen Stärkeabbau benötigt. Somit ist anzunehmen, daß die nächtliche Stärkemobilisierung vornehmlich über einen hydrolytischen Abbau erfolgt. Auch Experimente mit einer Hoch-Stärke Mutante, TC265, bestätigen diese Vermutung (siehe unten). Einschränkend muß hier angemerkt werden, daß es möglicherweise Pflanzenspezies gibt, in denen der Stärkeabbau überwiegend phosphorolytisch erfolgt (z. B. Erbsen, Stitt et al., 1978, Biochim. Biophys. Acta 544: 200-214).The mobilization of the assimilation strength can be done both through a phosphorolytic as well as hydrolytic degradation. In the first Fall comes to hexose phosphates and ultimately to triose phosphates that over the above-mentioned TPT can be exported from the chloroplasts. in the The cytosol is then converted further to sucrose. First, under Catalysis of the triose phosphate isomerase and the aldolase from the triose phosphates Glyceraldehyde-3-phosphate and dihydroxyacetone-phosphate fructose-1,6- bisphosphate formed. These reversible equilibrium reactions are caused by the Cleavage of a phosphate group from fructose-1,6-bisphosphate in the direction Fructose-6-phosphate advanced. However, this continues the activity of the cytosolic fructose-1,6-bisphosphatase (FBPase), which is considered one of the Key enzymes for sucrose biosynthesis can be viewed. The FBPase, however, is under the strict control of fructose 2,6-bisphosphate, one efficient negative modulator. The concentration of this FBPase inhibitor shows has a diurnal rhythm, is low in the light and so high in the dark that here the FBPase is largely switched off (Stift, 1990, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 41: 153-185). If the FBPase is not active, the plastids can exported triose phosphates cannot be converted into sucrose. That also says the exchange substrate required for the export of triose phosphates Phosphate not available. In the plastid, however, phosphate would serve as a substrate for the phosphorolytic starch degradation needed. It can therefore be assumed that the Nocturnal starch mobilization primarily via hydrolytic degradation he follows. Experiments with a high-strength mutant, TC265, also confirm this Guess (see below). As a limitation, it must be noted here that it There may be plant species in which the starch breakdown is predominant takes place phosphorolytically (e.g. Erbsen, Stitt et al., 1978, Biochim. Biophys. Acta 544: 200-214).
Im Gegensatz zum phosphorolytischen Abbau der Stärke liefert der hydrolytische Stärkeabbau - über Amylasen, Maltasen etc. - Glukose, den Grundbaustein der Stärke. Glukose wird über einen speziellen Transporter, den Glukose-Translokator, aus dem Chloroplasten exportiert. Nach Phosphorylierung zu Glukose-6-Phosphat durch das Enzym Hexokinase kann Glukose-6-Phosphat durch die Glukosephosphat-Isomerase in Fruktose-6-Phosphat überführt werden. Diese Reaktionssequenz umgeht die FBPase-Reaktion. Ein weiteres Molekül Glukose-6- Phosphat wird durch Phosphoglukose-Isomerase zu Glukose-1-Phosphat umgelagert und dann von der UDP-Glukose-Pyrophosphorylase (UGPase, Glukose-1-phosphat- Uridylyltransferase) in UDP-Glukose überführt. UDP-Glukose und Fruktose-6- phosphat werden dann von der Saccharosephosphat-Synthase und der Saccharosephosphat-Phosphatase in Saccharose überführt.In contrast to the phosphorolytic degradation of the starch, the hydrolytic provides Starch breakdown - via amylases, maltases etc. - glucose, the basic building block of Strength. Glucose is transported through a special transporter, the glucose translocator exported from the chloroplast. After phosphorylation to glucose-6-phosphate through the enzyme hexokinase can glucose-6-phosphate through the Glucose phosphate isomerase can be converted into fructose-6-phosphate. This Reaction sequence bypasses the FBPase reaction. Another molecule of glucose-6 Phosphate is rearranged to glucose-1-phosphate by phosphoglucose isomerase and then from UDP-glucose pyrophosphorylase (UGPase, glucose-1-phosphate- Uridylyltransferase) converted to UDP-glucose. UDP-glucose and fructose-6 phosphate are then derived from the sucrose phosphate synthase and the Sucrose phosphate phosphatase converted to sucrose.
Somit kann festgehalten werden, daß während der laufenden Photosynthese der Export des gebildeten Photoassimilates vorwiegend über den TPT erfolgt, während der Nacht jedoch dem Glukose-Translokator eine entscheidende Rolle im Rahmen des Exportes von mobilisiertem Photoassimilat zukommt. In der Dunkelperiode verbindet daher der Glukose-Translokator in essentieller Weise die beiden Kompartimente Chloroplast und Cytoplasma. Die entscheidende Rolle des Glukose- Translokators bei dem Export von Produkten der Stärke-Mobilisierung wird durch folgende Experimente belegt:It can thus be stated that during the ongoing photosynthesis the Export of the photoassimilate formed takes place predominantly via the TPT, while At night, however, the glucose translocator played a crucial role in the frame of the export of mobilized photoassimilate. In the dark period the glucose translocator therefore essentially connects the two Compartments of chloroplast and cytoplasm. The crucial role of glucose Translokators in the export of starch mobilization products is through following experiments confirmed:
Vor kurzem konnten transgene Pflanzen mit einer modulierten Aktivität des chloroplastidären TPT hergestellt werden. Die Hemmung dieses Transporters in planta über die Expression einer entsprechenden "anti-sense" mRNA führt zu einem verminderten Export des primären Photoassimilates (Triosephosphat, 3- Phosphoglycerat), das unter diesen Umständen innerhalb des Chloroplasten in die Biosynthese von Stärke abgeleitet wird, die sich massiv anstaut (Riesmeier et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 6160-6164; Heineke et al., 1994, Planta 193: 174- 180). Es konnte weiterhin gezeigt werden, daß in den transgenen Pflanzen die akkumulierte Stärke wiederum verstärkt mobilisiert werden kann, wobei diese Mobilisierung je nach Pflanzenspezies während der Nacht (Kartoffel; Heineke et al., 1994, Planta 193: 174-180) oder aber bereits während des Tages erfolgt (Tabak, Häusler et al., 1998, Planta 204: 366-376). Unter Umgehung des in seiner Aktivität herabgesetzten TPT erfolgt in den transgenen Pflanzen die Stärkemobilisierung über den hydrolytischen Weg und der Export der freigesetzten Glukose über den Glukose-Translokator. Es konnte auch gezeigt werden, daß in den transgenen anti- sense TPT-Pflanzen die Aktivität der α-Amylase, der Hexokinase sowie des Glukose- Translokators um den Faktor 2-3 höher ist als in den Kontrollpflanzen. Recently, transgenic plants with a modulated activity of chloroplastic TPT are produced. The inhibition of this transporter in planta on the expression of a corresponding "anti-sense" mRNA leads to a reduced export of the primary photoassimilate (triose phosphate, 3- Phosphoglycerate) which, under these circumstances, enters the chloroplast within the Biosynthesis is derived from starch that accumulates massively (Riesmeier et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 6160-6164; Heineke et al., 1994, Planta 193: 174- 180). It could also be shown that in the transgenic plants accumulated starch can in turn be mobilized to a greater extent, whereby this Mobilization depending on the plant species during the night (potato; Heineke et al., 1994, Planta 193: 174-180) or during the day (tobacco, Hausler et al., 1998, Planta 204: 366-376). Bypassing the in its activity reduced TPT in the transgenic plants, the starch is mobilized the hydrolytic route and the export of the released glucose via the Glucose translocator. It could also be shown that in the transgenic anti- sense TPT plants the activity of α-amylase, hexokinase and glucose Translocator is 2-3 times higher than in the control plants.
Die Annahme, daß die Produkte der Stärkemobilisierung des Chloroplasten hauptsächlich als Glukose verlassen, wird auch durch die biochemische Charakterisierung einer sogenannten "starch excess" Arabidopsis-Mutante, TC26, gestützt, die einen konstant hohen Gehalt an Stärke aufweist (Caspar et al., 1991, Plant Physiol. 95: 1181-1188; Trethewey und ap Rees (1994) Biochem. J. 301, 449-454). Diese Mutante ist aufgrund ihrer Enzymausstattung zwar prinzipiell fähig, Stärke abzubauen, kann jedoch die Produkte des Stärkeabbaues nicht aus dem Chloroplasten exportieren. Es konnte gezeigt werden, daß die TC26-Mutante zwar einen funktionellen TPT besitzt, aber Glukose nicht aus den Chloroplasten in das Cytosol transportieren kann. Das Fehlen des Glukose-Translokators führt zu einem Anstau der Stärke-Abbauprodukte und damit zu einer Neusynthese von Stärke verbunden mit dem beobachteten hohen Stärkegehalt. Zusammengenommen unterstreichen die diskutierten Experimente die entscheidende Bedeutung des Glukose-Translokators bei dem Export von Kohlenstoffgerüsten aus dem Stärkeabbau. Der Glukose-Translokator wurde 1977 erstmalig beschrieben (Schäfer et al., 1977, Plant Physiol 60: 286-289), eine weitergehende biochemische bzw. molekulare Charakterisierung dieses Transportsystems steht jedoch aus. Der beschriebene und in den Blättern (dem "Source"-Gewebe) stattfindende Prozeß der Photoassimilat-Produktion dient in hohem Maße der Versorgung von nicht- grünen Organen (dem "Sink"-Gewebe), wie Wurzel, Knolle und Frucht, also auch den erntebaren Teilen der Pflanzen. In Kulturpflanzen wie Kartoffeln, Zuckerrüben und Getreiden erfolgt der Transport von Kohlenhydraten von den "Source"- zu den "Sink"-Geweben über die Siebröhren (das Phloem) ausschließlich in Form von Saccharose. Die Saccharose wird anschließend aus dem Phloem in die Zellen des "Sink"-Gewebes transportiert (Phloem-Entladung). Der Transport kann entweder direkt d. h. symplastisch über zwischen dem Phloem und dem "Sink"-Gewebe bestehende Verbindungen (Plasmodesmen) erfolgen oder aber apoplastisch, was eine Entladung der Saccharose in die Zellwand und ihren erneuten Import in die Zielzellen beinhaltet. Alternativ kann die Saccharose im Apoplasten von einer zellwandspezifischen Invertase in Hexosen gespalten werden, die anschließend in die Zellen des "Sink"-Gewebes transportiert werden. Erfolgt der Eintransport in Form von Saccharose, wird diese im Cytoplasma der Zellen des "Sink"-Gewebes in Hexosen gespalten (Glukose und Fruktose). Dies geschieht entweder über Invertasen oder über die Saccharose-Synthase. Alle Spaltprodukte der Saccharose werden letztendlich wieder in Hexosephosphate (Glukose-6-phosphat, Glukose-1-phosphat) überführt.The assumption that the products of the starch mobilization of the chloroplast mainly left as glucose is also left by the biochemical Characterization of a so-called "starch excess" Arabidopsis mutant, TC26, supported, which has a constantly high content of starch (Caspar et al., 1991, Plant Physiol. 95: 1181-1188; Trethewey and ap Rees (1994) Biochem. J. 301, 449-454). In principle, this mutant is capable of starch due to its enzyme content break down, however, the products of starch breakdown can not from the Export chloroplasts. It could be shown that the TC26 mutant has a functional TPT but does not get glucose from the chloroplasts into it Can transport cytosol. The lack of the glucose translocator leads to one Accumulation of starch breakdown products and thus a new synthesis of starch combined with the observed high starch content. Taken together the experiments discussed underline the crucial importance of the Glucose translocators in the export of carbon skeletons from the Starch breakdown. The glucose translocator was first described in 1977 (Schäfer et al., 1977, Plant Physiol 60: 286-289), a further biochemical or however, molecular characterization of this transport system is pending. The process described and taking place in the leaves (the "source" tissue) photoassimilate production serves to a large extent to supply non- green organs (the "sink" tissue), such as root, tuber and fruit, also the harvestable parts of the plants. In crops such as potatoes, sugar beets and grain, carbohydrates are transported from the "source" to the "Sink" tissues over the sieve tubes (the phloem) exclusively in the form of Sucrose. The sucrose is then extracted from the phloem into the cells of the "Sink" tissue transported (phloem discharge). Transport can either directly d. H. symplastic over between the phloem and the "sink" tissue existing connections (plasmodesms) take place or apoplastically what a discharge of the sucrose into the cell wall and its re-import into the Includes target cells. Alternatively, the sucrose in the apoplast from one cell wall-specific invertase are split into hexoses, which are then the cells of the "sink" tissue are transported. Is it transported to Form of sucrose, this is in the cytoplasm of the cells of the "sink" tissue in Split hexoses (glucose and fructose). This is done either via invertases or via sucrose synthase. All sucrose cleavage products are ultimately again in hexose phosphates (glucose-6-phosphate, glucose-1-phosphate) transferred.
In den meisten Pflanzen dient Glukose-6-phosphat dann als Substrat für die Stärkesynthese, deren gesamte Reaktionsfolge im Innenraum (Stroma) der Amyloplasten des "Sink"-Gewebes lokalisiert ist. Diese Organellen sind von zwei Lipiddoppelschichtmembranen umschlossen, von denen die äußere Membran auf Grund der Anwesenheit von porenbildenden Proteinen (Porinen) unspezifisch permeabel ist für kleinere Moleküle. Ein solches Porin der äußeren Amyloplasten- Hüllmembran konnte kürzlich von uns identifiziert und die Abfolge seiner das Protein zusammensetzenden Aminosäurebausteine aufgeklärt werden (Fischer et al., 1994, J. Biol. Chem., 269: 25754-25760). Die innere Hüllmembran ist dagegen die eigentliche Permeabilitätsgrenze zwischen dem Cytoplasma und den Organellen und ist, wie a priori jede Lipid-Doppelschicht, prinzipiell impermeabel für größere geladene Moleküle wie z. B. Hexosephosphat. Diese prinzipielle Undurchlässigkeit der inneren Amyloplasten-Hüllmembran für größere hydrophile Moleküle wird durch die Anwesenheit spezifischer Transportsysteme überbrückt Glukose-6-phosphat wird über einen kürzlich von uns charakterisierten Transporter, den Glucose-6-phosphat/Phosphat-Translokator (GPT) in die Plastiden importiert (Kammerer et al. (1998) Plant Cell 10: 105-117). Innerhalb des Plastiden kann das importierte Glukose-6-phosphat dann in die Biosynthese von Stärke eingespeist werden. Der Eintransport in die Amyloplasten erfolgt in einem Gegentausch- Mechanismus, hier im Austausch mit anorganischem Phosphat, das im Zuge der Stärkesynthese freigesetzt. Glukose-6-phosphat wird in Glukose-1-phosphat umgesetzt, das dann über die ADP-Glukose-Pyrophosphorylase (AGPase) in ADP- Glukose, dem Substrat für die Stärke-Synthase, umgesetzt wird. Neuere Arbeiten haben gezeigt, daß im Endosperm einiger Getreide (Gerste, Mais) die AGPase auch im Cytosol lokalisiert ist und der Eintransport der Vorstufen für die Stärkebiosynthese über ADP-Glukose erfolgen kann (Denyer et al., 1996, Plant Physiol. 112: 779-785).In most plants, glucose-6-phosphate then serves as a substrate for the Starch synthesis, the entire reaction sequence in the interior (stroma) of Amyloplast of the "sink" tissue is localized. These organelles are of two Enclosed lipid bilayer membranes, one of which is the outer membrane Because of the presence of pore-forming proteins (porins) unspecific permeable is for smaller molecules. Such a porin of the outer amyloplast Envelope membrane was recently identified by us and the sequence of its that Protein-composing amino acid building blocks can be elucidated (Fischer et al., 1994, J. Biol. Chem., 269: 25754-25760). The inner envelope membrane, however, is that actual permeability limit between the cytoplasm and the organelles and is, like a priori any lipid bilayer, in principle impermeable to larger ones charged molecules such as B. hexose phosphate. This impermeability in principle the inner amyloplast envelope membrane for larger hydrophilic molecules bridged by the presence of specific transport systems Glucose-6-phosphate is released via a transporter we recently characterized, imported the glucose-6-phosphate / phosphate translocator (GPT) into the plastids (Kammerer et al. (1998) Plant Cell 10: 105-117). This can happen within the plastid imported glucose-6-phosphate was then fed into the starch biosynthesis become. The transport into the amyloplasts takes place in an exchange Mechanism, here in exchange with inorganic phosphate, which in the course of Starch synthesis released. Glucose-6-phosphate is converted into glucose-1-phosphate implemented, which then via ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase) in ADP- Glucose, the substrate for the starch synthase, is implemented. Recent works have shown that in the endosperm of some cereals (barley, maize) the AGPase too is localized in the cytosol and the introduction of the precursors for the Starch biosynthesis can take place via ADP-glucose (Denyer et al., 1996, Plant Physiol. 112: 779-785).
Eine Ausnahme stellen hier möglicherweise fettspeichernde Plastiden von Rizinus communis dar. Hier gibt es Hinweise, daß Glukose direkt über einen Glukose- Transporter aus dem Cytosol in die Plastiden aufgenommen wird und dort durch eine plastidäre Hexokinase zu Glukose-6-phosphat phosphoryliert wird. (Dennis und Miernyk, 1982, Ann. Rev. Plant Physiol. 33: 27-50).An exception to this may be fat-storing castor plastids communis. Here there is evidence that glucose is obtained directly from a glucose Transporter is taken up from the cytosol into the plastids and through there a plastid hexokinase is phosphorylated to glucose-6-phosphate. (Dennis and Miernyk, 1982, Ann. Rev. Plant Physiol. 33: 27-50).
Das importierte Glukose-6-phosphat ist auch Ausgangssubstrat für den oxidativen Pentosephosphat-Weg (OPPP), der Reduktionsäquivalente, hauptsächlich für die dort stattfindende Reduktion des aus dem Nitrat gebildeten Nitrits zum Ammonium, das seinerseits in die Biosynthese von Aminosäuren/Proteinen abgeführt wird, bereit stellt. In diesem Fall erfolgt der Eintransport von Glukose-6- phosphat im Austausch mit Triosephosphaten, den Produkten des OPPP (Kammerer et al. (1998) Plant Cell 10: 105-117).The imported glucose-6-phosphate is also the starting substrate for the oxidative Pentosephosphate route (OPPP), the reduction equivalent, mainly for the reduction of the nitrite formed from the nitrate to Ammonium, which in turn is involved in the biosynthesis of amino acids / proteins is dissipated, provides. In this case, glucose-6 is transported phosphate in exchange with triose phosphates, the products of the OPPP (Kammerer et al. (1998) Plant Cell 10: 105-117).
Die in den nicht-grünen Plastiden gebildete Stärke unterliegt, wie auch die Assimilationsstärke der Chloroplasten, einen dauernden Auf- und Abbau (Stitt und Heldt 1991, Biochim. Biophys. Acta 638: 1-11). Ist die Synthesegeschwindigkeit höher als die des Abbaues, wird die Stärke als ein langfristiger Speicher für den fixierten Kohlenstoff angelegt. Die in den (erntebaren) Speichern abgelegte Stärke dient dann als Grundlage für die tierische/menschliche Ernährung (z. B. Stärke in Kartoffelknollen, Maiskörnern). Bei der Auskeimung von Samen wird die Stärke re mobilisiert und die Produkte des Stärkeabbaues dienen dann als Brennstoff für den entstehenden Keimling. Es ist davon auszugehen, daß, wie oben am Beispiel des Abbaues von chloroplastidärer Assimilationsstärke ausgeführt, dem Glukose- Translokator der nicht-grünen Plastiden bei der Mobilisierung der Speicherstärke eine entscheidende Rolle zukommt.The starch formed in the non-green plastids is subject to, as is that Assimilation strength of chloroplasts, a permanent build-up and breakdown (stitt and Heldt 1991, Biochim. Biophys. Acta 638: 1-11). Is the rate of synthesis higher than that of mining, the strength is considered a long-term store for that fixed carbon. The strength stored in the (harvestable) stores then serves as the basis for animal / human nutrition (e.g. starch in Potato tubers, corn kernels). When seeds germinate, the starch becomes red mobilized and the starch breakdown products then serve as fuel for the emerging seedling. It can be assumed that, as shown above using the example of the Degradation of chloroplastic assimilation starch, the glucose Translocator of the non-green plastids in the mobilization of the storage strength play a crucial role.
Wie aus den Ausführungen ersichtlich wird, sind Transporter - wie der chloroplastidäre Triosephosphat-Phosphat-Translokator, der den Austransport des fixierten Kohlenstoffs aus dem Chloroplasten katalysiert, der Saccharose- Translokator, über den die Siebröhren mit der Transportform des Photoassimilates Saccharose beladen werden, der Glukose-6-phosphat-Phosphat-Translokator der Amyloplasten, der das Ausgangssubstrat für die Stärkesynthese bereitstellt, oder der Glukose-Translokator, über den die Abbauprodukte der Stärkemobilisierung die Plastiden verlassen - in die Allokation des Photoassimilates von den "Source"- zu den "Sink"-Organen an entscheidender Stelle eingebunden. Änderungen der Aktivität eines spezifischen Membran-Transporters können große Auswirkungen auf die Stoffwechselleistungen der Pflanzen haben. So konnte vor kurzem gezeigt werden, daß die Effektivität der photosynthetischen Kohlenstoffreduktion (Lichtreaktion und Calvin-Zyklus) ganz wesentlich durch die Aktivität des chloroplastidären Triosephosphat-Phosphat-Translokators beeinflußt werden kann (siehe oben). Auch die Reduktion der Saccharose-Transport-Aktivität über eine "anti-sense"-Inhibierung des für den Transport in die Siebröhren verantwortlichen Saccharose-Transporters (Riesmeier et al., 1992, EMBO J. 11: 4705-4713) führt zu einem drastischem Phänotyp der Pflanzen: sie sind wesentlich kleiner, die Blätter sind geschädigt und die Pflanzen bilden, im Fall der Kartoffeln, kaum noch Knollen aus d. h. die Versorgung der "Sink"-Gewebe mit Photoassimilaten ist stark reduziert (Riesmeier et al., 1994, EMBO J. 13: 1-7).As can be seen from the explanations, transporters are like that chloroplastic triosephosphate-phosphate translocator, which prevents the transport of the fixed carbon catalyzed from the chloroplast, the sucrose Translocator, over which the sieve tubes with the transport form of the photoassimilate Sucrose are loaded, the glucose-6-phosphate-phosphate translocator Amyloplast, which provides the starting substrate for the starch synthesis, or the Glucose translocator, via which the breakdown products of starch mobilization Plastids leave - in the allocation of the photoassimilate from the "source" to the "Sink" organs integrated at a crucial point. Activity changes a specific membrane transporter can have a big impact on the Have metabolic performance of plants. So it could be shown recently that the effectiveness of photosynthetic carbon reduction (light reaction and Calvin cycle) very much due to the activity of the chloroplastic Triosephosphate-phosphate translocator can be influenced (see above). Also the reduction of sucrose transport activity via an "anti-sense" inhibition of the sucrose transporter responsible for transport into the sieve tubes (Riesmeier et al., 1992, EMBO J. 11: 4705-4713) leads to a drastic phenotype of plants: they are much smaller, the leaves are damaged and the plants in the case of potatoes, hardly form tubers from d. H. the supply of the "Sink" tissue with photoassimilates is greatly reduced (Riesmeier et al., 1994, EMBO J. 13: 1-7).
Wie ausgeführt, kommt dem Glukose-Translokator eine zentrale Rolle bei dem Transport von Abbauprodukten der Stärkehydrolyse aus photosynthetisch aktiven und nicht-grünen Plastiden zu. Gelänge es, diesen Translokator zu klonieren und mit Hilfe der erhaltenen Sequenz die Aktivität des Translokators in Pflanzen zu verändern, eröffnete dies z. B. die Möglichkeit, den Stärkegehalt der Pflanzen und damit ihre Trockenmasse zu erhöhen.As stated, the glucose translocator plays a central role in that Transport of degradation products of starch hydrolysis from photosynthetically active and non-green plastids too. If this translocator could be cloned and with With the help of the sequence obtained, the activity of the translocator in plants change, this opened z. B. the possibility of the starch content of the plants and thereby increasing their dry matter.
Wie Stark et al. (Science 258: 287-292) 1992 gezeigt haben, konnte der Fluß in Richtung Stärkesynthese in Kartoffelknollen über die Überexpression einer ADP- Glucose-Pyrophosphorylase (AGPase), einem amyloplastidären Enzym der Stärke- Biosynthese, erhöht werden. Für diese Versuche wurde ein Enzym aus E. coli eingesetzt, das nicht der metabolischen Kontrolle über den 3- Phosphoglycerat/Phosphat Quotienten unterliegt Detailliertere Analysen der transgenen Pflanzen zeigten allerdings, daß der erhöhte Kohlenstoff-Fluß in die Stärke verbunden war mit einem erhöhten Stärke-Turnover, bedingt durch einen erhöhten Abbau der Stärke (Sweetlove et al., 1996 Biochem. J. 320: 493-498).As Stark et al. (Science 258: 287-292) 1992, the river was unable to Direction of starch synthesis in potato tubers via the overexpression of an ADP Glucose pyrophosphorylase (AGPase), an amyloplastid enzyme of starch- Biosynthesis. An enzyme from E. coli was used for these experiments used that does not control metabolic control of the 3- Phosphoglycerate / phosphate quotient is subject to more detailed analysis of the However, transgenic plants showed that the increased carbon flow in the Strength was associated with an increased strength turnover due to one increased starch degradation (Sweetlove et al., 1996 Biochem. J. 320: 493-498).
Es läßt sich folgern, daß, um einen erhöhten Stärkegehalt in Pflanzen zu erreichen, vorzugsweise der Turnover, d. h. der Stärkeabbau und die weitere Verwendung und der Export des Abbauproduktes Glukose, verhindert werden muß. Pflanzen mit einer reduzierten Aktivität des plastidären Glukose-Translokators könnten die Produkte des amylolytischen Stärkeabbaues, Glukose, nicht mehr aus den Plastiden exportieren. Somit würde die Glukose umgehend wieder in den Stärkeaufbau eingeschleust bzw. der weitere Stärkeabbau durch sein Produkt Glukose gehemmt und der Gehalt an Stärke erhöht werden. Ein solches Vorgehen läßt sich auch ableiten aus den oben geschilderten Untersuchungen zur Hoch-Stärke-Mutante TC26, die aufgrund der Defizienz im Glukose-Translokator einen hohen Gehalt an Stärke aufweist.It can be concluded that, in order to achieve an increased starch content in plants, preferably the turnover, d. H. the starch breakdown and further use and the export of the degradation product glucose must be prevented. Plants with a reduced activity of the plastid glucose translocator could Products of amylolytic starch breakdown, glucose, no longer from the plastids export. Thus, the glucose would immediately build up in starch again introduced or the further starch degradation inhibited by its product glucose and the starch content can be increased. This can also be done derive from the studies on the high-strength mutant described above TC26, which is high in content due to deficiency in the glucose translocator Has strength.
Eine Erhöhung des Stärkegehaltes der Kartoffelknolle wäre sowohl für die stärkeverarbeitende Industrie als auch für die Nahrungsmittel-Industrie von Bedeutung, da Kartoffeln mit einem erhöhten Stärkegehalt während ihrer Prozessierung zu Chips, Pommes frites, Gebäck etc. weniger Fett aufnehmen und daher zu kalorienärmeren Endprodukten führen. Erfolgreiche Strategien wären mit hoher Wahrscheinlichkeit auch auf die Nutzung anderer stärkespeichernder Pflanzen wie z. B. Mais, Weizen und Gerste übertragbar.An increase in the starch content of the potato tuber would be for both starch processing industry as well as for the food industry of Importance since potatoes have an increased starch content during their Processing to chips, french fries, pastries etc. absorb less fat and therefore lead to lower calorie end products. Successful strategies would be with high probability also on the use of other starch-storing Plants such as B. corn, wheat and barley transferable.
Gelänge es, Kartoffeln mit einer verminderten Aktivität des Glukose-Translokators zu erzeugen, könnten auch Lagerungsverluste, die über das sog. "cold-sweetening" entstehen, vermieden werden. Kartoffeln werden, zur Vermeidung der Auskeimung, bei tiefen Temperaturen (6-8°C) gelagert. Dies führt jedoch zu dem unerwünschten Effekt der Akkumulation von löslichen Zuckern, dem erwähnten "cold-sweetening". Die Bildung reduzierender Zucker ist, auf Grund der auftretenden Maillard- Reaktion, ein äußerst negativer Parameter während der weiteren Prozessierung der Kartoffeln wie der Herstellung von Chips etc.. Die Bildung löslicher Zucker - Hydrolyseprodukte der Stärke, die im extraplastidären Kompartiment akkumulieren - könnte verhindert werden, indem der Glukose-Translokator, der in den Austransport der aus dem Stärkeabbau stammenden Produkte eingebunden ist, während der Lagerungsphase der Kartoffeln ausgeschaltet werden könnte, Verstärkt werden könnte dieser Effekt durch eine simultane Reduktion des von uns kürzlich beschriebenen Glukose-6-phosphat/Phosphat-Translokators, der die aus dem phosphorolytischen Stärkeabbau stammenden phosphorylierten C3-Körper aus den Plastiden exportiert (Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-117).Potatoes with reduced activity of the glucose translocator would succeed could also generate storage losses caused by so-called "cold-sweetening" arise, be avoided. To avoid germination, potatoes are stored at low temperatures (6-8 ° C). However, this leads to the undesirable Effect of the accumulation of soluble sugars, the "cold sweetening" mentioned. The formation of reducing sugars is, due to the Maillard Response, an extremely negative parameter during the further processing of the Potatoes like making chips etc. The formation of soluble sugar - Hydrolysis products of starch that accumulate in the extraplastid compartment - could be prevented by the glucose translocator that is in the Transport of the products from the starch breakdown is integrated, could be switched off during the storage phase of the potatoes, strengthened this effect could be achieved by a simultaneous reduction of the one we have recently described glucose-6-phosphate / phosphate translocator, which is derived from the phosphorolytic starch degradation derived from the phosphorylated C3 body Plastids exported (Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-117).
Wie oben ausgeführt, erfolgt der Export der im Rahmen der Photosynthese gebildeten Photoassimilate während des Tages vorwiegen über den TPT. Experimente mit transgenen Pflanzen, in denen die Aktivität des TPT über eine Repression bzw. Überexpression der entsprechenden RNA entweder reduziert oder erhöht war, zeigen, daß der TPT limitierend auf die Photosynthese und die Biosynthese von Saccharose wirken kann, insbesondere unter Hochlicht und bei optimaler CO2-Versorgung (Häusler et al., 1998, Planta 204: 366-376; Häusler et al., unveröffentliche Beobachtungen). Es ist vorstellbar, über eine Überexpression des Glukose-Translokator eine erhöhte Ableitung des fixierten Kohlenstoffs zu erreichen, insbesondere bei einer simultanen Überexpression der ADP-Glukose- Pyrophosphorylase, die zu einen erhöhten Stärke-Turnover führt, bedingt durch einen erhöhten Abbau der Stärke (Sweetlove et al., 1996 Biochem. J. 320: 493-498). Der fixierte Kohlenstoff würde hier alternativ als Glukose bereitgestellt, das über den Glukose-Translokator den Chloroplasten ausgeschleust wird.As explained above, the photoassimilates formed in the course of the photosynthesis are mainly exported via the TPT during the day. Experiments with transgenic plants, in which the activity of the TPT was either reduced or increased by repression or overexpression of the corresponding RNA, show that the TPT can have a limiting effect on photosynthesis and the biosynthesis of sucrose, especially under high light and with optimal CO 2 supply (Häusler et al., 1998, Planta 204: 366-376; Häusler et al., Unpublished observations). It is conceivable to achieve an increased derivation of the fixed carbon via an overexpression of the glucose translocator, especially with a simultaneous overexpression of the ADP-glucose pyrophosphorylase, which leads to an increased starch turnover due to an increased starch breakdown (sweetlove et al., 1996 Biochem. J. 320: 493-498). The fixed carbon would alternatively be provided here as glucose, which is discharged to the chloroplast via the glucose translocator.
Die Adressierung der plastidären Translokatoren zu der inneren Hüllmembran der Plastiden bedarf einer entsprechenden Präsequenz ("Targeting-Sequenz"), die das anhängende reife Protein korrekt zu den Plastiden dirigiert (Übersichtsartikel hierzu: Keegstra et al., 1989, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 40: 471-501; Lubben et al., 1988, Photosynth. Res. 17: 173-194; Flügge, 1990, J. Cell Sci. 96: 351-354). Neben der für die "Plastiden-Adressierung" nötigen Präsequenz gibt es im reifen Teil (der Teil des Proteins, der nach der Abspaltung der Präsequenz durch eine spezifische Protease verbleibt) der Plastidenhüllmembran-Proteine noch weitere Informationen, die für die spezifische Insertion der Proteine in die Membran verantwortlich sind und einen Transport der Hüllmembranproteine über die Hüllmembran in das Plastidenstroma oder, im Fall der Chloroplasten, die Thylakoidmembran verhindern (Knight und Gray, 1995, Plant Cell 7: 1421-1432 bzw. eigene Untersuchungen: Brink et al., 1995, J. Biol. Chem. 270: 20808-20815). Eigene Arbeiten zeigten ferner am Beispiel eines mitochondrialen Carriers, des ADP/ATP-Transporters, daß dieses Protein nicht oder nur mit einer sehr geringen Effizienz zu Plastiden dirigiert und dort in die Hüllmembran eingebaut werden kann. Selbst ein Hybridprotein, bestehend aus einer plastidären Präsequenz (die Information für die Plastiden- Adressierung enthaltend) und diesem mitochondrialen Carrier, zeigte gegenüber dem authentischen Protein einen kaum erhöhten Einbau in die Plastiden- Hüllmembran (Silva-Filho et al., 1997, J. Biol. Chem. 272: 15264-15269; unveröffentlichte Beobachtungen). Da für eine korrekte Insertion die Protein/Lipid- Wechselwirkung von Bedeutung ist und sich die plastidäre Hüllmembran in ihrer Lipidzusammensetzung grundlegend von der anderer Zellorganellen und auch der Bakterien unterscheidet (Joyard et al., 1991, Eur. J. Biochem. 199: 489-509), ist es sehr unwahrscheinlich, daß eine, wenn auch geringfügige, Insertion eines heterologen Proteins, dann auch funktionell ist, d. h., daß ein Transporter aus anderen Systemen überhaupt in einer seiner Funktion entsprechenden Konformation und Orientierung in die Plastiden-Hüllmembran eingebaut werden kann.The addressing of the plastid translocators to the inner envelope membrane of the Plastids require a corresponding presequence ("targeting sequence") that the attached mature protein correctly directed to the plastids (review article: Keegstra et al., 1989, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 40: 471-501; Lubben et al., 1988, Photosynth. Res. 17: 173-194; Flügge, 1990, J. Cell Sci. 96: 351-354). Next the pre-sequence necessary for "plastid addressing" is in the mature part (the Part of the protein obtained after the presequence has been cleaved by a specific Protease remains) of the plastid membrane proteins still more information, which are responsible for the specific insertion of the proteins into the membrane and a transport of the envelope membrane proteins across the envelope membrane into the Prevent plastid stroma or, in the case of chloroplasts, the thylakoid membrane (Knight and Gray, 1995, Plant Cell 7: 1421-1432 or own investigations: Brink et al., 1995, J. Biol. Chem. 270: 20808-20815). Own work also showed on Example of a mitochondrial carrier, the ADP / ATP transporter, that this Protein not or only with a very low efficiency directed to plastids and can be installed there in the envelope membrane. Even a hybrid protein consisting of a plastid pre-sequence (the information for the plastid Containing addressing) and this mitochondrial carrier, showed opposite the authentic protein a hardly increased incorporation into the plastid Envelope membrane (Silva-Filho et al., 1997, J. Biol. Chem. 272: 15264-15269; unpublished observations). Since the protein / lipid Interaction is important and the plastid envelope membrane in its Lipid composition fundamentally different from that of other cell organelles Differentiates bacteria (Joyard et al., 1991, Eur. J. Biochem. 199: 489-509), it is very unlikely to be a, albeit minor, insertion of a heterologous Proteins, then is also functional, d. that is, a transporter from other systems at all in a conformation and orientation that corresponds to its function can be built into the plastid envelope membrane.
Somit ist es nach gegenwärtigem Stand der Technik nicht möglich, mit Hilfe bekannter Plastiden-"Targeting"-Sequenzen z. B. mitochondriale oder prokaryontische Transporter funktionell in die innere Plastidenhüllmembran zu integrieren. Beim gegenwärtigen Stand der Technik ist es erfolgversprechender, die für die Konstruktion der oben geschilderten Pflanzen notwendige DNA-Sequenz durch Klonierung des authentischen plastidären Glukose-Translokators zu erhalten.Thus, according to the current state of the art, it is not possible with help known plastid "targeting" sequences e.g. B. mitochondrial or procaryotic transporters functionally into the inner plastid envelope membrane integrate. With the current state of the art, it is more promising that DNA sequence necessary for the construction of the plants described above by cloning the authentic plastid glucose translocator.
Obwohl dieses Transportsystem den Transport von Glukose katalysiert, ist seine Primärstruktur anzunehmenderweise sehr unterschiedlich zu der der Glukose- Transporter aus der Plasmamembran. Diese Transporter gehören zu einer großen Gen-Familie der Monosaccharid-Transporter (Sauer und Tanner, 1993, Bot. Acta 106: 277-286; Weig et al., 1994, J. Plant Physiol. 143: 178-183).Although this transport system catalyzes the transport of glucose, it is Primary structure is believed to be very different from that of glucose Transporter from the plasma membrane. These vans are part of a large one Gene family of the monosaccharide transporters (Sauer and Tanner, 1993, bot. Acta 106: 277-286; Weig et al., 1994, J. Plant Physiol. 143: 178-183).
Um die Primärstruktur des amyloplastidären Glukose-Translokators zu ermitteln, mußte daher der bei Membranproteinen außerordentlich schwierige Weg der biochemischen Charakterisierung, Reinigung und Isolation des Transportproteins beschritten werden. Ausgehend von chloroplastidären Hüllmembranen aus Spinat gelang es, dieses Protein - über chromatographische Methoden in Verbindung mit Substratschutz-Experimenten gegenüber der Markierung mit einem radioaktiv markierten Inhibitor N-Ethylmaleimid - als eine Komponente der inneren Chloroplasten-Hüllmembran mit einer apparenten molekularen Masse von ca. 43,000 Dalton zu identifizieren.To determine the primary structure of the amyloplastid glucose translocator, therefore had to take the extremely difficult route of membrane proteins biochemical characterization, purification and isolation of the transport protein be followed. Starting from chloroplastid shell membranes made of spinach succeeded in combining this protein with chromatographic methods Substrate protection experiments versus labeling with a radioactive labeled inhibitor N-ethylmaleimide - as a component of the inner Chloroplast envelope membrane with an apparent molecular mass of approx. Identify 43,000 daltons.
Der N-Terminus des Translokators erwies sich als chemisch modifiziert und somit einer N-terminalen Proteinsequenzierung durch automatisierten Edman-Abbau nicht zugänglich. Daher war es nötig, das Protein durch präparative SDS- Polyacrylamidgelelektrophorese in ausreichender Menge zu isolieren und mit einer Protease (Lys-C) enzymatisch zu spalten, um interne Peptidsequenzen zu ermitteln (siehe Ausführungsbeispiel). Es konnte auf diese Weise die folgende Peptidsequenz erhalten werden: (1) KGRSLEEIELALSPAV. Es gelang, mittels der 3'- RACE-Methode (rapid amplification of cDNA ends) und unter Nutzung von degenerierten (nach dem erhaltenen Peptid modellierten) synthetischen Oligonukleotiden, ein spezifisches PCR-Fragment zu erhalten. Dies wurde als Sonde für die anschließende Durchmusterung einer cDNA-Bibliothek aus Spinat-Blättern genutzt und es gelang, einen cDNA-Klon zu isolieren, der die vollständige cDNA (1864 Basenpaare) für das Vorstufenprotein des chloroplastidären Glukose- Translokator mit einer molekularen Masse von 57.6 kDa enthielt (siehe Ausführungsbeispiel 2).The N-terminus of the translocator proved to be chemically modified and thus N-terminal protein sequencing through automated Edman degradation inaccessible. It was therefore necessary to prepare the protein by preparative SDS Isolate polyacrylamide gel electrophoresis in sufficient quantity and with a Cleave protease (Lys-C) enzymatically to determine internal peptide sequences (see embodiment). In this way it could do the following Peptide sequence obtained: (1) KGRSLEEIELALSPAV. The 3'- RACE method (rapid amplification of cDNA ends) and using degenerate (modeled after the peptide obtained) synthetic Oligonucleotides to obtain a specific PCR fragment. This was called a probe for the subsequent screening of a cDNA library from spinach leaves used and succeeded in isolating a cDNA clone that the complete cDNA (1864 base pairs) for the precursor protein of chloroplastic glucose Contained translocator with a molecular mass of 57.6 kDa (see Embodiment 2).
Ein Vergleich der erhaltenen cDNA-Sequenz mit Sequenzen der Datenbanken ergab, daß nur geringe Ähnlichkeiten mit den bekannten Glukose-Transportern der Plasmamembran vorhanden waren (< 30%) und die Homologien zu bakteriellen Hexose-Transportern im Bereich von ca. 45% lagen. Es zeigte sich ferner eine ca. 73%ige Homologie zu einem hypothetischen Zuckertransporter aus Prunus armeniaca (Aprikose). Die abgeleitete molekulare Masse dieses Transporters beträgt ca. 49.8 kDa. Hier wurde offensichtlich aufgrund eines Sequenzierungsfehlers nicht erkannt, daß dieses Protein über eine zusätzliche N-terminale Extension verfügt, die als plastidäres Adressierungssignal dienen könnte. Eine Zuordnung zu einer zellulären Membran oder einem Organell konnte daher für das in Aprikose identifizierte Gen nicht getroffen werden. Wir konnten hingegen zeigen, daß der chloroplastidäre Glukose-Translokator als Vorstufenprotein synthetisiert wird sowie posttranslational und unter Abspaltung der N-terminalen Signalsequenz in die Chloroplasten importiert und in die Hüllmembranen inseriert wird (siehe Ausführungsbeispiel 3).A comparison of the cDNA sequence obtained with sequences from the databases showed that only slight similarities with the known glucose transporters of the Plasma membrane were present (<30%) and the homologies to bacterial Hexose transporters were in the range of approx. 45%. An approx. 73% homology to a hypothetical sugar transporter from Prunus armeniaca (apricot). The derived molecular mass of this transporter is approx. 49.8 kDa. Obviously this was not due to a sequencing error recognized that this protein has an additional N-terminal extension, the could serve as a plastid addressing signal. An assignment to a cellular membrane or an organelle could therefore be used for that in apricot identified gene cannot be hit. However, we were able to show that the chloroplastic glucose translocator is synthesized as a precursor protein as well post-translational and with cleavage of the N-terminal signal sequence into the Chloroplasts are imported and inserted into the envelope membranes (see Embodiment 3).
Die vorliegende Erfindung stellt eine DNA-Sequenzen zur Verfügung, die aus einem pflanzlichen Genom stammt und für einen plastidären Glukose-Translokator kodiert, wobei die in der Nukleotidabfolge enthaltene Information bei Einführung und Expression in pflanzlichen Zellen zur Bildung einer Ribonukleinsäure führt und über diese Ribonukleinsäure eine Glukose-Translokator Aktivität in die Zellen eingeführt werden kann oder eine endogene Glukose-Translokator Aktivität unterdrückt werden kann. Gegenstand der Erfindung ist insbesondere die DNA-Sequenzen aus Spinacia oleracea (Spinat) mit der Nukleotidabfolge Seq-ID No.: 1 (Fig. 1). Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind DNA-Sequenzen, die mit der unter Seq.-ID No. 1 genannten DNA-Sequenz oder Teilen davon oder Derivaten, die durch Insertion, Deletion oder Substitution von diesen Sequenzen abgeleitet sind, hybridisieren und für ein plastidäres Protein kodieren, das die biologische Aktivität eines Glukose-Translokators besitzt.The present invention provides a DNA sequence which originates from a plant genome and codes for a plastid glucose translocator, the information contained in the nucleotide sequence leading to the formation and expression of a ribonucleic acid in plant cells upon introduction and expression in plant cells Glucose translocator activity can be introduced into the cells or an endogenous glucose translocator activity can be suppressed. The invention relates in particular to the DNA sequences from Spinacia oleracea (spinach) with the nucleotide sequence Seq-ID No .: 1 ( FIG. 1). The invention further relates to DNA sequences which are identified by the sequence shown in SEQ ID NO. 1 mentioned DNA sequence or parts thereof or derivatives which are derived from these sequences by insertion, deletion or substitution, hybridize and code for a plastid protein which has the biological activity of a glucose translocator.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen DNA-Sequenz oder Teilen davon oder Derivaten, die durch Insertion, Deletion oder Substitution von dieser Sequenz abgeleitet sind, zur Transformation pro- und eukaryontischer Zellen. Um die Expression des Glukose- Translokators in transformierten Zellen zu gewährleisten, kann die erfindungsgemäße DNA-Sequenz in Vektoren eingebracht werden und dabei mit Steuerelementen für die Expression in prokaryontischen oder eukaryontischen Zellen kombiniert werden (siehe Ausführungsbeispiele 3, 5). Derartige Steuerelemente sind einerseits Transkriptions-Promotoren und andererseits Transkriptions-Terminatoren. Mit den Vektoren können eukaryontische Zellen transformiert werden mit dem Ziel der Expression einer übersetzbaren Botenribonukleinsäure (RNA), die die Synthese eines plastidären Glukose- Translokators in den transformierten Zellen erlaubt, oder mit dem Ziel der Expression einer nicht übersetzbaren, invers orientierten ("anti-sense"), Botenribonukleinsäure, die die Synthese des endogenen Glukose-Translokators verhindert. Zu diesem Zweck könnten auch kürzere Fragmente der erfindungsgemäßen DNA-Sequenz mit einem relativ hohen Grad an Homologie (mehr als ca. 65% Homologie) verwendet werden. Eine Repression kann auch über die Überexpression der homologen DNA erreicht werden (Ko-Supression). Ebenso kann die Expression von endogenen Glukose-Translokatoren durch die Expression eines für diesen Zweck konstruierten Ribozyms unter Verwendung der erfindungsgemäßen DNA-Sequenzen inhibiert werden; ferner über eine Insertionsmutagenese - oder, sobald die entsprechende Technologie zur Verfügung steht durch eine homologe Rekombination ("knock-out"-Mutante). Durch eine gewebespezifische kontrollierte Expression einer RNA entsprechend der erfindungsgemäßen Sequenz eines pflanzlichen Glukose-Translokators ist eine Veränderung des pflanzlichen Kohlenstoffmetabolismus möglich, deren wirtschaftliche Bedeutung darin liegt, daß eine verbesserte Ableitung der Photoassimilate aus den Chloroplasten erreicht wird bzw. die Abbauprodukte der Stärkemobilisation in den Plastiden zurückgehalten werden.In addition, the present invention relates to the use of the DNA sequence according to the invention or parts thereof or derivatives which by Insertion, deletion or substitution are derived from this sequence for Transformation of pro- and eukaryotic cells. To the expression of the glucose To ensure translocators in transformed cells DNA sequence according to the invention are introduced in vectors and thereby Controls for expression in prokaryotic or eukaryotic Cells can be combined (see exemplary embodiments 3, 5). Such Control elements are, on the one hand, transcription promoters and, on the other hand Transcription terminators. With the vectors, eukaryotic cells can are transformed with the aim of expressing a translatable Messenger ribonucleic acid (RNA), which is the synthesis of a plastid glucose Translocators allowed in the transformed cells, or with the aim of Expression of a non-translatable, inversely oriented ("anti-sense"), Messenger ribonucleic acid, which is the synthesis of the endogenous glucose translocator prevented. For this purpose, shorter fragments of the DNA sequence according to the invention with a relatively high degree of homology (more than approx. 65% homology) can be used. A repression can also go over the overexpression of the homologous DNA can be achieved (co-suppression). As well can express endogenous glucose translocators through expression a ribozyme constructed for this purpose using the DNA sequences according to the invention are inhibited; also about a Insertion mutagenesis - or as soon as the appropriate technology is available stands for a homologous recombination ("knock-out" mutant). By a tissue-specific controlled expression of an RNA corresponding to the Sequence of a plant glucose translocator according to the invention is a Modification of plant carbon metabolism possible economic importance is that an improved derivation of the Photoassimilate is achieved from the chloroplasts or the degradation products of the Starch mobilization can be retained in the plastids.
Es können somit Pflanzen erzeugt werden, die einen erhöhten Stärkegehalt aufweisen und/oder - im Fall z. B. der Kartoffel - verminderte Lagerungsverluste aufweisen. Diese Modifikation steigert den ernährungsphysiologischen Wert von Pflanzen und damit auch deren wirtschaftlichen Wert. Die jeweiligen Effekte ließen sich möglicherweise noch steigern, falls die gewebespezifische Expression des Glukose-Translokators im Blatt bzw. in heterotrophen "Sink"-Gewebe mit der weiterer Translokatoren/Enzyme des Kohlenstoff-/Stickstoff-Metabolismus kombiniert würde (Simultane Expression mehrerer Zielproteine wie z. B. bei der Erhöhung des Stärkegehaltes oder der Verminderung von Lagerungsverlusten der Kartoffel).Plants can therefore be produced which have an increased starch content have and / or - in the case of z. B. the potato - reduced storage losses exhibit. This modification increases the nutritional value of Plants and thus their economic value. The respective effects left may increase if the tissue-specific expression of the Glucose translocators in the leaf or in heterotrophic "sink" tissue with the further translocators / enzymes of carbon / nitrogen metabolism would be combined (simultaneous expression of multiple target proteins such as the Increasing the starch content or reducing the storage losses of the Potato).
Weiterhin ermöglicht die heterologe Expression der beschriebenen Sequenz in Spalthefen (Ausführungsbeispiel 4 und Loddenkötter et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 2155-2159) Struktur-Funktionsstudien des Glukose-Translokators, die letztendlich zur Entwicklung eines spezifischen Hemmstoffs für dieses Protein führen könnte; insbesondere ist hier an die Herbizidentwicklung zu denken, da die Hemmung eines Proteins mit Schlüsselfunktion im Stoffwechselgeschehen zwangsweise letal für die Pflanze wäre. Ferner sind diese Struktur-Funktionsstudien Grundlage für eine gerichtete Mutagenese der Substratbindungsstelle des Translokators, um die Substratspezifität des Transporters gezielt zu verändern. Es sind bereits Verfahren zur genetischen Modifikation dikotyler und monokotyler Pflanzen bekannt (Gasser und Fraley, 1989, Science 244: 1293-1299; Potrykus, 1991, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 42: 205-225). Zur Expression von kodierenden Sequenzen in Pflanzen müssen diese mit transkriptionell regulatorischen Elementen verknüpft werden. Solche Elemente, Promotoren genannt, sind bekannt (u. a. Koster-Töpfer et al., 1989, Mol. Gen. Genet. 219: 390-396). Ferner müssen die Kodierregionen mit einem Transkriptionsterminations-Signal versehen werden, damit sie korrekt transkribiert werden können. Solche Elemente sind ebenfalls beschrieben (Gielen et al., 1989, EMBO J. 8, 23-29). Der transkriptionelle Startbereich kann sowohl nativ bzw. homolog als auch fremdartig bzw. heterolog zur Wirtspflanze sein. Terminationsbereiche sind gegeneinander beliebig austauschbar. Die DNA-Sequenz der Transkriptionsstart- und Terminations- Regionen kann synthetisch hergestellt oder natürlich gewonnen sein oder eine Mischung aus synthetischen und natürlichen DNA-Bestandteilen enthalten. Zur Vorbereitung der Einführung fremder Gene in höhere Pflanzen sind eine große Anzahl Klonierungsvektoren verfügbar, die ein Replikationssignal für E. coli und einen Marker beinhalten, der eine Selektion der transformierten Zellen erlaubt. Beispiele für Vektoren sind pBR322, pUC-Serien, M13 mp-Serien, pACYC 184 usw. Je nach Einführungsmethode gewünschter Gene in die Pflanze können weitere DNA- Sequenzen erforderlich sein. Werden z. B. für die Transformation der Pflanze das Ti oder Ri-Plasmid verwendet, so muß mindestens die rechte Begrenzung, häufig jedoch die rechte und die linke Begrenzung der Ti und Ri-Plasmid T-DNA als Flankenbereich den einzuführenden Genen angefügt werden. Die Verwendung von T-DNA für die Transformation von Pflanzenzellen ist intensiv untersucht und ausreichend beschrieben (Hoekema, in: The Binary Plant Vector System, Offset drukkerij Kanters B-V. Ablasserdam, 1985, Chapter V; Fraley et al., Critic. Rev. Plant Sci. 4: 1-46; An et al., 1985, EMBO J. 4: 277-287). Ist die eingeführte DNA einmal im Genom 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 einen Resistenz gegenüber Bioziden (wie Basta) oder Antibiotika (wie Kanamycin, Bleomycin oder Hygromycin) verleiht. Der individuell eingeführte Marker wird daher die Selektion transformierter Zellen gegenüber Zellen, denen die eingeführte DNA fehlt, gestatten.Furthermore, the heterologous expression of the sequence described in Split yeasts (embodiment 4 and Loddenkötter et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 2155-2159) Structure-function studies of the glucose translocator, the ultimately to develop a specific inhibitor for this protein could lead; Herbicide development is particularly important here, as the Inhibition of a protein with a key function in the metabolic process would be inevitably lethal to the plant. Furthermore, these are structural-functional studies Basis for a directed mutagenesis of the substrate binding site of the Translocators to specifically change the substrate specificity of the transporter. There are already processes for the genetic modification of dicotyledons and monocotyledons Plants known (Gasser and Fraley, 1989, Science 244: 1293-1299; Potrykus, 1991, Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 42: 205-225). For the expression of coding sequences in plants must be transcriptional regulatory elements. Such elements, promoters are known (et al. Koster-Töpfer et al., 1989, Mol. Gen. Genet. 219: 390-396). Furthermore, the coding regions must have a transcription termination signal provided so that they can be transcribed correctly. Such elements are also described (Gielen et al., 1989, EMBO J. 8, 23-29). Of the Transcriptional start area can be both native or homologous as well as alien or be heterologous to the host plant. Termination areas are against each other interchangeable. The DNA sequence of the transcription start and termination Regions can be synthetically produced or naturally obtained or one Contain a mixture of synthetic and natural DNA components. For Preparing for the introduction of foreign genes into higher plants is a big one Number of cloning vectors available that provide a replication signal for E. coli and include a marker that allows selection of the transformed cells. Examples of vectors are pBR322, pUC series, M13 mp series, pACYC 184 etc. After inserting desired genes into the plant, additional DNA Sequences may be required. Are z. B. for the transformation of the plant the Ti or Ri plasmid used, at least the right boundary, often however, the right and left boundaries of the Ti and Ri plasmid T-DNA as Flank area to be added to the genes to be introduced. The use of T-DNA for the transformation of plant cells has been studied intensively and sufficiently described (Hoekema, in: The Binary Plant Vector System, Offset drukkerij Kanters B-V. Ablasserdam, 1985, Chapter V; Fraley et al., Critic. Rev. Plant Sci. 4: 1-46; An et al., 1985, EMBO J. 4: 277-287). Is the introduced DNA once in the Genome integrated, so it is usually stable there and remains in the Progeny of the originally transformed cell obtained. It contains usually a selection marker that unites the transformed plant cells Resistance to biocides (like Basta) or antibiotics (like Kanamycin, Bleomycin or hygromycin) gives. The individually introduced marker will hence the selection of transformed cells over cells to which the introduced DNA is missing, allow.
Für die Einführung von DNA in eine pflanzliche Wirtszelle stehen neben der Transformation mit Hilfe von Agrobakterien viele andere Techniken zur Verfügung. For the introduction of DNA into a plant host cell stand next to the Transformation using agrobacteria has many other techniques available.
Diese Techniken umfassen die Transformation von Protoplasten, die Mikroinjektion von DNA, die Elektroporation sowie ballistische Methoden. Aus dem transformierten Pflanzenmaterial können dann in einem geeigneten Selektionsmedium ganze Pflanzen regeneriert werden. Die so erhaltenen Pflanzen können dann mit gängigen molekularbiologischen Methoden auf die Anwesenheit der eingeführten DNA getestet werden. Diese Pflanzen können normal angezogen werden und mit Pflanzen, die die gleiche transformierte Erbanlage oder andere Erbanlagen besitzen, gekreuzt werden. Die daraus entstehenden hybriden Individuen haben die entsprechenden phänotypischen Eigenschaften.These techniques include protoplast transformation, microinjection of DNA, electroporation as well as ballistic methods. From the transformed plant material can then be in a suitable Whole plants can be regenerated. The plants thus obtained can then be detected using conventional molecular biological methods the imported DNA can be tested. These plants can be grown normally and with plants that have the same transformed genetic makeup or others Possess inheritance, to be crossed. The resulting hybrids Individuals have the corresponding phenotypic properties.
Die erfindungsgemäße DNA-Sequenz (oder Derivate oder Teile dieser Sequenz) können auch in Plasmide eingebracht werden, die eine Mutagenese oder eine Sequenzveränderung durch Rekombination von DNA-Sequenzen in prokaryontischen oder eukaryontischen Systemen erlauben. Dadurch kann die Spezifität des Glukose-Translokators verändert werden z. B. in Richtung einer Affinität für Fruktose oder Galaktose.The DNA sequence according to the invention (or derivatives or parts of this sequence) can also be introduced into plasmids which have a mutagenesis or a Sequence change by recombination of DNA sequences in allow prokaryotic or eukaryotic systems. This allows the Specificity of the glucose translocator can be changed e.g. B. towards one Affinity for fructose or galactose.
Ebenso könnte eine Unempfindlichkeit des Glukose-Translokators für spezifische Herbizide erreicht werden. Mit Hilfe von Standardverfahren (Sambrock et al., 1989, Molecular cloning: A laboratory manual, 2. Aufl., Cold Spring Harbor Laboratory Press, NY, USA) können Basenaustausche und/oder Basendeletionen vorgenommen und/oder synthetische oder natürliche Sequenzen hinzugefügt werden. Für die Verbindung der DNA-Fragmente untereinander können Adapter oder linker angesetzt werden. Ferner können Manipulationen, die passende Restriktionsschnittstellen bereitstellen oder die nicht benötigte DNA entfernen, eingesetzt werden. Dort wo Insertionen, Deletionen oder Substitutionen wie z. B. Transitionen oder Transversionen in Frage kommen, können in vitro-Mutagenese, "primerrepair", Restriktion oder Ligation verwendet werden. Als Analysenmethode werden im allgemeinen eine Sequenzanalyse, eine Restriktionsanalyse und weitere biochemisch-molekularbiologische Methoden wie z. B. die Expression des modifizierten Proteins in Hefen und die Messung der modifizierten Transporteigenschaften in artifiziellen Liposomen (siehe Ausführungsbeispiel 4; Loddenkötter et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 2155-2159; Fischer et al., 1997, Plant Cell, 9: 453-462; Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-117) oder die Messung der modifizierten Transporteigenschaften am in transgenen Pflanzen exprimierten Protein mit Hilfe einer kürzlich von uns zu diesem Zweck entwickelten Methode (Flügge und Weber, 1994, Planta, 194: 181-185) angewandt.Likewise, an insensitivity of the glucose translocator could be specific Herbicides can be achieved. Using standard procedures (Sambrock et al., 1989, Molecular cloning: A laboratory manual, 2nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, NY, USA) can base changes and / or base deletions and / or synthetic or natural sequences are added. For the Connection of the DNA fragments to one another can be made using adapters or links can be scheduled. Manipulations can also be the appropriate Provide restriction sites or remove the unnecessary DNA be used. Wherever insertions, deletions or substitutions such. B. Transitions or transversions can be considered, in vitro mutagenesis, "primerrepair", restriction or ligation can be used. As a method of analysis are generally sequence analysis, restriction analysis and others biochemical-molecular biological methods such. B. the expression of modified protein in yeast and measurement of the modified Transport properties in artificial liposomes (see embodiment 4; Loddenkötter et al., 1993, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90: 2155-2159; Fischer et al., 1997, Plant Cell, 9: 453-462; Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-117) or the Measurement of the modified transport properties on in transgenic plants expressed protein using a recently developed protein for this purpose Method (Flügge and Weber, 1994, Planta, 194: 181-185) applied.
Die erfindungsgemäße DNA-Sequenz (oder Teile oder Derivate dieser Sequenzen) können dazu genutzt werden, nach Standardverfahren (insbesondere Hybridisierungs-Durchmusterung von cDNA-Bibliotheken mit niedriger Stringenz unter Verwendung der erfindungsgemäßen DNA-Sequenz oder Teilen der DNA- Sequenz als Sonde oder die Erstellung von Sonden für stringente und niedrig stringente Durchmusterungs-Strategien durch Ableitung von degenerierten und/oder nicht degenerierten Primern aus der erfindungsgemäßen DNA-Sequenz für PCR-Experimente mit DNA oder cDNA aus anderen Pflanzen) aus dem Genom von Pflanzen ähnliche Sequenzen zu isolieren, die für Proteine kodieren, die ebenfalls Glukose transportieren.The DNA sequence according to the invention (or parts or derivatives of these sequences) can be used according to standard procedures (in particular Hybridization screening of low stringency cDNA libraries using the DNA sequence according to the invention or parts of the DNA Sequence as a probe or creating probes for stringent and low stringent screening strategies by deriving degenerate ones and / or non-degenerate primers from the DNA sequence according to the invention for PCR experiments with DNA or cDNA from other plants) from the genome isolate from plant-like sequences that code for proteins that also transport glucose.
Die erfindungsgemäße DNA-Sequenz (Seq.-ID No. 1) enthält im übersetzten Protein Bereiche, die in der Lage sind, das im Cytoplasma an Ribosomen synthetisierte Protein spezifisch zu Plastiden zu dirigieren und das Auftreten des Proteins in anderen Membransystemen der Zelle zu verhindern. Der Proteinbereich, der das durch die erfindungsgemäße DNA-Sequenz kodierte Protein zu Plastiden dirigiert, liegt innerhalb der ersten 90 Aminosäuren des Proteins, ist für die Transportfunktion des Proteins nicht erforderlich und wird nach erfolgreicher Insertion des Proteins in die Plastidenhüllmembran entfernt. Durch Austausch dieser "Plastid-targeting"- Sequenz gegen eine der bekannten "Targeting"-Sequenzen z. B. für Mitochondrien ließe sich das Translokator-Protein in ein anderes Membransystem eukaryontischer Zellen dirigieren und könnte dort möglicherweise die Transporteigenschaften über die respektive Membran verändern. Ebenso könnten die "Plastid-targeting"-Sequenz des Glukose-Translokators oder endogene Bereiche des reifen Proteins dazu genutzt werden, fremde Proteine (z. B. bakterielle Transportproteine oder Transporter aus Hefen) in die Plastiden bzw. in die Plastidenhüllmembran pflanzlicher Zellen zu dirigieren. The DNA sequence according to the invention (Seq. ID No. 1) contains protein in the translated Areas capable of being synthesized on ribosomes in the cytoplasm To direct protein specifically to plastids and the appearance of the protein in to prevent other membrane systems of the cell. The protein area that does that directs protein encoded by the DNA sequence according to the invention to plastids, lies within the first 90 amino acids of the protein, is for the transport function of the protein is not required and will be inserted into the protein after successful insertion the plastid covering membrane is removed. By exchanging this "plastid targeting" - Sequence against one of the known "targeting" sequences e.g. B. for mitochondria the translocator protein could be more eukaryotic in another membrane system Conduct cells and could possibly use the transport properties there change the respective membrane. Likewise, the "plastid targeting" sequence could of the glucose translocator or endogenous regions of the mature protein foreign proteins (e.g. bacterial transport proteins or transporters Yeast) into the plastids or into the plastid envelope membrane of plant cells conduct.
Zum besseren Verständnis der dieser Erfindung zugrundeliegenden Ausführungs beispiele werden die wichtigsten eingesetzten Verfahren im folgenden erläutert.For a better understanding of the embodiment on which this invention is based the most important processes used are explained below.
Zur Klonierung wurden der Phage LambdaZAP II sowie das Phagemid pBluescript II SK (pBSC) (Short et al., 1988, Nucl. Acids Res. 16: 7583-7600) verwendet.The phage LambdaZAP II and the phagemid pBluescript were used for cloning II SK (pBSC) (Short et al., 1988, Nucl. Acids Res. 16: 7583-7600).
Für die Transformation von Hefen wurde der Vektor pEVP11 (Russel und Nurse, 1986, Cell 45: 145-153) verwendet.For the transformation of yeast, the vector pEVP11 (Russel and Nurse, 1986, Cell 45: 145-153).
Für die Pflanzentransformation wurden die Genkonstruktionen in den binären Vektor pBinAR (Höfgen und Willmitzer, 1990, Plant Sci. 66: 221-230) kloniert.For the plant transformation, the gene constructions in the binary Vector pBinAR (Höfgen and Willmitzer, 1990, Plant Sci. 66: 221-230) cloned.
Für das pBluescriptSK (pBSC) Phagemid sowie für pEVP11- und pBinAR-Konstrukte wurde der E. coli Stamm DH5α (Hanahan et al., 1983, J. Mol. Biol. 166: 557-580) verwendet.For the pBluescriptSK (pBSC) phagemid as well as for pEVP11 and pBinAR constructs the E. coli strain DH5α (Hanahan et al., 1983, J. Mol. Biol. 166: 557-580) used.
Die Transformation der pBinAR-Konstrukte in Tabakpflanzen wurde mit Hilfe des Agrobacterium tumefaciens-Stammes C58C1, pGV2260 (Bevan, 1984, Nucl. Acids Res. 12: 8711-8720) durchgeführt.The transformation of the pBinAR constructs in tobacco plants was carried out using the Agrobacterium tumefaciens strain C58C1, pGV2260 (Bevan, 1984, Nucl. Acids Res. 12: 8711-8720).
Der Transfer der DNA in die Agrobakterien erfolgte durch direkte Transformation nach der Methode von Höfgen und Willmitzer (1988, Nucl. Acids Res. 16: 9877). Die Plasmid-DNA transformierter Agrobakterien wurde nach der Methode von Birn boim und Doly (1979, Nucl. Acids Res. 7: 1513-1523) isoliert und nach geeigneter Restriktionsspaltung gelektrophoretisch auf Richtigkeit und Orientierung analysiert. The DNA was transferred to the agrobacteria by direct transformation by the method of Höfgen and Willmitzer (1988, Nucl. Acids Res. 16: 9877). The Plasmid DNA transformed Agrobacteria was by the method of Birn boim and Doly (1979, Nucl. Acids Res. 7: 1513-1523) isolated and after suitable Restriction cleavage was analyzed by electrophoresis for correctness and orientation.
Pro Transformation wurden 15 kleine Blätter einer Tabak-Sterilkultur unter sterilen Bedingungen mit einem Skalpell in Stückchen von ca. 1 cm Kantenlänge zerschnitten. Die Blattstückchen wurden in MS-Medium mit 2% Glukose überführt, in welches dann mit einer Impföse von einer unter strenger Selektion auf Agarplatten gewachsenen, transformierten Agrobacterium tumefaciens-Kultur Bakterienzellen in das Medium eingerührt wurden. Nach 30 minütiger Inkubation wurden die Blätter auf MS-Medium mit 1.6% Glukose für zwei Tage im Dunkeln bei Raumtemperatur inkubiert. Anschließend wurden die Blattstückchen auf ein MS- Medium mit 2% Saccharose, 2 mg/l Kinetin, 500 mg/l Betabactyl®, 15 mg/l Hygromycin (bzw. 100 mg/l Kanamycin) und 0.8% Bacto-Agar ausgelegt. Nach einwöchiger Inkubation bei 25°C und 3.000 Lux Beleuchtungsstärke wurde die Betabactylkonzentration im Medium um die Hälfte reduziert. Aus den Blattstückchen wuchsen ohne ausgeprägte Kallusphase kleine Schößlinge, die zur Wurzelbildung auf ein MS-Medium mit 2% Saccharose, 250 mg/l Betabactyl und 100 mg/l Kanamycin überführt wurden. Nach Wurzelbildung wurden die Schößlinge in Erdkultur überführt.15 small leaves of a sterile tobacco culture were transformed per transformation Conditions with a scalpel in pieces of about 1 cm edge length cut up. The leaf pieces were transferred to MS medium with 2% glucose, in which then with an inoculation loop from one under strict selection Transformed Agrobacterium tumefaciens culture grown on agar plates Bacterial cells were stirred into the medium. After 30 minutes of incubation the leaves were on MS medium with 1.6% glucose for two days in the dark Incubated at room temperature. The leaf pieces were then placed on an MS Medium with 2% sucrose, 2 mg / l kinetin, 500 mg / l Betabactyl®, 15 mg / l Hygromycin (or 100 mg / l kanamycin) and 0.8% Bacto agar designed. After one week incubation at 25 ° C and 3,000 lux illuminance Beta-lactyl concentration in the medium reduced by half. From the Leaf pieces grew without pronounced callus phase, small shoots, which for Root formation on a MS medium with 2% sucrose, 250 mg / l betabactyl and 100 mg / l kanamycin were transferred. After root formation, the Saplings transformed into earth culture.
Die Transformation von Arabidopsis erfolgte nach der Methode von Bechtold et al., 1993, C. R. Acad. Sci. 316: 1194-1199.Arabidopsis was transformed using the method of Bechtold et al., 1993, C.R. Acad. Sci. 316: 1194-1199.
Am 10. Juni 1998 wurden bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen
(DSM) in Braunschweig, Bundesrepublik Deutschland, folgendes Phagemid in Form
eines E. coli Stammes, enthaltend dieses Phagemid, hinterlegt:
On June 10, 1998 the following phagemid in the form of an E. coli strain containing this phagemid was deposited with the German Collection of Microorganisms (DSM) in Braunschweig, Federal Republic of Germany:
Phagemid: pBSC-E43/30-3 (DSM 12243)Phagemid: pBSC-E43 / 30-3 (DSM 12243)
Die Identifikation des Glukose-Translokators in Hüllmembranen von Spinat- Chloroplasten erfolgte durch eine Kombination von radioaktiven Markierungs- Experimenten und Substratschutz-Experimenten. Es konnte gezeigt werden, daß der Transport von Glukose in isolierte Chloroplasten bereits durch sehr niedrige Konzentrationen der Sulfhydryl-Reagenzien pCMBS und NEM inhibiert werden konnte. Identification of the glucose translocator in the envelope membranes of spinach Chloroplasts were made using a combination of radioactive labeling Experiments and substrate protection experiments. It could be shown that the Transport of glucose into isolated chloroplasts by very low Concentrations of the sulfhydryl reagents pCMBS and NEM can be inhibited could.
Isolierte Chloroplasten wurden in Anwesenheit bzw. Abwesenheit von Glukose, Maltose und Sorbit mit dem radioaktiv markierten Sulfhydryl-Reagenz N- Ethylmaleimid (NEM) versetzt. Anschließend wurden die Chloroplasten- Hüllmembranen isoliert, durch SDS-PAGE aufgetrennt und von den fixierten, gefärbten und getrockneten Gelen Fluorographien angefertigt. Es zeigte sich, daß ein Protein mit einer apparenten molekularen Masse von 43 kDa im SDS-PAGE unter den verschiedenen Bedingungen differentiell markiert wurde. Es konnte weiterhin gezeigt werden, daß dieses Protein in der Arabidopsis-Mutante TC26 fehlt und nicht markiert wird.Isolated chloroplasts were in the presence or absence of glucose, Maltose and sorbitol with the radioactively labeled sulfhydryl reagent N- Ethylmaleimide (NEM) added. Then the chloroplast Envelope membranes isolated, separated by SDS-PAGE and separated from the fixed stained and dried gels fluorographs made. It turned out that a Protein with an apparent molecular mass of 43 kDa in SDS-PAGE below differentially marked under the different conditions. It could continue can be shown that this protein is missing in the Arabidopsis mutant TC26 and not is marked.
Das auf diesem Wege als Glukose-Translokator identifizierte Protein wurde anschließend aus den Chloroplasten-Hüllmembranen durch eine Extraktion der Membranen mit einem Gemisch aus Chloroform und Methanol (2 : 1) gemeinsam mit vier weiteren Proteinen extrahiert. Der stark lipidhaltige Extrakt war einer Auftrennung in präparativen SDS-Gelen nicht direkt zugänglich sondern mußte zunächst mit Hexan delipidiert werden.The protein identified in this way as a glucose translocator was then from the chloroplast envelope membranes by extracting the Membranes with a mixture of chloroform and methanol (2: 1) together with extracted four more proteins. The high lipid extract was one Separation in preparative SDS gels was not directly accessible but had to be are first delipidated with hexane.
Es folgte die Darstellung des Proteins in präparativen SDS-Polyacrylamidgelen (Laemmli, 1970, Nature 227: 680-685). Nach Detektion des Proteins durch Anfärbung mit Coomassie-Brilliant Blue R-250 wurde eine 43 kDa Proteinbande aus dem Gel ausgeschnitten und in der Gelmatrix mit der Endoprotease Lys-C gespalten (Fresco, 1979, Anal. Biochem. 97: 382-386). Die resultierenden Peptide wurden aus dem Gel eluiert und mittels HPLC aufgetrennt (Eckerskorn und Lottspeich, 1989, Chromatographia, 28: 92-94). Die Aminosäuresequenz der gereinigten Peptidfraktionen wurde durch automatisierten Edman-Abbau in der Gasphase bestimmt (Eckerskorn et al., 1988, Eur. J. Biochem. 176: 509-519). Aus der Aminosäuresequenz von einem der beiden Peptide (Peptid 1) wurden zwei degenerierte Oligonukleotidsequenzen, kodierend diese Aminosäuresequenz, abgeleitet und das betreffende Oligonukleotid durch in vitro DNA-Synthese hergestellt.The protein was then prepared in preparative SDS-polyacrylamide gels (Laemmli, 1970, Nature 227: 680-685). After detection of the protein by staining with Coomassie-Brilliant Blue R-250 a 43 kDa protein band was made from the gel cut out and cleaved in the gel matrix with the endoprotease Lys-C (Fresco, 1979, Anal. Biochem. 97: 382-386). The resulting peptides were made from the gel eluted and separated by HPLC (Eckerskorn and Lottspeicher, 1989, Chromatographia, 28: 92-94). The amino acid sequence of the purified Peptide fractions were automated by Edman gas phase degradation determined (Eckerskorn et al., 1988, Eur. J. Biochem. 176: 509-519). From the Amino acid sequence of one of the two peptides (peptide 1) were two degenerate oligonucleotide sequences encoding this amino acid sequence, derived and the oligonucleotide in question by in vitro DNA synthesis manufactured.
Spinatblätter wurden in der Mitte der Lichtperiode und in der Mitte der Dunkelperiode geerntet und bis zur RNA-Isolation bei -80°C gelagert. Hieraus wurde polyA+-RNA isoliert und ausgehend hiervon eine cDNA-Bibliothek im Vektor LambdaZAPII angelegt.Spinach leaves were harvested in the middle of the light period and in the middle of the dark period and stored at -80 ° C until RNA isolation. From this, polyA + RNA was isolated and from this a cDNA library was created in the vector LambdaZAPII.
Zum anderen wurde die isolierte RNA für eine RT-Polymerase-Kettenreaktion (PCR) (RACE; Schaefer, B. C. (1995) Anal. Biochem. 227, 255-273) eingesetzt. Als Primer für die erste RACE Reaktion wurden das erste spezifische Oligonukleotid in Kombination mit einen "anchor(dT)15" Primer benutzt. Die erhaltenen Produkte wurden einer zweiten PCR unterzogen, wobei hier die jeweiligen "nested" Primer eingesetzt wurden. Es konnte ein spezifisches PCR-Fragment (300 bp) erhalten werden.On the other hand, the isolated RNA was used for an RT polymerase chain reaction (PCR) (RACE; Schaefer, B.C. (1995) Anal. Biochem. 227, 255-273). As a primer for the first RACE reaction was the first specific oligonucleotide in Combination with an "anchor (dT) 15" primer used. The products received were subjected to a second PCR, with the respective "nested" primers were used. A specific PCR fragment (300 bp) could be obtained become.
Ca. 300.000 Klone der cDNA-Bibliothek wurden mit diesem PCR-Fragment sondiert (siehe Ausführungsbeispiel 1). Positiv reagierende Klone wurden nach Standardverfahren gereinigt und nach Präparation der amplifizierten Phagen-DNA aus den gereinigten Plaques wurde durch EcoRI-Restriktionsverdau die Insertion kodierend für den Glukose-Translokator erhalten und durch Southern-Blot Analyse, mit dem oben erwähnten PCR-Fragment als Sonde, verifiziert. Nach in vivo Excission des Phagemids aus dem Phagen mit Hilfe des filamentösen Helfer-Phagen ExAssist wurden die Klone durch Bestimmung der DNA-Sequenz analysiert (Dideoxymethode: Sanger et al., 1977, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74: 5463-5467) und aus dieser DNA-Sequenz die Primärstruktur des Glukose-Translokators abgeleitet (Klon pBSC-E43-30/3). Die Sequenz des Peptids konnte in der Gesamtsequenz des Translokators wiedergefunden werden.Approx. 300,000 clones from the cDNA library were probed with this PCR fragment (see embodiment 1). Clones that reacted positively were recreated Standard procedures cleaned and after preparation of the amplified phage DNA the inserted plaques became EcoRI restriction digestion obtained coding for the glucose translocator and by Southern blot analysis, with the above-mentioned PCR fragment as a probe. After in vivo excision of the phagemid from the phage with the help of the filamentous helper phage ExAssist the clones were analyzed by determining the DNA sequence (Dideoxy method: Sanger et al., 1977, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74: 5463-5467) and the primary structure of the glucose translocator is derived from this DNA sequence (Clone pBSC-E43-30 / 3). The sequence of the peptide could be in the overall sequence of the Translocators can be found.
Die in vitro Transkription des Plasmids pBSC-E43-30/3 wurde unter Verwendung von T7 RNA-Polymerase nach den Angaben des Herstellers (Pharmacia) durchgeführt. Die anschließende in vitro Translation erfolgte im Retikulozyten-Lysat (Boehringer-Mannheim) und der postribosomale Überstand wurde für Proteintransporte in intakte Spinat-Chloroplasten benutzt. Das Experiment wurde im Dunkeln bzw. im Licht durchgeführt; der Ansatz enthielt Import-Puffer (Flügge et al., 1989, EMBO J. 8: 39-46) und intakte Spinat-Chloroplasten (entsprechend 200 µg Chlorophyll). Nach 30 min bei 25°C wurde die Chloroplasten gewaschen und die Hüllmembranen isoliert (Flügge et al., 1989, EMBO J. 8: 39-46). Sie wurden über eine SDS-Polyacrylamid Gelelektrophorese (Laemmli, 1970, Nature 227: 680-685) und anschließende Fluorographie (Bonner und Laskey, 1974, Eur. J. Biochem. 46: 84-88) analysiert. Es zeigte sich, daß die Präsequenz des Glukose-Translokators das anhängende reife Protein korrekt zu seiner Zielmembran, der inneren Chloroplasten- Hüllmembran dirigiert; sie wird während des Import-Prozesses durch eine spezifische Protease abgespalten und das reife Protein ensteht. Im Dunkeln konnte die Insertion des Translokators durch die Zugabe von ATP energetisiert werden während in Abwesenheit von ATP wird kein Import beobachtet wurde. Im Licht konnte die Energie für den Import des Proteins in Form von ATP über die photosynthetische Phosphorylierung bereitgestellt werden; der Import war unter diesen Bedingungen unabhängig von zugegebenem ATP. Wurde die photosynthetische Phosphorylierung und die damit verbundene Produktion von ATP durch die Zugabe eines Entkopplers wie CCCP jedoch verhindert, war auch der Proteinimport blockiert. Es zeigte sich ferner, daß das reife Protein proteae-resistent in die innere Hüllmembran inseriert wurde: Zugabe von Proteasen (z. B. Thermolysin), die die äußere Hüllmembran nicht permeieren können, vermögen das in die innere Membran eingebaute reife Protein nicht anzugreifen. Eine Vorbehandlung der Chloroplasten mit einer Protease (z. B. Thermolysin) führte zu einen völligen Verlust der Bindung und des Importes des Translokators was zeigte, daß die Präsequenz ("Targeting"-Sequenz) des Translokators in einem ersten Schritt zunächst spezifisch an Rezeptoren der äußeren Membran gebunden werden muß. Erst dann können dann die weiteren Schritte der Protein-Insertion erfolgen.The in vitro transcription of the plasmid pBSC-E43-30 / 3 was used of T7 RNA polymerase according to the manufacturer's instructions (Pharmacia) carried out. The subsequent in vitro translation was carried out in the reticulocyte lysate (Boehringer-Mannheim) and the postribosomal supernatant was used for Protein transport used in intact spinach chloroplasts. The experiment was carried out in Performed in the dark or in the light; the approach contained import buffers (Flügge et al., 1989, EMBO J. 8: 39-46) and intact spinach chloroplasts (corresponding to 200 µg Chlorophyll). After 30 min at 25 ° C the chloroplasts were washed and the Envelope membranes isolated (Flügge et al., 1989, EMBO J. 8: 39-46). You were over one SDS-polyacrylamide gel electrophoresis (Laemmli, 1970, Nature 227: 680-685) and subsequent fluorography (Bonner and Laskey, 1974, Eur. J. Biochem. 46: 84-88) analyzed. The presequence of the glucose translocator was found to be the attached mature protein correctly to its target membrane, the inner chloroplast Envelope membrane conducts; it will be replaced by a cleave specific protease and the mature protein is formed. Could in the dark the insertion of the translocator can be energized by the addition of ATP while no import was observed in the absence of ATP. In the light could the energy for the import of the protein in the form of ATP over the photosynthetic phosphorylation are provided; the import was under these conditions regardless of added ATP. Was the Photosynthetic phosphorylation and the related production of However, ATP was prevented by adding a decoupler like CCCP Protein import blocked. It was also shown that the mature protein is proteae resistant was inserted into the inner membrane: addition of proteases (e.g. Thermolysin), which cannot permeate the outer envelope membrane, can do this not attack mature protein built into the inner membrane. A Pretreatment of the chloroplasts with a protease (e.g. thermolysin) resulted in a total loss of binding and import of the translocator which showed that the pre-sequence ("targeting" sequence) of the translocator in a first step must first be specifically bound to receptors of the outer membrane. Only then can the further steps of protein insertion take place.
Für die Expression des Glukose-Translokators in Hefe wurde zuerst mittels PCR mit einem Oligonukleotid, welches an der Schnittstelle von Präsequenz und reifem Protein liegt, das entsprechende Fragment hergestellt. Das so erhaltene Fragment wurde in den Hefe-Expressionsvektor pEVP11 eingesetzt und nach Amplifikation des Konstrukts in E. coli in durch LiCl/PEG kompetent gemachte (Ito et al., 1983, J. Bact. 153: 163-168) Leucinsynthese-defiziente S. pombe Zellen transformiert (Fischer et al., 1997, Plant Cell, 9: 453-462; (Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-117) Transformanden wurden durch Selektion auf Minimalmedium ohne Leucin selektiert, da das pEVP11-E43-30/3 Konstrukt den Hefezellen die Fähigkeit zum Wachstum auf leucinfreiem Medium verleiht.For the expression of the glucose translocator in yeast, PCR was first used an oligonucleotide that is at the intersection of pre-sequence and mature Protein is, the corresponding fragment produced. The fragment thus obtained was inserted into the yeast expression vector pEVP11 and after amplification of the construct in E. coli in LiCl / PEG made competent (Ito et al., 1983, J. Bact. 153: 163-168) Leucine synthesis deficient S. pombe cells transformed (Fischer et al., 1997, Plant Cell, 9: 453-462; (Kammerer et al., 1998, Plant Cell 10: 105-117) Transformants were selected by selection on minimal medium without leucine selected because the pEVP11-E43-30 / 3 construct gives the yeast cells the ability to Gives growth on leucine-free medium.
Aus dem Phagemid pBluescript-E43-30/3 (pBSC-E43-30/3), der als Insertion die cDNA für den Glukose-Translokator aus Spinat enthielt (siehe Ausführungsbeispiel 2) wurde die Insertion durch Restriktionsverdau isoliert und in den Vektor pBinAR (Höfgen and Willmitzer, 1990, Plant Sci. 66: 221-230) gerichtet kloniert. Nach Amplifikation des resultierenden Konstrukts pBinAR-E43-30/3 in E. coli wurden das Konstrukt in Agrobakterien transformiert und diese dann zur Infektion von Blattsegmenten von Tabak und Kartoffel eingesetzt. Die erhaltenen Transformanden wurden mit Hilfe von Southern-Blot Analysen auf die Präsenz des intakten, nicht rearrangierten chimären Gens untersucht. Die Glukose-Transportaktivität wurde im Vergleich zu Kontrolltransformanden (transformiert mit Vektor pBinAR ohne Insertion) untersucht, ebenso das C/N- Verhältnis, Photosyntheserate, Stärkegehalt und Wachstum.From the phagemid pBluescript-E43-30 / 3 (pBSC-E43-30 / 3), which as the insertion Contained cDNA for the spinach glucose translocator (see Embodiment 2) the insertion was isolated by restriction digestion and in directed the vector pBinAR (Höfgen and Willmitzer, 1990, Plant Sci. 66: 221-230) cloned. After amplification of the resulting construct pBinAR-E43-30 / 3 in E. coli the construct was transformed into agrobacteria and these were then transformed into Infection of leaf segments from tobacco and potato are used. The transformants obtained were analyzed using Southern blot analyzes investigated the presence of the intact, non-rearranged chimeric gene. The Glucose transport activity was compared to control transformants (transformed with vector pBinAR without insertion), as well as the C / N Ratio, photosynthesis rate, starch content and growth.
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