DE4204103A1 - New gamma-amino butyric acid permease gene - for growth inhibition of microbial or plant cells or as selectable marker - Google Patents

New gamma-amino butyric acid permease gene - for growth inhibition of microbial or plant cells or as selectable marker

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DE4204103A1
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Abstract

A gene for GABA permease is claimed (GABA = gamma-aminobutyric acid). Also claimed are: (1) GABA permease having a cytotoxic effect on cells in which it is overexpressed; (2) a plasmid contg. the gene; and (3) microorganisms (esp. E. coli), plants, plant cells and seeds contg. the plasmid. USE - Overexpression of the gene in microbial or plant cells may be used to produce cytotoxic effects in microorganisms, plants, plant cells or seeds, e.g. transforming plants with the gene under the control of a pathogen- or wound-inducible promoter produces hypersensitive resistance to pathogen attack, and transforming plants with the gene under the control of an anther-specific promoter may be used to produce male-sterile plants. The gene may also be used as a selectable marker for: (a) detecting plasmids contg. DNA inserts, since cells contg. plasmids with the insert in the GABA permease gene will not be inhibited in growth; and (b) positive selection of integrated DNA fragments in the genome of an organism, by using a cloning vector contg. a selectable DNA fragment and the GABA permease gene, and selecting clones contg. the integrated fragment without episomal or chromosomal copies of the GABA permease gene

Description

Die Erfindung betrifft cytotoxisch wirkende 4-Aminobuttersäure (GABA)-Permeasen, ihre Gene, Verfahren zur Isolierung dieser Gene und die Verwendung der Gene sowie spezifischer Subfragmente, zur gezielten Wachstumshemmung von Mikroorganismen oder Pflanzenzellen, in denen die Permeasen bzw. spezifische Subfragmente unter kontrollierten Bedingungen überexprimiert werden.The invention relates to cytotoxic 4-aminobutyric acid (GABA) -permeas, their genes, methods for isolating these genes and the use of genes as well as specific subfragments, for the targeted growth inhibition of Microorganisms or plant cells in which the permeases or specific Subfragments are overexpressed under controlled conditions.

Eine kontrollierte Expression kann durch die Verwendung induzierbarer Promotoren erreicht werden. Unter Promotoren werden hier Sequenzen verstanden, die etwa 100 bp lang sind und von denen ausgehend die Transcription des Gens, d. h. die Synthese der mRNA, startet. Promotoren kontrollieren die Transkriptionsaktivität von Genen, die in den meisten Fällen unmittelbar in 3′-Richtung hinter dem Promotor auf der gleichen DNA liegen. Promotoren sind also normalerweise cis­ wirkende Elemente, sie können jedoch auch hinsichtlich der Lage und der Orientierung in bezug zum Gen variieren. Man spricht von schwachen und starken Promotoren, je nachdem wie effizient ein Gen transkribiert wird. Sogenannte induzierbare Promotoren lassen sich in ihrer Stärke regulieren, während konstitutive Promotoren nicht regulierbar sind. Bei den regulatorischen Sequenzen handelt es sich um Bindestellen für sequenzspezifisch DNA-bindende Proteine. Diese Proteine können in Abhängigkeit vom physiologischen Zustand der Zellen zelltyp- und gewebespezifisch in positiver Weise die Expression der Gene, die unter der Kontrolle des jeweiligen Promotors stehen, steuern. Induzierbare Promotoren sind beispielsweise der lac, tac, trp und trc sowie der Tapetum-Promotor. Prokaryontische und eukaryontische Promotoren unterscheiden sich zwar in Hinblick auf ihren Aufbau, nicht aber bezüglich der Eigenschaft reguliert werden zu können.Controlled expression can be achieved through the use of inducible promoters be achieved. Promoters are understood here as sequences 100 bp in length and from which the transcription of the gene, d. H. the Synthesis of mRNA, starts. Promoters control the transcriptional activity of genes, in most cases immediately in the 3 'direction behind the Promoter lie on the same DNA. Promoters are usually cis However, they can also be effective in terms of location and Orientation with respect to the gene vary. We speak of weak and strong Promoters, depending on how efficiently a gene is transcribed. So-called inducible promoters can be regulated in their strength, while constitutive Promoters are not regulatable. The regulatory sequences are around binding sites for sequence-specific DNA-binding proteins. These proteins depending on the physiological state of the cells cell type and tissue specific in a positive way, the expression of the genes under the Control of the respective promoter, control. Inducible promoters are for example, the lac, tac, trp and trc as well as the tapetum promoter. Although prokaryotic and eukaryotic promoters differ in Regarding their structure, but not regarding the property to be regulated can.

Bisher wurden Toxine verwendet, um gezielt Zellen ausschalten zu können. Die Nachteile, die mit der Expression von Toxinen verbunden sind, liegen unter anderem darin, daß Toxine, die unter der Kontrolle eines induzierbaren Promotors stehen, auch im nicht induzierten Zustand immer in einem gewissen, wenn auch geringem Umfang konstitutionell exprimiert werden, da selbst ein sehr gut induzierbarer Promotor nie völlig ausgeschaltet ist. Die Expression von Toxinen in Pflanzen oder Mikroorganismen, die für den Verbrauch bestimmt sind, ist nicht wünschenswert. Mit Hilfe der vorliegenden Gene, die bei niedriger Expression keine schädigenden und negativen Eigenschaften besitzen, können Zellen unter kontrollierten Bedingungen abgetötet oder in ihrem Wachstum beeinträchtigt werden.So far, toxins have been used to selectively switch off cells. The Disadvantages associated with the expression of toxins are below Another is that toxins are under the control of an inducible promoter stand, even in the non-induced state always in a certain, though to be expressed constitutionally, since even a very good Inducible promoter is never completely switched off. The expression of toxins in Plants or microorganisms intended for consumption are not desirable. With the help of the present genes, which at low expression no can possess damaging and negative properties, cells under controlled conditions killed or impaired in their growth become.

Die Permeasegene sowie deren spezifische Subfragmente können außerdem als Selektionsmarker zum Nachweis erfolgreich durchgeführter Klonierungen verwendet werden. Die Anwesenheit des nicht durch eine Insertion fremder DNA unterbrochenen Markergens führt zu einer Wachstumshemmung, während die stattgefundene Klonierung zur Inaktivierung der Permease und zu einem normalen Wachstum der Empfänger führen.The permease genes as well as their specific subfragments can also be described as Selection marker used to detect successfully performed cloning become. The presence of DNA not by an insertion of foreign DNA disrupted marker gene leads to a growth inhibition, while the Cloning occurred to inactivate the permease and to a normal one Growth of the recipients lead.

Die Erfindung betrifft auch solche DNA-Fragmente, die durch Austausch, Insertion oder Deletion von einem oder mehreren Nucleotiden der vorzugsweise beanspruchten DNA (Abb. 1) entstanden sind und deren Überexpression unter der Kontrolle eines induzierbaren Promotors zu einer Wachstumshemmung der Zellen führt. Auch eine Veränderung der Sequenz im Rahmen des genetischen Kodes ist hierunter zu verstehen.The invention also relates to those DNA fragments which have arisen by replacement, insertion or deletion of one or more nucleotides of the preferably claimed DNA ( FIG. 1) and whose overexpression under the control of an inducible promoter leads to a growth inhibition of the cells. Also, a change in the sequence in the context of the genetic code is to be understood by this.

Als Zielzellen zur Überexpression der Permease kommen Mikroorganismen und Pflanzenzellen in Frage, für die geeignete Transformationsmethoden und Promotoren zur Verfügung stehen. Bevorzugt sind dikotyledone Pflanzen, insbesondere Nutzpflanzen, die Stärke, Kohlehydrate, Eiweiße oder Fette in nutzbaren Mengen in ihren Organen produzieren oder speichern, Obst oder Gemüse produzieren, Gewürze, Fasern und technisch verwertbare Produkte oder Arzneimittel, Farbstoffe oder Wachse liefern und außerdem alle Futterpflanzen.As target cells for overexpression of the permease come microorganisms and Plant cells in question, for the appropriate transformation methods and Promoters are available. Preference is given to dicotyledonous plants, especially useful plants, starch, carbohydrates, proteins or fats in produce or store usable quantities in their organs, fruits or Produce vegetables, spices, fibers and technically usable products or  Provide medicines, dyes or waxes and also all feed plants.

Erfindungsgemäße GABA-Permeasen können nicht nur aus E.coli, sondern auch aus allen Organismen isoliert werden, die über entsprechende Enzyme zum Transport von GABA durch die Zellmembran verfügen.GABA permeases according to the invention can be obtained not only from E. coli, but also be isolated from all organisms that have appropriate enzymes for Transport of GABA through the cell membrane.

Die Erfindung betrifft insbesondere die Permease aus Escherichia coli K-12 codierend für eine GABA-Permease und deren spezifische Subfragmente.The invention relates in particular to the permease from Escherichia coli K-12 encoding a GABA permease and its specific subfragments.

Das gabP-Gen ist ein Teil des gab-Glusters aus E. coli K-12, welches die Enzyme des 4-Aminobuttersäure (GABA)-Abbauweges codiert [Metzger und Halpern (1990), J. Bacteriol. 172: 3250; Bartsch et al. (1990), Appl. Env. Microbiol. 56: 7; Bartsch et al. (1990), J. Bacteriol. 172: 7035]. Das Gen wurde aus dem Genom von E. coli isoliert, charakterisiert und sequenziert. Es hat eine Länge von 1401 Nukleotiden und codiert für eine GABA-spezifische Permease aus 466 Aminosäuren. Die Permease ist ein stark hydrophobes Membranprotein mit insgesamt 12 Transmembrandomänen. Die Überexpression des Permease-Gens unter Kontrolle von starken, induzierbaren Promotoren führt zur Desintegration der Zellmembran und in der Folge zu Wachstumshemmung und Zelltod. Vergleichbare Effekte werden nicht nur mit der vollständigen Permease, sondern auch mit spezifischen Subfragmenten der Permease erzielt. Dabei handelt es sich um hydrophobe Polypeptiden ohne katalytische Aktivität, die durch Expression von 3′-verkürzten Fragmenten des gabP-Gens erzeugt werden können.The gabP gene is part of the gab-Gluster from E. coli K-12, which contains the enzymes of the 4-aminobutyric acid (GABA) degradation pathway [Metzger and Halpern (1990), J. Bacteriol. 172: 3250; Bartsch et al. (1990), Appl. Env. Microbiol. 56: 7; Bartsch et al. (1990) J. Bacteriol. 172: 7035]. The gene was from the genome of E. coli isolated, characterized and sequenced. It has a length of 1401 nucleotides and encodes a 466 amino acid GABA-specific permease. The Permease is a highly hydrophobic membrane protein with a total of 12 Transmembrane domains. Overexpression of the permease gene under control strong, inducible promoters leads to disintegration of the cell membrane and subsequently to growth inhibition and cell death. Comparable effects not only with the complete permease, but also with specific ones Sub-fragments of the permease achieved. These are hydrophobic Polypeptides without catalytic activity, expressed by expression of 3'-truncated Fragments of the gabP gene can be generated.

Weitere Aspekte der Erfindung sind in den Beispielen aufgeführt und veranschaulicht, ohne daß diese darauf beschränkt wäre. Wenn nichts anderes angegeben ist, so bedeuten %-Angaben Gewichtsprozente.Further aspects of the invention are listed in the examples and illustrates, without this being limited thereto. If nothing else is given,% means% by weight.

BeispieleExamples 1. Lokalisierung des GABA-Permease-Gens gabP aus E. coli K-1 2, GABA- Transport-Kinetiken1. Localization of the GABA Permease Gene gabP from E. coli K-1 2, GABA  Transport kinetics

In der europäischen Patentanmeldung 89 122 939.5 wurde die Klonierung eines 5,6-Kilobasen (kb) Sall-Hindlll-Fragmentes aus E. coli K-12 beschrieben, welches die Gene gabT, codierend für GABA-Transaminase (EG 2.6.1.19), sowie gabD, codierend für Succinatsemialdehyd-Dehydrogenase (EG 1.2.1.16) enthält (Abb. 2). Dieses Fragment wurde nach Standardmethoden [Maniatis et al. (1982), Molecular Cloning, A Laboratory Manual, Gold Spring Harbor] in den Plasmid-Vektor pMLG12 (Tab. 1) kloniert und das entstandene rekombinante Plasmid pGAB8 (Tab. 1) in E. coli W3110 transformiert.European Patent Application 89 122 939.5 described the cloning of a 5.6 kilobase (kb) Sall-HindIII fragment from E. coli K-12, which gave the genes T coding for GABA transaminase (EC 2.6.1.19), and gabD coding for succinic semialdehyde dehydrogenase (EC 1.2.1.16) ( Figure 2). This fragment was prepared by standard methods [Maniatis et al. (1982), Molecular Cloning, A Laboratory Manual, Gold Spring Harbor] into the plasmid vector pMLG12 (Table 1) and the resulting recombinant plasmid pGAB8 (Table 1) transformed into E. coli W3110.

In den erhaltenen Transformanten sowie einem mit dem Vektor pMLG12 transformierten Kontrollstamm wurden die GABA-Aufnahmeaktivitäten in einem Transport-Assay mit radioaktiv markiertem [14C]GABA als Substrat gemessen. Dazu wurden die Bakterien in einem Minimal-Medium bestehend aus 0,6% Na2HPO4, 0,3% KH2PO4, 0,05% NaCl, 0,05% MgSO4, 0,001% CaCl2, 0,5% Glucose, 0,4% GABA, 0,2% Glutamin, pH = 7,4 mit 50 µg/ml Chloramphenicol bei 37°C kultiviert und in der logarithmischen Phase bei einer optischen Dichte (600 nm) von ca. 0,8 abgeerntet. Die Zellen wurden zweimal in Aufnahmepuffer (10 mM NaCl, 10 mM Natriumphosphat, pH = 7,0) gewaschen und im gleichen Puffer resuspendiert. Die GABA-Transport-Assays wurden bei 37°C in einem Volumen von 1 ml mit 3,75 mg frischen Zellen (nicht älter als 1 h auf Eis) und der gewünschten Konzentration an [C14C]GABA (c = 2,5, 5, 7,5, 10, 20 bzw. 40 µM) durchgeführt. Proben von 100 µl wurden nach 2, 4, 6, 8,10 und 12 min abgenommen und durch Membranfilter filtriert. Die Filter wurden zweimal mit je 500 µl Aufnahmepuffer gewaschen und in einem Flüssigszintillationszähler gemessen. Die Anfangsgeschwindigkeiten der GABA-Aufnahme wurden aus den linearen Bereichen der Zeitkurven ermittelt. Die GABA-Transport-Kinetiken für die verschiedenen rekombinanten Stämme sind in doppelt reziproker Auftragung (1/v gegen 1 /c) dargestellt (Abb. 3).In the transformants obtained and a control strain transformed with the vector pMLG12, the GABA uptake activities were measured in a transport assay with radioactively labeled [ 14 C] GABA as substrate. For this, the bacteria were incubated in a minimal medium consisting of 0.6% Na 2 HPO 4 , 0.3% KH 2 PO 4 , 0.05% NaCl, 0.05% MgSO 4 , 0.001% CaCl 2 , 0.5 % Glucose, 0.4% GABA, 0.2% glutamine, pH = 7.4 with 50 μg / ml chloramphenicol cultured at 37 ° C and in the logarithmic phase at an optical density (600 nm) of about 0.8 harvested. The cells were washed twice in uptake buffer (10 mM NaCl, 10 mM sodium phosphate, pH = 7.0) and resuspended in the same buffer. The GABA transport assays were performed at 37 ° C in a volume of 1 ml with 3.75 mg fresh cells (not older than 1 h on ice) and the desired concentration of [C 14 C] GABA (c = 2.5 , 5, 7.5, 10, 20 and 40 μM, respectively). Samples of 100 μl were taken at 2, 4, 6, 8, 10 and 12 minutes and filtered through membrane filters. The filters were washed twice with 500 μl of each receiving buffer and measured in a liquid scintillation counter. The initial rates of GABA uptake were determined from the linear regions of the time curves. The GABA transport kinetics for the different recombinant strains are shown in double reciprocal plots (1 / v vs. 1 / c) ( Figure 3).

In den pGAB8-Transformanten ist die GABA-Aufnahme ca. 3fach gegenüber der Kontrolle erhöht.In the pGAB8 transformants, the GABA uptake is about 3-fold higher than the  Control increased.

Zur genauen Lokalisierung des GABA-Permease-Gens gabP wurden verschiedene Teilfragmente des 5,6-kb Sall-Hindlll-Fragmentes (Abb. 2) im tac-Expressionsvektor pJF118u (Tab. 1) subkloniert und die rekombinanten Plasmide ebenfalls in E. coli W3110 transformiert. Dabei zeigten ausschließlich Transformanten, die das zum 3′- Ende des gabT-Gens benachbarten 1,9-kb BamHl-Hindlll-Fragment enthielten (Plasmid pJFPE1, Tab. 1), eine gegenüber der Kontrolle (W3110 transformiert mit dem Vektor pJF118u) ca. 5fach gesteigerte GABA-Aufnahmeaktivität (ohne Induktion des tac-Promoters) (Abb. 4). Eine Klonierung des 1,9-kb Fragmentes in reverser Orientierung zum tac-Promoter (tac-Promoter-Hindlll-BamHl, Plasmid pJFPE1R) führte dagegen zu keiner Erhöhung des GABA-Transports. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, daß das komplette gabP-Strukturgen auf dem 1,9-kb- BamHl-Hindlll-Fragment lokalisiert ist und in der gleichen Richtung wie die 5′ davon gelegenen Gene gaT und gabD transkribiert wird (Abb. 2).For precise localization of the GABA-permease gene, various sub-fragments of the 5.6-kb SalI-HindIII fragment ( Fig. 2) were subcloned into the tac expression vector pJF118u (Table 1) and the recombinant plasmids also into E. coli W3110 transformed. Only transformants containing the 1.9 kb BamHI-HindIII fragment adjacent to the 3 'end of the gabT gene (plasmid pJFPE1, Tab. 1) were shown, one with respect to the control (W3110 transformed with the vector pJF118u) approx 5-fold increased GABA uptake activity (without induction of the tac promoter) ( Figure 4). However, cloning of the 1.9 kb fragment in reverse orientation to the tac promoter (tac promoter-HindIII BamHI, plasmid pJFPE1 R ) did not increase the GABA transport. These results indicate that the complete gabP structural gene is located on the 1.9 kb BamHI-HindIII fragment and is transcribed in the same direction as the 5 'genes gaT and gabD ( Figure 2).

2. Nukleotidsequenz des GABA-permease-Gens gabP2. Nucleotide sequence of GABA permease gene gabP

Die DNA-Sequenz des 1,9-kb BamHl-Hindlll-Fragmentes (Abb. 1) wurde bestimmt und ist in Abb. 1 dargestellt. Die erhaltenen Sequenzinformationen aus dem 1,9-kb- Fragment sowie von subklonierten Teilfragmenten wurden mit Hilfe von synthetischen Primern verlängert.The DNA sequence of the 1.9 kb BamHI-HindIII fragment ( Figure 1) was determined and is shown in FIG . The sequence information obtained from the 1.9 kb fragment and subcloned partial fragments were extended by means of synthetic primers.

Sie enthält einen langen offenen Leserahmen von 1401 Nukleotiden Länge mit dem Translations-Startcodon ATG in Position 189 und dem Stop-Godon TGA in Position 1589. Das daraus abgeleitete Genprodukt, die GABA-Permease, ist ein stark hydrophobes Protein aus 466 Aminosäuren mit 12 potentiellen Transmembrandomänen. Seine kalkulierte Molekülmasse beträgt 51,1 KiloDalton (kDa).It contains a long open reading frame of 1401 nucleotides in length with the Translation initiation codon ATG at position 189 and stop Godon TGA in position 1589. The deduced gene product, GABA permease, is strong hydrophobic protein of 466 amino acids with 12 potential Transmembrane domains. Its calculated molecular mass is 51.1 kiloDaltons (KDa).

3. Konstruktion von gabP-Expressionsplasmiden3. Construction of gabP expression plasmids

Aus dem 1,9-kb BamHl-Hindlll-Fragment wurden vom Hindlll-Ende her eine Reihe von Exolll/S1-Deletionen hergestellt [Henikoff (1984), Gene 28: 351-359]. Die verkürzten Fragmente [1601 -Basenpaare (bp), 1414-bp, 725-bp, 330-bp; siehe Abb. 2] wurden ebenso wie das unveränderte 1,9-kb-Fragment (siehe oben) in den tac- Expressionsvektor pJF118u insertiert. Die letzten drei der auf diese Weise konstruierten Plasmide pJFPE2-pJFPE5 (Tab. 1) enthalten 3′-verkürzte Formen des gabP-Strukturgens und exprimieren daher rekombinante GABA-Permeasen mit unvollständigen C-terminalen Bereichen (pJFPE3: - 58 Aminosäuren, pJFPE4: - 287 Aminosäuren, pJFPE5: - 419 Aminosäuren). Die katalytischen Aktivitäten dieser Permease-Deletionsmutanten wurden durch [14C]GABA-Aufnahmetests mit den entsprechenden E. coli W3110-Transformanten untersucht (siehe Beispiel 1). Dabei zeigte sich, daß nur Transformanten, die das vollständige gabP-Strukturgen exprimieren (Plasmide pJFPE1, pJFPE2), einen ca. 5fach erhöhten GABA- Transport aufweisen, während die verkürzten Formen der Permease (Plasmide pJFPE3, pJFPE4, pJFPE5) katalytisch inaktiv sind.From the 1.9 kb BamHI-HindIII fragment, a series of exolll / S1 deletions were prepared from the HindIII end [Henikoff (1984), Gene 28: 351-359]. The truncated fragments [1601 base pair (bp), 1414-bp, 725-bp, 330-bp; see Fig. 2] as well as the unmodified 1.9 kb fragment (see above) were inserted into the tac expression vector pJF118u. The last three of the thus constructed plasmids pJFPE2-pJFPE5 (Table 1) contain 3'-truncated forms of the gabP structural gene and therefore express recombinant GABA permeases with incomplete C-terminal regions (pJFPE3: -58 amino acids, pJFPE4: 287 amino acids, pJFPE5: 419 amino acids). The catalytic activities of these permease deletion mutants were examined by [ 14 C] GABA uptake assays with the corresponding E. coli W3110 transformants (see Example 1). It was found that only transformants expressing the complete gabP structural gene (plasmids pJFPE1, pJFPE2) have an approximately 5-fold increased GABA transport, while the truncated forms of the permease (plasmids pJFPE3, pJFPE4, pJFPE5) are catalytically inactive.

4. Wachstumshemmung durch Überexpression der GABA-Permease4. Growth inhibition by overexpression of the GABA permease

Die Induktion des tac-Promoters auf den gabP-Expressionsplasmiden (pJFPE- Plasmide) durch Zugabe von Isopropyl-2-D-thiogalactosid (IPTG) in das Kulturmedium führt zu einer starken Wachstumshemmung des transformierten Stammes E.coli W3110.Induction of the tac promoter on the gabP expression plasmids (pJFPE- Plasmids) by adding isopropyl-2-D-thiogalactoside (IPTG) in the Culture medium leads to a strong growth inhibition of the transformed Strain E. coli W3110.

Zur Demonstration dieses Effektes wurden die gabP-Transformanten E.coli W3110- pJFPE1 und -pJFPE1R in LB (Luria-Bertani)-Medium (10 g/l Bacto-Trypton, 5 g/l Bacto-Hefeextrakt, 10 g/l NaCl, pH = 7,5) mit 50 µg/ml Ampicillin bei 37°C mit 1 mM IPTG sowie ohne IPTG kultiviert. Das Zellwachstum wurde durch Bestimmung der optischen Dichte bei 600 nm gemessen (Abb. 5). Der Stamm W3110-pJFPE1R zeigt sowohl mit als auch ohne Induktor ein normales Wachstumsverhalten. Dagegen ist bei W3110-pJFPE1 auch schon ohne IPTG-Zusatz ein verzögertes Wachstum feststellbar. In Abwesenheit von 1 mM IPTG wird das Zellwachstum vollständig gehemmt. To demonstrate this effect, the gabP transformants E. coli W3110-pJFPE1 and -pJFPE1 R in LB (Luria-Bertani) medium (10 g / l bacto-tryptone, 5 g / l bacto-yeast extract, 10 g / l NaCl , pH = 7.5) were cultured with 50 μg / ml ampicillin at 37 ° C. with 1 mM IPTG and without IPTG. Cell growth was measured by determining the optical density at 600 nm ( Figure 5). The strain W3110-pJFPE1 R shows a normal growth behavior both with and without an inducer. In contrast, W3110-pJFPE1 even without IPTG addition delayed growth can be detected. In the absence of 1 mM IPTG, cell growth is completely inhibited.

In einem weiteren Experiment wurden die rekombinanten Stämme W3110-pJFPEl und W3110-pJFPE1R in LB-Medium mit 50 µg/ml Ampicillin bei 37°C bis zu einer optischen Dichte (600 nm) von 0,5 kultiviert und dann durch Zugabe von 1 mM IPTG induziert. Nach 0, 2, 4, 6 und 8 h wurden jeweils Proben aus den Kulturen entnommen und die Anzahl lebensfähiger Zellen pro ml durch Ausplattierung auf LB- Agar mit 50 µg/ml Ampicillin bei 37°C bestimmt (Abb. 6). Bei dem GABA- Permease-Überexpressionsstamm W3110-pJFPE1 war der Titer an lebensfähigen Zellen nach der Versuchszeitspanne um mehr als eine Zehnerpotenz gesunken. Dagegen blieb im Kontrollstamm W3110pJFPE1R das logarithmische Wachstum unbeeinflußt.In another experiment, the recombinant strains W3110 and W3110 pJFPEl pJFPE1 R in LB medium containing 50 ug / ml ampicillin were grown to an optical density at 37 ° C (600 nm) of 0.5 and cultured then by adding 1 mM IPTG induced. After 0, 2, 4, 6 and 8 h samples were taken from each of the cultures and the number of viable cells per ml determined by plating on LB agar with 50 ug / ml ampicillin at 37 ° C ( Figure 6). In the GABA permease overexpression strain W3110-pJFPE1, the titer of viable cells had decreased by more than a power of ten after the experimental period. In contrast, in the control strain W3110pJFPE1 R the logarithmic growth was unaffected.

Eine cytotoxische Wirkung kann nicht nur durch Überexpression des vollständigen Permease-Proteins, sondern auch mit einigen der in Beispiel 3 beschriebenen Deletionsmutanten erzielt werden (Tab. 2). Offenbar sind für einen wachstumshemmenden Effekt auch kürzere Teilstücke eines Membranproteins ausreichend, sofern sie zumindest noch einige hydrophobe Domänen enthalten, die in die Zellmembran integrieren können. Um dies zu belegen, wurden Flüssigkulturen der Transformanten W3110-pJFPE1 und -pJFPE1R, sowie W3110- pJFPE2-5 in LB-Medium mit 50 µg/ml Ampicillin bei 37°C angezogen. Davon wurden Aliquots auf Agar-Platten mit dem gleichen Medium + 1 mM IPTG ausgestrichen und über Nacht bei 37°C inkubiert. Ein Wachstum konnte nur beim Kontrollstamm W3110-pJFPE1R und bei der Mutante W3110-pJFPEs mit der längsten Deletion im 3′-Bereich des gabP-Strukturgens (330-bp Fragment, -419 C- terminale Aminosäuren) festgestellt werden. Mit den anderen Permease- Deletionsmutanten (w3110-pJFPE3 und -pJFPE4) wird dagegen eine mit dem Wildtyp-Protein (Transformanten W3110-pJFPE1 und -pJFPE2) vergleichbare, vollständige Wachstumshemmung erzielt.A cytotoxic effect can be achieved not only by overexpression of the complete permease protein but also with some of the deletion mutants described in Example 3 (Table 2). Apparently shorter fragments of a membrane protein are sufficient for a growth-inhibiting effect, as long as they contain at least some hydrophobic domains that can integrate into the cell membrane. To prove this, liquid cultures of the transformants W3110-pJFPE1 and -pJFPE1 R , and W3110-pJFPE2-5 in LB medium were grown with 50 μg / ml ampicillin at 37 ° C. Of these aliquots were streaked on agar plates with the same medium + 1 mM IPTG and incubated overnight at 37 ° C. Growth was only observed in the control strain W3110-pJFPE1 R and in the mutant W3110 pJFPEs with the longest deletion in the 3 'region of the gabP structural gene (330-bp fragment, -419 C-terminal amino acids). In contrast, the other permease deletion mutants (w3110-pJFPE3 and -pJFPE4) are comparable to the wild-type protein (transformants W3110-pJFPE1 and -pJFPE2) for complete growth inhibition.

5. Konstruktion von Klonierungsvektoren mit Selektionsmöglichkeit auf rekombinante Plasmide5. Construction of cloning vectors with selection possibility recombinant plasmids

Bei vielen Klonierungsverfahren besteht das Problem, daß nur ein Teil der hergestellten Klone rekombinante Plasmide mit insertierter Fremd-DNA enthält, während der Rest lediglich mit dem Vektor-Plasmid transformiert ist. Der Effekt einer Wachstumshemmung von E.coli-Zellen durch Überexpression des gabP-Gens bietet die Möglichkeit, spezielle Klonierungsvektoren zu konstruieren, die eine Selektion auf Plasmidmoleküle mit integrierten DNA-Fragmenten erlauben.In many cloning processes, the problem is that only a part of the  contains clones containing recombinant plasmids with inserted foreign DNA, while the rest is transformed only with the vector plasmid. The effect growth inhibition of E. coli cells by overexpression of the gabP gene offers the possibility to construct special cloning vectors, which is a Allow selection for plasmid molecules with integrated DNA fragments.

Ein solcher Vektor enthält, neben einem Antibiotika- oder Herbizidresistenzmarker, das gabP-Gen oder 3′-verkürzte Teilfragmente davon (siehe Beispiel 3) unter Kontrolle eines IPTG-induzierbaren Promoters (z. B. lac- odet tac-Promoter). Eine multiple Klonierungsregion mit Schnittstellen für verschiedene Restriktionsenzyme (Polylinker) ist an geeigneter Stelle in das gabP-Gen eingebaut, ohne den Leserahmen der Permease zu verändern.Such a vector contains, in addition to an antibiotic or herbicide resistance marker, the gabP gene or 3'-truncated partial fragments thereof (see Example 3) Control of an IPTG Inducible Promoter (eg, Lac- or tac Promoter). A multiple cloning region with cleavage sites for various restriction enzymes (Polylinker) is inserted at a suitable position in the gabP gene, without the Changing the reading frame of the permease.

Bei Integration eines DNA-Fragments in den Polylinker wird dieser Leserahmen zerstört, so daß die GABA-Permease nicht mehr exprimiert werden kann. Auf diese Plasmide mit DNA-Insertionen kann selektioniert werden, indem man die E.coli- Transformanten auf Agar-Medium mit Antibiotikum und 1 mM IPTG ausplattiert. Unter den dadurch gegebenen Induktionsbedingungen für das Permease-Gen wachsen nur Zellklone mit rekombinanten Plasmiden heran, während das Wachstum von Zellen, die den unveränderten Vektor enthalten, gehemmt wird. Eine entsprechende Selektion kann auch in Flüssigkulturen, z. B. bei der Amplifizierung von Genbänken, durchgeführt werden.Upon integration of a DNA fragment into the polylinker, this reading frame becomes destroyed, so that the GABA-permease can no longer be expressed. To this Plasmids with DNA insertions can be selected by incubating the E. coli Transformants plated on agar medium with antibiotic and 1 mM IPTG. Under the induced conditions for the permease gene Only cell clones grow with recombinant plasmids, while the Growth of cells containing the unaltered vector is inhibited. A appropriate selection can also be done in liquid cultures, eg. B. in the amplification Genbänken be performed.

Das beschriebene Selektionsverfahren bietet im Vergleich zu anderen Methoden, z. B. der lacZ-Komplementation, den Vorteil, daß es mit einer Vielzahl von verschiedenen E.coli-Stämmen durchgeführt werden kann, keine genomischen Mutanten benötigt werden und die rekombinanten Klone nicht durch biochemische Tests nachgewiesen werden müssen.The described selection method offers, compared to other methods, z. As the lacZ complementation, the advantage that it with a variety of different E. coli strains can be performed, no genomic Mutants are needed and the recombinant clones are not biochemical Tests must be proven.

6. Verwendung des gabP-Gens als negativer Selektionsmarker in integrativen Plasmiden6. Use of the gabP gene as negative selection marker in integrative plasmids

Wenn Gene mit Hilfe von integrativen Plasmiden über homologe Rekombination in das Genom von Mikroorganismen eingebracht werden sollen, besteht häufig das Problem, integrationspositive Klone von solchen mit plasmidkodierten Kopien des entsprechenden Gens zu unterscheiden. In diesen Fällen kann die GABA-Permease als plasmidkodierter Marker zur Selektion gegen Klone mit Plasmiden eingesetzt werden.When genes are generated by integrative plasmids via homologous recombination in the genome of microorganisms to be introduced, there is often the Problem, integration-positive clones of those with plasmid-encoded copies of the differentiate gene. In these cases, the GABA permease used as plasmid-encoded marker for selection against clones with plasmids become.

Dazu wird das gabP-Gen unter Kontrolle eines induzierbaren Promoters (z. B. lac- oder tac-Promoter for E.coli) in einen integrativen Plasmid-Vektor eingebaut. Zur Übertragung durch homologe Rekombination ins Bakteriengenom sind besonders Gene geeignet, auf die anschließend leicht selektiert werden kann, z. B. Resistenzgene wie das pat-Gen für Phosphinothricin-N-Acetyltransferase oder Gene mit mutagenisierten Regulationssequenzen. Nach Transformation und Rekombination werden die Zellen in Flüssigmedium ohne Antibiotikum angezogen und anschließend auf Agar-Medium mit dem entsprechenden selektierbaren Marker (z. B. Phosphinothricin) und dem Induktor für das gabP-Gen (z. B. IPTG) ausplattiert. Unter diesen Bedingungen wird ausschließlich auf Klone selektiert, die nur das zu übertragende Resistenzgen ins Genom integriert haben.For this purpose, the gabP gene is under the control of an inducible promoter (eg. or tac promoter for E. coli) into an integrative plasmid vector. to Transmission by homologous recombination into the bacterial genome is particular Suitable gene to which can then be easily selected, for. B. Resistance genes such as the pat gene for phosphinothricin N-acetyltransferase or genes with mutagenized regulatory sequences. After transformation and Recombination, the cells are grown in liquid medium without antibiotic and then on agar medium with the appropriate selectable marker (eg, phosphinothricin) and the inducer for the gabP gene (eg, IPTG). Under these conditions, only clones are selected which only allow this have integrated transferring resistance genes into the genome.

Die beschriebene Methode hat den Vorteil, daß man keinen vollständigen Plasmidverlust in der Bakterienkultur abwarten muß, um bei der anschließenden Selektion falsch positive Klone zu vermeiden.The method described has the advantage that one can not complete Plasmid loss in the bacterial culture must wait to in the subsequent Selection to avoid false positive clones.

7. Expression der GABA-Permease in Pflanzen: Pathogenresistenz durch hypersensitive Reaktion7. Expression of GABA Permease in Plants: Pathogen Resistance by Hypersensitive reaction

Ein Mechanismus von Pflanzen zum Schutz vor Pathogenbefall (z. B. durch Pilze oder Viren) besteht in der hypersensitiven Reaktion. Dabei sterben die Pflanzenzellen um den Infektionsherd herum ab, wodurch eine Ausbreitung des pathogenen Erregers verhindert wird. Aufgrund der beschriebenen cytotoxischen Wirkung des GABA-Permease oder davon abgeleiteter hydrophober Polypeptide kann eine solche hypersensitive Reaktion durch gezielte Expression des gabP-Gens bzw. 3′-verkürzter Teilfragmente davon in Pflanzen hervorgerufen werden.A mechanism of plants for protection against pathogen attack (eg by fungi or viruses) is the hypersensitive response. The die Plant cells around the infection from around, causing a spread of the pathogen is prevented. Due to the described cytotoxic Effect of GABA Permease or Hydrophobic Polypeptides Derived Therefrom can be such a hypersensitive reaction by targeted expression of the gabP gene  or 3'-truncated partial fragments thereof are caused in plants.

Zu diesem Zweck wird das gabP-Gen mit einem geeigneten Pathogen- oder Verwundungs-induzierbaren Promoter [z. B. Promotoren von Pr-Proteinen (= Pathogen related proteins)] fusioniert und das Konstrukt mit bekannten Methoden in Tabakpflanzen transformiert. Anschließend werden gabP-positive Transformanten selektiert und in einem Infektionsversuch auf Pathogenresistenz getestet. Dabei werden Transformanten wie auch Tabak-Wildtyppflanzen mit einem pflanzenpathogenen Virus [z. B. Gucumber Mosaic Virus (GMV), Tobacco Mosaic Virus (TMV)] infiziert. Die Symptome einer Virusinfektion sind nur in den Kontrollpflanzen feststellbar; die Transformanten erweisen sich als virusresistent.For this purpose, the gabP gene is incubated with a suitable pathogen or wound inducible promoter [e.g. B. promoters of P r proteins (= pathogen related proteins)] fused and transformed the construct with known methods in tobacco plants. Subsequently, gabP-positive transformants are selected and tested for pathogen resistance in an infection assay. In this case, transformants as well as wild-type tobacco plants with a phytopathogenic virus [z. Gucumber Mosaic Virus (GMV), Tobacco Mosaic Virus (TMV)]. The symptoms of a viral infection are only detectable in the control plants; the transformants turn out to be virus-resistant.

8. Herstellung männlicher steriler Pflanzen durch gewebespezifische Expression der GABA-Permease8. Preparation of male sterile plants by tissue-specific expression the GABA permease

Die Erzeugung von Hybridsaatgut in der Pflanzenzüchtung wird durch die Verfügbarkeit von männlich sterilen Pflanzen erleichtert oder überhaupt erst ermögliche. Ein solcher Phänotyp ist durch eine gewebespezifische Expression der GABA-Permease in Pflanzen herstellbar. Aufgrund der cytotoxischen Wirkung dieses Membranproteins, sowie davon abgeleiteter hydrophober Polypeptide, können die betroffenen Pflanzenteile, z. B. Antheren, in ihrer Entwicklung gehemmt bzw. zum Absterben gebracht werden.The production of hybrid seed in plant breeding is provided by Facilitates availability of male sterile plants or even for the first time enable. Such a phenotype is due to a tissue specific expression of the GABA permease can be produced in plants. Due to the cytotoxic effect this membrane protein, as well as hydrophobic polypeptides derived therefrom, can the affected parts of plants, z. As anthers, inhibited in their development or to die off.

Zu diesem Zweck wird das gabP-Gen bzw. das 3′-verkürzte Teilfragment davon mit einem geeigneten Antheren-spezifischen Promoter fusioniert und die Konstrukte mit bekannten Methoden in Tabakpflanzen transformiert. Die gabP-positiven Transformanten sind in der Antheren-Entwicklung gehemmt und erweisen sich als männlich steril. For this purpose, the gabP gene or the 3'-truncated partial fragment thereof fused to a suitable anther-specific promoter and the constructs with transformed into known methods in tobacco plants. The gabP positive Transformants are inhibited in anther development and turn out to be male sterile.  

Tabelle 1 Table 1

Vektoren und Plasmide Vectors and plasmids

Wachstum von W3110-Transformanten auf Agar-Platten in Anwesenheit von 1 mM IPTGGrowth of W3110 transformants on agar plates in the presence of 1 mM IPTG Plasmidplasmid Wachstumgrowth pJFPE1pJFPE1 -- pJFPE1R pJFPE1 R ++ pJFPE2pJFPE2 -- pJFPE3pJFPE3 -- pJFPE4pJFPE4 -- pJFPE5pJFPE5 ++

Legenden zu den AbbildungenLegends to the pictures Abbildung 1:Illustration 1:

Nukleotidsequenz des 1,9-kb BamHI-HindIII-Fragmentes aus E. coli K-12 mit dem kompletten gabP-Strukturen.Die aus dem offenen Leserahmen abgeleitete Aminosäuresequenz der GABA-Permease ist in der unteren Zeile dargestellt.Nucleotide sequence of the 1.9 kb BamHI-HindIII fragment from E. coli K-12 with the complete gabP structures. Those derived from the open reading frame Amino acid sequence of the GABA permease is shown in the bottom line.

Abbildung 2:Figure 2:

Restriktionskarte des 5,6-kb Sall-HindIII-Fragmentes und des 1,9-kb BamHI-HindIII- Fragmentes aus dem E. coli K-12 gab-Cluster. Die Lage der gab-Gene ist durch Schraffur, ihre Transkriptionsrichtung durch Pfeile gekennzeichnet. Die Dreiecke an der Nukleotid-Skala kennzeichnen die 3′-Enden von vier gabP-Deletionsmutanten.Restriction map of the 5.6 kb Sall-HindIII fragment and the 1.9 kb BamHI-HindIII Fragment from the E. coli K-12 gab cluster. The location of gab genes is through Hatching, their direction of transcription indicated by arrows. The triangles at the Nucleotide scale marks the 3 'ends of four gabP deletion mutants.

Abbildung 3Figure 3

[¹⁴C]GABA-Aufnahmekinetiken von E. coli W3110-Transformanten (doppelt reziproker Plot nach Lineweaver-Burk).[¹⁴C] GABA uptake kinetics of E. coli W3110 transformants (double reciprocal Plot to Lineweaver-Burk).

W3110-pGAB8W3110 pGAB8 +W3110-pMLC12+ W3110 pMLC12

Abbildung 4Figure 4

[¹⁴C]GABA-Aufnahmekinetiken von E. coli W3110-Transformanten (doppelt reziproker Plot nach Lineweaver-Burk).[¹⁴C] GABA uptake kinetics of E. coli W3110 transformants (double reciprocal Plot to Lineweaver-Burk).

W3110-pJFPE1W3110 pJFPE1 +W3110-pJF118u+ W3110 pJF118u

Abbildung 5Figure 5

Wachstum verschiedener E. coli-Transformanten in LB-Medium mit und ohne IPTG- Zusatz.Growth of various E. coli transformants in LB medium with and without IPTG Additive.

W3110-pJFPE1W3110 pJFPE1 +W3110-pJFPE1 + mM IPTG+ W3110-pJFPE1 + mM IPTG ∆W3110-pJFPE1R ΔW3110-pJFPE1 R W3110-pJFPE1R + 1 mM IPTGW3110-pJFPE1 R + 1mM IPTG

Abbildung 6Figure 6

Cytoxische Effekte der GABA-Permease-Überexpression auf E. coli-gabP- Transformanten nach Induktion mit 1 mM IPTG.Cytoxic effects of GABA permease overexpression on E. coli gabP- Transformants after induction with 1 mM IPTG.

W3110-pJFPE1W3110 pJFPE1 +W3110-pJFPE1R + W3110-pJFPE1 R

Claims (19)

1. Verfahren zur Erzeugung cytotoxischer Effekte in Mikroorganismen, Pflanzen, Pflanzenzellen oder Samen, dadurch gekennzeichnet, daß die Überexpression eines GABA-Permeasegens wachstumshemmende Effekte in einer Zelle bewirkt, in der das Gen überexprimiert wird.1. A method for generating cytotoxic effects in microorganisms, plants, plant cells or seeds, characterized in that the overexpression of a GABA permease gene causes growth-inhibiting effects in a cell in which the gene is overexpressed. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gen unter der Kontrolle eines induzierbaren Promotors steht.2. The method according to claim 1, characterized in that the gene under is the control of an inducible promoter. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch charakterisiert, daß das Gen durch eine oder mehrere Deletionen, Additionen oder durch Austausch von Nucleotiden der Sequenz eines GABA-Permeasegens entstanden ist und für hydrophobe Polypeptide mit der gleichen Wirkung wie die GABA-Permease codiert.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the gene by one or more deletions, additions or by exchange of Nucleotides of the sequence of a GABA permease gene has arisen and for hydrophobic polypeptides encoded with the same effect as the GABA permease. 4. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gen aus einer DNA-Sequenz gemäß Abb. 1 besteht.4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the gene consists of a DNA sequence according to Fig. 1. 5. Gen für GABA-Permease.5. Gene for GABA Permease. 6. Mutiertes Permease-Gen nach Anspruch 5, dadurch charakterisiert, daß es durch eine oder mehrere Deletionen, Additionen oder durch Austausch von Nucleotiden entstanden ist und für hydrophobe Polypeptide mit der gleichen Wirkung wie die GABA-Permease codiert.6. Mutated permease gene according to claim 5, characterized in that it by one or more deletions, additions or by exchange of Nucleotides has arisen and for hydrophobic polypeptides with the same Effect coded as the GABA permease. 7. Gen nach Anspruch 5 mit der DNA-Sequenz gemäß Abb. 1.7. gene according to claim 5 with the DNA sequence according to Fig. 1st 8. Gen nach Anspruch 5, charakterisiert durch die Restriktionskarte gemäß Abb. 2.8. gene according to claim 5, characterized by the restriction map according to Fig. 2. 9. GABA-Permease, die einen cytotoxischen Einfluß auf die Zelle hat, in der sie überexprimiert wird. 9. GABA permease, which has a cytotoxic effect on the cell in which they are overexpressed.   10. Mutierte GABA-Permease nach Anspruch 9, dadurch charakterisiert, daß sie durch Deletionen, Additionen oder durch Austausch von Aminosäuren entstanden ist.10. Mutant GABA permease according to claim 9, characterized in that it created by deletions, additions or by exchange of amino acids is. 11. GABA-Permease nach Anspruch 9 mit der Aminosäuresequenz gemäß Abb. 1.11. GABA permease according to claim 9 with the amino acid sequence according to Fig. 1. 12. Plasmid, enthaltend ein Gen nach den Ansprüchen 5 bis 8.12. A plasmid containing a gene according to claims 5 to 8. 13. Mikroorganismus, Pflanzen, Pflanzenzellen oder Samen enthaltend ein Plasmid nach Anspruch 12.13. microorganism, plants, plant cells or seeds containing a Plasmid according to claim 12. 14. E. coli, enthaltend ein Plasmid nach Anspruch 12.14. E. coli containing a plasmid according to claim 12. 15. Verfahren zur Isolation einer GABA-Permease nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Genom von E.coli K-12 durch Schneiden mit BAMHI und HlNDlll ein 1,9-kb großes BamHl-Hindlll-Fragment isoliert wird.15. A method for isolating a GABA permease according to claim 5, characterized characterized in that from the genome of E. coli K-12 by cutting with BAMHI and isolating a 1.9 kb BamHI-HindIII fragment. 16. Verwendung eines Gens gemäß den Ansprüchen 5 bis 8 zur Wachstumshemmung von Zellen durch Überexpression des Gens.16. Use of a gene according to claims 5 to 8 for Growth inhibition of cells by overexpression of the gene. 17. Verwendung eines Gens gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Permeasegen unter Kontrolle eines Promotors, ausgewählt aus der Gruppe lac, tac, trc oder Tapetum, steht.17. Use of a gene according to claim 16, characterized in that the permease gene under the control of a promoter selected from the group lac, tac, trc or tapetum. 18. Verfahren zum Nachweis von Plasmiden, die eine Insertion tragen, dadurch gekennzeichnet, daß Zell-Klone mit rekombinanten Plasmiden, die eine DNA- Insertion in dem GABA-Permease-Gen enthalten, nicht in ihrem Wachstum gehemmt sind, da durch die Insertion die Expression der GABA-Permease verhindert wird. 18. A method of detecting plasmids carrying an insertion thereby characterized in that cell clones with recombinant plasmids containing a DNA Insertion in the GABA permease gene, not in their growth are inhibited because the insertion of the expression of the GABA permease is prevented.   19. Verfahren zur positiven Selektion integrierter DNA-Fragmente eines Klonierungsvektors in das Genom eines Organismus, dadurch gekennzeichnet, daß der Klonierungsvektor ein oder mehrere selektionierbare DNA-Fragmente, die integriert werden sollen, sowie ein Gen nach Anspruch 1 enthält und nach der Transformation eine Selektion der Klone ohne episomale oder chromosomale Kopie der GABA-Permease und mit integrierten DNA-Fragment durchgeführt wird.19. Method for the positive selection of integrated DNA fragments of a Cloning vector into the genome of an organism, characterized in that the cloning vector comprises one or more selectable DNA fragments which to be integrated, and contains a gene according to claim 1 and according to the Transformation a selection of clones without episomal or chromosomal copy the GABA permease and with integrated DNA fragment is performed.
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