DE3920034C3 - Verfahren zum Einführen von DNS - Sequenzen in das Genom von höheren Pflanzen - Google Patents

Verfahren zum Einführen von DNS - Sequenzen in das Genom von höheren Pflanzen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einführen von beliebigen DNS-Sequenzen, vorzugsweise von proteinogenen DNS-Sequenzen für die Expression in Pflanzensamen, in das Genom von höheren Pflanzen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren ist von der Anmelderin bereits vorgeschlagen worden [1]. Dabei werden in die Expressionskassette die 5'- und 3'-regulativen DNS-Abschnitte eines Samenprotein-Gens einge­ baut. Die 5'-regulativen DNS-Abschnitte steuern die entwicklungs- und gewebespezifische Expression; die 3'-regulativen DNS-Abschnitte enthalten die Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen für das Transkript.
Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen bewirken eine 3'-seitige Polyadenylierung des primären DNS-Trans­ kripts. Der polyadenylierte DNS-Abschnitt hat offensichtlich Bedeutung für die Stabilität der mRNS und/oder für die Häufigkeit der Initiation der Translation [2]. Seine Bedeutung für das Ausschleusen der mRNS aus dem Kern in das Zytoplasma - einem Ort, an dem Translation initiiert wird, - wird diskutiert [3]; [4]; [5]. Vorausset­ zung ist die korrekte Erkennung der Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen in der Pflanzenzelle. Das System der Polyadenylierung ist im Verlauf der Evolution entstanden, so daß mehr oder weniger starke Unterschiede bei Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen der Lebewesen zu beobachten sind. So ist es bekannt, daß pflanzliche Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen von denen in tierischer mRNS abweichen [6] und für eine korrekte und effektive Expression prokaryotischer Gene in Eukaryoten immer eukaryorische Polyadenylierungs-Signal-Se­ quenzen vorgesehen werden müssen [7].
In dem älteren Vorschlag der Anmelderin [1] ist die Benutzung aller oder doch fast aller regulativen DNS-Ab­ schnitte vorgesehen - also einschließlich der Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen - von dem jeweiligen Gen, das der Expressionskassette zugrunde liegt. Dadurch kann ein gleichmäßiger Einfluß der Polyadenylierungs-Si­ gnal-Sequenzen auf eine erwünscht hohe Expression einer in der Expressionskassette angeordneten beliebigen DNS-Sequenz nicht gewährleistet werden.
Darüberhinaus ist bisher die Effektivität der Polyadenylierung noch nicht bekannt, welche mit den Polyaden­ ylierungs-Signal-Sequenzen der verschiedenen Gene verbunden ist. Demzufolge ist von vornherein nicht sicher zu bestimmen, welche Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen für die durch die 5'-regulativen DNS-Abschnitte der Expressionskassette verursachte Expression einer darin eingebauten DNS-Sequenz förderlich und welche hinderlich sind.
Ziel der Erfindung
Die Erfindung hat das aufgabengemäße Ziel, bei Expressionskassetten der eingangs näher bezeichneten Art bereits bei ihrer Konstruktion sicherzustellen, daß das Transkript einer eingebauten beliebigen DNS-Sequenz sicher und mit hoher Effektivität polyadenyliert wird, und hierfür pflanzenspezifische, in ihrer Effektivität charakterisierte Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen zu suchen.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst und durch die in den kennzeichnenden Teilen der Unteransprüche benannten Merkmale erweitert und ausgestaltet.
Da Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen keinen Einfluß auf die entwicklungs- und gewebespezifische Expres­ sion haben, müssen sie nicht notwendig aus Genen für Samenproteine stammen. Deshalb können die Polyaden­ ylierungs-Signal-Sequenzen des angegebenen Gens 7(g7), die als definierter, 212 Basenpaare langer DNS-Ab­ schnitt verfügbar sind [11], ohne weiteres verwendet werden.
Die Erfindung beseitigt die angegebenem Mängel der bekannten Expressionskassette in einfacher Weise. Sie bietet darüberhinaus den Vorteil, daß eine einfache Lösung für den Ersatz der originalen 3'-regulativen Polya­ denylierungs-Signal-Sequenzen gefunden werden konnte.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung und der in den Anlagen 1 bis 4 angegebenen Nukleotidsequenzen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt das Fließ-Schema der Konstruktion von Expressionskassetten, die auf den 5'-flankierenden Bereichen der Gene für Legumin und ein unbekanntes Samenprotein (USP) der Ackerbohne sowie auf 3'-flankierenden Bereichen des Gens 7(g7) der TL-DNS basieren.
Die Wellenlinie und der offene Pfeil (Le-Pr = Legumin-Promotor) kennzeichnen 5'-flankierende Bereiche des Gens Legumin B4, der schwarze Balken kennzeichnet das Gen der bakteriellen Chloramphenikol-Azetyltransfe­ rase, nachfolgend einfach CAT-Gen genannt, weiße Balken die 3'-flankierenden Bereiche des Gens 7(g7) der TL-DNS. Der schwarze Pfeil kennzeichnet 5'-flankierende Bereiche des USP-Gens. Kodierende Bereiche sind geschrafft (für Legumin) oder punktiert (für USP) dargestellt. Schwarze Quadrate markieren 5'- und 3'-seitige Polylinker, schwarze Punkte unikale Restriktionsorte zum Einklonieren von beliebigen DNS-Sequenzen (nach­ folgend Fremdgen genannt). Die Bezeichnungen bedeuten: Ba = BamHI; H = HindIII; RI = EcoRI; Bg = BgIII; P = PstI; B = BalI; C = ClaI; X = XbaI; Sm = SmaI; Amp = Gen der Ampizillin-Resistenz. Die näherungsweise Größe der Kassette ist in kb = Kilobasen angegeben.
Anlage 1 zeigt die Legumin-Signalpeptid-Kassette Le-Sig.T7. Die Darstellung der Basenfolge erfolgt als Insert im Plasmid pUC18. Der translatierte Bereich der Kassette ist im Einbuchstaben-Kode ausgewiesen. Der unikale BamHI-Ort (815-820) dient zum Einligieren von Fremd-DNS, der unikale HindIII-Ort im 3'-Polylinker (1080-1085) zum Einklonieren der Kassette in den Ti-Vektor pGA471.
Anlage 2 zeigt die USP-Promotor-Kassette USP-Pr.T7-2. Die Darstellung erfolgt als Insert im Plasmid pUC18. Der unikale BglII-Ort (720-725) dient zum Einligieren von Fremd-DNS, der unikale HindIII-Ort im 3'-Polylinker (1261-1266) zum Einklonieren der Kassette in den Ti-Vektor pGA471.
Anlage 3 zeigt die USP-Promotor-Kassette USP-Pr.T7-1. Die Darstellung erfolgt als Insert im Plasmid pUC18. Der unikale BglII-Ort (720-725) dient zum Einligieren von Fremd-DNS, der unikale HindIII-Ort im 3'-Polylinker (1032-1037) zum Einklonieren der Kassette in den Ti-Vektor pGA471.
Anlage 4 zeigt die USP-Signalpeptid-Kassette USP-Sig.T7. Die Darstellung erfolgt als Insert im Plasmid pUC18. Der translatierte Bereich der Kassette ist im Einbuchstaben-Kode ausgewiesen. Der unikale BamHI-Ort (890-895) dient zum Einligieren von Fremd-DNS, der unikale HindIII-Ort im 3'-Polylinker (1155-1160) zum Einklonieren der Kassette in den Ti-Vektor pGA471.
Alle im folgenden verwendeten molekularbiologischen Techniken sind bereits bekannt [12]. Auch die Analyse der kodierenden und regulativen Teile der benutzten Gene für Samenproteine der Ackerbohne ist bereits vorbeschrieben [1]; [8]; [9]; [10], ebenso wie die des Gens 7(g7) der TL-DNS [11].
1. Konstruktion einer Legumin-Signalpeptid-Kassette
Ausgangspunkt sind unter Verwendung des Gens Legumin B4 gewonnene Plasmidscharen mit unterschiedli­ cher Länge der Deletion [1]. Daraus wird ein Klon pdelta4'4 ausgewählt und das Ausmaß der Deletion durch Sequenzanalyse in bekannter Weise bestimmt [13]. Ein weiteres Ausgangsplasmid p12LeCATT7 wird wie folgt erhalten. Der aus der eingangs genannten Plasmidschar gewonnene Klon pdelta12 wird im unikalen BamHI-Ort geöffnet, die Enden werden zu blunt ends aufgefüllt. Das CAT-Gen in einem Plasmid pSV2CAT [14] wird als HindIII-BamHI-DNS-Fragment gewonnen, die Enden werden aufgefüllt und in den geöffneten Klon pdelta12 unter Erhalt eines Plasmids pdelta12CAT ligiert. Aus diesem Plasmid pdelta12CAT wird das NcoI-SalI-DNS- Fragment (letzterer Ort aufgefüllt) entfernt und durch das NcoI-SnaBI-DNS-Fragment eines Plasmids pGV1507, einem Abkömmling eines Plasmids pGV1500 [15] ersetzt.
Dieses Plasmid p12LeCATT7 enthält somit pflanzen-spezifische Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen des Transkriptes (T7) des Gens 7(g7) der oktopin-kodierenden TL-DNS des Ti-Plasmids von Agrobacterium tumefa­ ciens, welche auf einem 212 Basenpaaren langem ClaI-EcoRV-DNS-Fragment basieren [11]; [7] und die in allen nachfolgenden Konstruktionen aus diesem Plasmid p12LeCATT7 gewonnen werden.
Aus dem Plasmid p12LeCATT7 wird das BamHI-HindIII-DNS-Fragment gewonnen und in das BamHI-Hin­ dIII-geöffnete Plasmid pdelta4'4 unter Erhalt einer Kassette Le-Sig.T7 ligiert (Figur)
In dieser Kassette folgt dem 5'-flankierenden Bereich des Gens Legumin B4 3'-seitig die für das Signalpeptid [16] kodierende Region sowie ein unikaler BamHI-Ort zum Einklonieren von Fremd-DNS, welcher wiederum 3'-seitig gefolgt wird von T7-Polyadenylierungs-Signalen-Sequenzen. Die Nukleotidfolge der Kassette ist in Anl. 1 wiedergegeben. Diese bereits zur Transformation geeignete Kassette wird im unikalen HindIII-Ort geöffnet und in den unikalen HindIII-Ort eines binären Ti-Vektors pGA471 [17] kloniert: es entsteht eine Expressionskas­ sette für den durch Agrobacterium tumefaciens vermittelten Gentransfer [18]; [19].
2. Konstruktion einer USP-Gen-Expressionskassette 2.1. Promotorkassette
Ausgangspunkt sind die Gene für USP sowie das daraus erzeugte Plasmid pUC18/USPP [1], die in der Figur als "USP-gene" und als pUSP-Pr. bezeichnet sind. Aus dem Plasmid pUSP-Pr. wird ein EcoRI-BglII-DNS-Fragment gewonnen und in das an den gleichen Stellen geöffnete Plasmid "USP gene" unter Erhalt eines Plasmids pP30.1P ligiert. Aus diesem wird das HindIII-EcoRI-DNS-Fragment gewonnen (der HindIII-Ort wurde aufgefüllt) und in das bei BamHI-EcoRI geöffnete Plasmid p12LeCATT7 (der BamHI-Ort wurde aufgefüllt) zum Erhalt einer Kassette USP-Pr.T7-2 ligiert (Figur und Anl. 2). Aus dem Plasmid p12LeCATT7 wird ferner ein BamHI-HindIII- DNS-Fragment gewonnen und in das BamHI-Hind-III-geöffnete Plasmid pP30.1P unter Erhalt einer Kassette USP-Pr.T7-1 ligiert (Figur und Anl. 3).
Die Kassetten USP-Pr.T7-1 und USP-Pr.T7-2 bestehen demzufolge 5'-seitig aus den regulativen flankierenden Bereichen des USP-Gens, gefolgt von einem unikalen BglII-Ort zum Einklonieren von Fremd-DNS, welcher 3'-seitig von T7-Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen flankiert wird. Diese bereits zur Transformation geeigne­ ten Kassetten werden am unikalen HindIII-Ort geöffnet und in den unikalen HindIII-Ort des Ti-Vektors pGA471 kloniert, wodurch Expressionskassetten für den durch Agrobacterium tumefaciens vermittelten Gen­ transfer erhalten werden.
2.2 Signalpeptid-Kassette
Aus dem Plasmid "USP gene" wird ein XbaI-BalI-DNS-Fragment (der XbaI-Ort ist ausgefüllt) gewonnen und in das SmaI-geöffnete Plasmid pUC18 unter Erhalt eines Plasmids pUSP-Sig. ligiert. In dieses BamI-HindIII-ge­ öffnete Plasmid wird das BamHI-HindIII-DNS-Fragment des Plasmids p12LeCATT7 unter Erhalt einer Kasset­ te USP-Sig.T7 ligiert (Figur und Anl. 4).
In der Kassette USP-Sig.T7 folgt dem 5'-flankierenden Bereich des USP-Gens die für das Signalpeptid [16] und die ersten etwa 5 N-terminalen Aminosäuren des USP kodierende Region, gefolgt von einem unikalen BamHI-Ort zum Einklonieren von Fremd-DNS, welcher wiederum 3'-seitig von T7-Polyadenlierungs-Signal- Sequenzen gefolgt wird. Diese bereits zur Transformation geeignete Kassette wird am unikalen HindIII-Ort geöffnet und in den unikalen HindIII-Ort des Ti-Vektors kloniert, womit eine Expressionskassette für den durch Agrobacterium tumefaciens vermittelten Gentransfer erhalten wird.
2.3. Das Einligieren von Fremd-DNS
Aus dem CAT Gen im Plasmid pSV2CAT wird das 785 Basenpaare große HindIII-SauIIIA-DNS-Fragment gew1.onnen (beide Orte werden aufgefüllt) und in die bei BglII geöffnete (Orte werden aufgefüllt) Expressionskas­ sette USP-Pr.T7-1 ligiert. Das HindIII-SauIIIA-DNS-Fragment trägt den gesamten kodierenden Bereich der CAT-Gene, der somit 5'-seitig unter der Regulationskontrolle des USP-Promotors steht und 3'-seitig von pflanzen-spezifischen Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen des Gens 7(g7) der TL-DNS flankiert wird.
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Claims (12)

1. Verfahren zum Einführen von beliebigen DNS-Sequenzen, vorzugsweise von proteinogenen DNS-Sequenzen für die Expression in Pflanzensamen, in das Genom von höheren Pflanzen,
wobei
zunächst ein vollständiges, einen Signalpeptid kodierenden Abschnitt enthaltendes, beispielsweise pflanzensamenprotein­ spezifisches Gen isoliert wird, dessen proteinkodierende und regulative DNS-Abschnitte danach durch Sequenzanalyse ermittelt werden,
die proteinkodierenden DNS-Abschnitte ausschließlich der Abschnitte für die Signalpeptidsequenz und für die durch die Signalpeptidase erkennbare Proteinstruktur aus dem in einem Vektorplasmid befindlichen Gen herausgeschnitten werden,
die regulativen DNS-Abschnitte vollständig erhalten bleiben und unter Herbeiführung eines unikalen Restriktionsortes, der im Wirkungsbereich der regulativen DNS- Abschnitte liegt, zu einer Deletionsmutante vereinigt werden,
die Deletionsmutante aus dem Vektorplasmid isoliert und in einen Pflanzen-Transformations-Vektor so ligiert wird, daß der unikale Restriktionsort erhalten bleibt und eine Expressionskassette entsteht, in welcher der Pflanzen-Transformations-Vektor die Transformation dieser gesamten Expressionskassette übernimmt,
in den unikalen Restriktionsort der Expressionskassette eine beliebige DNS-Sequenz ligiert und
die DNS-Sequenz in Zellen von höheren Pflanzen exprimiert wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
als pflanzensamenproteinspezifisches Gen das USP- bzw. das Legumingen eingesetzt wird,
ein weiteres vollständiges Gen sich auf einen weiteren Vektorplasmid befindet, wie das erste flankiert von DNS- Abschnitten mit Polylinkern,
die 5'-regulativen und die proteinkodierenden DNS-Abschnitte des USP- bzw. des Legumingens und die 3'-regulativen des zweiten Gens aus ihrem jeweiligen Vektorplasmid gewonnen und unter Bildung des unikalen Restriktionsortes so in ein Vektorplasmid ligiert werden, daß eine für die Transformation von Pflanzen geeignete Kassette mit den Abschnitten 5'-Polylinker - 5'- regulativer DNS-Abschnitt - verbleibender proteinkodierender DNS-Abschnitt des USP- bzw. des Legumingens - unikaler Restriktionsort - 3'-regulativer DNS-Abschnitt - 3'-Polylinker in dieser Reihenfolge entsteht und
die Kassette unter Benutzung der 3'- und/oder 5'-Polylinker isoliert und in den Pflanzen-Transformations-Vektor ligiert wird.
2. Verfahren nach Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gene für das in Pflanzensamen gespeicherte Protein Legumin kodieren und aus einer Genbank der Ackerbohne selektiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gene für das in Pflanzensamen gespeicherte Protein USP (unbekanntes Samenprotein) kodieren und aus einer Genbank der Ackerbohne selektiert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer cDNS-Bank der Ackerbohne Klone mit spezifischen Inserts von Legumin- oder USP-DNS selektiert und durch Sequenzanalyse deren cDNS-Nukleotidsequenzen ermittelt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die genomische DNS-Sequenz eines Proteins mit der zugehörigen cDNS-Nukleotidsequenz verglichen und daraus bestimmt wird, wo sich die proteinkodierenden, die regulativen DNS-Abschnitte und die Intronsequenzen befinden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß geeignete unikale Restriktionsorte innerhalb der proteinkodierenden DNS-Abschnitte des USP- bzw. Legumingens dazu verwendet werden, den 3-seitig davon gelegenen DNS-Abschnitt bis ausschließlich 3'-seitigem Polylinker zu entfernen und die Enden durch Linker unter Bildung des für die Einligierung der beliebigen DNS-Sequenz vorgesehenen unikalen Restriktionsortes zu einer Deletionsmutante zu re­ ligieren.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Deletionsmutante die Signal-Sequenzen für den intra- und extrazellulären Transport der Proteine belassen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein in einem Vektorplasmid befindlicher DNS-Abschnitt eines Gens 7(g7) der oktopin-kodierenden TL-DNS des Ti-Plasmides von Agrobacterium tumefaciens mit pflanzen-spezifischen Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen des Transkripts über zwei geeignete Restriktionsorte gewonnen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 und 7-8, dadurch gekennzeichnet, daß der DNS-Abschnitt mit den pflanzen-spezifischen Polyadenylierungs-Signal-Sequenzen in einem Restriktionsort des 3'-Polylinkers der Deletionsmutante unter Beibehaltung des nun 5'-seitig von den Poladenylierungs-Signal-Sequenzen befindlichen unikalen Restriktionsortes ligiert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 und 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kassette durch einen Restriktionsort im 5'-Polylinker und/oder 3'-Polylinker linearisiert und in den kompatibel geöffneten Pflanzen-Transformations-Vektor so ligiert wird, daß der unikale Restriktionsort zum Einklonieren einer beliebigen DNS-Sequenz erhalten bleibt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der proteinkodierende DNS-Abschnitt oder Teile davon aus einem auf einem Vektorplasmid befindlichen Gen mittels Restriktasen gewonnen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der proteinkodierende DNS-Abschnitt oder Teile davon in den unikalen Restriktionsort der Expressionskassette im Pflanzen- Transformations-Vektor ligiert wird.
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