DE4433307A1 - An isolated nucleic acid fragment and products derived from it - Google Patents
An isolated nucleic acid fragment and products derived from itInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft DNA-Sequenzen, die für pflanzliche Acyltransferasen kodieren, sowie die Verwendung dieser Sequenz zur Veränderung des Fett säurespektrums von Lipiden.The invention relates to DNA sequences for plant acyltransferases encode, as well as the use of this sequence to change the fat acid spectrum of lipids.
Öle und Fette (Triacylglycerine) finden im Nährmittelbereich und im oleo chemisch-technischen Bereich vielfältige Verwendung, wobei allerdings unterschiedliche Anforderungen an ihre Qualität, d. h. an ihre Fettsäure spektren gestellt werden. Im Chemiebereich sind Triacylglycerine mit mög lichst homogenen Fettsäurespektren erwünscht, d. h. alle drei Glycerinpo sitionen sollen möglichst mit derselben Fettsäure verestert sein. Je nach Verwendungszweck sind ganz unterschiedliche Fettsäuren, wie z. B. Laurin-, Öl-, Ricinol- oder Erucasäure, interessant.Oils and fats (triacylglycerols) are found in the food sector and in oleo chemical-technical field varied use, however different quality requirements, d. H. of their fatty acid spectra are put. In the chemical sector, triacylglycerols are possible most homogeneous fatty acid spectra desirable, d. H. all three glycerol po sitions should be esterified with the same fatty acid if possible. Depending on Purpose are very different fatty acids, such as. B. Laurin, Oleic, ricinoleic or erucic acid, interesting.
Bei dem Einsatz derartig reiner Rohstoffe fallen weniger Nebenprodukte an, so daß sich der Aufwand für Reinigung und Verarbeitung erheblich verringert und somit die Kosten/Nutzenrelation verbessert. So bald Öle mit hoher, gleichbleibender Qualität und in ausreichenden Mengen verfügbar sein werden, können sich neue Absatzmärkte und Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, die derzeit aus ökonomischer Sicht noch nicht tragfähig sind.Fewer by-products fall when using such pure raw materials to, so that the effort for cleaning and processing considerably reduced and thus the cost / benefit ratio improved. So soon with oils high, consistent quality and available in sufficient quantities there may be new sales markets and possible applications open that are currently not viable from an economic perspective.
Um die Qualität pflanzlicher Öle den Erfordernissen der chemischen Indu strie anzupassen, bieten sich generell folgende Wege an: zum einen die Entwicklung leistungsstarker Kulturpflanzen aus Wildpflanzen, deren Sa menöle homogene Fettsäurespektren aufweisen, wie z. B. bestimmte Cuphea- oder Tropaeolum-Arten, zum anderen die Vereinheitlichung der Fettsäure spektren der Öle bereits vorhandener Kulturpflanzen, wie z. B. Raps, Son nenblume oder Sojabohne durch klassische Züchtung bzw. gezielt durch gentechnologische Eingriffe. Da die Domestizierung der Wildpflanzen sehr zeitaufwendig ist und in der Regel die Veränderung einer Vielzahl unter schiedlichster Merkmale erfordert, konzentrieren sich die Bemühungen weltweit auf die Modifizierung der bereits vorhandenen Kulturpflanzen. Es ist bekannt, daß durch den Transfer eines Gens in Sense bzw. Antisense orientierung deutliche Veränderungen im Fettsäurespektrum des Rapsöls er zielt werden können. Darüberhinaus ist es durch klassische Züchtung bzw. durch gentechnologische Verfahren gelungen, das Fettsäurespektrum ver schiedener Samenöle hinsichtlich der Ölsäure zu vereinheitlichen.To ensure the quality of vegetable oils meet the requirements of chemical indu The following ways are generally available: firstly, the Development of powerful crops from wild plants, their Sa menöle have homogeneous fatty acid spectra, such as. B. Certain Cup Heads or Tropaeolum species, on the other hand the standardization of the fatty acid spectra of the oils of existing crops, such as. B. Raps, Son nenblume or soybean through classic breeding or specifically through genetic engineering interventions. Because the domestication of wild plants very much is time consuming and usually changing a multitude under effort, focus on a wide variety of characteristics worldwide on the modification of existing crops. It it is known that by transferring a gene into sense or antisense orientation significant changes in the fatty acid spectrum of rapeseed oil can be aimed. Furthermore, it is through classic breeding or succeeded through genetic engineering to verify the fatty acid spectrum standardize different seed oils with regard to oleic acid.
Die Vereinheitlichung des Fettsäurespektrums hinsichtlich anderer indu striell interessanter Fettsäuren, die eine Kettenlänge von mehr oder deut lich weniger als 18 Kohlenstoffatomen aufweisen und die im folgenden als ungewöhnliche Fettsäuren bezeichnet werden, wie z. B. Erucasäure (cis-13- Docosensäure, 22 : 1) oder Laurinsäure (Decansäure 12 : 0), wurde bisher aller dings noch nicht erzielt. Aus Fettsäureanalysedaten der Öle und enzymati schen Untersuchungen zur Ölsynthese geht hervor, daß der Gehalt solcher Fettsäuren im Öl nicht allein durch die Enzymaktivitäten limitiert wird, die an der Synthese dieser Fettsäuren beteiligt sind, sondern auch durch die, die den Fettsäureeinbau in das Öl katalysieren. Vor allem die 1-Acyl glycerin-3-phosphat-Acyltransferase, die den Fettsäureeinbau in die mittle re Glycerinposition des Öls katalysiert, ist hierbei kritisch. Dieses Enzym besitzt nämlich in den reifenden Samen bzw. Früchten von Kulturpflanzen, wie z. B. Raps, Soja oder Mais, eine sehr ausgeprägte Spezifität und Selek tivität für ungesättigte C₁₈-Fettsäuren. Es ist aber mit den ungewöhnli chen Fettsäuren nicht aktiv, vor allem, wenn die sn-1-Position bereits mit einer solchen Fettsäure verestert ist. Die Eigenschaften der 1-Acylglyce rin-3-phosphat-Acyltransferase stellen somit die entscheidende Barriere für eine gleichmäßige Besetzung aller drei Glycerinpositionen mit unge wöhnlichen Fettsäuren dar.The standardization of the fatty acid spectrum with respect to other indu Strictly interesting fatty acids that have a chain length of more or more Lich have less than 18 carbon atoms and in the following as unusual fatty acids are referred to, such as B. Erucic acid (cis-13- Docosenic acid, 22: 1) or lauric acid (decanoic acid 12: 0) has so far been all not yet achieved. From fatty acid analysis data of the oils and enzymati Studies on oil synthesis show that the content of such Fatty acids in the oil are not limited only by the enzyme activities, which are involved in the synthesis of these fatty acids, but also by those that catalyze the incorporation of fatty acids into the oil. Especially the 1-acyl glycerin-3-phosphate acyltransferase, which incorporates fatty acids into the middle catalyzed by the glycerol position of the oil is critical. This enzyme namely, in the ripening seeds or fruits of crops, such as B. rape, soy or corn, a very pronounced specificity and selek activity for unsaturated C₁₈ fatty acids. But it is with the unusual Chen fatty acids are not active, especially if the sn-1 position is already with of such a fatty acid is esterified. The properties of 1-acylglyce rin-3-phosphate acyltransferase is the crucial barrier for an even occupation of all three glycerol positions with usual fatty acids.
Dies ist wahrscheinlich die Ursache dafür, daß es trotz intensiver Zucht programme nicht gelungen ist, z. B. den Erucasäuregehalt im Fettsäurege misch des Rapsöls, das wie das anderer Brassicaceen von Natur aus reich an sehr langkettigen Fettsäuren ist, deutlich über 60% zu steigern. Daher muß Erucasäure, die seit langem im oleochemisch-technischen Bereich ver wendet wird, zunächst kostenaufwendig gereinigt werden, was ihre Einsatz möglichkeiten z. B. in der Kunststoffindustrie und damit ihren Absatzmarkt erheblich limitiert. Im Jahr 1993 lag das Marktvolumen für erucasäurerei ches Rapsöl (Erucasäuregehalt 45%) in Deutschland z. B. bei ca. 28 000 t. This is probably the reason that despite intensive breeding programs failed, e.g. B. the erucic acid content in the fatty acid gene a mix of rapeseed oil that is naturally rich like that of other Brassicaceae of very long chain fatty acids has to be increased significantly over 60%. Therefore must erucic acid, which has been in the oleochemical-technical field for a long time is used, first of all it is costly to clean what their use possibilities z. B. in the plastics industry and thus their sales market considerably limited. In 1993 the market volume for erucic acid production was rapeseed oil (erucic acid content 45%) in Germany e.g. B. at about 28,000 t.
Man erwartet, daß das Marktvolumen um das zehnfache ansteigen kann, sobald Öle mit Erucasäuregehalten um ca. 90% verfügbar werden.It is expected that the market volume can increase tenfold, as soon as oils with erucic acid contents become available by approx. 90%.
Die homogene Besetzung aller drei Glycerinposition mit Erucasäure, wie auch mit anderen ungewöhnlichen Fettsäuren, kann im Öl von Kulturpflan zen, wie z. B. Raps, durch gentechnologische Methoden ermöglicht werden, z. B. durch Transformation mit einem Genkonstrukt, das für eine 1-Acylgly cerin-3-phosphat-Acyltransferase mit gewünschten Eigenschaften kodiert. Solche Gene finden sich z. B. in bestimmten Wildpflanzen, in denen sie samenspezifisch exprimiert werden. Diese Gene kodieren für Acyltransfera sen, die ungewöhnliche Fettsäuren auf die mittlere Glycerinposition über tragen, vor allem, wenn die sn-1-Position bereits mit einer solchen Fett säure verestert ist. Samenspezifisch exprimierte Gene, die für sehr lang kettige Acylgruppen spezifische 1-Acylglycerin-3-phosphat-Acyltransferasen kodieren und die somit geeignet sind, das Fettsäurespektrum z. B. hinsicht lich Erucasäure zu vereinheitlichen, finden sich in Limnanthes-Arten.The homogeneous occupation of all three glycerol positions with erucic acid, such as also with other unusual fatty acids, can be found in the oil of cultivated plants zen, such as B. rapeseed, made possible by genetic engineering methods, e.g. B. by transformation with a gene construct that for a 1-acylgly encoded cerin-3-phosphate acyltransferase with desired properties. Such genes are found e.g. B. in certain wild plants in which they expressed in a seed-specific manner. These genes code for acyltransfera sen, the unusual fatty acids on the middle glycerol position over wear, especially if the sn-1 position is already with such fat acid is esterified. Genes expressed for very long chain acyl group specific 1-acylglycerol-3-phosphate acyltransferases encode and are thus suitable for the fatty acid spectrum z. B. respect Standardizing erucic acid can be found in Limnanthes species.
Gene, die für 1-Acylglycerin-3-phophat-Acyltransferasen kodieren, wurden aus Escherichia coli und Salmonella typhimurium isoliert, deren Aminosäu resequenzen zu 94% identisch sind (Tabelle 1). Weiterhin wurden cDNAs aus Hefe und Mais beschrieben, die eine E. coli-Mutante, die einen Defekt in ihrer 1-Acylglycerin-3-phosphat-Acyltransferase aufweist, komplementieren. Diese cDNAs kodieren für Polypeptide, deren Aminosäuresequenzen unter einander und zu denen der bakteriellen Acyltransferasen zu etwa 30% iden tisch sind (Tabelle 1). Ein eindeutiger Nachweis, daß diese cDNAs für 1- Acylglycerin-3-phosphat-Acyltransferasen kodieren, steht allerdings noch aus.Genes encoding 1-acylglycerol-3-phosphate acyltransferases have been developed isolated from Escherichia coli and Salmonella typhimurium, their amino acid sequences are 94% identical (Table 1). Furthermore, cDNAs were made Yeast and maize described an E. coli mutant that has a defect in their 1-acylglycerol-3-phosphate acyltransferase, complement. These cDNAs code for polypeptides whose amino acid sequences are below each other and to those of the bacterial acyltransferases about 30% are table (Table 1). A clear proof that these cDNAs for 1- Encoding acylglycerol-3-phosphate acyltransferases, however, still stands out.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Nucleinsäurefragment zur Verfügung zu stellen, mit dem durch Expression in pflanzlichen Systemen die Qualität pflanzlicher Öle und Fette so verändert werden kann, daß ihre Verwertbar keit als oleochemische Rohstoffe verbessert und erweitert wird. Diese Auf gabe wird mit einem Nukleinsäurefragment gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Sequenz eines solchen Nucleinsäurefragments ist in Abb. 1 dargestellt.It is an object of the invention to provide a nucleic acid fragment with which the quality of vegetable oils and fats can be changed by expression in vegetable systems in such a way that their usability as oleochemical raw materials is improved and expanded. This task is solved with a nucleic acid fragment according to claim 1. The sequence of such a nucleic acid fragment is shown in Fig. 1.
Es wurde somit ein Verfahren erfunden, die Fettsäurezusammensetzung von Lipiden zu kontrollieren. Nukleinsäurefragmente, die für eine 1-Acylglyce rin-3-phosphat-Acyltransferase (AGPAT) kodieren, werden bereitgestellt, um chimäre Gene zu erzeugen. Diese chimären Gene können benutzt werden, um Pflanzen oder Mikroorganismen zu transformieren und damit die Fettsäure zusammensetzung und Fettsäureverteilung der Glycerolipide und speziell der Triacylglycerine zu verändern.A method has thus been invented, the fatty acid composition of Control lipids. Nucleic acid fragments necessary for a 1-acylglyce rin-3-phosphate acyltransferase (AGPAT) are provided to encode to produce chimeric genes. These chimeric genes can be used to To transform plants or microorganisms and thus the fatty acid composition and fatty acid distribution of the glycerolipids and especially to change the triacylglycerols.
Die Erfindung betrifft ein isoliertes Nukleinsäurefragment, das eine DNA- Sequenz enthält, die für eine pflanzliche AGPAT oder ähnliches Enzym ko diert und deren Aminosäuresequenz eine Identität von mindestens 35 oder abgestuft mehr Prozent zu der aus Limnanthes douglasii isolierten und in Abb. 2 angegebenen Sequenz besitzt.The invention relates to an isolated nucleic acid fragment which contains a DNA sequence which codes for a vegetable AGPAT or similar enzyme and whose amino acid sequence has an identity of at least 35 or more percent to the sequence isolated from Limnanthes douglasii and shown in Fig. 2 .
Das isolierte Nukleinsäurefragment ist weiterhin dadurch charakterisiert, daß es aus einer zur Klasse der Dicotyledoneae gehörenden Pflanze isoliert wurde, daß es aus der Gruppe der folgenden Pflanzen isoliert wurde: Lim nanthes, Raps, Arabidopsis.The isolated nucleic acid fragment is further characterized by that it isolated from a plant belonging to the class of Dicotyledoneae was that it was isolated from the group of the following plants: Lim nanthes, rapeseed, arabidopsis.
Zum einen ist es überraschend, daß ein auf diese Weise aus Pflanzen ge wonnenes Nukleinsäurefragment hinsichtlich der abgeleiteten Aminosdure sequenz keine deutlich höhere Ähnlichkeit zu der einzigen anderen aus Pflanzen bekannten Sequenz, nämlich der aus Mais, aufweist als zu den drei weiteren bekannten Sequenzen aus Bakterien und Hefe, sondern daß die Ähnlichkeit zu Hefe sogar etwas größer ist als die zu Mais (vgl. Tabel le 2).First, it is surprising that a ge from plants in this way won nucleic acid fragment with regard to the derived amino acid no significantly higher similarity to the only other Plants known sequence, namely that of maize, has as to the three other known sequences from bacteria and yeast, but that the similarity to yeast is even somewhat greater than that to maize (see Tabel le 2).
Zum anderen ist es überraschend, daß wir mit dem verwendeten Verfahren in der Lage waren einen cDNA-Klon zu gewinnen, der aus Pflanzen, also einem Eukaryoten, stammt und für eine AGPAT kodiert, die an der Speicher lipidsynthese beteiligt ist und spezifisch für sehr langkettige Fettsäuren ist, weil die für den Komplementationsschritt verwendete Mutante ein Bak terium, also ein Prokaryot, ist und der Defekt in der Membranbiosynthese vorliegt.Secondly, it is surprising that we are using the method used were able to obtain a cDNA clone that from plants, ie a eukaryote, which originates and codes for an AGPAT that is attached to the memory Lipid synthesis is involved and specific for very long chain fatty acids is because the mutant used for the complementation step is a Bak terium, i.e. a prokaryote, is the defect in membrane biosynthesis is present.
Das aus Limnanthes douglasii isolierte Nukleinsäurefragment (Abb. 1) ist dadurch charakterisiert, daß die zugehörigen Gene samenspezifisch expri miert werden und daß es für eine AGPAT kodiert, die spezifisch für sehr langkettige Acylgruppen ist - im folgendes wird dieses Enzym als L-AGPAT bezeichnet.The nucleic acid fragment isolated from Limnanthes douglasii ( Fig. 1) is characterized in that the associated genes are expressed in a seed-specific manner and in that it codes for an AGPAT which is specific for very long-chain acyl groups - hereinafter this enzyme is referred to as L-AGPAT.
Das isolierte Nukleinsäurefragment ist vor allem dadurch charakterisiert, daß es dazu verwendet werden kann, den Gehalt an Trierucin im Öl trans gener Pflanzen zu steigern und damit seine technische Verwertbarkeit zu verbessern. Trieruci hat den wissenschaftlichen Namen Trierucoylglycerin.The isolated nucleic acid fragment is primarily characterized by that it can be used to trans trierucine in the oil gener plants and thus increase its technical usability improve. Trieruci has the scientific name Trierucoylglycerin.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung des Nukleinsäurefrag ments zur Isolierung von Genen oder cDNAs, die für andere pflanzliche Acyltransferasen kodieren, z. B. Verwendung des Nukleinsäurefragments bzw. Teile davon als Hybridisierungsprobe Verwendung von aus der Se quenz des Nukleinsäurefragments abgeleiteten Oligonukleotiden in der Po lymerasekettenreaktion (PCR), und Verwendung von Antikörpern gegen ein Polypeptid, das von dem Nukleinsäurefragment bzw. Derivaten diese Frag ments kodiert wird.The invention further relates to the use of the nucleic acid question to isolate genes or cDNAs used for other plant Encode acyltransferases, e.g. B. Use of the nucleic acid fragment or parts thereof as a hybridization sample using from the Se sequence of the nucleic acid fragment derived oligonucleotides in the Po lymerase chain reaction (PCR), and use of antibodies against a Polypeptide derived from the nucleic acid fragment or its derivatives is encoded.
Die Erfindung betrifft ebenfalls alle Plasmide, Viren und andere Vektoren, die das isolierte Nukleinsäurefragment oder Teile davon enthalten, sowie alle Organismen, insbesondere Pflanzen und Pflanzenteile, die diese Kon strukte enthalten, sowie alle Produkte, die in den transgenen Organismen hergestellt werden und deren stoffliche Zusammensetzung durch die Wir kung der o.g. Sequenzen oder Teilen davon verändert ist. Von besonderem Interesse sind solche Plasmide (chimäre Gene), die Transkription oder Transkription und Translation (Expression) von pflanzlichen Acyltransfera sen in Wirtszellen, vor allem pflanzlichen Zellen, ermöglichen. Diese chimä ren Gene umfassen Nukleinsäurefragmente, die für eine pflanzliche AGPAT oder ein ähnliches Enzym kodieren und deren Aminosäuresequenzen eine Identität von mindestens 35 oder mehr Prozent zu der in Abb. 2 angegebe nen Sequenz besitzt, sowie geeignete Steuersequenzen, die in funktionaler Weise mit dem Fragment verbunden sind, das seinerseits in "Sense" oder "Antisense" eingefügt sein kann. Auf Mikroorganismen, Zellkulturen, Pflan zen und Pflanzenteile, die diese chimären Gene enthalten, sowie auf daraus gewonnene Produkte, speziell Triacylglycerin, deren stoffliche Zusammen setzung durch Wirkung dieser chimären Gene in spezifischer Weise verän dert ist, wird ebenfalls Schutzanspruch erhoben.The invention also relates to all plasmids, viruses and other vectors which contain the isolated nucleic acid fragment or parts thereof, and all organisms, in particular plants and parts of plants which contain these constructs, and all products which are produced in the transgenic organisms and their material Composition is changed by the effect of the above sequences or parts thereof. Of particular interest are those plasmids (chimeric genes) that enable transcription or transcription and translation (expression) of plant acyltransferases in host cells, especially plant cells. These chimeric genes comprise nucleic acid fragments which code for a plant AGPAT or a similar enzyme and whose amino acid sequences have an identity of at least 35 or more percent to the sequence given in FIG. 2, as well as suitable control sequences which functionally function with the fragment are connected, which in turn can be inserted in "Sense" or "Antisense". Protection claims are also made on microorganisms, cell cultures, plants and parts of plants which contain these chimeric genes, and on products obtained therefrom, in particular triacylglycerol, the composition of which is specifically modified by the action of these chimeric genes.
Die Erfindung betrifft auch eine Methode zur Produktion von Lipiden, die veränderte Gehalte oder veränderte Verteilungen sehr langkettiger Fett säuren, speziell Erucasäure, aufweisen.The invention also relates to a method for the production of lipids which changed levels or distributions of very long chain fat acids, especially erucic acid.
Diese Methode umfaßt folgende Schritte:This method involves the following steps:
- (a) Transformation von Zellen mit einem chimären Gen, wie oben beschrie ben,(a) Transformation of cells with a chimeric gene as described above ben,
- (b) Isolierung transgener Zellinien (Klone), wie unter (a) beschrieben,(b) isolation of transgenic cell lines (clones) as described under (a),
- (c) Selektion von Zellinien aus (b), deren Lipide die gewünschten Fettsäu remuster aufweisen,(c) Selection of cell lines from (b) whose lipids contain the desired fatty acid exhibit remuster,
- (d) Verarbeitung der Zellen aus (c), um Lipide mit gewünschten Fettsäure mustern zu erhalten.(d) Processing the cells from (c) to lipids with desired fatty acid to receive patterns.
Bevorzugte Zellen sind solche aus der folgenden Gruppe: E. coli, Saccharo myces, pflanzliche Zellen. Die Zellinien und Produkte, die mit Hilfe dieser Methode hergestellt werden, sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.Preferred cells are those from the following group: E. coli, Saccharo myces, plant cells. The cell lines and products made using this Method are also the subject of the invention.
Die Erfindung betrifft ebenso eine Methode zur Produktion pflanzlicher Öle und Fette, die veränderte Gehalte oder veränderte Verteilungen sehr lang kettiger Fettsäuren, speziell Erucasäure, in ihren Fettsäurespektren auf weisen. Von besonderem Interesse ist hierbei die Produktion pflanzlicher Öle und Fette mit veränderten Gehalten an Trierucin.The invention also relates to a method for the production of vegetable oils and fats, the changed contents or changed distributions for a very long time chain fatty acids, especially erucic acid, in their fatty acid spectra point. The production of plants is of particular interest Oils and fats with changed levels of trierucine.
Diese Methode umfaßt folgende Schritte:This method involves the following steps:
- (a) Transformation einer Pflanzenzelle mit einem chimären Gen, wie oben beschrieben,(a) Transformation of a plant cell with a chimeric gene as above described
- (b) Aufzucht fertiler Pflanzen aus Zellen, wie unter (a) beschrieben,(b) growing fertile plants from cells as described under (a),
- (c) Selektion von Samen der Nachkommenschaft aus (b), deren Samenöle die gewünschten Fettsäuremuster aufweisen, und(c) selection of progeny seeds from (b), the seed oils of which have the desired fatty acid pattern, and
- (d) Verarbeitung der Samen aus (c), um Öl mit gewünschten Fettsäuremu stern zu erhalten.(d) processing the seeds from (c) to oil with desired fatty acid get star.
Pflanzenzellen von Ölpflanzen, wie z. B. Raps, Sonnenblume oder Lein, sind bevorzugt. Bevorzugte Methoden zur Pflanzenzelltransformation sind indi rekter DNA-Transfer mit Ti- und Ri-Plasmiden von Agrobacterium, direkter DNA-Transfer, Elektroporation oder ballistischer DNA-Transfer.Plant cells from oil plants, such as. B. rapeseed, sunflower or flax prefers. Preferred methods for plant cell transformation are indi right DNA transfer with Ti and Ri plasmids from Agrobacterium, more direct DNA transfer, electroporation or ballistic DNA transfer.
Die Erfindung betrifft auch die transgenen Pflanzen und Pflanzenteile, die mit Hilfe dieser Methode hergestellt wurden, und die aus den transgenen Pflanzen bzw. Pflanzenteilen gewonnenen Öle und Fette mit veränderten Fettsäurespektren.The invention also relates to the transgenic plants and parts of plants which were produced with the help of this method, and those from the transgenic Plants or parts of plants obtained oils and fats with modified Fatty acid spectra.
Die Erfindung beinhaltet ebenfalls eine Methode zur Pflanzenzüchtung, um die veränderte Qualität der Öle und Fette von Ölsaaten zu erhalten. Die Methode umfaßt die folgenden Schritte:The invention also includes a method of plant breeding to to maintain the changed quality of oils and fats from oilseeds. The method involves the following steps:
- (a) Kreuzung der o.g. transgenen Pflanzen mit verschiedenen, anderen Va rietäten, (a) crossing the above transgenic plants with different, different Va advice,
- (b) Southernblot-Hybridisierungen von Restriktionsendonukleasen verdauter genomischer DNA aus (a) mit markierten Nukleinsäurefragmenten, die für die beanspruchten AGPATs kodieren.(b) Southern blot hybridizations of restriction endonucleases digested genomic DNA from (a) with labeled nucleic acid fragments which are suitable for encode the claimed AGPATs.
Die Erfindung betrifft auch alle mit Hilfe dieser Methode hergestellten Pflanzen und deren Nachkommen, sowie Teile davon und daraus hergestellte Produkte, insbesondere Triacylglycerine, soweit deren stoffliche Zusammen setzung durch die Wirkung der eingefügten Nukleinsäurefragmente verän dert ist.The invention also relates to all manufactured using this method Plants and their descendants, and parts thereof and those made from them Products, especially triacylglycerols, as far as their material combination change due to the effect of the inserted nucleic acid fragments is.
Schließlich beinhaltet die Erfindung eine Methode, um weitere Nukleinsäu
refragmente zu isolieren, die für AGPAT und verwandte Enzyme kodieren.
Sie umfaßt die folgenden Schritte:
Vergleich der Sequenz in Abb. 2 mit anderen Acyltransferase-Aminosäurese
quenzen;
Identifizierung konservierter Bereiche (a); und
Herstellung regionsspezifischer Oligonukleotidsonden, um die o.g. Nuklein
säurefragmente mit Hilfe sequenzabhängiger Protokolle herzustellen.Finally, the invention includes a method to isolate further nucleic acid fragments that encode AGPAT and related enzymes. It includes the following steps:
Comparison of the sequence in Fig. 2 with other acyltransferase amino acid sequences;
Identification of conserved areas (a); and
Production of region-specific oligonucleotide probes in order to produce the above-mentioned nucleic acid fragments using sequence-dependent protocols.
Die mit Hilfe dieser Methode hergestellten Nukleinsäurefragmente sowie Teile davon sind ebenfalls Teile der Erfindung, gleichermaßen alle chimä ren Gene, die diese Fragmente oder Teile davon enthalten, alle transgenen Mikroorganismen, Zellinien und transgenen Pflanzen sowie Teile davon, die o. g. Nukleinsäurefragmente enthalten und schließlich auch alle Produkte, die aus diesem transgenen Material hergestellt werden und deren stoffliche Zusammensetzung durch die Wirkung der eingefügten Nukleinsäurefragmente verändert ist.The nucleic acid fragments produced using this method as well Parts of this are also part of the invention, all chimae alike genes containing these fragments or parts thereof are all transgenic Microorganisms, cell lines and transgenic plants and parts thereof which o. g. Contain nucleic acid fragments and finally all products, which are made from this transgenic material and their material Composition by the action of the inserted nucleic acid fragments is changed.
Die Abbildungen dienen zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Sie zeigen:The figures serve to explain the present invention. she demonstrate:
Abb. 1. DNA-Sequenz des Nukleinsäurefragments pCH21, das aus einer cDNA- Expressionsgenbank von sich entwickelnden Embryonen von Limnanthes douglasii isoliert wurde. Sie hat eine Länge von 1020 Basenpaaren (bp) plus einer PolyA-Sequenz von 19 bp, einem GC-Gehalt von 41,9% und enthält eine offenes Leseraster von Position 1 bis 852. Start- bzw. Stopcodon fin den sich bei den Positionen 10 bis 12 bzw. 853 bis 855. Fig. 1. DNA sequence of the pCH21 nucleic acid fragment isolated from a cDNA expression gene bank of developing Limnanthes douglasii embryos. It has a length of 1020 base pairs (bp) plus a PolyA sequence of 19 bp, a GC content of 41.9% and contains an open reading frame from positions 1 to 852. Start and stop codons are found at the positions 10 to 12 or 853 to 855.
Abb. 2. Aminosäuresequenz im Ein-Buchstaben-Code, die aus der DNA-Se quenz des Nukleinsäurefragments pCH21 abgeleitet wurde und die für eine L-AGPAT mit einer molekularen Masse von 27,5 kDa kodiert. Fig. 2. Amino acid sequence in the one-letter code, which was derived from the DNA sequence of the nucleic acid fragment pCH21 and which codes for an L-AGPAT with a molecular mass of 27.5 kDa.
Abb. 3. Sequenzvergleich des 5′-Bereichs des Nukleinsäurefragments pCH21 mit dem eines weiteren aus der cDNA-Expressionsgenbank von sich entwic kelnden Embryonen von Limnanthes douglasii isolierten Nukleinsäurefrag ments pCH149. Das Startcodon (***) und das stromaufwärts im selben Le seraster gelegene Stopcodon (+++) sind markiert. Fig. 3. Sequence comparison of the 5′-region of the nucleic acid fragment pCH21 with that of another nucleic acid fragment pCH149 isolated from the cDNA expression gene bank of developing embryos of Limnanthes douglasii. The start codon (***) and the stop codon (+++) located upstream in the same reader are marked.
Abb. 4. Vergleich der Aminosäuresequenzen der AGPAT von E. coli (Zeile 1) und Salmonella typhimurium (Zeile 2), sowie der aus den cDNAs von Hefe (Zeile 3) und der von Mais (Zeile 4) abgeleiteten mit der in Abb. 2 angege benen. "*" bedeutet identische Aminosäuren in allen Sequenzen, "·" bedeu tet ähnliche Aminosäuren in allen Sequenzen. Der Vergleich wurde mit Hil fe des Programms CLUSTAL (Higgins & Sharp 1988, Gene 73) 237-244) durch geführt. Fig. 4. Comparison of the amino acid sequences of the AGPAT of E. coli (line 1) and Salmonella typhimurium (line 2), as well as that derived from the cDNAs of yeast (line 3) and that of maize (line 4) with that in Fig. 2 specified. "*" means identical amino acids in all sequences, "·" means similar amino acids in all sequences. The comparison was carried out with the aid of the CLUSTAL program (Higgins & Sharp 1988, Gene 73) 237-244).
Abb. 5. Nachweis der samenspezifischen Expression durch Northernblot-Ana lyse. Elektrophoretisch aufgetrennte mRNA aus Blättern (Spur 1: 1 µg; Spu ren 3 und 6: 3 µg und reifenden Samen (Spur 2: 1 µg; Spuren 4 und 5: 3 µg) von Limnanthes douglasii wurde hybridisiert, wobei der Bereich von Nu kleotid 10 bis Nukleotid 741 des in Abb. 1 angegebenen Nukleinsäurefrag ments pCH21 als radioaktiv markierte Probe verwendet wurde. Fig. 5. Evidence of seed-specific expression by Northern blot analysis. Electrophoretically separated mRNA from leaves (lane 1: 1 µg; lanes 3 and 6: 3 µg and ripening seeds (lane 2: 1 µg; lanes 4 and 5: 3 µg) from Limnanthes douglasii was hybridized, the range from Nu kleotid 10 to nucleotide 741 of the nucleic acid fragment pCH21 shown in FIG. 1 was used as a radioactively labeled sample.
Tabelle 1: Vergleich der Aminosäureidentitdten der bekannten AGPATs. Es bedeuten ECO Escherichia coli, SAL Salmonella thyphimurium, SAC Saccha romyces cerevisiae und ZEA Zea mais. Die Werte wurden mit Hilfe des Pro gramms BESTFIT (Devereux et al 1984, Nuc. Acids Res. 12, 387-394) ermittelt.Table 1: Comparison of the amino acid identities of the known AGPATs. It mean ECO Escherichia coli, SAL Salmonella thyphimurium, SAC Saccha romyces cerevisiae and ZEA Zea mais. The values were determined using the Pro BESTFIT (Devereux et al 1984, Nuc. Acids Res. 12, 387-394).
Tabelle 2: Vergleich der Aminosäureidenditäten der bekannten AGPATs. Be zeichnung wie in Tabelle 1, LIM Limnanthes douglasii.Table 2: Comparison of the amino acid idenities of the known AGPATs. Be Drawing as in Table 1, LIM Limnanthes douglasii.
Die Erfindung wird im folgenden an Beispielen erläutert, die alle molekularbiologischen Methoden wie DNA (Plasmid)-Isolierung, Agaro segelelektrophorese, Gelelution, Phenolisierung, DNA-Füllungen, Ligation, Transformation, Klonierung, Polymerasekettenreaktion (PCR), wenn nicht anders angegeben, nach Standardprotokollen von Sambrook et al (Molecu lar Cloning, CSH Laboratory Press 1989) durchgeführt. The invention is explained below using examples that all molecular biological methods such as DNA (plasmid) isolation, Agaro sailing electrophoresis, gel elution, phenolization, DNA fillings, ligation, Transformation, cloning, polymerase chain reaction (PCR) if not otherwise stated, according to standard protocols by Sambrook et al (Molecu lar Cloning, CSH Laboratory Press 1989).
Zur Gewinnung von PolyA+RNA wurden 4 g Embryonen (ca. 10 Tage alt) von Limnanthes douglasii unter flüssigem Stickstoff fein zermörsert und mit 30 ml Extraktionspuffer (100 mM NaCl, 50 mM Tris pH 9,0, 10 mM EDTA, 2% (w/v) SDS, 200 µg/ml Proteinase K) versetzt. Nach 10-minütiger Inkubation bei 37°C folgten mit jeweils gleichen Volumina zwei Phenol/Chloroform (1 : 1)- Extraktionen und eine Chloroform-Extraktion. Die Phasentrennung wurde durch Zentrifugation bei 6000 × g erreicht. Nach Zusatz von 1/5 Vol 10 M LiCl₂ und einstündiger Inkubation auf Eis wurde eine Zentrifugation bei 6500 × g, 4°C, für 30 min angeschlossen und der Überstand mit 0,2 g Oli go-dT-Cellulose (Boehringer) versetzt. Die Cellulose wurde je dreimal mit Waschpuffer 1 (400 mM NaCl, 10 mM Tris pH 7,5, 0,2% (w/v) SDS) und Wasch puffer 2 (100 mM NaCl, 10 mM Tris pH 7,5) gewaschen und die mRNA mit Elutionspuffer (10 mM Tris pH 7,5) eluiert. Die eluierte mRNA wurde ein zweites Mal über Oligo-dT-Cellulose, wie oben erläutert, gereinigt. Die Ausbeute betrug 20 µg RNA pro 4 g eingesetztem Frischgewicht.To obtain PolyA + RNA, 4 g of Limnanthes douglasii embryos (approx. 10 days old) were finely ground under liquid nitrogen and mixed with 30 ml of extraction buffer (100 mM NaCl, 50 mM Tris pH 9.0, 10 mM EDTA, 2% ( w / v) SDS, 200 µg / ml proteinase K) added. After incubation for 10 minutes at 37 ° C., two phenol / chloroform (1: 1) extractions and one chloroform extraction followed with equal volumes. The phase separation was achieved by centrifugation at 6000 × g. After adding 1/5 vol 10 M LiCl₂ and incubating on ice for 1 hour, a centrifugation at 6500 × g, 4 ° C, was connected for 30 min and 0.2 g of Oli go-dT cellulose (Boehringer) was added to the supernatant. The cellulose was washed three times with washing buffer 1 (400 mM NaCl, 10 mM Tris pH 7.5, 0.2% (w / v) SDS) and washing buffer 2 (100 mM NaCl, 10 mM Tris pH 7.5) and the mRNA eluted with elution buffer (10 mM Tris pH 7.5). The eluted mRNA was purified a second time over oligo-dT cellulose as explained above. The yield was 20 µg RNA per 4 g fresh weight used.
Zur Isolierung von cDNAs, die für 1-Acylglycerin-3-phosphat-Acyltransfera sen kodieren, wurde von Limnanthes douglasii eine cDNA-Expressionsgen bank im Phagenvektor Lambda-ZAP (Stratagene) angelegt. Hierzu wurden 2 µg mRNA eingesetzt, die, wie unter Punkt 1 beschrieben, aus reifenden Embryonen von Limanthes douglasii isoliert wurden. Die Erstellung der Genbank erfolgte nach Angaben des Herstellers. Die Primärbank enthält 3,7×10⁶ unabhängige Klone in einem Volumen von 500 µl.For the isolation of cDNAs which are suitable for 1-acylglycerol-3-phosphate-acyltransfera encode, Limnanthes douglasii became a cDNA expression gene bank created in the phage vector Lambda-ZAP (Stratagene). For this, 2 µg mRNA used, which, as described under point 1, from maturing Embryos from Limanthes douglasii were isolated. The creation of the Genbank was carried out according to the manufacturer. The primary bank contains 3.7 × 10⁶ independent clones in a volume of 500 µl.
1×10⁶ Klone (= 135 µl) der Primärbank wurden entsprechend den Herstel lerangaben amplifiziert. Diese amplifizierte Bank enthält 2 × 10¹³ Klone in 200 ml. Davon wurde 1 µl (= 108 Klone) in Phagemids überführt, die in ein em Volumen von 3 ml vorlagen. Mit 5 µl Phaegemidsuspension (= 1,66 × 10⁵ Klone) wurden Bakterienzellen transfiziert und aus diesen die entstandene Plasmid-DNA isoliert. Diese als Plasmid-cDNA-Expressionsbank bezeichnete Präparation hat eine DNA-Konzentration von 1 µg/µl. 1 × 10⁶ clones (= 135 µl) of the primary bank were according to the manufacturer amplified information. This amplified library contains 2 x 1013 clones in 200 ml. 1 μl (= 108 clones) of which was transferred to phagemids, which in a A volume of 3 ml was available. With 5 µl Phaegemidsuspension (= 1.66 × 10⁵ Clones), bacterial cells were transfected and the resulting cells Plasmid DNA isolated. This was called the plasmid cDNA expression bank The preparation has a DNA concentration of 1 µg / µl.
Das Problem ist die Isolierung solcher Klone, die AGPAT kodierende cDNAs enthalten, aus der Masse der verschiedenen Klone, die andere cDNAs der Genbank enthalten. Hierzu wurde die Methode der heterologen Komplemen tation gewählt. Bei der heterologen Komplementation wird auf Mutanten zurückgegriffen, die einen Defekt in dem Enzym aufweisen, dessen zugehö rige cDNA gesucht wird. Die verwendeten Mutanten sind in der Regel kon ditional. Es gibt also permissive Bedingungen, unter denen das Wachstum der Zellen möglich ist, und nicht-permissive Bedingungen, unter denen kein Wachstum stattfindet. Wird nun in eine solche Mutante eine ganze Genbank im Schrotschußverfahren transformiert und werden die transformierten Zel len dann unter nicht-permissiven Bedingungen angezogen, dann kann es in einigen wenigen Fällen zum Wachstum kommen und zwar dann, wenn die eingeführte cDNA für eine AGPAT kodiert, diese cDNA hinreichend voll ständig ist, die Klonierung in der richtigen Orientierung bezüglich des Expressionspromotors und im richtigen Leseraster erfolgte und daß hetero loge, aus der Genbank also von einem fremdem Organismus stammende Pro tein in den Bakterien hinreichend stabil ist und in den fremden Umge bungsbedingungen enzymatisch aktiv ist.The problem is the isolation of such clones, the AGPAT encoding cDNAs contain, from the mass of different clones, the other cDNAs of the Gene bank included. For this, the method of heterologous complements was used tation selected. The heterologous complementation is based on mutants resorted to, which have a defect in the enzyme, the associated rige cDNA is searched. The mutants used are usually con ditional. So there are permissive conditions under which growth of cells is possible and non-permissive conditions under which none Growth takes place. Now an entire gene bank becomes such a mutant transformed in the shotgun process and the transformed cells len under non-permissive conditions, then it can in growth in a few cases when the introduced cDNA encodes an AGPAT, this cDNA is sufficiently full is constant, the cloning in the correct orientation regarding the Expression promoter and in the correct reading frame and that hetero loge, Pro from the gene bank, that is from a foreign organism tein is sufficiently stable in the bacteria and in the foreign environment Exercise conditions is enzymatically active.
Derartige heterologe Komplementationen sind bislang in einigen Fällen er folgreich durchgeführt worden, wie in der Literatur belegt ist.Such heterologous complementations have so far been in some cases has been carried out successfully, as documented in the literature.
Im vorliegenden Fall wurde die Mutante JC201 eingesetzt. Diese Mutante besitzt einen Defekt in der AGPAT, der thermosensitiv ist. Bei 30°C kön nen die Zellen wachsen, bei 37°C Anzuchttemperatur dagegen findet kein Wachstum statt, AGPAT-Aktivität ist in vitro nicht mehr nachweisbar, und es häuft sich 1-Acylglycerin-3-phosphat in den Mutantenzellen an. Zellen dieser Mutante wurden nach der Methode von Inoue et al (1990) in den Zustand der Kompetenz überführt, in dem sie Plasmid-DNA aufnehmen kön nen. Für die heteroge Komplementation wurden jeweils 200 µl der kompe tenten Mutantenzellen mit 100 ng Plasmid-DNA der Plasmid-cDNA- Expressionsgenbank von Limnanthes douglasii transformiert (Cohen et al 1972) und unter selektiven Bedingungen auf 100 µg/ml Ampicillin haltigen LB-Platten bei 37°C inkubiert. Es wurden 300 Klone isoliert, die bei 37°C wachsen konnten. Aus diesen Klonen wurden die Plasmid-DNA isoliert. Die se DNA wurde dann einzeln in kompentente JC201 transformiert, und die transformierten Zellen wurden auf ihre Fähigkeit getestet, bei der nicht permissiven Temperatur von 37°C zu wachsen. Dieses war bei 130 Klonen der Fall. Die zu diesen 130 Klonen gehörende DNA wurde erneut in kompe tente JC201 transformiert und die Selektion wiederholt. Nach diesem Schritt zeigten noch 27 Klone reproduzierbar, die Fähigkeit, bei 37°C zu wachsen. In einer weiteren Runde reduzierte sich die Zahl der positiven Klone auf 9. Diese Zahl blieb dann in drei weiteren Selektionsrunden sta bil.In the present case, the mutant JC201 was used. This mutant has a defect in AGPAT that is thermosensitive. At 30 ° C NEN the cells grow, however, at 37 ° C cultivation temperature there is none Growth instead, AGPAT activity is no longer detectable in vitro, and 1-acylglycerol-3-phosphate accumulates in the mutant cells. Cells This mutant was identified by the method of Inoue et al (1990) in the State of competence transferred in which they can take up plasmid DNA nen. For the heterogeneous complementation, 200 µl each of the compe mutant cells with 100 ng plasmid DNA of the plasmid cDNA Expression library of Limnanthes douglasii transformed (Cohen et al 1972) and containing 100 µg / ml ampicillin under selective conditions LB plates incubated at 37 ° C. 300 clones were isolated at 37 ° C could grow. The plasmid DNA was isolated from these clones. The This DNA was then individually transformed into competent JC201, and the transformed cells were tested for their ability to not permissive temperature of 37 ° C to grow. This was with 130 clones the case. The DNA belonging to these 130 clones was again compe tente JC201 transformed and the selection repeated. After this Step 27 still showed reproducible clones, the ability to at 37 ° C to grow. In another round, the number of positive ones decreased Clones on 9. This number then remained in three further selection rounds bil.
Die aus den positiven Klonen isolierte Plasmid-DNA wurde mit Hilfe der Restriktionanalyse näher charakterisiert. Die Plasmid-DNA aus sechs der Klone (pCH21, pCH147, pCH148, pCH149, pCH170 und pCH186), deren cDNA etwa 1 kbp lang ist, wurden aufgrund ähnlicher Restriktionsmuster in ein er Gruppe zusammengefaßt und von den beiden Seiten her ansequenziert. Es erwies sich, daß die cDNAs identische Nukleotidsequenzen beeinhalten und sich lediglich in ihrer 5′- und 3′-Ausdehnung unterscheiden.The plasmid DNA isolated from the positive clones was analyzed using the Restriction analysis characterized in more detail. The plasmid DNA from six of the Clones (pCH21, pCH147, pCH148, pCH149, pCH170 and pCH186), their cDNA is about 1 kbp in length due to similar restriction patterns He grouped together and sequenced from both sides. It the cDNAs were found to contain identical nucleotide sequences and differ only in their 5'- and 3'-extent.
Das cDNA-Insert von pCH21 wurde vollständig auf beiden Strängen sequen ziert. Die Nukleotidsequenz ist in Abb. 1 dargestellt. Die enthaltene cDNA hat eine Länge von 1039 bp. In gleicher Orientierung wie der lacZ-Promoter findet sich ein langes, offenes Leseraster von 852 bp, daß sich in dersel ben Phase wie LacZ′ befindet und daher potentiell ein Fusionsprotein bil det. Einschließlich des Stopkodons finden sich 279 Basenpaare im 3′-nicht translatierten Bereich sowie ein PolyA-Bereich von 19 Nukleotiden. Die Nukleotidsequenz weist einen GC-Gehalt von 41,9% auf, der typisch für pflanzliche cDNAs ist.The cDNA insert from pCH21 was completely sequenced on both strands. The nucleotide sequence is shown in Fig. 1. The cDNA contained has a length of 1039 bp. In the same orientation as the lacZ promoter, there is a long, open reading frame of 852 bp that is in the same phase as LacZ 'and therefore potentially forms a fusion protein. Including the stop codon, there are 279 base pairs in the 3′-untranslated region and a polyA region of 19 nucleotides. The nucleotide sequence has a GC content of 41.9%, which is typical for plant cDNAs.
Die Translation eukaryoter mRNAs beginnt an dem am weitesten 5′ gelege nen Startkodon (AUG = ATG in der cDNA). Legt man daß erste in der Se quenz von pCH21 vorkommende ATG zugrunde so ergibt sich aus der fol genden Sequenz ein potentielles Polypeptid von 281 Aminosäuren und einem Molekulargewicht von 27,5 kDa. Die Aminosäuresequenz ist in Abb. 2 im Einbuchstabencode dargestelltThe translation of eukaryotic mRNAs begins at the furthest 5 ′ located start codon (AUG = ATG in the cDNA). If one bases this on the first ATG occurring in the sequence of pCH21, the following sequence results in a potential polypeptide of 281 amino acids and a molecular weight of 27.5 kDa. The amino acid sequence is shown in Fig. 2 in the one-letter code
Auf Grund der Herstellung von cDNA-Klonen sind diese am 5′-Ende unvoll ständige Kopien der zugehörigen mRNA, die in der Länge ihrer 5′-Enden variieren. Dieses ist auch für die sechs oben erwähnten cDNAs der Fall, die in ihrer Sequenz - wie bereits festgestellt wurde - identisch sind. Es ist also mit Sicherheit davon auszugehen, daß die cDNAs Kopien der mRNA eines Gens darstellen.Due to the production of cDNA clones, these are incomplete at the 5 'end permanent copies of the associated mRNA, the length of their 5'-ends vary. This is also the case for the six cDNAs mentioned above, which are identical in their sequence, as already stated. It it can therefore be assumed with certainty that the cDNAs are copies of the mRNA of a gene.
Da also pCH21 nicht vollständig ist und auch vor dem ersten Startkodon bei Position 10 einen offenen Leserahmen aufweist, stellt sich die Frage, ob es weiter in 5′-Richtung ein weiteres Startkodon gibt, so daß die in Abb. 2 gezeigte Sequenz nicht die vollständige Sequenz die AGPAT dar stellt. Die Sequenz von pCH148 und pCH149, die weiter in 5′-Richtung aus gedehnt ist, zeigt aber in dem zur Debatte stehenden Leserahmen in 5′- Richtung ein Stopkodon (Abb. 3). Damit ist der offene Leserahmen in 5′- Richtung begrenzt, und es ist mit Sicherheit davon auszugehen, daß das Startkodon bei Position 10 in pCH21 das Startkodon der AGPAT darstellt.So since pCH21 is not complete and also has an open reading frame in front of the first start codon at position 10, the question arises whether there is a further start codon further in the 5 ′ direction, so that the sequence shown in FIG Sequence that AGPAT represents. The sequence of pCH148 and pCH149, which is further extended in the 5′-direction, shows a stop codon in the 5′-direction in the reading frame under discussion ( Fig. 3). This limits the open reading frame in the 5 'direction, and it can be assumed with certainty that the start codon at position 10 in pCH21 represents the AGPAT start codon.
Zum Nachweis, daß es sich beim cDNA-Insert von pCH21 um eine 1-Acylgly cerin-3-phosphat-Acyltransferase, und zwar um eine Erucoyl-CoA-spezifi sche, handelt, wurden funktionale Expressionsstudien in E. coli durchge führt und die Acyl-CoA-Spezifitäten des Expressionsproduktes analysiert.To prove that the cDNA insert of pCH21 is a 1-acylgly cerin-3-phosphate acyltransferase, namely an Erucoyl-CoA-specific functional expression studies were carried out in E. coli leads and analyzed the acyl-CoA specificities of the expression product.
Mit Hilfe der Polymerasekettenreaktion (PCR) wurde das cDNA-Insert von pCH21 (Abb. 1) amplifiziert. Als Oligonukleotidprimer dienten die folgenden beiden Primer A und B, die an ihren 54-Enden Restriktionsschnittstellen für Nco I und Bgl II tragen (Abb. 2).The cDNA insert of pCH21 ( Fig. 1) was amplified using the polymerase chain reaction (PCR). The following two primers A and B, which have restriction sites for Nco I and Bgl II at their 54 ends, served as oligonucleotide primers ( FIG. 2).
Für einen 100 µl PCR-Ansatz wurden 10 ng pCH21, die Primer A und B in 1 µM Konzentration, 5 Units Taq-DNA-Polymerase (Gibco) und 100 µM dNTPs in einem Puffermilieu von 25 mM TAPS (pH 9,3), 2 mM MgC12, 50 mM KCl, 1 mM DTT, 0,5 mg/ml aktivierte Lachssperm-DNA eingesetzt. Die PCR-Reaktion wurde in einem Thermocycler (Biometra) bei folgenden Reaktionstemperatu ren und -zeiten durchgeführt: 2 min, 95°C zum erstmaligen Denaturieren der DNA, gefolgt von 27 Zyklen mit jeweils 20 sec, 950 C zum Denaturieren der DNA, 20 sec, 65°C zur Hybridisierung der Primer und 1 min, 72°C zur Amplifikation der DNA. Anschließend wurden alle DNA-Moleküle 3 min bei 72°C vollständig amplifiziert. Das 852 bp große Amplifikationsprodukt wurde über Agarosegelelektrophorese (Sambrook et al 1989) von Primern und Nebenprodukten abgetrennt, mit Hilfe des QIAEX-Gelelutionskits (QIA- GEN) nach Firmenvorschrift aus dem Gel eluiert und unter Verwendung des SUREclonekits (Pharmacia)) wie durch den Hersteller angegeben, in den mit Sma I linearisierten, dephosphorylierten Vektor pUC19 ligiert. Das so er haltene Plasmid pUCL21 wurde durch Restriktions- und Sequenzanalyse überprüft. Anschließend wurden 10 µg des Plasmids mit Nco I und Bgl II verdaut, daß das cDNA-Insert tragende Nco I/Bgl II-Fragment, wie oben beschrieben, durch Agarosegelelektrophorese isoliert und in den mit Nco I und Bgl II linearisierten Vektor pQE60 (QIAGEN) ligiert, um das Konstrukt pQEL21 zu erhalten. pQEL21 bzw. der Vektor pQE60 wurden in kompetente Zellen der E. coli-Mutante JC201, die daß den lac Iq-Repressor tragende Plasmid pREP4 (QIAGEN) enthielten, transformiert.For a 100 μl PCR batch, 10 ng pCH21, the primers A and B in 1 μM concentration, 5 units Taq DNA polymerase (Gibco) and 100 μM dNTPs in a buffer medium of 25 mM TAPS (pH 9.3), 2 mM MgC12, 50 mM KCl, 1 mM DTT, 0.5 mg / ml activated salmon sperm DNA was used. The PCR reaction was carried out in a thermal cycler (Biometra) at the following reaction temperatures and times: 2 min, 95 ° C for the first time denaturing the DNA, followed by 27 cycles with 20 sec each, 950 C for denaturing the DNA, 20 sec , 65 ° C for hybridization of the primers and 1 min, 72 ° C for amplification of the DNA. Then all DNA molecules were completely amplified for 3 min at 72 ° C. The 852 bp amplification product was separated from primers and by-products by agarose gel electrophoresis (Sambrook et al 1989), eluted from the gel using the QIAEX gel elution kit (QIA-GEN) according to the company's instructions and using the SUREclone kit (Pharmacia)) as by the manufacturer indicated, ligated into the dephosphorylated vector pUC19 linearized with Sma I. The plasmid pUCL21 thus obtained was checked by restriction and sequence analysis. Subsequently, 10 μg of the plasmid were digested with Nco I and Bgl II, and the Nco I / Bgl II fragment carrying the cDNA insert was isolated as described above by agarose gel electrophoresis and into the vector pQE60 (QIAGEN) linearized with Nco I and Bgl II. ligated to obtain the construct pQEL21. pQEL21 and the vector pQE60 were transformed into competent cells of the E. coli mutant JC201 which contained the plasmid pREP4 (QIAGEN) carrying the lac I q repressor.
Die Anzucht der E. coli-JC201-Zellen, die neben dem Repressorplasmid auch das Konstrukt pQEL21 bzw. den Vektor pQE60 enthielten, erfolgte in Ampi cillin (100 µg/l) und Kanamycin (25 µg/l) haltigem LB-Medium bei 30°C. Übernachtkulturen wurden in diesem Medium 1 : 40 verdünnt und bei 30°C bis zu einer OD₆₀₀ von 0,6 angezogen. Zur Induktion des Expressionskon struktes pQEL21 wurde Isopropyl-β-D-Thiogalaktopyranosid (IPTG) in einer Endkonzentration von 2 mM hinzugefügt und die Bakterien nach einer drei stündigen Inkubation bei 30°C durch Zentrifugation bei 4500 × g für 10 min geerntet.The cultivation of E. coli JC201 cells, which in addition to the repressor plasmid the construct pQEL21 or the vector pQE60 contained was carried out in Ampi cillin (100 µg / l) and kanamycin (25 µg / l) containing LB medium at 30 ° C. Overnight cultures were diluted 1:40 in this medium and at 30 ° C tightened to an OD₆₀₀ of 0.6. For induction of the expression con Structured pQEL21 was isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside (IPTG) in one Final concentration of 2 mM was added and the bacteria after a three hour incubation at 30 ° C by centrifugation at 4500 × g for 10 min harvested.
Alle folgenden Schritte wurden bei 0-4°C durchgeführt: Durch Sedimenta tion geerntete Bakterienzellen wurden zweimal mit Membranpuffer (50 mM Tris/HCl pH 8,4, 5 mM MgCi2, 5 mM Dithiotreitol) gewaschen und in diesem Puffer so resuspendiert, daß das Volumen der Suspension etwa 1/40 des Kulturvolumens entsprach. Das Lysieren der Bakterienzellen erfolgte durch viermalige Ultraschallbehandlung für 30 sec mit Hilfe eines Ultraschallsta bes. Nach Abtrennung großer Zellfragmente und "inclusion bodies" durch 10-minütige Zentrifugation bei 7500 × g, wurden die Membranen aus den Zellhomogenaten durch Zentrifugation bei 10 000 × g für 1 h sedimentiert, in wenig Membranpuffer resuspendiert und mit Glycerin in einer Endkon zentration von 50% (v/v) bei -20°C gelagert. Die Proteinbestimmung erfolg te nach der Methode von Bradford (Arial. Biochem. 72, 248-254 (1987)).All of the following steps were carried out at 0-4 ° C: By Sedimenta tion harvested bacterial cells were twice with membrane buffer (50 mM Tris / HCl pH 8.4, 5 mM MgCi2, 5 mM dithiotreitol) and washed in this Buffer resuspended so that the volume of the suspension is about 1/40 of Corresponded to the cultural volume. The bacterial cells were lysed by four times ultrasound treatment for 30 sec with the help of an ultrasound sta esp. After separation of large cell fragments and "inclusion bodies" by Centrifugation at 7500 × g for 10 minutes, the membranes were removed from the Cell homogenates sedimented by centrifugation at 10,000 × g for 1 h, resuspended in a little membrane buffer and with glycerin in an end con concentration of 50% (v / v) stored at -20 ° C. The protein determination is successful using the Bradford method (Arial. Biochem. 72, 248-254 (1987)).
Der Enzymtest basiert auf der enzymatischen Umsetzung von 1-Acyl-sn-[U- ¹⁴C]glycerin-3-phosphat mit Acyl-CoA zu 1,2-Diacyl-sn-[U-¹⁴C]glycerin-3- phosphat. Das Reaktionsgemisch enthielt 0,1 M Tricin/NaOH pH 8,8, 4 bis 40 µM Oleoyl-CoA bzw. Erucoyl-CoA, 2,5 µM 1-Oleoyl-sn-[U-¹⁴C]glycerin-3- phosphat (353 dpm/pmol) und Membranfraktionen (0,2-3,5 µg Protein) in ein em Gesamtvolumen von 50 µl. Nach einer 15-minütigen Inkubation bei 30°C wurde der Ansatz mit 50 µg Phosphatidsäure in 240 µl Chloroform:Methanol (1 : 1) und 100 µl 1 M KCl, 0,2 M H₃PO₄ versetzt, gemischt und zur Phasen trennung 2 min bei 1000 × g zentrifugiert, 90 µl der Chloroformphase auf Kieselgelfertigplatten aufgetragen und in Chloroform:Pyridin:Ameisensäure (50 : 30 : 7) 30 min entwickelt. Die Phosphatidsäurebande wurde durch Besprü hen der entwickelten Kieselgelfertigplatte mit Phosphatidreagenz (Dittmer & Lester, J. Lipid Res. 5, 126-127 (1964)) lokalisiert, in ein Szintillations röhrchen geschabt und mit 5 ml Cocktail (OptiPhase 4HISAFE4, Wallec) ver setzt. Die Radioaktivität der Probe wurde im Szintillationszähler bestimmt.The enzyme test is based on the enzymatic conversion of 1-acyl-sn- [U- ¹⁴C] glycerin-3-phosphate with acyl-CoA to 1,2-diacyl-sn- [U-¹⁴C] glycerin-3- phosphate. The reaction mixture contained 0.1 M tricin / NaOH pH 8.8, 4 to 40 µM oleoyl-CoA or erucoyl-CoA, 2.5 µM 1-oleoyl-sn- [U-¹⁴C] glycerol-3- phosphate (353 dpm / pmol) and membrane fractions (0.2-3.5 µg protein) in one em total volume of 50 µl. After a 15 minute incubation at 30 ° C was the batch with 50 ug phosphatidic acid in 240 ul chloroform: methanol (1: 1) and 100 ul 1 M KCl, 0.2 M H₃PO₄ mixed, mixed and phase separation centrifuged for 2 min at 1000 × g, 90 µl of the chloroform phase Ready-made silica gel plates applied and in chloroform: pyridine: formic acid (50: 30: 7) 30 min developed. The phosphatidic acid band was sprayed hen the developed silica gel finished plate with phosphatide reagent (Dittmer & Lester, J. Lipid Res. 5, 126-127 (1964)) localized in a scintillation scraped the tube and mixed with 5 ml cocktail (OptiPhase 4HISAFE4, Wallec) puts. The radioactivity of the sample was determined in the scintillation counter.
Aus diesen Werten wurden die spezifischen Enzymaktivitäten als pmol ge bildetes 1,2-Diacylglycerin-3-phosphat pro min und mg Membranprotein be rechnet. Bei Enzymtests mit Membranfraktionen aus pQE60-haltigen JC201- Zellen war weder mit Oleoyl-CoA noch mit Erucoyl-CoA eine Umsetzung von 1-Acyl-sn-[U-¹⁴C]glycerin-3-phosphat zu 1,2-Diacyl-sn-[U-¹⁴C]glycerin-3- phosphat nachweisbar. Die Membranfraktionen aus pQEL21-haltigen JC201- Zellen katalysierten dagegen diese Umsetzung und zeigten mit Erucoyl-CoA höhere spezifische Enzymaktivität als mit Oleoyl-CoA (200 pmol/min/mg Pro tein mit Erucoyl-CoA und 84 pmol/min/mg Protein mit Oleoyl-CoA). Diese Ergebnisse belegen somit, daß das cDNA-Insert von pCH21 für eine Erucoyl- CoA spezifische 1-Acylglycenn-3-phosphat-Acyltransferase kodiert also für die Acyltransferase, die in Limnanthes samenspezifisch exprimiert wird. Diese Ergebnisse werden durch Northern-Blot-Analysen gestützt (Abb. 5).From these values, the specific enzyme activities were calculated as pmol of 1,2-diacylglycerol-3-phosphate per minute and mg of membrane protein. In enzyme tests with membrane fractions from pQE60-containing JC201 cells, neither oleoyl-CoA nor erucoyl-CoA reacted 1-acyl-sn- [U-¹ C] glycerol-3-phosphate to 1,2-diacyl-sn- [U-¹⁴C] glycerol-3-phosphate detectable. In contrast, the membrane fractions from pQEL21-containing JC201 cells catalyzed this reaction and showed higher specific enzyme activity with erucoyl-CoA than with oleoyl-CoA (200 pmol / min / mg protein with erucoyl-CoA and 84 pmol / min / mg protein with oleoyl -CoA). These results thus demonstrate that the cDNA insert of pCH21 for an erucoyl-CoA-specific 1-acylglycenn-3-phosphate acyltransferase codes for the acyltransferase which is expressed in Limnanthes in a seed-specific manner. These results are supported by Northern blot analyzes ( Fig. 5).
Sie zeigen, daß das zu pCH21 zugehörige Gen in Samen aber nicht in Blät tern transkribiert wird. They show that the gene belonging to pCH21 is found in seeds but not in leaves tern is transcribed.
Pflanzenteile sind Teile einer Pflanze wie z. B. Samen, Früchte oder Fruchtstände.Plant parts are parts of a plant such as B. seeds, fruits or Fruit clusters.
Vektoren sind Nukleinsäurefragmente, die unter bestimmten Bedingungen zur Vervielfältigung befähigt sind und für den Einbau von fremden Nu kleinsäurefragmenten zum Zweck der Vermehrung dieses Fragments oder der Expression dieses Fragments (beispielsweise zur Herstellung eines Proteins) benutzt werden. Typische Beispiele sind Plasmide und Phagen.Vectors are nucleic acid fragments that operate under certain conditions are capable of duplication and for the installation of other Nu small acid fragments for the purpose of multiplying this fragment or the Expression of this fragment (for example for the production of a protein) to be used. Typical examples are plasmids and phages.
Chimäres Gen ist ein Nukleinsdärefragment, das aus verschiedenen Teilen zusammengesetzt ist und in dieser Form natürlicherweise nicht vorkommt. Es umfaßt eine für ein Polypeptid kodierende Sequenz und geeignete Steu ersequenzen, die die Expression ermöglichen. Die kodierende Sequenz kann dabei hinsichtlich der Steuersequenzen in "Sense"- oder "Antisense"-Orien tierung vorliegen.Chimeric gene is a nucleic acid fragment that consists of different parts is composed and does not naturally occur in this form. It comprises a sequence coding for a polypeptide and suitable control sequences that enable expression. The coding sequence can with regard to the control sequences in "sense" or "antisense" orias available.
Sehr langkettige Fettsduren sind solche Fettsduren, die eine Zahl von mehr als 18 Kohlenstoffatomen aufweisen.Very long chain fatty acids are those fatty acids that are a number of have more than 18 carbon atoms.
Pflanzenöl ist ein Öl, das beim Pressen und/oder Extrahieren von Pflan zen oder Pflanzenteilen gewonnen wird.Vegetable oil is an oil that is used in pressing and / or extracting plant zen or parts of plants.
Isolieren ist die Gewinnung bestimmter Dinge aus einem Gemisch ver schiedener Dinge. Die Dinge können dabei Substanzen (z. B. Proteine, Nu kleinsäurefragmente, mRNA, DNA, cDNA, cDNA-Klone, Gene), Zellteile (z. B. Membranen), Zellen (z. B. Bakterienzellen, Pflanzenzellen), Zellinien, Organis men und deren Nachkommen sein. Isolation is the extraction of certain things from a mixture different things. Things can be substances (e.g. proteins, nu small acid fragments, mRNA, DNA, cDNA, cDNA clones, genes), cell parts (e.g. Membranes), cells (e.g. bacterial cells, plant cells), cell lines, organ men and their descendants.
Claims (41)
- (a) Transformation einer Zelle mit einem chimären Gen entsprechend einem der Ansprüche 13 bis 20;
- (b) Selektion solcher Zellen, die daß Protein in gewünschter Menge produ zieren;
- (c) und vorzugsweise Reinigung des Proteins von anderen Bestandteilen.
- (a) transforming a cell with a chimeric gene according to any one of claims 13 to 20;
- (b) selection of those cells which produce the protein in the desired amount;
- (c) and preferably purifying the protein from other ingredients.
- (a) Transformation einer Pflanzenzelle einer ölproduzierenden Pflanze mit einem chimären Gen nach einem der Ansprüche 13 bis 20;
- (b) Aufzucht fertiler Pflanzen aus der transformierten Pflanzenzelle nach (a);
- (c) Selektion der Nachkommen der Pflanzen entsprechend (b), zur Erlangung des gewünschten Gehalts an sehr langkettigen Fettsäuren;
- (d) Verarbeitung der Samen der Pflanzen entsprechend (c), um Pflanzen und/oder Pflanzenöl zu erhalten, daß den gewünschten Gehalt an sehr langkettigen Fettsäuren aufweist.
- (a) transforming a plant cell of an oil-producing plant with a chimeric gene according to any one of claims 13 to 20;
- (b) growing fertile plants from the transformed plant cell according to (a);
- (c) selection of the progeny of the plants in accordance with (b), in order to obtain the desired content of very long-chain fatty acids;
- (d) processing the seeds of the plants according to (c) in order to obtain plants and / or vegetable oil which has the desired content of very long-chain fatty acids.
- (a) Transformation einer Pflanzenzelle einer ölproduzierenden Pflanze mit einem chimären Gen nach einem der Ansprüche 13 bis 20;
- (b) Aufzucht fertiler Pflanzen aus der transformierten Pflanzenzelle nach (a);
- (c) Selektion der Nachkommen der Pflanzen entsprechend (b), zur Erlangung des gewünschten Gehalts an Trierucin;
- (d) Verarbeitung der Samen der Pflanzen entsprechend (c), um Pflanzen und/oder Pflanzenöl zu erhalten, daß den gewünschten Gehalt an Trieru cin aufweist.
- (a) transforming a plant cell of an oil-producing plant with a chimeric gene according to any one of claims 13 to 20;
- (b) growing fertile plants from the transformed plant cell according to (a);
- (c) selection of the progeny of the plants in accordance with (b) in order to obtain the desired trierucine content;
- (d) processing the seeds of the plants according to (c) in order to obtain plants and / or vegetable oil which has the desired Trieru cin content.
- (a) Vergleich der Aminosäuresequenz in Fig. 2 mit den Aminosäuresequen zen anderer Acyltransferasen;
- (b) Identifizierung eines oder mehrerer konservierter Sequenzbereiche mit 4 oder mehr identischen Aminosäuren als Ergebnis von (a);
- (c) Herstellung spezifischer Oligonukleotide durch Rückübersetzung der Aminosäuresequenz nach (b);
- (d) Benutzung dieser Oligonukleotide, um mit Hilfe eines sequenzabhängi gen Protokolls Nukleinsäuren herzustellen, die Acyltransferasen oder acyl transferaseähnliche Enzyme kodieren.
- (a) Comparison of the amino acid sequence in FIG. 2 with the amino acid sequences of other acyltransferases;
- (b) identifying one or more conserved sequence regions with 4 or more identical amino acids as a result of (a);
- (c) production of specific oligonucleotides by back-translating the amino acid sequence according to (b);
- (d) Using these oligonucleotides to produce nucleic acids encoding acyl transferases or acyl transferase-like enzymes using a sequence-dependent protocol.
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