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Die vorliegende Erfindung betrifft
antimikrobielle Proteine, die aus Zuckerrübe isolierbar sind.
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Erfindungsgemäß wird antimikrobielles Protein
bereitgestellt, das ein Peptid mit der folgenden Aminosäuresequenz
umfaßt: AA1-AA2-AA3-Cys-AA5-AA6-AA7-AA8-AA9-Cys-AA11-AA12-AA13-AA14-Cys-Cys-AA17-AA18-AA19-AA20-AA21-Cys-AA23-AA24-AA25-AA26-AA27-AA28-Cys-AA30, worin "AA" eine
beliebige der üblicherweise
gefundenen 20 Aminosäuren
bezeichnet. Es ist bevorzugt, daß AA7 Tyr
ist; AA14 Tyr ist; und AA18 Lys
ist. Zusätzlich
ist es weiter bevorzugt, daß AA24 Val ist; AA26 Arg
ist; und AA27 Ala ist.
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Ein antimikrobielles Protein schließt ein Protein
(allein oder in Kombination mit einem anderen Material) ein, das
unter beliebigen Umständen
gegen einen beliebigen Mikroorganismus toxisch oder wachstumshemmend
ist, einschließlich
gegen Bakterien (insbesondere Gram-positive Bakterien), Viren und
insbesondere Pilze. Solche antimikrobiellen Proteine schließen diejenigen
ein, die eine antimikrobielle Aktivität bei Kontakt mit einem Mikroorganismus
aufweisen, und diejenigen, die antimikrobiell als Ergebnis ihrer
Assimilation oder Respiration sind.
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WO 92/21699 offenbart biozide Proteine
die aus Amaranth isoliert werden. Die Proteine zeigen eine breite
Antipilz-Aktivität
und sind aktiv gegen Gram-positive Bakterien. WO 92/17591 offenbart
die Zuckerrübe-Chitinase 4, die
Antipilz-Aktivität
besitzt.
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Die Erfindung schließt ebenfalls
ein antimikrobielles Protein mit der in einer beliebigen der SEQ
ID Nrn. 1–3
dargestellten Sequenz ein.
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Für
die Zwecke der vorliegenden Anmeldung ist die spezifische Aktivität ein Maß der Höhe der Wachstums-
oder Vermehrungshemmung, die durch eine angegebene Menge des Proteins
auf eine angegebene Menge eines angegebenen Mikroorganismus erzeugt
wird.
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Die Erfindung schließt weiterhin
die reinen Proteine in Kombination mit wenigstens einem Protein
ein, das aus der Gruppe ausgewählt
ist, die aus den in SEQ ID Nrn. 4–6 dargestellten besteht. Solche
kombinierten Proteine können
ferner mit einem oder mehreren der bekannten "Pathogenese bezogenen Proteine" kombiniert werden.
Die Infektion von Pflanzen mit pilzlichen oder viralen Pathogenen
kann eine systemische Synthese von ca. 10 Familien von homologen
Pathogenese-bezogenen Proteinen (PR-Proteinen) im vegetativen Gewebe
induzieren. Solche PR-Proteine wurden in 5 Gruppen klassifiziert.
Die PR-2-, PR-3- und PR-5-Proteine sind beta-1,3-Glucanase, Chitinasen
bzw. thaumatinartige Proteine. Spezifische Funktionen wurden den PR-1-
und PR-4-Gruppen von Proteinen nicht zugeordnet. Die PR-4-Proteine
sind ähnlich
den C-terminalen Domänen
des Prohevein und der mutmaßlichen
Wund-induzierten WIN-Proteine der Kartoffel, wodurch ihnen die N-terminale
Hevein-Domäne
fehlt. Es ist besonders bevorzugt, daß die erfindungsgemäßen Proteine
mit einem oder mehreren Proteinen kombiniert sind, die basische
Gegenstücke
der PR-4-Gruppe von Proteinen sind, was die basischen Gegenstücke von
Proteinen ähnlich
den C-terminalen Domänen
des Prohevein und der mutmaßlichen
Wund-induzierten WIN-Proteine der Kartoffel bedeutet. Es ist besonders
bevorzugt, daß das basische
Gegenstück
der Pathogenese-bezogenen Proteine ein chitinbindendes WIN-Protein
ist, insbesondere dasjenige, das durch Gerstenkörner oder gestreßte Gerstenblätter erzeugt
wird.
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Die Erfindung schließt weiterhin
rekombinante DNA ein, die eine Sequenz umfaßt, die ein Protein mit der
Aminosäuresequenz
der oben offenbarten antimikrobiellen Proteine codiert. Insbesondere
kann die DNA wenigstens eines der Proteine codieren, deren Sequenzen
in SEQ ID Nrn. 1–3
dargestellt sind, gegebenenfalls zusätzlich zu wenigstens einem
der Proteine, deren Sequenz in SEQ ID Nrn. 4–6 dargestellt sind. Die rekombinante
DNA mag ferner ein Protein mit Herbizidresistenz-, pflanzenwachstumsfördernden,
Antipilz-, antibakteriellen, antiviralen und/oder Antinematoden-Eigenschaften
codieren. Für
den Fall, daß die
DNA in einen heterologen Organismus eingeführt werden soll, kann sie modifiziert
werden, um bekannte mRNA-Instabilitätsmotive (wie AT-reiche Regionen)
und Polyadenylierungssignale (falls sie vorhanden sind) zu entfernen, und/oder
Codonen, die durch den Organismus bevorzugt sind, in den die rekombinante
DNA inseriert werden soll, können
verwendet werden, so daß die
Expression der so modifizierten DNA im Organismus im wesentlichen ähnliches
Protein zu demjenigen liefert, das durch Expression der unmodifizierten
rekombinanten DNA im Organismus erhalten wird, in dem das erfindungsgemäße antimikrobielle
Protein endogen ist.
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Ebenfalls eingeschlossen in der vorliegenden
Erfindung ist ein Vektor, der die oben offenbarte DNA enthält, die
in Pflanzen exprimierbar ist und an einen in einer Pflanze funktionsfähigen Promotor
und Terminator gebunden ist. Pflanzen können mit solcher DNA unter
Verwendung bekannter Verfahren transformiert werden, und Pflanzenzellen
oder Protoplasten, die mit der DNA der Erfindung transformiert sind,
können
gemäß einer
Vielzahl bekannter Verfahren regeneriert werden (Agrobakterium Ti-
und Ri-Plasmide, Elektroporation, Mikroinjektion, Mikroprojektilkanone
etc.). Die transformierte Zelle kann in geeigneten Fällen zu
ganzen Pflanzen regeneriert werden, in denen das Kernmaterial stabil
im Genom eingefügt
ist. Sowohl einkeimblättrige
als auch zweikeimblättrige
Pflanzen können
auf diese Weise erhalten werden. Beispiele für solche transformierten Pflanzen
schließen
ein: Früchte,
einschließlich
Tomaten, Mangos, Pfirsiche, Äpfel,
Birnen, Erdbeeren, Bananen und Melonen; Feldfrüchte wie Raps, Sonnenblume,
Tabak, Zuckerrübe,
kleinkörniges
Getreide wie Weizen, Gerste und Reis, Mais und Baumwolle und Gemüse wie Kartoffel,
Karotte, Salat, Kohl und Zwiebel. Die Erfindung schließt ferner
aus der Expression der DNA stammendes Protein und durch Expression
der rekombinanten DNA innerhalb von damit transformierten Pflanzen
erzeugtes antimikrobielles Protein ein.
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Die Erfindung schließt ferner
eine antimikrobielle Zusammensetzung ein, die eines oder mehrere
der erfindungsgemäßen Proteine
enthält;
ein Verfahren zur Bekämpfung
von Pilzen, welches ihr Inkontaktbringen mit solchen Proteinen umfaßt. Man
wird einsehen, daß das
antimikrobielle Protein wenig, falls überhaupt, antimikrobielle Wirkung
auf den Mikroorganismus ausübt,
der die Quelle des im vorherigen Satz bezeichneten organischen Materials
ist.
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Die Erfindung wird aus der folgenden
Beschreibung und den damit verbundenen Zeichnungen und Sequenzprotokollen
weiter ersichtlich werden. 1 zeigt
ein typisches Elutionsprofil der interzellulären Waschflüssigkeit aus einer CM-Sepharosesäule;
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2 zeigt
ein typisches Elutionsprofil aus einer Mono S FLPC-Säule der in 1 gezeigten 0,3 M NaCl-Fraktion;
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3 zeigt
ein typisches Elutionsprofil aus einer RP-HPLC-Säule der durch Peak 3 in 2 dargestellten Proteine;
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4 zeigt
die Antipilz-Aktivität
von 10 μg
des Proteins, das durch die Peaks 3.1 und 3.2 in 3 dargestellt ist (SEQ ID
Nrn. 1 bzw. 2);
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5 zeigt
ein Sephadex G75 Gelfiltrationschromatogramm der in 1 dargestellten 0,1 M-Fraktion;
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6 zeigt
ein typisches Elutionsprofil aus einer Mono S FLPC-Säule des Peaks (Ansammlung)
V, der in 5 dargestellt
ist;
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7 zeigt
die Antipilz-Aktivität
von 10 μg
des Proteins, das in den Peaks 1 und 2 (SEQ ID
Nr. 3) in 6 dargestellt
ist.
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8A zeigt
die kombinierte Antipilz-Aktivität
von 2 μg
jedes der Proteine, die durch SEQ ID Nrn. 2 und 3 dargestellt sind; 8B zeigt die kombinierte
antimikrobielle Aktivität
von 2 μg
jedes der Proteine, die durch SEQ ID Nrn. 2 und 5 dargestellt sind.
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9A und 9B zeigen die Morphologie
von Hyphen von C. beticola, gezüchtet
in Abwesenheit der antimikrobiellen Proteine der Erfindung. 9C und 9D zeigen die Hyphen, wenn der Pilz für 48 Stunden
in Gegenwart von 2 μg
der Proteine mit den in SEQ ID Nrn. 2 bzw. 3 gezeigten Sequenzen
gezüchtet
wird. Der Test wird in Mikrotiterplatten wie nachfolgend angegeben
durchgeführt;
Vergrößerung 9A, 76×; Figuren 9B–9D, 294×.
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SEQ ID Nr. 1 zeigt die Aminosäuresequenz
des durch Peak 3.1 in 3 dargestellten
Proteins; SEQ ID Nr. 2 zeigt die Aminosäuresequenz des durch Peak 3.2 in 3 dargestellten Proteins;
und SEQ ID Nr. 3 zeigt die Aminosäuresequenz des durch Peaks 1 und 2 in 6 dargestellten Proteins;
SEQ ID Nrn. 4–6
zeigen die Aminosäuresequenzen
drei bekannter Antipilz-Proteine; SEQ ID Nr. 7 zeigt die Nukleotidsequenz
der cDNA, die das in SEQ ID Nr. 3 dargestellte Protein codiert;
und SEQ ID Nr. 8 zeigt das Translationsprodukt des Transkripts,
das durch die in SEQ ID Nr. 7 dargestellte cDNA-Sequenz codiert
wird, wobei das Produkt N- und C-terminale Verlängerungen des in SEQ ID Nr.
3 dargestellten Proteins einschließt.
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Isolierung
von interzellulärer
Waschflüssigkeit
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IWF wird aus 500 bis 700 g Zuckerrübenblättern durch
deren Eintauchen in 20 mM HAc (pH 4,5) isoliert. Die so eingetauchten
Blätter
werden dann in einen Exsikkator gegeben und für 5 min bei 4 Torr (max) getränkt. Im
Anschluß an
Lufttrocknung der Blattoberfläche
wird die IWF durch Zentrifugieren bei 500 g für 15 min in 500 ml-Zentrifugenröhrchen aufgefangen.
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Kationenaustauscherchromatographie
Die so erhaltene IWF wird durch Kationenaustauscherchromatographie
an einer 10 ml CM-Sepharosesäule
(Pharmacia LKB), die in Ausgangspuffer (20 mM HAc (pH 4,5)) voräquilibriert
wurde, fraktioniert. Die Fraktionierung wird bei 4°C mit einer
Fließgeschwindigkeit
von 25 ml/h durchgeführt.
Fraktionen von 3 ml werden aufgefangen. Nicht an die Säule gebundene
Proteine werden durch umfassendes Spülen der Säule mit Ausgangspuffer entfernt.
Gebundene Proteine werden durch Aufbringen von weiterem Ausgangspuffer
auf die Säule eluiert,
was das schrittweise Erhöhen
der Salzkonzentrationen umfaßt:
nämlich
0,1 M NaCl, 0,3 M NaCl und 0,5 M NaCl. Die Extinktion bei 280 nm
des Eluats wird gemessen, und Fraktionen, die als proteinhaltig
beurteilt werden, werden auf ihre Antipilz-Aktivität gegen
C. beticola unter Verwendung des zuvor beschriebenen Mikrotiterplatten-Bioassays
getestet (PCT-Patentanmeldung Nr. PCT/DK92/00108, Veröffentlichungs-Nr.
WO 92/17591, jetzt umgeschrieben auf Sandoz LTD).
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Ein typisches Elutionsprofil ist
in 1 gezeigt. Die Eluate,
die aus der Aufbringung von Ausgangspuffer, der 0,3 M NaCl und 0,1
M NaCl umfaßt,
auf die Säule
resultieren, werden weiter wie nachfolgend beschrieben gereinigt.
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Reinigung von Antipilz-Proteinen
im 0,3 M NaCl-Eluat aus der CM-Sepharose-FPLC-Chromatographie
Die 0,3 M NaCl-Proteinfraktion wird durch Übernachtdialyse (MG-Grenze: 3 kDa) gegen
20 mM HAC (pH 4,5) bei 4°C
entsalzt. Betain wird in einer Konzentration von 5% (G/V) zur so
dialysierten Proteinfraktion hinzugegeben. 4 ml der resultierenden
Lösung
werden dann durch Kationenaustausch-"fast protein liquid chromatography" (FPLC) unter Verwendung
einer Mono S HR 5/5-Säule
(Pharmacia LKB), die in 20 mM HAc (pH 4,5), das 5% (G/V) Betain
enthält
(A-Puffer), äquilibriert
wurde, fraktioniert. Gebundene Proteine werden mit einem linearen
Salzgradienten von 0 zu 0,3 M NaCl in 30 ml des A-Puffers, gefolgt
von einer stufenweisen Elution mit 1,0 M NaCl im gleichen Puffer
eluiert. Die Fließgeschwindigkeit
beträgt
1 ml/min.
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2 zeigt,
daß die
0,3 M-NaCl-Fraktion eine Anzahl ausgeprägter Proteine enthält, deren
quantitativ am meisten bedeutende als Peaks 1 bis 5 bezeichnet
werden. Bei Trennung durch SDS-PAGE unter Verwendung des Phast System
(Pharmacia LKB) zeigen silbergefärbte
Phast-Geltrennungen oder High Density-Geltrennungen mit einem Gradienten
von 10 bis 15% (Pharmacia LKB), daß jeder der Peaks 1-5 2
bis 5 Proteinbanden enthält.
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Umkehrphasen-HPLC
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Der Protein-Peak 3 (dargestellt
in 2) aus der Mono S-Säule wird
weiter durch Umkehrphasen-(RP-)-HPLC an einer Vydac C4-Kieselerdesäure (The
Separations Group, CA, USA) gereinigt. Das Lösungsmittelsystem ist A: 0,1%
TFA in Wasser und B: 0,1% TFR in Acetonitril. Proteine werden mit
einem linearen Gradienten von 5 zu 45% des B-Puffers, aufgetragen
in 18 min nach der Probenauftragung, gefolgt von 60% B-Puffer in
2 min eluiert. Die Fließgeschwindigkeit
beträgt
0,7 ml/min. Protein wird durch Überwachung der Extinktion
des Eluats bei 214 und 280 nm nachgewiesen. Diskrete Protein-Peaks werden aufgefangen
und lyophilisiert. Die so lyophilisierten Proteine werden zweimal
mit Wasser gewaschen, erneut lyophilisiert und anschließend in
10 mM Tris-HCl (pH 8,0) vor der Analyse auf Reinheit und Antipilz-Aktivität gelöst.
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3 zeigt,
daß Peak 3 aus 2 in vier Peaks (bezeichnet
als 3.1–3.4 in 3) an der RP-Säule getrennt
wird. SDS-PAGE der Peaks 3.1-3.4 zeigt, daß jeder
aus reinen Proteinen mit einem Molekulargewicht von ca. 7 kDa (Peaks 3.1, 3.2 und 3.3)
und 2.5-3 kD (3.4) zusammengesetzt ist.
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Reinigung von Antipilz-Proteinen
im 0,1 M NaCl-Eluat aus der CM-Sepharose
5 ml des 0,1 M NaCl-Eluats aus 1 werden
durch Gelfiltration an einer 370 ml Sephadex G-75-Säule (Pharmacia
LKB), die in 50 mM MES (pH 6,0) äquilibriert
wurde, mit einer Fließgeschwindigkeit
von 20 ml/h fraktioniert. Fraktionen von 10 ml werden aufgefangen.
Solche Fraktionen werden anschließend in sechs größeren Fraktionen
gesammelt, I-VI, die jeweils ca. 50 ml enthalten (5).
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Kationenaustausch (Mono S) Sammlung
V (gezeigt in 5) aus
der Sephadex G-75-Säule
wird auf eine Mono S FPLC-Säule
geladen, die in Puffer A: 50 mM MES (pH 6,0), der 5% Betain (G/V)
enthält, äquilibriert
wurde. Nach Spülen
mit dem A-Puffer werden gebundene Proteine mit einer Fließgeschwindigkeit
von 1 ml/min mit einem Gradienten von 0 bis 0,5 M NaCl in 30 ml
des A-Puffers eluiert (6).
wenn das durch Peaks 1 und 2 dargestellte Protein
der SDS-Gelelektrophorese
in Gegenwart von DTT unterworfen wird, werden zwei ausgeprägte Banden
beobachtet. Die erste Bande hat ein Molekulargewicht zwischen 2,5
und 3 kDa, und die zweite Bande, die ein nicht-reduziertes Dimer
des Proteins der ersten Bande darstellt, hat ein Molekulargewicht
von ca. 5 kDa.
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Identifizierung von Antipilz-Proteinen
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Antipilz-Aktivität
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4 und 7-9 zeigen, daß die durch Peaks 3.1 und 3.2 (SEQ
ID Nrn. 1 bzw. 2) in 3 und
Peaks 1 und 2 (SEQ ID Nr. 3) in 6 dargestellten Proteine eine signifikante
Antipilz-Aktivität
u.a. gegen C. beticola haben. Die Hemmung des Pilzwachstums wird
in Mikrotiterplatten mit 96 Vertiefungen bei 620 nm im wesentlichen
wie in WO 92/17591 beschrieben gemessen. 9 zeigt, daß mit solchem Protein behandelte
C. beticola verkrüppelte
Hyphen besitzt, die im Vergleich zu denjenigen von Pilz, der in
Abwesenheit der antimikrobiellen Proteine gezüchtet wurde (9A, 9B),
verdickt und verzweigter sind (9C, 9D).
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Die Proteine, entweder allein oder
in Kombination mit WIN N (das aus Gerstenkorn oder gestreßtem Gerstenblatt
wie von Hejgaard et al. beschrieben gereinigt wird (FEBS Letters,
307, 389–392
(1992)), und/oder ein Protein mit einer Sequenz, die wenigstens
einem der in SEQ ID Nrn. 4–6
angegebenen entspricht, werden mit Sporen von C. beticola inkubiert.
Die Testmischung (240 μl)
enthält
100 μl Kartoffeldextrosebouillon
(Difco), 40 μl
Proteinprobe (oder Pufferkontrolle) in 100 mM Tris und 20 mM NaCl
(pH 8,0) sowie ca. 400 Sporen in 100 μl Wasser. Die Mikrotiterplatten
werden mit Folie versiegelt, um Verdampfung und Verunreinigung zu
verhindern, und anschließend
bei Raumtemperatur auf einem mit 200 U/min betriebenen Schüttler inkubiert.
Die Extinktion bei 620 nm wird jeden Tag für 8 Tage gemessen und für jede Proteinkonzentration
gegen die Zeit aufgetragen.
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Aminosäuresequenzierung
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Die den Peaks 3.1 und 3.2 in 3 entsprechenden gereinigten
Antipilz-Proteine (SEQ ID Nrn. 1 bzw. 2), die aus dem 0,3 M NaCl-Eluat
aus der CM-Sepharose-Säule
stammen (1); und Protein,
das Peaks 1 und 2 in 6 entspricht (SEQ ID Nr. 3), das aus
dem 0,1 M NaCl-Eluat aus der CM-Separose-Säule stammt, werden
carboxymethyliert und der RP-HPLC an einer Vydac C4-Säule unterworfen.
Das Lösungsmittelsystem ist
A: 0,1% TFA in Wasser und B: 0,1% TFA in Acetonitril. Die Proteine
eluieren als einzelne Peaks mit geringfügig unterschiedlichen Retentionszeiten.
Die C-terminalen Sequenzen der Proteine werden durch deren Spaltung
mit endo-R-Proteinase und anschließende Reinigung durch RP-HPLC
an einer Vydac C18-Säule erhalten.
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Herstellung
von transformierten Pflanzen
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Die Gene, die erfindungsgemäße Proteine
codieren, werden in Pflanzen eingefügt. Auf Basis von genspezifischen
Primern werden die codierenden Regionen der Gene, die die Proteine
codieren, aus entsprechender mRNA unter Verwendung von PCR synthetisiert.
Nach Addition von Promotor- und Terminatorsequenzen werden die Gene,
die die Proteine codieren, in einen Pflanzentransformationsvektor
eingeführt.
Der Vektor kann gegebenenfalls ein Gen, das ein WIN-Protein codiert,
wie dasjenige, das aus gestreßtem
Gerstenblatt oder Gerstenkorn erhalten wird, und/oder ein Gen, das
ein in SEQ ID Nr. 4, SEQ ID Nr. 5 und/oder SEQ ID Nr. 6 dargestelltes
Protein codiert, und/oder ein Gen einschließen, das eine Chitinase und/oder
eine Glucanase codiert. Die bevorzugte Chitinase ist die in der
PCT-Patentanmeldung
Nr. PCT/DK92/00108 (Veröffentlichungs-Nr.
WO 92/17591) beschriebene Chitinase 4. Agrobacterium tumefaciens
kann z.B. mit diesen Vektoren transformiert werden. Pflanzenzellen
werden dann mit solchem transformierten Agrobacterium behandelt,
und die so transformierten Pflanzenzellen werden zu ganzen Pflanzen
regeneriert, in denen das neue Kernmaterial stabil im Genom eingebaut
ist. Man wird jedoch einsehen, daß die DNA, die ein erfindungsgemäßes Protein
codiert (oder eine Kombination solcher Proteine), und die gegebenenfalls
weiterhin andere Proteine codiert, in Pflanzenzellen durch andere
bekannte Verfahren eingefügt
werden kann, einschließlich
der Verwendung einer Mikroprojektilkanone, Elektroporation, Elektrotransformation
und Mikroinjektion etc., und daß die
Regeneration von transformierten Pflanzenzellen gemäß dem Fachmann
bekannten Verfahren durchgeführt
wird, einschließlich
der Behandlung der Zellen mit Cytokinen, wo dies erforderlich oder
wünschenswert ist,
um die Regenerationshäufigkeit
zu verbessern.
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Außerdem können geeignete Mikroorganismen
(d.h. diejenigen, in denen die Produktion der erfindungsgemäßen Proteine
im wesentlichen nicht toxisch ist) mit einem Vektor transformiert
werden, der das Gen (oder die Gene), das das Protein codiert, transformiert
werden, so daß die
transformierten Mikroorganismen solches Protein erzeugen. Die Mikroorganismen
können
ferner die Gene umfassen, die andere Proteine codieren, wie ein
WIN-Protein und/oder ein Protein, dessen Sequenz in einer oder mehreren
der SEQ IDs Nrn. 4–6
dargestellt wird. Außerdem
können
solche anderen Proteine ferner verschiedene Chitinasen und/oder
Glucanasen umfassen. Ein solches besonders bevorzugtes anderes Protein
ist die wie in PCT-Patentanmeldung Nr. PCT/DK92/00108 (Veröffentlichungs-Nr.
WO 92/17591) beschriebene Chitinase 4.
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Diese Mikroorganismen können dann
zur Bekämpfung
von Pflanzenpathogenen verwendet werden. Z.B. können die transformierten Mikroorganismen
getrocknet und auf infizierte Pflanzen oder einem Infektionsrisiko
ausgesetzten Pflanzen aufgesprüht
werden. SEQUENZPROTOKOLL