EP1402057A2 - Method for detecting mutagenic substances - Google Patents

Method for detecting mutagenic substances

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EP1402057A2
EP1402057A2 EP02735423A EP02735423A EP1402057A2 EP 1402057 A2 EP1402057 A2 EP 1402057A2 EP 02735423 A EP02735423 A EP 02735423A EP 02735423 A EP02735423 A EP 02735423A EP 1402057 A2 EP1402057 A2 EP 1402057A2
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EP
European Patent Office
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test
reporter system
detection
gene
test strain
Prior art date
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Withdrawn
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EP02735423A
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German (de)
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Georg Reifferscheid
Claudia Schmid
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Merck Patent GmbH
Original Assignee
Merck Patent GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
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    • C12Q2600/00Oligonucleotides characterized by their use
    • C12Q2600/142Toxicological screening, e.g. expression profiles which identify toxicity

Definitions

  • the invention relates to a method and means for the rapid detection of mutagenic substances.
  • VITOTOX ® assay van der Lelie D, Regnier, L, Borremans, B., Provoost, A., Verschaeve, L, Mutation Res. 389 (1997) 279-90).
  • the present invention also relates to a test kit for carrying out mutation tests, which contains at least one test strain according to the invention.
  • the selection marker and reporter system are identical, a direct detection of the mutation is possible.
  • One example is the ß-lactamase, which mediates ampicillin resistance.
  • the activity of the ampicillin gene restored by reverse mutation can be directly, for example, by using the substrate nitrocefin (O'Callaghan, CH, Morris, A., Kirkby, SK and Shingler, AH, Antimicrob. Agents Chemother. 1 (1972) 282-288 ; Sutton, LD, Biedenbach, DJ., Yen, A. and Jones, RN, Diagn. Microbiol. Infect. Dis. 21 (1995) 1-8).
  • the cells are then pre-incubated for a certain period of time. Depending on the mode of action, the selection agent is added immediately or at a certain time during the preincubation. Pre-incubation is particularly necessary so that the cells can come into contact with the substances to be tested for a sufficiently long period of time so that damage that has been set can manifest itself as a mutation during replication.
  • the pre-incubation is typically 0.5 to 2 hours.
  • the test strains used in the implementation example carry a plasmid with a pBR322 [Sutcliffe, JG; Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 43, 1997, 77-90] derived replication origin (pMB1). Additional cloning of the par ('partition') region from pSC101 [Meacock, PA and Cohen, SN, Cell 20, 1980, 529-542] ensured the stable inheritance of the plasmid on the daughter cells.
  • the plasmid pBR328 (National Institute of Genetics, Yata, Japan) served as the donor plasmid for the second resistance gene (in the example given, the cam resistance gene).
  • the muc> 4 ⁇ operon was taken from plasmid pGW1700 [Perry, KL and Walker, GG, Nature 300, 1982, 278-281].
  • Galactosidase reporter gene the lacZY gene sequence had to be cloned in the correct reading frame behind the promoter / operator region (tet p / 0 ) of the teM gene into the plasmid pASK75 [Skerra, Gene 151, 131-135, 1994].
  • the base substitution or raster shear mutation was introduced into the ß-lactamase gene.
  • base substitution a transition from adenine to guanine was carried out in the active center 67 amino acids after the start ATG.
  • amino acid glycine was introduced instead of the amino acid serine (5'-AGC-3 '- 5'-GGC-3') and, as a result, the ⁇ -lactamase was reversibly inactivated.
  • base substitution a transition from adenine to guanine was carried out in the active center 67 amino acids after the start ATG.
  • amino acid glycine was introduced instead of the amino acid serine (5'-AGC-3 '- 5'-GGC-3') and, as a result, the ⁇ -lactamase was reversibly inactivated.
  • base substitution a transition from adenine to guanine was carried out in the active center 67 amino acids after the start ATG.
  • amino acid glycine was introduced instead of the
  • the plasmid was isolated into the Escherichia coli EE122 strain [ ⁇ (lac proB) ⁇ (uvrB gal bio) ara thi rfa] [Eisenstadt, E., Warren, AJ, Porter, J., Atkins, D. and Miller, JH, Proc , Natl. Acad. Be. USA 79, 1982, 1945-1949].
  • test batches are diluted 1:10 with LB medium (+ 50 ⁇ g / ml ampicillin) and for 6 (short-term test at 37 ° C) to 16 hours (long-term test at 28 - 30 ° C) in 24Well, 96Well or 384Well Incubated plates.
  • the evaluation is carried out either by counting the 'positive' wells or by measurement with a photometer (nitrocefin: E492 nm).

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Abstract

The invention relates to a method and means for the rapid identification of mutations. The test strains used in the invention contain a reporter system and a selection marker. An antibiotic resistance protein, which after mutation allows the selective growth of the revertant and the targeted induction of the inducible reporter system of the developing revertants acts as the selection marker. Proteins that are capable of directly or indirectly triggering a measuring signal are used as the reporters. The mutations are identified by means of the reporter signal of the developing revertants, in such a way that the evaluation can take place after only a few hours.

Description

Verfahren zur Detektion von mutagenen Substanzen Method for the detection of mutagenic substances
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Mittel zum schnellen Nachweis von mutagenen Substanzen.The invention relates to a method and means for the rapid detection of mutagenic substances.
Bakterielle Mutagenitäts- bzw. Gentoxizitätstests spielen heute eine entscheidende Rolle als Screeningverfahren in der Produktentwicklung der Chemischen- und Pharmazeutischen Industrie und in der routinemäßigen Untersuchung von Umweltproben (industrielle Abwässer,Bacterial mutagenicity and genotoxicity tests play a crucial role today as a screening process in product development in the chemical and pharmaceutical industries and in the routine analysis of environmental samples (industrial waste water,
"10 Oberflächengewässer, Raumluftkondensate, Sedimente, Schwebstoffe,"10 surface waters, room air condensates, sediments, suspended matter,
Bodenproben etc.). Der am häufigsten angewandte Mutationsassay ist der Arnes (Salmonella/Mikrosomen)-Mutagenitätstest, welcher auch Bestandteil von Zulassungsverfahren bzw. Toxikologieprüfungen ist (Arnes, B.N., Lee, F.D. and Durston, W.E.; Proc. Natl. Acad. Sei. USA 70Soil samples etc.). The most commonly used mutation assay is the Arnes (Salmonella / microsome) mutagenicity test, which is also part of approval procedures or toxicology tests (Arnes, B.N., Lee, F.D. and Durston, W.E .; Proc. Natl. Acad. Sei. USA 70
-j 5 (1973) S. 782-786; OECD guidelines for the testing of chemicals). Weitere bekannte Gentoxizitätstests sind beispielsweise der umu-Test, dessen Mikroplattenversion in die Standardisierung nach DIN (DIN 38415-3) und ISO Eingang gefunden hat (Reifferscheid, G., Heil, J., Oda, Y. und Zahn, R.K., Mutation Res. 253 (1991 ) S. 215-222), der SOS-Chromotest- j 5 (1973) pp. 782-786; OECD guidelines for the testing of chemicals). Other known genotoxicity tests are, for example, the umu test, the microplate version of which has found its way into standardization according to DIN (DIN 38415-3) and ISO (Reifferscheid, G., Heil, J., Oda, Y. and Zahn, RK, Mutation Res 253 (1991) pp. 215-222), the SOS chromotest
20 (Quillardet, P., Hofnüng, M., Mutation Res. 147 (1985) 65-78) und der20 (Quillardet, P., Hofnüng, M., Mutation Res. 147 (1985) 65-78) and der
Vitotox®-Assay (van-der-Lelie-D, Regniers, L, Borremans, B., Provoost, A., Verschaeve, L, Mutation Res. 389 (1997) 279-90).VITOTOX ® assay (van der Lelie D, Regnier, L, Borremans, B., Provoost, A., Verschaeve, L, Mutation Res. 389 (1997) 279-90).
Umu-Tesi, SOS-Chromotest und Vitotox®-Assay weisen durch Gentoxine verursachte Veränderungen an der molekularen Struktur der DNA des Testorganismus Salmonella typhimurium bzw. Escherichia co// nach. Die Tests basieren auf der Messung der gentoxizitätsbedingten Induktion von Genen des bakteriellen SOS-Regulons. Diese Gene sind z.B. an einem fehleranfälligen DNA-Reparatursystem (SOS-Reparatur; umuDC-Gene im umu-Test), an der Inhibition der Zellteilung im SOS-Chromotest) und an Reparatur und Rekombination (recN im Vitotox®-Assay) beteiligt. Der Nachweis wird durch photometrische, luminometrische oder fluorometrische Messung geführt. Die Detektionsmethode richtet sich nach der Art des (oft plasmidlokalisierten) Reportersystems (z. B. Galaktosidase, Luciferase), welches mit dem jeweiligen SOS-Gen gekoppelt ist.Umu-Tesi, SOS-Chromotest and Vitotox ® -Assay detect changes in the molecular structure of the DNA of the test organism Salmonella typhimurium or Escherichia co // caused by genotoxins. The tests are based on the measurement of the genotoxicity-induced induction of genes of the bacterial SOS regulon. These genes are, for example, in an error-prone DNA repair system (SOS repair; umuDC genes in the umu test), in the inhibition of cell division involved in the SOS chromotest) and in repair and recombination (recN in the Vitotox ® assay). Evidence is provided by photometric, luminometric or fluorometric measurement performed. The detection method depends on the type of (often plasmid-localized) reporter system (e.g. galactosidase, luciferase) which is linked to the respective SOS gene.
Der umu-Test wird in mit Umweltanalytik befaßten Landesbehörden und inThe umu test is carried out in state authorities concerned with environmental analysis and in
Unternehmen der Chemisch-Pharmazeutischen Industrie für das Umweltmonitoring und in der Substanztestung eingesetzt. Als Indikatortests für Gentoxizität erfassen umu-Test, SOS-Chromotest und Vitotox®-Assay zwar ein breites Spektrum primärer DNA-Schäden, sie erbringen allerdings keinen direkten Nachweis für Mutationen. ImCompanies in the chemical-pharmaceutical industry used for environmental monitoring and substance testing. As indicator tests for genotoxicity, umu-Test, SOS-Chromotest and Vitotox ® -Assay record a broad spectrum of primary DNA damage, but they do not provide any direct evidence for mutations. in the
Gegensatz zu Mutationen können primäre DNA-Schäden noch korrekt repariert werden und sind danach ohne Bedeutung für den betroffenen Organismus.In contrast to mutations, primary DNA damage can still be repaired correctly and is then of no importance for the affected organism.
Ein weiterer gelegentlich angewandter Gentoxizitätstest ist der Mutatox® Another occasionally used genotoxicity test is the Mutatox ®
Test (Bulich-A, Schriftenr. Ver. Wasser. Boden. Lufthyg. 89 (1992) 763- 70). Dieses Testverfahren weist Gentoxizität in Dunkelmutanten des lumineszenten Salzwasserbakteriums Vibrio fisheri nach. Der genaue Mechanismus der Wiedererlangung der Lumineszenz nach Behandlung mit Gentoxinen ist nicht geklärt. Es wird angenommen, dass dieTest (Bulich-A, publication number Ver. Wasser. Boden. Lufthyg. 89 (1992) 763-70). This test method detects genotoxicity in dark mutants of the luminescent salt water bacterium Vibrio fisheri. The exact mechanism of regaining luminescence after treatment with genotoxins has not been elucidated. It is believed that the
Reversion der Lumineszenz durch verschiedene Mutationen vor allem aber durch Geninduktion (ähnlich den SOS-Tests umu-Test, SOS- Chromotest und Vitotox®-Assay) oder auch DNA-Interkalation zustande kommen kann (Bulich und Ulitzur: The mode of action of genotoxic agents in the Mutatox®-Test-System, Microbics Corp., nicht publiziertesReversion of the luminescence by various mutations, but above all by gene induction (similar to the SOS tests umu test, SOS chromotest and Vitotox ® assay) or DNA intercalation (Bulich and Ulitzur: The mode of action of genotoxic agents in the Mutatox ® test system, Microbics Corp., unpublished
Rundschreiben; Arfsten, D.P., Davenport, R., Schaeffer, DJ. ,Biomed. Environ. Sei. 7 (1994) 144-9). Da der Test nur gelegentlich Anwendung findet, liegt noch keine Aussage über die Korrelation zu Mutagenitätstests wie dem Arnes-Test vor. Entgegen der durch die Bezeichnung 'Mutatox®' implizierten Annahme des Nachweises von Mutationen, handelt es sich bei diesem Testverfahren wie bei allen anderen SOS-Tests um einen Indikatortest. Im Ames-Test werden Stämme von Salmonella typhimurium verwendet, die durch Mutationen im Histidin-Operon (His-Operon) die Fähigkeit verloren haben, auf histidinfreiem Nährboden (Agarplatten mit Minimalnährmedium) zu wachsen. Als Maß für die Mutagenität der untersuchten Probe dient die Zahl der prototrophen His-Revertanten, die unter Einfluß von gentoxischen Substanzen durch Mutationen im His- Operon gebildet werden. Der konventionelle Ames-Test wird mit mehreren Stämmen unterschiedlicher mutagener Spezifität (z.B. TA98, TA100, TA1535, TA97) als Platteninkorporationsassay [Maron, D.M. und Arnes, B.N.; Mutation Res. 113 (3-4), 1983, 173-215] durchgeführt. Dabei wird die zu testende Probe zusammen mit Weichagar, einem Puffer bzw. S9- Mix zur metabolischen Aktivierung nicht direkt mutagener Substanzen und den Testbakterien auf den Agar gegeben. Da die Testsubstanzen während der Inkubationszeit (48 Stunden) in Abhängigkeit ihrer Löslichkeit mehr oder weniger schnell in den Agar diffundieren, ist eine genaue, auf die Bakterien einwirkende Konzentration der zu testenden Probe nicht bestimmbar. Diese Applikationsart wird daher als Dosis bezeichnet (z.B. 100 μg/Platte).Newsletters; Arfsten, DP, Davenport, R., Schaeffer, DJ. Biomed. Environ. Be. 7 (1994) 144-9). Since the test is only used occasionally, there is still no information about the correlation to mutagenicity tests such as the Arnes test. Contrary to the assumption of the detection of mutations implied by the name 'Mutatox ® ', this test procedure is like all other SOS tests an indicator test. Strains of Salmonella typhimurium are used in the Ames test, which have lost the ability to grow on histidine-free culture media (agar plates with minimal nutrient medium) due to mutations in the histidine operon (His operon). The number of prototrophic His revertants which are formed under the influence of genotoxic substances by mutations in the His operon serves as a measure of the mutagenicity of the examined sample. The conventional Ames test is carried out with several strains of different mutagenic specificity (eg TA98, TA100, TA1535, TA97) as a plate incorporation assay [Maron, DM and Arnes, BN; Mutation Res. 113 (3-4), 1983, 173-215]. The sample to be tested is placed on the agar together with soft agar, a buffer or S9 mix for the metabolic activation of non-mutagenic substances and the test bacteria. Since the test substances diffuse more or less quickly into the agar during the incubation period (48 hours) depending on their solubility, an exact concentration of the sample to be tested, which affects the bacteria, cannot be determined. This type of application is therefore called a dose (eg 100 μg / plate).
Der auf Flüssigkultur umgestellte und als Fluktuationsassay in 384-well Mikrotiterplatten durchgeführte Amesll™-Test [Gee, P., Maron, D.M. und Arnes, B.N.; Proc.Natl.Acad.Sci.USA 91 , 1994, 11606-11610] stellt eine Weiterentwicklung des konventionellen Arnes-Tests dar, die nun konzentrations-bezogene Untersuchungen ermöglicht. Das Wachstum der His-Revertanten bewirkt eine Ansäuerung und wird durch den Farbumschlag eines pH-abhängigen Indikators im Selektionsmedium angezeigt. Gezählt werden dabei alle bezüglich des Farbumschlags positiven Wells ohne Berücksichtigung der Farbintensität. Neben dem Rasterschub utationsstamm TA98 können sechs Stämme (TA7001-The Amesll ™ test converted to liquid culture and carried out as a fluctuation assay in 384-well microtiter plates [Gee, P., Maron, D.M. and Arnes, B.N .; Proc.Natl.Acad.Sci.USA 91, 1994, 11606-11610] represents a further development of the conventional Arnes test, which now enables concentration-related studies. The growth of His revertants causes acidification and is indicated by the color change of a pH-dependent indicator in the selection medium. All wells that are positive with regard to the color change are counted without taking the color intensity into account. In addition to the grid thrust strain TA98, six strains (TA7001-
7006), spezifisch für die sechs möglichen Basensubstitutionstypen, zum Einsatz kommen. In beiden Testformaten bietet der Ames-Test nur wenig Möglichkeiten der Automatisierung für den routinemäßigen Betrieb. Voraussetzung für eine Teilautomatisierung des Amesll™-Tests ist eine spezielle Laborausstattung für das Beimpfen und die Auswertung der 384-well Mikrotiterplatten.7006), specifically for the six possible base substitution types. In both test formats, the Ames test offers only a few automation options for routine operation. A prerequisite for partial automation of the Amesll ™ test is special laboratory equipment for inoculating and evaluating the 384-well microtiter plates.
Sowohl das Auswachsen der Revertanten zu zählbaren Kolonien (konventioneller Ames-Test) wie auch die stoffwechselbedingte pH- Absenkung (Amesll™) setzt eine 48stündige Inkubationsphase voraus, welche für die lange Testdauer verantwortlich ist. Die Selektion derBoth the growth of the revertants into countable colonies (conventional Ames test) and the metabolic pH reduction (Amesll ™) require a 48-hour incubation phase, which is responsible for the long test duration. The selection of the
Revertanten über einen Nährstoffmangel birgt außerdem die Gefahr von falsch positiven Ergebnissen bei der Untersuchung von Umweltgemischen, die mit Nährstoffen verunreinigt sein können. Die lange Inkubationsdauer und die Art der Selektion erfordern weiterhin ein hohes Maß an Sterilität während der Testdurchführung, um einRevertants about nutrient deficiencies also run the risk of false positives when studying environmental mixtures that may be contaminated with nutrients. The long incubation period and the type of selection still require a high degree of sterility during the test in order to
Anwachsen nicht testspezifischer Bakterien oder Pilze zu vermeiden.Avoid growth of non-test-specific bacteria or fungi.
Durch den hohen Zeit-, Arbeits- und Materialaufwand ist der Einsatz des Ames-Tests somit als Screening Methode bei großem Probendurchlauf limitiert. Die Position des Zielgens innerhalb des Chromosoms erschwert zudem eine gezielte Untersuchung der erfolgten Mutation. Das Zielgen für die Mutation ist Teil eines großen Operons bestehend aus mehreren Genen, so dass das eigentliche Reversionsereignis durch Mutationen in den anderen Genen überlagert sein kann.Due to the high expenditure of time, labor and materials, the use of the Ames test as a screening method with a large sample run is limited. The position of the target gene within the chromosome also makes it difficult to specifically examine the mutation. The target gene for the mutation is part of a large operon consisting of several genes, so that the actual reversion event can be overlaid by mutations in the other genes.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen Mutationstest zu entwickeln, der die positiven Eigenschaften der schnellen Indikatortests und des empfindlichen Ames-Tests vereint. Er soll sich entsprechend der bekannten Indikatortests durch eine schnelle und automatisierbare Durchführung auszeichnen und so für das High-Throughput-Screening (HTP-Screening) geeignet sein. Es wurde gefunden, dass mit Hilfe speziell modifizierter Teststämme aus der Gruppe der Enterobacteriaceaen ein schneller und empfindlicher Mutationstest durchgeführt werden kann. Die Stämme tragen ein Reportersystem und einen durch gezielte Mutagenese ausgeschalteten Selektionsmarker. Als Selektionsmarker dient bevorzugt ein Antibiotikum-The object of the present invention was to develop a mutation test which combines the positive properties of the rapid indicator tests and the sensitive Ames test. According to the known indicator tests, it should be characterized by a quick and automatable implementation and should therefore be suitable for high-throughput screening (HTP screening). It was found that a specially modified test strain from the Enterobacteriaceaen group can be used to carry out a rapid and sensitive mutation test. The strains carry a reporter system and a selection marker switched off by targeted mutagenesis. An antibiotic is preferably used as the selection marker.
Resistenzgen, welches nach Rückmutation das selektive Wachstum der Revertanten ermöglicht. Als Reporter werden Proteine verwendet, die bevorzugt proportional zur Zellzahl gebildet werden. Nur mutierte, wachsende Zellen können den stringent kontrollierten Reporter nach Induktion exprimieren. Die Messung erfolgt direkt oder indirekt über eine Farbreaktion, ein Lumineszenzsignal, ein Fluoreszenzsignal oder ein elektrochemisches Signal. Durch diese spezielle Kombination können unterschiedliche Mutationen in dem Selektionsmarker indirekt über das nur von wachsenden Zellen gebildete Reportersystem nachgewiesen werden. Es ist auch ein direkter Nachweis der durch Rückmutation wiedererlangten Funktionsfähigkeit des Zielgens möglich, wenn ein Selektionsmarker mit den Eigenschaften eines Reportersystems verwendet wird. Der eigentliche Mutagenitäts-Nachweis erfolgt nicht über das Zellwachstum wie im Stand der Technik, sondern über die Expression eines Reportersystems, so dass die Auswertung bereits nach wenigen Stunden erfolgen kann.Resistance gene that enables selective revertant growth after reverse mutation. Proteins are used as reporters, which are preferably formed in proportion to the number of cells. Only mutant, growing cells can express the stringently controlled reporter after induction. The measurement is carried out directly or indirectly via a color reaction, a luminescence signal, a fluorescence signal or an electrochemical signal. With this special combination, different mutations in the selection marker can be detected indirectly via the reporter system formed only by growing cells. It is also possible to directly demonstrate the functionality of the target gene which has been regained through mutation if a selection marker with the properties of a reporter system is used. The actual mutagenicity detection is not carried out via cell growth as in the prior art, but via the expression of a reporter system, so that the evaluation can take place after only a few hours.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher isolierte prokaryontische Teststämme zum Einsatz in einem Mutagenitätstest, die folgende Merkmale aufweisen: a) einen revertierbar mutierten Selektionsmarker in Form eines Resistenzgens gegen bakteriotoxische oder bakteriostatische Stoffe oder Einflüsse, b) ein Reportersystem, das direkt oder indirekt zu einem meßbaren Signal führt und so selektiv in revertierten Bakterien nachgewiesen werden kann. In einer Ausführungsform kann der Selektionsmarker zugleich auch als Reportersystem dienen. Beispielsweise können dabei Selektionsmarker und Reportersystem identisch sein.The present invention therefore relates to isolated prokaryotic test strains for use in a mutagenicity test, which have the following features: a) a reversibly mutated selection marker in the form of a resistance gene against bacteriotoxic or bacteriostatic substances or influences, b) a reporter system which leads directly or indirectly to a measurable Leads signal and can be detected selectively in reverted bacteria. In one embodiment, the selection marker can also serve as a reporter system. For example, the selection marker and reporter system can be identical.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei demIn a preferred embodiment, the
Selektionsmarker um ein Antibiotikum-Resistenzgen gegen ein bakteriolytisch wirkendes oder die Proteinbiosynthese hemmendes Antibiotikum.Selection marker for an antibiotic resistance gene against an antibiotic that has a bacteriolytic effect or inhibits protein biosynthesis.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Selektionsmarker um ein Tetrazyklin-Resistenzgen, ein Ampicillin-Resistenzgen, ein Kanamycin- Resistenzgen, ein Chloramphenicol-Resistenzgen oder ein Streptomycin- Resistenzgen.The selection marker is particularly preferably a tetracycline resistance gene, an ampicillin resistance gene, a kanamycin resistance gene, a chloramphenicol resistance gene or a streptomycin resistance gene.
in einer bevorzugten Ausführungsform führt das Reportersystem bei seiner Expression direkt oder indirekt zu einer Farbreaktion, einem Lumineszenz- oder Fluoreszenzsignal.in a preferred embodiment, the reporter system, when expressed, leads directly or indirectly to a color reaction, a luminescence or fluorescence signal.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden als Reportersysteme das ß-Galactosidase-, Luciferase- oder ß-Lactamase-Gen bzw. -Operon verwendet.In a preferred embodiment, the β-galactosidase, luciferase or β-lactamase gene or operon are used as reporter systems.
Bevorzugt sind auch Teststämme, die zusätzlich über eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften verfügen: . eine für große lipophile Moleküle durchlässige Zellwand,Also preferred are test strains which additionally have one or more of the following properties:. a cell wall permeable to large lipophilic molecules,
- eine defekte Exzisionreparatur,- a defective excision repair,
- eine funktionsfähige Regulationseinheit des SOS-Systems- A functional regulation unit of the SOS system
- die Mutatorgene umuDC und/oder mucAB- the mutator genes umuDC and / or mucAB
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zum Nachweis von mutagenen Agentien im Wesentlichen gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Bereitstellen mindestens eines erfindungsgemäßen Teststammes; b) Inkubation der Teststämme aus Schritt a) mit dem potentiellen Mutagen; c) Selektion der zum Wachstum befähigten Revertanten; d) gegebenenfalls Induktion des Reportersystems (entfällt, wenn dasThe present invention also relates to a method for the detection of mutagenic agents, essentially characterized by the following method steps: a) providing at least one test strain according to the invention; b) incubation of the test strains from step a) with the potential mutagen; c) selection of revertants capable of growth; d) optionally induction of the reporter system (not applicable if the
Reportersystem gleichzeitig Selektionsmarker ist oder falls nur ein Nachweis über Wachstumskontrolle durchgeführt werden soll); e) direkter oder indirekter Nachweis des Genprodukts desReporter system is at the same time a selection marker or if only a proof of growth control is to be carried out); e) direct or indirect detection of the gene product of the
Reportersystems und/oder Nachweis des Wachstums der revertierten Stämme.Reporter system and / or proof of the growth of the reverted strains.
In Schritt a) bedeutet das Bereitstellen mindestens eines Teststamms, dass ein oder mehrere Teststämme oder ein Gemisch mindestens zweier Teststämme bereitgestellt werden.In step a), the provision of at least one test strain means that one or more test strains or a mixture of at least two test strains are provided.
In einer Ausführungsform dient in Schritt e) der Selektionsmarker als Reportersystem, so dass der Nachweis des Genprodukts des Selektionsmarkers als Nachweis des Genproduktes des Reportersystem erfolgt.In one embodiment, the selection marker serves as reporter system in step e), so that the detection of the gene product of the selection marker is carried out as detection of the gene product of the reporter system.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Nachweis des Wachstums in Schritt e) mittels eines pH-Indikators im Medium.In a preferred embodiment, the growth is detected in step e) by means of a pH indicator in the medium.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Testkit zur Durchführung von Mutationstests, der mindestens einen erfindungsgemäßen Teststamm enthält.The present invention also relates to a test kit for carrying out mutation tests, which contains at least one test strain according to the invention.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung mindestens eines erfindungsgemäßen Teststamms für das HTP- Screening. Abbildung 1 zeigt die Genkarte des Plasmids eines Teststammes, der für den erfindungsgemäßen Mutationstest eingesetzt werden kann.The present invention also relates to the use of at least one test strain according to the invention for HTP screening. Figure 1 shows the gene map of the plasmid of a test strain that can be used for the mutation test according to the invention.
Teststämme, die für den erfindungsgemäßen Mutationstest eingesetzt werden können, enthalten einen bevorzugterweise Plasmid-IokalisiertenTest strains which can be used for the mutation test according to the invention preferably contain a localized plasmid
Selektionsmarker, dessen Funktionsfähigkeit durch gezielte Mutagenese reversibel ausgeschaltet wurde, sowie ein induzierbares Reportersystem, falls der Selektionsmarker nicht gleichzeitig Reportersystem ist.Selection marker, the functionality of which has been reversibly switched off by targeted mutagenesis, and an inducible reporter system if the selection marker is not also a reporter system.
Als Teststämme werden Bakterien verwendet. Bevorzugt werden prokaryontische Teststämme der Gruppe der Enterobacteriaceae, besonders bevorzugt Escherichia coli oder Salmonella typhimurium mit einer im Genotyp festgelegten Kombination spezifischer Eigenschaften eingesetzt. Als Ausgangsorganismus werden bevorzugt die Stämme Salmonella typhimurium TA1535 (rfa, AuvrB) (McCann, J., Choi, E.,Bacteria are used as test strains. Prokaryotic test strains from the group of Enterobacteriaceae are preferably used, particularly preferably Escherichia coli or Salmonella typhimurium with a combination of specific properties defined in the genotype. The strains Salmonella typhimurium TA1535 (rfa, AuvrB) (McCann, J., Choi, E.,
Yamasaki, E. and Arnes, B.E.; Proc. Natl. Acad. Sei. USA 72 (1975), S. 5135-5139) oder Escherichia coli EE122 (/fa-ähnliche Mutation, AuvrB) (Eisenstadt, E., Warren, A.J., Potter, J., Atkins, D. und Miller, H .; Proc. Natl. Acad. Sei. USA 79, 1982, 1945-1949) verwendet. Der Stamm EE122 zeichnet sich z.B. durch Robustheit und ein aktives chromosomales u uDC-Operon aus.Yamasaki, E. and Arnes, B.E .; Proc. Natl. Acad. Be. USA 72 (1975), pp. 5135-5139) or Escherichia coli EE122 (/ fa-like mutation, AuvrB) (Eisenstadt, E., Warren, AJ, Potter, J., Atkins, D. and Miller, H .; Proc. Natl. Acad. Sci. USA 79, 1982, 1945-1949). The strain EE122 is e.g. due to robustness and an active chromosomal u uDC operon.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Stämmen bekannt, die einen Selektionsmarker und ein induzierbares Reportersystem tragen. Im Gegensatz zu diesen Organismen ist der Selektionsmarker der erfindungsgemäßen Teststämme jedoch unter Funktionsverlust revertierbar mutiert. Erst durch die Einführung eines derart mutiertenA large number of strains are known from the prior art which carry a selection marker and an inducible reporter system. In contrast to these organisms, however, the selection marker of the test strains according to the invention has been mutated reversibly with loss of function. Only through the introduction of such a mutated one
Selektionsmarkers kann ein Teststamm für das erfindungsgemäßeSelection markers can be a test strain for the invention
Verfahren eingesetzt werden. Nach Behandlung des Teststamms mit mutagenen Agentien wird die Wiederaufnahme des Wachstums in dem Selektionsmedium als Folge eines Reversionsereignisses in dem Zielgen, welches für den Selektionsmarker codiert, durch das Reportersystem vorzugsweise quantitativ bestimmt.Procedures are used. After treatment of the test strain with mutagenic agents, the reuptake of growth in the selection medium as a result of a reversion event in the target gene which codes for the selection marker is preferably determined quantitatively by the reporter system.
Das Reportersystem der erfindungsgemäßen Teststämme ist bevorzugt induzierbar und wird bevorzugt proportional zu der vorhandenen Zellzahl gebildet. Der nicht induzierte Basallevel sollte möglichst niedrig sein. Das Reportersystem kann ein einzelnes Gen oder auch ein Operon sein.The reporter system of the test strains according to the invention is preferably inducible and is preferably formed in proportion to the number of cells present. The non-induced basal level should be as low as possible. The reporter system can be a single gene or an operon.
Als Reporter kommen dabei Genprodukte in Frage, die direkt oder indirekt photometrisch, fluorimetrisch, luminometrisch oder elektrochemisch nachgewiesen werden können. Bevorzugte Genprodukte sind das GFP (Grün Fluoreszierendes Protein), die ß-Lactamase, die Luciferase und besonders bevorzugt die ß-Galactosidase, welche auf verschiedene bekannte Arten nachgewiesen werden kann.Genetic products that can be directly or indirectly detected photometrically, fluorimetrically, luminometrically or electrochemically can be used as reporters. Preferred gene products are GFP (green fluorescent protein), ß-lactamase, luciferase and particularly preferably ß-galactosidase, which can be detected in various known ways.
Der Vorteil des GFPs liegt in der Möglichkeit des Nachweises ohne Zugabe von Substrat. Eine Beeinflußung der Aktivität des Reporters durch hemmende Inhaltsstoffe des Testgutes kann damit weitgehend ausgeschlossen werden.The advantage of the GFP is the possibility of detection without the addition of substrate. An influence on the activity of the reporter by inhibitory ingredients of the test material can thus largely be excluded.
Wenn Selektionsmarker und Reportersystem identisch sind, ist ein direkter Nachweis der Mutation möglich. Als Beispiel ist die ß-Lactamase zu nennen, welche eine Ampicillinresistenz vermittelt. Die durch Rückmutation wieder hergestellte Aktivität des Ampicillinasegens kann direkt direkt, z.B. durch Verwendung des Substrates Nitrocefin (O'Callaghan, C.H., Morris, A., Kirkby, S.K. and Shingler, A.H, Antimicrob. Agents Chemother. 1 (1972) 282-288; Sutton, L.D., Biedenbach, DJ., Yen, A. and Jones, R.N., Diagn. Microbiol. Infect. Dis. 21 (1995) 1-8), nachgewiesen werden.If the selection marker and reporter system are identical, a direct detection of the mutation is possible. One example is the ß-lactamase, which mediates ampicillin resistance. The activity of the ampicillin gene restored by reverse mutation can be directly, for example, by using the substrate nitrocefin (O'Callaghan, CH, Morris, A., Kirkby, SK and Shingler, AH, Antimicrob. Agents Chemother. 1 (1972) 282-288 ; Sutton, LD, Biedenbach, DJ., Yen, A. and Jones, RN, Diagn. Microbiol. Infect. Dis. 21 (1995) 1-8).
Durch die Verwendung der ß-Galactosidase kann andererseits ein - durch Akkumulation des Produktes der Enzymreaktion hervorgerufener -On the other hand, the use of β-galactosidase can lead to a - caused by accumulation of the product of the enzyme reaction -
Verstärkereffekt ausgenutzt werden. Die alternative luminometrische Meßmethode schaltet außerdem bestimmte Störfaktoren wie z.B. stark gefärbte Testsubstanzen aus.Amplifier effect can be exploited. The alternative luminometric measurement method also switches certain interference factors such as strongly colored test substances.
Reportersystem und/oder Selektionsmarker können auf dem Chromosom enthalten sein oder auf einem stringent oder relaxiert kontrollierten Plasmid mit konstanter Kopienzahl vorliegen. Die bevorzugte Anzahl der Iow copy Plasmide beträgt 15-20 Kopien. Die gleichmäßige Verteilung auf die Tochterzellen sollte gewährleistet sein.Reporter system and / or selection marker can be contained on the chromosome or on a stringently or relaxed controlled plasmid with a constant number of copies. The preferred number of Iow copy plasmids is 15-20 copies. The uniform distribution among the daughter cells should be ensured.
Das Reportersystem steht bevorzugt unter der Kontrolle eines streng regulierten, induzierbaren Promotors. Derartige Promotoren sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt wird der feM-Promotor verwendet, der durch das teπ^-codierte Repressorprotein reprimiert wird und durch die Zugabe von Tetrazyklin oder eines Tet-Derivates, z.B. Anhydrotetrazyklin eine gezielte Induktion des Reporters nach der Manifestation der Mutation ermöglicht. Für eine optimale Induktion des in resistenten (rückmutierten) Bakterienzellen werden bevorzugt atypische Tetrazykline wie das Anhydrotetrazyklin eingesetzt. Das Anhydrotetrazyklin-Derivat ist mit einem MIC ('Minimal Inhibition Concentration')-Wert von 2 μg/ml imThe reporter system is preferably under the control of a strictly regulated, inducible promoter. Such promoters are known to the person skilled in the art. The feM promoter is preferably used, which is repressed by the teπ ^ -coded repressor protein and, by adding tetracycline or a tet derivative, eg anhydrotetracycline, enables targeted induction of the reporter after the mutation has manifested. For an optimal induction of the in resistant (back-mutated) bacterial cells, atypical tetracyclines such as the anhydrotetracycline are preferred. The anhydrotetracycline derivative has a MIC ('Minimal Inhibition Concentration') value of 2 μg / ml im
Vergleich zu 0,5 μg/ml für Tetrazyklin weniger antibiotisch wirksam [Olivia, B., Gordon, G., McNicholas, P., Ellestad, G. and Chopra, I Antimicrob. Agents Chemother. 36, 1992, 913-919] und bindet gleichzeitig ungefähr 35fach stärker an den Tet-Repressor [Degenkolb, J., Takahashi, M., Ellestad, G.A. and Hillen, W. Antimicrob. Agents Chemother. 35, 1991 , 1591-1595]. Durch Induktion der ß-Galactosidase unter der fetA-Promotor-Kontrolle mit Anhydrotetrazyklin erreicht man stärkere Signalwerte bereits bei sehr niedrigen, nicht hemmenden Antibiotikum-Konzentrationen.Compared to 0.5 μg / ml for tetracycline less antibiotic activity [Olivia, B., Gordon, G., McNicholas, P., Ellestad, G. and Chopra, I Antimicrob. Agents chemother. 36, 1992, 913-919] and at the same time binds approximately 35 times more strongly to the Tet repressor [Degenkolb, J., Takahashi, M., Ellestad, GA and Hillen, W. Antimicrob. Agents chemother. 35, 1991, 1591-1595]. By inducing the β-galactosidase under the fetA promoter control with anhydrotetracycline, stronger signal values are achieved even at very low, non-inhibitory antibiotic concentrations.
Als Selektionsmarker in den erfindungsgemäßen Teststämmen wird ein durch Mutation inaktiviertes Resistenzgen eingesetzt, welches nach Rückmutation das selektive Wachstum der Revertanten ermöglicht. Als Genprodukte der Selektionsmarker kommen generell Resistenzproteine in Frage, die gezieltes Wachstum unter selektiven Bedingungen ermöglichen und deren codierendes Gen durch Mutation reversibel ausgeschaltet werden kann. Bei der durch das (intakte) Resistenzgen vermittelten Resistenz kann es sich um eine Resistenz gegen einen bakteriotoxischen oder bakteriostatischen Stoff wie beispielsweise ein Antibiotikum oder eine Einwirkung bzw. einen Einfluss (Noxe, z.B. Temperatur oder Strahlung) handeln. Bevorzugt handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Resistenzgen um ein Antibiotikumresistenzgen. Besonders bevorzugt werden als Selektionsmarker Resistenzgene gegen Antibiotika verwendet, die die Proteinbiosynthese hemmen oder bakteriolytisch wirken. Durch diese spezielle Art von Selektionsmarker wird nicht nur ein Wachstumsstopp der nicht mutierten und damit sensitiven Bakterien im Antibiotikum-haltigen Selektionsmedium erreicht, sondern auch das Ausschalten der Proteinbiosynthese bewirkt. Dadurch bleibt der Signal-Hintergrund durch nichtmutierte Bakterien nach Induktion niedrig. Es muß gewährleistet sein, dass der Selektionsdruck über die Testdauer aufrecht erhalten wird.A mutation-inactivated resistance gene is used as the selection marker in the test strains according to the invention, which allows the selective growth of the revertants after reverse mutation. Resistance proteins that allow targeted growth under selective conditions and whose coding gene can be reversibly switched off by mutation can generally be considered as gene products of the selection markers. The resistance mediated by the (intact) resistance gene can be a resistance to a bacteriotoxic or bacteriostatic substance such as an antibiotic or an action or influence (noxa, e.g. temperature or radiation). The resistance gene according to the invention is preferably an antibiotic resistance gene. Resistance genes against antibiotics which inhibit protein biosynthesis or have a bacteriolytic effect are particularly preferably used as selection markers. This special type of selection marker not only stops the non-mutated and therefore sensitive bacteria in the selection medium containing the antibiotic from growing, but also switches off protein biosynthesis. As a result, the signal background from non-mutated bacteria remains low after induction. It must be ensured that the selection pressure is maintained over the test period.
Als Selektionsmedium werden für die Teststämme übliche Medien verwendet, die, falls die Selektion nicht durch Einwirkungen wie z.B. Strahlung oder Temperatur hervorgerufen wird, Zusätze des entsprechenden Selektionsagens enthalten. Der Fachmann ist in der Lage, in Abhängigkeit des verwendeten Teststammes, des jeweiligen Resistenzmechanismus und der Anzahl der Resistenzgene geeignete Selektionsmedien zusammenzustellen. Die Konzentrationen der Antibiotika im Selektionsmedium bewegen sich im üblichen Rahmen. Im Falle von Ampicillin werden bevorzugt ca. 50 μg/ml verwendet. Die Konzentrationen der Antibiotika sind abhängig von der Art des Plasmids, auf dem das Resistenzgen lokalisiert ist, von der Art desStandard media are used as the selection medium for the test strains and, if the selection is not caused by effects such as radiation or temperature, contain additives of the corresponding selection agent. The person skilled in the art is able, depending on the test strain used, the respective resistance mechanism and the number of resistance genes, to be suitable Compile selection media. The concentrations of the antibiotics in the selection medium are in the usual range. In the case of ampicillin, approximately 50 μg / ml are preferably used. The concentrations of the antibiotics depend on the type of plasmid on which the resistance gene is located, on the type of
Resistenzmechanismus und vom verwendeten Teststamm.Resistance mechanism and the test strain used.
Durch die erfindungsgemäß zur Selektion verwendete Antibiotikums- Resistenz sind der Auswahl des Mediums weniger Grenzen gesetzt als z.B. im Stand der Technik bei der Durchführung konventioneller Mutagenitätstests. Solche Tests beruhen z.B. auf der Bildung von prototrophen His-Revertanten. Dadurch können nur Minimal-Medien verwendet werden, um sicherzustellen, dass das Selektionsmedium kein Histidin enthält. Für das erfindungsgemäße Verfahren dagegen kann jede Art von Medium verwendet werden, das alle Bestandteile enthält, die für das Wachstum der verwendeten Keimsorte notwendig sind. Die Selektion erfolgt nicht über einen fehlenden Nährstoffbestandteil sondern bevorzugt über den Zusatz eines Antibiotikums. Daher werden erfindungsgemäß statt eines Minimalmediums bevorzugt Vollmedien eingesetzt. Dies führt zu einem besseren und schnelleren Wachstum der revertierten Keime und ermöglicht so eine besonders schnelle Durchführung und Auswertung des Tests.Due to the antibiotic resistance used for the selection according to the invention, the selection of the medium has fewer limits than e.g. in the prior art when carrying out conventional mutagenicity tests. Such tests are based e.g. on the formation of prototrophic His revertants. This means that only minimal media can be used to ensure that the selection medium does not contain histidine. In contrast, any type of medium can be used for the method according to the invention which contains all the constituents which are necessary for the growth of the type of germ used. The selection is not made via a missing nutrient component, but preferably through the addition of an antibiotic. Therefore, full media are preferably used according to the invention instead of a minimal medium. This leads to better and faster growth of the reverted germs and thus enables the test to be carried out and evaluated particularly quickly.
Das als Selektionsmarker dienende Gen kann zum Nachweis eines Mutationstyps eine bestimmte Art von Mutation aufweisen. Weiterhin können durch unterschiedlich mutierte Varianten des Zielgens auf einem Plasmid verschiedene Mutationstypen mit nur einem Teststamm abgedeckt werden, sofern die Spontanmutationsraten der kombinierten Mutationstypen in der gleichen Größenordnung liegen. Dies führt zu einer deutlichen Reduktion des Arbeits- und Materialaufwands, da dieThe gene serving as a selection marker can have a certain type of mutation to detect a type of mutation. Furthermore, different mutation types of the target gene on a plasmid can cover different mutation types with only one test strain, provided that the spontaneous mutation rates of the combined mutation types are of the same order of magnitude. This leads to a significant reduction in labor and material costs, since the
Verwendung vieler Stämme und aufwendige Parallelbestimmungen nicht mehr notwendig sind. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Teststämme durch gezielte Mutagenese [Kunkel , T.A; Proc.Natl. Acad. Sei. USA; 82 (2) 488-92] werden mit Hilfe der PCR (Polymerase-Ketten-Reaktion)-Technik und anderer DNA-modifizierender Enzyme die verschiedenen MutationstypenUse of many strains and complex parallel determinations are no longer necessary. In the production of the test strains according to the invention by targeted mutagenesis [Kunkel, TA; Proc. Acad. Be. UNITED STATES; 82 (2) 488-92], using the PCR (polymerase chain reaction) technique and other DNA-modifying enzymes, the different mutation types
(Rasterschub- und Basensubstitutionsmutationen) direkt bei der Synthese des betroffenen Plasmides mittels eines mutierten Primerpaares in bekannte oder künstlich erzeugte Regionen mit besonderer Empfindlichkeit für mutagene Ereignisse (Hot-Spot Regionen) bzw. in aktive Zentren der Antibiotikumresistenzgene eingeführt. Die verschiedenen Mutationstypen sowie geeignete Hot-Spot Regionen sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Mutationstests bekannt. Besonders anfällig sind beispielsweise repetitive Basenabfolgen mit hohem Guaninanteil oder alternierende GC-Boxen. Bei Basensubstitutionen kommen häufig G-A-Transitionen und G-T Transversionen vor.(Raster shift and base substitution mutations) were introduced directly into known or artificially generated regions with particular sensitivity to mutagenic events (hot spot regions) or into active centers of the antibiotic resistance genes during the synthesis of the plasmid concerned by means of a mutant pair of primers. The various types of mutations and suitable hot spot regions are known to those skilled in the field of mutation tests. Repetitive base sequences with a high guanine content or alternating GC boxes are particularly susceptible. G-A transitions and G-T transversions are common in base substitutions.
Durch eine Rückmutation in dem durch Deletion, Insertion oder dem Austausch von Basen veränderten Sequenzabschnitt soll das Stadium der Antibiotikumresistenz wiedererlangt werden. Bei der Veränderung der Sequenzabschnitte, die für die Bildung des aktiven Zentrums verantwortlich sind, sollte berücksichtigt werden, dass meist nur exakte Rückmutationen die Funktionsfähigkeit des Zielgens wieder vollständig herstellen können. Bei einer Lokalisation des Mutations-Hot-Spots am Anfang des Leserahmens des Zielgens steht ein längerer Genbereich für eine Rückmutation zur Verfügung. Bei einem Basenaustausch wird bevorzugt entweder eine für die Funktionsfähigkeit des Proteins wichtige Aminosäure verändert oder aber ein Stoppcodon eingeführt. Dieses liegt dann bevorzugt vor dem für die Funktionsfähigkeit des Proteins wichtigen Genabschnitt. Bei der Einführung von Rasterschubmutationen muß die Möglichkeit der Eröffnung alternativer Leserahmen berücksichtigt werden. Vorzugsweise besitzen die Teststämme neben Selektionsmarker und Reportersystem weitere Eigenschaften, die sie für den erfindungs- gemäßen Test empfindlicher und universell einsetzbar machen. Dies ist vor allem eine für große, lipophile Moleküle durchlässige Zellwand (z.B. rfa- oder rfa-ähnliche Mutation) und/oder eine defekte Excisionsreparatur (z.B. Mutation im uvrA- oder ß-Gen).The stage of antibiotic resistance is to be regained by a reverse mutation in the sequence section changed by deletion, insertion or the exchange of bases. When changing the sequence sections that are responsible for the formation of the active center, it should be taken into account that usually only exact reverse mutations can completely restore the functionality of the target gene. If the mutation hot spot is located at the beginning of the reading frame of the target gene, a longer gene area is available for a back mutation. In the case of a base exchange, either an amino acid important for the functionality of the protein is preferably changed or a stop codon is introduced. This is then preferably before the gene segment that is important for the functionality of the protein. When introducing grid shear mutations, the possibility of opening alternative reading frames must be taken into account. In addition to the selection marker and reporter system, the test strains preferably have further properties which they have for the make the test more sensitive and universally applicable. This is primarily a cell wall that is permeable to large, lipophilic molecules (eg rfa or rfa-like mutation) and / or a defective excision repair (eg mutation in the uvrA or ß gene).
Zusätzlich sollte das Testbakterium bevorzugt über eine funktionsfähige Regulationseinheit des SOS-Systems verfügen. Verschiedene Gene des SOS-Systems sind für einen empfindlichen und vollständigen Nachweis mutagener Substanzen sehr vorteilhaft. Dazu zählen die Gene recA, lexA, umuDC und/oder mucAB. Die homologen Genprodukte UmuDC bzw. MucAB bezeichnet man auch als Mutatorgene, da sie im Zuge gentoxischer Ereignisse die Ausbildung von Mutationen in den Bakterien verstärken bzw. erst ermöglichen. Während umuDC funktionsfähig auf dem Chromosom von E.coli lokalisiert ist, wurde das muc \ß-Operon von natürlich vorkommenden Plasmiden isoliert (McCann, J. and Arnes, B.E.; Proc. Natl. Acad. Sei. USA 73 (1976) S. 950-954). Diese Genprodukte wirken vielfach synergistisch und verhindern einen ansonsten letalen Replikationsstopp. Die Genprodukte RecA und LexA dienen der Erkennung von DNA-Schäden und regulieren die Induktion der Gene des SOS-Systems.In addition, the test bacteria should preferably have a functional regulation unit of the SOS system. Different genes of the SOS system are very advantageous for a sensitive and complete detection of mutagenic substances. These include the genes recA, lexA, umuDC and / or mucAB. The homologous gene products UmuDC and MucAB are also referred to as mutator genes, because they increase or enable the formation of mutations in the bacteria in the course of genotoxic events. While umuDC is operably located on the E.coli chromosome, the muc \ ß-operon was isolated from naturally occurring plasmids (McCann, J. and Arnes, BE; Proc. Natl. Acad. Sei. USA 73 (1976) S. 950-954). These gene products often act synergistically and prevent an otherwise lethal stop of replication. The gene products RecA and LexA are used to detect DNA damage and regulate the induction of the genes of the SOS system.
Von Vorteil ist zusätzlich das Fehlen von Antibiotikumresistenzen im Ausgangsstamm.Another advantage is the lack of antibiotic resistance in the parent strain.
Bei Verwendung von Testbakterien, die über kein chromosomales Umu- Operon verfügen, kann dieses oder bevorzugt das Muc-Operon zusätzlich über ein Plasmid eingebracht werden. Als Quelle für die Sequenz des Muc-Operons kann das Plasmid pKM101 [McCann, J., Spingarn, N.E., Kobori, J. und Arnes, B.N.; Proc. Natl. Acad. Sei. USA 72(3), 1975, 979-983] dienen, welches aus dem Stamm Salmonella typhimurium TA100 oder TA98 isoliert werden kann. Nach Amplifizierung mittels PCR [Mullis, K.B. und Falaona, F.A.; Methods Enzymol. 155, 1987, 335-350] und Klonierung kann die Funktionsfähigkeit des Muc-Operons auf dem neuen Plasmid im Ames-Test überprüft werden. Mit der Testsubstanz Nitrofurazon, welche ihre mutagene Wirkung hauptsächlich über das SOS-System entfaltet [Bryant und McCalla; Chem. Biol. Interact. 31 (2) 1980, 151-66], sollte bei den Stämmen mit dem klonierten Muc-Operon eine deutlich erhöhte Mutationsrate gegenüber der Kontrolle beobachtet werden [Zeiger, E., Anderson, B., Haworth, S., Lawlor, T., Mortelmans, K. and Speck, W; Environm. Mutagen. 9 (9) 1987, 1-110]. Dieses über Transformationsmethoden eingebrachte Plasmid muß einen für die Vermehrung in dem Teststamm geeigneten Replikationsursprung und einen Marker für die Aufrechterhaltung des Plasmids während des Wachstums enthalten. Auf diesem Plasmid können außerdem das mutierte Zielgen sowie das induzierbare Reportersystem lokalisiert sein.When using test bacteria that do not have a chromosomal Umu operon, this or, preferably, the Muc operon can additionally be introduced via a plasmid. As a source for the sequence of the Muc operon, the plasmid pKM101 [McCann, J., Spingarn, NE, Kobori, J. and Arnes, BN; Proc. Natl. Acad. Be. USA 72 (3), 1975, 979-983], which can be isolated from the strain Salmonella typhimurium TA100 or TA98. After amplification by means of PCR [Mullis, KB and Falaona, FA; Methods Enzymol. 155, 1987, 335-350] and cloning can affect the operability of the Muc operon on the new one Plasmid to be checked in the Ames test. With the test substance nitrofurazone, which exerts its mutagenic effect mainly via the SOS system [Bryant and McCalla; Chem. Biol. Interact. 31 (2) 1980, 151-66], a significantly increased mutation rate compared to the control should be observed in the strains with the cloned Muc operon [Zeiger, E., Anderson, B., Haworth, S., Lawlor, T. , Mortelmans, K. and Speck, W; Environm. Mutagenic. 9 (9) 1987, 1-110]. This plasmid introduced by transformation methods must contain an origin of replication suitable for propagation in the test strain and a marker for the maintenance of the plasmid during growth. The mutated target gene and the inducible reporter system can also be located on this plasmid.
Die Herstellung mehrerer Plasmide, welche jeweils nur eine spezielle Mutation aufweisen, ermöglicht eine Differenzierung der Mutagene, so dass ein Mutationsspektrum erstellt werden kann. Die Mutationsanalyse mittels molekularbiologischer Methoden wird dabei durch die bevorzugte Lage des mutierten Gens auf dem Plasmid erleichtert. Ferner ist es möglich, durch die Amplifizierung des mutierten und als Selektionsmarker dienenden Gens mit verschiedenen Mutationstypen auf einem Plasmid mehrere mögliche Mutationsvarianten gleichzeitig zu erfassen.The production of several plasmids, each of which has only one special mutation, enables the mutagens to be differentiated, so that a mutation spectrum can be created. The mutation analysis using molecular biological methods is facilitated by the preferred position of the mutated gene on the plasmid. Furthermore, it is possible to detect several possible mutation variants simultaneously on one plasmid by amplifying the mutated gene serving as a selection marker with different types of mutations.
Durch simultanen Einsatz eines vom Genotyp her analogen jedoch nicht revertierbaren Teststammes kann die Zytotoxizität des Testgutes verfolgt werden.The cytotoxicity of the test material can be monitored by simultaneous use of a test strain which is analogous in genotype but not revertable.
Die bisher eingesetzten Teststämme (Ames-Test) basieren auf der Wiedererlangung eines prototrophen Wachstums und sind daher anfällig für wachstumsfördernde Substanzen, was sich vor allem bei der Untersuchung von Umweltproben mit hohem organischem Anteil negativ auswirken kann. Durch die erfindungsgemäße Selektion der Revertanten, bevorzugt über eine Antibiotikumresistenz, kann die Erzeugung falsch positiver Ergebnisse drastisch reduziert und Verunreinigungen mit nicht testspezifischen Mikroorganismen vermieden werden.The test strains used up to now (Ames test) are based on the recovery of prototrophic growth and are therefore susceptible to growth-promoting substances, which can have a negative effect especially when examining environmental samples with a high organic content. The selection according to the invention of the revertants, preferably via antibiotic resistance, can result in incorrect generation positive results are drastically reduced and contamination with non-test-specific microorganisms is avoided.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher auch ein Testkit zum schnellen Nachweis von mutagenen Substanzen. Dieser Testkit zurThe present invention therefore also relates to a test kit for the rapid detection of mutagenic substances. This test kit for
Durchführung von Mutationstests umfaßt zumindest einen oder mehrere erfindungsgemäße Teststämme, die auch als Stammgemisch enthalten sein und/oder eingesetzt werden können. Weiterhin können zusätzlich optionale Bestandteile, wie das Substrat des Reportersystems, eine Stopp-Lösung oder spezielle Selektions- bzw. Selektions/Indikatormedien in dem Testkit enthalten sein. Bei diesen Zusätzen handelt es sich typischerweise um Reagenzien, die auch unabhängig von dem Testkit käuflich zu erwerben sind. Um Anwendern die Durchführung des Tests nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erleichtern, enthält der Testkit bevorzugt zusätzlich eine Versuchsanleitung und einCarrying out mutation tests comprises at least one or more test strains according to the invention, which can also be contained and / or used as a master mixture. Furthermore, optional components, such as the substrate of the reporter system, a stop solution or special selection or selection / indicator media can additionally be contained in the test kit. These additives are typically reagents that can also be purchased independently of the test kit. In order to make it easier for users to carry out the test using the method according to the invention, the test kit preferably additionally contains test instructions and a
Auswerteprogramm. Die erfindungsgemäßen Testkits können für den Einzelnachweis mutagener Substanzen oder für das HTP-Screening verwendet werden.Evaluation. The test kits according to the invention can be used for the individual detection of mutagenic substances or for HTP screening.
Abbildung 1 zeigt das Beispiel eines Plasmids eines erfindungsgemäßen Teststamms. Der Teststamm enthält ein Single copy Plasmid oder ein Iow copy Plasmid mit mittlerer Kopienzahl (15-20 Kopien). Bestandteile des Plasmides sind:Figure 1 shows the example of a plasmid of a test strain according to the invention. The test strain contains a single copy plasmid or an Iow copy plasmid with a medium copy number (15-20 copies). Components of the plasmid are:
- ein Replikationsursprung, der ein Einzelplasmid bzw. eine mittlere Kopienzahl garantiert (z. B. pMB1-Origin)- an origin of replication, which guarantees a single plasmid or a medium number of copies (e.g. pMB1-Origin)
- die par-Region, welche eine gleichmäßige Verteilung des Plasmides auf die Tochterzellen sicherstellt- The par region, which ensures an even distribution of the plasmid on the daughter cells
- das mutierte Selektionsgen als Zielgen für Mutationen (amps)- the mutated selection gene as a target gene for mutations (amp s )
- das konstitutiv exprimierte Repressorgen für das Tet-Repressorprotein (tetR)- the constitutively expressed repressor gene for the Tet repressor protein (tetR)
- das muc \ß-Operon- the muc \ ß operon
- ein Resistenzgen zur Erhaltung des Plasmides (R) - das /acZ-Reportersystem unter Kontrolle des tetA-Promotors- a resistance gene to maintain the plasmid (R) - The / acZ reporter system under the control of the tetA promoter
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ein oder mehrere erfindungsgemäße Teststämme in einer Zellzahl von typischerweise 107 bis 109 / ml bereitgestellt. Geeignete Medien für dieTo carry out the method according to the invention, one or more test strains according to the invention are provided in a cell number of typically 10 7 to 10 9 / ml. Suitable media for the
Kultur von Bakterien sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt wird ein Vollmedium wie z.B. Luria-Bertani (LB-) Medium verwendet.Culture of bacteria is known to the person skilled in the art. A complete medium such as e.g. Luria-Bertani (LB-) medium used.
Die Durchführung des Tests kann in Mikrotiterplatten oder ähnlichen für die Bakterienkultur geeigneten Gefäßen erfolgen.The test can be carried out in microtiter plates or similar vessels suitable for bacterial culture.
Den Zellen wird zunächst die zu untersuchende Substanz oder das zu untersuchende Substanzgemisch und gegebenenfalls weitere Reagenzien, wie z.B. S9-Mix zugesetzt. Anschließend werden die Zellen für einen bestimmten Zeitraum vorinkubiert. Das Selektionsagens wird je nach Wirkungsweise sofort oder aber zu einem bestimmten Zeitpunkt der Vorinkubation zugesetzt. Eine Vorinkubation ist insbesondere notwendig, damit die Zellen über einen ausreichend langen Zeitraum in Kontakt mit den zu testenden Substanzen kommen können, so dass sich ein gesetzter Schaden während der Replikation als Mutation manifestieren kann. Typischerweise beträgt die Vorinkubation 0,5 bis 2 Stunden.First the substance to be examined or the mixture of substances to be examined and, if appropriate, further reagents, such as e.g. S9 mix added. The cells are then pre-incubated for a certain period of time. Depending on the mode of action, the selection agent is added immediately or at a certain time during the preincubation. Pre-incubation is particularly necessary so that the cells can come into contact with the substances to be tested for a sufficiently long period of time so that damage that has been set can manifest itself as a mutation during replication. The pre-incubation is typically 0.5 to 2 hours.
Anschließend werden die Zellen in der Selektionsphase für einen Zeitraum von typischerweise 5 bis 24 Stunden inkubiert. Die Inkubationszeit ist u.a. abhängig von der Vorinkubationszeit, der Inkubationstemperatur, der Selektionsart, vom Reportersystem, vom Medium und der Vorverdünnung der Testansätze. Bei 37 °C werden typischerweise 5 bis 8 Stunden zur Inkubation benötigt, bei z.B. 28-30 °C werden typischerweise 15 bis 20 Stunden benötigt. Anschließend wird das Reportersystem durch Zugabe des entsprechenden Induktionsagens induziert und das Gemisch typischerweise 1 bis 2 Stunden bei 37 °C inkubiert. Falls das Reportersystem mit dem Selektionsmarker identisch ist, entfällt dieser Induktionschritt. Die Bestimmung der Mutagenität der zu untersuchenden Substanz erfolgt durch den Nachweis des Genproduktes des Reportersystems. Dazu wird je nach Reportersystem eine photometrische, fluorimetrische, luminometrische oder elektrochemische Messung durchgeführt.The cells are then incubated in the selection phase for a period of typically 5 to 24 hours. The incubation time depends, among other things, on the pre-incubation time, the incubation temperature, the type of selection, the reporter system, the medium and the pre-dilution of the test batches. At 37 ° C typically 5 to 8 hours are needed for incubation, at 28-30 ° C typically 15 to 20 hours are needed. The reporter system is then induced by adding the appropriate induction agent and the mixture is typically incubated at 37 ° C. for 1 to 2 hours. If the reporter system is identical to the selection marker, this induction step is omitted. The mutagenicity of the substance to be investigated is determined by detecting the gene product of the reporter system. Depending on the reporter system, a photometric, fluorimetric, luminometric or electrochemical measurement is carried out.
Anstelle oder zusätzlich zu dem Nachweis der Revertanten durch Induktion des Reportergens können diese auch über ihr Wachstum nachgewiesen werden. Insbesondere bei der Verwendung eines Vollmediums erfolgt das Wachstum der Revertanten in der Regel so schnell, dass der Nachweis schon nach ca. 16-18 Stunden erfolgen kann. Der Nachweis desInstead of or in addition to the detection of the revertants by induction of the reporter gene, they can also be detected via their growth. Especially when using a full medium, the growth of the revertants usually takes place so quickly that the detection can take place after about 16-18 hours. Evidence of
Wachstums kann entweder über direkte Trübungsmessung oder einen im Medium vorhandenen Indikatorfarbstoff erfolgen. Bei der durch das Bakterienwachstum bewirkten Veränderung des pH-Werts des Mediums erfolgt ein Farbumschlag des Indikators. Geeignete Indikatoren sollten einen Farbumschlag zwischen pH 7 und pH 5 zeigen. Beispiele geeigneter Indikatoren sind z.B. Bromkresolrot oder Bromthymolblau. Der Indikator darf kein gentoxisches Potential besitzen und das Bakterienwachstum nicht entscheidend beeinflussen.Growth can take place either via direct turbidity measurement or an indicator dye present in the medium. When the pH of the medium changes due to the growth of bacteria, the indicator changes color. Suitable indicators should show a color change between pH 7 and pH 5. Examples of suitable indicators are e.g. Bromocresol red or bromothymol blue. The indicator must have no genotoxic potential and should not have a decisive influence on bacterial growth.
Mit Hilfe dieser zusätzlichen Möglichkeit des Nachweises revertierterWith the help of this additional possibility of proof reverted
Keime, stehen dem Anwender zwei einfache und empfindliche Nachweis- Systeme zur Verfügung. Der Nachweis über das Zellwachstum ist sehr einfach und benötigt keine Induktion des Reportergens. Die Auswertung kann durch Detektion des Farbumschlags erfolgen. Diese Nachweismethode führt nur zu qualitativen Ergebnissen. Eine quantitative Aussage ist dann möglich, wenn Aliquots des Testansatzes auf mehrere Ansatz (z.B. Wells) verteilt werden und die Anzahl der Ansätze, die einen Farbumschlag zeigen, in Beziehung zur jeweiligen Konzentration des Testguts gesetzt wird. Der bevorzugte Nachweis über die Induktion des Reportergens dagegen läßt eine direkte quantitative Aussage zu, da die Intensität des Signals bestimmt werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, Mutationen sehr schnell nachweisen zu können. Durch die wesentliche Verkürzung der Inkubationszeit gegenüber bisherigen Testsystemen und die erfindungsgemäße Selektionsmethode wird eine weitreichende Automatisierung der Testdurchführung möglich. Während bislang nur 1 bis 2 Testtage pro Woche durchgeführt werden konnten, ist es nun möglich, 4 bis 5 Testzyklen pro Woche durchzuführen.Germs, the user has two simple and sensitive detection systems at their disposal. The detection of cell growth is very simple and does not require induction of the reporter gene. The evaluation can be carried out by detecting the color change. This detection method only leads to qualitative results. A quantitative statement is possible if aliquots of the test batch are distributed over several batches (eg wells) and the number of batches that show a color change is related to the respective concentration of the test material. The preferred detection of the induction of the reporter gene, however, allows a direct quantitative statement, since the intensity of the signal can be determined. The method according to the invention has the advantage of being able to detect mutations very quickly. The substantial shortening of the incubation time compared to previous test systems and the selection method according to the invention enable extensive test execution automation. So far, only 1 to 2 test days per week could be carried out, but it is now possible to carry out 4 to 5 test cycles per week.
Bei Verwendung luminometrischer Meßmethoden sind bereits wenige mutierte Zellen innerhalb kürzester Zeit nachweisbar, so dass durch das erfindungsgemäße Verfahren sowohl für Substanzscreenings in der Industrie als auch für die Testung umweltrelevanter Substanzen oder Multikomponentengemische ein in wenigen Stunden durchführbarer Mutationstest zur Verfügung steht.When using luminometric measurement methods, only a few mutated cells can be detected within a very short time, so that the method according to the invention provides a mutation test that can be carried out in a few hours, both for substance screening in industry and for testing environmentally relevant substances or multicomponent mixtures.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Unempfindlichkeit der verwendeten Teststämme gegenüber Mutationen in metabolisch relevanten Genen. Bei Mutationstests, in denen aufgrund des Selektionsverfahrens Minimalmedien verwendet werden müssen, führen Mutationen in anderen für den Metabolismus und die Nährstoffversorgung relevanten Genen häufig zu einem deutlich verminderten Wachstum der Revertanten bis hin zu einem Absterben der Keime. Die erfindungsgemäßen Keime dagegen können in Vollmedien selektiert werden, so dass die Keime viele Nährstoffe aus dem Medium beziehen können und auf Mutationen in metabolisch relevanten Genen wesentlich unempfindlicher reagieren.Another advantage of the method according to the invention is the insensitivity of the test strains used to mutations in metabolically relevant genes. In mutation tests in which minimal media have to be used due to the selection process, mutations in other genes relevant for metabolism and nutrient supply often lead to a significantly reduced growth of the revertants or even a death of the germs. The germs according to the invention, on the other hand, can be selected in full media, so that the germs can obtain many nutrients from the medium and react much less sensitively to mutations in metabolically relevant genes.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Einsatz in der Produktentwicklung der Chemischen, Pharmazeutischen und Kosmetischen Industrie sowie in der Umweltanalytik (Abwässer,The method according to the invention is particularly suitable for use in product development in the chemical, pharmaceutical and cosmetic industries and in environmental analysis (waste water,
Oberflächenwässer, Sedimente, Schwebstoffe, Raumluft, Altlasten, Reinsubstanzen). Auch ohne weitere Ausführungen wird davon ausgegangen, dass ein Fachmann die obige Beschreibung im weitesten Umfang nutzen kann. Die bevorzugten Ausführungsformen und Beispiele sind deswegen lediglich als beschreibende, keineswegs als in irgendeiner Weise limitierende Offenbarung aufzufassen.Surface water, sediments, suspended matter, ambient air, contaminated sites, pure substances). Even without further explanations, it is assumed that a person skilled in the art can use the above description in the broadest scope. The preferred embodiments and examples are therefore only to be regarded as descriptive, in no way as in any way limiting in any way.
Die vollständige Offenbarung aller vor- und nachstehend aufgeführten Anmeldungen, Patente und Veröffentlichungen, insbesondere der korrespondierenden Anmeldung DE 101 32 280.1 , eingereicht am 04.07.2001 , ist durch Bezugnahme in diese Anmeldung eingeführt.The complete disclosure of all of the applications, patents and publications mentioned above and below, in particular the corresponding application DE 101 32 280.1, filed on July 4, 2001, is incorporated by reference into this application.
BeispieleExamples
Das folgende Durchführungsbeispiel bezieht sich auf die Verwendung von Ampicillin-sensitiven Stämmen mit einem Plasmid-Iokalisierten mutierten Ampicillin-Resistenzgen (Rasterschubstamm und Basenaustauschstamm) und dem feM-Promotor kontrollierten Reportersystem ß-Galaktosidase. Das Plasmid ist in den Teststamm E. coli EE122 oder Salmonella typhimurium TA1535 eingebracht. Als Detektionsmethode wird die chemiluminometrische Messung beschrieben. Der Stamm zur Detektion von Rasterschubmutationen wird im Folgenden und in den angegebenen Ergebnisbeispielen als 4S bzw. 6S, der Stamm zur Detektion von Basenaustauschmutationen als 3S bzw. 14S bezeichnet.The following implementation example relates to the use of ampicillin-sensitive strains with a plasmid-localized mutated ampicillin resistance gene (raster thrust strain and base exchange strain) and the feM promoter-controlled reporter system β-galactosidase. The plasmid is introduced into the test strain E. coli EE122 or Salmonella typhimurium TA1535. The chemiluminometric measurement is described as the detection method. The strain for the detection of raster shear mutations is referred to in the following and in the result examples given as 4S or 6S, the strain for the detection of base exchange mutations as 3S or 14S.
Die im Duchführungsbeispiel verwendeten Teststämme tragen ein Plasmid mit einem vom pBR322 [Sutcliffe, J.G.; Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 43, 1997, 77-90] abgeleiteten Replikationsorigin (pMB1 ). Durch zusätzliche Klonierung der par('partition')-Region aus pSC101 [Meacock, P.A. und Cohen, S.N., Cell 20, 1980, 529-542] wurde die stabile Vererbung des Plasmides auf die Tochterzellen sicher gestellt. Als Spenderplasmid für das zweite Resistenzgen (in aufgeführten Beispiel das cam-Resistenzgen) diente das Plasmid pBR328 (National Institute of Genetics, Yata, Japan). Das muc>4ß-Operon wurde dem Plasmid pGW1700 [Perry, K.L. und Walker, G.G., Nature 300, 1982, 278-281] entnommen. Für die stringent kontrollierte Expression des ß-The test strains used in the implementation example carry a plasmid with a pBR322 [Sutcliffe, JG; Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 43, 1997, 77-90] derived replication origin (pMB1). Additional cloning of the par ('partition') region from pSC101 [Meacock, PA and Cohen, SN, Cell 20, 1980, 529-542] ensured the stable inheritance of the plasmid on the daughter cells. As The plasmid pBR328 (National Institute of Genetics, Yata, Japan) served as the donor plasmid for the second resistance gene (in the example given, the cam resistance gene). The muc> 4β operon was taken from plasmid pGW1700 [Perry, KL and Walker, GG, Nature 300, 1982, 278-281]. For the stringently controlled expression of the ß-
Galaktosidase-Reportergens musste die lacZY-Gensequenz im richtigen Leserahmen hinter die Promotor/Operator-Region (tetp/0) des teM-Gens in das Plasmid pASK75 [Skerra, Gene 151 , 131-135, 1994] kloniert werden. Dieses enthält zusätzlich das für den fef-Repressor (TetR) codierende Gen transkriptionell fusioniert an das konstitutiv exprimierte bla-Gen (Ampicillin-Resistenz), wodurch eine starke Repression des tetA- Promotors erzielt wird [Skerra , Gene 151 , 131-135, 1994]. Als Quelle für die lacZY-Gene diente das Plasmid pMC1403, in dem die Promotorregion und die ersten acht Aminosäuren (inklusive des Start-ATG's) der ß- Galaktosidase fehlen [Casadaban et al., J. Bacteriol. 143, 1980, 971-980]. Da für die Isolierung der Sequenz aus pMC1403 nur wenige Restriktionsschnittstellen zur Verfügung stehen, wurden die /acZY-Gene zunächst in den pGFPuv Vektor kloniert. Die nun am 5'-Ende der lacZ- Sequenz liegenden Restriktionsenzyme der 'Multiple Cloning Site' (MCS) ermöglichten dann eine gerichtete Klonierung in den Leserahmen hinter das Start-ATG des teM-Gens.Galactosidase reporter gene, the lacZY gene sequence had to be cloned in the correct reading frame behind the promoter / operator region (tet p / 0 ) of the teM gene into the plasmid pASK75 [Skerra, Gene 151, 131-135, 1994]. This additionally contains the gene coding for the fef repressor (TetR) transcriptionally fused to the constitutively expressed bla gene (ampicillin resistance), whereby a strong repression of the tetA promoter is achieved [Skerra, Gene 151, 131-135, 1994 ]. The plasmid pMC1403, in which the promoter region and the first eight amino acids (including the start ATG) of the β-galactosidase are missing, served as the source for the lacZY genes [Casadaban et al., J. Bacteriol. 143, 1980, 971-980]. Since only a few restriction sites are available for the isolation of the sequence from pMC1403, the / acZY genes were first cloned into the pGFPuv vector. The restriction enzymes of the 'Multiple Cloning Site' (MCS), which are now located at the 5 'end of the lacZ sequence, then enabled directed cloning in the reading frame behind the start ATG of the teM gene.
Durch gezielte Mutagenese wurden die Basensubstitution bzw. Rasterschubmutation in das ß-Lactamase-Gen eingeführt. Als Beispiel einer Basensubstitution wurde im aktiven Zentrum 67 Aminosäuren nach dem Start-ATG eine Transition von Adenin zu Guanin vorgenommen. Dadurch wurde anstelle der Aminosäure Serin die Aminosäure Glycin eingeführt (5'-AGC-3' - 5'-GGC-3') und infolge dessen die ß-Lactamase reversibel inaktiviert. Als weiteres Beispiel einer BasensubstitutionBy means of targeted mutagenesis, the base substitution or raster shear mutation was introduced into the ß-lactamase gene. As an example of base substitution, a transition from adenine to guanine was carried out in the active center 67 amino acids after the start ATG. As a result, the amino acid glycine was introduced instead of the amino acid serine (5'-AGC-3 '- 5'-GGC-3') and, as a result, the β-lactamase was reversibly inactivated. As another example of base substitution
(Stamm 14S) wurde 66 Aminosäuren nach dem Start-ATG eine(Strain 14S) became 66 amino acids after the start ATG one
Transversion von Thymin zu Guanin vorgenommen. Dadurch wurde anstelle der Aminosäure Methionin die Aminosäure Arginin eingeführt (5'- ATG-3' → 5'-AGG-3'). Als Beispiel einer Rasterschubmutation (Samm 4S) wurden in einer alternierenden GC-Box neun Aminosäuren nach dem aktiven Serin-Rest die Basen Guanin und Cytosin eingeführt, wodurch 44 Aminosäuren nach der Mutation ein Stopp-Codon (TGA) resultierte. Bei einem weiteren Rasterschubmutationsstamm (Stamm 6S) wurde 17 Aminosäuren nach dem aktiven Zentrum ein zusätzliches Guanin integriert, wodurch 19 Aminosäuren nach der Mutation ein Stopp-Codon resultierte. In allen Fällen wurde die ß-Lactamase reversibel inaktiviert. Das Plasmid wurde in den Stamm Escherichia coli EE122 [Δ(lac proB) Δ(uvrB gal bio) ara thi rfa] [Eisenstadt, E., Warren, A.J., Porter, J., Atkins, D. und Miller, J.H., Proc. Natl. Acad. Sei. USA 79, 1982, 1945-1949] eingebracht.Transversion from thymine to guanine made. As a result, the amino acid arginine was introduced instead of the amino acid methionine (5'- ATG-3 '→ 5'-AGG-3'). As an example of a raster shear mutation (Samm 4S), the bases guanine and cytosine were introduced in an alternating GC box nine amino acids after the active serine residue, resulting in 44 amino acids after the mutation resulting in a stop codon (TGA). An additional guanine was integrated in a further raster shear mutation strain (strain 6S) 17 amino acids after the active center, resulting in a stop codon 19 amino acids after the mutation. In all cases the ß-lactamase was reversibly inactivated. The plasmid was isolated into the Escherichia coli EE122 strain [Δ (lac proB) Δ (uvrB gal bio) ara thi rfa] [Eisenstadt, E., Warren, AJ, Porter, J., Atkins, D. and Miller, JH, Proc , Natl. Acad. Be. USA 79, 1982, 1945-1949].
1. Vorkultur1. Pre-culture
Die Bakterien (3S, 14S, 4S bzw. 6S) werden über Nacht (oder mindestens für 3 bis 4 Stunden) in einem Inkubator unter Schütteln bei 37° C in Luria- Bertani (LB)-Medium unter Zusatz des Antibiotikums zur Aufrechterhaltung des Plasmides inkubiert. Am nächsten Morgen (bzw. nach 3 bis 4 Stunden) werden die Bakterien mit LB-Medium auf eine Zellzahl von ca. 2,5 x 107 (entspricht E60o von ca. 0,05) eingestellt und bis zur Inkubation mit den Testsubstanzen auf Eis gehalten.The bacteria (3S, 14S, 4S or 6S) are overnight (or at least for 3 to 4 hours) in an incubator with shaking at 37 ° C in Luria-Bertani (LB) medium with the addition of the antibiotic to maintain the plasmid incubated. The next morning (or after 3 to 4 hours) the bacteria are adjusted to a cell count of approx. 2.5 x 10 7 (corresponds to E 60 o of approx. 0.05) with LB medium and until incubation with the Test substances kept on ice.
2. Vorbereitung der Testplatten und Inkubation 2.1 Vorinkubationsphase2. Preparation of the test plates and incubation 2.1 Pre-incubation phase
Die Vorinkubation kann z.B. mit 24Well- oder 96Well-Testplatten durchgeführt werden.The pre-incubation can e.g. with 24Well or 96Well test plates.
Bei der Inkubation ohne S9-Mix werden 10 μl verschiedener Konzentrationen der Testsubstanz, der Negativkontrollsubstanz (Lösungsmittelkontrolle) sowie der Positivkontrollsubstanz zu jeweils 1 ml der nach Absatz 1 eingestellten Bakterien gegeben. Bei Substanzen, die zur Ausprägung ihres mutagenen Potentials S9 bedürfen, wird ein S9- Kofaktormix und S9 zugesetzt. Die Herstellung des Kofaktormix erfolgt stets frisch am Testtag nach Maron und Arnes (Maron und Arnes; Mutation Res. 113, 1983, 173-215). Zur Inkubation mit S9 wird 1 ml der nach Absatz 1 eingestellten Bakterien vorgelegt. Dazu werden 70 μl Kofaktormix und 10 μl S9 gegeben. Danach werden 10 μl der zu testenden hinzugeben. Der Ansatz wird gut gemischt. Es schließt sich eine 90minütige Vorinkubation bei 37 °C unter Schütteln an.In the case of incubation without an S9 mix, 10 μl of different concentrations of the test substance, the negative control substance (solvent control) and the positive control substance are added to 1 ml of the bacteria set in accordance with paragraph 1. For substances that need S9 to express their mutagenic potential, an S9- Kofaktormix and S9 added. The cofactor mix is always made fresh on the test day according to Maron and Arnes (Maron and Arnes; Mutation Res. 113, 1983, 173-215). For incubation with S9, 1 ml of the bacteria set according to paragraph 1 is presented. 70 μl cofactor mix and 10 μl S9 are added. Then add 10 μl of the test sample. The approach is mixed well. This is followed by a 90-minute preincubation at 37 ° C with shaking.
2.2 Selektionsphase2.2 Selection phase
Nach der Vorinkubation werden die Testansätze 1 :10 mit LB-Medium (+ 50 μg/ml Ampicillin) verdünnt und für 6 (Kurzzeittest bei 37 °C) bis 16 Stunden (Langzeittest bei 28 - 30 °C) in 24Well, 96Well oder 384Well Platten inkubiert.After the pre-incubation, the test batches are diluted 1:10 with LB medium (+ 50 μg / ml ampicillin) and for 6 (short-term test at 37 ° C) to 16 hours (long-term test at 28 - 30 ° C) in 24Well, 96Well or 384Well Incubated plates.
3. Induktion des Reportersystems3. Induction of the reporter system
Zur Induktion des Reportersystems werden die Ansätze mit 100-200 ng/mlFor the induction of the reporter system, the batches with 100-200 ng / ml
Anhydrotetrazyklin versetzt und 1-2 Stunden bei 37° C inkubiert.Anhydrotetracycline was added and incubated at 37 ° C for 1-2 hours.
4. Messung der Mutagenität4. Measurement of mutagenicity
Für den luminometrischen Enzymtest des Reportersystems werden 60 μl der Bakteriensuspension mit 90 μl Lysepuffer und 30 μl Substrat-Lösung (Galacton-Plus®; Applied Biosystems, PE Deutschland GmbH) gemischt. Zum Abstoppen der Reaktion nach 30 min Inkubation bei 28 °C werden 120 μl Stopp-Lösung zugesetzt. Anschließend werden 100 μl desFor the luminometric enzyme test of the reporter system, 60 μl of the bacterial suspension are mixed with 90 μl lysis buffer and 30 μl substrate solution (Galacton-Plus ® ; Applied Biosystems, PE Deutschland GmbH). To stop the reaction after 30 min incubation at 28 ° C, 120 ul stop solution are added. Then 100 ul of
Gesamtansatzes für die luminometrische Messung entnommen. Nach automatischer Injektion von 100 μl Lumineszenz-Enhancer-Lösung (Luminescent Enhancer, Emerald®; Applied Biosystems, PE Deutschland GmbH) wird jeder Ansatz im Luminometer nach einer Wartezeit von 2 sec über einen Zeitraum von 5 sec gemessen. Zur Messung der Chemolumineszenz können 96Well Luminometer (z.B. Labsystems, Luminoscan) oder Einkanalluminometer (z.B. Berthold, Lumat) verwendet werden.Overall approach taken for the luminometric measurement. After automatic injection of 100 μl luminescence enhancer solution (Luminescent Enhancer, Emerald® ; Applied Biosystems, PE Deutschland GmbH), each batch is measured in the luminometer after a waiting time of 2 seconds over a period of 5 seconds. To measure the chemiluminescence, 96-well luminometers (e.g. Labsystems, Luminoscan) or single-channel luminometers (e.g. Berthold, Lumat) can be used.
5. Toxizitätskontrolle5. Toxicity control
Der Ansatz zur Toxizitätskontrolle wird analog dem Ansatz zur Mutagenitätstestung durchgeführt. Als Teststamm kann ein nicht revertierbarer, jedoch vom sonstigen Genotyp her identischer Stamm verwendet werden. Die Toxizitätskontrolle kann ebenfalls mit den revertierbaren Teststämmen durchgeführt werden. Der Ansatz hierzu ist analog dem Ansatz zur Mutagenitätstestung. Nach 90 min Vorinkubation ohne Selektionsagenz wird sofort die optische Dichte der Testansätze (EΘOO nm) gemessen. Sind die gemessenen E600-Werte der Substanzansätze geringer als die der Kontrollansätze, so liegt Zytotoxizität vor.The approach to toxicity control is carried out analogously to the approach to mutagenicity testing. A non-reversible strain that is identical in terms of the other genotype can be used as the test strain. Toxicity control can also be performed on the revertible test strains. The approach to this is analogous to the approach to mutagenicity testing. After 90 min of pre-incubation without selection agent, the optical density of the test batches (E Θ OO nm) is measured immediately. If the measured E600 values of the substance batches are lower than those of the control batches, then there is cytotoxicity.
Hinweise auf die Toxizität einer mutagenen Substanz können auch aus dem Kurvenverlauf der rlu-Werte gezogen werden. Von zunehmend toxischer Wirkung einer Testsubstanz kann gesprochen werden, sobald die Kurve der rlu-Werte abzuflachen beginnt und eventuell mit weiter zunehmenden Substanzkonzentrationen absinkt. Indications of the toxicity of a mutagenic substance can also be drawn from the curve shape of the rlu values. One can speak of an increasingly toxic effect of a test substance as soon as the curve of the rlu values begins to flatten and possibly decreases with increasing substance concentrations.
6. Auswertung6. Evaluation
Die Rohdaten (rlu-Werte: relative Lumineszenzeinheiten) werden in ein MS Excel Auswerteprogramm transferiert. Berechnet werden die Mittelwerte der rlu abzüglich der Leerwertkontrolle und die Verhältnisse der Testansätze gegen Kontrollansätze.The raw data (rlu values: relative luminescence units) are transferred to an MS Excel evaluation program. The mean values of the rlu minus the blank value control and the ratios of the test approaches versus control approaches are calculated.
In dem hier vorgestellten Beispiel wird eine Substanz als mutagen betrachtet, wenn das Signal/Hintergrundverhältnis den Faktor 2 bei mindestens 2 Konzentrationen erreicht und eine Konzentrations- Wirkungsbeziehung vorliegt.In the example presented here, a substance is considered to be mutagenic if the signal / background ratio reaches a factor of 2 at at least 2 concentrations and there is a concentration-effect relationship.
Ergebnisbeispiel 1Result example 1
Kurzzeittest: Vorinkubation: 90 min.; Selektionsphase: 6 StundenShort-term test: pre-incubation: 90 min .; Selection phase: 6 hours
Langzeittest: Vorinkubation: 90 min.; Selektionsphase: 16 StundenLong-term test: pre-incubation: 90 min .; Selection phase: 16 hours
Ergebnisbeispiel 2Result example 2
Langzeittest und Detektion über Farbumschlag (Bromkresolrot)Long-term test and color change detection (bromocresol red)
Wird der Langzeittest durchgeführt, kann die Detektion der Revertanten auch über einen Farbumschlag (durch Zusatz von z.B. Bromkresolrot zum Selektionsmedium) erfolgen. Nach der Vorinkubation werden die Bakterien mit LB-Medium (+ Ampicillin + Bromkresolrot ) verdünnt und für 16-18 Stunden in 24Well-, 96Well- oder 384Well-Platten bei 37° C inkubiert. Die Induktion des Reportergens entfällt. Die Auswertung erfolgt entweder durch Auszählen der .positiven' (im Falle von Bromkresolrot der gelben) Wells oder durch Messung mit einem Photometer. If the long-term test is carried out, the revertants can also be detected via a color change (by adding, for example, bromocresol red to the selection medium). After the pre-incubation, the bacteria are diluted with LB medium (+ ampicillin + bromocresol red) and incubated for 16-18 hours in 24-well, 96-well or 384-well plates at 37 ° C. There is no induction of the reporter gene. The evaluation is carried out either by counting the "positive" (in the case of bromocresol red the yellow) wells or by measurement with a photometer.
* Rückgang der positiven Wells durch Zytotoxizität bei hohen NQO-Konzentrationen* Decrease in positive wells due to cytotoxicity at high NQO concentrations
Ergebnisbeispiel 3:Result example 3:
Langzeittest und Detektion über Farbumschlag (ß-Lactamaseaktivität)Long-term test and color change detection (ß-lactamase activity)
Wird der Langzeittest durchgeführt, kann die Detektion der Revertanten auch über den direkten Nachweis der nach Rückmutation zurückerlangten ß-Lactamaseaktivität erfolgen. Nach der Vorinkubation werden die Bakterien mit LB-Medium (+ Ampicillin) verdünnt und für 16-18 Stunden in 24Well-, 96Well- oder 384Well-Platten bei 37° C inkubiert. Die Induktion des Reportergens entfällt. Nach Zusatz von 50μl ß-Lactamasesubstrat (z. B. Nitrocefin [Testkonzentration 50 μg/ml]) werden die Testansätze 5 bis 10min. inkubiert.If the long-term test is carried out, the detection of the revertants can also be carried out via direct detection of the β-lactamase activity recovered after back mutation. After the pre-incubation, the bacteria are diluted with LB medium (+ ampicillin) and incubated for 16-18 hours in 24-well, 96-well or 384-well plates at 37 ° C. There is no induction of the reporter gene. After adding 50μl ß-lactamase substrate (e.g. nitrocefin [test concentration 50 μg / ml]) the test batches are 5 to 10min. incubated.
Die Auswertung erfolgt entweder durch Auszählen der , positiven' Wells oder durch Messung mit einem Photometer (Nitrocefin: E492 nm). The evaluation is carried out either by counting the 'positive' wells or by measurement with a photometer (nitrocefin: E492 nm).

Claims

Ansprüche Expectations
1. Isolierter prokaryontischer Teststamm zum Nachweis von Mutagenen zumindest aufweisend a) einen revertierbar mutierten Selektionsmarker in Form eines1. Isolated prokaryotic test strain for the detection of mutagens at least comprising a) a revertible mutated selection marker in the form of a
Resistenzgens gegen bakteriotoxische oder bakteriostatische Stoffe oder Einflüsse; b) ein Reportersystem, dessen Expression selektiv in revertierten Bakterien nachgewiesen werden kann.Resistance gene against bacteriotoxic or bacteriostatic substances or influences; b) a reporter system, the expression of which can be detected selectively in reverted bacteria.
2. Teststamm nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Selektionsmarker zugleich auch als Reportersystem dient.2. Test strain according to claim 1, characterized in that the selection marker also serves as a reporter system.
3. Teststamm nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Selektionsmarker ein Antibiotikum- Resistenzgen gegen ein bakteriolytisch wirkendes oder die Proteinbiosynthese hemmendes Antibiotikum ist.3. Test strain according to one of claims 1 or 2, characterized in that the selection marker is an antibiotic resistance gene against a bacteriolytic antibiotic or inhibiting protein biosynthesis.
4. Teststamm nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Selektionsmarker um ein4. Test strain according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the selection marker is a
Tetrazyklin-Resistenzgen, ein Ampicillin-Resistenzgen, ein Kanamycin- Resistenzgen, ein Chloramphenicol-Resistenzgen oder ein Streptomycin- Resistenzgen handelt.Tetracycline resistance gene, an ampicillin resistance gene, a kanamycin resistance gene, a chloramphenicol resistance gene or a streptomycin resistance gene.
5. Teststamm nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Reportersystem bei seiner Expression direkt oder indirekt zu einer Farbreaktion, einem Lumineszenz- oder Fluoreszenzsignal führt.5. Test strain according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the reporter system in its expression leads directly or indirectly to a color reaction, a luminescence or fluorescence signal.
6. Teststamm nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Reportersystem das ß-Galactosidase-, ß- Lactamase- oder Luciferase-Gen bzw. -Operon verwendet wird. 6. Test strain according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the β-galactosidase, β-lactamase or luciferase gene or operator is used as the reporter system.
7. Teststamm nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 zusätzlich aufweisend eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften: a) eine für große, lipophile Moleküle durchlässige Zellwand; b) eine defekte Excisionsreparatur c) eine funktionsfähige Regulationseinheit des SOS-Systems d) die Mutatorgene umuDC und/oder mucAB7. Test strain according to one or more of claims 1 to 6 additionally having one or more of the following properties: a) a cell wall permeable to large, lipophilic molecules; b) a defective excision repair c) a functional regulation unit of the SOS system d) the mutator genes umuDC and / or mucAB
8. Verfahren zum Nachweis von Mutagenen im wesentlichen gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Bereitstellen mindestens eines Teststamms entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 7; b) Inkubation des Teststamms mit dem potentiellen Mutagen; c) Selektion der Revertanten; d) gegebenenfalls Induktion des Reportersystems; e) Nachweis des Genprodukts des Reportersystems und/oder Nachweis des Wachstums der revertierten Stämme.8. A method for the detection of mutagens essentially characterized by the following method steps: a) providing at least one test strain according to one of claims 1 to 7; b) incubation of the test strain with the potential mutagen; c) selection of revertants; d) optionally induction of the reporter system; e) detection of the gene product of the reporter system and / or detection of the growth of the reverted strains.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt e) der Nachweis des Genprodukts des Selektionsmarkers als Nachweis des9. The method according to claim 8, characterized in that in step e) the detection of the gene product of the selection marker as detection of the
Gen Produktes des Reportersystem erfolgt.Gen product of the reporter system.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachweis des Wachstums in Schritt e) mittels eines pH-Indikators im Medium erfolgt.10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that the detection of the growth in step e) is carried out by means of a pH indicator in the medium.
11. Testkit zur Durchführung von Mutationstests im wesentlichen enthaltend einen oder mehrere Teststämme entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 7.11. Test kit for carrying out mutation tests essentially containing one or more test strains according to one of claims 1 to 7.
12. Verwendung mindestens eines Teststamms nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für das HTP-Screening. 12. Use of at least one test strain according to one of claims 1 to 7 for HTP screening.
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